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苏北盆地兴化1 孔元素反映的中更新世以来的环境变化 摘要 苏北盆地处于我国东部典型季风区，是连接陆地和海洋的关键性区域，重建该地 区古气候演变历史，对认识东亚季风变迁的过程、规律具有非常重要的意义。本文通 过湖泊沉积学、地球化学对方法对取自该地区兴化钻孑l 上部8 6 5m 3m 的岩芯进行 分析，得出以下结论： ( 1 ) 聚类分析表明元素可分为四大类，元素的r 型因子分析显示：t i 、g a 、r b 、 y 、z r 、n b 、h f 、s i 0 2 、a 1 2 0 3 、p 、m n 、z n 、a s 、b r 、s r 、m g o 、c a o 、n a 2 0 等元 素及氧化物受物源的影响很大。直接体现了物源区化学风化作用的强度；z r 、h f 、v 、 c o 、n i 、c u 、z n 、g a 、a s 、r b 、f e 2 0 3 ，a h 0 3 、k 2 0 等元素及氧化物与粘土的含量 直接相关，可能与成岩过程中元素的再分配相关；f e 2 0 3 、p 、m n ，则可能与生源沉积 有关，f e 2 0 3 、m n o 一般形成于浅水氧化环境。对样本的q 型因子分析，可以定性地区 分出暖湿与于冷环境。 ( 2 ) 苏北盆地c a o ( m g o * a 1 2 0 3 ) 的高值、r b s r 低值指示高温气候，风化作用 较强的时期，低值相反。s f f b a 高值指示盐度相对较大的时期，反映高温风化速率较强 的时期，低值相反。s i 0 2 a 1 2 0 3 值指示风化成壤作用。z r r b 值低反映了样品中含有较 多的粘土矿物，化学风化作用强。东部季风区的敞流性湖泊的地球化学指标的气候意 义与黄土和干旱区湖泊有一定的差异。 ( 3 ) 在苏北兴化l 孑l 上部8 6 5m 的r b s r 、c a o ( m g o * a 1 2 0 3 ) 、s r b a 、s i 0 2 a 1 2 0 3 和z r r b 等地球化学指标的变化具有高度一致性，并与岩性、磁化率及孢粉等记录取 得了很好的对比，这说明地球化学指标对气候变化的指示作用。经过分板显示，8 7 m 的深度范围内大致可划分为5 个气候阶段，经历了暖湿冷干阶段一以暖湿为主的气候 阶段一气候波动频繁阶段一暖湿冷干阶段一暖湿冷干阶段的变化过程。 ( 4 ) 7 8 0 k a 以来苏北盆地经历了8 个气候冷暖变化旋回，与l r 0 4 深海氧同位素及 西部黄土粒度组分比值记录有良好的对比。但是苏北盆地在m i s 9 m i s l l 阶段的气候 变化在持续时间长短及强度上与深海氧同位素和黄土存在差异，可能显示区域的特殊 性。 ( 5 ) 对元素指标7 8 0k a 以来的功率谱分析表明，2 0k a 的岁差周期相当显著，说 明其积极响应于低纬驱动。 关键词：苏北翁地，兴化钻孔，中更新世，地球化学指标 e l e m e n tr e c o r d so fe n v i r o n m e n t c h a n g ei nt h ep a s t7 8 0 k af r o mt h e n o ，1b o r e h o l es e d i m e n t so f x i n g h u a ，n o r t h e r nj i a n g s ub a s i n ，c h i n a a b s t r a c t n o r t h e r nj i a n g s ub a s i nl i e si nt h et r a n s i t i o n a l r e g i o nt h a tb e t w e e nt h eo c e a na n d c o n t i n e n ta n di t sc l i m a t ei sd o m i n a t e db yt h ee a s ta s i a nm o n s o o ns y s t e m u s i n ge l e m e n t a l g e o c h e m i c a ls t u d i e st or e c o n s t r u c tt h ee v o l u t i o nh i s t o r yo fp a l e o c l i m a t ei nt h i sr e g i o nw i u p r o v i d eas i g n i f i c a n tf u r t h e ru n d e r s t a n d i n go ft h ep r o c e s s ，r u l eo ft h ee a s ta s i a nm o n s o o n a d r i l l i n gc o r eo f3 5 0ma tx i n g h u ai nt h eb a s i nw a sr e c o v e r e dt or e c o n s t r u c ti t s e n v i r o n m e n te v o l u t i o nh i s t o r y w ec h o o s et h eu p p e rp a r tf r o m3mt o8 6 5mf o re l e m e n t a l g e o c h e m i c a ls t u d i e sa n dt h ec o n c l u s i o n sg a i n e da r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a l lt h ee l e m e n t st h a tm e a s u r e dc a l lb ed i v i d e di n t of o u rc a t e g o r i e sb a s e do i lt h e h i e r a r c h i c a lc l u s t e ra n a l y s i s t h erf a c t o ra n a l y s i ss h o w st h a t ：t i ，g a ，r b ，yz r , n b ，h f , s i 0 2 ，a 1 2 0 3 ，p ，m n ，z n ，a s ，b r , s r , m g o ，c a oa n dn a 2 0a r em o s t l yr e l a t e dt ot h e p o v e n a n c eo fs o u r c er o c k sw h i c hw a sd i r e c t l yc o n t r o l l e db yt h ec h e m i c a lw e a t h e r i n g i n t e n s i t y ；z r , h f , v ，c o ，n i ，c u ，z n ，g a ，a s ，r b ，f e 2 0 3 ，a 1 2 0 3 ，a n dk 2 0c a l lr e f l e c tt h e c o n t e n to fc l a yw h i c hi sp o s s i b l yr e l a t e dt ot h ee l e m e n tr e d i s t r i b u t i o ni nt h ep r o c e s so f d i a g e n e s i s ；f e 2 0 3 ，pa n dm nc a l lr e c o r dt h ep a l e o p r o d u c t i v i t ya n df e 2 0 3 ，m n oa r eu s u a l l y f o r m e du n d e rt h ec o n d i t i o no f 甜l i t t o r a la n do x i d a t e de n v i r o n m e n t w a r m h u m i da n d c o l d - d r ye n v i r o n m e n tc a nb e e nq u a l i t a t i v ei n d i c a t e db yqf a c t o ra n a l y s i s ( 2 ) 1 1 1 eh 碘c a o ( m 9 0 4a 1 2 0 3 ) r a t i oa n dl o wr b s rr a t i oc a ns e r v ea sp r o x i e sf o rt h e h i g ht e m p e r a t u r ea n d1 1 i g hp r e c i p i t a t i o n ，i n d i c a t i n gs t r o n gw e a t h e r i n gp e r i o d h i 曲s r b a r a t i oc a nr e f l e c tt h ew a t e rw i t l lh i 曲s a l i n i t ya n di n d i c a t i n gah i g hc h e m i c a lw e a t h e r i n g i n t e n s i t y t h es 1 0 2 a 1 2 0 3r a t i oi sap r o x yo ft h ep r o c e s so fw e a t h e r i n ga n dd e v e l o p i n go f p a l e o s 0 1 t h ez r r br a t i oi sr e l a t e dt ot h ec o n t e n to fc l a y t h ec l i m a t i ci m p l i c a t i o n so ft h e e l e m e n t sp r o x i e si nt h en o r t h e r nj i a n g s ub a s i na r ed i f f e r e n tf r o mt h o s ei nt h el o e s sa n d l a k e st h a tl o c a t e di nw e s t e r nc h i n a ( 3 ) r b s rr a t i o ，c a o ( m g o + a 1 2 0 3 ) r a t i o ，s r b ar a t i o ，s i 0 2 a 1 2 0 3r a t i oa n dz r r br a t i o i nt h eu p p e rp a r to f t h ec o r en o to n l yh a v et h es a m ec h a n g i n gt r e n da m o n gt h e m s e l v e s ，a n d t h e ya l s oa r ec o r r e l a t e dw e l lw i t ht h el i t h o l o g y , s u s c e p t i b i l i t y , a n dp o l l e nr e c o r d so ft h e s a m ec o r e ，w h i c hi n d i c a t et h a tt h ee l e m e n tp r o x i e sc a nb e u s e dt or e c o n s t r u c tt h e e n v i r o n m e n t ，t h eg e o c h e m i c a lp r o x i e si nt h eu p p e r8 7 md e p t ho ft h ec o r ec a nb ed i v i d e d i n t o 5b i gp h a s e sa n dt h en o r t h e r nj i a n g s ub a s i nh a v ew e n tt h r o u g haw a m l h u m i dt o c o l d d r yp e r i o d ，w a r mp e r i o d ，o s c i l l a t i n gp e r i o da n d t w o w a r m h u m i dt oc o l d d r yp e r i o d s ( 4 ) 8c o l d w a r r r lc y c l e sc a nb ei d e n t i f i e df r o mt h ec h e m i c a lr e c o r d si nt h ep a s t7 8 0 k a i i w h i c ha r ec o r r e l a t e dw e l lw i t ht h el r 0 4m a r i n e # s or e c o r da n dt h eg r a n u l a r i t yr a t i oo ft h e 1 0 e s si nw e s t e mc h i n a b u tt h e i rd i f f e r e n c e so fd u r a t i o na n di n t e n s i t yo fc l i m a t ev a r i a t i o n d u r i n gm i s 9t om i s 11m a yr e f l e c tt h er e g i o n a le n v i r o n m e n tc h a r a c t e r i s t i c ( 5 ) t h es t r o n gp r e c e s s i o nc y c l ei sf o u n di na l io f t h eg e o c h e m i c a lp r o x i e s ，i n d i c a t i n g al o wl a t i t u d ei n f l u e n c eo nt h ee a s ta s i a nm o n s o o n k e yw o r d s ：n o r t h e r nj i a n g s ub a s i n ，x i n g h h ab o r e h o l e ，m i d p l e i s t o c e n e ，e l e m e n t r e c o r d s n i 图1 - 1 图2 - 1 图2 2 图2 - 3 图3 - 1 图3 - 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图4 - 1 图4 - 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 6 图4 - 7 图4 - 8 图4 - 9 图4 1 0 图4 - 1 1 图4 - 1 2 图4 - 1 3 图5 - 1 图5 - 2 图5 - 3 表3 - 1 表4 - 1 表4 2 表4 - 3 表4 - 4 表4 5 表4 - 6 表4 7 表4 - 8 表5 - 1 图表目录 论文研究路线及论文框架图6 苏北盆地兴化钻孔位置图7 苏北盆地水系特征图( 据江苏省地图集，1 9 7 8 ) 9 高邮凹陷构造区划图( 据施泽进等，1 9 9 6 绘制) 1 0 兴化孔岩性剖面图1 1 苏北兴化1 孔上部8 7 m 的沉积相分析1 6 年代控制点1 8 调谐后的g r 曲线与e p t 9 0 a 曲线年龄对比1 9 兴化1 孔“轨道调谐”时间标尺1 9 兴化1 钻孔深度一年代示意图2 0 元素聚类图2 5 第一类元素按深度分布图2 6 第二类元素按深度分布图一2 6 第三类元素按深度分布图2 7 第四类元素按深度分布图2 8 r 型因子载荷散点图3 1 q 型因子载荷散点图3 3 r b ，s r 含量和r b s r 图3 5 c a o ，m g o ，a 1 2 0 3 ，含量和c a o ( m g o * a 1 2 0 3 ) 图一3 6 s r 、b a 含量和s r b a 图3 7 s i 0 2 、a 1 2 0 3 含量和s i 0 2 a i z 0 3 图3 8 z r 、r b 含量和z r r b 图3 9 元素比值与岩性、粒度的对比，4 1 元素比值与岩性、粒度、磁化率及孢粉的对比4 4 兴化地球化学元素指标记录与黄土粗细粒度比及l r 0 45 1 8 0 的对比4 7 各指标功率谱分析4 9 兴化1 钻孔古地磁极性事件年龄对比2 0 各元素值比较2 2 兴化1 孔地球化学元素及氧化物相关系数矩阵2 3 r 型分析k m o 检验与b a r l e t t s 球度检验结果2 9 r 型各因子贡献率表2 9 r 型因子荷载矩阵3 0 r 型因子得分系数矩阵3 2 q 型各因子贡献率表3 3 兴化钻孔q 型因子分析f 1 、f 2 典型样品3 4 苏北盆地7 8 0 k a 以来的气候变化。4 5 岩性柱图例 粒度图例 e 三 粘土巨蜀粉砂质粘土 固淤泥翟翌含砾粘土 口砂围粉砂 e i 羽粘土质粉砂 l 粘土 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已 经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了 谢意。 作者签名：姜查：塑 日 期：垄雯 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名：茎量! 虫作者签名：蒸立! ! i 日 期：望丑：! 第l 章前言 第1 章前言 第1 节选题的依据和意义 l 国内外中更新世以来全球气候变化的研究进展 关于中更新世的开端目前国内外比较认可的方案是从磁性地层学上一般定为 b m 界线开始，年龄为o 7 8 m a b p 。在中国黄上地层b m 界线位于l 8 的中下部 ( j e a n p i e r r e 等，1 9 9 7 ) 。中更新世期间全球发生了数次显著的气候转型。一次是中更 新世气候转型( m i d p l e i s t o c e n ec l i m m i ct r a n s i t i o n ，m p t ) 即在中更新世时，全球气 候的主导周期从早更新世的4 1 k a 转变为此后的l o o k a 周期。与此气候转型相对应， 全球冰量在这一时期增加了约1 5 ，这一事件被称为“中更新世革命”( r u d d i m a n w fe ta 1 ，1 9 8 9 ；b e r g e rwhe ta 1 ，1 9 9 4 ) 。中更新世转型是一次缓慢的过程，它开始于 0 9 m a b p ( m i s 2 3 2 2 ) 左右，在o 7 o 6 m a b p f m i s l 7 ，1 6 ) 时以快速变化结束。中更 新世气候转型之后，l o o k a 周期成为气候的主导周期。另一次显著的气候转型发生于 0 4 3 m a b p ，被称为“中布容世事件”( m i d b r u n h e se v e n t ，m b e ) ，大致与m i s l 2 到 m i s l l 的t e r m i n a t i o nv 阶段相当。自m b e 以后，全球冰量的变化增强，并发生了4 次以l o o k a 为主导周期的变幅较大的冰期一间冰期旋回( e p i c ac o m m u n i t y m e m b e r s ， 2 0 0 4 ) 。 在驱动机制上，尽管m i l a n k o v i t c h 理论在解释新生代气候在空间和时间上的变化 的许多方面取得了成功，但气候变化中的一些问题依然存在，难以用轨道因素来解释。 m i l a n k o v i t c h 理论中严重的困难在于辐射变化显得太小而难以驱动全球气候。在轨道 时间尺度上，南北半球的太阳辐射不同步，而气候变化却基本是同步的。全球冰量在 中更新世约1 2 m a b p 时发生转型的征兆，而太阳辐射此时几乎没有发生变化。而且， 太阳辐射与相应的全球气候记录的变化强度不成比例。在深海记录中，4 0 0 k a 左右 f m i s l l ) 和现在是相当温暖的时段，但太阳辐射却较弱，偏心率的调整几乎为零。 m i s l 2 1 1 和m i s 2 1 转变过程中，温度的变化是非常显著的，但太阳辐射变化相对其 它终止期反而要小得多( 如m i s 6 5 ) ；而在m i s l 4 1 3 的太阳辐射较t i 和t i v 显著，全 球冰量( 温度) 的变化却不大。这说明太阳辐射不是气候变化幅度的唯一调节者( i m b f i e je ta 1 ，1 9 8 4 ) 。同时，中国黄土高原黄土地层( 如d i n ge ta l ，1 9 9 5 ) 和南中国海底 栖有孔虫6 ”o 记录( y i a ne t a l ，2 0 0 2 ) 揭示了北半球高纬冰量变化对东亚季风气候的 主导控制作用。模式和观察研究表明：低纬季风气候变化主要受低纬太阳辐射控制， 岁差尺度的季风气候变化旋回可能独立于1 0 万年周期的冰量旋回( c l e m e n t e t a l ，2 0 0 4 ) 。 中更新世以来中国的环境也发生了巨大的变化。据李吉均等( 1 9 9 8 ，1 9 9 9 ) 研究 揭示，青藏高原的昆仑一黄河运动( 1 2 m a b e 、0 8 m a b p 和o 6 m a b p ) 使高原多数 第1 章前言 地面达到3 0 0 01 t 1 或更高，许多地方冰期进入冰冻圈，这对东亚季风的加强起着很重要 的作用，中更新世气候转型可能与此有关；发生于0 1 5 m a b e 的共和运动使高原达到 现代高度，气候变冷变干。薛滨( 1 9 9 8 ) 对若尔盖盆地和柴达木盆地的研究显示在 7 8 0 k a 4 8 0 k a 两盆地均以湿润气候为主；4 8 0 1 6 0 k a 均趋冷趋干；1 6 0 0 k a 又均表现 为干旱的特点。宿星( 2 0 0 6 ) 对柴达木盆地的研究显示中更新世以来经历了6 次较大 的阶段，且气候在波动中变干变冷，其中6 次显著的气候变冷事件均与青藏高原的隆 升密切相关。河北泥河湾盆地( b m 以来) 的地磁场相对强度记录与海洋沉积物的地 磁场相对强度记录具有很好的一致性( 王永，2 0 0 4 ) 。陈骏( 1 9 9 8 ) 等对洛川i 黄土r b s r 指标的研究也显示的在近1 0 0k a 尺度上存在与深海相似的冰期一闻冰期旋回，而且在 冷暖期的双向转换形式上也呈现出冷期向暖期的快速转换和暖期逐渐向冷期过渡的 特征。除黄土外，近年来对东亚季风的研究中，南海又成为研究东亚季风的海洋基地， 特别是大洋钻探o d p i l 4 8 航次的实行提供了研究东亚季风长期演变的机会( 邵磊， 2 0 0 4 ；王汝建，2 0 0 1 ) 。 2苏北盆地概况及研究现状 我国独特的地理条件孕育了黄土、湖泊、山麓、河流和边缘海等海陆沉积、记 录了大陆风化作用、高原隆升过程及东亚季风系统演化的重要信息：成为古环境变迁 研究的宝贵材料。苏北盆地及邻区地处江淮下游地区，是东亚季风气候影响显著的区 域，海一陆一气相互作用明显。中更新世以来，苏北盆地气候环境如何响应于全球气候 及区域变化很值得研究。 在苏北箍地和邻区开展的研究工作，为后期研究打下了工作基础。在苏北盆地 周缘的山东半岛、江苏沿江地带和安徽北部进行了黄土研究，以及在安徽、江西等地 进行了网纹红土研究，并且开展了与黄土高原、与深海记录的对比，认为这些风尘堆 积的形成是大气环流发生重大调整的结果( 刘东生，19 8 5 ；邬光剑等，2 0 0 2 ；安芷生 等，1 9 8 9 ；d i n g z l e t a l ，1 9 9 4 ；薛滨等，1 9 9 7 ；黄麒，1 9 9 0 ) 。苏北南黄海盆地的海 上部分也进行了多个钻孔的研究工作，通过吉地磁测试建立了磁性地层，根据孢粉分 析、碳酸盐分析、磁化率等环境代用指标的分析，建立南黄海近岸浅海区域奥杜威极 性事件以来的气候环境变化序列。赵松龄等( 1 9 8 7 ) 对苏北盆地内的7 个钻孔沉积物 进行了磁性地层的研究，重建了苏北盆地西北部和滨海平原地带的地层的沉积情况。 苏北盆地兴化l 孔是2 0 0 2 年南京师范大学钻取的3 5 0 米深钻孔，古地磁测试表 明底部达到了约3 2 m a 。已有舒强( 2 0 0 5 ) 、卫艳( 2 0 0 5 ) 、萧家仪( 2 0 0 5 ) 、王丹( 2 0 0 5 ) 等分别从粒度、磁化率、孢粉、碳酸盐、色度等指标先后开展了研究。本文拟从元素 地球化学角度对7 8 0 k a 以来的气候环境进行研究。 3元素指标的应用 元素地球化学的基本任务是阐明周期表中每个元素在地球各部分以及宇宙天体 中的分布分配状况，在各种地质作用过程中的性状，同其它元素的结合、迁移、集中 第1 章前言 和分散的规律和原因、形成矿床的条件及在各类她质体中的存在形式，完整地了解每 个元素在自然界活动和演化循环的历史，它在找矿勘探、矿石综合利用和环境保护、 海洋开发、农业、土壤等方面，都有着十分重要的意义( 刘英俊，1 9 8 4 ) 。 沉积岩或沉积物，如页岩、黄土等，其化学成分常用来估计地壳的组成，推断地 质构造时间，指示古气候变化( s a w y e r ，1 9 8 6 ；n e s b i t ce ta l ，1 9 9 6 ；n e s b i t c & y o u n g ， 1 9 9 6 ) 。因此对沉积岩化学成分的研究，越来越受到人们的重视。一般来说，沉积岩 的化学成分受四个方面因素的影响：原岩的物质组成，原岩在源区的风化作用，沉积 物在搬运迁移中的分选作用，以及沉积后的化学风化、成岩和变质作用( b a u l u z ，e t a t ，2 0 0 0 ；s a w y e r ，1 9 8 6 ) 。因此，剖析各种作用对沉积岩化学成分的影响，成为应用 沉积岩与沉积物的化学成分来分析地质过程的关键。在冰期或冷期地表温度较低，降 雨量较少，不利于元素的化学风化和以溶解离子形式迁移，该期形成的沉积物大体保 持着物源区母岩的元素地球化学特征，在间冰期或暖期地表温度较高，降雨量较大， 有利于元素地球化学风化并以溶解离子形式迁移，因而该期形成的沉积物化学组分的 变异较大。 近年来，许多研究者利用黄土、边缘海等海陆沉积物的元素组成变化来反映古气 候变迁，取得了较好的效果。如在南海海区，一些研究也显示出元素地球化学具有指 示季风演化的巨大潜力，如德国w e b a u s e n 和b r u n s a k ( 2 0 0 2 ) 等高分辨率地研究了南 海北部1 1 4 5 站上新世晚期( 3 2 2 5 m a ) 的深海沉积物的元素含量与东亚季风的变化 关系，发现k s i 比值曲线与北纬6 5 度的太阳辐射强度变化几乎完全同步，反映了东 亚季风演化与轨道驱动的关系。s a w y e r ( 1 9 8 6 ) 在研究加拿大s u p e r i o r 地区q u e t i c o 变质沉积岩的化学组成时发现，除了源区的物质组成外，化学风化造成沉积物c a 0 含 量降低，n a 2 0 c a o 、k 2 0 n a 2 0 、r b k 2 0 、s r c a o 等比值上升；而水的分选作用强烈 影响单个具体样品的化学组成，颗粒较粗的变质硬砂岩富石英、长石和重矿物，并造 成s i 0 2 、c a o 、n a 2 0 、s r 、l r e e 、z r 和h f 等元素富集，而变质泥砂岩则富粘土矿 物，并相应地富集t i 0 2 a 1 2 0 3 t f e o 、m g o 、k 2 0 、c r 、z n 、s c 、y 、h r e e 、c s 和 r b 等元素。n e s b i t t 等分析了化学风化作用极强地g u y sb i 曲t 湾的沉积物，发现分选 作用使铁、镁质矿物在粉砂、泥等细粒级中富集( n e s b i t ce ta l ，1 9 9 6 ；n e s b i t t & y o u n g ， 1 9 9 6 ) 。总的来说，沉积物的元素组成，对化学风化程度的变化反映灵敏。碱金属和 碱土金属如k 、n a 、c a 、m g 和s r 等在化学风化过程中容易被淋滤出来，而a l 、z r 和r b 等则比较稳定而在风化产物中富集。因此，元素比值如n a a i 、r b s r 和f e m g 等常用来反映化学风化程度的变化。 在湖泊沉积物的研究中，元素地球化学方法也得到了很好的应用，因为与湖泊沉 积物化学组成有关的湖泊的水化学条件及湖盆流域的地质地球化学背景和风化作用 强度两因素均与气候密切相关，所以对于物源相对稳定、未受突发性地质事件和强烈 的人为干扰的湖泊，气候变化是决定沉积物化学组成的重要因素( n e s b i t t ，h w e t a l ， 第1 章前言 t 9 8 2 ；n e s b i t t ，h w e t a l ，1 9 8 4 ；r v d i n g l e e t a 1 1 9 9 8 ；gr o m a n r o se ta l ，2 0 0 2 ；陈 敬安，1 9 9 9 ) 。应用元素含量的加和或比值等简单方法可放大元素指标对气候变化的 响应或者消弱各种扰动因素的影响，进而反映区域环境及气候变化过程。 对苏北盆地中更新世以来元素指标反映的气候和环境变化进行探讨，结合其他指 标综合分析，揭示中更新世以来我国东部季风环境系统下的气候环境演变过程与特 征，对全面了解不同地区古季风气候环境变迁的一致性和差异性、更深入分析古季风 环流变迁的效应和机制有着重要的意义。 第2 节研究内容、方法及技术路线 1 研究目标及内容 以两个1 4 c 测年数据、古地磁测定的极性漂移事件及气候地层学方法确定的控制 点进行自动轨道调谐以确定本钻孔b m 界线以来的年代序列。然后以钻孔沉积物为基 本研究材料，通过对其部分地球化学元素含量的测定及分析来探讨这些元素的地球化 学意义及所反映的古环境变化信息，并同已有的黄土记录、深海氧同位素记录进行对 比，简单探讨研究区域气候环境变化特征及驱动机制。 拟解决的关键问题为： ( 1 ) 中更新世以来时标的建立 ( 2 ) 各元素代用指标在苏北盆地的指示意义 ( 3 ) 中更新世以来东亚典型季风区苏北盆地的环境变化过程。 ( 4 ) 初步探讨东部季风区域气候环境变化的驱动机制 2研究方法和手段 ( 1 ) 研究材料的获取：通过收集研究区内的各种钻孔资料，对其进行分析整理。 对上部8 6 51 3 1 以平均3 0c m 的间隔采集2 3 4 个样品，其中地球化学元素样品2 1 5 个， 在采样时尽量选取富含泥质的样品，对粒径 l m m 的颗粒手工去除。 ( 2 ) 沉积地层年代的确定：以两个1 4 c 测年数据、古地磁测定的极性漂移事件及 气候地层学方法确定的控制点进行自动轨道调谐以确定本钻孔b m 界线以来的年代 序列。 ( 3 ) 元素代用指标的实验分析：各全岩样品约取4 9 ，经风干、研磨、过筛、压饼 等程序，由兰州大学西部环境重点实验室x 荧光光谱仪( p w 2 4 0 3 光谱仪) 完成测试 主要氧化物和微量元素，测量误差小于1 0 。 ( 4 ) 气候环境演化序列的建立：对所选元素指标进行聚类及因子分析，分析影响 元素的可能因素，然后在明确各指标的地球化学意义的基础上结合沉积环境及其他环 境代用指标进行综合对比分析，提取气候环境演化信息，并与已经建立的时间标尺进 行对应，建立研究区域的气候环境演化序列，并初步揭示季风区气候环境变化的规律 和特点，探讨东部季风区域气候环境变化与驱动机制。 4 第1 章前言 技术路线见( 图1 - 1 ) 3 可行性分析 钻孔材料是否来源于沉积环境相对稳定、沉积过程连续、具有较高分辨率的沉积 岩芯是保证研究成果质量的关键。苏北盆地在近7 8 0k a 以来沉积环境相对稳定，基本 是以河湖漫滩为主，沉积环境稳定，沉积过程连续，具有较高的分辨率。另外，近年 来收集和分析了大量的区域地质、地层资料，并在研究区内进8 7 7 大量的实际工作， 熟悉区内的地质地层情况，掌握了具有较高分辨率的研究剖面，能够保证理想的研究 材料的顺利获取。为保证岩芯的高采取率和不受人为扰动，钻探采用全新的三套管技 术，砂层采取率在7 0 以上，其余在9 5 以上。钻探、野外编录和测井工作由安徽省 3 1 3 地质队完成。 本钻孔粒度、磁化率、孢粉、碳酸盐等指标的研究表明，本研究材料可以反映沉 积环境及气候变化。元素数据在兰州大学西部环境重点实验室进行测试，仪器稳定， 数据可靠。 4 本题目的创新之处和可预期的创造性成果 ( 1 ) 苏北盆地已进行过多指标的研究，但以前主要采用气候地层学的方法建立年 代标尺。而本文首次进行了轨道调谐的方法建立年代标尺的尝试。 ( 2 ) 研究区地处东亚典型季风区域，地理位置独特，具有鲜明的区域性特征。本 钻孔己用一些常规方法进行了古环境气候的恢复，但尚缺元素化学指标的应用，因此， 各化学指标在兴化具有怎样的意义急需明确，且如何分离出各指标的区域气候变迁和 全球气候变化很重要。 ( 3 ) 本项目的研究对于深入认识典型季风区域背景条件下的气候变化过程与特征， 揭示气候变化的区域性和全球性气候变化信息有着重要的意义。应用大量的数理统计 方法发现主要显示2 万年岁差周期，说明兴化钻孔主要由岁差尺度太阳辐射量变化驱 动。 第1 章前言 图1 - 1 论文研究路线及论文框架图 6 第2 章研究区自然地理概况和钻孔 第2 章研究区自然地理概况和钻孔 第1 节苏北盆地的自然地理概况 1 地理位置 苏北盆地是苏北南黄海盆地的陆上部分，位于江苏中北部，一般指苏北灌溉总渠 以南，京杭大运河里运河段以东，新通扬河以北地区，包括里下河平原和滨海平原两 个部分，面积约3 2 8 0 0 平方公罩( 周宏春等，1 9 8 9 ) 。见( 图2 - 1 ) 图2 - 1 苏北盆地兴化钻孔位置图 2地质地貌 江苏省的地层和地质构造，可以响水、淮安、盱眙一线为界，分为南、北二区。 北区，同我国华北广大地区的地层和地质构造基本一致，形成于太古代，构造比较稳 定，是华北古陆( 或地台) 的组成部分。南区，同云南省东北部以东的长江流域的地 层和地质构造基本一致，形成于元古代，构造已不如北区稳定，是扬子古陆( 或准地 台) 的组成部分。本区位于响水、淮安、盱眙一线以南，是扬子吉陆的组成部分，其 南北以苏南隆起和鲁苏地块为界，西至郯庐断裂，东与南黄海南部坳陷相接，全区由南 北两个次拗陷区，即洪泽湖盐城坳陷与金湖东台坳陷和界于其间的建湖隆起三 部分组成。苏北平原区地处淮河流域下游，绝大部分地区在海拔5 0m 以下，位于里 下河浅洼平原的西部边缘，地形以平原为主，低丘平岗比重不大，地势西南稍高，东 北偏低( 单树模等，1 9 8 6 ) 。 第2 章研究区自然地理概况和钻孔 3 气候特征 地表各地的气候特征是由它的纬度位置、海陆位置、海拔高度、地形条件和大气 环流等因素决定的。江苏省地居中纬度，全省介于北纬3 0 0 4 5 3 5 0 0 77 之间，一年四 季太阳高度角的大小和冬夏二季昼夜长短的变化，都居适中的地位，形成了寒暑变化 显著、四季分明的气候特征，是我国南方的热带、亚热带气候向北方的暖温带、温带 气候的过渡地带。一般的说，以苏北灌溉总渠一线为界，以北的徐州淮安地区属暖温 带湿润、半湿润季风气候，以南的广大地区属亚热带湿润季风气候。本文研究区处在 亚热带北缘与暖温带的交界处。本区气候受季风影响显著，冬季盛行干冷的偏北风， 夏季多刮湿热的东南风，一年四季中，冬长夏次春秋短，春季冷暖多变，夏季炎热多 雨，秋季天高气爽，冬季冷、干；全年平均气温为1 4 9 ，其中1 月份平均温度为 1 6 ，7 月份平均温度为2 7 7 ，气温年较差为2 6 2 ；年平均降水量在1 0 3 2 5 m i l l 左右，全年降水主要集中在5 9 月问；本区的蒸发量一般大于降水量。据有关数 据显示，1 9 5 3 1 9 8 5 年年均蒸发量为1 3 2 2 7n l m ，但由于该区的地表水丰富，尽管蒸 发量超过降水量，也不会造成干旱；无霜期一般在2 3 0 天左右，晚霜或晚霜冻出现在 春季；日照时间长，据省气象情况资料室所载，1 9 5 3 1 9 8 5 年年均目照2 2 0 7 9 2 小时， 占全年可照时数4 4 2 9 1 小时的5 0 。 4 水文特点 江苏省内河网稠密，湖泊众多，大运河沟通南北，对于蓄泄引调、发展水利、航 运事业十分有利。流经苏北盆地的水流主要来自于淮河，淮河自安徽进入江苏后本来 东流直接入海，但是由于历史上黄河改道南下，扰乱了淮北水系，泥沙塞填了淮河下 游河道，淮河水滞积形成洪泽湖。洪泽湖水出路的一支出三河闸、由三河东南流经入 江水道，穿越高邮湖，再经邵伯湖出六闸，然后经运盐河、金湾河、太平河、凤凰河 和新河等水道，汇入芒稻河，经廖家沟达夹江，辗转由三江营注入长江；另一支是出 高良涧，经由苏北灌溉总渠，由扁担港入海：第三条出路是出二河闸，经杨庄水利枢 纽由废黄河到套子口入海；最后一支是由二河闸经杨庄水利枢纽引洪泽湖水北上，经 由淮沭河到沭阳入新沂河，最终入海。苏北盆地还有里运河、通扬运河、新通扬运河、 串场河、通榆运河、榜茶运河，以及射阳河、黄沙港、新洋港、斗龙港、川东港、东 台河、三仓河、东串场河等水道，加之大小不一的几十个湖泊，组成了苏北盆地的水 路交错、密如蛛网的水文水系网络。见( 图2 - 2 ) 5 土壤、植被 苏北盆地在气候上属于北亚热带湿润季风气候带。此气候类型适宜于落叶阔叶与 常绿阔叶混交林的植被类型生长并且发育典型的黄棕壤。但此地现存的植被大多为农 作物，主要有水稻、麦、玉米，乔木类仅人工栽培零星的柳、刺槐、榆、杨、乔木桑、 苦楝、柏树、桧柏、侧柏、中国槐、杏、李、桃、枣、柿、石榴、银杏、毛栗等。除 此之外，苏北盆地东部沿海，受海水的侵渍而形成了滨海平原盐土带以及与其相适应 第2 章研究区自然地理概况和钻孔 的盐土植被带。冲积平原草甸土在苏北盆地内分布广泛，沿江、沿河、沿湖等已经脱 离江、河、湖、塘洪水泛溢影响的冲积平原和阶地都属于这种类型。这种土壤又经过 多年的水稻耕作影响，多已培育成水稻土。苏北盆地地势低凹，积水面积较多，还分 布有一定的形成于长期过渡潮湿环境中的沼泽土和生长于潮湿环境下的湿生、沼生、 水生植被等。 图2 - 2 苏北盆地水系特征图( 据江苏省地图集，1 9 7 8 ) 第2 节钻孔概况 兴化1 钻孔位处兴化市西南角的周庄镇颜家村村口( 1 1 9 0 5 1 7 e ，3 2 0 4 5 7 n ) ，从 构造区划上来说，其处于苏北盆地中沉积最深的一个凹陷高邮凹陷之中。高邮凹 陷是在始新世中期的吴堡运动的基础上发展起来的断陷盆地。凹陷内部发育的北东向 断裂系统又把高邮凹陷切割为三个部分，即南部断阶、中部深坳带和北部斜坡带三个 构造单元。南部断阶是箕状凹陷的陡翼，中部深凹带是夹在真2 号断层和汉留断层之 间的地堑，汉留断层北侧为北部斜坡带( 朱平，2 0 0 1 ) 。兴化1 孔正好处在中部深凹 9 第2 章研究区自然地理概况和钻孔 带，沉积连续，整个钻进深度3 5 0m 。见( 图2 3 ) 图2 3 高邮凹陷构造区划图( 据施泽进等，1 9 9 6 绘制) 1 0 第3 章剖面沉积环境特征及年代序列的建立 第3 章剖面沉积环境特征及年代序列的建立 第1 节岩性及沉积相 1 岩性描述 兴化1 钻孔整体钻进深度为3 5 0m ，沉啄 积物颗粒较细。因本文只对其上部约9 0m 的 元素进行分析，所以只做了钻孔约9 0n l 以上1 0 的岩性描述。这段岩芯以不同颜色的粘土、 粉砂质粘土、粉砂、粘土质粉砂、粉砂、细 砂以