察爾汗地區(qū)湖相沉積物粒度特征分析

粒度頻率曲線的分布特征可以反映特定的沉積環(huán)境和沉淀過(guò)程。單峰曲線通常代表單一的物質(zhì)來(lái)源或沉積過(guò)程。多峰曲線通常代表不同的材料來(lái)源、運(yùn)輸過(guò)程和運(yùn)輸媒體。因此用粒度頻率曲線的不同峰態(tài)特征可以用來(lái)判別沉積環(huán)境。另外，多峰態(tài)粒度頻率曲線也可用來(lái)判別和分離復(fù)雜物質(zhì)來(lái)源沉積物中的各個(gè)組份。而受東亞冬季風(fēng)控制，地處干旱半干旱區(qū)的封閉湖泊沉積物中含有一定比例的風(fēng)成組份，加之湖泊本身的湖相成因的組份和其他組份，故而這類湖泊沉積物的粒度頻率曲線一般呈多峰形態(tài)。研究上述類型湖泊沉積物中各個(gè)組份的物理，化學(xué)特征，并把它們分離出來(lái)使其能夠指示一定的古環(huán)境意義，為正確理解我國(guó)西部地區(qū)湖相沉積物的物質(zhì)來(lái)源、不同組份代表的環(huán)境變化過(guò)程、以及大氣環(huán)流變化過(guò)程都具有重要的意義。近年來(lái)，眾多學(xué)者研究了不同湖泊沉積物的粒度特征，從中分離出了其中的相關(guān)組份，但未能對(duì)這些組份各自所代表的環(huán)境意義做深入的討論。由于柴達(dá)木盆地位于我國(guó)西北干旱多風(fēng)地區(qū)，并且是中國(guó)黃土高原黃土的重要物源區(qū)，故位于柴達(dá)木盆地東部沉積中心的察爾汗古湖沉積相是典型的復(fù)合型沉積物。本次研究利用中科院青海鹽湖研究所察爾汗ISL1A孔的樣品，探討湖相沉積物中的多源組份及其它們所指示的環(huán)境意義。1實(shí)驗(yàn)樣品與測(cè)試方法位于青藏高原東北部的柴達(dá)木盆地是一個(gè)巨大山間盆地，其南部為昆侖山，北部為祁連山，西部為阿爾金山，海拔均超過(guò)5000m，東部連接青海湖地區(qū)。察爾汗鹽灘位于柴達(dá)木盆地中東部（圖1），自第四紀(jì)以來(lái)成為柴達(dá)木盆地的沉積中心，沉積了巨厚的湖相和蒸發(fā)巖沉積。察爾汗地區(qū)四周為沙漠戈壁地貌，其西部為第三系風(fēng)蝕湖相地層。自更新世以來(lái)，察爾汗地區(qū)成為一巨大湖泊，但隨著氣候的干化，目前該地區(qū)已經(jīng)成為干鹽灘，只剩下9個(gè)各自獨(dú)立的小鹽湖。ISL1A孔位于察爾汗別勒灘地區(qū)（37°3′50″N,94°43′41″E），孔深為102.13m，其中0～51.29m為蒸發(fā)巖沉積，中間夾若干碎屑沉積；51.29～102.13m為深湖相碎屑沉積層，夾多層黑色泥炭層。本次研究采取該孔的282塊粒度樣品（平均間隔30cm）、192塊樣品（平均間隔50cm）做鹽類礦物和鐵含量分析、130塊樣品做孢粉蒿藜比值（A/C值）分析。粒度樣品采用中科院青海鹽湖研究所英國(guó)馬爾文2000激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量范圍為0.01～3000μm，測(cè)量重復(fù)誤差<1%。前處理為常規(guī)前處理方法：取0.5g左右樣品置于50ml燒杯中，加入10%的H2O2溶液10ml后攪拌，靜止12h后加入10%的HCl溶液10ml，靜止12h；加入10%的Na2P2O7溶液10ml，用超聲波振蕩后測(cè)量。鹽類礦物和鐵含量在青海鹽湖研究所AxiosPW4400/40X射線衍射儀和ICAP6500等離子體光譜儀上測(cè)定。孢粉A/C值指標(biāo)在青海鹽湖研究所孢粉實(shí)驗(yàn)室鑒定和分析。該鉆孔序列引入11個(gè)鈾系年代數(shù)據(jù)，鈾系測(cè)年由中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所鈾系年代實(shí)驗(yàn)室完成。鈾系年代樣品包括8個(gè)鉆孔上部0～46m鹽類樣品和3個(gè)鉆孔下部富含碳酸鹽的湖相沉積物樣品，鉆孔下部3個(gè)不純碳酸鹽的湖相沉積樣品應(yīng)用鈾系L/R等時(shí)線模式測(cè)定。上部鹽層年代范圍從鉆孔頂部的8.2±0.3ka（采樣深度為0.35m）到49.3±2.3ka(46.0m）；下部深湖相沉積層年代范圍從62.5±4.3ka(64.54m）到92.0±3.8ka(98.9m）。測(cè)試結(jié)果與樣品采樣深度具有很好的線性關(guān)系，相關(guān)性達(dá)到98.3%。全孔的任意年代可由公式Age=0.827×Depth+8.478內(nèi)插和外推得到。2不同沉積模式的粒度特征對(duì)ISL1A孔樣品做粒度分析，部分連續(xù)深度樣品的粒度頻率曲線如圖2所示。由圖可見(jiàn)，該孔大多數(shù)樣品的粒度頻率曲線表現(xiàn)為雙峰（bimodalpattern）或三峰模式（trimodalpattern）。為了區(qū)分不同組份所代表的不同峰值（眾數(shù)粒徑），我們?cè)?個(gè)不同階段的連續(xù)深度樣品曲線上設(shè)定了5個(gè)點(diǎn)：將e點(diǎn)設(shè)定為主峰（眾數(shù)粒徑在10～100μm之間）；將c點(diǎn)設(shè)為次峰（眾數(shù)粒徑在1～10μm之間）；將a點(diǎn)設(shè)為第三峰（眾數(shù)粒徑<1μm）;b點(diǎn)和d點(diǎn)為上述3點(diǎn)之間的谷值點(diǎn)；f點(diǎn)為粒徑最大值的點(diǎn)。通過(guò)分析5個(gè)不同氣候階段粒度樣品的頻率分布曲線發(fā)現(xiàn)：A階段的粒度頻率曲線缺失a點(diǎn)和b點(diǎn)，也就是缺失a點(diǎn)所代表的第三峰，為雙峰分布模式（圖2a），而其余四個(gè)階段都具備a、c和e點(diǎn)所代表的3個(gè)峰值，即為三峰分布模式（圖2b～d）。從圖2中發(fā)現(xiàn)，除了E階段，大多數(shù)樣品的主峰（e點(diǎn)）高大且突出（圖2a～d），而C階段的次峰（c點(diǎn)）和主峰（e點(diǎn)）同樣突出。這些峰態(tài)特征代表著該湖相樣品中不同組份相對(duì)含量的大小。根據(jù)多數(shù)樣品的統(tǒng)計(jì)，主峰和次峰的眾數(shù)粒徑分別出現(xiàn)在大約40μm和6～8μm的位置上，而第三峰（a點(diǎn)）眾數(shù)粒徑則<1μm。這些樣品的另一個(gè)特征是在同一演化階段連續(xù)深度樣品的粒度分布曲線亦呈現(xiàn)相同的形式，但在不同的階段，其粒度分布曲線表現(xiàn)出不同的特征，例如在高鹽階段，除主峰和次峰外，缺失第三峰（圖2a）；在低鹽階段，次峰明顯突出（圖2c）；深湖相碎屑沉積階段，次峰非常明顯，而主峰卻很矮小（圖2e）。對(duì)于第三峰（a點(diǎn)），有的研究認(rèn)為是大氣粉塵氣溶膠背景值，有的認(rèn)為是湖泊中的生物化學(xué)成因。而在ISL1A孔樣品中，出現(xiàn)極端高鹽階段多數(shù)樣品的第三峰缺失但在低鹽和深湖階段第三峰普遍存在的情況，鑒于在鹽湖高鹽環(huán)境中，大多數(shù)生物很難成活而淡水環(huán)境中大量生長(zhǎng)的情況，我們也認(rèn)為<2μm的組份為生物化學(xué)成因的可能性很大。為了區(qū)分這些雙峰或三峰模式的粒度頻率曲線所代表的不同物源物質(zhì)，我們引入了一些典型沉積物的粒度分布曲線（圖3）：(1）現(xiàn)代粉塵（圖3a）；（2）冷湖11次塵暴平均值（圖3b）；（3）黃土（圖3c）；（4）紅粘土（圖3d）；（5）岱海穩(wěn)定湖相沉積物（圖3e）；（6）河流相沉積物（圖3f）。從圖3中可以看出，現(xiàn)代粉塵、黃土和紅粘土這3種風(fēng)成沉積的粒度頻率曲線主峰峰值在10～100μm的范圍內(nèi)（圖3a、3c和3d），其中現(xiàn)代粉塵和紅粘土的主峰眾數(shù)粒徑在20～25μm之間，黃土的則為48μm左右；而冷湖塵暴的主峰峰值在120μm左右，最大值達(dá)650μm（圖3b）；岱海穩(wěn)定湖相的粒度主峰峰值在10μm左右（圖3e）；現(xiàn)代河流沉積物的粒度主峰峰值超過(guò)了300μm（圖3f）。因此，這些典型的不同成因的沉積物粒度頻率曲線具有鮮明的特征模式，可用來(lái)對(duì)比判斷沉積環(huán)境和區(qū)分復(fù)合沉積物中的各個(gè)組份。通過(guò)圖2和圖3的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：ISL1A孔各個(gè)演化階段的主峰（e點(diǎn)）都在10～100μm范圍內(nèi)，平均眾數(shù)粒徑為40μm，和黃土樣品非常接近，可以初步認(rèn)為是察爾汗湖相樣品中的風(fēng)成組份；而根據(jù)冷湖塵暴樣品和庫(kù)賽湖的粒度特征，大于70μm的組份，初步認(rèn)為是湖相沉積物中的塵暴記錄；次峰（c點(diǎn)）的眾數(shù)粒徑稍小于10μm，平均值為7μm左右，和岱海穩(wěn)定湖相沉積物的峰值比較接近，初步認(rèn)為是湖相沉積物中的湖成組份。為了驗(yàn)證上述結(jié)論，我們分析了ISL1A孔樣品的其他粒度參數(shù)。圖4是粒度的平均粒徑-分選系數(shù)和平均粒徑-偏態(tài)的關(guān)系，如圖所示，所有樣品的平均粒徑大于4Φ，說(shuō)明這些樣品在一個(gè)低能量的環(huán)境中緩慢沉積下來(lái)的，進(jìn)一步說(shuō)明了無(wú)論在哪個(gè)演化階段，這些樣品沉積在一個(gè)水深較大的湖心環(huán)境中，該處沉積物接受較粗的河流相沉積物的可能性很小。平均粒徑-分選系數(shù)顯示平均粒徑和分選系數(shù)呈反相關(guān)，隨著粒徑的增大（Φ值減?。诌x系數(shù)越小，樣品的分選性越好，其代表的營(yíng)力越單一和穩(wěn)定，而在營(yíng)力單一穩(wěn)定的湖相環(huán)境中沉積物粒度反而有粗顆粒出現(xiàn)，說(shuō)明了平均眾數(shù)為40μm粗顆粒的風(fēng)成因素。平均粒徑—偏態(tài)顯示兩者呈正相關(guān)，與黃土的特征非常相似，也證明了該湖相沉積物中風(fēng)成組份的存在。劉興起等對(duì)庫(kù)賽湖和肖舜等對(duì)蘇干湖的研究也表明河流注入很難將粗顆粒帶到深水的湖心位置，故湖相沉積中的粗顆粒被認(rèn)為是風(fēng)成組份。另外，他們也認(rèn)為2～10μm的眾數(shù)峰值可能是湖泊成因組份，而索果淖爾干湖床砂質(zhì)粘土粒度曲線也顯示明顯的次峰峰值（約5μm），故進(jìn)一步證明了次峰的湖成因素。由于生物的繁盛程度跟湖水的淡化程度，氣候的適宜程度有關(guān)，故<2μm部分也能反映氣候的干濕程度和湖水的咸化程度。在黃土研究中發(fā)現(xiàn)粒度的10～70μm部分通常跟東亞冬季風(fēng)的強(qiáng)度有關(guān)。因此我們假定ISL1A孔樣品中的10～70μm部分（主峰）也一定程度上可作為東亞冬季風(fēng)強(qiáng)弱的代用指標(biāo)；而根據(jù)冷湖現(xiàn)代塵暴資料70～650μm部分被認(rèn)為是代表塵暴天氣的指標(biāo)；2～10μm是湖相沉積組份，是反映湖深及水動(dòng)力的指標(biāo)。根據(jù)上述原則將ISL1A孔樣品粒度分為<2,2～10μm,10～70μm和70～650μm幾個(gè)部分，同該孔的鹽類礦物（石鹽和碳酸鹽）、鐵含量和孢粉A/C值指標(biāo)記錄進(jìn)行對(duì)比分析（圖5）。在ISL1A孔中鑒別出蒿屬、藜科等共43種灌木草本花粉，其中蒿屬的平均含量為31.3%，藜科的平均含量為23.1%。張平等根據(jù)405塊湖相沉積物樣品、263塊黃土樣品得出中國(guó)北方湖相沉積和典型風(fēng)成沉積物的判別公式：F=20.363Mz-56.371Sd-67.922Sk+23.516Kg-55.626，若F>0，為穩(wěn)定湖相沉積物；若F<0，為風(fēng)成沉積物。根據(jù)上述判別公式，將ISL1A孔粒度樣品的F值也引入到對(duì)比當(dāng)中，將更好的驗(yàn)證我們的假定。在柴達(dá)木盆地鹽湖沉積物中，石鹽的高含量指示著極端干旱的氣候，湖泊進(jìn)入氯化物演化階段；而碳酸鹽正好相反，高含量意味著氣候變濕、湖泊淡化；鐵元素的含量指示入湖流量的變化，間接指示氣候濕潤(rùn)程度和降雨量的變化。孢粉A/C值被認(rèn)為指示濕度條件的重要代用指標(biāo)。在ISL1A孔的指標(biāo)變化序列中（圖5），選出圖2中不同深度粒度分布曲線所對(duì)應(yīng)的各個(gè)典型階段：A和B階段石鹽含量極高，碳酸鹽和鐵元素含量都很低，指示了一個(gè)氯化物階段的高鹽鹽湖環(huán)境；C階段石鹽含量相對(duì)較低，碳酸鹽、鐵元素含量和A/C值較高，為相對(duì)濕潤(rùn)的環(huán)境；D階段碳酸鹽、鐵元素含量和A/C值較低，為相對(duì)干旱階段。E階段石鹽含量非常低，而碳酸鹽、鐵元素含量和A/C值很高，指示一個(gè)很濕潤(rùn)的氣候和深湖相的淡化湖泊環(huán)境。通過(guò)上述指標(biāo)和粒度各個(gè)組份對(duì)比（圖5）發(fā)現(xiàn)：整體上粒度各個(gè)組份與石鹽、碳酸鹽、鐵元素和孢粉A/C值指標(biāo)有很好的相關(guān)性。<2μm的生物化學(xué)組份和2～10μm湖成組份在鉆孔下部深湖相碎屑沉積階段較高，在干化和成鹽階段較低；而代表風(fēng)成組份的10～70μm和70～650μm則在鉆孔下部濕潤(rùn)階段較低，在干旱成鹽階段較高。上述趨勢(shì)從整體上反映了我們前述初步結(jié)論的準(zhǔn)確性。另外，在一些代表性的階段上有如下特征：例如在A階段，極端干旱的成鹽環(huán)境下，<2μm和2～10μm部分都很低，而10～70μm和70～650μm部分卻出現(xiàn)很高的高值，粒度頻率分布曲線也顯示出很很弱的次峰和明顯的主峰（圖2A）;B階段為另一個(gè)小成鹽期，其10～70μm和70～650μm組份亦出現(xiàn)較強(qiáng)的增長(zhǎng)趨勢(shì)，在頻率分布曲線中代表風(fēng)成組份的主峰有明顯的突出（圖2b）;C階段為一較濕潤(rùn)時(shí)期，湖水較深，但風(fēng)成組份依然很高，在頻率曲線上也有很高的次峰（圖2c）;D階段是一個(gè)相對(duì)咸化階段，其風(fēng)成組份亦高而湖成組份相對(duì)較低，和圖2中的頻率曲線相對(duì)應(yīng)（圖2d）;E階段為一典型的氣候濕潤(rùn)，湖水淡化程度很高的深湖相階段，其風(fēng)成組份表現(xiàn)出很低的低值，而湖成組份卻表現(xiàn)很突出，與這一階段的頻率曲線相對(duì)應(yīng)（圖2e）。無(wú)論是總趨勢(shì)，還是具有代表性的各個(gè)階段，都與判別公式F值表現(xiàn)出了很好的一致性：在濕潤(rùn)和深湖階段，樣品以湖成為主；在干旱成鹽階段，樣品以風(fēng)成為主。通過(guò)上述分析對(duì)比，驗(yàn)證了前述初步結(jié)論的準(zhǔn)確性，即：<2μm和2～10μm部分以湖成組份為主，而10～70μm和70～650μm部分以風(fēng)成組份為主。而且這些風(fēng)成組份的變化與風(fēng)力強(qiáng)度的變化和氣候變化過(guò)程密切相關(guān)，可一定程度上反映92.9ka以來(lái)入湖水量的變化和東亞冬季風(fēng)的變化過(guò)程（圖5）:92.9～83.1ka（對(duì)應(yīng)于深海氧同位素5b階段，即MIS5b），東亞冬季風(fēng)稍微增強(qiáng)，湖相沉積相對(duì)減少，氣候條件稍微變差，這和青藏高原扎布耶茶卡鹽湖沉積物δ18O記錄的在MIS5b階段氣候條件變差的情況很相似；83.1～71.0ka(MIS5a），該階段是氣候非常濕潤(rùn)，湖水處于淡水環(huán)境，湖泊沉積增加，而東亞冬季風(fēng)和塵暴天氣記錄明顯減少；71.0～64.0ka(MIS4），柴達(dá)木地區(qū)氣候稍微變干，氣候稍微變差。Fan等研究了柴達(dá)木盆地尕海湖地區(qū)的高湖面記錄，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)82～73ka左右出現(xiàn)高湖面，而在MIS4階段出現(xiàn)礫石層，湖泊退卻，表明柴達(dá)木盆地各地區(qū)氣候變化過(guò)程具有一致性；64.0～22.3ka（對(duì)應(yīng)于MIS3），該階段氣候出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。其中在64.0～47.2ka(MIS3c）段，氣候相對(duì)濕潤(rùn)，湖相沉積增加，東亞冬季風(fēng)減弱。對(duì)柴達(dá)木盆地西部大浪灘ZK02鉆孔研究揭示該階段氣候濕潤(rùn)，為溫帶草原環(huán)境，植被茂盛。而對(duì)盆地東部的青海湖古湖岸堤的光釋光年代研究表明該地區(qū)在MIS5階段和MIS3c階段出現(xiàn)高湖面，在MIS4階段未找到高湖面的證據(jù)，和ISL1A孔的指標(biāo)記錄相對(duì)應(yīng)；在47.2～34.3ka(MIS3b），氣候變干，該地區(qū)氣候迎來(lái)了第一期較大的成鹽期，湖相沉積明顯減少而東亞冬季風(fēng)和塵暴過(guò)程變強(qiáng)盛。該階段氣候條件變差的現(xiàn)象在青藏高原其他地區(qū)也有記錄；然而在34.3～22.2ka(MIS3a）氣候條件有所好轉(zhuǎn)，湖泊沉積增加，湖水暫時(shí)相對(duì)淡化，風(fēng)塵記錄減小。但<2μm的粒度組分持續(xù)減少，說(shuō)明從整個(gè)序列來(lái)看，湖泊持續(xù)咸化，湖中生物減少。Owen等對(duì)柴達(dá)木盆地南部昆侖山山前洪積扇的研究表明該時(shí)期洪積扇發(fā)育廣泛，流域內(nèi)徑流量增大，氣候轉(zhuǎn)好；對(duì)該區(qū)域柴達(dá)木盆地格爾木河流域小干溝剖面的研究表明在該階段氣候也是濕潤(rùn)為主。在22.2～14.3ka(MIS2），湖泊進(jìn)入鹽湖階段，為第二期大規(guī)模成鹽期，氣候極端干旱，入湖徑流量大幅下降，湖相沉積明顯減少，而東亞冬季風(fēng)和塵暴天氣顯著加劇。然而從14.3ka開(kāi)始進(jìn)入末次冰消期以后氣候條件有恢復(fù)變好的趨勢(shì)。扎布耶茶卡鹽湖的記錄表明在MIS2