武汉涨渡湖ZK04-1钻孔沉积物粒度、磁化率、孢粉组合特征及其环境演变

杨青雄, 冯 稳, 杜小锋

(湖北省地质调查院 基础地质调查中心,湖北 武汉 430034)

研究地球过去的气候与环境变化信息,可以更好地了解现在正在发生的各种变化,从而为未来提供可靠有效的类比模式[1]。全新世时期为末次冰期之后的晚冰期地质时代,气候逐渐转入温暖潮湿的冰后期,是与人类联系最为紧密的一个地质时段,对其时段内沉积环境及人类规律的研究有助于解释人类活动与环境之间的关系[2-3]。湖泊沉积物作为重要的信息载体[4-5],可用于重建和研究陆地沉积环境及其古气候演化过程。第四纪钻孔岩芯记录的环境信息具有连续、完整、不受干扰等优点,非常适合用于古气候研究。近年来,许多学者从古环境重建的角度开展研究工作。霍炬等[6]通过对武汉东西湖区典型第四纪钻孔沉积物的粒度特征分析,重建了武汉东西湖区第四纪以来的沉积环境演变过程。谢远云[7]等通过对江汉平原江陵湖泊沉积物的粒度特征分析,初步探讨出湖泊流域古气候环境的变迁规律。在湖泊沉积研究中,粒度可以反映沉积环境及水动力的变化过程,磁化率在一定程度上可表征沉积环境特征,孢粉植物类型可以直接反应气候特征[8-10]。然而,对武汉地区晚冰期,尤其是全新世时期高分辨率的沉积环境变化与重建研究尚显不足。本文以武汉市新洲区涨渡湖农场ZK04-1钻孔(114°47′18″E,30°40′00″N,见图1)为例,通过对沉积物的粒度、磁化率以及孢粉特征组合进行分析,揭示全新世时期古环境和古气候变化规律。

图1 ZK04-1钻孔地理位置Fig.1 Location of ZK04-1 core

1 剖面概述

研究样品采自武汉市新洲区涨渡湖农场ZK04-1钻孔剖面的8.54～28.00 m段,采样长度为19.52 m,根据岩性特征,由上至下详细划分为13层:1层为8.54～11.19 m,厚2.66 m,青灰色粉砂夹粘土团块;2层为11.19～12.08 m,厚0.89 m,青灰色含砂粘土;3层为12.08～13.17 m,厚1.09 m,青灰色粉砂夹粘土斑块;4层为13.17～15.00 m,厚1.83 m,青灰色含砂粘土;5层为15.00～16.13 m,厚1.13 m,黄褐色含粘粉砂,夹零星螺壳;6层为16.13～16.28 m,厚0.15 m,青灰色细砂土,夹黄褐色粘土;7层为16.28～18.05 m,厚1.77 m,青灰色粘土;8层为18.05～18.17 m,厚0.12 m,青灰色粘土质砂,见白色螺壳;9层为18.17～22.51 m,厚4.34 m,青灰色粘土,夹黄褐色粉砂土条带,平行层理发育;10层为22.51～23.16 m,厚0.65 m,青灰色淤泥质粘土;11层为23.16～24.12 m,厚0.96 m,青灰色粉砂质粘土;12层为24.12～27.59 m,厚3.47 m,青灰色粘土;13层为27.59～28.00 m,厚0.41 m,青灰色含粘细砂土。

2 样品采集及分析

2.1 样品采集

在该剖面8.6 m、17.9 m以及21.85 m处共取样品3个14C测年样,见表1;在8.54～28.06 m之间以4 cm和8 cm的混合间隔进行采样,获得粒度和磁化率有效样各333个,在8.54～27.54 m之间,以30 cm厚度间隔共取可用孢粉样品65个❶原始数据和资料来源于湖北省地质调查院2011—2014年1∶5万新洲幅等四幅区调,2014。。

2.2 样品分析

(1) 沉积物14C测年结果。该样品送往波兰波兹南放射性国家实验室进行样品年代鉴定测试,所得测试结果经校正曲线IntCal13进行日历年龄校正,校正结果见表1。笔者采用分段线性内插和外推方法建立剖面的时间序列。

表1 钻孔ZK04-1 14C测年结果表Table 1 14C dating results of ZK04-1 core

(2) 沉积物粒度分析结果及特征。根据Udden-Wentworth标准[11],该剖面沉积物按粒级划分为粘土(φ>7)、粉砂(4<φ<7)及砂(φ<4)三个级别。其中,粘土含量变化范围为15.48%～76.34%,平均含量为40.34%;粉砂含量变化范围为17.60%～ 67.45%,平均含量为41.38%;砂含量变化范围为0%～ 66.93%,平均含量为5.22%。按国际制三角图图解法命名,该剖面沉积物整体属于粘土质粉砂。其中平均粒径值变化范围为4.27～8.07φ,平均为6.30φ,分选系数r1变化范围为1.28～3.08,属分选较差—分选差;偏态SK变化范围为-0.25～0.54,为极负偏—极正偏;峰态KG变化范围为0.669～1.295,从宽到窄。

(3) 沉积物磁化率的变化特征。样品测量是在中国地质大学武汉地球物理与空间信息学院实验室的型卡帕桥仪上完成的,测量精度≤2×10-8SI,对每一件样品重复测量2次取其均值作为最后的结果。根据质量磁化率的测试结果,该剖面沉积物样品磁化率值变化范围为82×10-6～652×10-6SI,平均值为238.83×10-6SI,反映出亚热带湿润区长江中下游沿江湖泊的磁化率特点。磁化率曲线在22.5 m以下都比较平稳,呈小幅度的高低振荡;在15.5～22.5 m之间出现明显的峰谷交替变化;在15.5 m以上磁化率开始出现若干较大幅度的峰值,特别是在深度10.86 m左右出现该剖面最大值652×10-6SI。

(4) 沉积物孢粉分析结果。在8.54～27.54 m之间,以30 cm厚度间隔共可用孢粉样品65个,样品在实验室里经过酸、碱等化学处理,水洗至中性后,用比重为2.1的重液进行浮选,再经冰乙酸水稀释、富集,纯净水清洗至中性后制管,在生物显微镜下鉴定。共统计陆生植物花粉34 668粒,平均每个样品533粒,孢粉总浓度平均每个样品为1 445粒/g,共鉴定出143个科属的植物花粉。根据镜下孢粉鉴定统计分析结果,按照植物气候类型代表性特征做出孢粉百分比含量图式,运用孢粉专业作图软件Tilia做出孢粉百分比含量图式,根据聚类分析Coniss所得结果见图2。

图2 ZK04-1钻孔孢粉植物科属数量随深度变化图Fig.2 Change map of pollen plant genera number of ZK04-1 core with depth variation

3 讨论

湖泊沉积学研究表明[12-13],湖水物理能量是控制沉积物粒度分布的主要因素。粘土、粉砂、砂含量等参数的变化反映沉积物颗粒的粗细,细粒沉积物代表了湖水物理能量较强的水位较高阶段,其原因是高水位时同一采样点距离湖岸更远,陆源颗粒必须经过长距离的搬运才能到达采样点,而沉积物中粗颗粒物质难以长距离搬运,导致平均粒径减小,指示气候湿热;反之粗粒沉积物则代表低水位阶段,指示气候干冷。分选系数r1代表沉积物的分选程度,分选系数r1越小分选程度越好;长距离的搬运对颗粒也起到了很好的分选作用,对应湖泊高水位期。偏态SK表示沉积物粗细分布的对称程度,可以判别分布的对称性,并表示平均值与中位数的相对位置,如为负偏,沉积物偏粗,平均值将向中位数的较粗方向移动;正偏则是细偏,平均值向中位数的较细方向移动。峰态KG是用来衡量粒度分布曲线的尖锐或钝圆的程度,正态曲线的峰态值为1.00,峰态正值说明颗粒分布集中,负值时则为宽峰态,说明颗粒分布分散。

基于上述原因,以粒度分析结果及其曲线变化特征为基础,结合磁化率分析结果,并综合测年数据和孢粉分析结果(图3),得到长江中下游10 kaB.P以来沿江湖泊沉积环境的演化过程,分段分析如下:

图3 ZK04-1钻孔沉积物粒度、磁化率参数特征随深度变化图Fig.3 Change map of parameters of grain-size and magnetic susceptibility of ZK04-1 core with depth variation1.砂;2.粉砂;3.砂质粘土;4.淤泥质粘土;5.粘土。

Ⅰ阶段(28.06～27 m 9 916～8 472 aB.P):这一阶段粘土组分含量平均值为32.75%、粉砂组分含量为50.14%和砂组分含量为17.11%,三者存在剧烈振荡,出现两次明显的峰谷变化,其中粘土组分含量与砂组分含量呈负相关变化。以粘土组分为代表,由19.66%急剧上升至61.63%,然后急剧下降至16.61%,再迅速上升至61.02%。平均粒径的平均值为6.19φ,在4～7φ之间反复波动;分选系数r1平均值为1.96,总体分选较差;偏度SK平均值为0.19,多次出现小幅波动但整体较为平稳,属正偏,沉积物有变细的趋势。上述粒度参数特征显示了较强水动力条件下形成的粒径较粗的河流冲积—洪泛冲积相沉积,进一步暗示了此阶段早期涨渡湖湖泊仍为开放性环境,受长江河流主导。由于流水的淘洗作用,磁性物质难以保留,导致磁化率处于一个稳定的低位水平,且平均值仅为100.21×10-6SI,低于剖面均值。但在27.5 m处有多层碳泥层,可见这一时期在漫滩洼地基础上发育泥炭沼泽相湖泊,指示该阶段晚期涨渡湖湖泊开始闭合。另外,该区间孢粉带中以喜潮湿环境的瓶尔小草属含量高,最高值达到27.56%,同时还出现了少量的淡水中生长的环纹藻,阔叶类植物中的落叶栎、榆属和枫香等含量较高。由此推测当时的植被类型为含针叶树松的落叶阔叶林,指示气候温暖湿润。

温暖湿润的气候条件提供充沛的降雨量,增加河流流速与动能;碳泥层表明当时植被发育非常繁盛,反映出气候较为温暖,综上所述此阶段为温暖湿润的气候。

Ⅱ阶段(27～16.1 m 8 472～5 434 aB.P):这一阶段砂组分含量长期处于低位水平,接近于零,仅间歇性地出现峰值,其平均值为2.17%,但粘土组分和粉砂组分与之相反,二者处于高位水平,总体呈“S”状波动,其平均值分别为49.67%和48.19%;平均粒径的平均值为7.16φ,属粘土级;分选系数r1的平均值为1.57,分选相对上阶段较好;偏度SK平均值为0.15,整体较为平稳,属正偏,但期间出现7次负偏;峰态KG的平均值为1.09,属于尖窄型,表明粒度分布相对集中。上述粒度参数特征显示了此阶段为弱水动力条件下形成的以细粒为主的湖泊沉积,受外来水系影响非常小,进入了密闭湖泊的生长期。

该阶段粘土组分含量长期处于高位,多个层位含有植物腐殖质及黑色有机质团块,并且在此其间偏度值出现7次负偏,与砂组分含量峰值正好响应,指示出有7次较大洪水事件形成的越岸粗粒沉积,表明此阶段主体气候为温暖偏湿。与此同时,磁化率值相对上阶段有明显增加,其平均值为194.93×10-6SI,期间出现多次峰谷变化,其中峰值区间与洪水事件重叠,可能由洪水或地表径流携带磁性矿物成分进入湖泊,对应温暖湿润气候;但是低值区间表明无外来磁性物源注入湖泊内,指示降水量减少,对应干冷气候。

另外,该区间孢粉带花粉科属种类丰富多样,但主要为指示温暖湿润气候特征的蕨类孢子、喜湿热环境的海金沙、阔叶类植物类和指示干凉、温凉偏湿气候特征的及针叶乔木植物花粉中的松属类两大主体,且前者占主导地位,在不同层位上,二者含量此消彼长,表明该时期内出现多次气候旋回。因此,综上所述,该阶段具有多个冷暖湿干气候旋回。

Ⅲ阶段(16.1～8.54 m 5 434～2 794 aB.P):该阶段砂组分含量显著增加,振幅波动较大,最高值为10.9 m处的40.51%,平均值为15.24%,而粘土组分和粉砂组分与之相反,呈波动下降趋势,二者的平均值分别为40.19%和44.56%,前者减小幅度更大;平均粒径为6.40φ,为粉砂级;分选系数r1持续波动增大,其平均值为2.09,分选性极差;偏度普遍出现负值,正偏占少量,其平均值为0.056 38,相对上阶段,颗粒明显变粗;峰态KG在1.0两侧对称波动,其平均值属于尖窄型,粒度分布相对集中。上述粒度参数特征指示该阶段为水动力条件增强的沉积环境,颗粒来源较为复杂,可能为湖泊周边的水系注入,包括长江。据区域历史文献记载,受北部大别隆起掀斜作用影响,长江南迁,但受长江南岸但店地区基岩阻拦,形成额头湾,长江南北岸呈不对称发展,因此在洪水期时,洪泛冲积物越岸灌注至湖泊;与此同时,湖泊北东侧的举水河可能成为另一个主要的物质来源。这给湖泊提供了充足的磁性物源,导致磁化率值急剧增加,最高峰值为652×10-6SI,平均值超过该剖面的平均值,为321.22×10-6SI。另外,该区间孢粉带花粉科属种类较为丰富,由下至上以针叶类含量为主的松科,渐变为以莎草科、鳞盖蕨和海金沙含量为主,夹有少量阔叶类的落叶栎、枫香,气候特征由凉偏干、温暖偏湿渐变为炎热湿润。

该阶段的砂组分含量与磁化率值呈波动递进式增大,表明水动力条件也逐渐递增,进一步指示出降水量逐渐增加。

4 结论

区域气候变化是在全球气候变化背景下发生的,对全球气候变化具有区域响应的特点,综上所述,初步得出以下结论:

(1) 从ZK04-1钻孔剖面粒度、磁化率以及孢粉记录的沉积环境信息来看,该剖面较为典型,较好地反映出长江中游地区环境演化特征。一万年以来,该区域经从最初的温暖湿润气候阶段,渐变过渡到冷暖湿干气候交替变化阶段,演变到最后持续变暖,直至变为炎热湿润气候阶段。

(2) 粒度作为环境演化的代用指标,较好地反映出湖泊沉积水位和水动力条件变化,进一步指示气候的干湿冷暖变化特征。在封闭湖泊状态下,湖泊沉积物粒度变细,则表明湖泊水域面积增长,水位上涨;反之亦然。而砂组成分的变化,侧面反映出水动力的强弱。

(3) 从粒度、磁化率记录的沉积环境信息反映出涨渡湖由最开始的开放性湖泊逐渐生长成封闭性湖泊,并在洪水事件发生时期,得到长江及举水等水系补充。其中整个剖面记录时段内,粒度及磁化率记录出现了七次峰值,表明经历过七次洪水事件 。