青海湖近千年来气候环境变化的湖泊沉积记录3沈　吉　张恩楼　夏威岚(中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊沉积与环境开放研究实验室,南京　210008)摘要 本文根据青海湖沉积岩芯(QH00A )碳酸盐含量、T OC 和Rb ΠSr 等环境指标的综合分析,探讨了该地区近千年来的气候变化过程和化学风化史。

结果表明:青海湖地区近千年来经历了5次冷湿期和5次暖干期,气候组合类型为冷湿与暖干交替。

中世纪暖期、小冰期以及20世纪以来的升温在该沉积岩芯中得到良好的记录。

沉积岩芯Rb ΠSr 较好地记录了湖泊流域化学风化的历史,并揭示流域化学风化的主要控制因素为气温变化。

主题词 气候变化　湖泊沉积记录　青海湖位于青藏高原东北隅的青海湖是我国内陆最大的高原湖泊。

该湖泊地处西南、东南季风和西风交汇带,对气候变化的响应极为敏感,是古气候环境研究的理想地区。

百余年来国内外不少学者涉足该区,对其自然地理、气象、地质及水文地质等进行了多方面的考察和研究[1～8],然而近千年来高分辨的湖芯研究相对薄弱。

本文通过对青海湖沉积柱样多环境指标的高分辨分析,重建了该地区近千年来气候变化过程,对比邻区树轮和冰芯记录,探讨了该地区历史时期的气候环境特点。

1　样品采集与实验方法2000年7月在青海湖东南部(36°36′11.2″N ,100°30′28.8″E )水深22.3m 处采得120cm 和810cm 长两支沉积岩芯,以1cm 间隔切割岩芯,本文主要对短岩芯(QH00A ,120cm )开展研究。

整支岩芯岩性变化不大,为灰黑色粉砂质粘土。

沉积岩芯放射性年代测定采用210Pb 和137Cs ,210Pb 和137Cs 的放射性比度用γ谱系统对样品进行无损坏直接测定,γ谱分析系统仪器为美国EG &G 公司的高纯锗井型探测器(Ortec HPG e G W L )与Ortec 919型谱控制器构成的16K 多道分析器。

有机碳含量分析采用美国Leeman 公司产CE440型元素分析仪,样品先用稀盐酸去除无机碳酸盐,低温(40℃)烘干后装入铝囊,外加镍套后送入自动进样器进行分析。

Rb 、Sr 含量分析采用VP -320型(日)X -荧光分析仪;碳酸盐含量分析采用化学滴定法,误差小于0.5%。

　第一作者简介:沈　吉　男　38岁　研究员　湖泊沉积专业　E 2mail :jishen @3国家自然科学基金(批准号:40072056)和国家重点基础研究发展规划项目(批准号:G 1998040810)资助　2001-07-29收稿,2001-08-23收修改稿第21卷　第6期2001年11月 第　四　纪　研　究QUATERNARY SCIENCES Vol .21,No .6November ,20012　实验结果及讨论2.1　沉积年代根据137Cs 垂直剖面峰值的时标和210Pb 测定的沉积速率,确立了该孔的年代序列(图1)。

结果表明该孔137Cs 1963年和1952年的时标分别出现在5.5cm 和12.5cm ,与根据210Pb 变化计算的沉积速率基本吻合。

该孔1952年之前和1963年之后的沉积速率基本一致,为1.2～1.4mm Πa ,而1952年至1963年之间沉积速率偏大。

根据该时段磁化率特征及历史记载,1952年至1963年期间沉积速率的增大主要是由于湖区周围大规模农田开垦所致。

沉积物中孔隙水含量变化不大,上下岩性基本一致,表明该孔沉积物的压实作用较小。

为了宏观控制该岩芯的年代框架,我们选择近底部114cm 深度处的有机质泥样进行加速质谱14C 年龄分析,测试结果为900±22aB.P.。

图1　QH00A 孔210Pb 和137Cs 测定结果Fig.1　Dating results from 210Pb and 137Cs for QH00A core2.2　环境代用指标图2是沉积柱状岩芯总有机碳含量(T OC )、Rb ΠSr 以及碳酸盐含量的变化趋势。

T OC 变幅在1.68%～4.53%之间,碳酸盐含量在21.1%～44.9%之间,Rb ΠSr 为0.06～0.27。

总体而言,青海湖Rb ΠSr 、T OC 较低,碳酸盐含量较高,这与前人的研究结果基本一致[9,10]。

各指标间相关关系较好,表明这些代用指标在记录该区气候环境变化方面具有一致性。

9056期 沈　吉等:青海湖近千年来气候环境变化的湖泊沉积记录图2　QH00A 孔环境指标变化特征Fig.2　Environmental proxy of the lake sediments in QH00A core2.3　环境代用指标的指示意义2.3.1　TOC 及其揭示的环境湖泊沉积物中的有机质主要有两大来源:a )来自湖泊内源水生生物及藻类;b )来自入湖水流带入的流域植被。

通常在暖湿气候时期,湖泊内水生生物及藻类发育,并且流域内植被茂盛,因此沉积物中含有较高的有机质。

对于地处寒冷气候区的湖泊而言,气温是影响生物生长的主导因素,有机碳含量在一定程度上可以反映气温的变化,这一点在众多湖泊沉积研究中已得到证实[11],即沉积物中T OC 的高值对应暖期,低值对应冷期。

以总有机碳含量作为气候代用指标所遇到的最大问题是受沉积速率影响,本文在用210Pb 和137Cs 计算沉积通量的基础上,扣除了沉积速率对总有机碳含量的影响。

2.3.2　碳酸盐含量及其揭示的环境处于半干旱气候区的封闭湖泊,其沉积物中以方解石和文石为代表的碳酸盐沉积是盐类沉积的早期阶段,沉积物中碳酸盐含量的高低分别指示湖水的咸化和淡化,间接地反映湖区气候的干湿变化[12,13]。

镜下鉴定发现,青海湖沉积岩芯中碳酸盐主要是化学沉淀的文石,其次为微晶方解石,陆源碎屑成分含量不足5%,表明沉积物中碳酸盐含量受制于湖区气候和入湖水量变化。

当蒸发量大于降水量时,湖水中Ca 2+出现过饱和状态,碳酸盐开始结晶沉淀;当入湖水量增大时,湖水淡化,湖泊沉积物中碳酸盐含量降低。

2.3.3　Rb ΠSr 及其揭示的环境化学风化作用受区域气候环境制约,相应的风化产物汇集到湖泊沉积物中,其化学成分记录了古气候环境变化的过程。

由于Rb 和Sr 的地球化学行为差异显著[14,15],Rb 主要015第 四 纪 研 究 2001年分散在含K 的矿物如黑云母、白云母和钾长石中,而Sr 则以类质同像形式赋存于含Ca 的矿物如斜长石、角闪石、辉石和碳酸盐中,因此在化学风化过程中,Rb 吸附在较为稳定的粘土矿物中而保留在原地;Sr 呈离子形式与Ca 2+一同进入溶液而被迁移。

酸不溶解的湖泊沉积物中较低的Rb ΠSr 指示流域化学风化强烈[16,17],反之亦然。

3　近千年来青海湖湖区气候环境变化特征及对比根据沉积年代序列,综合分析各项环境代用指标(图2),青海湖湖区近千年来经历了如下的古气候、古环境过程:(1)约1050～1160A.D.,相当于该岩芯120～107cm 总有机碳含量(T OC )和碳酸盐含量在本段表现为相对低值,T OC 含量平均在2.40%左右,碳酸盐含量平均为28.0%,反映该时期植被稀疏,入湖地表径流较大,湖水淡化,为大湖面时期。

较高的Rb ΠSr 比值反映该时期化学风化作用较弱,气候总体为冷湿。

(2)约1160～1290A.D.(107～92cm ) 该段T OC 和碳酸盐含量均为峰值,T OC 含量最大达4.11%,平均含量为3.13%左右,碳酸盐含量平均为37.1%,Rb ΠSr 为低谷(0.06),反映该时期流域生物量增加,地表径流减少,湖水咸化,化学风化作用较强,气候暖干。

其中在1250A.D.左右,T OC 含量下降到2.4%,反映流域生物量有所下降,气候有一短时变凉的过程。

(3)约1290～1470A.D.(92～70cm ) 各环境指标在该时段波动较大,反映该时期气候不稳定,波动较为频繁。

其中1290～1330A.D.(92～88cm )是一次明显的冷期,T OC 和碳酸盐含量分别为2.11%和27.2%,而Rb ΠSr 出现峰值,为0.27,指示该时期生物量减少,湖水淡化,有效降水增多,化学风化作用较弱。

1390A.D.(81cm )左右是一次明显的暖期,较低的Rb ΠSr (0.09)指示该时期化学风化强烈,T OC 和碳酸盐含量出现该阶段极大值,反映气温增高使得流域植被发育,有效降水减少。

总体而言,该时段以温干为主,化学风化较强。

(4)约1470～1870A.D.(70～22cm ) 各指标在该时段有5次有规律的高低转换。

其中1470～1570A.D.(70～58cm )、1620～1680A.D.(53～45cm )和1770～1870A.D.(35～22cm )3个时期,T OC 和碳酸盐含量均为谷值,T OC 的平均值分别为1.91%、1.90%和2.13%,碳酸盐含量分别为25.0%、27.0%和29.2%,Rb ΠSr 为峰值,在第二阶段最高(0.25),第一阶段次之,最后一个阶段值最低。

这3个时期就是小冰期的3个冷期,气候特征为冷湿。

从各指标的组合来看,小冰期第二阶段最冷,第一阶段次之,最后一个阶段最弱。

从持续时间来看,小冰期最盛期较短,而第一和第三个冷期持续时间较长。

1570～1620A.D.和1680～1770A.D.两个时期T OC 和碳酸盐含量较高,Rb ΠSr 则相反,指示了两个暖干期,其中第二个暖干期持续时间较长。

(5)约1870～2000A.D.(22～0cm ) 该时段T OC 和碳酸盐含量较高,平均值分别为3.19%和31.1%,Rb ΠSr 较低,平均为0.14。

总体而言该时段化学风化较强,气候为温偏干。

根据各环境指标的组合可以看出该时段内部气候仍有波动,1870～1920A.D.气候较暖,1920～1960A.D.气温略有回落,湿度增加,在1960～1970A.D.气温再次上升,湖水略有咸化,1970～2000A.D.气温持续增高,湖水位下降。

1156期 沈　吉等:青海湖近千年来气候环境变化的湖泊沉积记录215第 四 纪 研 究 2001年中世纪暖期、小冰期和20世纪气候变暖是近千年来气候变化中最突出的气候事件[18],而这些事件在青海湖沉积湖芯中都有较好的反映。

关于中世纪暖期,王绍武根据史料、冰芯和树轮恢复的公元800年来的中国气温序列中,13世纪末的暖期在东部比较明显,西部无直接证据[19]。

然而青海湖岩芯揭示了1160～1290A.D.该地区存在一个明显的暖期,这就为中世纪暖期在西部的存在找到了有力证据。

青海湖岩芯所揭示的该地区存在的5个冷期与刘光远等[20]根据祁连山园柏年轮指数所得出的5个冷期以及王绍武等1998年所划定的近千年来中国的5个冷期基本一致[21],其中前两个冷期对应极好,后3个冷期就是小冰期的3个冷期。