Climate Change Research

Climate Change Research

Analysis of Chemical Weathering Intensity and Paleoclimatic Interpretation of Quaternary Sediments Using CIA and PIA Geochemical Indices in an Arid Environment (Case Study: Abarkuh Playa, Iran)

Document Type : Original Article

Authors
Mohamad ُاSharifi Paichoon 1
Ali Shahriar 2
Mahdieh Masoudi 3
1 Associate Professor of Geomorphology, Department of Geography, Yazd University, Yazd, Iran
2 Assistant Professor of Geomorphology, Department of Geography, Yazd University, Yazd, Iran
3 M.Sc. Graduate, Department of Geography, Yazd University, Yazd, Iran
10.30488/ccr.2026.588183.1346
Abstract
This study examines the degree of chemical weathering in Quaternary sediments using geochemical proxies, particularly the CIA and PIA. The primary aim is to reconstruct past environmental and climatic conditions and to assess the intensity of chemical alteration in sediments in relation to weathering processes and sedimentary evolution. The investigation is based on geochemical and mineralogical data obtained from an 8-meter sedimentary trench comprising 15 samples from the Abarkouh playa. Major and trace elements, along with their corresponding oxides, were analyzed using XRF, and additional indices, including CIA, PIA, and a calcification index, were computed to evaluate weathering intensity and paleo-lake level fluctuations. The CIA is derived from the proportion of alumina relative to alkali and alkaline earth oxides, whereas the PIA reflects the extent of plagioclase feldspar alteration. The results indicate CIA values ranging from 20 to 50 and PIA values between 15 and 38, both of which point to weak to moderate chemical weathering conditions. Such relatively low values suggest limited hydrolytic processes, weak leaching of mobile elements, and a predominance of physical weathering over chemical alteration. Variations in these indices throughout the stratigraphic sequence further imply short-term climatic oscillations during the Quaternary, characterized by alternating dry and humid phases. Stratigraphic analysis of the trench reveals pronounced environmental changes. The lower and older sediments, enriched in stable oxides such as Al₂O₃, Fe₂O₃, and SiO₂, correspond to warm and humid conditions during the early Quaternary. The middle section reflects fluctuating humid, cold, and arid phases, evidenced by carbonate precipitation in sample 11 and elevated lake levels accompanied by enhanced biogeochemical activity and magnesium enrichment in samples 13 and 14. In contrast, the uppermost layer shows a marked increase in Na₂O and Cl, indicating progressive desiccation of the lake system and the establishment of present-day hyper-arid environmental conditions
Keywords
Sedimentary Geochemistry
CIA)-Abarkooh Playa Quaternary Climate Change
Subjects
1.    آدابی، محمد حسین (1390). ژئوشیمی رسوبی. تهران: انتشارات آرین زمین، چاپ دوم، 503 صفحه.
2.    امجدی، صدیقه، محمودی قرائی، محمد حسین، موسوی حرمی، رضا، محبوبی، اسداالله، علیزاده کتک لاهیجانی، حمید (1392) ژئوشیمی عناصر اصلی رسوبات آواری دریای عمان در ناحیه چابهار با تأکید بر منشأ، شرایط آب و هوای قدیمه و جایگاه زمین ساختی، رخساره­های رسوبی، 6 (1)، 19-30.
3.    بیات، مقصود، فتوحی، صمد، نگارش، حسین، محمدی، علی (1401). ژئوشیمی رسوبی به عنوان شاخص تغییرات اقلیم کواترنری پایانی در پلایای جازموریان. دوفصلنامه کواترنری ایران، 8 (1 & 2)، 56-82.
4.    بهبهانی، رضا، لک، راضیه، چنانی، نادر، و غلامرضا حسین­بار (1393). ژئوشیمی آلی رسوبات خورموسی و نواحی دریایی مجاور آن، شمال باختر خلیج فارس، علوم زمین، 92 (23)، 55-66.
5.    پورمعافی، مریم (1387). ژئوشیمی. تهران: انتشارات آرین زمین.
6.    تقوی، لعبت؛ طیبی، صفیه؛ طیبی، سبحان؛ کریمیان، بهرام (1392). تحلیل اقلیم دیرینه بخش شمالی تالاب گاوخونی با استفاده از ژئوشیمی عناصر اصلی و فرعی. اکوبیولوژی تالاب، 5(16)، 53-62.
7.    جلیلیان، طاهره، تقیان، علیرضا، لک، راضیه، درویشی خاتونی، جواد (1401) رسوب­شناسی، کانی­شناسی و‌ ژئوشیمی‌ رسوبی ‌توالی‌ کواترنری‌ پایانی رسوبات‌ بستر‌ پلایای ‌گاوخونی ‌با ‌نگاهی ‌بر‌اقلیم ‌دیرینه، مطالعات جغرافیایی مناطق خشک، 12 (47)، 93-114.
8.    زارع­زاده، رضوان، رضائی، پیمان (1390). مطالعه ژئوشیمی و کانی شناسی پادگانه های آهکی دریایی منتسب به کواترنری جزیره قشم، پژوهش­های چینه­نگاری و رسوب­شناسی، 27 (44)، 121-138.
9.    شریفی پیچون، محمد، تاج­بخش، غلامرضا (1398) تحلیل مورفوتکتونیکی شکل­گیری چاله­های کویری دامنه­های جنوبی و جنوب شرقی شیرکوه در پلیو-کواترنری، جغرافیا و برنامه­ریزی محیطی، 76 (4)، 19-34.
10.              شعبانی عراقی، عارفه، عزیزی، قاسم (1402) بررسی تحولات رسوبی و اقلیم دیرینه براساس رسوب شناسی و آنالیز عنصری در پلایای دامغان، پژوهشهای ژئومورفولوژی کمی، 12 (1)، 95-113.
11.              فیضی، وحید؛ عزیزی، قاسم؛ علی‌محمدیان، حبیب؛ ملاشاهی، مریم (1396). تحلیل اقلیم دیرینه برش رسوبی نوده (استان گلستان) با استفاده از ژئوشیمی عناصر. فصلنامه کواترنری ایران، 3(1)، 29-39.
12.              نقشه زمین شناسی 1:100000 ابرکوه (1384)، سازمان زمین­شناسی و اکتشافات معندی کشور
13. Das, O. , Wang, Y. , Donoghue, J. , Xu, X. , Coor, J. , Elsner, J. , & Xu, Y. (2013). Reconstruction of paleostorms and paleoenvironment using geochemical proxies archived in the sediments of two coastal lakes in northwest Florida. Quaternary Science Reviews, 68, 142–153.
14. Dutton, S. P. , & Loucks, R. G. (2010). Diagenetic controls on reservoir quality of deep-water Lower Cretaceous Travis Peak sandstones, East Texas. Journal of Sedimentary Research, 80(4), 330-347.
15. Francke, A. , Holtvoeth, J. , Codilean, A. T. , Lacey, J. H. , Bayon, G. , & Dosseto, A. (2020). Geochemical methods to infer landscape response to Quaternary climate change and land use in depositional archives: A review. Earth-Science Reviews, 207, 103218.
16. Honda, M. , & Shimizu, H. (1998). Geochemical, mineralogical and sedimentological studies on the Taklimakan Desert sands. Sedimentology, 45(6), 1125-1143.
17. Ma, X. , Wang, X. , Gao, Y. , Yue, F. , & Chen, W. (2024). Geochemical indicators on the central Tibetan Plateau lake sediments: Historical climate change and regional sustainability. Sustainability, 16(18), 8186.
18. Maynard, J. B. (1992). Chemistry of modern soils as a guide to interpreting Precambrian paleosols. The Journal of Geology, 100(3), 279-289.
19. Morad, S. (Ed. ). (1998). Carbonate Cementation in Sandstones: Distribution Patterns and Geochemical Evolution. International Association of Sedimentologists (IAS) Special Publication, Volume 26. Wiley-Blackwell.
20. Nesbitt, H. W. , & Young, G. M. (1984). Prediction of some weathering trends of plutonic and volcanic rocks based on thermodynamic and kinetic considerations. Geochimica et cosmochimica acta, 48(7), 1523-1534.
21. Sai, K. (2004). Geochemistry of lake sediments as a record of environmental change in a high arctic watershed. Chemie der Erde, 64: 257-275
22. Sun, W. , Liu, E. , Zhang, E. , & Shen, J. (2019). Geochemistry of the Holocene sediments of Lake Chenghai, SW China, and its implications for paleoenvironmental reconstruction. Quaternary International, 523, 80–88.
23. Rollinson, H. R. , 1993. Using geochemical data: Evaluation, presentation, interpretation. Longman Scientific and Technical, New York, PP. 352
24. Vyse, S. A. , Herzschuh, U. , Andreev, A. A. , Pestryakova, L. A. , Diekmann, B. , Armitage, S. J. , & Biskaborn, B. K. (2020). Geochemical and sedimentological responses of Arctic glacial Lake Ilirney, Chukotka (Far East Russia), to palaeoenvironmental change since ~51. 8 ka BP. Quaternary Science Reviews, 247, 106607.
25. Wang, G. -x. , Wang, Y. , Wei, Z. , He, W. , Zhang, T. , & Ma, X. (2020). Geochemical records of Qionghai Lake sediments in southwestern China linked to late Quaternary climate changes. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. https://doi. org/10. 1016/j. palaeo. 2020. 109902
26.              Wu, K. , Shi, X. , Lou, Z. , Wu, B. , Li, J. , Zhang, H. , … Rahim Mohamed, C. A. (2021). Sedimentary responses to climate changes and human activities over the past 7400 years in the western Sunda Shelf. Frontiers in Earth Science, 9, 631815.
27.              Yang, Z. , Zhang, Y. , Xie, Z. , Wang, J. , Li, Z. , Li, Y. , … Sun, L. (2021). Potential influence of rapid climate change on elemental geochemistry distributions in lacustrine sediments: A case study at a high Arctic site in Ny-Ålesund, Svalbard. Science of the Total Environment, 801, 149784.
28. Fedo, C. M. , Wayne Nesbitt, H. , & Young, G. M. (1995). Unraveling the effects of potassium metasomatism in sedimentary rocks and paleosols, with implications for paleoweathering conditions and provenance. Geology, 23(10), 921-924.