2019, Vol.39
2 南京大学, 表生地球化学教育部重点实验室, 江苏 南京 210023;
3 南京大学, 内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室, 江苏 南京 210023)
太湖是中国第三大淡水湖泊，水域面积2338.1 km2，湖岸线全长393.2 km，最大宽度65 km，该地区盛行季风气候，属温和湿润的亚热带，因其生态环境优良，成为集农业耕种、渔副养殖、水上运输和旅游观光等为一体的重要资源要地。太湖地处中国的经济文化中心，位于上海、南京、杭州三大城市中间，交通便利，也是中国开展地质研究较早的区域。太湖湖盆面积大、水量充沛，但平均水深仅1.89 m，最大水深3.0 m，是一个碟型展布的湖盆[1~2]。关于太湖形成的时间和成因一直备受关注，有潟湖说[3~5]、河道淤塞扩充说[1]、构造成湖说[6~7]、陨石撞击说[8~11]等，至今仍没定论。对于太湖演化过程中是否遭遇过海侵[12]以及东西太湖何时连通[13]等问题，也存在争议。
现代太湖的形成记录全新世以来中国环境气候的多次变化，这个时期也是古人类文明发展关键时期[1, 12]，因此，对太湖平原全新世地层的深入研究具有非常重要的文化和科学意义。先前对太湖研究大多时间跨度大，近百万年，而对全新世近万年的现代太湖演化研究精度不够[3~6]；而近几十年来，有大量文献进行太湖流域全新世地层的横、纵向对比，特别是东、西太湖钻孔资料取得不少新认识[2, 13]，认为在2~4 ka B. P.期间，东西太湖才开始联通[1, 13]；近十年来，不少基于孢粉的研究也对太湖全新世的气候和环境演化进行了较为精细的重建，认为太湖平原在8.0~4.0 ka B. P.期间为最大暖湿期[14~17]，与全国各地全新世时期气温及降雨变化特征一致[18~21]。
本课题组的前期研究发现，太湖地区普遍发育着一层富含铁质结核的泥质粉砂层[11]，该层位在前人的研究中也有提及，将其描述为“含有铁锰结核的粉砂粘土级沉积”，前人认为该富铁质结核系是湖盆底部更老地层(硬黄土层)中淘洗出来的富集的结核，或水体变浅形成的氧化环境所致的结核产物[1, 22~24]，但对该结核的成因没有进行深入的成因矿物学研究。本课题组前期工作主要集中在富铁质结核的矿物成因方面，本文对地层的沉积学特征进行研究，旨在探讨东西太湖的何时联通、大水面何时形成等问题。
沉积物的粒度变化特征是地层中最基础最主要的特征，粒度测试便利，变化规律性强，是地层研究的一个重要研究内容。沉积物粒度因受生物扰动、早期成岩等作用影响小，其变化可以反映沉积物沉积时的古环境和古气候的状态[25~26]，以及沉积区当时的水动力条件[22]、气候变化[27]、地质事件[28]等多方面的信息。总有机碳(Total Organic Carbon，简称TOC)含量是沉积物中有机物的碳元素占沉积整体元素总量的百分比，可以反映沉积时期生物量的多少以及氧化还原环境条件[29]。较之海洋沉积记录所揭示的大尺度、大区域的古气候、古环境背景，湖泊沉积物中的TOC含量能极为敏感地反映小尺度的气候变化，为精确研究区域环境、区域高分辨率古气候重建提供了一个良好的途径[30]。沉积物中的质量磁化率是指在外加磁场作用下，沉积物中磁性矿物被磁化的难易程度，可以反映磁性矿物的含量。粘土级粘滞性颗粒是风化层、土壤等沉积物的质量磁化率的主要贡献者，主要受气候和降雨影响，因此质量磁化率在一定程度上可以反映沉积时期的气候和降雨量[31]，所以，在沉积物特征分析中，常与TOC含量一起综合考虑。
本文针对太湖湖底全新世硬黄土以上的沉积地层剖面，以太湖西山岛YLL1孔沉积物为研究对象，结合太湖多个点位地层研究的新认识，以粒度为主的沉积特征为基础，结合TOC含量、质量磁化率、元素相对含量以及AMS 14C测年结果等多个参数，对太湖全新世沉积地层进行分析，特别是中段标志性泥质沉积层的沉积特征，来探讨太湖的湖盆演化史。
1 实验与方法 1.1 研究地点和方法太湖局部地区的清淤工程或局部湖边围湖取土工程使得太湖底部沉积层得以出露，有利于沉积剖面的观察和样品的采集。本研究遍及太湖及其周边区域(30°55′~31°33′N，119°52′~120°36′E)，分别对西山岛、苏州湾、平台山、石湖等地进行野外踏勘和局部点位取样(见图 1)。本文主要分析讨论YLL1孔的测试数据，YLL1孔位于江苏省苏州市太湖西山岛的衙甪里村(Yaluli)附近的靠近岸边的湖底位置(31°07′34″N，120°13′52″E；海拔高度-2 m)。YLL1孔采用U型探槽获取剖面孔，取芯的方式是去除探槽垂直剖面上的表面浮土后，用50 cm长的U型方管，嵌入垂直地层剖面(图 2)，然后取下U型方管，用保鲜膜密封，YLL1孔取芯全长4 m，回到实验室后按1 cm为间隔分样保存样品，共400份小样。
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图 1 太湖取样点位置图 Fig. 1 Sampling location map in Taihu Lake area |
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图 2 太湖西山岛衙甪里湖底地层剖面野外照片(a，c)及YLL1孔地层柱状图(b) Fig. 2 The field picture(a, c)of lakebed strata section near Yaluli(YLL)Village of Xishan island of Taihu Lake and the stratum column diagram (b) of the core YLL1 |
样品测试包括粒度、TOC含量、质量磁化率、AMS 14C测年以及X射线荧光光谱分析(XRF)测试等内容。其中粒度、TOC含量、质量磁化率及XRF的测定均在南京大学表生地球化学教育部重点实验室完成，AMS 14C测年则委托美国迈阿密州的Beta实验室进行。
粒度测试中对于粒径小于2000 μm的沉积物组分，采用英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪进行测试，该仪器粒径分析范围为0.02~2000 μm，粒径分辨率为0.1 ϕ，重复测量误差不超过1 %。测试时针对全孔每隔4 cm取一个样品，粒度变化较大处再按每2 cm进行加密采样，共取样品108个。为避免碳酸盐胶结物以及有机质对测试产生影响，测试前对样品进行常规预处理[26]。粒径测量结果以0.25 ϕ的粒径间距输出- 1~16 ϕ粒径区间的颗粒的百分比含量，并按照矩算法数学公式[32~35]计算平均粒径(Mz)、分选系数(SO)、偏度(SkI)、峰度(KG)等4个粒度参数，其中小于- 1 ϕ的部分因为含量极少(仅少数样品中偶见几颗)不参与统计。
TOC含量测试采用Costech ECS 4024 CHNSO元素分析仪测定，该仪器基于杜马分析法对有机元素进行分析，精准度可达0.1 %。取样时针对全孔，每隔5 cm取一个样，共取样76个。测试前，为避免无机碳(以碳酸盐为主)对测试结果产生影响，对样品进行如下处理：1)取1~2 g样品充分碾磨，并用200目的筛子进行筛选以剔除较大颗粒；2)取经筛选后的样品加入锥形管中，称重并记录样品的质量；3)加入过量的浓度为0.1 mol/L的盐酸，浸泡至不产生气泡，倒掉上清液，烘干；4)称量样品并记录反应后样品质量，计算得出样品减少的质量(碳酸盐质量)；5)称取烘干后的样品5~10 mg，并用锡箔纸包裹好。测试结果是将碳酸盐质量代入后重新计算得到有机碳在原始样品中的所占比重。
XRF测试采用南京大学表生教育部重点实验Avaatech XRF岩芯扫描仪进行测试，详细仪器参数及测试流程见陈宇亮[36]论文。数据中Ar值可用来评估测试数据的可靠性，即仪器的Ar值为正值，是仪器误差所致。数据中186 cm处Ar值为正237，复制185 cm处数据代替186 cm数据。Fe元素值中92~140 cm处数据仪器测量有误，取平滑值代替。
14C测年实验所用仪器是型号为250 Kev NEC单载台粒子加速器(AMS)，测试精度达0.3 ‰。因地层泥质样品中有机碳含量较低，故选取中间层位有机碳含量较高的4个点位的样品进行AMS 14C测年。测试前对样品进行酸解处理以去除碳酸盐类矿物，之后将筛选出的有机物充分燃烧，使其中的C元素转化为CO2，再通过使生成的CO2碳化的方式，经AMS计数法测得同位素相对含量。测试结果为AMS 14C测年数据及日历校正年龄。考虑到与前人的文献对比讨论，本文主要采用AMS 14C测年年龄，用a B. P.或ka B. P.为单位。
质量磁化率测试实验采用英国Bartington公司MS2型便携式双频磁化率仪进行，最高分辨率达2×10-6 SI。测试前对样品进行除湿步骤预处理，用烘箱40 ℃以下恒温烘干或在密封室内自然风干并磨碎，测试时称重10 g置于无磁性聚苯乙烯塑料盒，选取低频0.470 kHz和高频4.70 kHz，分别测定其低频磁化率和高频磁化率，最后通过计算每g样品中的低频磁化率，得到样品的质量磁化率。
2 结果与分析 2.1 YYL1孔沉积剖面野外特征太湖西山岛衙甪里(YLL)村附近的湖边围湖取土工程使得太湖底部沉积层得以出露。图 2a是太湖西山岛衙甪里村太湖湖底的地层剖面，围湖取土工程暴露了湖底地层，表面是围湖抽水几年后已长植物的太湖湖底(2018年取土工程结束，湖水已倒灌)，横切面是挖土机的挖掘面；图 2b为YLL1孔的地层柱状图；图 2c上下分别为YLL1孔0~50 cm和150~200 cm深处的U型管取样野外照片。野外观察显示太湖西山岛附近的湖底地层从颜色、产状、层理上大致分为3层(图 2b)：底部以黄褐色粉砂为主，无明显层理；中部为粘性较大的青灰色粘土，具水平层理，含有毫米级富铁质小球粒，偶尔见块状或管状铁质结核；上部沉积以粒度较粗的粉砂和砂为主。
2.2 YYL1孔沉积物特征参数随深度的变化特征根据YLL1孔样品沉积特征参数数据结果，绘得YLL1孔沉积特征综合柱状图(图 3)。以下介绍平均粒径、粒度分布、分选系数、偏度、峰度等粒度参数特征以及AMS 14C测年数据、TOC含量、质量磁化率、元素含量等随深度的变化特征。
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图 3 太湖西山岛YLL1沉积特征综合柱状图 Fig. 3 Composite columnar section of depositional characteristics of the core YLL1 near Xishan island of Taihu Lake |
粒度特征参数：粒度特征参数包括平均粒径、粒度分布、分选系数、偏度、峰度。图 3中根据Udden-Wentworth分级标准，将沉积物颗粒按照粒径分为4个粒级：砾(< - 1 ϕ)、砂(- 1~4 ϕ)、粉砂(4~8 ϕ)和粘土(＞8 ϕ)。从图 3中可以看出太湖YLL1孔沉积平均粒径偏细(5~8 ϕ)，最粗粒径不低于5.5 ϕ(细沙)，显示为湖相的沉积。沉积颗粒以粉砂为主(60 % ~80 %)，含一定成分的粘土(10 % ~40 %)，砂质含量极少(＜5 %)。整体分选较好，分选系数SO集中在1.0~1.5之间，接近1，沉积物粒度偏度都小于0(细偏)，粒度峰度值集中在1附近。同时，从纵向上，153~231 cm处沉积粒度变化最小，随沉积深度无明显波动，稳定在7.5 ϕ左右，0~153 cm段沉积粒度随深度变化最为明显。
AMS 14C测年结果：在对YLL1孔的AMS 14C测年试验中，共测得4个不同深度样品的年龄，分别为：孔深139 cm年龄10230±30 a B. P.、159 cm年龄8490±30 a B. P.、227 cm年龄7320±30 a B. P.以及251 cm测年结果7450±30 a B. P.。上覆地层139 cm和159 cm处年龄出现倒转，测年数据与沉积层位的深度存在矛盾，后文将进行讨论。
TOC含量：YLL1孔整体TOC含量小于1 %，在273~400 cm处稳定在0.2 %的低值；231~273 cm小幅增加；从231 cm开始增幅较大，153~231 cm之间出现多次大幅增加，至153 cm又突然减小；在20~153 cm再次趋于稳定低值；0~20 cm有一个小幅增加，应该与现代生物作用相关。
质量磁化率：总体质量磁化率与TOC含量数据存在一致性，230~400 cm沉积段中维持在约10.0×10-8 m3/kg的低值，至231 cm处，升高近两倍至21.0×10-8 m3/kg，其间在150~160 cm段出现小幅下降，但在150 cm再次回升并稳定在一个较高值。
元素含量：XRF扫描测试的多个元素中，选择了Al、Si、K、Ca和Fe这5种变化比较明显的元素，根据XRF元素扫描仪所得计数强度(cps)绘制元素相对含量随深度的变化图(图 4)。从图 4中可以看出，YLL1孔沉积中元素K、Ca元素强度也呈现为典型的三段式变化，Ca元素强度在0~153 cm最大，153~230 cm有所降低，而在230 cm以下为最小且波动不大，三段阶梯非常明显；K元素强度在30~153 cm处强度值较高，中段153~230 cm达最高值，在230 cm左右以下强度有明显下降，为最低值。Si元素强度在中上段相对较小且较为平稳，而在约230 cm处出现明显增大；Al的元素强度在230 cm处也有显著下降。Fe元素强度在153~230 cm段是最大值，在230~400 cm段波动较大，相对含量较低。
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图 4 太湖YLL1孔沉积物中XRF扫描Al、Si、K、Ca和Fe元素含量随深度的变化剖面图 Fig. 4 XRF scanning element content profiles of Al, Si, K, Ca and Fe along the depth in sediments of the core YLL1 of Taihu Lake |
根据太湖YLL1孔沉积特征数据，包括沉积物粒度参数、TOC含量、质量磁化率、元素含量等随深度的变化特征，不难发现这些数据以153 cm处和231 cm处为界，其上下发生较大的变化(图 3和4)，据此将其沉积层分为3个沉积段，分别是0~153 cm为上段、153~231 cm为中段以及231~400 cm为下段(图 3和表 1)。以下将对各段沉积特征参数的平均值进行分述，并进行各段之间的比较。
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表 1 太湖YLL1孔沉积物特征参数表 Table 1 Sedimentary characteristic parameters of the core YLL1 of Taihu Lake |
下段(400~231 cm)：此段沉积物粒径介于上段和中段之间，平均粒径(Mz)平均值为6.91 ϕ，成分以粉砂为主，平均含量达67.80 %，含部分粘土，平均含量30.88 %；分选系数平均值为1.35，介于中段和下段两者之间。该段TOC含量平均为0.36 %，在三段中最低，质量磁化率平均为9.89×10-8 m3/kg，远低于上面两段。并且在元素分布上，Fe、K、Ca含量明显低于上两段，Si含量明显增大。该段上部(231~273 cm)沉积特征与下部(273~400 cm)稍有差异，TOC含量小幅增高(平均含量0.58 %)，泥质含量增加(平均35.85 %)；粒度随深度有小幅波动变化。
中段(231~153 cm)：中段沉积物粒度是整个孔沉积物颗粒中最细的，并且均一，平均粒径(Mz)平均值为7.65 ϕ，粘土级泥质平均含量高达(48.78 %)，高于下段和上段；从231 cm至153 cm处，粒径随深度几乎无变化，平均粒径标准偏差仅为0.13，远低于上、下两段，比下段(0.38)小3倍，比上段(0.70)小6倍，有显著的差别；具有最好的分选，平均值为1.32，偏度接近0(平均为- 0.18)。中段TOC含量平均含量为0.78 %，明显高于上段与下段，且有着整个孔段沉积中最高的TOC含量点(1.65 %)。除此之外，该段质量磁化率(平均19.41×10-8 m3/kg)以及K、Fe、Al等元素含量也达全段最高，Si含量则为全段最低。直至163 cm到153 cm，平均粒径先是减小随后持续增大(具有逆粒序层理)，且偏度、TOC等参数在该段出现波动，质量磁化率出现一个异常低值点。
上段(0~153 cm)：上段沉积物特征变化波动最为明显，粒径平均值为6.29 ϕ，为各段沉积中最粗的一段，且粒径波动范围(5.46~7.24 ϕ)也最大，平均粒径标准偏差为0.70，系全孔最大，沉积颗粒以粉砂和砂为主，且有全段沉积含砂量最高点(21.77 %)和全段沉积分选最差点(分选系数SO最大值为1.50)，峰态值也最大(平均1.15)。上段的TOC平均含量(0.46 %)介于下段(0.36 %)和中段(0.78 %)之间。质量磁化率平均值为19.38×10-8 m3/kg，稍低于中段，但高于下段近两倍。
2.4 沉积物粒度参数特征与图解分析本文针对全孔共108个样品(样品间隔深度约4 cm)的粒度相关参数进行图解分析。在地层沉积的各项参数中，粒度参数受干扰最小，且能反映不同时期细微的环境变化[37~40]。本文以矩值法计算出YLL1孔沉积物的粒度参数，根据各段不同孔深样品的分选系数(SO)和最大粒径值(C)分别对应中值粒径Md和M(Md以ϕ为单位，M以μm为单位)绘制SO-Md图(图 5a)和C-M图(图 5b)。另外，以粒径为横坐标、不同粒径含量为纵坐标，分别绘制概率累积曲线图和频率分布图，并从每段中挑选有代表性的3个样品的参数绘制频率分布图(图 6a)和概率累积曲线图(图 6b)。
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图 5 太湖YLL1孔沉积物SO-Md图(a)和C-M图(b) Fig. 5 SO-Md profile (a) and C-M profile (b) of the sediment particles of the core YLL1 of Taihu Lake |
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图 6 太湖YLL1孔沉积物频率分布图(a)、概率累积曲线图(b) Fig. 6 The frequency profiles (a) and probability cumulative curves (b) of the sediment particles of the core YLL1 of Taihu Lake |
SO-Md图是反映沉积物分选情况和变化范围的图解[37]，SO-Md图中投点分布的范围越大，代表该时期环境越动荡，水动力变化频繁[37]。SO-Md图(图 5a)显示中段样品投点最为集中，中值粒径Md在7.5 ϕ左右，分选系数SO集中在1.3左右，中段有两个点位分选系数偏离较大。上段中值粒径Md分布在5~7.5 ϕ间，分选系数SO范围为1.1~1.5，投点相对中段与下段较为分散。下段中值Md粒径分布在6.0~7.5间，分选系数SO集中于1.3~1.5，变化范围较小。中段SO和Md值都偏小，说明此时沉积的动力条件较弱。上段的特征是粒径变粗且分选系数大，代表环境动荡，水动力变化频繁。下段的特征是介于中段与下段之间，但波动不大。
C-M图主要用于判断沉积物的搬运方式和鉴别沉积环境[41~42]，其中C代表累积曲线上1 %样品的粒度直径(从粒度直径最大开始向小的方向累积，当含量达1 %时所对应的粒径，也称最大粒径值)，代表特定深度样品中粗粒度的粒径值，而M代表累积曲线上样品累积含量达50 %时所对应的粒径，即中值粒径。C-M图中，沉积物的搬运形式被分为牵引流和浊流两类，前者以滚动(rolling)或悬浮(suspension)两种方式搬运沉积物，而后者主要以悬浮方式(suspension)搬运沉积物[41~42]。太湖YLL1孔C-M投图(图 5b)也显示三段不同的沉积特征。上段样品在投图点上主要集中于RQ(递变悬浮)段，部分在PQ(悬浮夹滚动)段分布，符合牵引流的特征，粒径较大，水动力较强；中段C-M图投点集中在S(悬浮)端，以均匀悬浮搬运为主，水动力较弱；下段的C-M图投点主要分布在RS(均匀悬浮)段，部分分布于RQ(递变悬浮)段，表现为以均匀悬浮为主夹杂递变悬浮的搬运形式。
频率分布图和概率累积曲线可以反映沉积物粒度在水动力变化下的分布情况[43]。频率分布图代表同一样品中不同粒径组分的分布情况，而概率累积曲线则代表不同粒度组分含量随粒径值增大(或减小)的变化情况。不同沉积环境中的沉积物，因沉积动力存在差异，粒度频率分布图的形态也各有不同[44~45]，沉积中不同搬运方式的组分含量也存在差异，故概率累积曲线也分为不同类型[44~45]。在水流搬运环境下，由于沉积物颗粒大小不同，往往分为悬浮质、跳跃质和滚动质，不同动力组分在概率累积曲线上表现为一条折线，不同斜率部分代表不同的动力组分[44]。
从太湖YLL1孔的频率分布图(图 6a)和概率累积曲线图(图 6b)，可以看出YLL1孔沉积物粒度以悬浮总体为主，悬浮总体一般在90 %以上，大多表现为牵引流为主夹杂浊流搬运、水动力较弱的湖相沉积环境。
中段的频率分布曲线与概率累积曲线单一，特征明显。频率分布曲线为单峰对称型，粒度分布范围集中在4~10 ϕ间，峰值为5 %，符合半深湖/深湖亚相的曲线特征[44~46]。概率累积曲线以189 cm处样品为代表，呈明显高斜率直线型，属于较为稳定的弱水动力下的均匀沉积环境，与上下两段区别明显。
上段的频率分布图以97 cm和109 cm两处样品为代表，但都为峰宽较宽的不对称双峰型，系浅湖相的典型特征[44~46]。粒径分布范围较大，在2~11 ϕ间，其中4~7 ϕ范围占主要比重，峰值最高为5 %。概率累积曲线与下段类似，分为“一跳一悬夹过渡”三段式和“滚动-跳跃-悬浮”低斜率三段型，分布代表牵引流沉积和浊流-牵引流过渡型沉积[44]，以109 cm处的“一跳一悬夹过渡”高斜率三段式为主，跳跃质和悬浮质转折点在4.5 ϕ左右，跳跃总体含量在5 %左右。两类不同动力条件沉积交替出现，反映复杂多变的沉积环境。
下段的频率分布图可细分为两部分，上部(231~273 cm)主要呈现以235 cm和259 cm两处样品为代表的两类曲线，峰宽较宽(1~11 ϕ)，峰值偏低(最大4 %)；下部(273~400 cm)是以324 cm处为代表的一类曲线，峰宽较窄(4~11 ϕ)，峰值较高(最大6 %)，分选较好。概率累积曲线也同样分为两部分，下段上部出现以235 cm和259 cm为代表的“一跳一悬夹过渡”三段式和“滚动-跳跃-悬浮”低斜率三段式两类，前者跳跃质与过渡段转折点在3.8 ϕ左右，为典型牵引流型沉积，后者则为浊流-牵引流式过渡型沉积特征[44]，滚动总体含量在1 %左右，跳跃质含量为5 %左右，悬浮总体在90 %以上，滚动质与跳跃质交汇点在1.5 ϕ左右；下段底部则主要为以324 cm为代表的高斜率三段型，属典型牵引流沉积，跳跃质与悬浮质交汇点在4.2 ϕ，代表外动力较弱且稳定。下段底部(273~400 cm)沉积特征与前人研究结果——晚更新世晚期江淮一带的风成黄土[1, 47]特征相吻合。而下段顶部沉积(231~273 cm)夹杂滚动搬运物，反映较强动力条件下的水体沉积[44, 46]。
3 讨论 3.1 太湖标志性泥质沉积层如上所述，太湖YLL1孔中段沉积特征最为特殊。从孔深231 cm至153 cm，粒径随深度几乎无变化，平均粒径标准偏差仅为0.13，粒度极细，平均粒径(Mz)平均值仅为7.65 ϕ，泥质平均含量高达48.78 %，远远高于下段和上段。中段层位的TOC含量(平均0.78 %)和质量磁化率(平均19.41×10-8 m3/kg)与上下段相比都较高。类似的泥质层在太湖周边广泛发育，以前被埋藏在水下，偶尔出露，近10多年的清淤工程和围湖取土工程及造路工程将其显露出来，主要的特征是青灰色的泥质层，并且富含富铁质结核。我们前期的研究[11]发现此类泥质层广泛发育于太湖及其周边地区，包括平台山岛附近、西山岛周边、苏州湾、苏州石湖等地均有分布(图 1)，野外产状常表现为三明治式的三段沉积层的中间夹层，中段与上下段之间皆为不连续沉积界面，并且此中段标志层中含有大量菱铁矿结核和富铁质小球粒，苏州石湖的中段泥质层位测年数据为7 ka B. P.左右[11]。
三明治式的三段沉积层在苏州湾地层中清晰可见(图 7a)，中段标志性泥质层为一层厚约80 cm的青灰色泥质层，与上、下段明显不同。中段与上段的波状不整合接触面清晰可见(图 7a)，中段与下段之间也存在不连续的沉积界面，但接触面较模糊。中段与上段的接触面有大量严重氧化的铁质结核小球粒(图 7b)。前人的研究中也多次提及太湖沉积层中有富铁质结核存在，被描述为“粉砂粘土级沉积中的铁锰结核”[1, 22~24]，前人认为是由于湖盆底部更老地层(硬黄土层)中被淘洗出来的铁锰结核，或浅湖底淤泥出露地表氧化作用所致的铁锰结核产物[22~24]。但前人并没有更多的详细矿物学和地层方面的工作。我们近期的工作显示此类富铁质结核主要来源于中段泥质层，其中不仅含有大量富铁质粒子，还含有大量菱铁矿[11]。菱铁矿结核指示其形成于还原环境，与YLL1孔中段泥质层中的高TOC含量相符。中段泥质层富含菱铁矿结核并具有高的TOC含量，充分说明了太湖区域的环境在此时为一个还原性的环境。
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图 7 太湖苏州湾中段标志层野外照片(a)以及上段与中段之间不整合界面处的两块褐红色土块照片(b)，土块富含被氧化的毫米级富铁质粒子 Fig. 7 Field picture of the middle landmark layer (a) in Suzhou Bay area near Taihu Lake and two reddish mud blocks (b) full of oxidized Fe-rich mm-sized spherules from the unconformity interface between the middle layer and the upper layer shown in (a) picture |
YLL1孔中段标志层的沉积特征分析结果证实了前期的野外观察认识：太湖地区广泛发育一层富含富铁质结核的标志性泥质层[11]。三段之间的不连续沉特征与YLL1孔的沉积特征一致，粒度分析、TOC含量、质量磁化率、XFR数据都显示上、中、下三段具有截然不同的沉积特征。中段泥质层粒度极细、分选较好、粒径波动较小、TOC含量和质量磁化率较高的沉积特征，皆指示水动力条件较弱的深水沉积环境。该还原性的泥质层在太湖地区广泛分布(图 1)，说明太湖在某一时段具有相同的水动力条件较弱的深水沉积环境。该泥质层的年龄(7 ka B. P.左右)可能指示了太湖“大水面”第一次形成的时代，“大水面”包括石湖、平台山附近水域，西山岛周边水域，东西太湖在内的太湖各水域，否则很难解释中段泥质层的成因。但中段与上段之间存在明显的沉积间断，苏州湾地层中被严重氧化的铁粒子表明太湖形成统一水体后湖底被暴露在浅表或出露地表，说明“大水面”的消失。太湖“大水面”的形成与消失可能与全新世时期太湖湖底的通海河道的堵塞有关[1]。具体的大水面形成与消失的原因尚待进一步研究。
标志层的年龄和太湖大水面第一次形成时间在7 ka B. P.左右，而并非前人研究所说在2~ 4 ka B. P.期间，太湖大水面才开始联通[1, 13]。太湖大水面第一次时间的差别的主要原因是前人的研究中并没有意识到太湖有一层标志性泥质层。而我们的前期野外工作得利于太湖周边的清淤工程和围湖取土工程，使我们认识到该标志性泥质层在横向上是普遍存在的[11]。含铁质结核的泥质层的纵向认识[1, 22~24]早有报道，类似的三段式沉积层现象在前人的工作[22]中也有报道。东太湖E2孔沉积分段(图 8)[22]与YLL1孔的沉积分段非常类似。其Ⅱ段和Ⅲ段沉积可对应YLL1孔的中段及上段沉积，所代表的水动力环境也类似；其Ⅱ段与YLL1孔的中段都为弱水动力下的静水悬浮沉积；其Ⅲ段与YLL1孔的上段都表现为强水动力条件下的波浪、牵引流沉积；东太湖E2孔底部Ⅰ段不多，为风化侵蚀沉积，与YLL1孔的下段解释相一致。汪永进等[22]将其中段(Ⅱ段)解释为东太湖高水位沉积，这与YLL1孔中段标志层沉积环境为弱动力的深水环境的解释类似。东太湖E2孔位置与西太湖YLL1位置比较接近，二孔可能为同一水体的沉积物。
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图 8 东太湖E2孔沉积综合柱状图(引自汪永进等[22]) Fig. 8 Composite columnar section of depositional characteristics of the East Taihu E2 core(cited from Wang et al. [22]) |
YLL1孔中段标志层的AMS 14C测年的4个测点分别从139 cm、159 cm、227 cm和251 cm这4个深度取泥土样进行AMS 14C测年(表 2)，从中段层位选取两个点，从靠近中段的上段与下段分别取一个点。14C测年结果显示251 cm测年结果为7450±30 a B. P.，227 cm处年龄为7320±30 a B. P.，两个测点深度差28 cm，测年年龄只差130年。这两个测年数据与石湖的中段泥质层位测年数据约7 ka B. P.[11]相近。苏州石湖在清淤工程中出露了类似的中段标志性泥质层，该层中含有大量烧焦的木炭。对中段标志层中3个深度的烧焦的木炭和盖层中的贝壳进行14C测年，分别取得4个年龄，中段顶层木炭6821±41 a B. P.；中段底层木炭6920±54 a B. P.；中段最底层木炭6987±54 a B. P.；盖层中贝壳14C年龄是6663±48 a B. P.(表 2)。石湖的详细测年数据为首次发表，其中段泥质层位中的3个深度的焦炭测年数据较为接近，顶层与底层的年龄相差不过166年，且盖层年龄比中段的最小年龄小158年，贝壳年龄可提供中段标志层的顶层年龄上限。考虑到YLL1孔227 cm处的AMS 14C测年结果7320±30 a B. P.是取泥土样测年，可能有老碳效应，而石湖的测年有盖层贝壳层年龄和3个较为一致的焦炭年龄，大致可确定中段层位的形成时间为7 ka B. P.左右，这与前人对东太湖硬黄土层以上的泥质沉积测年结果6.6 ka B. P.[13]相近，也与太湖及其周边地区(如东太湖底、金坛五叶、宜兴新建、吴江震泽、青浦淀峰等处泥炭点)发育的多处泥炭点的测年结果6.5~7.0 ka B. P.[23, 44]相近。广泛分布的中段标志性泥质层AMS 14C测年数据显示太湖第一次大水面在距今7 ka B. P.左右形成，日历校正年龄为8 cal. ka B. P.左右。
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表 2 太湖AMS 14C测年结果 Table 2 AMS 14C data result of Taihu lake area |
YLL1孔中159 cm处AMS 14C年龄为8490±30 a B. P.，孔深139 cm年龄为10230±30 a B. P.，上覆地层反而比下伏层位227 cm处和251 cm处的年龄老不少(表 2)，测年数据与沉积层位的深度存在矛盾，显示地层年龄有扰动，上覆地层可能是被翻动的下伏地层的再沉积。其成因推测可能是洪水，河水或湖水冲刷，或突发事件的扰动。太湖地层的扰动现象在前人的研究中也有报道[13]，在西太湖钻孔W1B深度40 cm处测年为10795±95 a B. P.，钻孔W1A深度33 cm处测年为8310±200 a B. P.，而W1C孔深275 cm处测年为11280±90 a B. P.(太湖湖底年龄)，湖底淤泥上部40 cm和33 cm处测年明显偏老，出现异常，作者解释的原因是沉积物的扰动所致[13]。东太湖E2钻孔剖面(图 8)不同深度的AMS 14C年龄也有类似现象[22]。东太湖E2F钻孔深度110 cm处测年为6585±80 a B. P.，钻孔E2C深度114~125 cm处测年为5970±170 a B. P.，钻孔E2C深度226 cm处测年为6575±75 a B. P.，114~125 cm处与226 cm处的测年数据相差600年，被认为具有好的线性关系，可反映正常的地层层序[22]，而110 cm处的数据被认为是异常并偏老[13]。石湖中段层位的3个焦炭测年数据非常接近，相差最大不过166年，与盖层年龄相近，可能指示短暂时间内的沉积。地层扰动现象在太湖地区并非偶然。YLL1孔的测年数据与多个前人的测年数据都显示太湖区域发生过扰动性的沉积。地层的扰动现象及中段不同深度非常接近的测年数据说明太湖中段标志性泥质层可能是一个非常短暂时间内的事件性沉积产物。
3.3 YLL1孔沉积特征与全新世太湖演化史地层中随深度而变化的沉积物粒度、TOC含量、质量磁化率及元素含量等沉积特征参数，可以反映相关深度的沉积相特征和气候演化特征。冰后期以来，太湖地区沉积物的沉积特征参数有明显的上、中、下三段变化，对应着不同的湖盆演化历史阶段。YLL1孔下段对应末次冰期后期的风成黄土沉积[1]，太湖湖盆尚未全面形成，太湖区域有沼泽沉积；中段地层显示太湖大水面的形成，有一层标志性泥质沉积地层发育，代表太湖湖盆已经形成；上段对应近现代太湖大水面下的湖相沉积。
下段(400~231 cm)：YLL1孔下段总体上粒度变化不大，以分选较好的粉砂为主，粒度随深度变化幅度较小，而TOC含量出现随深度上升而增大的趋势，基本反映了末次冰消期太湖地区的气候从寒冷干燥期到湿润期的过渡变化，与前人多个钻孔资料记录的气候特征相一致[14~15, 22, 27]。下段底部(400~273 cm)平均粒径波动较小，基本不含粗颗粒，搬运形式以典型牵引流为主，即沉积外动力较弱且均一；有机质含量以及质量磁化率极低，代表降雨较少、生物活跃度低；Si元素含量较高，而代表颗粒胶结物的Ca与代表可溶性盐的K含量均较低，反映为非水体环境的风化沉积，与第四纪江淮地区普遍分布的风成黄土堆积特征[1, 47]相符合，为末次冰期后期的风化沉积[1]，沉积时间在11 ka B. P.左右[13]。太湖YYL1孔下段的顶部(273~231 cm)，接近中段附近，粒度随深度出现一些周期性变化，泥质含量增大，分选变差，出现搬运形式为浊流-牵引流过渡的沉积；质量磁化率仍与底部黄土相当，但TOC含量较底部增加(平均增大0.28 %)，这说明沉积物源未发生较大变化，但生物作用增强，代表着水体涌入，可能为沼泽地沉积，与太湖区域出现沼泽地的认识[47~49]相符合。下段沉积特征整体上反映了太湖区域从遭受风化剥蚀的冲积平原，向接受水体沉积的湖沼湿地过渡，此时太湖湖盆尚未形成。
中段(231~153 cm)：YLL1孔中段沉积特征与下段和上段的截然不同。特别是与下段相比，沉积物粒度极细(平均7.65 ϕ)且分选好、几乎不随深度变化，泥质含量较下段明显增大(增加17.9 %)，反映出水动力较弱的静水沉积环境；TOC含量平均增大0.42 %，是下段的2.17倍，质量磁化率增高近两倍，代表石英的Si元素含量较低，而代表颗粒胶结物的Ca与代表可溶性盐的K含量均有一个跳跃，达到高值，指示水动力极弱、还原性较强的深水沉积环境。时间上，中段泥质层的形成年龄在约7 ka B. P.左右，处于8.2 ka气候变暖和4.2 ka气候变冷的两次气候变化事件之间的全新世大暖期[19~20, 50~52]。广泛发育的中段标志性泥质层沉积特征反映了太湖湖水大水面的第一次形成，指示太湖湖盆已经形成。中段与下段和上段的界面皆为不连续沉积界面，中段与上段之间存在明显沉积间断，说明大水面曾消失过。标志性泥质层的沉积时间在7 ka B. P.左右，时间跨度短，可能为还原性事件性沉积产物。这次太湖湖水大水面第一次形成的时间与中国东部广泛记录的气候转折时期的时间相近[53~55]。
上段(0~153 cm)：YLL1孔上段沉积物粒度以悬浮总体为主，大多表现为牵引流为主夹杂浊流搬运、水动力较弱的湖相沉积环境。沉积物粒度交替变化明显，粒径平均偏差增大0.57，分选变差，反复波动，整体以浊流-牵引流过渡的搬运形式为主，沉积中包含部分滚动搬运组分，代表了沉积外动力的增强及不稳定；虽质量磁化率与中段比较变化较小，但TOC含量较中段明显降低，比中段低0.32 %，代表水动力环境的变化加剧、整体变浅、生物作用减弱或氧化性增强，符合气候动荡、冷暖交替的气候特征，这与前人的认识一致，即太湖地区气候在近5 ka B. P.左右开始动荡，进入冷暖交替期，总体上降雨量减少，旱涝交替[14~20, 56~57]，生物总量减少，木本植物比例下降[47]。据此大致可推定上段的底部年龄大致在5 ka B. P.左右。上段的沉积相主要为现代太湖大水面下的湖相沉积。
4 结论本文以太湖西山岛衙甪里YLL1孔沉积物为研究对象，以粒度分析为基础，结合TOC含量、质量磁化率、元素相对含量以及AMS 14C测年结果等多个参数，对太湖全新世沉积地层进行沉积环境分析，来探讨太湖的湖盆演化史。本文针对400 cm长的YLL1孔的108个样品(样品间隔深度约2~4 cm)进行了粒度分析，取得了一系列粒度特征参数，包括平均粒径、粒度分布、分选系数、偏度、峰度等，利用所得的粒度特征参数分别绘制So-Md图和C-M图，概率累积曲线图和频率分布图。根据各类沉积特征，可将400 cm深的YLL1孔，以153 cm处和231 cm处为界，分为上段(0~153 cm)、中段(153~231 cm)、下段(231~400 cm)三段不同的沉积层。中段沉积物粒径很小且均匀，粘土级颗粒含量高；上段粒径变大且粒径波动大；下段粒径居中，粒径变化不大。全孔TOC、质量磁化率、及XRF元素含量随深度的变化也呈现典型的三段式分层，在分界处153 cm和231 cm处变化显著。TOC和质量磁化率在中段整体偏高，与下段和上段明显不同。粒度特征参数的图解分析也佐证了粒度参数、TOC含量、质量磁化率、XRF元素含量等数据随深度变化的三段式划分，可以解释上、中、下三段沉积层代表的不同沉积环境。
研究表明太湖全新世沉积中发育三明治式的三段式沉积层，上、中、下三段沉积特征明显不同。中段为厚近80 cm的标志性泥质层，其沉积特征为粒度极细且均匀、粘土级颗粒含量极高、粒径波动极小，TOC含量高、质量磁化率高、分选性极好，并且此层位含大量富铁质小球粒结核和菱铁矿结核。AMS 14C年龄显示此标志性泥质层形成于7 ka B. P.左右，且时间跨度短，可能为还原性事件性沉积产物。广泛分布的中段标志性泥质层，代表太湖第一次大水面的形成，此时太湖湖盆已形成。下段为硬黄土粉砂层，对应末次冰期后期11 ka B. P.左右的风尘黄土沉积以及气候过渡期中水体涌入的沼泽湿地沉积，此时太湖各水域尚未联通，湖盆尚未形成。上段为粒径波动大的粉砂层，对应5 ka B. P.以来冷暖交替期，由水动力动荡形成的沉积特征波动较大的湖相沉积。
致谢: 感谢审稿专家和杨美芳编辑给予的宝贵修改意见，使本文得以完善；感谢苏州市民王来金和王家超先生提供采样点位置和野外帮助。
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2 Key Laboratory of Surficial Geochemistry, Ministry of Education, Nanjing University, Nanjing 210023, Jiangsu;
3 State Key Laboratory for Mineral Deposits Research, Nanjing University, Nanjing 210023, Jiangsu)
Abstract
Taihu Lake is located in the Southeast of China (30°55'~31°33'N, 119°52'~120°36'E). The origin and evolution of Taihu Lake basin have always attracted the attention of Chinese geologists and remained unresolved, because it has huge flat basin (65 km in diameter) but very shallow water depth (less than 3 meters). The core YLL1 (400 cm in depth) is located in the lake bottom (31°07'34"N, 120°13'52"E) near the shore of Xishan island of Taihu Lake, which is close to Yaluli (YLL) Village in Xishan island, Suzhou City, Jiangsu Province. The analysis of grain size, total organic carbon (TOC), magnetic susceptibility, XRF scanning, and AMS 14C dating were carried out for this four-meter-long core to understand the evolution of Taihu Lake basin. The lithology of the core is mainly composed of clay, silt and silty sand. The core YLL1 is divided into 400 small samples for further study with interval of 1 cm. 108 samples were selected for grain-size analyses. 76 samples were selected for TOC analyses, 67 samples for magnetic susceptibility analyses, and whole 400-cm-long core for XRF scanning analyses to get element content variation, 4 samples were selected for AMS 14C dating measured by Beta Analytic Inc. USA.The results of grain size parameters, TOC, XRF data, and magnetic susceptibility data all indicate that three layers can be distinguished in the core YLL1 by divided at 153 cm and 231 cm depth:upper layer from 1~153 cm, middle layer from 153~231 cm, lower layer from 231~400 cm. The middle layer with average grain diameter of 7.65 φ and clay content of 48.77% has the most finest grain size compared with upper layer (6.29 φ, 21.77%) and lower layer (6.91 φ, 30.88%). The middle layer grain-size variation along the depth is very small, with the lowest grain-size standard deviation value of 0.13, compared with upper layer (0.70) and lower layer (0.38). The results show that the 80-cm depth middle mud layer is one landmark layer with significant different sedimentary characteristics, with a small and uniform median-grain-size value, higher TOC content, higher magnetic susceptibilities, and different XRF element content profiles, compared with upper and lower layer. This special landmark silty layer widely occur in Taihu lake area containing abundant siderite concretions and iron-rich spherules. AMS 14C dating from the middle layer suggests that the middle layer formed in 7 ka B. P. The sedimentary records of the core YLL1 of Taihu Lake show three different lake basin environments. The lower layer represents the hard loess layer with aeolian origin after the last ice age at 11 ka B. P. when Taihu Lake basin was not formed yet. The middle landmark layer represents the silty deposit layer at 7 ka B. P. when whole basin was full of water for the first time and the basin was formed. The upper layer represents the modern Taihu Lake deposit layer after 5 ka B. P.