科研快讯晚白垩世松辽盆地轨道驱动的化学风化

　　李祥，黄永建白垩纪陆地化学风化
　　硅酸盐风化作用作为地球表生系统内重要的负反馈机制之一，在地质历史时期调控长周期地球气候（e.g., Kump et al., 2000 ）。该负反馈机制主要是通过硅酸盐风化影响全球温度变化，从而调节全球气候（Deng et al., 2022 ）。当火山喷发释放的CO2通过温室效应导致地表温度上升，较高的温度不断增强化学风化速率从而消耗CO2，减缓温度的升高（Walker et al., 1981 ）。尽管风化与气候的关系并不单纯是线性的，还受到构造等其他因素的影响，但地质历史中的研究案例表明，硅酸盐风化可以有效地反映温度变化情况（e.g., Deng et al., 2022 ; Yang et al., 2020 ）。此外，天文轨道驱动是影响地球气候的另一个重要因素，地球在太阳系公转和自转轨道参数的周期性变化影响了地表太阳辐射，进而调控了万年-十万年轨道尺度上的气候变化。
　　白垩纪是典型的温室气候时期，对于这样一个高温和高CO2背景下陆地化学风化过程的研究显得尤为重要。然而，由于陆相地层的不连续，对白垩纪陆相气候的化学风化认识还不够深入，白垩纪陆地系统古气候模式的研究还不全面，这阻碍了对白垩纪气候变化的全面认识。此外，以往的化学风化研究往往侧重于气候变化的某些关键时期（e.g., Penman, 2016 ），其数据分辨率不足以对风化过程的直接气候驱动进行研究。因此，探究白垩纪陆地风化过程及其驱动机制对全面认识白垩纪古气候变化具有重要意义。
　　图1 （A）松辽盆地位置及松辽盆地大陆科学钻探井位图；（B）松科一井南孔与北孔地层简图；（C）松辽盆地沿A-A΄断面的岩石地层格架。松辽盆地大陆科学钻探与地层年代框架
　　松辽盆地大陆科学钻探工程包括＂松科一井（南孔，北孔）＂、＂松科二井＂和＂松科三井＂，获取了中国东北完整的陆相白垩系沉积记录，累积钻取岩芯超过8000米，其中松科一井已于2007年完钻，获得从晚白垩世（~ 93 Ma）到古近世早期的连续沉积记录（图1，Wang et al., 2021 ）。本文选取了泉头组三四段砂岩和嫩江组二段泥岩地层记录进行研究。泉头组三四段岩芯取自松科一井南孔（泉头组三段未完全钻穿），岩性以曲流河、浅湖、三角洲相紫红色、紫棕色、灰绿色泥岩、粉砂岩为主。泉三四段年代框架是基于松科一井南孔各组段的~ 405 kyr 调谐，并通过松科一井南孔嫩江组一段和青山口组发现的4层火山灰年龄的矫正，泉头组三四段沉积时限为92.5– 91.8Ma（Wu et al., 2022 ）。嫩江组二段岩芯取自松科一井北孔，以深湖相灰色至黑色泥岩、泥灰质粉砂质泥岩组成，嫩二段底部分布着一层可全盆地对比的油页岩层。嫩二段的年代框架是基于三口均钻探至嫩江组一二段的井位（松科一井南孔，松科一井北孔，松科二井）建立的联井天文年代标尺，并通过松科一井南孔和松科二井嫩江组一二段火山灰年龄的矫正，嫩江组二段沉积时限为83.6– 81.1Ma（Zhang et al., 2022 ）。由于本文目标地层均缺乏直接的火山灰年龄约束，我们对泉三四段指标和嫩二段的Rb/Sr，K/Ti指标进行沉积速率模拟，模拟结果与已建立的天文年代框架约束的沉积速率结果一致，而通过测井数据建立的天文年代标尺，其分辨率可以将获取的元素数据从深度域直接转化为时间域。
　　图2 （A）松科一井南孔泉三四段CIA、CIW、记录；（B）松科一井北孔嫩二段K/Ti、Rb/Sr、Ca/Ti记录，干湿变化是基于风化指标K/Ti和Rb/Sr的相对变化划分。化学风化指标的选择与矫正
　　本研究中，泉三四段以10 cm间距采样，并通过X荧光分析仪获取高分辨率元素数据，通过计算化学风化指标（图2A，CIA，CIW，），并根据Al/Si摩尔比矫正，排除潜在的粒度效应（矫正后的数据为：CIAc，CIWc，图2A），在A-CN-K图解里，泉三四段的样品均表现出线性趋势，表明样品属于同一物源（图3A，B）。此外，由于多旋回作用，沉积物的化学成分可能富集K2O，这反映了同沉积风化和成岩过程的共同作用。在A-CN-K图解里中，泉三四段大量风化样品表现出与长石线相交的趋势线（图3A，B），不包含K2O成分的CIW指标与CIA指标均有较高的相关性（图3C），表明松辽盆地泉三四段的沉积体系内钾交代作用不明显，以上现象进一步证实风化指数在这里的可靠与可用。
　　图3（A）泉头组三段A-CN-K；（B）泉头组四段A-CN-K图；（C）泉头组三四段矫正后CIAc与CIWc的相关性；（D）嫩江组二段岩芯扫描元素数据集的主成分分析，XY轴坐标是前两个主成分（PC1和PC2）。
　　嫩二段以3 mm 通过Itrax岩芯扫描仪对岩芯进行扫描，获得半定量的连续元素扫描数据（单位cps）。判断元素行为是首要的步骤，通过主成分分析判断Ti、K、Rb、Ca、Sr的元素行为（图3D），从因子负荷矩阵中提取的前两个主成分占总方差的77.3%。第一主成分占总方差的50.1%，具有来自碎屑元素（K、Ti、Rb）的强正载荷，主要为陆源输入组分。第二主成分Sr和Ca元素也有强烈的正载荷，且与第一主成分接近，可以代表湖泊沉积物中陆源物质和自生物质的相对变化，而与碳酸盐岩无关。基于元素行为，选择Rb/Sr和K/Ti作为化学风化强度的替代指标，Rb/Sr值越高，K/Ti越低，代表化学风化越强（图2B）。用稳定元素Ti对Ca进行归一化处理，以消除陆源输入对自生Ca稀释的影响，在干旱时期，由于水的蒸发和水介质的碱性增强，大量的Ca、Mg、Na被析出形成各种盐沉积物，导致盐度相对增加。因此，Ca/Ti比值被用作盐度指标，较低的Ca/Ti值代表较低的盐度，对应降水增加和强烈的化学风化作用（图2B）。因此，根据前人已建立的年代框架，本研究选用泉三四段和嫩二段多个指标探讨化学风化作用的轨道驱动因素。
　　图4（A-D）泉头组三四段Th、CIAc、CIWc、记录中的天文周期信号；（E-H）嫩江组二段GR、K/Ti、Rb/Sr、Ca/Ti记录中的天文周期信号。晚白垩世松辽盆地化学风化的轨道驱动记录
　　我们的研究结果显示（图4 A-D），泉三四段的Th、CIAc、和CIWc调谐数据均有明显的短偏心率、斜率和岁差周期。通过对比泉三四段化学风化指标的~ 100 kyr滤波，发现CIAc、Th和CIWc的波峰均对应的化学风化强度的高值，同时，的趋势和其他风化指标呈反相关系，与其古气候意义相同。由于偏心率变化对太阳辐射影响不大，不足以直接调节气候，而是通过调节岁差周期在气候变化中发挥作用。指标中保存的岁差信号在湿润期出现了强振幅，在岁差极大值期间，较高的降雨会增强化学风化强度，反之亦然。在北半球，岁差极小值（地球在北纬夏至期间位于近日点附近）通常与高季节对比有关。预测这些响应是因为化学风化速率通常会随着湿度和温度的增加而变强。在偏心率最大值期间，强的岁差振幅的气候效应（如强降雨和径流增强）增加化学风化速率，表现为湿润期。
　　嫩二段的Rb/Sr，K/Ti，Ca/Ti指标中均有明显的长偏心率、短偏心率、斜率和岁差周期信号（图4 E-H）。此外，上述三个指标都发现了显著的~ 173 kyr非常规斜率周期。~ 173 kyr滤波结果与嫩二段原始数据划分的湿润-干旱变化非常匹配：Rb/Sr极大值，K/Ti和Ca/Ti的极小值与湿润期对应。但是，嫩二段底部~ 173 kyr旋回的峰值与干湿变化不太一致，这可能是由于外部驱动（海侵，湖侵等事件）改变了轨道响应。Huang et al. （ 2021 ）证实了青山口组湖相泥岩的碳循环受到~ 173 kyr斜率周期的驱动，同样是湖相泥岩沉积的嫩二段在风化盐度指标进一步证实 水文循环与斜率周期有很大的关系，在高斜率时期，降水增加和化学风化变强，盆地表现为相对湿润。
　　图5 （A）泉头组三四段风化指标~ 100 kyr滤波（黑色曲线）和岁差滤波（黑色曲线）和振幅调制（红色曲线）数据；晚白垩世岁差驱动的气候控制化学风化的概念模型。（B）嫩江组二段风化和盐度数据的~ 173 kyr滤波（黑色曲线）；与斜率最大值（湿润）和最小值（干旱）相关的斜率驱动干-湿模式。晚白垩世松辽盆地是否为季风气候？
　　轨道作用通过影响地球表层大气所接收到的太阳辐射量，从而影响全球温度变化，对应的温度梯度变化/辐射梯度变化使得全球水循环产生变化。如在温度-水循环效应下，温度越高，水循环增强。影响化学风化强度的因素主要包括温度、大气CO2等，那么风化作用强度自然受到轨道作用的调制。在之前的研究中，松辽盆地无论是碳埋藏还是湖泊水位变化（即水循环）都显示出强烈的轨道信号，其证明了松辽盆地风化作用受轨道驱动。松辽盆地在轨道尺度上周期性的干湿变化意味着盆地有比较稳定的水汽来源。松辽盆地在白垩纪时期位于亚洲大陆东端，毗邻古太平洋西侧，和现今纬度接近，气候变化和水汽来源主要受西风带控制（Ruddiman, 2013 ），相比较其他遥远的大洋，邻近的古太平洋似乎更有可能是盆地重要的水汽来源之一。
　　现代中国东北地区气候以东亚季风系统为主，其中水汽来源主要来自低纬度西太平洋，现代东亚季风最早可追溯到始新世（Wang et al., 2005 ）。在白垩纪时期，中国东北是否可能存在一个古季风或类季风系统，成为水汽输送的主要驱动力?越来越多的研究支持白垩纪东亚季风的存在，且季风主要与古地理变化相关（Farnsworth et al., 2019 ）。Parrish 和Curtis （1982 ）首先定性地重建了包括白垩纪在内的深时地球大气环流，发现在白垩纪Cenomanian期，蒙古高原附近的夏季和冬季出现了低压和高压区，这表明了产生类季风系统的可能性。Jiang et al. （2004 ）分析了白垩纪时期中国大陆沙漠沉积的时空分布，推断白垩纪东亚地区存在副热带高压带。Chen et al. （2009 ）采用通用气候系统模式（CCSM2）的全球气候系统模式模拟晚白垩世东亚气候，模拟结果表明80 Ma以前的东亚气候与现代气候相似，大范围盛行的风向和气压系统随季节有显著变化。Farnsworth et al. （2019 ）利用HadCM3L气候模式模拟亚洲季风，指出早白垩世以来，西太平洋和印度洋存在一个季风系统。与现代东亚气候形成鲜明对比的是，白垩纪中国大陆主体呈带状分布，处于干旱至半干旱的环境，这表明受到行星风系的影响（Jiang et al., 2008 ）。但当时的东北地区是个例外，气候敏感沉积物划定的气候带边界不是条带状分布的，有时与海岸线平行，这是季风气候存在的典型证据（Xiang et al., 2015 ）。基于本文研究结果（Li et al., 2022a, b ），晚白垩世松辽盆地表现出西风带与类季风相互作用的古气候模式，未来仍需要更多地质证据去佐证。
　　本文第一作者系中国地质大学（北京）博士研究生，第二作者为中国地质大学（北京）副教授。本文属作者认识，主要观点来自Li et al.（2022a, b）两篇论文。相关问题交流可通过邮箱aston.lee@foxmail.com和huangyj@cugb.edu.cn与作者联系。更多详情，请参考文章全文和参考文献。
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　　责编：陈曦
　　图文：李祥，黄永建
　　审核：许艺炜，赖文