云南小中甸盆地地球化学特征及其环境意义

甘国其， 张文翔， 明庆忠， 史正涛， 苏怀

(云南省高原地理过程与环境变化重点实验室，云南 昆明 650500；云南师范大学 高原湖泊与全球变化实验室，云南 昆明 650500)

近百年来，金沙江的河谷地貌成因、时代及河谷发育与气候间的关系一直是学术界研究的热点[1-14].由于湖相沉积物连续性好、分辨率高、记录了气候环境演变的众多信息，因此成为研究环境变化的理想载体之一[15].小中甸盆地地处金沙江流域和西南季风控制区，盆地内的湖相沉积物记录了区域环境气候变化，是研究西南季风演化的理想地区之一.前人研究发现，小中甸盆地的第四纪湖相沉积共发现3套[16]，并且敏感地记录了近40 ka以来的Heinrich事件[17].本文通过对云南小中甸盆地湖相沉积物地球化学元素特征及分异规律的分析，探讨了西南季风控制下的小中甸盆地40 cal.ka BP以来的化学风化作用及环境演化历史.

1 研究区概况

云南小中甸盆地位于青藏高原和横断山脉东南缘(27°20′-27°43′N，99°36′-99°59′E),是新生代形成的一个南北向断陷盆地[4].盆地里沉积了数百米厚的多套湖相地层[18]，湖相沉积物沿盆地伸展方向大致呈北北西向分布，面积约400 km2.同时，小中甸盆地常年受西南季风影响，大量水汽通过季风进入盆地[19].其多年平均气温5.8 ℃，年平均降水量849.8 mm，降水主要集中在夏季[20]；云南小中甸盆地周边山地植被垂直发育，盆地内以莎草科植被为主[17].

2 样品采集与分析

2.1 样品采集

剖面位于小中甸盆地西北约8 km(图1)的一人工开挖露头，总深度15.3 m.剖面以青灰色粉砂质黏土为主，其顶部为0.4 m现代土壤，剖面中含有5层粉砂层，底部为黑色碳质黏土层(图2).野外元素地球化学样品采样间距50 cm，共采集样品32个.

图1 小中甸湖相沉积采样点位置

Fig.1 The location of Xiaozhongdian lake sediment profile

图2 沉积剖面

Fig.2 Stratigraphy of Xiaozhongdian section

2.2 实验方法

沉积物地球化学元素组成利用荷兰Magix PW2403 X-射线荧光光谱仪测定.碳酸盐分析使用排气法测定(即先测定加入盐酸后产生的CO2气体的量，然后转化成CaCO3含量)，其重复测量的误差小于0.5%.14C年代样品的分析在芬兰1220型液闪计数器上完成.根据其年代分析结果[16]并通过内插的方法，建立了整个剖面年代学序列，其剖面底部年代约为40 ka.全部的实验及年代测定均在兰州大学西部环境教育部重点实验室进行.

3 结果与讨论

3.1 元素氧化物含量与变化特征

小中甸湖相沉积物中常量元素氧化物分析结果(图3)显示，样品中氧化物总含量在90.44%～93.11%之间，平均含量为91.70%；其中以SiO2为主,约占57.23%(53.51%～65.40%)，Al2O3平均含量为14.09%(10.97%～16.54%)，CaO 占5.13%(0.56%～8.79%)，Fe2O3、MgO、Na2O、K2O分别占8.23%、2.46%、0.80%和2.37%，氧化物含量表现出SiO2>Al2O3>Fe2O3>CaO>MgO>K2O>TiO2>Na2O的特征.同时，在剖面1.7～2.2 m、3.2～3.5 m、7～7.2 m、11.8～12.2 m和14.2～14.3 m处，各元素含量发生变化，特别是TiO2波动较为显著，其对应沉积剖面中5个粗粉砂层.一般认为，湖泊中的Ti元素主要来源于外源输入，其变化情况主要受控于流域气候环境变化.

进一步分析发现(图4)：小中甸湖相沉积物的Na2O/Al2O3值相对于其在上地壳(UCC为0.224[21])都有明显的亏损，但分布范围较集中，揭示了小中甸湖相沉积物来源及构成的稳定性.

3.2 地球化学参数与环境变化

K2O/Na2O：钠和钾是活性极强的碱金属元素.由于钾比钠更易失去电子，其还原性都比钠强，性质也更活泼.在还原条件下，水体盐度越高，钾和钠越易被黏土吸附或进入伊利石晶格，且相对于钠，元素钾的吸附量更大[22].因此，K/Na可以反映湖水盐度的高低，水体的盐度越高，其值越大[23].根据小中甸湖相沉积物K2O/Na2O值的变化特征，可以将K2O/Na2O分为三个阶段(图5).其中在27.9～10.9 cal.ka BP间，湖泊盐度较高，指示了水位下降，湖泊快速收缩的过程；约在10 cal.ka BP以后由于湖泊收缩，盐度不断增加直至最终消亡.

图3 小中甸湖相沉积物常量元素含量变化曲线

Fig.3 Variation of oxide and element contents in Xiaozhongdian section

图4 小中甸湖相Na2O/Al2O3-K2O/Al2O3分布图

Fig.4 The relationship between Na2O/Al2O3and K2O/Al2O3

退碱系数(w=(K2O+Na2O+CaO)/Al2O3)反映了活动组分与惰性组分之间的关系，与气候条件密切相关.湖泊沉积物中，其值越高，表明入湖的惰性组分越少，源区的风化越弱，水热条件差；反之，风化作用强，水热条件较好[24].从小中甸湖相沉积物的退碱系数变化来看(图5)，其值在31.1～10.9 cal.ka BP间风化程度相对较弱，此时段正好处于末次冰期，与深海氧同位素第2阶段(MIS2)相对应，指示了相对较弱的西南季风强度.

图5 小中甸湖相沉积物地球化学参数变化与环境

Fig.5 Variation of geochemical ratios in Xiaozhongdian section and their climate significances

SiO2/Al2O3与SiO2/(Fe2O3+Al2O3)：铝硅酸盐在风化作用下一般转变为黏土矿物,如伊利石、蒙脱石和高岭石等,只有在极端湿热的条件下,如热带、亚热带湿润炎热的情况下,黏土矿物才能进一步发生红土化作用,使黏土矿物再分解,硅、铝分离,硅随水迁移,而铝则在原地堆积并风化形成最终产物铝土矿.铁是受氧化还原作用影响比较大的元素,还原条件下,铁呈二价,溶解并迁移,在氧化环境中,二价铁极易被氧化为三价铁发生淀积,相应地湖泊沉积物中铁含量就会降低.因此湖泊沉积物硅铝率SiO2/Al2O3和硅铝铁率SiO2/(Fe2O3+Al2O3)与风化强度呈正比[25].从小中甸湖相沉积物的硅铝率SiO2/Al2O3和硅铝铁率SiO2/(Fe2O3+Al2O3)变化特征来看(图5)，40～27.9 cal.ka BP和10.9～0 cal.ka BP间处于高值段，指示当时湖泊流域有较强的化学风化过程.同时，小中甸沉积物的硅铝率和硅铝铁率的变化特征与退碱系数具有较好的一致性.

3.3 小中甸沉积物地球化学特征记录的西南季风演化历史

元素的分异规律与风化强度以及元素的地球化学行为的研究对深入了解不同气候系统对全球变化的响应过程及区域与全球环境演化具有重要的意义[26-30].通过以上对小中甸湖相沉积物地球化学元素和相关元素比值的分析以及与其他区域对比研究表明：40～31 cal.ka BP期间，云南小中甸区域气候温暖干燥，与中甸纳帕海[19]和鹤庆盆地发现末次冰期间冰阶西南季风活动减弱相一致[19,31-32].因受到西南季风演化的影响，小中甸沉积物地球化学记录了多次湖泊水位波动并最终消亡，以及千年尺度的气候变化过程，表现为暖干-冷湿-暖干的变化特征.同时，沉积物记录的30.4、23.6和12.5 cal.ka BP三次干旱事件反映了降水的减少及西南季风的减弱.

4 结 论

(1)云南小中甸湖相沉积物中氧化物含量表现出SiO2>Al2O3> Fe2O3>CaO>MgO>K2O>TiO2>Na2O的特征，Na2O/Al2O3值分布范围较为集中，但相对于其在上地壳的值均有较明显的亏损.

(2)小中甸沉积物地球化学记录了多次湖泊水位波动并最终消亡，以及千年尺度的气候变化过程，表现为暖干-冷湿-暖干的特征.同时，沉积物记录了30.4、23.6和12.5 cal.ka BP的三次干旱事件,指示了40 cal.ka BP以来西南季风演化的历史，研究结果可与中甸纳帕海和鹤庆盆地进行对比.

(3)对云南小中甸盆地湖相沉积物地球化学的研究有助于重建西南季风的演化过程、区域环境气候与全球变化耦合机制的进一步探究.

致谢：本文在采样研究过程中得到了兰州大学张林源教授的指导，文中14C测年工作由兰州大学曹继秀高工完成，特此表示感谢.

[1] GREGORY S W.The alps of Tibet and their geographical relation[J].Geogr.Jour.,1923,61(3):166-177.

[2] 任美锷.云南西北部金沙江河谷地貌与河流袭夺问题[J].地理学报,1959,25(2):135-155.

[3] 张叶春,李吉均，朱俊杰.晚新生代金沙江形成与过程研究[J].云南地理环境研究,1998,10(2):43-48.

[4] 张芸,朱诚,于世永.长江三峡张家湾遗址孢粉组合及古环境演变[J].长江流域资源与环境,2001,10(3):284-288.

[5] 杨达源,李徐生.金沙江东流的研究[J].南京大学学报,2001,37(3):317-322.

[6] CLARK M K,SCHOENBOHM L M,ROYDEN L H,et al.Surface uplift,tectonics, and erosion of eastern Tibet from large-scale drainage patterns[J].Tectonics,2004，23(1)：1-20.

[7] 史正涛,明庆忠,董铭.长江第一弯成因新探[J].云南地理环境研究,2006,18(3):1-6.

[8] 明庆忠,史正涛,董铭.长江第一湾成因及形成时代探讨[J].地理科学研究进展,2007,26(3):119-125.

[9] 明庆忠,史正涛.三江并流区干热河谷成因探讨分析[J].中国沙漠,2007,27(1):99-104.

[10]明庆忠,史正涛,苏怀,等.金沙江虎跳峡成因及形成时代探讨[J].热带地理,2007,27(5):400-404.

[11]杨达源,韩志勇,葛兆帅,等.金沙江石鼓-宜宾河段的贯通与深切地貌过程的研究[J].第四纪研究,2008,28(4):564-568.

[12]KONG P,ZHENG Y,CAFFEE M W.Provenance and time constraints on the formation of the first bend of the Yangtze River[J].Geochemistry,Geophysics,Geosystems,2012，13(6)：6017-6032.

[13]明庆忠,潘保田,苏怀,等.山区河谷-水系演化及环境效应研究—以金沙江为例[J].云南师范大学学报,2013,33(2):1-10.

[14]明庆忠，潘保田，苏怀，等.金沙江河谷—水系演化的崩滑外动力作用研究[J].云南师范大学学报：自然科学版，2013，33(5)：1-8.

[15]王苏民,张振克.中国湖泊沉积与环境演变研究的新进展[J].科学通报,1999,44(6):579-587.

[16]赵希涛,郑绵平,李道明.云南迪庆小中甸古湖的形成演化及其与石鼓古湖和金沙江河谷发育的关系[J].地质学报,2007,81(12):1645-1651.

[17]明庆忠,苏怀,史正涛,等.云南小中甸盆地湖相沉积记录的最近5次Heinrich事件[J].地理学报,2011,66(1):123-130.

[18]赵希涛,曲永新,张永双,等.滇西北丽江地区石鼓古湖的发现及其在现代金沙江河谷发育中的意义[J].地质通报,2007,26(8):960-969.

[19]殷勇,方念乔.云南中甸纳帕海57000年来湖泊气候记录及与海洋记录的对比[J].地学前缘,2002,9(1):10.

[20]明庆忠.三江并流区地貌与环境效应[M].北京:科学出版社,2007.

[21]TAYLOR S R,MCLENNAN S M.The Continental crust:its composition and evolution[M].London:Blackwell Scientific Publications,1985.

[22]张虎才.元素表生地球化学特征及其理论基础[M].兰州:兰州大学出版社,1997.

[23]李卓仑,王乃昂,李育,等.河西走廊花海古湖泊早、中全新世湖水盐度变化及其环境意义[J].冰川冻土,2013,35(6):1481-1489.

[24]赵永胜,宋振亚,温景萍,等.保山盆地湖相泥岩微量元素分布与古盐度定量评价[J].海洋与湖沼,1998,29(4):409-415.

[25]ZHANG WENXIANG,SHI ZHENGTAO,CHEN GUANGJIE,et al.Geochemical characteristics and environmental significance of Talede loess-paleosol sequences of Ili Basin in Central Asia[J].Environmental Earth Sciences,2013,70(5):2191-2202.

[26]吴艳宏,李世杰,夏威岚.可可西里苟仁错湖泊沉积物元素地球化学特征及其环境意义[J].地球科学与环境学报,2004,26(3):64-68.

[27]NESBITT H W,YOUNG G M.Early Proterozoic climates and plate motions inferred from major element chemistry of lutites[J].Nature,1982,299:715-717.

[28]MCLENNAN S M.Weathering and global denudation[J].Journal of Geology,1993,101:295-303.

[29]孙千里,肖举乐,刘韬.岱海沉积物元素地球化学特征反映的末次冰期以来季风/干旱过渡区的水热条件变迁[J].第四纪研究,2010,30(6):1121-1130.

[30]张文翔,张虎才,雷国良,等.柴达木贝壳堤剖面元素地球化学与环境演变[J].第四纪研究,2008,28(5):917-928.

[31]肖霞云,沈吉,肖海丰,等.云南鹤庆盆地中更新世以来的孢粉记录及其植被与气候变化[J].湖泊科学,2006,18(4):369-376.

[32]ZHANG WENXIANG,MING QINGZHONG,SHI ZHENGTAO,et al.Lake sediment records on climate change and human activities in the Xingyun Lake catchment,SW China[J].Plos One,2014,9(3):e102167.