沉積物粒度的環(huán)境指示意義以云南古氣候研究為例

沉積物粒度的環(huán)境指示意義以云南古氣候研究為例

理解過(guò)去，了解現(xiàn)在和預(yù)測(cè)未來(lái)的基礎(chǔ)是國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃（igbp）的主要計(jì)劃之一，未來(lái)全球變化（人類變化的目的是恢復(fù)環(huán)境和生態(tài)歷史，闡明地球環(huán)境的變化規(guī)律（包括變化過(guò)程、變化趨勢(shì)和變化速度）及其控制因素，從而為預(yù)測(cè)未來(lái)可能發(fā)生的氣候和環(huán)境變化提供科學(xué)合理的基礎(chǔ)。關(guān)于全球變化的研究有兩個(gè)重點(diǎn)研究時(shí)期。其中之一是對(duì)過(guò)去200年（冰期和間冰期）氣候變化的長(zhǎng)尺度研究。第二，在20世紀(jì)2000年代，全球短氣候變化的高分辨率重建要到目前為止（地質(zhì)冰芯、黃土、深海沉積、湖泊沉積、沉積物、碳?xì)浠衔?、輪、?lián)合化合碳鹽等），湖泊沉積是恢復(fù)地球環(huán)境不同時(shí)期發(fā)展歷史的重要指示器。幾十年來(lái)湖泊沉積記錄在第四紀(jì)古氣候重建方面發(fā)揮了重要作用,但已有的研究主要集中在較長(zhǎng)時(shí)間尺度、較低分辨率(百年、千年)的研究上.隨著全球變化研究的逐步深入和全球變暖、淡水資源短缺等一系列現(xiàn)代環(huán)境問(wèn)題的日益突出,人們開(kāi)始更加關(guān)注那些與人類生活密切相關(guān)的晚近過(guò)去發(fā)生的各種短尺度(年際、十年)氣候變化.PAGES因此逐漸把研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向最近2000a來(lái)地球氣候與環(huán)境歷史的高分辨率重建.然而,在由以往的長(zhǎng)時(shí)間尺度、低分辨率研究轉(zhuǎn)向短時(shí)間尺度、高分辨率研究的過(guò)程中,一些研究者對(duì)代用指標(biāo)的環(huán)境意義辯識(shí)缺乏深入研究,往往直接套用其在長(zhǎng)尺度研究中的環(huán)境指示意義,因而得出了不可靠的、甚至錯(cuò)誤的結(jié)論.事實(shí)上,有些環(huán)境因素在長(zhǎng)尺度研究中對(duì)湖泊沉積記錄的影響常常被掩蓋,在短尺度研究中才得以顯現(xiàn)出來(lái).既然影響沉積記錄的環(huán)境因素在不同時(shí)間尺度下的體現(xiàn)是不同的,保存在沉積物中的各種環(huán)境記錄的指示意義在不同時(shí)間尺度下就可能存在差異.本文試圖以沉積物粒度為例,揭示其在不同時(shí)間尺度研究中的不同環(huán)境指示意義,以引起湖泊沉積記錄研究者的注意.1環(huán)境指示意義沉積物粒度是重建古濕度的重要指標(biāo)之一,并因其測(cè)定簡(jiǎn)單、快速、經(jīng)濟(jì)、不受生物作用影響、對(duì)氣候變化敏感等特點(diǎn)而倍受研究者青睞.已有研究結(jié)果表明,從湖岸至湖心,隨著水深逐步增大,水動(dòng)力條件由強(qiáng)變?nèi)?湖泊沉積物呈環(huán)帶狀分布,即從湖岸至湖心依次出現(xiàn)礫、砂、粉砂及黏土帶,沉積物粒徑逐漸減小.人們認(rèn)為,沉積物粒徑增大反映采樣點(diǎn)離湖岸距離減小、湖泊水位下降,指示氣候干旱;反之,沉積物粒徑減小反映采樣點(diǎn)離湖岸距離增大、湖泊水位上升,指示氣候濕潤(rùn)[12,13,14,15,16,17].Wang等在對(duì)蒙古高原湖泊沉積環(huán)境記錄的研究中也認(rèn)為,細(xì)粒沉積物對(duì)應(yīng)較高的湖泊水位,指示氣候濕潤(rùn);粗粒沉積物對(duì)應(yīng)較低的湖泊水位,反映氣候干旱,上述學(xué)者的觀點(diǎn)可簡(jiǎn)單概括如下:在氣候干旱期,湖泊水位下降,湖面收縮,采樣點(diǎn)離岸邊的距離較近,粗顆粒物質(zhì)易于到達(dá),而且此時(shí)的淺水強(qiáng)動(dòng)力條件使細(xì)顆粒物質(zhì)難以穩(wěn)定沉降,因而在該位置沉積的顆粒較粗;反之,在氣候濕潤(rùn)期,湖泊水位上升,湖面擴(kuò)張,采樣點(diǎn)離岸邊的距離較遠(yuǎn),粗顆粒物質(zhì)難以到達(dá),而且此時(shí)的深水弱動(dòng)力條件有利于細(xì)顆粒物質(zhì)沉降,因而在該位置沉積的顆粒較細(xì),沉積物粒徑減小.由此得出的結(jié)論“粗粒沉積物指示低水位時(shí)期的干旱氣候,細(xì)粒沉積物指示高水位時(shí)期的濕潤(rùn)氣候”已為眾多研究者所接受和運(yùn)用[11,19,20,21,22,23,24,25,26].我們認(rèn)為,上述結(jié)論有一個(gè)重要的應(yīng)用前提條件,即:湖泊經(jīng)歷了較大幅度的水位波動(dòng)、湖水面積存在大范圍的擴(kuò)張與收縮,因而可能只適用于長(zhǎng)時(shí)間尺度、低分辨率(百年、千年)研究,不能延用至短時(shí)間尺度、高分辨率(年際、十年)研究.下面以云南洱海和程海為例,討論沉積物粒度在短時(shí)間尺度、高分辨率研究中的環(huán)境指示意義.洱海是滇西最大的斷陷湖泊.湖泊水面面積約249km2,匯水面積約2785km2.湖水補(bǔ)給源主要為湖面降水和地表徑流,多年平均入湖徑流量約10.65×108m3,湖面降水量3.13×108m3,合計(jì)年入湖水量13.78×108m3.洱海出水口為西洱河,多年平均出湖水量和工農(nóng)業(yè)用水量10.39×108m3,湖面蒸發(fā)量3.39×108m3,合計(jì)年出湖水量13.78×108m3,水量收支平衡,在自然情況下,水位變幅約2m.1963年當(dāng)?shù)卣疄榱丝刂贫Ｋ?在洱海出水口西洱河修建了水閘;1963年以前,洱海水位處于自然調(diào)節(jié)階段.大理水文站提供的洱海1952?1963年的水文資料顯示:盡管在此期間洱海的降雨量變化很大,但洱海水位基本穩(wěn)定在1974m上下(表1),年平均水位變化不超過(guò)0.40m.由此看來(lái),洱海作為一個(gè)開(kāi)放的外流型湖泊,在過(guò)去幾百年間可能并不存在水位的大幅度漲落,水位變化對(duì)粒度分布的影響很小,我們難以用水位的大幅度漲落來(lái)解釋洱海深水湖區(qū)沉積物粒徑的變化.相反,湖盆流域降雨量的變化則可能是控制沉積物粒度的重要因素,尤其在降雨量較大的熱帶、亞熱帶地區(qū).降雨量的變化通過(guò)影響地表徑流強(qiáng)度而在相當(dāng)程度上決定著進(jìn)入湖泊的陸源顆粒物的粗細(xì)和多少,進(jìn)而影響沉積物粒度:降雨量大的濕潤(rùn)年份,地表徑流發(fā)育,其剝蝕和搬運(yùn)能力增強(qiáng),更多的粗顆粒物質(zhì)可被攜帶至湖泊,沉積物粒徑增大;降雨量小的干旱年份,地表徑流貧乏,粗顆粒物質(zhì)難以搬運(yùn)至湖泊,沉積物粒徑減小.因此,洱海沉積物粒徑變化可反映湖區(qū)降雨量的變化,從而具有氣候干濕變化指示意義:粒徑大指示降水較多的濕潤(rùn)氣候,粒徑小指示降水較少的干旱氣候.洱海沉積物碳酸鹽氧同位素記錄進(jìn)一步證實(shí)了洱海沉積物粒度的環(huán)境指示意義.已有研究表明,云南地區(qū)雨水的氧同位素組成主要受降水量效應(yīng)控制:降雨量大時(shí)雨水δ18O較小;降雨量小時(shí)雨水δ18O較大.云南暖干-冷濕的氣候組合類型使得該地區(qū)湖水氧同位素組成對(duì)氣候變化反映敏感.溫度和降雨量的反相關(guān)變化以同一個(gè)方向影響著湖水氧同位素組成,并進(jìn)而影響沉積物內(nèi)生碳酸鹽δ18O:暖干期,降雨量小,雨水δ18O增大,同時(shí),暖干期強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用也使得湖水富集18O,導(dǎo)致湖泊內(nèi)生碳酸鹽δ18O增大;冷濕期,降雨量大,雨水δ18O減小,同時(shí)冷濕期較弱的蒸發(fā)作用也使得湖水δ18O富集程度減弱,導(dǎo)致湖泊內(nèi)生碳酸鹽δ18O減小.由此可見(jiàn),洱海沉積物粒徑和碳酸鹽δ18O均具有氣候干濕變化指示意義:沉積物粒徑的高值與碳酸鹽δ18O的低值指示降雨量大的濕潤(rùn)氣候,沉積物粒徑的低值與碳酸鹽δ18O的高值指示降雨量小的干旱氣候.我們對(duì)洱海沉積物粒徑與碳酸鹽氧同位素的測(cè)定結(jié)果(圖1)表明兩者呈反相關(guān)變化,從而證實(shí)了上述結(jié)論.由于洱海深水湖區(qū)的沉積物堆積速率較小,約為0.046g·cm-2·a-1,難以獲得年際分辨率的沉積物樣品,按lcm間距分截的沉積物樣品大約對(duì)應(yīng)于6a的沉積,因而無(wú)法將沉積物粒度與當(dāng)?shù)亟涤炅坑涗涍M(jìn)行對(duì)比.程海是一個(gè)典型的封閉型湖泊,且具有較大的沉積速率,利用137Cs1964,1975年和1986年時(shí)標(biāo)獲得的深水湖區(qū)沉積物堆積速率分別為0.433g·cm-2·a-1,0.434g·cm-2·a-1和0.232g·cm-2·a-1,是洱海的5倍以上,按1cm間距分截的沉積物樣品大約對(duì)應(yīng)于1a的沉積,因而可將年降雨量記錄與程海近40a來(lái)的沉積物粒度記錄進(jìn)行對(duì)比(圖2).由圖2可見(jiàn),程海沉積物粒徑與該地區(qū)降雨量變化呈現(xiàn)出良好的同步波動(dòng),它們的峰值與谷值分別一一對(duì)應(yīng),均在1961,1966,1970,1974,1979,1986和1991年前后出現(xiàn)峰值;在1963,1968,1972,1976,1982,1988和1994年前后出現(xiàn)谷值.這說(shuō)明了程海沉積物粒徑可有效指示湖區(qū)降雨量的變化:粒徑大指示降雨量較大的濕潤(rùn)年份;粒徑小指示降雨量相對(duì)較小的干旱年份.綜合洱海和程?，F(xiàn)代沉積物粒度研究結(jié)果可知,在短時(shí)間尺度研究中,湖泊沉積物粒徑可指示湖區(qū)降雨量的變化.由此,我們可得出一個(gè)重要啟示:湖泊沉積物粒度在不同時(shí)間尺度、不同時(shí)間分辨率的研究中具有不同的環(huán)境指示意義.在長(zhǎng)時(shí)間尺度、低分辨率(百年、千年)研究中,沉積物粒度主要反映湖泊水位變化:粒徑大指示湖泊收縮、湖水較淺的干旱氣候期;粒徑小指示湖泊擴(kuò)張、湖水較深的濕潤(rùn)氣候期.在短時(shí)間尺度、高分辨率(年際、十年)研究中,湖泊水位相對(duì)穩(wěn)定,降雨量成為控制沉積物粒度的重要因素,沉積物粒徑主要反映湖區(qū)降雨量的變化:粒徑大指示降雨量較大的濕潤(rùn)年份;粒徑小指示降雨量相對(duì)較小的干旱年份.事實(shí)上,在降雨量較大的熱帶、亞熱帶地區(qū),無(wú)論是長(zhǎng)尺度還是短尺度研究,降水量變化都是影響沉積物粒度的重要因素,只是在長(zhǎng)時(shí)間尺度、低分辨率研究中,由于客觀上較低的沉積分辨率、較低的采樣分辨率和較大的定年誤差,一個(gè)樣品通常代表數(shù)百年至千年的沉積,沉積物所包含的降水信息被沖淡和掩蓋,作為一個(gè)整體,樣品的粒度所能反映的只是一段時(shí)期里湖泊的平均水位狀況.在短時(shí)間尺度、高分辨率研究中,沉積分辨率和采樣分辨率高,定年誤差小,一個(gè)樣品通常代表1a或幾年的沉積,樣品粒度可反映出降雨量變化.這就是導(dǎo)致沉積物粒度在不同時(shí)間尺度研究中具有不同環(huán)境指示意義的根本原因.Menking曾研究發(fā)現(xiàn),Owens湖OL-92柱芯160ka來(lái)的沉積物粒度與碳酸鹽含量變化可粗略地分為3個(gè)階段(圖3):15～55ka和120～155ka期間,碳酸鹽含量較低,沉積物粒度較小,反映深水淡化環(huán)境;55～120ka期間,碳酸鹽含量較高,沉積物粒度較大,反映淺水咸化環(huán)境.但對(duì)粒度快速變化層段(55～120ka)進(jìn)行放大研究則不難發(fā)現(xiàn),沉積物粒度在這一層段內(nèi)與碳酸鹽含量呈反向變化(圖3).沉積物粒度在不同時(shí)間尺度、不同分辨率研究中的不同環(huán)境指示意義可很好地解釋這一“矛盾”現(xiàn)象.2不同體積粒度對(duì)沉積物粒度的影響任何地質(zhì)地球化學(xué)過(guò)程都涉及到“時(shí)間尺度”的問(wèn)題.在長(zhǎng)時(shí)間尺度研究中,有些環(huán)境因素對(duì)湖泊沉積過(guò)程的影響被其他因素所掩蓋,但在短時(shí)間尺度、高分辨率研究中又得以顯現(xiàn)出來(lái)(如降雨量對(duì)沉積物粒度的影響);另一方面,有些環(huán)境因素在短尺度研究中保持穩(wěn)定,但在長(zhǎng)尺度研究