岱海湖泊沉积物频率磁化率对历史时期环境变化的反映

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1、3 国家自然科学基金(49672132)和中国科学院湖沼专项联合资助。收稿日期:1997208218,收到修改稿日期:1998206225岱海湖泊沉积物频率磁化率对历史时期环境变化的反映3张振克 吴瑞金 王苏民(中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊沉积与环境开放研究实验室 南京 210008)摘 要 在探讨封闭湖泊沉积物频率磁化率的环境意义的基础上,根据岱海DH32孔湖泊沉积物磁化率的测量结果,结合粒度、孢粉、历史资料和硅藻分析结果,对岱海历史时期的环境变化进行了探讨。 研究认为:历史时期内陆封闭湖泊沉积物频率磁化率高值段指示气候偏湿阶段;低值段指示气候干旱阶段; DH32孔湖泊沉积物频率磁化率

2、反映的近300年来岱海气候变化可划分七个阶段,并与粒度、孢粉、硅藻和历史资料的分析结果基本一致。湖泊沉积物频率磁化率是恢复历史时期环境变化的重要环境指标之一。关键词 岱海 湖泊沉积物 频率磁化率 环境变化分 类 中图法 K928143岱海位于内蒙古高原的南缘,是典型的内陆封闭湖泊。湖泊面积134 km2,属微咸水湖泊1。磁性测量是湖泊沉积环境研究的新技术,国内学者对滇池、太湖、呼伦湖等湖泊沉积 物的磁性特征及其反映的区域古气候古环境变迁进行了较深入的研究24,磁性测量具有快速简便、经济易行、对样品无破坏等特点,目前已成为环境演变研究的重要测试手段之一5, 79。本文在湖泊沉积物磁化率测量的基础

3、上,结合孢粉、粒度和硅藻分析资料,并历 史气候记载进行比较,对湖泊沉积物频率磁化率反映的岱海历史时期环境变化进行探讨。1 原理:封闭湖泊沉积物频率磁化率的环境意义频率磁化率 f d(frequency dependent susceptibility)亦称磁化率频率系数,可用公式 表示为f d=(lf-hf)? lf100%频率磁化率是通过分别对沉积物样品进行高频(hf)和低频(lf)磁化率测量后计算 得出。已有的研究表明频率磁化率曲线可以反映很多古气候变化的细节,频率磁化率的变 化比磁化率复杂,沉积物中的细粘滞性磁颗粒(01015m01025m)只对低频磁化率有 贡献,这是造成低频磁化率与高

4、频磁化率之差的原因5, 7。O ldfield认为细粘滞性颗粒是风化层、土壤、或受较高温度影响的沉积物的磁化率的主要贡献者,由于沉积物样品频率磁 化率的变化可以确定细粘滞性颗粒的相对含量波动,间接地指示沉积动力的变化,故利用 沉积物频率磁化率既可提供沉积物磁性资料又可得到环境变化的信息7。第17卷 第3期 1998年9月地 理 研 究 GEOGRA PH ICAL RESEARCHVol .17, No.3 Sept. , 1998内陆封闭湖泊的沉积物是研究区域历史气候变迁的理想材料6。由于历史时期封闭湖 泊沉积后环境的相对稳定性,湖泊沉积物次生变化不大;物源稳定的沉积物磁化率的变化 与沉积物

5、的粒度组成及其磁性矿物含量相关8。沉积物粒度组成与沉积动力的变化有直接 的联系,即频率磁化率的变化受湖泊沉积动力的影响,间接地反映气候的干湿变化。气候 偏湿阶段,地表指标覆盖较好,降水量增大使地表径流与地表侵蚀加强,但同期湖泊面积扩大,更多的地表细粒物质进入湖心沉积,由于细铁磁性颗粒的增加幅度较大,故频率磁 化率呈高值段;气候偏干阶段,地表径流减弱,湖泊面积缩小,但突发性的强降水过程使 较多的地表粗颗粒物质进入湖心沉积,故频率磁化率值降低。在较短时段的历史时期,气 温的变化远不如降水的变化大,且不足以改变地表物源风化过程和物质组成,因此可以不 考虑温度变化对湖泊沉积物频率磁化率的影响。图1 岱

6、海湖盆地貌与采样位置Fig11 L andform s and sampling positionin DaihaiL ake2 采样与分析结果岱海DH32孔岩芯采自岱海中部水深15 m 的深水区(图1),长60 cm ,以2 cm间隔采样,样品在室内进行分析。为建立湖泊沉积的时间 标尺,对岱海湖泊沉积物进行了210Pb分析,得 出岱海现代沉积速率为210 mm?a211 mm?a6。考虑沉积物的压实作用,按210mm?a的 沉积速率计算,岱海DH32孔60 cm的岩芯为近300年来的沉积。频率磁化率测量使用英国Bartington公司生产的M S2型磁化率测量仪, 样品在40烘箱中烘干、磨碎

7、(以不损伤自然 颗粒为度)后,装入特制的样品盒中,经天平上 称重后,在M S2磁化率仪上测量。211 DH32孔磁化率与频率磁化率特征岱海DH32孔岩芯的频率磁化率变化明显(图1),频率磁化率平均值6128% ,最低2178% ,最高值7178%。DH32孔底部56 cm60 cm和上部16 cm18 cm两处为频率磁化 率低值段,在40 cm50 cm处频率磁化率也较低;4 cm14 cm、20cm38 cm及52 cm 处频率磁化率为高值段。 岱海沉积物磁化率较高,平均值为971110- 8m3?kg,底部高达1161310- 8m3?kg。 岱 海周围地区有较大面积的第三系基性玄武岩、侏

8、罗系2白垩系碎屑岩分布,低山丘陵的顶部 又有厚层黄土覆盖,沉积物物源母质中铁磁性矿物含量较高,是造成沉积物磁化率偏高的 重要原因5。据矿物分析结果,在DH32孔附近的DH30孔岩芯表层沉积物中,磁铁矿占重矿物总量的19150%6。212 频率磁化率反映的气候干湿变化 根据DH32孔湖泊沉积物频率磁化率变化,结合粒度、孢粉、硅藻与沉积速率确定的年 代序列,并参照岱海附近地区气候变化历史资料,可以得出岱海DH32孔湖泊沉积物频率磁 化率与气候干湿变化的关系:频率磁化率的高值段与气候偏湿阶段一致;气候偏干阶段则892地 理 研 究17卷与频率磁化率的低值段一致;而硅藻反映的冷暖变化与频率磁化率的关系

9、没有规律性;而18世纪的气候特征与沉积物孢粉记录矛盾(表1),其形成原因将在后面分析。A?C指藜蒿花粉含量比 DBF指落叶阔叶花粉含量(包括栎、榆、胡桃、柳、桦)图2 岱海DH32孔湖泊沉积物环境指标变化Fig12 Changes of environmental proxies of lake sedi ment in DaihaiDH32Core表1 岱海DH32孔部分样品频率磁化率与其它环境指标的比较Tab11 Comparision of frequency dependent susceptibility and other environmental index ofsome sa

10、mples in DH32Core in DaihaiLake深度(cm)年代频率磁化率(% )孢粉记录A?C值粒度(相对M S)硅藻组合11冷温历史记载的气候变化10旱期涝期21966低干112粗1966以来1960s以来101936高湿217细194619661930s1950s201886高湿212细187619461880s1900s301836高湿217细183618761800s1850s401786低湿213粗1770s1790s501736低干113粗169618361690s1760s601686低干116粗166616961670s1680sA?C值指孢粉蒿藜浓度的比值。

11、硅藻分析是DH32孔附近的DH9孔岩芯。213 环境演化阶段以岱海DH32孔湖泊沉积物频率磁化率变化为主导指标,参照其它环境指标变化和历史记载资料,大体可以将岱海300年来环境演化分为7个阶段:阶段:气候冷干(60 cm54 cm ,1686年 1716年)该阶段频率磁化率在DH32孔岩芯中位于最低值段,平均频率磁化率为413% ,最低值218% ,属于较干旱的时段。这一阶段与小冰期的最盛期相当,气候冷干特征突出。据内蒙 古历史自然灾害史料记载,岱海及其邻近地区在17世纪末18世纪初多干旱灾害,冬季严9923期 张振克等:岱海湖泊沉积物频率磁化率对历史时期环境变化的反映寒6。DH32孔湖泊沉积

12、物孢粉分析采样间距较大,对气候干湿变化的细节未能很好反映,但59 cm处样品孢粉分析显示, A?C值较小(116),代表气候相对干旱;在孢粉组合上灌木 草本植物占总数的73165% ,尤以藜科(22175% )、蒿属(35133% )花粉含量最多。据中 国近500年旱涝图集,16861716年间岱海附近年均旱涝指数为312313,气候偏干。 阶段:气候温湿(54 cm51 cm ,1716年 1731年) 该阶段频率磁化率在DH32孔频率磁化率曲线上属于峰值段,峰值711% ,对应岱海地区相对偏湿的气候时段。 旱涝图集12提供的岱海附近旱涝指数, 1716年 1731年平均旱涝 指数为2170

13、,也反映该时期气候偏湿。硅藻组合的环境指示为温水-浅水环境11。 阶段:气候温干(51 cm38 cm ,1731年 1796年) 岱海DH32孔岩芯频率磁化率曲线上51 cm38 cm处为较低值段,代表气候偏干。 参考中国近500年旱涝图集12提供的岱海附近地区旱涝指数统计,1731年 1796年平均旱涝指数为3128,代表相对干旱的气候时段。DH32孔岩芯孢粉分析在50 cm38 cm段有2个孢 粉分析样品, 50 cm处样品A?C值为113, 40 cm处孢粉组合中A?C值为213 (该阶段岱海 流域人类活动加强,垦荒耕种不断升级,造成孢粉组合反映的气候特征与历史记载存在差 异)。对黄河

14、流域的大旱频数与百分率的统计研究显示, 18世纪内蒙区大旱发生频数为26, 所占百分率为26% ,两者均在其它各区之上10。表明该阶段气候干旱程度比较突出。 阶段:气候经历温湿2冷干2温湿变化(38 cm19 cm ,1796年 1896年) 该阶段DH32孔岩芯频率磁化率为615%715% ,高于DH32孔岩芯频率磁化率的平均 值6128%。沉积物样品孢粉分析也反映气候偏湿,指示气候偏干的乔木属种T am arix孢粉 含量明显降低,而B etula孢粉含量在30 cm处达到峰值(11156% ),可能与气候转湿有关。 后期B etula孢粉含量降低,T am arix孢粉含量增加,指示气候

15、略有变干。历史记载表明19世纪后半叶大旱地区气候多变、灾害频发,大旱、尘暴、大涝与大雪严寒天气都有记载; 19 世纪为小冰期的末次波动,岱海地区这一时段的气候多变现象与冷期气候的超常不稳定性 有关13。同期岱海湖面变化也比较明显,如1875年 1879年连续干旱,岱海海面面积仅为60 km2,而随后湖面扩大,1896年湖泊面积91 km2,本世纪初湖面超过200 km26。 阶段:气候温干(19 cm14 cm ,1896年 1930年) 该段频率磁化率为一谷值段,代表气候偏干。据历史记载与调查访问,本世纪初岱海 地区气候干旱,湖面明显萎缩,特别是1926年 1929年间连续大旱,相邻的呼和浩

16、特气象 站记录的降水量只有3512mm4218mm ,故1929年湖面只有50 km26。沉积物硅藻组合 指示的古环境为温水2浅水环境。 阶段:气候湿润期(14 cm4 cm ,1930年 1966年)该阶段沉积物频率磁化率为高值段,平均值为616% ,反映气候偏湿;孢粉分析10 cm 处样品的A?C值为217,表明和前期相比气候明显转湿。据岱海地区近代有关历史记载6,1934年 1935年间连续大涝,湖面上升, 40年代至50年代中期,岱海西岸的河洞子、五 号地、六甲地等先后被湖水淹没,湖岸居民纷纷西迁,反映湖面扩大过程。阶段:气候温干(4 cm0cm ,1966年以来)60年代以来该区湖泊进入萎缩期,反映气候变干。沉积物频率磁化率有降低趋势,孢 粉分析A?C值变小(112),代表气候干旱阶段。硅藻组合反映的湖泊环境是温水-浅水环境11