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地理环境类论文 青藏高原东北缘西宁盆地晚新生代沉积物正构烷烃组成与生态

2018-12-20 14:49:44来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘 要:西宁盆地位于青藏高原东北边缘,中国高寒区、内陆干旱区和湿润季风区的交接部分。是欧亚、太平洋及西风带三向季风交汇部位,也是中国黄土高原的西缘。西宁盆地新生代地层以相对完整的年代顺序沉积。这些新生代的地层记录了西宁盆地古环境演化的丰富信息。这些信息对恢复本区古环境有着很重要的作用。而青藏高原西宁盆地正构烷烃就广泛分布在这些新生代地层中。这些新生代地层中的正构烷烃记载着大量的古环境信息。本文通过研究西宁盆地的正构烷烃揭示出盆地的古环境历史。我们通过研究大致得出如下结论;西宁盆地在50.2~28.2Ma期间正构烷烃参数指示本区的古环境、古生态可基本上划分为3个主要演变阶段。阶段一(50.21~37.54Ma)特征是草本植物优势生长气候温暖潮湿,阶段二(37.54~32.76Ma)特征是木本植物优势生长气候寒冷潮湿、阶段三(32.76~28.23Ma)特征是草本植物优势生长气候寒冷。

  关键词:正构烷烃;古环境演化;晚新生代;西宁盆地;青藏高原

  引言:西宁盆地位于青藏高原东北边缘,中国高寒区、内陆干旱区和湿润季风区的交接部分。是欧亚、太平洋及西风带三向季风交汇部位,也是中国黄土高原的西缘。在漫长的地球历史上,新生代作为最接近我们的地质时期,一直受到国内外众多学者的关注。经前人研究发现,正构烷烃数据已经能够准确地揭示新生代以来地球上发生的一些明显的气候变化,其中较为重要的是全球性冷事件。盆地内沉积了一套Eocene~Miocene连续的河湖相地层,这些河湖相地层中的正构烷烃含量对于气候和环境的变化非常敏感。由于新生代以来西宁盆地沉积了许多连续的地层,他们记录了青藏高原东北部的构造和气候变化过程。所以西宁盆地是对高原构造的研究、抬升与气候变化相互作用的过程和机制的理想区域。

  我国早在20世纪60年代,青海地质局区调队就对西宁盆地做过研究并取得了重大的成果。胥彪等(2017)对青藏高原的西宁盆地内新生代地层进行了划分,分别划分为西宁群和贵德群两个群,祁家川组、洪沟组和马哈拉沟组属于西宁群,谢家组、车头沟组和咸水河组属于贵德群。国内外研究学者对西宁盆地的研究也是乐此不疲。国内外学者对西宁盆地的研究从未中断过。所以,我们加强对西宁盆地的研究对于恢复古环境有很重要的意义。

  目前大多数学者都是针对第四纪气候变化方面问题进行研究的,从而导致科学界缺少对具有大规模时间跨度的新生代大陆和该时间尺度下生态环境演化的大量探索。新生代地层对季风气候变化的感知十分敏锐。所以我们致力与研究西宁盆地的新生代地层。对于恢复青藏高原西宁盆地的古环境有很重要的意义。在当今气候条件相似的干季风系统中,新生代(晚渐新世-中新世)是一个不容忽视的重要时期。此外,地表植物生长状况会影响陆地沉积物的组成,而地表植被特征又受气候环境把控,因此为得到当时地表植被及气候的相关信息,我们需要对沉积物中正构烷烃进行研究。

  综上我们不难发现西宁盆地的研究多集中于第四纪,缺乏对新生代长期尺度土地记录和生态环境演变持续精确的时间控制。所以,迟云平等学者(2013)认为获得长时间尺度和连续的陆地正构烷烃记录已经刻不容缓。加强对西宁盆地新生代时期地层的研究讨论,对于了解全球规模的气候变化、高原构造隆升等国际性问题具有重大推进作用。而我们通过研究地层中的正构烷烃含量已成为恢复古植被、古环境和古气候变化的有效的手段。所以,对该区域形成的新生代沉积地层的正构烷烃含量研究可以为深入探索古环境变化提供有力的帮助,完善人类对古环境的认知。本文通过正构烷烃的研究合理的恢复了西宁盆地的古环境演变过程。

  西宁盆地概况

  (一)研究区自然地理概况

  西宁盆地位于青藏高原东北边缘,中国高寒区、内陆干旱区和湿润季风区的交接部分。是欧亚、太平洋及西风带三向季风交汇部位,也是中国黄土高原的西缘。气候方面,由于青藏高原地形复杂多样,作为一个高耸的天然屏障,有效地阻挡了北方的冷空气。因此位于其东北缘的西宁盆地夏 季气候干爽湿润,秋季很短,冬季寒冷漫长,气候特征既与高寒高原类似,又与半干旱山区相符合。除此之外,西宁盆地长年缺乏降水,但是日照时间长,蒸发强烈,因而盆地内光能资源充足,全年日照时数在2500万小时左右,日照百分比也超过了50%。

  西宁盆地的在地理位置上在坐落于青海省的东北方向,覆盖民和、西宁、乐都、渔中、互助等地,坐落于中国高寒区、内陆干旱区和湿润季风区的交接部分。盆地周围部分山体的海拔高度在3255米以上,但大部分盆地高度在1745~2580米。年平均气温5.2~6.7摄氏度,年降水量335~482毫米,降水主要集中在夏季(图1)盆地内的植被显著垂直分带性是由于山谷与周围山脉的巨大差异造成的。长芒草,沙生针茅群落和铁杆篙群落分布于2600米以下地区,海拔2500米左右的局部山地阴坡地区分布着青海云杉林和青杆林;海拔3300米左右的山地阴坡地区分布着金露梅、毛枝山居柳和杜鹃。在海拔3550米以上的地区分布着高寒草甸,而这种植物是以篙草为主。

  图1 西宁盆地地理位置图和植被简图(改自周兴民等,1987)

  (二)研究区地质概况

  新生代早中期西宁盆地就形成了以元古代为基底的断陷盆地,盆地中沉积了很厚的第三系灰白色砂岩和灰白色砾岩;喜马拉雅山的构造运动使盆地地层发生了褶皱和断裂地质作用,在构造运动之后又受到了长时间的剥蚀作用;第四纪时期,盆内又堆积了较厚的黄土。西宁盆地的河流是湟水流域最宽阔的河谷盆地。

  西宁盆地的底部是震旦系,上部为三叠系。震旦系为陆相盆地沉积,地层由含煤碎屑岩组成,很难见到剖面的出露,厚1079~1556米。三叠系为河流—滨湖沉积相,由灰黄色砂岩夹红色砾岩组成,厚1212~1445米。白垩系下统河口群的下部含大量砾岩、泥岩和页岩;上部为红棕色砂岩。白垩系上统民和组以泥岩、钙芒硝为主,颜色多为砖红色。其沉积环境为干燥气候条件河流-湖泊相沉积环境。侏罗纪和白垩系之间为角度不整合接触的接触关系。西宁盆地内新生代地层发育完全,地层厚度大并且自南向北变薄,下伏的远古宙、三叠纪基岩与西宁盆地的新生代地层为不整合接触的接触关系,上覆的第四纪为则与之为平行不整合或者是整合接触的接触关系。西宁盆地的新生代沉积地层从上往下特征尤为明显的三套地层序列:顶部灰黑色、灰黄色粉砂岩;上部粉红色砾岩、巨砾岩;中部褐棕色、粉黄色、褐黑色泥岩、粉砂岩夹泥岩、天蓝色泥灰岩;下部灰黑、棕黄色砂砾岩、砂岩、粉砂岩、砾岩。这些地层完整地记录了青藏高原西宁盆地的古环境演化过程(图2)。

  新生代的谢家剖面地层不整合于白垩纪地层之上,谢家剖面地层划分为六个组(表1,图3)。

  表1 西宁盆地新生代地层划分和岩性特征

  新生代地层划分年代Ma

  .岩性特征咸水河组18.2~<17.3Ma浅褐黄色洪泛平原粉砂岩和泥岩夹河道细砂岩透镜体,并 发育一定数量的钙质古土壤或土壤化泥岩层,厚度约为776467米。车头沟组23.3~18.1Ma褐黄色河道砂岩透镜体与洪泛平原粉砂岩、泥岩夹细砂岩,局部夹石膏泥岩,厚度为70864米。洪沟组50.5~41.5Ma粉砂岩夹湖相、洪泛平原相红色砂岩、石膏层及含膏泥岩盐湖相泥灰岩。含砾石膏砂岩、砂岩互层或泥岩、石膏层互层。厚度为71029米。马哈拉沟组41.5~30.3Ma下部主要为盐湖相厚层石膏层夹泥岩,上部为洪泛平原红色含膏泥岩、粉砂岩夹少量干盐湖相薄层石膏。灰白色泥岩夹薄层石膏,粉红色泥质膏盐夹棕灰褐色泥岩、石膏质泥岩,厚度为238554米。谢家组30.5~23.4Ma红色泥岩夹绿色泥岩,洪泛平原褐红色泥岩、粉砂岩,偶夹几层薄层石膏。厚度为497897米。祁家川组52.6~50.8Ma砾细-粗碎屑岩、泥砂碎屑岩夹石膏层、碳质石膏岩、泥岩,局部有砂岩、页岩。厚度为1957米。

  图2 西宁盆地地质构造图(引自Dai et al.,2006)

  图3 谢家剖面地层

  正构烷烃的提取与研究方法

  我们为了针对研究目的,选取了西宁盆地新生代谢家动物群的谢家剖面地层。本文的研究剖面为西宁盆地中的谢家组,选取该剖面地层年代为50.2~28.2Ma段(剖面深度350m以上)。新生代谢家剖面地层总共划分为六个地层,分别为:洪沟组、咸水河组、祁家川组、车头沟组、谢家组、马哈拉沟组(图3)。沿着西宁盆地的谢家剖面,每隔十米采集一个样本(表2和图4),一共采集二十五个样本。为了提供新的详细的有机地球化学资料和以更高分辨率取样,地层选取包括始新世渐新世过渡期的一段。每二十克样品粉碎至八十目,然后用氯仿索氏提取七十二小时。样品放置恒温下风干之后,用有机化合物三氯甲烷溶解,正构烷烃含量用于气相色谱-质谱联用仪分析。色谱条件:石英毛细管柱。升温程序:始温七十五摄氏度,以五摄氏度每分钟升温至三千摄氏度,恒温在二百八十摄氏度。气体为氦气。

  图4 谢家剖面中正构烷烃的参数含量变化图

  表2 谢家剖面正构烷烃含量表

  样品MaCmax正构烷烃含量C27/C31ACLCPLC31/(C27+C29+C31)150.21310.930.5329.782.540.45249.43310.620.3729.653.880.47348.56311.340.6729.454.530.43447.37310.460.4529.582.470.45546.69310.870.3430.064.250.39645.06310.930.5530.043.680.48744.33310.410.3429.684.180.47843.66310.500.3829.875.690.42942.87310.750.4530.016.570.381041.63310.880.4229.583.240.391140.05310.430.8229.644.690.451239.57310.650.5929.574.890.391338.27310.520.5430.255.140.451437.54310.560.3930.035.710.471537.50290.410.3529.685.180.421636.47290.280.2829.475.680.401735.69290.260.4329.584.230.401834.18290.170.5429.673.240.361933.27290.130.5029.982.450.342032.76290.070.8229.672.380.382132.73310.080.4429.683.570.312231.24310.060.4329.352.170.342330.27310.050.7529.675.690.352429.75310.110.7429.362.580.422528.23310.060.4229.842.470.43

  谢家剖面正构烷烃的分析

  (一)正构烷烃的环境意义分析

  青藏高原西宁盆地正构烷烃广泛分布在新生代地层中。这些新生代地层中的正构烷烃记载着大量的古环境信息。由于新生代以来西宁盆地沉积了许多连续的地层,他们记录了青藏高原东北部的构造和气候变化过程。正构烷烃赋存在新生代地层的植物体和生物体之中。由于正构烷烃在不同植物和生物体中的分布特征不同。故而这些分布特征也恰好证明了沉积生态环境的特征。草本植物和木本植物分别以C31、C29为主峰。且正构烷烃对于指示古环境的变化具有重要作用,通过研究我们可以利用数据来分析古环境的变化的特征。

  (二)西宁盆地新生代沉积物正构烷烃记录的古环境变化

  通过表1和图3的分析可以研究得出西宁盆地正构烷烃参数的变化趋势,正构烷烃参数反映了青藏高原古环境变化。而这些古环境和古气候的演化大致可以分为三个主要演化阶段和两个关键的生态转折点。第一阶段(50.21~37.54Ma)、第二阶段(37.54~32.76Ma)、第三阶段(32.76~28.23Ma)。两个关键的生态转型点37.54Ma和32.76Ma。

  阶段一(50.21~37.54Ma),样品(1~14)。C31为主峰碳优势,在这一时期C31/(C27+C29+C31)的比值呈上升趋势,这反映了草本植物的优势发展。因为合成高碳链数的化合物能够减少水分的蒸发,所以高碳链数的化合物比值上升也就是C31/(C27+C29+C31)的比值上升草本植物才能良好的生长。一般认为在温暖潮湿的环境中,植物的生长迅速,而干旱寒冷的环境下植物生长则会受到限制。这一阶段的正构烷烃的数值较高,正构烷烃数值与植物生长量呈正相关的关系,正构烷烃数值越高植物的生长量也越高。这指示了(50.21~37.54Ma)时期的气候可能较为温暖潮湿。从表一和图3我们不难发现ACL值也处于高值,也反映了了(50.21~37.54Ma)时期的气候较为温暖潮湿,适合植物的生长。在图3中我们分析得知ACL值和C31/(C27+C29+C31)值、CPL值呈平行变化趋势。正构烷烃中C31的组分与CPL值呈正相关。C31/(C27+C29+C31)、ACL、CPL这三个值呈正比关系。而我们一般认为这种正比关系是在温暖潮湿的环境下出现的。

  阶段二(37.54~32.76Ma),样品(15~20)。C29为主峰碳优势,从这一数据的变化我们可以得知前一阶段的草本植物优势转变为木本植物优势。正构烷烃主峰碳从C31变化为C29,这一突然的转变说明了(50.21~37.54Ma)时期与(37.54~32.76Ma)时期的气候差异比较大。这也恰好印证了37.54Ma为50.22Ma~28.23Ma期间重大的一个生态转折点。C27/C31比值有了明显的上升。因为C31/(C27+C29+C31)比值和ACL比值有了明显的下降,所以表明木本植物在总植被中的丰度高于草本植物,西宁盆地内的植被转变为木本植物优势。气候可能为寒冷潮湿。

  阶段三(32.76~28.2Ma),样品(21~25)。正构烷烃中的主峰碳从C29又全部恢复到了C31,所以草本植物重新占据发展优势,这一现象指示了气候寒冷。C31/(C27+C29+C31)比值呈上升趋势,C27/C31比值也出现了明显的下降。这正好说明了草本植物优势发展,气候寒冷这一现象。在这一时期正构烷烃含量在约31.1Ma时下降至最低值,这表明植物已经是很少发育了所以正构烷烃含量下降到了最低值。这些指标都共同的指示了32.76~28.2Ma比37.54~32.76Ma更为寒冷。

  两个关键的生态转型点分变为37.54Ma和32.76Ma。在32.76Ma这一时期正构烷烃的含量骤然升高,而在37.56Ma之后正构烷烃的含量又骤然下降,随后一直保持在一个比较低的值。这些参数的变化趋势都说明了37.56Ma和32.76Ma为两个关键的生态转型点。32.76 Ma时期温度回暖,这一种环境适合植物的生长。ACL值和C31/(C27+C29+C31)值、CPL值共同升高,指示了气候温暖。在37.56Ma之后,ACL值和C31/(C27+C29+C31)值、CPL值共同下降,指示了温度下降,限制植物的生长。

  四、讨论

  青藏高原的西宁盆地谢家剖面的沉积物中的正构烷烃记录了古植被和古气候的演化过程。整个谢家剖面正构烷烃各数据大致的显示了三个明显的植被和气候变化信息。分别为阶段一(50.21~37.54Ma)、阶段二(37.54~32.76Ma)、阶段三(32.76~28.23Ma)。我们通过分析得出如下表格:

  阶段第一阶段第二阶段第三阶段时期50.21~37.54Ma37.54~32.76Ma32.76~28.23Ma植被草本植物木本植物草本植物古气候温暖潮湿寒冷潮湿寒冷总之,谢家剖面正构烷烃记录揭示了西宁盆地在50.22Ma~28.23Ma期间经历了长时期的降温过程,在这个时期内气候干湿冷暖交替变化,伴随着相应的植被演替。我们认为,这些植被和气候的变化是对自Eocene气候适宜期(EECO)事件以来全球性的降温和早第三纪北部青藏高原隆升的共同响应。

  五、结论

  正构烷烃广泛存在于西宁盆地的新生代地层之中,对于恢复本区的古环境和古气候有着很重要的指示意义。正构烷烃对于微观环境和微观气候非常的敏感。正构烷烃可长期保存在地质记录中,他们记录了青藏高原西宁盆地的古环境演化信息。对这些化合物中所含信息的分析是研究古环境演化的重要手段。由于操作简单,需求量少,沉积物中正构烷烃的强疏水性和粘土的亲和性,使其保持原有的输出特性。因此,合理利用正构烷烃在新生代的地层中的含量研究是恢复古植被和古气候的一种非常有效的方法。我们通过对西宁盆地的正构烷烃组成的研究,说明西宁盆地古环境的演化历史,进而可以说明全球生态演变的历史。

  根据生物标志化合物正构烷烃指标,结合相应的岩性,沉积相及相应的全球气候变化趋势,探讨了西宁盆地50.22Ma~28.23Ma期间古植被和古气候的变化。从有机地球化学角度来看,中国大陆地区连续发生新生代,首次以古代环境变化记录所揭示的高分辨生物标志正构烷烃为标志,捕获包含这些记录在青藏高原早期新生代隆起信息相关的一系列重大事件,干旱季风气候升高系统环境的演变。这将为了解新生代全球降水对我国内陆的响应,土地干旱与青藏高原隆升的关系以及干旱季风气候的起源和未解决科学问题提供重要的依据和信息。 我们通过西宁盆地正构烷烃的研究,揭示出西宁盆地在50.22Ma~28.23Ma期间古环境的演化大致经历了三个阶段和两个转折点。 第一阶段(50.21~37.54Ma)。C31为主峰碳优势。草本植物优势发展。气候为暖和湿润。 第二阶段(37.54~32.76Ma)。C29为主峰碳优势。木本植物优势发展。气候为寒冷潮湿。 第三阶段(32.76~28.23Ma)。C31为主峰碳优势。草本植物优势发展。气候为寒冷。

  综上所述,谢家剖面的烷烃记录显示,西宁盆地在50.22Ma~28.23Ma期间经历了一个长时间的降温过程,其间气候交替干燥,湿润和凉爽,伴随着相应的植被演替。我们认为,这些植被和气候变化是Eocene早期气候适宜期(EECO)事件和青藏高原早期隆起的共同反应。

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