陆地环境古新世-始新世极热事件的矿物学记录——以美国Bighorn盆地和中国南雄盆地为例

摘要

大陆风化被认为对温室气体的调节具有负反馈作用,全球升温增强了大陆硅酸盐矿物的化学风化,从而促进了大气CO2浓度的降低。黏土矿物作为大陆硅酸盐矿物风化过程中重要的产物,可以间接地指示大陆硅酸盐矿物的化学风化强度。发生于～56 Ma之前的古新世-始新世极热事件(PETM)是新生代以来最为显著的一次极端升温事件,主要由于大气中CO2浓度在短期内急剧升高导致的全球性气候变暖事件。古-始新世之交海洋和海岸沉积物中高岭石的普遍增加被认为是全球气候变暖背景下大陆化学风化增强的关键证据。然而,近年来,海洋和海岸沉积物中微体古生物、同位素等证据指示了大陆侵蚀作用的增强,并暗示沉积物中高岭石的增加可能也与流域区侵蚀作用增强有关,因此,根据海洋沉积物反映的大陆风化的变化仍存在着较大的争议。本文选择对大陆风化具有原位记录的古土壤为载体,利用沉积相分析、同位素地球化学、沉积物粒度、黏土矿物、以及铁氧化物矿物等多项指标对美国Bighorn盆地和广东南雄盆地记录的PETM事件的沉积剖面进行分析,探究古新世-始新世极热事件时期不同区域风化类型的矿物学响应,对于理解温室效应对气候和生态环境的影响及其自我修复机制,具有重要的意义。取得的主要认识如下:1.美国Bighorn盆地Polecat Bench剖面为辫状河相沉积,岩性主要以泥岩、粉砂岩以及砾岩为主。古土壤为加积型古土壤,主要发育在砂岩或砾岩之上。古土壤层中黏土矿物为蒙脱石、伊蒙混层(I/S)矿物和高岭石以及少量的伊利石和绿泥石。剖面古土壤中含有赤铁矿和针铁矿两种铁氧化物矿物,两者的含量变化与野外观测到的地层颜色变化相对应。对比两种铁氧化物矿物,赤铁矿含量在极热事件期出现明显的增加,表明Bighorn盆地在进入PETM事件期后处于一种更加季节性干旱的气候条件下。2.对Polecat Bench剖面的黏土矿物、沉积物形貌和结构、粒度分析和土壤成土作用的分析结果表明,PETM事件启动期开始后蒙脱石含量出现明显的增加,PETM事件结束后其含量恢复到极热事件开始时的水平,伊蒙混层矿物、高岭石和伊利石含量变化与蒙脱石含量变化呈相反趋势。PETM事件与非PETM事件期土壤形貌之间存在明显差异,但极热事件期蒙脱石含量的增多与原位成土作用无关,其含量升高主要是因为大陆物理风化加剧导致的碎屑蒙脱石增多所造成。PETM期间,Bighorn盆地以季节性气候为主,造成河岸和上游土壤固结程度降低,同时该期间暴雨更加频繁,加剧了对物源区白垩纪地层中富含蒙脱石斑脱岩的侵蚀,导致Bighorn盆地在PETM事件期间蒙脱石含量增加。同时,通过黏土矿物含量变化和PETM各阶段的时间进行对比,发现黏土矿物含量变化的启动和恢复时间均滞后于PETM启动期和恢复期,可能与盆地接收源区沉积的信号延迟有关。3.中国南雄盆地毛狗湾剖面主要为河湖相沉积,主要以河流相沉积为主。岩性主要以泥岩、粉砂岩、中粒-粗粒砂岩以及砾岩。河漫滩相中发育红色古土壤。古土壤主要呈棕红色到紫红色,发育有典型的成土特征,如滑移、杂色斑点、虫洞遗迹以及成壤碳酸盐结核等。南雄盆地古土壤中黏土矿物主要为伊蒙混层、伊利石、高蒙混层、高岭石以及少量的蛭石和蒙脱石。4.毛狗湾剖面古土壤中成壤碳酸盐瘤同位素记录了一次明显的碳同位素负漂移(CIE)事件,CIE约为-5‰,与全球不同地区成壤碳酸盐记录的PETM事件的CIE(-4～-6‰)相一致。结合毛狗湾剖面上、下地层时代的接触关系,厘清了毛狗湾剖面PETM事件的沉积地层,即:PETM主体高峰期处于剖面位置的165-225m之间,PETM恢复期处于剖面位置的135-165 m之间,而Post-PETM时期处于剖面位置的0-135 m。碳酸盐氧同位素计算结果显示PETM主体期年平均温度(MAT)为～14.2℃,post-PETM平均温度(MAT)为～13.4℃。对比美国Bighorn盆地PETM期间MAT,发现两个盆地在PETM期间年平均温度基本相同。5.对南雄盆地古新世-始新世之交的黏土矿物、沉积物形貌和结构、粒度分析和土壤成土作用的分析结果表明,在PETM期间,盆地内的伊蒙混层矿物含量出现明显的升高,伊利石含量出现减少。I/S混层矿物主要形成于伊利石矿物的表面或边缘,且PETM与post-PETM期间原位成土作用对黏土矿物的形成基本一致,PETM期间较高的I/S矿物主要来源于碎屑沉积。蛭石是季节性温暖潮湿的气候下成土作用的产物,根据同时期不同地区的古气候特征,表明PETM时期南雄盆地的古气候主要以季节性温暖潮湿为特征。降雨量的升高提高了河流的动能,增加了其对源区伊利石矿物以及I/S矿物的搬运能力,从而导致南雄盆地在PETM事件期间I/S含量增加,白垩纪至古新世地层中丰富的I/S主要来源于伊利石转化。6.对南雄盆地毛狗湾剖面沉积物漫反射光谱分析的结果表明,剖面古土壤中含有赤铁矿和针铁矿两种铁氧化物矿物,两者的含量变化与野外观测到的地层颜色变化相对应。对比PETM主体期与Post-PETM两个时期铁氧化物含量,赤铁矿与针铁矿在PETM期间均出现了明显的升高且变化波动较大,说明PETM期间南雄盆地处在季节性气候条件下,伴有明显的干湿交替。7.美国Bighorn盆地和中国南雄盆地均为陆地河流相盆地,PETM期间两者处于相同的纬度带、以及基本相同的气温条件下,但由于海陆分布差异,导致两个盆地具有不同的气候环境特征,从而导致两者之间成土作用形成的产物黏土矿物种类的不同。极热事件期黏土矿物的增多主要为碎屑来源,与增强的大陆物理风化和侵蚀作用增强有关,而与原位成土作用关系不明显,说明PETM期间大陆内部的化学风化作用的信号可能被物理风化和侵蚀作用的增强所掩盖。

目录

摘要

abstract

第一章 绪论

1.1 研究现状

1.1.1 古新世-始新世极热事件

1.1.2 古土壤沉积记录在古气候重建中的研究进展

1.2 存在的问题

1.3 研究目的、研究内容及创新点

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

1.3.3 创新点

1.4 技术路线与主要工作量

第二章 研究区区域地质背景及采样

2.1 Bighorn 盆地区域地质概况

2.2 南雄盆地区域地质概况

2.3 样品采集

第三章 测试方法

3.1 碳、氧同位素分析

3.2 沉积物粒度分析

3.3 X射线衍射分析

3.3.1 XRD测试黏土的制备方法

3.3.2 黏土矿物的定量分析

3.4 漫反射光谱(DRS)分析

3.5 扫描电子显微镜样品分析

3.6 土壤成熟度指数分析

第四章 实验结果

4.1 Bighorn 盆地 Polecat Bench 剖面地层和沉积相特征

4.2 Bighorn 盆地 Polecat Bench 剖面古土壤沉积物特征

4.2.1 粒度分布特征

4.2.2 土壤发育指数特征

4.2.3 矿物微观形貌特征

4.2.4 黏土矿物学特征

4.2.5 铁氧化物矿物特征

4.3 毛狗湾剖面地层与沉积相特征

4.4 南雄盆地毛狗湾剖面古土壤沉积物特征

4.4.1 粒度分布特征

4.4.2 土壤发育指数特征

4.4.3 矿物微结构及形貌特征

4.4.4 黏土矿物学特征

4.4.5 铁氧化物矿物含量特征

4.4.6 成壤碳酸岩瘤稳定同位素特征

第五章 PETM事件期间 Bighorn 盆地的矿物来源及气候响应

5.1 Bighorn 盆地 Polecat Bench 剖面年代

5.2 PETM 期间 Bighorn 盆地的物源

5.3 PETM期间美国 Bighorn 盆地古土壤沉积物中黏土矿物含量变化的因素及来源

5.3.1 沉积物粒度对古土壤沉积物中黏土矿物含量的影响

5.3.2 成土作用对黏土矿物含量的影响

5.3.3 PETM事件对沉积物中黏土矿物含量的影响

5.3.4 PETM 期间 Bighorn 盆地的黏土矿物来源

5.4 Bighorn 盆地黏土矿物对 PETM 事件的气候响应特征

5.5 Bighorn 盆地沉积物中铁氧化物矿物对气候变化的指示

第六章 PETM事件期间南雄盆地古土壤沉积物中黏土矿物来源及气候响应

6.1 南雄盆地毛狗湾剖面年代

6.2 PETM期间南雄盆地的物质来源

6.3 PETM期间南雄盆地古土壤沉积物中黏土矿物含量变化的因素及来源

6.3.1 沉积物粒度对黏土矿物含量的影响

6.3.2 成土作用对黏土矿物含量的影响

6.3.3 PETM事件对沉积物中黏土矿物含量的影响

6.3.4 PETM期间南雄盆地的黏土矿物来源

6.4 南雄盆地黏土矿物对PETM事件的气候响应特征

6.5 南雄盆地铁氧化物矿物对气候变化的指示

6.6 南雄盆地PETM期间年平均温度

第七章 不同区域大陆风化特征对PETM事件的响应

7.1 PETM事件期间河流相盆地中大陆物理风化信号增强

7.2 PETM事件期全球不同地区大陆风化特征对比

第八章 主要结论及展望

8.1 主要结论

8.2 存在的问题和研究展望

8.2.1 存在的问题

8.2.2 研究展望

参考文献

附录