中国湖北省中侏罗世沙溪庙组的沉积学研究：对重建东亚干旱地区河流地貌及侏罗纪时期干旱化过程的启示

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Sedimentology of the Middle Jurassic Shaximiao Formation, Hubei, China: Implications for reconstructing dryland fluvial landscape and Jurassic aridification in East Asia

古土壤碳封存研究揭示中国侏罗纪干旱化趋势与副热带高压带动态迁移的关系。基于湖北西部的沙溪庙组沉积序列分析，识别了四类岩相组合（渠道- bars沉积、无约束流沉积、异质层主导沉积、泛滥平原沉积），结合古土壤形态与地球化学特征，重建了高-低径流交替的古干热气候环境。研究证实华南中侏罗世干旱化自南向北渐进发展，副热带高压带北移可能是驱动机制。

　　

刘璐|王佳树|钟涛|杨琪琪|黄普|张丽军|周长福|薛金章

中国自然历史博物馆，北京 100050，中华人民共和国

摘要

了解沉积过程对气候干旱化的响应对于解读地质记录中保存的气候信号至关重要。在这项研究中，基于详细的沉积学特征以及所含多种古土壤的形态和地球化学性质，将中国湖北省西部 Zigui 盆地中侏罗世沙溪庙组（Shaximiao Formation）解释为典型的干旱地区河流沉积物。共识别出 13 种岩相，这些岩相被分为四类：河道-坝沉积物（FA1）、无限制河流流动沉积物（FA2）、以杂岩为主的沉积物（FA3）以及含有大量古土壤的泛滥平原沉积物（FA4）。这些岩相代表了两种不同的沉积阶段：一种是高径流阶段，其特征是垂直堆叠、侧向迁移的河道；另一种是低径流阶段，其特征是短暂存在的河道。丰富的钙质土（Calcisols）表明该地区经历了周期性的湿润-干燥气候条件、高蒸发率环境以及高碳酸盐富集现象，钙质土是干旱环境中的主要土壤无机碳库。通过结合我们的新数据与以往的研究结果，似乎中国南部（云南中部）从湿润地区向干旱地区的转变比北部（四川和湖北西部）更早发生。这意味着在中国早侏罗世至中侏罗世期间，中国南部存在向北推进的干旱化趋势，我们提出副热带高压带的动态迁移可能是这一渐进转变的合理机制。

引言

气候水分亏缺的地区被称为干旱地区，其干旱程度由干旱指数（AI）定义，即降水量与潜在蒸散量的比值低于 0.65 毫米/毫米（Pr?v?lie, 2016）。干旱地区分为极端干旱（AI < 0.03 毫米/毫米）、干旱（AI = 0.03–0.2 毫米/毫米）、半干旱（AI = 0.2–0.5 毫米/毫米）和干燥半湿润（AI = 0.5–0.65 毫米/毫米）（UNESCO, 1979; Pr?v?lie, 2016; Plaza et al., 2018）。现今的干旱地区占地球陆地表面的约 45%，由于它们在维持多样化生态系统和庞大人口方面的作用，因此受到了广泛研究（Pr?v?lie, 2016）。然而，关于地质历史时期干旱地区景观和生态系统的知识仍有待进一步拓展（例如，Falcon-Lang, 2003; Marriott and Wright, 2004; Müller et al., 2004; Falcon-Lang et al., 2006; Milroy et al., 2019; Xue et al., 2023）。

有研究表明，在中侏罗世至晚侏罗世期间，东亚大部分地区经历了从湿润季节性气候向极端干旱气候的转变（Boucot et al., 2013; Deng et al., 2017），这种转变被称为“大侏罗世东亚干旱化”（Yi et al., 2019）。有人提出侏罗世-早白垩世时期的极地位置变化可能是这一转变的潜在触发因素（Yi et al., 2019），但这一假说后来受到了其他研究的质疑（例如，Kulakov et al., 2021）。基于详细的地层学和古生物学记录，仍有必要评估所谓的“大侏罗世东亚干旱化事件”是否真的发生过，并在更精细的空间-时间尺度上阐明气候变化模式。

中国湖北省西部的侏罗纪硅质碎屑沉积物是研究当时气候变化和生态系统的重要资料（Chen and Jin, 1996; Meng, 2010; Deng et al., 2017），但相关的沉积学研究仍然较少。尽管这些地层中富含古土壤，但对其的研究却很少（Liu, 2020; Dai et al., 2022; Dai, 2026; Jin et al., 2024）。湖北省西部的地层序列显示了从含煤地层向红色岩层的转变：即下侏罗统香溪组（Xiangxi Group）产煤并富含形成泥炭的植物（Zhou, 1995; Wang et al., 2009），而上覆的中侏罗统前佛崖组（Qianfoya Formation）和沙溪庙组（Shaximiao Formation）由灰绿色砂岩和红色泥岩组成，后者中含有大量成土作用的碳酸盐结核（Chen and Jin, 1996; Meng, 1999）。与通常在含煤地层（如香溪组）中发现的早侏罗世植物群不同，中国中侏罗世至晚侏罗世的植物群显示出干旱化趋势，表现为 Bennettitaleans 种类的减少、种子蕨类的消失以及银杏类和针叶植物的兴起（Zhou, 1995）。

本研究提供了沙溪庙组（Zigui 盆地）的新沉积学数据，将其解释为古代干旱地区沉积物的典型例子，并展示了河流景观的重建，以及对该地层气候条件、土壤发育和土壤碳封存情况的评估。通过将我们的数据与以往的研究结果相结合，还讨论了可能始于早侏罗世的中国南部气候干旱化过程，以及其与“大侏罗世东亚干旱化事件”的关联。

地质背景与地层

Zigui 盆地（中国湖北省西部）位于华南地块的北部边缘，地处秦岭-大别造山带以南，是中生代早期至中期的活跃前陆盆地之一（Liu et al., 2010; Dai, 2026; Chai et al., 2024）。该盆地的下侏罗统至中侏罗统沉积物主要为海洋成因（湖北省地质矿产局, 1990）。

岩相分析

研究的沙溪庙组剖面包括 1603 号剖面以及 1801 至 1805 号剖面，位于中国湖北省兴山县赵军镇附近（图 1A, C）。1801 号剖面的 GPS 坐标为北纬 31°10′1″，东经 110°46′6″；1805 号剖面的 GPS 坐标为北纬 31°10′33″，东经 110°34′7″。附近平邑口剖面（GPS 坐标：北纬 31°10′0″，东经 110°45′50″）的记录数据也在 Chen and Jin (1996, pp. 199–201) 中进行了对比。岩相分析基于露头资料进行。

岩相分析

在沙溪庙组中识别出 13 种岩相（表 1），包括两种砾岩（Cc 和 Cm；有关此处及以下使用的岩相代码，请参见表 1）、五种砂岩（Sp、St、Sr、Sm 和 Sh）、一种杂岩（H）、两种泥岩（Mm 和 Mh）以及三种古土壤（Pd-α、Pd-β 和 Pd-γ）。对这些岩相的详细描述包括其成分、层理结构及所含化石，以及对沉积环境的解释。

从沙溪庙组重建的干旱地区河流景观

沉积学和古土壤学证据可用于识别古代干旱系统（参见 Xue et al., 2023, pp. 4–5 的最新综述）。干旱地区河流的沉积学特征通常包括：记录高流量变化的地层，从长期无水流到短暂的高流量事件（即短暂存在的河流沉积物）；细粒倾斜的杂岩层理；以厚层红色岩层为主（氧化的河流或河岸沉积物）。

结论

本研究对中国湖北省兴山县地区中侏罗世沙溪庙组的沉积学特征进行了分析，新数据使我们能够重建古代干旱地区的河流景观。识别出四种岩相组合：河道-坝沉积物（FA1）、无限制河流流动沉积物（FA2）、以杂岩为主的沉积物（FA3）以及泛滥平原沉积物（FA4）。这些岩相记录了两个沉积阶段：一个阶段表现为常年高能量的河道，另一个阶段则表现为短暂存在的河道。

作者贡献声明

刘璐：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论研究、调查、数据分析、概念构建。王佳树：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、监督、方法论研究、调查、数据分析、概念构建。钟涛：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论研究、数据可视化。杨琪琪：撰写 – 审稿与编辑。黄普：撰写 –

未引用参考文献

Ebouel et al., 2024

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了云南省科学技术厅重点项目（编号：202302AO370014）、国家自然科学基金（编号：41722201）、自然资源部（编号：121113000000180001）的支持，以及北京市政府的专项财政支持。本文是刘璐提交给北京大学的博士论文的一部分。我们感谢两位匿名审稿人和期刊编辑提供的宝贵意见。