ICP-OES研究罗布泊“大耳朵”湖相沉积物常量元素地球化学特征及环境意义

朱新萍, 蒋平安*, 张良绘, 李保国，盛建东，武红旗

1. 新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆土壤与植物生态过程重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830052

2. 吐鲁番地区环境监测站，新疆 吐鲁番 838000

3. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193

ICP-OES研究罗布泊“大耳朵”湖相沉积物常量元素地球化学特征及环境意义

朱新萍1, 蒋平安1*, 张良绘2, 李保国3，盛建东1，武红旗1

1. 新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆土壤与植物生态过程重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830052

2. 吐鲁番地区环境监测站，新疆 吐鲁番 838000

3. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193

光谱分析技术应用于地球化学元素分析研究，为湖泊沉积物反演环境变化提供了更多的环境信息。以罗布泊“大耳朵”区域L07-10剖面沉积物为研究对象，利用ICP-OES对常量地球化学元素进行了测定分析，结合AMS进行14C年代学测定，初步探讨了该地区16.34 ka BP以来的气候环境变化。结果表明：常量元素地球化学特征可以灵敏的指示环境变化，元素环境代用指标很好的反映了该地区的气候变化过程。总体来看, 常量元素分布特征指示16.34 ka BP以来，罗布泊区域气候经历了暖湿-暖干-凉湿-暖干的变化，在8.09～6.34 ka BP期间发生了一次较明显的短期升温阶段，这一时期气候温暖干燥，降水减少，与全球及区域气候变化相关记录相吻合。近2 000 a以来气候总体温暖，降水量减少，源区水热条件变差，水运的搬运能力降低。

罗布泊；沉积物；常量元素

引 言

罗布泊“大耳朵”的形成一直是众多学者关注的热点，“耳纹”不仅可以看作是湖泊退缩过程的缩影，同时又是研究盐湖演变与气候变化的焦点。由于该区域研究条件限制，大量研究采样均在罗布泊“大耳朵”湖区的外围，许多学者利用孢粉[1]，磁化率[2]、粒度、色度、碳酸盐、烧失量、有机碳及其同位素[3-5]等多种环境指标研究了罗布泊的不同尺度下的环境演变。湖泊沉积物的元素地球化学特征是湖泊流域及湖泊内元素地球化学循环的真实反映。湖泊沉积物中元素的组成不同源于物源的不同，因此“大耳朵”区域内湖相沉积物采样更具有区域代表性。目前“大耳朵”区域多年来的研究主要集中于“耳纹”成因[6]、干涸时间[7-8]及盐壳化学等方面[9-10]，在关于“大耳朵”湖区沉积物及环境演变的相关研究还较少[11-12]，尤其是利用地球化学元素及元素比值等环境代用指标的研究还处于初期研究阶段，需要进一步探讨其指示作用的灵敏性，光谱分析技术应用于该区域元素化学特征的分析研究，不但为高盐度沉积物中元素分析测定方法提供技术参考，而且能更进一步提供新的确凿环境信息，为促进罗布泊生态环境演变过程研究提供技术支撑。该研究以罗布泊“大耳朵”区域L07-10剖面沉积物为研究对象，运用ICP-OES方法对常量地球化学元素进行了测定，通过对沉积物中常量化学元素的分布和富集规律的分析，探讨该地区16.34 ka BP以来的气候变化特征，为区域环境变化敏感地球化学指标的选择提供依据。

1 实验部分

1.1 采集样品

罗布泊位于塔里木盆地的东端，是塔里木盆地的最低洼处，天山与阿尔金山两大山系交汇地带附近，地理位置39°—41°N，88°—92°E，面积约20 000 km2[5]。样品采集来自2007年项目考察队进入罗布泊“大耳朵”干盐湖区进行科学考察，借助机动式冲击土钻与人力挖掘对L07-10剖面进行样品采集，剖面至地下潜水出现处，深度大约2.13 m，根据发生层特征采样，共采集沉积物样品12个，采集量大约2 kg左右，用布袋保存，带回实验室进行室内分析。

1.2 测定方法

沉积物样品经研磨过200目筛，将样品在110 ℃烘箱中烘干，冷却至室温，置于干燥器中；准确称取50 mg 样品置于聚四氟乙烯杯中，加入3 mL 1∶1的HNO3、2 mL纯HF和6 mL HCl，用微波消解仪缓慢消解，结束后放电热板上赶酸，待杯中酸赶尽，加1 mL纯化过的HClO4加热蒸干，冷却后再加入3.5 mL 1∶1硝酸水溶液，0.1 mL双氧水和少量纯水，加热溶解残渣，冷却后在容量瓶中定容, 用美国热电公司电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES 6300)测定常量元素。仪器工作条件：冲洗泵速100 r·min-1；分析泵速：50 r·min-1；泵稳定时间5 s；泵管类型：聚乙烯；辅助气流量：0.5 L·min-1；垂直观测高度：12.0 mm；RF功率：1 150 W；Camerd温度：-46.54 ℃；光室温度：38.0 ℃；分析最大积分时间：短波范围15 s，长波范围5 s；智能全谱跟踪，最大积分时间为30 s。

对沉积物有明显变化层(主要为含有机质层)采样，采用EN加速器质谱法(AMS)，由北大考古所加速器质谱实验室完成14C年代学测定。

1.3 数据处理

将所测数据用Excel2003和Sigma Plot10.0进行处理和作图。

2 结果与讨论

2.1 沉积岩性描述及沉积年代序列的建立

L07-10剖面深度大约2.13 m，按照发生特征可分为四层。从沉积特征可反映出该区域气候在向干旱化演变的特点，通过EN加速器质谱法测定14C获得3个年龄数据，在结合沉积特征和沉积速率的基础上，对其不同深度进行年代序列建立 ，结果见图1。

2.2 L07-10剖面常量元素分布特征

2.2.1 L07-10剖面常量元素含量及富集特征

通常所说的常量元素为: K，Ca，Na，Mg，Al，Fe，Ti，Mn和P等九种元素，经测定“大耳朵”湖区L07-10剖面常量元素平均含量见表1。通过与我国水系沉积物及地壳中元素丰度[13]比较，可得出Na2O和CaO富集程度远高于参照值。元素的富集程度与沉积的干湿环境条件有关，对于K，Ca，Na和Mg等碱金属元素而言，干旱时候这些元素迁移能力受到抑制，在湿润时期又受淋滤并搬运至湖泊之中，相对富集。

图1 L07-10沉积特征及年代序列的建立

沉积物中某一元素相对于地壳元素丰度的富集因子(EF)定义为：EF=(E/Al)沉积物/(E/Al)地壳，若EF接近于1，则该元素为地壳来源；若EF>10，则该元素为非地壳来源[14]。经计算其中Na2O的EF>10，CaO接近10，其值为9.41，表现为元素来自地壳外源，很可能来自于河流携带流域的碎屑流入湖泊所导致，在气候演变中，干旱时期迁移受到抑制，蒸发作用也可导致元素大量富集。Fe2O3的EF在1～2之间，说明来源主要为地壳，为岩石分化物或土壤粉尘，其他元素的EF在1～5之间，依次为K2O，MnO，P2O5，TiO2和MgO，这些元素也主要表现为地壳来源，但同时雨水侵蚀或径流作用也会影响它们的富集程度。P在地壳中主要为生物元素，一般在干燥而寒冷的地区，生物的生产力较低，P会偏低，由研究得出罗布泊“大耳朵”湖区P的富集因子为2.94，推测罗布泊“大耳朵”湖区及流域早期可能有生物生长，且具有一定生产力。

表1 罗布泊“大耳朵”湖区L07-10剖面常量元素含量(Wt%)及富集因子

2.2.2 L07-10剖面沉积物常量元素垂直分布特征

由罗布泊“大耳朵”湖区湖中L07-10剖面的常量元素随剖面变化特征得出，常量元素中K，Al，Mn，P，Ti 和Fe呈现出相似的变化趋势(见图2)，在0.31 m(2.67 ka BP)和1.10～0.64 m 深度(8.09～5.39 ka BP)含量均下降，K，Al，Mn，P，Ti和Fe等含量的减少，与该对应时期降水量的多少以及河流搬运能力有密切的关系。而Ca和Mg在这一深度变化有所不同，在0.83 m(6.34 ka BP)附近有所升高，Mg和Ca具有较强的迁移活动能力，当风化作用强，气候干燥时，降水导致元素的淋失，易富集，一般认为富集Ca的气候较富集Mg的环境更干燥，因此，Ca和Mg含量在0.83 m(6.34 ka BP)附近升高可能反映当时气候变得较为干热。Na含量在0.31 m(2.67 ka BP)以上升高，一般Na只有在干旱封闭的湖泊沉积物中才会显著增加，因此也说明进入2.67 ka BP之后，罗布泊气候干旱显著，降水减少，进入湖泊的矿物碎屑减少，同时湖水受蒸发作用影响，已向咸水湖演变。由在1.10～0.64 m 深度(8.09～5.39 ka BP)各元素含量下降后又上升，可以推测这一时期气候发生了剧烈的变化，主要表现为气候由暖湿向干热，后又向暖湿转变，2.67 ka BP之后，气候干热。

图2 L07-10剖面随深度常量元素变化特征

2.2.3 L07-10剖面元素比值及环境指示意义分析

作为干盐湖的罗布泊“大耳朵”沉积物中富集的常量元素与大耳朵周围入水区域的环境变化有着紧密的关系。由图3中元素组合间的比值变化特征推测，SiO2/Al2O3由下自上逐渐升高的趋势，说明环境总体趋于向干旱化发展，在0.99 m(6.87 ka BP)前后，SiO2/Al2O3比值大幅升高又降低，0.83 m(6.34 ka BP)以上又有所升高。SiO2/Al2O3是自然界水热结构的重要标志，该比值越小，表明环境越湿、化学风化越强，反之则越趋于干冷。

图3 L07-10剖面常量元素环境代用指标变化特征

(CaO+K2O+Na2O)/AL2O3在1.10～0.99 m(8.09～6.87 ka BP)期间水热条件发生了改变，比值增高，气候变干热，降水减少，0.99～0.83 m( 6.87～6.34 ka BP)期间比值降低，表明水热条件有所缓和，在0.31 m(2.67 ka BP)以上，比值急剧增高，表明入湖的惰性组分越少，罗布泊区域水热条件变差，向暖干演化。

以(Fe+Al+Mn)/(K+Ca+Mg)来反映湖区的气候状况，其值越大，气候越湿润，反之，气候越干燥。研究得出在1.10～0.99 m(8.09～6.87 ka BP)期间，比值不断降低，表明气候向干燥转变，0.99～0.83 m( 6.87～6.34 ka BP) 期间，比值升高，气候向湿润转变。

Fe/Mn比值可以反映湖泊水位的变化，高Fe/Mn比值指示了较低的湖泊水位。由分析结果得出在1.10～0.83 m(8.09～6.34 ka BP)之间，湖泊发生过一次高水位，说明这一时期出现过气候湿润，降水增多的气候。

2.3 罗布泊16.34 ka BP以来的环境响应分析

综合分析沉积物常量元素分布特征后，可将其反映的环境变化分为以下几个阶段：16.34 ka BP～8.09 ka BP期间(深度2.08～1.10 m)：气候是整个研究期间相对温暖湿润的时期，湖面水位较为稳定。8.09 ka BP～6.87 ka BP期间(深度1.10～0.99 m)：降水量急剧减少，气候相对温暖干燥，这次降水的减少，大耳朵湖中部的水体也受到了影响，表现为入湖矿物碎屑的减少。据北疆巴里坤湖报道，在7.0 ka BP 出现过新暖干期Ⅳ[15]，艾比湖在6.6 ka BP出现过一次短暂暖干时期[16]，这与地质资料提供的北半球大陆内部中全新世高温、干旱气候的证据基本一致。6.87 ka BP～6.43 ka BP期间(深度0.99～0.83 m)：气候由暖干向湿润转变。6.43～2.67 ka BP期间(深度0.83～0.31 m)：气候湿润，源区化学风化增强，水热条件略好。南疆罗布泊地区台特玛湖沉积物反映5.0 ka BP 前后为相对凉湿的环境特征[17]，2.67 ka BP至今(深度0.31～0 m)：近2 000 a气候总体温暖，干旱化程度不断增强，表现为降水量的减少，源区水热条件变差，水运的搬运能力降低。

3 结 论

研究结果表明，罗布泊“大耳朵”湖区L07-10剖面沉积物中常量元素Na和Ca富集程度最高，其主要来源于外部输入，由垂直分布特征结合元素比值变化得出，常量元素的富集特征与区域环境变化有着密切的关系，可以灵敏指示环境变化。通过综合分析得出，罗布泊区域16.34 ka BP以来，气候经历了暖湿-暖干-凉湿-暖干的变化，在8.09～6.34 ka BP期间发生了一次较明显的短期升温阶段，这一时期气候温暖干燥，降水减少，与全球及区域气候变化相关记录相吻合。近2 000 a以来气候总体温暖，降水量减少，源区水热条件变差，水运的搬运能力降低。罗布泊各区域沉积物元素含量存在较大差异，因而在环境变化的指示中需要多指标间的相互印证，进而为干旱区湖泊环境演变及资源利用提供更多的参考。

致谢：感谢新疆农业大学钟骏平教授、贾宏涛教授、郑春霞研究员和中国地质科学院矿产资源研究所马黎春副研究员及参与罗布泊野外采样的所有研究生，感谢他们的辛勤付出和无私帮助！ 感谢韩妮、樊舜会等研究生在样品分析中给予的协助！

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(Received Jul. 29, 2015; accepted Nov. 16, 2015)

*Corresponding author

Element Geochemistry of Lake Sediments from L07-10 in the “Great Ear”Area of Lop Nur and Its Significance for Climate Variation Change with ICP-OES

ZHU Xin-ping1, JIANG Ping-an1*, ZHANG Liang-hui2, LI Bao-guo3, SHENG Jian-dong1, WU Hong-qi1

1. College of Grassland and Environmental Sciences, Xinjiang Agricultural University, Xinjiang Laboratory of Soil and Plant Ecological Process，Urumqi 830052, China

2. Turpan Environment Monitoring Centre Station, Turpan 838000, China

3. College of Resource and Environmental Sciences, China Angricultural University, Beijing 100193, China

Spectral analysis techniques were applied to geochemical element analysis to provide additional environmental data about evolution of salt lakes and climate change. The elements composition of lake sediments from L07-10 in the “Great Ear”Area of Lop Nur was analyzedby using Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer (ICP-OES )and from 14 C carbon dating by using the EN accelerator mass spectrometry (AMS).This paper estimated the climate change in this region since 16.34 ka BP. Results demonstrate that the geochemical characteristics of major elements at all sediment levels can indicate environmental change sensitivity, and element composition is more sensitive to climate change. Overall, climate succession since 16.34 ka BP had been: warm-wet, warm-dry, cold-wet and warm-dry. From 8.09～6.34 ka BP，the climate obviously heated up and was warmer and drier, which is consistent with global and regional climate change estimates from other studies. By about 2 ka BP, the climate becomes warmer and drier and the water carrying capacity of this lake was reduced.

Lop Nur; Sediment; Major element

2015-07-29，

2015-11-16

国家自然科学基金项目(41071149)资助

朱新萍，女，1978年生，新疆农业大学草业与环境科学学院副教授 e-mail: zhuxinping1978@163.com *通讯联系人 e-mail：jiang863863@sina.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)10-3308-05