華北平原中部晚上新世以來(lái)沉積物碳氧同位素特征及其古環(huán)境意義

畢志偉，楊振京，趙 華，劉海坤，劉林敬，楊慶華，趙紅梅，王 凡

（1.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河北石家莊 050031；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北正定 050803；3.河北地質(zhì)職工大學(xué)，河北石家莊 050081）

華北平原中部晚上新世以來(lái)沉積物碳氧同位素特征及其古環(huán)境意義

畢志偉1，2，楊振京2＊，趙 華2，劉海坤2，劉林敬2，楊慶華2，趙紅梅2，王 凡3

（1.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河北石家莊 050031；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北正定 050803；3.河北地質(zhì)職工大學(xué)，河北石家莊 050081）

利用華北平原中部衡水水文地質(zhì)科研深孔的巖芯，對(duì)平原區(qū)古土壤鈣結(jié)核層碳氧同位素組分的古氣候環(huán)境意義及相關(guān)氣候指標(biāo)的定量轉(zhuǎn)換進(jìn)行探討，發(fā)現(xiàn)碳氧同位素對(duì)古氣候變化具有較好的響應(yīng)關(guān)系：3.5MaB.P.以來(lái)華北平原古氣候逐漸由濕潤(rùn)轉(zhuǎn)向干旱，早更新世由多個(gè)干濕冷暖旋回組成，晚期氣候由暖迅速轉(zhuǎn)涼；中更新世氣候略溫和，由3個(gè)冷干－暖濕旋回組成；晚更新世氣候變化趨勢(shì)為濕潤(rùn)－干燥－濕潤(rùn)，總體上呈現(xiàn)增溫趨勢(shì)。進(jìn)入全新世后，δ13C平均值（－5）較低，屬于相對(duì)濕潤(rùn)期；δ18O平均值（－9.5）較低，屬于相對(duì)寒冷期。應(yīng)用相關(guān)公式可以定量恢復(fù)古溫度變化，但平原區(qū)古土壤層受后期地下水作用的影響較大，如何消除這一影響還需更多數(shù)據(jù)支持。

碳氧同位素；古環(huán)境；古土壤層；晚上新世；華北平原

20世紀(jì)80年代初期，Cerling發(fā)現(xiàn)土壤碳酸鹽中δ18O與當(dāng)?shù)卮髿饨邓笑?8O存在良好的線性關(guān)系［1］；Zheng等研究了我國(guó)洛川黃土剖面古土壤鈣結(jié)核及其碳氧同位素組分后，確立了用土壤碳酸鹽δ13CO計(jì)算地表植被中C3和C4植物相對(duì)生物量貢獻(xiàn)方程式［2］。此后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了碳氧同位素與古氣候、古生態(tài)環(huán)境指標(biāo)的量化反演［3－12］，尤其是在我國(guó)黃土高原地區(qū)，碳氧同位素的古氣候量化指標(biāo)研究顯現(xiàn)出良好的前景。但已有研究主要集中在環(huán)境和生態(tài)變化紀(jì)錄保存較少的半干旱、干旱地區(qū)，沉積物類型以風(fēng)積相和湖相為主。本文擬利用衡水水文地質(zhì)科研深孔的巖芯和層序地層、年代地層研究成果，對(duì)華北平原中部晚上新世以來(lái)沖洪積相、河流相沉積物的碳氧同位素記錄進(jìn)行分析，探討其古氣候環(huán)境意義及相關(guān)氣候指標(biāo)的定量轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

1 碳氧同位素特征及其古環(huán)境意義

1.1 鉆孔簡(jiǎn)介

衡水水文地質(zhì)科研深孔位于衡水市護(hù)駕池鄉(xiāng)（東經(jīng)115°30′～116°00′，北緯37°30′～38°00′），是首次在華北平原中部山前沖洪積扇前緣與泛濫平原交匯地帶進(jìn)行的深達(dá)600m的高精度綜合科學(xué)鉆探，為研究華北平原古氣候變化提供了豐富的樣品資源。依據(jù)鉆孔巖芯地層的顏色、巖性、巖相、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、沉積韻律特征以及層間接觸關(guān)系，共劃分出5個(gè)巖組、178個(gè)巖性層。古地磁測(cè)試顯示鉆孔共有3個(gè)極性時(shí)：布容正向極性時(shí)（B）底界出現(xiàn)在112.00m處，其界線年齡為0.78Ma；松山反向極性時(shí)（M）和高斯正向極性時(shí)（G）的界線出現(xiàn)在324.91m處，界線年齡為2.58Ma。由古地磁結(jié)果推定，該套地層所揭示的年齡大約為3.50Ma。

1.2 碳氧同位素特征揭示的古氣候

上新世以來(lái)沉積物中含有的30余個(gè)鈣結(jié)核夾層多數(shù)為成壤過(guò)程中形成的鈣結(jié)核，在地層剖面中可明顯地分辨出壤化—淋濾—淀積—母質(zhì)層的古土壤結(jié)構(gòu)層序，鈣結(jié)核主要發(fā)育于淀積層處。根據(jù)巖性，選取鈣結(jié)核較發(fā)育層位的149件樣品進(jìn)行測(cè)試分析，并結(jié)合測(cè)年、孢粉等數(shù)據(jù)，對(duì)碳氧同位素曲線進(jìn)行分析。測(cè)試結(jié)果（圖1）顯示，碳同位素總體上呈現(xiàn)增高的趨勢(shì)，與其他測(cè)試數(shù)據(jù)及地層對(duì)比，發(fā)現(xiàn)碳同位素曲線所反映的氣候變化與孢粉資料尤其是旱生草本植被類型較為接近。現(xiàn)有研究表明，土壤碳酸鹽的δ18O值與當(dāng)?shù)卮髿饨邓摩?8O值具有良好的線性關(guān)系，而大氣降水δ18O值與年均溫呈正相關(guān)。所以，土壤或古土壤碳酸鹽δ18O值是氣溫的標(biāo)志，較高的δ18O值表明碳酸鹽形成時(shí)氣候較為溫和，較低的δ18O值則表明氣候較為寒冷［3－7］。

結(jié)合孢粉、粒度等數(shù)據(jù)分析可知，華北平原中部地區(qū)3.5MaB.P.以來(lái)存在一系列明顯的氣候波動(dòng)：1）3.5MaB.P.以來(lái)衡水地區(qū)古氣候逐漸由濕潤(rùn)向干旱方向發(fā)展，δ13C值總體上在－8左右，反映了較為濕潤(rùn)的氣候，粒度分析顯示該時(shí)期沉積環(huán)境以河流相為主，水動(dòng)力條件較強(qiáng)；孢粉數(shù)據(jù)顯示3.11Ma之后氣候轉(zhuǎn)涼，以干為主；δ18O值總體上在－10左右，下部數(shù)據(jù)變化范圍很大，無(wú)法反映沉積時(shí)的氣候條件。2）早更新世早期，δ13C平均值－4.85，由2個(gè)干濕旋回組成，氣候較上新世冷，其中有短暫的暖期；δ18O平均值－8.77，由3個(gè)冷暖旋回組成。早更新世中期（約2.1～1.95MaB.P.）δ13C平均值－4左右，總體上由多個(gè)干濕旋回組成；而δ18O平均值－8.43，總體上由多個(gè)冷暖旋回組成，在230m處出現(xiàn)了－11.2的極低值。早更新世晚期（1.91～0.78 MaB.P.）δ18O值由－5突降至－10，反映了一次快速的降溫過(guò)程。3）中更新世（0.78～0.15MaB.P.）氣候略溫和些，δ13C平均值－4.2左右，中晚期有2個(gè)峰值，分別為－1.8和3，氣候略干燥些；δ18O值早期－9.5左右，中期有2個(gè)峰值，分別為－4和－6，晚期為變冷的過(guò)程，平均值－8.2。4）晚更新世（0.15～0.01MaB.P.），δ13C平均值為－2.7，先增后減，氣候?yàn)闈駶?rùn)－干燥－濕潤(rùn)；δ18O值從－9.2逐漸升至－6.4，平均為－7.73，反映了一個(gè)增溫的過(guò)程。5）進(jìn)入全新世后，δ13C平均值（－5）較低，屬于相對(duì)濕潤(rùn)期，δ18O平均值（－9.5）更低，屬于相對(duì)寒冷期，與孢粉數(shù)據(jù)得出的結(jié)論相同。

圖1 衡水鉆孔碳氧同位素及恢復(fù)古溫度曲線Fig.1 The carbon and oxygen isotopic curve and paleotemperature curve of Hengshui drilling

在測(cè)定各層古土壤中鈣結(jié)核的碳同位素值后，通過(guò)轉(zhuǎn)化得到計(jì)算C4植物相對(duì)生物量的公式［2］：

式中：Mc4代表C4植物的相對(duì)生物量，δ13Ccarb代表土壤碳酸鹽的碳同位素值。

將δ13C值代入上式，得到鉆孔中C4植物相對(duì)生物量在第四紀(jì)時(shí)期占50%左右，晚上新世約占30%。由此說(shuō)明華北平原整體上氣候變干燥。

2 定量恢復(fù)古溫度探討

鈣結(jié)核是土壤中的重碳酸鹽重新結(jié)晶形成次生碳酸鹽后，在剖面的一定深度相對(duì)富集而成。一般認(rèn)為致密堅(jiān)硬的鈣結(jié)核在形成之后處于一個(gè)封閉的系統(tǒng)，沒(méi)有進(jìn)一步的同位素交換。顧兆炎認(rèn)為，黃土和古土壤中次生碳酸鹽占90%以上，而且隨碳酸鹽總含量的降低而增加，古土壤中幾乎不含原生的碳酸鹽，因此在黃土或古土壤中碳酸鹽同位素組成基本代表了次生碳酸鹽的同位素組成［8］。韓家懋對(duì)渭南黃土剖面上部大部分全巖樣品的同位素測(cè)定結(jié)果表明，原生碳酸鹽的影響也不明顯。基于以上情況，根據(jù)本文測(cè)試結(jié)果，應(yīng)用Cerling的公式［9］以及韓家懋中國(guó)北方地區(qū)大氣降水的δ18O值與當(dāng)?shù)氐乇砟昃鶞氐木€性關(guān)系，計(jì)算出衡水地區(qū)年均溫。即：

式中：δ18O H2O和δ18OCaCO3分別是大氣降水和土壤碳酸鹽的氧同位素組分，δ18O H2O以SMOW為標(biāo)準(zhǔn)表示，δ18OCaCO3以PDB為標(biāo)準(zhǔn)表示。

第三紀(jì)樣品計(jì)算得出的溫度高者達(dá)61.45℃，低者達(dá)－15.26℃，相差近80℃，其原因可能是埋深較深，沉積時(shí)間也較長(zhǎng)，受地下水長(zhǎng)期淋濾，使得同位素組成發(fā)生改變，故重點(diǎn)對(duì)第四紀(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

全新世年均溫為8.15℃，比現(xiàn)代的8～15℃偏低，與孢粉數(shù)據(jù)得出的結(jié)論相同。晚更新世年均溫從9.07℃升至17.7℃，平均為13.59℃，反映了一個(gè)增溫過(guò)程。中更新世早期溫度較低，年均溫一般小于10℃，中期有2個(gè)溫度峰值（24.79℃、17.7℃），晚期為變冷的過(guò)程。早更新世分3個(gè)時(shí)期：晚期年均溫由21.5℃左右突降至6℃；中期年均溫11.35℃，由多個(gè)冷暖旋回組成，在230m處出現(xiàn)2.91℃的極低值；早期年均溫10.41℃，由3個(gè)冷暖旋回組成。

平原區(qū)古土壤層相對(duì)于黃土地區(qū)成土過(guò)程更復(fù)雜，成土埋藏后受后期地下水作用的影響也很大。從計(jì)算分析過(guò)程可以看出，面對(duì)具有復(fù)雜演化過(guò)程的平原區(qū)古土壤，采用δ13C、δ18O的平均值只能部分反映氣候變化，而應(yīng)用由黃土地區(qū)數(shù)據(jù)得出的換算公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，也存在部分?jǐn)?shù)據(jù)自相矛盾的問(wèn)題。這不但對(duì)樣品的采集要求較高，更要深入研究地下水對(duì)碳氧同位素分餾產(chǎn)生的影響，只有消除了這些后期因素，建立適合平原區(qū)古土壤的古溫度、古降水量換算公式或者對(duì)已有公式參數(shù)進(jìn)行必要調(diào)整，才能恢復(fù)高分辨率的古氣候變化。

3 結(jié)論

碳氧同位素與古氣候指標(biāo)具有較好的響應(yīng)關(guān)系。3.5MaB.P.以來(lái)華北平原古氣候逐漸由濕潤(rùn)向干旱方向發(fā)展，早更新世由多個(gè)干濕冷暖旋回組成，晚期氣候由暖迅速轉(zhuǎn)涼；中更新世氣候大體上略溫和些，由3個(gè)冷干－暖濕旋回組成；晚更新世氣候?yàn)闈駶?rùn)－干燥－濕潤(rùn)，總體上呈現(xiàn)增溫趨勢(shì)；進(jìn)入全新世以后，氣候相對(duì)濕潤(rùn)寒冷。鉆孔320m以下，尤其是400m以下，氧同位素波動(dòng)劇烈，初步分析認(rèn)為地下水淋濾作用對(duì)氧同位素分餾具有較大影響，如何減小、消除這些影響，還需要在次生碳酸鹽礦物的地球化學(xué)、晶體特征規(guī)律等方面進(jìn)行深入研究。

碳氧同位素記錄是氣候指標(biāo)的直接反映，是揭示古水文特征和土壤形成演化的重要手段，利用土壤次生碳酸鹽碳氧同位素組成特征能夠反映植被區(qū)系的空間演替規(guī)律［11］。相比之下，海相和冰芯沉積物等古環(huán)境記錄材料不能指示大陸地區(qū)古植物區(qū)系與古氣候，風(fēng)成相和湖泊沉積物的孢粉分析反映的是季風(fēng)區(qū)和流域內(nèi)不同地貌和海拔地區(qū)植被的總體演化特征，難以確定植被區(qū)系或生態(tài)過(guò)渡帶變遷的具體位置［13］。隨著對(duì)土壤碳酸鹽結(jié)核形成機(jī)制的深入研究以及測(cè)試分析手段的提高，土壤碳酸鹽碳氧同位素的優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯。

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Carbon and Oxygen Isotopic Characteristics of Sediments and Their Paleoenvironmental Significance on the Central North China Plain since Pliocene

BI Zhi－wei1，2，YANG Zhen－jing2，ZHAO Hua2，LIU Hai－kun2，LIU Lin－jing2，YANG Qing－h(huán)ua2，ZHAO Hong－mei2，WANG Fan3
（1.Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang 050031；2.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，CAGS，Zhengding 050803；3.Hebei Vocational College of Geology，Shijiazhuang 050081，China）

By using the core of the hydrogeological research hole in Hengshui on the central North China Plain，this paper discussed the climatic and environmental significance of carbon and oxygen isotope in the calcareous concretion layer and their quantitative conversion among the related climatic indexes.The carbon and oxygen isotopes has better response to ancient climate change had been found：1）For the North China Plain，since 3.5MaB.P.，the ancient climate gradually changed into arid from humid；in early Pleistocene，there were many cycles of wet-dry and cooling-heating；and in later Pleistocene，the climate rapidly changed into cool from warm；2）In middle Pleistocene，the climate was milder，and there were three cycles of cold-dry and warm-wet；3）Late Pleistocene，the climate change trend was moist-dry-moist，the overall trend appeared rising temperatures.Since the Holocene，the lower average value ofδ13C andδ18O reflected a relatively moist-cold period.The paleo-temperature change can be quantitatively recovered by using correlation formula.But it was great that the late groundwater influenced on the paleosoil layer after being soiled and covered at plain area，how to eliminate this influence still requires more data to support.

carbon and oxygen isotopes；paleoenvironment；paleosoil；Late Pliocene；North China Plain

P531

A

1672－0504（2012）03－0093－03

2011－11－13；

2012－01－18

國(guó)家自然科學(xué)

（40972212）；中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（SK200806、SK201001）

畢志偉（1981－），男，助理研究員，主要從事第四紀(jì)地質(zhì)與環(huán)境研究。＊通訊作者E－mail：yzhenjing＠yahoo.com.cn