湖泊沉積物磁學(xué)特征指示的埃及Faiyum盆地全新世以來的環(huán)境演變?

江 俊，Alaa Salem，賴曉鶴，張衛(wèi)國，Leszek Marks，F(xiàn)abian Welc，徐立辰，陳 靜，陳中原，孫千里??

（1：華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200062）（2：Department of Geology，F(xiàn)aculty of Science，Kafrelsheikh University，Egypt）（3：Faculty of Geology，University of Warsaw，Poland）（4：Institute of Archaeology，Wyszynski University in Warsaw，Poland）

湖泊沉積物磁學(xué)特征指示的埃及Faiyum盆地全新世以來的環(huán)境演變?

江 俊1，Alaa Salem2，賴曉鶴1，張衛(wèi)國1，Leszek Marks3，F(xiàn)abian Welc4，徐立辰1，陳 靜1，陳中原1，孫千里1??

（1：華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200062）（2：Department of Geology，F(xiàn)aculty of Science，Kafrelsheikh University，Egypt）（3：Faculty of Geology，University of Warsaw，Poland）（4：Institute of Archaeology，Wyszynski University in Warsaw，Poland）

利用埃及北部Faiyum盆地獲得的高取芯率沉積物巖芯，進(jìn)行沉積物多種磁性參數(shù)的測量，結(jié)合有機(jī)碳、介形蟲、粒度等分析，在AMS14C加速器測年的基礎(chǔ)上，建立全新世以來湖泊沉積物磁性特征變化的時間序列.結(jié)果表明，粒度效應(yīng)以及沉積后的各種次生作用對沉積物的磁性特征沒有明顯的影響，磁性變化主要反映了沉積物不同來源組成的相對變化.全新世前沉積物磁性較弱，主要含不完全反鐵磁性礦物，與周邊沙漠的物質(zhì)相似，結(jié)合其粒度特征，沉積物來源應(yīng)以近源物質(zhì)為主.全新世早中期（約10-5.4 ka BP）沉積物磁性變化相對穩(wěn)定，有機(jī)質(zhì)含量也較高，指示了來自尼羅河較為穩(wěn)定的物質(zhì)供應(yīng)；而大約5.4 ka BP尤其最近約4.2 ka BP以來，磁性的明顯變化反映了流域降水減少情況下，來自青尼河物質(zhì)貢獻(xiàn)的相對增加；最近約2.0 ka BP以來沉積物的磁性變化，則更多地與盆地人類活動的強(qiáng)化有關(guān).總體而言，F(xiàn)aiyum盆地全新世以來的環(huán)境演變主要受控于全新世以來尼羅河與盆地的水力學(xué)聯(lián)系.即：全新世前盆地未與尼羅河連通時，沉積物主要來源于周邊沙漠的風(fēng)成物質(zhì)；而受全新世早-中期來流域季風(fēng)降水增加的影響，泛濫的尼羅河為盆地提供了相對穩(wěn)定的物質(zhì)供應(yīng)，湖泊也處于高湖面；全新世晚期以來，隨著流域干旱化的加劇，尼羅河與盆地的連通性開始減弱，來自高磁性的青尼羅河物質(zhì)貢獻(xiàn)開始相對增加.最近約2.0 ka BP以來，雖然仍有人工運(yùn)河連接尼羅河與盆地，但沉積物磁性的顯著變化更多地反映了盆地人類活動的不斷強(qiáng)化.

Faiyum盆地；環(huán)境磁學(xué)；全新世；湖泊沉積；尼羅河

grain-size distribution similar to the surrounding desert deposits，indicating an aeolianorigin.The sediment magnetism kept relatively stable with high organic content during the early-to-middle Holocene at ca.10-5.4 ka BP，suggesting the stable material inputs to the basin from the Nile.The last ca.5.4 ka BP especially since the last ca.4.2 ka BP，evident variations in sediment magnetism indicated the increasing contribution of material from the Blue Nile when rainfall declined in the Nile catchment.Of note，the change of sediment magnetism since the last ca.2.0 ka BP largely exhibited the intensified human involves.Briefly，the environment settings of Faiyum basin since the Holocene were controlled by the hydrological linkage between the basin and the Nile. The sediment was primarily of Aeolianorigin when no hydrological connection occurred between the basin and the Nile prior to the Holocene.During the early-to-middle Holocene（ca.10-5.4 ka BP），the sediment source in the lake basin was mainly of fluvial origin when the Nile drained into the basin，largely driven by intensified monsoon activities in the Africa.With weakening hydrological linkage with the Nilein the late Holocene from declining monsoon rainfall，the basin was fed by relatively more magnetic materials from the Blue Nile.The rapid increase in sediment magnetism in the last ca.2.0 ka BP had recorded the accelerated basin soil erosion by increasing human activities such as reclamation and farming rather than natural forcing.

?國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41272194）和波蘭科學(xué)基金項(xiàng)目（DEC-2012／05／B／ST10／00558）聯(lián)合資助.2015-11-17收稿；2016-03-01收修改稿.江俊（1988～），男，碩士研究生；E-mail：junj007＠Foxmail.com.

??通信作者；E-mail：qlsun＠sklec.ecnu.edu.cn.

湖泊沉積物作為流域物質(zhì)循環(huán)與運(yùn)移的最終歸宿之一，往往保留豐富且相對連續(xù)的歷史環(huán)境變化信息，是進(jìn)行古氣候和環(huán)境演變研究的理想材料［1-4］.利用湖泊沉積物磁性特征進(jìn)行古環(huán)境演變的研究是環(huán)境磁學(xué)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一［5］.沉積物的磁性特征雖然直接反映的是磁性礦物含量、類型和顆粒大小等信息，但這些變化往往是沉積物物源、搬運(yùn)和沉積動力變化以及沉積后次生變化等綜合作用的結(jié)果，進(jìn)而間接地反映了氣候、環(huán)境變化和人類活動等信息［6］.如可以利用沉積物的磁性變化特征來追溯其物源組成的相對變化［5］，人類用火墾荒、湖盆土壤侵蝕等信息往往也可在沉積物的磁性特征變化上加以反映［5-6］.

處于干旱～半干旱地區(qū)的湖泊大都具有相對封閉的沉積環(huán)境，其沉積物常能夠被用來進(jìn)行不同時間尺度的氣候和環(huán)境演化研究［7-10］.但在非洲北部沙漠地區(qū)，現(xiàn)存湖泊較少，且長期的干旱易造成沉積的不連續(xù)，在一定程度上限制高分辨率的氣候與環(huán)境演化的研究.位于埃及尼羅河下游Faiyum斷陷盆地的加隆湖（Lake Qarun）是非洲北部少有的現(xiàn)存湖泊，四周被撒哈拉沙漠所包圍，目前只在東南方向通過人工水道與尼羅河相連.其獨(dú)特的地理位置和相對封閉的沉積環(huán)境為研究非洲北部地區(qū)的全新世氣候、環(huán)境變化以及該地區(qū)與尼羅河的歷史水文學(xué)聯(lián)系提供了難得的契機(jī).

目前有關(guān)Faiyum盆地氣候、環(huán)境演變的已有研究包括：利用鉆孔沉積物的孢粉信息，研究了近400年來盆地的水文變化及其與尼羅河洪水事件的關(guān)系［11-12］；利用湖盆不同位置沉積物的硅藻特征以及軟體動物的碳氧同位素差異，恢復(fù)了千年尺度Faiyum盆地全新世以來湖面變化的宏觀框架及其與尼羅河的水力學(xué)聯(lián)系［13］；通過沉積物有孔蟲殼體碳氧同位素，恢復(fù)了盆地中心加隆湖（Qarun）近500年來鹽度的多次變化［14］；基于沉積物磁學(xué)特征的研究，探討約2000年以來盆地物質(zhì)來源的相對變化［15］.可以看出，已有的研究主要集中在最近約2000以來的晚全新世時段［15-16］或僅限于全新世環(huán)境的框架性討論，涵蓋整個全新世以來高分辨率、多指標(biāo)的氣候、環(huán)境研究仍有待深入.

因此，本文試圖通過對Faiyum盆地獲得的沉積物巖芯（FA-1，長21.25 m）進(jìn)行粒度、有機(jī)碳、介形蟲以及環(huán)境磁學(xué)等分析，在AMS14C測年基礎(chǔ)上，首先揭示沉積物磁學(xué)特征反映的流域物源變化信息，結(jié)合其它代用指標(biāo)所反映的氣候、環(huán)境變化信息，討論Faiyum盆地全新世氣候、環(huán)境演化歷史及其與尼羅河之間的可能水動力聯(lián)系.

1 研究區(qū)自然地理狀況

Faiyum盆地位于開羅西南部約80 km，是撒哈拉沙漠北部的一個大型沙漠綠洲（29°05′～29°35′N，30° 23′～31°05′E），面積約為12000 km2（圖1）.盆地北部以連續(xù)的單面懸崖為邊緣，海拔高度高于250 m，沿東西方向延伸［17］，盆地海拔高度從東南部邊緣的大約40 m降至西北部加隆湖（Qarun）的低于海平面45 m.盆地內(nèi)出露地層主要為始新世的石灰?guī)r、漸新世的火山碎屑巖，頂部為中新世地層所覆蓋，盆地東部邊緣與尼羅河谷地被寬度約10～25 km始新世石灰?guī)r臺地所分隔［17-19］.大約180萬年前，風(fēng)沙活動形成盆地的雛形，至晚更新世中期，尼羅河水被認(rèn)為第一次沖過了盆地周圍的矮山，形成盆地中心的湖泊以及周圍的沼澤

地［17，20］.全新世盆地湖泊曾占據(jù)大部分盆地，最高水位據(jù)認(rèn)為曾超過海拔40 m，并經(jīng)歷過多次大幅波動［11，21-24］.目前，加隆湖僅存在于盆地的西北部，湖面高程位于海平面下約45 m，平均水深約4m，最大深度在西部可達(dá)8.8 m，湖面面積約200 km2，鹽度約37.6 g／L［23-25］.

研究區(qū)屬熱帶沙漠氣候，常年受北半球信風(fēng)的影響，降水稀少，僅在冬季受東北信風(fēng)的影響而有少量降水，年平均降水量僅為10 mm左右［24，26］.目前，加隆湖全年得到的補(bǔ)給水量約為3.38×108m3，而蒸發(fā)損失的水量約為4.15×108m3，加上工業(yè)用水為1.9×107m3［27］，總體湖泊水量入不敷出.歷史上，尼羅河洪水季節(jié)的泛濫為Faiyum盆地提供了大量的來水以及肥沃的土壤，使該區(qū)成為埃及重要的農(nóng)業(yè)區(qū).目前，盆地居民的日常和農(nóng)業(yè)用水，也主要依靠與尼羅河之間的一條人工水道獲得［23-24，26］.

圖1 研究區(qū)域及FA-1鉆孔位置Fig.1 Study area-Nile River delta and Faiyum basin where sediment core FA-1 is located

2 材料與方法

本研究所選用的沉積物鉆孔（FA-1）［28］，位于Faiyum盆地加隆湖南側(cè)岸邊，地表海拔約為-45 m（圖1）.巖芯鉆取深度為21.25 m，每回次進(jìn)尺為1 m，每回次接頭的樣品均得到保留，故巖芯的整體取芯率大于97%，可滿足高分辨率研究的要求.巖芯表層部分由于現(xiàn)代人類擾動的原因未取樣，用于研究的取樣深度為1.9～21.25 m.巖芯在實(shí)驗(yàn)室按10 cm間隔分樣，共采集187個樣品用于粒度、有機(jī)質(zhì)以及磁學(xué)參數(shù)的測試，另采集了4個樣品用于年代學(xué)分析.沉積物有機(jī)碳含量、粒度和磁學(xué)參數(shù)測試在華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成.沉積物有機(jī)碳含量測定采用油浴加熱-重鉻酸鉀容量法［29］；粒度的測量在Coulter LS13320型激光粒度儀上完成，實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）低溫烘干樣品（＜40℃）；（2）取約0.5 g左右樣品于100 ml的燒杯中，先加入10 ml 10%的H2O2，加熱20 min，待其反應(yīng)數(shù)分鐘后，再加入10 ml濃度為10%的HCl，加熱15 min，分別去除有機(jī)質(zhì)和鈣質(zhì)結(jié)核.然后將燒杯注滿蒸餾水，靜置一夜后，抽去上覆清液，反復(fù)此酸洗步驟，直至溶液變?yōu)橹行?；?）加入10 ml 0.5 mol／L的六偏磷酸鈉（NaPO3）6分散劑，攪拌均勻，用超聲波儀分散約20 min，然后再到LS13320激光粒度儀上測試樣品；介形蟲的分析在波蘭華沙大學(xué)進(jìn)行［30］，樣品首先過63 mm的篩子，保留大于63 mm的組分，然后篩選出大于150 mm的組分，經(jīng)去離子水浸泡后，在鏡下挑選，進(jìn)行種屬的鑒定.年代學(xué)測試在波蘭華沙大學(xué)加速器（AMS14C）實(shí)驗(yàn)室完成，測年材料均為炭屑［30］，14C年代的校正采用Calib.601程序以及IntCal13的數(shù)據(jù)庫（http：／／intcal.qub.ac.uk／intcal13／）［31］.

磁學(xué)實(shí)驗(yàn)前處理：把一定量樣品置于40℃下低溫烘干，然后在瑪瑙研缽內(nèi)輕壓使其分散，并攪拌均勻.因本批樣品量比較少，取4 g左右的樣品稱重，置于10 ml容量的圓柱狀聚乙烯樣品盒內(nèi)壓實(shí)、固定.具體磁學(xué)參數(shù)測試如下：利用Bartington MS2雙頻磁化率儀測量低頻（0.47 kHz）和高頻（4.7 kHz）磁化率（χLF，χHF），并計算頻率磁化率百分比χfd%＝（χLF-χHF）／χLF×100；利用Molspin交變退磁儀（交變磁場峰值100 mT，直流磁場0.1 mT）獲得非磁滯剩磁（ARM），以Minispin旋轉(zhuǎn)磁力儀測定，并計算非磁滯剩磁磁化率（χARM）；利用

Molspin脈沖磁化儀獲得樣品在1 T、-100 mT和-300 mT磁場下的等溫剩磁（IRM），并利用旋轉(zhuǎn)磁力儀測定.本文中將1 T磁場獲得的IRM稱為飽和等溫剩磁（SIRM），并計算了硬剩磁HIRM＝（SIRM＋I(xiàn)RM-300mT）／2［32］，退磁參數(shù)S-100mT＝100×（SIRM-IRM-100mT）／（2×SIRM）和S-300mT＝100×（SIRM-IRM-300mT）／（2×SIRM）［33］，以及比值參數(shù)SIRM／χ、χARM／χ和χARM／SIRM.根據(jù)上述測試結(jié)果，選擇代表性樣品，利用MFK1-FA磁化率儀在氬氣環(huán)境下完成熱磁曲線的測量.

3 結(jié)果

3.1 年代學(xué)框架及沉積速率

4個加速器質(zhì)譜（AMS14C）測年數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)A-1鉆孔大約涵蓋了10 ka BP以來的沉積（表1）.沉積物的深度-年齡曲線顯示整個巖芯沉積速率的變化基本穩(wěn)定（圖2）.表層3.95～0 m間的沉積速率約為0.283 cm／a，17.63～3.95 m深度間沉積速率大約為0.2 cm／a，17.63 m以下深度按照0.2 cm／a的沉積速率推算，據(jù)此建立了沉積物巖芯的年代學(xué)框架，巖芯底部黃色中-細(xì)砂沉積物年齡應(yīng)早于全新世（圖2）.

表1 FA-1沉積物巖芯加速器質(zhì)譜（AMS14C）測年結(jié)果［30］Tab.1 Results of AMS14C dating in FA-1 sediment core

圖2 FA-1沉積物巖芯綜合信息Fig.2 General information of sediments in core FA-1

3.2 沉積物粒度組成

FA-1沉積物巖芯的粒度分析顯示：沉積物整體上以黏土質(zhì)粉砂為主（圖2），巖芯上段（0～20 m）粉砂（4～63 μm）平均含量約為58%左右，黏土（＜4 μm）平均含量約占36%左右，砂（＞63 μm）含量一般小于6%.其中，20.0～13.9 m段以粉砂、黏土為主，含量變化不大；13.9～12.1 m段以細(xì)～粉砂為優(yōu)勢；12.1 m以上以粉砂為主，但粗顆粒含量呈明顯增加趨勢.巖芯約20 m以下段以中～細(xì)砂為主，砂的含量可達(dá)40%以上，最大約為89%.

沉積物樣品粒度的頻率分布曲線顯示（圖3）：巖芯底部及中部典型樣品的頻率曲線主要為單峰態(tài)（圖3c，h，i），峰值對應(yīng)的粒徑均在300 μm以上，且分選較好.巖芯中部約20 m以上大部分樣品（圖3a，b，d，e）的頻率曲線也近似為單峰態(tài)，分選較好，但峰值所對應(yīng)的粒徑在10 μm左右；在巖芯下部約20.4～20.3 m段，樣品的頻率曲線顯示為明顯的多峰態(tài)（圖3f，g），分選較差，最大峰值在1000 μm左右.

圖3 FA-1沉積物巖芯典型樣品粒度頻率分布曲線Fig.3 Typicalgrain size frequency distribution curves of sediments in core FA-1

3.3 有機(jī)碳含量變化

FA-1沉積物巖芯有機(jī)碳含量變化總體上從下向上逐漸減少（圖2），可劃分為5個明顯的變化階段.在大約10-9.4 ka BP期間（巖芯21.25～20.00 m段），有機(jī)碳含量一般低于1%；而大約9.4-5.5 ka BP期間（巖芯20.00～13.00 m段），有機(jī)碳含量為巖芯最高階段，平均含量大于3%；最近5.5 ka BP以來（巖芯13.00 m以上），有機(jī)碳含量基本小于2%，且呈逐漸減少趨勢，但在約2.2-1.8 ka BP期間（巖芯6.0～4.8 m段）曾出現(xiàn)明顯的增加.

3.4 沉積物的磁性特征

沉積物巖芯的磁性參數(shù)整體來看（圖4）：自下而上，χ、SIRM和HIRM的變化趨勢基本一致，向上均逐漸增大；而χARM／SIRM呈現(xiàn)增大-減小-增大-減小的變化趨勢，最大為1.7×10-3mA-1，均值為0.59×10-3mA-1；χARM、χARM／χ整體上呈現(xiàn)先增加，但在頂部突然減少的趨勢；χfd%在整個巖芯的值都很小，大部分值介于0～3%之間，只有底部曾短暫接近于10%；S-300mT和S-100mT值均較高，均值分別為89%和97%，表現(xiàn)為先快速增加后基本保持穩(wěn)定的特征.SIRM／χ整體上呈增加趨勢，但都小于20.0×103Am-1，只在巖芯下部有明顯波動，均值為10.7×103Am-1.巖芯各段磁學(xué)特征的具體變化如下：

大約～10.0-8.3 ka BP（巖芯21.25～18.1 m），沉積物χ、SIRM、χARM、HIRM處于整個巖芯的低值，且變化

幅度都不大.χfd%以及S-300mT分別在約10.0 ka BP前分別出現(xiàn)巖芯的最高值（8.33%）和最低值（80%）.在約10.0-8.3 ka BP，χARM／SIRM、S-100mT以及S-300mT出現(xiàn)明顯的增大，χARM／SIRM由21 m以下的不到40×10-3mA-1，增大到接近70×10-3mA-1，S-100mT和S-300mT則由21 m以下的最大值不到80%增大到均值分別為83%和96%.大約8.3-5.9 ka BP（巖芯18.1～13.0 m），沉積物χ、SIRM、χARM、HIRM、χARM／SIRM、χARM／χ、S-100mT以及S-300mT等值較上段明顯增加，但整體變化穩(wěn)定.大約5.9-4.2 ka BP期間（巖芯13.0～9.8 m），沉積物χ、SIRM、χARM、HIRM、χARM／SIRM、χARM／χ、S-100mT以及S-300mT等值較上段均逐漸增加.大約4.2-2.1 ka BP（巖芯9.8～5.5 m），沉積物χ、SIRM以及HIRM出現(xiàn)巖芯的高值階段，同時χARM、χARM／SIRM、χARM／χ出現(xiàn)整個巖芯的最高值階段，而S-100mT以及S-300mT值基本保持不變.在約2.1～1.8 ka BP期間（巖芯5.5～5.0 m），沉積物χ、SIRM、χARM、HIRM、χARM／SIRM以及χARM／χ均出現(xiàn)快速下降.最近約1.8 ka BP以來（巖芯5.0 m～），沉積物χ、SIRM、χARM以及HIRM值快速上升，并最終達(dá)到了巖芯的最高值，而χARM／SIRM、χARM／χ、S-100mT以及S-300mT則保持相對穩(wěn)定.

圖4 FA-1沉積物巖芯的磁學(xué)參數(shù)曲線Fig.4 Magnetic parameters of sediments in core FA-1

6個典型樣品的熱磁曲線（圖5）顯示：所有樣品的加熱曲線都在580℃左右發(fā)生轉(zhuǎn)折，顯示典型的磁鐵礦特征［5］.其中510 cm處樣品加熱自300℃左右開始磁性增強(qiáng)，在450～500℃達(dá)到峰值，后急劇下降，這一變化反映了樣品在加熱過程中存在弱磁性礦物向強(qiáng)磁性礦物轉(zhuǎn)變，造成這種結(jié)果的可能因素包括黏土礦物的分解、黃鐵礦和菱鐵礦的轉(zhuǎn)變以及氧化鐵的還原等［33-34］.而冷卻后磁化強(qiáng)度是加熱前的2.5倍左右，指示了樣品在加熱過程中生成了新的強(qiáng)磁性礦物［35-37］.1780 cm處樣品在加熱的前期χ增加非常緩慢，300℃左右χ急劇增大，并在500℃左右達(dá)到峰值，反映生成新的磁鐵礦.而加熱過程中新生成的磁鐵礦，很可能是在來自含鐵硅酸鹽或者黏土礦物，因?yàn)椴]有膠黃鐵礦的信號在溫度低于320℃的加熱曲線中出現(xiàn)［34，38-40］.

4 討論

4.1 沉積物磁性特征及其影響因素

沉積物磁學(xué)參數(shù)中的χ和SIRM通常用來反映樣品中亞鐵磁性礦物含量，與χ不同的是，SIRM不受順磁性和抗磁性礦物的影響［5］.χARM對單疇（SD）磁性顆粒變化極為敏感，其通常隨SD顆粒的增加而增大［33，41］；而HIRM通常隨樣品中不完全反鐵磁性礦物（如赤鐵礦、針鐵礦）的相對含量增加而增大［5］.χfd%反映了超順磁（SP）與單疇（SD）顆粒界限附近的粘滯顆粒對磁化率的貢獻(xiàn)［5，42］.χARM／SIRM和χARM／χ常用作磁性礦物顆粒大小的指示［33，43］，對于粗于SP的顆粒而言，隨著顆粒變粗，兩個參數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢［44］.S-300mT和

S-100mT通常反映不完全反鐵磁性礦物（如赤鐵礦、針鐵礦）和亞鐵磁性礦物（如磁鐵礦）的相對比例，其比值隨著不完全反鐵磁性礦物的比例增加而下降［5］.總體而言，F(xiàn)A-1巖芯沉積物χ與SIRM呈高度相關(guān)性，且S-300mT和S-100mT值都很高，均值分別為89%和97%，說明χ主要由亞鐵磁性礦物所貢獻(xiàn).

圖5 FA-1沉積物巖芯典型樣品熱磁曲線Fig.5 Typical theromagnetic curvesof sediments in core FA-1

通常沉積物的磁性參數(shù)主要受粒度、沉積物物源以及沉積后的次生作用等因素的影響［5，32］，與區(qū)域氣候、環(huán)境變化以及人類活動特征密切相關(guān)［5］.

對比FA-1巖芯沉積物的粒度特征與磁性變化特征（圖6），可以發(fā)現(xiàn)二者沒有明顯的相關(guān)性.巖芯下部（21.25～20.00 m）及中部局部（13.90～12.10 m）較粗的沉積物對應(yīng)相對較弱的磁性特征；中部大部分巖芯（約20.00～9.80 m）沉積物粒徑相對較細(xì)，磁性也較弱；而巖芯上部（9.80 m以上）較細(xì)的沉積物粒徑卻對應(yīng)巖芯的最高磁性階段.這些變化表明，粒度不是引起FA-1巖沉積物磁性參數(shù)變化的主要原因，這也與前人對湖心鉆孔沉積物磁性特征的分析結(jié)果相一致［15］.

影響沉積物磁性的次生作用包括磁性礦物的溶解成巖作用、磁細(xì)菌作用和自生鐵硫化物等.早期成巖作用對沉積物磁性特征的影響已在湖泊、海洋沉積物的研究中得到廣泛證實(shí)［45-48］.其通常表現(xiàn)為還原環(huán)境下磁鐵礦的選擇性溶解，即細(xì)晶粒磁性顆粒優(yōu)先溶解，從而導(dǎo)致沉積物中磁性礦物類型、含量和顆粒大小發(fā)生變化的過程［45］.一般用所有磁性參數(shù)的向下的快速下降，特別是χARM／SIRM和χARM／χ的同時快速下降作為存在磁性礦物溶解的證據(jù)［15］.FA-1巖芯沉積物中，巖芯從上往下未見χARM／SIRM和χARM／χ明顯的同時快速下降；同時，熱磁曲線也未見明顯的黃鐵礦、菱鐵礦和膠黃鐵礦等信號［45，49］（圖6），且SIRM／χ值均值為10.7×103Am-1，最大值也不超過20×103Am-1，也說明膠黃鐵礦、黃鐵礦信號不明顯［15，48］.這些總體上表明早期成巖作用在整個全新世時段不明顯.

磁細(xì)菌作用也是影響沉積物磁性特征的一個重要因素，其χARM／SIRM比值一般都超過2×10-3mA-1［48］，而FA-1巖芯沉積物χARM／SIRM最大值為1.7×10-3mA-1，均值為0.59×10-3mA-1，這表明磁細(xì)菌作用不足以明顯影響沉積物的磁學(xué)特征.但是單獨(dú)的χARM／SIRM比值并不能完全排除來自次生和土壤攜帶的亞鐵磁性礦物的貢獻(xiàn).一般而言，當(dāng)存在明顯次生和土壤攜帶的亞鐵磁性礦物時，其χfd%值范圍為4%～16%［48］，而FA-1巖芯沉積物這一參數(shù)在全新世時段基本小于2%，僅在巖芯21.0 m下短暫出現(xiàn)大于4%的情況.總體上看，全新世次生和土壤攜帶的亞鐵磁性礦物對沉積物磁性變化的貢獻(xiàn)也可以忽略，前人對Faiyum盆地短巖芯的結(jié)果也證實(shí)次生作用對沉積物磁性變化的影響不大［15］.

圖6 FA-1沉積物巖芯的磁學(xué)參數(shù)、有機(jī)碳含量和粒度變化Fig.6 Magnetic parameters，TOC and particle size of sediments in core FA-1

排除了沉積物粒度、早期成巖作用以及次生和土壤攜帶的亞鐵磁性礦物對沉積物磁性參數(shù)的明顯影響，那么沉積物物源的變化就成為可能影響FA-1巖芯沉積物磁性特征的主要因素.Faiyum盆地的地貌特點(diǎn)決定了其沉積物只可能主要來源于周邊撒哈拉沙漠和尼羅河的物質(zhì)輸入［23-26］（圖1），而粉塵對沉積物的貢獻(xiàn)被認(rèn)為小于1%，可以忽略［15］.從沉積物的磁學(xué)參數(shù)上看，巖芯下部磁性較低，但在約10 ka BP前（巖芯21 m以下）出現(xiàn)χfd%的高值（8.33%）以及S-300mT和S-100mT的低值階段，顯示不完全反鐵磁性礦物和超順磁晶粒的比例相對較高，與其上段巖芯的磁學(xué)特征有明顯不同.考慮到現(xiàn)今撒哈拉沙漠沙漠沉積物主要礦物成分為石英，鐵磁性礦物含量很少、磁化率偏低且以近源風(fēng)成粗顆粒為主的情況［16，50-54］，本段巖芯較粗的粒徑、較好的分選（圖3i）以及較低的磁性可能指示了沉積物主要源于盆地周邊沙漠物質(zhì)的輸入.此后約10.0-4.2 ka BP（巖芯21.0～9.8 m）期間，沉積物的各種磁性參數(shù)經(jīng)歷了小幅上升的過程，但總體上仍保持穩(wěn)定，指示了湖泊沉積物相對穩(wěn)定的物質(zhì)來源.同時，磁性參數(shù)以及粒度分布特征上與此前階段的明顯不同，顯示沉積物可能以來自尼羅河的物質(zhì)占主導(dǎo).最近約4.2-2.1 ka BP（巖芯約9.8～5.0 m）期間，沉積物的磁性呈明顯的增加趨勢，而其粒度特征并未有明顯的變化，仍以細(xì)顆粒物質(zhì)為主.其它磁學(xué)指標(biāo)如χARM／SIRM和χARM／χ也呈現(xiàn)顯著的增加，這不同于上段巖芯緩慢增加的趨勢.這些表明沉積物的來源總體上并未有明顯的變化，但SD磁性顆粒的貢獻(xiàn)明顯增加.在沒有明顯周邊物質(zhì)貢獻(xiàn)的情況下（主要是粗顆粒近源風(fēng)成物質(zhì)），沉積物磁性的變化很可能與來自尼羅河不同支流物質(zhì)比例的相對改變有關(guān).尼羅河有3條主要的支流，分別是青尼羅河（Blue Nile）、白尼羅河（White Nile）和阿特巴拉河（Atbara River）.其中，青尼羅河和阿特巴拉河流經(jīng)地區(qū)的基巖主要為新生代的玄武巖［55-56］，具有較高的磁性；而白尼羅河主要流經(jīng)磁性相對較低的前寒武結(jié)晶巖地區(qū)［57］.前人的研究表明，當(dāng)尼羅河流量減少時，青尼羅河是尼羅河泥沙的主要來源［57］，那么沉積物磁性在約4.2-2.1 ka BP期間的顯著增加，可能指示了尼羅河水量減少時，來自青尼羅河的物質(zhì)對Faiyum盆地的貢獻(xiàn)相對增加，而其本身可能攜帶了更多的SD顆粒.最近約2.1 ka BP（巖芯5.5 m～）以來，沉積物磁性經(jīng)歷了快速下降后又迅速上升的過程，但總體仍較高，χARM／SIRM和χARM／χ處于整個巖芯最低值階段，顯示沉積物磁性顆粒明顯變粗.這與前段沉積物磁性增加而磁性顆粒相對較小的情況不同，暗示了其它因素可能影響了沉積物的磁性變化，如盆地的人類活動的影響.

4.2 沉積物特征反映的全新世Faiyum盆地的演化及其與尼羅河的水力學(xué)聯(lián)系

干旱-半干旱區(qū)湖泊的演化過程通常受控于湖泊的水量平衡狀況，而后者與湖泊流域的降水狀況以及與外部河流的連通狀況密切相關(guān).已有的研究表明全新世Faiyum盆地湖泊水位曾經(jīng)歷了多次大幅的變化，并在歷史上與尼羅河有過緊密的水力學(xué)聯(lián)系［13］.但就整個全新世而言，F(xiàn)aiyum盆地的湖泊演化及其與尼羅河的水力學(xué)聯(lián)系仍缺乏細(xì)節(jié)的展示.

Faiyum盆地沉積物的磁學(xué)特征、巖性變化、有機(jī)碳變化以及生物變化信息很好地反映了沉積物物源的相對變化及其與尼羅河的水力學(xué)聯(lián)系歷史.大約10.0 ka BP以前，沉積物與周邊沙漠風(fēng)成物質(zhì)相似的粒度特征、低的磁化率和有機(jī)碳特征，結(jié)合此時干旱的低湖面特征［13，22］，指示沉積物可能主要來源自周邊沙漠物質(zhì)的貢獻(xiàn)，這也暗示盆地與尼羅河基本處于未連通狀態(tài).沉積物各項(xiàng)指標(biāo)明顯的變化發(fā)生在大約10.0 ka BP后，以淡水介形類殼體生物開始出現(xiàn)、有機(jī)碳含量的增加以及沉積物粒度、磁性特征的變化為標(biāo)志，表明盆地的沉積環(huán)境發(fā)生了明顯變化，湖泊趨向淡水環(huán)境，且流域生產(chǎn)力有明顯增加.對于非洲撒哈拉沙漠北部干旱區(qū)的湖泊而言，單靠湖泊流域的降水遠(yuǎn)無法補(bǔ)償流域高溫帶來的蒸發(fā)損失，所以除非有外來的水量輸入湖泊應(yīng)始終處于低湖面或鹽類積累階段.那么，此時湖泊趨向淡水的環(huán)境，應(yīng)指示了尼羅河與Faiyum盆地水力學(xué)聯(lián)系的建立.巖芯沉積物有機(jī)質(zhì)變化指示的高生產(chǎn)力情況一直持續(xù)到大約5.4 ka BP，沉積物磁性變化也相對較小，這些總體上反映了湖泊相對穩(wěn)定的沉積環(huán)境，表明尼羅河仍與盆地保持了穩(wěn)定的水力學(xué)聯(lián)系，這也與前人研究得出的該時期湖泊處于相對高湖面階段的結(jié)果相一致［13，22］（圖7f）.雖然在大約6.3-5.4 ka BP期間粒度特征的變化，顯示有近源物質(zhì)的貢獻(xiàn)曾一度有所增加，與尼羅河的水力學(xué)聯(lián)系有所減弱.最近大約5.4 ka BP以來，尤其是最近約4.2 ka BP沉積物總體表現(xiàn)為以細(xì)顆粒占主導(dǎo)，但呈現(xiàn)磁性不斷增強(qiáng)、有機(jī)碳含量逐漸減少的特征，同時巖芯中表征蒸發(fā)強(qiáng)烈的石膏沉積開始出現(xiàn)，這也意味著即使尼羅河仍有水量進(jìn)入盆地，但入盆地的水量總體上已經(jīng)不足于補(bǔ)充蒸發(fā)造成的水量損失，指示尼羅河與盆地的自然水力學(xué)聯(lián)系的開始呈現(xiàn)顯著的減弱，湖泊的演化進(jìn)入新的逐漸退縮階段.值得注意的是，大約2.1 ka BP前后，出現(xiàn)了有機(jī)碳含量增加而沉積物磁性顯著減弱的情況，這可能暗示該段尼羅河與盆地短暫增強(qiáng)的水力學(xué)聯(lián)系，而這或許與該時期人工運(yùn)河的開通有關(guān)［58］.最近1.8 ka BP以來，沉積物總體較上段偏粗，有機(jī)碳含量較低，磁性重新開始顯著增強(qiáng)，但χARM／SIRM、χARM／χ卻保持穩(wěn)定，這與以往與χ、SIRM同步變化的趨勢有明顯的不同，這暗示有其他因素影響到沉積物的磁性特征.結(jié)合歷史資料記錄的最近2.0 ka BP以來盆地人類活動不斷增強(qiáng)的事實(shí)［58］，沉積物磁性的增加或許反映了人類墾荒、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所導(dǎo)致的土壤侵蝕的不斷增強(qiáng).

圖7 χARM／χ（a）、χARM／SIRM（b）、χ（c）與尼羅河每百年沉積速率（d）［59］、30°N太陽輻射量（e）［60］、Qarun湖面（f）［13，22］的對比Fig.7 Magnetic parametersχARM／χ（a），χARM／SIRM（b）andχ（c）of sediments in core FA-1，and comparison with spatially averaged Nile delta sedimentation record，insolation curve at 30°N，reconstruction of lake level of Lake Qarun

全新世以來尼羅河與Faiyum盆地的水力學(xué)聯(lián)系深刻地反映了尼羅河在下游地區(qū)的泛濫歷史，這與全新世以來非洲中北部的氣候變化以及由此引發(fā)的流域降水變化密切相關(guān).全新世初期以來地球軌道參數(shù)變化使得北半球地表接受更多地的太陽輻射，推動熱帶輻合帶北移，非洲夏季風(fēng)向北推進(jìn)，在全新世早中期給非洲中北部帶來大量的降水.而尼羅河與Faiyum盆地大約10 ka BP前后開始的水力學(xué)聯(lián)系，恰巧與非洲夏季風(fēng)北進(jìn)，季風(fēng)降水增加，非洲沙哈拉沙漠南部地區(qū)的出現(xiàn)高湖面的狀況相吻合［13，22，59］.這表明，全新世初期尼羅河流域顯著的降水增加是引發(fā)尼羅河河水進(jìn)入Faiyum盆地的主要原因，并引發(fā)了盆地湖泊的擴(kuò)張.而尼羅河與Faiyum盆地相對穩(wěn)定的水力學(xué)聯(lián)系延續(xù)至全新世中期，也與持續(xù)至全新世中期強(qiáng)勁的非洲夏季風(fēng)有關(guān).流域強(qiáng)勁的季風(fēng)降水，不僅使撒哈拉北部地區(qū)出現(xiàn)大面積綠洲，內(nèi)陸湖泊出現(xiàn)高湖面，也加大了尼羅河在下游低洼地區(qū)泛濫的幾率，使得更多的水和沉積物進(jìn)入盆地，造成了盆地全新世中期的高湖面［13，22］.隨著全新世中后期熱帶輻合帶向南遷移，非洲夏季風(fēng)從北至南在撒哈拉地區(qū)逐漸衰退，造成了整個尼羅河流域降水的逐漸減少，沙漠地區(qū)綠洲的萎縮以及湖泊水位的下降.對Faiyum盆地而言，流域來水的減少，降低了下游尼羅河泛濫的幾率，進(jìn)入盆地的水量和沉積物相應(yīng)會減少，這也是巖芯記錄揭示的尼羅河與盆地水力學(xué)聯(lián)系開始減弱發(fā)生在大約6.3-5.4 ka BP期間的主要原因.最近約5.4 ka BP以來，隨著流域非洲夏季風(fēng)降水的不斷減少，尼羅河河水進(jìn)入Faiyum盆地的幾率也進(jìn)一步減少，湖泊沉積物中蒸發(fā)性鹽類以及沉積物磁性不斷增加，正是對這一趨勢的反映.雖然，為了應(yīng)對盆地干旱氣候以及尼羅河來水減少的狀況，最近4.2 ka BP以后人工開挖的Hawara運(yùn)河（1991-1802 BC）［58］，也就是現(xiàn)在的Bahr Yousef運(yùn)河的前身，為盆地提供額外水源.但全新世后期尼羅河流域總體干旱的氣候，加劇了尼羅河下游流量的衰減，使得在自然狀態(tài)下很難再實(shí)現(xiàn)尼羅河與盆地的聯(lián)通，加之人類生產(chǎn)、生活用水的不斷增加，外來水源也無法阻止湖泊趨向進(jìn)一步萎縮.此時，沉積物磁性的不斷增加所反映的正是湖泊不斷萎縮的氧化沉積環(huán)境以及人類活動的不斷增強(qiáng).

5 結(jié)論

Faiyum盆地鉆孔沉積物的粒度、有機(jī)碳、生物以及磁性特征，反映了全新世以來盆地沉積物環(huán)境的變化，與氣候變化導(dǎo)致的全新世以來尼羅河與盆地的水力學(xué)聯(lián)系有關(guān).大約10-5.4 ka BP期間，盆地沉積物細(xì)顆粒、高有機(jī)碳含量、低磁性特征，總體反映了高湖面、偏還原性的環(huán)境特征，這與全新世早中期非洲夏季風(fēng)受熱帶輻合帶北移而加強(qiáng)，在給整個尼羅河流域帶來更多的降水的同時，所引發(fā)的下游低洼地區(qū)的泛濫、大量河水流入Faiyum盆地有關(guān).期間，大約6.3-5.4 ka BP尼羅河與Faiyum盆地的水力學(xué)聯(lián)系減弱則與非洲夏季風(fēng)降水在撒哈拉地區(qū)的衰退相吻合.而最近5.4 ka BP以來，熱帶輻合帶的不斷南移，導(dǎo)致流域夏季風(fēng)降水也隨之減弱，尼羅河泛濫的幾率減少，F(xiàn)aiyum盆地與尼羅河的連通性變得困難，并在隨后的大約4.2 ka BP后變得尤為明顯.雖然，隨后人工開挖的運(yùn)河（1991-1802 BC）使得盆地與尼羅河重新建立起水力學(xué)聯(lián)系，但這種人工的水力學(xué)聯(lián)系，在人類活動不斷強(qiáng)化背景下，顯然未能阻止湖泊的進(jìn)一步萎縮.

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Sediment magnetism of Faiyum basin（Egypt）and its implications for the Holocene envi?ronment change

JIANG Jun1，ALAA Salem2，LAI Xiaohe1，ZHANG Weiguo1，LESZEK Marks3，F(xiàn)ABIAN Welc4，XU Lichen1，CHEN Jing1，CHEN Zhongyuan1&SUN Qianli1??
（1：State Key Laboratory of Estuary and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，P.R.China）（2：Department of Geology，F(xiàn)aculty of Science，Kafrelsheikh University，Egypt）（3：Faculty of Geology，University of Warsaw，Poland）（4：Institute of Archaeology，Wyszynski University in Warsaw，Poland）

Sediment magnetism，integrated with organic carbon，grain-size and ostracods analyses were conducted on a sediment core（FA-1）retrieved from Faiyum basin，north Egypt.The time sequences of sediment magnetism were established on the AMS14C-dated chronology.The result showed that grain-size and secondary alternation had minor effects on the characteristics of the sediment magnetism，and changes in sediment magnetism basically reflected the relative proportion of different sources contributing to the basin.Prior to the Holocene，weak sediment magnetism featured by incomplete antiferro magnetic minerals，together with the

Faiyum basin；sediment magnetism；the Holocene；lacustrine sediment；the Nile

10.1038／303327a0.

J.Lake Sci.（湖泊科學(xué)），2016，28（6）：1391-1403

DOI 10.18307／2016.0625

?2016 by Journal of Lake Sciences