锶和硫同位素对晚古新世时期苏北盆地湖泊中气候波动及海洋入侵事件的制约作用

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Strontium and sulfur isotope constraints on climate fluctuations and marine incursions in the lacustrine Subei Basin during the late Paleocene

本文通过锶同位素（87Sr/86Sr）和硫同位素（δ34SPy）分析中国东部Subei盆地古近系二段湖相沉积物，揭示其古水文条件和气候波动。结果显示，尽管锶同位素升高与硅酸盐风化增强相关，但硫同位素指示硫酸盐限制环境，排除海洋侵入，证实锶硫同位素可用于地质历史中识别海洋侵入事件。

　　

杨柳|梁学瑞|何希鹏|唐轩|高玉桥|詹玲|华彩霞|张佩娴

中国大连海事大学环境科学与工程学院，大连116026

摘要

位于中国苏北盆地的古新世Funing组第二段（E₁f₂）的湖泊沉积物可能保存了关于晚古新世气候波动的重要陆地记录，显示出巨大的碳氢化合物积累潜力。然而，这一关键气候转变期间苏北盆地的水文条件仍知之甚少，而关于海洋入侵事件的存在长期以来一直存在争议。本文通过分析苏北盆地E₁f₂湖泊沉积物中的碳酸盐锶（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）和黄铁矿硫（δ³⁴S_Py）同位素记录，来阐明古环境和古气候动态。保存完好的QY 1钻芯显示，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值从第一段（0.71033?±?0.00007）增加到第二段（0.71046?±?0.00006），这一变化与独立的风化指标一致，表明硅酸盐风化作用增强。然而，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值持续升高（>0.710），显著高于同期海水的比值，并与中生代-新生代的淡水碳酸盐特征相符，表明该湖泊系统受到限制，没有海洋入侵。高δ³⁴S_Py值（第一段为26.0?±?9.1‰，第二段为23.2?±?3.6‰）进一步支持了这一观点，这些值高于同期海水的δ³⁴S值，表明该环境受到硫酸盐限制，与海洋硫酸盐输入不符。我们的研究表明，湖泊沉积物中的锶和硫同位素系统可以作为识别地球历史上海洋入侵事件的有效工具。

引言

晚古新世（66–56?Ma）的特点是在新生代早期长期变暖趋势的基础上出现了动态的气候波动（Zachos等人，2001年；Zachos等人，2008年；Hollis等人，2022年）。来自中高纬度海洋记录的新证据显示，在温室效应占主导的情况下，大约在60–58?Ma期间出现了一次短暂的冷却事件（Hollis等人，2014年；Hollis等人，2022年；Bijl等人，2021年）。尽管关于这次冷却事件的陆地记录很少，但最近对位于中国东部苏北盆地中低纬度的古新世Funing组第二段（E₁f₂）湖泊沉积物的研究通过古气候重建和与海洋记录的地层对比，暗示了这次冷却事件的潜在陆地记录（Liu等人，2024年）。

湖泊系统在现代和远古环境中都被认为是全球碳循环和气候反馈的关键调节器（Tranvik等人，2009年；Zhang等人，2024年）。值得注意的是，海洋入侵湖泊盆地可能通过多种机制增强有机碳的埋藏，包括营养盐引起的富营养化、由盐度梯度驱动的氧化还原分层以及海水中的硫酸盐输入（Wei等人，2018年；Xia等人，2019年；Qin等人，2024年）。然而，也有证据表明，在不受海洋影响的受限湖泊系统中也发生了大量的有机碳埋藏，例如晚古生代冰期（LPIA）期间的准噶尔盆地沉积物（Cao等人，2020年；Xia等人，2023年）。苏北盆地在其E₁f₂沉积期间的水文历史仍存在争议。早期研究基于化石组合和矿物学证据提出了海洋入侵的可能性（Yu和Wang，1981年；Qiu等人，2006年），而最近的生物标志物证据（24-n-丙基胆固醇的存在和C₃₀/C_27–30甾烷比值）也暗示了可能的海洋入侵（Guan等人，2024年）。相反，对苏北盆地E₁f₂中管状生物礁的古生物学分析以及元素代用指标（低Mo/TOC比值和高Co?×?Mn值）强烈支持沉积发生在没有海洋入侵的受限湖泊环境中（Zhou等人，2020年；Liu等人，2024年）。值得注意的是，生物标志物推断的海洋入侵与水盐度降低相吻合（Guan等人，2024年），这与通常与海洋入侵相关的盐度增加相矛盾（例如，Wei等人，2018年）。这些相互矛盾的解释突显了对E₁f₂沉积期间水文条件进行稳健地球化学约束的必要性。

海洋碳酸盐中的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值是追踪来自大陆风化和热液输入的海洋锶通量的关键指标，为了解地球历史上的气候和构造演化提供了重要线索（Palmer和Elderfield，1985年；Shields，2007年；Chen等人，2022年）。湖泊碳酸盐的锶同位素组成有助于追踪风化速率、古水文条件以及海洋入侵事件（Rhodes等人，2002年；Becker等人，2007年）。沉积黄铁矿的硫同位素组成（δ³⁴S_Py）可以提供补充信息，反映水柱中硫酸盐库的大小（Canfield和Farquhar，2009年）。鉴于现代海水（约28?mM，相当于2900?ppm；Yao和Millero，1996年）和淡水系统（平均约27?ppm；Berner和Raiswell，1983年）之间硫酸盐浓度的数量级差异，δ³⁴S_Py记录为识别地质记录中的海洋入侵提供了强有力的诊断工具。

本文提供了来自中国东部苏北盆地E₁f₂湖泊沉积物的综合⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和δ³⁴S_Py记录。这些新的地球化学数据，结合之前报告的总有机碳（TOC）数据、主要和微量元素数据、碳酸盐碳（δ¹³C_carb）和氧（δ¹⁸O_carb）同位素数据、铁形态系统以及矿物学数据（Liu等人，2024年），有助于更精细地重建E₁f₂沉积期间的古气候波动和水文条件。此外，这项研究强调了锶和硫同位素系统在识别地球历史上海洋入侵事件中的应用潜力。

地质背景

苏北盆地位于中国东部下扬子地块的北部边缘（图1），是一个通过多个构造阶段形成的大型湖泊裂谷盆地。自晚白垩世以来，该盆地经历了两次主要的裂谷作用，伴随着热沉降（Liu等人，2017年）。古地磁数据表明，在早古新世期间，该盆地位于中低纬度（约32–33°N）（Boucot等人，2009年），这一古地理位置与其

材料与方法

在本研究中，从QY 1钻芯中收集了85个新鲜岩芯样本，用于岩石学和地球化学分析，包括47个样本的锶同位素组成、82个样本中黄铁矿的硫同位素组成以及所有85个样本的微量元素浓度。在粉末化之前，去除了任何可能的风化表面、成岩脉和可见的黄铁矿颗粒。每个岩芯样本都被破碎成小块，并使用玛瑙研钵研磨成粉末（约200目）。

结果

在研究的QY 1钻芯中，层状白云质泥岩是主要的岩相。在手标本中，层状白云质泥岩通常呈浅灰色，具有明显的水平层理和清晰的边界（图3A）。薄片分析显示层理为交替的浅色和深色层。浅色层主要由石英、微晶白云石和方解石组成，而深色层含有粘土矿物和有机物（图3B–D）。

锶同位素的成岩变化评估

成岩作用可能会改变碳酸盐的锶同位素特征（例如，Banner和Hanson，1990年）。我们通过岩石学分析和地球化学方法评估成岩变化的程度。岩石学分析对于识别原生和次生碳酸盐相至关重要，从而提供了成岩作用的一级评估。由于在样品粉末化之前已经去除了所有潜在的成岩碳酸盐脉，因此分析的碳酸盐相是最

结论

本研究提供了中国东部苏北盆地古新世Funing组第二段（E₁f₂）湖泊沉积物的碳酸盐锶（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）和黄铁矿硫（δ³⁴S_Py）同位素数据。QY 1钻芯中⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值从第一段（0.71033?±?0.00007）增加到第二段（0.71046?±?0.00006）的趋势与其他相同岩芯中的硅酸盐风化指标一致，支持硅酸盐风化作用增强的观点。

CRediT作者贡献声明

杨柳：撰写 – 原始草稿，项目管理，研究调查，资金获取，数据管理，概念构思。梁学瑞：方法学。何希鹏：撰写 – 审稿与编辑。唐轩：撰写 – 审稿与编辑，资源协调。高玉桥：撰写 – 审稿与编辑。詹玲：撰写 – 审稿与编辑。华彩霞：撰写 – 审稿与编辑。张佩娴：撰写 – 审稿与编辑。

未引用参考文献

Dean和Gorham，1998

高等人，2024

Kurtz等人，2003

Maimaiti等人，2022

Westerhold等人，2011

徐等人，2024

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42102171、42372164、41972132）和中央高校基本科研业务费（3132023518、3132025659）的支持。我们感谢两位匿名审稿人的建设性和富有洞察力的评论，这些评论显著改进了手稿的质量。