晚中生代滦平盆地古气候环境演化
——基于化学风化强度重建

殷艺天，张来明，顾 雪，余晨旻，吴培衍

(中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083)

热河生物群是早白垩世东亚地区重要的陆地生物群[1]，前人发现大量保存完好的化石，包括腹足类、双壳类、甲壳类、昆虫类和蛛形类等无脊椎动物，无颌类、软骨鱼类、硬骨鱼类、两栖类(无尾和有尾两栖类)、爬行类、鸟类和哺乳动物等脊椎动物，以及藻类、苔藓、蕨类、裸子植物、被子植物等主要植物门类，其中辽西地区发现的带羽毛恐龙化石是著名的早期鸟类记录，被子植物化石则是开花植物进化的最古老记录之一[2]。研究热河生物群对于了解现代地球生态系统中一些主要生物类群(如真兽类和后兽类哺乳动物、鸟类、昆虫若干亚类群以及被子植物等)的起源和早期演化具有重要意义，是观察完整的早白垩世陆地生态系统组成和演化的最佳选择[2]。构造活动和古气候变化是影响热河生物群演化的关键驱动因素[1]，华北克拉通破坏造成的构造活动导致了广泛发育的断陷盆地，形成了众多淡水湖泊；频繁的火山活动为淡水湖泊提供了大量营养物质，也造就了多变的气候环境，对生物群产生了强大的选择性压力[1]。因此，研究热河生物群的古气候环境背景对理解早白垩世东亚陆地生态系统具有十分重要的意义[2]。

前人将热河生物群分为三个演化阶段：第一阶段仅局限于河北北部等较小的地理范围，第二阶段扩展到华北以及蒙古板块的较大区域，第三阶段地理分布最大[1](图1(a))。值得注意的是，受限于地理环境等因素，第一阶段的生物多样性相对较低，与第二、三阶段的整体繁盛形成鲜明对比。前人对热河生物群开展的古气候环境研究主要集中在第二、三阶段，关于第一阶段的研究较少[2]，这限制了对热河生物群早期演化的理解。本研究整合并梳理了前人关于滦平盆地年代学与沉积学工作，采用元素地球化学等方法，重建了滦平盆地晚侏罗世到早白垩世古气候环境演化，并进一步探究了古气候变化和火山活动对生物多样性的影响。

(a)热河生物群阶段分布图；(b)滦平盆地地层分布图

1 地质概况

滦平盆地地处河北省承德市(东经117°18′～117°51′，北纬40°41′～41°07′)，位于华北板块北缘的燕山褶皱带内，地层保存较为连续与完整，出露包含燕辽生物群和热河生物群第一阶段的地层，在研究生物群连续演化与更替方面具有重要价值。中侏罗世—早白垩世是滦平盆地的主要成盆期，盆地充填了数千米厚的陆相碎屑沉积，以红色和杂色碎屑岩及中性和酸性火山岩共生为特征(图1(b))。基于前人年代学研究，重新梳理了滦平盆地的年代学格架(图2)，除九龙山组底部163.4 Ma年龄来自相邻的承德盆地[8]，其余年龄均来自滦平盆地内[9]。

图2 滦平盆地年代地层格架图

盆地中、晚中生代九龙山组发育在起伏不平的变质岩基底之上，底部以辫状河沉积为主，随着沉积过程水体逐渐加深，局部沉积了湖相细碎屑岩。髫髻山组以安山岩为主，夹少量泥岩、砂岩，代表盆地火山活动的增强，是火山喷溢充填阶段。然后，盆地接受了一套厚达1 400 m的土城子组沉积，属于扇三角洲向滨浅湖过渡的沉积环境。之后，构造活动再次增强，大规模酸性火山岩喷发形成了张家口组火山岩。大北沟组整合于张家口组之上，为一套扇三角洲-湖相沉积体，总厚度约220 m，正常沉积岩层出现并取代凝灰岩成为主要岩层是大北沟与张家口组界线的标志。大店子组整体发育湖相连续沉积序列，“蜂窝梁砾岩”或与之相当的粗碎屑岩层为大北沟组与大店子组的界限[10]。上覆西瓜园组与大店子组呈角度不整合接触，整体是火山-湖泊相沉积，总厚度约1 300 m。

2 材料与方法

本研究在滦平盆地共采集样品68件，其中九龙山组15件样品采自盆地南侧的大石棚剖面，土城子组18件样品采自盆地中部的长山屿剖面，大北沟组23件与大店子12件样品采自盆地西侧的榆树下与火斗山剖面(图1～2)。为了排除火山灰层对测试分析结果的影响，仅样品中的黑色泥岩被用于测试分析，其中36件样品用于主量元素测试，大北沟组的6件样品被用于微量元素测试。元素含量测试结果可用于计算化学蚀变指数等气候环境指标，由此反映研究区的气候环境演化[11]。

实验在武汉上谱分析科技有限责任公司完成，全岩主量元素分析使用日本理学(Rigaku)生产的 ZSX Primus Ⅱ型波长色散X射线荧光光谱仪(X-ray fluorescence spectrometer，XRF)，4.0 kW端窗铑靶X射线光管，测试条件为电压50 kV，电流60 mA，主量元素分析谱线均为Kα，标准曲线利用国家标准物质岩石系列GBW07101-14、土壤系列GSS07401-08、水系沉积物系列GBW07302-12建立。数据校正采用理论α系数法，测试相对标准偏差(relative standard deviation，RSD)<2%。

全岩微量元素含量利用Agilent 7700e 电感偶合等离子质谱仪(inductively coupled plasma-massspectroscopy，ICP-MS)分析完成。用于ICP-MS分析的样品处理流程如下：①将200目样品置于105 ℃烘箱中烘干12 h；②准确称取粉末样品50 mg置于Teflon溶样弹中；③依次缓慢加入1 mL高纯HNO3和1 mL高纯HF；④将Teflon溶样弹放入钢套，拧紧后置于190 ℃烘箱中加热24 h以上；⑤待溶样弹冷却，开盖后置于140 ℃电热板上蒸干，然后加入1 mL HNO3并再次蒸干；⑥加入1 mL高纯HNO3、1 mL MQ水和1 mL内标In(浓度1 ppm)，再次将Teflon溶样弹放入钢套，拧紧后置于190 ℃烘箱中加热12 h以上；⑦将溶液转入聚乙烯料瓶中，并用2% HNO3稀释至100 g以备ICP-MS测试。

2.1 化学蚀变指数(CIA)

化学蚀变指数(chemical index of alteration，CIA)指示土壤和沉积物化学风化程度，能够用于古气候重建[12]。在化学风化过程中，随着气候变得温暖湿润，自由阳离子的反应减少会产生更高的CIA值。公式如下：

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

(1)

其中，所有氧化物均以摩尔单位表示，CaO*代表硅酸盐组分中的CaO。对CaO*的校正步骤遵循McLennan[13]的方法：①使用P2O5数据对磷灰石中的CaO进行校正(CaO′=CaO-10/3×P2O5)；②如果CaO′大于Na2O，则CaO*等于Na2O，如果CaO′小于Na2O，则CaO*等于CaO′。未经风化原岩的特点是CIA值低(45～55)，随着逐渐风化和流动元素的损失，数值接近100。

岩石K2O含量会受到钾元素交代作用的影响，这种次生沉积过程会导致钾离子在严重蚀变岩石中被埋藏流体所吸收[12]，可以使用Panahi等[14]的方法对CIA值进行校正。

K2Ocorr=[mAl2O3+m(CaO*+Na2O)]/(1-m)。

(2)

m=K2O/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)。

(3)

将式(1)中的K2O替换为K2Ocorr，计算校正后CIA(CIAcorr)，当CIAcorr

根据Yang等[15]的公式可计算陆地地表温度(land surface temperature，LST)：

LST=0.56×CIA-25.7。

(4)

其中：LST单位℃，r2=0.50，SE=±5 ℃。当CIA为50～90时，该公式是可靠的(对应3～25 ℃)。利用三点移动平均值对LST记录进行平滑处理，以反映每个点位的时间平均条件，同时考虑采样分辨率的可变性。

2.2 化学风化指数(CIW)

由于过量的K2O在沉积岩单元中出现的频率很高[12]，使CIA值受到钾元素交代作用影响较大，Harnois[16]提出一种替代指数，即化学风化指数(chemical weathering index,CIW)，该指数与CIA原理相同，只是删除了K2O。公式为：

CIW=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O)]×100。

(5)

Sheldon等[17]提出CIW和年平均降水量(meanannual precipitation,MAP)的关系为：

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

(6)

2.3 元素指标

Al/K比值：在河湖相沉积环境中，K元素通常存在于伊利石中，而Al元素则存在于高岭石中。伊利石是相对干旱气候条件下机械风化的一种常见产物，高岭石则主要是潮湿时期的化学风化产物。因此，沉积岩中较高的Al/K比值反映了化学风化作用较强，指示较高的汇水区降水[18]。

Sr/Rb比值：矿物在化学风化过程中所释放的Rb元素容易被富钾黏土重新吸收，因此大部分Rb元素被保留在原岩中，只有少量会随地表径流淋滤迁移。与Rb元素不同的是，Sr元素在化学风化过程中会以自由离子的形式随地表径流迁移，并通过物理吸附或化学沉淀作用沉积在湖底。因此，Sr/Rb比值可以作为湖泊流域化学风化强度的指标，Sr/Rb比值越高则表明化学风化强度越强[19]。

K+Ti+Rb值：湖相沉积物中的K、Ti和Rb元素的含量被证实与细粒或粉粒级的沉积物有高正相关关系，基于K、Ti、Rb元素的一致性和线性相关性，可以将K、Ti、Rb含量相加，用和值表示细粒组分的变化。随着区域降水的增加，可能会导致分选较差的碎屑物质进入湖泊，导致湖泊沉积物中细粒矿物的比例降低，因此K+Ti+Rb值越低则湖泊流域的降水强度越高，指示化学风化强度越强[20]。

P/Al比值：P是一种重要的营养元素，主要以有机结合态的形式进入到沉积物中，由于P会在缺氧条件下溶解，因此对于富氧到亚氧条件下的沉积物，P元素作为古生产力指标尤为重要。为了消除陆源碎屑岩对P元素含量的影响，将P元素对Al元素进行比值[21]，结果越高则沉积物的古生产力越高。

3 结果与讨论

3.1 晚侏罗世—早白垩世滦平盆地气候环境的变化

如图3所示，滦平盆地在整个演化阶段风化强度在50～75之间浮动，反映了相对较低的化学风化强度。其中九龙山组平均值65.8，土城子组平均值50.7，大北沟组与大店子组连续沉积的平均值为64.2，表明晚侏罗世—早白垩世盆地整体处于温暖湿润的气候环境(表1)。

图3 滦平盆地化学风化指数演化图(全球温度数据来源于文献[22])

需要注意的是，侏罗纪—白垩纪之交土城子组的风化强度出现了一个较为明显的低值阶段，最小值小于50，指示该时期沉积岩几乎没有发生化学风化。前人在土城子组进行的孢粉学研究表明，该时期的优势孢粉组合为Classopollis-Cooksonites-Ephedripites，其中Classopollis作为优势属反映了相对干旱的气候[23]，表明盆地可能处于相对干旱凉爽的气候环境。以上认识与全球古温度记录一致，例如Scotese等[22]认为晚侏罗世—早白垩世全球进入冷期，平均温度降至18 ℃。

前人在古地磁学与古风向学的研究中认为，华北板块在侏罗纪、白垩纪之交发生了真极移事件[24-25]，这次真极移事件导致华北板块在10 Ma时间向南移动至30°N，从北方温暖湿润带进入了水汽来源稀缺的副热带高压带，这一独特的气候转变时期被称为“侏罗纪东亚大干旱事件”，对比前人的古地磁记录与古风向变化的时间，滦平盆地土城子组的极低化学风化强度可能受到此次真极移事件产生的极端干旱气候影响。

前人古生物学研究表明，土城子组沉积时期的化石记录并不丰富，动物化石以叶肢介与介形类为代表，其中叶肢介明显不同于下部燕辽生物群的柴达木叶肢介类群。土城子组下段Pseudograpta十分丰富，与热河生物群早期代表类型Nestoria具有密切的亲缘关系。而介形类下部组合以Darwinula为主，具有明显的中侏罗世—晚侏罗世早期化石特征；上部组合则为晚侏罗世—早白垩世化石特征。化石记录显示土城子组沉积时期燕辽生物群急剧减少，而热河生物群的先驱类型已经萌发，这使得土城子组成为燕山地区两大重要中生代生物群——燕辽生物群和热河生物群的间隔期[9]。前人综合多学科研究认为，燕山地区晚侏罗世—早白垩世早期的生物群更替具有一定的继承性，其中土城子组沉积时期所发生的古气候环境变化可能触发了生物群落的“避难所”机制[26]，本研究中土城子组沉积时期风化程度剧烈降低指示的湿度与温度的突变很好地支持了前人的结论(图3)。

3.2 早白垩世火山活动等因素对滦平盆地生物多样性的影响

Qin等[2,27]对大北沟组地层开展了地层学与古生物学研究，将大北沟组划分为三段，对其中部分黑色泥岩样品进行了主微量元素测试。在此基础上，本研究开展了测试分析工作，并对结果进行校正以消除K元素交代作用所产生的影响，最终获得具有较高分辨率的综合风化与气候环境指标演化曲线(图4)。

沉积年龄数据来自文献[4-6]；CIAcorr与CIW中，灰色圆点的原始数据来自文献[2]；Al/K、Sr/Rb、K+Ti+Rb中部分数据来自文献[2]

大北沟组第一段CIA的平均值为65左右，进入第二段后CIA小幅下降，最低值降到55，之后显著上升并恢复到65～70，最高值达80。CIW也显示了相似的趋势，即第二段开始出现短暂降低，之后缓慢回升。此外，Al/K、Rb/Sr和K+Ti+Rb比值所反映的化学风化程度也与CIA和CIW具有相同趋势。

古温度重建结果显示，大北沟组第一段沉积初期的地表平均温度为10～15 ℃，但在第二段沉积初期下降到5 ℃以下，最后在第二段末期到第三段逐渐回升到10～15 ℃。年平均降水量(MAP)整体趋势与温度类似，反映了逐渐湿润的趋势，最低值小于800 mm/yr，峰值则超过了1 400 mm/yr。且均在第三段沉积时期温度和降水量波动明显。

根据前人岩性描述[27-28]，以剖面厚度10 m为单位统计火山灰层数，共识别出四个火山灰富集层(图5)，因此将大北沟组沉积时期的火山活动划分为四期。其中第Ⅰ期火山活动较弱，第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ期的火山活动更活跃，可能对生态环境产生更大的影响。

图5 大北沟组火山活动、气候演化和生物多样性综合评价图(生物多样性数据来源于文献[2])

古生产力指标P/Al总体呈逐渐增高的趋势，下部P/Al较低且波动较弱，指示了较低的湖泊古生产力；伴随着大北沟组沉积时期火山活动的增强，上部P/Al明显升高，反映了古生产力的提升。推测频繁的火山活动所产生的火山灰将丰富的营养物质引入湖中，导致湖泊富营养化和初级生产力水平持续提高[29]，而稳定的初级生产力对食物链产生了巨大贡献。此外，大北沟组沉积时期由寒冷干旱向温暖湿润逐渐过渡的气候条件也与逐渐增强的火山活动具有一定的相关性。

古生物证据显示大北沟组Ostracod与Spinicaudatan的生物多样性发生了显著增加[2]，其中Spinicaudatan的多样性受到第Ⅱ期火山喷发的影响出现短期的峰值，但可能受到当时恶劣气候环境的限制，生物多样性又迅速回落，在第Ⅲ期火山活动之后，火山活动所提供的养分逐渐增多，同时盆地气候逐渐变得温暖湿润，Ostracod与Spinicaudatan的生物多样性均出现迅速增长，并达到更大的峰值。

4 结论

基于前人研究结果，本研究对滦平盆地晚中生代陆相地层进行了全岩主微量分析，重建了滦平盆地晚中生代风化强度与气候演化，得到以下结论：

1) 化学风化强度记录表明，滦平盆地在侏罗纪—白垩纪之交经历了温暖湿润—干旱—温暖湿润的气候条件转变，真极移导致的华北板块气候变化可能是造成这一转变的原因，而这种气候转变影响了生物群的绝灭或迁徙事件。

2) 大北沟组的主微量元素记录和火山灰分布情况表明盆地气候在这一阶段逐渐转向温暖湿润，此时火山分期次喷发，提供了充足的初级营养成分，使得湖泊古生产力逐渐提高。因此，气候演化与构造活动共同促进了山间盆地的生物多样性发展，推动了热河生物群的早期演化。