青海湖東岸全新世風成沉積地球化學特征及其古氣候意義

薛紅盼，曾方明

1.中國科學院青海鹽湖研究所，中國科學院鹽湖資源綜合高效利用重點實驗室，西寧 810008

2.青海省鹽湖地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室，西寧 810008

3.中國科學院大學，北京 100049

0 引言

青海湖地區(qū)位于中國東部季風濕潤區(qū)、西北干旱區(qū)和青藏高原高寒區(qū)的過渡帶，對氣候變化的響應敏感[1]。青海湖地區(qū)因其獨特的地理位置和氣候條件，成為人們了解過去氣候和環(huán)境演變過程的重要窗口。

過去關于青海湖地區(qū)環(huán)境和氣候演變的研究主要集中在湖相沉積和風成沉積（黃土、古土壤及風成砂）[2-7]。然而，由于各類環(huán)境替代指標的多解性導致重建的末次冰消期以來特別是早全新世的氣候特征存在不一致的認識[5,8]。一些研究認為全新世早期氣候溫干、湖面較低、水體含鹽量較高[3,5,9]，而另一些研究認為早全新世氣候暖潤、湖面比現(xiàn)在高、水體含鹽量較低[2,4,10]。

青海湖地區(qū)的風成沉積研究也存在認識上的差異?；诠忉尮猓∣ptically Stimulated Luminescence，OSL）定年技術(shù)，Liuet al.[11]對青海湖湖面變化過程的研究揭示早全新世湖面相對較低；中全新世湖面逐漸上升，在5 ka B.P.左右出現(xiàn)最高湖面；晚全新世湖面趨于下降。上述湖面變化過程與利用多個湖東風成沉積剖面重建的古氣候演變過程可以相互印證[1,7,12]，但與南岸哈拉力剖面[13]早全新世期間發(fā)育古土壤的溫濕氣候存在認識上的差異。因此，青海湖地區(qū)的古氣候演變過程仍值得進一步研究。

雖然對青海湖地區(qū)風成沉積的地球化學特征及利用其重建古氣候信息的工作已有報道[1,6-7,14]，但是利用這套沉積的地球化學相關指標與磁化率、粒度、色度等指標結(jié)合來重建古氣候變化的研究仍然較少。在前期OSL定年建立了剖面年代框架的基礎上[15-16]，本研究對青海湖地區(qū)種羊場剖面（簡稱為ZYC剖面）風成沉積物的元素地球化學特征及其古氣候意義進行分析，并結(jié)合磁化率、粒度和色度指標，旨在重建青海湖地區(qū)全新世期間古氣候演變過程，對驅(qū)動其氣候變化的機制進行初步探討。

1 研究區(qū)概況

青海湖位于青藏高原東北部，是我國最大的內(nèi)陸高原咸水湖泊。湖區(qū)為大通山、日月山、青海南山、橡皮山等山脈所環(huán)繞（圖1a）。湖水的補給主要來自北部和西北部的河流，其中布哈河的補給量約占總補給量的50%[17]。

青海湖地區(qū)的氣候?qū)侔敫珊祪?nèi)陸溫帶大陸性氣候，夏季時東亞夏季風可滲入到該地區(qū)[2]；湖區(qū)年平均溫度約為1.2℃；年均降水量為400 mm，60%的降水集中在6—9月[18]。湖區(qū)周邊呈環(huán)帶狀廣泛分布風成沉積，以黃土和風成砂為主。研究區(qū)的主要植被類型為半干旱—干旱和高寒地區(qū)所特有的高寒草甸、高寒草原和高寒灌叢等[19]。

2 材料與方法

2.1 剖面和樣品采集

ZYC剖面的經(jīng)緯度為36.63°N，100.87°E，海拔3 390 m（圖1a，b）。該剖面總采樣厚度為120 cm，從頂至底依次為：0～30 cm，灰色砂質(zhì)土壤層，現(xiàn)代植物根系豐富；30～80 cm，灰色粉砂質(zhì)古土壤層，植物根系較少，結(jié)構(gòu)致密；80～100 cm，灰黃色粉砂質(zhì)黃土層，較疏松；100～120 cm為淺黃色風成砂，結(jié)構(gòu)疏松，未見底。

圖1 ZYC剖面位置（a.底圖來自Google Earth）與照片（b）Fig.1 (a)Location(base map from Google Earth)and(b)photograph of ZYC section

散樣樣品采樣間隔為2 cm，共采集60個。OSL測年樣品不定間隔共采集了6個，其年齡分別為0.9±0.1 ka（深20 cm）、1.1±0.1 ka（深30 cm）、4.9±0.4 ka（深49 cm）、6.5±0.6 ka（深68 cm）、8.2±0.7 ka（深80 cm）和10.0±1.0 ka（深107 cm）[15-16]。OSL年齡與地層層序分布一致。假定剖面頂部的年代為0ka，依據(jù)剖面的OSL年齡采用線性內(nèi)插和外推的方法，計算出剖面各深度的沉積年齡，剖面底部（深120 cm）的年代約為11 ka，黃土層與風成砂層過渡處（深100 cm）年代約為9.54 ka。

2.2 指標分析

樣品自然風干之后用于實驗分析。主、微量元素含量測試：樣品在瑪瑙研缽中充分磨細，并使其通過200目不銹鋼網(wǎng)篩，采用壓片法測定元素的含量，儀器為荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的Axios X射線熒光光譜儀，各元素分析誤差小于10%。

磁化率的測試采用英國Bartington MS2型雙頻率磁化率儀完成，具體測試過程與曾方明等[20]描述一致。粒度樣品經(jīng)過去除有機質(zhì)和碳酸鹽之后采用激光粒度儀Malvern Mastersizer 2000進行顆粒粒徑的測試。磁化率和粒度數(shù)據(jù)見已發(fā)表文章[21]。

色度用CIE1976 L*、a*、b*表色系統(tǒng)進行表示，L*代表亮度，變化于黑（0）與白（100）之間，表示土壤的明暗程度；a*代表紅度，變化于紅綠之間；b*代表黃度，變化于黃藍之間[22]。色度測試在日本Konica Minolta CM2500-C分光測色儀上進行。

3 結(jié)果

3.1 種羊場風成沉積物的元素含量

種羊場風成沉積的主、微量元素組成和含量見表1。主量元素以SiO2（平均50.43%）、Al2O3（平均12.03%）、CaO（平均10.21%）、Fe2O3（平均4.20%）、MgO（平均2.35%）、K2O（平均2.34%）和Na2O（平均1.56%）為主。TiO2、P2O5和MnO元素含量均小于1%。種羊場風成沉積物相比于UCC（上地殼）[23]（圖2a），顯著富集CaO，虧損Na2O。Fe2O3、TiO2、P2O5和MnO含量與UCC相近，SiO2、Al2O3、K2O含量較低。微量元素UCC[23]標準化圖（圖2b）顯示，種羊場風成沉積物相比于UCC[23]有顯著的Nb虧損，富集V、Cr、Co、Ni、Y、Zr、La，Ba、Nd、Pb的含量接近于UCC。

圖2 ZYC剖面風成沉積物主量元素（a）和微量元素（b）UCC[23]標準化圖Fig.2 UCC[23]?normalized abundances of elements for the aeolian deposit samples from the ZYC section(a)major elements;(b)trace elements

表1 ZYC剖面風成沉積物的主量元素和微量元素含量Table 1 Major?element and trace?element concentrations of aeolian deposit samples from ZYC section

3.2 磁化率、粒度和色度

風成沉積物的磁化率和粒度分別可以指示研究區(qū)降水、溫度的變化及區(qū)域內(nèi)風沙活動的強弱，已被用于氣候和環(huán)境演變過程的重建[24-26]。種羊場風成沉積的磁化率和粒度數(shù)據(jù)已被Liuet al.[21]報道，故本文僅做簡單論述。剖面磁化率值變化范圍為（17.02×10-8～70.7×10-8）m3/kg，中值粒徑（Md）變化范圍為10.19～140.84μm，其中古土壤層的中值粒徑最小，磁化率值最高。

ZYC剖面風成砂層的亮度（L*）值較高，古土壤層L*值較低（表2），與黃土高原渭南和西峰黃土剖面[27]及毛烏素沙漠風成沉積剖面類似[28]。ZYC剖面風成砂層的TOC含量較低，而古土壤層的TOC含量較高[16]。ZYC剖面L*和TOC含量[16]呈高度負相關（R2=0.71，P<0.01，圖3a），表明種羊場剖面L*主要受TOC含量變化的控制。在青藏高原東北部，研究表明沉積物中TOC含量與沉積時期的年降水量、植被覆蓋程度和溫度密切相關[29]。因此，對于種羊場風成沉積物，L*可以指示區(qū)域植被覆蓋程度的變化，從而間接地反映研究區(qū)古氣候演變過程。

表2 ZYC剖面風成沉積物色度測試結(jié)果Table 2 Color parameters of aeolian deposits from ZYC section

ZYC剖面總體上在古土壤層與砂質(zhì)土壤層的過渡處a*值最高，風成砂層的a*值最低，a*值自風成砂層至砂質(zhì)土壤層有增高的趨勢（表2、圖3c）。黃土高原渭南和西峰黃土剖面（不考慮渭南剖面L2/S1過渡地層）的a*與磁化率之間具有很強的相關性，且a*的變化被認為與風化成壤作用密切相關[27]。但是，ZYC剖面的a*與磁化率之間不相關（R2=0.01，P=0.42，圖3b）。然而，控制種羊場風成沉積a*變化的因素有待進一步探究。因此，在重建青海湖地區(qū)古氣候和環(huán)境演變過程時具有局限性，需謹慎使用。

3.3 ZYC剖面風成沉積物的元素比值及古氣候意義

通常利用CIA（chemical index of alteration，CIA=[Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）]×100，化學蝕變指數(shù)，摩爾數(shù)）來評價沉積物的化學風化程度[30]，并利用Al2O3-（CaO*+Na2O）-K2O（A-CN-K）三元圖（各氧化物為摩爾數(shù)）[31]來推斷沉積物的風化趨勢，其中CaO*指硅酸鹽中CaO的含量。本次研究按照文獻[32]所描述的方法進行了磷酸鹽的校正并估算了硅酸鹽中CaO的含量。

風化程度的強弱與氣候和環(huán)境的變化密切相關，通常化學風化程度的增強與較高的溫度和降水有關，反之亦然[30]。已有研究表明，CIA值從低到高依次代表未風化（<50）、弱風化（50～60）、中等風化（60～80）和強風化（>80）（圖4）[33]。種羊場風成沉積的CIA值變化范圍為53.49～65.60，平均值為61.08（圖4），低于西寧全新世黃土（CIA=68.8，YJC剖面，未發(fā)表數(shù)據(jù)）。在不同的地層單元中（圖5），古土壤的CIA值最高，表明古土壤在相對濕熱的氣候條件下經(jīng)歷了較強的化學風化作用，而底部風成砂和黃土的CIA值較低，指示兩者可能在相對干燥的氣候狀態(tài)下遭受了較弱的化學風化作用。種羊場風成沉積CIA值顯示種羊場風成沉積經(jīng)歷了弱風化、中等程度的化學風化強度，其波動變化反映青海湖地區(qū)全新世期間經(jīng)歷了較大的冷暖、干濕交替。

A-CN-K三元圖（圖4）顯示種羊場風成沉積與預測的從UCC到PAAS（Post-Archean Australian Shale）的風化趨勢線一致[31]，靠近斜長石一側(cè)，與A-CN軸平行，表明種羊場風成沉積仍處于斜長石風化早期Ca和Na的去除階段。

圖4 ZYC剖面風成沉積物樣品的A?CN?K三元圖（底圖引自文獻[31]）和CIA值UCC和PAAS[23]；Ka.高嶺石；Sm.蒙脫石；IL.伊利石；Mu.白云母；Bi.黑云母；Pl.斜長石；Ksp.鉀長石；Hb.角閃石；Cpx.單斜輝石Fig.4 Chemical index of alteration(CIA)values and A?CN?K ternary diagram(base map from reference[31])for aeolian deposit samples from ZYC sectionUCC and PAAS[23];Ka=kaolinite;Sm=smectite;IL=illite;Mu=muscovite;Bi=biotite;Pl=plagioclase;Ksp=K?feldspar;Hb=hornblende;Cpx=clinopyroxene

在氣候變化影響下，根據(jù)相對穩(wěn)定元素和易遷移元素的不同地球化學行為，學者們提出了Rb/Sr比值、（CaO+Na2O+MgO）/Ti2O比值（各氧化物為摩爾數(shù)）來重建古氣候變化，較高的Rb/Sr比值和較低的（CaO+Na2O+MgO）/Ti2O比值可指示相對濕熱的氣候條件[39-40]。種羊場風成沉積的Rb/Sr比值變化范圍為0.26～0.57，平均值為0.36，古土壤層具有較高的Rb/Sr比值（圖5f），對應古土壤層較高的CIA值（圖5i）。（CaO+Na2O+MgO）/Ti2O比值（圖5g）變化范圍為21.80～53.43，平均值為40.06，變化趨勢與Rb/Sr比值和CIA值相反。值得注意的是，Rb/Sr比值、（CaO+Na2O+MgO）/Ti2O比值與CIA值峰值位置明顯不同，可能與不同指標對氣候變化響應的敏感程度不同有關。

4 討論

綜合ZYC剖面地球化學相關指標、粒度、磁化率及色度和剖面地層特征，并與其它古氣候替代指標作比較（圖5），我們對青海湖地區(qū)氣候演變過程進行分析，初步認為青海湖地區(qū)11.0 ka B.P.以來氣候演變經(jīng)歷了11.0～6.5 ka B.P.、6.5～1.1 ka B.P.和1.1～0 ka B.P.三個階段。

11.0～6.5 ka B.P.，ZYC剖面CIA值、Rb/Sr比值、磁化率值和TOC含量[16]為低值，有增高的趨勢，L*值、中值粒徑、（CaO+Na2O+MgO）/Ti2O比值均為高值，剖面發(fā)育風成砂、黃土及部分古土壤（圖5m），這些記錄揭示該時期青海湖地區(qū)風化作用較弱，氣候可能相對溫暖干旱，與基于烯烴重建的青海湖地區(qū)夏季溫度顯示該時期氣溫較高（圖5j）[34]和重建的青藏高原東北緣年均降水量顯示這一時期降水量較低（圖5k）[35]相印證。在這種氣候條件下青海湖湖面較低（圖5l）[11]，區(qū)內(nèi)風沙活動較強，風成砂沉積發(fā)育（圖5a）[6-7,15-16,36-37]。

6.5～1.1 ka B.P.，ZYC剖面CIA值、Rb/Sr比值、磁化率值和TOC含量[16]都呈高值，且達到峰值，而L*值、中值粒徑、(CaO+Na2O+MgO)/Ti2O比值顯著降低，剖面古土壤發(fā)育（圖5m）。盡管這些指標峰值出現(xiàn)的時間不一致，但是它們均揭示該時期青海湖地區(qū)風化作用可能較強，為暖濕期，這與重建的青藏高原東北緣年均降水量顯示這一時期降水量較高（圖5k）[35]和基于烯烴重建的青海湖地區(qū)夏季溫度顯示該時期溫度相對較高（圖5j）[34]相吻合。在這種暖濕氣候條件下，可能造成青海湖湖面上升，出現(xiàn)高湖面，古湖岸堤地貌證據(jù)顯示全新世最高湖面出現(xiàn)在約5.0 ka B.P.（圖5l）[11]。由于這一暖濕氣候持續(xù)時間長，冷暖波動少，風沙活動弱，成壤作用較強，區(qū)內(nèi)古土壤發(fā)育較厚（圖5a）[6-7,15-16,36-37]。

1.1 ka B.P.至今，剖面發(fā)育砂質(zhì)土壤（圖5m），CIA值、Rb/Sr比值、TOC含量[16]、磁化率值、（CaO+Na2O+MgO）/Ti2O比值、中值粒徑和L*值波動變化，該時期青海湖地區(qū)風成砂和古土壤交替出現(xiàn)（圖5a）[6-7,15-16,36-37]，重建的該地區(qū)夏季溫度較高（圖5j）[34]，降水量較低（圖5k）[35]，表明青海湖地區(qū)氣候變得干旱。古湖岸堤地貌證據(jù)也顯示在約1.1 ka B.P.以后青海湖湖面下降（圖5l）[11]。

亞洲季風在很大程度上影響了包括青海湖盆地在內(nèi)的中國北部沙漠或沙地的演化，其強弱變化可導致氣候的干濕變化，從而造成風成砂和古土壤在風成沉積剖面中出現(xiàn)[7,41]。本次研究結(jié)果揭示青海湖地區(qū)全新世早期氣候相對溫暖干旱，可能由于早期太陽輻射增加（圖5h）[38]導致蒸發(fā)強度較高，造成青海湖地區(qū)有效濕度降低，使得風沙活動加強，風成砂沉積發(fā)育（圖5a）[6-7,15-16,36-37]，青海湖處于低湖面（圖5l）[11]。而全新世中期，太陽輻射（圖5h）[38]逐漸減弱可能導致蒸發(fā)強度逐漸降低，造成青海湖地區(qū)有效濕度增加，氣候進入濕潤期，青海湖地區(qū)古土壤沉積大量發(fā)育（圖5a）[6-7,15-16,36-37]，青海湖湖面在約5.0 ka B.P.達到最高（圖5l）[11]。全新世晚期，太陽輻射變?nèi)?，年降雨量減少（圖5k）[35]，導致氣候變干，發(fā)育風成砂沉積（圖5a）[6-7,15-16,36-37]。

圖5 種羊場風成沉積的多指標記錄及與其它記錄的比較（a）青海湖盆地多個風成沉積剖面的OSL年代[6?7,15?16,36?37]ZYC剖面多指標記錄；（b）亮度（L*）（;c）TOC含量[16]（;d）中值粒徑（;e）磁化率（;f）Rb/Sr;（g）（CaO+Na2O+MgO）/Ti2O（;h）30°N 7月太陽輻射[38]；（i）CIA；（j）基于烯烴重建的青海湖夏季溫度記錄[34]；（k）以花粉為基礎重建的青藏高原東北緣年均降水量（PANN）記錄[35]；（l）青海湖湖面變化[11]；（m）種羊場剖面地層Fig.5 Multi?proxy records of aeolian deposit samples from ZYC section and comparison with other records:(a)aeolian deposit OSL ages from the Qinghai Lake area[6?7,15?16,36?37];(b)lightness(L*);(c)total organic carbon(TOC)content[16];(d)median size(Md);(e)magnetic susceptibility(MS);(f)Rb/Sr ratio;(g)(CaO+Na2O+MgO)/Ti2O ratio;(h)30°N insolation in July[38];(i)CIA;(j)alkenone?based summer temperature record from Lake Qinghai[34];(k)pollen?based annual precipitation(PANN)record in northeastern Tibetan Plateau[35];(l)Holocene lake level variation of Qinghai Lake[11];(m)stratigraphy of the ZYC section

綜上所述，我們初步認為亞洲季風和太陽輻射的強弱變化可能造成有效濕度的高低變化，從而導致青海湖地區(qū)氣候干濕交替變化。

5 結(jié)論

（1）青海湖種羊場風成沉積的主量元素相比UCC顯著富集CaO，虧損Na2O，微量元素相比UCC有顯著的Nb虧損，而富集V、Cr、Co、Ni、Y、Zr、La。

（2）CIA值和A?CN?K三元圖表明種羊場風成沉積經(jīng)歷了弱風化、中等程度的化學風化強度，仍處于斜長石風化早期Ca和Na的去除階段。CIA值的波動變化反映青海湖地區(qū)全新世期間經(jīng)歷了較大的干濕變化。

（3）種羊場風成沉積物的亮度（L*）與TOC含量呈高度負相關，可以間接地反映研究區(qū)古氣候演變過程，而紅度（a*）與磁化率之間不相關，其控制因素有待進一步探究，在重建青海湖地區(qū)古氣候和環(huán)境演變過程時具有局限性，需謹慎使用。

（4）ZYC剖面的多指標分析結(jié)果和剖面地層特征揭示青海湖地區(qū)在11.0～6.5 ka B.P.時期，風化作用較弱，氣候可能相對溫暖干旱，青海湖可能處于低湖面；6.5～1.1 ka B.P.時期風化作用可能較強，為暖濕期，青海湖為高湖面時期；1.1 ka B.P.至今，氣候變得干旱。亞洲季風和太陽輻射的強弱變化可能造成有效濕度的高低變化，從而導致青海湖地區(qū)氣候干濕交替變化。

致謝 劉向軍博士組織了種羊場剖面的野外考察和取樣工作，中國科學院青海鹽湖研究所王德榮高級實驗師幫助測定了樣品的元素含量，兩位審稿專家和編輯部老師提出了建設性的修改意見，一并致謝！