湖南茶陵盆地晚白堊世古降水氧同位素

劉芮岑，李祥輝，胡修棉

南京大學地球科學與工程學院，南京 210023

0 引言

近幾十年來氧同位素溫度指針對古氣候的定量研究起到了關鍵作用。然而，利用該指針對水文循環(huán)及其與氣候系統(tǒng)相互作用的研究甚少[1]。近期對成壤碳酸鹽、成壤菱鐵礦、化石牙齒磷酸鹽等氧同位素研究已有了古水文方面的典型研究實例[2-8]，而通過成壤碳酸鹽δ18O數(shù)據(jù)來探討北美白堊紀阿普第期—阿爾布期的水文循環(huán)，推算大氣水δ18Ow組成[5-9]，則是新近古水文與古氣候相結合的代表性成果，為古降水的氧同位素研究提供了先例，也為進行古水文研究開啟了新的視野。

華南晚中生代廣泛發(fā)育陸相沉積盆地，記錄有大量的古土壤，其中，東南地區(qū)主要為鈣質古土壤[10]。湖南茶陵盆地是白堊紀華南地區(qū)代表性陸相盆地之一，本次工作在其上白堊統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了較為豐富的鈣質古土壤。本文在進行鈣質古土壤巖相和成壤鈣質結核的陰極發(fā)光分析基礎上，對鈣質結核進行了碳氧同位素測試和大氣方解石線(MCLs)甄別，以重建晚白堊世晚期低緯度的大氣水氧同位素組成，為約束矯正同期全球水文循環(huán)模型提供重要基礎數(shù)據(jù)。

1 地質背景

中國東南地區(qū)中生代陸相沉積盆地經(jīng)歷了三個演化階段：晚三疊世—早侏羅世類前陸盆地、中侏羅世裂谷盆地和晚侏羅世—白堊紀(可延伸到古近紀)斷陷盆地[11-12]。其中，白堊紀時期的沉積盆地規(guī)模較小，多為數(shù)百平方千米，以裂谷盆地和/或斷陷盆地為主[13]。

茶陵盆地位于湖南東南地區(qū)，是燕山期形成的北北東向長條形斷陷山間盆地。盆地中主要發(fā)育上白堊統(tǒng)戴家坪組和古新統(tǒng)棗市組(圖1)，其間呈假整合接觸[14-15]。盆地東翼巖層厚度比西翼大，但西翼地層較東翼出露較完整、連續(xù)(圖1)?？傮w而言，戴家坪組以山麓洪積相與河流相為主，棗市組以湖相沉積為主[16]。

本次工作的對象為戴家坪組(K2d)，因產(chǎn)恐龍蛋化石O?lithessp.①湖南省地質局區(qū)測隊.中華人民共和國區(qū)域地質調查報告報告，1：20萬茶陵幅,1966.，故被認為屬于晚白堊世晚期地層；它以副礫巖—粉砂質泥巖構成的旋回為特征。

2 材料和方法

觀測剖面位于茶陵縣西南方向約10 km處的新田村附近(圖1)，起始點GPS坐標為26°43′43″N，113°31′48″E，發(fā)育古土壤段的地層厚約118 m。本次工作對該套地層進行了野外詳細地層和巖相觀察描述，在兩套典型古土壤層中采集了大型成壤鈣質結核2件樣品(CL11-C2、CL-11C4)，用于碳氧同位素測試分析。室內將樣品清洗烘干后切割成相鄰貼合的0.5 mm厚薄片和2～3 mm厚切片(圖2)以備陰極發(fā)光照射和碳氧同位素粉末取樣之需。

薄片陰極發(fā)光測試在美國堪薩斯地質調查中心陰極發(fā)光實驗室完成，測試儀器為Reliotron Ⅲ冷陰極發(fā)光儀，樣品為不大于10 cm×10 cm的標準陰極發(fā)光薄片，束電壓為10 kV，束電流為0.5 mA，樣品倉內保護氣為氦氣，氣壓為50 μmHg。

切片磨平用于粉末取樣。在微鉆取樣時，單個點取樣直徑限制在1～1.5 mm范圍內，樣品重一般0.5～1.0 mg。切面觀察顯示，鈣質結核主要由兩部分組成：淺紅色和棕紅色方解石。本次工作對2件鈣質結核共取33個點粉末樣品，即在CL11-C4和CL-11C2樣品中各取15和18點粉末樣品。其中，CL11-C4樣品在淺灰色和棕紅色(圖片上分別顯示淺灰和深灰)區(qū)域各采集了9個點，CL-11C2樣品分別采集了5和10個點(圖2)。

碳酸鹽粉末樣品的碳氧同位素分析在南京大學內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室完成。實驗儀器為Finnigan公司的Delta Plus XP連續(xù)流質譜儀。碳氧同位素的結果以δ13C和δ18O同位素比值VPDB標準化表示，精度高于0.2‰；計算出的大氣水δ18O以維也納海水(VSMOW)標準化表示。

圖1 茶陵盆地地質略圖及采樣位置(地質底圖據(jù)湖南省地質局區(qū)測隊，1966①湖南省地質局區(qū)測隊.中華人民共和國區(qū)域地質調查報告報告，1：20萬茶陵幅,1966.簡化)Fig.1 Geological sketch of Chaling Basin and observed section location (geological map simplified from Hunan Geological Survey, 1966①湖南省地質局區(qū)測隊.中華人民共和國區(qū)域地質調查報告報告，1：20萬茶陵幅,1966.)

圖2 大型成壤鈣質結核切片及微鉆粉末取樣點位置圖Fig. 2 Section images of large pedogenic calcrete samples and microdrilling locations

3 結果

3.1 巖相與陰極發(fā)光

發(fā)育鈣質古土壤層的背景巖石主要為雜基含量較高的副礫巖，其雜基含量一般可達20%～30%，表明其形成于重力流條件，沉積于山麓洪積扇。在此巖相基礎上的成壤作用形成了多套古土壤層，并以鈣質古土壤為主，呈紫紅色、紫灰色；鈣質結核含量高，大多超過20%，甚至達50%以上；單個結核大，直徑平均5～10 cm，少數(shù)可達20 cm；形狀多呈姜狀(圖3a)；部分層位土壤層中淋濾構造發(fā)育，具白色碳酸鈣斑點和條帶(圖3b)。大多鈣質結核由棕紅色微晶方解石基質和淺紅色方解石細脈(圖2)兩部分構成。

陰極發(fā)光結果顯示：構成鈣質結核主體的棕紅色微晶方解石微弱發(fā)光呈橘紅色，泥質含量較高者一般不發(fā)光；而裂隙中充填的淺紅色細脈狀方解石發(fā)光呈亮橘黃色(圖4)。兩種不同陰極發(fā)光可能指示方解石的沉淀時間差異，即存在先后順序。這一特征在兩件樣品CL-11C4和CL-11C2中表現(xiàn)均極其相似。

圖3 茶陵盆地新田村剖面戴家坪組鈣質古土壤野外照片a.背景為副礫巖中發(fā)育的紫紅色古土壤及鈣質結核；b.古土壤層中的淋濾構造。注：淋濾層中見豐富的鈣質結核；地質錘長29 cmFig.3 Field photographs showing calcisols of the Daijiaping Formation in the Xintian Section, Chaling Basina. reddish-purple paleosol and pedogenic calcretes within the paraconglomerate host; b. leaching structure within paleosol layer. Note: abundant calcretes found in leaching layer; hammer 29 cm in length

圖4 茶陵新田村剖面大型鈣質結核CL-11C2和CL-11C4透射光(左)和陰極發(fā)光(右)圖像a.發(fā)光明亮橙黃色的細脈狀方解石；b.發(fā)光微弱橘紅色或不發(fā)光的基質Fig.4 Matching transmitted light images (left) and cathodoluminescence (CL) images (right) from large calcrete samples CL-11C2 and CL-11C4 at Xintian Section, Chaling Basin a. CL bright orange vein calcite; b. CL dully or non-luminescence matrix

3.2 碳、氧同位素

33個樣品點測試結果顯示，δ18O(VPDB)最大值為-7.96‰，最小值為-11.35‰；δ13C(VPDB)最大值為-7.30‰，最小值為-8.24‰。

樣品CL-11C4的棕紅色(圖2中深灰色)基質區(qū)域以較穩(wěn)定的δ18O值和δ13C值為特征。其中，點M1～M5和M6～M9的δ18O值可識別出2條“大氣方解石線”(meteoric calcite lines-MCLs)[5,17-18]，分別為(-9.04±0.18)‰,VPDB和(8.03±0.11)‰,VPDB(圖5、表1)。淺紅色(圖2中淺灰色)方解石脈區(qū)域的碳氧同位素結果相對復雜，δ18O(VPDB)偏輕，介于-9.16‰至-11.16‰。這種同位素分布趨勢同樣會出現(xiàn)在現(xiàn)代土壤的成壤方解石中[19]。

樣品CL-11C2的穩(wěn)定同位素分布模式存在類似特征：棕紅色基質區(qū)域δ18O值(VPDB)-9.21‰～-8.03‰，較淺紅色區(qū)域重，且較樣品CL-11C4相對分散。其中，點M1～M10方差較大，為0.84，高于識別MCLs的最小標準差0.58要求(表1)，因此CL-11C2樣品中難以辨識出MCLs；淺紅色區(qū)域方解石δ18O值(VPDB)為-9.2‰～-11.35‰，而點C3～C5的δ18O與棕紅色區(qū)域接近。

由于低壓變頻器具有調速范圍廣、調速范圍寬、運行效率高、操作方便、易于與其他設備的接口相連等一系列的優(yōu)點在各行各業(yè)中得以廣泛的應用，具有非常穩(wěn)定的性能，使用上優(yōu)于直流調速系統(tǒng)。另外，變頻器體積較小、而且低噪音，所以在三相異步電動機上應用具有成本低、易維護的特點，不僅有效的降低了成本，同時也使工藝得以簡化。對于變頻器的應用，通?？梢杂行У奶岣邌挝簧a(chǎn)率、提高設備自動化水平、產(chǎn)品質量及有效的使生活環(huán)境得以改善等。同時由于低壓變頻器的使用，可以有效的節(jié)約能源，并使企業(yè)的生產(chǎn)成本得以有效的降低。

總體來看，兩件樣品棕紅色與淺紅色區(qū)域的δ13C值未顯示明顯差異(圖5)。

4 討論與結論

4.1 鈣質結核的兩期方解石沉淀

如前，一方面陰極發(fā)光圖像顯示鈣質結核由兩種發(fā)光特性的組份組成，即發(fā)光呈微弱橘紅色的微晶方解石基質和亮橘黃色方解石脈(圖4)；另一方面雖然碳同位素結果指示鈣質結核這兩個部分沒有明顯不同(圖5)，均屬成壤成因范圍[20-22]，但是氧同位素有一定的差別，這表明鈣質結核存在先后兩期的方解石結晶沉淀。

形成鈣質結核的內因是在成壤條件下富集的CaCO3和古土壤BK層本身多孔性、易滲透性的特性，外因則是大氣水淋濾作用。因此其形成機理可能是古土壤在富含CO2的地表徑流和地下水的作用下，CaCO3被淋濾溶解，沿著古土壤疏松的結構下滲，并在垂向層面中留下痕跡(圖3b)；當氣候干旱蒸發(fā)作用強時會促使富CaCO3的孔隙水在滲流帶產(chǎn)生沉淀。

鈣質結核通常分布在沉積界面以下幾米至幾百米深[23-25]。戴家坪組成壤鈣質結核的棕紅色基質微弱發(fā)光呈橘紅色甚至基本不發(fā)光，說明其時孔隙水中富游離氧，流體中Mn2+濃度較低。因此，我們認為這一期的方解石沉淀發(fā)生在離地表很近的古土壤層中，這個深度(古土壤BK層)可能是離地面不到10 m的滲流帶上部到頂部的位置。

而結核裂縫中充填的方解石脈形成時間稍晚[9,26]，可能為構造沉降作用所致，并受到新的沉積物充填、氣候變化的影響。無論成因如何，原先位處滲流帶頂部的古土壤層埋藏深度發(fā)生了變化，且其深度可能較深或許可到達潛水面致使游離氧缺失、Mn2+進入方解石晶格進而沉淀，使得方解石呈亮橘黃色發(fā)光特征[9,27]。雖然脈體組分δ18O更貧化的趨勢對應準同生期埋藏作用，而2件樣品δ13C值(VPDB)分別為(-7.86±0.22)‰和(-7.82±0.24)‰，仍然屬于古土壤范疇[20-22]。因此，我們認為第二期方解石沉淀仍然與大氣、生物呼吸和地表徑流有聯(lián)系，即與成壤作用有較大關系，其沉淀深度可能在滲流帶內，或許仍然在滲流帶的中上部。

圖5 茶陵盆地戴家坪組成壤鈣質結核方解石碳氧同位素相關圖取樣點見圖2。圖中灰色縱向虛線大致分隔了圖2中棕紅色和淺紅色區(qū)域樣品的同位素分布；橫向粗實線段代表兩種成分推算出的溫度分布范圍；STD為標準差Fig.5 C-O isotope crossplots of calcites of pedogenic calcretes of the Daijiaping Formation in the Chaling Basin Microdrilling numbers refer to Fig.2. Gray short lines roughly separate isotope ranges of reddish-brown and light red spaces in Fig.2. Coarse orange solid lines represent temperature ranges of two components; STD means standard deviations

4.2 古降水氧同位素

古氣候重建中往往涉及氣候與水文交互過程，其重要內容是查明關鍵帶(Critical zone)的“大氣水—古土壤”水—巖系統(tǒng)，目標之一是重建參與水—巖體系交互反應的成巖流體和大氣降雨的δ18Ow組成。但是，傳統(tǒng)的氧同位素溫度計方法需要礦物生長溫度和氧同位素δ18O[28]則較難實現(xiàn)這一目標，新的方法則可根據(jù)礦物的氧同位素δ18O值通過古緯度和方解石中MCLs值來求取并予以表征。Suarezetal.[5]首先嘗試通過古緯度重建了北美白堊紀時期的古溫度，進而推算了當時古降雨的δ18Ow值。這為我們進一步實施華南近于同期的古降水δ18Ow值求解提供了先例。

通常，古土壤在接受淋濾過程中大氣水的δ18Ow信息會以MCLs的形式記錄下來[7,17]。研究區(qū)戴家坪組上部鈣質結核內部兩種不同碳酸鹽組分形成于兩個階段，其中第一階段棕紅色的基質部分可能真正記錄了大氣水的氧同位素信息[9]。如前述結果，鈣質結核樣品CL-11C4基質部分識別出2條的MCLs，分別為(-9.04 ± 0.18)‰，VPDB和(-8.03±0.11)‰，VPDB(圖5)，與Suarezetal.[5]北美近似緯度18～19°N的MCLs值近似(表1)，表明該樣品基質部分的δ18O值符合進行推算古降水氧同位素的條件[17]，而CL-11C2的基質部分碳氧同位素分布較為分散，不能識別出MCLs(圖5)(表1中以刪除線表示)。

表1 “大氣方解石線”(MCLs)值比較

要獲取古降水的氧同位素，首先要獲取低溫礦物方解石形成時的地表古溫度。該溫度一般利用Spiceretal.[29]基于葉片化石地貌學數(shù)據(jù)[30]建立的溫度緯度梯度經(jīng)驗公式[3]來獲得。

(1)

其中,t代表溫度(℃)，l代表古緯度。此公式選擇運用陸相葉片化石建立的溫度梯度，一方面是考慮植物是直接與大氣環(huán)境相接觸的自然指標，所處環(huán)境與古土壤是一致的；另一方面，此公式是摒棄模型的純經(jīng)驗公式[5]。

雖然湖南茶陵盆地目前沒有古緯度數(shù)據(jù)，但是因茶陵盆地與南雄盆地的距離和相對位置在晚白堊世時和現(xiàn)在基本沒有變化(兩地現(xiàn)今緯度差約1.4°)。所以，借助廣東南雄盆地晚白堊世的古緯度16°N[31]推測茶陵盆地的古緯度大致為17.4°N?；谌~片化石地貌學經(jīng)驗公式(1)，求得茶陵盆地的年平均氣溫(MAT)為26.4 ℃。

由此，可基于氧同位素分餾方程和“方解石—水”分餾系數(shù)α[32]來估算獲取大氣水同位素組成：

1 000 lnα=2.78 (106/T2)-3.40

(2)

δB=δA-1 000 lnα

(3)

公式(2)中T為開爾文溫度(T+273)。公式(3)反映了氧同位素分餾與結晶礦物和大氣降水的氧同位素關系，亦即由于MCLs值反映的是大氣水結晶分餾產(chǎn)生的方解石δ18O[17](即δA)，故在求得古MAT的前提下可通過MCLs的值δA反推大氣水同位素組成δ18Ow(即δB)。

由于樣品CL-11C4存在2條MCLs，其δA(δ18O)(VPDB)分別為-7.30‰和-8.24‰，代入公式(3)，從而估算出茶陵盆地晚白堊世晚期的大氣降雨的δ18Ow(VSMOW)組成分別為-5.76‰和-6.80‰。該結果與北美近似古緯度位置(18°～19°N)獲得的大氣降雨δ18Ow(VSMOW)結果-5.09‰ ～ -6.40 ‰[5]近于一致(圖6)，與Poulsenetal.[33]提出的模型中模擬的大氣水δ18Ow(-4.0‰～-7.0‰，VSMOW)也較匹配，但與Ufnaretal.[3]最初擬合的北美地區(qū)中緯度—中高緯度的大氣水—緯度的曲線(圖6)趨勢相比，本文樣品的δ18Ow貧化了～4.0 ‰(圖6)，原因可能是研究區(qū)當時存在更強的降雨效應(rainout effect)或者蒸發(fā)作用[5]，使得大氣水表現(xiàn)為輕的氧同位素更為集中。

基于上述估算的δ18Ow大氣水組成，可以反過來驗證鈣質結核脈體方解石組分的準同生期埋藏作用。由于兩期方解石形成深度差距不大，假定準同生成巖過程中孔隙水有著類似的δ18O組成，根據(jù)氧同位素溫度計公式(2)和(3)可以演算反推，淺紅色方解石脈體分餾時的古溫度范圍大致為32 ℃～43 ℃?？梢娫诼裆钏臈l件改變后，潛水面附近地層可能埋藏溫度比地表高6 ℃～17 ℃[7,9](圖5)，但不排除孔隙水也可能有少量其他較輕來源的流體混入。

圖6 白堊紀中—晚期大氣降水δ18Ow緯度梯度曲線(據(jù)Suarez et al.[5]和Ludvigson et al.[8]綜合)虛線及公式為Ufnar et al.[3]基于大氣菱鐵礦線MSL值擬合出的二次曲線；實線及公式則是前人所有數(shù)據(jù)加上本文成壤或早期成巖方解石MCL值擬合的二次曲線[3,5,7,9,34-36]Fig.6 Latitudinal gradient curves of meteoric water δ18Owduring the mid-late Cretaceous (composed from Suarez et al.[5] and Ludvigson et al.[8]) the orange dashed curve and equation fit to the MSL (meteoric sphaerosiderite line) by Ufnar et al.[3]; the black curve and equation fit to the MCLs of pedogenic or early diagenetic calcite by the published data plus this work

由上估算過程及討論我們認為，湖南茶陵盆地上白堊統(tǒng)上部戴家坪組中鈣質結核不僅記錄了古土壤的成壤信息，反映了生物作用(植物呼吸)、古大氣、降雨、地表徑流的綜合效應，而且穩(wěn)定氧同位素指針也揭示了其時北半球低緯度(～17.4°N)的古降水氧同位素值及其分餾信息，可為白堊紀中低緯度水文循環(huán)模型及古大氣環(huán)流模擬提供數(shù)據(jù)參考，也可進一步約束前人的經(jīng)驗模型。

致謝 張朝凱博士、王旌羽參加了野外工作，相關實驗得到了南京大學內生金屬礦產(chǎn)成礦機制國家重點實驗室的沈海燕老師和美國堪薩斯大學的ROSS博士幫助和支持，在此一并表示感謝！