华北平原中部晚上新世以来沉积物碳氧同位素特征及其古环境意义

毕志伟，杨振京，赵 华，刘海坤，刘林敬，杨庆华，赵红梅，王 凡

（1.石家庄经济学院，河北石家庄 050031；2.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北正定 050803；3.河北地质职工大学，河北石家庄 050081）

华北平原中部晚上新世以来沉积物碳氧同位素特征及其古环境意义

毕志伟1，2，杨振京2＊，赵 华2，刘海坤2，刘林敬2，杨庆华2，赵红梅2，王 凡3

（1.石家庄经济学院，河北石家庄 050031；2.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北正定 050803；3.河北地质职工大学，河北石家庄 050081）

利用华北平原中部衡水水文地质科研深孔的岩芯，对平原区古土壤钙结核层碳氧同位素组分的古气候环境意义及相关气候指标的定量转换进行探讨，发现碳氧同位素对古气候变化具有较好的响应关系：3.5MaB.P.以来华北平原古气候逐渐由湿润转向干旱，早更新世由多个干湿冷暖旋回组成，晚期气候由暖迅速转凉；中更新世气候略温和，由3个冷干－暖湿旋回组成；晚更新世气候变化趋势为湿润－干燥－湿润，总体上呈现增温趋势。进入全新世后，δ13C平均值（－5）较低，属于相对湿润期；δ18O平均值（－9.5）较低，属于相对寒冷期。应用相关公式可以定量恢复古温度变化，但平原区古土壤层受后期地下水作用的影响较大，如何消除这一影响还需更多数据支持。

碳氧同位素；古环境；古土壤层；晚上新世；华北平原

20世纪80年代初期，Cerling发现土壤碳酸盐中δ18O与当地大气降水中δ18O存在良好的线性关系［1］；Zheng等研究了我国洛川黄土剖面古土壤钙结核及其碳氧同位素组分后，确立了用土壤碳酸盐δ13CO计算地表植被中C3和C4植物相对生物量贡献方程式［2］。此后，国内外学者进行了碳氧同位素与古气候、古生态环境指标的量化反演［3－12］，尤其是在我国黄土高原地区，碳氧同位素的古气候量化指标研究显现出良好的前景。但已有研究主要集中在环境和生态变化纪录保存较少的半干旱、干旱地区，沉积物类型以风积相和湖相为主。本文拟利用衡水水文地质科研深孔的岩芯和层序地层、年代地层研究成果，对华北平原中部晚上新世以来冲洪积相、河流相沉积物的碳氧同位素记录进行分析，探讨其古气候环境意义及相关气候指标的定量转换问题。

1 碳氧同位素特征及其古环境意义

1.1 钻孔简介

衡水水文地质科研深孔位于衡水市护驾池乡（东经115°30′～116°00′，北纬37°30′～38°00′），是首次在华北平原中部山前冲洪积扇前缘与泛滥平原交汇地带进行的深达600m的高精度综合科学钻探，为研究华北平原古气候变化提供了丰富的样品资源。依据钻孔岩芯地层的颜色、岩性、岩相、结构构造、沉积韵律特征以及层间接触关系，共划分出5个岩组、178个岩性层。古地磁测试显示钻孔共有3个极性时：布容正向极性时（B）底界出现在112.00m处，其界线年龄为0.78Ma；松山反向极性时（M）和高斯正向极性时（G）的界线出现在324.91m处，界线年龄为2.58Ma。由古地磁结果推定，该套地层所揭示的年龄大约为3.50Ma。

1.2 碳氧同位素特征揭示的古气候

上新世以来沉积物中含有的30余个钙结核夹层多数为成壤过程中形成的钙结核，在地层剖面中可明显地分辨出壤化—淋滤—淀积—母质层的古土壤结构层序，钙结核主要发育于淀积层处。根据岩性，选取钙结核较发育层位的149件样品进行测试分析，并结合测年、孢粉等数据，对碳氧同位素曲线进行分析。测试结果（图1）显示，碳同位素总体上呈现增高的趋势，与其他测试数据及地层对比，发现碳同位素曲线所反映的气候变化与孢粉资料尤其是旱生草本植被类型较为接近。现有研究表明，土壤碳酸盐的δ18O值与当地大气降水的δ18O值具有良好的线性关系，而大气降水δ18O值与年均温呈正相关。所以，土壤或古土壤碳酸盐δ18O值是气温的标志，较高的δ18O值表明碳酸盐形成时气候较为温和，较低的δ18O值则表明气候较为寒冷［3－7］。

结合孢粉、粒度等数据分析可知，华北平原中部地区3.5MaB.P.以来存在一系列明显的气候波动：1）3.5MaB.P.以来衡水地区古气候逐渐由湿润向干旱方向发展，δ13C值总体上在－8左右，反映了较为湿润的气候，粒度分析显示该时期沉积环境以河流相为主，水动力条件较强；孢粉数据显示3.11Ma之后气候转凉，以干为主；δ18O值总体上在－10左右，下部数据变化范围很大，无法反映沉积时的气候条件。2）早更新世早期，δ13C平均值－4.85，由2个干湿旋回组成，气候较上新世冷，其中有短暂的暖期；δ18O平均值－8.77，由3个冷暖旋回组成。早更新世中期（约2.1～1.95MaB.P.）δ13C平均值－4左右，总体上由多个干湿旋回组成；而δ18O平均值－8.43，总体上由多个冷暖旋回组成，在230m处出现了－11.2的极低值。早更新世晚期（1.91～0.78 MaB.P.）δ18O值由－5突降至－10，反映了一次快速的降温过程。3）中更新世（0.78～0.15MaB.P.）气候略温和些，δ13C平均值－4.2左右，中晚期有2个峰值，分别为－1.8和3，气候略干燥些；δ18O值早期－9.5左右，中期有2个峰值，分别为－4和－6，晚期为变冷的过程，平均值－8.2。4）晚更新世（0.15～0.01MaB.P.），δ13C平均值为－2.7，先增后减，气候为湿润－干燥－湿润；δ18O值从－9.2逐渐升至－6.4，平均为－7.73，反映了一个增温的过程。5）进入全新世后，δ13C平均值（－5）较低，属于相对湿润期，δ18O平均值（－9.5）更低，属于相对寒冷期，与孢粉数据得出的结论相同。

图1 衡水钻孔碳氧同位素及恢复古温度曲线Fig.1 The carbon and oxygen isotopic curve and paleotemperature curve of Hengshui drilling

在测定各层古土壤中钙结核的碳同位素值后，通过转化得到计算C4植物相对生物量的公式［2］：

式中：Mc4代表C4植物的相对生物量，δ13Ccarb代表土壤碳酸盐的碳同位素值。

将δ13C值代入上式，得到钻孔中C4植物相对生物量在第四纪时期占50%左右，晚上新世约占30%。由此说明华北平原整体上气候变干燥。

2 定量恢复古温度探讨

钙结核是土壤中的重碳酸盐重新结晶形成次生碳酸盐后，在剖面的一定深度相对富集而成。一般认为致密坚硬的钙结核在形成之后处于一个封闭的系统，没有进一步的同位素交换。顾兆炎认为，黄土和古土壤中次生碳酸盐占90%以上，而且随碳酸盐总含量的降低而增加，古土壤中几乎不含原生的碳酸盐，因此在黄土或古土壤中碳酸盐同位素组成基本代表了次生碳酸盐的同位素组成［8］。韩家懋对渭南黄土剖面上部大部分全岩样品的同位素测定结果表明，原生碳酸盐的影响也不明显。基于以上情况，根据本文测试结果，应用Cerling的公式［9］以及韩家懋中国北方地区大气降水的δ18O值与当地地表年均温的线性关系，计算出衡水地区年均温。即：

式中：δ18O H2O和δ18OCaCO3分别是大气降水和土壤碳酸盐的氧同位素组分，δ18O H2O以SMOW为标准表示，δ18OCaCO3以PDB为标准表示。

第三纪样品计算得出的温度高者达61.45℃，低者达－15.26℃，相差近80℃，其原因可能是埋深较深，沉积时间也较长，受地下水长期淋滤，使得同位素组成发生改变，故重点对第四纪数据进行分析。

全新世年均温为8.15℃，比现代的8～15℃偏低，与孢粉数据得出的结论相同。晚更新世年均温从9.07℃升至17.7℃，平均为13.59℃，反映了一个增温过程。中更新世早期温度较低，年均温一般小于10℃，中期有2个温度峰值（24.79℃、17.7℃），晚期为变冷的过程。早更新世分3个时期：晚期年均温由21.5℃左右突降至6℃；中期年均温11.35℃，由多个冷暖旋回组成，在230m处出现2.91℃的极低值；早期年均温10.41℃，由3个冷暖旋回组成。

平原区古土壤层相对于黄土地区成土过程更复杂，成土埋藏后受后期地下水作用的影响也很大。从计算分析过程可以看出，面对具有复杂演化过程的平原区古土壤，采用δ13C、δ18O的平均值只能部分反映气候变化，而应用由黄土地区数据得出的换算公式进行计算时，也存在部分数据自相矛盾的问题。这不但对样品的采集要求较高，更要深入研究地下水对碳氧同位素分馏产生的影响，只有消除了这些后期因素，建立适合平原区古土壤的古温度、古降水量换算公式或者对已有公式参数进行必要调整，才能恢复高分辨率的古气候变化。

3 结论

碳氧同位素与古气候指标具有较好的响应关系。3.5MaB.P.以来华北平原古气候逐渐由湿润向干旱方向发展，早更新世由多个干湿冷暖旋回组成，晚期气候由暖迅速转凉；中更新世气候大体上略温和些，由3个冷干－暖湿旋回组成；晚更新世气候为湿润－干燥－湿润，总体上呈现增温趋势；进入全新世以后，气候相对湿润寒冷。钻孔320m以下，尤其是400m以下，氧同位素波动剧烈，初步分析认为地下水淋滤作用对氧同位素分馏具有较大影响，如何减小、消除这些影响，还需要在次生碳酸盐矿物的地球化学、晶体特征规律等方面进行深入研究。

碳氧同位素记录是气候指标的直接反映，是揭示古水文特征和土壤形成演化的重要手段，利用土壤次生碳酸盐碳氧同位素组成特征能够反映植被区系的空间演替规律［11］。相比之下，海相和冰芯沉积物等古环境记录材料不能指示大陆地区古植物区系与古气候，风成相和湖泊沉积物的孢粉分析反映的是季风区和流域内不同地貌和海拔地区植被的总体演化特征，难以确定植被区系或生态过渡带变迁的具体位置［13］。随着对土壤碳酸盐结核形成机制的深入研究以及测试分析手段的提高，土壤碳酸盐碳氧同位素的优势会更加明显。

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Carbon and Oxygen Isotopic Characteristics of Sediments and Their Paleoenvironmental Significance on the Central North China Plain since Pliocene

BI Zhi－wei1，2，YANG Zhen－jing2，ZHAO Hua2，LIU Hai－kun2，LIU Lin－jing2，YANG Qing－hua2，ZHAO Hong－mei2，WANG Fan3
（1.Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang 050031；2.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，CAGS，Zhengding 050803；3.Hebei Vocational College of Geology，Shijiazhuang 050081，China）

By using the core of the hydrogeological research hole in Hengshui on the central North China Plain，this paper discussed the climatic and environmental significance of carbon and oxygen isotope in the calcareous concretion layer and their quantitative conversion among the related climatic indexes.The carbon and oxygen isotopes has better response to ancient climate change had been found：1）For the North China Plain，since 3.5MaB.P.，the ancient climate gradually changed into arid from humid；in early Pleistocene，there were many cycles of wet-dry and cooling-heating；and in later Pleistocene，the climate rapidly changed into cool from warm；2）In middle Pleistocene，the climate was milder，and there were three cycles of cold-dry and warm-wet；3）Late Pleistocene，the climate change trend was moist-dry-moist，the overall trend appeared rising temperatures.Since the Holocene，the lower average value ofδ13C andδ18O reflected a relatively moist-cold period.The paleo-temperature change can be quantitatively recovered by using correlation formula.But it was great that the late groundwater influenced on the paleosoil layer after being soiled and covered at plain area，how to eliminate this influence still requires more data to support.

carbon and oxygen isotopes；paleoenvironment；paleosoil；Late Pliocene；North China Plain

P531

A

1672－0504（2012）03－0093－03

2011－11－13；

2012－01－18

国家自然科学

（40972212）；中国地质科学院水文地质环境地质研究所基本科研业务费项目（SK200806、SK201001）

毕志伟（1981－），男，助理研究员，主要从事第四纪地质与环境研究。＊通讯作者E－mail：yzhenjing＠yahoo.com.cn