滇池東部第四系淺層湖濱相沉積物磁學(xué)特征及其環(huán)境意義

李剛強(qiáng)，李海俠，張小凌，任二慧，李峰銳，劉大祥，陳宇東，張子豪

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093)

湖泊沉積物中的磁性礦物是研究古環(huán)境、古氣候的重要對(duì)象[1-3]。但是受到沉積動(dòng)力、物源輸入、沉積成巖等因素影響，在同一湖盆內(nèi)沉積物在空間和時(shí)間上存在相對(duì)差異[4]。與湖心穩(wěn)定的水淹環(huán)境相比，湖濱區(qū)域沉積動(dòng)力多變、沉積環(huán)境復(fù)雜[5]，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)沉積過(guò)程中能較好地記錄湖面波動(dòng)的信息。因此對(duì)湖濱不同巖性沉積物進(jìn)行詳細(xì)的磁學(xué)測(cè)量，是研究湖泊演化的重要途徑。盡管同一湖泊內(nèi)湖中心沉積物與湖濱沉積物在巖性、磁性礦物的含量存在差異，但其磁性參數(shù)所反映的氣候環(huán)境信息在時(shí)間上具有一致性[5-6]，說(shuō)明湖濱沉積物的磁學(xué)特征對(duì)氣候和環(huán)境具有更廣泛的指示意義。并且與其他類型的湖泊相比，高原類湖泊入湖河流大多短小，沉積物來(lái)源相對(duì)單一，沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，其記錄的磁學(xué)信息更加豐富。

①～⑧為巖層序號(hào)；LFκ為低頻體積磁化率圖1 采樣位置及鉆孔柱狀圖Fig.1 Sampling position and borehole histogram

滇池是位于云貴高原腹地的典型高原大型湖泊，在近3.4 Ma連續(xù)的湖相沉積物中記錄下各類氣候與構(gòu)造事件[7]。許哲平等[7]根據(jù)植物孢粉優(yōu)勢(shì)種群的相對(duì)含量變化探討了該區(qū)古氣候的變化，雖然得出了第四紀(jì)以來(lái)昆明盆地氣候以溫暖為主的重要結(jié)論，但并未對(duì)沉積物樣品做系統(tǒng)的磁性參數(shù)測(cè)量，其沉積過(guò)程中環(huán)境變化的細(xì)節(jié)還有待進(jìn)一步解讀。本研究以位于云貴高原腹地的滇池東部DC1鉆孔湖濱沉積物為研究對(duì)象，應(yīng)用環(huán)境磁學(xué)的方法，進(jìn)行了系統(tǒng)的磁學(xué)參數(shù)研究，測(cè)試了質(zhì)量磁化率χ、非磁滯剩磁(anhysteretic reamanent magnetization,ARM)、飽和等溫剩磁(saturation isothermal remanence magnetization,SIRM)、低頻磁化率(χlf)、高頻磁化率(χhf)和軟剩磁(soft remanence,IRM-300 mT)，以及樣品pH、總有機(jī)碳(total organic carbon,TOC)。其目的是探討磁性特征、氣候環(huán)境、湖泊演化以及總有機(jī)碳之間的相互關(guān)系，為研究區(qū)域氣候和湖泊的總體演化提供依據(jù)。

1 區(qū)域概況、巖芯特征及樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 區(qū)域概況及巖性特征

昆明盆地位于云貴高原腹地，主要受西南季風(fēng)系統(tǒng)的影響[8]，盆地長(zhǎng)約70 km，寬15～23 km，面積1 070 km2。盆地內(nèi)年均溫度15.6 ℃，年均降雨 1 000 mm。盆地內(nèi)四季溫差較小，表現(xiàn)為明顯的干濕兩季。滇池位于盆地西南，湖面海拔1 886 m，面積330 km2，平均水深5 m，最大水深8 m，是云南省面積最大的湖泊，也是中國(guó)第六大淡水湖[9]。姜朝松等[10]研究表明，滇池3 000年前為圖1(a)所示的淺綠色區(qū)域，后期由于人類活動(dòng)湖泊面積不斷減小，最終演化成現(xiàn)代藍(lán)色區(qū)域[圖1(a)]。DC1巖芯取自昆明市滇池東部(地理坐標(biāo)為24°55′32″N，102°47′35″E)，總體上可分為[圖1(b)]：①褐黃色填雜黏土層，含植物根系，厚0.3 m；②淺褐色沙質(zhì)黏土層。厚度 3.3 m；③黃褐色砂質(zhì)黏土層含礫石，厚2.72 m；④褐灰色砂質(zhì)黏土層，厚4.1 m；⑤褐灰色粉質(zhì)黏土層，夾薄層砂礫，礫石磨圓度高，厚5.4 m；⑥褐黃色粉質(zhì)黏土層，厚0.88 m；⑦蘭灰色砂礫層，含礫量約50%～80%，礫石磨圓度高，分選性好，夾薄層灰褐色粉質(zhì)黏土，厚3.7 m；⑧灰黑色粉沙層，厚1.1 m。

1.2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法

在去除表面30 cm的人為擾動(dòng)層后，每間隔 30 cm 取樣，總共獲得69個(gè)樣品。再將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)自然風(fēng)干、碾碎，通過(guò)0.4 mm孔徑篩后按照編號(hào)收集。再將土壤樣品依次按序號(hào)放入8 cm3塑料小盒內(nèi)，壓實(shí)并密封。對(duì)樣品的磁學(xué)測(cè)量包括：低頻磁化率(κlf，976 Hz)、高頻磁化率(κhf，15 600 Hz)、ARM、IRM-300 mT和SIRM(1 T)。在此基礎(chǔ)之上，計(jì)算了質(zhì)量磁化率χ、頻率磁化率(χfd，%)、S-ratio(IRM-300 mT/SIRM)、非滯后剩磁磁化率(χARM)和硬剩磁(hard isothermal remanence magnetization,HIRM)等。所使用的儀器為MFK1-FA多頻磁化率儀、Molspin交變退磁儀、脈沖磁化儀和Minispin旋轉(zhuǎn)磁力儀。并根據(jù)Hrouda[11]給出的計(jì)算公式[式(1)]，將頻率磁化率測(cè)量結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換。此外，樣品pH測(cè)量采用HANNA HI8424型酸度計(jì)測(cè)定，TOC采用油浴重鉻酸鉀容量法(簡(jiǎn)稱油浴法)測(cè)定。

χfd=χmfdln10/(lnfmHf-lnfmLf)

(1)

式(1)中：fmLf和fmHf分別為使用儀器MFK1-FA測(cè)量低頻、高頻磁化率時(shí)所使用的頻率，本研究中fmLf=976 Hz、fmHf=15 600 Hz；χmfd為使用儀器MFK1-FA在低頻(976 Hz)、高頻(15 600 Hz)下測(cè)量的低頻磁化率和高頻磁化率的差值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

環(huán)境磁學(xué)參數(shù)綜合分析能反映環(huán)境中磁性礦物組成、含量和顆粒大小[12]。LFк、ARM、SIRM、χfd%通常對(duì)磁性礦物的濃度敏感[13]。LFκ對(duì)粗顆粒的多疇(MD，粒徑>2 μm)成分的變化靈敏，它的高值表示多疇粒子的含量較高。ARM值的大小對(duì)樣品中穩(wěn)定單疇(SSD，粒徑0.02～0.04 μm)粒子的濃度具有良好的指示作用[13]。天然針鐵礦為高矯頑力磁性礦物，當(dāng)外加磁場(chǎng)大于6T時(shí)才會(huì)飽和，當(dāng)外加磁場(chǎng)為1 T時(shí)，赤鐵礦對(duì)等溫剩磁(isothermal remanence magnetization,IRM)的貢獻(xiàn)比針鐵礦大100倍，因此，當(dāng)外加磁場(chǎng)為1 T時(shí)SIRM可表示赤鐵礦的信息[14]。同時(shí)，SIRM也能反映磁性礦物的顆粒大小和類型的變化，在給定的濃度下，粗粒的MD顆粒比SSD顆粒有較低的SIRM值[15]。而χfd%主要用于指示樣品中超順磁顆粒(SP，粒徑<0.03 μm)的存在和相對(duì)含量[16]。當(dāng)土壤樣品中小于2%時(shí)基本不含有SP顆粒，χfd%在2%～10%時(shí)表明土壤樣品中含有少量的SP顆粒且不占主導(dǎo)地位[16]。亞鐵磁性礦物是土壤質(zhì)量磁化率的主要貢獻(xiàn)者[17]，因此質(zhì)量磁化率的大小可用作亞鐵磁性礦物的粗略量度[15]。

HIRM與S-300 mT(IRM-300 mT與SIRM的比值)能反映反鐵磁性礦物的含量。HIRM可估算反鐵磁性礦物(主要是赤鐵礦或/和針鐵礦)的絕對(duì)濃度[18]。S-300 mT值則可衡量樣品中亞鐵磁性礦物和不完整反鐵磁性礦物的相對(duì)含量。其數(shù)值接近1，表示磁性礦物以低矯頑力的磁鐵礦和磁赤鐵礦為主，相反，當(dāng)S-300 mT數(shù)值越接近零或?yàn)樨?fù)值時(shí)，說(shuō)明硬磁性礦物(赤鐵礦+針鐵礦)的含量越高[19]。在墨西哥火山附近的湖相沉積物中該值小于0.6，可表示高矯頑力的赤鐵礦存在[3]。故當(dāng)SIRM與HIRM取得峰值且S-300 mT<0.6時(shí)，表明赤鐵礦的含量較多。

另外，比值參數(shù)SIRM/χ可以指示磁性礦物顆粒的大小，其值越高則礦物顆粒越小。S-300 mT的值則代表了樣品中亞鐵磁性礦物和不完整反鐵磁性礦物的相對(duì)比例。因此，基于SIRM/χ與S-300 mT制作的SIRM/χ-S-300 mT散點(diǎn)圖既能反映磁性礦物顆粒的大小，又能反映亞鐵磁性礦物和不完整反鐵磁性礦物的相對(duì)含量[19]。該研究樣品的SIRM/χ-S-300 mT散點(diǎn)圖如圖2所示，大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)都集中在右下角，表明DC1巖芯樣品的磁性礦物總體以粗粒的亞鐵磁性礦物為主，而細(xì)粒礦物與反鐵磁性礦物的含量較少。

圖2 巖芯樣品SIRM/χ-S-300 mT散點(diǎn)圖Fig.2 SIRM/χ-S-300 mT scatter plot of core samples

2.1 磁性參數(shù)隨深度的變化

綜合磁性參數(shù)隨深度的變化特征(圖1、圖3)，可分為6個(gè)特征段，大致與巖層對(duì)應(yīng)，如圖3所示。

圖3 巖芯樣品磁化參數(shù)隨深度變化剖面圖Fig.3 Profile of magnetization parameters of core samples varying with depth

(1)第Ⅰ段(21.0～19.9 m)：該區(qū)段上LFκ平均值達(dá)到802.0×10-5SI；ARM、χfd%、χ與SIRM平均值分別為116.3×10-5A·m2/kg、6.58%、475.7×10-8m3/kg和1 047.2×10-5A·m2/kg；S-300 mT平均值為0.62，表明磁性礦物以亞鐵磁性的粗粒多疇為主。

(2)第Ⅱ段(19.9～15.6 m)：LFκ增大趨勢(shì)明顯，且平均值較高為701.0×10-5SI；ARM與χfd%的變化呈增大趨勢(shì)，平均值103.8×10-5A·m2/kg和3.75%；χ在該區(qū)段上呈現(xiàn)出峰值，且平均值為440.9×10-8m3/kg；與第Ⅰ段相比S-300 mT平均值達(dá)到0.82，更接近于1，表明磁性礦物以多疇顆粒的亞鐵磁性礦物為主。

(3)第Ⅲ段(15.6～14.7 m)：LFκ與ARM減小趨勢(shì)明顯，平均值分別為85.1×10-5SI和11×10-5A·m2/kg；χfd%在該區(qū)段上取得一個(gè)小的峰值，但均值較小，為3.5%；SIRM與上區(qū)段相比也有所減小，平均值為1 132.0×10-5A·m2/kg；S-300 mT平均值為0.47，小于0.6，表明在該區(qū)段上亞鐵磁性礦物的總體數(shù)量有所減少，主要以反鐵磁性的多疇顆粒為主。

(4)第Ⅳ段(14.7～11.1 m)：LFκ與ARM平均值分別為248.5×10-5SI和33.9×10-5A·m2/kg；χfd%平均值4.0%，與上區(qū)段相比數(shù)值有所增加。因此，該區(qū)段磁性礦物以較粗的多疇顆粒居多，另外含有一定量的超順次顆粒，但不占主導(dǎo)地位，SIRM平均值為1 491.6×10-5A·m2/kg，質(zhì)量磁化率曲線呈增大的趨勢(shì)；S-300 mT平均值為0.75，表明反鐵磁性礦物的含量相對(duì)減少，亞鐵磁性礦物的含量有所增加。

(5)第Ⅴ段(11.1～3.6 m)：在區(qū)段LFκ與ARM明顯的增大，平均值分別為474.9×10-5SI和79.9×10-5A·m2/kg；SIRM有所變化但總體趨勢(shì)增大，平均值為1 286.7×10-5A·m2/kg；S-300 mT在該區(qū)段上平均為0.77，表明磁性礦物以亞鐵磁性礦物為主。

(6)第Ⅵ段(3.6～0.3 m)：LFκ、ARM整體呈現(xiàn)峰值特征，平均值分別為237.7×10-5SI和53.5×10-5A·m2/kg；χfd%的變化趨勢(shì)比較平穩(wěn)，平均值為3.45%；SIRM在該區(qū)域穩(wěn)定增加，平均值為1 519.9×10-5A·m2/kg，S-300 mT在該區(qū)段上平均為0.45，表明該區(qū)段反鐵鐵磁性礦物(以赤鐵礦為主)含量較多，磁性礦物顆粒較粗，以多疇顆粒為主。

2.2 pH與TOC測(cè)試結(jié)果

樣品pH是反映沉積環(huán)境的指標(biāo)。張澤鑫等[20]在利用熱合成法對(duì)針鐵礦的合成研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH為8時(shí)，合成物主要是針鐵礦和赤鐵礦的混合體，這表明反鐵磁性礦物能在弱堿性環(huán)境中生長(zhǎng)與富集。DC1沉積序列中pH變化幅度較小[圖4(a)]，沉積環(huán)境從弱堿-弱酸-弱堿均勻變化。

圖4 pH、TOC與χ的剖面特征圖及滇池演化示意圖 Fig.4 Profile characteristics of pH,TOC and χ and evolution diagram of Dianchi Lake

3 討論

3.1 磁性參數(shù)對(duì)滇池湖泊演化及氣候環(huán)境的指示

沉物積的磁性參數(shù)曲線可以反映沉積物中磁性礦物在沉積過(guò)程中經(jīng)受的物理、化學(xué)及生物作用[21]，在推斷沉積環(huán)境、分析古氣候的變化規(guī)律及其細(xì)節(jié)方面發(fā)揮著重要作用[1]。但值得注意的是運(yùn)用沉積物的磁性參數(shù)來(lái)探討與氣候環(huán)境之間的關(guān)系時(shí)，應(yīng)考慮沉積物的來(lái)源、沉積類型以及總的沉積背景，因?yàn)檫@些因素將影響沉積與氣候環(huán)境之間的響應(yīng)機(jī)制[22]。在北方黃土沉積環(huán)境中，磁化率能反應(yīng)其氣候變化，低值磁化率表明黃土沉積中的鐵磁性礦物含量較低，反映沉積氣候干冷，植被覆蓋較差，區(qū)域成土作用弱；磁化率值相對(duì)較高，反映成土作用較好，成土環(huán)境較為暖濕[23]。張新榮等[24]在松嫩平原南緣現(xiàn)代沉積物磁化率特征及古氣候環(huán)境意義的研究中認(rèn)為湖泊水深較大時(shí)沉積的泥質(zhì)物磁化率較高，對(duì)應(yīng)于濕潤(rùn)氣候；反之，水位低時(shí)沉積的砂質(zhì)物磁化率較低，對(duì)應(yīng)于干旱氣候。除此之外，磁性礦物的類型與沉積環(huán)境之間也有著密切的聯(lián)系。如沉積物中的常見(jiàn)的反鐵磁性礦物(赤鐵礦和針鐵礦)也可以作為反映氣候的指標(biāo)[25]。一般認(rèn)為赤鐵礦形成于脫水反應(yīng),干旱環(huán)境有利于形成赤鐵礦;針鐵礦通常是從水溶液中直接沉淀形成,因此,潮濕環(huán)境利于其(針鐵礦)發(fā)育[25]。

在DC1沉積序列中，除第Ⅲ區(qū)段與第Ⅵ區(qū)段為反鐵磁性的赤鐵礦以外，其他區(qū)段均以亞鐵磁性的(磁鐵礦和磁赤鐵礦)礦物為主，這或許是整個(gè)沉積過(guò)程中(21 m的沉積過(guò)程)滇池湖泊環(huán)境發(fā)生過(guò)多次改變所導(dǎo)致。如圖4(d)所示，一開(kāi)始采樣區(qū)域被滇池湖面淹沒(méi)，這一時(shí)期對(duì)應(yīng)的沉積序列為第Ⅰ、Ⅱ區(qū)段。之后，滇池湖面發(fā)生變化，采樣區(qū)域地勢(shì)較高的地方露出湖面，形成淺水沼澤，局部地區(qū)形成干旱環(huán)境，因此，在第Ⅲ區(qū)段磁性礦物表現(xiàn)為反鐵磁性的赤鐵礦行為。第Ⅳ、Ⅴ區(qū)段對(duì)應(yīng)的沉積環(huán)境為湖進(jìn)時(shí)期，在這段時(shí)間滇池湖面升高，采樣區(qū)域再次被湖水淹沒(méi)。在這之后，由于人類活動(dòng)的影響(如?？诤拥拈_(kāi)挖、圍湖造田等)[10]，滇池湖退，采樣區(qū)域再次露出水面，形成脫水環(huán)境。這也是表層(0.3～3.6 m)樣品磁性參數(shù)表現(xiàn)為赤鐵礦特征的原因。

3.2 磁性礦物粒度與沉積環(huán)境之間的響應(yīng)

沉積物中磁性礦物的顆粒大小受沉積環(huán)境(包括物理環(huán)境與化學(xué)環(huán)境)的影響較大[22]，因此沉積物的粒度構(gòu)成對(duì)于了解研究區(qū)的沉積過(guò)程及沉積環(huán)境特征具有指示意義[26]。早期的一些研究中發(fā)現(xiàn)，湖泊沉積物中磁性礦物的顆粒大小與氣候環(huán)境之間也有著良好的響應(yīng)；當(dāng)氣候暖濕時(shí)，沉積物中的超順磁組分含量較高；氣候干冷時(shí)，其所含的超順磁組分相對(duì)較低[27]。然而這一結(jié)論在湖相沉積中或許并不具有普遍性。因?yàn)榻陙?lái)的研究發(fā)現(xiàn)，在湖泊環(huán)境中磁性礦物會(huì)受到侵蝕作用、泥沙運(yùn)輸、沉積作用和后期的成巖作用的影響[28-30]；同時(shí)，水體和沉積物中的微生物所驅(qū)動(dòng)一系列化學(xué)反應(yīng)(包括硝酸鹽還原、錳還原、鐵還原、硫酸鹽還原等)將導(dǎo)致磁性的溶解[22,29]，并且，與粗粒的磁性礦物相比，顆粒較細(xì)的首先溶解[22]。因此，當(dāng)沉積物中粗顆粒的磁性礦物占據(jù)主導(dǎo)地位時(shí)，不能簡(jiǎn)單地理解為：沉積過(guò)程對(duì)應(yīng)的氣候?yàn)楦衫鋾r(shí)期。

Xu等[22]在鶴慶盆地湖相序列磁性礦物溶解與印度季風(fēng)變化的關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn)，TOC含量的變化對(duì)磁性礦物的溶解具有指示作用，TOC的升高對(duì)應(yīng)著磁化率的減小，也對(duì)應(yīng)著磁性礦物的溶解過(guò)程。該研究中TOC與磁化率隨深度的變化關(guān)系如圖4(b)和圖4(c)所示，紅色區(qū)域TOC的高值恰好對(duì)應(yīng)磁化率的低值，這些特征標(biāo)志著磁性礦物的溶解。除此之外，利用χ與χARM之間的關(guān)系制作的King圖能反應(yīng)磁性礦物的顆粒大小[31]，如圖5所示。較為明顯的特征是樣品中80%以上的磁性顆粒分布在0.1～5 μm。χ高值樣品磁性顆粒粒徑更大，大部分分布在1～5 μm。因此滇池沉積序列樣品磁性礦物主要以粗粒為主，細(xì)粒組分較少，這一特征也是磁性礦物溶解的重要證據(jù)。

圖5 巖芯樣品King圖Fig.5 King diagram of core samples

3.3 TOC與pH對(duì)氣候環(huán)境的綜合反應(yīng)

在相關(guān)研究工作中，將沉積物中有機(jī)質(zhì)所含的碳定義為有機(jī)碳[32]。有機(jī)碳的含量可反應(yīng)沉積物中有機(jī)質(zhì)的輸入量和沉積環(huán)境對(duì)有機(jī)質(zhì)的保存能力[33]。馬龍等[33]對(duì)張北高原安固里淖湖沉積物有機(jī)碳的研究表明，TOC數(shù)值的大小可反應(yīng)氣候環(huán)境的變化，高值(均值>1.2%)與溫暖氣候相對(duì)應(yīng)，而低值(均值<1.06%)與寒冷時(shí)期相對(duì)應(yīng)。TOC在各區(qū)段的平均值如圖6所示，與安固里淖湖相比，滇池樣品沉積物有機(jī)碳在各區(qū)段的平均值均大于1.2%，這表明滇池第四系表層21 m沉積序列對(duì)應(yīng)的氣候環(huán)境主要以溫暖氣候?yàn)橹鳎⑶腋鲄^(qū)段TOC均值差異明顯，這可能是由于在整個(gè)沉積過(guò)程中環(huán)境溫度出現(xiàn)了小幅度的波動(dòng)。另外，TOC的高值集中在pH偏弱酸性的環(huán)境，低值分布在pH偏弱堿性的環(huán)境，這一現(xiàn)象表明與弱堿性環(huán)境相比弱酸性環(huán)境更有利于有機(jī)碳的保存。

圖6 巖芯樣品各段pH與TOC均值圖Fig.6 Mean chart of pH and TOC in each section of rock sample

4 結(jié)論

(1)滇池東部第四系淺層湖濱相沉積物中磁性礦物主要以亞鐵磁性礦物為主，反鐵磁性礦物含量較少，主要集中在第Ⅲ、Ⅵ區(qū)段。磁性礦物的顆粒較粗，含有一定量的超順磁顆粒但不占主導(dǎo)地位。

(2)根據(jù)各區(qū)段磁性礦物類型，可反映出在整個(gè)21 m沉積過(guò)程中滇池經(jīng)歷了湖退—湖進(jìn)—湖退的變化過(guò)程。從磁性參數(shù)和TOC所反映的環(huán)境特征來(lái)看，沉積過(guò)程對(duì)應(yīng)的氣候以溫暖為主，但略有波動(dòng)。這與昆明盆地植物孢粉所反映的第四紀(jì)氣候變化特征一致。

(3)TOC的含量能反應(yīng)磁性礦物的溶解過(guò)程，在該研究中，細(xì)顆粒的磁性礦物較少可能與磁性礦物的溶解有關(guān)。TOC的高值集中在pH偏弱酸性的環(huán)境，低值分布在pH偏弱堿性的環(huán)境，這一現(xiàn)象表明與弱堿性環(huán)境相比弱酸性環(huán)境更有利于有機(jī)碳的保存。