内蒙古黄旗海湖泊沉积物磁化率特征及其环境意义①

申洪源1,　贾玉连2,　郭　峰1

(1　临沂师范学院环境与旅游学院,山东　临沂　276005;　2　江西师范大学地理与环境学院,江西　南昌　330022)

摘　要:　黄旗海H3剖面是14C测年8.0～2.0kaBP高湖面时的粉砂质湖相沉积。对H3剖面的全样、77～20um、<20um三个粒级的磁化率和Ti、Zr元素含量进行了测试,研究结果表明:作为气候环境代用指标,磁化率和Ti、Zr元素含量在<20μm粒级样品中具有相同的指示意义。因此,在利用磁化率和地球化学元素作为气候环境代用指标时应当将样品分成不同粒级测试其含量变化,并从中寻找能够反映气候环境变化的真实信息。磁化率参数可以作为反映环境变化的代用指标,两者间有很好的相关关系,湖泊沉积中,高(低)磁化率指示干燥(湿润)的气候,较低(高)的湖面。黄旗海由磁化率反映的事件可以与北大西洋全新世突发气候事件对比,也可以和若尔盖高原泥炭记录的全新世气候事件对比,可能反映了内蒙古高原中南部、青藏高原和北大西洋地区气候变化的内在联系。关键词:　磁化率;环境意义;湖泊沉积物;黄旗海中图分类号:　P931.7 文献标识码:A 文章编号:1000-6060(2010)02-0151-07(151～157)

沉积物是在特定的沉积环境中形成的,记载了

环境条件的变化,沉积物所携带的磁性矿物则因其

对环境的灵敏反映和记录的稳定性而成为较好的环

境指示物质。自20世纪70年代Thompson和Old2

field创立环境磁学〔1〕以来,磁化率作为一个重要的

环境指标,已经得到了广泛的应用〔2-3〕。在黄土-古土壤序列中,沉积物的磁化率及粒度参数作为气

候变化良好的替代性指标,可以与深海氧同位素曲

线进行对比〔4-5〕。然而,在陆相湖泊中,沉积物的磁

化率参数对环境变化的响应还处于讨论阶段〔6-11〕。

这是因为湖泊流域物质的磁性特征以及沉积环境对

湖泊中的磁性矿物的富集、保存或自生生成都有影

响〔12〕,所以,对湖泊沉积物环境磁学机制的认识比较困难。处于东亚季风区半干旱-半湿润过渡区的

封闭湖泊由于其流域面积小,物质来源稳定,其磁化

率的影响因素与一般湖泊有所不同。本文拟以内蒙

古黄旗海湖泊沉积为例探讨季风边缘区封闭湖泊沉

积物磁化率的环境指示意义。

1　研究区概况

黄旗海位于东亚夏季风区北界,内蒙古高原南缘,地处我国北方半干旱-半湿润过渡区,为环境演

变的敏感地带,是一个正处在萎缩过程中的封闭湖

泊。黄旗海流域总面积4511km2,地貌组合比较简

单(图1),由北向南呈缓倾斜状湖积平原,盆地周围

为低山丘陵和熔岩台地。低山丘陵海拔高度一般为

1400～1700m,主要是由变质岩系组成的构造剥蚀

山地;熔岩台地海拔高度在1350～1828m;湖积平

原主要分布在北岸,地势平坦开阔,海拔高度在

1280～1350m。湖泊呈东北-西南走向,长17.75

km,宽8.25km,面积66.5km2,湖面海拔高度为

1264m(1986年),平均水深2m左右,最深处6.8

m。土壤以栗钙土为主,原生植被为半干旱区森林

草原。气候属中温带半干旱大陆性季风气候,年平

均气温为4.3℃,年平均降水量为362.7mm。

前人分别利用不同气候环境代用指标对黄旗海

全新世环境演变进行了研究:李华章等〔13〕和李栓科

等〔14〕根据湖区地貌、沉积相、孢粉等指标恢复了全

新世湖泊变化过程;王小燕〔15〕、李军等〔16〕、张丽莎

等〔17〕则分别对黄旗海HQH4钻孔岩芯的有机质和

有机碳同位素记录与古气候意义、岩芯中的介形类

化石属种古生态和壳体稳定同位素、湖泊自生有机第33卷　第2期2010年3月 干旱区地理ARID　LAND　GEOGRAPHY Vol.33　No.2Mar.　2010

①收稿日期:2009-05-13;　修订日期:2009-08-08基金项目:国家自然科学基金项目(40940016);山东省自然科学基金(Y2008E01);临沂师范学院博士科研基金项目(BS07007)资助作者简介:申洪源(1963-),男,山东郯城人,教授,博士,主要研究方向为湖泊沉积与环境演变.E2mail:shhongyuan@126.com

图1　黄旗海地理位置及其地貌组合信息Fig.1　LocationofHuangqihaiLakeanditsphysiognomiesinformation

质烧失量和自生碳酸盐烧失量进行了研究,在此基础上恢复了全新世气候环境变化的历史。上述研究

为进一步深入研究黄旗海气候环境演变留下了难能

可贵的资料。

2　材料与方法

2.1　样品采集

样品采自内蒙古黄旗海南侧湖积平原上河流下蚀形成的一天然剖面(H3);剖面总厚度3.2m,上

部30cm为现代耕作土层,其下为160cm厚的黄

(棕)色粉砂,之下是灰色粉砂,厚130cm,底部为中粗砂。对中粗砂之上的162cm厚的沉积进行了2

cm间隔的连续采样。年代测试结果表明这是8.2～2.0kaBP〔18〕全新世中、晚期高湖面〔13〕时的湖相

沉积。沉积速率在5.8～3.0kaBP期间较高,而这之前与之后明显偏低。

2.2　样品测试将风干样品用亚沸水充分浸泡,置于超声波振荡仪中清洗5分钟,使其充分分散,用200目土壤分

析筛将样品分离成>77μm和<77μm两个粒级组

分。对<77μm的粒级用沉降法(亚沸水)分成77～20μm与<20μm两个粒级组分,分离后的样品在相同环境下低温蒸干。在南京大学环境磁学实验

室用CzechAGICO公司生产的KappabridgeKLY-3磁化率仪测定样品的质量磁化率,其单位为10-8m3/kg(SI制),本文所用质量磁化率单位均为

SI制。将不同粒级的样品研磨后过200目筛,在南京大学现代分析中心利用VP-320型X荧光光谱

仪分析Zr、Ti元素的含量,误差≤1μg/g。

3　结果与讨论

图2为黄旗海H3剖面全样和不同粒级磁化率

值变化与77～20μm粒级样品Ti、Zr元素含量曲线

对比图,从图示可以看出,经处理后的3类样品(全

样、77～20μm、<20μm)的磁化率变化曲线在某

些时段变化较为一致,但有些时段则变化迥异。分

析如下:(1)剖面全样的磁化率值范围在(11.1～82.6)

×10-8m3/kg,平均为45.3×10-8m3/kg。粗粒(77～20μm)样品的磁化率值范围在(10.4～182.9)×

10-8m3/kg,平均为52.1×10-8m3/kg。细粒(<20μm)样品的磁化率值范围在(9.8～201.7)×10-8

m3/kg之间,平均为37.7×10-8m3/kg,剖面磁化率变化幅度较大。

Ti(钛)、Zr(锆)两种元素在表生环境中的迁移特点是:Ti主要赋存于粗颗粒的沉积物中,径流量

大和降雨强度大时被带入湖泊的Ti量则大,反之则

小。Zr主要赋存于粗颗粒的风化碎屑中,其迁移方

式主要为机械搬运。各粒级磁化率曲线出现的峰值

均与惰性碎屑元素Ti、Zr含量的峰值相对应,但以

77～20μm粒级样品的线型变化最为相似。前人研究表明〔19〕沉积物的磁化率,若与某一粒级组分含量

密切相关(正相关),则说明该粒级组分富含磁性颗

粒;若将沉积物筛分成不同的粒级组分测磁化率,某

粒级组分质量磁化率高,说明磁性颗粒的粒度组成

以该粒级为主。从黄旗海H3剖面全样磁化率平均

值高于77～20μm和<20μm粒级样品的情况分

析,磁化率平均最高值应该隐含在更粗粒级的样品

中。说明H3剖面沉积物磁性矿物的粒径要>77μm,因此,颗粒越粗磁化率值越高。

由图2可以看出,剖面中77～20μm粒级样品

的磁化率分布曲线与Ti、Zr元素分布曲线十分吻

合,两条曲线的线形十分近似。图3给出了三个粒级Ti/Zr值和磁化率相关关系,由图3可以看出,在三

个粒级中,以<20μm粒级样品磁化率序列与Ti、Zr元素含量序列高度相关。从表1可以看出,<20μm粒级样品的磁化率与Ti含量的相关系数达0.95,251 干旱区地理 33卷

图2　黄旗海H3剖面不同粒级磁化率变化与Ti和Zr元素含量曲线对比Fig.2　ContrastofthemagneticsusceptibilitywithcontentofTiandZrinthreedifferentgrainsizefractionsoftheH3section

图3　不同粒级磁化率与Ti、Zr元素含量相关关系Fig.3　CorrelationmagneticsusceptibilitywithcontentofTiand

ZrinthreedifferentgrainsizefractionsoftheH3section3512期 申洪源等:内蒙古黄旗海湖泊沉积物磁化率特征及其环境意义 与Zr含量的相关系数也达0.71,说明作为气候环

境代用指标,磁化率和Ti、Zr元素含量在<20μm粒级样品中具有相同的指示意义。因此,在利用磁

化率和地球化学元素作为气候环境代用指标时应当将样品分成不同粒级测试其含量变化,并从中寻找

能够反映气候环境变化的真实信息。

表1　不同粒级磁化率与Ti、Zr元素含量相关系数Tab.1　CorrelationcoefficientofmagneticsusceptibilitywithcontentofTiandZrinthreedifferentgrainsizes

全样77～20μm<20μm磁化率-Ti0.850.910.95磁化率-Zr0.670.750.71

(2)剖面磁化率曲线可以明显分为三段:第Ⅰ阶段,深314～254cm(8.3～5.8kaBP),三个粒级样品的磁化率均表现为低谷。该段全样的磁化率平均值为19.4×10-8m3/kg,粗粒样品磁化率平均值为29.4×10-8m3/kg,细粒样品磁化率平均值为

18.7×10-8m3/kg。粗粒样品的Ti、Zr含量曲线在该段也均表现为谷值。第Ⅱ阶段,深254～190cm(5.8～4.0kaBP),磁化率值呈上升趋势,该段全样的磁化率平均值为

57.7×10-8m3/kg,粗粒样品的磁化率平均值为

62.1×10-8m3/kg,细粒样品磁化率平均值为38.4×10-8m3/kg。其中,256～242cm(6.0～5.4kaBP)三个粒级样品的磁化率与Ti、Zr元素含量均出现峰值。

第Ⅲ阶段,深190～150cm(4.0～2.2kaBP),该段磁化率维持较高值并且波动较大。该段全样的

磁化率平均值为60.9×10-8m3/kg,粗粒样品的磁化率平均值为66.0×10-8m3/kg,细粒样品磁化率平均值为49.2×10-8m3/kg。该段存在两个峰值,下部峰值位于距地表182cm(3.5kaBP)处,上部峰值位于距地表170cm(2.8kaBP)处,两个峰值分别

对应两层粗粒湖相层(黄色粉砂质砂);谷值则分别对应细粒湖相层。说明4.0～2.2kaBP期间,黄旗

海至少存在两次湖泊收缩阶段。

(3)从H3剖面磁化率曲线变化特点可以得出如下认识:黄旗海流域的山地丘陵主要岩性为含铁质较多

的花岗岩和玄武岩,这类岩石的磁化率值较高,并且沉积物颗粒越粗磁化率值越高,颗粒越细磁化率值

越低。这种现象同含铁矿物的风化强烈程度有关。黄旗海湖泊沉积物主要来源于附近山地丘陵区,H3剖面磁化率曲线的高峰一般对应着较粗的沉积颗粒,而低谷则一般对应着细颗粒,反映了水动力条件的变化。磁化率的分布与剖面上岩性分布相吻合,淤泥质粉砂层磁化率较低,而粉砂、细砂为主的粗粒沉积层,磁化率较高。这与湖沼周围环境及物

质来源密切相关。当气候表现为暖湿时,化学风化强盛,流域内植被良好,湖沼水草丰茂,这一时期在湖泊中沉积了富含有机质的细粒层,其磁化率值低;反之,当气候转为干冷时,化学风化较弱,湖泊中则沉积了粗颗粒的火山岩和花岗岩风化碎屑,其磁化率值高。磁化率值随气候变化的机制可能与下列因素有关〔10〕:(1)在冷湿时期可能的还原条件下,细颗粒的亚铁磁性矿物会首先溶解,造成沉积物磁性减弱,磁化率比值下降;(2)气候湿润时期,地表植被盖度增加,风蚀和流水侵蚀作用减弱,输入湖泊的磁性矿物(亚铁磁性和反铁磁性)颗粒减少,造成磁化率值的降低,反之,湖泊沉积物中磁性矿物含量增加;(3)有机质含量增加对磁性矿物含量的稀释作用使磁化率比值下降。因此,8.3～5.8kaBP(314～254cm),较低的磁化率值,反映黄旗海为暖湿期,维持较高湖面,期间气候波动较小。这一时期北方森林的界限大举向北迁移〔20〕;5.8～4.0kaBP(254～200cm),在出现一次气候转型事件(6.0～5.4kaBP,252～142cm)

之后,气候开始持续向冷干方向发展,湖面不断降低萎缩。这一阶段,地球化学元素Ti、Zr含量也出现峰值,指示径流量增大,同样说明存在一次气候转型事件;4.0～2.2kaBP,气候表现为冷干特点,并有波动。在距地表182cm(3.5kaBP)和170cm(2.8

kaBP)处出现两个峰值并分别对应两层粗粒沉积物(黄色粉砂质砂)段,反映两次干旱气候事件,表明湖面较低。对若尔盖高原泥炭沉积所进行的分辨率达15～30a夏季风气候代用指标序列的研究表明〔21〕,青藏高原全新世存在多次干冷事件,其中晚全新世较为显著的事件有4.4kaBP、3.7kaBP、2.8kaBP、

1.5kaBP等,这些事件同样可以与北大西洋浮冰碎屑事件〔22〕一一对比。黄旗海H3剖面记录的气候突发事件是叠加在全新世长期气候变化之上的,由磁化率反映的较显著事件发生的年代分别为:5.6

kaBP,3.5kaBP和2.8kaBP,这些突发事件可以和若尔盖高原泥炭记录的全新世气候事件对比,也451 干旱区地理 33卷