美国蒙大拿州西南部河流沉积物中记录的最早晚古新世风成活动

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Earliest late Paleogene eolian activity recorded in fluvial deposits, southwest Montana, USA

　　

摘要

黄土记录为研究古代大气环流、大陆干旱化过程，以及它们与造山运动、气候变化和全球养分循环之间的关联提供了重要线索。虽然有研究推测美国西部内陆存在广阔的上始新世-下渐新世黄土高原，但其空间和时间范围目前仅通过怀俄明州和内布拉斯加州的零星露头得以确定。本研究通过岩相分析、粒径数据以及石英表面微结构观测，探讨了蒙大拿州西南部塞奇溪流域的始新世-渐新世冲积-河流相雷诺瓦地层中所记录的风成活动。此外，我们还提出了一个石英表面微结构分类体系，用于理解混合河流-风成环境中的风成沉积作用。研究结果表明，该地区存在厚层、块状的黄土状泛滥平原沉积物，其粒径分布呈双峰特征，与黄土相似；同时，石英颗粒也呈现出风成和河流成因的微结构特征。这类风成特征最早出现在戴尔组下部（约48–43百万年前），比全球其他已知的古近纪黄土沉积更早。在晚始新世-渐新世期间，即使是在渐新世的河道沉积物中，石英颗粒的圆度以及风成微结构的占比也有所上升，这表明这一时期风成活动加剧，黄土的河流再循环作用也更为强烈。这一趋势与全球及区域气候变冷相吻合，而北美科迪勒拉山脉的高地形可能进一步放大了这一现象。总体而言，本研究为美国西部提供了最古老的新生代黄土证据，揭示了由全球气候变冷和区域地形变化所驱动的区域干旱化进程的起始。

引言

黄土序列是记录大气环流、大陆干旱化以及古风场动态的高分辨率陆地档案（例如Porter, 2001; Roe, 2009; Muhs, 2013）。除了用于古气候重建外，黄土的堆积速率对于理解造山隆起（例如Licht等人，2014；Fan等人，2020；Zhang等人，2014）、气候变化（例如Vandenberghe和Nugteren，2001；Guo等人，2002；Chlachula，2003）与全球养分循环之间的反馈关系也具有重要意义，因为风成物质输送会显著影响陆地和海洋的生产力（例如Kawahata等人，2000；Jickells等人，2005；Weis等人，2024）。因此，明确古代黄土系统的空间和时间范围对于校准区域气候模型（Licht等人，2014；Zeeden等人，2018；Nadoya等人，2026）以及理解相关环境变化的驱动因素（例如Guo等人，2002；Xiao等人，2002；Maher，2016）具有关键意义。

上古近纪黄土已在亚洲中部（例如Licht等人，2014；Sun和Windley，2015；Meijer等人，2019）、南美洲（Selkin等人，2015）以及北美洲（Fan等人，2020；Hanneman等人，2022；Guo等人，2026）被发现。这些沉积物不仅为研究区域古气候和古生态系统的演化提供了重要资料，还有助于了解尘埃生成机制、气候与尘埃的相互作用，以及大陆干旱化的起始和加剧过程。在美国西部，已有研究推测存在广阔的古近纪黄土高原，其面积约为中国黄土高原的一半（Fan等人，2020）。怀俄明州和内布拉斯加州怀特河地层中的四个关键黄土剖面的地层记录显示，从约36–32百万年前开始，沉积方式由河流成因逐渐转变为风成成因（Fan等人，2020；Guo等人，2026）。这些地区的黄土向东部扩展，这一现象被认为是由于始新世-渐新世过渡期南方科迪勒拉山脉的再次隆起与全球气候变冷共同作用的结果（Fan等人，2020）。虽然风成沉积可能延伸到了蒙大拿州西南部、科罗拉多州北部以及南达科他州西部（Robinson和Barnett，1963；Hembree和Hasiotis，2007；Benton等人，2015），但这些边缘区域的直接岩性证据仍较为缺乏。因此，完善这一岩性地层记录对于明确这一古老尘埃档案的完整空间和时间范围至关重要。

蒙大拿州西南部的始新世-渐新世雷诺瓦地层形成于一种以局部河流改道、河道发育以及完善的古土壤为特征的冲积扇-辫状河系统中（Schwartz和Graham，2017a；Schwartz和Graham，2017b；Li等人，2021；Nandy和Fan，2025）。早期的地层研究将该地层中的厚层粉砂岩单元视为水成凝灰质沉积物或再搬运的火山灰（Robinson和Barnett，1963；Kuenzi和Fields，1971）。然而，最近的研究在派普斯通斯普林斯地区的雷诺瓦地层下部发现了夹在古土壤中的黄土（Hanneman等人，2022）。这些距今约37.5百万年的黄土可能也广泛分布于蒙大拿州西南部其他地区（Hanneman和Wideman，1991；Hanneman等人，2022）。因此，有必要利用高分辨率的岩性数据开展系统研究，以便在这些特征不明确的厚层粉砂岩中区分真正的风成特征与河流作用的叠加效应。

在本研究中，我们为蒙大拿州西南部塞奇溪流域的雷诺瓦地层中的风成活动及黄土再循环提供了证据（见图1）。我们通过岩相分析、粒径数据以及石英表面微结构观测，确定了在该看似水成沉积环境中沉积物颗粒的主要输送机制。此外，我们还提出了一种分类框架，根据微结构组合来评估石英颗粒受风成作用影响的程度，这一方法有助于解释混合沉积环境中的不同河流与风成作用的影响。

章节节选

地质与古气候背景

塞奇溪盆地是位于蒙大拿州西南部的一个山间盆地，形成于古近纪的拉勒米造山运动期间（见图1）。其西侧以塞维尔褶皱断层带中的滕多伊山脉为界，北侧和南侧则分别为拉勒米造山作用形成的布莱克泰尔山脉和斯诺克雷斯特山脉。本研究主要关注始新世-下中新世的雷诺瓦地层，该地层从下到上依次包括狄龙火山岩、下塞奇溪层、上塞奇溪层、下戴尔层以及上戴尔层。

沉积物整体粒径分析

共分析了108个样本，其中30个来自包括河流改道河道、主河道以及裂隙溅射物在内的河道岩相，80个来自包括泛滥平原细粒物质、钙质土、非钙质古土壤以及片流沉积物在内的泛滥平原岩相（详细信息见Nandy和Fan，2025）。我们的采样策略不仅旨在建立连续的记录，以确定风成沉积的最早出现时间以及风成活动强度随时间的变化趋势，而且

粒径分布

雷诺瓦地层不同岩相的粒径分布存在显著差异。河道沉积物、片流沉积物以及部分古土壤的粒径较大，主要粒径大于100微米。相比之下，那些厚层、块状的黄土状泛滥平原细粒沉积物的粒径分布则更为均匀，其主要峰值出现在极细砂粒级（约100微米），另一个次峰则出现在粗粉砂粒级（约35微米）（见图3），这一特征与怀俄明州西部上始新世黄土的粒径分布十分相似。

讨论

通过结合岩相观察、粒径数据以及石英表面微结构数据，我们为塞奇溪流域河流相雷诺瓦地层中的晚古近纪风成沉积提供了有力证据。结合地质年代学和沉积过程的分析，这些数据揭示了始新世-渐新世期间风成活动以及河流与风成作用之间相互关系的变化规律。此外，我们还评估了所提出的石英微结构分类方法的有效性及其局限性。

结论

我们的研究为蒙大拿州西南部塞奇溪流域晚古近纪的风成活动提供了坚实的证据。通过对雷诺瓦地层进行岩性地层分析，我们发现这些厚度较大、分布均匀且分选良好的沉积物虽然被归类为泛滥平原相，却具有黄土的沉积学特征。粒径数据表明，这些类似黄土的沉积物呈现出风成搬运特有的双峰粒径分布，这一特征与同时期的怀俄明州黄土以及第四纪黄土具有相似性。

作者贡献说明

Rijumon Nandy：撰写——初稿撰写、可视化分析、方法设计、研究实施、资金申请、正式分析、概念构思。Majie Fan：撰写——审阅与编辑、项目监督、资源协调、项目管理、资金申请、概念构思。

未引用参考文献

Wang等人，2006

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的财务利益关联或个人关系。

致谢

我们要感谢贝勒大学的Steven Forman博士和Alix Fournier在粒径分析方面的帮助，同时也要感谢德克萨斯大学阿灵顿分校材料与生物学特性中心的Jiechao Jiang博士和Chuzhong Zhang博士在石英颗粒扫描电子显微镜成像方面的支持。此外，我们还要感谢Shankhadeep Baul、Tristin Ronspiez和Anthony Heims在野外工作、样品采集以及样品预处理过程中给予的帮助。

Rijumon Nandy|Majie Fan

美国得克萨斯州阿灵顿市，得克萨斯大学阿灵顿分校地球与环境科学系，邮编76019