甘國其， 張文翔， 明慶忠， 史正濤， 蘇懷

(云南省高原地理過程與環(huán)境變化重點實驗室，云南 昆明 650500；云南師范大學 高原湖泊與全球變化實驗室，云南 昆明 650500)

近百年來，金沙江的河谷地貌成因、時代及河谷發(fā)育與氣候間的關(guān)系一直是學術(shù)界研究的熱點[1-14].由于湖相沉積物連續(xù)性好、分辨率高、記錄了氣候環(huán)境演變的眾多信息，因此成為研究環(huán)境變化的理想載體之一[15].小中甸盆地地處金沙江流域和西南季風控制區(qū)，盆地內(nèi)的湖相沉積物記錄了區(qū)域環(huán)境氣候變化，是研究西南季風演化的理想地區(qū)之一.前人研究發(fā)現(xiàn)，小中甸盆地的第四紀湖相沉積共發(fā)現(xiàn)3套[16]，并且敏感地記錄了近40 ka以來的Heinrich事件[17].本文通過對云南小中甸盆地湖相沉積物地球化學元素特征及分異規(guī)律的分析，探討了西南季風控制下的小中甸盆地40 cal.ka BP以來的化學風化作用及環(huán)境演化歷史.

1 研究區(qū)概況

云南小中甸盆地位于青藏高原和橫斷山脈東南緣(27°20′-27°43′N，99°36′-99°59′E),是新生代形成的一個南北向斷陷盆地[4].盆地里沉積了數(shù)百米厚的多套湖相地層[18]，湖相沉積物沿盆地伸展方向大致呈北北西向分布，面積約400 km2.同時，小中甸盆地常年受西南季風影響，大量水汽通過季風進入盆地[19].其多年平均氣溫5.8 ℃，年平均降水量849.8 mm，降水主要集中在夏季[20]；云南小中甸盆地周邊山地植被垂直發(fā)育，盆地內(nèi)以莎草科植被為主[17].

2 樣品采集與分析

2.1 樣品采集

剖面位于小中甸盆地西北約8 km(圖1)的一人工開挖露頭，總深度15.3 m.剖面以青灰色粉砂質(zhì)黏土為主，其頂部為0.4 m現(xiàn)代土壤，剖面中含有5層粉砂層，底部為黑色碳質(zhì)黏土層(圖2).野外元素地球化學樣品采樣間距50 cm，共采集樣品32個.

圖1 小中甸湖相沉積采樣點位置

Fig.1 The location of Xiaozhongdian lake sediment profile

圖2 沉積剖面

Fig.2 Stratigraphy of Xiaozhongdian section

2.2 實驗方法

沉積物地球化學元素組成利用荷蘭Magix PW2403 X-射線熒光光譜儀測定.碳酸鹽分析使用排氣法測定(即先測定加入鹽酸后產(chǎn)生的CO2氣體的量，然后轉(zhuǎn)化成CaCO3含量)，其重復測量的誤差小于0.5%.14C年代樣品的分析在芬蘭1220型液閃計數(shù)器上完成.根據(jù)其年代分析結(jié)果[16]并通過內(nèi)插的方法，建立了整個剖面年代學序列，其剖面底部年代約為40 ka.全部的實驗及年代測定均在蘭州大學西部環(huán)境教育部重點實驗室進行.

3 結(jié)果與討論

3.1 元素氧化物含量與變化特征

小中甸湖相沉積物中常量元素氧化物分析結(jié)果(圖3)顯示，樣品中氧化物總含量在90.44%～93.11%之間，平均含量為91.70%；其中以SiO2為主,約占57.23%(53.51%～65.40%)，Al2O3平均含量為14.09%(10.97%～16.54%)，CaO 占5.13%(0.56%～8.79%)，F(xiàn)e2O3、MgO、Na2O、K2O分別占8.23%、2.46%、0.80%和2.37%，氧化物含量表現(xiàn)出SiO2>Al2O3>Fe2O3>CaO>MgO>K2O>TiO2>Na2O的特征.同時，在剖面1.7～2.2 m、3.2～3.5 m、7～7.2 m、11.8～12.2 m和14.2～14.3 m處，各元素含量發(fā)生變化，特別是TiO2波動較為顯著，其對應沉積剖面中5個粗粉砂層.一般認為，湖泊中的Ti元素主要來源于外源輸入，其變化情況主要受控于流域氣候環(huán)境變化.

進一步分析發(fā)現(xiàn)(圖4)：小中甸湖相沉積物的Na2O/Al2O3值相對于其在上地殼(UCC為0.224[21])都有明顯的虧損，但分布范圍較集中，揭示了小中甸湖相沉積物來源及構(gòu)成的穩(wěn)定性.

3.2 地球化學參數(shù)與環(huán)境變化

K2O/Na2O：鈉和鉀是活性極強的堿金屬元素.由于鉀比鈉更易失去電子，其還原性都比鈉強，性質(zhì)也更活潑.在還原條件下，水體鹽度越高，鉀和鈉越易被黏土吸附或進入伊利石晶格，且相對于鈉，元素鉀的吸附量更大[22].因此，K/Na可以反映湖水鹽度的高低，水體的鹽度越高，其值越大[23].根據(jù)小中甸湖相沉積物K2O/Na2O值的變化特征，可以將K2O/Na2O分為三個階段(圖5).其中在27.9～10.9 cal.ka BP間，湖泊鹽度較高，指示了水位下降，湖泊快速收縮的過程；約在10 cal.ka BP以后由于湖泊收縮，鹽度不斷增加直至最終消亡.

圖3 小中甸湖相沉積物常量元素含量變化曲線

Fig.3 Variation of oxide and element contents in Xiaozhongdian section

圖4 小中甸湖相Na2O/Al2O3-K2O/Al2O3分布圖

Fig.4 The relationship between Na2O/Al2O3and K2O/Al2O3

退堿系數(shù)(w=(K2O+Na2O+CaO)/Al2O3)反映了活動組分與惰性組分之間的關(guān)系，與氣候條件密切相關(guān).湖泊沉積物中，其值越高，表明入湖的惰性組分越少，源區(qū)的風化越弱，水熱條件差；反之，風化作用強，水熱條件較好[24].從小中甸湖相沉積物的退堿系數(shù)變化來看(圖5)，其值在31.1～10.9 cal.ka BP間風化程度相對較弱，此時段正好處于末次冰期，與深海氧同位素第2階段(MIS2)相對應，指示了相對較弱的西南季風強度.

圖5 小中甸湖相沉積物地球化學參數(shù)變化與環(huán)境

Fig.5 Variation of geochemical ratios in Xiaozhongdian section and their climate significances

SiO2/Al2O3與SiO2/(Fe2O3+Al2O3)：鋁硅酸鹽在風化作用下一般轉(zhuǎn)變?yōu)轲ね恋V物,如伊利石、蒙脫石和高嶺石等,只有在極端濕熱的條件下,如熱帶、亞熱帶濕潤炎熱的情況下,黏土礦物才能進一步發(fā)生紅土化作用,使黏土礦物再分解,硅、鋁分離,硅隨水遷移,而鋁則在原地堆積并風化形成最終產(chǎn)物鋁土礦.鐵是受氧化還原作用影響比較大的元素,還原條件下,鐵呈二價,溶解并遷移,在氧化環(huán)境中,二價鐵極易被氧化為三價鐵發(fā)生淀積,相應地湖泊沉積物中鐵含量就會降低.因此湖泊沉積物硅鋁率SiO2/Al2O3和硅鋁鐵率SiO2/(Fe2O3+Al2O3)與風化強度呈正比[25].從小中甸湖相沉積物的硅鋁率SiO2/Al2O3和硅鋁鐵率SiO2/(Fe2O3+Al2O3)變化特征來看(圖5)，40～27.9 cal.ka BP和10.9～0 cal.ka BP間處于高值段，指示當時湖泊流域有較強的化學風化過程.同時，小中甸沉積物的硅鋁率和硅鋁鐵率的變化特征與退堿系數(shù)具有較好的一致性.

3.3 小中甸沉積物地球化學特征記錄的西南季風演化歷史

元素的分異規(guī)律與風化強度以及元素的地球化學行為的研究對深入了解不同氣候系統(tǒng)對全球變化的響應過程及區(qū)域與全球環(huán)境演化具有重要的意義[26-30].通過以上對小中甸湖相沉積物地球化學元素和相關(guān)元素比值的分析以及與其他區(qū)域?qū)Ρ妊芯勘砻鳎?0～31 cal.ka BP期間，云南小中甸區(qū)域氣候溫暖干燥，與中甸納帕海[19]和鶴慶盆地發(fā)現(xiàn)末次冰期間冰階西南季風活動減弱相一致[19,31-32].因受到西南季風演化的影響，小中甸沉積物地球化學記錄了多次湖泊水位波動并最終消亡，以及千年尺度的氣候變化過程，表現(xiàn)為暖干-冷濕-暖干的變化特征.同時，沉積物記錄的30.4、23.6和12.5 cal.ka BP三次干旱事件反映了降水的減少及西南季風的減弱.

4 結(jié) 論

(1)云南小中甸湖相沉積物中氧化物含量表現(xiàn)出SiO2>Al2O3> Fe2O3>CaO>MgO>K2O>TiO2>Na2O的特征，Na2O/Al2O3值分布范圍較為集中，但相對于其在上地殼的值均有較明顯的虧損.

(2)小中甸沉積物地球化學記錄了多次湖泊水位波動并最終消亡，以及千年尺度的氣候變化過程，表現(xiàn)為暖干-冷濕-暖干的特征.同時，沉積物記錄了30.4、23.6和12.5 cal.ka BP的三次干旱事件,指示了40 cal.ka BP以來西南季風演化的歷史，研究結(jié)果可與中甸納帕海和鶴慶盆地進行對比.

(3)對云南小中甸盆地湖相沉積物地球化學的研究有助于重建西南季風的演化過程、區(qū)域環(huán)境氣候與全球變化耦合機制的進一步探究.

致謝：本文在采樣研究過程中得到了蘭州大學張林源教授的指導，文中14C測年工作由蘭州大學曹繼秀高工完成，特此表示感謝.

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