内蒙古达来诺尔湖湖泊沉积物中敏感粒度组分沉积环境及地层分析

于瑞雪，李畅游，李文宝，甄志磊，赵胜男，张 帅

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.中国中铁投资集团，安徽 安庆 246000)

内蒙古达来诺尔湖湖泊沉积物中敏感粒度组分沉积环境及地层分析

于瑞雪1，李畅游1，李文宝1，甄志磊1，赵胜男1，张 帅2

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.中国中铁投资集团，安徽 安庆 246000)

对达来诺尔湖北岸岸边(DL-0)、湖中心(DL-1)和湖南岸(DL-2)3个点的岩心沉积物进行了详细的岩性分析、粒度分析和粒度参数垂向分布序列分析。对沉积环境变化较为敏感的粒度组分的分析发现DL-0与DL-1和DL-2井岩心沉积物敏感粒度组分的峰值有较大差别，其粒度分布范围相差较大，表明湖北岸岸边、湖中心和湖南岸的沉积物来源和沉积环境的时空差异。敏感粒度组分含量随深度变化的初步分析表明，湖北岸岸边(DL-0)和湖中心(DL-1)两个点的沉积环境较为稳定；而位于湖南岸(DL-2)点的沉积环境变化比较大，包含了5个明显的沉积波动旋回，并对达来诺尔湖由北至南进行了沉积地层分析。在达来诺尔湖水下1.5m内主要是粒径0～200μm的颗粒，岩性为粘土、粉砂和砂，以粘土和粉砂为主，随着深度的增加，黏土含量增大，粉砂和砂含量减小。

达来诺尔湖；沉积环境；粒度分析；地层分析

引言

湖泊沉积物是地球陆地环境变化的自然档案，保存丰富的环境变化和人类活动等信息，成为研究过去环境变化的良好载体[1,2]。沉积物粒度作为重建古环境的重要指标，广泛应用于古环境研究之中[3-5]。目前主要通过对粒度组分Weibull分布的函数拟合法[6]、端元模型法[7]、粒径标准偏差法[8-9]和因子分析法[10]等对沉积物的物质来源进行分析。湖区沉积物的粒度分析早就作为一个代理指标被用于指示与区域气候和环境变化相关联的湖泊的水文条件。湖泊沉积物以复众数分布为特征，在一个粒度分布里，不同的粒度组成代表不同的沉积过程。因此，湖泊沉积物中粒度参数仅被认为是湖区水文条件的近似的指示指标[11]。本研究在内蒙古中东部达来诺尔湖北岸岸边、湖中心、湖南岸分别取得0.95m、1.50m、1.14m的沉积物剖面和岩心，每隔1cm取样，采用粒径标准偏差法区分粒度组成。本文选择这3个点的沉积物岩心样品进行粒度分析，试图依据岩心沉积物的粒度数据，分析粒度组成特征，对这3个岩心环境敏感粒度组分进行初步分析，探讨这3个岩心沉积环境的变化过程[12]。

1 研究区概况

达来诺尔湖为内陆堰塞湖，位于内蒙古克什克腾西90km(图1)。面积188.48km2，最大水深为11m，海拔1226m。此湖位于东西走向的浑善达克沙地的南部。湖的西侧和南侧是小山，东侧是湖积平原。东北两条永久性河流和西南两条间断性河流流入湖中，但没有水流出。

达来诺尔湖地处半湿润至半干旱的转变区域，属于中国的中温带。该湖流域的气候受东亚季风气候和西风(图1)影响，冬季寒冷干燥，西北气流盛行，一直从晚秋持续到春天。夏季向北迁移暖湿空气，潮湿的气团与西北的冷空气相互作用，产生了大部分年降雨量。该湖流域年均温度为1～2℃，年均降雨量为350～400mm。70%的年降雨量集中在6～8月，年均蒸发量为1287mm。从11月到次年4月，湖面覆盖厚约1m的冰。

2 采样与分析方法

2014年6月在达来诺尔湖北岸岸边(DL-0)布设1m×3m×1m取样剖面，在剖面上拍照和观察，每隔1cm进行取样。2015年1月在达来诺尔湖中部(DL-1)和南部(DL-2)用自制岩心取样器分别采集长约1.50m和1.14m 的湖泊沉积物岩心(图1、表1)。沉积物岩心样品封装后运回实验室，并以1cm间隔取样，装入自封袋密封，低温保存。

将样品自然风干，碾碎，过24目筛子，取沉积样品0.5g左右，将样品用德国HELOS-RODOSM型激光粒度仪进行粒度测试[13]。

粒度能够反映搬运介质能量的高低和沉积环境的变化[14-15]。本文根据传统岩性分类将粒度分为黏土(4μm)、细粉砂(4～16μm)、中粉砂(16～32μm)、粗粉砂(32～64μm)和砂(>64μm)等5类[16]。本文采用福克-沃德提出的参数，即平均粒径(MZ)、分选系数(σi)、偏态(Ski)、峰态(Kg)、中值粒径(Md)[12]。

图1 达里诺尔湖区域位置及钻孔位置图

Fig.1 Location of the Dalai Nur Lake and three sampling sites

表1 达来诺尔湖采样点信息

3 分析结果与讨论

3.1 沉积物粒度参数特征

3.1.1 平均粒径和中值粒径

代表粒度分布的集中趋势，即碎屑物质的粒度一般趋向于围绕着一个平均的数值分布，这个数值就是平均粒径或中值或众数。在实际意义上，其反映了搬运介质的平均动能。DL-0、DL-1和DL-2(图2)3个点的岩心沉积物平均粒径分别为4.54～6.22Φ、4.30～6.29Φ和3.71～6.80Φ，平均值分别为5.52Φ、5.29Φ和5.08Φ。从上往下，岩心沉积物颗粒均呈变细的趋势。DL-0点在岸边，遭受不同的风浪影响。在0～43cm的沉积物平均粒径呈上升趋势，沉积物颗粒由粗变细，风浪动力作用减弱。DL-1和DL-2点的0～89cm和0～58cm的沉积物平均粒径均较为稳定，变动幅度较小，沉积物颗粒分布较为均匀，此段应为同一物源沉积物，水动力作用比较稳定。DL-2在湖南岸，在58～61cm的沉积物平均粒径呈明显下降趋势，在61～78cm趋于平稳，58～61cm处沉积物颗粒骤然变粗，水动力作用变强并在61～78cm处稳定。DL-0点的43cm以下，沉积物的平均粒径比较稳定，变化幅度比较小，沉积物颗粒分布也比较均匀，此段应为同一物源沉积物，风浪动力作用稳定。DL-1和DL-2的89cm以下和78cm以下，沉积物平均粒径呈明显上升趋势，沉积物颗粒变细，水动力作用变弱。

DL-0、DL-1和DL-2(图2)3个点的岩心沉积物中值粒径分别为4.48～5.73Φ、3.77～6.38Φ和3.36～7.01Φ，平均值分别为为5.12Φ、4.85Φ和4.87Φ。中值粒径的垂向变化规律与平均粒径极为相似，3个点岩心从上部向下，沉积物颗粒均呈变细的趋势。DL-0点的0～43cm处沉积物的平均粒径呈上升趋势，沉积物颗粒由粗变细。DL-1和DL-2点的0～89cm和0～58cm处，沉积物平均粒径均较为稳定，变动幅度较小。DL-0.43cm以下，沉积物中值粒径较为稳定，变动幅度较小。DL-1和DL-2的89cm以下和78cm以下，沉积物平均粒径呈明显上升趋势，沉积物颗粒变细。

图2 DL-0、DL-1和DL-2 3个点岩心粒度参数垂向序列变化

Fig.2 Vertical variations of the grain size parameters for the cores DL-0, DL-1 and DL-2

3.1.2 分选系数、偏态、峰度

DL-0、DL-1和DL-2点沉积物的分选系数分别为-2.02～ -0.85、 -2.55～-1.75和 -2.54～-1.21，平均值分别为-1.53、-2.21和-1.73，3个点的分选系数均代表分选极好的特征。分选系数的垂向变化规律与平均粒径的变化规律相反，总体上呈减小趋势。

偏态是用来表示频率曲线对称性的参数，实质上反映粒度分布的不对称程度。DL-0、DL-1和DL-2沉积物偏态分别为 -0.57～-0.26、 -0.57～0.00和-0.61～0.08 ，平均值分别为-0.43、-0.34和-0.27。DL-0负偏，在垂向上一直很平稳；DL-1负偏，在垂向上变动不大，但大体上有增大趋势；DL-2很负偏，在垂直方向呈先减小后增大的趋势。

峰度是用来衡量粒度频率曲线尖锐程度的参数。DL-0、DL-1和DL-2沉积物峰态分别为0.77～1.84、0.71～1.11和0.65～1.35，平均值为1.22、0.89和1.05。DL-0显示峰态为尖锐，在垂向上的分布显示0～34cm处平稳，34～41cm处开始下降，41cm以下处于平稳；DL-1显示峰态为平坦，在垂向上的分布较为平稳，总体基本不变；DL-2显示峰态为中等(正态)，在垂向上的分布较为平稳，但总体趋势减小。

3.2 敏感粒度组分

湖泊不同区域受各方面因素影响而形成的沉积层和粒度特征有较大差异[17]。在进行沉积古环境分析之前，需要对该区域的物质来源和运移的动力过程进行调查与分析[18]，判别沉积物中可能粒度组分的沉积意义。由于物源和沉积动力的复杂性，现代和地质时期的沉积物普遍表现出多成因的组分混合。这样的粒度参数没有代表性，只能近似作为沉积环境的代用指标[19-21]。另外，由于粒度范围较小[22-24]，如水流流速等组分对环境没有重要的指示意义。因此，必须进行环境敏感粒度组分的提取。

目前，国内外对敏感粒度组分提取方面的研究颇多。Prins等人利用端元粒度模型计算出沉积物所包含的端元粒度组分数[24]；Boulay等人则通过沉积物的粒度标准偏差法来获取敏感粒度组分的个数和分布区间[25]。孙有斌等曾利用两种方法对同一组粒度进行了分析与比较，发现所获得的粒度组分的个数相同[8]。本文采用粒级标准偏差算法提取沉积物中的环境敏感粒度组分并对粒度分析结果进行深入讨论[26-27]。

粒级标准偏差的公式为：

(1)

图3显示本文采用粒级-标准偏差的算法获得DL-0剖面沉积所有样品的每一个粒级组分的标准偏差随着粒级组分变化的曲线，图中较高的标准偏差值所对应的粒级是对沉积环境敏感的粒度组分。

从图3可以看出，DL-0、DL-1和DL-2沉积物都有一个标准偏差峰值，分别出现在41.08μm、82.16μm和34.36μm处。因此，对沉积环境敏感的粒度组分范围分别是41～42μm、82～83μm和34～35μm，即41～42μm、82～83μm和34～35μm是对DL-0、DL-1和DL-2孔处沉积环境敏感的粒级。

3.3 不同粒度组分含量随深度变化

由于DL-1孔的岩心在湖中心，在整个湖比较有代表性，DL-1孔的岩心在标准偏差-粒级组分曲线(图3)上包含2个陆源物质的粒度组分中，细粒组分(<82μm)部分地来自于水层中、上部悬浮物的沉降，而其余部分(未知比率)与粗组分(>82μm)则是底床物质运动的产物。位于北岸岸边的DL-0孔沉积物，包含了2个明确的粒度组分(图3)。其中的粗组分(>41μm)不是水层中、上部悬浮物沉降的产物。位于南岸的DL-2孔的岩心，包含了2个明确的粒度组分(图4)。其中的粗组分(>34μm)也不是水层中、上部悬浮物沉降的产物。对比分别位于达来湖北岸岸边、湖中心和湖南岸3个岩心的粒度结果，可以看出两地的沉积物均有两种主要粒度组成构成。DL-1和DL-2孔的两种主要粒度组分标准偏差峰值相同，但明显小于DL-0孔的结果，表明DL-0孔地点与DL-1和DL-2的物质来源不尽相同。DL-0和DL-2孔的两种主要粒度组分标准偏差的分布范围相同，但明显小于DL-1孔的结果，表明DL-1孔地点与DL-0和DL-2的输运方式不尽相同。

图3 3个点沉积物粒级—标准偏差曲线图

Fig.3 Grain size vs. standard deviation diagram for the cores DL-0, DL-1 and DL-2

图4显示了DL-0孔粗粒(>41μm)、细粒(<41μm)两种组分；DL-1孔粗粒(>82μm)、细粒(<82μm)两种组分以及DL-2孔粗粒(>34μm)、细粒(<34μm)两种组分的含量随深度的变化。DL-0孔0～36cm粗组分的百分比大于细组分，36～98cm细组分百分比大于粗组分，是由于DL-0点湖岸边风等动力运移粗颗粒到岸边停止，细颗粒继续向湖里运移，导致粗组分比细组分多。DL-1孔的整个岩心的两种粒度组分含量随深度的变化幅度不大，表明该孔记录的沉积环境条件在时间上变化较小。DL-2孔的两个粒度组成含量随深度变化较大，5个粗组分含量的高值分别出现在4、31、42、65和82cm处(见图4DL-2箭头所示)，指示该孔共记录了5个明显的沉积波动旋回。

图4 DL-0、DL-1和DL-2孔不同粒度组分含量随深度变化(曲线箭头为粗组分含量高值)

Fig.4 Variation of grain sizes as the function of depths of the cores DL-0, DL-1 and DL-2

3.4 地层分析

将DL-0、DL-1和DL-2个点设为一个剖面进行分析，可以划分成一个剖面。根据中值粒径垂向变化特征，结合各粒度组分含量随深度变化特征曲线划分出各个不同的层面，并绘制相关的地层剖面图。DL-0剖面沉积物在0～36cm深度内，主要为粒径4～64μm的粉砂和粒径>64μm的砂，在36cm以下，主要为粒径0～4μm的粘土和粒径4～64μm的粉砂；DL-1孔沉积物深度主要为粒径0～4μm的粘土和粒径4～64μm的粉砂；DL-2孔沉积物在0～31cm之间，主要为粒径0～4μm的粘土和粒径4～64μm的粉砂； 31～82cm之间，沉积物主要为粒径4～64μm的粉砂，粘土和砂的含量几乎相同；82cm以下，主要为粒径4～64μm的粉砂和粒径0～4μm的粘土，而且随着深度增加砂的含量减小。砂均见于各层，但含量很少。所以可以将这个剖面大体分为2层，分别是粘土、粉砂层。根据上述特征绘制了该剖面的地层剖面图(图5)。

图5 达来诺尔湖剖面工程地质剖面图

Fig.5 Engineering geological section across the Dalai Nur Lake

4 结论

在达来诺尔湖北岸岸边，湖中心和湖南岸分别取得DL-0、DL-1、DL-2孔3个岩心，其中3个剖面的沉积物均以黏土和粉砂为主。从顶部向下，沉积物粒径呈变细趋势，沉积环境变化频繁。通过粒径-标准偏差的算法获得了DL-0，DL-1和DL-2的沉积物环境敏感粒度组分。通过对粗细粒组分的垂向分布、平均粒径(MZ)、分选系数(σi)、偏态(Ski)、峰态(Kg)、中值粒径(Md)等参数分布特征的研究，代表着细组分越高，指示离湖岸越远，DL-0孔与DL-1和DL-2孔的粒度运移能量不同。湖边(DL-2)沉积物受湖滨拍岸浪和湖心(DL-1)的影响产生明显的粒度分异规律。通过粒径-标准偏差方法结合不同粒度组分含量随深度变化曲线的对比研究，1960年以来，人类活动和自然灾害显著影响了湖泊的沉积特征，粗粒度明显增加。通过对其分析确定达来诺尔湖水下1.5m内主要是粒径0～200μm的颗粒，岩性主要为粘土、粉砂和砂，其中以粘土和粉砂为主，砂含量较少，主要是来自于水层中、上部悬浮物的沉降。其中砂粒与粉砂交替分层，第1层为活动的粉砂，稳定性极差，随水流运动的活动量较大；第2层为粘土，随水流的运动相对较小，只有在水流速度一定大的时候才会发生变化，深度越深，地层越稳定，随水流的变化越小。3个沉积层序粒度特征的时空差异，无疑蕴含了与沉积动力过程的古环境演化密切相关的信息，有待于今后结合更多的资料进行深入的分析。

[1] 沈吉.湖泊沉积研究的历史进展与展望[J].湖泊科学，2009，21(3)：307-313.

[2] 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.

[3] 陈敬安，万国江，张峰，等.不同时间尺度下的湖泊沉积物环境记录——以沉积物粒度为例[J].中国科学：D辑，2003，33(6)：563-56.

[4] PENG Y，XIAO J，NNAKAMURA T，et al.Holocene East Asian monsoonal precipitation pattern revealed by grain-size distribution of core sediments of Daihai Lake in Inner Mongolia of north-central China [J].Earth and Planetary Science Letters， 2005，233(3)：467-479.

[5] NORM A J， BIERMAN P R， STEIG E J， et al. Millennial-scale storminess variability in the northeastern United States during the Holocene epoch [J] .Nature， 2002， 419(6909)：821-824.

[6] SUN D，BLOEMENDA J， Rea D，et al. Grain-size distribution functions of polymodal sediments in hydraulic and aeolian environments，and numerical partitioning of the sedimentary components [J]. Sedimentary Geology，2002，152(3-4)：263-277.

[7] WELTJE G J. End-member modeling of compositional data：numerical-statistical algorithms for solving the explicit mixing problem [J]. Mathematical Geology，1997，29(4)：503-549.

[8] 孙有斌，高抒，李军. 边缘海陆源物质中环境敏感粒度组分的初步分析[J].科学通报，2003，48(1)：83-86.

[9] 肖尚斌，李安春.东海内陆架泥区沉积物的环境敏感粒度组分[J].沉积学报，2005，23(1)：122-129.

[10] 陈国成，郑洪波，李建如，等，南海西部陆源沉积粒度组成的控制动力及其反映的东亚季风演化[J].科学通报，2007，52(23)：2768-2776.

[11] 蒋庆丰，刘兴起，沈吉，等，乌伦古湖沉积物粒度特征及其古气候环境意义[J].沉积学报，2006，24(6)：877-882.

[12] 丁喜桂，叶思源，宫少军，赵广明.黄河三角洲ZK1孔岩心环境敏感粒度组分及沉积环境分析[J].世界地质，2010，29(4)：575-581.

[13] 路新成，曹景洋，HELOS/BF型激光粒度仪湿法测试条件的优化[J].岩矿测试，2013，32(4)：590-594.

[14] 蒋庆丰，刘兴起，沈吉.乌伦古湖沉积物粒度特征及其古气候环境意义[J].沉积学报，2007，24(6)：877-882.

[15] 孙千里，周杰，肖举乐.岱海沉积物粒度特征及其古环境意义[J].海洋地质与第四纪地质，2001，21(1)：93-95.

[16] 姜在兴.沉积学[M].北京：科学出版社，2003.74-75.

[17] 高抒.海洋细颗粒沉积物能量与循环过程[J].世界科技研究与发展，2000， 22(5)：545-552.

[18] 孙有斌.海洋与陆地的古气候记录对比[D].青岛：中国科学院海洋研究所，2002.

[19] 孙东怀，安芷生，苏瑞侠，等.古环境中沉积物粒度组分分离的数学方法及其应用[J].自然科学进展，2001，11(3)：269-276.

[20] 杨磊.内蒙古布日敦湖湖泊沉积物粒度的风沙活动指示意义[J].沉积与特提斯地质，2014，34(4)：80-85.

[21] 李军.冲绳海槽晚更新世以来的沉积过程与记录[D].青岛：中国科学院海洋研究所，2003.

[22] MCCAVE I N，MAGNIGHETTI B，ROBINSON S G，et al. Sortable silt and fine sediments size-composition slicing：parameters for palaeocurrent speed and palaeoceanography [J]. Palaeoceanographys，1995，10：593 -610.

[23] MOERZ T,WOLF-WELLING T C W.Data report:fine-fraction grain-size distribution data and their statistical treatment and relation to processes [C]//Barker P E,Ramsay A T S. Proc ODP, Sci Results, 2001,178:1-27.

[24] PRINS M A, POSTMA G, WELTIJE G. Controls on terrigenous sediment supply to the Arabian Sea during the Late Quaternary：the Makran continental slope [J]. Marine Geology, 2000,169:351-371.

[25] BOULAY S,COLIN C,TRENTESAUX A,et al.Mineralogy and sedimentology of Pleistocene sediment in the South China Sea(ODP Site 1144) [J].Proceedings of Ocean Program,Scientific Results,2004,184:1-21.

[26] LIU Z,COLIN C,FRENTESAUX A,et al. Late Quaternary climatic control on erosion and weathering in the eastern Tibetan Plateau and the Mekong Basin [J].Quaternary Research,2005,63(3):316-328.

[27] GUAN Q,PAN B,LI N,et al.An indicator of sand storms in the south of the Tengger Desert [J].Theoretical and Applied Climatology,2010,102(1):197-203.

Sedimentary environmental and stratigraphic analysis of the sensitive grain size components from the Dalai Nur Lake deposits, Inner Mongolia

YU Rui-xue1, LI Chang-you1, LI Wen-bao1, ZHEN Zhi-lei1, ZHAO Sheng-nan1, ZHANG Shuai2

(1.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,InnerMongolia,China; 2.ChinaRailwayInvestmentGroup,Anqing246000,Anhui,China)

The detailed analysis of lithology, grain size and vertical distribution of the grain-size parameters are made for the samples collected from the sites DL-0 at the northern bank, DL-1 at the central part and DL-2 at the southern bank of the Dalai Nur Lake, Inner Mongolia. The peak values of sensitive grain size components are found to be quite different, indicating the spatio-temporal differences of provenances and sedimentary environments in the above-mentioned well sites. The sites DL-0 and DL-1 indicate stable sedimentary environments while the site DL-2 indicates variable sedimentary environments in which five depositional cycles are recognized. The clay, silt and sand ranging in grain size from 0 to 200 μm occur mostly at the depth of 1.5 m below the lake level of the Dalai Nur Lake. With the increase of the depths, the clay contents increase while the silt and sand contents decrease.

Dalai Nur Lake; sedimentary environment; grain size analysis; stratigraphic analysis

1009-3850(2016)03-0077-06

2015-09-30； 改回日期： 2015-11-04

于瑞雪(1988-)，男，硕士，研究方向为水环境保护方向。E-mail：554023733@qq.com

P534.63

A