内蒙古东乌珠穆沁旗地区湖泊沉积物粒度特征及古气候意义
2024-01-18王书宇李灿清李炼鹏廖志凯
杨 宇,王书宇,李灿清,李炼鹏,廖志凯
(云南省核工业二〇九地质大队,云南 昆明 650032)
内陆湖泊是一个地区古气候、古环境变迁的综合信息载体,它能够相对完整的记录在地质历史时期该区域环境,气候,植被等演化过程。湖泊沉积物粒度、磁化率、TOC等指标都能反映古气候和古环境,其中沉积物粒度特征是重要的代用指标。20世纪60~70年代,许多研究已广泛运用陆源沉积物碎屑颗粒粒度作为判别沉积环境和水动力条件的重要指标,可以为沉积物搬运介质的性质、能量和搬运方式确定等提供重要的环境分析依据。本文试图通过粒度分析反演内蒙古东北部东乌珠穆沁旗地区晚更新世以来古环境和气候变迁。
1 区域背景
2 研究剖面概况
剖面PM40位于道特淖尔镇东部约20km绍荣音诺尔湖岸北部,图1。剖面总厚度5m,从上至下分16层,连续采集粒度分析样品165个,其中1至4层前30个样品间距5cm,以下130个样品间距3cm。测年样品4个。介质为湖泊沉积物,为全新世约15ka至今。
图1 研究区地质简图(据乌拉盖幅1:20万区域地质图修改)Fig 1. Geological Sketch of The Research Area (Modified Based on The 1:200000 Regional Geological Map of Ulagai)1-湖积物;2-冲积、洪积砂砾层;3-灰白色砂砾层;4-砖红色泥岩;5-布拉根哈达组:流纹岩、珍珠岩、晶屑凝灰岩;6-道特诺尔组:玄武岩、紫苏玄武安山岩;7-查干诺尔组:含角砾岩屑晶屑凝灰岩、流纹质英安斑岩;8-宝力格组:板岩、火山硬砂岩、英安质凝灰熔岩;9-实测地质界线及侵入接触界线;10-实测不整合地质界线;11-地层产状;12-水体;13-研究剖面位置
剖面野外描述:第1层0cm~65cm,深棕灰色粉细砂土,具较弱土壤团粒,含少量灰白色斑点,斑点多<1cm,无层理。第2层65cm~74cm,黄灰色细砂,松散。第3层74cm~114cm,浅棕黄色中细砂,含大量植物根系。第4层114cm~134cm,浅棕灰色粉细砂,底部有一层厚约3cm中粗砂,松散。第5层134cm~149cm,棕灰色粉、细砂,底部有条带状黄灰色中粗砂,松散。第6层149 cm~169cm,棕灰色粉、细砂,底部夹两层各厚1cm~2cm中细砂,松散。第7层169cm~177cm,棕灰色粉细砂,底部厚1cm~3cm,黄灰色中细砂,松散。第8层177cm~194cm,松散棕黄色中粗砂。第9层194cm~227cm,黄灰色松散中粗砂与灰黑色粉细砂互层,层厚2cm~3cm,共6个旋回。第10层227cm~236cm,棕灰色粉细砂,顶部含灰黑色粉细砂。第11层236cm~251cm,浅黄灰色中粗砂,顶部含深灰色粘土层。第12层251cm~260cm,深棕灰色中细砂,含少量植物根系发育的平行层理。第13层260cm~293cm,深棕灰色粉细砂土。第14层293cm~313cm,下部棕灰色粘土粉砂,上部厚度6cm灰黑色粉砂质粘土。第15层313cm~428cm,灰黑色粘土质粉砂,呈游泥状。第16层428 cm~498cm,棕灰色粘土,含大量双壳类残骸,局部含黑色碎屑。
3 粒度测试及数据处理
3.1 粒度测试方法
样品前处理的目的是将采集的原始样品分散成单颗粒沉积物,尽可能的还原成沉积物沉积时期的颗粒大小,同时将风化作用所产生的次生沉积物去除。前处理过程如下:(1)取1g左右样品放入烧杯中,加入10mol浓度双氧水(H2O2),摇均并加热,使其充分反映,直至无细小气泡产生,途中根据反应程度适当加入双氧水,其目的是去除样品中有机质及其胶结物;(2)在烧杯中加入10mol浓度10%稀盐酸(HCI),直不产生气泡为止;(3)在烧杯中注满蒸馏水稀释盐酸和双氧水,静止6至8小时;(4)加入10ml浓度0.05mol/L六偏磷酸钠作为分散剂,并用超声波清洗机震荡10分钟后将全部样品倒入激光粒度仪测量池。
所有样品前处理和测量由西北大学大陆动力学重点实验室及中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室完成,仪器为英国MALVERN公司MS-2000型激光粒度分析仪,测量范围0.02μm~2000μm。重复性优于0.5%,准确性优于1%。测试165个样品。
3.2 数据处理
通过实验测试,得到每个测试样品的每一粒级所占的百分含量。粒级标准采用尤登-温德华(Udden and Wentworth)分类标准分类(表1),分为砂,粉砂及粘土三部分。
表1 粒级分类标准Tab 1.Grain-Size Classification Criteria
粒度参数计算采用Folk and Ward图解法(1957)。计算得到基本的粒度参数。包括平均粒径,分选系数,中值粒径,偏度,峰态。根据Folk and Ward方法及其修订,分级如表2。
表2 粒度参数分级Tab 2. Classification of Grain-Size Parameters
4 光释光与14C测年
光释光测年由中国地质大学(武汉)资源学院光释光实验室和北京中国原子能科学研究院测试完成,测试两件样品,结果如表3。取14C样品2件,由美国BETA AMS放射性碳测年实验室测试完成。结果见表4。
表3 光释光测年结果Tab 3. Optical Stimulated Luminescence Dating Results
表4 14C测试结果Tab 4. 14C Analytical Results
5 沉积物粒度组成
剖面PM40在粒径从上到下总体变细,上部主要为砂与粉砂,下部粉砂与粘土逐渐增多,但中间有波动,各组分含量随深度变化曲线如图2。从下至上可以将该剖面分为三段,Ⅰ段为290cm~500cm,Ⅱ段从70cm到290cm,Ⅲ段为0cm到70cm。Ⅰ段主要为粉砂和粘土,砂百分含量相对Ⅲ段和Ⅱ明显降低,趋势明显,部分降至10%以下,同时,粘土和粉砂含量显著升高;Ⅱ段和Ⅲ段主要为砂和粉砂为主,粘土含量较低,大多在20%以下。野外观测及力度测试结果显示,整个剖面并未出现突变,说明沉积环境是渐变的。
图2 各组分含量随深度的变化曲线图Fig2. Graphs of Each Component Content with Depth
剖面上,各组分含量波动都相对较大,但是整体变化趋势明显。Ⅰ段具有波动性,但波动性较Ⅱ段和Ⅲ段明显较小,尤其是粘土含量;Ⅱ段波动较大,尤其是砂和粉砂含量,但波动范围基本一致,其中砂含量占60%~70%。Ⅲ段除去个别异常值波动相对较小,呈现出相对稳定趋势,砂,粉砂,粘土波动范围分别47.9%~62.9%,24.5%~39.7%,10.6%~17.8%。
6 粒度频率曲线及粒度参数分析
6.1 粒度频率曲线与沉积作用分析
粒度频率曲线是以粒度大小为横坐标,百分含量为纵坐标,按各粒级百分含量绘出相应的点后,连接各粒级百分含量即成一波状起伏的圆滑频率曲线。它可以很好地反映出沉积物粒度分布的特点、分选好坏,粒度分布的对称度(偏度)、曲线的尖度(峰态)等。图3为剖面PM40中几种典型的粒度分布频率曲线图。
图3 典型的粒度分布频率曲线图Fig 3. TypicalFrequency Curve of Sediment Grain-Size
沉积物粒度频率曲线的峰形变化能够反映沉积形式的变化,因此常作为判断沉积动力作用形式的一个重要方法[15]。当沉积物的沉积是由多种介质搬运时,多成因组分的存在导致频率曲线为多峰分布的连续光滑曲线,而单一成因的沉积物组分频率分布曲线多为单峰光滑曲线。根据频率曲线上的峰数可以确定不同成因的组分数,众数峰值的高低反映某种沉积成因的组分对该样品整体贡献率的大小。对于湖泊来说,尤其是这种内陆封闭的湖泊,其沉积作用形式主要有三种:(1)流水作用,(2)风力作用,(3)流水与风力的混合作用。从剖面PM40的粒度频率分布曲线来看,上部和下部以单峰为主,单一作用方式为主导,中部几乎均为明显的多峰曲线,表明受流水与风力的混合作用。综合分析所有频率分布图可以发现,Ⅲ段代表性图像为图中A、B两种形态,均为正偏(粗偏)单峰态,成分以细砂和极细砂占主导,峰形两端粘土和粗砂含量较低,成分均匀,分选相对一致。根据野外观察,结构松散,底部还有草本植物根系,所以此段应为风成沉积物。在Ⅱ段代表性图像为图中C、D、E三种形态,均呈现复杂的双峰或者多峰,以双峰为主导,众数粒径主要集中在细砂和中砂,说明此段并不是单一沉积作用,是受风力和流水的混合作用形成。Ⅰ段代表性图像为图中F、G两种形态,含量变化幅度相对较小,曲线为单峰或近似于单峰,特别是下部接近于正态分布,结合野外观察,此段为深水稳定沉积,受外来其他沉积作用的因素较小。
6.2 粒度参数分析
PM40剖面粒度参数变化曲线见图4。图中显示了平均粒径、中值粒径、分选系数、偏度和峰态五项参数随深度变化的曲线特征。粒度测试结果显示,整个剖面平均粒度变化在0.005mm~0.229mm,其上部和中部粒度较大,下部较小。分选系数范围1.37~3.11,均属于分选较差和分选差,其中大部分为分选差。偏度变化在-0.18~0.65,从负偏到极正偏,其中大部分偏度为正偏态。峰度变化范围0.64~2.21,从很宽到很窄均有分布。
图4 粒度参数变化曲线图Fig 4. Grain Size Parameter Variation Curve
平均粒径表示一个样品的平均粒径大小,代表沉积物粒度分布在某一部分的集中趋势,能够反映物质来源和环境变化(搬运介质平均动能变化)。沉积物较粗组分集中在水动力较强的区域,沉积物较细组分集中在水动力较弱的区域。Ⅰ段较Ⅱ段和Ⅲ段差异明显,平均粒径显著变小,总平均值0.021mm,由上至下粒度逐渐变小,上半段290cm~425cm粒径平均值0.022mm,以中粉砂和细粉砂为主,下半段425cm~500cm粒径平均值仅为0.009mm,砂的百分含量明显减少,主要以粉砂和粘土为主;Ⅱ段沉积物粒度相对较大,整段平均值0.11mm,大多属于细砂和极细砂,粉砂和粘土含量较少,粒径波动较大,从0.024mm到0.229mm,中间还有多次旋回,野外清晰可见,特别是在190cm至230cm之间有六次较为明显的沉积旋回;Ⅲ段相对Ⅱ段总体粒径较小,厚度也不大,平均粒径0.046mm,属于中粉砂和粗粉砂,极大值0.067mm,极小值0.034mm,波动相对较小,以砂和粉砂为主。
分选系数反映样品中颗粒分散和集中状态,用来区分不同成因的沉积物,分选系数越大,代表该组分的分选性越差。整个剖面分选系数波动较大,但仍然看出其在某一时段内与其他时段沉积的不同特点:Ⅰ段分选系数1.37~2.91,属分选差和分选较差,但其中上段分选相对下端较差,说明下端的沉积环境更稳定;Ⅱ段分选系数1.45~3.11,属分选差和分选较差,大部分属分选差,波动幅度相对较大,说明这一段沉积作用复杂,变化较大,受多种方式影响;Ⅲ段分选系数2.54~2.78,属分选差,但分选程度较均匀,变化幅度较小,说明在这一段沉积所受的外力作用基本是一致的。
偏度表示频率曲线对称性的参数,反映沉积物粗细组分的相对多少。理想状态下,偏度显示为正态曲线的分布特征,这个时候该组分的平均粒度与中值粒径重合,即都在曲线的峰值位置,且峰值两端呈对称分布。当沉积物颗粒相对较粗时,平均粒径大于中值粒径大于峰值对应的粒径,这时称沉积物为粗偏。同理,反之则为细偏。从偏度上看,Ⅰ段偏度波动-0.16~0.56,波动幅度较Ⅲ段Ⅱ段较大,尤其是上部,但下部波动幅度较小,在0附近波动,为近对称形;Ⅱ段偏度波动-0.18~0.65,值得注意的是,在深度150cm处出现一个骤降,其他部分偏度波动相对一致;Ⅲ偏度值0.30~0.51,波动较大,无明显变化趋势,为粗偏态。
峰态表示频率曲线的尖锐或钝圆程度(峰的宽窄程度),宽时表示粒径相对分散,窄时表示相对集中,也反映沉积物形成时搬运介质的动力作用。从峰态上,Ⅲ段总体波动较小,大部分属于宽峰态。Ⅰ段峰态波动幅度较小,集中在中等偏态附近。Ⅱ段波动较大,无明显变化规律,大部分属窄峰态和中等峰态。
7 环境演化阶段分析讨论
PM40剖面上,光释光样品及14C样品各2件测试结果见表3,表4。剖面年龄与地层深度关系图见图5。历史时期可划分4大环境演化阶段,中间出现沉积缺失。
图5 剖面PM40年龄与地层深度关系图Fig 5. Age and Stratigraphic Depth Relationship of Profile PM40
第一阶段剖面290cm~500cm,年龄约14ka.BP~5ka.BP,沉积速率约0.22m/ka。总体属深水稳定沉积,为高湖面,从下至上,粒度有增大的趋势,表明湖水水位有降低的趋势。反映当时气候环境总体比较温暖湿润,但有向寒冷干旱的趋势发展,湖面有收缩的趋势。另外该阶段沉积物上半段290cm~425cm粒径平均值0.022mm,中粉砂和细粉砂为主,下半段425cm~500cm粒径平均值0.009mm,砂百分含量明显减少,以粉砂和粘土为主,两段分层时间节点约为11ka.BP,上段为灰黑色,有机质含量较高,可能与当时暖湿气候大量生物发育有关,下段颜色相对较浅,有机质含量减少,说明当时温度相比上段较低。证明在11ka.BP发生了气候冷湿到暖湿的变化。该阶段为末次冰期的极盛期结束后气候逐渐变暖时期,总体为全新世以来高温高湿期。
第二阶段5ka.BP~约500a.BP,此阶段沉积缺失,推测湖泊水面面积较前一阶段大面积收缩,剖面所处位置完全暴露地表被剥蚀,导致沉积缺失。由此断定该时期内总体为干旱气候,与前人的研究也相对吻合。
第三阶段剖面70cm~290cm,年龄约500a.BP~100a.BP,此阶段快速堆积,沉积速率约4.29m/ka,沉积物粒度相对较大,整段平均值0.11mm,大多属细砂和极细砂,粉砂和粘土含量较少。粒径从0.024mm~0.229mm,中间还有多次旋回,特别在190cm~230cm有六次较为明显的沉积旋回,表明沉积环境较不稳定,多为复杂的双峰或多峰,沉积受到多种外力作用共同影响,沉积动力不稳定。据此推测,湖水水位有上升趋势,湖面面积扩大,剖面所在地重新湖水覆盖,但处于浅水环境,离湖岸较近,且湖水出现多次进退,风力作用开始参与,出现风成沉积,大量碎屑由周边流水带入,迅速堆积,同时受湖水波浪作用改造,形成颗粒较大,分选差,沉积组分不稳定的沉积物。推断该时期气候由寒冷干旱向温暖湿润变化,但中间有多次交替波动。
第四阶段剖面0cm~70cm,距今近100年,总体粒径较小,厚度也不大,平均粒径0.046mm,属中粉砂和粗粉砂,极大值0.067mm,极小值0.034mm,波动相对较小。分选系数2.54~2.78,属分选差,但分选程度较均匀,变化幅度较小,沉积受的外力作用基本一致,沉积物底部存在大量植物根系,说明此地裸露地表有大量植被生长,认为该段可能为风成堆积物,反映半干旱到干旱气候。此时期人类已经繁衍,该地距离人类聚居区不远,影响因素众多,因此也不排除是人为作用形成的。
从剖面PM40已获年代序列、野外观察以及粒度分析结果,在5ka.BP之前很长一段时间内为湿润气候,末次冰期结束后,东亚夏季风开始增强,气候开始湿润,降水增多,11ka.BP进入全新世高温湿润期,温度升高,生物繁盛,古气候及环境变化与上述研究结果大致吻合,5ka.BP后气候逐渐转向干旱,与前人结论一致。表明内蒙古北部区域气候变化具有一致性并与全球环境变化同步。
8 结 论
在内蒙东乌珠穆沁旗道特淖尔剖面高密度样品采集,野外地质调查,14C和光释光测年基础上,根据沉积物粒度特征对内蒙东乌珠穆沁约15ka.BP以来的气候环境变迁进行分析,认为该地区近15ka以来环境变化主要经历了4个阶段:
(1)第一阶段(约15ka.BP~5ka.BP):总体为温暖湿润的气候环境。气候有变干的趋势,从11ka.BP开始气候显著变暖,为此区域全新世高温高湿的时期,生物繁盛。
(2)第二阶段(5ka.BP~约500a.BP):湖面面积萎缩,湖岸后退,导致沉积缺失,反映了干旱寒冷的气候,且气候从暖湿向干冷变化较快。
(3)第三阶段(约500a.BP~100a.BP):气候由寒冷干旱向温暖湿润变化,但中间有多次交替波动。
(4)第四阶段(距今近100年):沉积所受的外力作用基本一致,此地已经裸露地表,可能为风成堆积物,反映干旱气候。
内蒙古东北部区域晚更新世以来气候环境变化具有一致性并与全球环境变化基本同步,但在空间和时间上仍表现出单一复杂的差异特征,可能与受季风影响有关,也可能研究方法上的差异。总体上该区剖面沉积物所反映的沉积环境从古到今由温暖湿润向寒冷干旱演变。
本文尚有诸多不足之处,如施工条件限制未能采样到剖面最底部,且中间出现沉积缺失的部分,不能精确完整的反演该地区气候演变,还需要更加全面深入的研究;单一使用粒度特征作为指标,可能会有偏差和疏漏,更多对应的指标综合分析应进一步加以补充和论证。