山旺盆地：記錄“深時(shí)”氣候的時(shí)間膠囊

(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東山旺國(guó)家地質(zhì)公園，山東 臨朐 262600)

“深時(shí)”(Deep Time)古氣候研究計(jì)劃由以美國(guó)Oklahoma大學(xué)Soreghan教授[1]為代表的古氣候研究學(xué)者提出，著眼于利用沉積記錄研究前第四紀(jì)地質(zhì)歷史時(shí)期的地球古氣候變化，為未來(lái)氣候預(yù)測(cè)提供更可靠依據(jù)，而前第四紀(jì)的氣候變化由于只受自然因素控制，更能反映地球氣候系統(tǒng)的規(guī)律。深時(shí)古氣候研究的關(guān)鍵不僅是記錄高分辨率、高連續(xù)性古氣候變化的地質(zhì)材料，而且地質(zhì)材料的時(shí)限應(yīng)當(dāng)盡可能精確可靠。

山旺盆地是新近紀(jì)中新世時(shí)期形成的一個(gè)小型瑪珥湖盆地。Holden[2]曾受邀在《Science》上撰文介紹了山旺盆地：大約25 Ma年前中國(guó)山東省的一個(gè)湖泊停止循環(huán)變成一粒時(shí)間膠囊。在幾百萬(wàn)年的時(shí)間內(nèi)大量動(dòng)植物落入缺氧的湖水中被細(xì)粒沉積物覆蓋埋藏”。時(shí)間膠囊一詞形象地將山旺盆地的特點(diǎn)表達(dá)了出來(lái)，即小而完整。因其獨(dú)特的沉積環(huán)境形成和保存了高分辨率沉積記錄，特別是山旺組沉積連續(xù)、含化石豐富的硅藻頁(yè)巖段，其頂?shù)拙鶠樾鋷r層所界定，為同位素測(cè)年提供了方便，為“深時(shí)”的研究、反演古氣候變化提供了理想材料和場(chǎng)地，為該區(qū)高分辨率區(qū)域性古氣候變化研究提供了條件。

目前在山旺盆地成因與演化、山旺組化石的分類與保存、山旺盆地古地理等方面研究較多，有關(guān)古生物化石方面研究尤為突出。在古氣候研究方面也有不少成果問(wèn)世，但多是根據(jù)古生物化石對(duì)山旺組形成時(shí)期作整體氣候判斷，如趙秀麗等[3]運(yùn)用共存因子分析法對(duì)山旺盆地山旺組孢粉植物群定量化研究，不同孢粉組合中孢粉類型和含量的變化反映了山旺盆地山旺組古氣候由亞熱帶的暖濕期向溫涼期過(guò)渡；孫啟高等[4]應(yīng)用葉相分析法恢復(fù)了山旺盆地硅藻泥頁(yè)巖部分層段的古氣候信息，表明山旺盆地中新世古氣候?yàn)闇嘏睗竦臏貛е羴啛釒夂?；閻德發(fā)等[5]根據(jù)山旺所產(chǎn)的21種哺乳動(dòng)物化石推斷出山旺盆地山旺組氣候?yàn)閬啛釒Щ蚺瘻貛夂?；趙秀麗等[6]新發(fā)現(xiàn)的兩種植物化石證實(shí)了山旺地區(qū)早中新世晚期闊葉植物與針葉植物共存的面貌，反映了該地區(qū)亞熱帶山地氣候類型。上述研究均認(rèn)為山旺盆地山旺組形成期總體為溫暖潮濕氣候，但對(duì)其歷經(jīng)的百萬(wàn)年時(shí)限內(nèi)氣候如何變化并未涉及。

本研究選用磁化率及Rb/Sr值作為氣候替代指標(biāo)進(jìn)行深時(shí)氣候研究。對(duì)剖面山旺組硅藻頁(yè)巖段21.81 m地層采用微型磁導(dǎo)率儀KT-6及Niton XL3t 950手持式礦石分析儀進(jìn)行物化指標(biāo)連續(xù)高分辨率測(cè)量，測(cè)量間距為5 cm。運(yùn)用文獻(xiàn)[7]的方法對(duì)實(shí)測(cè)磁化率曲線進(jìn)行調(diào)諧，獲得高分辨率時(shí)間標(biāo)尺，并結(jié)合剖面實(shí)測(cè)Rb/Sr值和磁化率等氣候替代指標(biāo)對(duì)山旺組硅藻頁(yè)巖段的古氣候變化進(jìn)行解讀。

1 盆地地質(zhì)特征

山旺盆地位于山東省臨朐縣城以東22 km處，盆地面積小于1 km2，四周丘陵環(huán)抱(圖1)。山旺盆地因其中的硅藻頁(yè)巖發(fā)育、動(dòng)植物化石門類眾多、保存精美，被稱為“萬(wàn)卷書(shū)”、“化石寶庫(kù)”，并被中外專家譽(yù)為研究中新世的“綜合實(shí)驗(yàn)室”。山旺國(guó)家地質(zhì)公園于2005年9月24日揭碑開(kāi)園后，2011年被確定為國(guó)土資源部第一批野外科學(xué)觀測(cè)研究基地。

圖1 山旺盆地地理位置圖Fig.1 The geographical map of Shanwang basin

山旺盆地的發(fā)展經(jīng)歷了完整的3個(gè)階段，并相應(yīng)地形成了3個(gè)結(jié)構(gòu)層。在盆地接受堆積階段，初期處于封閉環(huán)境，中、晚期為半封閉環(huán)境。雖與火山活動(dòng)有關(guān)，但其并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的火山口盆地，種種跡象表明，是一個(gè)瑪餌湖(Maar lake)盆地[8]。

山旺盆地出露的地層具有一老一新的特點(diǎn)。老地層為太古界泰山群萬(wàn)家莊組，其代表性巖石為花崗質(zhì)片麻巖，分布在該區(qū)西南部；新地層主要為新近紀(jì)基性火山巖及其沉積夾層。對(duì)于本區(qū)出露的新近系，現(xiàn)在人們多趨向于三分法，以山東區(qū)域地層表為代表，將本區(qū)地層自下而上分別劃歸牛山組、山旺組和堯山組[9](圖2)。山旺組是一套發(fā)育于牛山組玄武巖基底之上的淡水湖泊沉積，也是本區(qū)最主要的化石產(chǎn)出層位。主要包括三個(gè)部分：下部為黃色砂巖和凝灰質(zhì)角礫巖，僅在角巖山南麓等盆地邊緣地帶出現(xiàn)，與牛山組不整合接觸，砂巖中曾發(fā)現(xiàn)中新世脊椎動(dòng)物化石；中部為灰白色硅藻頁(yè)巖，夾多層凝灰?guī)r、磷結(jié)核層和泥灰?guī)r層，硅藻頁(yè)巖富產(chǎn)多種門類的化石(硅藻、孢粉、植物、昆蟲(chóng)、魚(yú)類、兩棲動(dòng)物、爬行動(dòng)物、鳥(niǎo)類和哺乳動(dòng)物等)，上部為綠色泥巖、褐色碳質(zhì)泥巖，夾兩層玄武巖，頂部砂礫巖。

圖2 山旺新近系綜合柱狀圖Fig.2 The composite columnar section of Neogene period of Shanwang

2 時(shí)間標(biāo)尺建立

山旺盆地形成于前第四紀(jì)的中新世。不少學(xué)者針對(duì)山旺盆地地層的沉積時(shí)間做過(guò)研究。采用余繼峰等[10]在賀懷宇等[11]40Ar/39Ar同位素測(cè)年框架約束下，對(duì)山旺組硅藻頁(yè)巖段及上下玄武巖層古地磁極性分析得到的時(shí)限結(jié)果，即年代跨度約為18.524～18.056 MaB.P.(圖3(a))。

為了取得山旺組硅藻頁(yè)巖段高分辨率時(shí)間標(biāo)尺，將實(shí)測(cè)磁化率數(shù)據(jù)作為天文調(diào)諧的主要信號(hào)源，在上述年代框架約束下，運(yùn)用Laskar 等[7]應(yīng)用斜率和歲差模擬的北緯65°盛夏的太陽(yáng)輻射曲線進(jìn)行調(diào)諧。磁化率的極大值與其極小值相比，極大值通常不受背景噪音的影響，因而調(diào)諧時(shí)常選擇磁化率極大值點(diǎn)作為年齡的控制點(diǎn)。雖存在兩種相反的調(diào)諧方案，即將磁化率極大值分別與北半球天文輻射的極小值或極大值對(duì)應(yīng)，而且兩種調(diào)諧方法產(chǎn)生的相位差在可容忍的誤差范圍內(nèi)。但有研究表明，采用磁化率的極大值與太陽(yáng)輻射的極小值相對(duì)應(yīng)的調(diào)諧方案更合理[12]，因此采用該調(diào)諧方案得到高分辨率時(shí)間標(biāo)尺以及剖面深度與年代對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖3(b)、表1)。該時(shí)間標(biāo)尺的分辨率可達(dá)10 kyr。

圖3 山旺組綜合時(shí)間標(biāo)尺Fig.3 The composite time scale of Shanwang formation

表1 山旺硅藻頁(yè)巖剖面深度與年代對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 The corresponding relationship between depth and time profile of diatomite

3 氣候替代指標(biāo)的確定

在古氣候研究中，沉積物磁化率為恢復(fù)古氣候的良好替代指標(biāo)。磁化率對(duì)氣候極為敏感，被廣泛應(yīng)用于古氣候的解讀。不同氣候條件下形成的沉積物，其磁化率與古氣候之間的關(guān)系并不固定，因此研究同一剖面氣候意義明確的指標(biāo)與磁化率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是判別湖泊沉積物磁化率古氣候意義的有效手段[13]。湖泊沉積物中Rb/Sr值常用來(lái)恢復(fù)湖泊沉積時(shí)的古氣候、古環(huán)境，一般認(rèn)為高Rb/Sr值常指示冷干條件下較弱的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度，低Rb/Sr值常用來(lái)指示溫濕條件下較強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度。這是由于Rb主要賦存于不易被風(fēng)化的礦物中，且易被粘土礦物吸附而留在原地，而Sr則主要賦存于易被風(fēng)化的礦物中，容易以Sr2+形式被化學(xué)淋溶搬運(yùn)至湖盆[14]。山旺盆地山旺組硅藻頁(yè)巖段磁化率高值主要出現(xiàn)在黃綠色泥巖層，該層Rb/Sr值也處于相對(duì)高值，代表著化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度較弱的冷干氣候，這與黃綠色泥巖中存在的植物孢粉組合所反映的相對(duì)干旱氣候相對(duì)應(yīng)[15]。另外，在封閉性湖泊或瑪珥湖沉積物中，物源輸入主要靠降雨沖刷裸露湖壁提供。當(dāng)氣候干燥時(shí)，湖面高度下降，裸露湖壁的面積增加，湖壁植被覆蓋較差，即使較小的降水也會(huì)將湖壁大量的碎屑物質(zhì)帶入湖盆，磁性礦物也會(huì)隨之增加，最終導(dǎo)致磁化率增加[16]。從上述分析可知，山旺盆地山旺組硅藻泥頁(yè)巖，磁化率高值主要反映的是相對(duì)干旱的氣候條件，磁化率低值反映的是相對(duì)濕潤(rùn)的氣候條件，與Rb/Sr值的指示意義相印證。

4 古氣候特征解讀

4.1 Rb/Sr值與古氣候

Rb/Sr值的高低與化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即代表化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度高的低Rb/Sr值與暖濕氣候有關(guān)，而高Rb/Sr值與冷干氣候有關(guān)。根據(jù)山旺組硅藻頁(yè)巖段Rb/Sr值的變化特征，將剖面自下而上劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)階段，即下部的高值區(qū)Ⅰ、中部的低值區(qū)Ⅱ以及上部的中值區(qū)Ⅲ。階段Ⅰ的時(shí)限為18.524～18.407 MaB.P.(0.117 Ma)，其Rb/Sr值整體高于階段Ⅱ、階段Ⅲ，說(shuō)明該階段化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度弱，推測(cè)氣候偏冷干。階段Ⅱ時(shí)限為18.407～18.205 MaB.P.(0.202 Ma)，Rb/Sr值整體較低，反映了化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度強(qiáng)，相對(duì)炎熱濕潤(rùn)的氣候，該階段氣溫相對(duì)較高，降雨量充足，湖泊水體較深，硅藻大量繁殖，沉積物中硅藻殼體含量較高，主要沉積具有紋層結(jié)構(gòu)的硅藻頁(yè)巖。階段Ⅲ時(shí)限為18.205～18.056 MaB.P.(0.149 Ma)，Rb/Sr值整體較階段Ⅱ略有增高，表示該階段化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度減弱，應(yīng)為相對(duì)溫暖潮濕的氣候階段(圖4)。

4.2 磁化率與古氣候

山旺盆地硅藻頁(yè)巖段磁化率整體較低，平均為0.27×10-3m3/kg，變化范圍為0.02×10-3～5.15×10-3m3/kg，根據(jù)磁化率特征將上述三個(gè)階段劃分為12個(gè)亞段，分別是Ⅰa-Ⅰf、Ⅱa-Ⅱc及Ⅲa-Ⅲc亞段。其中，階段Ⅰ磁化率值高低波動(dòng)頻繁，其中亞段Ⅰa(9 kyr)、Ⅰc(18 kyr)、Ⅰe(5 kyr)磁化率值極高，指示了降雨量較少，相對(duì)冷干氣候，氣候冷干不宜硅藻繁殖；Ⅰa、Ⅰc、Ⅰe亞段對(duì)應(yīng)時(shí)期主要沉積黃綠色泥巖；Ⅰb(15 kyr)、Ⅰd(51 kyr)亞段磁化率值較低，說(shuō)明了降雨量增加，為相對(duì)冷濕的氣候。階段Ⅱ磁化率值整體較低，指示了降雨量較多，相對(duì)炎熱濕潤(rùn)的氣候，該階段存在短暫的冷干氣候波動(dòng)段——Ⅱb亞段(10 kyr)。階段Ⅲ磁化率值整體較階段Ⅱ略有增高，降雨量減少，應(yīng)為相對(duì)潮濕的氣候階段，而Ⅲb(9 kyr)亞段磁化率值較高，指示了降雨量減少，相對(duì)冷干氣候，持續(xù)時(shí)間短暫(圖4)。

4.3 化石與古氣候

在山旺盆地山旺組硅藻頁(yè)巖中已發(fā)現(xiàn)真菌、硅藻、介形蟲(chóng)、孢粉、昆蟲(chóng)、魚(yú)類、兩棲動(dòng)物、爬行類、鳥(niǎo)類、哺乳動(dòng)物及遺跡化石等十幾個(gè)門類的化石，共計(jì)400余屬700多個(gè)種[17]。無(wú)論植物還是動(dòng)物化石，均反映出該地層沉積時(shí)的氣候?qū)儆跍貛У絹啛釒У臏嘏瘽駶?rùn)型氣候，總體溫濕條件適宜，動(dòng)植物生長(zhǎng)繁盛。應(yīng)用微體古生物化石進(jìn)行該地層古氣候分析，分辨率最高的研究成果應(yīng)是梁明媚等[18]通過(guò)孢粉樣品分析得到的古氣候變化成果，該成果根據(jù)孢粉組合特征將研究剖面自下而上劃分出5個(gè)“混交中生林”發(fā)育階段：①濕潤(rùn)環(huán)境下的混交中生林，②干旱環(huán)境下的混交中生林，③濕潤(rùn)湖岸環(huán)境下的混交中生林，④山地、濕潤(rùn)及堿性環(huán)境下的混交中生林和⑤堿性環(huán)境下的混交中生林。研究發(fā)現(xiàn)本文磁化率和Rb/Sr值解讀的氣候變化與山旺組硅藻頁(yè)巖段孢粉特征闡明的古氣候變化具有較高的一致性。其階段1與亞段Ⅰd相當(dāng)，均指示相對(duì)濕潤(rùn)的氣候；階段2與亞段Ⅰe、Ⅰf相當(dāng)，反映的古氣候信息吻合，指示相對(duì)干旱的氣候；階段3與階段Ⅱ相當(dāng)，整體為濕潤(rùn)的氣候；階段4與階段Ⅲ吻合，整體為相對(duì)較濕潤(rùn)的氣候。在該大尺度古氣候變化背景下，解讀出多次短暫冷干氣候事件。需要說(shuō)明的是梁明媚等[18]與研究剖面的層位不完全一致，本次研究在剖面下部挖掘較深，深于上述①濕潤(rùn)環(huán)境下的混交中生林層位，而上部由于多年沖刷破壞缺失了上述“⑤堿性環(huán)境下的混交中生林”層位。為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果的可靠性，還對(duì)剖面不同層位樣品中硅藻化石進(jìn)行了提純、種屬鑒定及環(huán)境分析。如第12層硅藻頁(yè)巖(15.5～15.8 m)的硅藻幾乎全部為直鏈藻屬，主要為冰島直鏈藻、顆粒直鏈藻及彎曲變種(圖5(a)和圖5(b))，為淡水浮游類型，反映較深的水體，與前述Ⅱa濕潤(rùn)的古氣候特征吻合；第24層硅藻泥巖(5.6～5.8 m)的硅藻含直鏈藻屬(圖5(c))，反映較深的水體，與前述Ⅲa潮濕的古氣候特征吻合；第26層泥巖(4～4.5 m)的硅藻主要為脆桿藻(圖5(d))，該藻屬于淡水近岸富營(yíng)養(yǎng)型，反映水體深度變淺，處在Ⅲb冷干的古氣候階段向Ⅲc溫暖潮濕氣候的過(guò)渡階段。從古生物的角度證實(shí)了上述結(jié)論的可靠性。

圖4 山旺組硅藻頁(yè)巖段輻射曲線調(diào)諧時(shí)間標(biāo)尺下磁化率、Rb/Sr變化特征與古氣候Fig.4 The properties of magnetic susceptibility,the ratio of Rb/Sr and paleoclimate of diatomaceous shale section of Shanwang formation under the time scale tuned with insolation curve

圖5 山旺組硅藻特征Fig.5 Diatom characteristics of Shanwang formation

5 結(jié)論

1)山旺盆地山旺組硅藻頁(yè)巖段時(shí)限為18.524～18.056 MaB.P.。運(yùn)用Laskar等[7]的北緯65°盛夏太陽(yáng)輻射曲線對(duì)實(shí)測(cè)磁化率曲線進(jìn)行調(diào)諧獲得的時(shí)間標(biāo)尺分辨率達(dá)10 kyr。

2)山旺組硅藻頁(yè)巖段古氣候由老至新分為三個(gè)演化階段，在整體溫暖潮濕氣候的背景下，也有小尺度冷暖干濕變化，共識(shí)別出十二個(gè)氣候波動(dòng)期，分辨率達(dá)千年級(jí)別。階段Ⅰ(18.524～18.407 MaB.P.)為冷干冷濕交替頻繁的氣候階段；階段Ⅱ(18.407～18.205 MaB.P.)為炎熱濕潤(rùn)偶爾短暫冷干的氣候階段；階段Ⅲ(18.205～18.056 MaB.P.)為相對(duì)溫暖潮濕的氣候階段，偶爾出現(xiàn)短暫冷干的氣候階段。氣候波動(dòng)出現(xiàn)頻率沿剖面從下往上減少，反映了山旺盆地硅藻頁(yè)巖段形成初期(冷期)氣候波動(dòng)頻繁，中后期(暖期)趨于穩(wěn)定。

3)階段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ持續(xù)的時(shí)間分別為0.117、0.202和0.149 Ma，可能主要受地球軌道短偏心率周期影響。此外亞段Ⅰa、Ⅰb、Ⅰc、Ⅰd、Ⅰe和Ⅰf持續(xù)的時(shí)間分別為9、15、18、51、5和19 kyr，其時(shí)限大多屬于歲差或半歲差周期范圍，也是軌道力驅(qū)動(dòng)機(jī)制的氣候響應(yīng)。說(shuō)明山旺盆地硅藻頁(yè)巖段初期(冷期)氣候波動(dòng)頻繁，受歲差周期驅(qū)動(dòng)明顯，中后期(暖期)氣候變化趨于穩(wěn)定。

綜上所述，山旺盆地山旺組硅藻頁(yè)巖段連續(xù)記錄了中新世早期豐富的古氣候變化信息，為該時(shí)段東亞乃至全球古氣候變化研究提供了參考實(shí)例。