PNAS晚三叠世科罗拉多高原古气候重建基于赤铁矿含量变化

　　PNAS：晚三叠世科罗拉多高原古气候重建——基于赤铁矿含量变化
　　以赤铁矿和针铁矿为代表的反铁磁性矿物在自然界中广泛存在，是土壤和沉积物中含量最为丰富的铁氧化物，其化学性质相对稳定，常以终产物的形式出现（Barrón et al., 2003）。反铁磁性矿物在古地磁学和环境磁学研究中应用广泛。例如，赤铁矿是最为常见的古地磁信息载体之一（Narumoto et al., 2006）。碎屑成因和自生成因的赤铁矿可以分别记录沉积剩磁（DRM）和化学剩磁（CRM）。赤铁矿也是三叠纪红层的主要剩磁载体（Walker et al., 1981）。由于形成环境条件不同，赤铁矿和针铁矿可以分别携带不同的环境演化信息（Schwertmann and Taylor, 1989）。赤铁矿通常在相对温暖和干旱的环境下形成（Claquin et al., 1999）。细颗粒赤铁矿是成土过程中的主要产物，其含量变化与控制成土作用强度变化的因素（例如：降雨量等）密切相关（Balsam et al., 2004; Liu et al., 2007; Torrentet al., 2006）。针铁矿的地理分布范围更广，通常以含铁矿物的风化产物或者含铁溶液直接沉淀的形式广泛存在，相对湿润的环境更有利于针铁矿的形成（Balsam et al., 2004）。长尺度黄土和红粘土序列中赤铁矿和针铁矿含量变化可以敏感地反映季风等气候干湿变化信息（Deng et al., 2005; Hao et al., 2009; Ji et al.,2004）。
　　以赤铁矿为代表的反铁磁性矿物在古环境和古气候研究中具有重要的应用价值。但由于其磁性较弱、矫顽力偏高，常规实验室的磁学测量仪器难以使其获得饱和。反铁磁性矿物具有特殊的反射光特征，因此前人常用漫反射光谱技术（Diffuse Reflectance Spectroscopy, DRS）来进行反铁磁性矿物的定性和定量化研究。漫反射是反射光的一种，当光线进入粉末状样品内部后，会在其内经历一系列的折射、反射、衍射和吸收，之后返回的总反射光即为漫反射光，因此其携带了物质内部结构与组成等细节信息。漫反射光谱技术具有检出限低、分析速度快和对样品无损等诸多优势（Deaton and Balsam, 1991），已广泛应用于从沉积物、土壤和气溶胶等天然样品中提取赤铁矿与针铁矿含量信息的研究（Balsam et al., 2004; Ji et al., 2004; Shen etal., 2006）。
　　近日，来自美国罗格斯大学和哥伦比亚大学的Christopher J. Lepre和Paul E. Olsen利用漫反射光谱技术提取了北美科罗拉多高原（图1A）晚三叠世钦尔组一套跨度约14.5Myr红层（图1B，红色泥岩）中的赤铁矿含量变化信息，并基于此重建了该地区晚三叠世季风降水演化历史，相关成果发表在PNAS。
　　图1 （A）研究区位置图（220 Ma古地理重建格局）。CPCP：科罗拉多高原钻探计划；NBCP：纽瓦克盆地钻探计划。箭头指示构造运动方向；（B）岩心地层单位和岩心柱照片；（C）赤铁矿漫反射光谱特征峰位置（二阶导数）（Lepre and Olsen, 2021）
　　漫反射光谱结果显示在岩心底部赤铁矿的特征光谱在535至570nm之间（图1C），岩心上部的特征光谱大都小于550nm。在排除Al元素替代的情况下，作者认为特征谱线的位置变化反映了岩心上部赤铁矿的粒径比岩心下部的相对较细。除赤铁矿粒径变化之外，漫反射光谱结果还显示赤铁矿的含量在这一阶段逐渐增加（图2B），并且在此增加的大趋势之上，赤铁矿的含量在213Ma开始表现出周期性振荡变化。岩心赤铁矿含量的增加趋势与该地区年均降雨量降低趋势（图2C）较为相似，反映了一个长期的干旱化过程，在215Ma开始干旱化的程度明显增强。岩心赤铁矿变化记录了科罗拉多高原晚三叠世古季风变化。考虑到泛大陆季风对天文气候强迫的敏感性，记录的周期性振荡表明降水量变化可能受控于轨道因素。漫反射光谱结果反映了科罗拉多高原在晚三叠世期间干旱化程度和气候变化的振荡程度都在增加，这种气候变化在很大程度上归因于此时的构造运动格局，晚三叠世劳伦古陆向北运动使得科罗拉多高原进入干旱的亚热带地区。这一季风降水变化的时间与发生在213-216Ma期间的Adamanian–Revueltian生物更替事件较为接近，作者推测季风降水变化是诱导该事件发生的原因之一。通过该研究，作者证明了赤铁矿含量变化可以敏感地追踪晚三叠世科罗拉多高原地区历时14.5Myr之久的季风降雨变化，并利用这一信息评估了环境扰动、气候变化和陆生脊椎动物演化之间的联系。该研究成果进一步彰显了赤铁矿在古环境和古气候研究中的重要价值。
　　图2 （A）古地磁极性年表；（B）基于漫反射光谱获得的岩心赤铁矿含量变化曲线；（C）基于去钾化学蚀变指数（CIA-K）获得的研究区年均降水量变化（mm）；（D）岩心赤铁矿通量变化；（E）年均降水量变化；（F）古地磁极性柱；（G）晚三叠世至早侏罗世大气二氧化碳分压；（H）Newark–Hartford天文年代地层极性年表（Lepre and Olsen, 2021）
　　主要参考文献
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　　Barrón V, Torrent J, De Grave E. Hydromaghemite, an intermediate in thehydrothermal transformation of 2-line ferrihydrite into hematite[J]. AmericanMineralogist, 2003, 88(11-12): 1679-1688.
　　Claquin T, Schulz M, Balkanski Y J. Modeling the mineralogy ofatmospheric dust sources[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres,1999, 104(D18): 22243-22256.
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　　Deng C, Vidic N J, Verosub K L, et al. Mineral magnetic variation ofthe Jiaodao Chinese loess/paleosol sequence and its bearing on long‐termclimatic variability[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2005,110(B3).
　　Hao Q, Oldfield F, Bloemendal J, et al. The record of changinghematite and goethite accumulation over the past 22 Myr on the Chinese LoessPlateau from magnetic measurements and diffuse reflectance spectroscopy[J].Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2009, 114(B12).
　　Ji J, Chen J, Balsam W, et al. High resolution hematite/goethiterecords from Chinese loess sequences for the last glacial‐interglacialcycle: Rapid climatic response of the East Asian Monsoon to the tropicalPacific[J]. Geophysical Research Letters, 2004, 31(3).
　　Lepre C J, Olsen P E. Hematite reconstruction of Late Triassichydroclimate over the Colorado Plateau[J]. Proceedings of the National Academyof Sciences, 2021, 118(7): e2004343118.
　　Liu Q, Deng C, Torrent J, et al. Review of recent developments inmineral magnetism of the Chinese loess[J]. Quaternary Science Reviews, 2007,26(3-4): 368-385.
　　Narumoto K, Yang Z, Takemoto K, et al. Anomalously shallowinclination in middle—northern part of the South China block: palaeomagnetic study of LateCretaceous red beds from Yichang area[J]. Geophysical Journal International,2006, 164(2): 290-300.
　　Schwertmann U, Taylor R M. Iron oxides[J]. Minerals in SoilEnvironments, 1989, 1: 379-438.
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　　（撰稿：张强/岩石圈室）
　　校对：李玉钤、赵娜