幾種常用古氣候代用指標在鹽湖古環境研究中的應用

苗 青 侯獻華* 楊振京

（1、河北地質大學,河北 石家莊050031 2、中國地質科學院礦產資源研究所自然資源部鹽湖資源與環境重點實驗室,北京100375 3、中國地質科學院水文地質環境地質研究所,河北 石家莊050061）

在全球變化過程中,古氣候古環境的變化可通過不同的載體記錄下來,如：黃土、深海沉積物、湖泊、冰芯、石筍等。通過有效手段提取這些古氣候代用指標中蘊含的信息,可以幫助我們恢復某一地區的古氣候古環境演化過程。

湖泊沉積物的沉積過程必定受各種物理、化學、生物等自然要素的影響,記錄了可靠的環境變化信息。在各類湖泊中,鹽湖的形成與演化受特殊地質條件的影響,具有獨特的封閉性、成鹽過程的多期性和長期性、咸- 淡韻律性等特點[1],成為了第四紀古氣候、古環境的重要研究對象。近年來,學者們利用湖泊沉積物不同的古氣候代用指標,取得了不少研究成果,目前最常用的指標有元素地球化學、碳氧同位素、孢粉、介形蟲殼體、磁化率等。

1 元素地球化學指標及其應用

1.1 元素地球化學指標的指代意義

湖泊沉積物中的化學元素及不同元素之間的比值對區域構造變動及氣候環境變化敏感,在一定程度上記錄了區域氣候變化和環境演化的信息。

沉積物中水遷移系數較大的元素,其含量受古氣候制約,因此K、Na、Ca、Mg、Sr、Ba 等元素的含量變化能較好地反映古氣候的干濕變化[2]。一般情況下,湖水中的Mg/Ca 比值隨鹽度的上升而升高[3]。Sr/Ba 和Sr/Ca 高值都指示了較高的古鹽度[4]。Mn 含量高一般指示干旱,反之指示潮濕；Fe 容易氧化形成Fe （OH）3膠體,因此沉積物中Fe/Mn 比值高對應溫濕氣候,比值則低為干熱氣候[4]。

1.2 元素地球化學指標在鹽湖古環境研究中的應用

魏海成[5]等對察爾汗ISL1A 孔巖芯元素進行了主成分分析,結果表明：入湖徑流量的變化對Si、Al、Fe、P、K、Ti、Mn、Rb 等元素含量變化產生了主要影響,Ca,Sr 元素含量則與湖區蒸降比的變化相關。張文翔[6]根據貝殼堤剖面元素及其相關參數變化特征,重建了察爾汗古湖43.5～22.4cal.kaBP 期間由淡水- 半咸水- 咸水- 鹽湖的演化過程。

2 同位素地球化學指標及其應用

2.1 同位素地球化學指標的指代意義

目前在鹽湖沉積方面,主要應用穩定碳、氧同位素來分析鑒別古鹽度、古水溫等環境信息。

碳酸鹽δ13C 在分析時通常與總有機碳（TOC）、碳氮比（C/N）等地球化學指標進行綜合對比分析,得到的古環境變化信息更可靠。一般情況下,δ13C 和TOC 值高,指示暖濕氣候,湖泊初始生產力較高；反之則與寒冷氣候相對應,有效濕度降低[7]。

通常情況下,湖泊自生碳酸鹽δ18O 高值指示干旱- 半干旱氣候,蒸發旺盛,淡水注入少,湖泊水體鹽度較高；δ18O 低值指示濕潤氣候,湖水淡化,鹽度較低。δ18O 與δ13C 的相關性還可用來指示古湖泊水系的封閉性[8]。

2.2 同位素地球化學指標在鹽湖古環境研究中的應用

侯獻華[9]等選取大浪灘鹽湖沉積中心的梁ZK-02 鉆孔為研究對象,對該孔140ka BP 以來的湖相地層沉積序列進行了碳氧同位素分析,其結果與深海氧同位素階段有良好的對應關系。王春連[10]等對江陵凹陷兩組湖相碳酸鹽巖的分析結果顯示：沙市組碳酸鹽巖樣品的δ13C 和δ18O 值之間具有良好的正相關性,表明其發育在相對封閉的咸水湖泊體系中；而新溝嘴組δ13C 和δ18O 之間相關性差,指示水體滯留時間較短的開放型湖泊系統。

3 微體古生物化石指標及其應用

3.1 微體古生物化石指標的指代意義

鹽湖研究中常用介形類殼體和植物孢粉來反演古環境。介形類的生長及種屬組合分布受湖泊水體溫度、鹽度和營養狀況等的影響,在古環境分析中得到了越來越多的應用[11]。孢粉指植物孢子與花粉,具有體積小、數量大、耐酸堿、易保存以及對氣候變化反應敏感等特點。

通過特定的實驗處理方法提取孢粉物質,然后鏡下觀察判別沉積物中的孢粉類型（圖1）,可半定量至定量恢復古環境。孫湘君[12]等指出使用蒿屬（Artemisia）/ 藜科（Chenopodiaceae）（即：A/C）值來指示干燥程度。

3.2 微體古生物化石指標在鹽湖古環境研究中的應用

孫非非[13]等統計了柴達木盆地地區15 個鉆孔巖芯的孢粉種屬鑒定數據,對其中的蒿、藜含量和A/C 比值進行分析,表明柴達木盆地上新世晚期以來氣候一直向干旱方向發展,但干濕波動較大,尤其從中更新世以來更為明顯。

圖1 鹽湖沉積物中常見的幾種植物孢粉圖鑒

4 磁化率指標及其應用

4.1 磁化率指標的指代意義

沉積物中磁性礦物的磁性特征形成于特定環境,已有研究表明：冷干氣候沉積物磁化率增加；暖濕的氣候條件下,磁化率減小[14]。

4.2 磁化率指標在鹽湖古環境研究中的應用

張俊輝[15]等通過對柴達木盆地察爾汗鹽湖CH0310 鉆孔沉積物磁性特征、TOC 等的實驗分析結果表明：磁化率和TOC 的相關性受不同沉積層的影響表現出較明顯的正負差異,認為對高原干旱區湖泊來說,使用磁化率指標時需要輔以其他代用指標來更好地解釋研究區古環境變化。

5 結論

5.1 鹽湖研究常用古氣候代用指標所反映的氣候要素

上述鹽湖沉積物中的幾種古氣候代用指標,分別從溫度、鹽度和降水三個方面有效提取了鹽湖演化過程中的氣候變化信息（表1）。每個指標都有著對沉積環境不同的響應方式,因此在實際使用過程中,各個指標之間應該相互補充,相互印證,以期獲得更為準確的古氣候變化信息。

表1 鹽湖沉積物中古氣候代用指標所反映的氣候要素統計表

5.2 未來研究展望

隨著鹽湖研究的不斷深入,學者們應用各種代用指標,在重建鹽湖古環境方面積累了不少成果,隨著實驗測試方法的改進以及實驗儀器精準度的提高,高精度恢復重建研究區古環境已成為研究人員的共同追求。但單一的古環境代用指標往往不能較為真實地反演古環境,這時就需要多指標的結合,例如：δ13C值通常與總有機碳（TOC）、碳氮比（C/N）等地球化學指標綜合使用,可得到可靠的古氣候環境變化信息；碳、氧同位素指標綜合對比分析,指示意義更強；介形蟲殼體也通常要與元素地球化學、同位素地球化學等指標結合來進行古環境的解釋；磁化率指標通常與粒度、元素地球化學等指標進行綜合對比分析。

但大部分環境代用指標都局限于定性恢復古氣候古環境,難以做到定量重建,未來還需要不斷增強實驗過程的準確性,包括野外踏勘取樣,室內實驗分析處理等,最大程度地減少人工誤差,在此基礎上,依據研究區本身的地質背景、沉積狀況等信息選擇合適的、多樣化的古環境代用指標進行綜合分析,以期達到“將今論古,以古類今”的研究目的。