【类型】期刊

【作者】张成琦，李育，周雪花，王岳（兰州大学资源环境学院/干旱区水循环与水资源研究中心）

【作者单位】兰州大学资源环境学院/干旱区水循环与水资源研究中心

【刊名】冰川冻土

【关键词】 湖泊沉积物；盐类矿物；反相关关系；沉积过程

【资助项】国家自然科学基金项目(41371009)；兰州大学“中央高校基本科研业务费专项资金”项目(LZUJBK-2013-127)资助

【ISSN号】1000-0240

【页码】P95-108

【年份】2019

【期号】第1期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】湖泊沉积物中矿物组合是古气候环境研究的敏感性指标之一,充分认识湖泊沉积物中各类矿物组合类型、沉积过程,对正确解释矿物学指标有重要意义.我国晚第四纪湖泊沉积记录中,盐类矿物与碎屑矿物含量普遍存在反相关关系,影响了矿物组合作为气候指标的解释和应用.从地球科学的角度正确理解这种关系,可以为湖泊动力学以及古气候环境定量研究提供重要的科学依据.选择甘肃民勤盆地石羊河下游终端湖猪野泽不同位置5个全新世剖面,在明确湖泊沉积物来源、搬运方式和沉积动力机制的基础上,研究了以碳酸盐矿物为主的盐类矿物含量与粒度指标之间的关系.结果表明:猪野泽各剖面砂层富含的中砂、细砂沉积物主要是来自于巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠的风成砂;水动力作用主导了湖相沉积层200μm以下沉积物的沉积,风力作用对20~70μm粉砂组分沉积也有所贡献.同时,猪野泽湖相沉积层中高含量的碳酸盐主要来自于流水搬运,湖相沉积层位200μm以下的粉砂和极细砂是碳酸盐的主要富集区.综上所述,干旱区湖泊沉积物中盐类矿物含量与其沉积过程密切相关,盐类矿物在全球变化研究中的应用要建立在充分研究其沉积动力机制的基础上.

【全文】 文献传递

晚第四纪湖泊沉积物盐类与碎屑矿物反相关关系的沉积学解释

张成琦， 李 育*， 周雪花， 王 岳

(兰州大学 资源环境学院/干旱区水循环与水资源研究中心， 甘肃 兰州 730000)

摘 要：湖泊沉积物中矿物组合是古气候环境研究的敏感性指标之一， 充分认识湖泊沉积物中各类矿物组合类型、 沉积过程， 对正确解释矿物学指标有重要意义. 我国晚第四纪湖泊沉积记录中， 盐类矿物与碎屑矿物含量普遍存在反相关关系， 影响了矿物组合作为气候指标的解释和应用. 从地球科学的角度正确理解这种关系， 可以为湖泊动力学以及古气候环境定量研究提供重要的科学依据. 选择甘肃民勤盆地石羊河下游终端湖猪野泽不同位置5个全新世剖面， 在明确湖泊沉积物来源、 搬运方式和沉积动力机制的基础上， 研究了以碳酸盐矿物为主的盐类矿物含量与粒度指标之间的关系. 结果表明： 猪野泽各剖面砂层富含的中砂、 细砂沉积物主要是来自于巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠的风成砂； 水动力作用主导了湖相沉积层200 μm以下沉积物的沉积， 风力作用对20～70 μm粉砂组分沉积也有所贡献. 同时， 猪野泽湖相沉积层中高含量的碳酸盐主要来自于流水搬运， 湖相沉积层位200 μm以下的粉砂和极细砂是碳酸盐的主要富集区. 综上所述， 干旱区湖泊沉积物中盐类矿物含量与其沉积过程密切相关， 盐类矿物在全球变化研究中的应用要建立在充分研究其沉积动力机制的基础上.

关键词：湖泊沉积物； 盐类矿物； 反相关关系； 沉积过程

0 引言

湖泊沉积物中矿物组合是古气候环境研究的敏感性指标之一， 蕴含着丰富的区域和过去全球变化信息[1]. 不同矿物组合类型对流域环境、 生物演化、 风化-剥蚀速率及区域构造活动和不同时间尺度气候变化的响应[2-7]， 被广泛应用于古环境研究中. 湖泊沉积物所含矿物包括盐类矿物和碎屑矿物， 盐类矿物是碱金属、 碱土金属的卤化物， 硫酸盐、 碳酸盐、 重碳酸盐及少量硼酸盐、 硝酸盐等矿物的总称， 能够揭示湖区的降水、 湖水的盐度和温度等环境特征[8-10]. 例如， 碳酸盐类矿物是古环境重建研究的重要指标， Rhodes等[11]将沉积物中碳酸盐含量与部分矿物及有机地化指标相结合， 重建了Lake Manas晚更新世以来环境演变情况； Wei等[12]的研究证明了碳酸盐中氧同位素对夏季风的指示意义； 陈敬安等[13-14]通过对洱海、 程海湖泊沉积物的精细采样研究， 认为温度及其引起的相关变化控制了沉积物碳酸盐含量， 湖泊内生碳酸钙沉淀因子可视为气候冷暖变化的良好代用指标. 我国盐湖资源与生态环境备受关注[15]， 研究其他盐类矿物， 如钾盐、 硫酸盐、 硝酸盐等， 对完善我国盐湖成盐理论体系， 合理开发利用和保护盐湖资源与环境具有明显的理论意义和应用价值. 郑大中等[16]通过研究钾盐矿床的物质来源， 发现富钾热液是找寻钾盐矿床的重要指示； 郑喜玉[17]全面总结了乌尊布拉克湖特色盐类硝酸钾盐的形成环境、 物质成分和沉积特征， 其对硝酸钾盐的形成演化机理的探讨， 扩展了我国盐湖研究的新领域； 孙青等[18]研究了9个硫酸盐型盐湖表层(0～10 cm)沉积物中的长链烯酮， 发现咸水湖和盐湖中长链烯酮不饱和度与湖泊水体温度相关性较好， 可能会成为湖泊沉积物重建古温度的重要替代指标. 而石英、 长石等硅酸盐矿物及大多数黏土矿物， 化学稳定性较好， 不易风化， 是碎屑矿物的主要成分， 可以反映源区岩石类型、 风化剥蚀强度以及冰川、 风力作用的方式和强度等[19-25]， 在古气候研究中应用广泛. 其中， 黏土矿物的形成与转化受气候条件控制， 可揭示全球性环境演变特征和演变规律[26-30]. Mueller等[31]通过研究湖泊沉积物所含黏土矿物， 重建了Guatemala北部Lake Pete′n Itza距今85 000～200 a的湖面水位波动和古气候变化.

充分认识湖泊沉积物中各类矿物组合类型、 沉积过程， 对正确解释矿物学指标显得至关重要. 我国拥有大量晚第四纪湖泊沉积记录， 盐类矿物与碎屑矿物在这些记录中广泛存在. 众多湖泊沉积矿物组合研究结果， 如西北干旱区的巴里坤湖[32]、 博斯腾湖[33]、 艾丁湖[34]、 呼伦湖[35]、 岱海[36]、 猪野泽[37]、 吉兰泰盐湖和查哈诺尔湖盆[38-39]， 以及部分青藏高原高寒区湖泊记录， 如松西错[40]、 茶卡盐湖[41]等， 均显示在碎屑矿物含量增加的层位， 盐类矿物， 尤其是碳酸盐矿物均呈明显低值， 能看出盐类矿物与碎屑矿物存在的反相关关系. 如何从地球科学的角度正确理解这种关系， 关系到湖泊沉积物中矿物组成作为气候指标的解释和应用.

猪野泽是我国西北干旱区古环境研究的热点地区， 自20世纪60年代以来， 已有很多研究在该区域开展[37,42-46]. 本研究小组之前在本地区的研究中， 也发现了盐类矿物与碎屑矿物的反相关关系， 认为不同水动力条件下沉积过程的差异可能是造成这种现象的原因， 但并未进行定量分析和讨论. 因此， 本文选择猪野泽QTH01、 QTH02、 XQ、 SKJ和JTL等5个全新世剖面， 进行XRD矿物组成分析， 研究猪野泽盐类矿物与碎屑矿物含量变化， 同时进行粒度数据分析， 明确不同水动力条件下盐类矿物与碎屑矿物的沉积模式. 在此基础上， 对比盐类矿物含量变化与粒度参数间的关系， 尝试从沉积学的角度解释盐类矿物与碎屑矿物反相关关系， 为湖泊动力学以及古气候环境定量研究提供重要的科学依据.

1 研究区概况

石羊河流域是河西干旱荒漠区三大内陆流域之一， 位于河西走廊东部， 地理位置介于 100°57′～104°57′ E、 37°02′～39°17′ N之间， 处于我国西北内陆干旱区与东部季风区的交汇过渡地带[47]， 现代气候受到亚洲季风与西风带气流的共同影响[48-49]. 石羊河发源于海拔5 000 m以上的祁连山， 全长300余公里， 流域面积41.6×103 km2. 地势南高北低， 自西南向东北倾斜[50]， 地层发育比较完整， 从古生界到新生界均有出露. 地层区划属祁连山河西走廊-六盘山分区， 可大致分为三个地形区： 南部为祁连山地， 主要为石羊河流域上游海拔1 700 m以上的地区， 包括海拔2 500～4 000 m以上的祁连山山区， 以及海拔1 700～2 400 m的祁连山北坡山前地带、 低山丘陵、 黄土丘陵山间盆地； 中部为武威盆地， 海拔在1 350～2 100 m之间， 除盆地边缘为中低山外， 其余大部为洪积平原、 戈壁沙漠和冲积湖积平原等地貌景观； 下游为民勤盆地， 海拔在1 200～1 400 m之间， 处于巴丹吉林沙漠与腾格里沙漠交汇地带， 区内有冲积平原、 湖沼平原和低山丘陵、 沙漠等地形[51].

猪野泽是石羊河下游终端湖(图1)， 位于祁连山山前构造断陷盆地——民勤盆地， 属夏季风尾闾与西风带的交界区， 对环境变化非常敏感[52]. 民勤盆地存在大量第四纪松散沉积物， 最厚可达300～400 m， 地层中风成、 湖相和冲积相沉积物相互交错[53-54]. 猪野泽湖盆在历史时期曾形成统一大湖， 但由于气候变化和石羊河中游农业的发展[37]， 退缩成许多干小湖盆[42-43]. 目前， 除在猪野泽湖盆东北部的白碱湖尚有少量积水外， 其余湖盆全部干涸[55].

2 剖面、 材料及方法

本文选择猪野泽QTH01、 QTH02、 XQ、 SKJ和JTL等5个全新世剖面， 进行粒度和XRD矿物组成研究. 各剖面基本信息见表1， 猪野泽湖盆位置、 地形及各剖面所处位置见图1， 5个剖面沉积物岩性变化情况见图2.

表2显示了本研究中5个剖面的全样有机质、 孢粉浓缩物和软体动物壳体的AMS 14C和常规14C年代结果[46,56-57]. QTH01剖面的全样有机质、 全样无机质和软体动物壳体的年代具有较好的一致性； QTH02 剖面的年代来自于3个软体动物壳体和3个孢粉浓缩物； XQ剖面孢粉浓缩物与全样有机质的年代趋势类似， 但年代结果倒置现象严重， 情况较为复杂； SKJ剖面14C年代来源于2个全样有机质和1个孢粉浓缩物； JTL剖面4个全样有机质年代有轻微倒置， 同时在最上部全样有机质年代位置拥有1个孢粉浓缩物测年结果. 以上剖面除XQ剖面砂层下部的孢粉浓缩物年代比全样有机质年轻1 158 a外， 其余结果均老于同层位全样有机质年代. 具体年代学分析讨论， 请参考本研究小组其他工作[58].

粒度数据的测定使用Mastersize 2000激光粒度仪， 该仪器测量范围为0.02～2 000 μm， 重复测量误差小于2%. 实验结果经仪器配套软件分析， 可直接导出每个样品各粒级百分含量、 频率曲线、 累计曲线及平均粒径(mean)、 中值粒径(median)、 众数粒径(mode)等参数. 实验步骤如下： 1) 取0.2～0.4 g样品加入足量10%双氧水(H2O2)， 加热至沸腾； 2) 加入足量10%稀盐酸(HCl)， 加热至沸腾， 充分反应后静置12 h； 3) 去除上层清液， 加入10 mL 浓度为0.05 mol·L-1的六偏磷酸钠((NaPO3)6)， 摇匀后超声波振荡清洗10 min； 4) 将振荡后形成的高分散颗粒悬浮液用激光粒度仪进行粒度测量.

矿物种类及相对百分含量测定使用X射线衍射方法. 样品经玛瑙研钵研磨至100目左右， 使用荷兰帕纳科公司的X-pert Pro型粉晶X射线衍射检测. 该仪器X射线发生器最大输出功率为3 kW， 陶瓷X光管最大功率为2.2 kW(Cu靶)， 测角仪半径为135～320 mm， 发散狭缝包括固定狭缝和索拉狭缝， 测定误差为±5%. 实验结果使用物相分析软件X′Pert High Score Plus处理， 最终确定矿物种类及相对百分含量.

3 结果分析

晚第四纪以来， 猪野泽地形、 地质条件改变较小， 本地区粒度的改变主要反映搬运营力、 搬运方式和沉积环境的变化[59]. 表征样品粒度分布特征的粒度参数主要包括平均粒径(mean)、 中值粒径(median)、 众数粒径(mode)、 黏土(clay)、 粉砂(silt)和砂(sand)等. 平均粒径表示沉积物颗粒的粗细， 以其为基础的剖面粒度韵律曲线是研究沉积韵律的基础； 中值粒径反映沉积物粒度组成的等分状况； 众数粒径指示粒度组成中含量最高的粒级； 黏土是沉积物中粒径4 μm以下的细粒物质， 指示径流减弱后的稳定静水沉积环境； 粉砂(4～63 μm)是湖泊和河流悬移质的主要成分， 其含量可被视为水动力条件变化的指标； 粒径>63 μm的砂则被认为是湖泊沉积退缩后， 较粗碎屑颗粒被风力或河流搬运带入浅水湖沼， 指示相对干旱的浅湖相沉积环境[60-63]. 为明确猪野泽各剖面水动力条件与沉积环境， 选取部分粒度参数进行沉积物粒度特征研究是必要的.

从图2可以看出， 猪野泽湖泊沉积物整体岩性特征以灰色粉砂为主， 同时含有棕色或黑色沉积层位. QTH01、 QTH02、 XQ、 SKJ和JTL等5个剖面顶层被厚度不一的晚全新世风成沉积物覆盖， 各剖面均有两个湖相沉积层位， 湖相层间出现的灰色或棕色砂层指示了湖泊水位和水动力条件的变化. 因此， 为便于分析并更好地总结规律， 根据岩性和湖泊沉积物粒度特征变化将QTH01、 QTH02、 SKJ、 JTL剖面分为5段(A、 B、 C、 D和E)， 其中， A、 C含砂量相对较高， B、 D为湖相沉积层， E则由顶层风成沉积物构成； XQ剖面分为4段(A、 B、 C和D)， 其中， A、 C为湖相沉积层. 分段结果和各段部分平均粒度参数见表3. 根据分段结果， 分别计算5剖面各分段1 000 μm以下不同粒径的平均百分含量， 并绘制粒度频率曲线(图3).

根据表3中各项粒度参数， 猪野泽各剖面岩性和粒度变化特征存在以下3个特点： 1)湖相层沉积物粉砂含量高于黏土和砂的含量， 其余层位砂占绝大多数， 同时， 湖相沉积层平均粒径、 中值粒径、 众数粒径的值明显低于其他层位. 如QTH02剖面， 湖相沉积层B、 D段， 平均粉砂含量分别达到41.63%和51.08%， 但在A、 C段， 砂的含量占到了99.24%和84.72%； 同时， B、 D段平均粒径(94.3 μm、 81.6 μm)、 中值粒径为(65.4 μm、 43.1 μm)和众数粒径(97.1 μm、 90.3 μm)的值相对较低， 而A、 C段此类指标的值均大于200 μm和120 μm； 2)较早湖相层(D、 C段)沉积物细粒物质含量高于较晚湖相层(B、 A段). 以中值粒径为例， QTH01剖面B、 D段平均中值粒径分别为71.9 μm 和37.0 μm； QTH02剖面B、 D段则为65.4 μm和43.1 μm； XQ剖面A段平均中值粒径为65.4 μm， 高于C段的20.6 μm； SKJ、 JTL剖面B、 D段平均中值粒径也呈现了相同规律(108.1 μm、 86.9 μm； 64.0 μm、 43.6 μm)； 3)猪野泽不同位置剖面粒度分布特征不同. 湖盆东侧SKJ、 JTL剖面砂占绝大多数， 西侧QTH01、 QTH02和XQ剖面粉砂含量相对较多. 同时， 相对于SKJ和JTL剖面， QTH01、 QTH02和XQ剖面的沉积物粒径更细， 分选更好， 这种沉积物粒度分布的不均一， 说明湖泊不同位置沉积环境存在差异. 就湖相沉积层而言， SKJ、 JTL剖面B、 D段平均粒径分布为 123.59 μm、 98.81 μm 和 115.35 μm、 124.72 μm； 而湖盆西侧QTH01剖面B、 D段平均粒径为135.45 μm 和73.03 μm， QTH02剖面达到 94.33 μm和81.62 μm， XQ剖面A、 C段则为84.04 μm和53.37 μm， 均小于湖盆东侧SKJ、 JTL剖面. 而QTH01剖面B段平均粒径出现的相对高值， 是由于个别样品(518 cm和577 cm)平均粒径异常地大于500 μm所造成的.

表3 QTH01、 QTH02、 XQ、 SKJ和JTL剖面的分段结果， 各段部分粒度参数，及主要碎屑矿物、 盐类矿物和碳酸盐百分含量平均值

Table 3 The subsection results and average values of granularity parameters (such as mean, median and mode′s grain sizes,percentage compositions of sand, silt and clay, some kinds of detrital minerals and saline minerals,and carbonate contents) in the subsections of Sections QTH01, QTH02, XQ, SKJ and JTL

续表3

同时， 对比5剖面各段粒度频率分布曲线(图3)， 发现在湖相沉积层峰值均在200 μm以下， 曲线变化特征与其他层位有明显差异. QTH01剖面B、 D段粒径变化曲线在0.05 μm以前和1 μm、 40 μm、 300 μm处有交点， D段曲线在0.05～1 μm、 1～40 μm 区间高于B段曲线， B段曲线在40～300 μm 及300 μm以后高于D段曲线， 表明D段含有更多细粒沉积物； B、 D段平均中值粒径分别为135.45 μm和73.03 μm. QTH02剖面B、 D段曲线在60 μm处交叉， B段在>60 μm的区间拥有绝对高值， <60 μm的区间沉积物粒径百分含量低于D段， B、 D段平均中值粒径分别为94.33 μm和81.62 μm； XQ剖面A段在0.3～6 μm、 80～1 000 μm 含量相对较高， 平均中值粒径为84.04 μm， C段在6～80 μm高于A段， 平均中值粒径为53.37 μm. SKJ剖面B、 D段曲线变化特征相近， 均在170 μm左右拥有绝对高值， 13 μm处有一小峰， 平均中值粒径分别为123.59 μm和98.81 μm， 但在>100 μm区间， B段含量高于D段， D段粒径100 μm以下沉积物含量则相对较高. JTL剖面B、 D段均呈现“双峰”结构， 峰值分别出现在13 μm、 170 μm附近， 平均中值粒径分别为115.35 μm和124.72 μm， <10 μm的区间两段含量相近， D段沉积物在60～300 μm间含量高于B段， 其余区间B段占优. 综上所述， 各剖面较早湖相层(D、 C段)沉积物细粒物质含量均高于较晚湖相层(B、 A段). 除湖相层外， 其他层位粒径变化特征相似， 均表现为在100～200 μm出现最大值， 在10～20 μm附近出现一个较小的峰值.

5个剖面的矿物成分分析结果显示， 碎屑矿物主要由石英(quartz)、 钠长石(albite)， 云母(muscovite)和斜绿泥石(clinochlore)组成， 并可见少量钙长石(anorthite)、 地开石(dickite)、 冰长石(adularia)等矿物； 盐类矿物中碳酸盐类矿物方解石(calcite)和文石(aragonite)占绝大多数， 其余盐类矿物如硫酸盐类、 硼酸盐类、 氯化物等， 仅在个别样品中零星存在， 且含量均在5%以下. 所以， 猪野泽地区盐类矿物含量变化应当与碳酸盐矿物含量变化一致， 可通过对比研究不同剖面碳酸盐含量变化， 探讨反相关关系的沉积学解释. 分析各剖面分段后盐类矿物与碎屑矿物含量变化， 发现其与岩性和粒度数据变化具有较好的一致性. QTH01剖面A段石英含量高达42.17%， C段石英、 钠长石、 云母含量分别为19.20%、 25.80%和23.80%， E段石英和云母含量分别达到28.45%和27.68%， 而在B、 D段单种碎屑矿物含量均低于20%， 但斜绿泥石在B段出现了相对高值6%， 同时方解石、 文石在此两段富集， 使碳酸盐含量达到26.5%和50.4%， 远高于其他层位. QTH02剖面碳酸盐类矿物以方解石和文石为主， 二者在各分段的含量变化并未呈现某种明显规律， 但碳酸盐含量依然在B、 D段含量最高， 为31%和52.1%. 主要的碎屑矿物中， 石英和钠长石在A、 C、 E段含量略高于其他分段， 云母反而在B段出现了最高值11.4%， 斜绿泥石在B、 D段也出现了相对高值. XQ剖面石英和钠长石含量在湖相沉积层A、 C段低于其他分段， 但云母和斜绿泥石含量却相对较高， 其中斜绿泥石在A、 C段含量更是达到了13.2%和8.25%， 远高于B、 D段的2.6%和0%. 同时， 方解石为主的碳酸盐类矿物在A、 C段含量(4.4%、 4.9%)明显高于B、 D段(1.2%、 3.0%). SKJ剖面B、 D段为湖相沉积， 仅石英的含量略低于其他分段， 但最少也达到23%， 钠长石在B段出现相对高值16.33%， 云母和斜绿泥石则在D段出现最高值28.25%和4.5%. 碳酸盐矿物以方解石为主， B段含量为14%， 高于D段(4.3%)和E段(3.0%)， A、 C段未检测出碳酸盐存在. JTL剖面中石英在B、 D段含量较低， 仅为6.33%和16.67%， 而其余分段均在30%左右. 与此同时， 同为碎屑矿物的云母和斜绿泥石在B、 D段含量却高于其余分段， 钠长石在B段出现最高值22.00%. 碳酸盐类矿物以方解石为主， 但文石在D段的大量富集， 使D段碳酸盐含量高达23.67%， B段碳酸盐含量仅为4.5%， 但仍然高于其他层位(≤3%). 综上所述， 猪野泽各剖面湖泊沉积物中， 盐类矿物与碎屑矿物总体上存在明显反相关关系. 湖相沉积层位碳酸盐含量高于其他层位， 且除SKJ剖面外， 其余剖面较早湖相层碳酸盐含量均高于较晚湖相层， 而所有的碳酸盐含量相对高值都对应了平均粒径、 中值粒径和众数粒径的相对低值.

4 讨论

湖泊沉积物的搬运方式和沉积过程构成了湖泊沉积过程的主要内容. 搬运方式一定、 搬运动力大小稳定时， 沉积物粒度总体为单因子控制的单组分分布[61]. 但在自然界中， 搬运方式和动力类型较为多样， 沉积物中单个组分可能是不同动力下搬运方式共同作用的结果. 在一般的尘暴事件中， 砂和粉砂级粗粒跃移组分(70～500 μm)只能上升到近地表的几厘米到几米的高度， 并在水平方向上跃移同样量级的距离， 并就近形成风成砂沉积[60]； 在封闭湖泊中， 强降水事件也可能导致跃移组分的沉积[64]. 入湖径流携带的悬移组分， 尤其是其中的粉砂(4～63 μm)， 反映了径流量、 流体厚度和流速， 是构成湖相沉积的主要组分[61]. 风力作用也可搬运黄土中平均粒径为20～70 μm的粉砂组分进行近地面短距离悬移， 在1 000 km内快速沉积[65]. 由此可见， 粒度特征相同的湖泊沉积物因搬运方式和动力的复杂性， 其代表的环境意义可能存在差异.

已有的湖泊沉积学研究表明， 湖水能量是控制沉积物粒度分布的重要因素[66]， 但在不同时间尺度下， 湖泊沉积物粒度变化的因素不同. 在长时间尺度、 低分辨率研究中， 细粒和粗粒沉积物分别代表了湖面的扩张和收缩； 而在短时间尺度、 高分辨率研究中， 湖泊沉积物粒度反映了降水量的大小， 年际尺度干旱、 湿润变化等信息[67]. 在本研究的千年尺度下， 细粒和粗粒沉积物分别代表了湖水物理能量降低和增强的阶段[68]. 理想沉积模式中， 从湖岸到湖心水动力条件由强变弱， 沉积物的粒度特征通过其大小反映了水动力条件[69]. 当水动力条件增强时， 湖岸碎屑物较容易到达沉积中心点， 沉积物颗粒较粗； 反之， 当水动力条件减弱， 湖岸碎屑物难以全部到达沉积中心， 使得沉积物以细粒为主. Sun等[61]通过对水成、 风成环境下沉积物粒度特征函数分析及组分分离， 发现河流沉积物粒度分布特征由悬移组分和跃移组分组成， 封闭湖中的沉积物主要为径流搬运的悬移组分， 它的粒度反映了降水特征， 所以， 水成沉积物中跃移组分的出现代表了强降水频数的增加. 而风成沉积物中的黏土级组分主要由西风带搬运的粉尘物质组成， 在一定程度上指示了西风环流的强度. 在湖泊不同位置， 水动力条件的不同使粒度特征存在差异. 在理想沉积条件下， 湖岸到湖心水动力条件逐渐减弱， 湖泊沉积物以环带状， 按照砾-砂-粉砂-黏土的规律向湖心过渡， 因此， 湖心的沉积物粒度值的变化应大致反映出水动力搬运条件强弱的变化[70]. 所以， 应当在明确沉积物运移过程和沉积过程动力机制的基础上探讨其气候意义.

我国大量晚第四纪湖泊沉积记录中盐类矿物与碎屑矿物反相关关系的存在[33,36-37,40]， 在猪野泽地区5个剖面中均有表现. 而猪野泽地区粒度和矿物组成研究结果、 盐类矿物与碎屑矿物的含量变化， 均与岩性和粒度数据变化相关. 不同动力条件下沉积机制的差异可能控制了盐类矿物与碎屑矿物间反相关关系的形成. 通过对5个剖面湖相沉积层粒度与碳酸盐含量进行对比研究， 发现粒径在200 μm以下粉砂和极细砂为主的湖相沉积物中， 即相对稳定的深水环境下[63]， 碳酸盐为主的盐类矿物富集， 碎屑矿物相对较少.

根据前文所述， 猪野泽湖相沉积物主要以粉砂和极细砂为主， 这一粒径区间的沉积物同时也是湖相沉积中悬移组分的主要组分. 中国干旱区湖泊的扩张往往伴随着流域性的强降水[37,71]， 径流携带的全流域表层碳酸盐在终端湖汇集， 使猪野泽成为石羊河流域的“碳汇”. 同时， 受东亚冬季风环流影响[72-73]， 猪野泽附近黄土或古土壤中平均粒径20～70 μm的粉砂组分也可能受风力作用被就近搬运到此处沉积. 但风力搬运沉积的悬移组分应当远少于径流携带， 否则应当有更多粗粒的跃移组分存在[60]. 除湖泊沉积层外， 猪野泽各剖面其他层位以砂层为主. 根据猪野泽周边巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠沉积物粒度特征研究[74]， 两沙漠地表沉积物的颗粒组成均以中沙(250～500 μm)和细沙(125～250 μm)为主， 在风力搬运作用下可就近沉积[60]. 虽然强降水事件也可能导致跃移组分的沉积， 但这与猪野泽各剖面中砂层代表的干旱环境不符. 因此， 猪野泽湖相沉积层中的高碳酸盐含量主要来自于流水搬运， 而风力作用对砂层的形成贡献较大.

由于湖盆内部不同位置水动力条件并不一致， 猪野泽各剖面碳酸盐含量存在差异. QTH01和QTH02剖面位于靠近河口的西侧湖盆， 且处于猪野泽中心位置， 沉积环境稳定； XQ剖面距入湖口较近， 水动力条件相对较强， 以碳酸盐为主的盐类矿物难以在此稳定沉积， 较重的碎屑矿物却可以在此处沉积. 据岩性对比， SKJ、 JTL剖面湖相沉积厚度和时段均不及西侧湖盆， 可以推断， 在气候相对干旱时猪野泽可能由若干个水位不同的小湖泊组成， 加之东侧湖盆的SKJ、 JTL剖面远离河口， 且中间有沙梁阻隔， 入湖径流对其影响有限， 较易被搬运的盐类矿物也难以到达此处. 因此， QTH01和QTH02剖面碳酸盐含量明显高于XQ、 SKJ、 JTL等其他剖面.

在相同剖面的不同沉积阶段， 水动力条件也存在差异， 影响了湖相层中盐类矿物含量变化[75]. QTH01和QTH02剖面湖相层不同粒径平均百分含量变化情况相似， B段在100 μm处拥有绝对高值， 但D段沉积物在1～60 μm粒径区间所占比重明显高于B段. 同时， QTH01和QTH02剖面B段平均碳酸盐含量分别达到26.5%和16.4%， 均明显低于D段的50.35%和48.14%. XQ剖面A段平均碳酸盐含量为4.4%、 C段为4.88%， 而C段沉积物在200 μm以下粒径区间所占比重略高于A段. C段细粒物质多于A段， 表明其水动力条件较弱， 入湖径流搬运能力不足， 碎屑矿物难以到达， 却有利于盐类矿物沉积. 同时， 水分输入减少， 蒸发析出的碳酸盐增多， 所以碳酸盐矿物为主的盐类矿物在沉积物粒径更小、 水动力条件更弱、 沉积环境更为稳定的D段和C段能更好地富集.

不同的是， SKJ、 JTL剖面B、 D段不同粒径平均百分含量变化情况无明显差异， 且均在13 μm、 170 μm出现峰值， 但碳酸盐含量与平均粒径的关系却呈现出粗粒径对应高盐类矿物含量的现象. SKJ剖面在170 μm出现最高值， B段略大于D段， 13 μm处为一小峰， D段略大于B段； B段碳酸盐含量(14%)大于D段(4.25%). 而JTL剖面170 μm 处峰值略低于13 μm处， B段在13 μm处小于D段， 在170 μm处大于D段， 平均碳酸盐含量则为D段(26%)大于B段(4.5%). 这可能是由于SKJ、 JTL剖面远离河口， 受局地环境条件影响所致. SKJ剖面位于湖盆中心， 当气候相对干旱时， 植被退化， 风力将周围粒径相对较大的砂粒吹入湖中沉积， 使沉积物平均粒径增大， 这也使得SKJ剖面不同粒径下平均百分含量变化趋势呈现出湖相沉积层与其他层位沉积物相近. 同时， 强烈的蒸发使碳酸盐含量升高. JTL剖面位于猪野泽东北部岸堤， 沉积环境受降水和岸边流影响较大， 其碳酸盐来源主要是降水在地表汇流时携带以及来自岸边流冲刷河岸搬运的碳酸盐. SKJ、 JTL剖面虽然沉积模式不同， 但都在向湖中汇聚更多碳酸盐的同时也将大量较粗的碎屑颗粒一同带入， 使沉积物平均粒径增大， 表现为盐类矿物含量在较粗粒径沉积物中反而更高.

5 结论

本文在明确湖泊沉积物来源、 搬运方式和沉积动力机制的基础上， 对比研究了猪野泽湖盆不同位置5个剖面湖相沉积层沉积物中粒度参数与碳酸盐矿物含量之间的关系， 发现猪野泽湖相沉积层中高含量的碳酸盐主要来自于流水搬运， 盐类矿物与碎屑矿物的反相关关系受水动力条件控制. 各剖面湖相沉积层位200 μm以下的粉砂和极细砂是以碳酸盐为主的盐类矿物的主要富集区， 但不同位置剖面间存在差异. 沉积环境稳定的QTH01和QTH02剖面碳酸盐类矿物含量明显较高， 在水动力条件过强的XQ剖面和距入湖口过远的SKJ、 JTL剖面含量相对较低. QTH01、 QTH02和XQ剖面沉积环境主要由入湖径流主导， 湖泊沉积物中碳酸盐含量高值对应较低的平均粒径. 在相同剖面的不同沉积阶段， 水动力条件同样影响了湖相层中碳酸盐含量变化， 使碳酸盐为主的盐类矿物在沉积物粒径更小、 水动力条件更弱、 沉积环境更为稳定的D段和C段能更好地富集. 而受局地环境影响较大的SKJ、 JTL剖面， 湖相沉积层呈现粗粒径对应高碳酸盐值的现象.

总之， 干旱区湖泊沉积物中盐类矿物含量与其沉积过程密切相关， 盐类矿物在全球变化研究中的应用要建立在充分研究其沉积动力机制的基础上.

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A sedimentological interpretation of the inverse correlation between saline mineral and detritals mineral in the Late Quaternary lake sediments

ZHANG Chengqi， LI Yu， ZHOU Xuehua， WANG Yue

(College of Earth and Environmental Science / Center for Hydrologic Cycle and Water Resources in Arid Region，Lanzhou University， Lanzhou 730000， China)

Abstract：Mineral assemblages in lake sediments are sensitive indicators of palaeoclimates, whose types anddeposit processes have important significances to interpretations of mineralogical proxies.The ubiquitous inverse correlation between saline minerals and detrital minerals in the Late Quaternary lake sediments has disturbed the interpretation and application of mineral assemblages as a paleoclimate proxy. A correct understanding of the relationship from the perspective of earth sciences can provide important scientific basis for hydrodynamics of lake and quantitative research of palaeoclimate. In this paper,five sections from different positions of Zhuye Lake (Sections QTH01, QTH02, XQ, SKJ and JTL) were chosen to conduct a comparative study on saline mineral contents and grain sizes in order to make clear the sedimentary models of saline minerals and detrital mineralsunder different hydrodynamic conditions. The results revealed that in the aeolian layers, sediments above 200 μm mainly are aeolian sands from the Badain Jaran Desert and the Tengger Desert. In lake sediments, wind force slightly contributes to the deposition of silt between 20 μm and 70 μm, but silt and sand under 200 μm are dominated by hydrodynamic effect, and carbonate mineral enriches in this grain size interval. Meanwhile, sedimentary processes of saline mineral show different patterns under different sedimentary conditions. Sedimentary environment at Sections QTH01 and QTH02 was stationary, and carbonate content was significantly high; Section XQ had strong hydrodynamic condition. At the same time, Sections SKJ and JTL were far away from the estuary, and carbonate content was relatively low. Sedimentary environment at Sections QTH01, QTH02 and XQ were dominated by runoff, where there was high value of carbonate content in the lake sediments corresponding to a finer average grain size; Sections SKJ and JTL were influenced by local environment, so the high value of carbonate content was corresponding to coarse particles. Above all, saline mineral contents in lake sediments of arid areas were closely related to the sedimentary process; therefore, the application of the saline minerals in global change research should be established on the basis of the full study of the sedimentary dynamic mechanism.

Key words：lake sediments； saline mineral； inverse correlation； deposition processes

doi：10.7522/j.issn.1000-0240.2015.0010

收稿日期：2014-08-17;

修订日期：2014-12-27

基金项目：国家自然科学基金项目(41371009)； 兰州大学“中央高校基本科研业务费专项资金”项目(LZUJBK-2013-127)资助

作者简介：张成琦(1990-)， 男， 2012年毕业于兰州大学， 现为兰州大学在读博士研究生， 主要从事古湖泊演化与古气候研究.

E-mail: zhangchq08@lzu.edu.cn

中图分类号：P642.14

文献标志码：A

文章编号：1000-0240(2015)01-0095-14

Zhang Chengqi， Li Yu， Zhou Xuehua， et al. A sedimentological interpretation of the inverse correlation between saline mineral and detritals mineral in the Late Quaternary lake sediments[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2015， 37(1)： 95-108. [张成琦， 李育， 周雪花， 等. 晚第四纪湖泊沉积物盐类与碎屑矿物反相关关系的沉积学解释[J]. 冰川冻土， 2015， 37(1)： 95-108.]

*通讯作者： 李育， E-mail: liyu@lzu.edu.cn.