內(nèi)蒙古察干淖爾鹽湖29-8 ka時段的湖面波動*

斯琴畢力格,春　喜,宋　潔,白雪梅

(1:內(nèi)蒙古師范大學蒙古高原環(huán)境與全球變化自治區(qū)重點實驗室, 呼和浩特 010022)(2:內(nèi)蒙古師范大學地理科學學院, 呼和浩特 010022)(3:內(nèi)蒙古師范大學濕地環(huán)境與修復(fù)自治區(qū)工程實驗室, 呼和浩特 010022)

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內(nèi)蒙古察干淖爾鹽湖29-8 ka時段的湖面波動*

斯琴畢力格1,2,春喜1,3**,宋潔1,2,白雪梅1,2

(1:內(nèi)蒙古師范大學蒙古高原環(huán)境與全球變化自治區(qū)重點實驗室, 呼和浩特 010022)(2:內(nèi)蒙古師范大學地理科學學院, 呼和浩特 010022)(3:內(nèi)蒙古師范大學濕地環(huán)境與修復(fù)自治區(qū)工程實驗室, 呼和浩特 010022)

以內(nèi)蒙古錫林郭勒盟蘇尼特右旗的察干淖爾鹽湖為研究對象,利用OSL(OpticallyStimulatedLuminescence)測年技術(shù)和DEM(DigitalElevationModel)數(shù)字高程模型,重建湖面波動歷史,探討湖泊形成與環(huán)境變化過程. 通過對察干淖爾鹽湖周邊大量的野外考察,發(fā)現(xiàn)湖泊周圍存在海拔高程為1020、978和973m的三級古湖岸階地,其OSL測年結(jié)果分別為29.2±1.3、18.4±0.8及8.2-8.0ka. 通過湖岸階地高程恢復(fù)的上述3個時期的古湖面積分別為3600、500和400km2. 與現(xiàn)今的干旱鹽湖景觀迥然不同.

季風邊緣區(qū)；湖泊演化；OSL測年技術(shù)；DEM模型;察干淖爾鹽湖

湖泊沉積在重建陸地古氣候環(huán)境演化序列,進行區(qū)域和全球?qū)Ρ妊芯恐邪缪葜种匾慕巧玔1],對其研究也已經(jīng)成為過去全球變化的重要研究領(lǐng)域之一[2]. 內(nèi)陸封閉湖泊沉積作為氣候與環(huán)境變遷的忠實記錄者,記錄了大量的環(huán)境變化信息,因此湖泊演化研究備受關(guān)注[3-4]. 對此,國內(nèi)外眾多學者已經(jīng)進行了大量研究. 研究表明,末次冰期期間35-21ka以及全新世8.5ka時期騰格里沙漠古湖泊曾出現(xiàn)過高湖面,在35-21ka階段湖泊面積高達20000～32000km2,形成巨大的“騰格里古湖泊”[5]. 極端干旱的巴丹吉林沙漠在MIS3階段末期曾發(fā)育大面積的淡水湖泊[6-7],在全新世11ka時期該地區(qū)湖泊再次發(fā)育,出現(xiàn)次一級高湖面[8],暗示存在大范圍的濕潤氣候環(huán)境[9]. 19.1ka和8.6-7.7ka時期烏蘭布和沙漠腹地出現(xiàn)過高湖面,當時的烏蘭布和存在與現(xiàn)在的沙漠截然不同的水域環(huán)境[10-11]. 在全新世早期位于季風邊緣區(qū)的岱海[12-14]、黃旗海[15-17]以及呼倫湖[18]也曾出現(xiàn)過不同程度的高湖面現(xiàn)象. 同樣是季風邊緣區(qū)的察干淖爾鹽湖是否存在過高湖面,何時出現(xiàn)高湖面是值得進一步研究的科學問題. 本文將以湖泊沉積物為研究對象,探討察干淖爾鹽湖29ka以來的古氣候古環(huán)境演化. 以此可為中國北方季風邊緣區(qū)湖泊沉積研究提供一個有益的補充,這對區(qū)域環(huán)境演變也很有意義.

1 研究區(qū)概況

察干淖爾鹽湖(43°13′～43°16′N，112°50′～112°53′E)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟蘇尼特右旗,也處于著名的二連盆地的烏蘭察布坳陷中部(圖1a). 根據(jù)1951-2010年蘇尼特右旗氣象站點的資料統(tǒng)計,其多年平均氣溫約為4.5℃,日極端最高氣溫為37.8℃,日極端最低氣溫達到-32.4℃,年平均降水量約175.8mm,年最大降水量為342.9mm,蒸發(fā)作用很強,年蒸發(fā)量為2529.7～3046.6mm.

圖1 察干淖爾鹽湖湖岸階地分布(a：內(nèi)蒙古位置；b：察干淖爾湖泊位置)Fig.1 Lake terraces’ distribution of the Qehan Salt Lake

2 研究方法

對察干淖爾鹽湖進行一系列實地考察,確認鹽湖周圍實際存在的湖岸階地,采用研究區(qū)1∶50000的地形圖,判讀高程,并結(jié)合GoogleEarth影像得到準確的階地高程. 再從各級湖岸階地采集OSL樣品,樣品采集選用直徑3cm、長度35cm的不銹鋼鋼管為樣品采集器,確保避光采集、封存(圖2). 選擇這些典型的湖岸階地剖面樣品(圖1b),通過OSL測年技術(shù)測出其年齡,建立湖面波動歷史的時間序列.

圖2 湖岸階地及貝殼體(a、b為1020 m湖岸階地，c為973 m湖岸階地，d為貝殼體的照片)Fig.2 Photos of lake terraces and the shell of the study area

2.1 OSL測試

本文采用OSL定年技術(shù)測定樣品年齡,樣品制備和測試的整個過程依據(jù)祝嵩等[19]的方法,在裝置有微弱紅光燈的暗室里按規(guī)范的操作程序進行. 樣品年齡測定在中國科學院青海鹽湖研究所和中國科學院地質(zhì)研究院光釋光實驗室完成,結(jié)果表明,湖岸階地的年代序列從高到低逐漸變年輕,高低湖岸階地和上下采樣點之間的年齡沒有發(fā)生倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象(表1). 某種程度上表明湖濱沉積物OSL年代的可靠性.

表1 察干淖爾鹽湖岸階地沉積物OSL測年數(shù)據(jù)

2.2 DEM的建立

DEM以縮微的形式表現(xiàn)了地表形態(tài)起伏變化特征,具有形象、直觀、精確等特點,是研究湖泊面積變化的重要方法,其應(yīng)用可遍及整個地學領(lǐng)域[18,20]. 本文通過對察干淖爾鹽湖周圍進行一系列野外調(diào)查,確認其存在的各級湖岸階地,在此基礎(chǔ)上,使用ArcGIS軟件,以研究區(qū)1∶50000的地形圖為底圖,手動進行數(shù)字化,得出察干淖爾鹽湖盆地的DEM,以便于更直觀地顯示察干淖爾鹽湖演化的空間格局. 通過與實地調(diào)查地形地貌情況對比可知,DEM較好地模擬了真實的地面信息.

3 湖岸階地的分布

察干淖爾鹽湖所在地周圍存在海拔高程為三級古湖岸階地,主要分布在鹽湖的東北和西側(cè)(圖1b). 這些在不同地點發(fā)育的湖岸階地和湖濱沉積物是察干淖爾古湖面演化的重要證據(jù),證明該湖29ka以來的湖面波動,經(jīng)歷很大的萎縮過程.

T1階地：鹽湖東西兩側(cè)間段分布著海拔高程為1020m的湖岸階地,其中鹽湖西側(cè)的沙嘴是最具有代表性的階地,發(fā)育在S1采樣點處(圖1). 該沙嘴呈南北走向,剖面點湖濱砂礫石沉積厚度達到6m,層理發(fā)育,并且砂礫石層中存在大量的貝殼體. 該層頂部的湖濱砂礫石的OSL年代為29.2±1.3ka. 這些都較好地證明了當時的湖面高度達到過此處.

T2階地：湖東北約4km處發(fā)育呈東南—西北方向,表面平坦,受破壞程度較小.海拔高程為978m,階地表面分布著顆粒較小的砂礫石,最寬的部位有30m,長度大約1km. 在該階地挖掘了S3、S4兩個剖面(圖1).S3剖面深度為80cm,由湖濱砂礫石組成,在40cm深處采集OSL樣品,其年代為18.4±0.8ka.S4剖面深度為120cm,剖面上層80cm為水平層理發(fā)育的湖濱砂礫石,下層為粉細砂層,從上層40cm處采集樣品,OSL年齡為18.3±0.8ka. 據(jù)此推測18ka前后該湖發(fā)育高湖面.

T3階地：該階地是一個呈南北走向的沙嘴. 沙嘴長約1km,海拔高程為973m,最寬處有35m.S2剖面點發(fā)育在沙嘴頂部(圖1). 該剖面上層以灰白色細砂為主,其OSL年代為8.0±0.4ka,下層為淺黃色細砂,OSL年齡為8.2±0.5ka. 明顯的層理發(fā)育也表明了察干淖爾鹽湖在全新世中期也發(fā)育高湖面.

4 結(jié)果與討論

4.1 時間序列

OSL測年結(jié)果表明察干淖爾古湖于29.2、18.4以及8.2ka時期發(fā)育高湖面.(1)位于鹽湖西側(cè)剖面點S1的頂部湖濱砂礫石的年代為29.2ka,應(yīng)屬MIS3晚期的高湖面,研究區(qū)氣候較現(xiàn)代濕潤,流域降水量大,湖泊水位比現(xiàn)在的湖面高出約70m,面積達3600km2.(2)從S3和S4處采集的樣品年齡可知,該階地形成年代為18.4ka,屬于冰消期高湖面.(3)從鹽湖東北S2砂場處采取上、下2個樣品,其剖面頂部OSL年代為8.0ka,底部為8.2ka,這時古湖泊形成了更次一級的早全新世高湖面.

在MIS3晚期,察干淖爾古湖水位較高,這與毗鄰地區(qū)的湖泊水位變化具有一致性. 譬如黃旗海[16,21]、騰格里沙漠[22]和巴丹吉林沙漠[23]在此時段內(nèi)均發(fā)育高湖面. 青藏高原亦是如此,在47-20ka時段,青藏高原降水量普遍增加,甜水海高湖面從45ka延續(xù)至25ka[24],為淡水湖泊,降水量較多；班公錯在約29ka時期也存在高湖面[24],但是29ka以后因為補水減少,湖泊開始衰退；以及察爾汗湖在38-28ka時段內(nèi)湖泊范圍巨大,為水質(zhì)較淡的大湖泊[24]. 施雅風等的綜合研究也表明40-30ka中國全境出現(xiàn)比現(xiàn)在暖濕得多的氣候環(huán)境,而且西部的增溫與降水比東北部的更加強烈[25]. 甚至蒙古國的BoonTsagannNuur、TsagannNuur和OrogNuur等湖泊在MIS3階段水位普遍上漲[10]. 可以認為,當察干淖爾古湖在29.2ka前后發(fā)育高湖面時,中國西北部甚至中亞干旱、半干旱區(qū)在此時均可能存在多個巨型淡水、深水古湖泊,其原因或動力很可能是歲差周期變化造成的日射值增加,從而加強西南和東南兩個方向的夏季風和西方來的西風的吸引作用[25].

T2級階地形成年齡為18.4ka,屬于冰消期高湖面. 末次冰期總體干冷的氣候條件下,察干淖爾古湖曾出現(xiàn)過高湖面,氣候比較濕潤的現(xiàn)象. 這與鄰近地區(qū)相比較,只有巴丹吉林沙漠約在20ka時期氣候比較濕潤,降水量多[23]. 但黃旗海[16,21]以及騰格里沙漠[22]等很多地區(qū)均表現(xiàn)為寒冷、干旱的特征(圖3). 察干淖爾鹽湖在18.4ka時期出現(xiàn)高湖面的可能原因是,盡管冬季風占主導地位,然而在短時期內(nèi)夏季風也很強盛,其強度甚至超過現(xiàn)代[23]. 一定時期內(nèi)該區(qū)域降水量可能達到過很高程度.

圖3 察干淖爾鹽湖與鄰近湖泊環(huán)境情況區(qū)域?qū)Ρ菷ig.3 Comparison of the environment between Qehan Salt Lake and the adjacent lakes

全新世8.2-8.0ka時段的高湖面與西北地區(qū)東南部廣泛存在的高湖面證據(jù)[28]相吻合,如季風邊緣區(qū)的呼倫湖[27]、岱海[12-13,32]、騰格里沙漠潴野澤[28]和青土湖[29-30]都經(jīng)歷湖面擴張的大湖期. 巴丹吉林沙漠中的湖泊早全新世水體鹽度變低,水位普遍升高[31]. 凡此均指示早全新世時期西北地區(qū)湖泊開始擴張的特征. 不少研究印證該時期西北大部分地區(qū)氣候濕潤[33]. 關(guān)于該時期氣候濕潤的原因,一些學者認為全新世初期夏季太陽輻射達到鼎盛,造成海陸溫差加大,亞洲季風增強,冬夏季風相互作用的極鋒位置顯著北推[25]. 數(shù)值模擬結(jié)果表明,在9.3ka時期東亞季風盛行[33],也在一定程度印證了這一觀點.

4.2 空間分布格局

湖面波動是氣候變化的環(huán)境響應(yīng),對氣候變化的指示意義也比較直接[24]. 察干淖爾鹽湖周圍存在的三級湖岸階地以及湖泊沉積物是察干淖爾古湖存在和演化的重要證據(jù),以此來反演察干淖爾古湖各時期的面積變化(圖4).

圖4 不同時期察干淖爾鹽湖面積及周圍DEM圖(a: 現(xiàn)存鹽湖；b: 8.2 ka時期的古湖泊；c: 18.0 ka時期的古湖泊；d: 29.0 ka時期的古湖泊)Fig.4 Area of Qehan Salt Lake in different periods and DEM

根據(jù)1020m的湖岸階地進行高程推測得到古湖范圍(圖4d). 該湖岸階地連續(xù)性好,在鹽湖西側(cè)和東側(cè)均有良好的發(fā)育,其沉積物的OSL年代為29.2ka. 此時的湖面包含研究區(qū)現(xiàn)存的鹽湖、東北方向的呼和淖爾湖泊以及南邊的查干淖爾、烏蘭淖爾等湖泊群. 面積約達到3600km2左右,是MIS3晚期形成的巨大的古湖泊.

29.2ka時期的湖面,由978m湖岸階地高程復(fù)原的湖泊面積為500km2(圖4c). 當時湖泊已經(jīng)與南邊的查干淖爾、烏蘭淖爾等湖泊群解體,只包含了現(xiàn)存的鹽湖以及東北方向的呼和淖爾,形成了次一級高湖面. 相比29.2ka時期的古湖泊面積已大大縮小.

8.2-8.0ka時期的湖面,追蹤973m的等高線得出其當時的湖泊面積為400km2(圖4b). 包含現(xiàn)存的鹽湖以及東北方向的呼和淖爾湖泊,形成了更次一級高湖面. 同時期的巴丹吉林沙漠[30]和騰格里沙漠古湖[31]發(fā)育了大范圍湖相沉積. 在全新世8.6-7.0ka時期鹽海子、岱海和白堿湖以及河西走廊等地區(qū)均出現(xiàn)了高湖面,指示了當時相對濕潤的氣候環(huán)境[32-33]. 因此,在季風邊緣區(qū)大范圍的濕潤環(huán)境背景下,區(qū)域降水量增加可能是在8.2-8.0ka階段察干淖爾湖發(fā)育古湖泊和高湖面的重要原因.

5 結(jié)論

1)通過野外考察發(fā)現(xiàn),在察干淖爾鹽湖周圍存在三級古湖岸階地,不僅是高湖面存在和發(fā)育的重要證據(jù),也是氣候變化的重要標志,能夠反映區(qū)域環(huán)境變化過程.

2)三級湖岸階地的湖濱沉積物的OSL年代分別為29.2±1.3、18.4±0.8和8.2ka,各時期的古湖泊面積分別為3600、500和400km2,呈現(xiàn)逐漸萎縮的過程. 29.2ka時期察干淖爾古湖是與北部的呼和淖爾以及南部的查干淖爾、烏蘭淖爾等湖泊群相連接的巨大的古湖泊. 在18.4ka左右,湖泊面積已極度縮小,這時察干淖爾湖泊與南部的烏蘭淖爾、查干淖爾等湖泊群已經(jīng)解體. 到全新世8.2ka時期,湖泊進一步萎縮,形成全新世更次一級高湖面,之后逐漸演變?yōu)楝F(xiàn)在的湖泊格局.

3)察干淖爾鹽湖年代數(shù)據(jù)揭示的氣候環(huán)境演化與周邊區(qū)域環(huán)境變化記錄基本一致,較好地響應(yīng)了區(qū)域環(huán)境氣候變化.

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Lake level fluctuation in Qehan Salt Lake during 29-8 ka, Inner Mongolia

SIQIN Bilige1,2, CHUN Xi1,3**, SONG Jie1,2& BAI Xuemei1,2

(1：Key Laboratory of Mongolian Plateau Environment and Global Change, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022,P.R.China)(2：College of Geographical Science, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, P.R.China)(3：Inner Mongolia Repair Engineering Laboratory of Wetland Eco-environment System, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, P.R.China)

ChoosingQehanSaltLakeinInnerMongoliaandusing(OpticallyStimulatedLuminescence,OSL)datingtechniquesanddigitalelevationmodel(DEM),thisresearchreconstructsthehistoryoflakelevelfluctuation,anddiscussestheprocessoflakeformandenvironmentevolution.AccordingtothefieldworkintheareaaroundQehanSaltLakeandsamplesoflakesediment,theelevationsof3-levelpaleolaketerracesare1020m, 978mand973m.UsingOSLdatingtechniquestodetecttheageoflakesedimentandestablishthetimeseriesoflakefluctuation,theagesof3-levelpaleolaketerracesare29.2±1.3ka, 18.4±0.8kaand8.2-8.0ka.ArcGISsoftwarewasusedtotrack3-levelterracesinthetopographicmapof1∶50000andconstructDEM,thescopeandlevelofpaleolakeineveryperiod.Thespatialdistributionpatternofthelakeevolutionhasbeenreconstructed.Thelakeareawas3600km2, 500km2and400km2,respectively,whichwasverydifferentfromtoday’saridsaltlakelandscape.

Monsoonmarginalzone；lakeevolution；OSLdatingtechniques；DEMmodel；QehanSaltLake

*國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973”項目(2012CB426508)、國家自然科學基金項目(41261008)和內(nèi)蒙古草原英才項目(CYYC2013103)聯(lián)合資助. 2015-07-25收稿；2015-10-29收修改稿. 斯琴畢力格(1990～),男,碩士研究生；E-mail：674475162@qq.com.

**通信作者；E-mail：chunxi@imnu.edu.cn.