中国晚白垩世陆相气候敏感性沉积物分布对古气候指示

徐 斌，向 芳，李树霞

中国晚白垩世陆相气候敏感性沉积物分布对古气候指示

徐 斌1，向 芳2，李树霞3

(1. 华北科技学院 河北省矿井灾害防治重点实验室，北京 101601；2. 成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059；3. 中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

白垩纪是研究温室气候、地球系统相互作用的典范时期，该时期全球最大的陆相地层主要出露在东亚地区尤其是中国，而当前基于陆相气候敏感性沉积物的组合特征来研究中国晚白垩世古气候的甚少。为获得中国晚白垩世古气候特征，通过详细分析晚白垩世早中晚3期不同陆相气候敏感性沉积物类型的分布特征，重建不同时期古气候类型。根据陆相气候敏感性沉积物类型及分布组合特征，划分出7种气候类型：暖湿–暖干、热干、热干–干旱、热干–半干旱、热干–热湿、干热–暖湿及热干–暖干气候。研究表明：晚白垩世早期，热干带分布最广，其次为暖湿–暖干气候带；晚白垩世中晚期，热干气候带范围逐渐变广，且从中期以后，热干气候带东西贯通，横亘整个新疆和中国东部；热干–半干旱气候带呈NW—SE近纬度分布，从新疆西部一直延伸到江西及福建地区，显示出干旱化程度进一步加强。全球地质事件、古地理特征及区域构造演化对中国晚白垩世的古气候有重大影响，如：全球火山的喷发事件导致中国晚白垩世早期的温度升高；中国东南沿海山脉导致中国南部地区晚白垩世气候变干；雪峰山、武陵山脉、南岭和太行山是晚白垩世早期热干带与热干–干旱气候带的分界线，阿尔金山是晚白垩世中期中国西部地区热干气候带东南段的分界线。

晚白垩世；陆相；气候敏感性沉积物；中国；气候类型；影响因素

白垩纪不仅是地质历史中最为典型的温室气候期[1-2]，更是研究地球系统科学的典型范例时期。通过研究该时期地球表层系统变化的原理、过程、生物与环境之间的相互作用等，可以进一步了解地球表层系统之间的相互作用及其对全球气候的影响程度，加强对地球各圈层之间相互影响、演化方式的认识。

目前，越来越多的地质学家认为，陆相沉积物能够有效指示古气候的变化[3-8]。中国在白垩纪时期大部分地区处于大陆环境，海相仅分布于边缘局部地区，研究白垩纪陆相沉积，能够提供海相记录无法涉及的大陆内部的地球系统信息[9]。近三十年来，中国学者对不同陆相盆地的白垩纪地层划分[10-13]、板块构造[14-15]、沉积环境[16]、生物群[12,17]、古气候[18-20]等做了大量的研究，国外学者在探究全球中生代气候时也涉及中国古气候的研究[21-23]，并取得了一定的成果，但研究获得的晚白垩世气候特征主要集中在某一特定区域[24-25]，或者是时间跨度较大的信息[26-27]，缺乏对晚白垩世全中国区域上的统一及具体小区域的深入研究。此外，重建古气候类型主要是通过研究古生物化石、某些陆相沉积物和常用稳定同位素方法获得，但这些方法或多或少有些不足：① 动植物化石在地层中不易保存且不易发现导致可利用的数据有限；② 在陆相环境下，利用稳定同位素的影响因素建立陆相环境古气候，工作量相当繁杂，且一些陆相沉积物的古气候研究具有不确定性，如：冰川泥石流[28]、冰筏沉积[29]、原生和次生黏土矿物等[30]。因此，建立一套适合白垩纪陆相沉积的气候敏感性沉积物指标来解释古气候变化是很有必要的。

笔者以陆相气候敏感性沉积物为研究对象，通过分析其赋存类型和分布特征，并结合区域构造演化特征，从大区域范围内概化中国晚白垩世早、中、晚期的气候轮廓，并探讨区域气候变化的影响因素，旨在为重建中国晚白垩世不同时期古气候类型提供重要依据。

1 研究思路和方法

在查阅大量的中国白垩纪时期沉积物类型、气候特征、古地理、构造特征，地层划分及全球白垩纪的构造背景、重大地质事件、古气候演化等方面相关参考文献的基础上，首先，系统总结中国各区域晚白垩世陆相沉积盆地中出现的陆相气候敏感性沉积物类型、分布特征、剖面整体沉积类型、沉积环境特征、气候变化特征及其控制因素；其次，依据国际地层对比表(2020版)、中国地层典[31]及地质时代划分对比资料[32]，同时结合最新的各个地区沉积地层的古生物地层划分数据，将不同地区的不同组中出现的陆相气候敏感性沉积物归属到晚白垩世早(Cenomanian- Turonian期，99.6～89.3 Ma)、中(Coniacian-Santonian期，89.3～83.5 Ma)、晚(Campanian-Maastrichtian期，83.5～65.8 Ma) 3个期的对应时期；另外，依据经纬度或地名来确定陆相气候敏感性沉积物的投点位置；最后，通过晚白垩世3个期的陆相气候敏感性沉积物投点图，总结出陆相气候敏感性沉积物分布特征，并根据其指示的气候意义，对整个中国晚白垩世气候进行讨论与分析。

2 陆相气候敏感性沉积物类型及其气候指示意义

对相关资料[33-47]进行汇总分析发现，白垩纪具有气候指示意义的陆相气候敏感性沉积物主要有钙质沉积物、可燃性有机岩、蒸发岩(石膏、岩盐)、沙漠沉积物、铁质沉积物、含铜沉积物、灰岩、火山相关沉积物和白云岩，各沉积物气候指示意义见表1。由表中可知：①油页岩与煤反映暖湿气候；②铁质沉积反映热湿气候；③石膏和灰岩反映暖干气候；④白云岩、岩盐及沙漠沉积物反映热干气候；⑤钙质沉积与含铜沉积物反映干旱–半干旱气候；⑥火山沉积物反映高温环境。

表1 陆相气候敏感性沉积物类型及其气候指示意义

值得注意的是反映不同气候特征的陆相气候敏感性沉积物在同一地区的相同层位会同时出现，如：在晚白垩世早期反映暖湿气候的油页岩、煤和暖干气候的石膏与灰岩的组合同时出现在内蒙古及东北地区；反映热湿气候的铁质沉积物、暖湿气候的油页岩、干旱–半干旱的钙质沉积物及暖干气候的石膏与灰岩同时出现在晚白垩纪早期的安徽地区和中期江苏地区。因此，在讨论和分析某一区域的气候类型时，要依据其主要的沉积组合类型、分布趋势及周围沉积特征进行综合判断。

3 基于陆相气候敏感性沉积物的气候特征

如图1—图3所示，晚白垩世陆相气候敏感性沉积物分布有以下特征：①油页岩多数分布在晚白垩世早期的内蒙古、黑龙江及吉林地区(晚白垩世中、晚期的内蒙古地区陆相气候敏感性沉积物记录数据缺乏，则无法判断)，少数分布在安徽地区及晚期的湖北地区；②煤大多分布在晚白垩世早期的甘肃地区、内蒙古西部地区及黑龙江地区；③石膏在整个晚白垩世分布广泛，除了吉林、福建以外，其他地区均有分布；④灰岩大多分布在新疆西部、晚白垩世早期的黑龙江地区，少数分布在云南、四川、东部地区；⑤钙质沉积物分布最广，除了少量出现在内蒙古、东北地区，其他地区均有分布；⑥岩盐基本分布在中国东部地区；⑦沙漠出现在晚白垩世早期的四川、云南地区和晚白垩世中期的湖北和湖南地区；⑧火山相关沉积物主要分布在晚白垩世早期和晚期的黑龙江地区和全期的中国东部地区；⑨铁质沉积物主要分布在安徽、江苏地区；⑩含铜沉积主要分布在云南、湖南地区；⑪白云岩主要分布在晚白垩世中晚期的四川地区、晚白垩世早期的江苏和安徽地区。

根据陆相气候敏感性沉积物在图1—图3中的分布特征，大致对中国晚白垩世的古气候划分出7种类型：①暖湿–暖干气候，主要以油页岩(少量煤)、石膏、少量钙质沉积组合为特征。进一步又可细分为2个区，以石膏及灰岩为主划分为A区(偏干)，以油页岩(少量煤)为主划分为B区(偏湿)；②热干气候，主要以钙质沉积、石膏、灰岩、岩盐、白云岩组合为特征。进一步又可细分为2个区，以石膏、灰岩为主的A区(偏干)和以钙质沉积、岩盐为主并伴有铁质沉积和少量油页岩的B区(偏湿)；③热干–干旱气候，主要以钙质沉积和沙漠沉积组合为特征，并伴有少量灰岩沉积；④热干–半干旱气候，主要以钙质、含铜沉积、灰岩组合为特征；⑤热干–热湿气候，主要以钙质、煤及铁质沉积组合为特征；⑥热干–暖湿气候，主要以钙质沉积为特征，并含有少量的铁质沉积、油页岩、石膏及灰岩；⑦热干–暖干气候，主要以钙质沉积及铁质沉积为特征，并含有少量的灰岩。另外，以雅鲁藏布江为界的西藏南部地区主要为潮湿的亚热带、热带海域，无陆相沉积，因此，本文不讨论其气候带。

图1 晚白垩世早期陆相气候敏感性沉积物与气候分布

图2 晚白垩世中期陆相气候敏感性沉积物及气候分布

图3 晚白垩世晚期陆相气候敏感性沉积物及气候分布

3.1 晚白垩世早期

在晚白垩世早期(图1)，暖湿–暖干气候带主要分布在内蒙古、东北部、甘肃及青海的东部，并分为A区(偏干)及B区(偏湿)，内蒙古东部地区虽缺乏陆相气候敏感性沉积物记录的数据，但是内蒙古西部及中国东北部均以油页岩(少量煤)、石膏、少量钙质沉积物组合为特征的暖湿–暖干气候，因此，根据演化趋势推断内蒙古东部地区为暖湿–暖干气候带。热干气候带分布最广，基本覆盖了中国西部地区及东部地区，并将新疆西部、北部、中部、南部地区，青海西部及南部，西藏北部、中部地区分为A区(偏干)，河北南部至广东、广西地区分为B区(偏湿)。热干–干旱气候带主要分布在青海东南部，甘肃、陕西、山西南部，河南中西部，湖北西部，贵州西部，重庆，四川地区，并以雪峰山及其西侧武陵山脉、东南部南岭和太行山为东部边界。热干–半干旱气候带主要出现在云南。热干–热湿气候带主要出现在海南。雅鲁藏布江为界的西藏南部地区为潮湿的亚热带、热带海域。

3.2 晚白垩世中期

与晚白垩世早期相比，中期气候带分布样式具有明显差异(图2)。热干–半干旱气候带向北扩张，基本覆盖了西藏及中国南部地区。相对而言，中国东部和西部的热干气候带都向北收缩，但四川、重庆、河南、陕西等区域的热干–干旱气候带消失，转变为热干气候，内蒙古自治区大部分区域也由暖湿–暖干带变为热干气候，总体来说，热干气候带扩大。江苏南部、安徽东部和浙江省北部出现局部热干–暖湿带。暖湿–暖干气候带分布在东北一带。以雅鲁藏布江为界的西藏南部地区依然为潮湿的亚热带、热带海域。由于青海、甘肃西部、内蒙古西北部及海南地区缺乏陆相气候敏感性沉积物记录的数据，本文未对其划分气候带。

3.3 晚白垩世晚期

晚白垩世晚期气候带分布样式与中期有一定的相似性，但热干气候带范围进一步变广，从新疆地区一直贯穿到东南部江西及福建地区。相对而言，热干–半干旱气候带范围向南缩小，但向西北延伸，从新疆西部至东南部广东地区。原先分布在黑龙江和吉林地区的暖湿–暖干气候带缩小，仅分布于黑龙江地区。另外，在江苏南部、安徽东部和浙江省北部的局部热干–暖湿带变成热干–暖干带。雅鲁藏布江为界的西藏南部地区依然为潮湿的亚热带、热带海域。同样，内蒙古西北地区、甘肃及新疆北部、海南等地，由于缺乏陆相气候敏感性沉积物记录的数据，本文未对其划分气候带。

4 讨论

本文将晚白垩世分为早、中、晚3个时期气候，进行了详细具体的描述，并划分了7种气候类型(暖湿–暖干气候、热干气候、热干–干旱气候、热干–半干旱气候、热干–热湿气候、热干–暖湿气候及热干–暖干气候)。通过分析发现，晚白垩世南部与中部的热干气候带随着时间的推移有明显的向北扩展趋势。这一观点与前人[12,51-52]的研究成果具有相似性，其认为我国大范围处于热带、亚热带干旱气候带，并且南方地区的热带、亚热带干旱气候带明显向北扩张。

通过分析晚白垩世陆相敏感沉积物的分布特征发现，火山沉积物、沙漠沉积物、岩盐和灰岩在晚白垩世早期的分布最多，中晚期逐渐变少，反映出晚白垩世早期温度最高，随后温度不断降低直至延续到晚白垩世末期。这与前人[52-54]的研究成果具有一致性，这些学者通过分析古海洋气候资料发现，白垩世气候可分为3个阶段：早白垩世(Berriasian-Barremian) 低温气候、中白垩世(Aptipan-Turonian) 温室气候及晚白垩世(Coniacian-Maastrichtian)冰室气候，表明白垩世中期(Aptipan-Turonian) 温度达到最高。同时，H. C. Jenkyns等[55]和L. J. Clarke等[56]的研究成果也佐证了这一观点，其认为Turonian期是整个白垩纪温度最高的时期，晚白垩早期之后，全球气候温度不断降低。晚白垩世早期温度最高的原因可能与大火山岩省和洋壳的剧烈活动有关，原因是火山活动导致大量CO2进入大气圈，可导致地表气温升高[57-58]。有相关研究表明，在晚白垩世早期洋壳生产率可达5.7×107km3/Ma[59]，洋壳的生产面积是正常生产面积的1.8倍，被认为是超地幔柱强烈活动期，导致了火成岩省大规模出现[60-63]，如：95～93 Ma的印度洋Caribbean海底高原、95～ 85 Ma的印度洋Kerguelen中部高原及96～84 Ma再次活动的Ontong Java高原。

造山带或重要的构造带对古气候有重要的影响[14]，通过气候敏感性沉积物划分气候带时要考虑其影响作用。赵锡文[17]、余静贤[64]等在研究中国晚白垩世古气候时，就曾参考构造带的影响对古气候带进行了划分。本文参考中国晚白垩世主要沉积盆地及山脉分布(图4)对中国白垩纪气候带进行划分，将雪峰山、武陵山脉[65](92～72 Ma)、南岭(146.4～ 94.1 Ma，南岭中段的骑田岭岩体在135.4～94.11 Ma期间隆升幅度约4.7 km[66])和太行山作为晚白垩世早期热干带与热干–干旱气候带的分界线；将中–新生代发生阶段性隆起的阿尔金山[67-68]作为晚白垩世中期中国西部地区热干气候带东南段的分界线，这个时间段也正与李海兵等[69]研究认为82 Ma阿尔金断裂走滑引起的阿尔金山与祁连山一定规模的隆升事件相对应。

中国的东南地区受太平洋暖湿气流影响，应以湿润为主，但如图1—图3可知，大陆基本是以钙质沉积物、灰岩、石膏及少量的岩盐为主，表现为热干气候，这可能与中国东南沿岸山脉有密切的关系。这一观点与陈丕基[11]的研究具有一致性，其认为晚白垩世早期由于印度、太平洋板块向北、西俯冲，丽水–海丰大断裂开始活动，浙闽粤东部地区迅速上升为沿岸山系，根据陈云华[70]对晚白垩世早期海岸山脉的推算，当时海岸山脉至少达到2 500 m，很有可能阻碍东来的太平洋暖湿气流。但在晚白垩世早期，中国的南部地区出现油页岩及铁质沉积物，为此，同为干旱气候带划分出了热干–B区，显示偏湿，这说明晚白垩世早期，中国东南沿岸山脉还不能完全阻挡太平洋暖湿气流，这一推断也被晚白垩世早期福建省闽南平和与云霄地区石帽山群上亚群底部的炭质页岩、煤线及松柏类植物化石[71-72]所证实。晚白垩世早期之后，在中晚期的江苏南部、安徽东部和浙江北部地区几乎没有油页岩和铁质沉积，基本都以钙质沉积物和石膏为主，显示东南地区气候进一步干旱化，由此可以推测，中国东南沿岸山脉在晚白垩世早期依然处于隆升阶段，早期之后海岸山脉的高度增加，成为巨大的气候带屏障。地球系统的各个圈层都是相互作用，相互影响的，影响气候的因素也都是相辅相成的。大规模火山运动、磁场的变化、大洋大规模的缺氧事件、生物种群的变化、海侵事件的发生、地质构造背景的变化等都对气候有巨大影响，同时也可能是气候发生变化的结果。要想更深入细致地重建中国古气候，还需要开展进一步研究：①对于陆相气候敏感性沉积物缺乏地区，需结合其他古气候指示剂(古生物化石、动物遗迹化石、微量元素等)及来自海洋的资料进行对比研究；②详细讨论晚白垩世古构造、古地形高差及古地磁的变化以及与古气候的相互关系；③结合当时全球地层系统的变化详细讨论不同时期气候的控制因素。

JY—嘉荫盆地；SL—松辽盆地；NH—南华北盆地；HF—合肥盆地；SB—苏北盆地；HH—南黄海盆地；JH—江汉盆地；YM—沅(陵)麻(阳)盆地；SC—四川盆地；CX—楚雄盆地；TL—塔里木盆地；ZG—准噶尔盆地；TH—吐哈盆地；YE—银额(银根—额济纳旗)盆地；EL—二连盆地；F1—依兰–伊通断裂；F2—敦化–密山断裂；F3—阿尔金断裂；F4—金沙江红河断裂；F5—班公–怒江缝合带；F6—郯庐断裂带；F7—龙门山断裂；F8—赣州–杭州断裂带

5 结论

a.晚白垩世陆相气候敏感性沉积物分布具有以下特征：①油页岩多数分布在晚白垩世早期的内蒙古、黑龙江及吉林地区；②煤大多分布在晚白垩世早期的甘肃、内蒙古西部及黑龙江地区；③石膏在整个晚白垩世分布广泛；④灰岩大多分布在新疆西部、晚白垩世早期的黑龙江地区，少数分布在云南、四川、东部地区；⑤钙质沉积物除少量出现在内蒙古、东北地区外，其他地区均有分布；⑥岩盐基本分布在中国东部地区；⑦沙漠出现在晚白垩世早期的四川、云南地区和晚白垩世中期的湖北和湖南地区；⑧火山相关沉积物主要分布在晚白垩世早期、晚期的黑龙江地区和全期的中国东部地区；⑨铁质沉积物主要分布在安徽、江苏地区；⑩含铜沉积主要分布在云南、湖南地区；⑪白云岩主要分布在晚白垩世中晚期的四川地区、晚白垩世早期的江苏和安徽地区。

b. 利用陆相气候敏感性沉积物蕴含的气候信息和分布组合特征，将中国晚白垩世气候划分为7种类型：暖湿–暖干、热干、热干–干旱、热干–半干旱、热干–热湿交替、热干–暖湿、热干–暖干气候。

c.在晚白垩世早期，热干气候带分布最广。在早、中晚期，热干气候带范围逐渐变广并且从中期以后，东西贯通，基本覆盖新疆至中国东部；热干–半干旱气候带呈NW—SE近纬度分布，从新疆西部至江西及福建地区。从古气候带的分布特征来看，中国晚白垩世主要以热干气候带为主。

d.中国白垩纪晚期陆相气候敏感性沉积物分布及气候的变化与中国区域构造活动有密切的关系，晚白垩世早期的中国东南沿岸山脉处于隆升阶段，但不能完全阻挡太平洋暖湿气流，导致晚白垩世早期，中国南部地区还有油页岩及铁质沉积物的出现。

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Distribution characteristics and paleo-climatic significance of continental climate-sensitive sediments in the Late Cretaceous in China

XU Bin1, XIANG Fang2, LI Shuxia3

(1. Hebei State Key Laboratory of Mine Disaster Prevention, North China Institute of Science and Technology, Beijing 101601, China; 2. State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China; 3. School of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China)

The Cretaceous is a typical period for studying the greenhouse climate and the earth system interactions, and the world's most extensive terrestrial strata are mainly in East Asia, especially in China. Continental sediments can effectively reflect the paleo-climate change, but the previous studies of the Late Cretaceous paleo-climate, based on the combined characteristics of continental climate-sensitive sediments, were barely found in China. To obtain the Late Cretaceous paleo-climate characteristics of China, the distribution characteristics of different continental climate-sensitive sediment types in the early, middle and Late Cretaceous in China were studied in detail. According to the distribution and combination characteristics and types of continental climate-sensitive sediments, seven climate types can be divided: 1) warm-humid and warm-dry climate; 2) hot and dry climate; 3) hot-dry and arid climate; 4) hot-dry and semiarid climate; 5) hot-dry and hot-wet climate; 6) hot-dry and warm-humid climate; 7) hot-dry and warm-dry climate. The results show that in the early Late Cretaceous, the hot and dry climate was the most widespread, followed by warm-humid and warm-dry climate, but the climate was drier than the paleo-climate of the previous study of Early Cretaceous. Hot and dry climate zone became wider in the Coniacian and Maastrichtian; furthermore, it covered Xinjiang to the east of China from east to west after the Santonian Period. The hot-dry and semiarid climate zone was nearly latitudinally distributed from the northwest to the southeast and it shows a further increase in aridification. Global geological events, paleogeographic features and regional tectonic evolution had significant impacts on the paleoclimate of China in the Late Cretaceous, such as global eruptive events of volcanoes led to the temperature increase in China in the early Late Cretaceous; coastal mountain ranges in southeastern China led to the drying of the Late Cretaceous climate in southern China; Xuefeng Mountains, Wuling Mountains, Nanling Mountains and Tai-hang Mountains were the dividing line between the hot and dry climate zone and hot-dry and arid climate zone in the early Late Cretaceous, and Altun Mountains were the dividing line between the southeastern section of the hot and dry climate zone in western China in the middle Late Cretaceous.

Late Cretaceous; continental; climate-sensitive sediments; China; climate type; influence factor

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P532

A

1001-1986(2021)05-0190-10

2021-03-25；

2021-08-18

国家自然科学基金项目(41572093)；中央高校青年教师基金项目(3142020002)；中央高校基本科研业务费资助项目(3142021004)

徐斌，1988年生，男，湖南邵阳人，博士，讲师，研究方向为地质灾害及其防治对策. E-mail：jinzigaofeng@126.com

向芳，1974年生，女，四川成都人，博士，教授，研究方向为沉积学. E-mail：xiangf@cdut.edu.cn

徐斌，向芳，李树霞. 中国晚白垩世陆相气候敏感性沉积物分布对古气候指示[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(5)：190–199. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.021

XU Bin，XIANG Fang，LI Shuxia. Distribution characteristics and paleo-climatic significance of continental climate-sensitive sediments in the Late Cretaceous in China[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：00–00. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.021

(责任编辑 范章群)