2019, Vol.39
2 云南大学资源环境与地球科学学院, 高原湖泊生态与污染治理研究院, 高原湖泊生态与环境变化实验室, 云南 昆明 650504)
湖泊沉积物中的自生碳酸盐主要由方解石(主要包括低镁方解石、高镁方解石)、文石、白云石等矿物构成，它们的结晶程度、不同矿物种类及含量的变化，与结晶、沉淀时湖水的物理化学性质和环境特征紧密相关[1~2]，受湖泊水热平衡、碳酸盐体系溶解平衡、温度等多种环境因素的控制[3~5]，蕴涵了流域内环境变化的重要信息，成为反演其形成时古气候环境的代用指标之一[6~10]。
XRF(X-ray Fluorescence，即X荧光光谱扫描仪)通过直接扫描岩芯剖面，快速分析岩芯元素的相对含量的变化。该方法具有分辨率高、测试快、无损样品等特点，目前已被广泛的应用到不同时间尺度的高分辨率地层对比和古气候重建中[11~17]。由于岩芯含水量、粒度、裂隙以及表面平整度等都对扫描结果有一定的影响，所以测量结果对于很多湖泊沉积而言，为半定量或相对含量数据[14~15]，但对于部分湖泊沉积，可以通过校正和与定量分析结果的相关性分析，建立定量的相关关系，从而获得某些高分辨率的元素含量变化结果[15]。XRD(X-ray Diffraction，即X射线衍射)方法在沉积学研究中应用广泛[18~19]，特别是在湖泊沉积研究中可以半定量地给出碳酸盐的矿物组成。利用XRD对湖泊沉积物中的碳酸盐进行研究已经取得了很大的进展[20~21]。依据湖泊沉积中碳酸盐矿物组合并结合元素组合特征，可以探讨晚更新世以来湖面涨缩、水质咸淡及气温高低的变化[9, 21~22]；通过表层沉积物的矿物组分，还可以讨论短时间尺度的环境变化及湖泊富营养化状况[23]。
目前对抚仙湖沉积碳酸盐含量、矿物组成及其与沉积物元素之间关系的研究较少，已有的研究主要集中在重金属污染[24~26]、有机碳同位素[27]、水体富营养化[28~30]、湖泊生态环境[31~33]等方面，而利用湖泊沉积物中的矿物组分来反应湖泊环境演化的研究尚未见报道，因此本文利用高原深水湖泊抚仙湖沉积物深钻孔岩芯沉积物，分析碳酸盐含量及矿物组成的变化过程，探讨其气候环境、特别是水位变化的指示意义。
1 研究区概况抚仙湖位于云南省东中部(24°21′13″~24°37′57″N，102°49′14″~102°57′33″E)，是我国最大的深水型淡水湖泊之一(图 1)，湖面海拔高程为1722.5 m时，湖面面积216.6 km2，湖容量为206.2×108 m3。抚仙湖湖水平均深度为95.2 m，最深处达158.9 m。从地质构造角度来讲，抚仙湖位于小江断裂带上，是云南高原第三纪构造抬升形成的断陷湖盆，大部分湖岸为陡峭的岩石，有石灰岩、白云岩、砂岩、砾岩和玄武岩等出露。流域内石灰岩山地众多，喀斯特地貌发育，湖水硬度较大[34]。抚仙湖流域属于亚热带高原湿润季风气候，干湿季分明。年平均气温为15.5 ℃，气温年较差为12.2 ℃，且具有年温度较差小于日温差的特点，全年无霜期将近300天，年平均蒸发量为1900 mm[35]；多年平均降雨量为951 mm，5~10月为雨季约占全年降雨量的80 %~90 %。抚仙湖为封闭的山间盆地型淡水贫营养湖泊，湖水清澈，透明度高，平均透明度为5~6 m，最大可达12.5 m。除2009年至2012年湖水位有较大幅度的降低以外，年变化幅度一般在1 m以内，历史时期(13 ka B. P.之前)高水位时湖水外流汇入南盘江(张虎才等，2019a，待刊资料)，最终流入南海。
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图 1 抚仙湖流域地形海海拔高程、水深及采样点位置图 Fig. 1 Location map of Lake Fuxian, elevation of the drainage area, water depth and coring site |
2016年10月，在对湖泊南部利用地球物理方法进行浅剖地层分布和变化探测的基础上，使用奥地利产UWITEC平台钻，在抚仙湖南部深水区沿东西方向4个点位每点钻取了3根平行岩芯(图 2)。岩芯提取后运回实验室利用专门岩芯切割仪切割，进行岩芯描述后随即进行XRF扫描，然后对上部50 cm以0.5 cm间隔分样，下部51~296 cm以1 cm间隔分样，共获样品346个。切样过程中收集植物残体(碳屑、树枝残体和树叶残片)作为年代测定材料，其余样品待自然风干后取少量样品研磨至200目，对346个样品进行碳酸盐含量和对115个样品进行XRD实验测试分析，选取108个样品经冷冻干燥进行碳酸盐同位素、有机质含量和同位素分析，剩余样品存储备用。在认真分析研究区高精度水下地形和其他岩芯粒度、碳酸盐等基本参数的基础上，对取自第二点的长度为296 cm的FXH-B2钻孔岩芯(24°24′57.48″N，102°52′06.24″E)进行了综合分析，本文重点对沉积中碳酸盐物质的特征、矿物组成和相对含量变化、相关元素及水位和气候指示意义进行讨论。
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图 2 抚仙湖南部东西向浅剖断面沉积地层变化特征及钻孔岩芯分布位置 a：抚仙湖南部由西向东地层浅剖面W-Z-E，为清晰表达其变化，将其等距离的分为两部分，即a1和a2(a1=W-Z和a2=Z-E)；A，B，C和D为钻孔岩芯提取位置，其中B孔位于偏北原设计点100 m Fig. 2 The sedimentary profile from west to east direction in southern lake and the coring sites. a:The measured section W-Z-E that was separated into two parts, including a1:W-Z and a2:Z-E to show the details of the sedimentation changes; A, B, C and Dmarked the coring sites, among them core-site B is located 100 m north than the planned site |
FXH-B2钻孔岩芯的年代序列建立选取炭屑、植物残体和沉积样品，送至美国Beta实验室利用加速器质谱(AMS)14C技术测定。对所获得的9个AMS14C年代数据使用IntCal13进行校正，获得日历年龄，基于测年结果(表 1)，给出FXH-B2孔年代框架(图 3)。由图 2可知，抚仙湖沉积厚度变化较大，对于图 2中A岩芯的测年发现，沉积受到构造活动的影响，湖泊部分区域沉积缺失。因此，抚仙湖沉积不同区域地层年代需要专门讨论，故此文中我们仅给出FXH-B2孔初步年代框架，并根据这些年代内插除每个样品点的年龄，建立FXH-B2的年代序列。对于所研究的FXH-B2孔而言，因岩芯提取时间为2016年，故表层现代沉积(0.5 cm处)的日历年龄为- 55 cal.a B. P.，底界(296 cm)年龄为12.04 cal.ka B. P.。因此，所研究的岩芯时间尺度包含距今12 ka以来的沉积记录，平均沉积速率约为0.24 mm/a。
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表 1 抚仙湖FXH-B2孔岩芯测年结果 Table 1 Age determination results of FXH-B2 core from Lake Fuxian |
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图 3 抚仙湖FXH-B2孔年代框架图 Fig. 3 The age-depth frame of core FXH-B2 in Lake Fuxian |
碳酸盐含量采取气量法测定[36]，其原理为通过稀盐酸与碳酸盐发生反应，产生CO2气体：CaCO3+2HCl=CO2↑+CaCl+H2O。通过精确测定反应所产生的气体量并计算获得346个样品碳酸盐含量。具体实验过程如下：将样品放入不高于60 ℃烘箱中完全干燥并研磨至小于200目待测，测量前，首先检查装置的气密性，确认系统密闭后，将装有0.1 g左右待测样品的塑料小盒子置入已经加入10 ml 1 ︰ 3稀盐酸溶液的锥形瓶中。用塞子塞住锥形瓶，摇匀使样品充分反应直至滴定管液面不再变化，反应后得到的气体进入密封的滴定管内，滴定管前后数字的差值即为样品产生的CO2体积。测试中每隔10个样品进行一次标样测试，标样为纯度99.9 %的碳酸钠，重复测量误差小于± 3 %。并记录实验过程中的温度与气压。气量法计算碳酸盐含量(ω %)的公式如下：
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(1) |
公式(1)中，P为CO2压力(kPa)，V为CO2体积，R为气体常数(8314 Paml/mol ·k)，T为绝对温度，m为样品质量，100为原子量。
2.4 XRD实验方法本文对岩芯0~100 cm部分以1 cm间隔测试一个样品，101~296 cm之间以3 cm间隔选取一个样品进行测试，共对115个样品进行了分析。具体过程如下：将样品进行烘干后，称取约1 g样品，用玛瑙研钵对样品进行充分研磨，并过200目筛子。将研磨好的待测样品放入玻璃样品架凹槽中，用载玻片将样品压实，保证样品表面与样品架水平、光滑，并将样品架凹槽外部分擦拭干净。利用荷兰帕纳科公司的X Pert 3 Powder多功能粉末X射线衍射仪，进行矿物种类的测定。实验条件为：电压为40 kV，电流为40 mA，Cu靶Kα辐射(λ=1.5406 Å)。扫描角度(2θ)为3°~80°，扫描速度为5°/min。
2.5 XRF实验方法将运回实验室的岩芯纵向沿中间使用岩芯切割机剖开成两半，将表面整平后盖上一层4 μm厚的Ultralene薄膜，使用产自荷兰的Avaatech公司的XRF Core Scanner(XRF岩芯扫描仪)对岩芯剖面进行间隔5 mm扫描分析，共获数据592组，由于岩芯下部51~296 cm碳酸盐含量分析以1 cm间隔，故将以5 mm为间距的扫描数据加权平均换算为与碳酸盐分析样品对应的数据，共计346个。
2.6 碳酸盐稳定同位素δ18O、δ13C及有机质含量和δ13Corg实验方法从经冷冻干燥的岩芯样品中选取108个样品进行碳酸盐δ18O、δ13C同位素、有机质含量(TOC)和δ13Corg同位素分析。首先，将干燥后的样品用玛瑙研钵破碎，分出一份研磨至200目(0.075 mm)进行碳酸盐δ18O、δ13C同位素分析，另一份加过量10 %稀盐酸充分反应去除碳酸盐，然后用去离子纯水洗至中性并低温(< 60 ℃)烘干，研磨并过200目(0.075 mm)筛，用十万分之一天平称重0.05 mg装入锡箔杯待测。碳酸盐同位素在南京师范大学地理科学学院实验室用多通道电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP- MS)测定，有机质含量及δ13C在云南师范大学高原湖泊生态与全球变化实验室用美国Thermo Scientific公司产气体同位素比值质谱MAT253测定。
3 实验结果与分析 3.1 矿物组分分析结果及其变化XRD实验数据揭示，抚仙湖(FXH-B2)钻孔岩芯沉积物组成以石英和方解石为主(图 4)，对所获115个测试结果分析得出，方解石信号强度的平均值为230.97 counts，最小值位于岩芯24 cm处为45 counts，最高值位于岩芯101 cm处可达497.2 counts。由于所有样品分析结果具有相似的变化特征，主峰类似，仅存在高低的差别，故选择6个样品的方解石XRD信号强度随深度变化进行表示(图 4)。
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图 4 抚仙湖(FXH-B2)岩芯XRD分析图 Fig. 4 The XRD analysis in the core FXH-B2 from Lake Fuxian |
抚仙湖(FXH-B2)钻孔岩芯沉积物346个样品的碳酸盐平均含量为19.06 %，含量最低为0.74 %，最高含量可达45.57 %。对296个XRF扫描数据(由两个0.5 cm数据平均获得)分析结果显示，Ca元素最大值为6.962(counts×104)，最小值为0.622(counts×104)，平均值为3.091(counts×104)。碳酸盐含量和扫描的Ca元素强度随年代变化如图 5。
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图 5 抚仙湖(FXH-B2)孔岩芯碳酸盐含量、方解石XRD信号强度和Ca元素XRF扫描强度变化曲线 Fig. 5 The change curve of carbonate content, calcite XRD signal strength and Ca element XRF scan intensity curves in the core FXH-B2 from Lake Fuxian |
对比碳酸盐含量、方解石XRD信号强度和扫描的Ca元素XRF扫描强度这3个指标(图 5)发现，全新世期间3条曲线的变化趋势基本一致，其变化大致经历了4个阶段：
第Ⅰ阶段(12.04~8.85 cal.ka B. P.)，碳酸盐含量、方解石XRD信号强度和扫描的Ca元素XRF扫描强度这3个指标的含量均由低升高并趋于稳定的变化。早期Ⅰ-1 (12.04~10.08 cal.ka B. P.)，碳酸盐含量从0.74 %升高至20.94 %，方解石XRD信号强度从56.6 counts增加至56.6 counts，Ca元素XRF扫描强度也从0.718×104 counts上升为2.584×104 counts；晚期Ⅰ-2 (10.08~8.85 cal.ka B. P.)则趋于平稳，波动较小，总体呈小幅度波动下降趋势。
第Ⅱ阶段(8.85~4.37 cal.ka B. P.)碳酸盐含量、方解石XRD信号强度和Ca元素XRF扫描强度相比第Ⅰ阶段都有所升高，碳酸盐含量平均值超过30 %，最大可达38.57 %。本阶段碳酸盐含量呈持续上升的趋势，方解石的XRD信号强度变化较平缓，而Ca元素的XRF扫描强度呈波动上升的趋势。
第Ⅲ阶段(4.37~2.00 cal.ka B. P.)，该阶段可以明显的划分为两个时期，早期Ⅲ-1 (4.37~2.20 cal.ka B. P.)是抚仙湖全新世以来碳酸盐含量以及方解石和Ca元素相对含量最高的一个的阶段。其中，碳酸盐的平均含量超过39.88 %，最大可达45.57 %，方解石XRD信号强度平均值为398.74 counts，最高达497.2 counts，Ca元素XRF扫描强度平均值为6.31×104 counts，最高值达6.96×104 counts；晚期Ⅲ-2 (2.2~2.0 cal.ka B. P.)碳酸盐含量、方解石XRD信号强度和Ca元素XRF扫描强度在此阶段均有一个急剧下降的过程，在约200年的时间里碳酸盐含量从41.62 %下降至11.77 %，减少了约30.85 %、方解石的XRD信号强度从465.4 counts下降至237.9 counts，减少了约227.5 counts、Ca元素XRF扫描强度从6.739×104 counts下降至1.88×104 counts，减少了约4.86×104 counts。
第Ⅳ阶段(2~0 cal.ka B. P.)碳酸盐含量、方解石XRD信号强度和Ca元素XRF扫描强度均相对较低，早期为波动下降并达到全新世时期的最小值。
3.3 碳酸盐含量、方解石XRD信号强度及Ca元素XRF扫描强度之间的关系抚仙湖(FXH-B2)钻孔的碳酸盐含量与方解石的XRD信号强度变化呈显著的正相关关系(图 6)，并存在很高的相关性(r=0.93、R2=0.87)，同样，方解石的XRD信号强度与Ca元素XRF信号强度呈显著的正相关关系，也具有很高的相关性(r=0.92、R2=0.85)。据此认为抚仙湖沉积物中碳酸盐类物质主要为方解石(其他碳酸盐类矿物相对含量极微甚至可以忽略不计)，方解石则是Ca元素的主要贡献者。
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图 6 碳酸盐与方解石XRD信号强度、方解石XRD信号强度与Ca元素XRF扫描结果的相关关系 Fig. 6 The correlation between carbonate and calcite signal strength, calcite signal strength and XRF scan of Ca element in the core FXH-B2 from Lake Fuxian |
Owen湖的研究表明，湖相沉积物中CaCO3含量可以反映湖水的滞留时间，较低的CaCO3含量表明了湖水水量的增加，湖水水位上升，气候湿润；而CaCO3含量较高则反映了湖水水位降低，湖面缩小，干旱程度增加[37]。在干旱的气候条件下，湖区干旱少雨，地表径流贫乏，湖区物理搬运作用较弱；岩石中的难溶矿物，如石英、长石、粘土矿物等难以以机械的物理形态迁移至湖泊，易溶矿物组分如方解石等可呈离子或胶体状态随地表水和地下水以化学侵蚀形式迁移入湖，在湖泊萎缩、蒸发作用强烈的环境下，自身沉淀或被吸附的形式沉淀至湖底；在湿润的气候条件下，大量的颗粒态存在的难溶的矿物被降水冲刷而迁至湖区，以物理沉降方式沉淀至湖底，湖水相对淡化，易溶矿物多以游离态存在于湖水中，难以沉淀在湖底[23, 38]。抚仙湖位于低纬度地区，气温变化幅度相对较小，降水是影响该地区气候变化的主要因素。在降水量较大的湿润时期，湖水中碳酸盐物质以离子态Ca2+、HCO3-存在；同时，伴随降水量的增加，必然导致入湖水量的增加，所带入的Ca2+也随之增加，并与水量的增加保持一定的正相关关系。随着气候的干化，降水量减少，湖面蒸发强烈，导致碳酸盐物质的析出和方解石矿物的形成，并通过反应式Ca2++HCO3-→CaCO3↓+CO2↑+H2O得以完成。相关性结果表明(图 6)，抚仙湖沉积中碳酸盐(CaCO3)、方解石(calcite)和元素Ca之间存在高度相关性，指示湖泊沉积中Ca元素来源的主要贡献者为方解石，而方解石是碳酸盐的主要构成物。我们认为，它们的变化与湖泊流域降水量/蒸发量的变化紧密相关。而降水量/蒸发量的平衡关系决定了湖泊水位的变化[39]，因此可以作为湖泊水位变化的有效指标，这一结论可以如下证据进一步加以讨论和证明。
对抚仙湖FXH-B2岩芯沉积物的碳酸盐进行稳定同位素分析(图 7a)表明：1)所有的δ18O和δ13C值均为负值；2)δ18O和δ13C值具有高度的正相关性；3)自约2 cal.ka B. P.以来，δ18O和δ13C值快速向负值方向变化，所测样品其负值分别达到δ18O=- 28.88 ‰和δ13C=- 10.26 ‰。这种同位素值说明，首先，抚仙湖至少在距今约12 ka以来保持淡水性质[1~2, 6]；其次，湖泊保持内流湖泊特征，即为无外流的封闭湖泊状态[6, 40]；第三，碳酸盐δ18O、δ13C最大值的时间段(4.37~2.20 cal.ka B. P.)对应于碳酸盐含量最大值的时段(图 7b)，该段时间湖泊水位最低，气候最为干燥。因此推测，距今2 ka以来，抚仙湖有大量具有极负同位素值水体(降水)的输入，因为如此负的同位素值非一般湖泊沉积碳酸盐(方解石)及(或)在常见水体中形成的碳酸盐物质所具有。另外，抚仙湖为一水质良好的典型高原深水淡水湖泊，近年来由于人类活动的影响，除面积极小的局部(河口)出现少量藻类以外，绝大部分水体中无明显藻类存在，岩芯硅藻分析结果也指示抚仙湖自距今约12 ka以来尽管营养水平有所变化，但一直保持贫营养水平(Li，et al.，2019，待刊资料)。所以，抚仙湖尚未出现如有大量藻类存在从而消耗CO2引起碳酸盐沉积发生变化[41]的情况。岩芯总有机质(TOC)含量与其δ13Corg关系揭示(图 7c)，距今2 ka之前，δ13Corg值较负，TOC含量较高，与湖泊外源有机质输入较高有关；之后，δ13Corg值快速偏正，但含量却快速下降，从δ13Corg值大于- 22 ‰来看，有机质主要以内源为主，但含量很低，与相邻岩芯研究结果一致[27]。
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图 7 抚仙湖FXH-B2岩芯碳酸盐δ18O(点线)、δ13C(十字线)值变化(a)及其与碳酸盐含量(b)和总有机质含量(点线)、有机质δ13C(十字线)变化(c) Fig. 7 The δ18O(dot-line)and δ13C(cross-line)variation of carbonate (a), the carbonate content (b), the total organic content and its δ13Corg (c) of the sediment FXH-B2 from Lake Fuxian |
综合抚仙湖东北部樱花谷附近的地球物理勘探结果(图 8)以及本湖泊沉积年代学结果表明，该处具有水下人类活动遗迹的地区无明显突发性地质构造活动(如地震等引起的滑坡)的影响，应是水位变化的结果。对抚仙湖东北部的地球物理勘探断面上YHG岩芯(图 8，坐标点：24°36′45″N，102°56′38″E)的年代学研究揭示，其沉积底部年代在约2 ka B. P.，与抚仙湖北部湖岸水下12~30 m存在大量侵蚀地形一致(Zhang et al.，2019b，待刊资料)，揭示抚仙湖在2.2 ka B. P.前出现过低于现在水位约30 m和近2000年以来水位上升的事实。这次大幅度的低水位时期，与4.37~2.20 cal.ka B. P.高CaCO3含量、偏正的碳酸盐δ18O、δ13C值时期一致。距今2 ka以来，所研究的位于深水区FXH-B2孔岩芯沉积速率未见增加(参见图 3)，位于近岸平坦浅水区相应时段沉积速率近10倍的YHG岩芯中Ca离子含量与FXH-B2孔岩芯含量几乎相同(Zhang et al.，2019c，待刊资料)，说明水体中Ca离子(碳酸盐)含量十分稳定且一致。湖泊水体3个断面水样地球化学分析结果表明(Zhang et al.，2019d，待刊资料)，水体141个样品分析结果显示K、Na、Ca、Mg这4种元素以Ca和Mg为主，平均含量分别达到27.08 mg/L和25.16 mg/L，阴离子则以HCO3-为主，达2.65 mmol/L，而CO3-2离子含量仅为0.76 mmol/L。这表明，抚仙湖水体中碳酸盐物质以离子状态存在，与现代沉积碳酸盐含量较低(图 7b)相一致。
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图 8 抚仙湖东北部地球物理6-EW断面及沉积 Fig. 8 The geophysical section 6-EW in the NE Lake Fuxian and the sedimentary property |
对抚仙湖中部多点月际水质监测数据显示(Zhang et al.，2019d，待刊资料)，抚仙湖水温随大气温度变化并在水深20 m(8月)至50 m(2月)左右出现温跃层，与此对应，8月在水深20~50 m存在一个pH值降低的过程，2月则在水深45 m左右出现pH下降(张虎才等，2019 a，待刊资料)，这种年际变化的温跃层和pH的变化，可能是抚仙湖碳酸盐形成和沉淀年际变化的主要控制因素。同时，伴随着湖泊温跃层和化跃层的变化，抚仙湖在10月至次年4月降水量极少而蒸发强烈，形成干季，而5月至9月降水较大而且集中，形成湿季，干湿季的变化导致湖泊年际水位波动，因此可以讲区域气候变化是湖泊演化和水位变化的主要动力。这一方面的深入研究乃在进行之中。
以上讨论说明，抚仙湖沉积中以方解石矿物为特征的自生碳酸盐含量，碳酸盐物质形成和沉淀的年际变化主要受大气温度变化引起湖体温跃层和pH的变化，而年际时间尺度以上的碳酸盐沉积，则主要受控于湖泊水位的变化导致碳酸盐饱和度的变化。抚仙湖地处亚热带，当环境条件满足碳酸盐沉淀时，形成以方解石为主的碳酸盐矿物，构成湖泊沉积碳酸盐沉积的主体，区别于其他气候带湖泊，例如青藏高原湖泊碳酸盐沉积[9, 20]。抚仙湖碳酸盐沉积是湖泊蒸发-降水动态平衡变化的敏感指标，记录了过去水位变化的过程。当然，其记录的大尺度、快速的水位变化与大范围区域气候变化的关系，尚需进一步的研究。
基于以上讨论，我们将约12 cal.ka B. P.以来抚仙湖水位和区域气候变化分为4个阶段：
第Ⅰ阶段：深度为296~218 cm(12.04~8.85 cal.ka B. P.)。该阶段CaCO3含量、方解石XRD信号强度与Ca元素扫描强度均相对较低，早期Ⅰ-1 (12.04~10.08 cal.ka B. P.)持续上升，晚期Ⅰ-2 (10.08~8.85 cal.ka B. P.)后趋于平稳，CaCO3含量基本无变化、方解石的XRD信号强度与Ca元素XRF扫描强度有小幅度波动性，总体处于低值。这种变化过程指示抚仙湖水位呈现较高阶段，气候湿润。
第Ⅱ阶段：深度为218~135 cm(8.85~4.37 cal.ka B. P.)。碳酸盐含量、方解石XRD信号强度和Ca元素XRF扫描强度相比第Ⅰ阶段都有所升高，其中碳酸盐含量呈持续上升的趋势，虽然方解石XRD信号强度变化较平缓，但仍有所上升，而Ca元素XRF扫描强度呈波动上升的趋势(这可能与样品和扫描分辨率不同有关)。较第Ⅰ阶段相比，CaCO3含量持续上升，指示湖水水位降低，气候持续干化。
第Ⅲ阶段：深度为135~81 cm(4.37~2.00 cal.ka B. P.)。该阶段可以进一步分为两个阶段。在本文第3.2中已经指出，早期Ⅲ-1 (4.37~2.20 cal.ka B. P.)是抚仙湖全新世以来CaCO3含量以及方解石和Ca元素相对含量最高的一个的阶段，说明当时的湖泊水位处于全新世以来的最低时期。已有的研究表明，全新世时期有多次的短暂的气候变化事件，在此时期有一次全球短暂变冷事件[42]，我国北方约始于5.5 cal.ka B. P.，南方则约开始于4.5 cal.ka B. P.[43~45]。从图 5可以看出在4.37~4.00 cal.ka B. P.时，抚仙湖FXH-2岩芯碳酸盐含量有一个小幅度的降低，方解石XRD信号强度和Ca元素XRF扫描强度也有所下降，与全球短暂变冷事件的时间大体一致[46~51]。晚期Ⅲ-2 (2.2~2.0 cal.ka B. P.)碳酸盐含量、方解石XRD信号强度和Ca元素XRF扫描强度在此阶段均有一个急剧的下降(见3.2节讨论)，说明在约200年的时间内抚仙湖水位急剧上涨。对于本岩芯硅藻组合的研究结果表明，无论是浮游还是底栖种类此阶段均发生了很大的变化(Li，et al.，2019，待刊资料)，这也与有机质稳定同位素研究研究结果相一致并可与相邻研究结果[27]进行对比，指示了抚仙湖流域的古环境、古生态在这一时期经历了快速的变化事件。
第Ⅳ阶段：深度为81.0~2.5 cm(2~0 cal.ka B. P.)，碳酸盐含量、方解石XRD信号强度和Ca元素XRF扫描强度这3个指标均相对较低，为全新世以来的最低时期。该阶段湖水水位较稳定则为全新世以来水位最高的一个时期。在0.5 cal.ka B. P.时，碳酸盐含量、方解石XRD信号强度和Ca元素XRF扫描强度有上升的趋势，湖水水位亦有所下降。
本研究主要针对抚仙湖沉积中碳酸盐物质及其矿物组成和元素相对含量进行系统分析，以揭示喀斯特地区高原湖泊这些指标的特殊性，其结果与FXH-B2孔岩芯北侧2013年FXH-6孔岩芯和本孔岩芯其他指标[25]可以对比。从图 2及前面的讨论可知，抚仙湖流域在晚近时期曾经发生过较为强烈的构造运动(具体时间和影响范围、强度等正在依据地球物理勘探结果和系统测年进行讨论之中)，导致地层沉积厚度出现较大的变化。另外，需要说明的是，本文的数据和结果与本项目其他研究小组发表文章中[52]的年代数据和深度有所不一致，但随着抚仙湖地球物理勘探数据和高精度水下地形数据的解译、本项目团队系统、深入研究成果的总结，这些问题均会有科学而可靠的数据资料发表。
4 结论通过对抚仙湖(FXH-B2)钻孔的矿物组成、碳酸盐含量和Ca元素XRF扫描结果的详细分析，结合岩芯XRF扫描数据和AMS14C年代的测定，探讨了抚仙湖湖泊沉积物中碳酸盐含量与方解石矿物及沉积物Ca元素相对含量之间的关系及其对湖泊水位变化的指示意义，在此基础上重建了抚仙湖全新世以来水位变化的历史。分析结果揭示，抚仙湖FXH-B2孔岩芯碳酸盐含量与方解石的XRD信号强度变化呈显著的正相关关系，并存在很高的相关性(r=0.93、R2=0.87)，同样，方解石的XRD信号强度与Ca元素的XRF扫描数据之间也具有很高的正相关性(r=0.92、R2=0.85)。据此认为抚仙湖沉积物中碳酸盐类物质主要为方解石，方解石则是Ca元素的主要贡献者。抚仙湖沉积物中碳酸盐类物质主要为方解石(其他碳酸盐类矿物，如白云岩、文石等相对含量极微甚至可以忽略不计)；碳酸盐含量与Ca元素相对含量之间极高的相关性指示，抚仙湖沉积中Ca元素主要由碳酸盐含量，即方解石含量决定。沉积物中碳酸盐含量的变化指示了湖泊环境的变化，这种变化过程可以用沉积物中方解石和Ca元素相对含量变化进行表示，使得用湖泊沉积岩芯高分辨率Ca元素XRF扫描数据和沉积物方解石含量的变化重建湖泊演化历史成为可能。以湖泊自生方解石为主的碳酸盐稳定同位素δ18O和δ13C揭示，抚仙湖在距今约12 ka以来为一封闭型淡水湖泊，而有机质含量和δ13C表明，其有机质在2 ka B. P.之前主要来源于外源输入、2 ka B. P.以来则以湖泊内源为主，但相对于抚仙湖巨大的水体而言，内源生物总量很低，不足以影响到碳酸盐(方解石)的沉淀过程，抚仙湖沉积中的碳酸盐含量变化受到以10月至次年4月降水量极少而蒸发强烈为特点的干季和以5月至9月降水为主的湿季所形成的干湿气候变化的动力过程、大气温度变化引起湖体温跃层和pH变化的地球化学过程影响，而年际时间尺度以上的碳酸盐沉积，则主要受控于湖泊水位的变化导致碳酸盐饱和度的变化，指示了湖泊水位和气候变化的历史。重建的抚仙湖距今约12 cal. ka以来的水位主要经历了逐渐下降的过程，其中4.37~2.20 cal.ka B. P.期间湖泊沉积高CaCO3含量、偏正的碳酸盐δ18O、δ13C值指示抚仙湖一度出现低于现代湖面约30 m左右的低水位，这与湖泊北部水下侵蚀地形和湖泊东北部樱花谷附近地球物理和湖泊沉积记录相一致，可能记录了抚仙湖流域极端的干旱时期；2.2~2.0 cal.ka B. P.期间湖泊沉积碳酸盐含量的快速降低、碳酸盐同位素的快速大尺度变负、有机质含量的降低和有机质δ13C值的增加指示了抚仙湖水位经历了快速升高的变化事件，达到现代湖水水位，这可能对抚仙湖流域人类文明的形成和演化产生了重大影响。
致谢: 感谢多位评阅人对本文提出的建议性修改意见；感谢孔兴功教授等，苏怀、董铭副教授和贺蕊同学在样品稳定同位素测定、XRD分析过程中的大力帮助。
| [1] |
Keith M L, Weber J N. Carbon and oxygen isotopic composition of selected limestones and fossils[J]. Geochemica et Cosmochimica Acta, 1964, 28(10-11): 1787-1816. DOI:10.1016/0016-7037(64)90022-5 |
| [2] |
张虎才. 元素表生地球化学特征及其理论基础[M]. 兰州: 兰州大学出版社, 1997: 214-226. Zhang Hucai. The Superficial Elemental Geochemistry and Theoretical Principles[M]. Lanzhou: Lanzhou University Press, 1997: 214-226. |
| [3] |
杨伦庆, 张虎才, 类延斌, 等. 内蒙古西部额济纳古湖小狐山剖面有机质与碳酸盐组成及其古环境意义[J]. 第四纪研究, 2009, 29(2): 256-267. Yang Lunqing, Zhang Hucai, Lei Yanbin, et al. Compostions of the organic matter and carbonate in Xiaohushan section from Ejina Basin, western Inner Mongolia, China and their paleoenvironmental significance[J]. Quaternary Sciences, 2009, 29(2): 256-267. |
| [4] |
姜文英, 吴海斌, 储国强, 等. 内蒙古巴彦查干湖白云石的成因及其环境意义[J]. 第四纪研究, 2010, 30(6): 1116-1120. Jiang Wenying, Wu Haibin, Chu Guoqiang, et al. Origin of dolomite in Lake Bayanchagan, Inner Mongolia and its palaeoclmatic implications[J]. Quaternary Sciences, 2010, 30(6): 1116-1120. DOI:10.3969/j.issn.1001-7410.2010.06.06 |
| [5] |
郭金春, 马海州, 宋恩玉, 等. 湖泊碳酸盐在过去环境变化研究中的应用[J]. 盐湖研究, 2008, 16(2): 66-72. Guo Jinchun, Ma Haizhou, Song Enyu, et al. Applications of lacustrine carbonate in paleoenvironment research[J]. Journal of Salt Lake Research, 2008, 16(2): 66-72. |
| [6] |
Talbod M R. A review of the palaeohydrological interpretation of carbon and oxygen isotopic ratios in primary lacustrine carbonates[J]. Chemical Geology, 1990, 80(4): 261-279. |
| [7] |
蓝江湖, 徐海, 刘斌, 等. 湖泊沉积物中碳酸盐、有机质及其同位素的古气候意义[J]. 生态学杂志, 2013, 32(5): 1326-1334. Lan Jianghu, Xu Hai, Liu Bin, et al. Paleoclimate implications of carbonate, organic matter, and their stable isotopes in lacustrine sediments:A review[J]. Chinese Journal of Ecology, 2013, 32(5): 1326-1334. |
| [8] |
张家武, 王君兰, 郭小燕, 等. 博斯腾湖全新世岩芯沉积物碳酸盐氧同位素气候意义[J]. 第四纪研究, 2010, 30(6): 1078-1087. Zhang Jiawu, Wang Junlan, Guo Xiaoyan, et al. Paleoclimatic significance of oxygen isotope composition of carbonates from a sediment core at Bosten Lake, Xinjiang, China[J]. Quaternary Sciences, 2010, 30(6): 1078-1087. DOI:10.3969/j.issn.1001-7410.2010.06.02 |
| [9] |
顾兆炎, 刘嘉麒, 袁宝印, 等. 12000年来青藏高原夏季风变化——色林错沉积物地球化学的证据[J]. 科学通报, 1993, 38(1): 61-64. Gu Zhaoyan, Liu Jiaqi, Yuan Baoyin, et al. The summer monsoon changes during last 12, 000 yr on the Tibetan Plateau-Geochemistry evidence from Silin Co sediment[J]. Chinese Science Bulletin, 1993, 38(1): 61-64. DOI:10.3321/j.issn:0023-074X.1993.01.018 |
| [10] |
倪振宇, 王永波, 刘兴起. 青藏高原北部库赛湖自生碳酸盐稳定同位素记录的晚全新世气候组合特征[J]. 第四纪研究, 2016, 36(4): 961-969. Ni Zhenyu, Wang Yongbo, Liu Xingqi. Late Holocene climatic combination on the northern Tibetan Plateau based on stable isotope analysis of authigenic carbonate from Kusai Lake[J]. Quaternary Sciences, 2016, 36(4): 961-969. |
| [11] |
Haug G, Hughen K, Sigman D, et al. South ward migration of the Intertropical Convergence Zone through the Holocene[J]. Science, 2001, 293(5533): 1304-1308. DOI:10.1126/science.1059725 |
| [12] |
Weltje G J, Tjallingii R. Calibration of XRF core scanners for quantitative geochemical logging of sediment cores:Theory and application[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2008, 274(3-4): 423-438. DOI:10.1016/j.epsl.2008.07.054 |
| [13] |
Hanebuth T, Henrich R. Recurrent decadal-scale dust events over Holocene Western Africa and their control on canyon turbidite activity(Mauritania)[J]. Quaternary Science Reviews, 2009, 28(3-4): 261-270. DOI:10.1016/j.quascirev.2008.09.024 |
| [14] |
成艾颖, 余俊清, 张丽莎, 等. XRF岩芯扫描分析方法及其在湖泊沉积研究中的应用[J]. 盐湖研究, 2010, 18(2): 7-13. Cheng Aiying, Yu Junqing, Zhang Lisha, et al. XRF core scanning and applications on lake sediments[J]. Journal of Salt Lake Research, 2010, 18(2): 7-13. |
| [15] |
雷国良, 张虎才, 常凤琴, 等. 湖泊沉积物XRF元素连续扫描与常规ICP-OES分析结果的对比及校正——以兹格塘错为例[J]. 湖泊科学, 2011, 23(2): 287-294. Lei Guoliang, Zhang Hucai, Chang Fengqin, et al. Comparison and correction of element measurement in lacustrine sediments using X-ray fluorescence core-scanning with ICP-OES method:A case study of Zigtang Co[J]. Journal of Lake Sciences, 2011, 23(2): 287-294. |
| [16] |
庞红丽, 高红山, 刘晓鹏, 等. 河流沉积物原位XRF岩芯扫描结果定量估算的初步研究[J]. 第四纪研究, 2016, 36(1): 237-246. Pang Hongli, Gao Hongshan, Liu Xiaopeng, et al. Preliminary study on calibration of X-ray fluorescence core scanner for quantitative element records in the Yellow River sediments[J]. Quaternary Sciences, 2016, 36(1): 237-246. |
| [17] |
陈宇亮, 郑洪波. XRF岩芯扫描在第四纪沉积物研究中的应用[J]. 海洋地质前沿, 2014, 30(4): 51-59. Chen Yuliang, Zheng Hongbo, et al. The application of XFR core scanning to Quaternary sediments[J]. Marine Geology Frontiers, 2014, 30(4): 51-59. |
| [18] |
何超, 朱丽东, 彭淑贞, 等. 西峰风尘堆积的伊利石结晶度及古环境指示[J]. 第四纪研究, 2017, 37(2): 393-401. He Chao, Zhu Lidong, Peng Shuzhen, et al. Paleoenvironmental significance of illite crystallinity in Xifeng eolian dust deposits[J]. Quaternary Sciences, 2017, 37(2): 393-401. |
| [19] |
张伟, 彭淑贞, 丁敏, 等. 黄土高原黄土沉积伊利石结晶度的时空变化特征[J]. 第四纪研究, 2018, 38(2): 289-296. Zhang Wei, Peng Shuzhen, Ding Min, et al. The spatial-temporal variation of illite crystallinity of loess deposits in the Chinese Loess Plateau[J]. Quaternary Sciences, 2018, 38(2): 289-296. |
| [20] |
顾兆炎, 刘嘉麒, 袁宝印, 等. 湖相自生沉积作用与环境——兼论西藏色林错沉积物记录[J]. 第四纪研究, 1994(2): 162-174. Gu Zhaoyan, Liu Jiaqi, Yuan Baoyin, et al. Lacustrine authigenic deposition expressive of environment and the sediment record from Siling Co, Xizang(Tibet), China[J]. Quaternary Sciences, 1994(2): 162-174. DOI:10.3321/j.issn:1001-7410.1994.02.010 |
| [21] |
杨波, 刘兴起, 王永波. 湖泊沉积物碳酸盐含量的XRD半定量分析[J]. 湖泊科学, 2014, 26(4): 637-640. Yang Bo, Liu Xingqi, Wang Yongbo. XRD semi-quantitative analysis of carbonate content in lake sediments[J]. Journal of Lake Sciences, 2014, 26(4): 637-640. |
| [22] |
齐文, 郑绵平. 西藏扎布耶湖ZK91-2钻孔沉积特征与气候环境演化[J]. 湖泊科学, 1995, 7(2): 133-140. Qi Wen, Zheng Mianping. Sedimentary characteristics of ZK91-2 core and climate-environment evolution of Zabuye Lake, Tibet Plateau[J]. Journal of Lake Sciences, 1995, 7(2): 133-140. |
| [23] |
张世涛, 宋学良, 张子雄, 等. 星云湖表层沉积物矿物组成及其环境意义[J]. 地球科学进展, 2003, 18(6): 929-932. Zhang Shitao, Song Xueliang, Zhang Zixiong, et al. The changing of mineral composition and environmental significance in surface sediments of Xingyun Lake[J]. Advance in Earth Sciences, 2003, 18(6): 929-932. |
| [24] |
曾海鳌, 吴敬禄. 近50年来抚仙湖重金属污染的沉积记录[J]. 第四纪研究, 2007, 27(1): 128-132. Zeng Haiao, Wu Jinglu. Recent fifty-year sediment record of heavy metal pollution in the Fuxian Lake[J]. Quaternary Sciences, 2007, 27(1): 128-132. DOI:10.3321/j.issn:1001-7410.2007.01.016 |
| [25] |
王小雷, 杨浩, 顾祝军, 等. 抚仙湖沉积物重金属垂向分布及潜在生态风险评价[J]. 地球与环境, 2014, 42(6): 764-772. Wang Xiaolei, Yang Hao, Gu Zhujun, et al. Vertical distribution and potential ecological risk assessment of heavy metals in sediment cores of Lake Fuxian[J]. Earth and Environment, 2014, 42(6): 764-772. |
| [26] |
燕婷, 刘恩峰, 张恩楼, 等. 抚仙湖沉积物重金属时空变化与人为污染评价[J]. 湖泊科学, 2016, 28(1): 50-58. Yan Ting, Liu Enfeng, Zhang Enlou, et al. The spatio-temporal variations of heavy metals in the sediment of Lake Fuxian and the contamination assessment[J]. Journal of Lake Sciences, 2016, 28(1): 50-58. |
| [27] |
刘颖, 孙惠玲, 周小娟, 等. 过去5000 a以来抚仙湖沉积物有机质碳同位素的古环境指示意义[J]. 湖泊科学, 2017, 29(3): 722-729. Liu Ying, Sun Huiling, Zhou Xiaojuan, et al. Paleoenvironmental significance of organic carbon isotope in lacustrine sediments in Lake Fuxian during the past 5 ka[J]. Journal of Lake Sciences, 2017, 29(3): 722-729. |
| [28] |
高伟, 陈岩, 徐敏, 等. 抚仙湖水质变化(1980-2011年)趋势与驱动力分析[J]. 湖泊科学, 2013, 25(5): 635-642. Gao Wei, Chen Yan, Xu Min, et al. Trend and driving factors of water quality change in Lake Fuxian(1980-2011)[J]. Journal of Lake Sciences, 2013, 25(5): 635-642. |
| [29] |
姚波, 刘青泉, 胡春明, 等. 抚仙湖水体中磷的分布特征及其影响因素[J]. 科技导报, 2017, 35(3): 66-71. Yao Bo, Liu Qingquan, Hu Chunming, et al. Distribution characteristics of phosphorus in the water of Lake Fuxian and its influencing factors[J]. Science & Technology Review, 2017, 35(3): 66-71. |
| [30] |
胡晓英, 王杰, 曹言, 等. 2008-2014年抚仙湖水质变化特征[J]. 人民珠江, 2018, 39(5): 1-7. Hu Xiaoying, Wang Jie, Cao Yan, et al. The variation characteristics of water quality in the upper water column of Lake Fuxian from the year of 2008 to 2014[J]. Pearl River, 2018, 39(5): 1-7. |
| [31] |
卢慧斌, 陈光杰, 陈小林, 等. 上行与下行效应对浮游动物的长期影响评价——以滇池与抚仙湖沉积物象鼻溞(Bosmina)为例[J]. 湖泊科学, 2015, 27(1): 67-75. Lu Huibin, Chen Guangjie, Chen Xiaolin, et al. The long-term effects of bottom-up and top-down forcing on zooplankton:An example from sedimentary bosminid records of Lake Dianchi and Lake Fuxian[J]. Journal of Lake Sciences, 2015, 27(1): 67-75. |
| [32] |
宋媛媛, 冯慕华, 苏争光, 等. 抚仙湖不同来源沉积物磷形态垂向分布特征[J]. 环境科学学报, 2013, 33(9): 2579-2589. Song Yuanyuan, Feng Muhua, Su Zhengguang, et al. Vertical distribution of chemical speciation of phosphorus in sediments from different sources of Fuxian Lake[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2013, 33(9): 2579-2589. |
| [33] |
张永东, 苏雅玲, 刘正文, 等. 抚仙湖近现代沉积物中长链支链烷烃和环烷烃的检出及可能的环境意义[J]. 科学通报, 2014, 59(8): 656-667. Zhang Yongdong, Su Yaling, Liu Zhengwen, et al. Long-chain branched/cyclic alkanes in recent sediment of Lake Fuxian and their environmental implications[J]. Chinese Science Bulletin, 2014, 59(11): 1139-1150. |
| [34] |
中国科学院南京地理与湖泊研究所. 抚仙湖[M]. 北京: 海洋出版社, 1990: 1-285. Nanjing Institute of Geography & Limnology, Chinese Academy of Sciences. Lake Fuxian[M]. Beijing: China Ocean Press, 1990: 1-285. |
| [35] |
郑建萌, 黄玮, 陈艳, 等. 云南极端气象干旱指标的研究[J]. 高原气象, 2017, 36(4): 1039-1051. Zheng Jianmeng, Huang Wei, Chen Yan, et al. Study on meteorological extreme-drought index for Yunnan Province[J]. Plateau Meteorology, 2017, 36(4): 1039-1051. |
| [36] |
阳亚平, 马雪洋, 王林, 等. 湖泊沉积物碳酸盐含量3种测定方法的比较[J]. 湖泊科学, 2016, 28(4): 917-924. Yang Yaping, Ma Xueyang, Wang Lin, et al. Evaluation of three methods used in carbonate content determination for lacustrine sediments[J]. Journal of Lake Sciences, 2016, 28(4): 917-924. |
| [37] |
Menking K M, Bischoff J L, Fitzpat Rick J A, et al. Climatic/hydrologic oscillations since about 155000 yr B. P. at Owens Lake, California, reflected in abundance and stable isotope composition of sediment carbonate[J]. Quaternary Research, 1997, 48(1): 58-68. DOI:10.1006/qres.1997.1898 |
| [38] |
金章东. 湖泊沉积物的矿物组分、成因、环境指示及研究进展[J]. 地球科学与环境学报, 2011, 33(1): 34-44. Jin Zhangdong. Composition, origin and environmental interpretation of minerals in lake sediments and recent progress[J]. Journal of Earth Sciences and Environment, 2011, 33(1): 34-44. DOI:10.3969/j.issn.1672-6561.2011.01.005 |
| [39] |
贾红娟, 汪敬忠, 秦小光, 等. 罗布泊地区晚冰期至中全新世气候特征及气候波动事件[J]. 第四纪研究, 2017, 37(3): 510-521. Jia Hongjuan, Wang Jingzhong, Qin Xiaoguang, et al. Climate and abrupt events record in the Lop Nur region from Late Glacial to the Middle Holocene[J]. Quaternary Sciences, 2017, 37(3): 510-521. |
| [40] |
Adam M Hudson, Jay Quade, Guleed Ali, et al. Stable C, O and clumped isotope systematics and14C geochronology of carbonates from the Quaternary Chewaucan closed-basin lake system, Great Basin, USA:Implications for paleoenvironmental reconstructions using carbonates[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2017, 212: 274-302. DOI:10.1016/j.gca.2017.06.024 |
| [41] |
孙青, 单雅冰, Sein K, 等. 缅甸Twintaung玛珥湖碳酸盐年纹层及100年来微区原位元素分析[J]. 科学通报, 2015, 60(11): 1038-1047. Sun Qing, Shan Yabing, Sein K, et al. Carbonate varves and minor element variations during the past 100 years in Maar Lake Twintaung, Myanmar[J]. Chinese Science Bulletin, 2015, 60(11): 1038-1047. |
| [42] |
吴文祥, 郑洪波, 侯梅, 等. 5.5 cal ka BP气候变化、人口增长、条件限制与中国史前复杂社会产生[J]. 中国科学:地球科学, 2018, 48(2): 138-151. Wu Wenxiang, Zheng Hongbo, Hou Mei, et al. The 5.5 cal ka BP climate event, population growth, circumscription and the emergence of the earliest complex societies in China[J]. Science China:Earth Sciences, 2018, 48(2): 138-151. |
| [43] |
刘思丝, 黄小忠, 强明瑞, 等. 孢粉记录的青藏高原东北部更尕海地区中晚全新世植被和气候变化[J]. 第四纪研究, 2016, 36(2): 247-256. Liu Sisi, Huang Xiaozhong, Qiang Mingrui, et al. Vegetation and climate change during the mid-Late Holocene reflected by the pollen record from Lake Genggahai, northeastern Tibetan Plateau[J]. Quaternary Sciences, 2016, 36(2): 247-256. |
| [44] |
张贵林, 周新郢, 赵克良, 等. 沙漠/黄土过渡带6 ka B. P.以来气候环境变化及其对人类活动的影响[J]. 第四纪研究, 2018, 38(4): 874-886. Zhang Guilin, Zhou Xinying, Zhao Keliang, et al. Climate and environment change of desert/loess transition zone and its impact on prehistoric human activities since 6 ka B. P.[J]. Quaternary Sciences, 2018, 38(4): 874-886. |
| [45] |
牛蕊, 周立旻, 孟庆浩, 等. 贵州草海南屯泥炭记录的中全新世以来的气候变化[J]. 第四纪研究, 2017, 37(6): 1357-1369. Niu Rui, Zhou Limin, Meng Qinghao, et al. The paleoclimate variations of the Nantun peat in the Caohai area since the Middle Holocene[J]. Quaternary Sciences, 2017, 37(6): 1357-1369. |
| [46] |
Dykoski C A, Edwards R L, Cheng H, et al. A high-resolution, absolute-dated Holocene and deglacial Asian monsoon record from Dongge Cave, China[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2005, 233(1-2): 71-86. DOI:10.1016/j.epsl.2005.01.036 |
| [47] |
Shen J, Liu X, Wang S, et al. Palaeoclimatic changes in the Qinghai Lake area during the last 18000 years[J]. Quaternary International, 2005, 136(1): 131-140. DOI:10.1016/j.quaint.2004.11.014 |
| [48] |
Hu C, Henderson G M, Huang J, et al. Quantification of Holocene Asian monsoon rainfall from spatially separated cave records[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2008, 266(3-4): 221-232. DOI:10.1016/j.epsl.2007.10.015 |
| [49] |
Cai Y, Zhang H, Cheng H, et al. The Holocene Indian monsoon variability over the southern Tibetan Plateau and its teleconnections[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2012, 335-336: 135-144. DOI:10.1016/j.epsl.2012.04.035 |
| [50] |
申改慧, 丁国强, 阳小兰, 等. 白洋淀地区全新世以来的气候环境变化[J]. 第四纪研究, 2018, 38(3): 756-768. Shen Gaihui, Ding Guoqiang, Yang Xiaolan, et al. Holocene climate and environmental change in the Baiyangdian area[J]. Quaternary Sciences, 2018, 38(3): 756-768. |
| [51] |
罗文磊, 常洁, 孙伟伟, 等. 过去约8000年来程海摇蚊组合记录的气候与环境变化[J]. 第四纪研究, 2018, 38(4): 864-873. Luo Wenlei, Chang Jie, Sun Weiwei, et al. A 8000-year climate and environmental record inferred from subfossil chironomids from Chenghai Lake, Southwestern China[J]. Quaternary Sciences, 2018, 38(4): 864-873. |
| [52] |
孙启发, 沈才明, 王敏, 等. 云贵高原抚仙湖近13300年的花粉/炭屑记录[J]. 古生物学报, 2018, 57(2): 249-259. Sun Qifa, Shen Caiming, Wang Min, et al. Pollen/Charcoal record over the past 13300 years from Fuxian Fuxian Lake in the Ynnna-Guizhou Plateau[J]. Acta Palaeontologica Sinica, 2018, 57(2): 249-259. |
,
Zhang Hucai1,2
,
Cai Meng1,
Chang Fenqin2,
Hu Jingjiu1,
Duan Lizeng2,
Zhang Longwu1,
Zhang Yang1
2 Key Laboratory of Plateau Lake Ecology and Environment Change, Institute of Plateau Lake Ecology and Pollution Management, School of Resource Environment and Earth Science, Yunnan University, Kunming 650504, Yunnan)
Abstract
Lake Fuxian(24°21'13"~24°37'57"N, 102°49'14"~102°57'33"E) is one of the deepest inland large lakes in China. In this paper, the carbonate contents, calcite mineral compositions by XRD and element Ca by XRF on the core FXH-B2 drilling from southern center of the lake was analyzed, . The studied core FXH-B2, located at 24°24'57.48"N, 102°52'06.24"E is 296 cm long. Combing with the chronology established by 9 14C dates using AMS 14C dating method, stable isotope analyses on carbonate and organic matters and geophysical data, the contents of carbonate and calcite minerals and element Ca, and their relationships, the significances to reveal water level fluctuations were discussed. Based on these discussions, the water level change history of Lake Fuxian since the last ca. 12 ka was reconstructed. It was calculated that the studied core had a sedimentation rate of 0.24 mm/a. The analysis results show that there is a high correlation between carbonate content and the XRD signal strength of calcite(R2=0.87) and XRF scanning data of sediment Ca elements(R2=0.85). The carbonate in the sediments of Lake Fuxian are composed of mainly calcite(the relative content of other carbonate minerals is low or even negligible). The high correlations between carbonate contents, the calcite contents and the relative content of Ca element indicate that in Fuxian Lake sedimentation the Ca element mainly come from calcite. Therefore, their contents were determined by the content of carbonate. Changes in carbonate content in sediments can be expressed by the results of XRF results of Ca elements in sediments. Because Lake Fuxian is located in the subtropical monsoon climate zone, dry and wet oscillations of the climate control the main process of lake evolution process, the lake sedimentary proxies, such as the Ca element, and or carbonate and calcite contents mainly reveal the water level change history in the past. Based on this assumption, the reconstructed lake water level changes during last 12 ka demonstrates a gradual decrease 12.04 cal.ka B. P. to 2.20 cal.ka B. P. During this processes, the high CaCO3 content, more positive δ18O and δ13C values reveal a lowest lake water level period between 4.37~2.20 cal.ka B. P., during this period the water level decreased by ca. 30 m, indicating a driest event since 12 ka B. P. This water level decrease is further conformed by the geophysical measurement results in the northeastern of the lake where the underwater human relics was found and the subwater landscape measured erosion features. An abrupt water level rising occurred between 2.2~2.0 cal.ka B. P. and reached the level almost continuous to the present. This abrupt raise of the water level might influence the human activities in the area that need further study.