青藏高原东北部喀喇丹盆地西部湖泊沉积物中的分子碳和 bulk 碳同位素记录，及其对始新世-渐新世过渡期间古环境变化的意义

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Molecular and bulk carbon isotope records in lacustrine sediments from the western Qaidam Basin, Northeast Tibetan Plateau, and implications for paleoenvironmental changes during the Eocene–Oligocene transition

柴达木盆地晚渐新世至早渐新世期间，δ13Corg正偏移约2.3‰与全球Oi-1事件耦合，显示陆地碳循环对气候变冷的响应。研究揭示该区气候由晚渐新时代的干旱转为早渐新时代的湿润化，导致湖泊扩张与生产力下降，δ13Corg和n-烷烃同位素变化为EOT地质模型提供陆相基准。

　　

范毅|海生毅|唐文强|陈云|田康志|史宇翔|徐学民

成都理工大学地理与规划学院，中国成都610059

摘要

在始新世-渐新世过渡期（约3380万年前），全球气候变冷事件影响了内陆亚洲的气候和环境，该地区形成了与其他区域不同的水文气候特征。本研究分析了来自柴达木盆地（青藏高原东北部）深钻井A中晚始新世至早渐新世沉积物中的有机碳同位素（δ¹³C_org）和正烷烃碳同位素（δ¹³C_n-alkane）记录，以探讨该地区的区域气候以及相关的生态和水文变化。研究结果显示，上甘昌沟组底部记录的约2.3‰的δ¹³C_org正偏移与全球Oi-1事件同步，表明陆地环境中的碳循环发生了扰动。正烷烃同位素比值（δ¹³C_n-alkane）表明晚始新世气候相对干燥；湖泊系统的初级生产力中等，盐度较高，化学分层较浅，这促进了富碳二氧化碳向上扩散至光合作用区，显著影响了溶解无机碳的同位素组成。早渐新世期间，柴达木盆地西部降水量增加，导致湖泊扩张和营养物质稀释，从而降低了初级生产力并抑制了有机物的再矿化。本研究结果突显了青藏高原湖泊对全球气候变化的敏感性，为始新世-渐新世古环境模型提供了陆地参考依据。

引言

始新世-渐新世过渡期（约3380万年前）是地球气候从温室模式向冰室模式转变的关键时期。这一时期发生了多次逐步冷却事件，深海有孔虫中的δ¹⁸O同位素正偏移现象证明了这一点（Zachos等人，1996年；Zachos和Kump，2005年；Cramer等人，2009年；Katz等人，2008年）。最显著的事件是Oi-1冰期，其特征是海平面大幅下降，南极冰盖形成。这一变化引发了全球性的环境变化和碳循环扰动，主要表现为大陆架至深海地层中δ¹³C同位素的正偏移（Zachos等人，1996年；Zachos等人，2001年；Jaramillo-Vogel等人，2013年；Soutter等人，2022年；Cornacchia等人，2018年）。这些变化在陆地记录中也有详细记载（Bechtel等人，2008年；Wu等人，2018年；Sun等人，2020年；Chaanda等人，2023年），表明大陆环境和生态系统对全球气候变化的响应十分敏感。

在北美和欧洲，花粉和动物群数据以及古土壤重建显示，始新世期间陆地表面温度和降水量均呈下降趋势（Collinson等人，1992年；Retallack等人，1992年；Biondel等人，2001年；Sheldon和Retallack等人，2004年；Zanazzi等人，2007年；Fan等人，2017年）。然而，中亚的大陆记录显示始新世期间气候响应存在明显区域差异。在西宁盆地、兰州盆地、塔里木盆地和准噶尔盆地，黏土矿物、花粉、岩石学记录以及与气候相关的地球化学指标均表明该地区经历了干旱（Dupont-Nivet等人，2007年；Kent-Corson等人，2009年；Zhang等人，2012年；Wang等人，2013年；Sun等人，2014a、2014b、2015年；Li等人，2016年；Fang等人，2019年；Ao等人，2020年）。相反，柴达木盆地西部的岩石学证据、叶蜡δ²H记录以及叶化石的古气候重建表明早渐新世期间气候湿润，湖泊面积扩大。然而，由于该地区地球化学数据有限，湖泊系统和碳循环对全球气候变化的响应仍不甚明确。

晚始新世至早渐新世期间，柴达木盆地湖泊范围显著扩大，形成了多个封闭和半封闭的湖泊（Guo等人，2017年；Huang等人，2017年）。该地区的沉积物记录了从上夏甘昌沟组（Upper XGCG Fm.）到上甘昌沟组（SGCG Fm.）的连续富有机质深水湖泊沉积。这些沉积物不仅为高分辨率陆地δ¹³C记录提供了支持，还有助于研究始新世全球变冷期间陆地环境变化和碳循环扰动。湖泊水生植物是敏感的气候指标，其分布和演化直接受湖泊温度、盐度和水化学参数控制，这些因素调节了有机物的产生、埋藏、降解及碳循环（Liu等人，2014年；Wu等人，2018年；Sun等人，2020年；Tian等人，2022年）。通过对水生和陆生植物衍生沉积分子化石的地球化学分析，可以了解柴达木盆地西部湖泊生态系统对始新世变化的响应，并为地质历史中温室-冰室转变期间的陆地湖泊碳循环建模提供关键依据。

本研究从柴达木盆地西部的一个钻井岩心中获取了晚始新世至早渐新世地层的多指标地球化学数据，包括总有机碳（TOC）、总硫（TS）、有机碳同位素（δ¹³C_org）、正烷烃分布模式及正烷烃的特定碳同位素。我们结合分子地球化学指标与TOC和TS值，重建了有机质来源、生产力和沉积环境的变化。通过正烷烃的δ¹³C信号进一步分析了柴达木盆地西部的水文气候变率和湖泊碳循环。这些结果有助于我们理解始新世全球变冷对内陆亚洲生态和水文演化的影响。

地质背景

柴达木盆地是青藏高原东北部的一个大型大陆内沉积盆地，西北部被阿尔金塔格山脉环绕，东北部为祁连山脉，南部为昆仑山脉（图1A、B）（Guo等人，2017年；Wang等人，2020年）。该盆地分为三个主要构造单元：西部凹陷区、东部凹陷区和北部断块带（Guo等人，2019年）。

采样

我们在上夏甘昌沟组顶部（3567.0–3699.0米）和上甘昌沟组底部（3423.0–3567.0米）以4米间隔采集了78个样本（补充图1），包括26个泥岩、24个砂质泥岩、9个含石灰泥岩、6个含盐泥岩、4个含石膏泥岩和3个含白云质泥岩。我们用陶瓷刀刮除钻井泥污染，并用去离子水和无水溶剂依次清洗样本。

总有机碳（TOC）、总硫（TS）和δ¹³C_org值

样本的TOC含量范围为0.10%至1.5%，平均值为0.68%。上夏甘昌沟组和上甘昌沟组底部的TOC含量高于该组上部。TS含量范围为0.10%至2.7%，平均值为0.69%，上夏甘昌沟组的TS含量高于上甘昌沟组（图2）。

研究地层的δ¹³C_org平均值范围为?27.9‰至?24.2‰。

δ¹³C_org变化及其他记录的比较

太平洋、大西洋和印度洋的底栖有孔虫氧和碳同位素数据显示，δ¹⁸O信号在约3380万年前开始上升，并持续到约3300万年前。Oi-1事件由两次连续的δ¹⁸O正偏移（约3355万年和约3300万年）定义，代表两次冰川高峰（Zachos等人，1996年；Aldega等人，2020年）。相应的δ¹³C记录与δ¹⁸O同位素变化几乎同时发生，显示出显著的正偏移。

结论

本研究通过柴达木盆地西部钻井岩心中的沉积物获得了δ¹³C_org记录和有机地球化学数据，以阐明该时期全球变冷对水文气候特征和湖泊系统的响应。δ¹³C_org的变化趋势与其他海洋和陆地地层的始新世-渐新世过渡期地层一致，上甘昌沟组底部约2‰的正CIE可能反映了这一变化。

作者贡献声明

范毅：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、研究设计、方法论、数据分析、概念构建。海生毅：撰写 – 审稿与编辑、研究监督、资源协调、方法论制定、资金申请。唐文强：数据采集、数据分析。陈云：数据采集。田康志：数据可视化、研究设计。史宇翔：方法论制定、研究设计。徐学民：方法论制定、数据管理。

未引用参考文献

Cheng等人，2018年

Liang等人，2022年

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

致谢

我们感谢杨佳佳博士、沈斌教授和朱翠山教授在实验工作中的帮助，同时也感谢夏国庆教授提出的建设性建议。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：41902107、42172121）和甘肃省石油资源研究重点实验室（项目编号：SZDKFJJ2022002）的资助。