THE FEATURES AND AGES OF LAKE BEACH ROCK AROUND SAYRAM LAKE IN WESTERN TIAN SHAN AND ITS SIGNIFICANCE ON LAKE LEVEL FLUCTUATION DURING THE LAST INTERGLACIAL EPOCH MIS3
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摘要: 在对西天山赛里木湖盆地进行第四纪地质调查与5万填图基础上，发现沿该湖泊的不同湖岸阶地上都不同程度地发育了可指示湖面变化的湖滩岩。水准测量结果表明，典型的湖滩岩最常见于高出现今湖面7.1~9.4 m和33.4~39.4 m的低、高两级湖积台地上。对湖滩岩样品进行岩石学和矿物学研究进一步揭示，湖滩岩主要由内碎屑、藻团块、陆源碎屑、胶结物和填隙物等构成，胶结物主要为亮晶方解石，夹少量文石，表明赛里木湖周边的湖滩岩为典型的方解石胶结砂屑砾屑岩。湖滩岩样品的U系年代测试结果表明，低、高两级台地上的湖滩岩主要形成于距今24.8±1.5 ka至27.6±1.5 ka和55.4±3.8 ka的晚更新世晚期，大致对应末次冰期间冰阶MIS3阶段早期和末期的相对暖湿气候阶段。湖滩岩及其测年结果指示，赛里木湖最近一期最高湖面出现在距今55.4 ka左右末次间冰阶早期，其后由于气候的干旱化，湖面整体处于逐步下降过程，在相对暖湿期间经历了多次湖面相对稳定期并形成湖滩岩。Abstract: Lake beach rock is one of the products which can reflect the land and sea interactions, of great significance for studying the ancient lake level fluctuations, lakeshore zone evolution and paleoclimatic change. On the basis of Quaternary geological survey and 1 :50000 scale geological mapping for Sayram Lake Basin in western Tianshan, we found lake beach rocks on the different shore terraces, indicating lake level fluctuations. The levelling result showed that the concentration distribution of typical lake beach rock was mainly on the fluvial terraces above the lake level 7.1~9.4 m and 33.4~39.7 m. The Petrologic and mineralogical study further showed that the lake beach rocks were mainly composed of intraclast, algal briquette, terrigenous clastic, cement and filler content, etc., and the cement mainly for the sparry calcite with a small amount of aragonite, which proved that the Sayram Lake beach rocks were typical calcite cementation sand gravel chip rocks. According to the U series dating results of lake beach rock samples, the lake beach rocks on the fluvial terraces were formed from 24.8±1.5 ka to 27.6±1.5 ka and 55.4±3.8 ka, late of the late Pleistocene, roughly corresponding to the relatively warm climate stage of early and late in last glacial interglacial epoch MIS3 stage.The lake beach rocks and dating results indicated that the recent highest level of Sayram Lake appeared in the distance of about 55.4 ka, early in the last interglacial epoch. Due to the subsequent drying climate, the lake level was overall in the process of decline gradually. During the relatively warm moist period, the lake level underwent multiple relatively stable periods, and resulted in lake beach rock formed.
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Key words:
- the West Tianshan /
- the Sayram Lake /
- lake level fluctuation /
- lake beach rock /
- the last glacial period
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0. 引言
广泛分布于长江中下游地区的红土堆积记录了中国北亚热带地区重要的古环境信息, 是研究中国南方古气候演化以及进行南北古气候对比的理想地质材料。目前, 通过多个剖面的系统研究, 在该区红土堆积的形成时代[1-4]、沉积成因[5-8]及古环境状况[5-16]等方面都取得了重要认识。其中, 关于沉积成因的研究, 通过沉积学[5-8]、地球化学特征[5, 8]的分析表明长江中下游地区的部分红土堆积属于风成成因, 而最新的研究结果则显示南方红土具有多元成因的特点[17]。因此, 在南方红土的研究中, 区分不同地区红土地层成因类型的差异是进一步研究古环境演化的关键。
江西九江是我国南方红土研究程度较高的地区之一, 有的学者通过典型样品沉积学、地球化学特征的分析证明该区的红土堆积属于风成成因[8]。然而, 要准确地判断其成因类型, 还需要对整个序列进行系统研究。沉积物的粒度特征与沉积环境密切相关, 常被用于不同沉积物成因类型的判别及搬运动力条件的研究[18-21], 也是提取古气候信息的常用指标[22-25]。
本文对九江红土剖面样品进行了系统的粒度分析, 并与西峰黄土、古土壤样品及典型河、湖相沉积的粒度特征进行了对比, 系统研究该区红土堆积的沉积成因。
1. 样品采集与测试
九江剖面(118°52'E, 30°52'N)位于江西省九江市北约2 km的九庐公路道边, 剖面厚度23 m。其中, 0 ~ 9.7 m为下蜀土层, 9.7 ~ 23 m为网纹红土层, 网纹红土层之下为河流相砾石层。本次研究以10 cm间距对该剖面采取了231个样品进行粒度测试。同时, 为了进行对比, 在甘肃庆阳西峰剖面选取第四纪黄土样品10个、古土壤样品9个; 在四川泸定海子坪剖面[26]选取湖相样品5个; 在安徽宣城剖面下部[4]取得河流相样品8个。在样品的前处理过程中, 首先加入10 mL 30%的H2O2, 加热至140 ℃去除有机质; 然后加入10 mL 10%的盐酸, 加热至200 ℃去除碳酸盐; 最后加入10 mL 0.05 mol L的(NaPO3)6分散剂, 并用超声波清洗机振荡10 min后上机测量。样品测量在英国Marvern仪器有限公司生产的Mastersizer 2000上完成, 重复测量的相对误差小于1%。
2. 九江红土的粒度特征及其与第四纪黄土及河湖相样品的对比
2.1 粒度分布特征
图 1a、1b分别为九江剖面上部下蜀土和中、下部网纹红土样品粒度分布的频率曲线。其中, 下蜀土的样品编号分别为JJ1、2、3、4, 网纹红土的样品编号分别为JJ150、151、152、153。它们与西峰黄土(图 1c)、古土壤(图 1d)样品一样, 都呈双峰分布, 以粉砂颗粒(5 ~ 50 μm)为主, 缺少粗尾, 大于63 μm颗粒的含量很少, 与泸定湖相(图 1e)、宣城河流相(图 1f)样品的多峰分布特征有很大区别。另外, 进一步对比可以发现, 九江下蜀土样品(图 1a)的频率曲线与西峰黄土(图 1c)更为接近, 含有较多的粗粒级组分; 九江网纹红土(图 1b)与西峰古土壤(图 1d)更为相似, 含有较多的细粒级组分, 进一步证明九江网纹红土是在极端湿热气候条件下形成的古土壤[4]。
图 1 九江红土与西峰黄土、古土壤及河、湖相沉积粒度分布的频率曲线图中(a)、(b)分别为九江剖面上部下蜀土和中、下部网纹红土样品; (c)、(d)分别为西峰黄土、古土壤样品; (e)为泸定湖相样品; (f)为宣城河流相样品Figure 1. Grain-size distribution curves of the Jiujiang Red Earth, Xifeng loess and soil, lacustrine and fluvial sediment samples2.2 粒度参数
沉积物的粒度参数与形成环境及搬运动力条件具有密切关系。常用的粒度参数统计分析方法包括矩法[27]和图解法[28]两种, 本文采用了矩法计算粒度参数的方法, 计算公式如下[27] :
(1) 
(2) 
(3) 
(4) 上述公式中, Xi为第i个粒级的中点粒径, fi为第i个粒级的百分含量。图 2为九江剖面不同深度的典型下蜀土(10个)、网纹红土(10个)样品与西峰黄土、古土壤以及河湖相沉积粒度参数的对比。从图中可以看出, 下蜀土的平均粒径一般在6.4 ~ 6.8ϕ (9.0 ~11.8 μm)之间, 网纹红土的平均粒径一般在7.1 ~ 7.2ϕ (6.8 ~ 7.3 μm)之间, 与西峰黄土、古土壤相比总体偏细, 但九江红土的标准偏差与西峰黄土、古土壤非常接近, 分选程度明显高于泸定湖相及宣城河流相沉积, 表明其搬运动力的相对稳定性。九江剖面下蜀土与网纹红土样品均呈正偏态, 与西峰黄土、古土壤比较接近, 虽然泸定湖相样品也为正偏态, 但其偏度明显大的多。九江红土与西峰黄土、古土壤以及宣城河流相样品的峰度比较接近, 明显比泸定湖相样品的峰度值小。
图 2 九江红土与西峰黄土、古土壤及河、湖相样品的粒度参数对比(a), (b) —九江剖面下蜀土及网纹红土样品; (c), (d) —西峰黄土、古土壤样品; (e) —泸定湖相样品; (f) —宣城河流相样品Figure 2. Comparison of grain-size parameters among of the Jiujiang red earth, Xifeng loess, lacustrine and fluvial sediments由以上分析可以看出, 每个粒度参数都具有一定的成因及沉积环境的判别意义。但是, 沉积环境的各种条件非常复杂, 用单一的粒度参数有时难以严格区分两种不同类型的沉积物, 常常需要对各种粒度参数进行综合分析, 才能得出比较合理的结论。对已知环境的当代沉积物粒度结构参数散点图[29]的研究表明, 不同类型沉积物的某些点子虽然可以互相穿插, 但成因环境的界线则非常明显。鹿化煜等[20, 21]对三趾马红土与第四纪黄土、古土壤以及河、湖相沉积的粒度结构参数的对比研究结果显示, 三趾马红土的粒度结构参数散点图与第四纪黄土、古土壤非常相似, 而与河、湖相沉积有很大区别。在本文粒度结构参数散点图(见图 3)中, 九江红土与西峰黄土、古土壤具有非常相近的投影区域, 而与河流相、湖相样品存在很大区别。反映了九江红土与西峰黄土一样, 属于风成成因。
图 3 九江红土与西峰黄土、古土壤以及河、湖相样品的粒度结构参数散点图▽九江下蜀土; □九江网纹红土; △西峰黄土; +西峰古土壤; ○泸定湖相沉积; ▲宣城河流相沉积Figure 3. Statistical parameters of grain-size distribution plots of the Jiujiang Red Earth, Xifeng loess and soil, lacustrine and fluvial sediments2.3 粒度指数特征
四分位值(Q1、Q3)和中位数(Md)也是反映沉积物特征的重要参数, 综合利用这些参数可以直接看出四分位标准差、偏度等的变化, 从而判别不同的沉积物类型[29]。从图 4可以看出, 九江不同深度的红土样品与西峰黄土、古土壤的粒度指数图非常相似, 而与河流相、湖相沉积有很大区别。
图 4 九江红土与西峰黄土、古土壤以及河、湖相样品的粒度指数图Figure 4. Q1-Md-Q3 plots of the Jiujiang Red Earth, Xifeng loess and soil, lacustrine and fluvial sediments2.4 综合C-M图
C-M图是一种综合性的成因图解[29]。在沉积物成因研究中, 主要是通过未知样品在C-M图中的投影区域与已知成因样品的投影区域进行比较来确定其成因及沉积环境[20, 21]。九江剖面不同深度的下蜀土、网纹红土与西峰黄土、古土壤样品在C-M图中的投影呈带状分布(见图 5)。在该带中, 西峰黄土样品的中值粒径偏粗, 位于C-M图的右上方, 九江网纹红土样品的粒度偏细, 位于C-M图的左下方。泸定湖相和宣城河流相样品的投影区域与上述样品明显不同。
图 5 九江红土与西峰黄土、古土壤以及河、湖相样品的综合C-M图▽九江下蜀土; □九江网纹红土; △西峰黄土; +西峰古土壤; ○泸定湖相沉积; ▲宣城河流相沉积Figure 5. C-M plots of the Jiujiang Red Earth, Xifeng loess and soil, lacustrine and fluvial sediments2.5 判别分析
判别分析是一种多元统计分析方法, 可用来寻找适当的统计值以判断不同的沉积作用和沉积环境, 通过对沉积物粒度参数的统计分析, 可以找出判别不同沉积类型的指标值。本文用下面的公式[30]来计算样品的判别值:
(5) 式中Y为判别参数, MZ、σI2、KZ、KG分别为平均粒径、标准偏差、偏度、峰度, 计算结果见图 6。从图中可以看出, 泸定湖相沉积的判别参数为正值, 其余的全为负值。九江红土剖面不同深度的下蜀土、网纹红土与西峰黄土、古土壤的判别参数比较接近, 而且其判别参数值也相对比较稳定, 而宣城河流相与泸定湖相样品的判别参数变化较大。根据Sahu的研究[30], 上式计算的风尘堆积的判别值应该小于-2.7411, 上述所有下蜀土、网纹红土样品的判别值全部在该范围之内。鹿化煜等[20, 21]用同样的方法计算了不同地区河流相、湖相样品的判别参数, 计算结果均为负值, 且不同时间、地点的河、湖相样品的判别参数也有较大的变化范围。九江红土剖面下蜀土、网纹红土样品的判别参数范围非常集中, 需要十分稳定的动力条件和沉积环境。以上判别分析的结果也反映出九江红土与西峰黄土、古土壤具有相同的成因。
图 6 九江红土与西峰黄土、古土壤以及河、湖相样品的判别参数Figure 6. Y-values of grain-size distribution of the Jiujiang Red Earth, Xifeng loess and soil, lacustrine and fluvial sediments2.6 九江剖面粒度中值粒径及各粒级组分在剖面上的变化
对九江剖面231个样品的粒度分析结果(见图 7)表明, 所有下蜀土及网纹红土样品都以粉砂颗粒为主, 中值粒径变化范围在5.8 ~ 15.8 μm之间, 大于63 μm的粗颗粒含量最大值为4.3%, 平均值为1.1% (见图 7)。九江红土这种稳定的细粒沉积是风尘堆积的典型特征。
图 7 九江剖面粒度中值粒径及各粒级组分变化Figure 7. Variations of median grain-size and some grain fractions content in Jiujiang section3. 结论
对位于江西九江的红土剖面系统的粒度分析表明, 该区的下蜀土及网纹红土层以均匀的细颗粒为主, 并且具有与中国北方典型风成黄土相似的粒度分布及粒度参数特征。其中, 剖面上部的下蜀土与西峰黄土粒度特征相近, 而剖面下部的网纹红土与西峰古土壤更为相近。上述研究结果表明, 江西九江的红土堆积与中国北方的第四纪黄土、古土壤一样属于风尘堆积。
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图 1 赛里木湖东南部湖滩岩出露分布图
Figure 1. Distribution map of the lacustrine-beach rock around south-east Sayram Lake
图 2 赛里木湖东南部湖滩岩分布特征
a—赛里木湖南岸出露的钙质胶结湖滩岩，与下伏湖相地层接触；b—赛里木湖东南岸出露的湖滩岩分布于高湖积台地之上，并构成湖积台地的一部分，镜向东北
Figure 2. Distribution characteristics of the lacustrine-beach rock around south-east Sayram Lake
图 3 赛里木湖南岸湖积台地剖面与湖滩岩分布图
Figure 3. The section of lacustrine facies at the south of Sayram Lake and the distribution of lacustrine-beach rock
图 4 赛里木湖周缘湖滩岩显微特征
a—湖滩岩手标本，可观察到其结构为典型的砂质含砾胶结岩，块状构造，接触式胶结；b—镜下观察湖滩岩薄片，岩石为含砂砾质砂屑砾屑结构(-)，基底式接触式胶结。内碎屑由泥晶灰岩、粉晶灰岩等构成，次棱角—浑圆状，具方向性分布。陆源碎屑由岩屑、石英构成。岩屑主见硅质岩、石英岩、(含铁炭质)粘土质板岩、花岗斑岩、蚀变岩等，大小不等。胶结物由亮晶方解石及少量文石构成，粒径＜0.1mm。亮晶方解石、文石主呈纤状、刃状等；c—镜下观察湖滩岩薄片，岩石由内碎屑、藻团块、藻球粒、陆源碎屑、填隙物构成。陆源碎屑由岩屑、石英构成，棱角－次棱角状为主，零散分布。岩屑主见硅质岩、石英岩、粘土质板岩等，大小0.02~8.0 mm不等；d—镜下观察湖滩岩样品中的藻团块特征。藻团块呈团状，有的边缘不规则，0.2~1.0 mm，由泥晶方解石及藻类构成，色暗；e—镜下观察湖滩岩胶结物特征，胶结物由亮晶方解石及少量文石构成，亮晶方解石、文石主要呈纤状、刃状等，垂直碎屑生长，构成栉壳结构，局部由多层纤状方解石与有机质混杂构成玛瑙纹状构造，基底式及接触式胶结；f—镜下观察湖滩岩的泥晶填隙物。湖滩岩中的内碎屑及陆源碎屑之间的填隙物由亮晶方解石胶结物、文石及泥晶方解石填隙物构成
Figure 4. Micro-characteristics of the lacustrine-beach rock around south-east Sayram Lake
图 5 湖滩岩胶结物X射线衍射图谱
Ca—普通方解石(含镁)；Q—石英；Do—白云石；Ab—钠长石
Figure 5. The X-ray diffraction gram of the lacustrine-beach rock cement
表 1 赛里木湖湖滩岩出露高程及铀系测试结果
Table 1. Elevations and U-series dates of the lacustrine-beach rock around the Sayram Lake
样品编号 剖面地点与采样部位 拔湖高度/m 高程/m 岩性 年龄/ka S0811-7 S1剖面最高湖岸堤顶部 34.72 2107 钙质胶结砂砾石 55.4±3.8 S0814-5 S7剖面第9测点小湖岸堤顶 9.38 2082 钙质胶结砾石 27.6±1.5 S0814-9 湖岸阶地后缘上覆洪积扇前缘 44.85 2118 钙质胶结含砂砾石 37.0±2.2 S0814-17 S8剖面2080 m湖岸堤顶部 7.14 2080 钙质胶结砾石 24.8±1.5 
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