武漢漲渡湖ZK04-1鉆孔沉積物粒度、磁化率、孢粉組合特征及其環境演變

楊青雄, 馮 穩, 杜小鋒

(湖北省地質調查院 基礎地質調查中心,湖北 武漢 430034)

研究地球過去的氣候與環境變化信息,可以更好地了解現在正在發生的各種變化,從而為未來提供可靠有效的類比模式[1]。全新世時期為末次冰期之后的晚冰期地質時代,氣候逐漸轉入溫暖潮濕的冰后期,是與人類聯系最為緊密的一個地質時段,對其時段內沉積環境及人類規律的研究有助于解釋人類活動與環境之間的關系[2-3]。湖泊沉積物作為重要的信息載體[4-5],可用于重建和研究陸地沉積環境及其古氣候演化過程。第四紀鉆孔巖芯記錄的環境信息具有連續、完整、不受干擾等優點,非常適合用于古氣候研究。近年來,許多學者從古環境重建的角度開展研究工作?；艟娴萚6]通過對武漢東西湖區典型第四紀鉆孔沉積物的粒度特征分析,重建了武漢東西湖區第四紀以來的沉積環境演變過程。謝遠云[7]等通過對江漢平原江陵湖泊沉積物的粒度特征分析,初步探討出湖泊流域古氣候環境的變遷規律。在湖泊沉積研究中,粒度可以反映沉積環境及水動力的變化過程,磁化率在一定程度上可表征沉積環境特征,孢粉植物類型可以直接反應氣候特征[8-10]。然而,對武漢地區晚冰期,尤其是全新世時期高分辨率的沉積環境變化與重建研究尚顯不足。本文以武漢市新洲區漲渡湖農場ZK04-1鉆孔(114°47′18″E,30°40′00″N,見圖1)為例,通過對沉積物的粒度、磁化率以及孢粉特征組合進行分析,揭示全新世時期古環境和古氣候變化規律。

圖1 ZK04-1鉆孔地理位置Fig.1 Location of ZK04-1 core

1 剖面概述

研究樣品采自武漢市新洲區漲渡湖農場ZK04-1鉆孔剖面的8.54～28.00 m段,采樣長度為19.52 m,根據巖性特征,由上至下詳細劃分為13層:1層為8.54～11.19 m,厚2.66 m,青灰色粉砂夾粘土團塊;2層為11.19～12.08 m,厚0.89 m,青灰色含砂粘土;3層為12.08～13.17 m,厚1.09 m,青灰色粉砂夾粘土斑塊;4層為13.17～15.00 m,厚1.83 m,青灰色含砂粘土;5層為15.00～16.13 m,厚1.13 m,黃褐色含粘粉砂,夾零星螺殼;6層為16.13～16.28 m,厚0.15 m,青灰色細砂土,夾黃褐色粘土;7層為16.28～18.05 m,厚1.77 m,青灰色粘土;8層為18.05～18.17 m,厚0.12 m,青灰色粘土質砂,見白色螺殼;9層為18.17～22.51 m,厚4.34 m,青灰色粘土,夾黃褐色粉砂土條帶,平行層理發育;10層為22.51～23.16 m,厚0.65 m,青灰色淤泥質粘土;11層為23.16～24.12 m,厚0.96 m,青灰色粉砂質粘土;12層為24.12～27.59 m,厚3.47 m,青灰色粘土;13層為27.59～28.00 m,厚0.41 m,青灰色含粘細砂土。

2 樣品采集及分析

2.1 樣品采集

在該剖面8.6 m、17.9 m以及21.85 m處共取樣品3個14C測年樣,見表1;在8.54～28.06 m之間以4 cm和8 cm的混合間隔進行采樣,獲得粒度和磁化率有效樣各333個,在8.54～27.54 m之間,以30 cm厚度間隔共取可用孢粉樣品65個?原始數據和資料來源于湖北省地質調查院2011—2014年1∶5萬新洲幅等四幅區調,2014。。

2.2 樣品分析

(1) 沉積物14C測年結果。該樣品送往波蘭波茲南放射性國家實驗室進行樣品年代鑒定測試,所得測試結果經校正曲線IntCal13進行日歷年齡校正,校正結果見表1。筆者采用分段線性內插和外推方法建立剖面的時間序列。

表1 鉆孔ZK04-1 14C測年結果表Table 1 14C dating results of ZK04-1 core

(2) 沉積物粒度分析結果及特征。根據Udden-Wentworth標準[11],該剖面沉積物按粒級劃分為粘土(φ>7)、粉砂(4<φ<7)及砂(φ<4)三個級別。其中,粘土含量變化范圍為15.48%～76.34%,平均含量為40.34%;粉砂含量變化范圍為17.60%～ 67.45%,平均含量為41.38%;砂含量變化范圍為0%～ 66.93%,平均含量為5.22%。按國際制三角圖圖解法命名,該剖面沉積物整體屬于粘土質粉砂。其中平均粒徑值變化范圍為4.27～8.07φ,平均為6.30φ,分選系數r1變化范圍為1.28～3.08,屬分選較差—分選差;偏態SK變化范圍為-0.25～0.54,為極負偏—極正偏;峰態KG變化范圍為0.669～1.295,從寬到窄。

(3) 沉積物磁化率的變化特征。樣品測量是在中國地質大學武漢地球物理與空間信息學院實驗室的型卡帕橋儀上完成的,測量精度≤2×10-8SI,對每一件樣品重復測量2次取其均值作為最后的結果。根據質量磁化率的測試結果,該剖面沉積物樣品磁化率值變化范圍為82×10-6～652×10-6SI,平均值為238.83×10-6SI,反映出亞熱帶濕潤區長江中下游沿江湖泊的磁化率特點。磁化率曲線在22.5 m以下都比較平穩,呈小幅度的高低振蕩;在15.5～22.5 m之間出現明顯的峰谷交替變化;在15.5 m以上磁化率開始出現若干較大幅度的峰值,特別是在深度10.86 m左右出現該剖面最大值652×10-6SI。

(4) 沉積物孢粉分析結果。在8.54～27.54 m之間,以30 cm厚度間隔共可用孢粉樣品65個,樣品在實驗室里經過酸、堿等化學處理,水洗至中性后,用比重為2.1的重液進行浮選,再經冰乙酸水稀釋、富集,純凈水清洗至中性后制管,在生物顯微鏡下鑒定。共統計陸生植物花粉34 668粒,平均每個樣品533粒,孢粉總濃度平均每個樣品為1 445粒/g,共鑒定出143個科屬的植物花粉。根據鏡下孢粉鑒定統計分析結果,按照植物氣候類型代表性特征做出孢粉百分比含量圖式,運用孢粉專業作圖軟件Tilia做出孢粉百分比含量圖式,根據聚類分析Coniss所得結果見圖2。

圖2 ZK04-1鉆孔孢粉植物科屬數量隨深度變化圖Fig.2 Change map of pollen plant genera number of ZK04-1 core with depth variation

3 討論

湖泊沉積學研究表明[12-13],湖水物理能量是控制沉積物粒度分布的主要因素。粘土、粉砂、砂含量等參數的變化反映沉積物顆粒的粗細,細粒沉積物代表了湖水物理能量較強的水位較高階段,其原因是高水位時同一采樣點距離湖岸更遠,陸源顆粒必須經過長距離的搬運才能到達采樣點,而沉積物中粗顆粒物質難以長距離搬運,導致平均粒徑減小,指示氣候濕熱;反之粗粒沉積物則代表低水位階段,指示氣候干冷。分選系數r1代表沉積物的分選程度,分選系數r1越小分選程度越好;長距離的搬運對顆粒也起到了很好的分選作用,對應湖泊高水位期。偏態SK表示沉積物粗細分布的對稱程度,可以判別分布的對稱性,并表示平均值與中位數的相對位置,如為負偏,沉積物偏粗,平均值將向中位數的較粗方向移動;正偏則是細偏,平均值向中位數的較細方向移動。峰態KG是用來衡量粒度分布曲線的尖銳或鈍圓的程度,正態曲線的峰態值為1.00,峰態正值說明顆粒分布集中,負值時則為寬峰態,說明顆粒分布分散。

基于上述原因,以粒度分析結果及其曲線變化特征為基礎,結合磁化率分析結果,并綜合測年數據和孢粉分析結果(圖3),得到長江中下游10 kaB.P以來沿江湖泊沉積環境的演化過程,分段分析如下:

圖3 ZK04-1鉆孔沉積物粒度、磁化率參數特征隨深度變化圖Fig.3 Change map of parameters of grain-size and magnetic susceptibility of ZK04-1 core with depth variation1.砂;2.粉砂;3.砂質粘土;4.淤泥質粘土;5.粘土。

Ⅰ階段(28.06～27 m 9 916～8 472 aB.P):這一階段粘土組分含量平均值為32.75%、粉砂組分含量為50.14%和砂組分含量為17.11%,三者存在劇烈振蕩,出現兩次明顯的峰谷變化,其中粘土組分含量與砂組分含量呈負相關變化。以粘土組分為代表,由19.66%急劇上升至61.63%,然后急劇下降至16.61%,再迅速上升至61.02%。平均粒徑的平均值為6.19φ,在4～7φ之間反復波動;分選系數r1平均值為1.96,總體分選較差;偏度SK平均值為0.19,多次出現小幅波動但整體較為平穩,屬正偏,沉積物有變細的趨勢。上述粒度參數特征顯示了較強水動力條件下形成的粒徑較粗的河流沖積—洪泛沖積相沉積,進一步暗示了此階段早期漲渡湖湖泊仍為開放性環境,受長江河流主導。由于流水的淘洗作用,磁性物質難以保留,導致磁化率處于一個穩定的低位水平,且平均值僅為100.21×10-6SI,低于剖面均值。但在27.5 m處有多層碳泥層,可見這一時期在漫灘洼地基礎上發育泥炭沼澤相湖泊,指示該階段晚期漲渡湖湖泊開始閉合。另外,該區間孢粉帶中以喜潮濕環境的瓶爾小草屬含量高,最高值達到27.56%,同時還出現了少量的淡水中生長的環紋藻,闊葉類植物中的落葉櫟、榆屬和楓香等含量較高。由此推測當時的植被類型為含針葉樹松的落葉闊葉林,指示氣候溫暖濕潤。

溫暖濕潤的氣候條件提供充沛的降雨量,增加河流流速與動能;碳泥層表明當時植被發育非常繁盛,反映出氣候較為溫暖,綜上所述此階段為溫暖濕潤的氣候。

Ⅱ階段(27～16.1 m 8 472～5 434 aB.P):這一階段砂組分含量長期處于低位水平,接近于零,僅間歇性地出現峰值,其平均值為2.17%,但粘土組分和粉砂組分與之相反,二者處于高位水平,總體呈“S”狀波動,其平均值分別為49.67%和48.19%;平均粒徑的平均值為7.16φ,屬粘土級;分選系數r1的平均值為1.57,分選相對上階段較好;偏度SK平均值為0.15,整體較為平穩,屬正偏,但期間出現7次負偏;峰態KG的平均值為1.09,屬于尖窄型,表明粒度分布相對集中。上述粒度參數特征顯示了此階段為弱水動力條件下形成的以細粒為主的湖泊沉積,受外來水系影響非常小,進入了密閉湖泊的生長期。

該階段粘土組分含量長期處于高位,多個層位含有植物腐殖質及黑色有機質團塊,并且在此其間偏度值出現7次負偏,與砂組分含量峰值正好響應,指示出有7次較大洪水事件形成的越岸粗粒沉積,表明此階段主體氣候為溫暖偏濕。與此同時,磁化率值相對上階段有明顯增加,其平均值為194.93×10-6SI,期間出現多次峰谷變化,其中峰值區間與洪水事件重疊,可能由洪水或地表徑流攜帶磁性礦物成分進入湖泊,對應溫暖濕潤氣候;但是低值區間表明無外來磁性物源注入湖泊內,指示降水量減少,對應干冷氣候。

另外,該區間孢粉帶花粉科屬種類豐富多樣,但主要為指示溫暖濕潤氣候特征的蕨類孢子、喜濕熱環境的海金沙、闊葉類植物類和指示干涼、溫涼偏濕氣候特征的及針葉喬木植物花粉中的松屬類兩大主體,且前者占主導地位,在不同層位上,二者含量此消彼長,表明該時期內出現多次氣候旋回。因此,綜上所述,該階段具有多個冷暖濕干氣候旋回。

Ⅲ階段(16.1～8.54 m 5 434～2 794 aB.P):該階段砂組分含量顯著增加,振幅波動較大,最高值為10.9 m處的40.51%,平均值為15.24%,而粘土組分和粉砂組分與之相反,呈波動下降趨勢,二者的平均值分別為40.19%和44.56%,前者減小幅度更大;平均粒徑為6.40φ,為粉砂級;分選系數r1持續波動增大,其平均值為2.09,分選性極差;偏度普遍出現負值,正偏占少量,其平均值為0.056 38,相對上階段,顆粒明顯變粗;峰態KG在1.0兩側對稱波動,其平均值屬于尖窄型,粒度分布相對集中。上述粒度參數特征指示該階段為水動力條件增強的沉積環境,顆粒來源較為復雜,可能為湖泊周邊的水系注入,包括長江。據區域歷史文獻記載,受北部大別隆起掀斜作用影響,長江南遷,但受長江南岸但店地區基巖阻攔,形成額頭灣,長江南北岸呈不對稱發展,因此在洪水期時,洪泛沖積物越岸灌注至湖泊;與此同時,湖泊北東側的舉水河可能成為另一個主要的物質來源。這給湖泊提供了充足的磁性物源,導致磁化率值急劇增加,最高峰值為652×10-6SI,平均值超過該剖面的平均值,為321.22×10-6SI。另外,該區間孢粉帶花粉科屬種類較為豐富,由下至上以針葉類含量為主的松科,漸變為以莎草科、鱗蓋蕨和海金沙含量為主,夾有少量闊葉類的落葉櫟、楓香,氣候特征由涼偏干、溫暖偏濕漸變為炎熱濕潤。

該階段的砂組分含量與磁化率值呈波動遞進式增大,表明水動力條件也逐漸遞增,進一步指示出降水量逐漸增加。

4 結論

區域氣候變化是在全球氣候變化背景下發生的,對全球氣候變化具有區域響應的特點,綜上所述,初步得出以下結論:

(1) 從ZK04-1鉆孔剖面粒度、磁化率以及孢粉記錄的沉積環境信息來看,該剖面較為典型,較好地反映出長江中游地區環境演化特征。一萬年以來,該區域經從最初的溫暖濕潤氣候階段,漸變過渡到冷暖濕干氣候交替變化階段,演變到最后持續變暖,直至變為炎熱濕潤氣候階段。

(2) 粒度作為環境演化的代用指標,較好地反映出湖泊沉積水位和水動力條件變化,進一步指示氣候的干濕冷暖變化特征。在封閉湖泊狀態下,湖泊沉積物粒度變細,則表明湖泊水域面積增長,水位上漲;反之亦然。而砂組成分的變化,側面反映出水動力的強弱。

(3) 從粒度、磁化率記錄的沉積環境信息反映出漲渡湖由最開始的開放性湖泊逐漸生長成封閉性湖泊,并在洪水事件發生時期,得到長江及舉水等水系補充。其中整個剖面記錄時段內,粒度及磁化率記錄出現了七次峰值,表明經歷過七次洪水事件 。