馬素輝，李卓侖，王乃昂，寧　凱，李　孟

(蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，蘭州大學(xué)干旱區(qū)氣候變化與水循環(huán)研究中心，蘭州 730000)

地下水補(bǔ)給型湖泊表層沉積物礦物組成及其形成機(jī)制——以巴丹吉林沙漠湖泊群為例*

馬素輝，李卓侖*，王乃昂，寧凱，李孟

(蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，蘭州大學(xué)干旱區(qū)氣候變化與水循環(huán)研究中心，蘭州 730000)

摘要：鹽湖中的礦物沉積記錄著豐富的環(huán)境氣候變化信息，是古環(huán)境研究的重要對(duì)象.在無(wú)地表徑流補(bǔ)給的鹽湖中，其礦物組成及沉積特征與有地表徑流補(bǔ)給的湖泊相比是否有一定的特殊性，是值得探討的問題.采集巴丹吉林沙漠33個(gè)不同礦化度地下水補(bǔ)給型湖泊的表層沉積物和10個(gè)地表風(fēng)積砂樣品，通過X衍射的方法，分析樣品的礦物組成.結(jié)果顯示：湖泊表層沉積物主要為石英、長(zhǎng)石、輝石、云母等碎屑礦物，部分湖泊含有少量的碳酸鹽和氯化物鹽類礦物.湖泊沉積物的礦物組成與湖水礦化度的關(guān)系較為密切，淡水湖僅分布碎屑礦物，微咸水湖含有碎屑礦物和碳酸鹽類礦物，鹽湖含有碎屑礦物、碳酸鹽類礦物和氯化物.風(fēng)積砂樣品中主要為碎屑礦物，占總礦物含量的90%，對(duì)湖泊沉積物的礦物組成影響較大，但對(duì)湖泊沉積物中的鹽類礦物沒有貢獻(xiàn)，表明湖泊表層沉積物中鹽類礦物主要是自生作用形成的.雖然本地區(qū)湖泊邊緣的沉積物中鹽類礦物種類相對(duì)較少并且含量較低，但其鹽類礦物組成與分布能夠響應(yīng)湖水礦化度的變化，其環(huán)境指示意義與有徑流補(bǔ)給的鹽湖相同，可以指示其湖水的鹽度.因此，可以從巴丹吉林沙漠地下水補(bǔ)給型湖泊沉積的鹽類礦物中提取相應(yīng)的古環(huán)境信息，用于恢復(fù)古氣候和古環(huán)境的研究.

關(guān)鍵詞：地下水補(bǔ)給型湖泊；巴丹吉林沙漠；湖泊沉積物；礦物組成；礦化度

*國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金項(xiàng)目(J1210065)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301217，41371114)聯(lián)合資助.2014-06-11收稿；2014-12-04收修改稿.馬素輝(1992～)，男，本科；E-mail：mash2011@lzu.edu.cn.

在干旱區(qū)有地表徑流補(bǔ)給的外源湖泊[1-2]，由于地表徑流對(duì)流域常年侵蝕帶來(lái)大量的易溶鹽離子積累在湖泊中[3-4]，伴隨著強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，湖水礦化度逐漸升高，湖泊演化類型從碳酸鹽型向硫酸鹽型和鹵水型湖泊演化[5].與此同時(shí)，湖泊自生作用產(chǎn)生的鹽類也從各類碳酸鹽、硫酸鹽向氯化物轉(zhuǎn)變[6-7]，即湖泊湖水礦化度變化和沉積鹽類順序與鹽類礦物組合存在著很好的關(guān)系[8-11].并且，通過鹽類沉積，可以很好地進(jìn)行古環(huán)境的重建工作.例如，李卓侖等[12]通過花海湖沉積物中白云石含量的變化重建該湖全新世時(shí)期湖水鹽度的變化.Wang等[13-15]根據(jù)花海湖芒硝沉積定量重建了該區(qū)域末次盛冰期(LGM)和新仙女木時(shí)期(YD)的年平均氣溫.Nuttin等[16]通過阿根廷Laguna Potrok Aike湖沉積礦物中方解石含量變化重建了LGM以來(lái)的湖泊演化過程.McLaren等[17]通過Bungunnia古湖自生碳酸鹽含量變化，重建了晚更新世以來(lái)的湖泊演化情況.Hassan等[18]也根據(jù)埃及Qarun湖沉積物中方解石和文石含量的變化，重建了該區(qū)域6000-7000aBP時(shí)期氣候變化過程.這些研究為我們根據(jù)湖泊鹽類礦物重建過去環(huán)境變化研究提供了很好的借鑒和參考.

然而，在沒有地表徑流補(bǔ)給的干旱區(qū)湖泊中，湖水主要由地下水進(jìn)行補(bǔ)給，可以稱之為地下水補(bǔ)給型湖泊.由于地下水補(bǔ)給型湖泊的湖水礦化度和沉積鹽類之間的關(guān)系尚不明確，故而限制利用該類型湖泊的沉積鹽類進(jìn)行湖泊演化、氣候變化和古環(huán)境重建的工作，也限制對(duì)該型湖泊演化過程的認(rèn)識(shí).尤其是地下水補(bǔ)給型湖泊鹽類礦物是否仍有一定的環(huán)境指示意義，能否用于古環(huán)境重建工作，目前尚缺少系統(tǒng)的研究工作.因此探討地下水補(bǔ)給型湖泊表層沉積鹽類礦物與湖水礦化度的關(guān)系，可以明確該類型湖泊表層沉積鹽類礦物組成的環(huán)境指示意義，明晰與徑流補(bǔ)給型湖泊鹽類礦物組成的環(huán)境指示意義是否相同，同時(shí)可以為該類型湖泊沉積的現(xiàn)代過程研究提供新的證據(jù).

巴丹吉林沙漠地處我國(guó)西北干旱區(qū)，根據(jù)野外實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，目前常年積水湖泊共110多個(gè)[19]，其中絕大多數(shù)湖泊是礦化度很高的鹽湖[20]，無(wú)地表徑流的補(bǔ)給，是研究地下水補(bǔ)給型湖泊的良好場(chǎng)所.根據(jù)鄭綿平[9]對(duì)中國(guó)鹽湖帶的劃分，該地區(qū)屬我國(guó)西北鹽湖區(qū)，也是調(diào)查工作程度較低的鹽湖地區(qū)之一.前人雖然對(duì)該區(qū)域的湖泊水化學(xué)類型開展了大量研究[20-24]，但缺乏對(duì)湖泊沉積礦物現(xiàn)代過程的研究.基于上述，本文以巴丹吉林沙漠部分湖泊表層沉積物為研究對(duì)象，通過分析湖泊表層沉積鹽類礦物與湖水礦化度的關(guān)系，探討其是否具有一定的環(huán)境指示意義.

1 區(qū)域概況

巴丹吉林沙漠位于雅布賴鹽湖與雅布賴山之西北，宗乃山、省道S218公路之西，黑河正義峽出山口、弱水東岸至古日乃湖之東，合黎山、北大山、黑山頭之北，拐子湖、古居延澤之南，面積為5.2×104m2，系我國(guó)僅次于塔克拉瑪干沙漠的第二大沙漠[22].區(qū)內(nèi)地勢(shì)總體呈南高北低、東高西低的趨勢(shì)，海拔為1000～1700m.全年主要受W-NW大陸風(fēng)系控制，多年平均降水量由東南向西北逐漸減少，東南部約為150mm，西北部不足40mm，氣候極度干旱[25].沙漠東南部分布著高大復(fù)合型沙山，相對(duì)高度一般達(dá)200～300m；沙山之間的洼地分布著許多大小不等的永久性湖泊，絕大多數(shù)屬礦化度很高的鹽堿湖，還有一定數(shù)量的淡水湖[20-21].湖泊的水源除少量受大氣降水的補(bǔ)給外，主要來(lái)源于地下水和湖邊泉水的補(bǔ)給[26-27].

圖1 巴丹吉林沙漠湖泊與地表風(fēng)積砂采樣點(diǎn)分布Fig.1 Samples distribution of the lake sediments and eolian sand in the Badain Jaran Desert

2 研究方法

樣品測(cè)試工作在蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成.湖泊表層沉積物和風(fēng)積砂樣品的礦物用荷蘭帕納科公司的X-pert Pro型粉晶X射線衍射儀測(cè)定.礦物種類及相對(duì)百分含量通過該儀器自帶的X’Pert High Score Plus軟件分析后得出，樣品中不同礦物的重量百分?jǐn)?shù)公式為：

(1)

式中，Xi為樣品中i礦物的重量百分?jǐn)?shù)；Ki，n和Kj，n分別為礦物i和j在衍射線n上的參照強(qiáng)度比值；Ii，n和Ij，n分別為礦物i和j在衍射線n上的積分強(qiáng)度；m為樣品中所有礦物的個(gè)數(shù)，誤差為±5%[13].

根據(jù)電導(dǎo)水參儀測(cè)得的可溶性固體總量(TDS)大小將各水樣按比例用超純水稀釋成不同倍數(shù)并經(jīng)0.45μm的濾膜過濾后，通過美國(guó)戴安公司生產(chǎn)的ICS-2500型離子色譜儀測(cè)定處理后水樣的八大離子的質(zhì)量濃度[29]，最后計(jì)算求得湖水的礦化度.通過陰陽(yáng)離子平衡檢查計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)水樣中總陰陽(yáng)離子的相對(duì)誤差均小于±10%，表明水化學(xué)分析結(jié)果可靠.

3 結(jié)果與分析

3.1 湖水礦化度

采集的湖水礦化度范圍為0.86～412.52g/L，平均值為134.09g/L(表1).根據(jù)礦化度的大小[30]將湖泊分為以下類型：淡水湖(礦化度<1g/L)、微咸水湖(礦化度在1～24.7g/L之間)、咸水湖(礦化度在24.7～35g/L之間)和鹽湖(礦化度>35g/L).由此統(tǒng)計(jì)本研究33個(gè)湖泊中，淡水湖有1個(gè)，微咸水湖有4個(gè)，鹽湖有28個(gè)，無(wú)咸水湖.

表1 巴丹吉林沙漠湖泊表層沉積物礦物組成*

* -表示痕量，含量小于1%.

3.2 不同礦化度湖泊表層沉積物礦物組成與含量

湖泊表層沉積礦物組成主要是碎屑礦物、鹽類礦物以及其他礦物(表1).其中，碎屑礦物主要為石英、長(zhǎng)石、云母和輝石，占總礦物含量的80%左右.鹽類礦物主要由碳酸鹽和氯化物礦物組成，含量在0～9%之間，其中碳酸鹽礦物主要是方解石、白云石和文石，鹵化物礦物為石鹽，未檢出硫酸鹽類礦物.

分析不同礦化度湖泊的鹽類礦物發(fā)現(xiàn)(圖2)，淡水湖的表層沉積物析出極少量的鹽類礦物；4個(gè)微咸水湖中，只有1個(gè)微咸水湖(薩音烏蘇)含有較多的碳酸鹽(9%)，但不含氯化物礦物；在28個(gè)鹽湖中，除呼和吉林外，均檢出鹽類礦物的存在，并且有24個(gè)湖泊檢出鹵化物，并且鹽類礦物的組成相對(duì)淡水湖和微咸水湖更為復(fù)雜，存在方解石、白云石、文石和石鹽的不同組合，但鹽類礦物總含量相對(duì)碎屑礦物很低.

圖2 巴丹吉林沙漠湖泊表層鹽類礦物的2D Scatter圖Fig.2 2D Scatter of surface saline minerals in the Badain Jaran Desert lakes

3.3 巴丹吉林沙漠風(fēng)積砂礦物組成

X衍射的結(jié)果表明，10個(gè)平沙地的風(fēng)積砂主要礦物組成為碎屑礦物(表2)，占總礦物含量的90%左右，包括：石英、長(zhǎng)石、云母、輝石.方解石在研究區(qū)內(nèi)分布范圍極小、僅在1個(gè)樣品中檢出，并且含量?jī)H為1%左右，不含其他鹽類礦物.綠泥石、角閃石和榍石等礦物總共不足10%.

表2 巴丹吉林沙漠表層風(fēng)積砂礦物組成(%)

4 討論

4.1 巴丹吉林沙漠湖泊表層沉積物礦物組成來(lái)源分析

在地球表生作用過程中，礦物組合特征受流域基巖類型、構(gòu)造、氣候、湖泊內(nèi)生物種類以及人類活動(dòng)等因素的綜合制約[31]，其中湖泊中的碎屑礦物主要是外源礦物[32]，而鹽類礦物中碳酸鹽礦物的成因則相對(duì)復(fù)雜，既有自生成因亦有外源成因.寧凱等[33]研究表明，巴丹吉林沙漠地表風(fēng)積砂平均中值粒徑為0.45mm，均值粒徑為0.53mm，是中國(guó)北方粒度最粗的沙漠之一.機(jī)械組成上，粗砂含量最高.此外，巴丹吉林沙漠湖泊沒有地表徑流的作用，凡此均可表明，常規(guī)的流水作用無(wú)法攜帶上述沉積物進(jìn)入湖泊中.因此其外源礦物主要是通過風(fēng)力作用攜帶進(jìn)入湖中.結(jié)合巴丹吉林沙漠地表風(fēng)積砂礦物組成(表2)可知，表層沉積物礦物組成與沙漠地表風(fēng)積砂的礦物組成較為相似，碎屑礦物含量均在80%左右，并且除1個(gè)樣品含有1%的方解石外，其余均不含方解石等鹽類礦物.因此，湖泊表層沉積物中的碳酸鹽類礦物不是外源礦物，即湖泊表層沉積物中鹽類礦物主要是自生作用形成的.

4.2 鹽類礦物組成與湖水礦化度的關(guān)系

在干旱封閉環(huán)境下，由于蒸發(fā)強(qiáng)烈，湖水礦化度不斷升高，湖泊經(jīng)歷從淡水、碳酸鹽型、硫酸鹽型，進(jìn)而演變成鹵水鹽湖的演化過程[34]，導(dǎo)致自生鹽類沉積也出現(xiàn)了相應(yīng)的碳酸鹽、硫酸鹽和巖鹽的沉積次序.在本研究中淡水湖的表層沉積物礦物組成與大多數(shù)徑流補(bǔ)給的淡水湖相似[31，35-36]，以碎屑礦物石英、長(zhǎng)石等為主，只有痕量的方解石出現(xiàn).在微咸水湖中，除礦化度最高的薩音烏蘇湖含有較高的碳酸鹽礦物外，均不含有鹽類礦物.

在鹽湖中，呼和吉林湖水礦化度(101.39g/L)較其他鹽湖低，表層沉積中并未檢出鹽類礦物，為鹽類沉積不發(fā)育的鹽湖[37]，其他鹽湖均檢出了鹽類礦物的存在.隨著湖水礦化度(平均值為139.04g/L)升高，3個(gè)鹽湖表層沉積中檢出方解石、白云石和文石等碳酸鹽礦物[38]，即蘇木吉林、呼都格吉林和哈布特諾爾.當(dāng)湖水礦化度(平均值為136.97g/L)進(jìn)一步變化，表層沉積檢出了氯化物礦物石鹽，這8個(gè)鹽湖中，除東諾爾圖湖水礦化度很低(88.07g/L)外，其他鹽湖的湖水礦化度均很高，平均為181.29g/L，遠(yuǎn)高于其他類型鹽湖平均礦化度值，湖泊表層鹽類沉積強(qiáng)烈，沉積礦物由碳酸鹽礦物和石鹽礦物組成，如方解石-石鹽、方解石-白云石或者文石-石鹽等[38].即鹽湖湖泊表層沉積鹽類礦物組成隨湖水礦化度升高而顯著變化，二者存在著良好的關(guān)系.但值得注意的是，雖然該研究區(qū)湖泊位于以硫酸鹽為主型的內(nèi)蒙古鹽湖區(qū)，但此次在湖泊邊緣位置的樣品中未檢出硫酸鹽類礦物，并且鹽類礦物含量均相對(duì)較低.其主要原因可能是與采樣位置遠(yuǎn)離湖心有關(guān)，這種沉積環(huán)境不利于硫酸鹽析出，特別是穩(wěn)定硫酸鹽礦物沉積以碎屑沉積為主，這一點(diǎn)與徑流補(bǔ)給型湖泊的鹽類沉積較為相似.在徑流補(bǔ)給型湖泊中，湖泊演化早期或者徑流作用較強(qiáng)時(shí)，湖泊表層往往沉積碎屑礦物[39]，但隨著環(huán)境干旱、湖泊面積收縮，湖心附近開始沉積鹽類礦物，礦物類型從碳酸鹽向硫酸鹽、鹵化物過渡，但湖泊邊緣表層鹽類礦物含量仍然很低甚至為0[40].

在有地表徑流補(bǔ)給的鹽湖中，新疆地區(qū)鹽湖鹽類化學(xué)沉積有碳酸鹽、硫酸鹽、硼酸鹽、氯化物和硝酸鹽五大類型[39]，西藏鹽湖也沉積碳酸鹽、硫酸鹽和氯化物，還有鋰硼酸鹽[38].本區(qū)巴丹吉林沙漠地下水補(bǔ)給型湖泊數(shù)量眾多且多為咸水湖和鹽湖[20].雖然已檢出湖泊邊緣表層沉積物中的鹽類礦物只有碳酸鹽和鹵化物兩大類、4種礦物，鹽類礦物組成及類型較新疆和西藏地區(qū)的鹽湖表現(xiàn)單一.但由于采樣位置位于湖泊邊緣，與湖心相比，并不利于鹽類礦物的析出[41]，其湖心位置的鹽類礦物組成可能會(huì)有更為多樣的組合情況.然而本研究中仍然有明顯的鹽類礦物析出，并且隨著鹽湖平均礦化度升高，湖泊表層沉積物的礦物組成在統(tǒng)計(jì)上響應(yīng)了湖水的礦化度，能夠較好地反映湖水礦化度的變化.這一結(jié)果表明，在巴丹吉林沙漠地下水補(bǔ)給型湖泊表層沉積物中，隨著湖水礦化度的升高，其沉積物中鹽類礦物的析出規(guī)律與有地表徑流補(bǔ)給湖泊相同.雖然本研究中只有1個(gè)淡水湖泊，其痕量方解石礦物的析出是否具有一定的代表性，尚待進(jìn)一步的研究.但可以明確的是，在該區(qū)域，湖泊表層沉積物的鹽類礦物組成具有明顯的環(huán)境指示意義，能夠較好地反映湖水礦化度的變化，與徑流補(bǔ)給型湖泊鹽類礦物組成的環(huán)境指示意義[6，31-32，39]有較好的一致性.因此，在理論上，巴丹吉林沙漠的鹽湖可以成為用于恢復(fù)古氣候、古環(huán)境的重要研究對(duì)象，尤其是其沉積的鹽類礦物，可以從中提取相應(yīng)的古環(huán)境信息.

5 結(jié)論

巴丹吉林沙漠33個(gè)不同礦化度地下水補(bǔ)給型湖泊的邊緣表層沉積物礦物組成主要為外源碎屑礦物、鹽類礦物和其他礦物.其中外源碎屑礦物主要為石英、長(zhǎng)石、云母和輝石，含量在80%左右，主要來(lái)源于風(fēng)成沉積.由于采樣位置位于湖泊邊緣，遠(yuǎn)離湖心，鹽類礦物僅為少量的碳酸鹽和鹵化物，并且均為自生鹽類礦物，與有地表徑流的鹽湖在成鹽規(guī)律上是相同的.

該區(qū)不同礦化度湖泊表層沉積物的礦物組成有一定的差異.雖然地下水補(bǔ)給型湖泊邊緣表層沉積物的鹽類礦物類型少且含量低，但隨著湖水礦化度的升高，鹽類礦物在組成和含量上響應(yīng)了湖水礦化度的變化，顯示了其具有很好的環(huán)境指示意義，并且與徑流補(bǔ)給型湖泊鹽類礦物組成的環(huán)境指示意義有較好的一致性.因此，理論上可以從巴丹吉林沙漠地下水補(bǔ)給型湖泊沉積的鹽類礦物中提取相應(yīng)的古環(huán)境信息，用于恢復(fù)古氣候和古環(huán)境的研究.

致謝：蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院魏芳莉、孫佳琦同學(xué)參與部分X衍射實(shí)驗(yàn)工作，董龍龍同學(xué)在圖件清繪上給予幫助，在此一并致謝.

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J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2015， 27(4)： 727-734

?2015 byJournalofLakeSciences

Mineralogical assemblages in surface sediments and its formation mechanism in the groundwater recharged lakes： A case study of lakes in the Badain Jaran Desert

MA Suhui， LI Zhuolun， WANG Naiang， NING Kai & LI Meng

(CenterforHydrologicCycleandClimaticChangeinAridRegion，CollegeofEarthandEnvironmentalSciences，LanzhouUniversity，Lanzhou730000，P.R.China)

Abstract：The mineral deposit of salt lakes was widely used to reconstruct paleoenvironment. However， whether mineral composition and deposition characteristic in no runoff recharged lakes is different from that in runoff recharged lakes remains uncertain. In this paper， we collected 33 lake surface sediment samples from groundwater recharged lakes with different salinity and 10 surface aeolian sand samples in the Badain Jaran Desert. Mineralogical assemblages of all the samples were measured by X-ray diffraction. Results indicated that lake surface sediments were mainly composed of detrital minerals such as quartz， feldspar， pyroxene and mica. Moreover， some lakes included small amounts of carbonate and chlorine. Saline mineralogical assemblages in lake sediment varied with the lake water salinity：freshwater lake contains only detrital mineral， brackish one contain both detrital mineral and carbonate， and saline ones contain detrital mineral， carbonate and chloride simultaneously. The content of detrital minerals in aeolian sand samples was 90%， which indicated that the aeolian sand had a great contribution to the lake surface sediments mineralogical assemblages， while the saline minerals in lake surface sediments were authigenic minerals. Hence， the composition and distribution of saline minerals could respond to the changes of water salinity， and have same environmental significance compared with that in runoff supply salt lakes. Moreover， lake mineralogical assemblages in the surface sediments of groundwater recharged lakes can be a proxy for paleoclimate and palaeoenivronment reconstructions.

Keywords：Groundwater recharged lake； Badain Jaran Desert； lake sediment； mineral composition； salinity

通信作者**；E-mail：lizhuolunlzl@163.com.

DOI10.18307/2015.0422