喀拉库里表层沉积物组成的分布特征及其物质来源

殷 铎，金章东，张 飞，张小龙，王夏青，彭玉梅

（1. 中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 中国科学院青藏高原研究所 中国科学院青藏高原环境变化与地表过程重点实验室，北京 100101）

喀拉库里表层沉积物组成的
分布特征及其物质来源

殷 铎1,2，金章东1，张 飞1，张小龙3，王夏青1，彭玉梅1

（1. 中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 中国科学院青藏高原研究所 中国科学院青藏高原环境变化与地表过程重点实验室，北京 100101）

喀拉库里地处帕米尔高原东部，整个湖区被中纬度西风带贯穿，湖水主要由冰川融水和夏季降水补给，对气候变化响应敏感，是重建西风气候和冰川环境演变的理想区域，然而对于喀拉库里沉积物的组成和来源还知之甚少。本文以喀拉库里表层沉积物为研究对象，获得了其组成及空间分布特征，进而探讨了其物源及输入方式。根据沉积物粒度、矿物组成及湖水等深线分布，表层沉积物可分为三种类型：第Ⅰ类以细砂粒为主，以高石英和低粘土为特征，分布在近湖岸；第Ⅲ类以分选良好的细粉砂为主，主要分布在深湖区；第Ⅱ类粗、细颗粒混杂，分选性差，位于Ⅰ、Ⅲ类沉积物过渡区域。喀拉库里沉积物的SiO2含量同粒径呈正相关关系，粒径越大、含量越高；Al2O3、Fe2O3和K2O则相反。结合河流泥沙和慕士塔格冰芯中粉尘颗粒的粒度分布及区域气候特征，初步认为深湖区分选良好的细粉砂可能主要来自西风携带的高空粉尘，而近岸细砂是岩石就地物理风化的产物。这些认识对于钻点的选取及沉积序列气候、环境信息的提取具有重要价值。

喀拉库里；表层沉积物；粒度；矿物学；元素；控制因素

北半球中纬度西风带是联系北大西洋气候和东亚季风气候的纽带，在一定意义上控制着亚欧内陆干旱-半干旱地区的气候变化。西风环流携带来自大西洋的水汽，是亚欧腹地降水的主要来源，同时其还携带粉尘，对区域地表土壤侵蚀、沉积物的运移和堆积等具有重要的意义（屈文军等，2004；王可丽等，2005）。帕米尔高原位于新疆的西南部，地跨塔吉克斯坦、阿富汗和中国，是帕米尔-楚科奇山带和阿尔卑斯-喜马拉雅山脉的山结，也是西风带的主要影响区域（毛玮峄等，2006，王治民等，2007；陈杰等，2011；潘正阳等，2013）。

喀拉库里地处帕米尔高原东部，整个湖区被中纬度西风带贯穿，是典型的开放性高原淡水湖泊，对气候变化的响应较为敏感，加之该地区地广人稀，人类活动干扰较小，是重建区域气候环境演变的理想区域。张瑞江（2010）通过对湖盆流域古冰川遗迹的遥感图像分析，认为喀拉库里是冰川演变过程中因冰碛阻塞而成，形成于末次冰期，原湖泊面积至少为20.05 km2，现在已被分割为大小不等的3个湖泊，面积至少缩小了13.24 km2。

湖泊沉积物保存着大量与气候环境演化紧密相关的沉积学和生物学信息，是研究地表物质的运移、堆积及其控制因素的理想对象。例如，Liu et al（2014）基于从喀拉库里获取的一根长8.3 m的岩芯，重建了全新世晚期连续、高分辨率的沉积记录，并揭示出四次冰川扩张的时间。然而，有关该湖泊沉积物组成、空间分布特征及其与冰川进退和西风气候的关系还知之甚少，这对于提取湖泊沉积记录的气候环境信息是至关重要的。

本文通过对喀拉库里30个表层沉积物、6个河流沉积物和风成沙样品的粒度、矿物学和元素含量等分析，获得了喀拉库里表层沉积物组成及其空间分布特征，进而探讨其物质来源，为深入认识该湖泊现代沉积过程和利用湖泊沉积物重建气候环境演变历史提供科学基础和依据。

1 研究区概况

喀拉库里（38°25.32' — 38°27.57'N，75°02.27' —75°04.17'E）位于帕米尔高原东部的慕士塔格冰川（峰顶海拔约为7546 m）脚下，距离南侧冰川约20 km，是一个开放的淡水湖泊（图1）。湖水补给主要来自冰川融水，径流集中在夏季融冰期。喀拉库里是典型的冰碛湖，受区域构造限制，湖盆呈南北向的三角形，南宽北窄，总体地势南低北高，阔克萨伊河流经整个湖盆，向北约3 km后汇入康西瓦河。湖面海拔约为3661 m（2014年），湖泊面积为4.73 km2，平均水深15 m，最大水深约为20 m（图2）。

图1 喀拉库里流域地形图及河流沉积物和风成沙采样点右上角为喀拉库里地理位置和西风示意图（西风走向参考Xu et al（2009））。Fig.1 Shaded relief map of Kala Kul Lake and the sampling locations of river sediments and wind-derived sand samples Inserted showing the geophysical locations of the lake and the mid-latitude westerly jet (Xu et al, 2009).

图2 喀拉库里湖水等深线及表层沉积物采样点Fig.2 Isobathic contours of lake water and sampling locations of surface lake sediment samples in Kala Kul Lake

湖区荒漠气候特征明显，受西风气候主导，终年干旱寒冷，冰川发育广泛。根据喀拉库里南部约75 km处塔县（37.77°N，75.23°E，海拔约为3100 m）1961至2009年气象观测资料，该区年平均气温约为1.3℃，年平均降水量仅为127 mm，主要其中在夏季（5 — 8月），年蒸发量在1500 mm以上（张瑞江，2010；Liu et al，2014）。此外，湖区夏季高温期风沙天气较频繁，近地面风速可达2.5 m · s-1以上（数据来自慕士塔格西风带综合观测研究站）（Wu et al，2008；Cao et al，2009）。流域内植被稀疏，以一年生、多年生矮小灌木及垫状植物为主，生长期短暂，主要集中在6 — 8月（Xu et al，2006；杨清理等，2012）。流域内出露的基岩主要为花岗闪长岩和二长花岗岩（康磊等，2013）。

2 样品采集与测试

于2014年6—7月，在喀拉库里采集了30个表层（顶部2 cm）湖泊沉积物样品，湖水深度范围为0.5 — 18.5 m，采样点和湖水等深线分布如图2所示。同时，在阔克萨伊河入湖口附近采集了河流沉积物和风成沙样品各一个，在康西瓦河沿岸采集风成沙样品4个（图1）。样品带回实验室后，在烘箱中烘干、称重，以待分析。

湖泊沉积物和风成沙样品加H2O2和HCl去除有机质和碳酸盐后，其粒度分布利用英国马尔文公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪进行测量，测量范围为0.02 — 2000 μm，平均粒径重复测量误差小于3%。湖泊沉积物的矿物组成利用X射线衍射仪（XRD）分析，所用仪器为荷兰帕纳科公司的X’Pert Pro MPD多晶X射线衍射仪，使用超能阵列探测器，发射和散射狭缝均是1°，索拉狭缝为0.04 rad，防散射狭缝为6.60 mm，用镍片过滤掉Kβ峰。在Cu靶、40 kV、40 mA的检测条件下连续扫描，范围为3°—70°（2θ），步长为0.016711 °/步，速度为0.07111 s/步。物相定性和半定量分析使用该仪器自带的X’Pert Highscore软件。表层沉积物样品经熔样后利用X荧光分析法测定常、微量元素：先将样品烘干，并研磨至200目以下，采用荷兰帕科纳公司生产的Axios advanced（PW4400）型X荧光光谱仪（XRF），所测元素的含量值进行了碳酸盐校正，分析误差小于2%。以上实验均在中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室完成。

3 结果

3.1 粒度特征

喀拉库里30个表层沉积物粒度分布见图3，主要参数列于表1中（其中：Md为中值粒径；Mz为平均粒径；S为分选系数；Sk为偏度；Kg为峰态）。表层沉积物Md的变化范围为4.40 —136.17 μm，细粒组分高值区主要分布在喀拉库里中部、西南部（深水区），细粒组分低值区主要分布在西北、东北湖岸区域。根据粒度特征，结合湖水等深线分布，可以将表层沉积物分成三个类型，图4为三类沉积物的粒级组分比例分配三角图。

图3 喀拉库里第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类表层沉积物（a、b、c）、风成沙及河流沉积物（d）、慕士塔格冰芯粉尘（e）的粒度分布频率曲线（数据引自Wake et al（1994）和Wu et al（2009））Fig.3 Grain-size distributions of types Ⅰ, Ⅱ, and Ⅲ (a — c) of surface lake sediments from Kala Kul Lake. Also shown the grain-size distributions of (d) river sediment and wind-driven sand samples as well as (e) eolian dust collected from glacier in the Mustagh Ata ice cap (data from Wake et al (1994) and Wu et al (2009))

表1 喀拉库里表层湖泊沉积物粒度特征值、主要矿物及氧化物含量Tab.1 Grain-size, mineralogical and geochemical compositions of the lake surface sediments from Kala Kul Lake

（续表1 Continued Tab.1）

第Ⅰ类沉积物粒度的自然频率分布曲线为双峰形态（图3a），Sk平均值为0.50，峰态中等，属于极正偏形态，主峰众数粒径的范围为54.7 ± 11.2 μm，次峰集中在8.1 ± 4.6 μm。细砂组分占绝对优势，百分含量52.5% — 76.5%，平均分选系数为1.35，分选相对较差。样品包含7个样品（KL-9、KL-12、KL-32、KL-37、KL-40、KL-46和KL-49号），主要分布在阔克萨伊河入湖口前缘浅滩区和东部湖岸，湖水平均深度为7.3 m。

第Ⅱ类沉积物以粉砂为主，粒度的自然分布频率曲线呈双峰模式（图3b），两峰的众数粒径分别集中在4.2 ± 0.5 μm和23.2 ± 9.7 μm，峰度平坦，偏度范围– 0.12 — 0.25，多数为正偏，表明粉砂占优势（53.1% — 80.7%），细砂含量为9.0% — 36.4%。此类沉积样品的特点是粗、细颗粒混杂，分选性相对较差。样品包括KL-11、KL-15、KL-20、KL-33、KL-34、KL-48、KL-50、KL-51号等8个样品。从空间上来说，第Ⅱ类沉积样品主要分布于第Ⅰ、Ⅲ类型的过渡区域，平均水深11.0 m。

第Ⅲ类沉积物以细粉砂和粘粒为主，其中细粉砂占61.0% — 77.4%，其次为粘土，含量为9.3% — 24.7%，分选系数平均值为0.90；其粒度的自然分布频率曲线近似呈正态分布，表现为单峰模式（图3c），主峰众数粒径约在4.2 ± 0.4 μm，平均峰度为1.12，峰态尖锐。此类样品共包括15个样品（KL-16 — 19、KL-21 — 27、KL-29、KL-43 — 45），分布范围广，位于湖泊西南部及中部深水区，最浅采样点位水深11.0 m，平均水深15.9 m。

图4 第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类沉积物粒级组分比例分配三角图Fig.4 Textural classifi cation of types Ⅰ, Ⅱ, and Ⅲ of surface lake sediments from Kala Kul Lake

3.2 矿物学特征

湖泊沉积物的矿物种类及其组合蕴含了丰富的区域地质和环境信息，是环境研究的敏感性指标之一（金章东，2011）。根据XRD衍射图谱可知，喀拉库里表层沉积物的矿物组成基本一致（图5），主要由5种矿物组成：钠长石（33% — 41%）、石英（12% — 35%）、黑云母（14% — 23%）、绿泥石（13% — 24%）及方解石（2% — 16%），相对百分含量见表1；个别样品中含少量或极少量的水钠锰矿、锌铝蛇纹石等。五种矿物中，以钠长石、石英含量为最高，占沉积物矿物总量的40% — 70%。此外，钠长石和黑云母含量相对稳定，而石英、方解石和绿泥石含量变化差异较大。

第Ⅰ类沉积物中含量最高的矿物是钠长石，占33% — 39%，石英次之，平均含量为31%，绿泥石（13% — 15%）和黑云母（14% — 15%）所占比例基本相当，方解石（2% — 7%）含量比前两者低；相对于第Ⅰ类，第Ⅱ类沉积物样品的石英含量略低，为13% — 22%，绿泥石和黑云母含量基本保持一致，方解石（3% — 16%）含量略高；第Ⅲ类沉积物矿物组成中，黑云母和绿泥石含量相对Ⅰ、Ⅱ两种类型略高。钠长石的含量在三类沉积物中无明显变化。

图5 喀拉库里表层沉积物代表性样品的XRD衍射图谱Fig.5 X-Ray diffraction diagrams of nine typical samples of lake surface sediments from Kala Kul Lake

3.3 元素组成特征

沉积物中主要氧化物和Sr含量统计分析显示（表1），表层沉积物总体上相对富集SiO2和Al2O3，而Sr含量变化范围是132.6 — 385.3 ppm。

对于第Ⅰ类沉积物，SiO2百分含量为73.05% — 82.48%，在三种沉积物中最高，Al2O3（11.54% — 14.18%）、Fe2O3（2.36% — 4.35%）和K2O（2.69% — 3.49%）含量均低于其他两类沉积物；第Ⅱ类沉积物元素组成中，CaO（2.77% — 15.94%，KL-48样品达27.34%）和Sr（平均值216.8 ppm）较高，其余氧化物均值居中；对第Ⅲ类沉积物，SiO2、CaO、Sr在此类沉积物中含量呈现低值，Al2O3（18.84% — 21.57%）、Fe2O3（8.08% — 9.57%）、K2O（4.81% — 5.64%）变化不大，标准偏差均小于1.0。

4 分析与讨论

4.1 喀拉库里表层沉积物矿物和氧化物组成及空间变化

湖泊沉积物的组分受到诸多因素的控制，包括物源、流域气候条件、侵蚀和风化、搬运过程中的分选和聚集作用、沉积自生作用、后生改造作用等（如Last and Smol，2001；Jin et al，2006）。对于一个淡水湖泊，外源矿物是其湖泊沉积物最基本的组分，而碎屑矿物和粘土矿物可以反映一个湖泊系统的主要物理因素。石英和长石类硅酸盐矿物不易风化，具有较好的化学稳定性，是碎屑矿物的主要成分（金章东，2011；张成琦等，2015）。喀拉库里表层沉积物的矿物组成以碎屑矿物为主，粘土矿物含量较低，这是该流域地处高原，终年干旱少雨，气候寒冷，风化弱的结果。另外，沉积物中基本没有碳酸盐等自生矿物，表明该淡水湖内化学沉淀和生物活动均极弱。三类沉积物中碎屑矿物相对含量的差异则主要与粒度和物源有关。第Ⅰ类沉积物中高含量的长石和石英反映其弱风化的产物，粒度也粗，主要分布在湖岸附近；第Ⅲ类沉积物以细颗粒为特征，云母和绿泥石含量相对Ⅰ、Ⅱ两种类型略高，风化程度稍强，主要分布在深湖区。

与矿物组成相对应，第Ⅰ类沉积物的SiO2含量高于第Ⅱ和Ⅲ类沉积物，可能表明粗颗粒沉积物中SiO2含量较高，这可以从SiO2含量空间等值线分布图（图6a）及其与粒度的正相关（图7a）得到进一步证实；与此相反，Al2O3、Fe2O3、K2O等氧化物含量富集在细粒沉积物中，在空间分布上具有一致性（图6），它们与中值粒径呈负相关（图7 b — d），其含量主要反映粘土含量的变化（方海超等，2015）。另一方面，喀拉库里表层沉积物中Sr和CaO均较低，特别是深水区的第Ⅲ类沉积物（图6），进一步表明该流域内较弱的风化作用，加之流域内基岩以花岗闪长岩和二长花岗岩为主，因此仅有少量的Sr和CaO被带入到湖泊中，并且两者均与粒径基本无关。此外，位于湖泊中部的KL-48沉积物具有高达27.34%的CaO和385.3 ppm的Sr含量，其他氧化物均呈极端低值。是什么原因造成该样品异常的化学组成，有待进一步研究。

4.2 喀拉库里表层沉积物粒度特征及其对物源的指示

从上述分析可知，喀拉库里表层沉积物矿物和化学组成均与粒度紧密相关。沉积物的粒度分布可反映物源、水动力、湖泊水位等因素（Håkanson and Jansson，1983；Vandenberghe，2013；Xiao et al，2015）。一般来说，湖泊表层沉积物的粒度分布从湖岸至湖心区，随着水深的增加，湖水的水动力条件（物理能量）由强变弱，逐步沉积，颗粒逐渐变细且平行于湖岸线呈同心环带状分布，即湖泊沉积物会出现“砾-砂-粉砂-粘土”的环带状变化（Campbell，1998；陈敬安等，2000；古立峰等，2012）。喀拉库里属于典型的冰碛湖，其水下地形相对复杂。从湖水等深线分布可见，喀拉库里有两个深水区，其中最深且大的深水区位于湖中心偏东部，平均水深18.0 m，另一深水区偏西南，最大水深16.2 m。两者之间（KL-48—50号样品）水深仅为6.7 — 11.3 m，其湖底可能为一台地或沙脊（图2）。南侧的阔克萨伊河为一辫状水系，其注入喀拉库里有两个主要入湖口（KL-9和KL-12号样品位置）。入湖口处，水深快速增加，由KL-12采样点的0.5 m水深增加至KL-16采样点的11 m，沉积物类型由Ⅰ类迅速转为Ⅲ类，可能是河流携带碎屑矿物快速堆积的结果。东岸水深和沉积物类型的变化也很类似，在离岸200 —300 m水深快速增加到13 m，沉积物类型也由Ⅰ类经Ⅱ类迅速转为Ⅲ类。从最深湖区往北至出口流入康西瓦河，湖水深度变化较缓，以Ⅲ类沉积物为特征。由此可以判断，喀拉库里表层沉积物的矿物组成、元素分布呈现三种类型的差异性分布主要是受到湖盆水下复杂地形和物源的影响。沉积物的粒度分布可以反映水动力信息，广泛用于判断沉积环境变化（如Håkanson and Jansson，1983；Xiao et al，2015）。由图3可知，第Ⅰ类沉积物颗粒以40 — 150 μm组分为主，主峰众数粒径约为54.7 ± 11.2 μm，这些沉积物以细砂组分为特征，粒径较大。具双峰特征的第Ⅱ类沉积物众数粒径分别集中在4.2 ± 0.5 μm和23.2 ± 9.7 μm，主要分布在湖岸至湖心的水深快速增加区域，分布范围窄。深湖区的第Ⅲ类沉积物50 — 150 μm组分基本消失，优势组分在2 — 8 μm。三类沉积物的粒度自然频率分布曲线反映了这些沉积物不同的来源和输入形式（刘晓清等，2013）。

图6 喀拉库里表层沉积物主要氧化物和Sr含量空间分布图Fig.6 The spatial distribution of the contents of the major oxides and Sr of the surface lake sediment samples from Kala Kul Lake

图7 喀拉库里表层沉积物中值粒径与主要氧化物的相关性分析Fig.7 Correlations of median size with major oxides (SiO2, Al2O3, and Fe2O3) of the surface lake sediment samples from Kala Kul Lake

喀拉库里湖区位于冰川末端，地表径流的流量主要取决于受温度控制的冰川融水。春夏季节，阔克萨伊河携带碎屑物注入喀拉库里。然而，由于阔克萨伊河径流量低、流速慢，且为一辫状水系，入湖前流经一片沼泽地，其携带的外源碎屑物有限，大部分堆积在入湖口前缘浅滩区，形成分选性较差的第Ⅰ类沉积物。随着离岸距离和水深的增加，水动力条件逐渐减弱，沉积物粒径迅速降低，转变为第Ⅱ类沉积物。然而，第Ⅱ类沉积物仅分布在较窄的范围，随着水深快速增加，转变为分布最广的第Ⅲ类沉积物（图2）。这同样表现在氧化物含量的变化梯度上（图6）。

然而，类似的粒度分布和梯度变化同样出现在湖泊东岸的表层沉积物中：靠近东岸的第Ⅰ类沉积物（KL-32、KL-37和KL-40）和第Ⅱ类沉积物（KL-33和KL-34）也分布在较窄的范围，在短距离内转变为第Ⅲ类沉积物（图2和图6）。最重要的是，近东岸的这三个样品具有与阔克萨伊河口附近的KL-9和KL-12基本相同的粒度组成特征，均属于第Ⅰ类沉积物（图3a）。喀拉库里东侧并没有河流输入，那么这些具有相同粒度组成的粗颗粒沉积物是如何进入湖泊的呢？野外观察可见，在喀拉库里岸边，以及包括康西瓦河和阔克萨伊河的附近河岸，广泛分布着粒度较为均一的细砂。这些细砂（KL-S2 — S5）和阔克萨伊河的河流沉积物（KL-S1）的粒度主峰值均集中在61.3 ± 11.0 μm，次峰在11.1 ± 1.6 μm，可判定这些细砂主要来源于受冰川或河流作用，经物理风化产生的岩石碎屑，主要来源于湖盆流域及其周边山地，然后经近地面滚动，或短距离风力作用搬运过来的碎屑颗粒。在夏季，在频繁的风力作用下，细颗粒组分可进行长距离、乃至高空搬运，这些50 — 150 μm组分的细砂也可经风力作用发生搬移，并经分选形成粒度较为均一的细砂，因此我们称之为“风成沙”（图3d）。通过与附近风成沙和阔克萨伊河沉积物样品的粒度分布模式比较可见，第Ⅰ类沉积物具有与这些细砂十分类似的粒度频率分布曲线。由此，认为喀拉库里近湖岸的第Ⅰ类沉积物和第Ⅱ类沉积物的粗颗粒组分主要是这些就地物理风化的风成沙经地表径流或风力进入湖泊的。

干旱-半干旱区的湖泊沉积物组成还受到粉 尘 输入的影 响（Jin et al，2009，2015；Vandenberghe，2013）。对于喀拉库里地区，夏季风沙天气较为频繁（Wu et al，2008；魏林波等，2012），风尘颗粒的输入是显而易见的。由慕士塔格冰川中大气粉尘的通量可知，每年有大量的颗粒物经西风携带降落在冰川上。慕士塔格冰川中的颗粒年通量为247 — 607 μg · cm2· a-1（Wake et al，1994），或平均为330 μg · cm2· a-1（宫晓倩等，2012），并且这些粉尘主要出现在夏季高温期（Wu et al，2008）。气团反轨迹追踪结果表明，慕士塔格粉尘的主要源区是西亚（如伊朗-阿富汗高原）和中亚地区，这些源区的尘暴频发期出现在夏季（5 — 8月份）（Wu et al，2008），数量上多以细颗粒（＜ 5 μm）为主（Wu et al，2006）。图3c和图3e为喀拉库里第Ⅲ类表层沉积物与大气粉尘颗粒物的粒度分布曲线对比，后者来自慕士塔格冰川中大气粉尘（Wake et al，1994，Wu et al，2009）。不难发现，喀拉库里第Ⅲ类沉积物的优势组分（2 — 8 μm）和冰芯中来自远源的高空粉尘粒度频率分布曲线对应良好。研究表明，风成来源物质沉降后，粒度特征基本保持不变，例如泛滥平原和构造盆地中黄土粒度与黄土高原的粒度组成基本一致（Vandenberghe and Spanjaard，2012；Licht et al，2014）。因此初步判定，喀拉库里表层湖泊沉积物的细粒级组分可能主要来自于西风从西亚和中亚地区携带的高空粉尘。

5 结论

通过对喀拉库里表层沉积物粒度、矿物组成及元素含量的空间变化分析，结合周边风成沙的组分，探讨了该湖泊表层沉积物的物源及其控制因素，得到如下初步认识：

（1）根据沉积物粒度、矿物组成，结合湖水等深线，喀拉库里表层沉积物主要有三种类型，分别以细砂、细-粉砂粒混合和细粉砂为主，三类沉积物中钠长石、黑云母和绿泥石含量较高，表明高寒地带流域岩石的弱风化作用；

（2）喀拉库里表层沉积物的化学组成与粒度和湖水深度密切相关，SiO2含量同粒径呈正相关关系，深湖区细粒沉积物中的Al2O3、Fe2O3和K2O含量高，在空间分布上具有一致性，与粒径呈负相关关系；

（3）依赖流水和风力的共同作用，喀拉库里表层沉积物主要有两个来源：粒径在50 μm左右的粗粉砂、细砂等主要来自湖区周围岩石物理风化的产物，通过径流或风力作用携带至湖滨带；深湖区均一的细粉砂则可能主要是由西风作用从西亚和中亚地区输送过来的粉尘。

致谢：中国科学院青藏高原研究所邬光剑提供部分慕士塔格冰芯粒度实验数据，孙有斌研究员在写作过程中给予讨论和建议，在此一并表示感谢。

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Spatial distribution of surface lake sediment compositions in Kala Kul Lake and its implications for provenances

YIN Duo1,2, JIN Zhangdong1, ZHANG Fei1, ZHANG Xiaolong3, WANG Xiaqing1, PENG Yumei1
(1. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710061, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory of Tibetan Environment Changes and Land Surface Processes, Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)

Background, aim, and scope Kala Kul Lake (38°25.32' — 38°27.57'N, 75°02.27' — 75°04.17'E, 3661 m above sea level) is located in the eastern part of the Pamir Plateau and is a hydrologically-open freshwater lake mainly fed by meltwater from the Mustagh Ata ices and rainfall in summer. The climate of the lake catchment is dominated by northern hemisphere mid-latitude westerly jet carrying rain and dust in summer. Owing to little human activity, lake sediment in Kala Kul Lake has been considered to be ideal for reconstructing regional climate and environment evolution, and even for glacial advanceand retreat. However, until now little is known about the compositions, spatial distribution and sources of the lake sediments, as well as their relationship with the glacier variations and the westerly climate. The objectives of this study are (1) to obtain the mineralogical and geochemical compositions of the surface lake sediments and (2) to address the spatial distribution and sources of the sediments in Kala Kul Lake. Materials and methods Thirty samples of surface sediments (topmost 2 cm) were collected in June and July 2014 across Kala Kul Lake with the water depths ranging from 0.5 m to 18.5 m. Meanwhile, one river sediment and five wind-driven sand samples were collected surrounding the catchment. After pretreated by adding H2O2and HCl to remove organic matter, carbonates, and iron oxides, grain size distribution was measured by a Malvern 2000 laser diffraction instrument with 100 bins ranging from 0.02 μm to 2000 μm. X-ray diffraction and fluorescence spectrometer were used for analyzing mineralogical and elemental compositions. Results Being combining the grain size parameters with water depth, surface lake sediment samples were classified into three types. The type Ⅰ sediments are distributed in the near lake shore and are characterize by fine sand with double peaks, high contents of quartz and low clays, Fe2O3, and K2O. The type Ⅲ sediments are dominated by fine and clayey silt that are well sorted and are mainly distributed in the deep water area. The contents of SiO2, CaO, and Sr in the type Ⅲ sediments are the lowest in all types of sediments, with constant contents of Al2O3, Fe2O3, and K2O with the standard deviations less than 1.0. At the narrow area between the typesⅠand Ⅲ, there are the type Ⅱ sediments that are mixed with poorly-sorted coarse and fine particles. Discussion Since Kala Kul Lake belongs to a typical moraine lake, lakebed topography, sediment sources, grain sorting and focusing play dominant roles in the difference of detrital mineralogy and elements in the three types of surface sediments in the lake. The lake has a relatively complex topography of the lakebed, such that water depth affects mineral compositions and spatial distribution of major elements of the surface lake sediments. Comparison of the grainsize distributions of the three types of surface sediments with those of eolian dust from Mustagh Ata ice cap, five wind-driven sand and one river sediment samples indicate that the typesⅠandⅡ sediments might mainly stem from local fine sand detrital transported by wind and rivers, whereas the type Ⅲ sediments (2 — 8 μm in size) may be dominated by eolian dust carried by the westerly jet during the summer from western and central Asia, as same as those trapped in the Mustagh Ata ices. Conclusions In Kala Kul Lake, the well-sorted fine and clayey silt dominated in the deep water area might stem from eolian dust by the westerly jet during the summer, whereas the fine sand and silt near lake shore are from local detrital transported by wind and rivers into the lake. High contents of albite and biotite but low clays in the fine detrital mineral are mainly the products of physical eroded rocks after sorted by strong wind, indicating weak weathering within the catchment. Recommendations and perspectives The fine and clayey silt in deep lake therefore is potential for reconstructing the history of dust input and westerly jet in central Asia.

Kala Kul Lake; surface lake sediment; grain size; mineralogy; elements; sediment sources

JIN Zhangdong, E-mail: zhdjin@ieecas.cn

10.7515/JEE201604006

2016-03-06；录用日期：2016-06-01

Received Date:2016-03-06;Accepted Date:2016-06-01

国家自然科学基金项目（41403111，41225015）

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China (41403111, 41225015)

金章东，E-mail: zhdjin@ieecas.cn