云南小中甸盆地地球化學(xué)特征及其環(huán)境意義

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(xué) 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(xué)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(fēng)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(fēng)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(jì)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(xué)元素特征及分異規(guī)律的分析，探討了西南季風(fēng)控制下的小中甸盆地40 cal.ka BP以來的化學(xué)風(fēng)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(fēng)影響，大量水汽通過季風(fēng)進(jìn)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(xué)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(xué)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(fù)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(xué)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(xué)西部環(huán)境教育部重點實驗室進(jìn)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(yīng)沉積剖面中5個粗粉砂層.一般認(rèn)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(jìn)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(xué)參數(shù)與環(huán)境變化

K2O/Na2O：鈉和鉀是活性極強(qiáng)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(qiáng)，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(jìn)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(fēng)化越弱，水熱條件差；反之，風(fēng)化作用強(qiáng)，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(fēng)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(yīng)，指示了相對較弱的西南季風(fēng)強(qiáng)度.

圖5 小中甸湖相沉積物地球化學(xué)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(fēng)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(jìn)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(fēng)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(yīng)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(fēng)化強(qiáng)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(dāng)時湖泊流域有較強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)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(xué)特征記錄的西南季風(fēng)演化歷史

元素的分異規(guī)律與風(fēng)化強(qiáng)度以及元素的地球化學(xué)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(yīng)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(xué)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(fēng)活動減弱相一致[19,31-32].因受到西南季風(fēng)演化的影響，小中甸沉積物地球化學(xué)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(fēng)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(xué)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(fēng)演化的歷史，研究結(jié)果可與中甸納帕海和鶴慶盆地進(jìn)行對比.

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

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

[1] GREGORY S W.The alps of Tibet and their geographical relation[J].Geogr.Jour.,1923,61(3):166-177.

[2] 任美鍔.云南西北部金沙江河谷地貌與河流襲奪問題[J].地理學(xué)報,1959,25(2):135-155.

[3] 張葉春,李吉均，朱俊杰.晚新生代金沙江形成與過程研究[J].云南地理環(huán)境研究,1998,10(2):43-48.

[4] 張蕓,朱誠,于世永.長江三峽張家灣遺址孢粉組合及古環(huán)境演變[J].長江流域資源與環(huán)境,2001,10(3):284-288.

[5] 楊達(dá)源,李徐生.金沙江東流的研究[J].南京大學(xué)學(xué)報,2001,37(3):317-322.

[6] CLARK M K,SCHOENBOHM L M,ROYDEN L H,et al.Surface uplift,tectonics, and erosion of eastern Tibet from large-scale drainage patterns[J].Tectonics,2004，23(1)：1-20.

[7] 史正濤,明慶忠,董銘.長江第一彎成因新探[J].云南地理環(huán)境研究,2006,18(3):1-6.

[8] 明慶忠,史正濤,董銘.長江第一灣成因及形成時代探討[J].地理科學(xué)研究進(jìn)展,2007,26(3):119-125.

[9] 明慶忠,史正濤.三江并流區(qū)干熱河谷成因探討分析[J].中國沙漠,2007,27(1):99-104.

[10]明慶忠,史正濤,蘇懷,等.金沙江虎跳峽成因及形成時代探討[J].熱帶地理,2007,27(5):400-404.

[11]楊達(dá)源,韓志勇,葛兆帥,等.金沙江石鼓-宜賓河段的貫通與深切地貌過程的研究[J].第四紀(jì)研究,2008,28(4):564-568.

[12]KONG P,ZHENG Y,CAFFEE M W.Provenance and time constraints on the formation of the first bend of the Yangtze River[J].Geochemistry,Geophysics,Geosystems,2012，13(6)：6017-6032.

[13]明慶忠,潘保田,蘇懷,等.山區(qū)河谷-水系演化及環(huán)境效應(yīng)研究—以金沙江為例[J].云南師范大學(xué)學(xué)報,2013,33(2):1-10.

[14]明慶忠，潘保田，蘇懷，等.金沙江河谷—水系演化的崩滑外動力作用研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，33(5)：1-8.

[15]王蘇民,張振克.中國湖泊沉積與環(huán)境演變研究的新進(jìn)展[J].科學(xué)通報,1999,44(6):579-587.

[16]趙希濤,鄭綿平,李道明.云南迪慶小中甸古湖的形成演化及其與石鼓古湖和金沙江河谷發(fā)育的關(guān)系[J].地質(zhì)學(xué)報,2007,81(12):1645-1651.

[17]明慶忠,蘇懷,史正濤,等.云南小中甸盆地湖相沉積記錄的最近5次Heinrich事件[J].地理學(xué)報,2011,66(1):123-130.

[18]趙希濤,曲永新,張永雙,等.滇西北麗江地區(qū)石鼓古湖的發(fā)現(xiàn)及其在現(xiàn)代金沙江河谷發(fā)育中的意義[J].地質(zhì)通報,2007,26(8):960-969.

[19]殷勇,方念喬.云南中甸納帕海57000年來湖泊氣候記錄及與海洋記錄的對比[J].地學(xué)前緣,2002,9(1):10.

[20]明慶忠.三江并流區(qū)地貌與環(huán)境效應(yīng)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[21]TAYLOR S R,MCLENNAN S M.The Continental crust:its composition and evolution[M].London:Blackwell Scientific Publications,1985.

[22]張虎才.元素表生地球化學(xué)特征及其理論基礎(chǔ)[M].蘭州:蘭州大學(xué)出版社,1997.

[23]李卓侖,王乃昂,李育,等.河西走廊花海古湖泊早、中全新世湖水鹽度變化及其環(huán)境意義[J].冰川凍土,2013,35(6):1481-1489.

[24]趙永勝,宋振亞,溫景萍,等.保山盆地湖相泥巖微量元素分布與古鹽度定量評價[J].海洋與湖沼,1998,29(4):409-415.

[25]ZHANG WENXIANG,SHI ZHENGTAO,CHEN GUANGJIE,et al.Geochemical characteristics and environmental significance of Talede loess-paleosol sequences of Ili Basin in Central Asia[J].Environmental Earth Sciences,2013,70(5):2191-2202.

[26]吳艷宏,李世杰,夏威嵐.可可西里茍仁錯湖泊沉積物元素地球化學(xué)特征及其環(huán)境意義[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報,2004,26(3):64-68.

[27]NESBITT H W,YOUNG G M.Early Proterozoic climates and plate motions inferred from major element chemistry of lutites[J].Nature,1982,299:715-717.

[28]MCLENNAN S M.Weathering and global denudation[J].Journal of Geology,1993,101:295-303.

[29]孫千里,肖舉樂,劉韜.岱海沉積物元素地球化學(xué)特征反映的末次冰期以來季風(fēng)/干旱過渡區(qū)的水熱條件變遷[J].第四紀(jì)研究,2010,30(6):1121-1130.

[30]張文翔,張虎才,雷國良,等.柴達(dá)木貝殼堤剖面元素地球化學(xué)與環(huán)境演變[J].第四紀(jì)研究,2008,28(5):917-928.

[31]肖霞云,沈吉,肖海豐,等.云南鶴慶盆地中更新世以來的孢粉記錄及其植被與氣候變化[J].湖泊科學(xué),2006,18(4):369-376.

[32]ZHANG WENXIANG,MING QINGZHONG,SHI ZHENGTAO,et al.Lake sediment records on climate change and human activities in the Xingyun Lake catchment,SW China[J].Plos One,2014,9(3):e102167.