古爾班通古特沙漠南緣沉積記錄的全新世環(huán)境演變

馬運(yùn)強(qiáng)， 劉 瑞， 李志忠,3， 靳建輝,3，鄒曉君， 譚典佳， 陶通煉

（1.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350117；2.福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福建 福州 350117；3.福建師范大學(xué)地理研究所，福建 福州 350117）

世界干旱、半干旱區(qū)約占地球陸地表面積的35%，除了廣泛發(fā)育的風(fēng)成沙丘，在沙漠邊緣和腹地還常見沖積物和湖積物［1-2］，因此沙漠沉積是重建干旱、半干旱區(qū)第四紀(jì)古環(huán)境的重要地質(zhì)檔案［3-6］。同時(shí)，作為全球粉塵釋放的重要源區(qū)，沙漠沉積物也記錄了粉塵運(yùn)移的關(guān)鍵過程，對(duì)全球生物地球化學(xué)循環(huán)起著重要作用［7］。

隨著末次盛冰期以來的全球氣候變化，世界各大沙漠的分布范圍和活動(dòng)性質(zhì)發(fā)生了很大變化［6,8-9］，同樣，中國北方沙漠沙地的分布范圍和活動(dòng)特點(diǎn)在末次盛冰期和全新世大暖期也發(fā)生了很大變化［10-11］，且因中國各個(gè)沙漠沙地所處自然地理環(huán)境差異較大，地質(zhì)時(shí)期各個(gè)沙區(qū)地層沉積相組合、代用指標(biāo)反映的氣候特點(diǎn)和沙漠發(fā)展過程呈明顯的空間分異［12-14］。總體而言，中國中東部沙漠沙地在全新世8～4 ka間普遍經(jīng)歷了一個(gè)氣候濕潤、沙丘固定、沙漠范圍縮小的時(shí)期［10,15-16］，但是關(guān)于新疆沙區(qū)全新世相對(duì)濕潤期的起訖時(shí)間、形成原因等是否與東部季風(fēng)區(qū)沙漠沙地演變序列一致或具有西風(fēng)環(huán)流影響下的獨(dú)特性等問題尚存在不同的認(rèn)識(shí)［14,17-22］。

古爾班通古特沙漠位于準(zhǔn)噶爾盆地中央，中亞干旱區(qū)東部，處在北大西洋氣候信號(hào)向東亞季風(fēng)區(qū)傳遞的過渡地區(qū)［20-21］。關(guān)于全新世以來古爾班通古特沙漠的環(huán)境演變研究，黃強(qiáng)等［23］通過對(duì)沙漠南緣丘間地鉆孔沉積的綜合研究，發(fā)現(xiàn)沙漠邊緣沉積序列呈現(xiàn)風(fēng)積和沖積交互的特點(diǎn)，在全新世中期有一次偏濕氣候波動(dòng)。陳惠中等［17］通過對(duì)沙漠西南沙壟剖面多種環(huán)境代用指標(biāo)的綜合分析，認(rèn)為全新世以來沙漠歷經(jīng)多次擴(kuò)張和收縮過程，其氣候環(huán)境變化模式與東部季風(fēng)區(qū)相一致。Li 等［18］利用光釋光（OSL）測(cè)年、探地雷達(dá)技術(shù)（GPR）并結(jié)合粒度、磁化率等指標(biāo)對(duì)沙漠東南部沙丘沉積記錄的古氣候環(huán)境進(jìn)行綜合研究，指出早全新世和晚全新世時(shí)期沙漠氣候最為干旱，沙丘堆積迅速，而中全新世時(shí)期濕度增加，沙丘趨于固定。近期Zong等［24］對(duì)沙漠南緣3 個(gè)風(fēng)積-沖積交互沉積序列的光釋光年代進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)全新世初期氣候干旱，風(fēng)沙活動(dòng)增強(qiáng)，約10～8 ka沙漠環(huán)境最為濕潤，在濕度變化方面沙漠邊緣的沉積記錄與周邊湖泊和黃土記錄具有良好的一致性?？傮w上看，盡管越來越多的研究者關(guān)注沉積環(huán)境演變較快、對(duì)氣候變化響應(yīng)敏感的沙漠邊緣地區(qū)，通過地層沉積記錄提取沙漠古地理環(huán)境的演變信息，但沙漠邊緣沉積序列反映的古環(huán)境演變過程卻表現(xiàn)出明顯的差異性，且已有記錄尚難在亞軌道至千年尺度上揭示古爾班通古特沙漠邊緣沙丘進(jìn)退與沖積盛衰之間的關(guān)系及其形成機(jī)制。

本文選取古爾班通古特沙漠南緣荒漠-綠洲過渡帶的3個(gè)代表性地層剖面，在野外觀察巖性特征、沉積序列的基礎(chǔ)上，以O(shè)SL 測(cè)年建立年代標(biāo)尺，結(jié)合沉積物粒度、磁化率及石英顆粒表面微形態(tài)特征的綜合分析，探討全新世以來古爾班通古特沙漠南緣荒漠-綠洲過渡帶的沉積過程和環(huán)境演變歷史，以期為研究區(qū)沙漠化的長期變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與剖面描述

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天山北麓沖洪積平原與古爾班通古特沙漠的交匯地帶（圖1）。古爾班通古特沙漠面積約5.63×104km2，地處準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)部，是中國第二大沙漠，也是受西風(fēng)環(huán)流影響最為明顯的沙漠，沙丘類型以固定、半固定型占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)［13,29-30］。沙漠氣候類型屬溫帶大陸性干旱氣候，年均溫5～7 ℃，年平均降水量約100～200 mm。由于夏季西風(fēng)濕潤氣流注入帶來一定降水，冬季在蒙古-西伯利亞高壓影響下寒潮及冷空氣入侵同樣帶來降水，因此沙漠植被覆蓋度較好，自然景觀不同于中國其他沙漠［31-32］。

第四紀(jì)以來隨著天山山體的不斷隆升，天山北麓洪積-沖積平原向古爾班通古特沙漠持續(xù)推進(jìn)，形成沉積環(huán)境獨(dú)特的荒漠-綠洲過渡帶［33］，其主要地貌類型以河流沖積平原為主，交錯(cuò)疊置發(fā)育風(fēng)成沙丘，并與丘間地沖積走廊相間分布。由于盆地南緣地勢(shì)南高北低，由冰川融水和山區(qū)降水補(bǔ)給的河流大多發(fā)源于天山山區(qū)，自南向北大致平行匯入沙漠邊緣，因此研究區(qū)風(fēng)積-沖積相互作用類型為散亂沙丘-平行排水型［34］，各河流沉積體系相互獨(dú)立，沉積過程相對(duì)穩(wěn)定，基本無河流襲奪和主河道頻繁遷移擺動(dòng)狀況。自西向東，主要河流有瑪納斯河、塔西河、呼圖壁河、烏魯木齊河等。

1.2 剖面描述

西古城剖面（45°07′19.93″N，85°58′23.71″E；XM）和瑪納斯林場(chǎng)管護(hù)站剖面（45°03′16.15″N，86°14′06.13″E；MG）位于沙漠西南莫索灣地區(qū)（圖1）。2個(gè)剖面分屬塔西河、呼圖壁河沉積體系，頂部發(fā)育風(fēng)成沙丘。其中，XM 剖面采自塔西河下游古河床附近，MG 剖面采自呼圖壁河尾閭古河道附近。西泉剖面（44°25′44.39″N，88°22′26.42″E；XQ）位于沙漠東南阜康市以北，采自甘河子河和白楊河下游尾閭古河道附近的沙壟壟間地。3個(gè)剖面出露厚度大，水平方向上地層連續(xù)性好且無明顯沉積相變化。各剖面巖性特征（圖2）描述如下：

XM 剖面總厚355 cm，自上而下可劃分為5 層。0～30 cm：淡黃色黏土質(zhì)粉沙層，略顯波狀層理，下部夾厚約5 cm 細(xì)沙層。30～115 cm：淺紅褐色亞黏土層，具水平層理。115～145 cm：灰白色粉沙層，略顯水平層理，底部夾厚約10 cm 淺紅褐色黏土質(zhì)粉沙層，顯微細(xì)水平層理。145～240 cm：淡灰綠色粉沙層，上部見疊覆波狀層理及不對(duì)稱流水波痕，下部顯交錯(cuò)層理，傾角約30°。240～355 cm：青灰色細(xì)沙層，含中沙及粗沙，發(fā)育低傾角交錯(cuò)層理。

MG 剖面總厚365 cm，自上而下可劃分為6 層。0～70 cm：淺紅褐色亞黏土層，塊狀構(gòu)造。70～130 cm：淺紅褐色亞黏土層與灰黃色粉沙層交互層，見直徑2 cm 左右黏土球。130～185 cm：灰黃色極細(xì)沙層，顯交錯(cuò)層理，上部夾黏土碎塊，顯疊覆波狀層理。185～235 cm：灰黃色粉沙層與淺紅褐色亞黏土層交互層，頂部見少量紅褐色銹斑。235～295 cm：灰黃色極細(xì)沙層與淺紅褐色亞黏土層交互層，水平層理，略顯波狀層理。295～365 cm：淺紅褐色亞黏土層，塊狀構(gòu)造。

XQ 剖面總厚425 cm，自上而下可劃分為8 層。0～40 cm：暗黃橙色極細(xì)沙層，略顯水平層理。40～55 cm：暗紫紅色黏土質(zhì)粉沙層，塊狀構(gòu)造。55～78 cm：暗黃橙色極細(xì)沙層，略顯水平層理。78～112 cm：暗紫紅色黏土質(zhì)粉沙層，塊狀構(gòu)造，夾不均勻灰綠色團(tuán)塊。112～142 cm：暗黃橙色極細(xì)沙層，略顯水平層理。142～164 cm：淡灰綠色極細(xì)沙層，質(zhì)地較緊實(shí)。164～305 cm：灰白色粉沙層，見大量紅褐色銹斑及灰褐色沙質(zhì)透鏡體銹斑；上部夾厚約5 cm紫紅色黏土質(zhì)粉沙層，連續(xù)性好；中部夾多層紫灰色黏土質(zhì)粉沙層，波狀起伏，與灰白色粉沙層交互式分布。305～425 cm：青灰色細(xì)沙層，上部以細(xì)沙為主，下部以中沙為主，含粗沙，發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理。

2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品采集

根據(jù)3 個(gè)剖面沉積相和沉積序列變化特點(diǎn)，自上而下間隔5～10 cm不等采集環(huán)境代用指標(biāo)樣品和測(cè)年樣品。指標(biāo)樣采集方面，XM 剖面共計(jì)69 份，MG 剖面共計(jì)34 份，XQ 剖面共計(jì)63 份。鑒于風(fēng)沙沉積物的OSL 測(cè)年效果最為良好［35-37］，因此按照OSL樣品采樣規(guī)范［38］，在清除剖面表層風(fēng)化物后，盡量選擇風(fēng)沙層采集測(cè)年樣品。XM剖面采集OSL測(cè)年樣品3 個(gè)，采樣深度為2.75 m、3.00 m 和3.50 m；MG剖面采集OSL測(cè)年樣品5個(gè)，采樣深度為0.55 m、1.55 m、2.50 m、2.75 m 和3.10 m；XQ 剖面采集OSL測(cè)年樣品4個(gè)，采樣深度為0.66 m、1.26 m、3.25 m和4.05 m。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

XM 剖面OSL 測(cè)年樣品在福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成等效劑量測(cè)試。提取63～125 μm 石英顆粒采用單片再生劑量（SAR）法［39］測(cè)得等效劑量值，測(cè)量儀器為丹麥Ris? TL/OSL-DA-20C/D 型釋光測(cè)量儀；樣品經(jīng)前處理后送往中國原子能科學(xué)研究院采用中子活化法（NAA）測(cè)得鈾（U）、釷（Th）、鉀（K）含量，含水率統(tǒng)一估算為5%，據(jù)此估算樣品的環(huán)境劑量率；最后經(jīng)年齡計(jì)算公式：年齡=等效劑量/環(huán)境劑量率，得出樣品的埋藏年齡。MG、XQ 剖面的OSL 年代送至中國地震局地殼應(yīng)力研究所OSL 測(cè)年實(shí)驗(yàn)室測(cè)試完成。其中，MGOSL1、MGOSL3、MGOSL4、MGOSL5號(hào)樣選擇4～11 μm 細(xì)石英顆粒采用簡單多片再生（SMAR）法［40］測(cè)得等效劑量值，MGOSL2 號(hào)樣及XQOSL1～XQOSL4號(hào)樣選擇90～125 μm粗石英顆粒采用單片再生劑量（SAR）法測(cè)得等效劑量值。

環(huán)境代用指標(biāo)樣品測(cè)試在福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。其中，沉積物粒度測(cè)定使用Mastersizer 2000 激光衍射粒度儀完成，根據(jù)Udden-Wentworth 標(biāo)準(zhǔn)劃分粒級(jí)，并通過Folk-Ward公式［41］計(jì)算樣品的平均粒徑（Mz）、標(biāo)準(zhǔn)偏差（δ1）、偏度（Sk）、峰態(tài)（Kg）；低頻磁化率（Xlf）使用Bartinton MS2 型磁化率儀測(cè)量得到；使用JCM-6000PLUS 型掃描電子顯微鏡對(duì)典型層位樣品中的石英顆粒表面形態(tài)進(jìn)行觀察并截取照片。

3 結(jié)果與分析

3.1 光釋光（OSL）測(cè)年結(jié)果

剖面樣品的OSL測(cè)年結(jié)果顯示（表1），XQ剖面底部沙層（4.25 m）的年齡在11 ka左右，為全新世早期沉積，與沙漠東南梧桐溝鉆孔［18］測(cè)得4.5 m 深度處沉積物的年齡相近。剖面上部深度0.66 m、1.26 m 處2層風(fēng)沙層的年齡約4 ka和5.7 ka，為全新世中期沉積。XM剖面底部沙層（2.40～3.55 m）的年齡為5 ka左右，接近XQ剖面1.26 m處風(fēng)沙層年齡，共同反映了研究區(qū)全新世中晚期沉積環(huán)境的頻繁變遷。MG 剖面為近3 ka 以來的晚全新世沉積，測(cè)年結(jié)果與近期Zong 等［24］選擇鉀長石并使用多步升溫post-IRIR（MET-pIRIR）法測(cè)定的沙漠西南MNS沙壟剖面沉積物的年齡相仿。與之不同的是，MG剖面底部亞黏土層的年齡相對(duì)年輕，可能是河流環(huán)境下水流波動(dòng)造成細(xì)顆粒沉積物頻繁曝光所致。從測(cè)年結(jié)果來看，3 個(gè)剖面沉積序列的時(shí)間跨度涵蓋了整個(gè)全新世，記錄了研究區(qū)全新世以來的環(huán)境演變信息。

表1 研究區(qū)剖面OSL測(cè)年樣品的年代及相關(guān)參數(shù)值Tab.1 Chronology and related parameters of the OSL dating samples of the profiles in study area

3.2 沉積構(gòu)造特征

沉積相是反映沉積環(huán)境和古氣候狀況最顯著的地層證據(jù)［42-43］，是重建古地理環(huán)境的直接標(biāo)志。XQ 剖面上段（164 cm 以上）主要為暗黃橙色極細(xì)沙層與暗紫紅色黏土質(zhì)粉沙層互層沉積（圖3a），黏土質(zhì)粉沙層呈塊狀構(gòu)造，不顯層理，具漫洪沉積特征。極細(xì)沙層略顯水平層理，應(yīng)為漫洪沉積基底上發(fā)育的沙席（平沙地）沉積。2 類地層顏色偏紅，共同反映了干熱的沙漠環(huán)境。交互層下接灰綠色極細(xì)沙層，具厭氧還原特征，屬水成產(chǎn)物。下段（164 cm以下）由灰白色粉沙層過渡至青灰色細(xì)沙層，灰白色粉沙層（圖3b）見大量紅褐、灰褐色植物根孔銹斑，層內(nèi)夾數(shù)層波狀起伏的沖積層，底部發(fā)育水下沙波紋，為水量頻繁變化的漫灘濕地沉積。剖面底部沙層（圖3c）顏色青灰，發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理，具河床沉積特征，應(yīng)為沖積平原沉積構(gòu)造中常見的辮狀河沉積。

圖3 研究剖面沉積序列與構(gòu)造特征Fig.3 Sedimentary sequences and structural characteristics of the studied profiles

MG 剖面常見淺紅褐色亞黏土層，或單獨(dú)厚層沉積，或與粉沙層交互沉積（圖3d）。此類亞黏土層不顯層理，可能為辮狀河尾閭水流形成的河漫灘沉積。由于尾閭水流水動(dòng)力較弱，這種河漫灘沉積應(yīng)更接近于靜水沉積［44］。亞黏土、粉沙交互層內(nèi)見直徑2 cm左右黏土球（圖3e），說明尾閭水流的水量大小和外動(dòng)力環(huán)境在不斷變化，以致沉積環(huán)境在河漫灘沉積與靜水沉積之間頻繁轉(zhuǎn)換。剖面130～185 cm深度處的極細(xì)沙層發(fā)育交錯(cuò)層理，為典型的風(fēng)成沙，上覆粉沙層（圖3f）具遷移型疊覆波狀層理并夾雜黏土碎塊，屬河漫灘沉積，研究表明天山北麓平原河流尾閭河段通過周期性快速堆積廣泛發(fā)育此類層理［39］。此外，MG 剖面下部有一段呈近水平層理、略顯波狀層理的灰黃色極細(xì)沙層（圖3g），可能為風(fēng)成沙進(jìn)入尾閭河流形成的河漫灘沉積，其顏色偏黃表明尾閭水流水量不穩(wěn)定，沙粒未經(jīng)過充分還原。

XM 剖面主要由上段的亞黏土、黏土質(zhì)粉沙層和下段的粉沙、細(xì)沙層構(gòu)成（圖3h），其沉積構(gòu)造與XQ、MG 剖面相類似。上段略顯波狀層理的黏土質(zhì)粉沙層（0～30 cm）和呈水平層理的亞黏土層（30～115 cm）具沖積相特征，屬河漫灘沉積和漫洪沉積。下段灰白色粉沙層（115～145 cm）頂部見疊覆波狀層理及不對(duì)稱流水波痕，指示寬淺的間歇性流水環(huán)境，下部青灰色粉沙、細(xì)沙層（145～355 cm）發(fā)育不同傾角的交錯(cuò)層理，為典型的風(fēng)成沉積物。

3.3 粒度特征

沉積物粒度變化反映了沉積環(huán)境的變化，通過粒度特征分析可以有效辨識(shí)外動(dòng)力類型和性質(zhì)，進(jìn)而提取沉積環(huán)境演變的相關(guān)信息［45］。粒度測(cè)定結(jié)果表明，XQ 剖面沉積物以細(xì)沙、極細(xì)沙和粉沙為主（圖4a、圖5a），粒徑（Φ）大于2 的中粗沙和小于9 的黏土含量都不高。結(jié)合前述沉積相分析可將XQ剖面劃分出4 種沉積類型（圖4b）：（1）漫洪沉積。對(duì)應(yīng)剖面上段紫紅色黏土質(zhì)粉沙層，沉積物粒徑為全剖面最細(xì)，正偏寬峰反映其水成性，較大δ1表明分選較差。（2）沙席沉積。對(duì)應(yīng)剖面上段暗黃色沙層，粒度以極細(xì)沙、細(xì)沙為主，正態(tài)尖峰及較低的δ1反映其分選較好，屬風(fēng)成沉積物。（3）漫灘濕地沉積。對(duì)應(yīng)剖面下段灰白色粉沙層，峰態(tài)寬平，分選中等。（4）河床沉積。對(duì)應(yīng)剖面底部青灰色細(xì)沙層，中沙含量較高，其次為細(xì)沙及粗沙。正偏尖峰，分選性較好，在流水作用下細(xì)粒組分流失，粗粒組分顯著富集。此外，由底部向上河床沙粒級(jí)遞減，正是沖積扇沙質(zhì)辮狀河道的典型沉積特征［46］。

圖4 XQ、MG剖面粒度頻率分布曲線Fig.4 Particle size frequency distribution curves of XQ and MG profiles

MG 剖面為亞黏土與粉沙、極細(xì)沙構(gòu)成的二元沉積旋迴結(jié)構(gòu)。從所有樣品的頻率分布曲線來看（圖4c），粒度峰值出現(xiàn)在Φ為4～9的粉沙粒級(jí)，其次為Φ高于9 的黏土粒級(jí)，Φ為2～4 的細(xì)沙、極細(xì)沙含量不高，幾乎缺少Φ高于2的中粗沙組分。MG剖面主要有3 種沉積類型（圖4d）：（1）靜水沉積。對(duì)應(yīng)淺紅褐色亞黏土層，細(xì)粒組分含量高，正偏寬峰（圖5b），分選性差。（2）河漫灘沉積。對(duì)應(yīng)剖面中部具波狀層理的粉沙層，負(fù)偏寬峰，分選較差。剖面下部具近水平層理的灰黃色沙層顯水成特性，但增加的極細(xì)沙含量又表現(xiàn)出風(fēng)成沙性質(zhì)，其顏色偏黃可能反映風(fēng)沙的混入且未經(jīng)足夠的還原。（3）風(fēng)沙沉積。對(duì)應(yīng)具交錯(cuò)層理的極細(xì)沙層，細(xì)沙、極細(xì)沙含量高，峰態(tài)呈尖峰，分選性較好，但偏度顯著負(fù)偏，頻率曲線細(xì)部尾端可見黏土的混入，說明風(fēng)沙沉積過程中細(xì)粒組分截留較多，可能為植被覆蓋度較好的固定、半固定沙丘沉積［47］。

XM剖面沉積物粒度波動(dòng)較大（圖5c），粉沙、極細(xì)沙含量較高，且Φ小于2 的中粗沙占有一定比重。XM剖面沉積類型與XQ、MG剖面類似，上部黏土質(zhì)粉沙層和亞黏土層為負(fù)偏寬峰，分選性差，反映水成環(huán)境。中部具高傾角交錯(cuò)層理的粉沙層顯負(fù)偏尖峰，分選中等，與MG 剖面中的風(fēng)沙層類似，應(yīng)為固定半固定沙丘沉積。底部具低傾角交錯(cuò)層理的青灰色細(xì)沙層粗粒組分增多，分選良好，應(yīng)為流動(dòng)沙丘沉積。此外，具波狀層理的粉沙層與下部風(fēng)沙層粒度特征近乎一致，僅分選性次之，但顯還原色，可能指示了風(fēng)沙環(huán)境向流水環(huán)境的轉(zhuǎn)變。

3.4 磁化率特征

磁化率通?？勺鳛榄h(huán)境變化和氣候過程的替代指標(biāo)，尤其在陸相地層中研究沉積物磁性礦物的含量，有助于重建古環(huán)境、恢復(fù)古氣候［48］。一般來說，在季風(fēng)氣候區(qū)，沉積物磁化率與降水量呈正相關(guān)，降水量增大時(shí)成土作用增強(qiáng)，土壤中產(chǎn)生細(xì)顆粒強(qiáng)磁性礦物使磁化率增強(qiáng)［49］。但在降水稀少的干旱荒漠地區(qū)，成土作用微弱，磁化率的影響因素變得更為復(fù)雜［50］。

由圖6可知，3個(gè)剖面的磁化率隨深度發(fā)生規(guī)律性變化，在不同沉積相表現(xiàn)出峰谷波動(dòng)。磁化率高值出現(xiàn)在河床沉積層和風(fēng)沙沉積層，低值出現(xiàn)在漫洪沉積層和河漫灘沉積層，這表明研究區(qū)沉積物的磁化率與顆粒粒徑呈正相關(guān)，粗粒組分磁化率較高，細(xì)粒組分磁化率偏低，基本符合干旱區(qū)沉積物的磁化率變化特征。即干旱區(qū)以物理風(fēng)化為主，沉積物磁性強(qiáng)弱主要反映近源性的原生磁性礦物，受母質(zhì)等因素影響較大，隨著風(fēng)化作用增強(qiáng)，沉積物粒徑減小，磁化率逐漸降低［51-53］。值得注意的是，處在沙漠東南緣的XQ剖面磁化率整體較高，而距XQ剖面不遠(yuǎn)的梧桐溝丘間地鉆孔沉積物［18］磁化率值也整體偏高，說明物源的差異可能是造成沙漠東緣和西緣原生礦物磁性偏差的主要原因，沙漠東南緣沉積物中原生礦物的磁性要顯著高于沙漠西南緣沉積物中原生礦物的磁性。

結(jié)合本文3個(gè)剖面粒度（圖5）和磁化率（圖6）的測(cè)試結(jié)果分析，風(fēng)成沙層高磁化率指示了風(fēng)力強(qiáng)勁的干旱環(huán)境。這是因?yàn)轱L(fēng)成沉積的磁化率主要受物源控制，同一地區(qū)風(fēng)成沉積的磁化率比較穩(wěn)定［54-56］。在此前提下，風(fēng)成沙的磁化率與顆粒粒徑正相關(guān)，而粒徑大小又指示了沉積時(shí)的風(fēng)力狀況，因此風(fēng)沙沉積物的磁化率變化可以反映風(fēng)力強(qiáng)度的變化［57-58］。本文研究結(jié)果與Li 等［18］對(duì)沙漠東南丘間地鉆孔沉積物粒度和磁化率變化關(guān)系的認(rèn)識(shí)大體一致。但在XM剖面底部風(fēng)沙層，雖然中粗沙含量較高，但磁化率較低，可能是在相同體積下，石英和長石大量富集而強(qiáng)磁性礦物含量相對(duì)下降所致。

從研究剖面沖積物磁化率變化特點(diǎn)看，由于河床沉積物與河漫灘、漫洪沉積物粒度組成差異很大，造成原生礦物磁性上的顯著差別，粒度較大的河床沉積物磁化率較高，而粒度較細(xì)的河漫灘、漫洪沉積物磁化率較低。前人在阿拉善地區(qū)古水下沉積物的磁化率研究中也發(fā)現(xiàn)63～1000 μm 粗顆粒組分的磁化率要顯著高于0～63 μm細(xì)顆粒組分的磁化率［59］。由于河流沉積物的粒度組成與水動(dòng)力條件密切相關(guān)，那么由原生磁性礦物粒徑大小不同而導(dǎo)致的磁化率差異在一定程度上可以作為水動(dòng)力能量的代用指標(biāo)，并成為沉積動(dòng)力環(huán)境的判據(jù)之一［60］。其中，XQ 剖面下段含根孔銹斑的灰白色粉沙層磁化率為全剖面最低，除了細(xì)顆粒組分較多以外，長期處于漬水厭氧條件下導(dǎo)致亞鐵磁性礦物被還原轉(zhuǎn)化成弱磁性的針鐵礦和纖鐵礦［61-63］也是其磁化率較低的重要原因。這既指示了尾閭淺水沼澤微弱的水動(dòng)力特征，又反映了沉積時(shí)或存在一個(gè)廣闊、穩(wěn)定的水環(huán)境以提供厭氧還原條件。

3.5 石英顆粒表面微形態(tài)特征

在碎屑物質(zhì)搬運(yùn)沉積過程中，石英顆粒受不同外力作用和沉積后的風(fēng)化溶蝕影響，表面留下了不同的撞擊和溶蝕痕跡，這些痕跡不僅是判斷沉積物所受外動(dòng)力作用的主要依據(jù)，也是還原沉積環(huán)境的重要參考［64］。XQ20號(hào)樣（圖7）取自XQ剖面上部漫洪沉積層，次棱角狀，磨圓度較低，顆粒表面有較多碟形坑、V 形坑、深大擠壓坑及貝殼狀斷口，指示其可能經(jīng)歷了早期冰川搬運(yùn)過程和后期流水搬運(yùn)過程。擠壓坑內(nèi)見少量硅沉淀及裂紋，說明沉積后處于干旱環(huán)境并受到一定程度的化學(xué)風(fēng)化［65］。XQ32號(hào)樣為風(fēng)成沙席沉積，石英顆粒呈近圓狀，磨圓度較高，表面有諸多麻坑及少許碟形坑，為沉積過程中細(xì)小沙粒頻繁碰撞所致。溶蝕坑內(nèi)少量硅沉淀及裂紋指示相對(duì)干旱的沉積環(huán)境。XQ60 號(hào)樣屬河床沙，次圓狀，在外力搬運(yùn)過程中顆粒表面留下了不同粒級(jí)沉積物擠壓、撞擊形成的V 形坑、圓形坑、麻坑及貝殼狀斷口等，說明該樣品經(jīng)歷了冰川、流水搬運(yùn)過程［28］。

MG05 號(hào)樣取自剖面頂部的靜水沉積層，石英顆粒為棱角狀，磨圓度很差。表面見流水磨光面，新鮮三角坑及溶蝕坑等，并沉淀有較多硅質(zhì)鱗片及硅質(zhì)球，指示其經(jīng)歷了較長時(shí)段的流水磨蝕，但為數(shù)不多的三角坑反映較弱的水動(dòng)力環(huán)境。MG18號(hào)樣為風(fēng)成沉積物，石英顆粒呈近圓狀，磨圓度中等，具典型的麻面結(jié)構(gòu)。深大擠壓坑及V形刻槽指示早期的冰川搬運(yùn)過程，而顆粒表面的少許裂紋則表明沉積后處于干旱環(huán)境，僅受到一定程度的風(fēng)化。此外，該樣磨圓度較差，麻坑數(shù)量少，反映沉積物在風(fēng)力作用下就地起沙［66］，經(jīng)受搬運(yùn)的距離較短。

XM26號(hào)樣同樣取自漫洪沉積物，磨圓度差，表面較多硅質(zhì)鱗片、硅質(zhì)球及溶蝕坑等指示濕潤沉積環(huán)境。撞擊坑較少，說明沉積時(shí)水動(dòng)力環(huán)境較弱且未經(jīng)長期搬運(yùn)，沉積物以近源性物質(zhì)為主。XM36號(hào)樣為固定半固定沙丘沙，次棱角狀，有較為明顯的貝殼狀斷口，V 形坑及深度不大的碟形坑并散布細(xì)小麻坑，反映早期冰川搬運(yùn)過程中的擠壓作用和后期風(fēng)力搬運(yùn)過程中顆粒的相互碰撞，磨圓度較差說明其僅經(jīng)受短暫的搬運(yùn)過程。XM62號(hào)樣為流動(dòng)沙丘沙，石英顆粒呈近圓狀，磨圓度相對(duì)較好，表面深度不大的碟形坑及數(shù)量眾多的麻坑是風(fēng)力搬運(yùn)作用的典型特征，而極少量溶蝕坑及硅沉淀則反映了沉積時(shí)的干旱環(huán)境。

本文3 個(gè)剖面沉積序列主要由沖積、風(fēng)積地層交互疊置構(gòu)成，沉積物可能源于上游冰川碾磨的碎屑物質(zhì)，且沙漠邊緣風(fēng)積物的搬運(yùn)堆積過程頻繁受到流水作用的影響。因此，與古爾班通古特沙漠典型風(fēng)成沙石英顆粒［67-68］相比，研究剖面石英顆粒表面不規(guī)則撞擊坑數(shù)量較少，磨圓度相對(duì)較差，或多或少帶有冰川作用的痕跡，這說明天山冰川沉積物可能是沙漠南緣沉積地層的重要物源，且不論是在河湖環(huán)境還是風(fēng)沙環(huán)境沉積物均未經(jīng)受長距離搬運(yùn)。此外，大部分石英顆粒表面有硅質(zhì)球及硅沉淀，指示相對(duì)濕潤的沉積環(huán)境，前人在沙漠南緣沖積相地層沉積環(huán)境的研究中也報(bào)道了類似現(xiàn)象［23］。

4 討論

4.1 剖面地層序列記錄的區(qū)域沉積環(huán)境變遷特征

根據(jù)前述沉積相和環(huán)境代用指標(biāo)的綜合分析（表2）可知，研究區(qū)地層沉積序列反映了全新世時(shí)期沙漠邊緣地區(qū)沉積環(huán)境在河湖濕地、沙漠沙丘和丘間低地間的頻繁轉(zhuǎn)變（圖8）。XQ剖面記錄，全新世初期約11.1 ka前后，東天山北麓河流尾閭可能發(fā)育頻繁遷徙的辮狀河，具較強(qiáng)水動(dòng)力，河流沉積較為穩(wěn)定。而毗鄰的FK 剖面反映的卻是風(fēng)沙沉積環(huán)境［24］。約10.8 ka 前后，XQ 剖面轉(zhuǎn)變?yōu)槁竦丨h(huán)境，但水動(dòng)力有所波動(dòng)。毗鄰的FK剖面記錄，在約9.6～5.4 ka 沙漠邊緣出現(xiàn)河流活動(dòng)，反映河流、風(fēng)沙交替環(huán)境，而南部的HG 剖面則反映自早全新世以來沙漠邊緣地區(qū)就已經(jīng)出現(xiàn)穩(wěn)定的河湖環(huán)境［24］。至全新世中期約5.8 ka左右，XQ剖面記錄漫灘濕地水量減退，開始出現(xiàn)風(fēng)沙活動(dòng)，研究區(qū)向沙漠環(huán)境轉(zhuǎn)變，地表發(fā)育沙席（平沙地）沉積。隨后尾閭河流深入沙漠邊緣，洪流漫溢形成泥質(zhì)荒漠。約4.0 ka，研究區(qū)再次出現(xiàn)風(fēng)沙活動(dòng)，在漫洪沉積基礎(chǔ)上發(fā)育沙席沉積。此后XQ剖面在漫洪沉積和沙席沉積之間轉(zhuǎn)變，直至線形沙丘擴(kuò)張入侵，成為丘間低地，出現(xiàn)穩(wěn)定的沙漠環(huán)境。

表2 研究剖面沉積類型及其特征Tab.2 Sedimentary types and characteristics of the studied profiles

圖8 研究剖面記錄的沉積環(huán)境變遷Fig.8 Sedimentary environment change recorded by the studied profiles

位于古爾班通古特沙漠西南緣的MG、XM剖面均為約5.0 ka以來的中晚全新世沉積。在沉積序列上，二者均為中下部的沙丘沉積上接河漫灘沉積（靜水沉積）或漫洪沉積，且剖面頂部覆蓋現(xiàn)代沙丘（沙壟）。同期，位于沙漠西南邊緣的MNS剖面沉積序列揭示3.0 ka左右為河流環(huán)境，1.0 ka左右河流完全消退，沙丘發(fā)育［24］。

從本文3個(gè)剖面和前人研究剖面全新世沉積序列的變化特點(diǎn)分析，沙漠邊緣沉積環(huán)境表現(xiàn)出同期異相特點(diǎn)，但總體上以河流過程與風(fēng)沙過程的消長變化為主。即中晚全新世以來沙漠南緣在氣候冷干時(shí)風(fēng)沙活動(dòng)增強(qiáng)，沙丘發(fā)育，沙漠?dāng)U張；而尾閭河流水量增加，深入沙漠邊緣丘間低地并發(fā)育漫灘濕地沉積時(shí)，風(fēng)沙活動(dòng)減弱，沙丘沉積受到抑制。因此，研究區(qū)沉積環(huán)境在風(fēng)水兩相營力作用下交替變化。

4.2 全新世以來古爾班通古特沙漠南緣的環(huán)境演變過程

總體來看，研究區(qū)全新世沉積環(huán)境變遷對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)比較敏感，沉積序列反映了古爾班通古特沙漠進(jìn)退與天山北麓沖洪積平原范圍的消長歷史。全新世以來，在太陽輻射強(qiáng)度變化的驅(qū)動(dòng)下，西風(fēng)環(huán)流強(qiáng)弱變化、位置變動(dòng)以及高山冰雪融水多寡直接引起沙漠邊緣風(fēng)水兩相營力的交替變化，同時(shí)本區(qū)沉積環(huán)境演變過程中還可能有北大西洋冷事件的影響。綜合3 個(gè)剖面的沉積序列可將研究區(qū)全新世以來的環(huán)境演變過程大致劃分為3個(gè)階段：

（1）約11.8～10.2 ka，全新世初期研究區(qū)發(fā)育河流沉積，石英顆粒表面具冰川和流水搬運(yùn)痕跡。此時(shí)沙漠南部HG剖面以厚層沖積質(zhì)黏土沉積為主［24］，沙漠東南邊緣丘間低地出現(xiàn)冰川融水沉積［18］，西部艾比湖沉積記錄顯示湖水水量較大［69］，表明此階段研究區(qū)地表濕度有所增加［70］。但天山北麓黃土記錄（圖9c）卻與研究區(qū)地層剖面和湖泊沉積記錄表現(xiàn)相反，顯示早全新世的干旱環(huán)境［21,71-72］。相關(guān)研究指出，全新世早期中亞干旱區(qū)降水量較小，西風(fēng)環(huán)流較弱（圖9f），整體處于干旱氣候控制下［21,73-74］，因此本時(shí)段研究區(qū)局地呈現(xiàn)的河流環(huán)境并非西風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度變化所致。作為中亞干旱區(qū)低海拔地區(qū)地表水分的主要來源，周邊高山冰川的水分釋放決定了盆地內(nèi)部的濕潤程度［22,75］，故早全新世時(shí)期研究區(qū)河流環(huán)境的出現(xiàn)可能是由于北半球夏季太陽輻射（圖9g）的增強(qiáng)造成天山冰川消融，致使荒漠-綠洲過渡帶局地濕潤程度增加。

圖9 本研究揭示的古爾班通古特沙漠南緣全新世環(huán)境演變過程與周邊區(qū)域地質(zhì)記錄的對(duì)比Fig.9 Comparison of Holocene environmental evolution process in the southern margin of Gurbantunggut Desert revealed by this study with geological records of surrounding areas

（2）約10.2～6.0 ka，XQ 剖面底部發(fā)育厚度較大、層位穩(wěn)定的漫灘濕地沉積，沉積物呈灰綠色還原態(tài)并具低磁化率，反映長期漬水環(huán)境。同期，毗鄰區(qū)域的FK 剖面以沖積沙質(zhì)黏土、粉沙質(zhì)細(xì)沙和沙質(zhì)淤泥為主，HG剖面為沖積質(zhì)粉沙沉積［24］；西南部莫索灣沙壟剖面有密集沙質(zhì)古土壤層發(fā)育（圖9b）；沙漠邊緣梧桐溝沙壟及丘間地沉積物粒度、磁化率減小，沙丘堆積減慢、趨于固定［18］。在沙漠周邊區(qū)域，瑪納斯湖沉積物蒿藜比（A/C）反映偏濕氣候環(huán)境［78］；艾比湖面積擴(kuò)大［79］；瑪納斯河下游蘑菇湖發(fā)育以高嶺石為主的黏土礦物沉積［80］；烏魯木齊河源冰川大量消融［81］；巴里坤湖水位也在逐漸上升［82］。尤其是周邊中低山帶黃土沉積記錄到了與干旱盆地相同的濕潤趨勢(shì)［75］，說明該時(shí)段濕潤程度的增加可能是由于西風(fēng)環(huán)流增強(qiáng)致使中亞干旱區(qū)核心區(qū)水汽含量增多，降水增加［20-21,83］?？梢娫谖黠L(fēng)環(huán)流逐漸增強(qiáng)的背景下，全新世早中期準(zhǔn)噶爾盆地南部地區(qū)或許迎來了較長時(shí)段的氣候適宜期。

（3）約6.0 ka 以來，研究區(qū)主要為沖積層、風(fēng)積層交替疊覆的沉積序列，反映了濕潤環(huán)境和干旱環(huán)境的交替變遷。此時(shí)段，沙漠西南莫索灣沙壟發(fā)育古風(fēng)成沙與古土壤的互層沉積［17］；MNS剖面記錄了風(fēng)沙沉積-河流沉積-風(fēng)沙沉積的環(huán)境演變過程［24］；沙漠東南梧桐溝沙壟也經(jīng)歷了3.6～2.5 ka 的快速堆積期和2.5 ka 之后的固定收縮期［18］。此外，東道海子［25-28］、艾比湖［79］、巴里坤湖［82］出現(xiàn)水位的頻繁波動(dòng)；艾比湖湖區(qū)在荒漠植被與草原植被之間交替轉(zhuǎn)變［84］；阿爾泰山泥炭蒿黎比（A/C）也反映濕度的波動(dòng)狀況［85］。其中，阿爾泰山南部NRX泥炭（圖9i）及喀納斯湖沉積物喬木、灌木花粉含量（圖9j）記錄的氣候冷干期，與MG、XM 剖面中風(fēng)沙層的發(fā)育時(shí)間大體一致，顯示出本區(qū)沉積地層對(duì)區(qū)域濕度變化響應(yīng)的敏感性。尤其是研究區(qū)地層剖面可能捕捉到了北大西洋冷事件釋放的氣候信號(hào)，如XQ 剖面上部2層風(fēng)沙層的堆積時(shí)間分別與5.9 ka和4.2 ka的2次冰漂碎屑事件（圖9e）時(shí)間相近，而MG 剖面中部風(fēng)沙層的年齡與2.8 ka 的冰漂碎屑事件時(shí)間接近。同時(shí)，天山北麓冰川在5.7 ka、4.1 ka 和2.8 ka 發(fā)生3次冰進(jìn)（圖9d），與本研究所揭示全新世中晚期以來的幾次風(fēng)沙活動(dòng)有較好的對(duì)應(yīng)性。

綜上所述，研究區(qū)地層剖面記錄了全新世以來河流過程和風(fēng)沙過程的此消彼長，反映了古爾班通古特沙漠南部邊緣地區(qū)的濕度演變歷史（圖9a、h）。早全新世區(qū)域升溫致使天山冰川大量消融造成了沙漠南緣河流環(huán)境的出現(xiàn)，而中晚全新世西風(fēng)環(huán)流的逐漸增強(qiáng)交織著北大西洋冷事件引發(fā)的大氣波動(dòng)可能是驅(qū)動(dòng)本區(qū)河流環(huán)境與風(fēng)沙環(huán)境變遷的主要原因。

5 結(jié)論

（1）沉積相和沉積物粒度特征反映沙漠南緣荒漠-綠洲過渡帶地層剖面主要由4種沉積類型構(gòu)成：河床沉積、漫灘濕地沉積、漫洪沉積和風(fēng)沙沉積。

（2）研究區(qū)沉積物的磁化率主要反映近源性的原生磁性礦物，與顆粒粒徑呈正相關(guān)，且與外動(dòng)力搬運(yùn)作用的大小相關(guān)聯(lián)，因此其變化可以用于指示沉積環(huán)境的變遷狀況。

（3）研究區(qū)地層剖面中石英顆粒表面殘留早期冰川作用和后期流水、風(fēng)力作用的痕跡，表明北天山冰磧物可能是沙漠南緣沉積地層的重要物源，且沉積物未經(jīng)過長期搬運(yùn)過程。

（4）研究區(qū)地層序列主要反映了河湖環(huán)境和風(fēng)沙環(huán)境的更替，早全新世辮狀河深入沙漠，沙漠南緣發(fā)育河流沉積；中全新世沙漠北退，研究區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楹恿鳚竦丨h(huán)境；晚全新世風(fēng)沙活動(dòng)頻繁，風(fēng)沙環(huán)境與河流環(huán)境交替出現(xiàn)。本區(qū)全新世濕潤環(huán)境的出現(xiàn)可能受制于西風(fēng)環(huán)流的強(qiáng)弱變化、位置變動(dòng)及北半球夏季太陽輻射與天山冰川的耦合作用，此外，研究區(qū)地層剖面還可能捕捉到了中晚全新世北大西洋冷事件釋放的氣候信號(hào)，表明沙漠邊緣沉積對(duì)區(qū)域性的降溫事件響應(yīng)敏感。