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达连海湖泊沉积物粒度特征及其古气候意义

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第33卷第2期 2015年4月 青海大学学报( 自 然科学版) Journal of Qinghai University(Natural Science Edition) V01.33 No.2 Apr.2015 达连海湖泊沉积物粒度特征及其古气候意义 魏豆豆 ,陈英玉 '2 (1.青海大学地质512程系,青海西宁810016;2.加拿大里贾纳大学地质系,加拿大里贾纳¥4S4A7) 摘要:本文选取共和盆地达连海湖泊沉积物为研究对象,在达连海湖心取得深度为4 m的浅井 剖面,剖面底部年龄为3 800 aB.P.,以沉积物粒度和孢粉为环境代用指标,粗颗粒指示强水动 力,细颗粒指示弱水动力,用AMSHC建立时间标尺,探讨了达连海晚全新世以来的环境演变, 结果表明:033 800~2 900 aB.P.气候半干旱;②2 900~1 500 aB.P.气候干旱;③1 500~400 aB.P.气候半干旱;④400一O aB.P.气候干旱。 关键词:达连海;粒度特征;孢粉;古气候 中图分类号:X141 文献标志码:A 文章编号:1006—8996(2015)02—0053—08 DoI:10.13901/i.cnki.qhwxxbzk.2015.02.010 Grain——size characteristics of Dalian Lake sediments and its paleoclimate significance WEI Doudou ,CHEN Yingyu (1.Department of Geological and Engineering,Qinghai University,Xining 8 10016,China; 2.Department of Geology,University of Regina,Regina S4S4A7,Canada) Abstract:Tibet plateau,as a sensitive area of the changing global climate,is significant for the study of paleoclimate.Dalian Lake belonging to Gonghe basin which is located in the northeast of Ti— bet plateau is situated in the intersection of westerly and southwest monsoon.It is also sensitive to the climate change.The lake sediment, ̄have advantage on recording the information of the earth en— vironment chan ̄ng with continuity,susceptibility and high resolution.This place is a good area to know and predict the future global climate change.A 4一meter profile in the center of Dalian Lake sediments was chosen for study.The bottom of the profile is 3 800 aB.P..Using the grain—size and pollen as environment proxies,the coarse particle represents strong water power and fine particle re— presents weak water power.Based on.AMS H C to build the time scale of the stratum,recover the climate change in recent 4 000 years at this area.The results are follows:①From 3 800 to 2 900 aB.P.,the climate was semiaird;②The climate was aird during 2 900 and l 500 aB.P.;③The climate was semiarid during 1 500 and 400 aB.P.: ̄The climate has being arid 400~0 aB.P.. Key words:Dalian Lake;grain—size characteristics;pollen;paleoelimate 粒度分析在研究第四纪沉积形成的砂和粘土成因上是常用的方法之一,该方法是研究第四纪沉积 物的粒度大小和粒度分布,粒度分布和分选性是搬运能力的度量尺度,是判别沉积时的自然地理环境以 及水动力条件的良好标志,同时也是反映占气候演化的一项很好的代用指标 卜 。粒度分析在第四纪 沉积物中较多应用在黄土、深海沉积物,湖泊沉积物等沉积环境。徐建树等 顺着风成堆积物搬运的 收稿日期:2014—12—01 基金项目:国家自然科学基金(41062003)。 作者简介:It豆豆(1989一),男,河南洛阳人,青海大学在读硕士研究生。 通信作者。 第2期 1.2剖面岩性 魏豆豆等:达连海湖泊沉积物粒度特征及其古气候意义 55 在达连海湖心底部,深400 cm以上取得连续沉积样品,沉积物以粘土为主,上部为褐色粘土,有暗 红色氧化膜,松散,中下部粘土中夹有碳屑 剖面的地理坐标36。14 l9”N,100。24 01”E,海拔2 851 m。 剖面厚400 em,岩性自下而上为: (1)400~308 cm为黑色、灰色粘土互层,含碳屑,厚92 sln; (2)308—280 em为粘土砂,厚26 cm; (3)280~160 cm为黑褐色粘土,夹有黑色碳屑,厚120 Clqlft; (4)160~40 cm为块状灰黑色粘土,厚120 cm; (5)40~0 cm为褐色粘土,表面有暗红色氧化膜,松散,厚40 om。 2 研究方法 以2 cm间距连续采样,分析粒度样品共200块。粒度测量在中国地质科学院地质力学研究所第四 纪环境实验室使用英国Malvem公司产Mastersize2000型激光粒度仪完成。仪器测量范围0.01— 2 000 Ixm,可提供每一粒度组分的百分含量、频率曲线及其他各种粒度参数。样品前处理步骤如下: (1)取适量样品装入蒸发皿,器皿标号与样品号相对应,逐一记录,放入恒温40 oC的烘干箱,烘干 时间根据样品含水量而定,一般需要1 d时间; (2)把烘干的样品放到研钵中碾碎,装入已编号的密封塑料袋中,待用; (3)选取适量样品(约0.2~0.5 g)放人100 mL烧杯内,先加入10 mL 10%双氧水(H 0 ),将烧杯 放在加热盘上加热至140℃使其充分反应,至完全去除样品中的有机质; (4)待反应结束后,再加入10 mL 20%盐酸(HC1),继续加热直至完全去除样品中碳酸盐; (5)给样品烧杯加满纯净水,盖上表皿 盖,静置24 h; (6)抽去上部清液,加入10 mL六偏磷酸钠(NaPO 6,超声震荡10 min进行分散,上仪器进行测量。 分析粒度参数采用尤登一温德华氏粒级标准。粒度参数的计算用图解法根据Folk和Ward得出, 包括平均粒径(Mz)、分选系数(盯1)、偏度(SK)、峰态(KG)等。平均粒径代表沉积物粒度分布的集中趋 势,反映搬运和沉积介质的平均动力能(速度)。分选系数用标准差表示,反映沉积物颗粒粗细的均匀 程度,其值越大,分选越差。偏度和峰态反映沉积物颗粒粗细的比例和颗粒粒径分布的集中程度,同样 反映沉积物动力状况 。 3研究结果与讨论 3.1时间序列 选取达连海剖面的120,160,200,240,400 cm处样品的Hc年龄分析结果分别为(2 445.5±96.5), (2 556.5±77.5),(3 288.5±8O.5),(3 407±50),(3 758.5±74.5)aB.P.。上述年龄经过树轮校正, 用线性插值法内插和外推获得各对应深度的年龄。 3.2粒度和孢粉的组成及分布特征 达连海剖面粒度分析结果见图2。沉积物粒径分布范围是0.3~710 m,中值粒径的范围是2.7~ 9.4 m,中值粒径的平均值为4.4 Ixm。其中沉积物分为粘土(小于4 m),粉砂(4~63 m)和砂(大于 63 )。粘土组分占24%~69%,平均为.44.2%,粉砂占31%~73%,平均为51.6%,粉砂又分为细粉 砂(4~2O m)和粗粉砂(20~63 m),细粉砂占31%~64%,平均为48%,粗粉砂占0~19%,平均为 3.5%,可见粉砂中以细粉砂为主,砂含量极少,只是位于深度为250~300,162~175,84 cm处有明显的 波动,砂组分占0—23.1%,平均为0.7%。平均粒径变化于6.3~8.50,平均为7.90,标准偏差分布在 1~3,平均值为1.4,属于分选较差和分选差,反映粘土颗粒粗细差别大;偏度分布范围是一0.8—0.6, 变化范围广,从很负偏态到很正偏态五级都有,其中以正偏态居多,平均值为0.18,粗颗粒(粉砂)占优 势;峰度值为2.2—4.2,表现为尖锐和很尖锐,平均值为2.8,粒径在粉砂范围(4~63 m)内分布较为 56 青海大学学报 目 第33卷 集中。 平均粒径 6 7 8 9 标准偏差 1 2 3 偏度 0.8 0 0.8 峰度2 3 4 5 阶段划分 O r , ,、., ,.、 , .十 lo0 ≤毒 , . .、 ‘, ‘  ̄} J6L√1 > 2 4¨ 3 ¨ 图2粒度参数分布图 Fig.2 The distribution of grain—size parameters 孢粉分析结果见图3,由于沉积物种孢粉含量以木本植物与草本植物占优势,呈现此消彼长的关 系,蕨类植物含量极低,基本上没有。木本植物以桦属和松属为代表,草本植物以蒿属和藜科为代表。 木本植物在剖面上的变化范围是0~45%,平均为15%,其中桦属占0~18%,平均为2.8%,松属占0— 4l%,平均为10.5%;草本植物变化范围是54%~100%,平均为85%,其中蒿属占7%一72%,平均为 35.5%,藜科占10%一78%,平均为35.5%,蒿属与藜科之和变化区间为41%一95%,平均为71%,可 以看出草本植物是以蒿属和藜科为主,蒿黎比(蒿属/藜科)的变化范围为0~7,平均值为1.2。 58 3.3粒度的环境意义 青海大学学报 第33卷 粒度对沉积环境的恢复有重要作用,湖泊沉积学研究 叫表明,湖泊沉积物的粒度分布特征主要由 湖泊水动力的变化控制,由湖岸到湖心,随着湖水深度的增大,离岸距离变大,湖水的平均动能逐渐降 低,湖 白沉积物会出现砾一砂一粉砂一粘土的环带状变化规律。陈敬安等 在对云南洱海和程海现代 沉积物粒度的发现,沉积物粒度在不同时间尺度、不同时间分辨率的研究中具有不同的环境指示意义: 在长时间尺度、低分辨率(百年、千年)研究中,粗粒沉积物指示湖泊收缩、湖水较浅的干旱气候期;细粒 沉积物指示湖泊扩张、湖水较深的湿润气候期。在短时间尺度、高分辨率(年际、10 a)研究中,粗粒沉积 物指示降雨量较大的湿润年份;细粒沉积物指示降雨量相对较小的干旱年份。谢远云等 卜 通过对江 汉平原江陵湖泊沉积物粒度特征的研究,表明在不同的地区,粗细颗粒沉积物有不同的环境指示意义。 在干旱区的封闭湖泊,粗颗粒指示干旱气候,细颗粒指示湿润气候。以上研究表明湖泊沉积物粒度粗细 对于环境干湿的指示意义常常受制于时间与空间的影响,即不同时间尺度下对于粗细粒度解释不同,另 一方面不同的地区对于粗细粒度的解释又不一样。因此对于沉积物的粒度分析和解释需要考虑时间与 空间的因素。通过粒度的粗细去重建一个地区的环境变化,需要对时间和地区进行综合分析并进行解 释。本文所研究的达连海是处在干旱区的封闭湖泊,研究的时间尺度是长时间尺度,低分辨率(百年) 的研究,因此沉积物粒度的环境意义可以解释为:粗粒沉积物指示低水位时期的干旱气候,细粒沉积物 指示高水位时期的湿润气候。 3.4孢粉的环境意义 植被是自然界中对气候变化反应最灵敏的指示物,植被的状况可以在相当大的程度上反映气候的 状况 H],孢粉是植物的雄性繁殖器官,因为它们具有体积小、产量大、外壁坚固,在地层中容易以化石 的形式保存下来等特点。因而利用化石孢粉来获取古植被及古环境信息是研究过去环境变化的一种可 靠手段[1 。在利用孢粉研究古气候时,通常采用的是孢粉组合,单一、二种孢粉其指示意义不大,因为 它可以随风或流水扩散到很远的地方。一个孢粉组合是由多种植物孢粉构成的,有木本花粉、草本花 粉、和蕨类孢子,它们当中可能有喜暖的植物、喜干的植物,也有广布的植物,但是在一个组合中有优势 植物种,它们是恢复古气候的主要标志¨J。 达连海剖面孢粉组合中主要的孢粉类型有:柏科、松属、云杉属、桦属、栎属、线秀菊属、麻黄属、紫菀 属、蒿属、藜科、毛茛属,蔷薇科、豆科、白刺属、蓼科、禾本科、虎耳草科、狐尾藻科等。其中蒿属和黎科花 粉是干旱、半干旱区荒漠草原与典型草原植被中比较典型及常见的花粉类型,各种不同的研究都显示中 国北方地区不管在湿润区、半湿润区、半干旱区及干旱区,森林或草原区蒿属和黎科花粉都具有超代表 性,对植被有明显的指示意义等的研究,黎科和蒿属在组合中的含量与干旱程度相联系,干旱环境中花 粉组合以黎科占优势,半干旱环境中以蒿属花粉占优势。蒿属常与黎科植物相伴出现,但比黎科需要更 湿润的环境。经研究_l M 黎科与蒿属的含量之和在孢粉组合中占50%以上,蒿藜比值具有指示早生 植被的生态意义。荒漠区蒿黎(A/C)比值在0.15以下,荒漠草原约在0.15~1.12,草原区一般大于1。 由于该剖面蒿藜之和大部分在50%以上,本文选取蒿藜比是作为参照,若蒿藜比小于1,指示干旱环境, 蒿藜比大于1指示半干旱环境。 3.5环境演化阶段与讨论 根据粒度组成,并结合岩性和孢粉数据特征,将近3 800年来的达连海环境演变从下往上可分为4 个阶段。 (1)第1阶段(400~308 cm,约3 800~2 900 aB.P.)。该阶段沉积物颗粒以粘土和细粉砂为主,颜 色为灰色,显示还原环境,中值粒径平均为4.2 I,zm,粘土含量平均为48.4%,粉砂含量为51.4%,其中 是以细粉砂占优势,无砂。本阶段木本植物由多变少,平均值为27.8%,为全段最高值,其中桦属含量 为3.5%,松属含量为22.5%,可见木本植物主要由松属构成,其含量从下往上在325 cm处突然减少, 第2期 魏豆豆等:达连海湖泊沉积物粒度特征及其古气候意义 59 同时草本植物增多,草本植物平均为71.8%,孢粉主要是由草本植物构成,主要包括蒿属和藜科,平均 含量分别为21.9%和37.3%。蒿黎比平均值为0.6,说明本段大部分时期藜科占优势。平均粒径变化 范围是7.6 ~8.2 ,平均值为8 ,标准偏差平均为1.4,说明分选差,分选系数变化小,说明搬运营力 的性质比较单一、沉积动力比较稳定。偏态值变化范围是一0.24~0.37,平均值为0.15,变化范围比较 大,大多显正偏,即细偏 ,留有细尾,说明沉积物以粗组分,也就是细粉砂组分为主,峰度在2.3~3.1 之间,很尖锐,粗颗粒(粉砂)集中程度高。反应当时水动力弱,湖泊水位高,属于过渡带沉积。本阶段 中值粒径和平均粒径变化范围不大,粘土和粉砂占优势,显示环境稳定,指示半干旱环境。 (2)第2阶段(308~162 cm,约2 900~1 500 aB.P.)。本阶段由下到上,中值粒径从308 cm到 278 cm处开始增大,最大值为位于278 cm处,粒径为9.376,这段也是砂含量最高的阶段,之后开始变 小,到222 cm处最小,为3.1 m,之后到162 cm处,粒径又逐渐变大,整理的变化范围是3.1~9.4 m, 平均为4.9 m,反应水动力比之前明显变强,水平面变低,粘土含量降低,同时粉砂和砂含量增多,粉砂 增加明显,水动力从经过强一弱一强的过程,本阶段孢粉含量以草本植物占优势,在308 em处达到最 多,无木本植物出现,平均含量为90.2%,而木本植物含量变化范围是4.4%~45.2%,平均值为9.8%, 桦属和松属的平均含量分别为3.5%和22..5%,而蒿属和藜科变化范围大,蒿属为21.9%,藜科为 37.2%,蒿藜比值变化为0.5~5.1,且蒿藜含量值和都大于50%,蒿藜比变化大,其平均值为1.6,指示 草原环境,在244 cm处蒿藜比为本段最高,j 比值为5.1,平均粒径变化从6.3~8.4 ,平均为7.7 ,平 均粒径变化范围大,水动力不稳定,标准偏差为1.1~2.6,平均1.3,分选较差,偏度为一0.6~0.6,平均 为0.2,依然以正偏态为主,依然是粗组分含量占优势,峰度2.4~4.2,平均为2.9,比1阶段更尖锐,粗 颗粒集中程度高。整体显示较强的水动力,属湖滨带沉积。其对应的中值粒径,平均粒径有峰值,砂含 量迅速增多,本时期可能出现强降雨,但整段环境仍以干旱为主,相比较于第1阶段干旱程度有所加剧, 指示干旱环境。 (3)第3阶段(162~42 cm,约1 500~400 aB.P.)。该阶段中值粒径变小,全段最低,变化范围 2.8%~6.0%,平均为3.8,该段主要由粘土构成,粘土含量平均为53.5%,粉砂主要以细粉砂为主,砂 含量极低,但是在84 cm处砂含量为全段最高值,含量达23.1%,说明这一时期可能突然有大量的降 水。该段孢粉含量仍以草本植物占优势,平均为85.5%,木本植物比第2阶段有所增多,但不明显,平 均值为14.2%,桦属平均值为0.9%,含量极少,松属平均为11.5%,木本植物是以松属占优势,蒿属含 量变化为15.4%~67.2%,平均值为32.7%,藜科含量为10.8%~57.7%,平均值为31.5%,蒿藜比的 变化范围是0.3~6.3,在44(3//1处达到全段最大值6.25,平均值为1.3,大于1,指示草原区环境。平均 粒径变化范围2.7—9.7 Ixm,平均为3.5 m,标准偏差变化范围是1.1~3.0,平均为1.3,属于分选较 差,但相对于1,2阶段,分选稍好,偏态平均值为0.18,属正偏态,峰度尖锐,为2.7,为全段最低,湖泊水 动力弱,总体上属湖心带沉积。相比于上阶段降水增多,干旱程度有所缓解,但不明显,相比于第1阶段 要湿润,指示半干旱环境。 (4)第4阶段(42~0 cm,约400~0 aB.P.)。该阶段中值粒径由下往上开始逐渐变粗,变化范围是 2.7—6.6 Ixm,平均为4.6 I,zm,粉砂含量再次占优势,平均为55%,其次为粘土,含量为44%,砂基本上 没有。该阶段木本植物减少,相比于上一阶段木本植物更少,平均值为7%,草本植物增多,平均值为 93%。桦属含量变化为0—2%,松属含量的变化为1.8%~22.4%,木本植物以松属为主。蒿属的平均 值为33.8%,藜科平均为43.4%,蒿藜比的变化范围是0.1~2.9,变化范围大,蒿藜比的中值为0.7。 平均粒径为4.4 m,标准偏差为1.1—1.8,平均值为1.3,分选较差,偏度一0.2~5.6,变化范围很大, 平均为0.2,大部分显正偏态,峰度为2.9,依然是粗组分较为集中,粗组分以粉砂占优势,湖泊水动力从 下往上逐渐增强,水位变浅,属过渡带沉积,干旱程度又开始加剧,目前达连海已经干涸。 青海大学学报 第33卷 4 结论 区域性的气候变化是在全球背景下发生的,对全球气候变化具有区域性响应的特点。达连海湖泊 沉积物的岩性、粒度特征和孢粉含量变化在一定程度上揭示了近3 800年来沉积环境和气候干湿的变 化。孢粉植物群为草原荒漠植物群,达连海湖泊经历了由水动力弱一强一弱一强4个阶段,湖泊的水位 经历了高一低一高一干涸的过程,气候整体是以干旱为主,干旱程度变化如下:约3 800~2 900 aB.P. 气候半干旱,2 900—1 500 aB.P.气候干旱,1 500~400 aB.P.气候半干旱;约400—0 aB.P.气候为干 旱 参考文献: [1]田明中,程捷.第四纪地质学与地貌学【M].北京:地质出版社,2009:26—29. 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