新疆喀納斯湖沉積物粒度組分所揭示的環(huán)境特征

周建超吳敬祿++曾海鰲

文章編號：16726561（2016）06085910

摘要：通過對新疆喀納斯湖沉積物進行粒度分析，結合放射性同位素210Pb、137Cs定年，研究了喀納斯湖沉積物粒度敏感組分特征及其環(huán)境意義?？{斯湖沉積物以細顆粒組分（粒徑小于16 μm）為主，但1814～1830年（32～35 cm深度處）和1893～1903 年（18～20 cm深度處）這兩個時期的沉積物粒度特征發(fā)生了突變，粗顆粒組分（粒徑大于16 μm）尤其是粒徑大于63 μm組分含量迅速升高。對沉積物粒度頻率曲線的分析表明，這兩個時期的沉積物來源或沉積動力過程發(fā)生了顯著變化。基于此，首先運用粒徑標準偏差法提取了沉積物中的敏感粒度組分C2（粒徑為15～238 μm），進而通過敏感粒度組分與器測氣象數(shù)據(jù)的相關性分析和沉積物粗粒徑（C）中值粒徑（M）圖分析，研究了喀納斯湖沉積物沉積時的動力條件。組分C2的含量大小與區(qū)域春季、夏季溫度有關，反映了山地春季和夏季雪、冰融水入湖的強度，組分C2含量在1814～1830年和1893～1903年這兩個時期的快速增大與水動力異常偏大有關，據(jù)此識別了兩次顯著的洪水事件。與區(qū)域樹輪、冰芯記錄及文獻記載的對比分析表明，洪水事件的發(fā)生與對應時期內暖濕的氣候特征有關。

關鍵詞：環(huán)境演化；沉積物；粒度；敏感組分；環(huán)境意義；洪水事件；喀納斯湖；新疆

中圖分類號：P512.2文獻標志碼：A

Environmental Characteristics Inferred from Sediment Sensitive Grainsize Component Records in Kanas Lake of Xinjiang

ZHOU Jianchao1，2， WU Jinglu1， ZENG Haiao1

（1. State Key Laboratory of Lake Science and Environment， Nanjing Institute of Geography and Limnology，

Chinese Academy of Sciences， Nanjing 210008， Jiangsu， China； 2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract： Based on the analysis of a sediment core from Kanas Lake of Xinjiang， compared with the dating of radioactive 210Pb and 137Cs isotopes， the characteristics and environmental significance of sensitive grainsize components of sediments in Kanas Lake were studied. The sediments mainly consist of fine particle components （grain size is less than 16 μm）； however， during 18141830 AD （the depth of 3235 cm） and 18931903 AD （the depth of 3235 cm）， the grainsize displays a sudden shift， which is the significant increase of the coarse particle components （grain size is more than 16 μm， especially more than 63 μm）. The analysis of grainsize frequency curves of sediments indicates that the sediment provenances or dynamic processes have changed significantly during 18141830 AD and 18931903 AD. And then， the sensitive grainsize component C2 （grain size is 15238 μm） of sediment is extracted by the method of grain sizestandard deviation. Based on the correlation analysis of sensitive grainsize component and meteorological data measured by apparatus， the dynamic conditions of sediments in Kanas Lake were studied with the CM diagram analysis of sediments. The content of sensitive grainsize component C2 is related to the regional spring and summer average temperature， and reflect the intensity of the meltwater from spring， summer snow and ice into the lake in mountainous； the significant increases of content of component C2 during 18141830 AD and 18931903 AD are related to the unusual increase of hydrodynamic force， thus two significant flood events are identified. Compared with the historical literatures and the records of tree ring and ice core， the flood events are related to warmer and wetter climate conditions during 18141830 and 18931903.

Key words： environmental evolution； sediment； grainsize； sensitive component； environmental significance； flood event； Kanas Lake； Xinjiang

0引言

近百年來，全球發(fā)生了以增溫為主要特征的氣候變化，同時氣候的不穩(wěn)定性更為顯著。干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，對氣候及環(huán)境變化響應敏感。隨著西北地區(qū)的氣候由暖干向暖濕轉型[1]以及降水變化的不確定性增加，尤其是山區(qū)融雪性洪水及暴雨洪水頻發(fā)，為當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展帶來了不利影響[2]。通過對歷史時期氣候環(huán)境演化、突變事件及其原因的分析，能夠為區(qū)域氣候變化過程中可能出現(xiàn)的環(huán)境突變事件提供歷史相似型，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護提供借鑒。湖泊沉積物是陸地環(huán)境變化的天然檔案庫，保存了豐富的環(huán)境演化信息，是研究過去環(huán)境變化的良好載體。沉積物中的粒度作為重建古環(huán)境的重要指標已廣泛應用于古環(huán)境研究之中[311]。

湖泊沉積物往往是多種來源或沉積動力過程的混合，不同的動力機制所帶來的沉積物必然會對沉積物的粒度組成產(chǎn)生影響[1213]。陳敬安等研究發(fā)現(xiàn)，湖水能量是控制沉積物粒度分布的重要因素，粒度的粗細代表了水動力的強弱、湖泊輸入水量的相對大小[36]；但強明瑞等研究表明，沉積物中粗顆粒含量和中值粒徑大小可以指示歷史時期沙塵天氣發(fā)生的頻率和強度[1215]。因此，需要明確粒度變化的環(huán)境指示意義，進而探討各粒度組分所指示的沉積學意義。已有的研究表明，通過Weibull分布函數(shù)擬合法[1617]、端元模型法[18]、粒徑標準偏差法[1920]、因子分析法[21]等數(shù)學方法可以從多峰態(tài)的粒度頻率曲線中分離出單一粒度組分的特征，提取敏感粒度組分并對沉積物的來源進行分析。本文基于對喀納斯湖沉積物粒度特征的分析，運用粒徑標準偏差法提取沉積物中的敏感粒度組分，通過其與器測氣象數(shù)據(jù)及區(qū)域樹輪、冰芯記錄的對比分析，明確粒度敏感組分的環(huán)境指示意義，揭示研究時段內的環(huán)境突變事件及其控制因素，為新疆山地湖泊的環(huán)境保護及流域規(guī)劃提供借鑒。

1研究區(qū)概況

喀納斯湖（48°42′N～48°53′N，86°59′E～87°09′E）位于新疆維吾爾自治區(qū)布爾津縣境內北部的阿爾泰山中段西南坡，系額爾齊斯河主要支流布爾津河上游喀納斯河的一個開闊段，為中國唯一屬于北冰洋—西伯利亞水系的深水湖泊（圖1）。湖泊水域面積約45 km2，湖面海拔約1 362 m，平均水深97 m，最大水深197 m，蓄水量43.44×108 m3；湖水pH值為8.17，湖水礦化度為004 g·L-1，為淡水湖[2224]。湖泊外形呈月牙形，最大湖長約24 km，寬僅2.6 km；湖岸陡峭，湖盆呈斗形。喀納斯湖所在阿爾泰山主要受西風氣流的影響和控制，帶來大量降水補給冰川，年降水量700～900 mm，其中冬季和春季降水占45%～50%，系北冰洋極地氣團帶來的[25]?？{斯湖東北側友誼峰（海拔4 374 m）附近的喀納斯冰川和湖正北方冰川的冰雪融水分別通過喀納斯河、阿庫里滾河匯入喀納斯湖，構成喀納斯湖的主要補給水源；主要排泄水道為喀納斯湖南側的喀納斯河。隨著西北地區(qū)的氣候由暖干向暖濕轉型[1]，阿勒泰地區(qū)春季融雪洪水和夏季暴雨洪水相應增多，對區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了不利影響。

2采樣與分析方法

2012年，在喀納斯湖開闊區(qū)用重力采樣器采集湖泊沉積巖芯，最長巖芯柱長82 cm，表層沉積巖芯未受擾動。巖芯在野外現(xiàn)場按1 cm間隔分樣，共獲得82個樣品，按順序裝入密封袋中保存。所有樣品及時運回實驗室后置于溫度為4 ℃冰箱中冷藏，以備分析測試。本文主要對60 cm以上層段進行分析。

210Pb和137Cs放射性比活度是通過γ譜分析系統(tǒng)直接分析465、662 keV處的γ射線能譜得到的，而210Pb的母體同位素226Ra通過分析352 keV處的γ射線能譜得到的。分析儀器為美國ORTEC公司生產(chǎn)的由高純鍺井型探測器（HPGe GWL）、Ortec 919型譜控制器和計算機構成的16K多道分析器所組成的γ譜分析系統(tǒng)。本項分析在中國科學院南京地理與湖泊研究所完成。

沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥后，取樣品02 g左右加入10 mL質量分數(shù)為10%的H2O2和10 mL質量分數(shù)為10%的稀HCL溶液分別去除樣品有機質及碳酸鹽，并加入10 mL分散劑質量分數(shù)為5%的六偏磷酸鈉溶液超聲波振蕩。將振蕩后的樣品采用英國Malvern公司生產(chǎn)的 Mastersize2000型激光粒度儀測量，各粒級組分平行分析誤差小于5%。粒度試驗在中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室完成。

3結果分析

3.1定年結果

喀納斯湖巖芯主要由黏土質粉砂組成，但32～35 cm和18～20 cm兩個層段主要由砂質粉砂組成。圖2（a）顯示了過剩210Pb和137Cs活度的垂直分布。過剩210Pb活度到195 cm深度處達到了平衡，而在195 cm深度以上，過剩210Pb活度隨巖芯深度的增加呈指數(shù)衰減[圖2（a）]?？{斯湖巖芯137Cs活度5 cm深度處有一顯著的峰[圖2（a）]，該層位應是1963年大氣核試驗形成的蓄積峰層位[26]。喀納斯湖為過水性湖泊，其沉積速率會隨過湖水流強度的變化而變化，因此，采用CRS模式計算年代[27]。運用CRS模式計算得到8 cm深度處對應的年代為1968年，因而210Pb定年結果與137Cs定年結果總體一致。運用CRS模式計算得到185 cm深度處對應的年代為1899年，考慮到巖芯底部的壓實作用，185 cm以下層段的年齡通過160～185 cm深度處平均線性沉積速率（每年0.192 cm）獲得，60 cm深度處對應的年代約為1683年，據(jù)此建立了巖芯年代與深度的對應關系[圖2（b）]。

圖2巖芯巖性與年代模式

Fig.2Lithology and Age Model of Cores

3.2粒度特征

根據(jù)UddenWentworth法將巖芯巖性劃分為黏土（粒徑小于4 μm）、細粉砂（粒徑為4～16 μm）、中粉砂（粒徑為16～32 μm）、粗粉砂（粒徑為32～63 μm ）和砂（粒徑大于63 μm）等5類，劃分結果見圖3?？{斯湖沉積物主要由黏土和細粉砂組成，分別占總量的36.2%和45.2%，但32～35 cm和18～20 cm深度處黏土和細粉砂組分的含量（體積分數(shù)，下同）顯著降低，平均含量分別為146%和161%，中粉砂組分平均含量為10%，粗粉砂組分平均含量為57%，砂組分含量整體較低，平均僅29%，但32～35 cm和18～20 cm深度處含量顯著增大，平均含量分別為2430%和1386%，最高含量超過30%，中值粒徑、平均粒徑和標準偏差也相應增大。從圖3可以看出，不同粒度組分隨深度的變化有所不同。黏土組分與粉砂組分變化趨勢較為一致，與粒徑大于16 μm各組分的變化趨勢相反；中值粒徑、平均粒徑與粒徑大于16 μm各組分的變化趨勢較為一致。

沉積物粒度頻率曲線能夠直觀反映其所包含的粒度組分（單組分或多組分）信息，并可通過求解不同組分的分布范圍和相對含量來追索沉積物的物質來源和搬運方式。當搬運介質和搬運方式一定以及介質動力大小穩(wěn)定時，它所搬運的沉積物粒度總體是一個單因子控制的單組分分布；多組分總體是單組分的自然累積，在頻率曲線上表現(xiàn)為多峰光滑曲線[28]?？{斯湖沉積物粒度頻率曲線主要為單峰負偏態(tài)曲線，粒度偏向細粒級一側，反映了較為單一、比較穩(wěn)定的沉積動力條件[圖4（a）]；但32～35 cm深度處粒度頻率曲線變?yōu)閱畏逭珣B(tài)曲線，沉積物粒度明顯變粗，表明沉積物的搬運介質或介質動力發(fā)生了顯著變化[圖4（b）]；

圖（a）曲線對應不同深度巖芯樣品

18～20 cm深度處粒度頻率曲線呈雙峰態(tài)，表明沉積物可能來源于同一物源，但在不同沉積動力過程中按照不同的比例混合而成，也可能是不同物源和不同沉積動力條件共同作用的結果[圖4（c）]。對于西北干旱、半干旱地區(qū)的湖泊而言，其沉積作用主要包括流水作用、風力作用及流水和風力的混合作用。從喀納斯湖沉積物的粒度頻率曲線特征來看，在某些時期，沉積作用的強度發(fā)生了顯著變化，也可能有其他沉積作用參與其中。

4討論

4.1粒度敏感組分及其指示意義

本文運用粒徑標準偏差法來提取粒度中的敏感組分。圖4（d）展示了利用粒徑標準偏差法所提取出的3個粒度組分，較高的標準偏差所對應的粒級為對沉積環(huán)境變化敏感的粒度眾數(shù)。兩個明顯的標準偏差峰值對應的粒徑為47 μm和532 μm，其界限為15 μm；此外，在粗粒側（粒徑為238～708 μm）也有一較弱的峰。據(jù)此將剖面粒度劃分為C1（粒徑小于15 μm）、C2（粒徑為15～238 μm）和C3（粒徑大于238 μm）等3個組分。組分C1含量為170%～972%，平均為805%；組分C2含量為28%～817%，平均為194%；組分C3含量低于1%，本文不討論其環(huán)境意義。

從圖5可以看出，組分C1、C2的粒級含量均有顯著波動，組分C1、C2的含量在整個剖面呈大致相反的變化趨勢。從各組分平均粒徑的變化來看，組分C1、C2平均粒徑與剖面中值粒徑總體上呈一致的變化趨勢，但組分C2平均粒徑變化更為顯著，且與剖面中值粒徑的相關性更好，反映了湖泊沉積物粒度變化主要受組分C2的含量及平均粒徑的控制，組分C2應是沉積物粒度組成中的環(huán)境敏感粒度組分。

為了明確環(huán)境代用指標的環(huán)境指示意義，將敏感組分C2的含量及平均粒徑與湖區(qū)1958～2012年器測氣象數(shù)據(jù)（以阿勒泰市氣象站為代表）進行相關性分析（表1）。由表1可知：組分C2含量與夏季（6月至8月）均溫、春季（4月至5月）均溫在005水平上顯著相關，與夏季降水量及暴雨頻次（降雨量大于24 mm的天數(shù)）、冬季降水量及暴雪頻次（降雪量大于5 mm的天數(shù)）均呈正相關關系，但不顯著；組分C2的平均粒徑與各項器測氣象數(shù)據(jù)的相關性均不顯著。在春季、夏季溫度偏高的年份，冰川活動性高，侵蝕力強，且春季、夏季的融雪水量增大，入湖徑流強度增大，冰水河流攜帶現(xiàn)代冰川磨蝕作用形成的粉砂物質和古冰磧中的細顆粒物質進入湖泊[29]，較強的入湖徑流能夠帶來更多的粗顆粒物質并沉積下來，組分C2的含量相應增大。因此，組分C2的含量變化間接反映了春季、夏季溫度的變化。

4.2CM圖分析

沉積物粗粒徑（C）與中值粒徑（M）的相關關系包含了豐富的環(huán)境變化信息，據(jù)此可以判定沉積物的搬運方式，推測特殊沉積環(huán)境與成因[30]。通過

不同沉積物粗粒徑、中值粒徑可繪出相應的CM圖。根據(jù)CM圖形態(tài)、沉積物分布范圍以及圖形與C=M基線的關系等特點，可對沉積物形成時的沉積環(huán)境做出判斷。根據(jù)CM圖，Wilhelm等將阿爾卑斯山Blanc湖沉積物劃分為不同沉積類型，進而識別了歷史時期的環(huán)境突變事件[31]。

對喀納斯湖沉積物進行CM圖分析（圖6），喀納斯湖沉積物主要存在兩種巖性類型。巖性1是黏土質粉砂，分布在大多數(shù)層位；巖性2為砂質粉砂，分布在32～34 cm和19 cm 兩個層位。由此可以得到兩種沉積類型：沉積1型在CM圖中分布較為集中，中值粒徑與粗粒徑的變化范圍均較小，與典型的深水懸浮組分較為接近[30]，反映了靜水沉積環(huán)境；沉積2型中值粒徑變化較大，而粗粒徑變化較小，且各樣品擬合所得的曲線在CM圖上平行于C=M線，表明沉積物同樣受到水流的分選，但反映了水動力異常偏大，即洪水所形成的粒度特征。

粗顆粒組分C2（粒徑為15～238 μm）是對環(huán)境變化敏感的組分，其含量大小與區(qū)域春季、夏季溫度有關，反映了山地春季和夏季雪、冰融水入湖的強度。組分C2含量在多數(shù)層段變化平穩(wěn)，然而在32～35 cm（1814～1830年）及18～20 cm（1893～1903年）兩個層段快速增大，指示湖泊的沉積環(huán)境發(fā)生了突變。對沉積物CM圖的分析進一步表明，上述層段沉積環(huán)境的突變可能是洪水時期水動力異常偏大產(chǎn)生的。因此，組分C2含量在1814～1830年和1893～1903年兩個時期的快速增大記錄了兩次顯著的洪水歷史事件。

4.3沉積物記錄的洪水事件及其成因

干旱、半干旱地區(qū)湖泊沉積物的粒度組成主要受到流水作用和風力作用的影響[315，32]。喀納斯湖為山地湖泊，其所在的阿爾泰山阻擋了西來水汽，區(qū)域降水較為豐沛，區(qū)域森林植被廣泛發(fā)育，在一定程度上限制了風沙活動的發(fā)展，因而風力作用對湖泊沉積物粒度組成的影響有限。

另外，喀納斯湖是開口湖，也是深水湖，湖面波動及湖泊內流對沉積物的影響很微弱，沉積物中的粒度主要反映了入湖水流的水動力和流量大小。如果入湖水流強度大，細顆粒物質來不及沉積就被帶出湖泊，粗顆粒物質因重力作用而沉積下來；當入湖水流強度較弱時，水流攜帶的粗顆粒物質相對減少，沉積物中沉積了更多的細顆粒物質。對同為開口湖的博斯騰湖[6]、鏡泊湖[33]、大鬼湖[34]的研究也有同樣的結論，即湖泊沉積物粒度主要指示了水動力和入湖流量的大小，進而與流域降水多少有關?？{斯湖既受大氣降水的補給，也受到冰川融水和季節(jié)性積雪融水的補給，而區(qū)域春季、夏季溫度可以通過影響雪、冰的消融量進而影響入湖流量，因此，喀納斯湖沉積物的粒度組成不單與流域降水多少有關，也包含了區(qū)域春季、夏季溫度變化的信息。

在1814～1830年和1893～1903年兩個時期，組分C2含量（尤其是粒徑大于63 μm的組分含量）顯著增大（圖7）。對沉積物CM圖的分析表明對應時期內水動力異常，反映了突變的沉積環(huán)境，記錄了兩次顯著的洪水事件。在對應兩次洪水事件發(fā)生的時期，阿勒泰地區(qū)樹輪記錄當時5月至9月月均溫偏高（圖7）[35]，尤其是1814～1830年，樹輪記錄其為近400年來高溫延續(xù)時間最長的時段[36]。較高的溫度有利于冰雪融化，使入湖水量變大并隨之帶來更多的粗顆粒物質。對應于喀納斯湖沉積記錄的洪水時期，古里雅冰芯積累量增加（圖7），而高的冰芯積累量指示了山地降水量的增加[37]。因此，喀納斯湖1814～1830年和1893～1903年兩次較大的洪水事件與當時暖濕的氣候背景有關。歷史文獻也記載清光緒二十年（1894年）（阿勒泰）烏梁海兩翼七旗大雪，春季牲畜死亡慘重[38]。冬季積雪較多，來年隨著溫度上升，積雪消融量變大，與湖泊記錄的1893～1903年洪水事件一致。

5結語

（1）喀納斯湖沉積物主要由黏土和細粉砂組成，分別占總量的36.2%和45.2%，中粉砂組分的平均含量為10%，粗粉砂組分的平均含量為5.7%，砂組分含量整體較低，平均僅2.9%，但在32～35 cm和18～20 cm兩個層段含量顯著增大，平均含量分別為2430%和1386%。不同粒度組分隨深度的變化有所不同，其中黏土組分與粉砂組分變化趨勢較為一致，與粒徑大于16 μm各組分的變化趨勢相反。

（2）運用粒徑標準偏差法提取了沉積物中的敏感粒度組分C2（粒徑為15～238 μm）。與湖區(qū)器測氣象數(shù)據(jù)的相關性分析及對沉積物CM圖的分析表明，組分C2的含量大小與區(qū)域春季、夏季溫度有關，反映了山地春季和夏季雪、冰融水入湖的強度，組分C2含量在1814～1830年和1893～1903年這兩個時期的快速增大與洪水時期水動力異常偏大有關。

（3） 敏感粒度組分C2含量及粒徑大于63 μm組分含量與區(qū)域冰芯、樹輪記錄的對比分析表明，1814～1830年和1893～1903年這兩個時期發(fā)生的洪水事件與對應時期內流域降水量增加、溫度偏高的氣候特征有關。

野外工作得到喀納斯景區(qū)管理委員會康劍等以及中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所馬龍等的支持和幫助，在此表示感謝。

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