晚中生代灤平盆地古氣候環境演化
——基于化學風化強度重建

殷藝天，張來明，顧 雪，余晨旻，吳培衍

(中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院，北京 100083)

熱河生物群是早白堊世東亞地區重要的陸地生物群[1]，前人發現大量保存完好的化石，包括腹足類、雙殼類、甲殼類、昆蟲類和蛛形類等無脊椎動物，無頜類、軟骨魚類、硬骨魚類、兩棲類(無尾和有尾兩棲類)、爬行類、鳥類和哺乳動物等脊椎動物，以及藻類、苔蘚、蕨類、裸子植物、被子植物等主要植物門類，其中遼西地區發現的帶羽毛恐龍化石是著名的早期鳥類記錄，被子植物化石則是開花植物進化的最古老記錄之一[2]。研究熱河生物群對于了解現代地球生態系統中一些主要生物類群(如真獸類和后獸類哺乳動物、鳥類、昆蟲若干亞類群以及被子植物等)的起源和早期演化具有重要意義，是觀察完整的早白堊世陸地生態系統組成和演化的最佳選擇[2]。構造活動和古氣候變化是影響熱河生物群演化的關鍵驅動因素[1]，華北克拉通破壞造成的構造活動導致了廣泛發育的斷陷盆地，形成了眾多淡水湖泊；頻繁的火山活動為淡水湖泊提供了大量營養物質，也造就了多變的氣候環境，對生物群產生了強大的選擇性壓力[1]。因此，研究熱河生物群的古氣候環境背景對理解早白堊世東亞陸地生態系統具有十分重要的意義[2]。

前人將熱河生物群分為三個演化階段：第一階段僅局限于河北北部等較小的地理范圍，第二階段擴展到華北以及蒙古板塊的較大區域，第三階段地理分布最大[1](圖1(a))。值得注意的是，受限于地理環境等因素，第一階段的生物多樣性相對較低，與第二、三階段的整體繁盛形成鮮明對比。前人對熱河生物群開展的古氣候環境研究主要集中在第二、三階段，關于第一階段的研究較少[2]，這限制了對熱河生物群早期演化的理解。本研究整合并梳理了前人關于灤平盆地年代學與沉積學工作，采用元素地球化學等方法，重建了灤平盆地晚侏羅世到早白堊世古氣候環境演化，并進一步探究了古氣候變化和火山活動對生物多樣性的影響。

(a)熱河生物群階段分布圖；(b)灤平盆地地層分布圖

1 地質概況

灤平盆地地處河北省承德市(東經117°18′～117°51′，北緯40°41′～41°07′)，位于華北板塊北緣的燕山褶皺帶內，地層保存較為連續與完整，出露包含燕遼生物群和熱河生物群第一階段的地層，在研究生物群連續演化與更替方面具有重要價值。中侏羅世—早白堊世是灤平盆地的主要成盆期，盆地充填了數千米厚的陸相碎屑沉積，以紅色和雜色碎屑巖及中性和酸性火山巖共生為特征(圖1(b))。基于前人年代學研究，重新梳理了灤平盆地的年代學格架(圖2)，除九龍山組底部163.4 Ma年齡來自相鄰的承德盆地[8]，其余年齡均來自灤平盆地內[9]。

圖2 灤平盆地年代地層格架圖

盆地中、晚中生代九龍山組發育在起伏不平的變質巖基底之上，底部以辮狀河沉積為主，隨著沉積過程水體逐漸加深，局部沉積了湖相細碎屑巖。髫髻山組以安山巖為主，夾少量泥巖、砂巖，代表盆地火山活動的增強，是火山噴溢充填階段。然后，盆地接受了一套厚達1 400 m的土城子組沉積，屬于扇三角洲向濱淺湖過渡的沉積環境。之后，構造活動再次增強，大規模酸性火山巖噴發形成了張家口組火山巖。大北溝組整合于張家口組之上，為一套扇三角洲-湖相沉積體，總厚度約220 m，正常沉積巖層出現并取代凝灰巖成為主要巖層是大北溝與張家口組界線的標志。大店子組整體發育湖相連續沉積序列，“蜂窩梁礫巖”或與之相當的粗碎屑巖層為大北溝組與大店子組的界限[10]。上覆西瓜園組與大店子組呈角度不整合接觸，整體是火山-湖泊相沉積，總厚度約1 300 m。

2 材料與方法

本研究在灤平盆地共采集樣品68件，其中九龍山組15件樣品采自盆地南側的大石棚剖面，土城子組18件樣品采自盆地中部的長山嶼剖面，大北溝組23件與大店子12件樣品采自盆地西側的榆樹下與火斗山剖面(圖1～2)。為了排除火山灰層對測試分析結果的影響，僅樣品中的黑色泥巖被用于測試分析，其中36件樣品用于主量元素測試，大北溝組的6件樣品被用于微量元素測試。元素含量測試結果可用于計算化學蝕變指數等氣候環境指標，由此反映研究區的氣候環境演化[11]。

實驗在武漢上譜分析科技有限責任公司完成，全巖主量元素分析使用日本理學(Rigaku)生產的 ZSX Primus Ⅱ型波長色散X射線熒光光譜儀(X-ray fluorescence spectrometer，XRF)，4.0 kW端窗銠靶X射線光管，測試條件為電壓50 kV，電流60 mA，主量元素分析譜線均為Kα，標準曲線利用國家標準物質巖石系列GBW07101-14、土壤系列GSS07401-08、水系沉積物系列GBW07302-12建立。數據校正采用理論α系數法，測試相對標準偏差(relative standard deviation，RSD)<2%。

全巖微量元素含量利用Agilent 7700e 電感偶合等離子質譜儀(inductively coupled plasma-massspectroscopy，ICP-MS)分析完成。用于ICP-MS分析的樣品處理流程如下：①將200目樣品置于105 ℃烘箱中烘干12 h；②準確稱取粉末樣品50 mg置于Teflon溶樣彈中；③依次緩慢加入1 mL高純HNO3和1 mL高純HF；④將Teflon溶樣彈放入鋼套，擰緊后置于190 ℃烘箱中加熱24 h以上；⑤待溶樣彈冷卻，開蓋后置于140 ℃電熱板上蒸干，然后加入1 mL HNO3并再次蒸干；⑥加入1 mL高純HNO3、1 mL MQ水和1 mL內標In(濃度1 ppm)，再次將Teflon溶樣彈放入鋼套，擰緊后置于190 ℃烘箱中加熱12 h以上；⑦將溶液轉入聚乙烯料瓶中，并用2% HNO3稀釋至100 g以備ICP-MS測試。

2.1 化學蝕變指數(CIA)

化學蝕變指數(chemical index of alteration，CIA)指示土壤和沉積物化學風化程度，能夠用于古氣候重建[12]。在化學風化過程中，隨著氣候變得溫暖濕潤，自由陽離子的反應減少會產生更高的CIA值。公式如下：

CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)]×100。

(1)

其中，所有氧化物均以摩爾單位表示，CaO*代表硅酸鹽組分中的CaO。對CaO*的校正步驟遵循McLennan[13]的方法：①使用P2O5數據對磷灰石中的CaO進行校正(CaO′=CaO-10/3×P2O5)；②如果CaO′大于Na2O，則CaO*等于Na2O，如果CaO′小于Na2O，則CaO*等于CaO′。未經風化原巖的特點是CIA值低(45～55)，隨著逐漸風化和流動元素的損失，數值接近100。

巖石K2O含量會受到鉀元素交代作用的影響，這種次生沉積過程會導致鉀離子在嚴重蝕變巖石中被埋藏流體所吸收[12]，可以使用Panahi等[14]的方法對CIA值進行校正。

K2Ocorr=[mAl2O3+m(CaO*+Na2O)]/(1-m)。

(2)

m=K2O/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)。

(3)

將式(1)中的K2O替換為K2Ocorr，計算校正后CIA(CIAcorr)，當CIAcorr

根據Yang等[15]的公式可計算陸地地表溫度(land surface temperature，LST)：

LST=0.56×CIA-25.7。

(4)

其中：LST單位℃，r2=0.50，SE=±5 ℃。當CIA為50～90時，該公式是可靠的(對應3～25 ℃)。利用三點移動平均值對LST記錄進行平滑處理，以反映每個點位的時間平均條件，同時考慮采樣分辨率的可變性。

2.2 化學風化指數(CIW)

由于過量的K2O在沉積巖單元中出現的頻率很高[12]，使CIA值受到鉀元素交代作用影響較大，Harnois[16]提出一種替代指數，即化學風化指數(chemical weathering index,CIW)，該指數與CIA原理相同，只是刪除了K2O。公式為：

CIW=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O)]×100。

(5)

Sheldon等[17]提出CIW和年平均降水量(meanannual precipitation,MAP)的關系為：

MAP(mm/yr)=221.12e0.019 7(CIW)(r2=0.72,SE=±182 mm)。

(6)

2.3 元素指標

Al/K比值：在河湖相沉積環境中，K元素通常存在于伊利石中，而Al元素則存在于高嶺石中。伊利石是相對干旱氣候條件下機械風化的一種常見產物，高嶺石則主要是潮濕時期的化學風化產物。因此，沉積巖中較高的Al/K比值反映了化學風化作用較強，指示較高的匯水區降水[18]。

Sr/Rb比值：礦物在化學風化過程中所釋放的Rb元素容易被富鉀黏土重新吸收，因此大部分Rb元素被保留在原巖中，只有少量會隨地表徑流淋濾遷移。與Rb元素不同的是，Sr元素在化學風化過程中會以自由離子的形式隨地表徑流遷移，并通過物理吸附或化學沉淀作用沉積在湖底。因此，Sr/Rb比值可以作為湖泊流域化學風化強度的指標，Sr/Rb比值越高則表明化學風化強度越強[19]。

K+Ti+Rb值：湖相沉積物中的K、Ti和Rb元素的含量被證實與細粒或粉粒級的沉積物有高正相關關系，基于K、Ti、Rb元素的一致性和線性相關性，可以將K、Ti、Rb含量相加，用和值表示細粒組分的變化。隨著區域降水的增加，可能會導致分選較差的碎屑物質進入湖泊，導致湖泊沉積物中細粒礦物的比例降低，因此K+Ti+Rb值越低則湖泊流域的降水強度越高，指示化學風化強度越強[20]。

P/Al比值：P是一種重要的營養元素，主要以有機結合態的形式進入到沉積物中，由于P會在缺氧條件下溶解，因此對于富氧到亞氧條件下的沉積物，P元素作為古生產力指標尤為重要。為了消除陸源碎屑巖對P元素含量的影響，將P元素對Al元素進行比值[21]，結果越高則沉積物的古生產力越高。

3 結果與討論

3.1 晚侏羅世—早白堊世灤平盆地氣候環境的變化

如圖3所示，灤平盆地在整個演化階段風化強度在50～75之間浮動，反映了相對較低的化學風化強度。其中九龍山組平均值65.8，土城子組平均值50.7，大北溝組與大店子組連續沉積的平均值為64.2，表明晚侏羅世—早白堊世盆地整體處于溫暖濕潤的氣候環境(表1)。

圖3 灤平盆地化學風化指數演化圖(全球溫度數據來源于文獻[22])

需要注意的是，侏羅紀—白堊紀之交土城子組的風化強度出現了一個較為明顯的低值階段，最小值小于50，指示該時期沉積巖幾乎沒有發生化學風化。前人在土城子組進行的孢粉學研究表明，該時期的優勢孢粉組合為Classopollis-Cooksonites-Ephedripites，其中Classopollis作為優勢屬反映了相對干旱的氣候[23]，表明盆地可能處于相對干旱涼爽的氣候環境。以上認識與全球古溫度記錄一致，例如Scotese等[22]認為晚侏羅世—早白堊世全球進入冷期，平均溫度降至18 ℃。

前人在古地磁學與古風向學的研究中認為，華北板塊在侏羅紀、白堊紀之交發生了真極移事件[24-25]，這次真極移事件導致華北板塊在10 Ma時間向南移動至30°N，從北方溫暖濕潤帶進入了水汽來源稀缺的副熱帶高壓帶，這一獨特的氣候轉變時期被稱為“侏羅紀東亞大干旱事件”，對比前人的古地磁記錄與古風向變化的時間，灤平盆地土城子組的極低化學風化強度可能受到此次真極移事件產生的極端干旱氣候影響。

前人古生物學研究表明，土城子組沉積時期的化石記錄并不豐富，動物化石以葉肢介與介形類為代表，其中葉肢介明顯不同于下部燕遼生物群的柴達木葉肢介類群。土城子組下段Pseudograpta十分豐富，與熱河生物群早期代表類型Nestoria具有密切的親緣關系。而介形類下部組合以Darwinula為主，具有明顯的中侏羅世—晚侏羅世早期化石特征；上部組合則為晚侏羅世—早白堊世化石特征。化石記錄顯示土城子組沉積時期燕遼生物群急劇減少，而熱河生物群的先驅類型已經萌發，這使得土城子組成為燕山地區兩大重要中生代生物群——燕遼生物群和熱河生物群的間隔期[9]。前人綜合多學科研究認為，燕山地區晚侏羅世—早白堊世早期的生物群更替具有一定的繼承性，其中土城子組沉積時期所發生的古氣候環境變化可能觸發了生物群落的“避難所”機制[26]，本研究中土城子組沉積時期風化程度劇烈降低指示的濕度與溫度的突變很好地支持了前人的結論(圖3)。

3.2 早白堊世火山活動等因素對灤平盆地生物多樣性的影響

Qin等[2,27]對大北溝組地層開展了地層學與古生物學研究，將大北溝組劃分為三段，對其中部分黑色泥巖樣品進行了主微量元素測試。在此基礎上，本研究開展了測試分析工作，并對結果進行校正以消除K元素交代作用所產生的影響，最終獲得具有較高分辨率的綜合風化與氣候環境指標演化曲線(圖4)。

沉積年齡數據來自文獻[4-6]；CIAcorr與CIW中，灰色圓點的原始數據來自文獻[2]；Al/K、Sr/Rb、K+Ti+Rb中部分數據來自文獻[2]

大北溝組第一段CIA的平均值為65左右，進入第二段后CIA小幅下降，最低值降到55，之后顯著上升并恢復到65～70，最高值達80。CIW也顯示了相似的趨勢，即第二段開始出現短暫降低，之后緩慢回升。此外，Al/K、Rb/Sr和K+Ti+Rb比值所反映的化學風化程度也與CIA和CIW具有相同趨勢。

古溫度重建結果顯示，大北溝組第一段沉積初期的地表平均溫度為10～15 ℃，但在第二段沉積初期下降到5 ℃以下，最后在第二段末期到第三段逐漸回升到10～15 ℃。年平均降水量(MAP)整體趨勢與溫度類似，反映了逐漸濕潤的趨勢，最低值小于800 mm/yr，峰值則超過了1 400 mm/yr。且均在第三段沉積時期溫度和降水量波動明顯。

根據前人巖性描述[27-28]，以剖面厚度10 m為單位統計火山灰層數，共識別出四個火山灰富集層(圖5)，因此將大北溝組沉積時期的火山活動劃分為四期。其中第Ⅰ期火山活動較弱，第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ期的火山活動更活躍，可能對生態環境產生更大的影響。

圖5 大北溝組火山活動、氣候演化和生物多樣性綜合評價圖(生物多樣性數據來源于文獻[2])

古生產力指標P/Al總體呈逐漸增高的趨勢，下部P/Al較低且波動較弱，指示了較低的湖泊古生產力；伴隨著大北溝組沉積時期火山活動的增強，上部P/Al明顯升高，反映了古生產力的提升。推測頻繁的火山活動所產生的火山灰將豐富的營養物質引入湖中，導致湖泊富營養化和初級生產力水平持續提高[29]，而穩定的初級生產力對食物鏈產生了巨大貢獻。此外，大北溝組沉積時期由寒冷干旱向溫暖濕潤逐漸過渡的氣候條件也與逐漸增強的火山活動具有一定的相關性。

古生物證據顯示大北溝組Ostracod與Spinicaudatan的生物多樣性發生了顯著增加[2]，其中Spinicaudatan的多樣性受到第Ⅱ期火山噴發的影響出現短期的峰值，但可能受到當時惡劣氣候環境的限制，生物多樣性又迅速回落，在第Ⅲ期火山活動之后，火山活動所提供的養分逐漸增多，同時盆地氣候逐漸變得溫暖濕潤，Ostracod與Spinicaudatan的生物多樣性均出現迅速增長，并達到更大的峰值。

4 結論

基于前人研究結果，本研究對灤平盆地晚中生代陸相地層進行了全巖主微量分析，重建了灤平盆地晚中生代風化強度與氣候演化，得到以下結論：

1) 化學風化強度記錄表明，灤平盆地在侏羅紀—白堊紀之交經歷了溫暖濕潤—干旱—溫暖濕潤的氣候條件轉變，真極移導致的華北板塊氣候變化可能是造成這一轉變的原因，而這種氣候轉變影響了生物群的絕滅或遷徙事件。

2) 大北溝組的主微量元素記錄和火山灰分布情況表明盆地氣候在這一階段逐漸轉向溫暖濕潤，此時火山分期次噴發，提供了充足的初級營養成分，使得湖泊古生產力逐漸提高。因此，氣候演化與構造活動共同促進了山間盆地的生物多樣性發展，推動了熱河生物群的早期演化。