【类型】期刊

【作者】刘文浩，张凡，张复，王永达，范育新（兰州大学地质科学与矿产资源学院；兰州大学甘肃省西部矿产资源重点实验室；兰州大学西部环境教育部重点实验室）

【作者单位】兰州大学地质科学与矿产资源学院；兰州大学甘肃省西部矿产资源重点实验室；兰州大学西部环境教育部重点实验室

【刊名】中国沙漠

【关键词】 湖相地层；腾格里古大湖；晚第四纪；民勤盆地；GIS

【资助项】国家自然科学基金项目(41371033,41172163)；新世纪优秀人才支持计划项目(ncet-12-0251)；中央高校基本科研业务费项目(lzujbky-2013-k17)

【ISSN号】1000-694X

【页码】P145-151

【年份】2019

【期号】第1期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】民勤盆地位于石羊河下游,现今大面积地区已被风沙覆盖。前人的研究报道了在民勤盆地的东部曾经发育过一个面积巨大的“腾格里古大湖”,然而尚不明确民勤盆地是否也曾被湖水覆盖。为此,本文收集整理了民勤盆地中8个水文地质钻孔的地层资料,利用GIS技术重现了研究区地表以下50m深度内的湖相地层的空间分布特征。分析发现,在盆地的不同地区普遍发育了2~3层深湖亚相地层,部分地区甚至多达4层,各湖相层厚度介于0.5~32m。区域地层对比结果显示,在某个时段研究区大范围地区普遍发育了深水湖泊,而其他时段则在不同地区零星发育了小湖泊。结合研究区已有的测年资料,本文认为在晚第四纪某个时段(倒数第二层深湖亚相发育阶段),整个研究区内曾经存在一个规模较大的连通湖泊;但民勤盆地晚第四纪不同阶段深湖亚相地层差异明显的空间分布特征,可能反映了湖盆沉积中心自东向西、再向北东的迁移过程。

【全文】 文献传递

民勤盆地东北部晚第四纪深湖亚相地层空间分布及其环境意义

刘文浩ab, 张 凡ab, 张 复ab, 王永达ab, 范育新abc

(兰州大学 a.地质科学与矿产资源学院, b.甘肃省西部矿产资源重点实验室, c.西部环境教育部重点实验室, 甘肃 兰州 730000)

摘要：民勤盆地位于石羊河下游,现今大面积地区已被风沙覆盖。前人的研究报道了在民勤盆地的东部曾经发育过一个面积巨大的“腾格里古大湖”,然而尚不明确民勤盆地是否也曾被湖水覆盖。为此,本文收集整理了民勤盆地中8个水文地质钻孔的地层资料,利用GIS技术重现了研究区地表以下50 m深度内的湖相地层的空间分布特征。分析发现,在盆地的不同地区普遍发育了2～3层深湖亚相地层,部分地区甚至多达4层,各湖相层厚度介于0.5～32 m。区域地层对比结果显示,在某个时段研究区大范围地区普遍发育了深水湖泊,而其他时段则在不同地区零星发育了小湖泊。结合研究区已有的测年资料,本文认为在晚第四纪某个时段(倒数第二层深湖亚相发育阶段),整个研究区内曾经存在一个规模较大的连通湖泊;但民勤盆地晚第四纪不同阶段深湖亚相地层差异明显的空间分布特征,可能反映了湖盆沉积中心自东向西、再向北东的迁移过程。

关键词：湖相地层; 腾格里古大湖; 晚第四纪; 民勤盆地; GIS

1 引言

民勤盆地属祁连山山前断陷盆地,在地理上处于现代亚洲夏季风的西部边缘。据民勤史料记载,在20世纪50年代,位于盆地北部的青土湖地区尚有约100 km2的水域面积,但现今民勤盆地的大面积地区已经被沙漠覆盖。前人研究发现,发源于祁连山的石羊河经武威冲积平原流入民勤盆地,在自然条件下形成了一个终闾湖泊[1-2]。在西汉初年(公元前206年,距今约2.2 ka),这个终闾湖的总面积约4 000 km2 [1-3]。20世纪90年代的科学考察发现,在42～18 ka BP(未校正14C年代)前后该地区发育了一个面积多达16 200 km2的湖泊,将其称为“腾格里古大湖”[4-8]。最近,有研究根据腾格里古大湖期形成的湖岸下伏地层的测年结果将“腾格里古大湖”高湖面的时间提前到了98～74 ka(MIS 5a)[9]。尽管对腾格里大湖期的确切时间存在不同观点,但这些研究普遍承认晚第四纪发育了一个覆盖白碱湖地区的古大湖。既然如此,面积巨大的“腾格里古大湖”是否曾漫及位于白碱湖地区以西的民勤盆地呢？民勤盆地内是否存在能够支持曾发育过“腾格里古大湖”的地层证据？为了探究这些问题,本文以民勤盆地东北部地区为研究对象,收集了8个水文地质钻孔资料,在假定后期构造运动、剥蚀和再沉积作用影响微弱的前提下,利用GIS技术对钻孔中的深湖亚相地层进行了空间分析,以期通过深湖亚相地层的空间分布特征分析民勤盆地东北部晚第四纪古湖盆的演化。

2 数据与方法

2.1 数据

近年来,许多学者对民勤盆地东北部的野麻泽、青土湖、三角城地区、中渠乡、西渠镇、九驼樑、沙坑井等共约1 500 km2的地区进行了大范围考察研究,取得了大量的研究成果[4,11-15](图1)。分析这些研究成果可以发现,民勤盆地现代地表以下大部分地区均发育了厚度不等的深湖亚相沉积地层。但是这些研究工作大多集中在地表下深度约9 m的范围内,时间尺度也局限在全新世以来,无法满足古湖泊演化事件研究中对长时间尺度的要求,但根据其沉积速率推算,晚第四纪期间的沉积厚度不大于50 m。因此,本文仅对民勤盆地水文地质钻孔中约50 m深度内的地层数据(表1)进行分析。

注：剖面编号后面带*的为研究组新获得的钻孔,带**引自文献[4],其余为民勤地区水文地质钻孔内部资料。

由于本文旨在研究研究区湖泊的演化情况,尤其分析湖盆中心位置的变化,因此,选取了钻孔地层中能够指示湖盆中心区域位置的深湖亚相地层作为研究对象。前人研究发现[18],深湖亚相地层常形成于大湖湖盆中心深水区(水深20～30 m),处于波浪基面以下,故处于缺氧的静水环境,在该环境往往形成深灰、灰绿或者黑色的黏土或者淤泥或者盐类沉积。此外,在长期的静水深湖环境中还容易形成明显纹层[18]。本文参考地层描述中的颜色、粒度、质地及碳酸盐含量等特征对研究区水文地质钻孔中的地层进行了归并,将沉积地层简单的划分为深湖亚相地层和非深湖亚相地层,用以有效地模拟研究区深湖相地层展布情况(图2)。

从水文地质钻孔的地层描述(表1)及剖面柱状图(图2)可以发现,研究区大部分钻孔中都能见到2～3层以砂质黏土或黏土为代表的深湖亚相沉积,它们与上覆及下伏地层构成了比较完整的湖泊进退沉积旋回。

2.2 方法

尽管钻孔地层数据能够有效反映钻探点附近地层的真实情况,但单个钻孔的地层资料很难呈现整个研究区的某个地层的展布情况,传统的地层对比也难以形象地展示特定地层展布的空间差异。因此,本文试图通过GIS技术,获得整个研究区不同阶段深湖亚相地层分布情况,从而为分析研究区环境变化及湖泊沉积中心的变化提供依据。

本文利用GIS的数据库存储、三维模拟显示和数字化成图的优势,在GIS环境下对地层进行了插值模拟。首先,将钻孔地层资料中不同类别地层按照可视化需要的精度进行归并,界定不同地层顶底控制面。然后,在ArcCatalog中存储获得的地层顶底控制面的高程数据以及钻孔编号、经纬度坐标等属性信息,建立钻孔数据库。在ArcMap环境下对获得的高程数据进行空间插值,生成多层数字高程模型。插值方法选用了反距离权重插值法(IDW)。因为IDW法通过搜索用户自定义半径范围内的所有节点来计算栅格数据,节点随机,可以有效地估计本地的变化趋势,适用于地层的插值模拟[19]。由于本文钻孔点的分布范围和数量均有限,所以只能较好恢复参与插值的钻孔点所控制的边界内的地层(图1黄色线框)。最后,将插值结果转换为栅格,并对不同深度深湖亚相地层的顶底控制面进行差值计算,从而获得了这些地层在盆地内的展布情况(图3)。

3 结果与讨论

3.1 深湖亚相沉积地层的区域差异

综合钻孔剖面柱状图(图2)和深湖亚相地层的空间展布情况(图3)可以发现,民勤盆地东北部在地表以下50 m深度范围内,深湖亚相地层的发育具有明显的空间差异。从整个研究区看,深湖亚相地层在不同地区的层数不尽一致。通过剖面柱状图可以直观看到,盆地内大部分地区发育了2～3层深湖亚相地层,在青土湖、白碱湖地区甚至发育了4层深湖亚相地层,但收成乡地区却仅发育了1层深湖亚相地层。此外,深湖亚相地层在不同钻孔中的所处的深度也不完全一致。例如在收成乡一带,地表以下约40 m深度内为厚层冲洪积相砾石层而没有深湖亚相地层,在40～44 m保存了厚约4～5 m的深湖亚相地层。这可能与收城乡位于石羊河支流冲积扇之上的特定地理位置密切相关。

Fig.3 Distribution of deep lake lacustrine sediments in the northeastern Minqin Basin during the Late Quaternary.Figures A-D illustrate the distribution of deep lake lacustrine sediments layer downward from the surface

通过对晚第四纪以来民勤盆地东北部深湖亚相地层厚度的分布恢复,可以重建研究区内发育的4期古湖的沉积中心的迁移过程(图3)。自上而下依次可见：第一层深湖亚相地层指示的湖泊发育时期,即前人研究中提到的全新世以来[4,11-15],盆地内出现过2个较为明显的湖盆中心(青土湖和泉山镇),二者相距约50 km。位于这两个湖盆之间的红沙梁地区较浅(图3A)。该时段湖相层最大厚度约9 m,这一结果与前人[4,11-15]在民勤盆地研究中普遍发现的湖相层的厚度一致。整体来看,研究区在这个时期确实发育了两个小范围且相互连通的湖泊,但是青土湖地区的深湖亚相地层仅延伸到其东部白碱湖地区1 302 m高程左右。可见这一时期民勤盆地内的湖泊没有完全连通白碱湖地区古湖泊。

第二层深湖亚相地层厚度明显大于上部一层的厚度(图3B),部分地区厚达32 m。同时可以看到,这一期深湖亚相地层指示的古湖泊的分布范围远远大于第一层深湖亚相地层沉积时期的湖泊范围。深湖亚相层厚度呈现出西北部厚、东部较薄的格局。中部地区的收成乡—狼坡泉山一带以及白碱湖地区湖相层厚度相比更薄,部分地区甚至没有发育深湖亚相地层,这种特征指示在该时段内某些地区未被湖泊所覆盖。但从湖泊范围来说,盆地内部普遍存在厚度在10 m左右的湖相层,指示研究区存在一个规模较大的连通湖,且向东部白碱湖地区延伸的范围和深度远比第一层湖相层指示的湖泊大。

第三层湖相层的分布呈现出了与前两层完全不同的分布格局(图3C)。深湖亚相沉积地层的空间分布指示,整个研究区内仅在红沙梁地区存在一个湖盆中心,其范围远远小于其后两个湖泊发育阶段。此外,这一湖盆周围的泉山镇、狼坡泉山、收成乡、西渠镇等广大地区鲜有深湖亚相地层发育。而在东部的广大地区内,则普遍发育了约3～5 m的深湖亚相地层。深湖亚相地层的这种分布特征指示,虽然这一时期白碱湖地区古湖泊湖水漫及盆地内现今地表约1 320 m高程的地区,但是在民勤盆地东北部的湖泊与白碱湖区的湖泊却不连通。

第四层深湖亚相地层的分布与其后的三期深湖亚相地层的空间完全不同。该时段内,民勤盆地大部地区没有发育深湖亚相地层,整个研究区仅有的湖盆沉积中心位于现今的白碱湖地区及以东。钻孔B100的地层资料反映白碱湖地区的深湖亚相地层的厚度达约5.9 m。空间重建结果(图3D)显示,该时段的湖泊可能向西部的民勤盆地地区有所延伸,但范围和厚度均非常有限,湖水覆盖地区的现今地表最大高程也仅在1 310 m左右。

综上可见,研究区内这4层深湖亚相地层的空间分布范围存在很大差异,其所指示的古湖泊的湖盆中心与白碱湖地区古湖盆中心的连通状况也不尽相同。但是也可以看出,这两个地区古湖泊的演化有着非常紧密的关系。

3.2 民勤盆地东北部的古湖演化过程

为了分析前人提及的白碱湖高湖面事件[4-8]与民勤盆地东北部湖相层发育的关系,本文通过GIS方法对白碱湖地区分别高于现代湖面(海拔1 290 m)约20 m、25 m的高湖面阶段湖水的覆盖范围进行了模拟,结果显示,在高于现代湖面约25 m的高湖面阶段白碱湖的湖水曾经覆盖了民勤盆地的青土湖地区,而在高于现代湖面20 m高湖面时期湖水彻底退出了民勤盆地东北部地区(图1B)。结合上文讨论,本文认为民勤盆地东北部的古湖演化经历了湖盆中心的迁移过程。

在晚第四纪的较早时期(图3D),湖盆中心主要集中在白碱湖湖区,这里位于盆地东部地区,地势最低,来自河流及周围山脉冲沟的大量水源补给使该地区成为湖盆中心。随后(图3C),在白碱湖地区保持相对稳定水深的情况下,湖盆中心西移,在民勤盆地西部的红沙梁乡一带出现了一个湖盆中心。位于白碱湖和红砂梁之间的收成乡—青土湖一带成为盆内的分水岭,将东西两侧水体分开。之后,整个研究区被一个统一的湖泊覆盖(图3B),湖盆中心仍位于西部地区,但向海拔更低的西渠地区一带移动。全新世以来的这一期深湖相层指示(图3A),研究区湖盆中心再次发生了分离,在青土湖、泉山镇两个地区分别发育了湖盆中心,但是这个湖泊范围非常有限,并没有延伸至东部白碱湖地区。至今,民勤盆地东北部大部分地区已经少有湖泊存在。综上可见,早期湖盆中心在东部(图3D),中期在西部地区(图3C～B),到了全新世期间(图3A),湖盆中心又向北东方向迁移,并呈现出多沉积中心的特点。而这种变化过程很可能与盆地内石羊河河道变迁及河流三角洲的发育密切相关[2]。

前人基于盆地内水系的综合考察认为,随着民勤盆地内水系的长时间演化,石羊河(又名三岔河)成为供给民勤盆地北部大部地区的重要水源[1]。其中包括了东大河、新河、小西河、大西河共4条重要支流(图1A)。东大河(又名沙河)为主流,其他各支流则为季节性河流[1]。在晚第四纪以来,气候变得温暖干旱,又加之后期诸多人类活动影响,导致石羊河流域水源补给整体大幅减少,从而使得处于盆地下游的北部地区的古湖泊由于供水量减少而范围缩小,诸多小湖泊逐渐干涸。此外,来自东部腾格里沙漠地区的风沙入侵活动也有可能填埋了诸多较小河道,从而导致主河道的河床位置发生了变化。同一时段内,盆地西部的大西河却经常发生特大的洪水汇集事件[1],使得盆地西部地区水量增加,下游地区湖泊积水范围扩大,最终导致了民勤盆地东北部地区被湖水覆盖。因此,研究区上部地层所指示的3期古湖泊很可能是对这种持续的洪水事件及河流改道导致的盆地内局部聚水变化最直观的反映(图3A～C)。

4 初步结论

本文利用民勤盆地东北部8个水文地质钻孔的地层资料,通过GIS技术重现了该区晚第四纪时期深湖亚相沉积地层的空间分布及变化。分析发现,在晚第四纪某个时段(倒数第二层深湖亚相发育阶段),整个研究区内曾经存在一个规模较大的连通湖泊;民勤盆地晚第四纪不同阶段深湖亚相地层的发育具有明显的空间差异,可能反映了湖盆沉积中心自东向西、再向北东的迁移过程。湖盆中心的这种变化过程很可能与石羊河河道在盆地内的变迁、河流三角洲的发育密切相关。

致 谢：研究资料收集过程中得到了范天来博士、陈晓龙硕士的帮助。张虎才教授为本文的修改提供了很好的建议,论文修改中还得到了两位匿名审稿专家和编辑部老师的中肯建议。

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Spatial Distribution of the Late Quaternary Deep Lake Lacustrine Sediments in the Northeastern Minqin Basin, Gansu,China, and Its Environmental Significance

Liu Wenhaoab, Zhang Fanab, Zhang Fuab, Wang Yongdaab, Fan Yuxinabc

(a.School of Earth Sciences/b.Key Laboratory of Mineral Resources in Western China of Gansu Province/c.MOE Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems, Lanzhou University; Lanzhou 730000, China)

Abstract：Minqin Basin, a basin locating in the lower reaches of the Shiyang River, is now covered by sand desert in large area. A huge lake, Megalake Tengger, was evidenced existing to the east of Minqin Basin. However, it is still unclear whether the Minqin Basin was covered by the Megalake Tengger. Thereafter, the spatial distribution of deep lake lacustrine sediments was analyzed by using 50 m deep sedimentary sequence of 8 hydrogeological cores based on the GIS platform. 2-3 deep lake lacustrine units with thickness ranging between 0.5 m and 32 m were recovered from most area of the northeastern Minqin Basin, and up to 4 layers at some areas. The regional stratigraphic comparison supports that a deep lake once existed in the entire basin sometime and scattered lakes at the other time. Combing the dating results of previous researches, a unified huge lake covering the northeastern Minqin Basin was supported sometime during the Late Quaternary, corresponding to the penultimate deep lake lacustrine sedimentary unit (or the 1 315 m altitude shoreline). However, the big difference among spatial distribution of deep lake lacustrine sediments at different stages likely resulted from transition westward and subsequently northward of the sedimentary center during the Late Quaternary.

Key words：lacustrine sediments; Megalake Tengger; Late Quaternary; Minqin Basin; GIS

doi：10.7522/j.issn.1000-694X.2014.00176.

收稿日期：2014-09-18; 改回日期:2014-11-04

资助项目：国家自然科学基金项目(41371033,41172163);新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-12-0251);中央高校基本科研业务费项目(lzujbky-2013-k17)

作者简介：刘文浩(1989—),男,甘肃天水人,硕士研究生,研究方向为3S在干旱-半干旱区的应用。Email: liuwh12@lzu.edu.cn

通讯作者：范育新(Email: yxfan@lzu.edu.cn)

文章编号：1000-694X(2015)01-0145-07 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2014.00176

中图分类号：P531

文献标志码：A

刘文浩,张凡,张复,等.民勤盆地东北部晚第四纪深湖亚相地层空间分布及其环境意义[J].中国沙漠,2015,35(1):0145-0151.[Liu Wenhao,Zhang Fan,Zhang Fu,et al.Spatial distribution of the late quaternary deep lake lacustrine sediments in the northeastern Minqin Basin, Gansu, China and its environmental significance[J].Journal of Desert Research,2015,35(1):0145-0151.].