中国东北地区义县组早白垩世大康铺层的湖泊沉积层理：对亚十年尺度古气候演变的启示

《Global and Planetary Change》：Lacustrine varves from the Early Cretaceous Dakangpu Bed of the Yixian Formation, Northeast China: Insights into sub-decadal paleoclimatic evolution

古气候控制下早白垩世达康铺层理微相形成及太阳-ENSO信号耦合分析。通过微相类型识别和光谱解析，揭示钙钛比与层厚变化显示 Schwabe太阳周期和ENSO-like信号耦合。该研究为温室气候期高分辨率气候重建提供了新方法。

　　

田星|高源|黄赫|沈立成|潘金江|王成山

中国西南大学喀斯特环境重点实验室与地理科学学院，重庆400715

摘要

了解过去气候变暖背景下的气候变异性和稳定性对于未来气候预测至关重要。然而，高分辨率、深时档案的稀缺限制了我们对第四纪之前/深时年代际和亚十年尺度气候变异性的认识。为此，我们研究了中国东北部辽宁西部早白垩世义县组（Yixian Formation, Fm）的年层沉积物。在义县组的达克康普层（Dakangpu Bed）中识别出四种不同的层状微相（LMf），包括LMf 1（富含钙质的粘土层）、LMf 2（富含硅质碎屑的粘土层）、LMf 3（钙质硅质碎屑层）和LMf 4（有机质钙质层）。所有LMf类型都表现出明显的明暗层理。然而，证据表明，虽然LMf 1–3是真正的年层对，但LMf 4可能是由周期性洪水作用形成的。综合地球化学、矿物学、地球物理学和孢粉学数据表明，古气候的变暖和干燥过程在控制这些年层的形成中起到了关键作用。对达克康普层中部和上部年层厚度及钙/钛比值的谱分析显示，主要信号落在施瓦贝太阳黑子周期（Schwabe sunspot cycle）和厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）周期的范围内。我们的研究结果证实了太阳周期在地球历史中的持续性，以及在气候变暖背景下存在类似ENSO的信号。

引言

年层是在陆地和海洋环境中每年沉积形成的层状结构，可作为高分辨率的古气候档案，提供年度甚至季节性的气候数据。它们通常以层状对或三联体的形式出现在未固结的沉积物或沉积岩中（Ojala等人，2012；Schimmelmann等人，2016；Zolitschka等人，2015）。由于其极高的时间分辨率以及相对稳定和准确的内部时间尺度，年层成为大陆环境中最佳的时间、气候和环境记录之一（Zolitschka等人，2015），在深时古气候研究中尤为重要（田等人，2023）。

白垩纪被广泛认为是深时温室气候的典型代表（王，2007；王等人，2013）。在那个时期，著名的热河生物群（Jehol Biota，图1a）繁荣发展，并在辽宁西部的义县组（Yixian Formation, Fm）沉积物中留下了丰富的化石记录（周等人，2003b；周等人，2021）。热河生物群通过地质年代学、古生态学、孢粉学、古环境学和古气候学等多个学科进行了深入研究，包括岩石组合、垂直序列以及动植物化石（江和沙，2006；江等人，2014；王等人，2016；吴等人，2013；张等人，2021；钟等人，2021；周等人，2003a）。然而，包含这些化石的层理结构，特别是年层，尚未受到足够的学术关注。

在过去的14年中，发现了与热河生物群相关的多个湖泊年层记录，包括辽宁西部四合屯地区义县组坚上沟层（Jianshangou Bed）中的生物成因年层，这些年层展示了复杂的沉积模式，如硅质碎屑层和有机质层的交替层理对（张和沙，2012），以及由硅质碎屑层和金藻囊层组成的层理对（Hethke等人，2013）。此外，在四合屯的坚上沟层和英沃山地区义县组的詹城子层（Zhuanchengzi Bed）中也发现了化学/内生年层，其特征是硅质碎屑层和碳酸盐层的交替层理对（Hethke等人，2013；田等人，2024）。同样，王家沟地区义县组的达克康普层（Dakangpu Bed）也含有发育良好的年层对（王等人，2021b），为了解早白垩世温室气候的亚十年尺度演变提供了独特视角。

在这项研究中，我们系统地分析了王家沟地区义县组达克康普层中保存的年层对，研究了层状微相（LMfs），并解读了其中的古气候信号。通过详细的微相分析以及全面的岩石矿物学和地球化学分析，探讨了影响这些层理沉积的因素。同时，通过分析年层厚度和元素比值，我们试图解读年层中蕴含的年度至亚十年尺度信息，从而更好地理解控制达克康普层沉积的湖泊系统，并了解年际时间尺度上的主导气候模式（图1a）。

地质背景与地层

辽宁西部以其丰富的优质且稀有的热河生物群化石而闻名（图1a），这些化石来自早白垩世的义县组和九佛堂组（Xu等人，2020；Zheng等人，2021；Zhou等人，2003a）。该地区经历了中生代构造活动，以广泛的断层盆地为特征，包括朝阳盆地、建昌盆地、金阳盆地和义县盆地（图1b）（Jiang等人，2011；Ren等人，1998；Wang等人，2001）。研究区域位于义县组

样品制备与薄片观察

王家沟地区早白垩世达克康普层的泥岩中保存了良好的层理结构。我们从达克康普层的不同地层层位采集了层状泥岩、泥灰岩和粉砂岩样品。根据野外观察和显微分析，选择了五个具有最明显且连续层理的代表性样品（代表不同的微相）进行深入的年层分析（图2c和d）。

LMf 1：富含钙质的粘土层

富含钙质的粘土层在王家沟村东侧的达克康普层上部保存良好（图1c和图2d中的样品P1）。钙质亚层主要由钙质微晶组成，含有少量粉砂级石英；而富含粘土的亚层主要由粘土矿物和钙质微晶组成，其中还包含一些丝状和颗粒状有机物质（OM）（图3a–c）。这些层理对表现出明显的水平分层特征

层理的成因

确定达克康普层中层理的年度性质是进行有意义的古气候信号分析的基础。LMf显示了明暗亚层，可能反映了周期性和非周期性波动；而层理的规律性交替可能是由于一年内气候和环境参数的周期性变化所致

结论

基于多指标分析，我们认为达克康普层的沉积过程至少分为三个阶段：下部、中部和上部，这三个阶段记录了逐渐变暖的趋势。从地层学上看，王家沟地区的达克康普层以富含年层的层理为主。对钙/钛比值和年层厚度数据的谱分析揭示了明显的厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）样信号和施瓦贝太阳黑子周期特征

CRediT作者贡献声明

田星：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，方法学研究，资金获取，概念构思。高源：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，资金获取。黄赫：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，正式分析。沈立成：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究。潘金江：方法学研究，数据收集。王成山：撰写 – 审稿与编辑。

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的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42202108）、西南大学创新研究2035试点计划（资助编号：SWU-XDZD22003）、重庆市科学技术委员会奖学金（资助编号：CSTB2023YSZX-JCX0009）、中央高校基本科研业务费（编号：SWU-KQ25023）以及重庆市自然科学基金项目（编号：2023NSCQ-MSX2009）的支持。我们感谢陈继全、雷丽丹和戴涛的帮助