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柴达木盆地北缘早始新世—上新世环境演变及生物群研究

宋博文  
【摘要】:海相地层和陆相地层的全球展布使得我们可以对不同的气候过程进行对比研究。长时间尺度和连续的沉积序列是一系列古气候因子的重要载体。在晚白垩-古新世印度板块与亚洲板块碰撞及随后高原隆升的过程中,高原内部及周缘地区形成了数目众多的新生代沉积盆地。其中,位于青藏高原北缘的柴达木盆地因其巨厚的新生代沉积序列(早始新世-上新世)为研究新生代青藏高原的隆升历史和地球新生代古气候演变提供了重要的沉积载体。 在本次研究中,我们通过对柴达木盆地大红沟剖面下段早始新世-早中中新世地层(52.0-18.5Ma)开展全岩地球化学,并结合粘土矿物,沉积物颜色和孢粉学的研究,为柴达木盆地早始新世-早中新世期间的古气候演变历史和青藏高原新生代早期的隆升历史研究提供新的沉积学证据。 根据研究剖面元素比值,化学风化指数和岩层色度垂向上的变化,我们将大红沟剖面记录的研究区早始新世-早中新世的古气候演变划分为3个主要阶段:①早-中始新世(52.0-43.0Ma)。在该时期,化学风化指数CIW'表现为整个研究剖面的最高值,指示了研究地层最高强度的化学风化速率;于此同时该时期研究剖面地层的红度在整个剖面色度变化序列中也是最高的时期。以上的证据指示出研究区在早-中始新世(52.0--43.0)时期古气候特征总体上是温暖潮湿的,而这种认识也得到了先前大红沟剖面孢粉学研究的支持。而研究剖面阶段1地层中绿泥石含量表现为整个剖面的最低值,这一特征也指示出该时期具有温暖湿润气候背景下高化学风化强度的特征。②中始新世-早渐新世(43.0-~30.0Ma)。在该阶段,CIW,K/Na和Rb/Sr比值整体相比较阶段1表现为迅速的降低,于此同时该段地层沉积物总体红度相比较阶段1也表现为大幅降低。此外,大红沟孢粉学记录显示43.0Ma左右是研究区孢粉类型转变的关键时期。研究区43.0Ma左右开始的化学风化强度和植被特征的重大转变表明研究区柴达木盆地发生了一次重大的古气候转折事件;③早渐世-早中新世(30.0-~18.5Ma)。化学风化强度在21.5Ma表现为突然迅速的降低,指示研究区在21.5Ma古气候由较温暖转变为干冷为主。 众多学者已经对青藏高原在新生代早期的隆升历史进行过研究。许多古高程定量的证据表明原西藏高原在古近纪已经形成。43.0Ma左右研究区柴达木盆地发生了一次强烈的变冷变干事件,代表了亚洲内陆的中始新世的一次干冷事件。我们认为本次研究的柴达木盆地大红沟剖面记录的中始新世43.0Ma右的变冷变干事件与当时青藏高原南部及中部达到一定的高度并阻挡了来自印度洋的温湿气流有关。先前的气候模拟研究显示始新世期间亚洲内陆的新特提斯残留海仍然为中国西北地区提供大量的水汽来源,新生代特提斯残留海的退出对我国西北地区的干旱扮演着重要角色,因此我们也不能排除特提斯残留海在中始新世的海退对研究区柴达木盆地中始新世变冷变干事件发生的影响。 早始新世大暖期(EECO)是晚白垩世以来地球最温暖的时期。在本次研究中,我们在有精确磁性地层年龄约束的柴达木盆地北缘大红沟剖面下段路乐河组地层全岩地球化学,粘土矿物学以及碳酸盐岩碳氧同位素研究的基础上,揭示出早始新世大暖期(EECO)在青藏高原北部柴达木盆地的记录,并进行全球对比,进而探讨其形成的机制。 在柴达木盆地,本次研究的大红沟剖面下段早-中始新统路乐河组118-130m发育了一套与其下伏及上覆地层相比具明显高红度的古土壤层,该古土壤层十分发育并且在横向可以进行追溯对比。我们的精细磁性地层学研究显示该土壤层的发育时期为50.68-50.48Ma,与当时地球早始新世大暖期的高峰期十分一致。该古土壤层除了显著的高红度以外,同时具有整个路乐河组最高的化学风化指数CIW'和(S+Ka)/(Ch+I)值。综上所述,我们研究剖面早-中始新统路乐河组50.68-50.48Ma发育的这套古土壤层是早始新世大暖期(EECO)在柴达木盆地的记录。同时,我们用上古土壤层中的碳酸盐岩结核作为载体来研究该古土壤层发育同期(50.68-50.48Ma)的地球CO2浓度。我们基于本次研究的红色古土壤层(50.68-50.48Ma)中碳酸盐岩结核碳同位素平均值-7.93‰(1σ=±0.45),计算出了该古土壤层发育时期(50.68-50.48Ma)地球大气pC02为604ppmV(±129,1o)。这一结果比工业革命之前地球大气CO2分压值280ppmv高很多。我们认为本次研究的大红沟剖面下段路乐河组地层这套高红度古土壤层的发育与早始新世大暖期(EECO)期间地球大气中显著高的CO2浓度导致的研究区化学风化速率大幅增加密切相关。 作为世界上最广阔的的内陆干旱区,亚洲内陆地区对全球和地区的气候变化十分的敏感。在本次研究中,我们以大红沟剖面上段中中新统上油砂山组地层为研究对象,通过介形类属种变化,壳体碳氧稳定同位素和全岩地球化学的研究,来研究当时柴达木古湖的古环境演变历史以及其对晚新生代亚洲内陆干早化的时间和机制的启示。 研究地层微体古生物资料显示中中新世柴达木盆地北缘的沉积环境为边缘淡水-咸水湖泊相。在古环境变化方面,我们根据古水文学的变化将本次研究的中中新统湖相-湖泊三角洲相地层的演化划为为2个阶段,这两个阶段分别具有各自不同的介形类面貌,碳氧稳定同位素和古化学风化特征。阶段1(13.78-13.35Ma):该阶段介形类壳体碳氧同位素δ18O和δ13C均表现为显著低值,同时δ18O和δ13C之间表现为非常低的协变度,指示了相对温暖气候下的湖泊扩张期。同时在介形类种属方面主要为喜淡水类介形类占绝对优势。而在化学风化强度方面,CIW'和K/Na值在阶段1均表现为高值,指示了研究区相对高的化学风化强度和温暖湿润的古气候特征;阶段2(13.35-12.36Ma):该阶段介形类壳体碳氧同位素δ180和δ13C均表现为显著高值,同时δ18O和δ13c之间表现为较高的协变度。δ18O和δ13C协变度的大幅增加显示柴达木古湖由先前的阶段1开放湖泊转变为半封闭-封闭湖泊。在介形类种属方面由先前的喜淡水类介形类占优势转变为以喜咸水介形类占绝对优势,同时介形类的分异度显著降低,在该段只产出正星介一属。同时,蒸发岩类矿物石膏和石盐在该段的大幅增加也指示了柴达木古湖在在阶段1和2之交发生了迅速的咸化,之后一直保持为封闭的咸化湖泊。而在化学风化强度方面,CIW'和K/Na值指示的化学风化强度在该阶段相较于阶段1有着大幅度的降低,指示出研究区在13.35Ma之后古气候的整体变冷变干。 亚洲内陆地区13Ma左右的干旱加剧事件在青藏高原北缘众多沉积盆地中均有记录。一系列证据表明青藏高原北部中中新世13Ma左右表现为强烈构造活动期,代表了青藏高原北部在中中新世~13Ma发生的一期强烈构造隆升事件。我们认为中中新世青藏高原北部的广泛隆升改变了该地区的大气环流及降水模式,导致了柴达木盆地中中新世13.35Ma气候干旱加剧,盐湖开始迅速发育。此外,地球在中中新世14Ma以来的变冷趋势同样也加剧了研究区气候整体趋于冷干。而关于新特提斯残留海在塔里木盆地的最终海退的确切时间目前仍没有定论,所在我们并不能排除特提斯残留海在塔里木的海退对柴达木盆地中中新世干旱化加剧的影响。


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