南达科他州白河群湖相石灰岩：北美中大陆始新世—渐新世过渡期古环境变化的档案

《Sedimentary Geology》：Lacustrine limestones from the White River Group of South Dakota as an archive of paleoenvironmental change in the midcontinent of North America during the Eocene-Oligocene transition

　　

南达科他州白河群（White River Group）的湖相石灰岩提供了古环境变化的档案。白河群的湖相石灰岩保存了古环境变化的信息。湖泊是由地表水和地下水共同补给所形成的动态生态系统。稳定氧同位素组成与随时间推移发生的降温和干旱化加剧相一致。稳定碳同位素指示了湖泊生物地球化学过程对气候变化的响应。沉积学特征和元素地球化学组成可能还反映了同时期的景观演化。

**研究背景与科学问题**
始新世—渐新世过渡（Eocene-Oligocene Transition, EOT）发生于约33.9 Ma，是地球气候由温室转向冰室状态的关键全球性变冷事件。海洋底栖有孔虫的δ¹⁸O和Mg/Ca记录显示全球平均降温约2.5℃，但陆相记录显示降温幅度与速率存在显著空间差异。广泛分布于北美大平原的白河群（White River Group）沉积岩被认为是全球最完整的陆相EOT记录之一，然而，基于古土壤、化石牙釉质和渗流带碳酸盐等不同代用指标的研究结果存在明显矛盾：一部分研究认为年均温变化不大而干旱化加剧，另一部分则指示降温可达8℃且干旱化变化不明显。与此同时，白河群中作为次要组分的湖相石灰岩长期未受到充分关注，仅对Brule组Scenic段开展过沉积学研究，而其下伏Chadron组Crazy Johnson段和上覆Poleslide段的湖相石灰岩几乎没有详细的地球化学数据。这种认识上的缺失限制了对北美中大陆在EOT期间陆地生态系统与气候协同演化的理解。因此，本研究旨在通过沉积学与地球化学相结合的手段，系统研究南达科他州西部白河群湖相石灰岩的成因、沉积环境及其时空变化，评估其作为EOT古环境变化档案的潜力。

**研究方法概述**
研究人员从南达科他州西部8个地点（Wind Cave、French Creek、Railroad Buttes、Hart Table、Dillon Pass、Bloom Basin、Big Foot、Windows and Doors）采集样品，这些地点跨越EOT，涵盖Crazy Johnson段、Scenic段、Poleslide段及层位未知的Wind Cave剖面。野外工作中测量了各地点含石灰岩的地层剖面并系统采集样品。室内研究采用岩相学薄片鉴定微相和成岩特征；用X射线衍射（XRD）分析矿物组成；用醋酸溶解法提取碳酸盐组分后，用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析元素组成；用Gasbench-IRMS测定δ¹³C和δ¹⁸O；并通过ANOVA、Tukey HSD检验和主成分分析（PCA）进行统计评价。

**研究结果**
**4.1 剖面描述**
通过野外测量和地层对比，发现石灰岩主要以薄层透镜体形式与泥岩互层产出。Crazy Johnson段石灰岩仅见于Hart Table，呈<50 cm厚的薄层；Scenic段石灰岩分布最广，在5个地点均有出露，局部厚度可达2 m并构成山丘顶盖；Poleslide段仅见于Windows and Doors，为<35 cm的薄层；Wind Cave地点石灰岩最厚可达4.5 m，但层位无法确定。

**4.2 岩相学分析**
在偏光显微镜下识别出5种微相：泥岩内碎屑粒泥岩（mudstone intraclast wackestone）、微晶化石粒泥岩（micritic fossiliferous wackestone）、纹层化石粒泥岩（laminated fossiliferous wackestone）、微生物席粒泥岩（microbial mat wackestone）和核形石粒泥岩（oncolitic packstone）。其中泥岩内碎屑粒泥岩被解释为地下水泉华（tufa）沉积，其余微相代表湖泊体系中不同水深和能量条件的沉积环境。成岩作用总体较弱，大部分样品属于I类和II类成岩阶段，主要成岩现象为方解石胶结物充填孔隙、文石质化石的溶解与交代以及硅化。

**4.3 矿物学和地球化学分析**
XRD分析表明方解石为绝对主导矿物（53.8–98.5 wt%），同时含有石英、钠长石、微斜长石等碎屑矿物。元素地球化学分析显示，各地点样品在PCA空间中按地理位置聚类，且Scenic段各地点之间存在自西向东的元素组成梯度。Mg/Ca比值随时间显著降低，从Crazy Johnson段的平均13.3降至Scenic段的9.4，再到Poleslide段的7.6，ANOVA检验显示Crazy Johnson段与Poleslide段之间存在显著差异。δ¹⁸O值随时间显著升高，从Crazy Johnson段的平均?7.9‰增至Poleslide段的?5.7‰，且按成岩分类、硅化程度和微相分组均无显著差异，说明该趋势不是成岩作用造成的。δ¹³C值在Scenic段（平均?6.5‰）与Poleslide段（平均?7.9‰）之间存在显著差异。

**讨论与结论**
在沉积环境解释方面，先前研究认为Scenic段湖泊完全由地下水补给，但本研究发现的丰富碎屑硅酸盐矿物、泉水沉积极其与湖相石灰岩之间存在泥岩间隔、以及部分地点δ¹⁸O与δ¹³C之间缺乏协变关系，均表明这些湖泊实际上由地表水和地下水混合补给，并且至少间歇性地处于水文开放状态。在古气候意义方面，δ¹⁸O从Eocene到Oligocene的2.2‰正漂移，若假定湖水δ¹⁸O不变，可换算为约10.5℃的降温，但该变化也可能由干旱化加剧导致的蒸发浓缩所贡献，因而与先前提出的降温或干旱化两种模式均吻合。元素地球化学显示的空间趋势则指示源水化学的演化，可能与Black Hills隆升和去顶作用引起的景观演变有关。最终结论是：白河群湖相石灰岩虽然在地层记录中体量较小，但它们是跨越EOT的动态湖泊生态系统记录，其稳定同位素和元素组成有可能记录区域古环境变化，但解译这些信号时需要区分区域气候信号与局地水文过程的影响。未来需结合团簇同位素测温并扩大Crazy Johnson段和Poleslide段的样本量，以更完整地提取这些沉积物所保存的古环境信息。