华北平原黄华洼地沉积物的地球化学演化：对风化作用、物质来源及自渐新世以来的古气候的启示

《Applied Geochemistry》：Geochemical evolution of sediments in Huanghua Depression, North China Plain: Implications for weathering, provenance, and paleoclimate since the Oligocene

地质学家杨建周团队通过分析黄河南凹陷CZKZ01科学钻孔91个沉积样品的元素组成，揭示渐新世至全新世北中国平原古环境演变规律。研究显示化学风化指数（CIA）从渐新世的80.1降至全新世的63.0，反映区域降温干燥趋势。物源区以火成岩为主，受太行山及邻近构造抬升影响，稀土元素配分显示稳定陆源输入。沉积环境从渐新世-上新世的咸水环境（氧指数>3）过渡为中更新世后的淡水环境，与青藏高原抬升及全球变冷事件耦合。该连续1500米沉积记录为研究东亚晚新生代地质气候演变提供了关键依据。

　　本文的研究团队包括Jianzhou Yang、Yong Li、Zhuang Duan、Jianguo Li和Kai Li，以及Jingjing Gong。他们通过对黄骅坳陷CZKZ01钻孔中91个沉积样本的地球化学分析，探讨了自始新世以来该地区古气候演变与沉积物来源的变化。研究通过分析主要元素、微量元素以及稀土元素（REEs）的组成，评估了化学风化程度、沉积物来源特征以及古环境变化。研究结果表明，始新世的沉积物经历了强烈的化学风化（CIA=80.1），随着时间推移，风化强度逐渐减弱（中新世为66.4，上新世为67.4，更新世为63.0）。沉积物的主要来源是富铝的火成岩，稀土元素模式则显示了变质的沉积-火山岩和太行山中生代酸性火成岩的贡献，同时还有邻近抬升的中生代沉积单元的影响，最终形成了与上地壳相似的组成特征。在120米深度以上，元素组成变得更加均一，反映了现代黄河沉积物输入的增加。氧化敏感元素比值表明，自始新世以来沉积环境总体上处于氧化状态，但在中新世开始出现从咸水向淡水环境的转变。古气候代理指标显示，始新世至上新世时期该地区处于温暖湿润的气候条件，而更新世时期则转向寒冷干燥的气候，这与青藏高原的隆升和全球降温事件有关。该研究为探讨晚新生代华北平原的沉积过程和气候演变提供了重要依据。

研究背景指出，岩石的侵蚀、风化和沉积是影响全球碳循环和气候动态的基本过程，受到广泛关注。大陆风化产生的碎屑物质通过河流系统被输送到沉积盆地，保留了源岩组成和沉积环境的关键地球化学信号。通过对这些沉积物进行地球化学分析，特别是主要元素、微量元素和稀土元素，可以深入了解风化强度、沉积物来源和过去气候的变化。这些方法被广泛应用于重建地球表层过程及其与全球环境变化的相互作用。相比之下，沉积盆地中的钻孔沉积物较少受到人为活动的影响，能够提供更连续和全面的沉积过程记录。因此，它们对于研究沉积区的形成、演变和气候历史尤为重要。

华北平原是东亚最大的平原之一，其地貌特征受到主要河流如黄河、海河和滦河的周期性洪水和沉积作用影响。该地区具有半干旱到半湿润的气候，受东亚季风影响显著，是研究东亚沉积演变和环境变化的重要区域。对该地区钻孔沉积物的研究已经为沉积过程和环境演变提供了重要见解。例如，古地磁、古生物学和地层学的研究（如Xu等，2017；Yao等，2010；Wang等，2023；Shang等，2022）极大地推动了对该地区环境历史的理解。化学组成分析对于重建沉积物来源和环境变化至关重要。例如，Liu等（2021）对从山前到海岸平原的钻孔沉积物中的稀土元素分布进行了分析，揭示了以混合砂岩为主的沉积物来源。位于渤海湾西海岸的钻孔BZ2记录了大约3.2百万年前沉积物来源风化强度的下降，这可能与晚新生代的全球降温有关。同样，Yang等（2018）对成宁隆起的沉积芯进行了研究，表明晚新生代全球降温以及东亚冬季风对华北平原的影响。他们强调，在1.60百万年至0.78百万年期间，黄河带来的大量沉积物输入导致了广泛的河流堆积，逐渐填充了地形的不平整，形成了平原上近似水平的地表。这些研究为理解华北平原的环境演变提供了重要依据。然而，以往的研究大多集中在更新世沉积物及其气候响应上，较少关注沉积物来源。此外，华北平原的广阔面积、复杂的构造结构以及巨大的沉积厚度（在某些地方可达数千米）使得获取全面的沉积记录具有挑战性。河流迁移、气候波动、构造活动和风化过程的相互作用进一步复杂了对沉积物来源和区域环境演变的理解。

黄骅坳陷是华北平原和渤海湾盆地的重要构造组成部分，其周围地区表现出显著的岩性变化，并在其沉积历史中经历了明显的古气候变迁。2022年12月18日，CZKZ01科学钻孔在黄骅坳陷北部完成，深度达到1,501.7米。该钻孔提供了从始新世到全新世的连续沉积记录，使其成为华北平原最完整的晚新生代沉积档案之一。与以往研究的钻孔样本相比，这些样本主要局限于更新世，或者代表了较短、不连续的沉积序列，而CZKZ01则提供了连续的沉积记录。这种连续的记录对于重建东亚长期环境变化具有重要意义。本研究通过对CZKZ01钻孔中沉积物的元素地球化学分析，探讨了自始新世以来的沉积特征。研究的主要目标包括：（1）评估黄骅坳陷的化学风化强度并确定其沉积物来源；（2）探讨沉积演变、环境变化与全球气候动态之间的联系。该研究旨在为黄骅坳陷的地质和环境历史提供新的见解，并增强对华北平原地区沉积过程和气候演变的理解。

研究区域和地层特征部分指出，华北平原位于中国东部，东西长约355公里，南北宽约410公里，总面积约为72,144平方公里。该地区的新生代沉积物厚度可超过3,500米，使其成为中国最大的沉积盆地之一。华北平原的西侧与太行山脉相邻，北侧与燕山构造带相接，南侧则与大别山脉相界，东侧则与渤海湾相邻。这些地层特征为研究沉积过程和环境变化提供了重要基础。

样本与方法部分提到，研究团队从CZKZ01钻孔的不同地层水平采集了91个沉积样本，选择依据包括沉积物颜色、粒度和其他物理特征的变化。这些样本被用于分析其元素组成。主要元素的浓度通过X射线荧光（XRF）进行测定，而微量元素和稀土元素则通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）进行测定。研究在地球物理与地球化学勘探研究所进行，确保了分析的准确性和可靠性。

主要元素组成部分显示，CZKZ01钻孔中91个沉积样本的主要元素平均浓度如下：SiO?（59.3%）、Al?O?（14.4%）、TFe?O?（5.45%）、MgO（2.08%）、CaO（6.61%）、Na?O（1.54%）和K?O（2.37%）。与上地壳（UCC）相比，这些沉积物显示出对TFe?O?和CaO的相对富集，同时对SiO?、Al?O?、Na?O和K?O则相对贫乏。地层变化中的元素组成差异表明，SiO?和K?O的含量变化可能反映了不同的沉积环境和来源特征。这些数据为研究沉积物来源和环境变化提供了重要依据。

化学风化强度部分指出，化学风化强度通常通过风化指数进行评估，其中CIA（化学指数）是广泛用于评估沉积物风化程度的指标。CIA值反映了长石的风化程度，并能提供关于沉积物来源特征的重要信息。在风化过程中，长石会逐渐释放出Ca、Na和K，而Al和Ti等元素则相对稳定。这种风化过程的差异可能与不同的气候条件和构造活动有关。研究团队通过对CIA值的分析，揭示了始新世至更新世期间化学风化强度的变化趋势。这种变化可能反映了该地区在晚新生代期间由于构造-气候转变而导致的区域降温与干旱化。同时，沉积物中的元素和稀土元素特征表明，其来源相对稳定，主要来自富铝的火成岩，且几乎没有循环或成岩作用的影响。

研究结论部分强调，CZKZ01钻孔中的沉积记录为华北平原提供了首次连续的地球化学证据，揭示了自始新世以来长期环境演变的过程。研究数据表明，化学风化强度从始新世到更新世逐渐减弱，反映了晚新生代构造-气候转变带来的区域降温与干旱化。沉积物中的元素和稀土元素特征表明，其来源相对稳定，主要来自富铝的火成岩，且几乎没有循环或成岩作用的影响。这些发现为理解华北平原的沉积过程和气候演变提供了新的视角，同时也为研究东亚地区的环境变化提供了重要依据。

本研究还涉及了CRediT作者贡献声明，其中Yong Li负责撰写和编辑，项目管理与资金获取；Kai Li负责数据分析；Jingjing Gong负责撰写和编辑、资源获取与数据整理；Zhuang Duan负责资金获取；Jianguo Li负责监督与项目管理；Jianzhou Yang负责撰写原始稿件与概念设计。这些贡献声明确保了研究的透明度与责任分工。

此外，研究还提到了未引用的参考文献，包括álvarez-Vázquez等（2023）、Chen等（2009）、Chen等（2003）、Dong等（2023）、Du等（2018）、Du等（2013）、Hou等（2020）、Li等（2008）、Li等（2007）、Li等（2008）、Liu等（2008b）、Liu等（2004）、Lu等（2014）、Mendes等（2021）、Molén（2024）、Pan等（2022）、Shao和Yang（2012）、Song（2005）、Wang（2015）、Wang等（2014）、Wu（1988）、Wu等（2003）、Xu等（2004）、Xue等（2021）、Yang等（2004）、Yang等（2006）。这些参考文献为研究提供了重要的背景支持和理论依据。

最后，研究团队声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究的成果。这一声明确保了研究的客观性和公正性。研究得到了多项资助，包括中国科技基础资源调查计划（Grant No.2022FY101800）、中国国家重点研发计划（Grant No.2024ZD1003404）、中国国家重点研发计划（Grant No.2018YFE0208300）以及中国地质调查计划（Grant No.DD20242247和No. DD20230439）和中国国家地质环境监测与预测计划（No. 102202220180000009060）。这些资助为研究的顺利进行提供了必要的支持。

通过本研究，我们不仅能够深入了解黄骅坳陷和华北平原的沉积过程和环境演变，还能为全球气候变化与地表过程的相互作用提供新的视角。研究结果对于理解东亚地区的地质历史和环境变化具有重要意义，并为未来相关研究提供了基础。同时，本研究也强调了钻孔沉积物在研究沉积物来源和环境变化中的独特价值，特别是在较少受到人为干扰的自然环境中。这些发现为探索地球表层过程和气候变化提供了重要的科学依据，并为相关领域的研究提供了新的方向。