印度中部晚全新世Wainganga河沉积物的来源、构造环境、风化作用模式及古气候信息：一种地球化学与统计分析方法

《Journal of Asian Earth Sciences》：Provenance, tectonic setting, weathering patterns, and paleoclimate insight from late Holocene Wainganga River sediments, central India: a geochemical and statistical approach

　　分析印度中部瓦伊甘加河 Holocene 沉积地球化学组成，揭示火成岩源区、被动边缘构造背景及半干旱向半湿润气候过渡，划分四沉积层区，为区域地质与气候研究提供基准。

　　
瓦伊加?ng亚河晚 Holocene 沉积体系环境演化与物源特征研究解读

一、研究背景与科学问题
印度中央邦瓦伊加?ng亚河作为德干高原地区重要水系，其流域地质构造复杂，涉及德干暗色岩基底与褶皱造山带接触带。该区域晚 Holocene 时期（约11000年前至今）经历了显著气候转型，从全新世早期的半干旱环境向中晚期的半湿润气候转变。研究团队针对帕乌尼河岸15米厚沉积剖面开展系统分析，旨在解决三个核心科学问题：1）流域物源岩系组成与搬运机制；2）气候变迁对碎屑沉积地球化学特征的影响规律；3）区域环境演变与人类活动交互作用的量化关系。

二、地质构造与流域特征
研究区域位于德干高原西北缘，地质构造上属于冒地槽系东延部分。主要出露地层包括：中元古代变质岩系（片麻岩、石英岩）、新元古代花岗岩基底以及第四纪冲积层。流域面积近5万平方公里，河道全长579公里，年均流量约540立方米/秒。特殊的构造背景导致流域发育多级曲流河系，河道迁移频繁，形成典型的洪积扇地貌。

三、样品采集与预处理
研究团队在帕乌尼镇选择连续出露的河岸剖面，垂直分层采集15个沉积样品（间距1米）。样品预处理包括：1）去除表层有机质与松散物质；2）按0-50cm、50-400cm、400-800cm、800-1100cm、1100-1300cm、1300-1500cm、1500-1700cm、1700-1900cm、1900-2100cm等分层标准进行系统分样；3）实验室处理包含磨粉、粒度分析（筛分法）、XRF全元素分析（精度±5%）及ICP-MS痕量元素检测（精度±10%）。特别注重有机质含量控制，通过Loss on Ignition（LOI）测定确保有机碳干扰系数＜5%。

四、物源解析与构造背景
1. 主要氧化物特征：硅酸盐矿物（石英、长石）占比达78-82%，显著高于上地壳平均（66%）和澳大利亚页岩标准型（62%）。铝硅酸盐比值（Al2O3/SiO2）0.18-0.22，显示轻微风化分异。
2. 稀土元素配分：球粒陨石标准化后显示轻稀土富集（LREE/HREE=4.2-5.8），Y/Ho 比值0.85-1.12，指示源区以花岗岩-片麻岩组合为主。铈异常（Ce/Ce*0.91-0.97）反映强烈表生淋滤作用。
3. 构造环境判别：结合Shannon 熵值（0.82-0.89）与Th（钍）/Tc（铀）比值（0.12-0.18），判定为稳定被动大陆边缘环境。Zr/Y 比值（1.2-1.5）与构造背景吻合，排除造山带影响。

五、气候转型期沉积记录
1. 气候指示参数变化：
- CIA 指数（化学风化指数）：从底层（12.3）向上递增至表层（18.7），显示风化强度增强
- PIA（风化指数）：中值6.8±1.2，反映物理分异主导
- ICV（铁铝率）：0.42-0.48，显示红土化程度稳定

2. 环境分带特征：
建立四阶段气候模型：
Ⅰ区（0-110cm）：半干旱期（CIA=15.2，LOI=1.8%）
Ⅱ区（110-400cm）：干旱-半干旱过渡（CIA=12.7，TIC=1.5%）
Ⅲ区（400-800cm）：半湿润期（CIA=16.5，LOI=2.3%）
Ⅳ区（800-1500cm）：湿润期（CIA=18.9，LOI=3.1%）

3. 环境响应机制：
- 氧化物富集（Fe2O3+Al2O3占比从12%增至18%）
- 有机碳含量波动（0.5-1.2%）
- 碎屑分选系数（σ）变化（0.5-1.2）
- 指示元素组合（Rb/Sr=0.8-1.2；Sr/Cu=8.5-12.3）

六、物源岩系与搬运路径
1. 源岩类型：
- 主导成分（＞60%）：花岗岩-片麻岩（ΣFeO=8.2%）
- 次要组分（20-30%）：石英岩、云母片岩
- 特征元素组合：Zr（115-130ppm）、Ti（22-28ppm）、Sc（4.2-5.1ppm）

2.搬运过程：
- 主河道砂体发育磨圆度＞0.8的次圆-圆滑颗粒
- 洪积扇中值粒径（D50）0.6-0.9mm，显示短距离搬运
- 重矿物分选系数（So=2.3-3.8），指示中低能搬运环境

七、气候-沉积耦合机制
1. 气候转型期沉积序列：
- 早期（Ⅰ区）：砾石含量＞35%，反映强水力侵蚀
- 过渡期（Ⅱ区）：砂粒占比65-70%，分选系数So=3.5
- 湿润期（Ⅲ-Ⅳ区）：粉砂-黏粒比例提升至40-45%

2. 环境指示参数：
- 硅铝比（SiO2/Al2O3）0.85-1.05（半干旱）→1.2-1.4（半湿润）
- 氧化镁含量（MgO/FeO）从0.6增至0.8，显示风化增强
- 有机质碳同位素（δ13C）变化：-26.5%→-24.1%

八、人类活动与环境响应
1. 铁器时代扰动证据：
- 铜含量异常峰值（0.15%）
- 铁同位素（δ56Fe）偏离自然分布
- 黏土矿物组合显示人为扰动（蒙脱石占比从5%增至12%）

2. 农业开发与环境反馈：
- 农业活动导致有机质含量波动（年际变化±0.4%）
- 水井沉积物中显示人为沉积层序（3处明显界面）

九、区域环境意义
1. 德干高原侵蚀模式：
- 年均侵蚀量0.8-1.2mm（δ18O测定）
- 河流补给周期从8000年前（6年/周期）缩短至现代（3-4年/周期）

2. 气候转型关键期：
- 末次冰期后（约9000BP）开始湿润化
- 小冰期（AD1650-1850）对应沉积速率下降30%
- 近现代（AD1900-2020）人类活动强度指数（HAI）0.82

十、方法学创新
1. 多尺度分样技术：
- 宏观（5m间隔）→中观（1m间隔）→微观（0.5m间隔）三级采样体系
- 引入时间编码法（Sample ID=年积温+采样深度）

2. 统计分析模型：
- 建立四元回归模型（CIA, PIA, SiO2/Al2O3, δ13C）
- 采用随机森林算法（RF）识别关键控制因子（前向选择法）

十一、工程应用价值
1. 洪水预测模型：
- 基于沉积序列的洪水频率计算（百年一遇洪水对应沉积厚度8.2m）
- 预警系统响应时间缩短至72小时

2. 河道整治方案：
- 主河道整治段长度优化（推荐150-200m）
- 洪积扇植被恢复区划（蒙脱石含量＞15%区域）

十二、研究展望
1. 时空扩展计划：
- 建立流域尺度（500km2）沉积数据库
- 延伸研究至晚更新世（末次间冰期）沉积记录

2. 跨学科融合方向：
- 古水文重建与考古遗址时空耦合
- 沉积物同位素指纹与历史农业实践关联

该研究通过创新性整合地球化学指标（CIA/PIA）、同位素记录（δ18O/δ13C）和沉积动力学参数（D50/SO），构建了区域环境演变的量化模型。研究揭示的被动大陆边缘环境特征（Zr/Y=1.2-1.5）与晚新生代构造运动（Narmada 断裂活动）存在显著耦合关系，为理解印度次大陆环境响应机制提供了新证据。所建立的多参数分析框架（包含7类23项指标）可推广至恒河-布拉马普特拉河-伊洛瓦底河复合流域系统，对预测气候变化下的流域演变具有重要参考价值。