內蒙古東烏珠穆沁旗地區湖泊沉積物粒度特征及古氣候意義

楊 宇，王書宇，李燦清，李煉鵬，廖志凱

(云南省核工業二〇九地質大隊，云南 昆明 650032)

內陸湖泊是一個地區古氣候、古環境變遷的綜合信息載體，它能夠相對完整的記錄在地質歷史時期該區域環境，氣候，植被等演化過程。湖泊沉積物粒度、磁化率、TOC等指標都能反映古氣候和古環境，其中沉積物粒度特征是重要的代用指標。20世紀60～70年代，許多研究已廣泛運用陸源沉積物碎屑顆粒粒度作為判別沉積環境和水動力條件的重要指標，可以為沉積物搬運介質的性質、能量和搬運方式確定等提供重要的環境分析依據。本文試圖通過粒度分析反演內蒙古東北部東烏珠穆沁旗地區晚更新世以來古環境和氣候變遷。

1 區域背景

2 研究剖面概況

剖面PM40位于道特淖爾鎮東部約20km紹榮音諾爾湖岸北部，圖1。剖面總厚度5m，從上至下分16層，連續采集粒度分析樣品165個，其中1至4層前30個樣品間距5cm，以下130個樣品間距3cm。測年樣品4個。介質為湖泊沉積物，為全新世約15ka至今。

圖1 研究區地質簡圖(據烏拉蓋幅1：20萬區域地質圖修改)Fig 1. Geological Sketch of The Research Area (Modified Based on The 1：200000 Regional Geological Map of Ulagai)1-湖積物；2-沖積、洪積砂礫層；3-灰白色砂礫層；4-磚紅色泥巖；5-布拉根哈達組：流紋巖、珍珠巖、晶屑凝灰巖；6-道特諾爾組：玄武巖、紫蘇玄武安山巖；7-查干諾爾組：含角礫巖屑晶屑凝灰巖、流紋質英安斑巖；8-寶力格組：板巖、火山硬砂巖、英安質凝灰熔巖；9-實測地質界線及侵入接觸界線；10-實測不整合地質界線；11-地層產狀；12-水體；13-研究剖面位置

剖面野外描述：第1層0cm～65cm，深棕灰色粉細砂土，具較弱土壤團粒，含少量灰白色斑點，斑點多<1cm，無層理。第2層65cm～74cm，黃灰色細砂，松散。第3層74cm～114cm，淺棕黃色中細砂，含大量植物根系。第4層114cm～134cm，淺棕灰色粉細砂，底部有一層厚約3cm中粗砂，松散。第5層134cm～149cm，棕灰色粉、細砂，底部有條帶狀黃灰色中粗砂，松散。第6層149 cm～169cm，棕灰色粉、細砂，底部夾兩層各厚1cm～2cm中細砂，松散。第7層169cm～177cm，棕灰色粉細砂，底部厚1cm～3cm，黃灰色中細砂，松散。第8層177cm～194cm，松散棕黃色中粗砂。第9層194cm～227cm，黃灰色松散中粗砂與灰黑色粉細砂互層，層厚2cm～3cm，共6個旋回。第10層227cm～236cm，棕灰色粉細砂，頂部含灰黑色粉細砂。第11層236cm～251cm，淺黃灰色中粗砂，頂部含深灰色粘土層。第12層251cm～260cm，深棕灰色中細砂，含少量植物根系發育的平行層理。第13層260cm～293cm，深棕灰色粉細砂土。第14層293cm～313cm，下部棕灰色粘土粉砂，上部厚度6cm灰黑色粉砂質粘土。第15層313cm～428cm，灰黑色粘土質粉砂，呈游泥狀。第16層428 cm～498cm，棕灰色粘土，含大量雙殼類殘骸，局部含黑色碎屑。

3 粒度測試及數據處理

3.1 粒度測試方法

樣品前處理的目的是將采集的原始樣品分散成單顆粒沉積物，盡可能的還原成沉積物沉積時期的顆粒大小，同時將風化作用所產生的次生沉積物去除。前處理過程如下：(1)取1g左右樣品放入燒杯中，加入10mol濃度雙氧水(H2O2)，搖均并加熱，使其充分反映，直至無細小氣泡產生，途中根據反應程度適當加入雙氧水，其目的是去除樣品中有機質及其膠結物；(2)在燒杯中加入10mol濃度10%稀鹽酸(HCI)，直不產生氣泡為止；(3)在燒杯中注滿蒸餾水稀釋鹽酸和雙氧水，靜止6至8小時；(4)加入10ml濃度0.05mol/L六偏磷酸鈉作為分散劑，并用超聲波清洗機震蕩10分鐘后將全部樣品倒入激光粒度儀測量池。

所有樣品前處理和測量由西北大學大陸動力學重點實驗室及中國地質大學(武漢)生物地質與環境地質國家重點實驗室完成，儀器為英國MALVERN公司MS-2000型激光粒度分析儀，測量范圍0.02μm～2000μm。重復性優于0.5%，準確性優于1%。測試165個樣品。

3.2 數據處理

通過實驗測試，得到每個測試樣品的每一粒級所占的百分含量。粒級標準采用尤登-溫德華(Udden and Wentworth)分類標準分類(表1)，分為砂，粉砂及粘土三部分。

表1 粒級分類標準Tab 1.Grain-Size Classification Criteria

粒度參數計算采用Folk and Ward圖解法(1957)。計算得到基本的粒度參數。包括平均粒徑，分選系數，中值粒徑，偏度，峰態。根據Folk and Ward方法及其修訂，分級如表2。

表2 粒度參數分級Tab 2. Classification of Grain-Size Parameters

4 光釋光與14C測年

光釋光測年由中國地質大學(武漢)資源學院光釋光實驗室和北京中國原子能科學研究院測試完成，測試兩件樣品，結果如表3。取14C樣品2件，由美國BETA AMS放射性碳測年實驗室測試完成。結果見表4。

表3 光釋光測年結果Tab 3. Optical Stimulated Luminescence Dating Results

表4 14C測試結果Tab 4. 14C Analytical Results

5 沉積物粒度組成

剖面PM40在粒徑從上到下總體變細，上部主要為砂與粉砂，下部粉砂與粘土逐漸增多，但中間有波動，各組分含量隨深度變化曲線如圖2。從下至上可以將該剖面分為三段，Ⅰ段為290cm～500cm，Ⅱ段從70cm到290cm，Ⅲ段為0cm到70cm。Ⅰ段主要為粉砂和粘土，砂百分含量相對Ⅲ段和Ⅱ明顯降低，趨勢明顯，部分降至10%以下，同時，粘土和粉砂含量顯著升高；Ⅱ段和Ⅲ段主要為砂和粉砂為主，粘土含量較低，大多在20%以下。野外觀測及力度測試結果顯示，整個剖面并未出現突變，說明沉積環境是漸變的。

圖2 各組分含量隨深度的變化曲線圖Fig2. Graphs of Each Component Content with Depth

剖面上，各組分含量波動都相對較大，但是整體變化趨勢明顯。Ⅰ段具有波動性，但波動性較Ⅱ段和Ⅲ段明顯較小，尤其是粘土含量；Ⅱ段波動較大，尤其是砂和粉砂含量，但波動范圍基本一致，其中砂含量占60%～70%。Ⅲ段除去個別異常值波動相對較小，呈現出相對穩定趨勢，砂，粉砂，粘土波動范圍分別47.9%～62.9%，24.5%～39.7%，10.6%～17.8%。

6 粒度頻率曲線及粒度參數分析

6.1 粒度頻率曲線與沉積作用分析

粒度頻率曲線是以粒度大小為橫坐標，百分含量為縱坐標，按各粒級百分含量繪出相應的點后，連接各粒級百分含量即成一波狀起伏的圓滑頻率曲線。它可以很好地反映出沉積物粒度分布的特點、分選好壞，粒度分布的對稱度(偏度)、曲線的尖度(峰態)等。圖3為剖面PM40中幾種典型的粒度分布頻率曲線圖。

圖3 典型的粒度分布頻率曲線圖Fig 3. TypicalFrequency Curve of Sediment Grain-Size

沉積物粒度頻率曲線的峰形變化能夠反映沉積形式的變化，因此常作為判斷沉積動力作用形式的一個重要方法[15]。當沉積物的沉積是由多種介質搬運時，多成因組分的存在導致頻率曲線為多峰分布的連續光滑曲線，而單一成因的沉積物組分頻率分布曲線多為單峰光滑曲線。根據頻率曲線上的峰數可以確定不同成因的組分數，眾數峰值的高低反映某種沉積成因的組分對該樣品整體貢獻率的大小。對于湖泊來說，尤其是這種內陸封閉的湖泊，其沉積作用形式主要有三種：(1)流水作用，(2)風力作用，(3)流水與風力的混合作用。從剖面PM40的粒度頻率分布曲線來看，上部和下部以單峰為主，單一作用方式為主導，中部幾乎均為明顯的多峰曲線，表明受流水與風力的混合作用。綜合分析所有頻率分布圖可以發現，Ⅲ段代表性圖像為圖中A、B兩種形態，均為正偏(粗偏)單峰態，成分以細砂和極細砂占主導，峰形兩端粘土和粗砂含量較低，成分均勻，分選相對一致。根據野外觀察，結構松散，底部還有草本植物根系，所以此段應為風成沉積物。在Ⅱ段代表性圖像為圖中C、D、E三種形態，均呈現復雜的雙峰或者多峰，以雙峰為主導，眾數粒徑主要集中在細砂和中砂，說明此段并不是單一沉積作用，是受風力和流水的混合作用形成。Ⅰ段代表性圖像為圖中F、G兩種形態，含量變化幅度相對較小，曲線為單峰或近似于單峰，特別是下部接近于正態分布，結合野外觀察，此段為深水穩定沉積，受外來其他沉積作用的因素較小。

6.2 粒度參數分析

PM40剖面粒度參數變化曲線見圖4。圖中顯示了平均粒徑、中值粒徑、分選系數、偏度和峰態五項參數隨深度變化的曲線特征。粒度測試結果顯示，整個剖面平均粒度變化在0.005mm～0.229mm，其上部和中部粒度較大，下部較小。分選系數范圍1.37～3.11，均屬于分選較差和分選差，其中大部分為分選差。偏度變化在-0.18～0.65，從負偏到極正偏，其中大部分偏度為正偏態。峰度變化范圍0.64～2.21，從很寬到很窄均有分布。

圖4 粒度參數變化曲線圖Fig 4. Grain Size Parameter Variation Curve

平均粒徑表示一個樣品的平均粒徑大小，代表沉積物粒度分布在某一部分的集中趨勢，能夠反映物質來源和環境變化(搬運介質平均動能變化)。沉積物較粗組分集中在水動力較強的區域，沉積物較細組分集中在水動力較弱的區域。Ⅰ段較Ⅱ段和Ⅲ段差異明顯，平均粒徑顯著變小，總平均值0.021mm，由上至下粒度逐漸變小，上半段290cm～425cm粒徑平均值0.022mm，以中粉砂和細粉砂為主，下半段425cm～500cm粒徑平均值僅為0.009mm，砂的百分含量明顯減少，主要以粉砂和粘土為主；Ⅱ段沉積物粒度相對較大，整段平均值0.11mm，大多屬于細砂和極細砂，粉砂和粘土含量較少，粒徑波動較大，從0.024mm到0.229mm，中間還有多次旋回，野外清晰可見，特別是在190cm至230cm之間有六次較為明顯的沉積旋回；Ⅲ段相對Ⅱ段總體粒徑較小，厚度也不大，平均粒徑0.046mm，屬于中粉砂和粗粉砂，極大值0.067mm，極小值0.034mm，波動相對較小，以砂和粉砂為主。

分選系數反映樣品中顆粒分散和集中狀態，用來區分不同成因的沉積物，分選系數越大，代表該組分的分選性越差。整個剖面分選系數波動較大，但仍然看出其在某一時段內與其他時段沉積的不同特點：Ⅰ段分選系數1.37～2.91，屬分選差和分選較差，但其中上段分選相對下端較差，說明下端的沉積環境更穩定；Ⅱ段分選系數1.45～3.11，屬分選差和分選較差，大部分屬分選差，波動幅度相對較大，說明這一段沉積作用復雜，變化較大，受多種方式影響；Ⅲ段分選系數2.54～2.78，屬分選差，但分選程度較均勻，變化幅度較小，說明在這一段沉積所受的外力作用基本是一致的。

偏度表示頻率曲線對稱性的參數，反映沉積物粗細組分的相對多少。理想狀態下，偏度顯示為正態曲線的分布特征，這個時候該組分的平均粒度與中值粒徑重合，即都在曲線的峰值位置，且峰值兩端呈對稱分布。當沉積物顆粒相對較粗時，平均粒徑大于中值粒徑大于峰值對應的粒徑，這時稱沉積物為粗偏。同理，反之則為細偏。從偏度上看，Ⅰ段偏度波動-0.16～0.56，波動幅度較Ⅲ段Ⅱ段較大，尤其是上部，但下部波動幅度較小，在0附近波動，為近對稱形；Ⅱ段偏度波動-0.18～0.65，值得注意的是，在深度150cm處出現一個驟降，其他部分偏度波動相對一致；Ⅲ偏度值0.30～0.51，波動較大，無明顯變化趨勢，為粗偏態。

峰態表示頻率曲線的尖銳或鈍圓程度(峰的寬窄程度)，寬時表示粒徑相對分散，窄時表示相對集中，也反映沉積物形成時搬運介質的動力作用。從峰態上，Ⅲ段總體波動較小，大部分屬于寬峰態。Ⅰ段峰態波動幅度較小，集中在中等偏態附近。Ⅱ段波動較大，無明顯變化規律，大部分屬窄峰態和中等峰態。

7 環境演化階段分析討論

PM40剖面上，光釋光樣品及14C樣品各2件測試結果見表3，表4。剖面年齡與地層深度關系圖見圖5。歷史時期可劃分4大環境演化階段，中間出現沉積缺失。

圖5 剖面PM40年齡與地層深度關系圖Fig 5. Age and Stratigraphic Depth Relationship of Profile PM40

第一階段剖面290cm～500cm，年齡約14ka.BP～5ka.BP，沉積速率約0.22m/ka?？傮w屬深水穩定沉積，為高湖面，從下至上，粒度有增大的趨勢，表明湖水水位有降低的趨勢。反映當時氣候環境總體比較溫暖濕潤，但有向寒冷干旱的趨勢發展，湖面有收縮的趨勢。另外該階段沉積物上半段290cm～425cm粒徑平均值0.022mm，中粉砂和細粉砂為主，下半段425cm～500cm粒徑平均值0.009mm，砂百分含量明顯減少，以粉砂和粘土為主，兩段分層時間節點約為11ka.BP，上段為灰黑色，有機質含量較高，可能與當時暖濕氣候大量生物發育有關，下段顏色相對較淺，有機質含量減少，說明當時溫度相比上段較低。證明在11ka.BP發生了氣候冷濕到暖濕的變化。該階段為末次冰期的極盛期結束后氣候逐漸變暖時期，總體為全新世以來高溫高濕期。

第二階段5ka.BP～約500a.BP，此階段沉積缺失，推測湖泊水面面積較前一階段大面積收縮，剖面所處位置完全暴露地表被剝蝕，導致沉積缺失。由此斷定該時期內總體為干旱氣候，與前人的研究也相對吻合。

第三階段剖面70cm～290cm，年齡約500a.BP～100a.BP，此階段快速堆積，沉積速率約4.29m/ka，沉積物粒度相對較大，整段平均值0.11mm，大多屬細砂和極細砂，粉砂和粘土含量較少。粒徑從0.024mm～0.229mm，中間還有多次旋回，特別在190cm～230cm有六次較為明顯的沉積旋回，表明沉積環境較不穩定，多為復雜的雙峰或多峰，沉積受到多種外力作用共同影響，沉積動力不穩定。據此推測，湖水水位有上升趨勢，湖面面積擴大，剖面所在地重新湖水覆蓋，但處于淺水環境，離湖岸較近，且湖水出現多次進退，風力作用開始參與，出現風成沉積，大量碎屑由周邊流水帶入，迅速堆積，同時受湖水波浪作用改造，形成顆粒較大，分選差，沉積組分不穩定的沉積物。推斷該時期氣候由寒冷干旱向溫暖濕潤變化，但中間有多次交替波動。

第四階段剖面0cm～70cm，距今近100年，總體粒徑較小，厚度也不大，平均粒徑0.046mm，屬中粉砂和粗粉砂，極大值0.067mm，極小值0.034mm，波動相對較小。分選系數2.54～2.78，屬分選差，但分選程度較均勻，變化幅度較小，沉積受的外力作用基本一致，沉積物底部存在大量植物根系，說明此地裸露地表有大量植被生長，認為該段可能為風成堆積物，反映半干旱到干旱氣候。此時期人類已經繁衍，該地距離人類聚居區不遠，影響因素眾多，因此也不排除是人為作用形成的。

從剖面PM40已獲年代序列、野外觀察以及粒度分析結果，在5ka.BP之前很長一段時間內為濕潤氣候，末次冰期結束后，東亞夏季風開始增強，氣候開始濕潤，降水增多，11ka.BP進入全新世高溫濕潤期，溫度升高，生物繁盛，古氣候及環境變化與上述研究結果大致吻合，5ka.BP后氣候逐漸轉向干旱，與前人結論一致。表明內蒙古北部區域氣候變化具有一致性并與全球環境變化同步。

8 結 論

在內蒙東烏珠穆沁旗道特淖爾剖面高密度樣品采集，野外地質調查，14C和光釋光測年基礎上，根據沉積物粒度特征對內蒙東烏珠穆沁約15ka.BP以來的氣候環境變遷進行分析，認為該地區近15ka以來環境變化主要經歷了4個階段：

(1)第一階段(約15ka.BP～5ka.BP)：總體為溫暖濕潤的氣候環境。氣候有變干的趨勢，從11ka.BP開始氣候顯著變暖，為此區域全新世高溫高濕的時期，生物繁盛。

(2)第二階段(5ka.BP～約500a.BP)：湖面面積萎縮，湖岸后退，導致沉積缺失，反映了干旱寒冷的氣候，且氣候從暖濕向干冷變化較快。

(3)第三階段(約500a.BP～100a.BP)：氣候由寒冷干旱向溫暖濕潤變化，但中間有多次交替波動。

(4)第四階段(距今近100年)：沉積所受的外力作用基本一致，此地已經裸露地表，可能為風成堆積物，反映干旱氣候。

內蒙古東北部區域晚更新世以來氣候環境變化具有一致性并與全球環境變化基本同步，但在空間和時間上仍表現出單一復雜的差異特征，可能與受季風影響有關，也可能研究方法上的差異?？傮w上該區剖面沉積物所反映的沉積環境從古到今由溫暖濕潤向寒冷干旱演變。

本文尚有諸多不足之處，如施工條件限制未能采樣到剖面最底部，且中間出現沉積缺失的部分，不能精確完整的反演該地區氣候演變，還需要更加全面深入的研究；單一使用粒度特征作為指標，可能會有偏差和疏漏，更多對應的指標綜合分析應進一步加以補充和論證。