贵州草海0.78 Ma以来古环境演化:来自XRF连续扫描的证据

doi:10.13745/j.esf.sf.2025.3.60

地学前缘 ›› 2025, Vol. 32 ›› Issue (3): 168-182.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.60

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贵州草海0.78 Ma以来古环境演化:来自XRF连续扫描的证据

许聿迪¹^,²(), 刘承帅¹^,³, 高庭¹^,³^,^*(), 刘彧¹, 尹润生¹, 孙蕗⁴

1.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室, 贵州贵阳 550081
2.中国科学院大学, 北京 100049
3.华南农业大学资源环境学院, 广东广州 510642
4.东华理工大学地球科学学院, 江西南昌 330013

收稿日期:2025-01-02 修回日期:2025-03-04 出版日期:2025-03-25 发布日期:2025-04-20
通信作者: ^*高庭(1989—)男,博士,副教授,硕士生导师,主要从事土壤金属元素循环研究。E-mail: gting@scau.edu.cn
作者简介:许聿迪(1997—),男,硕士研究生,主要研究方向为全球变化下的重金属循环。E-mail: xuyudi22@mails.ucas.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目(42330712)

The paleoenvironmental evolution since 0.78 Ma in Caohai, Guizhou: evidence from XRF core scanning

XU Yudi¹^,²(), LIU Chengshuai¹^,³, GAO Ting¹^,³^,^*(), LIU Yu¹, YIN Runsheng¹, SUN Lu⁴

1. State Key Laboratory of Environmental Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550081, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3. South China Agricultural University, College of Natural Resources and Environment, Guangzhou 510642, China
4. East China University of Technology, School of Earth Sciences, Nanchang 330013, China

Received:2025-01-02 Revised:2025-03-04 Online:2025-03-25 Published:2025-04-20

摘要/Abstract

摘要：

云贵高原地区气候受到不同季风的显著影响,变化趋势较为复杂。为探究该地区环境变化与全球气候变化的内在联系,本研究选取贵州草海湖泊沉积柱2023CH(D)为研究材料,通过高分辨率X射线荧光(XRF)连续扫描和古地磁分析,结合磁化率、粒度及Al、Si、K、Ca等元素的多元统计分析结果,对草海地区0.78 Ma以来的古环境演化进行探讨。研究发现0.78 Ma以来草海的古环境演化可划分为5个阶段:Ⅰ阶段(0.78~0.66 Ma),草海地区气候基本响应全球气候变化;Ⅱ阶段(0.63~0.33 Ma)草海区域气候在全球气候主导的基础上,也明显响应地轴倾角和岁差周期;Ⅲ阶段(0.32~0.22 Ma)为相对温和的冰期凉湿气候,条件适宜碳酸盐岩大量淋溶;Ⅳ阶段(0.21~0.12 Ma)总体呈现冷干气候,早晚两段偏暖湿,物理和化学风化的相对强度均较好地响应岁差周期;Ⅴ阶段(0.12~0.02 Ma)整体趋于冷干,但气候在亚轨道尺度上于冷干-暖湿之间快速振荡,且波动幅度呈增大趋势。草海的气候演化同时受到轨道周期和亚轨道周期影响,不同古环境代用指标对轨道周期的响应存在差异。植被覆盖率受亚洲季风强度的显著影响,其变化主要受全球气候的调控,而物理风化、化学风化相对强度和降雨量对倾角和岁差周期响应更敏感。草海地区气候波动呈现频率更快且更加极端的趋势。总体而言,草海地区气候对全球变化的响应较为复杂,其背后的驱动机制尚需进一步探讨。

关键词: 云贵高原, 湖泊沉积, XRF连续扫描, 元素地球化学, 古环境演化

Abstract:

The climate of the Yunnan-Guizhou Plateau is significantly influenced by diverse monsoon systems, displaying a complex pattern of climatic changes. This study investigates the relationship between local environmental changes and global climate dynamics using sediment core 2023CH(D) from Caohai Lake in Guizhou Province. Employing high-resolution X-ray fluorescence (XRF) scanning and paleomagnetic dating, combined with multivariate statistical analysis of magnetic susceptibility, grain size, and elemental data (including Al, Si, K, Ca, etc.), this research explores the paleoenvironmental evolution of the Caohai region since 0.78 Ma. The findings identify five climatic phases: 1) Stage I (0.78-0.66 Ma), where the local climate essentially mirrored global climatic changes; 2) Stage II (0.63-0.33 Ma), dominated by global climate patterns but significantly modulated by Earth’s obliquity and precession cycles; 3) Stage III (0.32-0.22 Ma), characterized by a relatively mild glacial climate with cool, humid conditions that substantially promoted carbonate leaching; 4) Stage IV (0.21-0.12 Ma), predominantly cold and dry, with initial and final phases experiencing slightly warmer and more humid conditions, reflecting precession cycles in the relative intensity of physical and chemical weathering; 5) Stage V (0.12-0.02 Ma), generally trending towards colder and drier conditions, yet characterized by rapid oscillations between cold-dry and warm-humid states on sub-orbital scales, with an increasing amplitude. The climatic evolution in Caohai is influenced by both orbital and sub-orbital cycles, with varying responses among different palaeoenvironmental proxies. Vegetation coverage, primarily controlled by the intensity of the Asian monsoon and global climate conditions, exhibits sensitivities to these cycles, while variations in the intensity of physical and chemical weathering and precipitation are more closely aligned with obliquity and precession cycles. The climatic fluctuations in the Caohai region have shown a trend towards increased frequency and extremity. Overall, the response of Caohai’s climate to global changes is notably complex, and the underlying mechanisms driving these changes require further investigation.

Key words: Yunnan-Guizhou plateau, lake sediment, XRF core scanning, elemental geochemistry, palaeoenvironmental evolution

中图分类号:

许聿迪, 刘承帅, 高庭, 刘彧, 尹润生, 孙蕗. 贵州草海0.78 Ma以来古环境演化:来自XRF连续扫描的证据[J]. 地学前缘, 2025, 32(3): 168-182.

XU Yudi, LIU Chengshuai, GAO Ting, LIU Yu, YIN Runsheng, SUN Lu. The paleoenvironmental evolution since 0.78 Ma in Caohai, Guizhou: evidence from XRF core scanning[J]. Earth Science Frontiers, 2025, 32(3): 168-182.

图/表 8

图1 草海区域及采样点位置

Fig.1 Location of Lake Caohai area and sampling site

图2 2023CH(D)沉积柱典型样品的退磁曲线灰色方形和黑色圆形标记点分别表示水平面和垂直面的投影;NRM 表示天然剩磁;曲线周围的数字表示交变退磁的外场强度(mT)或退磁的温度(℃),其中用于计算ChRM的数据点用黑色加粗字体标注。

Fig.2 Demagnetization curves of typical samples from the 2023CH(D) sediment core

图3 2023CH(D)沉积柱岩性(a)、NRM(b)、MAD(c)、磁倾角(d)及极性柱(e)和GITS(f)对比(f引自文献[50]) a—沉积柱岩性;b—NRM;c—MAD;d—样品磁倾角;e—极性柱,其中黑色代表正极性,白色代表负极性,灰色代表样品极性变化不规律,或相邻采样点间隔大于1.5 m,受分辨率限制而无法判断极性,左侧为极性阶段或漂移事件代号;f—GITS地磁极性年表。

Fig.3 Stratigraphy (a),NRM (b), MAD (c), inclination(d) of 2023CH(D) sediment core, with a comparison of polarity (e) and GITS (f). f adapted from [50].

图4 2023CH(D)沉积柱深度-年代曲线及泥碳层年龄

Fig.4 2023CH(D) sediment core depth-age curve and peat layer ages

图5 相关性与R型聚类相关性分析(a)下三角数字为相关系数,上三角标记“×”表示无显著相关性(P>0.05),标记“*”表示相关性显著(P<0.05),无标记代表相关性极显著(P<0.01)。MS为磁化率;Md为中值粒径。

Fig.5 Correlation and R-clustering

表1 因子载荷矩阵

Table 1 Factor loading matrix

元素	因子
元素	F1	F2	F3
Al	0.930	-0.006	0.162
Si	0.573	-0.035	0.699
K	0.835	-0.149	0.200
Ca	0.112	0.134	-0.624
Ti	0.406	-0.031	0.868
Mn	-0.128	-0.859	-0.084
Fe	0.042	-0.977	-0.046
Co	0.123	-0.921	0.148
Rb	0.789	0.135	0.082
Sr	0.429	0.427	-0.343
Zr	0.203	0.187	0.891
方差贡献率/%	35.78%	25.94%	14.77%
累积方差贡献率/%	35.78%	61.72%	76.49%

图6 因子负荷图(a,F1-F2;b,F1-F3)

Fig.6 Loading plots of main factors. (a, F1-F2; b, F1-F3)

图7 草海2023CH(D)岩心的古环境代用指标与深海氧同位素记录对比(i引自文献[83]) 灰色矩形表示泥碳层,黄色矩形表示MBE,灰色虚线表示F2负值峰与MIS的对应情况,黑色虚线表示Ⅳ阶段和Ⅴ阶段之间的分界年龄。a、b、c分别为F1、F2、F3的因子得分,虚线部分为泥碳层,不计算得分;d、e为古环境代用指标Zr/Rb和Al/K;f为Φ值表示的中值粒径;g、h分别为Ca和Sr的元素扫描强度变化;i为LR04栈深海氧同位素记录,蓝色数字表示氧同位素阶段。除i以外,其他曲线均经过了7点滑动平均处理以提取主要的趋势。

Fig.7 Comparison of paleoclimate proxies from the 2023CH(D) sediment core with benthic δ18O record. i adapted from [83].

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贵州草海0.78 Ma以来古环境演化:来自XRF连续扫描的证据

The paleoenvironmental evolution since 0.78 Ma in Caohai, Guizhou: evidence from XRF core scanning

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