南美洲东北部的河流与风成作用相互作用：对物质来源及古环境解释的意义

《CATENA》：Fluvial-aeolian interactions in northeastern South America: Implications for provenance and paleoenvironmental interpretations

本研究分析巴西东北部圣弗朗西斯科河次中游表层覆盖物，结合形态地层学、沉积学、地球化学及光释光年代学，重建末次冰期至全新世气候变化。结果显示该区域侵蚀沉积过程与全球气候事件（如黑尔施塔德间冰期、博 illing-Aller?d 期、全新世气候最佳期）相关，晚第四纪以来呈现湿润-干旱交替，最终趋于干旱。成果为半干旱地区气候变迁及未来气候变化应对提供依据。

　　

丹尼尔·罗德里格斯·德·利拉（Daniel Rodrigues de Lira）|安东尼奥·卡洛斯·德·巴罗斯·科雷亚（Antonio Carlos de Barros Corrêa）|德里莉·纳玛玛·丰塞卡（Drielly Naamma Fonsêca）|若泽·达尼洛·达·康塞桑·桑托斯（José Danilo da Concei??o Santos）|布鲁诺·德·阿泽维多·卡瓦尔坎蒂·塔瓦雷斯（Bruno de Azevedo Cavalcanti Tavares）|凯拉·玛努埃拉·阿伦卡尔·达·席尔瓦·阿尔维斯（Keyla Manuela Alencar da Silva Alves）

巴西伯南布哥联邦大学（Universidade Federal de Pernambuco，简称UFPE），地理科学系，累西腓

摘要

本研究考察了位于巴西东北部半干旱核心地区的圣弗朗西斯科河（S?o Francisco River）中下游地区的地表覆盖特征，旨在重建从末次冰盛期到全新世的环境变化过程。采用形态地层学方法，结合沉积学、地球化学以及光释光（OSL）技术，对坡积物、河流沉积物、河流-风成沉积物和风成沉积物进行了分析。地球化学结果表明，这些沉积物主要来源于长英质岩石，并经历了强烈的化学风化作用，反映出当时的古气候条件比现在更为湿润，期间也出现过短暂的严重半干旱时期。光释光测年数据表明，在约2万年的时间里，沉积活动与几次全球性气候事件（包括海因里希冰期（Heinrich stadials）、博林-阿勒罗德期（B?lling–Aller?d）、新干燥期（Younger Dryas）和全新世气候最适期）同步发生；随后从全新世初期开始，该地区逐渐趋于干燥，风成沉积作用重新占据主导地位。侵蚀与堆积过程的交替表明，圣弗朗西斯科河的水文沉积过程受到大规模气候变化的显著调控，这对理解半干旱环境在未来的气候变化情景下的适应能力和脆弱性具有重要意义。

引言

南美洲极东北部（NEB）的地质地貌特征在全球半干旱地区中独树一帜，至少从末次冰盛期结束以来，该地区一直以亚赤道非冰川半干旱环境为主（Behling等人，2000年）。在干旱气候过程的地质记录中，稳定的大陆沙丘群尤为显著，这些沙丘群的部分形态得到了保存或被破坏（Barreto等人，1999年；Cabral，2014年；Lira，2014年；Mescolotti等人，2021年；Santos和Latrubesse，2021年）。尽管整体气候干燥，但多项研究表明该地区曾出现过多次湿润期，这体现在坡积-冲积沉积作用上（Fonsêca等人，2024年；Lima等人，2023年；Morais等人，2020年），这些湿润期可能与导致风成沉积的气候条件相反。

晚第四纪期间，该地区的湿润现象有详细记录，与海因里希冰期（Heinrich Stadials）和大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation）的负异常现象相吻合（Cruz等人，2009年；Novello等人，2012年；Stríkis等人，2018年）。Campos等人（2019年）指出，在海因里希冰期和新干燥期，圣弗朗西斯科河流域降水量异常增加，而全新世初期开始，该地区逐渐趋于干燥，这种干燥趋势一直持续至今（Utida等人，2020年）。

在如今以半干旱和干旱为主导的圣弗朗西斯科河中下游地区，最能体现湿润古气候阶段的证据是拉托土（Latosols）的出现——这些土壤形成于古生代和太古代结晶岩基底的低洼地表。在以干旱环境特征为主的景观中，拉托土通常仅分布于抬升沉积盆地的顶部，平坦的地形有利于深厚风化土层的形成（Ker，1997年）。

圣弗朗西斯科河中下游低洼半干旱地区的拉托土被广泛认为是古环境的记录，它们反映了气候较为湿润的时期（Schaefer，2013年）。如今，这些土壤主要分布在半湿润环境中，其存在依赖于未经风化的母岩物质，尤其是覆盖在高海拔高原顶部的显生代砂岩（Schaefer等人，2025年；Souza等人，2023a，2023b）。这些土壤出现在结晶岩基底上，表明第四纪期间该地区曾经历过更为湿润的气候条件（Souza等人，2025年）。从地貌学角度来看，它们的分布与河流旧泛滥平原的动态密切相关。然而，关于这些土壤形成过程的系统研究仍然较少，将其视为过去湿润时期的原地遗迹也更多是基于假设而非严格证据。

沉积学和土壤学记录被认为是研究古环境最重要的地质档案之一。它们的特征和性质源于功能因素与过去环境条件之间的相互作用（Araújo Filho等人，2023年）。在热带半干旱地区，第四纪沉积作用具有空间局限性，形成的地表覆盖层通常较薄且受地形控制强烈。这些特征使得基于地表覆盖物（如沉积物和古土壤）中的地球化学、地貌学、微地貌学和年代学信息进行古环境重建变得尤为有用（Sheldon和Tabor，2009年）。

对这些景观记录的研究对于古环境重建至关重要，尤其在伯南布哥东北部地区的应用中取得了满意的结果。例如，石英颗粒表面的地貌特征可以揭示风化、搬运和再沉积的历史，以及后来的化学和机械风化过程（Corrêa等人，2024年）。富含铁氧化物和铝氧化物的沉积物有助于利用地球化学指标评估风化程度（Fonsêca等人，2020a；Fonsêca等人，2024年）。结合植硅体分析和沉积物微地貌学的研究也成功用于解释具有古气候意义的地貌动态（Lima等人，2023年；Ranulpho等人，2024年）。

本研究聚焦于巴西东北部半干旱核心地区的圣弗朗西斯科河中下游地表覆盖特征，旨在重建从海洋同位素阶段2（MIS 2）到全新世的环境变化过程。研究基于南美洲非冰川低地的古气候划分，这些划分表明该地区温度曾下降多达7°C（Berman等人，2016年；Pinaya等人，2024年；Stute等人，1995年），这对环境、土壤形成和地貌演化具有重要意义。形态地层学单元（包括坡积物、河流-风成沉积物、风成沉积物以及拉托土）被用作古环境重建的代理指标。核心假设是，这些沉积和土壤单元反映了过去的气候条件和地貌过程强度，而非当前半干旱环境的直接产物。

我们推测，这些沉积物与圣弗朗西斯科河的水文流量变化有关——最初沉积在其冲积平原中的沉积物在后来的不同搬运过程中经历了重塑。揭示这些沉积结构中保存的环境信息有助于填补关于气候在巴西东北部地层记录中作用的认知空白（Tripaldi和Zárate，2016年），同时为预测该地区未来的气候变化提供依据。

基于这些认知空白，本研究提出了四个相互关联的目标：（i）描述圣弗朗西斯科河中下游地区的形态地层单元；（ii）通过沉积学和地球化学分析结合光释光测年技术，重建从MIS 2到全新世的环境变化；（iii）评估这些沉积档案在记录与大规模气候事件相关的湿润和干旱阶段交替中的作用；（iv）探讨这些气候波动如何调节圣弗朗西斯科河的水文沉积过程，并影响整个晚第四纪期间该地区的半干旱地貌演化。

节选内容

构造与岩石类型

圣弗朗西斯科河中下游地区（图1B）位于巴西东北部两个最大的前寒武纪地质单元——博尔博雷马省（Borborema Province，简称BP）和圣弗朗西斯科克拉通（S?o Francisco Craton，简称SFC）的交界处。BP由中元古代至新元古代的地体及褶皱带组成，这些地体是在多次造山事件中叠加在古老太古代岩石碎片上的。此外，该地区还存在中生代的裂谷盆地，其上覆盖着新生代的地表沉积物（Costa等人，2018年；Dantas等人，2013年；Ganade等人，

地表形态识别与采样

本研究采用形态地层学方法分析圣弗朗西斯科河中下游的地表覆盖特征，基于沉积单元和地表覆盖层对现代地貌结构具有关键影响的观点（Dietrich等人，2017年）。因此，每个第四纪形态地层单元及其岩石特征都蕴含了该地区的侵蚀-沉积历史片段。

沉积单元

研究区域属于伯南布哥东北部的干旱热带地貌区，该地区暴露有坡积物、河流沉积物和风成沉积物（Corrêa等人，2024年）。选取了15个采样点（PSF01-PSF15）来代表当地的沉积环境。沉积过程主要受圣弗朗西斯科河常年性流动的影响，包括泛滥平原沉积、阶地形成以及低洼地区的风成沉积。

15个采样点

讨论

光释光测年结果（见图10）揭示了圣弗朗西斯科河中下游地区第四纪地貌演化的不同阶段，这些阶段以侵蚀-沉积活动的加剧和相对平静期交替为特征，可追溯至末次冰盛期。这些阶段与巴西东北部博尔博雷马省其他地区的沉积事件基本同步（

结论

研究表明，圣弗朗西斯科河中下游地区的沉积和地球化学演化受到晚第四纪突发气候变化的显著影响。光释光测年和地球化学指标表明，最古老的沉积层形成于以机械侵蚀为主的严酷半干旱环境中，随后随着海因里希冰期1（HS1）的到来，气候变得湿润，促进了植被生长

CRediT作者贡献声明

丹尼尔·罗德里格斯·德·利拉（Daniel Rodrigues de Lira）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、研究计划制定、数据管理及概念构思。安东尼奥·卡洛斯·德·巴罗斯·科雷亚（Antonio Carlos de Barros Corrêa）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论设计、资金筹集及概念构思。德里莉·纳玛玛·丰塞卡（Drielly Naamma Fonsêca）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、研究实施及概念构思。若泽·达尼洛·达·康塞桑·桑托斯（José Danilo da Concei??o Santos）：负责撰写

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