几种常用古气候代用指标在盐湖古环境研究中的应用

苗 青 侯献华* 杨振京

（1、河北地质大学,河北 石家庄050031 2、中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部盐湖资源与环境重点实验室,北京100375 3、中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄050061）

在全球变化过程中,古气候古环境的变化可通过不同的载体记录下来,如：黄土、深海沉积物、湖泊、冰芯、石笋等。通过有效手段提取这些古气候代用指标中蕴含的信息,可以帮助我们恢复某一地区的古气候古环境演化过程。

湖泊沉积物的沉积过程必定受各种物理、化学、生物等自然要素的影响,记录了可靠的环境变化信息。在各类湖泊中,盐湖的形成与演化受特殊地质条件的影响,具有独特的封闭性、成盐过程的多期性和长期性、咸- 淡韵律性等特点[1],成为了第四纪古气候、古环境的重要研究对象。近年来,学者们利用湖泊沉积物不同的古气候代用指标,取得了不少研究成果,目前最常用的指标有元素地球化学、碳氧同位素、孢粉、介形虫壳体、磁化率等。

1 元素地球化学指标及其应用

1.1 元素地球化学指标的指代意义

湖泊沉积物中的化学元素及不同元素之间的比值对区域构造变动及气候环境变化敏感,在一定程度上记录了区域气候变化和环境演化的信息。

沉积物中水迁移系数较大的元素,其含量受古气候制约,因此K、Na、Ca、Mg、Sr、Ba 等元素的含量变化能较好地反映古气候的干湿变化[2]。一般情况下,湖水中的Mg/Ca 比值随盐度的上升而升高[3]。Sr/Ba 和Sr/Ca 高值都指示了较高的古盐度[4]。Mn 含量高一般指示干旱,反之指示潮湿；Fe 容易氧化形成Fe （OH）3胶体,因此沉积物中Fe/Mn 比值高对应温湿气候,比值则低为干热气候[4]。

1.2 元素地球化学指标在盐湖古环境研究中的应用

魏海成[5]等对察尔汗ISL1A 孔岩芯元素进行了主成分分析,结果表明：入湖径流量的变化对Si、Al、Fe、P、K、Ti、Mn、Rb 等元素含量变化产生了主要影响,Ca,Sr 元素含量则与湖区蒸降比的变化相关。张文翔[6]根据贝壳堤剖面元素及其相关参数变化特征,重建了察尔汗古湖43.5～22.4cal.kaBP 期间由淡水- 半咸水- 咸水- 盐湖的演化过程。

2 同位素地球化学指标及其应用

2.1 同位素地球化学指标的指代意义

目前在盐湖沉积方面,主要应用稳定碳、氧同位素来分析鉴别古盐度、古水温等环境信息。

碳酸盐δ13C 在分析时通常与总有机碳（TOC）、碳氮比（C/N）等地球化学指标进行综合对比分析,得到的古环境变化信息更可靠。一般情况下,δ13C 和TOC 值高,指示暖湿气候,湖泊初始生产力较高；反之则与寒冷气候相对应,有效湿度降低[7]。

通常情况下,湖泊自生碳酸盐δ18O 高值指示干旱- 半干旱气候,蒸发旺盛,淡水注入少,湖泊水体盐度较高；δ18O 低值指示湿润气候,湖水淡化,盐度较低。δ18O 与δ13C 的相关性还可用来指示古湖泊水系的封闭性[8]。

2.2 同位素地球化学指标在盐湖古环境研究中的应用

侯献华[9]等选取大浪滩盐湖沉积中心的梁ZK-02 钻孔为研究对象,对该孔140ka BP 以来的湖相地层沉积序列进行了碳氧同位素分析,其结果与深海氧同位素阶段有良好的对应关系。王春连[10]等对江陵凹陷两组湖相碳酸盐岩的分析结果显示：沙市组碳酸盐岩样品的δ13C 和δ18O 值之间具有良好的正相关性,表明其发育在相对封闭的咸水湖泊体系中；而新沟嘴组δ13C 和δ18O 之间相关性差,指示水体滞留时间较短的开放型湖泊系统。

3 微体古生物化石指标及其应用

3.1 微体古生物化石指标的指代意义

盐湖研究中常用介形类壳体和植物孢粉来反演古环境。介形类的生长及种属组合分布受湖泊水体温度、盐度和营养状况等的影响,在古环境分析中得到了越来越多的应用[11]。孢粉指植物孢子与花粉,具有体积小、数量大、耐酸碱、易保存以及对气候变化反应敏感等特点。

通过特定的实验处理方法提取孢粉物质,然后镜下观察判别沉积物中的孢粉类型（图1）,可半定量至定量恢复古环境。孙湘君[12]等指出使用蒿属（Artemisia）/ 藜科（Chenopodiaceae）（即：A/C）值来指示干燥程度。

3.2 微体古生物化石指标在盐湖古环境研究中的应用

孙非非[13]等统计了柴达木盆地地区15 个钻孔岩芯的孢粉种属鉴定数据,对其中的蒿、藜含量和A/C 比值进行分析,表明柴达木盆地上新世晚期以来气候一直向干旱方向发展,但干湿波动较大,尤其从中更新世以来更为明显。

图1 盐湖沉积物中常见的几种植物孢粉图鉴

4 磁化率指标及其应用

4.1 磁化率指标的指代意义

沉积物中磁性矿物的磁性特征形成于特定环境,已有研究表明：冷干气候沉积物磁化率增加；暖湿的气候条件下,磁化率减小[14]。

4.2 磁化率指标在盐湖古环境研究中的应用

张俊辉[15]等通过对柴达木盆地察尔汗盐湖CH0310 钻孔沉积物磁性特征、TOC 等的实验分析结果表明：磁化率和TOC 的相关性受不同沉积层的影响表现出较明显的正负差异,认为对高原干旱区湖泊来说,使用磁化率指标时需要辅以其他代用指标来更好地解释研究区古环境变化。

5 结论

5.1 盐湖研究常用古气候代用指标所反映的气候要素

上述盐湖沉积物中的几种古气候代用指标,分别从温度、盐度和降水三个方面有效提取了盐湖演化过程中的气候变化信息（表1）。每个指标都有着对沉积环境不同的响应方式,因此在实际使用过程中,各个指标之间应该相互补充,相互印证,以期获得更为准确的古气候变化信息。

表1 盐湖沉积物中古气候代用指标所反映的气候要素统计表

5.2 未来研究展望

随着盐湖研究的不断深入,学者们应用各种代用指标,在重建盐湖古环境方面积累了不少成果,随着实验测试方法的改进以及实验仪器精准度的提高,高精度恢复重建研究区古环境已成为研究人员的共同追求。但单一的古环境代用指标往往不能较为真实地反演古环境,这时就需要多指标的结合,例如：δ13C值通常与总有机碳（TOC）、碳氮比（C/N）等地球化学指标综合使用,可得到可靠的古气候环境变化信息；碳、氧同位素指标综合对比分析,指示意义更强；介形虫壳体也通常要与元素地球化学、同位素地球化学等指标结合来进行古环境的解释；磁化率指标通常与粒度、元素地球化学等指标进行综合对比分析。

但大部分环境代用指标都局限于定性恢复古气候古环境,难以做到定量重建,未来还需要不断增强实验过程的准确性,包括野外踏勘取样,室内实验分析处理等,最大程度地减少人工误差,在此基础上,依据研究区本身的地质背景、沉积状况等信息选择合适的、多样化的古环境代用指标进行综合分析,以期达到“将今论古,以古类今”的研究目的。