新疆孔雀河北岸72-51 ka BP湖相沉积物中粘土矿物特征*

2014-12-22收稿；2015-04-21

收修改稿.白友良(1980~)，男，硕士，工程师；E-mail：baiyouliang008@126.com。

白友良,吴润江,闫长红,王华伟,田　坤

(西北核技术研究所，西安 710024)



新疆孔雀河北岸72-51 ka BP湖相沉积物中粘土矿物特征*

*2014-12-22收稿；2015-04-21

收修改稿.白友良(1980~)，男，硕士，工程师；E-mail：baiyouliang008@126.com。

白友良,吴润江,闫长红,王华伟,田坤

(西北核技术研究所，西安 710024)

摘要：对新疆孔雀河北岸LX02剖面湖相沉积物开展光释光和粘土矿物样品X射线衍射分析，根据样品中的粘土矿物成分及质量分数对本区古气候演化进行了探讨.结果显示，该剖面湖相沉积自72 ka BP延续到51 ka BP.这期间，研究区粘土矿物以伊利石占绝对优势(56%~64%，平均为61%)，其它粘土矿物有绿泥石(18%~26%，平均为22%)、高岭石(7%~12%，平均为8%)和伊/蒙混层(5%~15%，平均为9%)，这与塔里木盆地粘土矿物组成颇为一致.具体来说，72.4-66.8 ka BP，伊利石和绿泥石含量之和较高，同时绿泥石含量较高，对于高岭石而言，除了一个样品外，其它样品的平均值较低，伊/蒙混层含量较低，指示该时段为冷干气候环境；66.8-56.1 ka BP，伊利石和绿泥石含量之和最低，同时绿泥石含量亦最低，高岭石、伊/蒙混层含量较高，指示该时段为暖湿气候环境；56.1-51.0 ka BP，伊利石和绿泥石含量之和增大，同时绿泥石含量亦增大，高岭石、伊/蒙混层含量较低，指示该时段为较冷干气候环境.这与孢粉植物群、地球化学元素含量及其主成分F1和粒度、色度及碳酸盐主成分F1′所反映的古气候特征及其变化一致，亦与柴达木盆地东部介形类丰度特征研究、柴达木盆地东部古湖泊高湖面光释光年代学研究、北京平原区有机碳同位素研究等结果吻合较好.研究表明塔里木盆地东部晚更新世气候仍以暖湿-冷干气候变化模式为主。

关键词：晚更新世；粘土矿物；冷干-暖湿气候；孔雀河；新疆东部；湖相沉积物

伴随晚新生代印度板块持续推挤亚洲板块和全球显著降温，我国内陆新疆地区因山地强烈隆升和丰富的沉积记录受到广大地学工作者越来越多的关注[1-4].在构造尺度上，新疆地区的古环境重建通常通过磁性地层定年建立年代地层框架[5-8].全新世以来新疆地区的环境研究工作多集中于考古[9-11]和水资源调查[12-15].位于新疆东南部的塔里木盆地东部地区，第四纪研究很不平衡.赵振宏等[16]、林景星等[17]、王永等[18]、闫顺等[19]、王弭力等[20]的研究揭示了该地区第四纪的气候与环境演化，但分辨率较低.罗超[21]、贾红娟等[22]研究了晚更新世晚期以来的气候与环境演化.相比之下，塔里木盆地东部地区晚更新世早中期的较高分辨率的记录相对较少.这在很大程度上制约了晚更新世早中期全球气候变化在该地区响应的分析研究工作.另一方面，塔里木盆地东部地区第四纪研究主要是通过孢粉、粒度、地球化学、微体化石等环境代用指标完成，作为古气候环境研究有效手段的粘土矿物研究[23]鲜有报道。

此外，塔里木盆地东部地区更新世以来的气候演化历史研究还存在明显的分歧.罗超等[24-27]通过对罗布泊CK-2钻孔湖相沉积物多指标研究显示，新疆东部气候与环境的变化与北半球高纬度紧密关联，呈现冷湿和暖干的气候特征.这样的气候特征在新疆乃至西北其他地区[28-30]也有较好的显示.但是，在7.0-6.0 ka BP期间，塔里木盆地东部台特玛湖地区出现了相对暖湿的环境特征[31].同样，释光和14C年代学研究显示，罗布泊盐湖北岸和东岸普遍发育的三级湖积台地分别形成于90~130 ka BP、30 ka BP左右和7.0-7.5 ka BP，似乎在时间上对应深海氧同位素第5阶段、第3阶段及全新世大暖期，进而反映暖期湿度大、湖面高的气候演化模式[32].那么，塔里木盆地东部在更新世到底受冷湿-暖干的气候模式主宰还是受暖湿-冷干的气候模式主宰还不清楚[33]。

鉴于此，本文选择新疆东部孔雀河北缘出露较好的LX02剖面为目标剖面，自下而上采集6个光释光年龄样品以期建立年代框架.同时，采集了相应具代表性的粘土矿物样品，以期通过粘土矿物特征探讨该区的气候环境演化。

1 地质地理背景及样品采集

研究区位于塔里木盆地内孔雀河断裂和阿尔金断裂的交汇区域.上述两组断裂走滑作用下形成了洼地[34].洼地夹持于库鲁克塔格断隆和阿尔金断隆之间，西与英吉苏凹陷相依，东与北山断块相接，为典型的封闭内陆干盐湖，面积约1.0×105km2.受区域大环境制约，洼地具有降水量小、蒸发量高、温差大及风力强等典型的大陆干旱气候特征.区内多大风，以NE和NEE向为主.常见的地貌形态有沙漠、雅丹和谷地.沙漠以位于洼地东南的库木塔格沙漠为主.洼地北部、东部和西部分布着面积为3.0×103km2左右的雅丹地貌，主要有孔雀河下游雅丹、白龙堆雅丹、三垅沙附近雅丹以及阿奇克谷地零星分布的雅丹.阿奇克谷地呈NE-SW向位于洼地东部.就地貌类型而言，研究区位于洼地西北缘的孔雀河下游的雅丹地貌区，隶属于湖相沉积平原.由于受到后期库鲁克塔格断隆构造的抬升作用，该地区形成数级湖积台地.LX02剖面位于湖积台地上，海拔约813 m，其位置如图1所示。

LX02剖面位于新疆尉犁县塔里木乡，其坐标为(40°40′N，89°55E′)，厚度为5.4 m.剖面共分为15个自然沉积层(图2)，自上而下可划分为3个单元：(1) 0~1.28 m，其中0~0.67 m为土黄色粉质亚粘土层，0.67~1.28 m为浅灰绿色粉砂质亚粘土，0.18、1.19 m处采集光释光年代样；(2) 1.28~4.25 m为土黄色粉质亚粘土层，夹薄层粉质亚砂土、粉砂土，2.21、3.10和3.71 m处采集光释光年代样；(3) 4.25~5.41 m，其中4.25~4.68 m 为浅灰色、浅灰绿色砂土层，4.68~5.41 m为土黄色粉质亚粘土层，夹薄层粉砂土，4.69 m处采集光释光年代样。

图1 研究区地貌特征及LX02剖面的地理位置Fig.1 Geomorphology of the study area and location of LX02 profile

2 实验方法

剖面中共获取6个光释光年代数据，系中国地震局地震动力学国家重点实验室测试.各年龄数据点的位置分别为距顶部0.18、1.19、2.21、3.10、3.71、4.69 m处(表1).经数据处理得出年代与剖面深度的回归方程为Y=3.950X+51.007，相关系数R2=0.9087，相关性很好(图3).据此，剖面年龄通过线性内插获得.根据沉积速率推算，剖面底和顶的年代分别是72.4和51.0 ka BP。

对研究剖面(厚度为540 cm)自上而下以6.0～76.0 cm不等的间距采集18块粘土矿物样品，以期揭示该剖面典型沉积期粘土矿物特征.样品的分析鉴定在中国地震局地质研究所和中石油天然气研究院实验中心完成.每个样品称重100 g，实验前加适量双氧水和稀盐酸，去除有机质和碳酸盐，并根据Stoke沉积原理[35]，从沉积物中提取出d<2 μm的粘土矿物，制成“N片”、“EG片”和“T片”3种类型，完成上述制片后上机进行样品的X射线衍射分析.测试仪器为日本理学电机公司的D/MAX2500衍射仪，采用Cu靶，仪器工作状态为：管压、管流分别为40 kV、100 mA，扫描速度为4°/min，扫描范围分别为2.6°～15°(N、T片)和2.6°～30°(EG片)。

图2 剖面柱状图(1:波痕；2:化学沉积；3:细砂；4:粉砂；5:粘土、亚粘土；6:细砂粘土互层；7:年代取样点)Fig.2 Histogram of the profile

3 粘土矿物特征

综合相关分析结果显示，研究区72.4-51.0 ka BP期间沉积环境比较稳定，为湖相沉积.沉积物中粘土矿物由伊利石(I)、绿泥石(CH)、高岭石(K)和伊/蒙混层(I/S)等组成，占整个剖面样品的7.9%~41.5%，平均为29.9%.其中伊利石占绝对优势(56%~64%，平均为61%)，绿泥石次之(18%~26%，平均为22%)，高岭石(7%~12%，为平均8%)和伊/蒙混层(5%~15%，平均为9%)含量较少(表2).根据粘土矿物类型和含量变化特征，得出研究区粘土矿物参数变化的3个阶段(图4).上述3个阶段的划分与该剖面沉积物中地球化学元素含量的主成分(F1)和粒度、色度及碳酸盐主成分(F1′)所揭示的结果[36]一致(图4)。

阶段Ⅰ (3个样品，72.4-66.8 ka BP)粘土矿物以伊利石和绿泥石为主，含有少量的伊/蒙混层和高岭石，不含其它粘土矿物.其中伊利石占绝对优势，含量为56%~60%，平均为58%；其次为绿泥石，含量为23%~26%，平均为25%；伊/蒙混层含量为5%~9%，平均为7%；高岭石含量为7%~12%，平均为9%；伊利石和绿泥石的含量为82%~85%，平均为83%.对应于F1和F1′分别为-0.57729和-0.46852。

表1 LX02剖面地层深度与光释光年龄的关系

Tab.1 Relationship between the depth of

LX02 profile and the age of OSL

地层深度/m光释光年龄/kaBP0.1853.1±4.41.1956.1±3.22.2157.9±3.33.1060.5±4.03.7167.0±6.04.6971.0±3.6

图3 年龄与剖面深度的关系Fig.3 The relationship between age and stratigraphic thickness

表2 粘土矿物X射线衍射分析结果

图4 粘土矿物含量、F1和F1′的分布曲线Fig.4 Distribution curves of clay mineral content, F1 and F1′

阶段Ⅱ (9个样品，66.8-56.1 ka BP)粘土矿物以伊利石和绿泥石为主，含有少量的伊/蒙混层和高岭石，不含其它粘土矿物.其中伊利石占绝对优势，含量为58%~63%，平均为61%；其次为绿泥石，含量为18%~23%，平均为20%；伊/蒙混层含量为8%~15%，平均为11%；高岭石含量为7%~10%，平均为9%；伊利石和绿泥石的含量为78%~83%，平均为81%.对应于F1和F1′分别为0.42772和0.37514。

阶段Ⅲ (6个样品，56.1-51.0 ka BP)粘土矿物以伊利石和绿泥石为主，含有少量的伊/蒙混层和高岭石，不含其它粘土矿物.其中伊利石占绝对优势，含量为57%~64%，平均为61%；其次为绿泥石，含量为21%~25%，平均为23%；伊/蒙混层含量为5%~11%，平均为7%；高岭石含量为8%~9%，平均为8%；伊利石和绿泥石的含量为81%~87%，平均为84%.对应于F1和F1′分别为0.02378和-0.30747。

4 讨论与结论

粘土矿物的形成及演变记录着丰富的气候变化信息.一般认为，气候暖湿利于高岭石的形成[37]；蒙脱石易形成于干湿交替的气候环境，它的存在是寒冷气候特征的反映；伊/蒙混层一般形成于中等程度化学风化的地表环境[38]，代表气候逐渐转为潮湿的环境；伊利石一般形成于干冷的气候条件下，其晶格混层中K+不断淋失，可向蒙脱石演化，如果气候湿热，化学风化彻底，伊利石进一步分解形成高岭石[39]；绿泥石一般只能在化学风化作用受抑制的地区保存下来[40].绿泥石和伊利石含量增加一般代表逐渐变干的气候环境[41]。

研究区为封闭内陆干湖泊，其沉积物搬运距离较短，埋藏较浅，无明显成岩作用，可推测粘土矿物组合类型、含量以及伊利石结晶度变化是物源成分受源区及沉积区古气候及气候差异引发的沉积环境变化的结果.对于正常沉积盆地，蒙皂石经伊/蒙间层向伊利石完全转化的温度超过200℃，塔里木盆地伊利石的形成受控于成岩作用者较少；在富含钾离子的盐湖环境中不仅易于形成伊利石，而且易于长期保存伊利石.塔里木盆地的环境和水介质条件为伊利石的形成创造了条件[42].此外，如果粘土矿物组分中伊利石、高岭石和绿泥石共存，表明该沉积物无显著的埋藏；伊利石结晶度在地层中未出现从下往上的结晶度变小的趋势，亦说明沉积物未受到埋藏作用影响.因此，LX02剖面沉积物粘土矿物特征可以反映研究区的古气候环境。

阶段Ⅰ：72.4-66.8 ka BP，沉积物中伊利石和绿泥石含量之和以及绿泥石含量较高，高岭石平均值较低(一个样品除外)，伊/蒙混层含量较低，指示该时段为冷干气候环境.该阶段沉积物针叶树花粉最高，阔叶树花粉含量最低，Fe/Mn、Rb/Sr、(Fe+A1+Mn)/(K+Ca+Mg)、CIA较低，亦指示该时段为冷干气候环境[36].倪志云等[43]通过北京平原区有机碳同位素研究认为76-67 ka BP为较干冷的气候，且间冰期到冰期是突变的过渡形式，属于气候的转型期，这一过程也是突然的降温事件.景民昌等[44]通过对柴达木盆地东部参1井中两种主要介形类(Ilyocyprisinermis和Cyprideistorosa)的丰度特征研究，认为末次冰期早冰阶早期，即75～69 ka，介形类丰度很低，指示气候寒冷，不适宜生物发育.这与粘土矿物指示的气候相吻合。

阶段Ⅱ：66.8-56.1 ka BP，沉积物中伊利石和绿泥石含量之和剖面最低，同时绿泥石含量亦最低，高岭石、伊/蒙混层含量较高，指示该时段为暖湿气候环境.该阶段阔叶树花粉含量明显增加，而针叶花粉含量明显降低，山核桃和百合科稳定出现，Fe/Mn、Rb/Sr、(Fe+A1+Mn)/(K+Ca+Mg)、CIA值明显增加，指示暖湿气候[36].这与倪志云等[44]通过北京平原区有机碳同位素研究的67-56 ka BP δ13Corg稳定且保持相对上升趋势，平均值达到-22.48%，表明气温回升，以及Yang等[45]研究的北京地区MIS4阶段晚期冬季风减弱气候温和的特征相吻合.樊启顺等[46]通过对柴达木盆地东部古湖泊高湖面光释光年代学研究，认为尕海湖古高湖面出现在 82-73、63-55、55 ka之后湖面逐渐下降，高湖面指示区域的温暖湿润气候.景民昌等[44]通过柴达木盆地东部介形类丰度特征研究，认为69 ka之后，介形类丰度经过两次高低波动，至57 ka左右过渡进入间冰阶，指示该阶段气候较上阶段稍暖.这与粘土矿物反演的气候特征相一致。

阶段Ⅲ：56.1-51.0 ka BP，沉积物中伊利石和绿泥石含量之和增大，同时绿泥石含量亦增大，高岭石、伊/蒙混层含量较低，指示该时段为较冷干气候环境.该阶段阔叶植物花粉、针叶植物花粉含量均降低，Fe/Mn、Rb/Sr、(Fe+A1+Mn)/(K+Ca+Mg)、CIA值略有降低，指示较冷干的气候条件[36].这与倪志云等[44]通过北京平原区有机碳同位素研究的56-48 ka BP δ13Corg波动幅度较小、粒度曲线上细粒含量较少，气候干冷，以及Chen等[47]对黄土高原的研究结果一致.而景民昌等[44]通过对柴达木盆地东部介形类丰度特征研究，认为57-32 ka为弱暖期.本剖面研究发现该阶段虽为干冷气候，但整个剖面松含量持续降低[36]，暗示气候在变暖.这与前人研究成果中该时段内我国北方气候变化趋势一致。

综上所述，一方面，粘土矿物组合特征及质量百分比变化特征可反映该地区古气候演化特征.另一方面，LX02剖面反映了72.4-51.0 ka BP塔里木盆地东部气候经历了冷干-暖湿-较冷干的变化，这与孢粉植物群、地球化学元素含量及其主成分F1和粒度、色度和碳酸盐主成分F1′所反映的古气候特征及其变化一致，亦与柴达木盆地东部介形类丰度特征研究、柴达木盆地东部古湖泊高湖面光释光年代学研究、北京平原区有机碳同位素研究等结果吻合较好.这样看来，塔里木盆地东部晚更新世气候仍以暖湿-冷干气候变化模式为主，但这一气候变化规律的内部驱动机制还有待进一步深入研究。

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Characteristics of the clay mineralogy from the 72-51 ka BP lake sediments in the northern margin of the Peacock River, Xinjiang

BAI Youliang, WU Runjiang, YAN Changhong, WANG Huawei & TIAN Kun

(NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi’an710024,P.R.China)

Abstract：In this study, a 5.4-m-thick section of lake sediment was discovered from a LX02 profile in the northern margin of the Peacock River in Northwestern China. It is located at Tarim town (89°55′E， 40°40′N), Yuli County, eastern Xinjiang Province. From the upper to bottom, six ages of the Optically Stimulated Luminescence (OSL) samples were achieved, dated in 53.1±4.4 ka BP at 0.18 m, 56.1±3.2 ka BP at 1.19 m, 57.9±3.3 ka BP at 2.21 m, 60.5±4.0 ka BP at 3.10 m, 67.0±6.0 ka BP at 3.71 m, and 71.0±3.6 ka BP at 4.69 m, respectively. These suggest that this section spans Late-Pleistocene interval during 72-51 ka BP and establishes a reliable chronological framework for the LX02 section. Meanwhile, 18 clay mineral samples collected from the section were examined by the XRD. On the whole, illite is the dominant clay minerals, ranging from 56% to 64% in abundance with an average of 61%. Chlorite is the less dominant, fluctuating between 18% and 26% in abundance and averaging to 22%. Kaolinite ranged from 7% to 12% in content and had a mean of 8%. A mixed-layer illite-smectite ranged from 5% to 15% in content and had a mean of 9%. The presence of these clay minerals and their content variations were well consistent with those from the Tarim region. Specifically, the section is divided into three stages: in zones I (72.4-66.8 ka BP) the sum of illite and chlorite, chlorite was high in abundance while the Kaolinite and mixed-layer illite-smectite was usually low. In zones II (66.8-56.1 ka BP) the sum of illite and chlorite, chlorite was low in abundance while the Kaolinite and mixed-layer illite-smectite was usually high. In zones III (56.1-51.0 ka BP), the sum of illite and chlorite, chlorite was less high in abundance while the Kaolinite and mixed-layer illite-smectite was usually less low. These suggest that climate in the study area varied generally between dry-cold and humid-warm patterns during the Late-Pleistocene period. This mode of climate change in the study area is well correlated with the changes of weathering intensity revealed by pollen, geochemical elements. Principle components F1 and F1′ of clay types are consistent well with Ostracoda abundance in the upper of Core Dacan1 located in the southeast Qaidam Basin, and also agreement with the luminescence chronology-based high lake levels of the paleolakes in eastern Qaidam Basin and with changes based on organic carbon isotopic characteristics from Beijing Plain. Nevertheless, the internal forcing mechanism for this mode of climate changes in the study area remains unclear up to now and deserves further investigation。

Keywords：Late-Pleistocene; clay mineral; dry-cold and humid-warm climate; Peacock River; eastern Xinjiang; lake sediments

DOI10.18307/2016.0122