李卓侖，陳 晴，王乃昂，李 育，呂行行

(蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，蘭州大學(xué)干旱區(qū)水循環(huán)與氣候變化研究中心，蘭州730000)

白云石作為碳酸鹽礦物的一種［1］，在地質(zhì)歷史中廣泛分布，在過去的研究中也被大量報道［2-7］，為白云石的成因研究提供了豐富的證據(jù).以往的研究中，在古近紀［8-9］、新近紀［10］等新生代地層中均發(fā)現(xiàn)白云石的存在，甚至在古生代、中生代等較老地層中也有報道［9，11］.而在全新世地層中雖然有所報道［12-14］，但其發(fā)現(xiàn)的區(qū)域較上述時段遠遠偏小.

白云石成因和演化的問題目前仍有較大爭論，通過滲透回流［1，15-18］、蒸發(fā)泵、交代替換、微生物作用［14］和次生交代［5］等機制來解釋白云石的成因，為揭示白云石的形成和埋藏條件等問題提供了有益的參考.上述成因中，對解釋臺地 盆地規(guī)模的白云石成因有相對系統(tǒng)的研究，而對內(nèi)陸干旱湖泊中白云石成因研究相對稍顯薄弱，尤其是全新世以來白云石成因研究，雖然通過內(nèi)蒙古南部巴彥查干湖［14］和青海湖［19-20］的研究，發(fā)現(xiàn)了全新世以來的白云石沉積，但與新生代其它時期形成的白云石在成因上有較大的差異.因此，對內(nèi)陸干旱湖泊，尤其是對全新世以來白云石成因方面的研究仍需要進一步開展工作.

花海湖位于河西走廊的西段，是一個典型的內(nèi)陸干旱湖泊［20-23］，在以往的研究中受到了較多的關(guān)注［21-27］，構(gòu)建了晚冰期以來的沉積序列［28］，并重建了特征時期的古環(huán)境特征［25-27］.在最近的研究中，我們發(fā)現(xiàn)在花海湖全新世的沉積物中，有明顯的白云石沉積.探討其白云石的形成環(huán)境，不僅可以為白云石的形成機制提供新的證據(jù)，同時對深入理解該區(qū)域湖泊演化及古環(huán)境變化均有幫助.基于此，本文以花海湖為研究對象，研究全新世以來白云石形成的環(huán)境及其所揭示的環(huán)境意義.

1 區(qū)域概況

花海湖位于河西走廊西段玉門市東北約90 km處，現(xiàn)在的花海湖為一內(nèi)陸干涸湖盆，花海湖盆地海拔高度約為1150～1250 m，為一南北寬達40 km、東西長約70 km的狹長低地，在地質(zhì)構(gòu)造上屬于花海 金塔盆地的西部，盆地南緣屬中低山或中山區(qū)，盆地內(nèi)干燥多風，每年4-6月為風季，冬、春季多西北風，有風天氣不小于300 d.夏季炎熱，氣溫可高達40℃，冬季最低溫－26.7℃，年平均氣溫8℃.年平均降水量56 mm，多集中在6-8月，年蒸發(fā)量達3000 mm.盆地內(nèi)坡積洪積平原、洪積沖積平原、湖積平原等呈環(huán)帶狀分布，歷史上曾是疏勒河?xùn)|支北石河、南石河和石油河及北大河支流斷山口河的終端湖.流域巖性除變質(zhì)巖、火成巖外，主要為碎屑巖、灰?guī)r以及碎屑巖夾灰?guī)r等.盆地中部的湖積平原大多為紅柳灌叢沙堆所占，地面起伏不平，發(fā)育石膏灰棕漠土、草甸土、沼澤土等.區(qū)內(nèi)除花海鄉(xiāng)(營盤堡)和花海農(nóng)場等地附近有小片灌溉農(nóng)田外，盆地大部分為天然牧場，花海湖目前為一典型的干鹽湖.

2 研究方法

研究剖面位于花海湖湖盆最低洼處(圖1)，整個剖面17.25 m，其中9.25 m至地表為新仙女木時期以來的沉積［27］.整個剖面通過13個常規(guī)14C和5個AMS14C測年結(jié)果建立年代框架，剖面的描述和年表建立過程及結(jié)果參見文獻［28］.

圖1 花海湖剖面位置Fig.1 The position of the profile in Lake Huahai

樣品采集自下至上按5 cm間隔系統(tǒng)采樣，自芒硝層中部淤泥細線(8.42 m)開始，至40.5 cm深度處結(jié)束.部分砂層采樣間隔為10 cm，共采集樣品153組.Fe3+測定在蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點實驗室進行，實驗前處理和測試方法見文獻［23］.

樣品的礦物種類及相對百分含量按照10 cm間隔進行測量，部分層位按照5 cm間隔進行測量，共計測量樣品80組.樣品經(jīng)烘干研磨至100目左右后，在蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點實驗室荷蘭帕納科公司的X-pert Pro型粉晶X射線衍射儀上完成測試.

礦物種類及相對百分含量的最終確定，通過在該儀器自帶的X'Pert High Score Plus軟件分析后得出，樣品中不同礦物的重量百分數(shù)計算公式為:

式中，Xi為樣品中 i礦物重量百分數(shù);Ki，n和 Kj，n是礦物 i和 j分別在衍射線 n 上的參照強度比值;Ii，n和 Ij，n是礦物i和j分別在衍射線n上的積分強度;m是樣品中所有礦物的個數(shù).測定誤差為±5%.總外源碎屑巖礦物重量百分數(shù)根據(jù)石英、白云母、鈉長石和綠泥石重量百分數(shù)之和進行確定.

白云石和石膏的判定主要通過沉積物礦物組成的XRD圖譜進行，兩者在衍射圖中可以很好地與其他礦物進行區(qū)分，例如，在深度210.5 cm和80.5 cm處衍射結(jié)果可以很好地判定白云石和石膏的存在(圖2).

圖2 白云石(210.5 cm深度沉積物)和石膏(80.5 cm深度沉積物)X衍射圖Fig.2 The X-ray diffraction diagram of dolomite(sediment at the depth of 210.5 cm)and gypsum(sediment at the depth of 80.5 cm)

3 結(jié)果與分析

X衍射的結(jié)果顯示，整個剖面的沉積過程中，白云石和石膏含量較為豐富，自晚冰期以來白云石等礦物含量隨深度的變化見圖3.由于本文的研究重點為全新世白云石的沉積環(huán)境，全新世之前的白云石等礦物的沉積環(huán)境將另文討論.

根據(jù)層位的劃分［28］，6.83 m以上是典型的全新世沉積，其中10.60-10.47 cal ka B.P.時期(6.30 ～3.73 m)以沖洪積和風成沉積為主［21，28］，白云石和石膏含量均較低，F(xiàn)e3+含量相對較高，顯示了較強的氧化性特點.而在風成砂為主的風成沉積階段(5.25～4.53 m)，白云石含量雖然有所上升，但仍然低于10%，顯示了在風成沉積和沖洪積階段較低的含量特點.10.47-8.87 cal ka B.P.時期(3.73 ～3.08 m)，是花海湖的一個成湖期，湖泊水位開始逐漸回升［28］，該時期白云石含量迅速降低，石膏和Fe3+含量突然增加.8.87-5.50 cal ka B.P.時期(3.08～0.73 m)，白云石和石膏的含量均呈現(xiàn)明顯的波動，但二者呈現(xiàn)一定反相位關(guān)系.白云石含量較高的階段，均對應(yīng)著石膏含量的低值.與此同時，3.08～2.30 m深度中，F(xiàn)e3+離子含量最低，表明氧化性最弱，湖泊水位升高［21，27］.5.50-0 cal ka B.P.(0.73 m 至地表)，為現(xiàn)代的洪泛堆積.

4 討論

4.1 白云石的來源

白云石是碳酸鹽礦物［1］，湖泊沉積物中碳酸鹽礦物的成因相對較為復(fù)雜，既有可能是外源碎屑礦物，又有可能是自生礦物.但碎屑巖礦物往往為外源礦物［29］，通過碳酸鹽礦物含量與外源碎屑巖礦物含量的相關(guān)性高低再結(jié)合其他因素分析，進而判斷碳酸鹽礦物的自生與否，已經(jīng)得到了應(yīng)用［29］.

圖3 花海湖白云石和石膏含量變化Fig.3 Content changes of dolomite and gypsum in Lake Huahai

將石英、白云母、鈉長石和綠泥石四種典型的外源碎屑巖礦物的重量百分比之和與白云石重量百分比進行相關(guān)分析，通過對比不同沉積階段的外源碎屑巖礦物與白云石的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)無論是沖洪積和風成沉積為主的沉積階段(圖4a)，還是在湖相沉積為主的階段(圖4b)，白云石的含量變化與外源碎屑巖礦物的含量變化相關(guān)性都很差.若白云石礦物為外源的，其含量變化應(yīng)該同外源碎屑巖礦物含量的變化具有一定的正相關(guān)關(guān)系，反之亦然.但從本文結(jié)果看，二者沒有明顯的正相關(guān)關(guān)系.同時，流域的巖性主要是變質(zhì)巖、火成巖、碎屑巖、灰?guī)r以及碎屑巖夾灰?guī)r等，沒有白云石礦物的存在，這亦是白云石是自生碳酸鹽的重要證據(jù).另外，白云石作為外源碎屑礦物，在淡水湖中較為常見，而在咸水湖中發(fā)現(xiàn)較少［30］，而花海湖自晚冰期以來，即有明顯的鹽類礦物沉積，包括芒硝、石膏等鹽類礦物的沉積［25-28］，是典型的鹽湖而非淡水湖，綜上，花海湖白云石應(yīng)為自生的碳酸鹽礦物.

圖4 花海湖外源碎屑巖礦物與白云石的相關(guān)關(guān)系(a:6.30～3.73 m深度，b:3.73～0.73 m深度)Fig.4 Correlation between dolomite and clastic rocks from Lake Huahai

4.2 白云石沉積環(huán)境

根據(jù)現(xiàn)代白云石的原生沉淀環(huán)境，既有發(fā)現(xiàn)于像青海湖這樣的微咸水湖［18］，又有發(fā)生在瀉湖、淺海和鹽湖等鹽度較高的水體［31-32］.以往的解釋由于在鹽度富集的過程中常伴隨著強烈的水汽蒸發(fā)，因此這些高鹽度水體的湖泊沉積物中白云石主要被解釋為蒸發(fā)成因［3，28］;而在鹽度較低的水體中，則更傾向于微生物作用的成因［14，19］.

花海湖在晚冰期和新仙女木時期，即以芒硝沉積為主［25-28］，在全新世時期，又有典型的石膏沉積，是一個典型的鹽湖.王乃昂等［28］通過對晚冰期以來花海古湖泊沉積特征分析研究指出，8.87-5.50 cal ka B.P.(3.08～0.73 m)存在深湖相沉積的氣候濕潤期，為明顯的還原環(huán)境.在此階段，白云石和石膏的含量變化趨勢相反，在白云石含量較高的階段，石膏含量卻明顯偏低.由于石膏為暖相鹽類礦物，是干熱氣候的典型代表，指示干熱、水體鹽度高和蒸發(fā)作用強的氣候條件［30，33-34］.因此，兩者相反的趨勢變化，指示了白云石在花海湖泊沉積過程中并非直接受到蒸發(fā)作用的影響.此外，可以指示氧化環(huán)境強弱的Fe3+含量變化在上述時期與白云石含量在趨勢上也呈現(xiàn)一定的相反趨勢.結(jié)合巖性表明，該時期沉積環(huán)境以還原環(huán)境為主，在還原環(huán)境下，白云石含量在整個剖面中含量最高，同時，受到氧化性強弱變化的影響，在氧化性增強的時期，白云石含量相應(yīng)地減少.

10.47-8.87 cal ka B.P.時期(3.73 ～3.08 m)，F(xiàn)e3+含量呈現(xiàn)一定的高值，反映了氧化性較強的特征，此時白云石含量開始降低，揭示了氧化環(huán)境不利于白云石形成.

10.47 cal ka B.P.之前的早全新世，花海湖的沉積過程以沖洪積和風成沉積為主(6.30～3.73 m)，該時期湖泊水位較淺、接近干涸［28］，并伴有明顯的風成砂沉積［22］，顯示了明顯的氧化環(huán)境.同時，該階段巖性以棕色、紫褐色黏土質(zhì)粉砂為主［28］，是一種典型的氧化環(huán)境，這種氧化環(huán)境無法在深湖相環(huán)境中進行，是較干旱的環(huán)境產(chǎn)物［35］.該階段白云石含量較全新世中期明顯偏少(圖3)，同樣顯示了與還原環(huán)境相比，在氧化環(huán)境下白云石無法大量形成.

由此說明，氧化環(huán)境并不利于白云石的形成;相反，還原條件有利于白云石的形成.部分研究也發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)代的微咸水湖中報道的白云石均為典型還原環(huán)境下所形成的［14，19］.雖然目前在還原環(huán)境下形成白云石的原因尚無定論，但更傾向于在還原環(huán)境下有硫酸鹽還原菌的參與［36］.雖然目前在形態(tài)上無法確定是否有還原菌直接參與，但可以肯定的是，在花海湖全新世沉積過程中，還原環(huán)境利于白云石的形成.

4.3 白云石沉積指示的環(huán)境意義

白云石是碳酸鹽礦物，在全新世沉積環(huán)境中曾被認為是湖水咸化的直接證據(jù)，進而成為指示干旱環(huán)境的產(chǎn)物［14］.在干旱、封閉條件下，湖泊經(jīng)歷從淡水、碳酸鹽型、硫酸鹽型，進而演變成鹵水鹽湖的演化過程［37］，即所謂的“牛眼模式”.鄭綿平等［38-39］將碳酸鹽型再細分為強度、中度、弱度3種亞型.由于在碳酸鹽型湖泊中，湖水鹽度逐漸升高，初期的沉淀以方解石為主，伴隨著Ca2+、Mg2+和的沉淀，湖水進一步咸化，在Ca2+不斷減少的過程中，隨著Mg/Ca比值的增加，直至形成高鎂方解石、白云石和菱鎂礦［40］.因此，在碳酸型鹽湖的沉積過程中，由方解石沉積過渡到白云石沉積，可以認為是湖水咸化的一種標志.

但同時值得注意的是，碳酸型只是干旱、封閉條件下湖泊演化過程中的一種，其后仍經(jīng)歷硫酸型乃至鹵水鹽湖的演化過程.若在硫酸型湖泊沉積過程中，譬如以石膏或芒硝沉積為主的階段，則白云石沉積無法作為湖水咸化的重要標志;相反，應(yīng)揭示湖水的相應(yīng)淡化過程.朱玉雙等［41］對三塘湖盆地中的白云石成因進行研究時，也認為白云石并非在高鹽度環(huán)境下沉積，而是淡水混入使湖水處于半咸水狀態(tài)的產(chǎn)物.本文的研究也進一步表明，在全新世時期，石膏大量沉積時期并不利于白云石的形成(圖3)，相反，由于湖水的淡化，硫酸鹽型湖泊中石膏含量減少，白云石等碳酸鹽才得以沉積.因此，在鹽湖沉積過程中，白云石沉積的出現(xiàn)雖然可以指示一定的鹽度特征，但并不一定是直接指示湖水的咸化，需要進一步判定其他礦物沉積以及鹽湖類型，方能進一步揭示其環(huán)境意義.

花海湖在全新世期間白云石含量的變化，可以間接地反映湖水鹽度的變化過程.X衍射結(jié)果顯示了全新世湖相沉積(3.73～0.73 m)過程中均有石膏析出(圖3)，表明湖水鹽度較高.在10.47-8.87 cal ka B.P.早全新世時期(3.73～3.08 m)，花海湖水位開始逐漸回升［28］，此時期白云石含量迅速降低，石膏和Fe3+含量突然增加;這主要是由于經(jīng)歷了早期的沖洪積和風成沉積為主的一種干旱環(huán)境［28］，此時雖然湖泊水位有所回升，但Fe3+含量呈現(xiàn)一定的高值，氧化環(huán)境相對較強［28］，湖泊水位較淺，不利于白云石的形成，石膏沉積則反映了該時期湖水的鹽度相對較高，同時，與前期洪泛堆積和風成砂的沉積相比，揭示了該時期氣候由干向濕的轉(zhuǎn)化過程.8.87-5.50 cal ka B.P.時期(3.08 ～0.73 m)，白云石和石膏的含量均呈現(xiàn)明顯的波動，反映此時湖水鹽度的變化呈現(xiàn)一定的波動;這主要是由于該階段以還原環(huán)境為主［28］，利于白云石的形成，白云石含量的增加與石膏含量相應(yīng)地減少反映了該時期湖水鹽度的波動變化.由圖3并結(jié)合野外觀察發(fā)現(xiàn)，3.08～2.53 m是石膏含量最大的階段，有明顯條帶分布的菱板狀石膏沉積［28］，同時3.08 m處的14C年代結(jié)果表明(圖2)，自 8.87 cal ka B.P.時期開始，湖水明顯咸化、氣候干旱.在2.53 ～0.73 m 時期，石膏含量減少，白云石含量增加，表明該時期湖水較前期淡化.同時該階段呈現(xiàn)明顯的深湖相沉積［28］，表明該時期湖水鹽度比8.80 cal ka B.P.時期相對較低，氣候相對濕潤，湖泊發(fā)育.5.50 cal ka B.P.至今，出現(xiàn)沉積間斷，揭示了湖泊干涸、氣候變干的特點.

5 結(jié)論

通過對花海湖沉積物的X衍射分析，發(fā)現(xiàn)了全新世時期白云石的存在.巖性、沉積過程、石膏以及Fe3+含量的變化表明，花海湖全新世白云石沉積的環(huán)境以還原環(huán)境為主，還原環(huán)境利于白云石的形成.

白云石作為碳酸鹽礦物，可以反映一定的湖水鹽度，雖然其含量的變化可以指示湖水鹽度的變化，但并非直接指示湖水的咸化.隨著湖水鹽度的進一步增加，在硫酸鹽型湖泊中，白云石含量隨鹽度的增加而相應(yīng)地減少.

結(jié)合石膏含量的變化，花海湖全新世時期白云石含量的變化可以揭示該區(qū)域湖水鹽度的變化.在10.47-8.87 cal ka B.P.早全新世時期，湖水的鹽度較高，氣候由干向濕轉(zhuǎn)變;8.87 cal ka B.P.時期，有大量石膏沉積，顯示湖水鹽度的進一步升高，氣候干旱;隨后湖水相對淡化，氣候濕潤;5.50 cal ka B.P.至今沉積出現(xiàn)間斷，氣候逐漸干旱.

致謝:感謝審稿人對本文提出的寶貴修改意見.

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