四川盆地中生代古氣候變化：來自深時(shí)古土壤證據(jù)

李軍，黃成敏，文星躍，張茂超

1.蘭州城市學(xué)院城市環(huán)境學(xué)院，蘭州 730070

2.四川大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，成都 610065

3.西華師范大學(xué)國土資源學(xué)院，四川南充 637002

4.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260

0 引言

作為地質(zhì)歷史時(shí)期地球“皮膚”的古土壤是過去自然景觀條件下形成的土壤，具有“記憶功能”，詳細(xì)記錄了地球陸地表面氣候演化、景觀變遷、人類文明演替以及重大地質(zhì)環(huán)境事件等環(huán)境信息[1-3]，被視為是過去全球變化研究的重要載體[4-5]。深時(shí)古土壤是指形成于前第四紀(jì)期間的土壤[6]。近年來，隨著深時(shí)、深地研究的蓬勃發(fā)展和“深時(shí)數(shù)字地球”國際大科學(xué)計(jì)劃的實(shí)施，國內(nèi)深時(shí)古土壤研究取得了一些積極進(jìn)展。松遼盆地[7-8]、四川盆地[9-11]、浙閩贛[12-14]及甘青新[15-17]等地區(qū)前第四系深時(shí)古土壤地辨識及基于深時(shí)古土壤古氣候/環(huán)境指示意義系列研究工作的相繼開展，為了解深時(shí)陸相古氣候/環(huán)境提供了重要證據(jù)。然而，現(xiàn)有涉及以深時(shí)古土壤為載體的古氣候/環(huán)境變化研究多以定性為主，定量研究較少。地質(zhì)歷史時(shí)期的“環(huán)境相似型”研究可為當(dāng)前及未來全球環(huán)境變化預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。中生代（251～65.5 Ma）是地球歷史時(shí)期發(fā)展與生命演化的重要時(shí)期，也是距離現(xiàn)代最近的典型溫室氣候期，包括三疊紀(jì)（251～199.6 Ma）、侏羅紀(jì)（199.6～145.5 Ma）和白堊紀(jì)（145.5～65.5 Ma）[18]。這一時(shí)期全球不均一且多變的溫室氣候、高濃度大氣二氧化碳和大規(guī)模的氣候波動事件與當(dāng)今多變的地球系統(tǒng)具有明顯的相似性[19]。而現(xiàn)有的中生代氣候/環(huán)境變化證據(jù)主要源自于海相記錄或是利用海相材料，陸相記錄相對較少[20]。四川盆地是我國陸相中生代代表性沉積盆地之一，其中生代地層系統(tǒng)發(fā)育完備，出露有十分理想的陸相上三疊統(tǒng)、侏羅系及白堊系連續(xù)剖面，發(fā)育有層次分明、類型多樣的古土壤（圖1，2），為開展中生代古土壤與陸相氣候/環(huán)境變化研究提供了天然的實(shí)驗(yàn)室和理想的材料[10-11,22]。

圖1 四川盆地年代地層及野外露頭（a）四川盆地中生代地層分布示意圖（據(jù)文獻(xiàn)[11,21]）；（b）三疊系須家河組野外露頭（四川達(dá)州）；（c）白堊系灌口組野外露頭（四川雅安）；（d）侏羅系沙溪廟組野外露頭（四川綿陽）Fig.1 Field outcrop and chronostratigraphic chart of the Sichuan Basin

本研究以發(fā)育自四川盆地中生代地層的古土壤為研究對象，利用現(xiàn)代土壤與降水量、溫度之間的定量函數(shù)關(guān)系式，以地層年代為單位定量重建四川盆地中生代年均降水量和年均溫度變化趨勢，并探究四川盆地中生代氣候演變的原因。四川盆地中生代古土壤記錄的氣候/環(huán)境變化既可為深入理解中生代陸相氣候變化提供重要的定量氣候記錄，也可為當(dāng)前及未來可能的氣候/環(huán)境變化提供基礎(chǔ)性參考。

1 區(qū)域地層概況

四川盆地位于揚(yáng)子板塊西緣，面積為1.8×105km2，是中國四大盆地之一[21]。盆地中生代三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)及白堊紀(jì)巖石地層發(fā)育齊全、分布廣泛、出露良好（圖1）。其中三疊系巖石地層分布廣泛、發(fā)育完備、層序清楚，總厚度在約100 m到4 270 m之間。由上而下劃分為上三疊統(tǒng)須家河組、小塘子組和馬鞍塘組，中三疊統(tǒng)天井山組和雷口坡組以及下三疊統(tǒng)嘉陵江組和飛仙關(guān)組[21]。其中發(fā)育有古土壤的須家河組沉積時(shí)代為諾利期—瑞替期[23-24]（圖1）。需要指出的是本文巖石地層及其年代概述僅限于發(fā)育有古土壤的相關(guān)地層。

侏羅紀(jì)巖石地層主要發(fā)育在盆地東部地區(qū)，厚度為1 500～3 500 m，包括上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組，中侏羅統(tǒng)上沙溪廟組、下沙溪廟組、新田溝組和下侏羅統(tǒng)白田壩組、自流井組及珍珠沖組[21]（圖1）。對于侏羅紀(jì)地層年代而言，珍珠沖組的時(shí)代為早侏羅世早期[25-26]；自流井組和白田壩組的時(shí)代分別屬早侏羅世晚期的托阿爾期和早侏羅世赫塘期—托阿爾期[23,27]；新田溝組歸屬于中侏羅世早期阿林期—巴柔期[23]；沙溪廟組歸屬于中侏羅世中晚期巴柔期—卡洛夫期，而遂寧組和蓬萊鎮(zhèn)組的時(shí)代歸屬于晚侏羅世[23]（圖1）。

白堊紀(jì)巖石地層主要分布在盆地的南部、西部和西北部地區(qū)。盆地西部地區(qū)的白堊紀(jì)巖石地層自上到下為灌口組、夾關(guān)組和天馬山組[21]（圖1）。古地磁和生物地層研究認(rèn)為天馬山組頂部的時(shí)代等同于巴雷姆期的底部，而夾關(guān)組的沉積時(shí)代應(yīng)為阿普特期—康尼亞克期，上白堊統(tǒng)灌口組的歸屬時(shí)代則為坎潘期—馬斯特里赫特期，下白堊統(tǒng)天馬山組的時(shí)代歸屬等同于盆地西北部地區(qū)城墻巖組的形成時(shí)代[28]。四川盆地的西北部地區(qū)上白堊統(tǒng)地層缺失，下白堊統(tǒng)自上而下為古店組、七曲寺組、白龍組和蒼溪組，它們也稱之為城墻巖組，其時(shí)代歸屬為巴雷姆—貝里阿斯期[29]（圖1）。具體而言，古店組的形成時(shí)代為歐特里夫期[29]，七曲寺組形成于瓦蘭今期[30]，白龍組的形成時(shí)代為瓦蘭今期—貝里阿斯期[28]，蒼溪組則歸屬于貝里阿斯期[10,29]（圖1）。

2 研究材料及方法

2.1 樣品采集及測試

筆者同研究團(tuán)隊(duì)在2012～2018年間對出露在四川盆地中生代時(shí)期的露頭與斷面進(jìn)行了多次系統(tǒng)的野外調(diào)查?；诠磐寥酪巴獬赏撂卣?，在四川盆地中生代巖石地層中辨識了413個(gè)古土壤剖面，并采集312個(gè)代表性古土壤剖面樣品和121件未受后期環(huán)境影響或影響極弱的成壤碳酸鹽結(jié)核樣品，分別用于古土壤全巖元素和成壤鈣質(zhì)結(jié)核穩(wěn)定碳（δ13C）、氧（δ18O）同位素組成的測定與分析，部分古土壤剖面的基本特征如表1所示。

表1 四川盆地中生代代表性古土壤剖面基本特征、元素含量及參數(shù)Table 1 Parameters, element contents, and basic characteristics of the representative paleosol profiles from the Mesozoic Sichuan Basin

古土壤全巖元素含量利用荷蘭帕納科（PA Nalytical B.V.）公司生產(chǎn)的MagiX（PW2403）型X-射線熒光光譜儀進(jìn)行測量，其待測元素的濃度范圍和精度在0.1%～100%與0.1%～0.3%之間。上機(jī)測定前需進(jìn)行樣品前處理工作。首先將自然風(fēng)干的古土壤樣品放入瑪瑙研缽中研磨，之后過200目篩，隨后稱取5 g左右的樣品放入制樣孔的中央，然后添加適量硼酸并加壓至30 t/m2并維持20s左右，將樣品壓制成直徑約4 cm，厚約8 mm的圓餅。接著利用X-射線熒光光譜儀（XRF）進(jìn)行全巖元素含量測定，該實(shí)驗(yàn)分析在蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

成壤碳酸鹽結(jié)核穩(wěn)定碳（δ13C）、氧（δ18O）同位素組成分析采用德國賽默飛世爾科技（Thermo Fisher Scientific）公司生產(chǎn)的Thermo Scientific MAT 253型穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀進(jìn)行測試。首先利用微型電鉆獲取成壤碳酸鹽結(jié)核中純凈的微晶粉末，之后采用質(zhì)譜法進(jìn)行樣品測試。δ13CPDB和δ18OPDB的測定值標(biāo)準(zhǔn)偏差分別小于0.030‰和0.080‰。該實(shí)驗(yàn)測試在中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所進(jìn)行。

2.2 古年均降水量重建

以現(xiàn)有的古年均降水量定量重建函數(shù)關(guān)系式為基礎(chǔ)，分別選取適用于四川盆地中生代鈣質(zhì)古土壤和非鈣質(zhì)古土壤定量重建年均降水量的轉(zhuǎn)換函數(shù)。成壤碳酸鹽結(jié)核淀積深度與年均降水量之間的定量關(guān)系用于鈣質(zhì)古土壤年均降水量的定量重建[31]：

其中：D（cm）為古土壤表層到成壤鈣質(zhì)結(jié)核首次出現(xiàn)的原始位置深度。古土壤深度受長期埋藏、壓實(shí)作用而發(fā)生變化，需用解壓公式（3-2）[32]恢復(fù)初始深度（D）：

式中：Dp（cm）為成壤鈣質(zhì)結(jié)核在野外剖面中首次出現(xiàn)的實(shí)測深度（圖2j），K（km）為古土壤埋藏深度，即為上覆地層厚度。

圖2 四川盆地中生代地層野外露頭及古土壤特征（a）侏羅系沙溪廟組露頭（四川遂寧）；（b）侏羅系自流井組露頭（重慶合川）；（c）白堊系天馬山組露頭（四川成都）；（d）三疊系古土壤根系結(jié)構(gòu)（四川達(dá)州）；（e）侏羅系古土壤根系遺跡（四川遂寧）；（f）白堊系古土壤根系分叉結(jié)構(gòu)（四川雅安）；（g）片狀有機(jī)殘?bào)w與方解石晶體（四川達(dá)州，單偏光）；（h）白堊系古土壤根管遺跡（四川廣元）；（i）圓形或環(huán)狀根系或蟲孔痕跡（四川綿陽，單偏光）；（j）白堊系鈣質(zhì)古土壤剖面，黑色箭頭指示成壤鈣質(zhì)結(jié)核在土壤剖面中首次出現(xiàn)的實(shí)測深度（四川綿陽）；（k）侏羅系成壤鈣質(zhì)結(jié)核（重慶合川，單偏光）；（l）侏羅系古土壤成壤結(jié)核（四川峨眉，單偏光）Fig.2 Field outcrops of the investigated Mesozoic strata and paleosol characteristics in the Sichuan Basin

古土壤淀積層（Bw/Bt）化學(xué)風(fēng)化指數(shù)（CIA-K）與年均降水量的轉(zhuǎn)換函數(shù)用于非鈣質(zhì)古土壤記錄的年均降水量重建[33]：

其中，CIA-K=100×Al/（Ca+Al+Na）。

2.3 古年均溫度重建

四川盆地中生代年均溫度的重建是基于年均溫度變化與成壤鈣質(zhì)結(jié)核穩(wěn)定氧同位素[34-35]、土壤淀積層（Bw/Bt）鹽化指數(shù)（S）之間的定量關(guān)系式[33]。成壤鈣質(zhì)結(jié)核穩(wěn)定氧同位素與年均溫度之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)關(guān)系式[34-35]用于鈣質(zhì)古土壤記錄的年均溫度重建：

土壤淀積層（Bw/Bt）鹽化指數(shù)（S）與年均溫度之間的定量轉(zhuǎn)換函數(shù)[33]用于非鈣質(zhì)古土壤的年均溫度重建：

式中：S=（Na+K）/Al。

不同氣候條件的風(fēng)化作用類型和強(qiáng)度不同，因此，土壤的成土作用和對氣候的響應(yīng)也有差別。本研究分別采用兩套公式定量重建四川盆地中生代古年均降水量與古年均溫度。干旱環(huán)境下形成的土壤，由于稀少的降水不足以使土層中的離子發(fā)生遷移，從而使堿金屬離子（Ca2+、Mg2+）在土壤亞表層累積[36-37]。反之，發(fā)育自濕潤環(huán)境下的土壤，充沛的降雨加劇了堿金屬和堿土金屬離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+）在土層中的遷移淋失[33]。因此，土壤地球化學(xué)元素的分子比率用于發(fā)育自濕潤條件下非鈣質(zhì)古土壤記錄的氣候重建，而成壤碳酸鹽結(jié)核及其穩(wěn)定氧同位素值則用于恢復(fù)形成鈣質(zhì)古土壤的氣候。用于古氣候重建的成壤碳酸鹽結(jié)核采集的地層具有以下特征：保留有含較多植物根系或根跡的表土（A）層，可見明顯土壤發(fā)生分異特征和土壤結(jié)構(gòu)，具鈣質(zhì)結(jié)核的土層與其上覆、下伏土層界面過渡漸變且連續(xù)。

3 研究結(jié)果

由于四川盆地中生代部分時(shí)期露頭出露較少，未發(fā)現(xiàn)古土壤，且部分時(shí)段氣候條件不利于古土壤的形成，例如，四川盆地晚白堊世全球氣候極端炎熱干旱，盆地全面沙化和鹽堿化，不支持古土壤的發(fā)育。因此，需要說明的是本研究中的中生代古土壤主要為晚三疊世（諾利期—瑞替期）、侏羅紀(jì)及早白堊世早中期（巴雷姆—貝里阿斯期）與晚白堊世晚期（馬斯特里赫特階期）古土壤。

3.1 四川盆地中生代古土壤特征與類型

四川盆地中生代古土壤廣泛分布于成都、廣元、遂寧、綿陽及重慶合川等地區(qū)的上三疊統(tǒng)須家河組，侏羅系白田壩組、新田溝組、沙溪廟組、遂寧組、蓬萊鎮(zhèn)組和白堊系蒼溪組、白龍組、七曲寺組、古店組、天馬山組及灌口組中，成土特征明顯，發(fā)育程度各異（表1、圖2）。發(fā)育較弱的古土壤發(fā)育深度介于6～40 cm之間，而成土作用較強(qiáng)的古土壤土層發(fā)育較厚，總體上在70～220 cm之間（圖2）。古土壤具有自然發(fā)生層，比如發(fā)育有表土層、鈣積層等。土壤結(jié)構(gòu)明顯，土層以塊狀、整塊狀、片狀結(jié)構(gòu)體居多，少量團(tuán)粒狀、棱柱結(jié)構(gòu)體（表1、圖2）。土壤顏色多變，包括淺灰色、灰綠色、紅色、紅棕色等（圖2）。此外，大部分古土壤表層保留有明顯的根系、根座或根管結(jié)構(gòu)，有些根系向下植入、深而廣，有些根系隨著土壤發(fā)育深度的增加逐漸變細(xì)、消失（圖2d～f），部分根系以根管形式遺存（圖2h）。一些古土壤剖面中留存有生物活動遺跡，比如蟲孔痕跡。一些古土壤剖面中則發(fā)育有大小不一的成壤碳酸鹽結(jié)核，它們形態(tài)各異，有圓狀、橢圓狀、豆莢狀或不規(guī)則形態(tài)，直徑在0.1～3 cm之間（圖2j）。土層中的大量有機(jī)殘?bào)w（圖2g），圓形、環(huán)形的根孔或蟲孔（圖2i）以及成壤鈣質(zhì)結(jié)核（圖2k，l）等古土壤宏觀成土特征在顯微鏡下也清晰可見。

總體而言，四川盆地中生代古土壤以土壤發(fā)生層次和土壤結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，土壤剖面色調(diào)的改變，根系、根跡和根圈以及生物活動遺跡的存在，成土碳酸鹽結(jié)核的發(fā)育等成土特征為標(biāo)志（圖2）?；诿绹寥老到y(tǒng)分類標(biāo)準(zhǔn)[38]，古土壤的類型類似于現(xiàn)代新成土、始成土、干旱土與淋溶土，其中以成土?xí)r間較短、成土作用較弱的古新成土、古始成土和古干旱土為主，發(fā)育有少量成土作用較強(qiáng)、土體發(fā)育較厚的古淋溶土，并且古土壤的成土類型在地層中快速變化。

3.2 四川盆地中生代古土壤記錄的古氣候變化

古土壤重建結(jié)果顯示中生代時(shí)期四川盆地年均降水量和年均溫度分別為145～1 400 mm與7°C～15°C，總體上屬于溫帶干旱—濕潤氣候且表現(xiàn)為干旱與濕潤氣候交替演變的特征。與全球同期低緯度區(qū)域（30°N附近）氣候特征[39]基本一致（圖3）。具體而言，四川盆地中生代晚三疊世晚期的年均降水量和年均溫度分別為（1 180～1 400）±182 mm和（9～15）±4.4°C，變化幅度相對較小，為溫帶濕潤氣候。晚三疊世諾利期的四川盆地年均降水在1 180 mm左右，年均溫度為9°C左右。到瑞替期時(shí)，年均降水量開始變得充沛，達(dá)到1 400 mm，年均溫度升高至15°C左右（圖3）。

從侏羅紀(jì)開始，四川盆地年均降水量和年均溫度開始出現(xiàn)波動變化的特征。整個(gè)侏羅紀(jì)時(shí)期的年均降水量為150～1 140 mm，大部分時(shí)間的年均降水在200～400 mm之間（圖3）。其中非鈣質(zhì)古土壤CIA-K指數(shù)重建的年均降水量為（440～1 140）±182 mm，而鈣質(zhì)古土壤重建的結(jié)果為（145～1 400）±147 mm。年均溫度在7°C～15°C之間，大部分時(shí)期為8°C～12°C（圖3）。其中古土壤鹽化指數(shù)重建的年均溫度為（9～13）±4.4°C，波動范圍較小，而由古土壤成壤碳酸鹽氧同位素組成計(jì)算的結(jié)果為（7～15）±0.5°C，變化范圍相對較廣。具體而言，早侏羅世的四川盆地年均降水量在200～1 040 mm之間，變化幅度較大，而年均溫度在12°C～14°C之間變化，變化波動不大，為溫帶半干旱濕潤氣候。中侏羅世年均降水量和年均溫度均開始出現(xiàn)大幅度波動，分別為140～1 100 mm和7°C～15°C，大部分時(shí)期的年均降雨量和溫度分別在200～600 mm與9°C～13°C，表現(xiàn)為以半干旱—干旱為主伴有濕潤的氣候特征。晚侏羅世的四川盆地年均降水量相對較少，為160～600 mm，年均溫度變化較小，為9°C～13°C，屬溫帶半干旱半濕潤氣候（圖3）。

圖3 四川盆地中生代年均降水與溫度變化及與全球氣候變化對比圖地層年代據(jù)文獻(xiàn)[10,18,21,23]。四川盆地氣候概況①據(jù)文獻(xiàn)[40?41]；②據(jù)文獻(xiàn)[42?44]；③據(jù)文獻(xiàn)[42]；④據(jù)文獻(xiàn)[42,44?46]；⑤據(jù)文獻(xiàn)[47]；⑥據(jù)文獻(xiàn)[44,48]；⑦據(jù)文獻(xiàn)[30,47]；⑧據(jù)文獻(xiàn)[49]；⑨據(jù)文獻(xiàn)[50]；⑩據(jù)文獻(xiàn)[47]；據(jù)文獻(xiàn)[45,51]；全球低緯度氣候據(jù)文獻(xiàn)[39]Fig.3 Comparison of variations in MAPs and MATs from the Sichuan Basin and global climate change during the Mesozoic Era chronostratigraphy modified from references[10,18,21,23];paleoclimatic conditions in Sichuan Basin①modified from references[40?41];②modified from references[42?44];③modified from reference[42];④modified from references[42,44?46];⑤modified from reference[47];⑥modified from references[44,48];⑦modified from references[30,47];⑧modified from reference[49];⑨modified from reference[50];⑩modified from reference[47];modified from references[45,51];the climate changes in the low?latitude regions of the world adapted from reference[39]

相比于侏羅紀(jì)，白堊紀(jì)期間四川盆地的年均降水量總體偏少且變化幅度不是很大，為150～720 mm（圖3）。其中利用古土壤CIA-K指數(shù)恢復(fù)的年均降水量為（415～720）±182 mm，總體上偏濕潤，而基于鈣質(zhì)古土壤鈣積層深度的年均降水量與其基本一致，為（150～600）±147 mm。年均溫度變化幅度不是很大，為8°C～12°C（圖3）。其中基于古土壤B層鹽化指數(shù)的年均溫度為（11～12）±4.4°C，總體上偏溫涼，而基于古土壤成壤碳酸鹽結(jié)核氧同位素組成的年均溫度重建結(jié)果為（8～12）±0.5°C，變化幅度相對較廣。具體來說，早白堊世早期的四川盆地年均降水量在150～720 mm之間急劇變化，大部分年均降水量為200～600 mm。年均溫度在8°C～12°C波動變化。晚白堊世晚期的馬斯特里赫特期，四川盆地年均降水量整體偏少，年均溫度基本不變，分別為150～575 mm和10°C～11°C（圖3）。

4 討論

4.1 晚三疊世晚期四川盆地氣候變化

晚三疊世晚期，以長石石英砂巖與頁巖為主夾煤層的須家河組開始在四川盆地沉積[23]。發(fā)育自須家河組中下部的古土壤氣候重建結(jié)果顯示，該時(shí)期盆地內(nèi)部表現(xiàn)為溫帶濕潤的氣候特征（圖3），這一結(jié)果與古植物學(xué)、孢粉學(xué)研究相一致。古植物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，須家河組沉積時(shí)期著名的須家河植物群出現(xiàn)，指示該時(shí)期盛行熱帶—亞熱帶溫暖濕潤氣候[40]。孢粉學(xué)研究也進(jìn)一步印證了四川盆地須家河組沉積時(shí)氣候以熱帶—亞熱帶溫暖潮濕為主[41]。

四川盆地從晚三疊世末期開始進(jìn)入陸相盆地沉積階段，西緣松潘、甘孜地區(qū)與南秦嶺、巴顏喀拉的褶皺隆升但并未形成高峻的山系[42]，對氣候影響不大。然而在二疊紀(jì)到三疊紀(jì)期間，盤古大陸未裂解之前全球存在著超強(qiáng)巨型季風(fēng)（Megamonsoon）并影響著全球氣候變化[52-54]。雖然在晚三疊世期間，超強(qiáng)巨型季風(fēng)隨著盤古大陸的裂解而逐漸削弱[52]，但大量證據(jù)表明，直到早侏羅世它仍然是全球氣候變化的主要驅(qū)動力[53]。位于古特提斯洋東北岸和古太平洋西岸的四川盆地顯然也受到了該季風(fēng)的影響（圖4a），它通過將古特提斯洋與太平洋的暖濕氣流帶入盆地內(nèi)部，使盆地內(nèi)部降水增多，從而使氣候以溫帶潮濕為主。

圖4 中生代全球古地理分布及四川盆地古地理位置圖（圖a～f據(jù)http://cpgeosystems.com和文獻(xiàn)[55]，圖g據(jù)文獻(xiàn)[56?57]）Fig.4 Global paleogeographic maps of the Mesozoic era and Lower Cretaceous paleogeography of Sichuan Basin((a?f)modified fromhttp://cpgeosystems.comand reference[55];(g)modified from references[56?57])

4.2 侏羅紀(jì)四川盆地氣候變化

古土壤重建結(jié)果顯示早侏羅世的四川盆地盛行溫帶半干旱濕潤氣候（圖3），此時(shí)的沉積物沉積特征和植物群面貌也印證了這一結(jié)果。孢粉組合研究表明，從早侏羅世早期到晚期氣候表現(xiàn)出由溫暖潮濕向炎熱干燥環(huán)境轉(zhuǎn)化的特征[45]。早侏羅世早期的珍珠沖組以泥巖夾砂巖為主要特征，并伴有大量植物發(fā)育，指示半潮濕溫涼或濕熱型氣候，晚期自流井組以鈣質(zhì)泥巖與泥灰?guī)r夾頁巖為主，并含有豐富雙殼類、介形蟲類、葉肢介類動物化石，表明該時(shí)期為半干旱炎熱氣候環(huán)境[43]。

中侏羅世期間，大量干旱土開始發(fā)育，也有少量淋溶土出現(xiàn)，古土壤重建結(jié)果表明該時(shí)期以干旱溫涼氣候?yàn)橹鞑橛袦貛С睗駳夂颍▓D3）。四川盆地不同地區(qū)中侏羅統(tǒng)沙溪廟組巖石地球化學(xué)特征研究也支持這一結(jié)果，即沙溪廟組沉積時(shí)期四川盆地整體上屬溫暖干旱—半干旱氣候[44,46,58]。黏土礦物組合特征表明中侏羅世早中期為以干冷為主的半干旱氣候，晚期出現(xiàn)短期的干冷氣候[47]。沉積相及生物特征研究認(rèn)為，四川盆地早、中侏羅世沉積期間是一個(gè)溫暖濕潤的氣候環(huán)境[42]。

晚侏羅世期間，四川盆地年均降水量相對較少，為160～600 mm，年均溫度為9°C～13°C，屬溫帶干旱—半濕潤氣候（圖3）。曹珂等[47]利用黏土礦物特征作為氣候指標(biāo)對四川盆地廣元地區(qū)晚侏羅世氣候研究，認(rèn)為該時(shí)期為暖濕氣候。周勇等[48]研究了四川盆地遂寧地區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組的巖相特征，指出該地區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組沉積期時(shí)為半干旱氣候環(huán)境。孢粉組合顯示晚侏羅世氣候總體上為半干旱—干旱，部分時(shí)期為半干旱—半潮濕[45]。這樣的古氣候特征在晚侏羅世生物群面貌上也有一定的反映，在上侏羅統(tǒng)遂寧組和蓬萊鎮(zhèn)組中，生物化石門類較多，常見有介形類、輪藻、雙殼類等，還發(fā)現(xiàn)有保存不佳的魚類化石[30]，說明晚侏羅世四川盆地處于一個(gè)濕熱的氣候環(huán)境。

如上所述，四川盆地侏羅紀(jì)屬溫帶干旱—濕潤交替的氣候環(huán)境。早侏羅世的四川盆地及其周緣區(qū)域并未有區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動發(fā)生[59]，期間盆地內(nèi)部年均降水量較少，為200～900 mm，年均溫度變化不大，為10°C～14°C。到中侏羅世和晚侏羅世期間，四川盆地周邊的山系出現(xiàn)大幅度的隆升導(dǎo)致其沉積相類型及分布格局發(fā)生改變[42]，特別是晚侏羅世期間，盆地西北部的龍門山構(gòu)造帶處于快速隆升階段，構(gòu)造活動較強(qiáng)烈[60]。而整個(gè)侏羅紀(jì)時(shí)期的東亞地區(qū)可能存在著季風(fēng)環(huán)流[61]（圖4b～d），強(qiáng)烈的構(gòu)造活動與盆地周邊山系的隆起使大氣環(huán)流發(fā)生了改變，影響著水汽的傳輸造成降雨強(qiáng)度的變化。同時(shí)，山系隆起引起地形抬升進(jìn)而出現(xiàn)焚風(fēng)效應(yīng)，使盆地內(nèi)部氣候受到影響。此外，地形抬升引起氣團(tuán)由海洋向陸地移動時(shí)出現(xiàn)的冷凝與加熱作用也會影響降水的季節(jié)性變化。在夏季，地形抬升引發(fā)的熱力效應(yīng)導(dǎo)致上覆氣團(tuán)加熱，這樣會產(chǎn)生一個(gè)快速升高的低密度氣團(tuán)使風(fēng)從海洋吹向山前，把大量的海洋水汽帶到山前，最終導(dǎo)致降水增加；相反，冬季時(shí)氣團(tuán)出現(xiàn)冷卻作用使風(fēng)向改變，將風(fēng)由陸地吹向海洋，阻擋了暖濕氣流向陸地移動[62]。這種情況下，暖濕氣團(tuán)很難經(jīng)過高山區(qū)域，使盆地內(nèi)部降水較少，氣溫下降。因此，中侏羅世和晚侏羅世的四川盆地年均降雨量與溫度分別在150～1 020 mm、7°C～15°C之間波動變化，氣候環(huán)境也隨之在溫帶半干旱—濕潤間交替演變（圖3）。

4.3 白堊紀(jì)四川盆地氣候變化

早白堊世早期四川盆地年均降水量和溫度分別為150～720 mm、8°C～12°C。整體上表現(xiàn)為溫帶半干旱—半濕潤交替氣候且以溫帶半干旱氣候?yàn)橹鳎▓D3）。到晚白堊世晚期，年均降水量相對減少，為150～575 mm，但年均溫度變化大不，為10°C～11°C。說明溫帶氣候環(huán)境背景下的古氣候持續(xù)向干旱炎熱轉(zhuǎn)變（圖3）。許多學(xué)者利用不同材料和多種手段從不同角度對四川盆地白堊紀(jì)氣候變化研究的結(jié)果與本研究基本一致。例如，白堊系沉積物的黏土礦物特征[47]和孢粉組合研究[45]，白堊系泥質(zhì)巖的元素地球化學(xué)特征分析[50]，白堊系分子化石、沉積相與生物特征綜合分析等[49]。此外，在上白堊統(tǒng)地層中，石膏、鈣芒硝層等蒸發(fā)鹽類的出現(xiàn)，沙化和鹽堿化的擴(kuò)張[51]均表明晚白堊世晚期四川盆地氣候極度干旱炎熱。

由以上分析可知，從白堊紀(jì)早期到晚期，四川盆地氣候環(huán)境持續(xù)變干，降水量減少，屬于溫帶半干旱—半濕潤氣候。沉積相研究發(fā)現(xiàn)，早白堊世四川盆地西部地區(qū)接受了陸相沉積，意味著四川盆地西緣的龍門山系持續(xù)快速隆升，到晚白堊世，盆地西部地區(qū)沉積相由陸相轉(zhuǎn)變?yōu)闉I海相沉積[63]，這表明龍門山脈在晚白堊世期間被剝蝕[64]，而位于盆地東側(cè)的江南古陸連同南部海岸山脈在此期間已經(jīng)隆起（圖4e～g）。因此，早白堊世盆地周邊山系的隆起與晚白堊世時(shí)期海岸帶山脈的存在阻擋了來自古特提斯洋與太平洋的暖濕氣流產(chǎn)生焚風(fēng)效應(yīng)，使得盆地內(nèi)部的氣候以干旱為主。此外，白堊紀(jì)四川盆地處于副熱帶高壓帶所控制的西風(fēng)和東北信風(fēng)切變帶，存在著行星環(huán)流[51,65]（圖4e，f）。加之當(dāng)時(shí)的東亞地區(qū)可能存在著季風(fēng)環(huán)流[66-67]（圖4e，f）。因此，白堊紀(jì)四川盆地在行星風(fēng)系與季風(fēng)環(huán)流的綜合影響下，降雨減少，從而使盆地內(nèi)部的氣候以干熱為主。然而，侏羅紀(jì)到白堊紀(jì)期間，南中國海域在華南區(qū)域的海岸山脈與滇緬馬蘇（Sibumasu）版塊山系之間出現(xiàn)了一個(gè)大型低地通道[10,68]（圖4g）。當(dāng)副熱帶高壓減弱、海洋季風(fēng)環(huán)流增強(qiáng)時(shí)，來自古特提斯洋或太平洋的暖濕氣流就會向北移動穿過該通道到達(dá)四川盆地，使盆地中處于暖濕氣候之中。因此，四川盆地侏羅紀(jì)與白堊紀(jì)期間伴有暖濕氣候的出現(xiàn)。

5 結(jié)論

（1）四川盆地中生代期間年均降水和年均溫度分別為145～1 400 mm與7°C～15°C。其中晚三疊世晚期年均降水為1 180～1 400 mm，年均溫度為9°C～15°C；侏羅紀(jì)期間年均降水為150～1 140 mm，年均溫度為7～15°C；早白堊世與晚白堊世晚期的年均降水與溫度分別為150～720 mm、8°C～12°C和150～575 mm、10°C～11°C。

（2）四川盆地中生代總體上表現(xiàn)為干旱—濕潤交替的氣候特征但以溫帶干旱氣候?yàn)橹?。其中晚三疊世晚期以溫帶潮濕氣候?yàn)橹?；侏羅紀(jì)時(shí)期，氣候開始出現(xiàn)波動，表現(xiàn)為溫帶半干旱—濕潤交替氣候特征；中生代晚期的白堊紀(jì)，早期以溫帶半干旱氣候?yàn)橹?，至白堊紀(jì)晚期，氣候變得極度干旱炎熱，為溫帶半干旱、干旱氣候。

（3）四川盆地中生代氣候環(huán)境變化是全球氣候變化與區(qū)域環(huán)境因素驅(qū)動的綜合結(jié)果。三疊紀(jì)到早侏羅世期間，全球超強(qiáng)巨型季風(fēng)影響著位于低緯度區(qū)域四川盆地的氣候變化。侏羅紀(jì)中晚期到白堊紀(jì)期間，東亞地區(qū)可能存在的季風(fēng)環(huán)流、副熱帶高壓下的行星環(huán)流以及區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動引起盆地內(nèi)部山系隆起和盆地周圍華南大陸隆起與海岸帶山脈產(chǎn)生焚風(fēng)效應(yīng)連同侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)期間區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致山脈通道的打開等綜合因素作用下使四川盆地盛行以溫帶半干旱、干旱為主并伴有暖濕交替現(xiàn)象的氣候。

致謝 感謝中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所王永棟研究員、蘭州大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院孫柏年教授、曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院謝小平教授等在野外工作中給予的大力幫助與支持，對參與室內(nèi)樣品處理與分析工作的博士生岳智慧、龔政和碩士生殷慶元、王章文、張方方及提出寶貴建設(shè)性意見的匿名評審專家和編輯部工作人員，特致謝忱。