河西走廊花海古湖泊全新世白云石的发现及其环境意义*1

李卓仑，陈 晴，王乃昂，李 育，吕行行

(兰州大学资源环境学院，兰州大学干旱区水循环与气候变化研究中心，兰州730000)

白云石作为碳酸盐矿物的一种［1］，在地质历史中广泛分布，在过去的研究中也被大量报道［2-7］，为白云石的成因研究提供了丰富的证据.以往的研究中，在古近纪［8-9］、新近纪［10］等新生代地层中均发现白云石的存在，甚至在古生代、中生代等较老地层中也有报道［9，11］.而在全新世地层中虽然有所报道［12-14］，但其发现的区域较上述时段远远偏小.

白云石成因和演化的问题目前仍有较大争论，通过渗透回流［1，15-18］、蒸发泵、交代替换、微生物作用［14］和次生交代［5］等机制来解释白云石的成因，为揭示白云石的形成和埋藏条件等问题提供了有益的参考.上述成因中，对解释台地 盆地规模的白云石成因有相对系统的研究，而对内陆干旱湖泊中白云石成因研究相对稍显薄弱，尤其是全新世以来白云石成因研究，虽然通过内蒙古南部巴彦查干湖［14］和青海湖［19-20］的研究，发现了全新世以来的白云石沉积，但与新生代其它时期形成的白云石在成因上有较大的差异.因此，对内陆干旱湖泊，尤其是对全新世以来白云石成因方面的研究仍需要进一步开展工作.

花海湖位于河西走廊的西段，是一个典型的内陆干旱湖泊［20-23］，在以往的研究中受到了较多的关注［21-27］，构建了晚冰期以来的沉积序列［28］，并重建了特征时期的古环境特征［25-27］.在最近的研究中，我们发现在花海湖全新世的沉积物中，有明显的白云石沉积.探讨其白云石的形成环境，不仅可以为白云石的形成机制提供新的证据，同时对深入理解该区域湖泊演化及古环境变化均有帮助.基于此，本文以花海湖为研究对象，研究全新世以来白云石形成的环境及其所揭示的环境意义.

1 区域概况

花海湖位于河西走廊西段玉门市东北约90 km处，现在的花海湖为一内陆干涸湖盆，花海湖盆地海拔高度约为1150～1250 m，为一南北宽达40 km、东西长约70 km的狭长低地，在地质构造上属于花海 金塔盆地的西部，盆地南缘属中低山或中山区，盆地内干燥多风，每年4-6月为风季，冬、春季多西北风，有风天气不小于300 d.夏季炎热，气温可高达40℃，冬季最低温－26.7℃，年平均气温8℃.年平均降水量56 mm，多集中在6-8月，年蒸发量达3000 mm.盆地内坡积洪积平原、洪积冲积平原、湖积平原等呈环带状分布，历史上曾是疏勒河东支北石河、南石河和石油河及北大河支流断山口河的终端湖.流域岩性除变质岩、火成岩外，主要为碎屑岩、灰岩以及碎屑岩夹灰岩等.盆地中部的湖积平原大多为红柳灌丛沙堆所占，地面起伏不平，发育石膏灰棕漠土、草甸土、沼泽土等.区内除花海乡(营盘堡)和花海农场等地附近有小片灌溉农田外，盆地大部分为天然牧场，花海湖目前为一典型的干盐湖.

2 研究方法

研究剖面位于花海湖湖盆最低洼处(图1)，整个剖面17.25 m，其中9.25 m至地表为新仙女木时期以来的沉积［27］.整个剖面通过13个常规14C和5个AMS14C测年结果建立年代框架，剖面的描述和年表建立过程及结果参见文献［28］.

图1 花海湖剖面位置Fig.1 The position of the profile in Lake Huahai

样品采集自下至上按5 cm间隔系统采样，自芒硝层中部淤泥细线(8.42 m)开始，至40.5 cm深度处结束.部分砂层采样间隔为10 cm，共采集样品153组.Fe3+测定在兰州大学西部环境教育部重点实验室进行，实验前处理和测试方法见文献［23］.

样品的矿物种类及相对百分含量按照10 cm间隔进行测量，部分层位按照5 cm间隔进行测量，共计测量样品80组.样品经烘干研磨至100目左右后，在兰州大学西部环境教育部重点实验室荷兰帕纳科公司的X-pert Pro型粉晶X射线衍射仪上完成测试.

矿物种类及相对百分含量的最终确定，通过在该仪器自带的X'Pert High Score Plus软件分析后得出，样品中不同矿物的重量百分数计算公式为:

式中，Xi为样品中 i矿物重量百分数;Ki，n和 Kj，n是矿物 i和 j分别在衍射线 n 上的参照强度比值;Ii，n和 Ij，n是矿物i和j分别在衍射线n上的积分强度;m是样品中所有矿物的个数.测定误差为±5%.总外源碎屑岩矿物重量百分数根据石英、白云母、钠长石和绿泥石重量百分数之和进行确定.

白云石和石膏的判定主要通过沉积物矿物组成的XRD图谱进行，两者在衍射图中可以很好地与其他矿物进行区分，例如，在深度210.5 cm和80.5 cm处衍射结果可以很好地判定白云石和石膏的存在(图2).

图2 白云石(210.5 cm深度沉积物)和石膏(80.5 cm深度沉积物)X衍射图Fig.2 The X-ray diffraction diagram of dolomite(sediment at the depth of 210.5 cm)and gypsum(sediment at the depth of 80.5 cm)

3 结果与分析

X衍射的结果显示，整个剖面的沉积过程中，白云石和石膏含量较为丰富，自晚冰期以来白云石等矿物含量随深度的变化见图3.由于本文的研究重点为全新世白云石的沉积环境，全新世之前的白云石等矿物的沉积环境将另文讨论.

根据层位的划分［28］，6.83 m以上是典型的全新世沉积，其中10.60-10.47 cal ka B.P.时期(6.30 ～3.73 m)以冲洪积和风成沉积为主［21，28］，白云石和石膏含量均较低，Fe3+含量相对较高，显示了较强的氧化性特点.而在风成砂为主的风成沉积阶段(5.25～4.53 m)，白云石含量虽然有所上升，但仍然低于10%，显示了在风成沉积和冲洪积阶段较低的含量特点.10.47-8.87 cal ka B.P.时期(3.73 ～3.08 m)，是花海湖的一个成湖期，湖泊水位开始逐渐回升［28］，该时期白云石含量迅速降低，石膏和Fe3+含量突然增加.8.87-5.50 cal ka B.P.时期(3.08～0.73 m)，白云石和石膏的含量均呈现明显的波动，但二者呈现一定反相位关系.白云石含量较高的阶段，均对应着石膏含量的低值.与此同时，3.08～2.30 m深度中，Fe3+离子含量最低，表明氧化性最弱，湖泊水位升高［21，27］.5.50-0 cal ka B.P.(0.73 m 至地表)，为现代的洪泛堆积.

4 讨论

4.1 白云石的来源

白云石是碳酸盐矿物［1］，湖泊沉积物中碳酸盐矿物的成因相对较为复杂，既有可能是外源碎屑矿物，又有可能是自生矿物.但碎屑岩矿物往往为外源矿物［29］，通过碳酸盐矿物含量与外源碎屑岩矿物含量的相关性高低再结合其他因素分析，进而判断碳酸盐矿物的自生与否，已经得到了应用［29］.

图3 花海湖白云石和石膏含量变化Fig.3 Content changes of dolomite and gypsum in Lake Huahai

将石英、白云母、钠长石和绿泥石四种典型的外源碎屑岩矿物的重量百分比之和与白云石重量百分比进行相关分析，通过对比不同沉积阶段的外源碎屑岩矿物与白云石的相关关系，发现无论是冲洪积和风成沉积为主的沉积阶段(图4a)，还是在湖相沉积为主的阶段(图4b)，白云石的含量变化与外源碎屑岩矿物的含量变化相关性都很差.若白云石矿物为外源的，其含量变化应该同外源碎屑岩矿物含量的变化具有一定的正相关关系，反之亦然.但从本文结果看，二者没有明显的正相关关系.同时，流域的岩性主要是变质岩、火成岩、碎屑岩、灰岩以及碎屑岩夹灰岩等，没有白云石矿物的存在，这亦是白云石是自生碳酸盐的重要证据.另外，白云石作为外源碎屑矿物，在淡水湖中较为常见，而在咸水湖中发现较少［30］，而花海湖自晚冰期以来，即有明显的盐类矿物沉积，包括芒硝、石膏等盐类矿物的沉积［25-28］，是典型的盐湖而非淡水湖，综上，花海湖白云石应为自生的碳酸盐矿物.

图4 花海湖外源碎屑岩矿物与白云石的相关关系(a:6.30～3.73 m深度，b:3.73～0.73 m深度)Fig.4 Correlation between dolomite and clastic rocks from Lake Huahai

4.2 白云石沉积环境

根据现代白云石的原生沉淀环境，既有发现于像青海湖这样的微咸水湖［18］，又有发生在泻湖、浅海和盐湖等盐度较高的水体［31-32］.以往的解释由于在盐度富集的过程中常伴随着强烈的水汽蒸发，因此这些高盐度水体的湖泊沉积物中白云石主要被解释为蒸发成因［3，28］;而在盐度较低的水体中，则更倾向于微生物作用的成因［14，19］.

花海湖在晚冰期和新仙女木时期，即以芒硝沉积为主［25-28］，在全新世时期，又有典型的石膏沉积，是一个典型的盐湖.王乃昂等［28］通过对晚冰期以来花海古湖泊沉积特征分析研究指出，8.87-5.50 cal ka B.P.(3.08～0.73 m)存在深湖相沉积的气候湿润期，为明显的还原环境.在此阶段，白云石和石膏的含量变化趋势相反，在白云石含量较高的阶段，石膏含量却明显偏低.由于石膏为暖相盐类矿物，是干热气候的典型代表，指示干热、水体盐度高和蒸发作用强的气候条件［30，33-34］.因此，两者相反的趋势变化，指示了白云石在花海湖泊沉积过程中并非直接受到蒸发作用的影响.此外，可以指示氧化环境强弱的Fe3+含量变化在上述时期与白云石含量在趋势上也呈现一定的相反趋势.结合岩性表明，该时期沉积环境以还原环境为主，在还原环境下，白云石含量在整个剖面中含量最高，同时，受到氧化性强弱变化的影响，在氧化性增强的时期，白云石含量相应地减少.

10.47-8.87 cal ka B.P.时期(3.73 ～3.08 m)，Fe3+含量呈现一定的高值，反映了氧化性较强的特征，此时白云石含量开始降低，揭示了氧化环境不利于白云石形成.

10.47 cal ka B.P.之前的早全新世，花海湖的沉积过程以冲洪积和风成沉积为主(6.30～3.73 m)，该时期湖泊水位较浅、接近干涸［28］，并伴有明显的风成砂沉积［22］，显示了明显的氧化环境.同时，该阶段岩性以棕色、紫褐色黏土质粉砂为主［28］，是一种典型的氧化环境，这种氧化环境无法在深湖相环境中进行，是较干旱的环境产物［35］.该阶段白云石含量较全新世中期明显偏少(图3)，同样显示了与还原环境相比，在氧化环境下白云石无法大量形成.

由此说明，氧化环境并不利于白云石的形成;相反，还原条件有利于白云石的形成.部分研究也发现，在现代的微咸水湖中报道的白云石均为典型还原环境下所形成的［14，19］.虽然目前在还原环境下形成白云石的原因尚无定论，但更倾向于在还原环境下有硫酸盐还原菌的参与［36］.虽然目前在形态上无法确定是否有还原菌直接参与，但可以肯定的是，在花海湖全新世沉积过程中，还原环境利于白云石的形成.

4.3 白云石沉积指示的环境意义

白云石是碳酸盐矿物，在全新世沉积环境中曾被认为是湖水咸化的直接证据，进而成为指示干旱环境的产物［14］.在干旱、封闭条件下，湖泊经历从淡水、碳酸盐型、硫酸盐型，进而演变成卤水盐湖的演化过程［37］，即所谓的“牛眼模式”.郑绵平等［38-39］将碳酸盐型再细分为强度、中度、弱度3种亚型.由于在碳酸盐型湖泊中，湖水盐度逐渐升高，初期的沉淀以方解石为主，伴随着Ca2+、Mg2+和的沉淀，湖水进一步咸化，在Ca2+不断减少的过程中，随着Mg/Ca比值的增加，直至形成高镁方解石、白云石和菱镁矿［40］.因此，在碳酸型盐湖的沉积过程中，由方解石沉积过渡到白云石沉积，可以认为是湖水咸化的一种标志.

但同时值得注意的是，碳酸型只是干旱、封闭条件下湖泊演化过程中的一种，其后仍经历硫酸型乃至卤水盐湖的演化过程.若在硫酸型湖泊沉积过程中，譬如以石膏或芒硝沉积为主的阶段，则白云石沉积无法作为湖水咸化的重要标志;相反，应揭示湖水的相应淡化过程.朱玉双等［41］对三塘湖盆地中的白云石成因进行研究时，也认为白云石并非在高盐度环境下沉积，而是淡水混入使湖水处于半咸水状态的产物.本文的研究也进一步表明，在全新世时期，石膏大量沉积时期并不利于白云石的形成(图3)，相反，由于湖水的淡化，硫酸盐型湖泊中石膏含量减少，白云石等碳酸盐才得以沉积.因此，在盐湖沉积过程中，白云石沉积的出现虽然可以指示一定的盐度特征，但并不一定是直接指示湖水的咸化，需要进一步判定其他矿物沉积以及盐湖类型，方能进一步揭示其环境意义.

花海湖在全新世期间白云石含量的变化，可以间接地反映湖水盐度的变化过程.X衍射结果显示了全新世湖相沉积(3.73～0.73 m)过程中均有石膏析出(图3)，表明湖水盐度较高.在10.47-8.87 cal ka B.P.早全新世时期(3.73～3.08 m)，花海湖水位开始逐渐回升［28］，此时期白云石含量迅速降低，石膏和Fe3+含量突然增加;这主要是由于经历了早期的冲洪积和风成沉积为主的一种干旱环境［28］，此时虽然湖泊水位有所回升，但Fe3+含量呈现一定的高值，氧化环境相对较强［28］，湖泊水位较浅，不利于白云石的形成，石膏沉积则反映了该时期湖水的盐度相对较高，同时，与前期洪泛堆积和风成砂的沉积相比，揭示了该时期气候由干向湿的转化过程.8.87-5.50 cal ka B.P.时期(3.08 ～0.73 m)，白云石和石膏的含量均呈现明显的波动，反映此时湖水盐度的变化呈现一定的波动;这主要是由于该阶段以还原环境为主［28］，利于白云石的形成，白云石含量的增加与石膏含量相应地减少反映了该时期湖水盐度的波动变化.由图3并结合野外观察发现，3.08～2.53 m是石膏含量最大的阶段，有明显条带分布的菱板状石膏沉积［28］，同时3.08 m处的14C年代结果表明(图2)，自 8.87 cal ka B.P.时期开始，湖水明显咸化、气候干旱.在2.53 ～0.73 m 时期，石膏含量减少，白云石含量增加，表明该时期湖水较前期淡化.同时该阶段呈现明显的深湖相沉积［28］，表明该时期湖水盐度比8.80 cal ka B.P.时期相对较低，气候相对湿润，湖泊发育.5.50 cal ka B.P.至今，出现沉积间断，揭示了湖泊干涸、气候变干的特点.

5 结论

通过对花海湖沉积物的X衍射分析，发现了全新世时期白云石的存在.岩性、沉积过程、石膏以及Fe3+含量的变化表明，花海湖全新世白云石沉积的环境以还原环境为主，还原环境利于白云石的形成.

白云石作为碳酸盐矿物，可以反映一定的湖水盐度，虽然其含量的变化可以指示湖水盐度的变化，但并非直接指示湖水的咸化.随着湖水盐度的进一步增加，在硫酸盐型湖泊中，白云石含量随盐度的增加而相应地减少.

结合石膏含量的变化，花海湖全新世时期白云石含量的变化可以揭示该区域湖水盐度的变化.在10.47-8.87 cal ka B.P.早全新世时期，湖水的盐度较高，气候由干向湿转变;8.87 cal ka B.P.时期，有大量石膏沉积，显示湖水盐度的进一步升高，气候干旱;随后湖水相对淡化，气候湿润;5.50 cal ka B.P.至今沉积出现间断，气候逐渐干旱.

致谢:感谢审稿人对本文提出的宝贵修改意见.

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