内蒙古中部必鲁图晚更新世晚期环境演变的沉积记录

王 永，周赤华，姚培毅，迟振卿

（1．中国地质科学院地质研究所，北京 100037；2．内蒙古赤峰地质矿产勘查开发院，内蒙古赤峰 024005）

内蒙古中部必鲁图晚更新世晚期环境演变的沉积记录

王 永1，周赤华2，姚培毅1，迟振卿1

（1．中国地质科学院地质研究所，北京 100037；2．内蒙古赤峰地质矿产勘查开发院，内蒙古赤峰 024005）

以内蒙古中部必鲁图厚度250 cm的浅井湖泊剖面为研究对象，根据取得的6个光释光法测年数据，建立晚更新世晚期56．8 ka以来的年代序列，对湖泊沉积特征、粒度组成、Rb与Sr含量（质量分数）之比、氧化物含量及其比值等地球化学特征进行分析，并通过综合研究各指标的气候环境指示意义，重建该地区晚更新世晚期以来的气候环境演变过程。结果表明：该地区晚更新世晚期以来气候环境变化可以分为5个阶段。第1阶段，56．8～49．5 ka，沉积物有机质较丰富，化学风化作用较强，以温干偏湿气候为主；第2阶段，49．5～41．3 ka，化学风化较弱，水热条件较差，气候冷干偏湿；第3阶段，41．3～20．8 ka，气候转为暖湿，化学风化作用最强，为升温高降水期，末次冰期间冰段，间有小的冷湿、温干波动；第4阶段，20．8～8．2 ka，各项地球化学指标均发生突变，砂楔发育，气候恶化，持续干冷，期间存在末次冰期最盛期；第5阶段，8．2～0 ka，气候以温干为主，晚期气候向凉干转变趋势明显。

古气候；环境变迁；晚更新世；地球化学；末次冰期；湖泊；必鲁图；内蒙古

0 引 言

内蒙古中部地区地处中国北方季风边缘区，属生态环境敏感带，该地区湖泊沉积可以真实地记录区域气候环境的变化过程［1－3］。近年来，湖泊沉积记录的古气候变化研究已在相邻地区广泛开展［4－9］，不同学者通过对地处季风边缘带的内蒙古达里湖［8］、岱海［4，7，9］、调角海子及河北省张北县安固里［5］等湖泊沉积物的研究，恢复了各地全新世以来的环境演变与气候变化过程，对全新世的气候变迁有了较系统的认识［6，10－13］。总体而言，对中国北方季风边缘区湖泊沉积的古气候研究主要集中在全新世以来。

关于该地区环境演变研究，前人从地貌及沉积特征分析了晚更新世以来湖泊盆地的发育过程［14］，由于没有连续的沉积剖面，系统的环境演变研究还没有开展。而该地区气候环境演变的研究对于正确认识东亚季风的演变规律具有重要意义。同时，不同时间尺度的气候变化机制以及古气候演化的区域差异性研究一直是过去全球变化研究中的热点科学问题。笔者通过对内蒙古中部必鲁图湖泊沉积物的粒度组成、微量元素、氧化物含量及其比值等环境指标的综合分析，揭示了该地区晚更新世晚期以来湖泊的环境演变过程，探讨了本区晚更新世晚期以来的气候环境演化特征，为中国季风边缘区第四纪以来气候环境演化过程的重建提供基础资料。

1 研究区概况

必鲁图湖泊位于内蒙古中部锡林郭勒盟苏尼特左旗南部（图1），为一封闭性湖泊，湖面海拔约962 m。根据苏尼特左旗1971～2000年的气象数据，该地区全年降水量为150～200 mm，主要集中在夏季（5～9月）。冬季（1月）平均气温－18．7℃，夏季（7月）平均气温22℃，年平均气温为3．1℃。必鲁图湖泊流域内没有大的河流输入，仅在西南部有季节性小河补给，湖水供应主要靠大气降水，目前已干涸，成为季节性湖泊。

图1 必鲁图湖泊位置Fig．1 Location Map of Lake in Bilutu

据内蒙古苏尼特左旗1∶200 000地质图，必鲁图湖泊南部为白垩纪灰绿色粉砂质黏土岩，其北侧为晚古生代花岗岩，西侧有石炭纪火山碎屑岩、中基性火山熔岩夹安山质凝灰岩，东南侧则为第三纪碎屑岩，主要是泥岩、粉砂岩和细砂岩。湖泊沉积物主要来源于周围岩石风化剥蚀后近距离搬运的产物。

2 材料与方法

在必鲁图湖泊西南部（地理位置：43°24′19．9″N，113°45′43．8″E）采用人工方式挖掘250 cm深的浅井，以5 cm间隔连续采集样品。整个浅井剖面由灰黄色粉细砂、灰绿色粉砂质黏土组成，其沉积特征自上而下可分为：0～13 cm，褐黄色粉砂质黏土；13～22 cm，灰绿色黏土质粉细砂，含细砾；22～59 cm，灰色黏土质粉砂，夹薄层粉砂质黏土；59～63 cm，灰白色钙质砂土，含细砾石，质硬；63～92 cm，灰黄色细砂，分选磨圆较好，夹灰色含细砾砂；92～185 cm，灰黄色黏土，夹薄层黏土质粉砂、细砂；185～250 cm，灰绿色黏土夹粉砂质黏土。年龄与深度的对应关系见图2。

剖面年代用光释光法（OSL）进行测量（表1），由中国地震局地质研究所新年代学实验室用细颗粒红外光释光法进行测定。根据6个OSL年龄数据，内插获得各岩性界线的年代。沉积物粒度分析使用Mastersize 2000激光粒度仪在中国科学院南京地理与湖泊研究所进行，按照Udden－Wentworth标准对沉积物进行粒级（D）划分［15］，将沉积物主要分为中粗砂（D＞125μm）、细砂（62．5～125μm）、粉砂（3．9～62．5μm）和黏土（D＜3．9μm），为了表现更细粒组分的变化，将黏土又细分出小于2．0μm的粒级。常量及微量元素分析采用X－荧光光谱仪、等离子质谱仪在国家地质实验测试中心完成。

表1 必鲁图湖泊沉积物OSL测年结果Tab．1 OSL Dating Results of Lake Sediment in Bilutu

图2 必鲁图湖泊沉积年龄与深度的对应关系Fig．2 Relationship Between Age and Depth for Lake Sedimentary in Bilutu

3 结果与讨论

3．1 粒度组成

湖泊沉积物的粒度分布特征与流域内降水量、湖面高度及采样位置等密切相关，是沉积物搬运距离及沉积环境的直接反映，因而是恢复湖泊古环境演变的有效手段之一［8，16－18］。研究表明，由于沉积物粒度大小受湖水物理能量的控制，因而能够反映水动力搬运条件强弱的变化［7］，进而代表了湖泊水位的高低。同时，不同时间尺度、不同类型湖泊沉积物粒度指示的环境意义不同［18］，湖泊沉积物粒度组成在环境解释上存在多解性。因此，利用粒度指标重建湖泊沉积记录的古气候古环境演变过程，需要与其他指标相结合进行综合分析［8，17－18］。

必鲁图剖面的粒度组成以黏土和粉砂为主，其中黏土的平均含量为45．7%，粉砂为44．0%；砂仅为11．3%，中值粒径（Mz）与粗颗粒组分（D＞125μm）变化趋势一致。根据不同粒级的含量变化，整个剖面自下而上可以分为3段（图3）：80～250 cm，粉砂与黏土含量高值段，含量平均大于95%，在105～115 cm深度黏土及粉砂含量急剧降低，仅为3．6%，而中粗砂含量明显增加，该段下部186～227 cm深度粒级小于2．0μm的颗粒相对较低；59～80 cm，砂粒含量高值段，而粉砂和黏土含量为低值；0～59 cm，粉砂含量最高值段，黏土含量也较高，砂粒含量为低值段，其中16～30 cm深度黏土及粉砂含量显著降低，细砂含量也较低，而中粗砂含量明显增加。

3．2 地球化学特征

内陆封闭湖泊沉积物的地球化学特征（如w（Rb）／w（Sr））记录了流域经历受到古气温、降水变化制约的化学风化过程［9，19］。同时地球化学元素的迁移和积聚受到气候环境变化的影响［20－25］，因而沉积物地球化学特征可以揭示沉积时期的气候环境演化过程［26－28］。

湖泊沉积物中，地球化学元素的迁移、聚集等变化主要受到气候环境因素的制约。因此，地球化学元素指标在反映气候环境演化过程中有着重要意义［20－21，23－26，29－31］。干旱半干旱气候条件下，降水量减少，生物地球化学作用和沉积作用相应减弱，各种元素在湖泊中的含量也相对降低，但不同性质的元素分布规律不一致。化学风化受湿度和气温控制，在干旱条件下，化学风化弱，以机械搬运为主，惰性组分相对富集，如Fe、Al、Ti、Ni、Co、Cr等元素含量呈现低值，而Na、K、Ba、Sr等元素出现高值，表明气候相对干旱；反之，则气候相对潮湿。气温高时，生物光合作用强，CO2被吸收，因而导致CaCO3沉淀，同时温度高时，蒸发作用相对强烈，也可导致CaCO3沉淀［25］，因此CaO、MgO含量等可以反映气温的高低变化。元素C含量可以间接反映沉积时期生物量及湿度的变化，因而在一定程度上反映气候的变化。

图3 必鲁图湖泊沉积物粒度组成Fig．3 Grain Size Composition of Lake Sediment in Bilutu

湖泊沉积物元素地球化学特征及其比值，已成为反映古气候波动的有效指标［32－33］。沉积物中（w（CaO）＋w（K2O）＋w（Na2O））／w（Al2O3）反映了活动组分与惰性组分之间的关系［32］，比值越高，进入湖泊的活动组分越多，物源区的风化作用越强，水热条件好；反之，风化作用减弱，水热条件越差。Sr的化学性质与Ca相似，化学风化作用中极易淋失，Rb与K相似，很容易富集在风化产物中，而Zr却很稳定。因此，w（Zr）／w（Rb）、w（Rb）／w（Sr）常用来表示沉积物粗细颗粒相对含量及化学风化的强弱。Sr含量低，w（Rb）／w（Sr）、w（Zr）／w（Rb）高，说明化学风化作用较弱；w（Rb）／w（Sr）低，指示较强的化学风化作用［9，19，33］。

必鲁图剖面中SiO2含量与K2O、Na2O含量变化趋势一致，而与CaO、Mg O、MnO含量反相关。SiO2含量变化较大，为24．0%～75．3%，平均为38．1%；Al2O3含量为7．41%～14．92%，平均为9．9%；CaO为2．82%～19．65%，平均为13．2%；MgO为1．65%～12．01%，平均为8．6%；Fe2O3为1．10%～4．66%，平均为3．0%；K2O为1．77%～2．93%，平均为2．3%；Na2O为1．59%～2．97%，平均为1．9%；TiO2为0．32%～0．57%，平均为0．4%。微量元素Rb、Zr含量变化趋势一致，而Sr、V、Ni、Pb、Cr等含量变化趋势一致。

整个剖面地球化学元素的含量可以分为5段（图4、5）：219～250 cm，SiO2、Al2O3、TiO2含量与K2O、Na2O含量为最低值段，SiO2含量平均仅为19．2%，CaO、MgO、MnO含量为高值段，CaO含量平均15．9%，Zr、V、Sr、Ni、Rb含量为低值段，而Zn、Co、Cu含量为较高值段；175～219 cm，SiO2、Al2O3、TiO2含量与K2O、Na2O含量以及Rb、Cr、Cu、Zn含量为高值段，而CaO、MgO、Mn O含量以及Sr、Pb、Cr含量为低值段；92～175 cm，CaO、MgO含量均为最高值段，平均分别为16．3%和11．2%，MnO、FeO含量以及Sr、Zn、Co含量也较高；63～92 cm，SiO2含量与K2O、Na2O含量以及Rb、Zr含量显著增加，其中SiO2含量达到剖面的最高值，平均为61．8%，而CaO、MgO、MnO含量以及Sr、Cd、Cr含量达到剖面最低值；0～63 cm，SiO2、MnO、K2O含量较高，且有逐渐增加趋势，TiO2、Al2O3含量以及V、Co、Ni、Pb含量均达到剖面最高值。

3．3 必鲁图晚更新世晚期的环境演变

根据地球化学指标的变化，结合沉积物岩性特征、粒度组成，将必鲁图晚更新世晚期以来的气候环境演化大致划分为5个阶段（图6）。

图4 必鲁图湖泊沉积物氧化物含量Fig．4 Oxide Contents of Lake Sediment in Bilutu

图5 必鲁图湖泊沉积物微量元素特征Fig．5 Trace Element Composition of Lake Sediment in Bilutu

图6 必鲁图晚更新世以来环境演变Fig．6 Environmental Evolution Since Late Pleistocene in Bilutu

第1阶段，56．8～49．5 ka（219～250 cm深处）：温干气候期，该段为灰绿色粉砂质黏土，粒度较细，为浅湖相沉积环境，C含量高，指示有机质较丰富；CaO含量较大，反映较高的温度；较低的w（Rb）／w（Sr）说明该期化学风化较强，为温干偏湿气候。

第2阶段，49．5～41．3 ka（175～219 cm深处）：冷干气候期，该段岩性为灰绿色粉砂、黄色细砂，粒度较粗，表明气候环境发生变化；CaO、MgO含量及C含量为相对低值区，（w（CaO）＋w（K2O）＋w（Na2O））／w（Al2O3）基本保持低值，反映湖区水热条件差；w（Rb）、w（Rb）／w（Sr）相对较高，反映化学风化较弱，代表了冷干的气候环境，指示温度降低，表明该地区进入冷期。这一冷期可能是Hinrich5事件［34］（约50 ka开始的短暂气候寒冷时期）在该地区的反映。

第3阶段，41．3～20．8 ka（92～175 cm深处）：暖湿气候期，该段为灰绿色黏土层，粒度细，反映较深水沉积环境，指示偏湿气候；w（Rb）、w（Rb）／w（Sr）为最低值段，而C、CaO、MgO含量为最高值段，Al2O3、TiO2、Fe2O3含量为较低值段，指示该期气温偏高，化学风化最强，为高温大降水期，时间上与末次冰期间冰段一致，半干旱—半湿润环境。30．3 ka（120 cm深处）开始有一短暂干冷期。

第4阶段，20．8～8．2 ka（63～92 cm深处）：干冷气候期，该段沉积物以灰黄色中细砂为主，粒度最粗，分选很好，具有风成砂的特征。从沉积特征及岩性组合看，该阶段湖泊沉积存在缺失，直至上部钙质层发育时期，湖水开始有短暂的扩张，总体处于湖滨环境，风成砂发育。该期CaO、MgO、C含量为最低值段；w（Rb）、w（Rb）／w（Sr）、w（SiO2）为最高值段，反映该期化学风化最弱。该阶段各项地球化学指标均发生突变，为持续的干冷期，表明该地区进入冰期，时代上与末次冰期最盛期［35－36］一致。

第5阶段，8．2～0 ka（0～63 cm深处）：暖干气候期，该段以中细粒砂为主，夹砾石，粒度粗；CaO、MgO、C含量均有逐渐降低趋势，而SiO2、Al2O3含量较高，w（Rb）、w（Rb）／w（Sr）等趋向于升高，指示湿度降低；2．4 ka（15 cm深处）开始，w（Rb）／w（Sr）增高显著，而C、CaO含量降低明显，反映当时干旱程度加剧，气温下降；（w（CaO）＋w（K2O）＋w（Na2O））／w（Al2O3）持续降低，指示了湖区风化作用较弱，水热条件差。各指标反映该期总体为温干的气候环境，晚期有向凉干转变的趋势。

4 结 语

（1）内蒙古必鲁图湖泊沉积物氧化物含量及Rb与Sr含量之比等地球化学指标的变化表明，由于气候环境条件的改变使得湖泊流域水热条件发生变化，明显影响着沉积物的风化程度。冰期气候干冷，以物理风化为主，化学风化弱，而间冰期气候暖湿，以化学风化为主，物理风化比较弱。湖泊沉积物的地球化学特征真实记录了该地区晚更新世晚期以来的气候环境演变历史。

（2）晚更新世（约56．8 ka）以来，内蒙古中部地区的气候环境变化经历了5个主要阶段。第2阶段和第4阶段的冷期分别与全球气候变化的冷期相对应，特别是第4阶段气候环境的突变可以与末次冰期最盛期进行对比，这说明内蒙古中部地区末次冰期以来的气候变化与全球及中国其他地区具有较好的一致性，区域性气候变化受全球气候变化的影响。

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Sedimentary Record of Environmental Evolution Since Late Stage of Late Pleistocene in Bilutu of Central Inner Mongolia

WANG Yong1，ZHOU Chi－hua2，YAO Pei－yi1，CHI Zhen－qing1
（1．Institute of Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；2．Inner Mongolia Chifeng Institute of Geology and Mineral Exploration and Development，Chifeng 024005，Inner Mongolia，China）

A lake shallow well section with the depth of 250 cm in Bilutu of central Inner Mongolia was studied．According to the six dating data of optically stimulated luminescence，the chronology for the lake sediment since the late stage of Late Pleistocene（56．8 ka）was established，and geochemical features including sedimentary characteristic，ratio of the contents（mass fractions）of Rb and Sr，content of oxide and the ratio of them were used to reconstruct the paleoenvironmental and climatic changes since the late stage of Late Pleistocene in Bilutu．The results showed that the climatic and environmental changes since the late stage of Late Pleistocene in Bilutu were divided into five stages．The first stage was from 56．8 ka to 49．5 ka，the organic matter in sedimentary deposit was rich，the chemical weathering was strong，the climate was mainly warm－dry－slightly damp；the second stage was from 49．5 ka to 41．3 ka，chemical weathering was weak，hydrothermal condition was poor，the climate was cold－dry－slightly damp；the third stage was from 41．3 ka to 20．8 ka，the climate became warm，the chemical weathering was strongest，the temperature raise and precipitation was high，the stage was interstade of lastglaciation with little fluctuation of cold－wet and warm－dry；the fourth stage was from 20．8 ka to 8．2 ka，all the geochemical indicators changed significantly，sand wedge developed，climate deteriorated，the stage was continually dry－cold，and there was Last Glacial Maximum（LGM）；the fifth stage was from 8．2 ka to now，the climate was mainly warm－dry，the climate became to cold－dry in the late of the stage significantly．

paleoclimate；environmental change；Late Pleistocene；geochemistry；last glaciation；lake；Bilutu；Inner Mongolia

P532；P534．63

A

1672－6561（2012）03－0062－08

2012－03－15

中国地质调查局地质大调查项目（1212010611703，1212011087116）

王 永（1968－），男，内蒙古四子王人，研究员，理学博士，E－mail：wangyong＠cags．ac．cn。