察爾汗湖相沉積物顏色指標(biāo)與古氣候演變

1古氣候研究現(xiàn)狀利用高分辨率信息載體來恢復(fù)古代氣候環(huán)境變化是全球變化研究的重要內(nèi)容。多年以來,利用沉積物粒度、磁化率、氧同位素、冰芯和孢粉等指標(biāo)揭示了古氣候變化,特別是促進(jìn)了短時(shí)期高分辨率氣候變化研究。利用沉積物顏色指標(biāo)研究古氣候變化是近年來古氣候研究中又一新的探索方法,研究表明顏色指標(biāo)可作為第四紀(jì)沉積物高分辨率氣候指標(biāo),黃維、劍志民等利用黃土—古土壤顏色CIEL*a*b*表色系統(tǒng)中的L數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來揭示的千年尺度氣候波動(dòng),方小敏、潘保田等利用土壤顏色(色相)作為夏季風(fēng)變化代替指標(biāo)在對夏季風(fēng)不穩(wěn)定性研究中取得良好效果。但目前該方法主要用于土壤、黃土和古土壤顏色與氣候關(guān)系的研究,而其它沉積環(huán)境沉積物顏色與氣候變化缺乏研究。Aziz等對西班牙東北部Teruel盆地晚中新世沖積扇緣至湖相沉積物利用顏色指標(biāo)進(jìn)行古氣候研究,揭示了晚中新世存在Milankovitch天文氣候周期,并以此指標(biāo)的時(shí)間序列分析提出對目前廣泛應(yīng)用的古地磁年表(GPTS)晚中新世時(shí)段(特別是其C5和C4r)進(jìn)行修正,已初步顯示出沉積物色度指標(biāo)在古氣候研究中的作用。宋春暉、白晉鋒等利用湖相沉積物色度參數(shù)為輔助指標(biāo)分析長時(shí)期高分辨率古氣候變化,得出臨夏盆地在8Ma和6.2Ma左右存在兩次重大的氣候變干轉(zhuǎn)型事件。湖泊沉積具有沉積連續(xù)、沉積速率大、分辨率高、信息量豐富的特點(diǎn),而且湖泊的地理覆蓋面很廣,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過冰芯、黃土,所以,一旦證實(shí)湖泊沉積物顏色指標(biāo)可作為反映氣候替代性指標(biāo),由于其研究具有用量少、靈敏度高、方法簡單快速和費(fèi)用低的特點(diǎn),在長時(shí)期高分辨率氣候變化研究中具有廣泛的應(yīng)用前景。地處青藏高原東北部的柴達(dá)木盆地(35°00′N～39°20′N,90°16′E～99°16′E)是中新生代斷陷盆地。位于三湖坳陷區(qū)的察爾汗盆地位于柴達(dá)木盆地東南部,為柴達(dá)木盆地眾多次級(jí)盆地之一,面積近2500km2,是第四紀(jì)期間柴達(dá)木盆地沉降最強(qiáng)烈的地區(qū),第四紀(jì)地層厚達(dá)2000m以上(圖1)。20世紀(jì)以來許多學(xué)者對該區(qū)地質(zhì)和鹽湖演化方面做了大量扎實(shí)的工作,取得了柴達(dá)木盆地形成演化和古氣候研究的重大進(jìn)展,建立了晚更新世以來有高精度年代控制的較連續(xù)沉積序列。前人的研究表明,察爾汗地區(qū)130kaB.P.以來一直處于封閉古湖狀態(tài),直到32kaB.P.氣候由冷干逐漸轉(zhuǎn)為暖干,加之構(gòu)造隆升的影響,柴達(dá)木盆地東南部及察爾汗盆地湖水急劇濃縮,開始形成廣布的石鹽沉積,普遍進(jìn)入鹽湖階段,并在全新世中期部分鹽湖全面干涸成干鹽灘。整個(gè)察爾汗盆地沉積以低能湖相細(xì)粒沉積為主,是研究氣候變化的理想地區(qū)。前期研究主要側(cè)重于通過鹽湖地球化學(xué)特征變化確定鹽湖的形成過程和鹽湖資源的開發(fā),同時(shí)也進(jìn)行過低分辨率(樣品間距大)氣候環(huán)境指標(biāo)(孢粉、常量和微量元素)的研究。在“柴達(dá)木盆地地下水資源及其環(huán)境問題調(diào)查評價(jià)”項(xiàng)目的支持下,通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)察爾汗盆地地層以穩(wěn)定細(xì)粒湖相沉積為主,發(fā)育的不同尺度和各種形式沉積韻律旋回記錄著豐富的古氣候變化信息,并且這些不同尺度和形式的沉積韻律旋回主要表現(xiàn)在顏色、結(jié)構(gòu)(粒度)和物質(zhì)成分等方面,而這些變化可以用顏色指標(biāo)較準(zhǔn)確的定量描述出來。因此,本文嘗試對察爾汗盆地末次間冰期以來(130kaB.P.)湖相沉積物進(jìn)行高分辨率顏色變化序列研究,探討干旱內(nèi)陸盆地湖相沉積物色度指標(biāo)變化的古氣候意義。2沉積相與沉積特征研究剖面ZK2孔位于察爾汗盆地的古湖盆中央附近(圖1),是2002年青海省地質(zhì)調(diào)查院施工完成的綜合水文地質(zhì)鉆孔(36°22′32.7″N,95°00′52.2″E),孔口高程2710.00m,孔深526.00m。研究時(shí)段選擇該剖面上部的察爾汗組和達(dá)布遜組,其年代數(shù)據(jù)和巖性特征見表1、表2。利用ZK2孔剖面,結(jié)合本區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)資料,根據(jù)巖性、粒度曲線、沉積結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等特征,將該研究時(shí)段地層劃分為4個(gè)巖相(表3)以及鹽湖沉積、低流態(tài)湖泊沉積、靜態(tài)咸水淺湖沉積和濱湖相沉積4種沉積相。鹽湖沉積相分布于全新世達(dá)布遜組上段,主要由石鹽、石膏組成,碎屑物較少,多為粉砂、粘土和少量細(xì)砂,部分是由于石鹽的溶解蒸發(fā)再沉積作用形成。地表因風(fēng)化作用以鹽坪相呈現(xiàn),鹽坪表面的鹽殼廣泛發(fā)育多邊形的干縮裂紋,鹽坪沉積物無規(guī)則的層理,粉砂、泥質(zhì)等碎屑物不規(guī)則地充填于石鹽等蒸發(fā)巖礦物的晶間孔隙中,或在表面富集成不規(guī)則的薄層。低流態(tài)沉積相或湖泊沉積相分布于全新世達(dá)布遜組下段,主要為灰褐色含粉砂石鹽及粉砂石鹽,夾含石鹽的粉砂石膏薄層,巖層中見有球狀泥屑、鮞粒和小礫石,往上為一規(guī)模較大的淡化層,其后沉積含光鹵石、石鹽,反映湖水高度濃縮、湖水流態(tài)很弱。靜態(tài)咸水淺湖沉積相分布于察爾汗組,主要為粘土質(zhì)粉砂、含粘土粉砂,粉砂含量較低,斷續(xù)分布有姜黃色含鐵質(zhì)泥紋層,具微細(xì)水平紋理,偶見植物碎屑,巖性縱向呈韻律性變化。濱湖沉積相分布于察爾汗組,代表性層段位于76m以下,以粘土質(zhì)粉砂、含粘土粉砂為主,夾泥炭、粉砂質(zhì)碳酸鹽薄層,含鮞粒、植物碎屑等,不具水平紋理,表明濱湖相環(huán)境水動(dòng)力條件較強(qiáng),除湖浪外,可能還具有牽引流的作用。3沉積物色度變化采樣采用TSJ-1000型水源鉆機(jī),先用?127mm硬質(zhì)合金鉆頭和巖芯管小口徑采樣,后從巖芯中人工采樣,以10cm的間距系統(tǒng)采集了色度樣品,并采集了古地磁、熱釋光等測年樣品。本文所用的色度指標(biāo),用CIEL*、a*、b*表色系統(tǒng),它是使用L*、a*、b*3個(gè)參數(shù)描述任何均勻連續(xù)的顏色空間,其中L*代表明度,變化于黑(0)和白(100)之間;a*變化于紅和綠之間(+a*描述紅色的飽和程度,-a*描述綠色的飽和程度);b*變化于黃和藍(lán)之間(+b*描述黃色的飽和程度,-b*描述藍(lán)色的飽和程度)。已有的研究表明,沉積物色度L*值與碳酸鹽含量、有機(jī)質(zhì)含量有關(guān),L*值高時(shí),氣候冷干,碳酸鹽含量較高,在暖的氣候背景上,當(dāng)有效濕度較低時(shí)(湖泊蒸發(fā)量大于降水量),利于碳酸鹽沉積,在冷的氣候背景下,干旱的氣候條件更利于碳酸鹽沉積。赤鐵礦和針鐵礦對a*值和b*值有較顯著的影響。針鐵礦廣泛地分布于不同溫度帶的各類沉積物中,赤鐵礦則僅分布溫度較高地區(qū)氧化條件較強(qiáng)的沉積物中。因此,b*值和a*值的高低,可以間接地反映湖水深度和有效濕度的變化。在間冰期,b*值普遍較高,氧化作用強(qiáng);反之,在冰期,b*值偏低,氧化作用弱。4湖相沉積物色度變化通過對沉積物色度指標(biāo)的系統(tǒng)測試,獲得察爾汗地區(qū)130kaB.P.以來湖相沉積物高分辨率色度指標(biāo)變化序列(圖2、圖3和圖4),從圖中可看出顏色指標(biāo)a*、b*、L*可明顯分4個(gè)階段,分別是130～86ka,86～57ka,57～32ka和32ka以來,這種變化與磁化率曲線所反映的變化模式極為吻合(圖5)。其中a*值和b*值變化非常相似,因此三者曲線特征為,在130～86ka變幅小、數(shù)值較大,在86～57ka段,a*、b*、L*值均在一個(gè)較低的數(shù)值上下大幅震蕩,在57～32ka3條曲線數(shù)值增大,變幅減小,自32ka以來,a*、b*、L*值都表現(xiàn)出快速大幅變動(dòng)。在3條曲線中,b*值的區(qū)分最為明顯,上述4個(gè)階段中,b*的中值分別為11.39、9.39、13.70和11.39。因此,察爾汗盆地在130kaB.P.以來湖相沉積物高分辨率顏色指標(biāo)變化序列反映在86ka、57ka和32ka左右可能存在某種沉積環(huán)境劇變或轉(zhuǎn)型。沉積物的顏色差異主要取決于成分,并與形成的環(huán)境和古氣候變化密切相關(guān)。通過湖泊沉積物色度參數(shù)與樣品元素的相關(guān)關(guān)系分析(表4),表明沉積物顏色a*值和b*值具有較好正相關(guān)性的元素分別是Mg、Fe(相關(guān)系數(shù)分別為0.593和0.784),而與a*和b*值具有負(fù)相關(guān)性的是Ca、碳酸鹽(Carbonate)。沉積物顏色的L*值與常量元素碳酸鹽巖及Ca具有較好正相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)為0.761、0.537)。因此,湖泊沉積物中Fe、Ca含量在很大程度上影響了其顏色變化,這與Helmke等依據(jù)對北大西洋深海M23414巖芯的紅-綠顏色變化是由沉積物中含鐵礦物所控制的結(jié)論基本一致。在研究區(qū)130ka以來時(shí)段主要為穩(wěn)定湖泊沉積環(huán)境且物源區(qū)母巖一定,沉積物成分變化主要受風(fēng)化作用類型和強(qiáng)度、沉積介質(zhì)條件以及氣候變化控制,而氣候變化影響著風(fēng)化作用類型和強(qiáng)度、沉積介質(zhì)條件以及湖泊水位高低的變化。氣候干旱使湖泊水位降低、介質(zhì)濃度增大,形成湖相沉積物中的CaCO3含量相對增加,導(dǎo)致湖相沉積物顏色的a*和b*值減小以及L*值增大;氣候濕潤導(dǎo)致湖泊水位升高,使湖相沉積物中的CaCO3含量相對減小,造成湖相沉積物顏色的a*和b*值增大以及L*值減小。因此,穩(wěn)定湖相沉積物顏色指標(biāo)能間接代表氣候的變化。將察爾汗盆地沉積物顏色指標(biāo)與前人在研究區(qū)另一剖面(察爾汗水6孔)進(jìn)行沉積物CaCO3含量和風(fēng)成石英砂含量研究結(jié)果對比,察爾汗盆地沉積物碳酸鈣含量大約在130～120,90～60以及30ka有明顯的高值,說明在這些時(shí)期氣候干旱。由于沉積物色度a*、b*的變化曲線基本一致,而與L*的曲線變化大致相反。因此,以b*值為例,b*值在130～86ka以高值為主,且變幅較小,而86ka以后數(shù)值明顯減小而變幅卻增大,至57ka后數(shù)值增至原先水平,變幅明顯減小,這種狀態(tài)持續(xù)到32ka。從32ka開始進(jìn)入多次高幅變化的階段。這種變化與前人研究的CaCO3含量和風(fēng)成石英砂含量變化模式基本吻合。513氣候動(dòng)態(tài)變化的季節(jié)和年際變化依據(jù)察爾汗盆地ZK2孔沉積物色度變化曲線,結(jié)合古里雅冰芯和格陵蘭冰芯氧同位素曲線(圖6),可以概括出本區(qū)古氣候變化的基本事實(shí)。130kaB.P.左右,伴隨著共和運(yùn)動(dòng)的發(fā)生、發(fā)展,使整個(gè)柴達(dá)木盆地周邊山體及內(nèi)部隆起區(qū)范圍迅速擴(kuò)大,本區(qū)氣候環(huán)境發(fā)生了很大的變化。首先是中更新世末期較為暖濕的環(huán)境特征的延續(xù),在130～86kaB.P.之間,磁化率和色度b*都處在高值區(qū)間,表明該時(shí)段是察爾汗盆地130kaB.P.以來較為暖濕的時(shí)段;其次,從86kaB.P.開始進(jìn)入極為干冷的時(shí)期,一直持續(xù)到57kaB.P.前后,該時(shí)段表現(xiàn)出從寒冷干燥到溫暖略濕的大幅變化,其間約有2～3次由冷到暖的短暫突變,每次變暖持續(xù)時(shí)間極短;再次,從57kaB.P.開始?xì)夂蛴种饾u趨于暖濕,具體表現(xiàn)是色度a*值和b*值同步增大以及L*的減小。氣候環(huán)境的這種特征,也表現(xiàn)在沉積相的變化上,該時(shí)段沉積了略具波狀層理的粉砂,屬于低流態(tài)流水或湖泊沉積。此外,色度曲線和磁化率曲線的周期性變化還與ZK2孔所在區(qū)域的湖泊在地質(zhì)歷史時(shí)期曾發(fā)生幾次較大規(guī)模的湖水進(jìn)退有關(guān)。湖水的退縮是一個(gè)漸變的過程,而相對而言,湖水的推進(jìn)則是一個(gè)突變的過程,這可能是周邊山區(qū)的冰蓋在經(jīng)歷了冰期后,消融速度相對迅速的緣故。最后,約32kaB.P.前后,本區(qū)氣