安徽巢湖全新世湖泊沉積物磁化率與粒度組合的變化特征及其環(huán)境意義_王心源.pdf資料

1、地理科學(xué)SC IENTIA GEOGRAPH ICA SIN ICA安徽巢湖全新世湖泊沉積物磁化率與粒度組合的變化特征及其環(huán)境意義王心源11 2, 3，吳立11 3，張廣勝4 ,王官勇11 3，韓偉光11 3（1.安徽師范大學(xué)地理系，安徽蕪湖241000; 2.安徽遙感考古工作站，安徽蕪湖241000 ; 3.安徽師范 大學(xué)科技考古中心，安徽蕪湖241000; 4.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)系，江蘇南京231009）摘要:通過對獲取的巢湖湖泊沉積巖芯的磁化率與粒度組合特征的分析，結(jié)合孢粉及相鄰其它區(qū)域的環(huán)境考古資料，得出該巖芯柱樣所反映的環(huán)境變化信息。結(jié)果表明：（1）巢湖湖泊沉積物磁化率曲線在11

2、7 cm以下總體上比較平穩(wěn)而略有下降，117 cm以上人類活動所導(dǎo)致的侵蝕作用加劇使得磁化率值異常升高；（2 ）本巖芯柱樣117 cm以下樣品的磁化率強度與粘土的百分比含量呈正相關(guān)，而與粉砂組分的百分比含量成負相關(guān)；（3 ）根據(jù)磁化率與粒度組合變化特征，結(jié)合抱粉分析及全新世以來區(qū)域氣候變化背景，9 870 Cal a B. P.以來的巢湖流域古氣候環(huán)境演變可以劃分6個不同的時期：9 8707 000 Cal a B. P.，氣候呈溫和略干的特點；7 0004 750 Cal aB. P.，氣候溫暖濕潤；4 7502 170 Cal a B. P.，流域氣候溫和干燥，巢湖湖盆局部地區(qū)可能出露水面

3、以上；2 1701 040 Cal a B. P.，氣候總體上溫和濕潤，但是冷暖波動明顯；1 0402 00 Cal a B. P.流域處在溫涼稍濕的時期，人類活動逐漸加強；200 Cal a B. P.至今，流域總體上處于相對溫暖濕潤階段。關(guān) 鍵 詞:湖泊沉積；磁化率;粒度;環(huán)境演化；全新世；巢湖中圖分類號：X141文獻標識碼：A 文章編號：1000 - 0690 （ 2008） 04 - 0548 - 06成、水土流失等方面對巢湖進行研究11 13 磁化率是表征沉積物磁性特征的參數(shù)之一，可以從磁化率曲線特征來分析相應(yīng)的環(huán)境變化信息* 2。沉積物粒度是衡量沉積盆地能量和沉積介質(zhì)能量的一種代用

4、指標3, 4 ，其與沉積環(huán)境關(guān)系 密切。湖泊沉積物粒度分析在沉積環(huán)境和區(qū)域氣候變化分析中發(fā)揮著重要作用5, 6 。在黃土 -古土壤序列中，把沉積物的磁化率和粒度參數(shù)作為氣 候變化良好的替代性指標，可以與深海氧同位素 （5 18 O ）曲線進行對比7, 8 。在湖泊中，由于磁化率 和粒度參數(shù)都可以反映水動力條件的變化，而水動力則直接與沉積環(huán)境相關(guān)，這就為利用沉積物磁化率和粒度參數(shù)來研究陸相湖泊當時的沉積環(huán)境提供了可能9, 10 。近年來許多學(xué)者從湖泊污染、湖泊形本文從連續(xù)、完整且具較高分辨率的湖泊沉積物中提取磁化率與粒度組合所反映的環(huán)境信息，結(jié)合其它資料，研究巢湖全新世以來的環(huán)境演變特征。1巢湖

5、流域自然地理背景巢湖是中國五大淡水湖泊之一，處于長江下游沿江平原北部，屬亞熱帶季風氣候，整個流域年平 均氣溫在1516 C ,年降水量1 000 mm等值線過 本區(qū)。氣候溫和，雨量適中，四季分明，無霜期長。巢湖地區(qū)位于塔里木 中朝板塊和華南揚子板塊的交匯地帶。由于受到新生代喜馬拉雅運 動的影響，第四紀以來，大別山在上升剝蝕時期14 ，而山前和巢湖西湖區(qū)都在大別山前相對沉 降的地帶。大別山屬于高壓超高壓變質(zhì)巖廣泛出 露地區(qū)，巖石中鐵磁性物質(zhì)含量普遍較高，具有貧鋁、低鈦、貧堿，MgO、Fe2 O3 + FeO （磁鐵礦）含量高的 特點15 ?，F(xiàn)有入湖河流主要分布在湖區(qū)西部和西 南部。在注入巢湖的河

6、流中，水量最大的河流為杭埠-豐樂河，它是流入巢湖長度最長、流域面積最大 的水系之一，占到巢湖流域徑流總量的55. 5% 16 。收稿日期:2007 - 10 - 15;修訂日期:2008 - 02 - 16基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（批準號:40571162 ）、國家重點基礎(chǔ)發(fā)展研究計劃（國家973項目，課題編號:2003CB415201 ）和安徽 省自然科學(xué)基金項目（批準號:050450401 ）資助。作者簡介：王心源（1964 -）,男，安徽六安人，博士，教授，主要從事自然地理學(xué)等方面的教學(xué)與研究。E2mail: xinyuanw57 vip. sina. com1994-2010 C

7、hina Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.杭埠-豐樂河小流域是巢湖流域的強度水土流失區(qū)，是巢湖泥沙淤積的主要來源，其入湖泥沙貢獻 率達50%以上17 。西部大別山區(qū)是巢湖泥沙的主要來源，也是巢湖湖泊沉積物磁性物質(zhì)來源的基礎(chǔ)，這得到巢湖西部土壤環(huán)境磁學(xué)研究的證實18 。巢湖西湖區(qū)不斷淤積，中、東湖區(qū)岸線崩塌嚴 重12, 19 ，湖面向東遷移，造成湖底淤高、湖面變大。 巢湖唯一的通江水道裕溪河，位于巢湖東湖口，全長60. 4 km ,向東南流至裕溪口匯入長江。2樣品及分析方法（）位于117 23 3

8、9. 4 E、31 33 44.6 N,在水深 310 cm 處獲 得8 m長的湖芯一根（未見底）。該湖泊沉積物柱 樣總體上為青灰粉砂質(zhì)粘土少量為3 mm的細砂夾層，屬湖泊相沉積。研究樣品采集為1 cm間隔，共取400個樣品進行磁化率、粒度的分析。樣品分析在中國科學(xué)院 南京地理與湖泊研究所湖泊沉積與環(huán)境重點實驗 室完成，粒度分析儀器為英國MALVERN 公司生產(chǎn)的M astersize2000激光粒度儀；磁化率的測定采用 英國B artington公司生產(chǎn)的M S2型便攜式磁化率圖1巢湖流域主要水系及湖泊沉積物采樣點位置示意圖Fig. 1 Map of samp ling location o

9、f lake sediment and main rivers in Chaohu Lake Valley儀。在該柱狀沉積物樣490 cm以上樣品中，進行7個湖泊底泥樣品的AM S 14 C測年，測定由北京大學(xué)重離子物理教育部重點實驗室完成。測年數(shù)據(jù) 與深度呈很好的線性關(guān)系（R2= 0. 974 5）。通過巢湖年代與深度關(guān)系的特征研究，結(jié)合前人的研究方 法2曠23 ，建立巢湖沉積物年代的線性回歸校正，通 過線性插值內(nèi)插和外推24 ，得到巢湖湖泊沉積物 年代與深度的對應(yīng)關(guān)系（表1）。表1巢湖湖泊鉆孔巖芯AM s14 c測年結(jié)果14Table 1 Result of AMS C age of Ch

10、aohu Lake sediment深度(cm )87127189227287387487年代(Cal a B. P.)1040 702550 403720 1304565 555475 956590 1309770 403湖泊沉積物磁化率與粒度組合的變化特征3. 1沉積物磁化率的變化特征1）磁化率值的特征。根據(jù)實驗的結(jié)果，該柱狀沉積物樣的低頻磁化率值介于6. 59 X 10 - 8838364. 49 X 10 m / kg,平均值 18. 34 X 10 - m / kg; 頻率磁化率最大值（107 cm處）為11. 17% ,平均值為3. 50% ;頻率磁化率與低頻磁化率之比的最 大值為

11、0. 86% ,平均值為0. 21%。其值低于干旱 半干旱區(qū)的湖泊25 ,而高于泥炭、沼澤26 ，反映出 亞熱帶濕潤地區(qū)湖泊的磁化率值特點。2）磁化率曲線的變化特征。從磁化率曲線可 以看出，低頻磁化率和高頻磁化率曲線在117 cm以下都比較平穩(wěn)，呈現(xiàn)小幅度的高低振蕩，160117 cm兩者的值都呈現(xiàn)出略有下降的趨勢，而117cm以上，低頻磁化率和高頻磁化率都開始大幅度 升高，61 cm處兩者開始下降，直至45 cm以上便 處在一個有波動但較為穩(wěn)定的高磁化率范圍內(nèi)；頻率磁化率則呈現(xiàn)高低值的振蕩，出現(xiàn)若干次峰值其中在107 cm處出現(xiàn)最大峰值，此后頻率磁化率 便處在一個波動上升的階段。3. 2粒度

12、分析結(jié)果及特征巢湖湖泊沉積物柱樣粒級劃分按Udden -W entworth標準分粘土（ 64卩m ）三個級別，反映了沉積物粒度 的變化。粒度分析結(jié)果表明，粘土含量10. 46%60. 48% ,平均值 32. 89% ;粉砂含量為 39. 52% 89. 54% ,平均值 66. 90% ;砂含量07. 10% ,平均 值0. 21%。按國際制三角圖圖解法命名，屬粉砂質(zhì)粘土。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.20Q45t5552S0期3 土舶non4-4 fi n

13、 64fjinW 60 70 80 90 Q 2 4 6 8（IOa14/niL） 倉含量 弄木需木話90丄曲sol(H0701002550ISO圖3巢湖湖泊沉積物磁化率與粒度組合分帶特征及與抱粉指標的相關(guān)情況Fig. 3 Magnetic suscep tibility and grain size, pollen concentration with increasing dep th of sediment in Chaohu Lake3&O 0.2038X + 7. 995S蠱=飢7823. 3磁化率與粒度組合的變化特征沉積物磁化率與粒度間關(guān)系非常密切。天然 湖泊沉積物的磁化率與粒度關(guān)

14、系很大程度上反映 物質(zhì)來源及沉積動力和次生條件變化的影響，與粒度關(guān)系因情況不同產(chǎn)生較大差異2729 。根據(jù)謝紅霞等18 對巢湖西部杭埠河口采集的 沉積物柱樣磁性測試表明：不論樣品磁化率值的高 低，磁性礦物居里溫度都在580 C左右，說明磁鐵礦是主要的磁性礦物；而流域土壤的磁性特征研究 證實入湖泥沙主要是含有磁性礦物的細顆粒泥沙。由于117 cm以上人類活動導(dǎo)致侵蝕作用加劇 使磁化率值異常升高，本文將117 cm以下低頻磁化率與粘土含量粒度數(shù)據(jù)進行對比以及相關(guān)系數(shù) 的計算表明，低頻磁化率值與粘土含量呈正相關(guān) （圖2 ）,相關(guān)系數(shù)=0. 782,而與粉砂組分百分比含 量成負相關(guān)（R = 0. 78

15、5）。根據(jù)巢湖湖泊沉積物的磁化率與粒度組合的變化特征，結(jié)合孢粉與沉積速率確定的年代序列，可以得出巢湖湖泊沉積物磁化率與氣候干濕變化 的關(guān)系：磁化率的高值與氣候濕潤一致；氣候的干If糅跑 心閣 （10 VAs） （10 W/M） 加“d t）, 0$ 0 2D 4D 60 80 010 BQ IQ ZQ 3（）20 -18 -16 -14 -12 -10 -& -6 -42 -0 -10203040 S0粘土白曲含量怦、圖2巢湖沉積物樣品磁化率與粘土百分含量關(guān)系圖Fig. 2 Relati on ship betwee n sedime nt magn eticsuscep tibility a

16、nd grain content of fine sand燥則與磁化率的低值相對應(yīng)；粒度、抱粉環(huán)境代用 指標的變化也與磁化率的記錄有很好對應(yīng)關(guān)系（圖3）。由此，自4900 cm的巢湖湖芯柱樣可以劃分 6 段：I 段（490 400 cm ） , n 段（400 240 cm ）,皿段（240 117 cm ） , W段（117 87 cm ） , V 段（87 17 cm ） , W 段（17 0 cm ）。4磁化率與粒度組合的環(huán)境意義通過分析比較，在本研究中，沉積物磁化率較 高代表當時水動力條件較強，環(huán)境較為濕潤；而較低的磁化率則表示當時較為干旱的環(huán)境條件；相應(yīng)地，粗粒沉積物指示湖泊收縮、湖

17、水較淺的干旱氣候環(huán)境，細粒沉積物則指示湖泊擴張、湖水較深的濕潤氣候環(huán)境（有關(guān)詳細情況，另文論述）。據(jù)此, 以磁化率與粒度組合變化特征分析為基礎(chǔ)，綜合孢粉資料并參考相關(guān)研究成果，本文得到巢湖流域環(huán) 境變化的歷史，分段分析如下：1）9 870 7 000 Cal a B. P.。這一階段時間1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.)發(fā)，長江上對應(yīng)歐洲冰后期的北方期(9 5007 500 Cal aB. P.)。湖泊沉積物磁化率分析結(jié)果表現(xiàn)為低頻 磁化率值較低,平均值14. 8

18、6 X 10 - 8 m3 / kg。頻率 磁化率值也處于一個相對較低的階段。反映在粒 度上，粘土含量高于平均值，粘土平均占33. 40%。說明這個時期整體氣候干燥而溫和，對應(yīng)末次冰期之后高溫期到來之前氣候轉(zhuǎn)暖的過渡時期，氣候變化反映承先啟后的性質(zhì)。孢粉分析也顯示，該階段植被是以殼斗科的落葉、常綠屬種為主的落葉闊 葉、常綠闊葉混交林；常綠落葉闊葉栲 /石棟在減 少、落葉闊葉棟類在增加，為含量最高段。2) 7 000 4 750 Cal a B. P.。這一階段頻率磁化率值峰谷交替、激烈振蕩，發(fā)生3次旋回；粒度波動也十分明顯，出現(xiàn)數(shù)次砂含量的峰值。孢粉分 析表明，植被是以落葉棟類、栗屬、青岡屬和

19、栲/石棟屬為主的落葉闊葉、常綠闊葉混交林。綜合分析 該時期區(qū)域環(huán)境由前一階段的干燥溫和轉(zhuǎn)化為更加溫暖濕潤，但氣候不穩(wěn)定，有數(shù)次的波動。3) 4 7502 170 Cal a B. P.。磁化率值逐漸降低，沉積物粒度持續(xù)增大，但砂物質(zhì)含量卻在這 一時期達到最低值，說明這一時期水動力下降，攜帶能力減弱，環(huán)境向著冷干方向發(fā)展，湖面收縮。這也顯示了中國自北向南延遲降溫的規(guī)律30 。孢粉資料也表明該階段落葉闊葉屬種含量是整個剖面的最高值，且出現(xiàn)相對較多的胡桃屬，而常綠闊 葉屬種含量總體有所降低。推測該時期巢湖流域 處在一個溫和干燥的時期。通過對唐家嘴遺址文 化層含碳較高的中間層位14 C測年結(jié)果2 09

20、0 130Cal a B. P.的綜合分析12 ，推測 2 170 Cal a B. P. 左右可能是巢湖歷史上湖面最小的一個時期，巢湖湖盆的局部地區(qū)可能出露水面以上，湖灘地面積擴大，唐家嘴遺址漢時期的經(jīng)濟文化較為繁榮。4) 2 1701 040 Cal a B. P.。該時期磁化率 值迅速升高，但波動明顯，前階段較小，后階段逐漸增大，最高值達24. 70 X10 - 8 m3 / kg,出現(xiàn)兩次峰 值。粒度也有波動，前階段粒度較粗,后階段粒度 較細。綜合磁化率、粒度以及孢粉的分析和歷史文 獻資料，推測該時期總體上是個溫和濕潤的時期，氣候波動明顯、不穩(wěn)定，包含一次冷暖旋回。該期前階段處于寒冷干

21、旱時期。在野外考察 中發(fā)現(xiàn)，該階段巢湖流域普遍沉積了一層灰黃色或 亮黃色略含細砂的粘土質(zhì)粉砂，周昆叔、莫多聞等專家認為這反映風成堆積發(fā)育。但是在這階段中巢湖流域可能經(jīng)歷一次環(huán)境突變事件，在107 cm(1 795 Cal a B. P.)處低頻磁化率出現(xiàn)了峰值，由7. 05 X 10 - 8 m3 / kg 迅速升高到 17. 22 X 10 - 8 m3 / kg,然后又迅速降低到 7. 71 X 10 - 8 m3 / kg,同時頻 率磁化率也迅速達到極大值11. 17% ,砂含量出現(xiàn)峰值，水動力條件較強。這個時段恰好與歷史記載吳赤烏二年 公元239年，即1 760 Cal a B. P.

22、生的“陷巢州” 12 相合。也正是這個時段內(nèi)洪水漫溢南京城，“水深八尺” 31 。由此筆者推測此時期巢湖流域曾經(jīng)經(jīng)歷過大洪水事件。該期后一階段氣候溫暖濕潤，黃河流域可生長梅、竹等亞熱帶植物32 。砂物質(zhì)含量也出現(xiàn)幾次 峰值，指示水動力條件增強。流域降水量加大，湖面擴張，可能經(jīng)歷過洪水災(zāi)害。唐代開發(fā)南方，這時期巢湖流域開始受到人類活動的較大影響。孢 粉分析表明此階段之前的落葉闊葉、常綠闊葉混交 林迅速被破壞，演替成以禾本科為主草地。5) 1 040200 Cal a B. P.。該時期磁化率值 出現(xiàn)躍升，在87 cm處磁化率值由7. 53 X 10 - 8 m3 / kg上升到21. 57 X

23、10 - 8 m3 / kg,且一直處在較高水 平上;粘土含量有所上升，砂物質(zhì)出現(xiàn)多次峰值，水 動力條件強。特定流域內(nèi)，高磁化率被當作侵蝕作 用標志33 ，磁化率值異常升高反映流域內(nèi)由于耕 作和森林砍伐而導(dǎo)致基巖侵蝕加劇，水動力條件較強，流域內(nèi)磁性礦物輸入量很大，巢湖流域人類活動進入繁盛時期。現(xiàn)有歷史資料表明 ，該時期中國 人口大量南遷，移民分布密集區(qū)主要在淮河以南、 長江以北地區(qū)，長江以南只是點狀分布34 。巢湖流域正處在淮河以南、長江以北，富庶的土地吸引大量移民定居，人口大幅度增加，人類活動引起的 墾荒和土地開發(fā)不斷加劇，水土流失嚴重，入湖的磁性物質(zhì)含量自然也增加很快，磁化率值也因人類干擾

24、較大而異常升高。在較高的磁化率水平上，磁化率波動依然反映 出氣候變化信息。在8561 cm ( 1 015740 Cal aB. P.)低頻磁化率值由21.57 X 10 - 8 m3 / kg上升到 64. 49 X 10 - 8 m3 / kg,粗粒物質(zhì)物質(zhì)逐漸下降；65 cm ( 900 Cal a B. P.)處，榆屬的孢粉百分比含量由0. 29%下降到0,而松屬百分比含量則由8. 29%上升到21.67% ,常綠棟類和落葉棟類都出現(xiàn)下降趨 勢。該時段正好對應(yīng)南宋寒冷期向元代溫暖期過 渡時期。而 45 cm ( 540 Cal a B. P.)處磁化率迅速 下降、粒度增大及松屬孢粉百分

25、比含量迅速上升,1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 下降可能與人類活動加劇所產(chǎn)生的有機質(zhì)及湖泊 榆屬百分比含量下降則對應(yīng)明清小冰期。綜合分 析，此時巢湖流域總體處在一個溫涼稍濕時期，末期受到小冰期影響而較為寒冷。6）200 Cal a B. P.至今。這個時期磁化率值又有一個迅速降低的過程。這種現(xiàn)象反映了該時期人類活動的進一步增強，人為活動對沉積環(huán)境的干擾作用加強。由于工業(yè)文明的興起及農(nóng)業(yè)的進一步發(fā)展，這個時期巢湖的有機質(zhì)含量增加，富營養(yǎng)化現(xiàn)象較為嚴重，有機質(zhì)在一定

26、程度上降低了沉 積物的磁化率35 。粒度在 7 cm處岀現(xiàn)一個極高 值，可能與人類大規(guī)模的開發(fā)活動有關(guān)，但也可能是近600年來氣候變化中第四次冷期（1945年左右）的反映。該時期巢湖流域總體上處于相對溫 暖濕潤階段。這種氣候狀況一直延續(xù)至今。5討論和結(jié)論綜上所述,我們得出以下認識：1）從湖泊沉積物環(huán)境代用指標記錄的巢湖流域全新世 9 870 Cal a B. P.以來的氣候和環(huán)境演變信息看，巢湖區(qū)域的環(huán)境演變一方面受到全球變 化的影響，尤其是亞洲季風的演化對巢湖區(qū)域的影 響，是區(qū)域環(huán)境變化對全球變化的響應(yīng)；另一方面，由于巢湖獨特的地理位置以及所處的構(gòu)造帶、流域 特征等，都使該區(qū)域的環(huán)境演變有著

27、自身的特點和 復(fù)雜性，環(huán)境演變具有區(qū)域特征。同時，中晚全新世以來，人類活動影響不容忽視。2）在巢湖湖泊沉積物的研究中，作為反映環(huán)境變化的代用指標磁化率和粒度，兩者之間有著一定的對應(yīng)關(guān)系。磁化率強度與粘土的百分比含量呈正相關(guān)，而與粉砂組分的百分比含量成負相關(guān)。 在巢湖湖泊沉積中，高磁化率一般指示濕潤的氣 候，湖面較高；而低磁化率則指示干燥的氣候,湖面較低。通過歷史上人類活動的響應(yīng)，我們也相互驗證了巢湖流域氣候環(huán)境演化的歷史。3）基于磁化率與粒度組合特征的分析，綜合孢粉與其它文獻資料，巢湖流域環(huán)境變化可分為6個階段。全新世以來，本區(qū)氣候環(huán)境總體上經(jīng)歷了溫和略干-溫暖濕潤 -溫和干燥-溫和濕潤-溫

28、涼稍濕-溫暖濕潤的變化過程，這與中國東部全新世以來氣候變化趨勢相印證。4）磁化率值的異常升高與人類活動的增強相對應(yīng)，說明它們之間存在聯(lián)系；隨后磁化率值的富營養(yǎng)化有關(guān)，需進一步研究。致 謝：衷心感謝周昆叔先生、莫多聞教授在野外考察中的大力支持和指導(dǎo)；對于賈玉連教授、 蔣慶豐博士、張恩樓博士、肖霞云博士在采樣與分 析工作中給予的支持與幫助表示感謝。參考文獻:1 Thomp son R , O Idfield F. Environmental Magnetism M . Lon 2 don: George A llen & Unwin, 1986: 1 - 83.2 王俊達.第四紀沉積物的古地磁研究

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