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文章信息
- 李楠楠, 介冬梅, 阳金秀, 陈雪松, 陈玉洁, 胡楚天, 乔志和
- LI Nan-nan, JIE Dong-mei, YANG Jin-xiu, CHEN Xue-song, CHEN Yu-jie, HU Chu-tian, QIAO Zhi-he
- 长白山西麓泥炭灰分粒度特征及其环境意义
- Grain-size Characteristics and Environmental Significance of Peat Ash in the West Foothill of Changbai Mountain
- 沉积学报, 2014, 32(5): 873-883
- ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2014, 32(5): 873-883
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文章历史
- 收稿日期:2013-7-15
- 收修改稿日期:2013-11-28
2. 国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室 长春 130024;
3. 大庆师范学院 黑龙江大庆 163712
2. Key Laboratory for Wetland Ecology and Vegetation Restoration, Ministry of Environmental Protection, Changchun 130024;
3. Daqing Normal University, Daqing, Heilongjiang 163712
沉积物的粒度分析是较为传统的沉积环境研究手段,在古气候研究中已得到广泛应用,尤其在黄土[1]、海洋[2]、河流[3,4]、湖泊[5]沉积环境的判识及古气候恢复重建中取得了瞩目的研究成果。泥炭是湿地的重要组成部分,其通常发育在地势低洼处,在其形成过程中记录了大量的气候及环境变化信息[6]。长白山西麓泥炭以其储量丰富、连续性强、沉积速率大等特点,吸引了研究者们的广泛关注[7]。在过去的几十年里,利用该区沼泽泥炭中的孢粉[8]、植硅体[9]、氨基酸[10]、有壳变形虫[11]、稳定同位素[12]等进行了大量的全新世以来的古环境恢复与重建工作。然而针对东北地区泥炭灰分颗粒的物质来源、泥炭的沉积环境特点,尤其是泥炭灰分颗粒组成的古环境指示意义,学界至今没有形成统一的认识。本文拟提取东北长白山西麓哈尼、孤山屯沼泽地泥炭沉积中所含的高分辨率无机矿物颗粒信息,并结合14C测年手段,对泥炭剖面进行分析,以探寻泥炭灰分的物质来源、粒度组成特征及规律,从而进一步揭示出泥炭灰分粒度组成的环境意义,以期为区域环境演化及泥炭地学研究提供参考。 1 区域概况
本文两个采样点均位于吉林省境内,哈尼(42°13.5′ N,126°30.25′ E)位于吉林省柳河县哈尼乡,孤山屯(42°18′22.1″ N,126°16′57.7″ E)位于吉林省辉南县,两地区平均海拔均低于1 000 m,泥炭发育在地势较低的积水洼地。两地均属于湿润的温带大陆性季风气候,年平均气温4℃~5℃,年平均降雨量8 00~9 00 mm,采样区内可以见到中、湿生植被,哈尼地区主要包括以黄花落叶松(Larix olgensis)为优势种的乔木层,以及以油桦(Betula ovalifolia)、蓝靛果忍冬(Lonicer caeurulea)、甸杜(Chamaedaphne calyculata)等灌木群丛以及草本植物中苔草(Carex spp.)、小百花地榆(Sanguisorda parviflora)、灯心草(Juncus spp.)、水木贼(Equisetum heleocharis)、芦苇(Phragmites australis)等,而孤山屯地区主要包括山槐(Albizia kalkora)、油桦(Betula ovalifolia)等灌木群丛,水湿柳叶菜(Epilobium palustre)、粗根老鹳草(Geranium dahuricum),苔草(Carex tristachya),三褶脉紫菀(Aster ageratoides),聚花风铃草(Campanula glomerata L.),柳叶绣线菊(Spiraea Salicifolia),千屈菜(Spiked Loosestrlfe),鸢尾(Iris tectorum),地耳草(Hypericum japonicum)等草本植物群丛。
2 实验方法 2.1 样品采集在哈尼泥炭地、孤山屯泥炭地钻取了深度为350 cm和750 cm的泥炭样芯。现场按泥炭颜色、沉积特征等进行岩性描述,从顶部到底部哈尼泥炭样芯分为8层,孤山屯泥炭样芯分为9层,剖面描述如图 2所示。样品采回后,采用1 cm间隔分样,并装入样品袋中备用。本文样品分析中,哈尼泥炭样品采用2 cm间隔取样,而孤山屯泥炭样品采用10 cm间隔取样分析。
2.2 年代序列分别选取哈尼、孤山屯泥炭样芯6个和9个年代样品送往北京大学AMS14C年龄测定实验室进行放射性14C年龄测定,测试结果如下表 1、表 2所示。对所获年龄数据采用Calib Rev6.0.1 程序[13]校正至日历年龄(2σ校正结果)。将各剖面数据点进行线性回归,得到泥炭样品年代与深度关系。哈尼泥炭线性回归方程为y=44.236x-333,其中相关系数r=0.981 4,F检验值为104.68;孤山屯测年数据回归方程为y=18.428x-430.632,其中相关系数r=0.999,F检验值为2 351.696,各方程中y表示日历年龄(a),x表示采样深度(cm)。统计结果可以看出,线性拟合结果较好,其余剖面年龄可通过线性内插而获得。
层位/cm | 14C放射年龄/a B.P. | 中值日历年龄/cal.a B.P./2σ | 沉积速率/mm·a-1 |
75~76 | 3 040±35 | 3 263 | 0.231 |
124~125 | 4 785±35 | 5 518 | 0.217 |
184~185 | 7 045±40 | 7 885 | 0.253 |
258~259 | 8 435±40 | 9 470 | 0.467 |
310~311 | 11 285±45 | 13 188 | 0.140 |
349~350 | 13 280±50 | 16 317 | 0.125 |
层位/cm | 14C放射年龄/a B.P. | 中值日历年龄/cal.a B.P./2σ | 沉积速率/mm·a-1 |
66~67 | 935±50 | 853 | 0.780 |
147~148 | 2 140±90 | 2 130 | 0.634 |
178~179 | 2 795±50 | 2 898 | 0.404 |
273~274 | 3 930±60 | 4 366 | 0.647 |
361~362 | 5 375±90 | 6 184 | 0.484 |
410~411 | 6 250±80 | 7 192 | 0.486 |
462~463 | 7 685±80 | 8 474 | 0.406 |
578~579 | 9 270±80 | 10 454 | 0.586 |
748~749 | 11 165±100 | 13 051 | 0.655 |
本次实验处理样品包括除草根层外所获得的泥炭样品,共取得哈尼泥炭样品151个(部分层位样品缺失),孤山屯泥炭样品74个。粒度分析测试采用的是美国MICROTRAC公司生产的Microtrac S3500激光粒度分析仪,其测试范围为0.02~2 800 μm,重复测量误差小于1%。具体的实验流程如下:
(1) 将泥炭样品烘干至恒重,测量并记录泥炭干重。
(2) 将1中所得样品经马弗炉550℃加热,高温灼烧4 h,待冷却后称重。
(3) 将所获泥炭样品转至15 mL PVC管,加入10%的稀盐酸10 mL,充分反应至不再产生气泡为止,目的是除去其中的钙质胶结物。
将3中所得样品加蒸馏水洗涤3~4次,经pH测试接近中性后再向其中加入0.05 mol/L的(NaPO3)610 mL,将样品置于超声波振荡器中振荡7 min,上机测试。 3 结果分析与讨论
本文参照国家海洋局粒级分类标准(1975年)[14]选择4 φ(63 μm)和8 φ(4 μm)作为砂/粉砂和粉砂/黏土的分界,得到哈尼、孤山屯泥炭灰分粒度组成如下图 3所示。按照林克分类法[15]并结合我国《石油天然气行业标准碎屑岩粒度分析方法》相关命名准则[16]对沉积物进行命名,两个泥炭的泥炭灰分组成主要包括粉砂质砂、含砂粉砂、含黏土粉砂、砂质粉砂、粉砂等类型,各类型沉积物百分含量如图 4所示。结合图 3,4结果可以看出,两个泥炭的灰分组成以各类粉砂为主。
3.1 泥炭灰分粒度组成及分布
沉积物的粒度组成特征是判别沉积作用方式的手段之一,通过各粒级沉积物组成可以推断沉积物的来源[17,18]。粒度分析结果表明,长白山西麓泥炭灰分粒径分布主要集中在1~350 μm,灰分颗粒组成比典型的风成堆积要粗。频率分布曲线呈现出单峰(10~100 μm)、双峰型(10~100 μm,100~1 000 μm)特征(图 5)。由于沼泽地终年为水覆盖,泥炭灰分的粒度组成主要受到流水动力大小的影响。雨季,随着降水量或降水频次的增加,地表径流携带着粗颗粒进入沼泽地,形成了100~1 000 μm跃移质总体(众数粒径为300 μm),跃移质的搬运,一般需要足够的水量和水流速度,结合沼泽地地貌、水文特征,推测跃移质由坡面径流或沟谷流水,甚至是季节性洪水带来。随着雨季的结束,沼泽地水位变低,水流趋于稳定。此时水流主要携带10~100 μm的颗粒进入沼泽地沉积,而形成主要由悬移质组成10~100 μm粒度总体(众数粒径30 μm)。因而,雨季持续时间的长短,雨量的大小对泥炭沉积中粗颗粒的多少具有显著影响。
沉积物概率累积曲线可以很好地体现沉积物的搬运方式[17],本区泥炭灰分粒度分布概率累积曲线主要包括三种类型:一段式、二段式和三段式(图 6),其中以二段式占多数。一段式表示灰分以中细粒物质组成为主,悬移颗粒总体占多数,直线倾角在40°~50°之间,表明搬运或牵引动力较为稳定,可能为远距离传输或水下环境为主[19];二段式揭示灰分的粒度组成由悬移质和跃移质混合而成,截点在1~4 φ之间变化,截点较大范围的波动暗示着沉积物搬运的动力源动力大小的波动,暗示并非稳定的水下环境。三段式中可以看出悬移质在5~6 φ间有截点,推测其可能是受到坡面流水搬运和沟谷流水搬运共同作用的体现,三段式部分样品较粗,含有推移质,具有河流相特征[17]。
3.2 沉积物粒度组成C-M图C-M图可反映沉积物的搬运方式。其中C是指含量1%的粒径值,M即中位数,含量50%的粒径值。长白山西麓泥炭灰分粒度组成C-M图如图 7所示,由图 7可知,两泥炭地灰分颗粒的搬运方式为递变悬浮或均匀悬浮[17],有些粗粒颗粒甚至出现滚动搬运,并不完全同于典型河流或湖泊沉积物搬运特征,从另一个角度揭示出,沼泽地流水动力条件介于河流与湖泊之间,与泛滥平原相近。
3.3 沉积环境讨论判别分析是一种常用的数理统计方法,其在粒度分析中常被应用于区别不同的沉积环境[20,21],因而通过经验公式,建立判别函数探讨泥炭灰分颗粒来源是可行的方法之一。本文通过如下公式进行判断(表 3)。
判别函数 | 可以区别的沉积环境 | 计算公式 | 临界值 |
① | 风成与海滩 | Y=-3.568 8 Mz+3.701 6 σ12-2.076 6 Ski+3.117 5 Kg | Y风成<-2.741 1 |
② | 浅海与冲积(河流) | Y=0.285 2 Mz-8.706 4 σ12-4.893 2 Ski+0.048 2 Kg | Y冲积<-7.419 0 |
其中Mz,σ1,Ski,Kg分别表示平均粒径、标准差、偏度、峰态。计算结果表明,利用函数①判别结果显示泥炭沉积物组成以风成为主,而利用函数②判别结果显示,泥炭沉积主要为冲积环境,如三角洲等。上述结果至少可以说明两点:一是长白山泥炭分布在湿润区,年降水量在800 mm以上,大规模的风沙活动在长白山区少有记录,因而泥炭形成过程中的无机矿物颗粒主要由地表径流携带的近源物质组成,流水动力的强弱决定了泥炭灰分的粗细,但泥炭沉积中一些细粒沉积物(10 μm以下)也可能与远源风尘活动有关;另一方面也证实原有经验判别函数可能存在某些局限性。本文并非孤证,张洪岩等人在研究图们江河口沉积物时就发现利用上述两个判别函数判断图们江河口沉积物的沉积环境时,两个判别函数分别给出其为风成和河流相沉积[3]。于雪峰等曾对红原泥炭灰分进行粒度分析并证明红原泥炭灰分为风力成因[22],而本文结果则认为长白山区泥炭灰分主要为流水搬运,由此可见不同区域泥炭灰分来源、成因并不相同,具有明显的区域性。因此,今后在判断不同区域泥炭灰分的物质来源及沉积环境时,应结合更多的研究手段如扫描电镜、X衍射分析、元素分析等。 3.4 泥炭灰分的古环境意义
前文指出,泥炭灰分颗粒的粗细与流水动力的强弱有着密切联系。现代沉积学观点也认为,湿润期或夏季风强盛期,降雨增多,水量增加,水动力增强,水流剥蚀、搬运、沉积的颗粒粒径相对较粗,而在干旱期或冬季风强盛期,降水减少,流水搬运能力减弱,沉积物颗粒粒径也相应变细[23,24]。因此,借助泥炭灰分粒度组成可以反演出区域古降水历史与相关的气候事件。 3.4.1 指示不同时期古降水强度变化
本区处于东亚季风区,深受季风影响,降雨量及降雨频次对沉积物颗粒的粗细有显著影响。降雨量大的年份地表径流发育,流水动力强,沉积物颗粒组成相对较粗,降雨量少的年份沉积物颗粒组成则较细,因而可借助本区泥炭灰分颗粒的粗细反演古降水变化历程。选取泥炭灰分颗粒的平均粒径Mz和粗颗粒(>32 μm)百分含量变化绘制成图 8。由图 8可看出,两个剖面反映的干湿变化状况可划分为三个时期,降水历史经历了“干—湿—干”的演化历程,但是各阶段持续时间稍有不同,此有可能是测年误差所致。结合有序聚类结果,将长白山西麓泥炭灰分反映的古降水历史划分为三个时期:
Ⅰ干旱期(哈尼15 000~8 890 cal.a B.P.,孤山屯13 400~10 248 cal.a B.P.);这一时期两个剖面泥炭灰分颗粒平均粒径相对较细,约5~6 φ,粗颗粒(>32 μm颗粒)百分含量在20%~40%波动变化,总的来说气候干燥。
Ⅱ湿润期(哈尼8 890~3 405 cal.a B.P.,孤山屯10 248~2 508 cal.a B.P.);进入全新世,泥炭灰分颗粒平均粒径Mz增大,粗颗粒百分含量明显增多,出现了降水增多、水动力加强等东亚夏季风增强的现象,持续到2.5~3.4 ka结束,这一时期泥炭灰分颗粒平均粒径增加至3~4 φ,粗颗粒百分含量增加至60%~80%。从时间上看,同我国东北地区全新世大暖期相当[25],尤其在8~3 ka,孤山屯剖面泥炭灰分粗颗粒含量高于80%,出现了全新世气候适宜期。
Ⅲ干旱期(哈尼3 405 cal.a B.P.至今,孤山屯2 508 cal.a B.P.至今),晚全新世以来,气候逐步转干,沉积物平均粒径变小,粗颗粒百分含量下降,气候再次变得干燥,推测其很有可能是受到新冰期气候转冷的影响。
整体看来,泥炭灰分粒度特征可以很好的反映出古环境变迁过程中的干湿变化状况,可以作为古降水或夏季风强弱变化的代用指标。 3.4.2 用于区域对比与干旱事件响应研究
依据泥炭灰分粒度信息反演的古降水历史表明:15~11 ka,泥炭灰分颗粒较为细小,粗颗粒含量较低,气候相对干燥。利用孢粉气候转换函数[26]恢复哈尼、孤山屯古降水历史(孢粉分析数据取自参考文献[8, 27, 28])也反映出剖面底部相对干旱,年降水量不超过700 mm,周卫健等在研究糜地湾剖面湖沼泥炭时得出同时期西部季风边缘区为森林草原,气候相对干旱[29],大布苏湖湖泊沉积物碳酸盐含量在本时期迅速上升达到峰值9.82%(图 9),表明同时期气温偏高、气候干旱,湖面高度下降[30]。在12~11 ka,两区泥炭灰分平均粒径出现明显减小、粗颗粒百分含量降低,表明本区降水减少,流水动力减弱,推测这一事件很有可能是新仙女木事件在本区域的反映。洪冰等人利用哈尼泥炭纤维素δ18O恢复本区14 ka来古温度变化表明,在12.9~11.7 ka泥炭纤维素δ18O明显降低,是该剖面温度的最低值,并认为这一时期本区发生了新仙女木事件[12]。哈尼地区孢粉分析结果也表明,这一时期地层中花粉以云冷杉属为主,气候寒冷[28]。可见,12~11 ka应为气候冷干期,尽管如此,本阶段气候也出现过短暂的转湿,孤山屯泥炭灰分颗粒记录12.5~12 ka泥炭灰分粒度稍有转粗,降水量增加,说明可能存在有持续百年的相对湿润阶段(相当于阿勒罗德暖期)。
全新世中早期的气候湿润期是整个剖面中气候最适宜的时期,贵州董哥洞石笋δ18O曲线也记录了本时期的湿润气候,本时期石笋δ18O变轻(图 9),石笋生长速率增加,暗示气候转湿,夏季风活动加强[31];江西大湖孢粉资料表明同时期太湖地区桤木属(Alnus)花粉百分含量下降,森林为中亚热带常绿阔叶林,年降雨量高于当前水平[32]。金川泥炭剖面δ13C结果也反映出了5~3 ka为气候湿润期[33]。古降水曲线反映出了全新世中期湿润的气候特点,这一时期年降水量多超过800 mm,个别时期降水量甚至超过1 000 mm(图 9)。综合季风区各地研究结果及长白山西麓泥炭灰分粒度特征,本文发现中全新世东亚季风区夏季风活动增强,气候湿润,大暖期东亚季风区水热搭配适宜。大暖期结束后,进入了全新世晚期的相对干燥时期,黄土磁化率出现了迅速降低(图 9)[34],在此背景下,1.3~0.9 ka出现了短暂湿润期,该期约同竺可桢发现的唐朝至宋初我国北方可以种植梅树的气候适宜期相对应[35]。
除此以外,长白山西麓泥炭灰分颗粒也揭示出本区古降水演化中存在若干次气候干旱事件,最典型的是9.2 ka、8 ka和5 ka干旱事件,两个泥炭剖面灰分粒度分析结果都表明这些时期沉积物突然转细,持续百年后转粗,古降雨量在相应时期也出现了减少(图 9)。其中9.2 ka事件在贵州石笋中有清晰的记录,这一时期贵州董哥洞石笋δ18O突然变重,变化幅度为1.4‰,表明季风减弱,降水减少[31],Mayewski等人也通过全球多个记录表明9~8 ka存在明显的气候波动事件[36],Gupta等人认为上述气候转干时期存在季风减弱事件[37];大布苏湖碳酸盐含量(图 9)证明8 ka、5 ka存在气候转干事件[30],黄土高原全新世黄土剖面揭示出6~5 ka为全新世最干旱时期[38],青藏高原花粉表明6~4.9 ka存在百年尺度的干旱事件[39]。以上气候干旱事件又恰恰与全新世著名的若干次降温事件密切相关[40],推测出气候变化过程中干冷、暖湿应是同步变化的。 4 结论
长白山西麓沼泽地泥炭灰分粒径在1~350 μm,沉积物类型以粉砂质为主,泥炭灰分的粒度频率分布主要包括单峰型和双峰型曲线,表明了泥炭灰分沉积动力的差异。
东北长白山区泥炭灰分的粗细主要受到水动力条件的影响:枯水期进入沼泽地沉积的颗粒物以悬移质为主,形成10~100 μm粒度总体;丰水期流水搬运能力增强,出现了100~1 000 μm跃移质总体。
利用泥炭灰分颗粒粗细变化曲线恢复本区的古降水历史经历了“干—湿—干”的演化历程,该结果可与东北地区及东亚季风区研究成果形成很好对比,表明泥炭灰分颗粒粗细可作为本区域反演古降水历史、研究古夏季风强弱变化的代用指标。
长白山西麓泥炭灰分粒度分析结果印证了全新世存在的9.2 ka,8 ka和5 ka气候干旱事件,这些干旱气候事件均可与重要的气候冷事件相对应,可能说明了本区气候变化过程中冷干、暖湿的搭配特征。
致谢 王楠同学帮助绘制部分图件,卫江伟同学在实验处理中给予帮助,成文过程中得到刘利丹博士,郭梅娥、刘洪妍、卢美娇硕士的帮助,审稿专家为本文提出建设性意见及建议,在此谨致谢忱!
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