墨西哥尤卡坦半岛中部多成因溶斗演化与表岩溶过程的地层学证据

《CATENA》：Stratigraphic evidence of polygenetic doline evolution and epikarst processes in the Central Yucatán Peninsula, Mexico

　　

•地层序列记录了内陆热带溶洞的演化过程。
•多代用指标证据支持该溶洞多成因起源的观点。
•钙板岩、古土壤和冰碛沉积记录了土壤形成作用和沉积物再改造过程。
•该地层序列为热带浅表喀斯特演化提供了基于过程的分析框架。

**引言**

热带景观中的喀斯特系统是高动态环境，其地貌和地球化学演化反映了沉积、侵蚀、土壤形成和喀斯特化之间的相互作用。在构造稳定的碳酸盐平台上，海平面波动尤为关键，它控制着饱水带的发育、淡水和咸水地下水的分布、溶解碳动力学，以及塑造喀斯特地貌的其他因素（Beddows, 2004）。当封闭的喀斯特洼地在陆地暴露和喀斯特化活跃时期被土壤、沉积物或自生矿物充填时，外生喀斯特发育（*狭义上*）的痕迹可能保存在地层记录中。保存也可能发生在快速掩埋先于地表特征被剥蚀或夷平完全去除的情况下（Bruthans and Zeman, 2003; Mylroie and Mylroie, 2018）。

喀斯特天坑或溶洞是封闭洼地，可能通过溶解、塌陷、潜蚀或其他过程形成。然而，在动态喀斯特系统中，溶洞可能通过溶解、塌陷和沉积充填等多种相互作用的机制发育，因此被归类为多成因型（Sauro, 2007）。

作为封闭洼地，溶洞起到土壤和沉积物天然捕集器的作用，可为高分辨率古环境研究提供有价值的档案。对溶洞充填物的研究已记录了特定事件，如局部森林火灾（例如，Mergelov et al., 2020）、通过孢粉记录推断的森林砍伐（例如，Worobiec and Szulc, 2010; Worobiec, 2011, Worobiec, 2014），以及飓风影响（例如，Brown et al., 2014; Wang et al., 2021）。更广泛地说，沿溶洞壁暴露的碳酸盐序列，连同土壤剖面和互层沉积物，可以保存环境、气候和地貌随时间变化的证据。

尤卡坦半岛是全球最广阔的热带碳酸盐平台之一。其原生岩仍处于早期成岩阶段，保留了许多原始孔隙（Beddows et al., 2007）。其高孔隙度和地表排水的缺乏有利于广阔的喀斯特网络发育（Weidie, 1985; Bauer-Gottwein et al., 2011）。最近的基于GIS的研究在该半岛上鉴定出了高密度的喀斯特洼地，包括溶洞、天坑和其他封闭喀斯特地貌（Aguilar et al., 2016）。天坑是该地区研究最广泛的喀斯特洼地，主要从水文地质学角度进行了调查。先前的研究考察了地下水流、含水层结构和水下洞穴系统之间的连通性（Perry et al., 2002; Beddows et al., 2007; Bauer-Gottwein et al., 2011），以及天坑的地貌和生态学分类（Schmitter-Soto et al., 2002）。该地区的第四纪演化受全球海平面波动强烈影响，产生了交替的陆地暴露和海水入侵期，伴随着反复的土壤形成和溶解作用（Ward, 1985; Blanchon et al., 2009; Salgado-Garrido et al., 2022）。因此，钙板岩、沼泽碳酸盐和岩化古土壤等沉积物可作为湿润、半湿润和半干旱条件之间环境转变的有价值档案（Alonso-Zarza and Silva, 2002; Valera-Fernández et al., 2022）。

在尤卡坦东部沿海和近岸环境以及科苏梅尔岛进行的研究记录了与同位素期（MIS）6、5e和5c相关的交替钙砂岩和土壤钙板岩沉积物。这些序列反映了由海平面波动驱动的沉积和土壤过程的循环相互作用（Valera-Fernández et al., 2020, Valera-Fernández et al., 2022）。钙板岩通常在海平面低位期和相对干燥的气候间隔期形成（Valera-Fernández et al., 2022），而沼泽和潟湖碳酸盐则在水位上升和地表积水相关的湿润条件下沉积（Valera-Fernández et al., 2020; Platt and Wright, 2019, Platt and Wright, 2023）。相比之下，尤卡坦中部喀斯特内陆溶洞的沉积序列尽管有可能保存陆相条件下由早期海侵—海退循环之后形成的长期地貌和古环境记录，但仍研究不足。

微形貌学、地球化学和稳定同位素方法证明了钙板岩和土壤特征在喀斯特系统第四纪古环境重建中的诊断价值（Goldstein et al., 1991; Miller, 2012; Adamson et al., 2017; Lipar et al., 2017; Valera-Fernández et al., 2022）。然而，尤卡坦中部平台溶洞序列的内部地层学和多重代用指标特征仍缺乏充分认识。这些洼地可能保存了钙板岩、岩化古土壤、沼泽碳酸盐和现代土壤的地层有序序列，记录了陆地暴露、土壤形成和积水时期。位于尤卡坦半岛中部的考阿溶洞，提供了一个研究这些过程及其古环境意义的合适环境。

碳酸盐相的稳定同位素分析（δ13C和δ18O）可以提供关于碳酸盐形成期间溶解碳来源、古植被和蒸发条件的信息（Cerling, 1984; Alonso-Zarza and Wright, 2010; Zamanian et al., 2016）。微形貌学特征有助于区分土壤碳酸盐和潜流碳酸盐，并重建成岩路径（Alonso-Zarza, 2003; Alonso-Zarza and Wright, 2010; Durand et al., 2018）。同样，土壤和古土壤的矿物学和微形貌学特征为评估风化强度和解释其在喀斯特景观中发育时的气候和水文条件提供了依据（Sedov et al., 2008; Silva et al., 2017; Mergelov et al., 2020; Valera-Fernández et al., 2020; Sedov et al., 2023）。

本研究旨在记录考阿溶洞的地层结构，这是一个罕见的内陆喀斯特序列，暴露了基岩和沉积充填物，并使用多重代用指标方法表征其微形貌学、矿物学和地球化学记录。本研究的主要优势在于将这种不寻常的露头与来自多种分析方法的互补证据相结合。通过整合野外观察、微形貌学、矿物学、地球化学数据和原生成与次生碳酸盐的稳定同位素分析，我们评估了钙板岩形成、古土壤发育、土壤沉积再改造和浅表喀斯特过程之间的关系。基于这些证据，我们提出了考阿溶洞的相对、基于过程的演化模型，并评估保存的序列是否与多成因发育一致。

因此，所提出的模型是一个受现有地貌和地层学证据约束的相对重建；尽管缺乏绝对年代测定阻止了对推断事件分配精确年龄和持续时间，但它们的相对序列是从叠加关系、地层接触关系、不连续性和岩性地层关系中建立的。

**章节摘要**

**区域背景**

尤卡坦半岛是一个构造稳定的碳酸盐平台，由从白垩纪到第四纪的沉积序列组成（Weidie, 1985; Ramos and Mann, 2023; 图1A）。在中部地区，新近纪岩层出露，景观为丘陵地带，海拔可达约220米。向海岸方向，地形过渡为低平、近乎平坦的沿海平原，向海方向缓缓倾斜（Bautista and Zinck, 2010）。海拔一般低于……

**野外工作和基于无人机的地形测量**

野外工作在考阿城郊一处溶洞的暴露壁进行（图2A），位于尤卡坦半岛中部（20°37′13.30″N, 88°24′34.68″W）。该溶洞发育于奇琴伊察组的碳酸盐基岩中（图2B）。采样旨在表征整个暴露的地层序列，并代表野外识别的每个岩性或土壤形成学不同的组成部分，从碳酸盐基岩到上覆的沼泽沉积物和……

**地层学和野外描述**

考阿溶洞序列暴露于切入奇琴伊察组碳酸盐基岩的垂直壁中（图2A, B）。它由一系列碳酸盐岩层组成，被土壤形成层和溶洞充填沉积物上覆并局部改造。暴露剖面的下部是一个黄色碳酸盐岩层，此处定为奇琴伊察组1，厚度约为4.8米。该岩层为块状且相对致密。向上，它过渡为一个……

**考阿溶洞的演化与古浅表喀斯特面的发育**

保存在考阿溶洞内的地层序列记录了尤卡坦半岛中部大陆古浅表喀斯特系统的多成因演化。不同岩层之间的地层关系总结在图6中，而溶洞演化的连续阶段则表示在图8所示的基于过程的模型中。该序列由奇琴伊察组的石灰岩岩层（中—晚始新世，约47.8–33.9 Ma）、一个区域不整合面……

**结论**

考阿溶洞保存了一个不寻常的内陆地层档案，包括暴露的奇琴伊察组、卡拉洛普埃托组底部的砾岩及其上覆沉积物、冰碛充填物、岩化古土壤和三个钙板岩层位。它们的地层关系支持对多成因溶洞的解释，该溶洞由溶解作用、海水淹没、沉积物积累与再改造、土壤形成和次生碳酸盐沉淀作用塑造。

**三个钙板岩层位**

**CRediT作者贡献声明**

Valera-Fernández Daisy：撰写——原稿、调查、正式分析、概念化。López-Martínez Rafael：资源、调查、正式分析、概念化。Bogdan P. Onac：验证、监督。Solleiro-Rebolledo Elizabeth：调查、数据管理、概念化。Estrada-Medina Héctor：调查、概念化。Pi-Puig Teresa：方法论、正式分析。Sosa-Rodríguez Erick：资源、方法论。Vilchis Kayú：软件、资源、

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

PAPIIT项目IA104225和IN107626资助了这项工作。BPO得到了南佛罗里达大学喀斯特研究组内部拨款的支持。我们感谢Michel Vázquez在野外工作和样品采集期间的支持。我们还感谢Jaime Díaz Ortega在薄片制备方面提供的支持。我们感谢Zaida Martínez Casas在制图方面提供的支持。我们感谢LANGEM稳定同位素实验室的Edith Cienfuegos-Alvarado和Francisco Otero……

**作者名单**

Valera-Fernández Daisy | López-Martínez Rafael | Bogdan P. Onac | Solleiro-Rebolledo Elizabeth | Estrada-Medina Héctor | Pi-Puig Teresa | Sosa-Rodríguez Erick | Vilchis Kayú | Torres-Rodríguez Esperanza | Olea-Olea Selene | Schiavo Benedetto | Barragán-Manzo Ricardo