基于粘土矿物氢、氧同位素的早始新世大陆古温度和古降水的重建

The global greenhouse effect during the early Eocene has been paid increasing attention because the mechanism of this global environment issue is similar to that the humans are facing due to increased concentrations of greenhouse gas such as CO2, CH4, N2O etc. However, a series of hyperthermal events during the early Eocene has been rarely documented in the continent, compared to oceans and coast areas. In this study, traditionally geological description and modernly experimental techniques and testing instruments are employed to deeply and systematically characterize the types of paleosols, morphology, composition, proportion, crystallinity, fine structure of clay mineral in sediments and paleosols, ratio of goethite and hematite, chemical index of vertisol, species determination and hydrogen and oxygen isotopic compositions of smectite, carbon and oxygen isotopic compositions of carbonate nodules. This is to ascertain the response of clay sedimentary process to the greenhouse effect and qualitatively and quantitatively reconstruct the paleotemperature and paleoprecipitation during the early Eocene in the Qaidam Basin. This study will provide a vital scientific value for understanding the impact of global greenhouse climate on the continental and the influence of the Qinghai-Tibetan Plateau (QTP) uplift on the QTP climate.

早始新世时期的全球温室效应因其与人类正面临的由于CO2及其它温室气体(CH4、N2O等)浓度的增加而导致的全球环境问题在形成机制上具有相似性正越来越受到关注。然而，相比海洋及滨海地区，目前针对早始新世一系列温室气候事件对大陆气候影响的研究比较匮乏。本研究采用传统野外地质描述和现代化实验技术和测试手段，对柴达木盆地古土壤类型和野外特征，沉积物和古土壤中粘土矿物形貌、成分、含量、结晶度、精细结构，针铁矿/赤铁矿比值，古土壤转变土化学风化指数，蒙脱石的具体种属厘定及氢、氧同位素组成，微晶碳酸盐碳、氧同位素组成等特征进行深入系统的分析，以查明柴达木地区粘土矿物的沉积学过程对早始新世的温室效应的响应以及定性和定量重建柴达木地区早始新世时期古温度和古降水。这项研究对了解全球温室气候对大陆造成的影响以及青藏高原隆升对高原气候的影响具有重要的科学价值。

早始新世时期的全球温室效应因其与人类正面临的由于CO2及其它温室气体(CH4、N2O等)浓度的增加而导致的全球环境问题在形成机制上具有相似性正越来越受到关注。然而，相比海洋及滨海地区，目前针对早始新世一系列温室气候事件对大陆气候影响的研究比较匮乏。本研究针对柴达木盆地早始新世的古土壤-沉积物开展了三个主要方面的研究：1）对柴达木盆地早始新世的古土壤-沉积物中粘土矿物的形貌、成分和含量，针铁矿/赤铁矿比值的分析研究认为在EECO期间，粘土矿物蒙脱石的升高，而其他粘土矿物相对减少。进一步的对野外成土作用发育和扫描电镜研究发现，自生形成的蒙脱石是导致EECO期的蒙脱石升高的主要原因，指示了在EECO期间柴达木盆地为季节性干旱的气候特征。同时，高分辨率的古土壤针铁矿/赤铁矿比值揭示出早始新世大暖期时经历了早期古降雨量偏高-中期时古降雨量稍低-晚期时古降雨量再次增加3个阶段的古气候变化。2）针对在成土作用过程中自生形成的碳酸盐瘤和B层古土壤分别进行了碳、氧同位素和Delta-47以及主量元素的测试分析。利用碳酸盐瘤的Delta-47研究精确的确定该时期夏季平均古温度为33摄氏度。同时，利用成土过程中形成的厚层（>1m）的B层土壤的主量元素分析结果，采用CALMAG和CIA-K的方法分别估计了柴达木盆地早始新世时期的古降水。两种方法计算出的结果指示该地区降水在750-1200mm之间。3）对比分析了早始新世Bighorn盆地古土壤的粘土矿物、沉积物形貌和结构、粒度分析和土壤成土作用级别分析。结果表明，Bighorn盆地粘土矿物的分布受粒度大小和成土作用影响明显。碎屑蒙脱石含量随粒度的变小而减少，而自生蒙脱石含量在细粒沉积物中富集。成土作用促进了自生蒙脱石的形成，但影响有限。在ETM2和H2湿热事件期间，成土作用造成的蒙脱石增加与湿热事件以外相似。而ETM2和H2湿热事件期间实际蒙脱石的增量大于成土作用蒙脱石的增量。考虑到沉积速率和物源在湿热事件期间和之外是一致的，这指示了气候事件可能导致了碎屑蒙脱石的增加。季节性气候造成的河岸和上游土壤固结程度下降可能导致了近缘区的剥蚀和早期土壤的再循环，从而使得蒙脱石在ETM2和H2湿热事件期间增加。同时，ETM2和H2湿热事件期间较小的粘土矿物化学风化蚀变不支持短期硅酸盐风化是导致大气中CO2消耗的主要机制。