柴西上干柴沟组中上段介壳微量元素古环境古气候意义

陈伟，李璇，曾亮，王庆同，3，焦学尧，杨平，江小青，马锦龙

1.兰州大学地质科学与矿产资源学院，兰州 730000

2.甘肃省西部矿产重点实验室，兰州 730000

3.武警黄金第七支队，山东烟台 264004

4.中国石油青海油田分公司勘探开发研究院，甘肃敦煌 736202

0 引言

介形虫是自寒武纪以来生活在海洋、湖泊、河流等水体当中属节肢动物门甲壳纲介形亚纲的微体动物[1]，不仅其生态特征和种属组合可以进行古环境的研究[2]，而且利用介壳微量元素地球化学进行古环境的研究越来越多[3-6]。与湖泊自生碳酸盐相比，介壳地球化学在研究古环境古气候方面有着明显的优势，介形虫在脱壳后长新壳的过程中，直接从其生活的水体中摄取化学元素而建造新壳[7]。新壳是在很短的时间内分泌形成的，其受成岩作用影响较小，避免了外源碳酸岩碎屑的干扰，较好地记录了当时水体的环境信息[8-12]。

1 研究区地质概况

柴达木盆地是青藏高原东北缘的巨大山间盆地[14,26-27]，位于90°～99°E，35°～39°N 之间，为西宽东窄的菱形盆地，呈北西西—南东东方向延伸（图1）。柴达木盆地主要被三大山脉所围限，西北为阿尔金山脉，东北为祁连山脉，南部为东昆仑山脉。柴达木盆地大地构造处于亚洲中轴域和特提斯—喜马拉雅构造域的结合部位[28]，盆地新生代构造演化主要受印度板块不断向亚欧板块碰撞导致青藏高原隆升远程效应和特提斯海的阶段性俯冲消减及退却闭合作用的影响[29-30]。

2 采样与方法

所有介壳样品都取自钻井岩芯，化石的采集、挑选及鉴定是在青海油田勘探开发研究院完成。由于很难在同一口钻井中取到连续的介壳化石，样品取自柴达木盆地西部的东坪斜坡构造（东坪1井/东坪2井）、狮子沟构造（狮25井/狮深25井/狮深18井/花53井）、东柴山构造（东3 井）、阿拉尔构造（阿3 井）、大风山构造（风4井）的9口石油钻井（图1），共计16个样品。采样岩性主要以泥岩和砂质泥岩为主，还有少量粉砂岩、泥灰岩及页岩，介壳样品包括9 个Eucypris，5个Hemicyprinotus，2个Youshashania。部分介壳样品扫描电镜照片如图2。

前人对柴达木盆地新生代地层做了较多的古地磁年龄研究[18,31-34]。本文首先通过介壳化石地层分布，结合柴达木盆地西部上干柴沟组年代归属研究[20,35]和最新国际地层年表[36]，确定了介壳样品年代归属，然后依据王亚东等[33-34]确定的该组古地磁年龄（31.5～22 Ma），根据取样井顶底深度、平均沉积速率及采样深度确定了每个介壳样品的地层年龄，并拼接成了综合年龄柱（图3），计算的介壳样品地层年龄范围与介壳化石确定的基本年代一致，之后结合岩性、介壳化石地层分布及平均沉积速率绘制了综合地层图（图4）。样品地层年龄计算公式如下：

式中，SR（m/Ma）为平均沉积速率，A（m）、B（m）分别为沉积组的顶和底（A

式中，TX（Ma）为采样深度为X（m）（A≤X≥B）样品的地质年龄，最终计算得出上干柴沟组16 个介壳样品的地层年龄如表1。

本次介壳样品微量元素前处理和测试均在中国科学院青藏高原研究所元素地球化学实验室完成，测试仪器为美国Thermo 公司X Series电感耦合等离子体光谱仪（ICP-MS），平行测试空白样和标准样品，保证精度为：1µg/L-Sr，15µg/L-Ca，Sr/Ca值精度小于0.1 mol/mol ，介壳微量元素测试结果及由此计算的比值如表1。

图2 柴西上干柴沟组中上段部分介壳化石扫描电镜照片Fig.2 SEM images of ostracod shell fossils from the middle and upper section of Upper Ganchaigou Formation,western Qaidam Basin

3 柴西上干柴沟组中上段介壳微量元素变化特征

本次所测试的16个介壳样品中，年龄为23.208 6 Ma和24.853 4 Ma 的两个样品Sr、Ba 含量出现了明显异常（表1），其Sr 含量分别为2 462×10-9和9 342×10-9，Ba含量分别为1 829×10-9和4 676×10-9，而其他14个样品的Sr 含量介于4.16×10-9～87.44×10-9，Ba 含量介于1.39×10-9～93.32×10-9。上述两个样品Sr、Ba 含量异常的可能原因是极端沉积环境或特殊埋葬条件造成的，比如Mg含量极高的水体会造成介壳Sr含量的异常。为确保数据的可靠性，后文分析和讨论仅涉及其余14个样品数据。

由图5、图6 可知，柴达木盆地西部上干柴沟组中上段介壳微量元素比值Sr/Ca、Ba/Ca、U/Ca、Mn/Ca和介壳元素Ca、Sr、Ba、U、Mn具有明显的三阶段变化特 征：A 阶 段（28.35～26.42 Ma）、B 阶 段（26.42～23.08 Ma）及C阶段（23.08～22.33 Ma）。

接种部位红肿及流涕、咳嗽等感冒症状是比较常见的副反应，一般发生在接种后的1～2天，多数情况下于2～3天内自行缓解，不需要特别处理。

3.1 介壳微量元素比值变化特征

整体上介壳Sr/Ca、Ba/Ca、U/Ca 在上述三个阶段变化趋势相似，Mn/Ca 变化趋势相反（图5），它们各阶段平均值不同（表2）。A阶段，Sr/Ca、Ba/Ca整体上为低值，平均值分别为0.002 278、0.000 539，U/Ca 整体上也为低值且有轻微下降趋势，平均值为0.000 012，Mn/Ca 有明显的上升趋势且平均值（0.012 866）为三个阶段最高；B 阶段，Sr/Ca 平均值为三个阶段最高（0.003 347），Ba/Ca 的平均值（0.000 796）高于A 阶段，U/Ca 平均值（0.000 022）也为三个阶段最高，Mn/Ca 平均值（0.005 153）最低；C 阶段，Sr/Ca 和Ba/Ca 呈明显上升趋势，平均值分别为0.003 346、0.002 059，U/Ca 也呈现上升趋势，平均值为0.000 005，而Mn/Ca呈明显下降趋势，平均值为0.009 809。

图3 柴西上干柴沟组中上段取样井综合年龄柱拼接图Fig.3 Comprehensive age column splicing map of sampling drilling, upper and middle section of Upper Ganchaigou Formation, western Qaidam Basin

3.2 介壳微量元素变化特征

与微量元素比值类似，介壳Ca、Sr、Ba、U总体上变化趋势相似，Mn呈现相反变化趋势（图6），它们各阶段平均值也不同（表2）。Ca在A、B、C三个阶段的平均值变化不同于Sr、Ba、U，平均值A阶段（14 885×10-9）高于B阶段（12 969×10-9），C阶段（16 330×10-9）最高。A阶段，Sr、Ba 从原有水平下降至低值且平均值（分别为37.76×10-9、8.21×10-9）为三个阶段最低，U呈下降趋势，平均值为0.21×10-9，Mn整体为高值且平均值（173.53×10-9）最高；B阶段，Sr、Ba、U平均值都高于A阶段，值分别 为41.46×10-9、9.58×10-9、0.27 ×10-9，Mn 平 均 值（58.78×10-9）最低；C阶段，Sr、Ba呈上升趋势，平均值分别为56.06×10-9、38.27×10-9，U也呈上升趋势而Mn呈明显下降趋势，平均值分别为0.10×10-9、153.10×10-9。

图4 柴西上干柴沟组中上段综合地层图Fig.4 Comprehensive stratigraphic map for upper and middle sections of Upper Ganchaigou Formation, western Qaidam Basin

表1 上干柴沟组中上段介壳微量元素与比值及年龄Table 1 Trace elements and ratios with ages of ostracod shells in the upper-middle section of Upper Ganchaigou Formation

图5 上干柴沟组中上段介壳微量元素比值随年龄变化及同期深海氧同位素（δ18O据Cramer et al.[38]）Fig.5 Variation with age of trace element ratios for ostracod shells, upper-middle section of Upper Ganchaigou Formation, and synchronous deep-sea oxygen isotopes（δ18O after Cramer et al. [38]）

图6 上干柴沟组中上段介壳元素随年龄变化及同期深海氧同位素（δ18O据Cramer et al.[38]）Fig.6 Variation with age of trace elements in ostracod shells, upper-middle section of Upper Ganchaigou Formation and synchronous deep-sea oxygen isotopes（δ18O after Cramer et al. [38]）

表2 上干柴沟组中上段各阶段介壳微量元素比值平均值Table 2 Average values of trace elements and ratios in ostracod shells, upper-middle section of Upper Ganchaigou Formation

4 讨论

4.1 柴西上干柴沟组中上段介壳微量元素古环境意义

4.1.1 介壳Sr/Ca、Ba/Ca、U/Ca、Mn/Ca与古环境

前人[3,6,8,12,39-41]通过实验室培养和现代湖泊采样研究表明，介壳Sr/Ca 主要由湖水Sr/Ca 和盐度决定，并与盐度呈正相关性。属种差异对微量元素可能存在生物效应，胡广等[42]研究表明属种差异对介壳Sr/Ca影响不大，所以本次介壳虽不是单一属种，但不影响介壳Sr/Ca 进行古盐度重建。Ba 和Sr 在元素周期表中属同一主族且位置相邻，它们表生化学性质相近，Yang et al.[5]和Börner et al.[6]研究表明介壳Ba/Ca 与Sr/Ca 有很高的相关性，也可作为重建湖泊古盐度的指标。结合介壳Sr/Ca 和Ba/Ca，可以提高古盐度重建的可靠性，此次介壳Sr/Ca 和Ba/Ca 总体变化趋势相似（图5），A阶段Sr/Ca和Ba/Ca总体为低值，平均值均最低，表明古湖盐度较低；B 阶段Sr/Ca和Ba/Ca平均值均高于A阶段，表明整体上古盐度升高，在B阶段末Sr/Ca 和Ba/Ca 均有所下降，表明古盐度有所降低；C 阶段，Sr/Ca、Ba/Ca 明显上升，表明古盐度又明显升高。

介壳U/Ca可作为指示湖泊氧化还原状况和湖水垂直混合程度的指标，一般U/Ca 高值指示湖水垂直混合良好的氧化环境，而低值指示高湖面还原环境[5,43-44]。介壳Mn/Ca 也可作为指示湖泊氧化还原状况的指标，其高值指示还原环境[6]。本次研究介壳Mn/Ca变化趋势与U/Ca相反（图5），与Kim et al.[44]研究结果一致。结合介壳U/Ca和Mn/Ca可以更好反演古湖的氧化还原状况：A 阶段，U/Ca 整体为低值，并有轻微下降趋势，平均值低于B 阶段，而Mn/Ca 平均值高于B 和C 阶段，有明显上升趋势，表明古湖为还原环境；B 阶段，U/Ca 整体为高值，平均值最高，Mn/Ca 整体为低值，平均值最低，表明古湖整体为氧化环境，U/Ca在B阶段末有所下降，表明古湖氧化性有所减弱；C 阶段，U/Ca 明显上升，Mn/Ca 明显下降，表明古湖还原性降低而氧化性增强。

4.1.2 介壳Sr、Ba、U、Mn与古环境

本次研究介壳Ca 三个阶段的平均值变化与Sr、Ba、U、Sr/Ca、Ba/Ca等不一致（表2）。Bridgwater et al.[41]和曾承等[45]研究表明，较封闭湖泊体系中Ca2+浓度与盐度不协同变化，CaCO3沉淀使其浓度随盐度升高变化不大，因而介壳Ca一般不能作为重建古盐度的指标。通过相关性分析（图7），Ba、U、Mn 分别与Ba/Ca、U/Ca、Mn/Ca 有较好的相关性，相关性系数R2分别为0.94、0.6及0.66，表明它们有相似的环境意义。介壳Sr和Sr/Ca 相关性较差，相关性系数R2为0.3，但Sr总体变化趋势和各阶段平均值变化特征与Ba、U、Ba/Ca、U/Ca等一致，因此也可进行古环境意义探讨。

内陆湖水中Sr元素含量的增加是干旱炎热气候下湖水蒸发浓缩的结果[46-47]，介壳Sr直接来源于宿生水体，前人研究[48-50]表明在较高盐度和少营养水体中以介壳Sr 的高含量为特征，Ba 在介壳中的变化与Sr有同样的机理[5]。介壳Sr、Ba 值在A 阶段平均值最低，均从开始的较高值下降为低值阶段，表明古湖向低盐度演化；B阶段Sr、Ba的平均值都高于A阶段，表明古湖盐度整体高于A 阶段，Sr、Ba 值在B 阶段末有所降低，表明古盐度有所下降；C 阶段Sr、Ba 值明显上升，表明古湖盐度又明显升高。总体上介壳Sr、Ba得出的盐度演化特征与Sr/Ca、Ba/Ca得出的结论基本一致。

U 和Mn 对水体的氧化还原性很敏感，U 一般在氧化水体中呈溶解态而在还原水体中不溶解[6]，Mn在缺氧水体中以稳定形式存在且高值指示还原环境[51-52]，一般介壳在少盐水和较还原的水体中Mn 含量较高[48-50]。A阶段U值从开始较高值下降为低值阶段，Mn 整体为高值，表明古湖向还原环境演化；B 阶段U 整体为高值，平均值最高，Mn 整体为低值，平均值最低，表明古湖整体为氧化环境；C 阶段U 呈上升趋势，而Mn 呈明显下降趋势，表明古湖氧化性又开始增强。总体上介壳U、Mn 所得出的古湖各阶段的氧化还原性特征与U/Ca、Mn/Ca 得出的结论基本一致。

综合上述各阶段介壳Sr/Ca、Ba/Ca、Sr、Ba值指示的古盐度特征及U/Ca、Mn/Ca、U、Mn值指示的氧化还原性特征，柴达木盆地西部上干柴沟组中上段（28.35～22.33 Ma）古湖环境演化特征为：A 阶段（28.35～26.42 Ma），古湖盐度较低，还原性较强，盐度和氧化还原性与内陆湖泊水位变化密切相关，水位上升必然会导致湖泊平均含盐量的下降和还原性的增强[40,53]，表明该阶段为高水位深湖环境；B 阶段（26.42～23.08 Ma），古湖盐度整体较高，氧化性较强，表明为低水位浅湖环境，盐度和氧化性在B 阶段末有所下降，表明水位有所上升；C阶段（23.08～22.33 Ma），古湖盐度升高，氧化性增强，表明湖水又开始变浅。三个阶段的古湖环境演化特征与前面通过岩性和沉积构造得出的古湖沉积相的演化阶段特征相对应（图4）。

图7 上干柴沟组中上段介壳微量元素与比值相关性Fig.7 Correlation between trace elements and ratios in ostracod shells from the upper-middle section, Upper Ganchaigou Formation

4.2 柴西上干柴沟组中上段介壳微量元素古气候意义

对较封闭内陆湖泊而言，湖区有效降水率P/E（降水量/蒸发量）和入湖径流量Q是影响水位变化的主要因素，而水位变化直接影响湖水水化学、盐度及氧化还原状况[45,53-54]，一般流域气候湿润时，湖区P/E和Q增大，致使湖泊水位上升，湖水离子浓度和盐度下降，湖水整体上还原性增强；反之，流域气候变得干旱时，湖区P/E和Q减小，致使湖泊水位下降，湖水离子浓度和盐度升高，湖水整体上氧化性增强。介形虫对上述水位变化引起的水化学、盐度等环境要素的变化极为敏感[55]，而且在其建造新壳的过程中直接从宿生水体中摄取化学元素[7,10,12]，所以介壳微量元素可作为湖泊古水体参数的代替指标，进而反演湖区古气候演化。随着新生代青藏高原隆起，周缘山脉的隆升致使柴达木盆地第三系为内陆凹陷湖盆[29]，而且柴达木盆地西部上干柴沟组沉积期古湖为内陆沉积盆地[56]，因而水位变化主要受周围汇聚于古湖古水系和流域降水的影响。

综合前述各阶段介壳微量元素指示的柴达木盆地西部上干柴沟组中上段古湖古环境演化特征，A阶段（28.35～26.42 Ma），古湖水位较高，表明湖区P/E和Q 增大，进一步表明古气候较为湿润；B 阶段（26.42～23.08 Ma），古湖整体上湖水变浅，表明湖区P/E 和Q减小，进一步表明气候整体相对干旱，在B阶段末水位有所上升，表明气候干旱程度降低；C阶段（23.08～22.33 Ma），古湖水位又开始下降，表明湖区P/E 和Q开始减小，进而表明湖区气候又向干旱演化。

4.3 柴西上干柴沟组中上段介壳化石古环境古气候意义

除介壳地球化学外，介壳化石古生态也是一种重建古环境的有效方法，两者结合可以达到更理想的效果[11-12]，介壳化石及其组合的生态特征可以提供湖泊水化学、盐度及水文等方面的信息[2,57]。在前述介壳微量元素比值Sr/Ca、Ba/Ca、U/Ca、Mn/Ca 及元素Sr、Ba、U、Mn 变化的三个阶段A、B 及C，介壳化石（Eucypris、Youshashania 及Hemicyprinotus）有不同的组合特征，结合化石及其组合的生态属性和所指示的环境特征（表3），可进一步在介壳微量元素分析基础上探讨各个阶段的古环境古气候演化。

由表3可知，在A阶段是单一Eucypris组合，指示少盐水或更高盐度湖泊环境，Eucypris 一般生活在淡水和少盐的水体中，也可在更高盐度湖泊中出现[58-60]，这与前述通过介壳微量元素所得出的A阶段古湖为盐度较低且还原性较强的结论不矛盾；B阶段为Youshashania-Hemicyprinotus-Eucypris组合，指示多盐水—真盐水或更高盐度干旱—半干旱滞水或封闭浅湖环境，相比于A 和C 阶段，该阶段化石组合中出现了Youshashania，它是生活在多盐水-真盐水或更高盐度较干旱环境下的喜盐属[16,58-59]，同时也出现了Hemicyprinotus，它生活在少盐水—真盐水河口或湖泊近岸半氧化浅水环境[16,61]，表明该阶段古湖整体盐度较高和氧化性较强，水位较低，气候较干旱，这与介壳微量元素得出的结论一致；C 阶段为Hemicyprinotus-Eucypris组合，指示少盐水—真盐水或更高盐度河口或湖泊近岸浅水，该阶段主要以Hemicyprinotus 为主，表明古湖开始萎缩，湖水变浅，与前述介壳微量元素表明的该阶段古湖水位下降，气候变干旱的结论基本一致。

表3 上干柴沟组中上段各阶段化石组合及指示环境特征（据青海石油勘探开发研究院和中科院南京古生物研究所[17]；杨平等[58]；柳祖汉等[59]；吉利明等[60]；杨藩等[61]）Table 3 Ostracod shell fossil assemblages and indicative environmental characteristics in the upper-middle section of Upper Ganchaigou Formation(after Qinghai Petroleum Exploration and Development Research Institute and Nanjing Institute of Paleontology, Chinese Academy of Sciences[17]; Yang et al.[58]; Liu et al.[59]; Ji et al.[60]; Yang et al.[61])

4.4 柴西上干柴沟组中上段古气候演化及影响因素

前述通过介壳微量元素和化石组合特征古环境古气候分析表明，柴达木盆地西部上干柴沟组中上段（28.35～22.33 Ma）古气候主要有三个阶段的演化特征，A 阶段（28.35～26.42 Ma），古气候较为湿润；B阶段（26.42～23.08 Ma），古气候整体相对干旱，在末段干旱程度有所缓解；C阶段（23.08～22.33 Ma），古气候又向干旱演化。

通过介壳微量元素与全球深海氧同位素的对比（图5，6），古气候较为湿润的A 阶段对应的深海δ18O较高，全球气温相对偏低，但当时青藏高原整体古海拔不是很高[62]，柴达木盆地西部古海拔也大约只有1 500 m[26]，所以当时气温不会很低，而据Song et al.[63]柴达木盆地30～26.42 Ma 化学风化指标为开始持续增加和后续为稳定的高值，表明该阶段气候向暖湿演化，综合表明28.35～26.42 Ma，柴达木盆地西部气候为相对温暖湿润；古气候整体相对干旱的B 阶段对应的深海δ18O 较低，为晚渐新世暖期[38,64]，洪汉烈等[65]通过黏土矿物学特征表明柴达木盆地～26.5 Ma的升温事件与全球气候演化相一致，而Sun et al.[66]研究表明此期间柴达木盆地周围植被主要以稀释草原为主且气候干热，表明26.42～23.08 Ma，柴达木盆地西部气候总体以炎热干旱为特点，本次研究表明在B阶段末气候干旱程度有所降低；古气候向干旱演化的C阶段对应深海δ18O较高，特别是23.08 Ma对应渐新世—中新世界限处Mi-1冰期事件[38,64]，表明全球气候又开始变冷，张克信等[67-68]认为约23 Ma 青藏高原不整合面广布，标志青藏高原的整体隆升，青藏高原南部的冈底斯和喜马拉雅在早中新世也有明显的构造抬升[69]，表明早中新世全球气候变冷、青藏高原隆升对柴达木盆地西部气候影响较大，23.08～22.33Ma，柴达木盆地西部气候变冷干。而其西南边的沱沱河盆地，东南边的青海循化盆地及兰州盆地在约23 Ma也开始变得干旱[70-72]，Xu et al.[37]的研究也表明从23 Ma 年开始青藏高原东北缘是干旱的气候条件，表明早中新世整个中国西北内陆干旱化开始。自～34 Ma副特提斯海从塔里木盆地西南退出[73-74]，并不断向西退缩，导致中亚陆地面积增加和西风环流带来的水汽减少[75]，特别是晚渐新世—早中新世其面积的向西缩减是亚洲内陆干旱化形成的重要原因之一[76]，所以副特提斯海的西退对上述柴达木盆地西部各阶段的气候演化也有一定影响。

5 结论

通过分析柴达木盆地西部上干柴沟组中上段（28.35～22.33 Ma）介壳微量元素比值Sr/Ca、Ba/Ca、U/Ca、Mn/Ca 及元素Sr、Ba、U、Mn 变化特征及介壳化石（Eucypris、Youshashania、Hemicyprinotus）组合特征，并结合同期全球深海氧同位素及前人研究成果，我们得出以下结论：

（1）柴西上干柴沟组中上段介壳微量元素有明显的A（28.35～26.42 Ma）、B（26.42～23.08 Ma）及C（23.08～22.33 Ma）三个阶段的变化特征，介壳微量元素比值Sr/Ca、Ba/Ca、U/Ca及元素Sr、Ba、U在A阶段值较低，B阶段值整体较高，段末值有所下降，C阶段值明显上升，Mn/Ca 和Mn 值变化大致相反。相应各阶段的介壳化石组合分别为单一Eucypris组合、Youshashania-Hemicyprinotus-Eucypris组合及Hemicyprinotus-Eucypris组合。

（2）柴西上干柴沟组中上段古湖古环境主要经历了三个阶段的演化特征：A 阶段，古湖为盐度较低和还原性较强的高水位深湖环境；B 阶段，古湖整体为盐度较高和氧化性较强的浅湖环境，在该阶段末盐度和氧化性有所下降，水位有所上升；C阶段，古湖盐度和氧化性又明显升高，湖水变浅。

（3）柴西上干柴沟组中上段古气候主要经历了三个阶段的演化特征：A阶段，古气候相对温暖湿润；B 阶段，古气候整体炎热干旱，在该阶段末干旱程度下降；C阶段，古气候向冷干演化，响应了早中新世中国西北内陆干旱化。该地质时段古气候演化主要受全球气候演化和青藏高原隆升的影响，与副特提斯海西退也有一定关系。

致谢 杜丁丁博士对本论文的完善提供了宝贵意见，感谢审稿专家和编辑提出的宝贵意见！