武漢漲渡湖ZK04-1鉆孔沉積物粒度、磁化率、孢粉組合特征及其環(huán)境演變

楊青雄, 馮 穩(wěn), 杜小鋒

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院 基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查中心,湖北 武漢 430034)

研究地球過去的氣候與環(huán)境變化信息,可以更好地了解現(xiàn)在正在發(fā)生的各種變化,從而為未來提供可靠有效的類比模式[1]。全新世時期為末次冰期之后的晚冰期地質(zhì)時代,氣候逐漸轉(zhuǎn)入溫暖潮濕的冰后期,是與人類聯(lián)系最為緊密的一個地質(zhì)時段,對其時段內(nèi)沉積環(huán)境及人類規(guī)律的研究有助于解釋人類活動與環(huán)境之間的關(guān)系[2-3]。湖泊沉積物作為重要的信息載體[4-5],可用于重建和研究陸地沉積環(huán)境及其古氣候演化過程。第四紀(jì)鉆孔巖芯記錄的環(huán)境信息具有連續(xù)、完整、不受干擾等優(yōu)點,非常適合用于古氣候研究。近年來,許多學(xué)者從古環(huán)境重建的角度開展研究工作?；艟娴萚6]通過對武漢東西湖區(qū)典型第四紀(jì)鉆孔沉積物的粒度特征分析,重建了武漢東西湖區(qū)第四紀(jì)以來的沉積環(huán)境演變過程。謝遠(yuǎn)云[7]等通過對江漢平原江陵湖泊沉積物的粒度特征分析,初步探討出湖泊流域古氣候環(huán)境的變遷規(guī)律。在湖泊沉積研究中,粒度可以反映沉積環(huán)境及水動力的變化過程,磁化率在一定程度上可表征沉積環(huán)境特征,孢粉植物類型可以直接反應(yīng)氣候特征[8-10]。然而,對武漢地區(qū)晚冰期,尤其是全新世時期高分辨率的沉積環(huán)境變化與重建研究尚顯不足。本文以武漢市新洲區(qū)漲渡湖農(nóng)場ZK04-1鉆孔(114°47′18″E,30°40′00″N,見圖1)為例,通過對沉積物的粒度、磁化率以及孢粉特征組合進(jìn)行分析,揭示全新世時期古環(huán)境和古氣候變化規(guī)律。

圖1 ZK04-1鉆孔地理位置Fig.1 Location of ZK04-1 core

1 剖面概述

研究樣品采自武漢市新洲區(qū)漲渡湖農(nóng)場ZK04-1鉆孔剖面的8.54～28.00 m段,采樣長度為19.52 m,根據(jù)巖性特征,由上至下詳細(xì)劃分為13層:1層為8.54～11.19 m,厚2.66 m,青灰色粉砂夾粘土團(tuán)塊;2層為11.19～12.08 m,厚0.89 m,青灰色含砂粘土;3層為12.08～13.17 m,厚1.09 m,青灰色粉砂夾粘土斑塊;4層為13.17～15.00 m,厚1.83 m,青灰色含砂粘土;5層為15.00～16.13 m,厚1.13 m,黃褐色含粘粉砂,夾零星螺殼;6層為16.13～16.28 m,厚0.15 m,青灰色細(xì)砂土,夾黃褐色粘土;7層為16.28～18.05 m,厚1.77 m,青灰色粘土;8層為18.05～18.17 m,厚0.12 m,青灰色粘土質(zhì)砂,見白色螺殼;9層為18.17～22.51 m,厚4.34 m,青灰色粘土,夾黃褐色粉砂土條帶,平行層理發(fā)育;10層為22.51～23.16 m,厚0.65 m,青灰色淤泥質(zhì)粘土;11層為23.16～24.12 m,厚0.96 m,青灰色粉砂質(zhì)粘土;12層為24.12～27.59 m,厚3.47 m,青灰色粘土;13層為27.59～28.00 m,厚0.41 m,青灰色含粘細(xì)砂土。

2 樣品采集及分析

2.1 樣品采集

在該剖面8.6 m、17.9 m以及21.85 m處共取樣品3個14C測年樣,見表1;在8.54～28.06 m之間以4 cm和8 cm的混合間隔進(jìn)行采樣,獲得粒度和磁化率有效樣各333個,在8.54～27.54 m之間,以30 cm厚度間隔共取可用孢粉樣品65個?原始數(shù)據(jù)和資料來源于湖北省地質(zhì)調(diào)查院2011—2014年1∶5萬新洲幅等四幅區(qū)調(diào),2014。。

2.2 樣品分析

(1) 沉積物14C測年結(jié)果。該樣品送往波蘭波茲南放射性國家實驗室進(jìn)行樣品年代鑒定測試,所得測試結(jié)果經(jīng)校正曲線IntCal13進(jìn)行日歷年齡校正,校正結(jié)果見表1。筆者采用分段線性內(nèi)插和外推方法建立剖面的時間序列。

表1 鉆孔ZK04-1 14C測年結(jié)果表Table 1 14C dating results of ZK04-1 core

(2) 沉積物粒度分析結(jié)果及特征。根據(jù)Udden-Wentworth標(biāo)準(zhǔn)[11],該剖面沉積物按粒級劃分為粘土(φ>7)、粉砂(4<φ<7)及砂(φ<4)三個級別。其中,粘土含量變化范圍為15.48%～76.34%,平均含量為40.34%;粉砂含量變化范圍為17.60%～ 67.45%,平均含量為41.38%;砂含量變化范圍為0%～ 66.93%,平均含量為5.22%。按國際制三角圖圖解法命名,該剖面沉積物整體屬于粘土質(zhì)粉砂。其中平均粒徑值變化范圍為4.27～8.07φ,平均為6.30φ,分選系數(shù)r1變化范圍為1.28～3.08,屬分選較差—分選差;偏態(tài)SK變化范圍為-0.25～0.54,為極負(fù)偏—極正偏;峰態(tài)KG變化范圍為0.669～1.295,從寬到窄。

(3) 沉積物磁化率的變化特征。樣品測量是在中國地質(zhì)大學(xué)武漢地球物理與空間信息學(xué)院實驗室的型卡帕橋儀上完成的,測量精度≤2×10-8SI,對每一件樣品重復(fù)測量2次取其均值作為最后的結(jié)果。根據(jù)質(zhì)量磁化率的測試結(jié)果,該剖面沉積物樣品磁化率值變化范圍為82×10-6～652×10-6SI,平均值為238.83×10-6SI,反映出亞熱帶濕潤區(qū)長江中下游沿江湖泊的磁化率特點。磁化率曲線在22.5 m以下都比較平穩(wěn),呈小幅度的高低振蕩;在15.5～22.5 m之間出現(xiàn)明顯的峰谷交替變化;在15.5 m以上磁化率開始出現(xiàn)若干較大幅度的峰值,特別是在深度10.86 m左右出現(xiàn)該剖面最大值652×10-6SI。

(4) 沉積物孢粉分析結(jié)果。在8.54～27.54 m之間,以30 cm厚度間隔共可用孢粉樣品65個,樣品在實驗室里經(jīng)過酸、堿等化學(xué)處理,水洗至中性后,用比重為2.1的重液進(jìn)行浮選,再經(jīng)冰乙酸水稀釋、富集,純凈水清洗至中性后制管,在生物顯微鏡下鑒定。共統(tǒng)計陸生植物花粉34 668粒,平均每個樣品533粒,孢粉總濃度平均每個樣品為1 445粒/g,共鑒定出143個科屬的植物花粉。根據(jù)鏡下孢粉鑒定統(tǒng)計分析結(jié)果,按照植物氣候類型代表性特征做出孢粉百分比含量圖式,運用孢粉專業(yè)作圖軟件Tilia做出孢粉百分比含量圖式,根據(jù)聚類分析Coniss所得結(jié)果見圖2。

圖2 ZK04-1鉆孔孢粉植物科屬數(shù)量隨深度變化圖Fig.2 Change map of pollen plant genera number of ZK04-1 core with depth variation

3 討論

湖泊沉積學(xué)研究表明[12-13],湖水物理能量是控制沉積物粒度分布的主要因素。粘土、粉砂、砂含量等參數(shù)的變化反映沉積物顆粒的粗細(xì),細(xì)粒沉積物代表了湖水物理能量較強(qiáng)的水位較高階段,其原因是高水位時同一采樣點距離湖岸更遠(yuǎn),陸源顆粒必須經(jīng)過長距離的搬運才能到達(dá)采樣點,而沉積物中粗顆粒物質(zhì)難以長距離搬運,導(dǎo)致平均粒徑減小,指示氣候濕熱;反之粗粒沉積物則代表低水位階段,指示氣候干冷。分選系數(shù)r1代表沉積物的分選程度,分選系數(shù)r1越小分選程度越好;長距離的搬運對顆粒也起到了很好的分選作用,對應(yīng)湖泊高水位期。偏態(tài)SK表示沉積物粗細(xì)分布的對稱程度,可以判別分布的對稱性,并表示平均值與中位數(shù)的相對位置,如為負(fù)偏,沉積物偏粗,平均值將向中位數(shù)的較粗方向移動;正偏則是細(xì)偏,平均值向中位數(shù)的較細(xì)方向移動。峰態(tài)KG是用來衡量粒度分布曲線的尖銳或鈍圓的程度,正態(tài)曲線的峰態(tài)值為1.00,峰態(tài)正值說明顆粒分布集中,負(fù)值時則為寬峰態(tài),說明顆粒分布分散。

基于上述原因,以粒度分析結(jié)果及其曲線變化特征為基礎(chǔ),結(jié)合磁化率分析結(jié)果,并綜合測年數(shù)據(jù)和孢粉分析結(jié)果(圖3),得到長江中下游10 kaB.P以來沿江湖泊沉積環(huán)境的演化過程,分段分析如下:

圖3 ZK04-1鉆孔沉積物粒度、磁化率參數(shù)特征隨深度變化圖Fig.3 Change map of parameters of grain-size and magnetic susceptibility of ZK04-1 core with depth variation1.砂;2.粉砂;3.砂質(zhì)粘土;4.淤泥質(zhì)粘土;5.粘土。

Ⅰ階段(28.06～27 m 9 916～8 472 aB.P):這一階段粘土組分含量平均值為32.75%、粉砂組分含量為50.14%和砂組分含量為17.11%,三者存在劇烈振蕩,出現(xiàn)兩次明顯的峰谷變化,其中粘土組分含量與砂組分含量呈負(fù)相關(guān)變化。以粘土組分為代表,由19.66%急劇上升至61.63%,然后急劇下降至16.61%,再迅速上升至61.02%。平均粒徑的平均值為6.19φ,在4～7φ之間反復(fù)波動;分選系數(shù)r1平均值為1.96,總體分選較差;偏度SK平均值為0.19,多次出現(xiàn)小幅波動但整體較為平穩(wěn),屬正偏,沉積物有變細(xì)的趨勢。上述粒度參數(shù)特征顯示了較強(qiáng)水動力條件下形成的粒徑較粗的河流沖積—洪泛沖積相沉積,進(jìn)一步暗示了此階段早期漲渡湖湖泊仍為開放性環(huán)境,受長江河流主導(dǎo)。由于流水的淘洗作用,磁性物質(zhì)難以保留,導(dǎo)致磁化率處于一個穩(wěn)定的低位水平,且平均值僅為100.21×10-6SI,低于剖面均值。但在27.5 m處有多層碳泥層,可見這一時期在漫灘洼地基礎(chǔ)上發(fā)育泥炭沼澤相湖泊,指示該階段晚期漲渡湖湖泊開始閉合。另外,該區(qū)間孢粉帶中以喜潮濕環(huán)境的瓶爾小草屬含量高,最高值達(dá)到27.56%,同時還出現(xiàn)了少量的淡水中生長的環(huán)紋藻,闊葉類植物中的落葉櫟、榆屬和楓香等含量較高。由此推測當(dāng)時的植被類型為含針葉樹松的落葉闊葉林,指示氣候溫暖濕潤。

溫暖濕潤的氣候條件提供充沛的降雨量,增加河流流速與動能;碳泥層表明當(dāng)時植被發(fā)育非常繁盛,反映出氣候較為溫暖,綜上所述此階段為溫暖濕潤的氣候。

Ⅱ階段(27～16.1 m 8 472～5 434 aB.P):這一階段砂組分含量長期處于低位水平,接近于零,僅間歇性地出現(xiàn)峰值,其平均值為2.17%,但粘土組分和粉砂組分與之相反,二者處于高位水平,總體呈“S”狀波動,其平均值分別為49.67%和48.19%;平均粒徑的平均值為7.16φ,屬粘土級;分選系數(shù)r1的平均值為1.57,分選相對上階段較好;偏度SK平均值為0.15,整體較為平穩(wěn),屬正偏,但期間出現(xiàn)7次負(fù)偏;峰態(tài)KG的平均值為1.09,屬于尖窄型,表明粒度分布相對集中。上述粒度參數(shù)特征顯示了此階段為弱水動力條件下形成的以細(xì)粒為主的湖泊沉積,受外來水系影響非常小,進(jìn)入了密閉湖泊的生長期。

該階段粘土組分含量長期處于高位,多個層位含有植物腐殖質(zhì)及黑色有機(jī)質(zhì)團(tuán)塊,并且在此其間偏度值出現(xiàn)7次負(fù)偏,與砂組分含量峰值正好響應(yīng),指示出有7次較大洪水事件形成的越岸粗粒沉積,表明此階段主體氣候為溫暖偏濕。與此同時,磁化率值相對上階段有明顯增加,其平均值為194.93×10-6SI,期間出現(xiàn)多次峰谷變化,其中峰值區(qū)間與洪水事件重疊,可能由洪水或地表徑流攜帶磁性礦物成分進(jìn)入湖泊,對應(yīng)溫暖濕潤氣候;但是低值區(qū)間表明無外來磁性物源注入湖泊內(nèi),指示降水量減少,對應(yīng)干冷氣候。

另外,該區(qū)間孢粉帶花粉科屬種類豐富多樣,但主要為指示溫暖濕潤氣候特征的蕨類孢子、喜濕熱環(huán)境的海金沙、闊葉類植物類和指示干涼、溫涼偏濕氣候特征的及針葉喬木植物花粉中的松屬類兩大主體,且前者占主導(dǎo)地位,在不同層位上,二者含量此消彼長,表明該時期內(nèi)出現(xiàn)多次氣候旋回。因此,綜上所述,該階段具有多個冷暖濕干氣候旋回。

Ⅲ階段(16.1～8.54 m 5 434～2 794 aB.P):該階段砂組分含量顯著增加,振幅波動較大,最高值為10.9 m處的40.51%,平均值為15.24%,而粘土組分和粉砂組分與之相反,呈波動下降趨勢,二者的平均值分別為40.19%和44.56%,前者減小幅度更大;平均粒徑為6.40φ,為粉砂級;分選系數(shù)r1持續(xù)波動增大,其平均值為2.09,分選性極差;偏度普遍出現(xiàn)負(fù)值,正偏占少量,其平均值為0.056 38,相對上階段,顆粒明顯變粗;峰態(tài)KG在1.0兩側(cè)對稱波動,其平均值屬于尖窄型,粒度分布相對集中。上述粒度參數(shù)特征指示該階段為水動力條件增強(qiáng)的沉積環(huán)境,顆粒來源較為復(fù)雜,可能為湖泊周邊的水系注入,包括長江。據(jù)區(qū)域歷史文獻(xiàn)記載,受北部大別隆起掀斜作用影響,長江南遷,但受長江南岸但店地區(qū)基巖阻攔,形成額頭灣,長江南北岸呈不對稱發(fā)展,因此在洪水期時,洪泛沖積物越岸灌注至湖泊;與此同時,湖泊北東側(cè)的舉水河可能成為另一個主要的物質(zhì)來源。這給湖泊提供了充足的磁性物源,導(dǎo)致磁化率值急劇增加,最高峰值為652×10-6SI,平均值超過該剖面的平均值,為321.22×10-6SI。另外,該區(qū)間孢粉帶花粉科屬種類較為豐富,由下至上以針葉類含量為主的松科,漸變?yōu)橐陨菘啤Ⅶ[蓋蕨和海金沙含量為主,夾有少量闊葉類的落葉櫟、楓香,氣候特征由涼偏干、溫暖偏濕漸變?yōu)檠谉釢駶櫋?/p>

該階段的砂組分含量與磁化率值呈波動遞進(jìn)式增大,表明水動力條件也逐漸遞增,進(jìn)一步指示出降水量逐漸增加。

4 結(jié)論

區(qū)域氣候變化是在全球氣候變化背景下發(fā)生的,對全球氣候變化具有區(qū)域響應(yīng)的特點,綜上所述,初步得出以下結(jié)論:

(1) 從ZK04-1鉆孔剖面粒度、磁化率以及孢粉記錄的沉積環(huán)境信息來看,該剖面較為典型,較好地反映出長江中游地區(qū)環(huán)境演化特征。一萬年以來,該區(qū)域經(jīng)從最初的溫暖濕潤氣候階段,漸變過渡到冷暖濕干氣候交替變化階段,演變到最后持續(xù)變暖,直至變?yōu)檠谉釢駶櫄夂螂A段。

(2) 粒度作為環(huán)境演化的代用指標(biāo),較好地反映出湖泊沉積水位和水動力條件變化,進(jìn)一步指示氣候的干濕冷暖變化特征。在封閉湖泊狀態(tài)下,湖泊沉積物粒度變細(xì),則表明湖泊水域面積增長,水位上漲;反之亦然。而砂組成分的變化,側(cè)面反映出水動力的強(qiáng)弱。

(3) 從粒度、磁化率記錄的沉積環(huán)境信息反映出漲渡湖由最開始的開放性湖泊逐漸生長成封閉性湖泊,并在洪水事件發(fā)生時期,得到長江及舉水等水系補(bǔ)充。其中整個剖面記錄時段內(nèi),粒度及磁化率記錄出現(xiàn)了七次峰值,表明經(jīng)歷過七次洪水事件 。