新疆孔雀河北岸72-51 ka BP湖相沉積物中粘土礦物特征*

2014-12-22收稿；2015-04-21

收修改稿.白友良(1980~)，男，碩士，工程師；E-mail：baiyouliang008@126.com。

白友良,吳潤江,閆長紅,王華偉,田　坤

(西北核技術(shù)研究所，西安 710024)

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新疆孔雀河北岸72-51 ka BP湖相沉積物中粘土礦物特征*

*2014-12-22收稿；2015-04-21

收修改稿.白友良(1980~)，男，碩士，工程師；E-mail：baiyouliang008@126.com。

白友良,吳潤江,閆長紅,王華偉,田坤

(西北核技術(shù)研究所，西安 710024)

摘要：對新疆孔雀河北岸LX02剖面湖相沉積物開展光釋光和粘土礦物樣品X射線衍射分析，根據(jù)樣品中的粘土礦物成分及質(zhì)量分數(shù)對本區(qū)古氣候演化進行了探討.結(jié)果顯示，該剖面湖相沉積自72 ka BP延續(xù)到51 ka BP.這期間，研究區(qū)粘土礦物以伊利石占絕對優(yōu)勢(56%~64%，平均為61%)，其它粘土礦物有綠泥石(18%~26%，平均為22%)、高嶺石(7%~12%，平均為8%)和伊/蒙混層(5%~15%，平均為9%)，這與塔里木盆地粘土礦物組成頗為一致.具體來說，72.4-66.8 ka BP，伊利石和綠泥石含量之和較高，同時綠泥石含量較高，對于高嶺石而言，除了一個樣品外，其它樣品的平均值較低，伊/蒙混層含量較低，指示該時段為冷干氣候環(huán)境；66.8-56.1 ka BP，伊利石和綠泥石含量之和最低，同時綠泥石含量亦最低，高嶺石、伊/蒙混層含量較高，指示該時段為暖濕氣候環(huán)境；56.1-51.0 ka BP，伊利石和綠泥石含量之和增大，同時綠泥石含量亦增大，高嶺石、伊/蒙混層含量較低，指示該時段為較冷干氣候環(huán)境.這與孢粉植物群、地球化學(xué)元素含量及其主成分F1和粒度、色度及碳酸鹽主成分F1′所反映的古氣候特征及其變化一致，亦與柴達木盆地東部介形類豐度特征研究、柴達木盆地東部古湖泊高湖面光釋光年代學(xué)研究、北京平原區(qū)有機碳同位素研究等結(jié)果吻合較好.研究表明塔里木盆地東部晚更新世氣候仍以暖濕-冷干氣候變化模式為主。

關(guān)鍵詞：晚更新世；粘土礦物；冷干-暖濕氣候；孔雀河；新疆東部；湖相沉積物

伴隨晚新生代印度板塊持續(xù)推擠亞洲板塊和全球顯著降溫，我國內(nèi)陸新疆地區(qū)因山地強烈隆升和豐富的沉積記錄受到廣大地學(xué)工作者越來越多的關(guān)注[1-4].在構(gòu)造尺度上，新疆地區(qū)的古環(huán)境重建通常通過磁性地層定年建立年代地層框架[5-8].全新世以來新疆地區(qū)的環(huán)境研究工作多集中于考古[9-11]和水資源調(diào)查[12-15].位于新疆東南部的塔里木盆地東部地區(qū)，第四紀研究很不平衡.趙振宏等[16]、林景星等[17]、王永等[18]、閆順等[19]、王弭力等[20]的研究揭示了該地區(qū)第四紀的氣候與環(huán)境演化，但分辨率較低.羅超[21]、賈紅娟等[22]研究了晚更新世晚期以來的氣候與環(huán)境演化.相比之下，塔里木盆地東部地區(qū)晚更新世早中期的較高分辨率的記錄相對較少.這在很大程度上制約了晚更新世早中期全球氣候變化在該地區(qū)響應(yīng)的分析研究工作.另一方面，塔里木盆地東部地區(qū)第四紀研究主要是通過孢粉、粒度、地球化學(xué)、微體化石等環(huán)境代用指標完成，作為古氣候環(huán)境研究有效手段的粘土礦物研究[23]鮮有報道。

此外，塔里木盆地東部地區(qū)更新世以來的氣候演化歷史研究還存在明顯的分歧.羅超等[24-27]通過對羅布泊CK-2鉆孔湖相沉積物多指標研究顯示，新疆東部氣候與環(huán)境的變化與北半球高緯度緊密關(guān)聯(lián)，呈現(xiàn)冷濕和暖干的氣候特征.這樣的氣候特征在新疆乃至西北其他地區(qū)[28-30]也有較好的顯示.但是，在7.0-6.0 ka BP期間，塔里木盆地東部臺特瑪湖地區(qū)出現(xiàn)了相對暖濕的環(huán)境特征[31].同樣，釋光和14C年代學(xué)研究顯示，羅布泊鹽湖北岸和東岸普遍發(fā)育的三級湖積臺地分別形成于90~130 ka BP、30 ka BP左右和7.0-7.5 ka BP，似乎在時間上對應(yīng)深海氧同位素第5階段、第3階段及全新世大暖期，進而反映暖期濕度大、湖面高的氣候演化模式[32].那么，塔里木盆地東部在更新世到底受冷濕-暖干的氣候模式主宰還是受暖濕-冷干的氣候模式主宰還不清楚[33]。

鑒于此，本文選擇新疆東部孔雀河北緣出露較好的LX02剖面為目標剖面，自下而上采集6個光釋光年齡樣品以期建立年代框架.同時，采集了相應(yīng)具代表性的粘土礦物樣品，以期通過粘土礦物特征探討該區(qū)的氣候環(huán)境演化。

1 地質(zhì)地理背景及樣品采集

研究區(qū)位于塔里木盆地內(nèi)孔雀河斷裂和阿爾金斷裂的交匯區(qū)域.上述兩組斷裂走滑作用下形成了洼地[34].洼地夾持于庫魯克塔格斷隆和阿爾金斷隆之間，西與英吉蘇凹陷相依，東與北山斷塊相接，為典型的封閉內(nèi)陸干鹽湖，面積約1.0×105km2.受區(qū)域大環(huán)境制約，洼地具有降水量小、蒸發(fā)量高、溫差大及風(fēng)力強等典型的大陸干旱氣候特征.區(qū)內(nèi)多大風(fēng)，以NE和NEE向為主.常見的地貌形態(tài)有沙漠、雅丹和谷地.沙漠以位于洼地東南的庫木塔格沙漠為主.洼地北部、東部和西部分布著面積為3.0×103km2左右的雅丹地貌，主要有孔雀河下游雅丹、白龍堆雅丹、三垅沙附近雅丹以及阿奇克谷地零星分布的雅丹.阿奇克谷地呈NE-SW向位于洼地東部.就地貌類型而言，研究區(qū)位于洼地西北緣的孔雀河下游的雅丹地貌區(qū)，隸屬于湖相沉積平原.由于受到后期庫魯克塔格斷隆構(gòu)造的抬升作用，該地區(qū)形成數(shù)級湖積臺地.LX02剖面位于湖積臺地上，海拔約813 m，其位置如圖1所示。

LX02剖面位于新疆尉犁縣塔里木鄉(xiāng)，其坐標為(40°40′N，89°55E′)，厚度為5.4 m.剖面共分為15個自然沉積層(圖2)，自上而下可劃分為3個單元：(1) 0~1.28 m，其中0~0.67 m為土黃色粉質(zhì)亞粘土層，0.67~1.28 m為淺灰綠色粉砂質(zhì)亞粘土，0.18、1.19 m處采集光釋光年代樣；(2) 1.28~4.25 m為土黃色粉質(zhì)亞粘土層，夾薄層粉質(zhì)亞砂土、粉砂土，2.21、3.10和3.71 m處采集光釋光年代樣；(3) 4.25~5.41 m，其中4.25~4.68 m 為淺灰色、淺灰綠色砂土層，4.68~5.41 m為土黃色粉質(zhì)亞粘土層，夾薄層粉砂土，4.69 m處采集光釋光年代樣。

圖1 研究區(qū)地貌特征及LX02剖面的地理位置Fig.1 Geomorphology of the study area and location of LX02 profile

2 實驗方法

剖面中共獲取6個光釋光年代數(shù)據(jù)，系中國地震局地震動力學(xué)國家重點實驗室測試.各年齡數(shù)據(jù)點的位置分別為距頂部0.18、1.19、2.21、3.10、3.71、4.69 m處(表1).經(jīng)數(shù)據(jù)處理得出年代與剖面深度的回歸方程為Y=3.950X+51.007，相關(guān)系數(shù)R2=0.9087，相關(guān)性很好(圖3).據(jù)此，剖面年齡通過線性內(nèi)插獲得.根據(jù)沉積速率推算，剖面底和頂?shù)哪甏謩e是72.4和51.0 ka BP。

對研究剖面(厚度為540 cm)自上而下以6.0～76.0 cm不等的間距采集18塊粘土礦物樣品，以期揭示該剖面典型沉積期粘土礦物特征.樣品的分析鑒定在中國地震局地質(zhì)研究所和中石油天然氣研究院實驗中心完成.每個樣品稱重100 g，實驗前加適量雙氧水和稀鹽酸，去除有機質(zhì)和碳酸鹽，并根據(jù)Stoke沉積原理[35]，從沉積物中提取出d<2 μm的粘土礦物，制成“N片”、“EG片”和“T片”3種類型，完成上述制片后上機進行樣品的X射線衍射分析.測試儀器為日本理學(xué)電機公司的D/MAX2500衍射儀，采用Cu靶，儀器工作狀態(tài)為：管壓、管流分別為40 kV、100 mA，掃描速度為4°/min，掃描范圍分別為2.6°～15°(N、T片)和2.6°～30°(EG片)。

圖2 剖面柱狀圖(1:波痕；2:化學(xué)沉積；3:細砂；4:粉砂；5:粘土、亞粘土；6:細砂粘土互層；7:年代取樣點)Fig.2 Histogram of the profile

3 粘土礦物特征

綜合相關(guān)分析結(jié)果顯示，研究區(qū)72.4-51.0 ka BP期間沉積環(huán)境比較穩(wěn)定，為湖相沉積.沉積物中粘土礦物由伊利石(I)、綠泥石(CH)、高嶺石(K)和伊/蒙混層(I/S)等組成，占整個剖面樣品的7.9%~41.5%，平均為29.9%.其中伊利石占絕對優(yōu)勢(56%~64%，平均為61%)，綠泥石次之(18%~26%，平均為22%)，高嶺石(7%~12%，為平均8%)和伊/蒙混層(5%~15%，平均為9%)含量較少(表2).根據(jù)粘土礦物類型和含量變化特征，得出研究區(qū)粘土礦物參數(shù)變化的3個階段(圖4).上述3個階段的劃分與該剖面沉積物中地球化學(xué)元素含量的主成分(F1)和粒度、色度及碳酸鹽主成分(F1′)所揭示的結(jié)果[36]一致(圖4)。

階段Ⅰ (3個樣品，72.4-66.8 ka BP)粘土礦物以伊利石和綠泥石為主，含有少量的伊/蒙混層和高嶺石，不含其它粘土礦物.其中伊利石占絕對優(yōu)勢，含量為56%~60%，平均為58%；其次為綠泥石，含量為23%~26%，平均為25%；伊/蒙混層含量為5%~9%，平均為7%；高嶺石含量為7%~12%，平均為9%；伊利石和綠泥石的含量為82%~85%，平均為83%.對應(yīng)于F1和F1′分別為-0.57729和-0.46852。

表1 LX02剖面地層深度與光釋光年齡的關(guān)系

Tab.1 Relationship between the depth of

LX02 profile and the age of OSL

地層深度/m光釋光年齡/kaBP0.1853.1±4.41.1956.1±3.22.2157.9±3.33.1060.5±4.03.7167.0±6.04.6971.0±3.6

圖3 年齡與剖面深度的關(guān)系Fig.3 The relationship between age and stratigraphic thickness

表2 粘土礦物X射線衍射分析結(jié)果

圖4 粘土礦物含量、F1和F1′的分布曲線Fig.4 Distribution curves of clay mineral content, F1 and F1′

階段Ⅱ (9個樣品，66.8-56.1 ka BP)粘土礦物以伊利石和綠泥石為主，含有少量的伊/蒙混層和高嶺石，不含其它粘土礦物.其中伊利石占絕對優(yōu)勢，含量為58%~63%，平均為61%；其次為綠泥石，含量為18%~23%，平均為20%；伊/蒙混層含量為8%~15%，平均為11%；高嶺石含量為7%~10%，平均為9%；伊利石和綠泥石的含量為78%~83%，平均為81%.對應(yīng)于F1和F1′分別為0.42772和0.37514。

階段Ⅲ (6個樣品，56.1-51.0 ka BP)粘土礦物以伊利石和綠泥石為主，含有少量的伊/蒙混層和高嶺石，不含其它粘土礦物.其中伊利石占絕對優(yōu)勢，含量為57%~64%，平均為61%；其次為綠泥石，含量為21%~25%，平均為23%；伊/蒙混層含量為5%~11%，平均為7%；高嶺石含量為8%~9%，平均為8%；伊利石和綠泥石的含量為81%~87%，平均為84%.對應(yīng)于F1和F1′分別為0.02378和-0.30747。

4 討論與結(jié)論

粘土礦物的形成及演變記錄著豐富的氣候變化信息.一般認為，氣候暖濕利于高嶺石的形成[37]；蒙脫石易形成于干濕交替的氣候環(huán)境，它的存在是寒冷氣候特征的反映；伊/蒙混層一般形成于中等程度化學(xué)風(fēng)化的地表環(huán)境[38]，代表氣候逐漸轉(zhuǎn)為潮濕的環(huán)境；伊利石一般形成于干冷的氣候條件下，其晶格混層中K+不斷淋失，可向蒙脫石演化，如果氣候濕熱，化學(xué)風(fēng)化徹底，伊利石進一步分解形成高嶺石[39]；綠泥石一般只能在化學(xué)風(fēng)化作用受抑制的地區(qū)保存下來[40].綠泥石和伊利石含量增加一般代表逐漸變干的氣候環(huán)境[41]。

研究區(qū)為封閉內(nèi)陸干湖泊，其沉積物搬運距離較短，埋藏較淺，無明顯成巖作用，可推測粘土礦物組合類型、含量以及伊利石結(jié)晶度變化是物源成分受源區(qū)及沉積區(qū)古氣候及氣候差異引發(fā)的沉積環(huán)境變化的結(jié)果.對于正常沉積盆地，蒙皂石經(jīng)伊/蒙間層向伊利石完全轉(zhuǎn)化的溫度超過200℃，塔里木盆地伊利石的形成受控于成巖作用者較少；在富含鉀離子的鹽湖環(huán)境中不僅易于形成伊利石，而且易于長期保存伊利石.塔里木盆地的環(huán)境和水介質(zhì)條件為伊利石的形成創(chuàng)造了條件[42].此外，如果粘土礦物組分中伊利石、高嶺石和綠泥石共存，表明該沉積物無顯著的埋藏；伊利石結(jié)晶度在地層中未出現(xiàn)從下往上的結(jié)晶度變小的趨勢，亦說明沉積物未受到埋藏作用影響.因此，LX02剖面沉積物粘土礦物特征可以反映研究區(qū)的古氣候環(huán)境。

階段Ⅰ：72.4-66.8 ka BP，沉積物中伊利石和綠泥石含量之和以及綠泥石含量較高，高嶺石平均值較低(一個樣品除外)，伊/蒙混層含量較低，指示該時段為冷干氣候環(huán)境.該階段沉積物針葉樹花粉最高，闊葉樹花粉含量最低，F(xiàn)e/Mn、Rb/Sr、(Fe+A1+Mn)/(K+Ca+Mg)、CIA較低，亦指示該時段為冷干氣候環(huán)境[36].倪志云等[43]通過北京平原區(qū)有機碳同位素研究認為76-67 ka BP為較干冷的氣候，且間冰期到冰期是突變的過渡形式，屬于氣候的轉(zhuǎn)型期，這一過程也是突然的降溫事件.景民昌等[44]通過對柴達木盆地東部參1井中兩種主要介形類(Ilyocyprisinermis和Cyprideistorosa)的豐度特征研究，認為末次冰期早冰階早期，即75～69 ka，介形類豐度很低，指示氣候寒冷，不適宜生物發(fā)育.這與粘土礦物指示的氣候相吻合。

階段Ⅱ：66.8-56.1 ka BP，沉積物中伊利石和綠泥石含量之和剖面最低，同時綠泥石含量亦最低，高嶺石、伊/蒙混層含量較高，指示該時段為暖濕氣候環(huán)境.該階段闊葉樹花粉含量明顯增加，而針葉花粉含量明顯降低，山核桃和百合科穩(wěn)定出現(xiàn)，F(xiàn)e/Mn、Rb/Sr、(Fe+A1+Mn)/(K+Ca+Mg)、CIA值明顯增加，指示暖濕氣候[36].這與倪志云等[44]通過北京平原區(qū)有機碳同位素研究的67-56 ka BP δ13Corg穩(wěn)定且保持相對上升趨勢，平均值達到-22.48%，表明氣溫回升，以及Yang等[45]研究的北京地區(qū)MIS4階段晚期冬季風(fēng)減弱氣候溫和的特征相吻合.樊啟順等[46]通過對柴達木盆地東部古湖泊高湖面光釋光年代學(xué)研究，認為尕海湖古高湖面出現(xiàn)在 82-73、63-55、55 ka之后湖面逐漸下降，高湖面指示區(qū)域的溫暖濕潤氣候.景民昌等[44]通過柴達木盆地東部介形類豐度特征研究，認為69 ka之后，介形類豐度經(jīng)過兩次高低波動，至57 ka左右過渡進入間冰階，指示該階段氣候較上階段稍暖.這與粘土礦物反演的氣候特征相一致。

階段Ⅲ：56.1-51.0 ka BP，沉積物中伊利石和綠泥石含量之和增大，同時綠泥石含量亦增大，高嶺石、伊/蒙混層含量較低，指示該時段為較冷干氣候環(huán)境.該階段闊葉植物花粉、針葉植物花粉含量均降低，F(xiàn)e/Mn、Rb/Sr、(Fe+A1+Mn)/(K+Ca+Mg)、CIA值略有降低，指示較冷干的氣候條件[36].這與倪志云等[44]通過北京平原區(qū)有機碳同位素研究的56-48 ka BP δ13Corg波動幅度較小、粒度曲線上細粒含量較少，氣候干冷，以及Chen等[47]對黃土高原的研究結(jié)果一致.而景民昌等[44]通過對柴達木盆地東部介形類豐度特征研究，認為57-32 ka為弱暖期.本剖面研究發(fā)現(xiàn)該階段雖為干冷氣候，但整個剖面松含量持續(xù)降低[36]，暗示氣候在變暖.這與前人研究成果中該時段內(nèi)我國北方氣候變化趨勢一致。

綜上所述，一方面，粘土礦物組合特征及質(zhì)量百分比變化特征可反映該地區(qū)古氣候演化特征.另一方面，LX02剖面反映了72.4-51.0 ka BP塔里木盆地東部氣候經(jīng)歷了冷干-暖濕-較冷干的變化，這與孢粉植物群、地球化學(xué)元素含量及其主成分F1和粒度、色度和碳酸鹽主成分F1′所反映的古氣候特征及其變化一致，亦與柴達木盆地東部介形類豐度特征研究、柴達木盆地東部古湖泊高湖面光釋光年代學(xué)研究、北京平原區(qū)有機碳同位素研究等結(jié)果吻合較好.這樣看來，塔里木盆地東部晚更新世氣候仍以暖濕-冷干氣候變化模式為主，但這一氣候變化規(guī)律的內(nèi)部驅(qū)動機制還有待進一步深入研究。

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J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2016， 28(1)： 187-194

?2016 byJournalofLakeSciences

Characteristics of the clay mineralogy from the 72-51 ka BP lake sediments in the northern margin of the Peacock River, Xinjiang

BAI Youliang, WU Runjiang, YAN Changhong, WANG Huawei & TIAN Kun

(NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi’an710024,P.R.China)

Abstract：In this study, a 5.4-m-thick section of lake sediment was discovered from a LX02 profile in the northern margin of the Peacock River in Northwestern China. It is located at Tarim town (89°55′E， 40°40′N), Yuli County, eastern Xinjiang Province. From the upper to bottom, six ages of the Optically Stimulated Luminescence (OSL) samples were achieved, dated in 53.1±4.4 ka BP at 0.18 m, 56.1±3.2 ka BP at 1.19 m, 57.9±3.3 ka BP at 2.21 m, 60.5±4.0 ka BP at 3.10 m, 67.0±6.0 ka BP at 3.71 m, and 71.0±3.6 ka BP at 4.69 m, respectively. These suggest that this section spans Late-Pleistocene interval during 72-51 ka BP and establishes a reliable chronological framework for the LX02 section. Meanwhile, 18 clay mineral samples collected from the section were examined by the XRD. On the whole, illite is the dominant clay minerals, ranging from 56% to 64% in abundance with an average of 61%. Chlorite is the less dominant, fluctuating between 18% and 26% in abundance and averaging to 22%. Kaolinite ranged from 7% to 12% in content and had a mean of 8%. A mixed-layer illite-smectite ranged from 5% to 15% in content and had a mean of 9%. The presence of these clay minerals and their content variations were well consistent with those from the Tarim region. Specifically, the section is divided into three stages: in zones I (72.4-66.8 ka BP) the sum of illite and chlorite, chlorite was high in abundance while the Kaolinite and mixed-layer illite-smectite was usually low. In zones II (66.8-56.1 ka BP) the sum of illite and chlorite, chlorite was low in abundance while the Kaolinite and mixed-layer illite-smectite was usually high. In zones III (56.1-51.0 ka BP), the sum of illite and chlorite, chlorite was less high in abundance while the Kaolinite and mixed-layer illite-smectite was usually less low. These suggest that climate in the study area varied generally between dry-cold and humid-warm patterns during the Late-Pleistocene period. This mode of climate change in the study area is well correlated with the changes of weathering intensity revealed by pollen, geochemical elements. Principle components F1 and F1′ of clay types are consistent well with Ostracoda abundance in the upper of Core Dacan1 located in the southeast Qaidam Basin, and also agreement with the luminescence chronology-based high lake levels of the paleolakes in eastern Qaidam Basin and with changes based on organic carbon isotopic characteristics from Beijing Plain. Nevertheless, the internal forcing mechanism for this mode of climate changes in the study area remains unclear up to now and deserves further investigation。

Keywords：Late-Pleistocene; clay mineral; dry-cold and humid-warm climate; Peacock River; eastern Xinjiang; lake sediments

DOI10.18307/2016.0122