近二千年以来腾冲青海湖磁化率变化特征
2015-09-20李亚红
李亚红
(云南师范大学,云南 昆明 650500)
湖泊沉积物映射了特定的沉积环境,反映了环境状况的演变,因此沉积物中的磁性矿物对环境变化具有指示意义。磁化率是反映沉积环境重要的指标之一,已在湖泊环境研究中得到广泛应用。自20世纪70年代Thompson和Oldfield创立环境磁学[1]以来,磁化率作为一个重要的环境指标,已经得到广泛应用。在常用磁性测量参数中,湖泊磁化率具有快速、经济和无破坏性等特点,所解决的环境地质问题是其它常规物理、化学方法无法达到的[2]。因此磁化率是研究湖泊沉积环境的重要方法之一。大量研究表明湖泊沉积中磁性矿物的主要来源是流域中的碎屑,环境的变化会导致湖泊沉积物磁性的改变,湖泊沉积物的磁性变化指示了环境变化。
腾冲青海是全国湖沼调查中被发现的一个自然酸性湖泊,也是我国迄今为止已作调查研究的唯一已知的自然酸性湖泊[3],是世界仅有的三个酸性水湖之一。基于其酸性湖泊特征,本文从青海湖湖泊沉积物中提取磁化率,分析其所表现出的环境条件,结合资料,研究近两千年以来腾冲青海湖磁化率变化特征。
1.腾冲青海湖自然地理概况
青海湖位于云南省腾冲县打苴乡双海村 (25°08′06″-25°07′44″N,98°34′11″-98°34 ′26″E),海拔 1950m,湖泊面积0.15km2。该区地处云南省的西南部,全年受西南季风影响,气候属亚热带高原湿润季风气候,多年平均气温为14.9℃,多年平均降水量1425mm。气候特征表现为温暖湿润,冬无严寒,夏无酷暑,干湿季分明,降水多集中在夏季。
青海湖地区位于由于受到亚欧板块和印度洋板块的碰撞和挤压影响,区内地质活跃,湖盆位于更新世板壁坡安山岩流间,湖盆外形呈南北向椭圆形,为火山口湖类型[4,5]。它是在火山口洼地上形成湖盆,酸性地下水补给形成的典型酸性湖泊。
2.样品采集与分析
2.1 样品采集
采用水上平台和活塞取样设备,在青海湖水深5.5米,北纬 25°7′56.4″和东经 98°34′19.7″处,采取柱状湖相沉积岩芯513cm。为保证岩芯具有较高的分辨率和良好的连续性,同时还钻取2个平行岩芯以保证其准确性。以1cm为间隔切割岩芯,密封保存后带回并进行测试。
2.2 分析方法
样品送至北京大学实验室进行测年,并对腾冲青海湖沉积物年代的线性回归校正,得到其深度与年代的对应关系:
表1 腾冲青海湖深度与年代对应表
测试样品175个,样品在实验室以低于40℃烘干,在不损坏自然颗粒结构前提下粉碎并装入无磁塑料盒中,压实后称重。使用英国Bartington公司生产的MS2型便携式双频磁化率仪进行测试。该仪器产生的交变磁场强度约为80A/m。在远离干扰磁场的情况下对低频 (0.47kHz)和高频 (4.7kHz)磁化率各测试三次,取其平均值,并计算频率磁化率和频率磁化率的百分比。
其中,频率磁化率 (χfd)是指样品在低频 (0.47kHz)磁场和高频 (4.7kHz)磁场中形成的低频磁化率 (χlf)与高频磁化率 (χhf)的相对差值。
3.湖泊沉积物磁化率变化特征
3.1 磁化率参数变化特征
实验结果表明,腾冲青海湖沉积物磁化率较低,低频磁化率和高频磁化率从175-0cm深度是同步上升的趋势。该沉积物样的低频磁化率介于0-2.101×10-8m3/kg,平均值为1.1×10-8m3/kg。高频磁化率介于 0-2.056×10-8m3/kg,平均值为1.057×10-8m3/kg。频率磁化率介于最大值 (164cm处)为0.137,平均值为0.020。
腾冲青海湖沉积物磁化率在整个剖面中总体偏低,与它的酸性火山湖性质有一定关系。沉积物中的铁磁性矿物影响着磁化率的高低,Forstner和Angino认为,水体偏酸时,沉积物中Fe和其它重金属元素的氧化还原反应在沉积物表面进行,Fe和其它重金属离子被还原为低价态而易溶于水并增强其迁移能力[6,7]。根据王云飞等[8]对腾冲青海湖湖泊环境的研究,也表明酸性湖泊性质对沉积物铁磁性矿物的影响。因此,由酸性地下水补给形成的青海湖,沉积物中大量的铁磁性矿物颗粒会与酸性水作用并流失,致使青海湖沉积物磁化率明显偏低。
3.2 磁化率曲线的变化特征
通过综合低频磁化率、高频磁化率以及频率磁化率变化曲线,可将腾冲青海湖沉积物磁化率变化曲线划分三个阶段:
阶段一:175-124cm
低频磁化率和高频磁化率都处于低值段,两者都低于0.8×10-8m3/kg,且以同步平稳趋势上升。频率磁化率值较大,均值为0.033,且波动最为剧烈,呈现大幅度的高低震荡,其中在164cm处,频率磁化率达到最大值0.137。
阶段二:124-75cm
低频磁化率和高频磁化率总趋势都是上升的,值略比阶段一高,多数值介于0.6-1.2×10-8m3/kg/kg之间。在109-124cm深度中,低频磁化率和高频磁化率的震荡幅度较大,低值出现数次0×10-8m3/kg/kg。频率磁化率在此阶段表现为震荡较小,均值为0.010,其间出现三个峰值,分别为106cm、98cm、87cm,其中最大峰值位于87cm,频率磁化率值为0.062。
阶段三:75-0cm
低频磁化率和高频磁化率值总体都偏高,低频磁化率介于1.127-2.101×10-8m3/kg之间,高频磁化率1.111-2.056×10-8m3/kg,曲线起伏较大。频率磁化率值峰谷交替、激烈震荡,其值介于0-0.0643。
图1 腾冲青海湖磁化率变化曲线
3.3 磁化率变化特征与区域环境变化
当气候干旱时,此时湖泊水位较低,沉积物较粗,主要为细砂,磁化率值也低。而当气候湿润时,此时湖泊水位较高,沉积物相对较细,主要为粉砂质泥或泥质粉砂,相应磁化率值就会升高。
由磁化率变化曲线可以看出:近两千年以来,青海湖气候呈现由湿润向干旱的变化趋势,具体可划分三个阶段。
阶段一:175-124cm(2.70-1.23kacalBP)
此时青海湖气候湿润,降水丰沛,湖泊水位较高,地表径流流水的机械搬运作用较强,沉积物较多且颗粒物较细,导致了频率磁化率值较高。此段的TOC也呈现出高值状态,都说明了青海湖在此阶段气候湿润。
阶段二:124-75cm(1.23-kacalBP)
气候较为湿润,并有向干旱过渡的趋势。气候逐渐由湿润、湖泊水位高和较细的沉积物颗粒转变为气候干旱、湖泊水位低和沉积物颗粒较粗。
阶段三:75-0cm(现代沉积)
由于上世纪80年代将青海湖湖水排尽,从而影响了顶部的湖泊沉积物磁化率,因此结合AMS14C测年认为此沉积均为现代沉积,其记录了近代剧烈的人类活动。
4.总结
(1)沉积物中大量的铁磁性矿物颗粒会与酸性水作用并流失,致使青海湖沉积物磁化率明显偏低,其变化范围低频磁化率介于0-2.101×10-8m3/kg,高频磁化率介于0-2.056×10-8m3/kg,频率磁化率介于0-0.137。
(2)从两千年至今,腾冲青海湖沉积物磁化率是一个波动下降的趋势,其波动是主要由于自然环境的变化引起的。磁化率值高指示了干燥的气候特征,同时呈现出较低的湖面;磁化率值低指示了湿润的气候特征,同时呈现出较高的湖面。因此,腾冲青海湖大致经历了从湿润向干燥过渡的趋势。
[1]Thompson R,Oldfield F.Environmental Magnetism [M].London:George Allen&Unwin,1986.1-83.
[2]Oldfield F.Environmental magnetism-A personal perspective[J].Quaternary Science Reviews,1991,10:73 -85.
[3]王苏民,窦鸿身主编.中国湖泊志 [M].北京:科学出版社,1998,192-194.
[4]佟伟,章铭陶.腾冲地热 [M].北京:科学出版社.1989.
[5]大沢信二,由佐悠纪,王云飞.中国云南省腾冲火山区にぢけゐ热水系の地球化学モデル [J].温泉科学,1995,45(1):13-25.
[6]Forstner U,Wittman G TW. Metal Pollution in the Aquatic Environment. West Germany: Springer,1988. 170 - 172.
[7]Angino E E,Magmuson LM,WaughTC. Mincralogy of suspended sediment and concentration of FeMnNi ZnCu and Pb inwater and Fe Mn and Pb in suspended load of selected kansas stream.Water Res Res,1974,10: 1187 - 1191.
[8]王云飞,朱育新,潘红玺,等.云南腾冲青海——酸性湖泊的环境[J].湖泊科学,2002,14(2):117-124.