天水盆地尧店剖面色度记录的晚中新世气.doc

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1、精品论文天水盆地尧店剖面色度记录的晚中新世气候变化及其影响因素张军5（兰州大学西部环境与气候变化研究院，兰州大学西部环境教育部重点实验室， 兰州 730000）摘要：青藏高原东北缘天水盆地新近纪发育了典型河湖相沉积地层，蕴含着丰富的环境变化 信息。基于磁性地层年代，通过对天水盆地尧店剖面沉积物高密度采样和系统的色度测量， 获取了 12.46.3 Ma 色度变化序列。结合碳酸钙、磁化率以及全球氧同位素变化曲线，揭示10出该区气候经历了 12.411.67 Ma 的暖干、11.679.23 Ma 的暖湿阶段，经 9.237.1 Ma 的冷 湿阶段，转变为 7.1 6.3 Ma 的冷干气候。通过多指

2、标记录的气候特征分析，认为色度指标 变化可能主要是受控于碳酸钙含量变化，有机质和铁氧化物因素起次要作用；同时指出在新近纪还原环境古气候研究中，色度指标可能比磁化率更具优势。关键词：天水盆地；尧店剖面；色度；气候变化；影响因素15中图分类号：P532Late Miocene climatic changes recorded by Colors in the Yaodian section of the Tianshui Basin and its influencing factors20Zhang Jun(Research School of Arid Environment and Cli

3、mate Change & Key Laboratory of Western Chinas Environmental Systems (Ministry of Education),Lanzhou University, LanZhou 730000) Abstract: Typical Neogene fluvio-lacustrine sediments of the Tianshui Basin in the NE Tibetan Plateau provide a lot of information of the Neogene climate history in this r

4、egion. High-resolution25sampling and color measurement of the sediments along the Yaodian section in the Tianshui Basin were carried out, based on the magnetstratigraphic chronology, the successive color variations during 12.46.3 Ma were obtained. Combined with the CaCO3 abundance, Susceptibility an

5、d global oxygen isotopic curves, the climate change of this region during 12.4-6.3 Ma could be divided into four stages: warm-dry during 12.411.67 Ma, warm-wet during 11.679.23 Ma,30cool-wet during 9.237.1 Ma and cool-arid during 7.1 6.3 Ma. Analysis of the climatic features recorded by multiple cli

6、matic proxies shows that sediments color value is mainly affected by theCaCO3 content, while TOC and iron oxide plays a subordinate roles, and is more reliable than susceptibility to extract paleoclimate information from strata deposited in reducing environment. Keywords: Tianshui Basin; Yaodian Sec

7、tion; Sediment Color; Climate Change; Influencing35factors0引言新近纪环境变化作为新生代全球变化研究的一项重要内容，不仅关系到全球地理分布格 局和形成过程，而且也涉及对全球板块活动、古气候和古生物演化及人类出现与进化等一些40重大科学问题的正确理解；同时也对东亚乃至整个亚洲地区环境形成产生了深远影响。随着 近几十年来，以深海沉积、冰芯、黄土为代表的第四纪沉积记录研究的不断深入和日趋成熟， 地质记录研究向着更长时间序列和更高时空分辨率机制探讨两个方向发展，使新近系沉积记 录研究日益受到更多关注。前人已对临夏盆地自 29 Ma 以来的河湖相

8、沉积1-3、黄土高原地基金项目：国家自然科学基金（41101012，41021091）；高等学校博士学科点专项科研基金（20090211120027）作者简介：张军，（1977-），男，讲师，主要研究方向：地貌与环境变化。 E-mail: zj. E-mail:zj- 2 -区红黏土4-8和南海始于 33 Ma 以来的深海沉积等地质记录9-11进行了长序列环境变化研究，45取得了一系列突破性进展。然而，长序列沉积记录因受到保存条件、大规模人力财力投入、 实验手段缺乏等诸多因素限制而进展缓慢。为此，寻找更加快捷灵敏、投入小、操作简便的 研究方法就显得尤为迫切。目前，沉积物色度指标作为古气候研究比

9、较灵敏手段之一，已经在第四纪以来的气候变 化研究得到了较多应用，取得大量较高水平研究成果。现代表土色度与气候关系研究表明，50亮度在温带湿润-干旱区与气候关系密切，红度和黄度则在热带-暖温带湿润区相关性最好， 在相对湿度较高地区气候特征的表征比磁化率更具优势；色度指标可以在冰期-间冰期百年 尺度、千年尺度和万年尺度上很好地记录亚洲季风和全球气候变化，是一种可靠的气候变化 待用指标12,13。而洛川黄土白度参数研究发现，白度值在黄土层较古土壤要高，反映夏季风 环流强度变化，其主要是由细粒径铁氧化物含量变化所引起的14。渭南和西峰黄土-古土壤55颜色研究发现，亮度变化与铁氧化物、有机质和碳酸盐有关

10、，而红度主要受控于铁氧化物种 类和含量15。最近来自靖远黄土色度深入研究表明，亮度与碳酸钙成正相关，而与 TOC 成 反相关，可指示当时的降水状况和植被发育程度，红度随赤铁矿增加而增大，可反映冰期旋 回的降水变化16。此外，来自苏北盆地中更新世以来钻孔沉积彩度指标发现, Ca* b* 对降水 的变化反应敏感, 可以用来指示东亚夏季风强度和气候暖湿程度变化17。相比较而言，颜色60代用指标在新近纪沉积中的应用较少。西峰红土亮度学特征研究发现，亮度值和碳酸盐含量 在变化趋势和幅度上有较强正相关性，对其有较强指示意义18。来自临夏盆地 134.4 Ma 高分辨率湖相沉积色度记录，明确揭示出发生在 8

11、 Ma、6.2 Ma 的二次重大气候转型事件和 气候变化的三个阶段。在西班牙利用色度指标对 Teruel 盆地晚中新世冲积扇至湖相沉积物 进行研究，揭示这一时期存在米兰科维奇天文气候周期，并通过时间序列分析对晚中新世国65际标准古地磁年表进行了修正19,20。可见，虽然目前新近纪颜色记录研究较少，但从现有的 研究来看，已取得较好的研究效果。而且如前所述，河湖相沉积作为一种蕴含着丰富古气候 变化信息的研究载体，无论从分布广度还是所能获取信息分辨率精度来看，都具有明显的潜 在优势。天水盆地位于东部季风区向西北内陆干旱区和青藏高原高寒区的过渡地带，对青藏高原70东北缘的构造运动和气候变化响应敏感。该

12、区已有的新近纪研究主要集中在古生物地层学和 脊椎哺乳动物化大化石的研究方面21-23，有关新近纪古环境及其演化的工作，与仅有一山之 隔的六盘山以东陇东黄土高原地区相比，鲜有开展。直到 2002 年在秦安县境内报道了始于22 Ma 连续“黄土-古土壤”风尘堆积序列，并指示青藏高原可能当时已经隆升到一定高度，导 致西北内陆干旱化的发生24。然而近年来，随着天水地区研究工作的不断深入25-29，形成75了对该区新近系沉积成因认识的不同观点27，并围绕这一问题集中开展了年代学和环境指 标两个领域的研究工作，其中环境代用指标相继从粒度、磁化率、化学元素、土壤微形态、 沉积特征与沉积相、孢粉、生物标志化合

13、物等诸多方面进行较为深入的探讨，但目前争议尚 存，因为如磁化率、孢粉、粒度等指标容易受到后期改造作用（成岩、淋溶作用、压实、土 壤化等）的影响，从而丢失原始沉积时的古环境信息，而土壤微形态、化学元素等指标在判80断成因方面具有多解性，并不能据此来准确判断沉积环境。为此有必要开展更为广泛、深入 的研究与探讨。此外，对天水盆地新近纪气候演变过程、发生机理及其与构造活动、全球变化关系等问题，目前仍认识不清楚，很有必要进一步深入研究。虽然从不同角度已开展了多 指标的研究，但是对于古气候反映灵敏、且在第四纪古气候研究中被广泛使用的色度指标目 前该区尚无报道。经过多年研究发现，天水盆地在新近纪较为普遍的发

14、育了河湖相沉积地层- 3 -85909510010511029，其中以尧店剖面为代表的新近纪细粒沉积稳定而连续，形成了不同尺度清晰的沉积韵 律旋回，记录了沉积环境及其演化的丰富信息，主要表现在沉积层颜色、结构和岩性等方面 变化，这为开展颜色指标研究提供了很好的材料。本文试图对沉积连续、发育稳定和已有高 精度古地磁年代控制的尧店剖面，开展系统的色度记录研究，探讨这一时段天水盆地古气候 演化过程和可能驱动因素。1地质概况与地层年代从构造地质上来看，陇中盆地位于东部鄂尔多斯板块、东南部扬子板块、西南部羌塘板 块和北部阿拉善板块交汇地带，新生代以来形成了临夏盆地、西宁盆地、贵德盆地、天水盆 地等一系列

15、次一级盆地，发育了巨厚新生代沉积地层，蕴含着青藏高原东北缘丰富的新生代 构造活动和气候变化信息。天水盆地处于陇中盆地东南隅，北以华家岭为界、南至西秦岭， 东临六盘山，构造上被北部左旋走滑的西昆仑-东祁连-海原断裂和南部的西秦岭北缘深大断 裂所围限。该区新生代地层先前统称为“徽县系”、“甘肃建造”或“甘肃系”，后来经甘肃第二 区调队区域地质详查后，将古近纪划归为“固原群”，古近纪命名为“甘肃群”26。天水盆地新 近系地层与其上第四系和其下古近系地层均成不整合接触发育，根据沉积相与沉积地层特征 可将其划分为洪泛平原相和浅湖相甘泉组、河湖相尧店组、洪泛平原相杨集寨组和湖相喇嘛 山组四套地层，以细粒径

16、粘土或粘土质粉砂偶夹砂砾岩条带或透镜体沉积为主，整个盆地沉 积厚度从南至北减薄，沉积粒径逐渐变细，具有典型的前陆盆地沉积特征。天水盆地现属温 带半湿润大陆性季风气候区，多年平均气温约为 10.85，多年平均降水量约为 517mm，多 年平均蒸发量为 12001600mm，是降水量的 2-3 倍左右。位于东部季风区向中部半干旱半 湿润草原区的过渡地带，以开阔林地和草原混合植被类型主，北部为温带草原植被30。图 1 天水盆地地质概图及尧店剖面位置Fig. 1 Geologic sketch map of Tianshui Basin and the location of Yaodian sect

17、ion尧店剖面（10555E，3438N）位于天水盆地中南部，天水市麦积区向北约 10 km 的尧 店村附近，渭河支流牛头河西岸，剖面底部以角度不整合方式超覆于泥盆系变质之上，上覆 第四纪黄土。整个剖面自下而上主要发育了新近纪甘泉组、尧店组和杨集寨组地层，其中尧- 10 -115120店组作为该剖面最为发育的一套经典地层，因此而得名26。本剖面甘泉组（厚度 34.8 m） 由棕红色泥岩或粉砂质泥岩与浅褐黄色钙质泥岩或钙结岩韵律旋回构成，偶夹砂砾或薄层灰 绿色钙质泥岩、泥灰岩条带所组成，呈块状构造，偶见水平层理，属洪泛平原沉积。尧店组 地层可分为上、下两个部分，下段（厚 70.2m）主要由土黄色

18、厚层细砾质砂岩和砂岩与浅褐 红色粉砂岩、粉砂质泥岩组成, 偶夹深褐红色薄层泥岩或古土壤层，包括 3 个向上变细的层 序旋回组成，每个旋回底部为细砾质砂岩和砂岩透镜体，具板状、槽状交错层理构造，向上变为厚层砂岩和粉砂质或泥岩，属典型河道沉积；尧店组上段（厚 79.5 m）主要由灰绿-灰 白色泥灰岩或砂质泥灰岩、内碎屑泥灰岩，与褐红色粉砂岩、泥岩互层组成，水平、波状和 沙纹层理发育，藻类、介形类和泥灰岩碎屑多见。尧店剖面杨集寨组（厚30.5 m），由褐表 1 天水盆地尧店剖面新近系沉积地层特征与年代Tab. 1 Sedimentary characteristics and age of the

19、Yaodian section at the Tianshui Basin组名年代（Ma） 地层特征 沉积相杨集寨组7.16.3 棕红色泥岩或粉砂质泥岩与浅褐黄色钙质泥岩或钙结岩洪泛平原韵律旋回，偶夹砂砾或薄层灰绿色钙质泥岩、泥灰岩条带尧店组9.237.1 灰绿-灰白色泥灰岩或砂质泥灰岩、内碎屑泥灰岩，与褐浅湖沉积红色粉砂岩、泥岩互层11.679.23 土黄色厚层细砾质砂岩和砂岩与浅褐红色粉砂岩、粉砂质洪泛平原泥岩组成, 偶夹深褐红色薄层泥岩或古土壤层 河道沉积甘泉组12.411.67 褐红色粘土质泥岩、褐黄色钙质粉砂质泥岩，偶夹具水平湖相沉积层理的灰绿色或蓝灰色泥灰岩薄层和钙质结核 洪泛平原

20、125130135140145根据 Li et al. 26红色粘土质泥岩、褐黄色钙质粉砂质泥岩，偶夹具水平层理的灰绿色或蓝灰色泥灰岩薄 层和资料钙质结核，属洪泛平原沉积。依据整个盆地的沉积地层对比关系和已发现的灞河期 哺乳动物化石宏观年代，通过高精度磁性地层学年代的研究，获得尧店剖面 215m 的新近系 沉积地层的古地磁年代分别为甘泉组 12.411.67 Ma，尧店组下段为 11.679.23 Ma、上段为9.237.43 Ma，杨集寨组年代为 7.16.3 Ma26。2采样与实验测试为了获得可靠的实验样品，避免因地表后期风化而影响测试结果，首先在剖面上开挖深 槽清除后期次生色表土层，在原

21、始新鲜地层中采样后立刻放入塑料自封袋中密封，防止样品 与空气接触氧化，对整个剖面一般按 0.5 m 间距实施采样，个别露头风化层覆盖严重处，适 当放大间距，共获得色度实验样品 408 块。色度指标的度量一般有门塞尔的表色系统和 CIELAB 表色系统两种方法，前者由色调（hue）、亮度（value）和彩度（chroma）三个参数来衡量，由 Munsell1905 年提出31。 而国际照明委员会 1976 年颁布的 CIELAB 表色系统则由亮度（L*）、红度（a*）和黄度（b*） 三个参数来表征的，其中 L*变化介于黑和白之间（范围 0100），a* 变化于绿和红之间（范 围6060），b*

22、变化于蓝和黄之间(6060），即 a* 代表红绿，b* 代表黄蓝32；而色 度指标彩度 Ca* b*（Ca* b*=( a*)2+( b*)21/2）是反映 a*、b*彩色变化的总体特征17。CIELAB 表色系统相较门塞尔表色系统使色度的空间表达由定性转为定量化16，使颜色记录的描述 更趋客观真实，因而本文基于 CIELAB 表色系统进行了实验测试和结果分析。实验采用了基于 CIE 标准制造的日本美能达公司的 SPAD - 503 土色仪，依据严格的仪 器测试光学条件来完成，使用了 CRA74 白色校正板，标准偏差控制在 0. 1 以内。将样品 在 40低温以下烘干，研磨后用 200 目筛过

23、筛；然后取 23g 置于白色参照色板上压实、压150155160平后，随机选取 3 个不起皱平整区域开展测量，对每个实验样品测得的三组数据进行求平均后，最终得到色度样品各个参数值。3测试结果与讨论天水盆地新近纪尧店剖面色度指标测试结果显示（图 2），从古近系与新近系界限年龄12.4 Ma 开始，色度指标参数随时间序列呈现一致规律性变化，可划分为 12.411.67 Ma、11.679.23 Ma、9.237.1 Ma 到 7.16.3 Ma 四个变化阶段，L*值先增大、随后再减小、再增 大和变小的过程，而 a*、b*、Ca*b*三个颜色参数表现出极强的一致性变化，与 L*值的变 化趋势相反。由

24、图 3 可见，L*和 a*、b*、c*的相关性系数 R 值分别都达到了 0.84 以上，表 现出较强的负向反相关，而 a* 、b*与 Ca*b*三者之间表现为极强的正相关（其中 a*与 b* 相关系数达到 0.9291（图 3c），这与前人在黄土-古土壤、湖相及现代表土色度指标参数 结论一致13,15,16,33。图 2 天水盆地尧店剖面色度指标记录(a) 亮度 L* (b) 红度 a* (c) 黄度 b* (d) 彩度 Ca*b* Fig. 2 Color record of the Yaodian section at the Tianshui Basin(a) brightness L*

25、 (b) redness a* (c) yellowness b* (d) chroma Ca*b*165170175图 3 尧店剖面色度各参数相关性Fig. 3 Correlation of different Chroma parameters of the Yaodian section从尧店剖面沉积相和沉积特征来看（表 1 ），这四个阶段则分别对应于从甘泉组（12.411.67 Ma）洪泛平原沉积到尧店组下段（11.679.23 Ma）河道沉积、尧店组上段（9.237.1 Ma）浅湖沉积，最后转变为杨集寨组（7.16.3 Ma）洪泛平原沉积的发育时期， 由此可见，从沉积物所提取的颜色参

26、数变化序列信息得到了宏观沉积环境演变过程的有力支 持，这可能正是二者对环境变化统一的反映，也证实色度作为一种第四纪常用的待用指标在 新近纪河湖相沉积研究中的可适用性。另外，通过野外地层特征详细勘查和测试结果对比分 析发现，在典型浅湖相韵律层中代表水深依次增大的沉积层颜色灰蓝色、灰绿色、灰白色、 灰黄色和浅棕红色中，碳酸钙在灰白色层中一致含量最高，灰绿色和灰蓝色层含量居中，灰 黄色和浅红色碳酸钙值含量较低；还发现在新近系气下氧化环境中发育的红土层，一般碳酸 钙含量较低，而经淋、溶淀积形成的钙板层或钙结核层碳酸钙含量明显升高。180图 4 尧店剖面碳酸钙含量与色度参数相关性Fig. 4 Corre

27、lation of CaCO3 abundance and Chroma parameters of the Yaodian section185190195200色度指标应用于环境变化研究，除受到后期风化次生色、实验光学条件、沉积物湿度、颗粒粗糙度等条件影响外，主要受控于与古气候关系密切的沉积物碳酸盐、有机质含量、铁 氧化物的含量与种类。只有与气候变化密切相关的自生碳酸盐含量才能作为一种气候代用指 标，尧店剖面新近纪碳酸钙含量同 a*、b*正相关（R=0.4892）(图 4b, 4c)，而与 L*呈反相关 关系（R=0.7158）（图 4a），碳酸钙对亮度影响最大。从沉积地层岩性特征来判断，

28、尧店 剖面沉积物中自生碳酸钙含量较高，可能对色度影响较大。同时，天水盆地新近系沉积物有 机质含量相比第四纪以来沉积物很低，这可能是地层时代较老受地质成岩、改造作用和保存 条件等因素影响所致，这点得到了不同地质时期保存的孢粉含量相关研究的证实。而铁氧化 物中一般主要是赤铁矿、磁铁矿和针铁矿含量与种类影响颜色值大小，但在更湿润条件下（例 如河湖相的还原环境中），还可生成黄铁矿、沼铁矿、褐铁矿和硫黄铁矿16等矿物，使得 研究更趋复杂。为了更准确地理解色度指标在新近系地层的环境指示意义及所记录的天水盆地古气候 演变，本文除色度指标重点研究外，考虑到上述三个因素的影响，还选取了该剖面碳酸钙、 磁化率和全

29、球氧同位素记录来对比研究，有机质因素指示的降水条件则依据各套地层中古生 物情况和沉积相大致判断。从多个指标反映的四个阶段整体特征来看（图 4），12.411.67 Ma 亮度值和碳酸钙含量逐渐增大，红度和彩度则相反；沉积特征为以浅红色洪泛平原沉积为主， 接近甘泉组上部发育了灰绿色或灰黄色湖相韵律层沉积，指示气候逐渐变干。11.679.23 Ma 亮度值、碳酸钙含量降低，红度和彩度值增加；沉积特征为尧店组下段发育灰白色典型河道 与红色洪泛平原沉积，表明气候变湿；同时该段下部大型河道砂层中发现了渭河三趾马、维 氏大唇犀、斯氏弓额猪、羚羊和萨摩麟等灞河期大型三趾马动物群常见大化石，从食物链的 角度指

30、示当时植被条件较好，可能存在较高的有机质对色度指标有所贡献。深海氧同位记录 表明，全球温度在 12.46 Ma 期间总体趋势是降低的，但 12.49.23 Ma 温度相对较高，由此 可见，这个阶段气候更为暖湿，而前一阶段则相对暖干。而到 9.237.1 Ma 亮度值和碳酸钙205210215220225230含量明显升高，红度和彩度值相应变低，可能是气候高频波动过程中沉积了大量灰白色泥灰岩所致。各个参数值高频高幅震荡，气候很不稳定，尧店组上段发育典型灰绿、灰蓝色浅湖 相“斑马层”， 其中可见大量水生藻团和鲕粒结构沉积，总体具有偏冷湿特征，温度表现为 一个较冷时期，可能属冷湿阶段。最后的 7.1

31、6.3 Ma 亮度值和碳酸钙含量明显降低，红度 和彩度值大幅升高，发育了杨集寨组棕红色洪泛平原沉积，这个时期温度在较强波动中缓慢 降低，在前三个阶段一直表现为平稳低值的磁化率值，在这个阶段则突然陡增，可能是由于 气候剧烈干旱化引起大量铁氧化物产生所致，气候特征冷干。可见，天水盆地在 12.46.3 Ma 期间，古气候经历了相对比较暖干、暖湿、冷湿和冷干为主要特征的四个演变阶段。图 5 天水盆地尧店剖面色度指标序列与碳酸钙、磁化率及深海氧同位素对比(a) 碳酸钙含量(%) (b) 亮度 L* (c) 红度 a* (d) 彩度 Ca*b* (e) 磁化率 MS (f) 氧同位素曲线34 Fig.

32、5 Comparison of the color records from the Yaodian section at the Tianshui Basin, with CaCO3, susceptibility and deep sea oxygen isotopes(a) CaCO3(%) (b) brightness L* (c) redness a* (d) chroma Ca*b* (e) magnetic susceptibility (f) deep sea oxygen isotopes34从尧店剖面整体来看，碳酸钙含量和亮度值呈同步一致性变化，与红色、黄度和彩度呈 同步反

33、向变化，色度指标的主控因素是碳酸钙含量，其次可能有机质和铁氧化物也有一定贡 献。在杨集寨组发育时期磁化率比碳酸钙指标表现出与色度指标更好的一致变化趋势，而碳 酸钙含量与其他参数在变幅上出现了明显差异，说明这样时期铁氧化物的因素影响比重增 大。然而磁化率在前面三个河湖相沉积阶段对气候变化不敏感，与色度和碳酸钙指标获取的 信息存在很大差异，不能真实反映气候的演化过程。可见磁化率在河湖相地层中作为一种气 候代用指标有严重缺陷，要引起特别注意；而色度和碳酸钙指标对许多较小的气候事件也都 能作出敏感的响应，表明在开展还原环境古气候研究中，它们比磁化率指标更具优势和潜力。4结论通过对天水盆地尧店剖面（古地

34、磁年代为 12.46.3 Ma）沉积物颜色指标的测试分析， 并与碳酸钙、磁化率和全球深海氧同位素记录相对比，探讨色度所反映的古气候演化及其影235240响因素，初步得出以下几点认识：（1）天水盆地尧店剖面色度、碳酸钙记录的同步变化显示，碳酸钙可能是色度参数的 主要控制因素，有机质和铁氧化物居次要地位。（2）各项指标与沉积相、沉积特征的综合研究表明，该区从 12.46.3 Ma 期间，气候 经历了 12.411.67 Ma 暖干、11.679.23 Ma 暖湿阶段，经 9.237.1 Ma 的冷湿阶段，最后变 为 7.1 6.3 Ma 的冷干气候，与沉积相记录的气候演化过程相一致。（3）从尧店剖

35、面河湖相沉积的色度、磁化率、碳酸钙记录的气候演变来看，色度比磁 化率在河湖相地层中更能真实反映气候变化特征，更具潜力；磁化率在还原沉积环境指标中 应用时，需谨慎对待。参考文献 (References)2452502552602652702752802851 Dettman Dl, X Fang, Cn Garzione, J Li. Uplift-driven climate change at 12 Ma: a long delta 18O record from the NE margin of the Tibetan plateau J. Earth and Planetary Scie

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