区域构造-地貌条件对沉积物地球化学变异性的影响：对晚古生代气候转型的启示

《Geoscience Frontiers》：Influence of regional tectono-morphic conditions on the geochemical variability of sediments: Insights into late Paleozoic climate transition

　　

对印度半岛Wardha盆地、Pranhita-Godavari裂谷谷地Talchir组、Barakar组和Motur组沉积岩的地球化学和矿物学组成进行了研究，以约束晚石炭世至早二叠世冰期后变暖过程中的化学风化响应。研究目标是记录Gondwana中高纬度地区冰消期的气候和环境变化。物源分析表明Talchir组为花岗质物源，Barakar组和Motur组则向变质-镁铁质（花岗片麻岩）输入转变。地球化学指标揭示Talchir段持续的低至中等化学风化强度，Barakar和Motur段为中等风化强度，指示源区以寒冷至半干旱气候为主。与Pranhita-Godavari裂谷末端沉积中心Satpura盆地的地层对比揭示了截然不同的古气候条件：Wardha盆地相对更冷更干，而Satpura盆地经历了更温暖湿润的气候。这些区域差异揭示了晚古生代Gondwana气候响应的空间变异性。结果表明Gondwana晚古生代气候变化是渐进而空间非均一的，中高纬度盆地由二叠纪高地冰川作用维持的相对持续寒冷条件。Gondwana盆地间的对比表明区域古地形和全球强迫因素共同驱动了晚古生代气候转型。

研究背景方面，晚古生代冰期（LPIA）是晚密西西比世（约335 Ma）至早二叠世（约265 Ma）的漫长冰川间隔，对物理、化学和生物系统产生了深远影响。传统观点认为单一大型冰盖持续超过60 Myr，但近年来对冰川作用时间和地理范围的研究表明LPIA可能更早结束，或早至晚石炭世-早二叠世（约300 Ma或280 Ma）。冰消期触发机制归因于Pangea干旱化导致化学风化CO₂去除减少，和/或早二叠世大火成岩省碳脱气增加。这一气候转变并非冰盖的单一崩溃，而是大陆尺度冰川作用的逐渐减弱，间以多次强度较低的冰川幕，最终在二叠纪形成温室气候。沉积物地球化学组成已被用于确定地质历史时期化学风化对形态气候条件的响应，因为化学风化强度追踪地表环境的干湿气候变化。然而，利用地球化学指标准确重建化学风化和气候需要考虑非气候因素，包括沉积物物源、水文条件和沉积过程如水力分选、沉积物再循环和成岩作用。下Gondwana盆地的河流沉积记录为研究冰消期后果及晚石炭世-早二叠世环境变化提供了宝贵机会，但Gondwana和印度古生代沉积记录的气候重建研究有限。本研究检查Wardha盆地（Pranhita-Godavari盆地北部延伸）晚石炭世至早二叠世河流沉积物，利用地球化学（主量、微量和稀土元素）和全岩矿物学数据集评估沉积和成岩过程对地球化学组成的影响。主要目标是记录Gondwana中高纬度地区冰消期的气候和环境变化，并评估Gondwana沉积物记录古生代冰川过程序列的程度。不同古地理位置Gondwana盆地间的气候对比对于理解古生代冰川气候及后续环境变化至关重要，因此Wardha盆地的地球化学记录与Satpura盆地、Khalaspir盆地、Karoo盆地、Parana盆地、Warmbad盆地、澳大利亚东部和华北等数据集以及全球气候数据集进行了地层对比。

研究人员开展了以下研究：对Wardha盆地两个沉积物岩心样品（Talchir组CMWBD-08，Barakar和Motur组MAWP-150）的26个泥岩或细粒砂岩样品进行了地球化学和岩石学研究。岩心CMWBD-08位于20°11′56″N、79°28′22″E，覆盖Talchir组地层记录；岩心MAWP-150（19°50′5″N、79°08′11″E）长约376 m，覆盖Barakar和Motur组地层记录。研究将Wardha盆地数据与已发表的Satpura盆地数据集进行对比。主要技术方法包括：光学显微镜（Leica DM 2700P）进行沉积岩石学和全岩矿物学观察；酸消解后利用ICP-OES（Agilent 5800）和Q-ICP-MS（Agilent 7700x）测定主量、微量和稀土元素（REEs），分析精度主量氧化物RSD低于1%、微量元素低于3%，使用内部地质标样（GBS）和认证地质标样验证数据质量；计算化学蚀变指数（CIA）、斜长石风化指数（PIA）、化学风化指数（CIX）、化学蚀变指数（CIW）、Parker风化指数（WIP）和钠风化指数（αAlNa）等化学风化指标，以及成分变异指数（ICV）和石英稀释化学指数（CIQ）；利用Yang et al.（2014）的CIA-温度关系估算地表温度（LST），不确定性为±5 °C；利用A-CN-K图解评估钾交代作用。

研究结果方面，全岩矿物学和岩石学研究表明Barakar组样品含粗至极粗矿物颗粒，包括石英、长石、微斜长石、黑云母、白云母及少量辉石、蓝晶石和黏土矿物，可见钠长石条纹嵌晶结构；Motur组样品更细且分选中等，含石英、钾长石、云母片、黑云母、辉石等，可见黑云母和辉石轻微蚀变为黏土矿物及铁质和硅质胶结。地球化学组成在各组间显著变化，Barakar和Motur组富集不相容元素。化学风化指标显示Talchir组CIA值56–62（平均58，n=6），ICV约1.5，指示差至中等化学风化和差沉积物成熟度；Barakar组CIA值55–77（平均70，n=13），PIA较高（平均83），ICV较低（平均0.62），指示较强化学风化和更成熟沉积物；Motur组CIA值67–82（平均74，n=7），ICV约0.92，反映中等化学风化和成熟沉积物，这些指标表明化学风化沿地层逐渐增强。球粒陨石和PAAS标准化微量元素图无重大异常，Wardha沉积物类似上地壳（UCC）组成，Talchir反映花岗质物源，Barakar-Motur沉积物与花岗片麻岩相关。总REE浓度变化大（75–316 ppm），Talchir平均最高（262 ppm），Barakar最低（103 ppm）；球粒陨石标准化图显示LREE富集和轻微负Eu异常，但Barakar显示正Eu异常。

讨论部分首先分析了非气候因素对沉积物地球化学组成的影响。沉积过程方面，Al₂O₃-TiO₂-Zr相对丰度指示Wardha盆地沉积物为细粒页岩型沉积物，结构成熟度相似；Satpura盆地沉积物较粗且结构更成熟。ICV与化学风化强度关系表明Wardha和Satpura盆地沉积物形成两个不同类别，Satpura盆地沉积物化学成熟度较高。TiO₂-Al₂O₃-Zr和CIA-ICV图解显示两盆地化学风化和水力过程程度不同，尤其Barakar和Motur组；两盆地组成受源岩影响而非沉积物再循环和再造；沉积物为第一旋回风化产物，CIA与WIP呈一致反比关系。物源方面，Wardha盆地Al₂O₃/TiO₂比值（平均25.9±10.8）指示长英质-中间质物源，Talchir和Motur组值（约20±3）指向中间质源，Barakar组变化较大（约30±13）；全岩矿物学包括辉石、黑云母、角闪石和高压相（蓝晶石、单斜辉石）支持源自共同花岗质源岩，可能来自Eastern Ghats Mobile Belt（EGMB）。化学风化强度方面，A-CN-K空间中Wardha盆地沉积物记录低至中等化学风化，Ca和Na保留指示原生矿物不完全蚀变；Satpura盆地沉积物显示更强Na₂O和CaO亏损，尤其Barakar组。Wardha沉积物CIA值持续低于70指示中等风化，Satpura盆地Barakar和Motur组CIA值高于75指示强烈风化。物源对化学风化强度影响较小，Sc/Th比值在花岗闪长岩范围内。对比风化强度反映不同干湿气候：Wardha寒冷干旱 versus Satpura温暖湿润。CIA估算的LST显示Talchir沉积期两盆地重叠寒冷温度（约9 °C），Barakar和Motur沉积期温度持续较高（约18 °C）；Barakar和Motur组沉积期Wardha盆地温度（16 °C和10 °C）持续低于Satpura盆地（22 °C和25 °C）。Wardha盆地深度剖面显示多个 distinct 低化学风化 regime，对应源区寒冷干旱至半干旱条件，可能由于石炭纪-二叠纪长期气候转型中间歇性冰川进退。印度半岛下Gondwana盆地化学风化强度对比分析揭示盆地特异性差异，Talchir组在多数盆地显示差至中等化学风化特征，Barakar组显示不同化学风化和搬运历史：Wardha盆地低至中等化学风化和最小搬运，Satpura盆地相反；Raniganj、Jaria和Khalaspir盆地Barakar组化学风化强烈（CIA>85%）。这些差异可能不与沉积物物源相关，因所有盆地接受元古代或克拉通花岗-花岗闪长质组成沉积物；古纬度位置表明Satpura和Wardha盆地纬度低于Raniganj和Khalaspir盆地，若纬度气候变化为主控因素，较高纬度盆地应显示低至中等化学风化速率，但这些盆地记录较高CIA值（>85%），表明纬度气候变化不是Barakar沉积期化学风化的主导因素。Satpura盆地代表终端沉积中心，Wardha盆地为PGR近端部分，可能接受高地地形差-中等化学蚀变沉积物，而Satpura盆地接受远距离搬运、低地强烈化学风化沉积物。Permo-Carboniferous气候重建方面，CIA记录与其他Gondwana和extra-Gondwana盆地对比显示大陆风化 distinct 模式；印度Gondwana序列化学风化演化与其他Gondwana和extra-Gondwana沉积盆地一致。Talchir组记录弱化学风化，与晚石炭世-早二叠世寒冷干旱条件一致；Barakar组CIA值显著较高（约75–90），标志温暖湿润条件下化学蚀变增强阶段；Motur组延续该趋势但变异性更大，指示早至中二叠世湿润与相对干燥间隔振荡。华北持续较高CIA值（约75–85）指示湿润气候条件下持续中至强烈化学风化；Parana盆地在Sakmarian-Artinskian（约285 Ma）CIA值显著上升，反映冰消期变暖相关化学蚀变增强，随后逐渐下降指示向相对干燥条件转变；Karoo盆地在约285 Ma后CIA上升，与冰消期和温暖湿润条件下化学风化增强一致。Gondwana盆地CIA值变化大致与全球硅酸盐风化上升一致，反映大陆风化通量整体增强。Warmbad盆地和Wardha盆地维持低CIA值（约65–75）且变化极小，与半干旱至干旱古环境一致，风化受限，可能受物源古地形控制。增强的硅酸盐风化记录与δ¹⁸O记录一致，显示约290 Ma后向较轻值总体转变，指示逐渐变暖和冰消；碳同位素记录相对稳定但显示与陆地生物量生产力增强和土壤呼吸CO₂变化一致的细微变化；大气pCO₂从晚石炭世值（>4000 ppm）降至早二叠世显著较低水平，可能由增强硅酸盐风化和有机碳封存驱动。这些记录表明LPIA消退伴随全球大陆地壳化学风化显著增强，导致海水放射性⁸⁷Sr/⁸⁶Sr升高、植被广泛扩张和构造重组相关岩浆活动，共同驱动地球系统从冰室向温室状态转变；湿润区域与持续干旱-半干旱区域间的区域变异性强调了对全球冰消的非均一气候响应。

结论部分翻译：对Wardha盆地下Gondwana沉积物的矿物学和地球化学分析为晚古生代气候转型提供了见解。物源特征指示Talchir组主要为花岗质物源，Barakar和Motur组沉积期为中间质至长英质输入及少量镁铁质碎屑。化学风化指标表明低至中等强度，反映Wardha盆地源区相对干燥条件。与Satpura盆地的地层对比揭示截然不同气候 regime：Wardha经历寒冷干燥条件，而Satpura记录相对温暖湿润条件，表明区域气候对风化的控制。尽管两盆地共享长英质至中间质物源，其对比气候信号归因于印度半岛内地形相关气候差异。此外，Wardha盆地下Gondwana沉积物显示多个 distinct 低化学风化 regime 阶段，对应寒冷半干旱气候，该模式突显石炭纪-二叠纪长期气候转型中间歇性冰川进退。晚古生代冰川气候受区域古地形和全球强迫机制共同影响。