全新世以來巴里坤湖面積變化及氣候環境記錄①

汪海燕 岳樂平 李建星 楊利榮

(1.西北大學地質系 大陸動力學國家重點實驗室 西安 710069;2.中國地質調查局西安地質調查中心 西安 710054)

0 引言

湖泊沉積有著良好的第四紀氣候環境記錄，近十多年來中國西北地區湖泊氣候環境記錄研究取得很大進展，鄭喜玉等1995年［1］研究了新疆地區的鹽湖沉積。青海湖鉆探計劃項目也取得豐碩成果:Liu Weiguo et al.通過碳氧同位素研究了青海湖氣候環境記錄［2］。Xu H et al.討論了青海湖的溫度變化［3］，Shen J et al.研究了青海湖18 000年來古氣候變化［4］，宋春暉等研究了青海湖現代濱岸沉積微相及其特征［5］，劉向軍等研究了青海湖第四紀湖面變化［6］，這些成果為湖泊研究提供了科學理論和先進的技術與方法。

巴里坤湖記錄了豐富的氣候環境信息，多年來很多科學家對巴里坤湖進行了研究，袁寶印，魏蘭英，王振海等探討了巴里坤湖15萬年以來古水文演化［7］;韓淑媞，董光榮研究了巴里坤湖環境演化［8］;薛積彬，鐘巍等根據沉積物粒度分析了區域風沙活動［9］，研究了全新世氣候環境變化與高低緯度間的變化聯系［10］。Zhong W et al.通過碳、氧同位素等地球化學指標分析巴里坤湖全新世氣候記錄［11］。Tao S C et al.根據獲得的花粉資料分析了巴里坤湖區植被，研究了巴里坤湖16.7 ka B.P.環境演化［12］。Zhong W et al.研究了巴里坤湖沉積物的 Mg，Si，Ca，Rb 元素含量，Ca/Al，K/Al，Y/Al比值，以及碳、氧同位素等地球化學指標，討論了西風帶對北疆地區影響［13］。呂雁斌等研究了巴里坤湖粒度組分及其環境指示意義［14］。顧兆炎等研究了巴里坤湖的蒸發巖記錄［15］等等。這些研究使我們對巴里坤湖的形成與演化，氣候環境變化有了進一步的認識。前期巴里坤湖研究多是通過建立不同類型氣候代用指標，如碳、氧同位素數值，蒸發巖含量，粒度、磁化率值等建立各種氣候曲線討論巴里坤湖區的氣候環境變化，成功的討論了各種氣候記錄并建立了各種模式。但是前人研究對全新世以來湖泊面積或湖岸位置的變化很少涉及，全新世各個階段巴里坤湖的面積究竟是多少不甚清楚。前期研究多基于揭示湖泊記錄的氣候環境變化，因此樣品多采集于湖心部位的鉆孔，以獲得湖泊完整的記錄。而研究湖泊面積或湖岸位置的變化需要在湖泊邊緣地帶布置采樣剖面，考慮湖岸地貌與階地。作者在本次研究中根據巴里坤湖區不同的地貌地形位置及不同的等高線位置從湖泊邊緣到湖心建立了7個剖面。本文的新意在于利用地貌學、湖泊沉積學、OSL測年、粒度分析、磁化率分析等手段，研究了全新世以來巴里坤湖湖岸線變化，測算了不同時期湖泊面積，進而討論古氣候環境記錄。

1 巴里坤湖區地質、地貌特征與樣品采集

1.1 巴里坤湖區地質、地貌特征

巴里坤盆地是位于北天山東段巴里坤山與梅欽烏拉山之間的地塹式斷陷盆地，巴里坤盆地南側巴里坤山與北側梅欽烏拉山隆升，在山體之間形成地塹式斷陷盆地，形成內陸封閉式巴里坤湖，巴里坤湖位于新疆哈密地區巴里坤哈薩克自治縣以西15 km。

現代巴里坤湖海拔1 575 m，流域面積超過4 514 km2，目前湖泊面積約100 km2，湖盆最大水深1 m，盆地北部山地最高海拔3 800 m，南部山地最高海拔4 300 m，其中南部東天山有永久性冰雪覆蓋。湖水補給大約50%通過徑流，50%通過冰雪融水。巴里坤盆地氣候干燥屬于亞熱帶氣候區，年降水量200 mm，蒸發量1 600 mm。山區降水300 mm，降水隨海拔增高而增加，2 500 m海拔山區降水量達到400～500 mm。全新世晚期，由于氣候向干熱方向發展，成鹽作用加強，湖水鹽度急劇增大，至目前局部成為鹽礦。

巴里坤山北坡地表堆積由末次冰期古冰川堆積物與全新世以來洪積物組成。中國西部地區冰川研究取得很多成果，末次冰期北天山地區被冰雪覆蓋，東天山地區包括巴里坤山區發育山岳冰川和山麓冰川，實際上截至目前天山地區仍然有山岳冰川發育，在冰期時天山地區發育冰川更不足為奇。冰后期氣候轉暖冰川退縮消失，全新世早中期冰川融水成為巴里坤湖重要的水源補充。

1.2 樣品采集

作者在巴里坤湖區從湖泊邊緣到湖心建立了7個剖面(位于不同的地貌地形位置及不同的等高線位置，見圖1)。采集了釋光測年樣品，粒度及磁化率樣品，粒度及磁化率采樣間隔為2 cm。進行了野外沉積相描述與分析。通常研究不同階段湖面應該根據湖區的地形地貌勾勒，由于這次研究重點是全新世中期8 000年以來的湖面變化，在短期內地形地貌變化比較細微，難以形成多級明顯的階地，另外湖泊萎縮時巴里坤山沖積扇跟進，沖積扇前緣覆蓋早期湖泊沉積，對原始地貌也有一些破壞。因此作者在考慮地貌地形的同時，從湖泊外緣向內不同地貌地形位置(或不同等高線)尋找湖相沉積并測試其年代，以發現湖相沉積的位置作為該時期湖泊大致位置，進而計算湖泊面積，在勾勒計算湖泊面積時考慮了地形等高線。

2 樣品測試分析

2.1年齡標尺建立

為了建立剖面的時間標尺，對關鍵層位進行了OSL測年。7個剖面共測試了OSL測年樣品16個。

圖1 剖面位置及全新世以來巴里坤湖水面范圍變化Fig.1 The site of sections and the changing of Barkol Lake area during Holocene

表1 巴里坤剖面的OSL測年結果Table 1 OSL dating results of Barkol sections

OSL測試工作在中國科學院西寧鹽湖所釋光實驗室完成。試驗中采用了賴忠平等采用的單片法技術［16，17］。樣品前處理在紅光(600 ～ 700 nm)暗室里完成:(1)去除有機質和碳酸鹽膠結物:30%雙氧水(H2O2)和10%鹽酸(HCl)先后反應去除有機質和碳酸鹽鹽膠結物;(2)篩選一定粒級的樣品:篩取含量相對多的38～63 μm和90～180 μm粒級顆粒;(3)粗選出石英顆粒:用密度分別為2.62 g/cm3和2.7 g/cm3的多鎢酸鈉(polytungstate)重液分別將長石和黏土礦物分離出來，再用后者將石英從其它重礦物中分離出來。(4)分離出純凈石英:90～180 μm樣品使用40%氫氟酸(HF)，38～63 μm樣品使用35%氟硅酸反應去除殘余長石。

2.2 粒度、磁化率測試結果與沉積相劃分

湖泊沉積物的粒度特征記錄了沉積環境與古氣候環境［9，18］，粒度分析根據沉積物的碳酸鈣膠結以及有機物狀況，設計了適合于沉積物的樣品前處理方法，步驟如下:

將樣品放入干燥器中干燥以去除水分，使塊狀樣品變得比較松散。取大約0.3 g樣品放入200 mL燒杯中，加10 mL(10%)雙氧水以去除有機質，之后加入10 mL(10%)鹽酸溶液以去除碳酸鈣膠結物，蒸餾水清洗。之后加10 mL六偏磷酸鈉(濃度為1 000 mL水溶解36 g固態六偏磷酸鈉)，目的是活化顆粒。燒杯放在超聲波池振蕩中達到顆粒最理想的分散狀態，振蕩時間為10 min。進入樣品池并加入蒸餾水進行測量。所有樣品使用英國馬爾文公司出產的Mastersizer 2000型激光粒度儀測量。根據測定結果分析不同沉積相的粒度組成。測試結果見圖2。

磁化率指標運用于黃土地層被看做是東亞夏季風的替代指標［19］，其后磁化率指標被引用到湖泊沉積［20］，風沙沉積研究領域［21］。本研究中的磁化率測試主要運用于巴里坤湖區不同沉積相磁化率值的比較與分析，判斷沉積相的變化。

2.2.1 巴里坤1#剖面(由下至上分為5層)

⑤淡灰黑色砂質黏土，深度200～190 cm。沉積物中值粒徑約100 μm，＜10 μm的黏土顆粒含量30% ～40%，＞63 μm的粉砂級物質含量約占40%，地層中含碳化植物根莖及弱土壤團粒結構，判斷為湖泊沼澤相沉積。地層OSL年齡為13 900 a，末次冰期最晚期至全新世初期，氣候寒冷冰川尚未融化，該時期巴里坤湖盆萎縮，該位置處于湖泊沼澤區。

④淡黃色砂礫石層，深度190～140 cm。沉積物中值粒徑大大增加達到400～500 μm，＞63 μm顆粒含量也達到80%以上。砂層中含有2～5 mm礫石及少量黏土，磁化率值突然升高3～4倍(與區域沖積扇前緣磁化率值相當)，判斷為沖積扇前緣與濱湖交互相。地層OSL年齡約14 000 a～8 000 a為全新世早期，巴里坤湖依然是小湖時期，沖積扇深入湖區。

③淡黃色砂質黏土，夾多層灰黑色、淡綠色砂質黏土層，深度140～50 cm。沉積物中值粒徑在10～15 μm之間，＜10 μm的黏土顆粒含量較高為40% ～60%，＞63 μm的粉砂級物質含量為10% ～20%，磁化率值明顯縮小。黏土質粉砂具微層理，含微小的石膏晶粒，判斷為淺湖相。地層OSL年齡約8 000～4 000 a，為全新世適宜期，氣候轉暖，冰川融化，降雨增加，湖面積擴大，是全新世以來巴里坤湖大湖期。

② 黑色黏土，深度50～20 cm沉積物中值粒徑約在5 μm，＜10 μm的黏土顆粒含量較高為50% ～70%，＞63 μm的粉砂級物質含量幾乎為0。地層無明顯層理，具土壤結構，湖泊沼澤相。顯示自4 000 a B.P.以后湖泊開始萎縮，該位置成為沼澤。

①灰色粉砂質黏土，地層具微層理，具土壤結構，植物根系發育，判斷為現代湖泛區草場。

由上可見，1#剖面顯示:該位置14 000 a B.P.為沼澤區;14 000～8 000 a B.P.為沖積扇前緣與濱湖交互相;8 000～4 000 a B.P.為大湖期;4 000 a B.P.后湖泊逐漸萎縮退出該區域。

2.2.2 巴里坤2#剖面(地層由下至上分為3層)

③灰綠色黏土，(未見底)，深度160～150 cm。沉積物中值粒徑在10 μm之下，＜10 μm的黏土顆粒含量達50% ～60%，含少量＞63 μm的粉砂級物質，大約在5%左右。具不明顯微細層理，含微細石膏晶體，淺湖相沉積。地層OSL年齡為4 500～3 000 a，系全新世適宜期，氣候轉暖，冰川融化，該時期巴里坤湖盆擴大，在該位置處于湖泊區。

②淡黃色黏土夾薄層細砂，深度150～20 cm。沉積物中值粒徑在10 μm之下，＜10 μm的黏土顆粒含量達60% ～70%，含少量＞63 μm的粉砂級物質，大約在5%左右。下部顆粒較粗，有薄層細砂層，見微細層理，磁化率值略高。為淺湖—濱湖相沉積。

①灰黑色黏土，底部見細砂層，深度20～0 cm。含大量現代植物根系，含碳化植物根系，具土壤團粒結構。湖泛平原。

由上可見，2#剖面位置湖泊延續到4 500～3 000 a B.P.其后氣候干旱湖泊已經退出該位置。同一時期3 km以外的1#剖面在4 500 a B.P.時期也是湖泊，但4 000 a B.P.退出湖泊位置，而2#剖面位置在3 000 a B.P.甚至在2 000 a B.P.左右依然為湖泊。

2.2.3 巴里坤3#剖面(地層由下至上分為3層)

③淡黃色砂礫石層夾薄層砂或黏土，深度200～140 cm。沉積物中值粒徑達到60～100 μm，＞63 μm顆粒含量也達到40%以上。砂層中含有2～5 mm礫石及少量黏土，磁化率值相對較高，判斷為沖積扇前緣相。地層OSL年齡約3 400 a。

②灰黃色砂質黏土或黏土質粉砂，140～30 cm，土壤團粒結構明顯，具微碳化植物根莖，為湖泛草原沉積。地層OSL年齡大約在3 400～2 200 a。

①灰黃色砂質黏土，深度30～0 cm。含大量現代植物根系，為現代草原土壤。

由上可見，3#剖面底部是沖積扇前緣，上部是湖泛草原，該位置位于全新世大湖的邊緣，4 000 a B.P.后更是遠離湖盆。

2.2.4 巴里坤湖4#剖面(地層由下至上分為2層)

②淡黃色黏土夾薄層細砂，深度130～15 cm。沉積物中值粒徑在20～40 μm之下，＜10 μm的黏土顆粒含量達20% ～40%，＞63 μm的粉砂級物質大約在10% ～35%左右。粒度變化范圍較大，見微細層理，含小石膏晶體，為濱湖相沉積，地層年齡大約在4 000 a(OSL)～2 500 a(OSL)～2 200 a。

①淡灰黑色砂質黏土，深度15～0 cm。含大量現代植物根系，為現代湖泛草原土壤。

由上可見，4#剖面在4 000～2 000 a B.P.依然處于湖泊位置。

2.2.5 巴里坤7#，8#，6#剖面及 BLK-1 孔［10］

7#剖面厚2 m，下部2～1 m是沖積扇前緣砂礫石層，中部1～0.8 m是黃土地層，頂部是耕作土。8#剖面厚2 m，為沖積扇前緣砂礫石層，頂部是砂質草場。6#剖面厚1.6 m，底部是粗砂層，上部為沖積扇前緣砂礫石層。三個剖面位置均處于全新世巴里坤湖外圍，控制了巴里坤湖全新世大湖期邊界。BLK-1鉆孔顯示全新世以來為湖泊沉積，但1 500 a B.P.由于氣候干旱，湖盆萎縮，湖心地區曾成為沼澤。

3 全新世以來巴里坤湖水面范圍變化及氣候環境記錄討論

巴里坤盆地與湖泊的形成主要受構造控制。新構造運動促使巴里坤盆地南側巴里坤山與北側梅欽烏拉山隆升，在山體之間形成地塹式斷陷盆地，及內陸封閉式巴里坤湖，其后的發育與遷移也受構造控制。但是對全新世短暫的時間段而言，其湖面巨大的變化主要受氣候因素控制。作者在測年與沉積相分析的基礎上，根據7個剖面不同時期湖泊沉積物位置或沖積扇位置，勾畫了不同時期巴里坤湖水面范圍變化計算了不同時期巴里坤湖的面積:首先根據湖泊沿岸地貌位置由湖泊外沿向湖泊方向建立剖面，根據剖面顯示的沉積相確立不同沉積相特別是湖泊相在縱剖面上的位置或高程，測量不同沉積相特別是湖泊相節點的光釋光年齡，依據MAGS技術參考地形圖與地質圖勾勒相關時間節點的等高線。由于湖泊表面是同一等高線，因此根據某一時間節點同一等高線圈定的面積計算該時段湖泊面積(圖1)，本文主要選擇了OSL測年數據的整數部分的8 000 a，4 000 a，3 000 a，2 000 a，1 000 a 時間節點。

圖2 1#，2#，3#，4#剖面釋光測年、粒度、磁化率測試及沉積相分析結果Fig.2 OSL dating，grain size，magnetic susceptibility measurement and sedimentary facies analysis of 1#，2#，3#，4#sections

圖3 7#、6#、8#剖面釋光測年結果及沉積相分析Fig.3 OSL dating and sedimentary facies analysis of 7#，6#，8#sections

末次冰期晚期(14 000～11 000 a B.P.)，天山地區冰川依然發育，水體被封存在山區冰川，巴里坤山北麓堆積冰磧壟，由于水體封存于冰川，巴里坤湖萎縮至1#剖面以北，在1#剖面14 000～8 000 a B.P.沉積了山前洪積扇扇尾沉積，巴里坤湖處于小湖期。8 000～4 000 a B.P.進入全新世適宜期，冰川融化，大量的融水進入湖泊，同時降雨量也相對增加，巴里坤湖進入大湖期，1#、2#、4#剖面在 4 000 a B.P.前均記錄到湖泊相沉積，面積達到600 km2;4 000 a B.P.后氣候逐漸干旱，并在相對濕潤與干旱之間波動，湖泊再沒有達到冰川大量融化時期的規模。其間受氣候波動影響，在降雨增加的年份會出現短暫的大湖。4 000 ～2 000 a B.P.面積大約470 km2，2 000～1 000 a B.P.面積大約380 km2。1 500 a B.P.氣候繼續向干旱化發展，巴里坤湖萎縮并一度干枯，湖心鉆孔顯示此時湖心出現黑色泥坪—沼澤。其后巴里坤湖進入小湖期，在100 km2范圍波動，時有擴張或干涸。

巴里坤湖區自晚冰期14 000 a B.P.至全新世早期8 000 a B.P.是小湖期，冰川尚未融化，反映了早全新世低溫特征，這與貝加爾湖［22］、挪威［23］、冰島［24］的氣候記錄一致，其基本趨勢是全新世早期的低溫期(圖4，5，6)。在東天山地區表現為冰川依然大量存在，氣溫較低，冰雪融水尚未大量返回巴里坤湖，巴里坤湖處于低水位期。

表2 全新世以來巴里坤湖面積變化Table 2 The changing of the lake area of Barkol Lake during Holocene

圖4 巴里坤湖與貝加爾湖記錄對比Fig.4 The records activities reconstructed by Barkol Lake and Baikal Lake

圖5 巴里坤湖與挪威記錄對比Fig.5 The records activities reconstructed by Barkol Lake and Norway

圖6 巴里坤湖與冰島記錄對比Fig.6 The records activities reconstructed by Barkol Lake and Iceland

圖7 全新世西風區與季風區氣候對比Fig.7 The activities of Monsoon area and westerly circulation

至全新世中期，8 000～4 000 a B.P.，北半球高緯度地區冰川大量消融，氣溫回暖，進入全新世適宜期，巴里坤湖由于冰川融水的加入達到全新世最大湖面積。這與貝加爾湖、挪威、冰島的氣候記錄基本一致。但貝加爾湖記錄的相對溫暖期高峰值在4 000 a B.P.，其后氣溫突然降低;挪威北部氣溫高峰值在7 000 a B.P.其后緩慢降低;而冰島自9 000 a B.P.升溫持續到2 000 a B.P.才降溫。但總體上巴里坤地區與北半球高緯度地區都是全新世中期升溫，只不過時間記錄有所不同。由此作者認為全新世早、中期期巴里坤湖體增大在很大程度上受北半球夏季太陽輻射增強變化及區域冰雪融化控制。

全新世中晚期，4 000～2 000 a B.P.貝加爾湖、挪威、冰島的氣候記錄是降溫氣候，巴里坤湖記錄的是湖泊萎縮。但巴里坤湖的萎縮可能并不一定是區域降溫所致，可能與東亞夏季風攜帶的濕潤氣流不能到達北疆地區，西風環流帶來的水汽有限，冰雪融水減少相關。

有關中國內陸地區中全新世的濕潤氣候，陳發虎［25］認為季風區早期濕潤中晚期逐漸趨于干旱，而西風區全新世早期干旱中晚期后趨于濕潤(圖7)。是否是由于季風深入內陸導致西風區中全新世濕潤，亟待深入開展研究。

總之，全新世巴里坤湖水位變化主要受北半球夏季太陽輻射變化控制，具體表現在北半球冰蓋由擴張轉為融化背景下，全新世早期巴里坤山冰川發育和全新世中期的巴里坤湖冰川融水的注入擴張;巴里坤地區受東亞夏季風影響甚弱，西風環流帶給的水量補充有限，全新世中晚期巴里坤地區向干旱環境發展。

致謝 孫博雅博士參加了全部野外工作，完成了光釋光測年等測試與解釋，周曉龍碩士在野外和實驗室給與了幫助，在此表示感謝。

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