晚二叠世中国南方西湖北部凹陷地区的轨道尺度古气候与古海洋学演化

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Orbital-scale palaeoclimate and palaeoceanographic evolution in the late Permian Western Hubei Trough, South China

本文通过西湖北坳晚二叠世至早三叠世页岩的自然伽马射线记录，建立高精度天文时间尺，揭示长周期偏心率（405万年）对气候、盐度及还原条件的影响，划分出三个沉积环境演化阶段，为冰期-温室过渡机制研究提供新证据。

　　
该研究聚焦于我国南 China Block 西部鄂西坳陷晚二叠世至早三叠世页岩沉积序列，通过综合天文学定年、地球化学指标和沉积学分析，揭示了冰期向温室气候过渡期中气候-海洋-沉积系统的耦合机制。研究团队以鄂西坳陷EX1井98个岩心样本为研究对象，结合区域7个剖面/井点的辅助数据，建立了5.3百万年尺度的天文时间框架，将页岩沉积精确约束在257.3±0.1至252.0±0.1百万年前，为研究晚二叠世地球系统演化提供了关键年代学基准。

研究采用自然伽马能谱（GR）记录作为核心地质信号，通过旋回地层学方法识别出与长周期偏心运动（405万年）匹配的沉积旋回。这种定年方法突破了传统生物地层学的分辨率限制，成功将地质记录与天文周期建立定量联系。值得关注的是，研究团队创新性地将沉积噪声模型引入古环境重建，有效分离了构造活动与气候变化的复合影响。

在古气候重建方面，通过δ1?O同位素比值与化学指数（CIA）的耦合分析，揭示了温室气候条件下轨道强迫的独特响应模式。研究证实晚二叠世气候系统存在明显的轨道调谐特征，其温度波动与偏心运动通过水循环系统产生放大效应。特别是当长周期偏心率达到极大值时，夏季辐射增强导致蒸发量增加，形成更强的降水和径流，进而影响沉积物的有机质富集程度。

古盐度重建采用多指标综合分析法：B/Ga比值与Sr/Ba比值联合指示水体开放程度，结合S/TOC比值和 CIA指数揭示陆源输入与化学 weathering的相互作用。研究显示，在偏心运动极大期，鄂西坳陷呈现高盐度特征（B/Ga＞0.5，Sr/Ba＞0.8），这可能与赤道区域盐度分异增强有关；而在偏心运动极小期，盐度显著降低（B/Ga＜0.3，Sr/Ba＜0.6），反映陆源物质输入增加和河流径流增强的耦合效应。

关于古海洋氧化还原状态，研究团队建立了包含Mo/TOC、U/Th比值、Fe3?/Fe2?比值的综合指标体系。数据显示，长周期偏心运动的极大值对应低Mo/TOC（＜0.2）、高U/Th（＞0.3）和富集态黄铁矿（Fe3?/Fe2?＞1.5），指示水体处于强缺氧状态；而偏心运动极小期则表现为高Mo/TOC（＞0.35）、低U/Th（＜0.25）和δ1?O负偏移，反映水体循环增强和缺氧域面积扩大。这种周期性变化揭示了温室气候下海洋动力学的独特响应机制。

古水文重建通过有机质丰度（TOC＞5%）与元素比值（V/Cr＞2.5，Ni/Co＞0.8）的关联分析，揭示了水循环系统的轨道调谐特征。研究证实，长周期偏心运动通过影响大陆冰盖的消长和季风系统的强度，间接控制着海平面变化。当偏心运动达到极大值时，夏季辐射增强导致冰盖消融加速，配合降水量的周期性波动，形成海平面快速上升（年均上升约1.2米）；而在偏心运动极小期，冰盖扩张和干旱化加剧导致海平面显著下降（年均降幅约0.8米）。这种百万年级别的海平面波动与天文强迫的精确耦合，为理解温室气候下的海陆水循环机制提供了全新证据。

在环境演化阶段划分方面，研究提出了三阶段模型：晚二叠世早期高程期（257.3-254.5 Ma）表现为强还原环境（Mo/TOC＞0.3，Fe3?/Fe2?＜0.8），与赤道区域暖湿气候和开阔海洋环境相吻合； latest Wuchiapingian相对下降期（254.5-252.8 Ma）出现氧化还原界面下移（Mo/TOC降至0.2以下），反映季风强度减弱和陆源输入增加；而 Changhsingian低程期（252.8-252.0 Ma）则发育局限缺氧环境（U/Th＞0.35，δ1?O＞-2.5‰），对应气候向干旱化转变和沉积盆地构造活动增强。

该研究在多个方面取得突破性进展：首先，建立了我国首个基于GR记录的405万年长周期偏心运动天文时间尺度，其精度达到±0.1 Myr，为华南地区晚二叠世地层划分提供了新标准。其次，通过整合气候、盐度、氧化还原状态等多维度指标，揭示了温室气候下轨道强迫对水循环系统的调控机制，特别是冰盖-季风-海平面三重耦合模型的应用。再者，创新性地提出"沉积噪声分离模型"，有效区分了构造活动与气候变化的复合影响，为沉积盆地环境重建提供了方法论革新。

在应用价值方面，研究成果对现代油气勘探具有重要指导意义。鄂西坳陷晚二叠世页岩储层发育的周期性特征（如有机质富集层位与天文周期匹配），揭示了温室气候条件下有机质沉积的驱动机制。研究发现的氧化还原状态与偏心运动的相位关系，为预测页岩气发育区位的古气候约束提供了新思路。此外，建立的百万年级别海平面变化模型，可迁移应用于其他温室气候期的沉积序列分析，对完善晚中生代海平面变化理论具有重要参考价值。

未来研究可沿着以下方向深化：1）拓展区域样本覆盖范围，验证天文时间尺度的普适性；2）加强同位素地球化学定年精度，建立更高分辨率的气候-海洋耦合模型；3）开展多学科联合攻关，将岩石圈构造活动纳入轨道气候强迫的分析框架。该研究为理解晚古生代全球变化机制提供了关键证据链，对完善地球系统科学理论体系具有重要学术价值。