基于掃描電鏡分析的豬野澤全新世砂層成因探討①

李 育 周雪花 李卓侖 王乃昂

(蘭州大學資源環境學院蘭州大學干旱區水循環與水資源研究中心 蘭州 730000)

掃描面電鏡作為一種沉積學研究手段運用于地學研究始于20世紀60年代［1］，目前這一方法已廣泛運用于地學各個領域［2～13］，并積累了大量不同沉積環境下石英砂表面形態特征的成果。沉積物石英砂在其沉積過程中由于搬運介質、搬運形式以及沉積環境不同，常常會在其顆粒表面留下反映不同搬運和沉積過程的形狀及外貌特征，再加上石英砂具有硬度大、化學穩定性強等特殊性質，因而運用掃描電鏡分析石英砂的表面微結構特征可以推斷其沉積、形成環境和搬運演化歷史［3，4］。

地處我國兩大沙漠包圍的石羊河終端湖豬野澤(圖1)，一直是晚第四紀時期氣候變化研究的焦點。對于這一區域已有許多研究成果［14～19］，大多是基于湖泊沉積物中的古環境信息，如孢粉、有機地化指標、碳酸鹽、沉積物粒度等環境代用指標來探討該區域較大時間尺度上的古氣候變化，也對某些環境突變事件做了論證，如高湖面、百年尺度的干旱事件等，但對湖泊沉積物本身的形成原因及過程探討較少。然而，湖泊沉積物的變化也反應著古環境的變遷，因而，探明各沉積層的成因及其來源，可為重建古環境提供有力旁證。

圖1 研究區及采樣點Fig.1 Map showing the study area and the sampling sites

本文針對古湖岸進行系統采樣，并通過掃描電鏡手段將豬野澤古湖岸全新世剖面中部和底部砂層的35組砂樣和巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠以及白堿湖岸堤的16組砂樣進行表面形態的對比分析，揭示了豬野澤QTH01和QTH02兩個剖面中砂層形成的原因及過程，為揭示豬野澤地區古環境的演變過程以及晚第四紀時期該地區湖岸的變遷提供依據。

1 區域概況

石羊河流域(37°02＇～ 39°17＇N，100°57＇～ 104°57＇E)位于甘肅省河西走廊東部，祁連山北麓，流域全長300余km，總面積4.16萬km2(圖1)。石羊河起源于祁連山，消失于巴丹吉林和騰格里沙漠之間的民勤盆地，主要由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河、西大河等8條河流組成。豬野澤系石羊河水系終端湖，位于民勤縣中渠鄉志云村北。豬野澤自全新世中后期以來，由統一湖泊逐步縮小瓦解成若干小湖泊或沼澤地，包括野麻湖、青土湖、東平湖、西硝池和白堿湖［20］，自20世紀50年代以來，由于大量農業用水，現已完全干涸。據馮繩武［20］的研究，豬野澤經歷了多次湖面的變化，這從豬野澤周邊的多條古湖岸可以得到印證，但是關于豬野澤最高湖面位置的認識歷來分歧頗大，經實地調查發現白堿湖是豬野澤終端湖最靠近末端的殘余。白堿湖規模宏大形態完整，是研究石羊河終端湖變遷的最佳地點。圍繞白堿湖有9級岸堤，是白堿湖湖面多次變遷的結果，本文所采用部分樣品是采自這9道岸堤的剖面。

2 研究材料及實驗方法

QTH01和 QTH02剖面地理坐標為 39°03＇N，103°40＇E，海拔1 309 m，剖面深度分別為692 cm，736 cm(圖2)。本文使用QTH01剖面16組樣品，QTH02剖面19組樣品，共35組采自剖面中部和底部砂層的樣品做電鏡分析。將巴丹吉林沙漠39.13°～41.78°N、101.47°～102.41°E，共 9 組樣品;騰格里沙漠39.15°N、104.18°E，3 組樣品;白堿湖古湖岸堤39.08°N、104.08°E，4 組樣品選為對比樣品(圖3)。在以上各組樣品均挑選出2～3 g砂顆粒進行電鏡掃描。

圖2 剖面示意圖及年代結果Fig.2 Dates and lithology at QTH01 and QTH02 sections

粒徑0.005～0.01 mm石英砂基本可反映它的成因類型，特征成因組合發育不全;0.01～0.125 mm石英砂完全可以反映成因類型，表面結構成因組合發育較全;0.125～0.5 mm石英砂基本為各成因沉積物中的最活躍組分，表面結構成因組合發育齊全;大于0.5 mm石英砂表面特征及成因組合不全［21，22］。因此本次試驗將樣品過30和120目試驗篩，選取粒徑為0.5～0.125 mm的石英砂來觀察。

先將所選0.125～0.5 mm的樣品過30和120目試驗篩，篩選好后用濃度為20%的HCl浸泡8 h后，用蒸餾水反復沖洗直至上清液為中性，再分別使用草酸溶液和無水乙醇再次沖洗至中性，清洗完畢后將沙樣烘干，然后在雙目鏡下挑選較好樣品，使用EIKOIB—3、IB—5型離子鍍膜儀噴鍍金膜后即可用掃描電鏡觀測。實驗中運用了S—4800掃描電鏡儀器觀測，本實驗在蘭州大學物理科學與技術學院完成。

圖3 采樣點Fig.3 Typical sampling sites

3 結果

石英砂顆粒在不同成因下各種表面結構特征已有總結［11～13，23，24］，其中與本研究有關的表面結構特征及其成因如表1所示。

豬野澤QTH01、QTH02剖面石英砂風成環境下的典型結構有蝶形坑和麻面，兩剖面蝶形坑結構分布頻率分別11.86%和40.40%，麻面分別為13.55%和11.11%，雖然QTH01和QTH02剖面砂樣之間存在差別，但石英砂風成結構分布頻率大致趨勢與現代沙丘樣品和岸堤樣品分布頻率較為相似(圖4)，巴丹吉林沙漠石英砂蝶形坑和麻面結構分別為36.95%和13.64%，騰格里砂樣分別為23.52%和29.41%，岸堤砂樣分別為31.57%和15.78%。具體統計見表2。

豬野澤剖面石英砂中水成環境下的典型結構有V型坑、水下磨光面和硅化物沉淀結構。QTH01、QTH02剖面砂樣中V型坑分布頻率分別為32.20%和26.26%，水下磨光面分布頻率為44.06%、56.56%，硅化物沉淀結構分別為50.84%、75.75%。比較這三種水成特征結構發現，豬野澤剖面樣品V型坑分布頻率明顯少于水下磨光面和硅化物沉淀結構，這可能與砂層形成過程中經歷的不同水動力條件有關。與岸堤砂樣相比，豬野澤剖面砂樣中水成結構分布特征與岸堤砂樣較為相似，但從砂層整體沉積形態來看，岸堤砂層表面明顯具有其特有的層理結構。干旱環境中的巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠砂樣與水環境下的樣品相比，硅化物沉淀結構明顯少于后者。具體統計見表2。

豬野澤QTH01、QTH02剖面絕大部分石英砂表面既存在代表風成環境的結構又存在代表水成環境的結構，說明這部分石英砂既經歷了風成環境，又經歷了水成環境，而且大部分石英砂表面的水成結構疊加與風成結構之上，形成了代表不同沉積環境的微結構共存的復合結構。

解理面與貝殼狀斷口一般在冰川作用或較強的外力碰撞、物理分化下較為發育［5］。豬野澤剖面砂樣與岸堤砂樣、騰格里沙漠砂樣、巴丹吉林沙漠砂樣中，石英砂顆粒表面解理面和貝殼狀斷口發育都很少。各采樣點砂樣的貝殼狀斷口的分布頻率都小于5%，解理面分布頻率大多在11%左右，說明冰川對各采樣點砂樣影響較小。

圖4 各采樣點樣品結構特征對比Fig.4 Comparison between samples from different sites

表2 石英顆粒表面結構成因類型的顆粒頻率統計Table 2 Statistical grain frequency for genetic types of quartz grain surface textures

圖5 各樣品磨圓度特征對比Fig.5 Comparison of the psephicity features

結合不同成因下石英砂的結構特征，顆粒磨圓度可判斷砂粒被風或水流搬運的相對距離和湖泊的水動力條件［25，26］。通過掃描電鏡從磨圓度分析，所觀測各采樣點石英砂顆粒以次圓狀和次棱角狀居多，棱角狀樣品相對也較多，圓狀結構都比較少。豬野澤QTH01、QTH02剖面砂樣次圓狀顆粒和次棱角狀顆粒分布頻率總計占49.3%和68.37%，棱角狀顆粒分布頻率分別為36.98%、24.78%。與巴丹吉林沙漠、岸堤樣品的磨圓度曲線相似，但是同為現代沙丘沙的巴丹吉林砂樣和騰格里沙漠砂樣在顆粒磨圓度上也有明顯差別(圖5)，這可能是由于騰格里沙漠樣品較少，在統計中沒有代表性。從磨圓度分布的表現來看QTH01和QTH02剖面的石英砂磨圓度不等，但次圓狀和次棱角狀居多，且與沙丘沙磨圓度特征相似，風成特征明顯，說明這部分石英砂顆粒經歷不同距離的風力搬運過程。

4 討論

圖6 掃描電鏡下石英砂表面典型微結構Fig.6 The typical surface microtextures of quartz sand under SEM

在風成環境下，石英砂顆粒多次圓狀和次棱角狀外形，在此背景下，表面常有蝶形坑、麻面等風成環境下的典型特征結構［25］。豬野澤剖面樣品中絕大部分砂樣既有風成結構也有水成結構。QTH01和QTH02剖面砂樣與岸堤砂樣中的風成結構分布特征與現代沙丘的風成結構分布特征較為相似，說明兩者在形成過程中經歷了大致與現代沙丘相似的風成環境。QTH01和QTH02剖面絕大部分砂樣表面存在麻面和硅質沉淀、V型坑和麻面、蝶形坑和V型坑等復合結構(圖6-a，b，c)，這說明這部分砂粒既經歷了風成環境也經歷了水成環境。豬野澤QTH01、QTH02剖面水下磨光面和硅質沉淀大多是在風成特征基礎之上形成，大部分蝶形坑底部沉淀有硅化物，或凹坑底部已經被磨光(圖6-d，e)說明這一時期流域風沙活動頻繁，使得這部分砂粒在風力環境中形成這些典型的風成結構，后期搬運到湖盆，在湖泊弱的水動力條件和相對較高的鹽度環境下，形成了磨光面和硅質沉淀結構。豬野澤砂層石英砂的風成結構保存的也較完好，說明后期在水環境中沒有經歷強烈的搬運。QTH01、QTH02剖面石英砂磨圓度相對較高，絕大部分石英砂外形呈次圓狀和次棱角狀，磨圓度特征與岸堤砂樣和現代沙丘砂樣較為相似(圖6-f，g.j)，說明剖面砂層與岸堤砂層在形成時的搬運過程與現代沙丘砂較為相似。

豬野澤剖面水環境下的石英砂顆粒表面典型的結構特征有V型坑、水下磨光面以及小規模的硅化物沉淀結構。V型坑的大小、深淺、多少及分布范圍和流水沖擊能量有關，其形成需相對較強的水動力條件［25］。水下磨光面一般與相對穩定的水動力條件相關［4］。豬野澤 QTH01、QTH02剖面砂樣中，不論是發育有V型坑的石英砂顆粒數量，還是V型坑結構的分布頻率，都明顯少于水下磨光面和硅化物沉淀結構，而且這部分表面有V型坑的石英砂顆粒磨圓度都較高，以次圓狀顆粒居多，V型坑邊緣多被磨圓(圖6-h)，硅化物沉淀結構形成在V型坑之上(圖6-i)，因此說明這少部分石英砂可能先經力了較長的河流搬運過程，后期匯入水動力條件相對穩定的湖泊環境中后，在低凹的V型坑底部沉淀了硅化物，且河水的鹽度和水動力條件也不利于硅質沉淀的形成。剖面砂樣的V型坑分布較少也說明了該時期河流對湖泊的影響較小或水流搬運作用不強。QTH01、QTH02剖面砂樣水成結構分布特征與岸堤石英砂水成結構的分布頻率較相似(圖6-j)，岸堤一般是形成于穩定的水動力環境之下，且具有岸堤砂層特有的斜紋層理，而剖面砂層不具斜紋層理，因此說明，剖面砂層與岸堤砂層形成時所處的水動力環境較為相似，但豬野澤剖面位置并非為岸堤，且砂粒在后期經歷的水環境較為穩定，湖泊沒有較大的波動。

在進行石英砂顆粒形態結構分析時發現，豬野澤QTH01、QTH02剖面、岸堤、現代沙丘砂樣中，貝殼狀斷口和解理面結構發育都很少，說明冰川作用對各采樣點石英砂形成的影響都較小。豬野澤 QTH01、QTH02剖面砂樣中發育有貝殼狀斷口的石英砂顆粒磨圓度一般都很差，多為棱角狀(圖6-k)，豬野澤距上游冰川發育的祁連山距離較遠，經搬運顆粒磨圓度應較好，而這部分砂粒磨圓度相對都較差，可排除冰水作用的影響，因此這部分砂粒很可能是湖泊周圍砂粒經較強風力作用或物理風化下形成后匯入湖盆的近源沉積物，這也說明這一時期湖泊周圍植被覆蓋度較低，本文作者在對該流域古氣候重建時也得出這一階段有相對的干旱事件［14～16］。

石英砂化學特征的形成與弱的水動力作用和高鹽環境有關。化學結構在不同的環境中也有所不同，高溫潮濕的環境化學結構較發育［28］，多化學溶蝕結構，如溶蝕坑或溝等。氣候相對干冷的環境，化學結構不發育，只有規模較小的硅化物沉淀結構，如硅質球、硅質鱗片，薄膜等硅化物的零星沉淀。對于北方干旱區，石英砂硅化物沉淀結構在穩定的水環境中發育的相對要多，在沙丘砂表層中分布較少。現代沙丘砂樣石英顆粒表面化學結構發育較少，顆粒表面比較平整(圖6-l)，這是因為沙漠氣候干燥，沙丘經常運動［28］，不利于石英砂化學結構的形成。與巴丹吉林沙漠相比，豬野澤QTH01和QTH02剖面樣品中硅化物的沉淀結構較多，多為硅質鱗片、薄膜、硅質球等結構，并不發育大規模的硅質沉淀和溶蝕結構，這可能與北方干旱區相對低溫的環境有關。

5 結論

綜合上述分析可得，豬野澤QTH01、QTH02剖面砂層大部分石英砂兼具風成結構和水成結構，且水成特征覆蓋于風成特征之上，說明剖面砂層是先經歷了風成環境，后轉向湖相沉積，這一時期流域較強的風沙活動可能是其動力因子。少部分砂是通過流水輸入湖泊。

處于古湖泊不同位置的QTH01、QTH02剖面與岸堤，其樣品中石英砂顆粒表面風成結構、水成結構和磨圓度特征都較相似，說明兩者砂層形成過程相似。兩者與現代沙丘砂樣的磨圓度特征也較相似，說明都經歷了大致與現代沙丘砂相同的搬用過程。

通過比較分析剖面與岸堤砂樣結構特征可知，豬野澤砂層沉積時期，該流域風沙活動強烈，湖泊水動力條件穩定，河流對湖泊的影響較小，湖泊沒有較大的波動。

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