殷藝天，張來(lái)明，顧 雪，余晨旻，吳培衍

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

熱河生物群是早白堊世東亞地區(qū)重要的陸地生物群[1]，前人發(fā)現(xiàn)大量保存完好的化石，包括腹足類、雙殼類、甲殼類、昆蟲(chóng)類和蛛形類等無(wú)脊椎動(dòng)物，無(wú)頜類、軟骨魚(yú)類、硬骨魚(yú)類、兩棲類(無(wú)尾和有尾兩棲類)、爬行類、鳥(niǎo)類和哺乳動(dòng)物等脊椎動(dòng)物，以及藻類、苔蘚、蕨類、裸子植物、被子植物等主要植物門類，其中遼西地區(qū)發(fā)現(xiàn)的帶羽毛恐龍化石是著名的早期鳥(niǎo)類記錄，被子植物化石則是開(kāi)花植物進(jìn)化的最古老記錄之一[2]。研究熱河生物群對(duì)于了解現(xiàn)代地球生態(tài)系統(tǒng)中一些主要生物類群(如真獸類和后獸類哺乳動(dòng)物、鳥(niǎo)類、昆蟲(chóng)若干亞類群以及被子植物等)的起源和早期演化具有重要意義，是觀察完整的早白堊世陸地生態(tài)系統(tǒng)組成和演化的最佳選擇[2]。構(gòu)造活動(dòng)和古氣候變化是影響熱河生物群演化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素[1]，華北克拉通破壞造成的構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致了廣泛發(fā)育的斷陷盆地，形成了眾多淡水湖泊；頻繁的火山活動(dòng)為淡水湖泊提供了大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也造就了多變的氣候環(huán)境，對(duì)生物群產(chǎn)生了強(qiáng)大的選擇性壓力[1]。因此，研究熱河生物群的古氣候環(huán)境背景對(duì)理解早白堊世東亞陸地生態(tài)系統(tǒng)具有十分重要的意義[2]。

前人將熱河生物群分為三個(gè)演化階段：第一階段僅局限于河北北部等較小的地理范圍，第二階段擴(kuò)展到華北以及蒙古板塊的較大區(qū)域，第三階段地理分布最大[1](圖1(a))。值得注意的是，受限于地理環(huán)境等因素，第一階段的生物多樣性相對(duì)較低，與第二、三階段的整體繁盛形成鮮明對(duì)比。前人對(duì)熱河生物群開(kāi)展的古氣候環(huán)境研究主要集中在第二、三階段，關(guān)于第一階段的研究較少[2]，這限制了對(duì)熱河生物群早期演化的理解。本研究整合并梳理了前人關(guān)于灤平盆地年代學(xué)與沉積學(xué)工作，采用元素地球化學(xué)等方法，重建了灤平盆地晚侏羅世到早白堊世古氣候環(huán)境演化，并進(jìn)一步探究了古氣候變化和火山活動(dòng)對(duì)生物多樣性的影響。

(a)熱河生物群階段分布圖；(b)灤平盆地地層分布圖

1 地質(zhì)概況

灤平盆地地處河北省承德市(東經(jīng)117°18′～117°51′，北緯40°41′～41°07′)，位于華北板塊北緣的燕山褶皺帶內(nèi)，地層保存較為連續(xù)與完整，出露包含燕遼生物群和熱河生物群第一階段的地層，在研究生物群連續(xù)演化與更替方面具有重要價(jià)值。中侏羅世—早白堊世是灤平盆地的主要成盆期，盆地充填了數(shù)千米厚的陸相碎屑沉積，以紅色和雜色碎屑巖及中性和酸性火山巖共生為特征(圖1(b))?；谇叭四甏鷮W(xué)研究，重新梳理了灤平盆地的年代學(xué)格架(圖2)，除九龍山組底部163.4 Ma年齡來(lái)自相鄰的承德盆地[8]，其余年齡均來(lái)自灤平盆地內(nèi)[9]。

圖2 灤平盆地年代地層格架圖

盆地中、晚中生代九龍山組發(fā)育在起伏不平的變質(zhì)巖基底之上，底部以辮狀河沉積為主，隨著沉積過(guò)程水體逐漸加深，局部沉積了湖相細(xì)碎屑巖。髫髻山組以安山巖為主，夾少量泥巖、砂巖，代表盆地火山活動(dòng)的增強(qiáng)，是火山噴溢充填階段。然后，盆地接受了一套厚達(dá)1 400 m的土城子組沉積，屬于扇三角洲向?yàn)I淺湖過(guò)渡的沉積環(huán)境。之后，構(gòu)造活動(dòng)再次增強(qiáng)，大規(guī)模酸性火山巖噴發(fā)形成了張家口組火山巖。大北溝組整合于張家口組之上，為一套扇三角洲-湖相沉積體，總厚度約220 m，正常沉積巖層出現(xiàn)并取代凝灰?guī)r成為主要巖層是大北溝與張家口組界線的標(biāo)志。大店子組整體發(fā)育湖相連續(xù)沉積序列，“蜂窩梁礫巖”或與之相當(dāng)?shù)拇炙樾紟r層為大北溝組與大店子組的界限[10]。上覆西瓜園組與大店子組呈角度不整合接觸，整體是火山-湖泊相沉積，總厚度約1 300 m。

2 材料與方法

本研究在灤平盆地共采集樣品68件，其中九龍山組15件樣品采自盆地南側(cè)的大石棚剖面，土城子組18件樣品采自盆地中部的長(zhǎng)山嶼剖面，大北溝組23件與大店子12件樣品采自盆地西側(cè)的榆樹(shù)下與火斗山剖面(圖1～2)。為了排除火山灰層對(duì)測(cè)試分析結(jié)果的影響，僅樣品中的黑色泥巖被用于測(cè)試分析，其中36件樣品用于主量元素測(cè)試，大北溝組的6件樣品被用于微量元素測(cè)試。元素含量測(cè)試結(jié)果可用于計(jì)算化學(xué)蝕變指數(shù)等氣候環(huán)境指標(biāo)，由此反映研究區(qū)的氣候環(huán)境演化[11]。

實(shí)驗(yàn)在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成，全巖主量元素分析使用日本理學(xué)(Rigaku)生產(chǎn)的 ZSX Primus Ⅱ型波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜儀(X-ray fluorescence spectrometer，XRF)，4.0 kW端窗銠靶X射線光管，測(cè)試條件為電壓50 kV，電流60 mA，主量元素分析譜線均為Kα，標(biāo)準(zhǔn)曲線利用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)巖石系列GBW07101-14、土壤系列GSS07401-08、水系沉積物系列GBW07302-12建立。數(shù)據(jù)校正采用理論α系數(shù)法，測(cè)試相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation，RSD)<2%。

全巖微量元素含量利用Agilent 7700e 電感偶合等離子質(zhì)譜儀(inductively coupled plasma-massspectroscopy，ICP-MS)分析完成。用于ICP-MS分析的樣品處理流程如下：①將200目樣品置于105 ℃烘箱中烘干12 h；②準(zhǔn)確稱取粉末樣品50 mg置于Teflon溶樣彈中；③依次緩慢加入1 mL高純HNO3和1 mL高純HF；④將Teflon溶樣彈放入鋼套，擰緊后置于190 ℃烘箱中加熱24 h以上；⑤待溶樣彈冷卻，開(kāi)蓋后置于140 ℃電熱板上蒸干，然后加入1 mL HNO3并再次蒸干；⑥加入1 mL高純HNO3、1 mL MQ水和1 mL內(nèi)標(biāo)In(濃度1 ppm)，再次將Teflon溶樣彈放入鋼套，擰緊后置于190 ℃烘箱中加熱12 h以上；⑦將溶液轉(zhuǎn)入聚乙烯料瓶中，并用2% HNO3稀釋至100 g以備ICP-MS測(cè)試。

2.1 化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)

化學(xué)蝕變指數(shù)(chemical index of alteration，CIA)指示土壤和沉積物化學(xué)風(fēng)化程度，能夠用于古氣候重建[12]。在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中，隨著氣候變得溫暖濕潤(rùn)，自由陽(yáng)離子的反應(yīng)減少會(huì)產(chǎn)生更高的CIA值。公式如下：

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

(1)

其中，所有氧化物均以摩爾單位表示，CaO*代表硅酸鹽組分中的CaO。對(duì)CaO*的校正步驟遵循McLennan[13]的方法：①使用P2O5數(shù)據(jù)對(duì)磷灰石中的CaO進(jìn)行校正(CaO′=CaO-10/3×P2O5)；②如果CaO′大于Na2O，則CaO*等于Na2O，如果CaO′小于Na2O，則CaO*等于CaO′。未經(jīng)風(fēng)化原巖的特點(diǎn)是CIA值低(45～55)，隨著逐漸風(fēng)化和流動(dòng)元素的損失，數(shù)值接近100。

巖石K2O含量會(huì)受到鉀元素交代作用的影響，這種次生沉積過(guò)程會(huì)導(dǎo)致鉀離子在嚴(yán)重蝕變巖石中被埋藏流體所吸收[12]，可以使用Panahi等[14]的方法對(duì)CIA值進(jìn)行校正。

K2Ocorr=[mAl2O3+m(CaO*+Na2O)]/(1-m)。

(2)

m=K2O/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)。

(3)

將式(1)中的K2O替換為K2Ocorr，計(jì)算校正后CIA(CIAcorr)，當(dāng)CIAcorr

根據(jù)Yang等[15]的公式可計(jì)算陸地地表溫度(land surface temperature，LST)：

LST=0.56×CIA-25.7。

(4)

其中：LST單位℃，r2=0.50，SE=±5 ℃。當(dāng)CIA為50～90時(shí)，該公式是可靠的(對(duì)應(yīng)3～25 ℃)。利用三點(diǎn)移動(dòng)平均值對(duì)LST記錄進(jìn)行平滑處理，以反映每個(gè)點(diǎn)位的時(shí)間平均條件，同時(shí)考慮采樣分辨率的可變性。

2.2 化學(xué)風(fēng)化指數(shù)(CIW)

由于過(guò)量的K2O在沉積巖單元中出現(xiàn)的頻率很高[12]，使CIA值受到鉀元素交代作用影響較大，Harnois[16]提出一種替代指數(shù)，即化學(xué)風(fēng)化指數(shù)(chemical weathering index,CIW)，該指數(shù)與CIA原理相同，只是刪除了K2O。公式為：

CIW=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O)]×100。

(5)

Sheldon等[17]提出CIW和年平均降水量(meanannual precipitation,MAP)的關(guān)系為：

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

(6)

2.3 元素指標(biāo)

Al/K比值：在河湖相沉積環(huán)境中，K元素通常存在于伊利石中，而Al元素則存在于高嶺石中。伊利石是相對(duì)干旱氣候條件下機(jī)械風(fēng)化的一種常見(jiàn)產(chǎn)物，高嶺石則主要是潮濕時(shí)期的化學(xué)風(fēng)化產(chǎn)物。因此，沉積巖中較高的Al/K比值反映了化學(xué)風(fēng)化作用較強(qiáng)，指示較高的匯水區(qū)降水[18]。

Sr/Rb比值：礦物在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中所釋放的Rb元素容易被富鉀黏土重新吸收，因此大部分Rb元素被保留在原巖中，只有少量會(huì)隨地表徑流淋濾遷移。與Rb元素不同的是，Sr元素在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中會(huì)以自由離子的形式隨地表徑流遷移，并通過(guò)物理吸附或化學(xué)沉淀作用沉積在湖底。因此，Sr/Rb比值可以作為湖泊流域化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的指標(biāo)，Sr/Rb比值越高則表明化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度越強(qiáng)[19]。

K+Ti+Rb值：湖相沉積物中的K、Ti和Rb元素的含量被證實(shí)與細(xì)?；蚍哿＜?jí)的沉積物有高正相關(guān)關(guān)系，基于K、Ti、Rb元素的一致性和線性相關(guān)性，可以將K、Ti、Rb含量相加，用和值表示細(xì)粒組分的變化。隨著區(qū)域降水的增加，可能會(huì)導(dǎo)致分選較差的碎屑物質(zhì)進(jìn)入湖泊，導(dǎo)致湖泊沉積物中細(xì)粒礦物的比例降低，因此K+Ti+Rb值越低則湖泊流域的降水強(qiáng)度越高，指示化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度越強(qiáng)[20]。

P/Al比值：P是一種重要的營(yíng)養(yǎng)元素，主要以有機(jī)結(jié)合態(tài)的形式進(jìn)入到沉積物中，由于P會(huì)在缺氧條件下溶解，因此對(duì)于富氧到亞氧條件下的沉積物，P元素作為古生產(chǎn)力指標(biāo)尤為重要。為了消除陸源碎屑巖對(duì)P元素含量的影響，將P元素對(duì)Al元素進(jìn)行比值[21]，結(jié)果越高則沉積物的古生產(chǎn)力越高。

3 結(jié)果與討論

3.1 晚侏羅世—早白堊世灤平盆地氣候環(huán)境的變化

如圖3所示，灤平盆地在整個(gè)演化階段風(fēng)化強(qiáng)度在50～75之間浮動(dòng)，反映了相對(duì)較低的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度。其中九龍山組平均值65.8，土城子組平均值50.7，大北溝組與大店子組連續(xù)沉積的平均值為64.2，表明晚侏羅世—早白堊世盆地整體處于溫暖濕潤(rùn)的氣候環(huán)境(表1)。

圖3 灤平盆地化學(xué)風(fēng)化指數(shù)演化圖(全球溫度數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[22])

需要注意的是，侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)之交土城子組的風(fēng)化強(qiáng)度出現(xiàn)了一個(gè)較為明顯的低值階段，最小值小于50，指示該時(shí)期沉積巖幾乎沒(méi)有發(fā)生化學(xué)風(fēng)化。前人在土城子組進(jìn)行的孢粉學(xué)研究表明，該時(shí)期的優(yōu)勢(shì)孢粉組合為Classopollis-Cooksonites-Ephedripites，其中Classopollis作為優(yōu)勢(shì)屬反映了相對(duì)干旱的氣候[23]，表明盆地可能處于相對(duì)干旱涼爽的氣候環(huán)境。以上認(rèn)識(shí)與全球古溫度記錄一致，例如Scotese等[22]認(rèn)為晚侏羅世—早白堊世全球進(jìn)入冷期，平均溫度降至18 ℃。

前人在古地磁學(xué)與古風(fēng)向?qū)W的研究中認(rèn)為，華北板塊在侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)之交發(fā)生了真極移事件[24-25]，這次真極移事件導(dǎo)致華北板塊在10 Ma時(shí)間向南移動(dòng)至30°N，從北方溫暖濕潤(rùn)帶進(jìn)入了水汽來(lái)源稀缺的副熱帶高壓帶，這一獨(dú)特的氣候轉(zhuǎn)變時(shí)期被稱為“侏羅紀(jì)東亞大干旱事件”，對(duì)比前人的古地磁記錄與古風(fēng)向變化的時(shí)間，灤平盆地土城子組的極低化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度可能受到此次真極移事件產(chǎn)生的極端干旱氣候影響。

前人古生物學(xué)研究表明，土城子組沉積時(shí)期的化石記錄并不豐富，動(dòng)物化石以葉肢介與介形類為代表，其中葉肢介明顯不同于下部燕遼生物群的柴達(dá)木葉肢介類群。土城子組下段Pseudograpta十分豐富，與熱河生物群早期代表類型Nestoria具有密切的親緣關(guān)系。而介形類下部組合以Darwinula為主，具有明顯的中侏羅世—晚侏羅世早期化石特征；上部組合則為晚侏羅世—早白堊世化石特征?；涗涳@示土城子組沉積時(shí)期燕遼生物群急劇減少，而熱河生物群的先驅(qū)類型已經(jīng)萌發(fā)，這使得土城子組成為燕山地區(qū)兩大重要中生代生物群——燕遼生物群和熱河生物群的間隔期[9]。前人綜合多學(xué)科研究認(rèn)為，燕山地區(qū)晚侏羅世—早白堊世早期的生物群更替具有一定的繼承性，其中土城子組沉積時(shí)期所發(fā)生的古氣候環(huán)境變化可能觸發(fā)了生物群落的“避難所”機(jī)制[26]，本研究中土城子組沉積時(shí)期風(fēng)化程度劇烈降低指示的濕度與溫度的突變很好地支持了前人的結(jié)論(圖3)。

3.2 早白堊世火山活動(dòng)等因素對(duì)灤平盆地生物多樣性的影響

Qin等[2,27]對(duì)大北溝組地層開(kāi)展了地層學(xué)與古生物學(xué)研究，將大北溝組劃分為三段，對(duì)其中部分黑色泥巖樣品進(jìn)行了主微量元素測(cè)試。在此基礎(chǔ)上，本研究開(kāi)展了測(cè)試分析工作，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行校正以消除K元素交代作用所產(chǎn)生的影響，最終獲得具有較高分辨率的綜合風(fēng)化與氣候環(huán)境指標(biāo)演化曲線(圖4)。

沉積年齡數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[4-6]；CIAcorr與CIW中，灰色圓點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[2]；Al/K、Sr/Rb、K+Ti+Rb中部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[2]

大北溝組第一段CIA的平均值為65左右，進(jìn)入第二段后CIA小幅下降，最低值降到55，之后顯著上升并恢復(fù)到65～70，最高值達(dá)80。CIW也顯示了相似的趨勢(shì)，即第二段開(kāi)始出現(xiàn)短暫降低，之后緩慢回升。此外，Al/K、Rb/Sr和K+Ti+Rb比值所反映的化學(xué)風(fēng)化程度也與CIA和CIW具有相同趨勢(shì)。

古溫度重建結(jié)果顯示，大北溝組第一段沉積初期的地表平均溫度為10～15 ℃，但在第二段沉積初期下降到5 ℃以下，最后在第二段末期到第三段逐漸回升到10～15 ℃。年平均降水量(MAP)整體趨勢(shì)與溫度類似，反映了逐漸濕潤(rùn)的趨勢(shì)，最低值小于800 mm/yr，峰值則超過(guò)了1 400 mm/yr。且均在第三段沉積時(shí)期溫度和降水量波動(dòng)明顯。

根據(jù)前人巖性描述[27-28]，以剖面厚度10 m為單位統(tǒng)計(jì)火山灰層數(shù)，共識(shí)別出四個(gè)火山灰富集層(圖5)，因此將大北溝組沉積時(shí)期的火山活動(dòng)劃分為四期。其中第Ⅰ期火山活動(dòng)較弱，第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ期的火山活動(dòng)更活躍，可能對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生更大的影響。

圖5 大北溝組火山活動(dòng)、氣候演化和生物多樣性綜合評(píng)價(jià)圖(生物多樣性數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[2])

古生產(chǎn)力指標(biāo)P/Al總體呈逐漸增高的趨勢(shì)，下部P/Al較低且波動(dòng)較弱，指示了較低的湖泊古生產(chǎn)力；伴隨著大北溝組沉積時(shí)期火山活動(dòng)的增強(qiáng)，上部P/Al明顯升高，反映了古生產(chǎn)力的提升。推測(cè)頻繁的火山活動(dòng)所產(chǎn)生的火山灰將豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)引入湖中，導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和初級(jí)生產(chǎn)力水平持續(xù)提高[29]，而穩(wěn)定的初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)食物鏈產(chǎn)生了巨大貢獻(xiàn)。此外，大北溝組沉積時(shí)期由寒冷干旱向溫暖濕潤(rùn)逐漸過(guò)渡的氣候條件也與逐漸增強(qiáng)的火山活動(dòng)具有一定的相關(guān)性。

古生物證據(jù)顯示大北溝組Ostracod與Spinicaudatan的生物多樣性發(fā)生了顯著增加[2]，其中Spinicaudatan的多樣性受到第Ⅱ期火山噴發(fā)的影響出現(xiàn)短期的峰值，但可能受到當(dāng)時(shí)惡劣氣候環(huán)境的限制，生物多樣性又迅速回落，在第Ⅲ期火山活動(dòng)之后，火山活動(dòng)所提供的養(yǎng)分逐漸增多，同時(shí)盆地氣候逐漸變得溫暖濕潤(rùn)，Ostracod與Spinicaudatan的生物多樣性均出現(xiàn)迅速增長(zhǎng)，并達(dá)到更大的峰值。

4 結(jié)論

基于前人研究結(jié)果，本研究對(duì)灤平盆地晚中生代陸相地層進(jìn)行了全巖主微量分析，重建了灤平盆地晚中生代風(fēng)化強(qiáng)度與氣候演化，得到以下結(jié)論：

1) 化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度記錄表明，灤平盆地在侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)之交經(jīng)歷了溫暖濕潤(rùn)—干旱—溫暖濕潤(rùn)的氣候條件轉(zhuǎn)變，真極移導(dǎo)致的華北板塊氣候變化可能是造成這一轉(zhuǎn)變的原因，而這種氣候轉(zhuǎn)變影響了生物群的絕滅或遷徙事件。

2) 大北溝組的主微量元素記錄和火山灰分布情況表明盆地氣候在這一階段逐漸轉(zhuǎn)向溫暖濕潤(rùn)，此時(shí)火山分期次噴發(fā)，提供了充足的初級(jí)營(yíng)養(yǎng)成分，使得湖泊古生產(chǎn)力逐漸提高。因此，氣候演化與構(gòu)造活動(dòng)共同促進(jìn)了山間盆地的生物多樣性發(fā)展，推動(dòng)了熱河生物群的早期演化。