贵州草海赵家院子晚更新世泥炭层地球化学特征及其环境意义

孔凡翠，杨瑞东，沙占江

1)中国科学院青海盐湖研究所，西宁，810008；2)中国科学院大学，北京，100049； 3)贵州大学资源与环境工程学院，贵阳，550003；4)邹城市国土资源局，山东邹城，273500

内容提要：根据威宁草海赵家院子沉积柱主量元素和微量元素特征以及14C测年分析，探讨了草海地区泥炭沉积速率，晚更新世—全新世古气候演变和沉积物物源环境。元素地球化学测试结果表明，Li、Sc、V、Cr、Ni、Ga、Rb、Sr、Sn、Cs、Ba、Zr、Th、U等14种微量元素在沉积柱上含量变化整体呈现一致性。14C测年显示，赵家院子剖面沉积柱下部泥炭层的年龄大约为33.74±1.79—23.29±0.10ka BP之间，各层的沉积速率自下而上分别是：下部泥炭层148.4 mm/ka，上部黑色古土壤层24.3 mm/ka，顶部堆积层22.4 mm/ka，沉积柱沉积速率由下而上逐渐降低。元素对比值以及多元素之和比值Sr/Ba、Rb/Sr、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3、(Fe2O3+Al2O3)/(MgO+CaO)和CaO/MgO等气候指标显示，从42.37±1.27ka BP到15.6±0.1ka BP 时间段内，研究区古气候经历了由温暖较湿润温暖湿润温凉干燥温暖较湿润温凉湿润的演化。沉积物物源经历了较强烈的化学风化，下部泥炭层风化程度小于上部沉积物的风化程度。

泥炭和其他陆地沉积物相比,具有经济易得、沉积速率较快且沉积连续、沉积环境与过程稳定、时间尺度长和适合的代用指标广泛等优势(Chambers and Charman，2004), 而成为研究过去气候环境变化的理想材料。泥炭层中常量元素和微量元素的地球化学循环及其对环境的指示作用在全球范围内具有可比性(Weiss et al., 2002)。根据林树基等研究, 威宁草海在早更新世以来发育五层泥炭层，其中晚更新世晚期—全新世泥炭发育期 (7～40ka)是本区主要成炭期，全新世以来发育最盛(林树基，1987)。对草海泥炭沉积研究已经取得一些成果(陈佩英等，1991；1993)，但是运用地球化学方法研究草海泥炭沉积还很少有报道。

本次研究以贵州威宁草海赵家院子泥炭剖面为研究对象，测试了泥炭年龄，通过对沉积物主量元素和微量元素地球化学特征研究，探讨了草海泥炭沉积速率，晚更新世时期古气候演变情况，沉积物物源风化特征。

1 地质背景

草海位于贵州省威宁县，东经104°00′～104°30′，北纬26°40′～27°01′。面积约800km2，盆地处于长江水系和珠江水系分水岭地带的古老夷平面上，是封闭性的岩溶湖泊。草海盆地位于云贵高原东缘，是晚上新世以来，在威宁弧形背斜轴部发育起来的构造岩溶盆地。草海盆地第四纪地层从下而上分别由陈选屯组、窑上组、松坡组、南屯组构成。南屯组为本次研究主要地层。

图1 贵州威宁草海盆地窑上—赵家院子地质剖面示意图(据林树基，1987)Fig.1 The sketch map of the Yaoshang—Zhaojiayuanzi geological section in the Caohai (Caohai Lake) Basin, Weining, Guizhou (after Lin Shuji, 1987)

南屯组分布于现代草海湖近表层及草海湖盆地边缘的南屯、铁厂、赵家院子一带低洼谷地中(图1)，代表挽近时期最后一次成炭期的沼泽相沉积，主要由泥炭和粘土组成，未成岩。在草海湖盆内，其顶部有一层未炭化的腐殖层，下部与松坡组整合接触。孢粉资料显示，此期间以松为主的针阔叶混交林环境(陈佩英等，1991；陈佩英等，1993)。孢粉组合变化表现为松属与莎草分子含量的消长变化。显示这一时期气候在总体上比较温和，次一级的变化呈现为温湿与干凉交替的趋势。

2 样品和测试方法

2.1 样品与沉积柱特征

表1 草海赵家院子剖面沉积柱14C年龄测试结果Table 1 14C age of the Zhaojiayuanzi sediment column in the Caohai Basin, Weining

2009年11月，课题组和中国科学院地球与环境研究所合作进行样品的采集。采样点选在贵州威宁县双龙镇赵家院子剖面。赵家院子剖面是当地烧砖人工开挖新鲜剖面，采样点位于北纬26°53.277′，东经104°13.259′，海拔2190m(GPS测量)。剖面沉积柱厚约5m，由上下两部分组成。下部泥炭层厚约2m，上部粘土层厚约3m。下部样品是从底层往上每5cm取一个样，连续采取37个样品；上部样品是从下往上每约10cm取一个样，连续采取24个样品。根据赵家院子剖面沉积物样品的沉积特征(样品颜色、粘度、结构、物质成分等)划分出16个层(图2)。

对所采集的61个样品，在恒温80℃的烘干箱中连续烘10h。每个样品分出等量两份，其中一份留作底样，另一份研磨过200目筛准备上机测试。测年样品由中国科学院地球与环境研究所处理。

2.2 元素测试分析

14C的测试是在在中国科学院地球与环境研究所西安加速器质谱中心14C实验室完成，获得4个AMS14C测年数据(表1)。用于14C测年的泥炭样品处理过程如下：先用过量10% HCl处理，使其充分反应，除去沉积物中可能存在的碳酸盐，并利于打破团块和分离植物残体。然后用去离子水充分漂洗至中性，在超声波的振荡下使泥炭团块分散后，用60目(孔径为300μm)和180目(孔径为90μm)筛湿选样品，去除大于300μm的粒径的植物根系和小于90μm的细粒淤泥，保留90～300μm之间的植物碎片，将其在40℃条件下烘干后作为测年物质制备加速器石墨靶。将测年物质中的有机碳氧化成CO2。将样品和高纯度CuO放在真空纯化系统中，用本生灯加热，在约850℃条件下使其充分燃烧，通过系统中的气体阀门控制，使气体通过酒精与液氮的混合液，除去熔点较低的气体和水汽，再通过装有Cu、Ag的电炉，除去其他杂质气体，最后用液氮将得到的CO2收集在特制的试管中并密封。将制得的CO2气体转移到真空还原系统中，在Zn粉和Fe粉的催化作用下，制得石墨碳。最后将制得的石墨碳上机测试。测试仪器是荷兰产的加速器质谱计(3MVA MS)。

主量元素的测试是在广州澳实矿物实验室完成, 测试数据见表2。主量元素的测试过程如下：按要求制备的定量样品(0.25g)，用高氯酸、硝酸、氢氟酸和盐酸进行消解；蒸至近干后的样品用稀盐酸溶解定容，再用等离子体发射光谱分析。元素之间的光谱干扰得到矫正后，即是最后分析结果。检测仪器是美国瓦里安(Varian) ICP735-ES电感耦合等离子体发射光谱仪ICP-OES。微量元素的测试是在中科院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室用ICP-MS测定，测试方法见 Liang 等(2000)。

表2 威宁草海盆地赵家院子沉积柱主量元素含量(%)Table 2 The abundance (%) of major elements in the Zhaojiayuanzi sediment column in the Caohai Basin, Weining

3 沉积物地球化学特征

3.1 赵家院子剖面沉积物常量元素含量分布和特征

对赵家院子剖面沉积物主量元素分析结果表明(表2)，除了没测试Si元素之外，主量元素含量由多到少依次是Al、Fe、K、Ti、Mg、Ca、Na、P、Ba、Mn等。其中Al的含量最多，在6.49%～11.5%之间，Fe 0.93%～4.71%，K 0.86%～1.67%，Ti 0.34%～0.78%，Mg 0.27%～0.98%，Ca 0.14%～0.93%，Na 0.05%～0.1%，P 0.016%～0.152%，Ba 0.019%～0.042%，Mn 0.0048%～0.0616%。从赵家院子主量元素在垂直剖面上含量折线图(图3)上可以看出， Fe、Ti、Mn元素的含量在剖面中由下向上呈现增加趋势。K、Mg、Ca元素的含量在剖面中由下向上呈现递减趋势。

在剖面上，Al、K、Mg、Na元素含量变化曲线形式较为相似，呈现波动性，在第4、8、13层其含量较低；在第3、5、9、10层其含量较高，表现为三个峰值，三个谷值。反映了这段时期沉积环境总的变化趋势。

对赵家院子13个样品化学成分分析表明，氧化物主要含Al2O3(12.26%～21.72%)、Fe2O3(1.33%～6.73%)，其次是K2O(1.04%～2.01%)、MgO(0.45%～1.63%)、TiO2(0.57%～1.30%)、CaO(0.2%～1.30%)、Na2O(0.07%～0.13%)、MnO2(0.01%～0.008%)。氧化物间相关性与元素间的相关性是一致的。除Si元素外，剖面的主要化学成分是Al2O3和 Fe2O3，含量分别为12.26%～21.72%和1.33%～6.73%。用上地壳中该元素平均含量 (Taylor et al.，1985) 进行标准化后，表现为富集，而母岩碳酸盐岩中的 Al2O3和 Fe2O3之和尚不足1%(李景阳等，2004)。表明草海湖泊沉积物中Al2O3和 Fe2O3具有明显的富集作用。在剖面中， Al2O3和 Fe2O3的含量在垂方向上也都呈波动变化趋势，显示具有阶段性特征和剖面地球化学分带性。在垂直剖面上，CaO 和 MgO 的含量，赵家院子剖面沉积柱下部含量高于上部，出现较为明显的分层；CaO 和 MgO是碳酸盐岩的主要化学成分，伴随着碳酸盐岩的风化，物源区发生强烈淋溶，随流水搬运，在湖盆沉积。物源风化程度不同，搬运到湖盆沉积的CaO 和 MgO 含量有较大变化。K2O 和 Na2O 在赵家院子剖面中的含量分别在0.07% ～0. 13% 之间，与其它氧化物相比，表现强烈亏损。K2O下部含量略高于上部。Na2O 在剖面中分布波动变化较明显。TiO2表现为强烈富集。在剖面中，MnO含量较低(与其它元素相比)，在赵家院子沉积柱中有富集现象。

3.2 赵家院子剖面沉积物微量元素含量分布和特征

赵家院子剖面沉积物的61个样品共测出47个微量元素的含量，选择其中具有气候意义的18个微量元素(陈敬安等，1999;王永等，2004; 赵红艳等，2004; 鲁瑞洁等，2008)来讨论其含量在剖面上的分布特征。

赵家院子剖面沉积物微量元素含量变化从0.2×10-6到383×10-6不等，剖面中微量元素含量变化较大，但在剖面上，微量元素分布具有相似的分异性特征和变化特点(图4)。在剖面沉积柱上，Li、Sc、V、Cr、Ni、Ga、Rb、Sr、Sn、Cs、Ba、Zr、Th、U这14种微量元素含量变化大体上呈现一致性，即在第4、7、13层(分别在360cm、280 cm、135 cm处)，都有大的波动，且含量较低。微量元素含量变化说明该时期沉积物中微量元素地球化学成分变化较明显，反映了它们具有相似的地球化学行为和演化历程。Cu和Zr元素含量，剖面下部低于上部，自下而上呈现增加趋势；Li、Co、Ni、Sr剖面下部高于上部，自下而上呈现降低趋势。说明剖面微量元素含量的变化出现明显的过渡趋势。

3.3 赵家院子剖面沉积物REE地球化学特征

赵家院子剖面沉积物的稀土元素含量见表3。剖面中沉积物稀土元素总量(∑REE)变化在100.95×10-6～459.59×10-6之间，平均为229.69×10-6，∑REE含量较高，剖面中，沉积物REE含量变化大。样品稀土总量含量高于石灰岩、白云岩，比贵州碳酸盐岩风化土含量稍低。轻稀土元素总量(∑LREE)变化在79.28×10-6～362.71×10-6之间，平均为180.56×10-6，占79%。重稀土元素总量(ΣHREE)变化在21.66×10-6～96.88×10-6之间，平均为49.13×10-6，占21%。稀土元素La、Ce、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Er、Yb、Lu等的变化趋势几乎完全一致，在垂直剖面上沉积物REE元素含量，在第7层粘土层含量较低，在8、9、10层的粘土层含量较高(图5)，其余层REE元素含量变化不明显，上下含量较相同。图6为北美页岩标准化稀土元素分布模式图，由该图可知，在沉积剖面的不同层处，稀土元素分布模式完全一致。

4 讨论

4.1 沉积速率讨论

4.1.1 研究区晚更新世沉积物14C年龄讨论

根据林树基等研究，草海在早更新世以来发育五层泥炭层，其中第5层泥炭层为晚更新世晚期—全新世泥炭发育期(7～40 ka BP)(林树基，1987)。表1为赵家院子剖面年龄测试结果，4个AMS14C测年数据结果在剖面中的位层如图2，样品ZJYZ-A-37和ZJYZ-A-2为连续泥炭层剖面年龄。样品ZJYZ-A-50是黑色泥炭土的年龄，与林树基早期测试的泥炭最老年龄接近，样品ZJYZ-A-59是古土壤的的年龄，通过与草海泥炭层年龄对比研究(林树基，1987)，与以前测试结果相似，说明数据是可信的，测试的年龄数据正确反映了沉积年龄。

值得注意的是在赵家院子剖面上(图2)，夹在古土壤和泥炭层之间的黑色泥炭土的年龄(约42.37±1.27ka BP)大于上下层的年龄，接近14C比度的本底。研究表明，这种情况可能是湖泊测年中老碳的污染(Long et al.，1992; Newnham et al.，2007)。但是在草海研究中发现，泥炭层的出现常是在构造加剧活动的时期(林树基，1987)。这表明由于地壳运动，湖水水位降低，草海湖泊面积缩小，原来沉积的泥炭沉积暴露水面，被再改造后在湖泊沉积，结果碳的年龄是老碳的年龄。随着地质历史的演化，覆盖古土壤，形成现在的剖面。故4万多年前的黑色泥炭层可能代表草海第5层泥炭层早期沉积被改造的产物。

4.1.2 泥炭堆积速率

Turunen(1996)提出了泥炭长期积累速率，即A=r×n，其中：A是单位时间内泥炭积累量干重[kg/(m2·a)]，r是单位时间内泥炭层积累高度(mm/ka)，n是泥炭干容量(g/cm3)。在计算碳含量时，以泥炭积累量的50%计。上述公式中，忽略了灰分含量。由于我国泥炭灰分含量较欧美国家高，对上述公式进行了修正(赵红艳等，2002)，即泥炭长期积累速率，即A=r×n×s，s是灰分在干泥炭中的含量。在上述泥炭长期积累速率的公式计算中厚度沉积速率没有变化，它的计算是比较稳定的。厚度沉积速率系指单位时间内泥炭沉积的高度。它采用下面的计算公式：

r=h/t

式中h为泥炭层厚度(mm)，t为成炭时间(a)。样品ZJYZ-A-2和ZJYZ-A -37之间的沉积厚度为155cm，年龄差为10.45ka，据此可算出沉积速率为：r=h/t= 1550mm/10.45ka=148.4 mm/ka。

表3 威宁草海盆地赵家院子沉积柱稀土元素组成及各种土壤稀土组成对比(×10-6)Table 3 The contrast between Zhaojiayuznzi sediment column and other soils in abundance of REE(10-6)

按此计算，各层的沉积速率自下而上分别是下部泥炭层148.4 mm/ka，上部黑色古土壤层24.3 mm/ka，顶部堆积层22.4 mm/ka，剖面沉积速率由下而上逐渐降低。

4.2 古气候演化

元素比值往往能够消除由于粒度和矿物组成变化所造成的化学元素的变化，其不仅可以表明元素间的比例关系，而且依据比值的变化还可以表明元素的相对富集或分散以及变化幅度的大小，从而能够更准确地了解沉积物的元素地球化学特征及其物源和环境指示意义。因此，化学元素综合参数被广泛应用于古气候研究中，这里主要选择以下几个参数进行分析。

(1) (CaO+K2O+Na2O) /Al2O3气候指标K、Na、Ca是较为活泼元素，易溶解、迁移；铝是稳定元素，在温暖湿润的气候条件下，其随流水迁移而在湖盆相对富集，在沉积区比值增大；相反，干旱气候条件下，湖盆区不利于氧化钙、氧化钾和氧化钠的富集，此时比值变小 (吴艳宏等，2004; 王丹萍❶)。

图6 威宁草海盆地赵家院子沉积柱稀土元素北美页岩标准化曲线(北美页岩数据据Gromet，1984) Fig.6 North-American-shale-normalized REE distribution patterns of the Zhaojiayuznzi sediment column in the Caohai Basin，Weining county(the data of north American shale from Gromet，1984)石灰岩、白云岩数据据李景阳,1998;碳酸盐岩数据据雷国良等,1994;岩溶区红粘土数据邢光熹等,2003,贵州土壤数据付舜珍等,2000; 贵阳红粘土数据据杨瑞东，2008;峨眉山玄武岩数据据毛德明等，1992the REEs date of limestone and dolomite from Li Jingyang(1998); the REEs date of carbonatite from Lei Guoliang(1994), the REEs date of latecritic in karst area from Xing Gaugnxi(2003), the REEs date of soil in Guizhou from Fu Shunzhen(2000), the REEs date of latecritic in Guiyang from Yang Ruidong(2008), the REEs date of Emeishan basalt from Mao Deming(1992)

(2) (Fe2O3+Al2O3)/(MgO+CaO)气候指标Fe和Al含量高表示温暖湿润的环境， Ca和 Mg含量高表示相对干旱或有干湿季节变化的环境(曹家欣，1983)。因此，( Fe2O3+Al2O3) / (MgO +CaO)比值可以揭示湖泊沉积气候干湿变化，该比值越大气候较为冷干，越小气候则为温暖湿润。

(3)K2O/Na2O气候指标钾、钠是化学性质较为活泼的元素。Na+的亲水能力大于K+，故K+的吸附能力大于Na+，水溶液中K+更易于被粘土吸附而保留下来，而Na+则易溶于水中而迁移。钾钠的比值可以反映气候变化，二者的比值增加表明气候比较温暖，反之，该值减小表明气候变干凉(Das等，2003; 王丹萍❶)。

(4)CaO/MgO气候指标在湖泊体系中，温度的升高有利于元素Mg的沉淀(Zhanget al.,2002)，湖泊沉积物中碳酸盐矿物主要为方解石和白云石，湖泊沉积物中的CaO含量与CaO/MgO比值代表了湖泊内生碳酸钙沉淀因子，具有指示气候冷暖变化的意义(陈敬安等，1999)。该比值增加反映气候变冷，反之，该比值变小表明气候相对较暖(王丹萍❶; 张文翔等，2008; 杨红梅，2009)。

(5)Rb/Sr气候指标金章东(2002)指出化学风化强度对气温相对敏感，Rb/Sr能够反应出湖泊沉积气温的变化(金章东等，2002; 黄润等，2007; 孙倩等，2010)。因此，Rb/Sr可以作为沉积物源风化时温度相对变化的指标。在湖盆沉积区，当Rb/Sr值较大表示气温相对较低，相反，Rb/Sr值变小表示气温相对升高。

(6)Sr/Ba气候指标Sr/Ba值在湖沼相的沉积环境可以区分淡水和咸水的标志，一般来说，咸水沉积时Sr/Ba>1；淡水沉积时Sr/Ba<1(陈敬安等，1999)，环境变化时其值可以指示湿润程度，其值越小，气候越湿润(朱立平等，2004; 王泽光，2010)。

(7)Sr/Cu气候指标通常Sr/Cu比介于1.3～5.0之间时指示温湿气候，而大于5.0则指示干热气候(邓宏文等，1993; 王泽光，2010)。

从赵家院子剖面沉积物主量、微量元素含量和气候指标曲线(图3、4、7)可以看出：各气候指标曲线随深度的总体变化趋势基本一致或反相变化，只是不同的指标变化幅度不同，说明反映气候变化的敏感程度不同；但总体上变化幅度都不大，可能研究区中古气候处于相对稳定的状态，变化不是很剧烈。根据前人孢粉资料(陈佩英等，1993)将整个剖面各气候指标随深度变化曲线从下到上划分为五个阶段，下面按五个阶段来讨论赵家院子剖面气候演化。

第Ⅰ阶段：测得的14C年龄为42.37±1.27ka BP，黑色粘土层，为该剖面的15层(厚约70～80cm)。主量元素气候指标 (CaO+K2O+Na2O)/Al2O3为0.12；CaO/MgO值为0.5，该值高于高龄粘土层，低于下部泥炭层；K2O/Na2O值为10.64。在该剖面中，相对其它层主量元素气候指标的比值都为中等，说明气候处于过渡期。(Fe2O3+Al2O3)/(MgO+CaO)值为18.08，该比值介于泥炭层的上下部之间，同样说明气候处于过渡时期。Rb/Sr的比值在1.61～2.35，该值略高于泥炭层，说明气温较泥炭层低。Sr/Ba的比值在0.17～0.24之间，小于1，且该值低于泥炭层。说明该沉积为淡水沉积，且气候相对泥炭层较湿润。Sr/Cu比值在1.20～2.13之间，小于 5.3，指示较为温湿气候。由以上主量、微量元素气候指标显示，这一阶段沉积环境相对泥炭层较为湿润，气候相对温暖。

第Ⅱ阶段：14C年龄相当于25.39±0.1～33.74±1.79ka BP，泥炭层下部，为该剖面的1～7层(厚约180cm)。主量元素气候指标(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3为0.14～0.18；CaO/MgO值在0.46～1.17之间；K2O/Na2O在12.13～15.60之间。在该剖面中，相对其它层主量元素气候指标的比值都为最大，说明气候温暖湿润。(Fe2O3+Al2O3)/(MgO+CaO)值在6.65～8.78之间，在剖面中为最小值，同样说明气候温暖湿润。Rb/Sr的比值在1.11～1.28，该值相对其它层最低，说明气温较高。Sr/Ba的比值在0.28～0.54之间，小于1，但在该剖面中最大。说明该沉积为淡水沉积，且气候相对干燥。Sr/Cu比值在4.43～6.0之间，样品的Sr/Cu都大于5.3，说明气候比较干燥。该阶段的Sr/Ba、Sr/Cu值较高，同时该阶段有机质丰富，可能是大量有机质对Sr等微量元素的吸附作用，而使微量元素相对富集。由以上主量微量元素气候指标显示这一阶段沉积环境相对较为湿润，气候相对温暖。

第Ⅲ阶段：14C年龄相当于23.29±0.10～25.39±0.1ka BP，泥炭层，为该剖面的8～10层(厚约20cm)。(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3为0.11～0.17，变化较明显；CaO/MgO值在0.34～1.97之间，表明气候较冷；K2O/Na2O值在12.39～14.90之间，相对其它层较高，表明K元素的含量相对较高，钾是植物生长发育所必需的元素之一，反映植被较发育；(Fe2O3+Al2O3)/(MgO+CaO)值在10.31～18.51之间，相对其它层较高，说明气候是较冷；Rb/Sr的比值在0.96～1.84之间，该值相对下部泥炭层较高，说明气温相对较低。Sr/Ba的比值在0.16～0.55之间，小于1，且相对该剖面下部泥炭层较低，说明该沉积为淡水沉积，且当时气候较为湿润；Sr/Cu比值在1.45～4.32之间，说明气候由比较湿润向较为干燥过度。由以上气候指标显示这一阶段沉积环境相对较为湿润向较为干燥过渡，气候温凉。

第Ⅳ阶段：在25.39±0.1～15.6±0.1ka BP期间，白色高龄粘土层，为该剖面的11～14层(厚约70～80cm)。主量元素气候指标 (CaO+K2O+Na2O)/Al2O3为0.10～0.11；CaO/MgO值在0.17～0.34之间，在该剖面为最小值区域，表明气候相对较暖；K2O/Na2O在14.75～16.59之间，在该剖面中该值最大，该层有机质很少，故粘土矿物较多，风化较严重。(Fe2O3+Al2O3)/(MgO+CaO)值在16.50～17.63之间，在剖面中该值较高，说明物源区气候温暖湿润，风化强烈。Rb/Sr的比值在1.34～2.11，该值高于泥炭层，低于顶层黄色粘土层，说明气温介于其之间。Sr/Ba的比值在0.17～0.3之间，小于1，该值低于下部泥炭层，与黑色粘土层相当。Sr/Cu比值在1.66～2.60之间，样品的Sr/Cu都小于5.3，说明气候比较湿润。由以上主量微量元素气候指标显示这一阶段沉积环境相对较为湿润，气候相对温暖。

第Ⅴ阶段：14C年龄相当于15600±100a BP，该剖面的第16层。(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3为0.12，变化也不太明显；CaO/MgO为0.5，K2O/Na2O为9.92相对其它层较小；由于该层位于表层说明这层风化较严重，(Fe2O3+Al2O3)/(MgO+CaO)为18.6相对其它层较高，说明气候是较冷。Rb/Sr的比值在2.56～2.90，该值相对其它层非常高，说明气温相对较低；Sr/Ba的比值在0.13～0.15之间，小于1，且相对该剖面其它层较小，说明该沉积为淡水沉积，且当时气候较为湿润，Sr/Cu比值在0.99～1之间，说明气候比较湿润。由以上气候指标显示这一阶段沉积环境相对较为湿润，气候相对温凉。

4.3 沉积物物源环境

沉积物的稀土元素主要受母岩控制，可以反映源岩的信息，常被用作沉积物来源的示踪剂，对沉积物源的分析和研究具有重要的指示意义(Rollnson，1993)，同时稀土配分型式可以被用来指示物源区的性质(阚泽忠等，2006)。稀土元素(REE)在搬运沉积过程中主要是颗粒状态赋存，所以在搬运、堆积过程中REE组成变化较小，其携带的物源区源岩信息一般不会丢失。因此，物源往往成为控制沉积物中REE组成的最主要因素，通过对比分析沉积物的稀土组成以及配分模式，可以推断沉积物物源特征。

由赵家院子剖面沉积物总REE含量、参数值以及配分模式(图6)可以看出，除了赵家院子沉积物稀土总量变化较大之外，剖面沉积物中REE的总含量以及配分模式极为相似，剖面样品中REE北美页岩标准化配模式与贵州岩溶区红粘土的模式很相似，其含量略高于岩溶区红粘土的含量(图6)。与峨眉山玄武岩分配模式不一致，峨眉山玄武岩铕略正异常。赵家院子样品稀土元素分配模式和贵州碳酸盐岩、白云岩模式一致，说明赵家院子沉积物可能来源于周围碳酸盐岩； Na2O/K2O在0.06～0.1之间，比率低说明物源近(Das et al.，2003)，在草海周围的出露岩石主要是碳酸盐岩，以上元素地球化学组成也说明赵家院子沉积物可能主要来源于碳酸盐岩。但是赵家院子样品稀土元素含量高于贵州碳酸盐岩，这有可能是在碳酸盐岩风化过程中，可溶性稀土元素可以被活化、迁移而富集(孙承兴等，2002)。同时样品主要是粘土，粘土对稀土元素有较强的吸附能力，因此含粘土较多的湖泊沉积相的稀土含量高(王一先等，1996)。

赵家院子剖面中泥炭沉积物稀土元素总量(∑REE)变化在100.95×10-6～459.59×10-6之间，平均为229.69×10-6，∑REE含量较高，赵家院子剖面中泥炭沉积物REE含量变化大。∑REE的含量很高，可能是物源区碳酸盐岩风化成土成熟度高，也可能有高稀土含量的二叠系玄武岩风化土壤加入(杨瑞东，2008)。但是样品标准化稀土分配模式与二叠系玄武岩模式并不一致(图6)，二叠系玄武岩风化土壤加入可能很少。同时湖泊水中REE含量很低，几乎不可能对该沉积物中REE造成影响。根据对碳酸盐岩中的酸不溶物、可溶性稀土的提取以及质量平衡计算，碳酸盐岩分解释放的 REE以及下渗水携带的 REE分解沉淀和以吸附于粘土矿物上的方式富集，碳酸盐岩能够提供足够的REE物源；以可溶态为主的赋存状态有利于REE的淋滤(孙承兴等，2002)，使得碳酸盐岩风化成土过程中REE超常富集。因此样品中高∑REE含量是由于物源是碳酸盐岩风化提供，同时说明沉积物物源风化强烈。

沉积物地球化学特征记录了草海地区化学风化作用的过程。通过化学蚀变指数CIA ( chemical index alteration )可以确定物源区的化学风化程度(Nesbitt et al.，1982)。赵家院子剖面泥炭沉积物化学蚀变指数

CIA=100·

其中n(CaO*)为硅酸盐矿物中的含量，不包括碳酸盐和磷酸盐中的CaO含量。由于硅酸盐中的CaO与Na2O通常以1∶1的比例存在，所以McLennan(1993)认为当n(CaO)大于n(Na2O)时，可认为n(CaO*)=n(Na2O)，而当n(CaO)小于n(Na2O)时, 则n(CaO*) =n(CaO)。本文中所有n(CaO*)值的计算即据此方法获得。CIA值在85.19～90.58之间，平均为88.41。相当于世界范围伊利石、蒙脱石CIA值，反映了泥炭沉积物中的成分为白云母、伊利石、蒙脱石等粘土矿物。这说明剖面沉积物物源经历了较强烈的化学风化，赵家院子剖面沉积柱下部泥炭层风化程度小于上部沉积物的风化程度。

赵家院子沉积柱沉积物风化程度靠近钾铝一侧(Wronkiewicz et al.，1987；Das et al.，2003)，而早期沉积物物源落在粘土范围内，较早期沉积物物源风化程度弱(孔凡翠等，2011)，但风化程度接近蒙脱石和伊利石，说明该沉积柱沉积物物源也经历了较强烈化学风化。

Cox(1995)提出沉积剖面中矿物风化程度可以用成分变异指数ICV= [n(Fe2O3)+n(K2O)+n(Na2O)+n(CaO)+n(MgO)+n(MnO)+n(TiO2)]/n(Al2O3)来计算(Cox et al.，1995)。ICV表示在岩石或矿物中Al2O3相对于其他主要阳离子氧化物的丰度。在表生作用中，尤其是在风化作用中Na、Ca、Mg的地球化学行为受气候条件的变化的影响(刘英俊等，1984)，是化学性质活泼的元素，在暖湿气候条件下最容易产生淋洗迁移。而Al 在风化作用中不易迁移。因此ICV和(Na2O+CaO+MgO)/Al2O3反映了易迁移成分与不易迁移成分之间的关系。在湖泊沉积物中，其比值越大，表明入湖的易迁移成分越多，源区的风化越强，水热条件较好；反之，风化作用减弱，水热条件差。赵家院子剖面ICV值在0.30～0.66之间，平均为0.43，在垂直剖面上变化不是很明显，但是该值在剖面下部小于上部，说明上部风化较下部严重。剖面沉积物的ICV值都低于长石类和粘土矿物的ICV值，说明沉积物物源区经历了较强的风化作用。

5 结论

(1) 在赵家院子剖面中，Li、Sc、V、Cr、Ni、Ga、Rb、Sr、Sn、Cs、Ba、Zr、Th、U这14种微量元素含量变化大体上呈现一致性，在第4、7、13层(分别在360cm、280 cm、135 cm处)，都有大的变化，含量较低。泥炭中微量元素地球化学成分较稳定，具有相似的地球化学行为和演化历程。

(2)14C测年显示，赵家院子剖面下部泥炭层的年龄大约为33.74～23.29 ka之间，各层的沉积速率自下而上分别是下部泥炭层148.4 mm/ka，上部黑色古土壤层24.3 mm/ka，顶部堆积层22.4 mm/ka，剖面沉积速率由下而上逐渐降低。

(4) 沉积物物源经历了较强烈的化学风化，下部泥炭层风化程度小于上部沉积物的风化程度。

致谢：中国科学院地球与环境研究所程鹏、刘钊、范煜坤在样品采集以及放射性碳测年数据的提供给予了很大帮助，笔者等在此对他们表示衷心的感谢。

注 释 / Note

❶ 王丹萍.2008.长春地区中更新世沉积物地球化学特征及其环境变化意义.长春：吉林大学硕士学位论文 .