宜宾地区高阶地沉积物中孢粉和黏土矿物特征及其环境意义

台梓含,向 芳,朱宏博,李 磊

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

近年来，随着陆地第四纪气候研究的全面发展，沉积物中的孢粉和黏土矿物逐渐成为当前研究全球气候变化的重要手段，而四川地区第四纪环境演变一直是全球气候变化研究者所关注的重点。目前，众多学者通过各种沉积记录如河流沉积、湖泊沉积、黄土沉积等，借助动植物化石、黏土矿物、沉积物磁化率等多种手段和方法，对四川地区第四纪气候环境进行了深入的研究[1-16]。但前人研究区域多集中于川西高原(青藏高原东缘)甘孜、叠溪及漳腊等地区，且时间多为晚更新世-全新世[1-11]，对于四川盆地内部的第四纪古气候研究较少，仅见王正新等[12]和刘会平[13]借助象化石和孢粉对四川盆地气候进行了大区域的探讨，赵璐璐等[14]、邓丽[15]、李代钧[16]借助孢粉和黏土矿物对成都平原和名山地区气候做了分析，而对于四川盆地南部的宜宾地区及其邻区第四纪古气候的研究还处于空白。本文以宜宾地区岷江和长江高阶地沉积物中孢粉和黏土矿物为主要研究对象，对该区中更新世的古气候特征进行讨论，从而为丰富四川盆地第四纪古气候特征的认识提供证据。

1 研究区概况及样品采集

宜宾地区属四川盆地南部，位于岷江、金沙江交汇进入长江的地带，地势西南高而东北低，气候类型为亚热带湿润季风气候。该地区属亚热带常绿阔叶林区，有较丰富的植物种类和多样的植被类型。本文研究所涉及的5个采样点位于宜宾地区岷江和长江高阶河流阶地上，采样点位置及剖面特征如图1和图2所示。

009剖面：位于宜宾市幺店子乡，海拔高度为330.06 m，为岷江第Ⅳ级阶地，可见剖面厚度7～8 m，含砾层厚3 m，砾石层中为棕黄-棕红色粉砂和泥质填隙，粉砂中虫孔发育。砾石的体积分数为30%～40%，呈磨圆状，可见叠瓦状构造，以石英质砾石为主，少见风化砾石。剖面往上砾石含量与砾径均减小，最上部为棕黄色粉砂和黏土。在上部棕黄色黏土中采集孢粉和黏土样品009-b和009-n，在粉砂中采集年龄测试样品009-ESR。

010剖面：位于宜宾市大明小学附近，海拔高度为360.03 m，为岷江第Ⅳ级阶地，可见剖面厚度0.6 m。砾石的体积分数为70%～80%，呈磨圆状，可见叠瓦状构造，以石英质砾石为主，少见风化砾石，砾石层中为棕黄色粉砂和泥质填隙。在泥质填隙物中采集孢粉和黏土样品010-b和010-n，在粉砂中采集年龄测试样品010-ESR。

012剖面：位于宜宾市高场镇，海拔高度为369.16 m，为岷江第Ⅴ级阶地，可见剖面厚度7 m左右。砾石层中为棕黄-棕红色粉砂和泥质填隙，粉砂中虫孔发育；砾石的体积分数为40%～50%，呈磨圆状，风化砾石较多；剖面往上砾石含量与砾径均减小，最上部为棕黄-棕红色粉砂质黏土。在上部粉砂质黏土中采集孢粉和黏土样品012-b和012-n，在粉砂中采集年龄测试样品012-ESR。

019剖面：位于宜宾市石笋村，海拔高度为366.41 m，为长江第Ⅴ级阶地，剖面出露厚度1～1.5 m，不见上部细粒沉积，为棕红色粉砂和泥质填隙的砾石层，粉砂中虫孔发育。砾石的体积分数为60%～75%，呈磨圆状，局部可见叠瓦状，以成分稳定的砾石居多，少见风化砾石。在泥质填隙物中采集孢粉和黏土样品019-b和019-n，在粉砂中采集年龄测试样品019-ESR。

024剖面：位于宜宾市北江村，海拔高度为388.13 m，为岷江第Ⅴ级阶地，剖面出露厚度2 m，不见基岩。由橙黄色粉砂质泥和砾石构成，砾石的体积分数为70%，稳定成分居多，偶见灰白色长石砂岩形成的风化砾石，产状明显可见两组，偶见竖直砾石。在砾石填隙物中采集孢粉和黏土样品024-b和024-n，年龄测试样品024-ESR。

根据阶地的相对位置、海拔高度、沉积物的颜色及风化特征，结合前人对相关地区的阶地研究资料[17-18]，通过综合分析认为，宜宾地区岷江和长江主要发育5级河流阶地，012、024剖面应属岷江Ⅴ级阶地，019剖面应属长江Ⅴ级阶地，009、010剖面应属岷江Ⅳ级阶地。

2 阶地年代的确定

5件年龄测试样品委托中国原子能科学研究院通过ESR方法进行年龄测试，仅得出长江Ⅴ级阶地019-ESR样品的年龄(表1)。

表1 相关阶地的地质年龄Table 1 Geological ages of related terraces

对比向芳等[19]在长江三峡段测得的阶地沉积物年龄及其对前人数据综合的结果(表1)可以发现，长江三峡地区主要发育5级河流阶地，其中Ⅴ级阶地的年龄为0.73～0.70 Ma，与本文019样品ESR测定的(0.773 4±0.093 1) Ma较为接近。鉴于三峡地区与本文研究区同属稳定的扬子板块构造单元，地理位置较为接近，且都只发现了5级阶地，在阶地的级数上具有一致性，因此认为研究区内的长江及岷江与长江三峡段的阶地具有相近的形成时间。根据向芳等[19]阶地年代数据，将本文5个采样点所属阶地年龄最终确定为：岷江、长江Ⅴ级阶地年龄为0.73～0.70 Ma，岷江Ⅳ级阶地年龄为0.50～0.30 Ma。

3 孢粉样品采集处理与数据分析

孢粉作为一种比较稳定的古气候重建代用指标已被广泛应用于古气候、古环境重建研究中。孢粉作为气候代用指标的优势体现在：①孢粉产量大，被保存下来的可能性高，为研究提供方便；②孢粉外壁含有孢粉素，具有耐酸、耐碱、耐氧化的性质，因此在地层中易于保存；③孢粉体积小，易于搬运，分布范围广泛，在地质时期的陆相、海相沉积物中都可以找到孢粉化石，这为对比研究海陆相地层开辟了途径；④孢粉运用数理统计的分析方法，不但能确定植物群的成分，也会获得大量的资料，可以精确地分析和解释植物群的性质[20]。

3.1 孢粉样品的处理和鉴定

本文作者于宜宾市柏溪镇、高场镇、李庄、宋家镇、蕨溪镇等地，选择人为活动较少地区的Ⅰ至Ⅴ级河流阶地，清除剖面表面覆盖层，在内部保存较好的新鲜黏土沉积物中采集了20件孢粉样品，委托中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室进行处理和鉴定。依据石油行业SY/T 5915-2000分析标准进行定量分析处理，采用常规酸碱法及重液浮选法富集孢粉化石，对孢粉的统计、鉴定工作在Olympus BX50生物显微镜下完成。送检的20件孢粉样品中，仅3件样品中(009-b、019-b、024-b)见有孢粉化石(表2)，孢粉特征见图3。

表2 样品含孢粉化石情况一览表Table 2 List of sporopollen fossils in samples

3.2 孢粉样品的特征

根据3件样品鉴定出的孢粉数据，运用Tilia软件进行了孢粉图绘制(图4)。

基于3件样品的孢粉组成、含量变化相近，现一并叙述如下：3件样品的孢粉组合可称为Microlepia-Quercus-Gramineae(鳞盖蕨-栎属-禾本科)孢粉组合。组合中以木本植物花粉为主，占孢粉总量的44.4%～45.7%，其中针叶类植物花粉的比例为11.8%～13.9%，木本阔叶类植物花粉的比例为30.5～33.3%。针叶类植物中以松和柏科为主，落叶松、罗汉松、泪杉等也可见；阔叶类植物中以栎属较为多见，胡桃、枫杨、麻栎等也较常见。草本植物花粉占总量的26.9%～28.5%，其中陆生草本植物花粉较多，占21.4%～23.1%；水生草本植物花粉占3.8%～7.0%。陆生草本植物中以禾本科和蒿属为主，藜科、十字花科等也常出现；水生草本植物中莎草科和蓼科较为常见，眼子菜科、睡莲科等零星出现。蕨类植物孢子的比例为26.4%～28.7%，以鳞盖蕨为主，凤尾蕨、蕨属等也常见。样品中藻类植物见有环纹藻和双星藻2个属。

3件样品的孢粉组合面貌体现了该地区当时的植被类型为亚热带常绿、落叶阔叶林，植被面貌为森林植被，林下蕨类植物较多，平坦开阔地带多以草本植物覆盖；环纹藻的出现说明当时该沉积区存在湖沼或河漫滩环境，总体表现为亚热带温暖湿润的气候。与现今相比，宜宾地区在0.73～0.30 Ma B.P.时植被中常绿成分略少，气候与今大致相仿或略温凉。

但在009-b和024-b样品草本植物孢粉中存在少量麻黄(Ephedra)，麻黄分布在湿度低水分较少的地区，指示干燥的气候环境，在湿润环境中几乎没有分布。009-b和019-b样品针叶植物孢粉中存在少量落叶松(Larix)，落叶松属于喜冷喜凉、耐寒耐旱的种类，现今只生长于四川西北部、西部和西南部，和孢粉总体代表的温暖气候也不一致。另外3件样品中还含有一定量的藜科(Chenopodiaceae)，藜科植物多生活在荒漠及盐碱土地区，往往呈现旱生的适应现象，具有和麻黄类似指示干旱气候的意义[21]。图4中黄色箭头指示位置为3种远源孢粉。根据西南地区落叶松的生长高度下限[22]推断当时落叶松孢粉源区位于海拔高度2.7 km以上，因此认为麻黄、落叶松和藜科等远源孢粉是由河流或风从海拔高度2.7 km以上的气候干冷地区携带而来，可能源于岷江上游。

4 黏土矿物分析

黏土矿物的形成和转变主要受气候、环境和时间的控制。研究表明，在潮湿温暖的气候条件下，淋滤作用较强，母岩风化后，一些碱金属、碱土金属元素容易被淋滤流失，易于形成高岭石；而干冷气候条件下淋滤作用较弱，不利于碱土金属元素发生淋滤作用，有利于形成伊利石、蒙脱石、伊利石-蒙脱石混层类黏土矿物和绿泥石。即伊利石和蒙脱石的含量随气候变冷干而增加，高岭石含量随气候变暖湿而增加。绿泥石一般形成于干燥气候条件下，其相对含量在成土过程中有减少的趋势[23]。同时，可以根据伊利石的矿物学特征——伊利石化学指数来确定风化作用类型，数值<0.5指示以物理风化为主，数值>0.5指示强烈的水解作用，即以化学风化为主，伊利石化学指数越高，指示古气候越湿热[24]。

为了验证孢粉分析结果所指示的古气候信息的准确性，我们对样品中的黏土矿物进行了分析。样品在同济大学海洋地质国家重点实验室进行测试，具体分析和计算过程参照相关文献[24]，5件样品黏土矿物的含量如表3所示。

表3 样品黏土矿物类型及含量统计表Table 3 Statistics of clay mineral types and contents of collected samples

可以清晰地看出5件样品中高岭石占总黏土矿物的53.88%～90.93%，平均值为70.32%；伊利石占总黏土矿物的4.03%～16.38%，平均值为9.07%；蒙脱石占总黏土矿物的2.43%～5.98%，平均值为3.42%；绿泥石占总黏土矿物的0.00%～27.23%，平均值为17.33%；伊利石化学指数为0.54～1.00，平均值为0.80。

所有样品中高岭石含量都远高于伊利石和其他矿物，达到了黏土矿物含量的50%以上，占据了绝对的优势，指示该地区当时处于一种温暖湿润的气候环境。5件样品的伊利石化学指数为0.54～1.00，均大于0.5，也表明该地区当时经受过较强的化学风化作用，气候较为湿热。另外从岷江Ⅴ级到Ⅳ级阶地黏土矿物数据来看，岷江Ⅴ级阶地高岭石平均质量分数为65.43%，伊利石化学指数平均值为0.67；Ⅳ级阶地高岭石平均质量分数为76.42%，伊利石化学指数平均值为0.84。由此推断宜宾地区在0.73～0.30 Ma B.P.时，气候向着更加温暖湿润的方向变化。

样品黏土矿物所反映出的古气候特征表明，宜宾地区在0.73～0.30 Ma B.P.期间为温暖湿润的气候环境，与孢粉鉴定结果一致。

5 古气候特征及讨论

王正新等[12]在四川盆地第四纪象化石演化与气候环境关系的研究中，提到四川盆地中更新世(约0.73～0.20 Ma B.P.)气候比较温暖，气温比现在低约3～5℃，早期属针叶林-阔叶林带；在中-晚更新世，气候转暖，针阔叶林混交植物比较茂盛，迎来了四川象类进化和演化的大好时机。刘会平[13]根据大量的孢粉资料,建立了长江流域第四纪植物群落与气候变化的时间发展序列和空间分布规律，在中更新世(民德冰期—民德里斯间冰期)，四川盆地植被类型从针阔叶混交林-草原转变为针阔混交林，气候从干冷转变为暖湿。邓丽[15]通过对四川盆地西南边缘盆山过渡带的名山地区中更新世棕红色-棕黄色泥砾层及灰白色黏土层中孢粉的分析发现，中更新世该地区出现了针阔叶林和疏林草原两种植被类型，总体表现为温暖半湿润期间出现过湿润偏冷的气候类型，孢粉在中更新世表现出了气候的波动性，根据孢粉中所含铁杉化石现今生长的海拔高度[21]推测名山地区当时海拔高度隆升至600 m以上，其气候波动或受到海拔高度影响。赵璐璐等[14]对成都平原红土沉积物中黏土矿物进行了研究，在中更新世中晚期(0.7～0.4 Ma B.P.)高岭石质量分数总体上由30%上升到65%，相反，伊利石质量分数总体上由65%降低到30%。蒙脱石与蛭石质量分数都比较小，基本保持在3%以下，表明成都平原由温凉干燥的弱风化气候逐渐转为温暖湿润的较强风化气候。李代钧[16]也对成都平原绵阳地区中更新世孢粉进行了分析，其孢粉组合以蕨类植物和草本植物占优，而木本植物较少，应为疏林草原植被类型，气候与今大体相仿，为暖湿气候。

综合前人对四川盆地中更新世气候的研究来看，总体都表现为温暖湿润的气候类型，在气候特征上与本文研究结论是较为相似的；而且刘会平[13]和赵璐璐等[14]研究结果也表明从中更新世早期到晚期气候向着更加温暖湿润的方向变化，本文所测黏土矿物也显示了相同的变化趋势。但是由于四川盆地的范围较大，研究区域不同，地形地貌则存在不同，加之前人在研究时采用的中更新世时代划分方案的差异及其他因素的影响，可能导致植被类型或者气候特征上与本文研究的宜宾地区出现一定的差别。

魏永峰等[10]、陈诗越等[8]、薛滨等[11]和刘光琇等[9]分别对川西高原(青藏高原东缘)理塘、甘孜、若尔盖地区中更新世气候做过详细的研究。除魏永峰等[10]对理塘地区孢粉的研究认为该地区为温热湿润气候外，其他人对甘孜地区和若尔盖地区的孢粉、磁化率和氧同位素等的研究都显示川西高原在中更新世早期以气候频繁的冷暖交替为特征，而到中更新世中晚期随着高原的隆升及其对水汽的阻挡作用而逐渐趋于干冷。将前人对四川地区气候的研究汇总对比如表4所示。

表4 四川地区中更新世气候对比表Table 4 Contrast of Middle Pleistocene climate in Sichuan

6 结 论

a. 通过对宜宾地区岷江、长江河流阶地的野外实测发现该地区长江水系共发育5级河流阶地，通过ESR方法测定以及综合前人资料确定宜宾地区长江水系Ⅴ级阶地的年龄为0.73～0.70 Ma，Ⅳ级阶地的年龄为0.5～0.3 Ma。

b. 在0.73～0.30 Ma B.P.，研究区植被类型为常绿、落叶阔叶林，植被面貌为森林植被，林下蕨类植物较多，平坦开阔地带多以草本植物覆盖，总体表现为亚热带温暖湿润气候，与现今大体相仿或略温凉。孢粉中的麻黄、落叶松和藜科等表干表冷成分推测由风或河流从海拔高度2.7 km以上的气候干冷地区携带而来，可能源于岷江上游。

c. 研究区黏土矿物中以高岭石为主，伊利石化学指数较高，反映沉积物形成时期经受了较强的化学风化作用，为温暖湿润的气候环境，且从0.73～0.30 Ma B.P.总体趋势变得更加暖湿，与孢粉反映的气候特征一致。

d. 四川盆地中更新世总体为温暖湿润气候类型，而川西高原(青藏高原东缘)则表现为早期频繁的冷暖波动，中晚期逐渐趋于干冷，本文孢粉样品中的表干冷成分也证实了这一点。

由于样品和检测手段的限制，本文只检测出了3件孢粉样品数据，数据支撑较少，所以在气候分析中可能存在一定的不足，但所获得的结论填补了宜宾地区第四纪气候研究的空白，对四川盆地的第四纪古气候的研究仍具有重要的参考价值。