內蒙古達來諾爾湖湖泊沉積物中敏感粒度組分沉積環(huán)境及地層分析

于瑞雪，李暢游，李文寶，甄志磊，趙勝男，張 帥

(1.內蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2.中國中鐵投資集團，安徽 安慶 246000)

內蒙古達來諾爾湖湖泊沉積物中敏感粒度組分沉積環(huán)境及地層分析

于瑞雪1，李暢游1，李文寶1，甄志磊1，趙勝男1，張 帥2

(1.內蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2.中國中鐵投資集團，安徽 安慶 246000)

對達來諾爾湖北岸岸邊(DL-0)、湖中心(DL-1)和湖南岸(DL-2)3個點的巖心沉積物進行了詳細的巖性分析、粒度分析和粒度參數(shù)垂向分布序列分析。對沉積環(huán)境變化較為敏感的粒度組分的分析發(fā)現(xiàn)DL-0與DL-1和DL-2井巖心沉積物敏感粒度組分的峰值有較大差別，其粒度分布范圍相差較大，表明湖北岸岸邊、湖中心和湖南岸的沉積物來源和沉積環(huán)境的時空差異。敏感粒度組分含量隨深度變化的初步分析表明，湖北岸岸邊(DL-0)和湖中心(DL-1)兩個點的沉積環(huán)境較為穩(wěn)定；而位于湖南岸(DL-2)點的沉積環(huán)境變化比較大，包含了5個明顯的沉積波動旋回，并對達來諾爾湖由北至南進行了沉積地層分析。在達來諾爾湖水下1.5m內主要是粒徑0～200μm的顆粒，巖性為粘土、粉砂和砂，以粘土和粉砂為主，隨著深度的增加，黏土含量增大，粉砂和砂含量減小。

達來諾爾湖；沉積環(huán)境；粒度分析；地層分析

引言

湖泊沉積物是地球陸地環(huán)境變化的自然檔案，保存豐富的環(huán)境變化和人類活動等信息，成為研究過去環(huán)境變化的良好載體[1,2]。沉積物粒度作為重建古環(huán)境的重要指標，廣泛應用于古環(huán)境研究之中[3-5]。目前主要通過對粒度組分Weibull分布的函數(shù)擬合法[6]、端元模型法[7]、粒徑標準偏差法[8-9]和因子分析法[10]等對沉積物的物質來源進行分析。湖區(qū)沉積物的粒度分析早就作為一個代理指標被用于指示與區(qū)域氣候和環(huán)境變化相關聯(lián)的湖泊的水文條件。湖泊沉積物以復眾數(shù)分布為特征，在一個粒度分布里，不同的粒度組成代表不同的沉積過程。因此，湖泊沉積物中粒度參數(shù)僅被認為是湖區(qū)水文條件的近似的指示指標[11]。本研究在內蒙古中東部達來諾爾湖北岸岸邊、湖中心、湖南岸分別取得0.95m、1.50m、1.14m的沉積物剖面和巖心，每隔1cm取樣，采用粒徑標準偏差法區(qū)分粒度組成。本文選擇這3個點的沉積物巖心樣品進行粒度分析，試圖依據(jù)巖心沉積物的粒度數(shù)據(jù)，分析粒度組成特征，對這3個巖心環(huán)境敏感粒度組分進行初步分析，探討這3個巖心沉積環(huán)境的變化過程[12]。

1 研究區(qū)概況

達來諾爾湖為內陸堰塞湖，位于內蒙古克什克騰西90km(圖1)。面積188.48km2，最大水深為11m，海拔1226m。此湖位于東西走向的渾善達克沙地的南部。湖的西側和南側是小山，東側是湖積平原。東北兩條永久性河流和西南兩條間斷性河流流入湖中，但沒有水流出。

達來諾爾湖地處半濕潤至半干旱的轉變區(qū)域，屬于中國的中溫帶。該湖流域的氣候受東亞季風氣候和西風(圖1)影響，冬季寒冷干燥，西北氣流盛行，一直從晚秋持續(xù)到春天。夏季向北遷移暖濕空氣，潮濕的氣團與西北的冷空氣相互作用，產(chǎn)生了大部分年降雨量。該湖流域年均溫度為1～2℃，年均降雨量為350～400mm。70%的年降雨量集中在6～8月，年均蒸發(fā)量為1287mm。從11月到次年4月，湖面覆蓋厚約1m的冰。

2 采樣與分析方法

2014年6月在達來諾爾湖北岸岸邊(DL-0)布設1m×3m×1m取樣剖面，在剖面上拍照和觀察，每隔1cm進行取樣。2015年1月在達來諾爾湖中部(DL-1)和南部(DL-2)用自制巖心取樣器分別采集長約1.50m和1.14m 的湖泊沉積物巖心(圖1、表1)。沉積物巖心樣品封裝后運回實驗室，并以1cm間隔取樣，裝入自封袋密封，低溫保存。

將樣品自然風干，碾碎，過24目篩子，取沉積樣品0.5g左右，將樣品用德國HELOS-RODOSM型激光粒度儀進行粒度測試[13]。

粒度能夠反映搬運介質能量的高低和沉積環(huán)境的變化[14-15]。本文根據(jù)傳統(tǒng)巖性分類將粒度分為黏土(4μm)、細粉砂(4～16μm)、中粉砂(16～32μm)、粗粉砂(32～64μm)和砂(>64μm)等5類[16]。本文采用?？?沃德提出的參數(shù)，即平均粒徑(MZ)、分選系數(shù)(σi)、偏態(tài)(Ski)、峰態(tài)(Kg)、中值粒徑(Md)[12]。

圖1 達里諾爾湖區(qū)域位置及鉆孔位置圖

Fig.1 Location of the Dalai Nur Lake and three sampling sites

表1 達來諾爾湖采樣點信息

3 分析結果與討論

3.1 沉積物粒度參數(shù)特征

3.1.1 平均粒徑和中值粒徑

代表粒度分布的集中趨勢，即碎屑物質的粒度一般趨向于圍繞著一個平均的數(shù)值分布，這個數(shù)值就是平均粒徑或中值或眾數(shù)。在實際意義上，其反映了搬運介質的平均動能。DL-0、DL-1和DL-2(圖2)3個點的巖心沉積物平均粒徑分別為4.54～6.22Φ、4.30～6.29Φ和3.71～6.80Φ，平均值分別為5.52Φ、5.29Φ和5.08Φ。從上往下，巖心沉積物顆粒均呈變細的趨勢。DL-0點在岸邊，遭受不同的風浪影響。在0～43cm的沉積物平均粒徑呈上升趨勢，沉積物顆粒由粗變細，風浪動力作用減弱。DL-1和DL-2點的0～89cm和0～58cm的沉積物平均粒徑均較為穩(wěn)定，變動幅度較小，沉積物顆粒分布較為均勻，此段應為同一物源沉積物，水動力作用比較穩(wěn)定。DL-2在湖南岸，在58～61cm的沉積物平均粒徑呈明顯下降趨勢，在61～78cm趨于平穩(wěn)，58～61cm處沉積物顆粒驟然變粗，水動力作用變強并在61～78cm處穩(wěn)定。DL-0點的43cm以下，沉積物的平均粒徑比較穩(wěn)定，變化幅度比較小，沉積物顆粒分布也比較均勻，此段應為同一物源沉積物，風浪動力作用穩(wěn)定。DL-1和DL-2的89cm以下和78cm以下，沉積物平均粒徑呈明顯上升趨勢，沉積物顆粒變細，水動力作用變弱。

DL-0、DL-1和DL-2(圖2)3個點的巖心沉積物中值粒徑分別為4.48～5.73Φ、3.77～6.38Φ和3.36～7.01Φ，平均值分別為為5.12Φ、4.85Φ和4.87Φ。中值粒徑的垂向變化規(guī)律與平均粒徑極為相似，3個點巖心從上部向下，沉積物顆粒均呈變細的趨勢。DL-0點的0～43cm處沉積物的平均粒徑呈上升趨勢，沉積物顆粒由粗變細。DL-1和DL-2點的0～89cm和0～58cm處，沉積物平均粒徑均較為穩(wěn)定，變動幅度較小。DL-0.43cm以下，沉積物中值粒徑較為穩(wěn)定，變動幅度較小。DL-1和DL-2的89cm以下和78cm以下，沉積物平均粒徑呈明顯上升趨勢，沉積物顆粒變細。

圖2 DL-0、DL-1和DL-2 3個點巖心粒度參數(shù)垂向序列變化

Fig.2 Vertical variations of the grain size parameters for the cores DL-0, DL-1 and DL-2

3.1.2 分選系數(shù)、偏態(tài)、峰度

DL-0、DL-1和DL-2點沉積物的分選系數(shù)分別為-2.02～ -0.85、 -2.55～-1.75和 -2.54～-1.21，平均值分別為-1.53、-2.21和-1.73，3個點的分選系數(shù)均代表分選極好的特征。分選系數(shù)的垂向變化規(guī)律與平均粒徑的變化規(guī)律相反，總體上呈減小趨勢。

偏態(tài)是用來表示頻率曲線對稱性的參數(shù)，實質上反映粒度分布的不對稱程度。DL-0、DL-1和DL-2沉積物偏態(tài)分別為 -0.57～-0.26、 -0.57～0.00和-0.61～0.08 ，平均值分別為-0.43、-0.34和-0.27。DL-0負偏，在垂向上一直很平穩(wěn)；DL-1負偏，在垂向上變動不大，但大體上有增大趨勢；DL-2很負偏，在垂直方向呈先減小后增大的趨勢。

峰度是用來衡量粒度頻率曲線尖銳程度的參數(shù)。DL-0、DL-1和DL-2沉積物峰態(tài)分別為0.77～1.84、0.71～1.11和0.65～1.35，平均值為1.22、0.89和1.05。DL-0顯示峰態(tài)為尖銳，在垂向上的分布顯示0～34cm處平穩(wěn)，34～41cm處開始下降，41cm以下處于平穩(wěn)；DL-1顯示峰態(tài)為平坦，在垂向上的分布較為平穩(wěn)，總體基本不變；DL-2顯示峰態(tài)為中等(正態(tài))，在垂向上的分布較為平穩(wěn)，但總體趨勢減小。

3.2 敏感粒度組分

湖泊不同區(qū)域受各方面因素影響而形成的沉積層和粒度特征有較大差異[17]。在進行沉積古環(huán)境分析之前，需要對該區(qū)域的物質來源和運移的動力過程進行調查與分析[18]，判別沉積物中可能粒度組分的沉積意義。由于物源和沉積動力的復雜性，現(xiàn)代和地質時期的沉積物普遍表現(xiàn)出多成因的組分混合。這樣的粒度參數(shù)沒有代表性，只能近似作為沉積環(huán)境的代用指標[19-21]。另外，由于粒度范圍較小[22-24]，如水流流速等組分對環(huán)境沒有重要的指示意義。因此，必須進行環(huán)境敏感粒度組分的提取。

目前，國內外對敏感粒度組分提取方面的研究頗多。Prins等人利用端元粒度模型計算出沉積物所包含的端元粒度組分數(shù)[24]；Boulay等人則通過沉積物的粒度標準偏差法來獲取敏感粒度組分的個數(shù)和分布區(qū)間[25]。孫有斌等曾利用兩種方法對同一組粒度進行了分析與比較，發(fā)現(xiàn)所獲得的粒度組分的個數(shù)相同[8]。本文采用粒級標準偏差算法提取沉積物中的環(huán)境敏感粒度組分并對粒度分析結果進行深入討論[26-27]。

粒級標準偏差的公式為：

(1)

圖3顯示本文采用粒級-標準偏差的算法獲得DL-0剖面沉積所有樣品的每一個粒級組分的標準偏差隨著粒級組分變化的曲線，圖中較高的標準偏差值所對應的粒級是對沉積環(huán)境敏感的粒度組分。

從圖3可以看出，DL-0、DL-1和DL-2沉積物都有一個標準偏差峰值，分別出現(xiàn)在41.08μm、82.16μm和34.36μm處。因此，對沉積環(huán)境敏感的粒度組分范圍分別是41～42μm、82～83μm和34～35μm，即41～42μm、82～83μm和34～35μm是對DL-0、DL-1和DL-2孔處沉積環(huán)境敏感的粒級。

3.3 不同粒度組分含量隨深度變化

由于DL-1孔的巖心在湖中心，在整個湖比較有代表性，DL-1孔的巖心在標準偏差-粒級組分曲線(圖3)上包含2個陸源物質的粒度組分中，細粒組分(<82μm)部分地來自于水層中、上部懸浮物的沉降，而其余部分(未知比率)與粗組分(>82μm)則是底床物質運動的產(chǎn)物。位于北岸岸邊的DL-0孔沉積物，包含了2個明確的粒度組分(圖3)。其中的粗組分(>41μm)不是水層中、上部懸浮物沉降的產(chǎn)物。位于南岸的DL-2孔的巖心，包含了2個明確的粒度組分(圖4)。其中的粗組分(>34μm)也不是水層中、上部懸浮物沉降的產(chǎn)物。對比分別位于達來湖北岸岸邊、湖中心和湖南岸3個巖心的粒度結果，可以看出兩地的沉積物均有兩種主要粒度組成構成。DL-1和DL-2孔的兩種主要粒度組分標準偏差峰值相同，但明顯小于DL-0孔的結果，表明DL-0孔地點與DL-1和DL-2的物質來源不盡相同。DL-0和DL-2孔的兩種主要粒度組分標準偏差的分布范圍相同，但明顯小于DL-1孔的結果，表明DL-1孔地點與DL-0和DL-2的輸運方式不盡相同。

圖3 3個點沉積物粒級—標準偏差曲線圖

Fig.3 Grain size vs. standard deviation diagram for the cores DL-0, DL-1 and DL-2

圖4顯示了DL-0孔粗粒(>41μm)、細粒(<41μm)兩種組分；DL-1孔粗粒(>82μm)、細粒(<82μm)兩種組分以及DL-2孔粗粒(>34μm)、細粒(<34μm)兩種組分的含量隨深度的變化。DL-0孔0～36cm粗組分的百分比大于細組分，36～98cm細組分百分比大于粗組分，是由于DL-0點湖岸邊風等動力運移粗顆粒到岸邊停止，細顆粒繼續(xù)向湖里運移，導致粗組分比細組分多。DL-1孔的整個巖心的兩種粒度組分含量隨深度的變化幅度不大，表明該孔記錄的沉積環(huán)境條件在時間上變化較小。DL-2孔的兩個粒度組成含量隨深度變化較大，5個粗組分含量的高值分別出現(xiàn)在4、31、42、65和82cm處(見圖4DL-2箭頭所示)，指示該孔共記錄了5個明顯的沉積波動旋回。

圖4 DL-0、DL-1和DL-2孔不同粒度組分含量隨深度變化(曲線箭頭為粗組分含量高值)

Fig.4 Variation of grain sizes as the function of depths of the cores DL-0, DL-1 and DL-2

3.4 地層分析

將DL-0、DL-1和DL-2個點設為一個剖面進行分析，可以劃分成一個剖面。根據(jù)中值粒徑垂向變化特征，結合各粒度組分含量隨深度變化特征曲線劃分出各個不同的層面，并繪制相關的地層剖面圖。DL-0剖面沉積物在0～36cm深度內，主要為粒徑4～64μm的粉砂和粒徑>64μm的砂，在36cm以下，主要為粒徑0～4μm的粘土和粒徑4～64μm的粉砂；DL-1孔沉積物深度主要為粒徑0～4μm的粘土和粒徑4～64μm的粉砂；DL-2孔沉積物在0～31cm之間，主要為粒徑0～4μm的粘土和粒徑4～64μm的粉砂； 31～82cm之間，沉積物主要為粒徑4～64μm的粉砂，粘土和砂的含量幾乎相同；82cm以下，主要為粒徑4～64μm的粉砂和粒徑0～4μm的粘土，而且隨著深度增加砂的含量減小。砂均見于各層，但含量很少。所以可以將這個剖面大體分為2層，分別是粘土、粉砂層。根據(jù)上述特征繪制了該剖面的地層剖面圖(圖5)。

圖5 達來諾爾湖剖面工程地質剖面圖

Fig.5 Engineering geological section across the Dalai Nur Lake

4 結論

在達來諾爾湖北岸岸邊，湖中心和湖南岸分別取得DL-0、DL-1、DL-2孔3個巖心，其中3個剖面的沉積物均以黏土和粉砂為主。從頂部向下，沉積物粒徑呈變細趨勢，沉積環(huán)境變化頻繁。通過粒徑-標準偏差的算法獲得了DL-0，DL-1和DL-2的沉積物環(huán)境敏感粒度組分。通過對粗細粒組分的垂向分布、平均粒徑(MZ)、分選系數(shù)(σi)、偏態(tài)(Ski)、峰態(tài)(Kg)、中值粒徑(Md)等參數(shù)分布特征的研究，代表著細組分越高，指示離湖岸越遠，DL-0孔與DL-1和DL-2孔的粒度運移能量不同。湖邊(DL-2)沉積物受湖濱拍岸浪和湖心(DL-1)的影響產(chǎn)生明顯的粒度分異規(guī)律。通過粒徑-標準偏差方法結合不同粒度組分含量隨深度變化曲線的對比研究，1960年以來，人類活動和自然災害顯著影響了湖泊的沉積特征，粗粒度明顯增加。通過對其分析確定達來諾爾湖水下1.5m內主要是粒徑0～200μm的顆粒，巖性主要為粘土、粉砂和砂，其中以粘土和粉砂為主，砂含量較少，主要是來自于水層中、上部懸浮物的沉降。其中砂粒與粉砂交替分層，第1層為活動的粉砂，穩(wěn)定性極差，隨水流運動的活動量較大；第2層為粘土，隨水流的運動相對較小，只有在水流速度一定大的時候才會發(fā)生變化，深度越深，地層越穩(wěn)定，隨水流的變化越小。3個沉積層序粒度特征的時空差異，無疑蘊含了與沉積動力過程的古環(huán)境演化密切相關的信息，有待于今后結合更多的資料進行深入的分析。

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Sedimentary environmental and stratigraphic analysis of the sensitive grain size components from the Dalai Nur Lake deposits, Inner Mongolia

YU Rui-xue1, LI Chang-you1, LI Wen-bao1, ZHEN Zhi-lei1, ZHAO Sheng-nan1, ZHANG Shuai2

(1.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,InnerMongolia,China; 2.ChinaRailwayInvestmentGroup,Anqing246000,Anhui,China)

The detailed analysis of lithology, grain size and vertical distribution of the grain-size parameters are made for the samples collected from the sites DL-0 at the northern bank, DL-1 at the central part and DL-2 at the southern bank of the Dalai Nur Lake, Inner Mongolia. The peak values of sensitive grain size components are found to be quite different, indicating the spatio-temporal differences of provenances and sedimentary environments in the above-mentioned well sites. The sites DL-0 and DL-1 indicate stable sedimentary environments while the site DL-2 indicates variable sedimentary environments in which five depositional cycles are recognized. The clay, silt and sand ranging in grain size from 0 to 200 μm occur mostly at the depth of 1.5 m below the lake level of the Dalai Nur Lake. With the increase of the depths, the clay contents increase while the silt and sand contents decrease.

Dalai Nur Lake; sedimentary environment; grain size analysis; stratigraphic analysis

1009-3850(2016)03-0077-06

2015-09-30； 改回日期： 2015-11-04

于瑞雪(1988-)，男，碩士，研究方向為水環(huán)境保護方向。E-mail：554023733@qq.com

P534.63

A