孙倩, 贾玉连, 申洪源, 张静然, 余玲玲. (2010)内蒙古黄旗海全新世湖泊沉积物中Rb,Sr分布及其环境意义[J]. 古地理学报, 12(4): 444-450
Sun Qian, Jia Yulian, Shen Hongyuan, Zhang Jingran, Yu Lingling. (2010)Distribution and environmental implicationof Rb,Sr in the Holocene lacustrine sediments of Huangqihai Lake, Inner Mongolia[J]. Journal Of Palaeogeography, 12(4): 444-450.   
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内蒙古黄旗海全新世湖泊沉积物中Rb,Sr分布及其环境意义
孙倩1, 贾玉连1, 申洪源2, 张静然1, 余玲玲1
1 江西师范大学地理与环境学院,江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室,江西南昌 330022
2 临沂师范学院地理与旅游系,山东临沂 276005

第一作者简介：孙倩,女,1985年生,江西师范大学地理与环境学院自然地理学硕士研究生,研究方向为环境考古.E-mail:sunqian8567@163.com.

收稿日期:2009-09-01
基金:*江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室开放基金项目(编号:2009011)与江西省教育厅科技计划项目(编号:[2006]117)联合资助
摘要

内蒙古黄旗海 H3剖面中发育黄旗海全新世高湖面时形成的湖相粉砂质沉积.对全样, 77~20 μm粒级,小于 20, μm粒级沉积物的 Rb, Sr含量,以及小于 20, μm粒级样品中碳酸盐矿物种类及含量的测试结果表明,全新世早,中期形成的湖泊沉积物中,自生富锶文石是 Sr在沉积物中含量较高的主要原因.各粒级沉积物中 Rb, Sr含量与沉积物粒度组成的关系表明: Sr倾向富集于黏粒( <4, μm)中,可能与湖泊自生碳酸盐以泥晶为主有关,而 Rb倾向富集于 4~28, μm颗粒粒级中,可能与其硅酸盐矿物碎化过程的特点有关; Sr与 Rb存在粒度效应,且二者粒度效应明显不同. Rb/Sr与湖泊,流域的诸多过程及沉积物粒度效应有关,在不同湖泊演化阶段,其具体的环境含义不同,这是湖泊沉积与风化壳的不同之处.

关键词: 内蒙古; 黄旗海; 粒度效应; 文石; Rb/Sr
中图分类号:P595 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2010)04-0444-07
Distribution and environmental implicationof Rb,Sr in the Holocene lacustrine sediments of Huangqihai Lake, Inner Mongolia
Sun Qian1, Jia Yulian1, Shen Hongyuan2, Zhang Jingran1, Yu Lingling1
1 School of Geography and Environment, Jiangxi Normal University, Wetland and Watershed Research of Poyang Lake Key Laboratory of Ministry of Education, Nanchang 330022, Jiangxi
2 Environment and Tourism School,Linyi Normal University,Linyi 276005, Shandong

About the first author Sun Qian, born in 1985, is a master candidate in the School of Geography and Environment of Jiangxi Normal University, and is majored in physical geography. Her research direction is environmental archaeology. E-mail: sunqian8567@163.com.

Abstract

H3 section of Huangqihai Lake has a sedimentary stratigraphy made up of fine sand and silt, when the Huangqihai Lake underwent its highest lake level in the Holocene. Analyses of Rb,Sr elements in all particle size sample, the fraction of 20~77,μm and particle size lower than 20,μm and carbonate minerals contents including calcite, dolomite and aragonite with grain size lower than 20,μm fraction suggested that lacustrine autogenic Sr-enriched aragonite is the main factor for the abundance of Sr element in sediments. Rb/Sr ratio is a mixed information index involving weathering activity, intensity of erosion in basin and transportation from basin to lake and lake process of Sr-enriched aragonite produced, which indicates that Rb/Sr ratio has not unambiguous environmental implication. In spite of this, the variability of element content in 77~20,μm grain size fraction and grain size lower than 20,μm fraction of lacustrine sediments, namely the grain size effect, had a clear environmental implication. The grain size effect of Sr has a close relation with Sr-enriched aragonite, which with high content, recorded the active lacustrine chemical and biological process during 8.0-5.0 ka BP, the warmest and wettest period of the Holocene. With the correlation analysis of Sr content in all particle size sample, the fraction of 20~77,μm, particle size lower than 20,μm and the cumulated content of grain size, the paper points out that the grain size effect of Rb is caused by the fraction of 4~28,μm grain size which probably has a higher content than the other grain size in lacustrine sediments in the Huangqihai Lake.

Key words: Inner Mongolia; Huangqihai Lake; grain size effect; aragonite; Rb/Sr

温度, 降水及生物通过对抗风化程度不同的岩石与矿物的分解, 造成活动元素被淋溶, 惰性元素更多滞留在风化壳中, 从而产生元素的"分馏"(Glodstein, 1988; Nesbitt and Markovics, 1997; Hill et al., 2000).因此, 基于元素分馏或分离的程度而揭示化学风化程度, 定性地重建古气候环境, 成为全球变化研究中一项不可或缺的地学手段(郭正堂等, 1996; Chen et al., 1999).

在早期的研究中, 风化指标的提取, 主要着眼于风化壳, 后来逐渐应用于水下沉积体(Krishnaswami et al, 1992; 金章东等, 2001; Wei et al., 2003).许多研究已经证实, 从风化壳到水下沉积体, 元素的汇聚与淋溶, 理论上具有所谓的"跷跷板"效应(金章东等, 2001).然而, 元素从风化壳中被淋溶, 搬运至湖泊进而沉降封存于水下沉积体中的过程, 比仅仅涉及风化淋溶的过程要复杂的多.其中, 湖泊的物理, 化学与生物作用, 是独立于流域化学风化之外的一个过程, 这个过程在某些方面, 也深刻影响了元素的地球化学行为.因此, 对风化壳与水下沉积这两类沉积载体, 不能采用简单的完全相反的模式来解释, 尤其是对于高分辨率记录, 需要谨慎对待.该研究基于内蒙古自治区黄旗海H3剖面, 通过测试Rb, Sr元素在不同颗粒粒级的含量, 以及与Sr赋存关系密切的碳酸盐矿物, 定性探讨了Rb, Sr及Rb/Sr的环境指示意义.

1 材料与测试方法
1.1 样品采集

样品采自内蒙古自治区黄旗海南部湖积平原上河流下蚀形成的一天然剖面(图 1), 剖面总厚3.2, m, 上部30, cm为现代耕作土层, 其下为160, cm厚的黄(棕)色粉沙, 之下是灰色--青灰色粉沙, 厚130, cm, 其底部为中粗沙.对中粗沙之上的162, cm厚的沉积物进行了2, cm间隔的连续采样.年代测试结果表明这是约8.0--2.0 ka BP(申洪源等, 2006a)期间, 全新世高--较高湖面(李华章等, 1992)时形成的湖相沉积.沉积速率在8.0--5.5 ka BP 较低, 其后明显偏高.流域基岩主要为太古界变质火成岩与古近系, 新近系玄武岩, 无碳酸盐岩出露.

图1 黄旗海地理位置Fig.1 Location of Huangqihai Lake

1.2 样品测试

分别取风干样品5 g与20 g左右, 将前者研磨, 用200目土壤分析筛筛选出细粒级, 备测; 用亚沸水将后者充分浸泡, 置于超声波振荡仪中清洗5 min, 使其充分分散, 用200目土壤分析筛将样品分离成大于77, μ m和小于77, μ m两个粒级.对小于77, μ m的粒级用沉降法(亚沸水)分成77~20, μ m, 小于20, μ m粒级样品, 分离后样品在相同环境下低温蒸干.利用VP-320型X荧光光谱仪测试77~20, μ m, 小于20, μ m粒级样品及全样的Rb, Sr含量, 并对小于20, μ m粒级样品进行X衍射实验, 以测试其碳酸盐矿物组成与含量, 方法见武兵等(1992)和刘兴起等(2003).另外还对样品进行了粒度分析(申洪源等, 2006b), 所用仪器为Mastersize 2000激光粒度分析仪, 测试粒级为0.02~2000 μ m.样品测试均在南京大学分析测试中心完成.

2 测试结果

测试结果表明, Rb, Sr在不同粒级沉积物中的含量具有显著差异, 但两者还是表现出了基本相似的粒级赋存:在小于20, μ m粒级中含量最高, 在77~20, μ m粒级与全样中含量较低, 表明它们趋向富集于细颗粒中.垂向上, 两者在某种程度上是反向消长的, 具体而言存在如下特点(图 2):

1)3.12~2.65, m:Rb在各粒级沉积物中的含量相对较低, 且其差异较小; Sr在各粒级沉积物中的含量相对较高, 且在不同粒级沉积物中的含量差异较大.

2)2.65~2.40, m:Rb, Sr在各粒级沉积物中的含量有所降低.

3)2.40, m以上:Sr在全样与各粒级沉积物中含量的差异减小, 而Rb在全样与各粒级沉积物的含量则渐趋分化, 差异变大.

碳酸盐矿物含量的变化趋势是由文石的含量决定的, 碳酸盐总量与文石相关性显著(r=0.96, α =0.05, k=12), 而与方解石, 白云石相关性较弱.存在文石的样品, 文石占碳酸盐总量的50%以上, 甚至达80%.文石与细颗粒粒级中的Sr含量存在显著相关(r=0.94, α =0.05, k=12).

Rb/Sr在各粒级中变化较为相似(图 3), 只不过变化幅度存在差异.细粒级中Rb/Sr变幅较大, 粗粒级中较小.在细, 粗粒级与全样中, Rb/Sr与 Sr, Rb存在着显著相关性, r分别为0.99, 0.96(细粒级), 0.96, 0.64(粗粒级), 0.98, 0.71(全样)(α =0.05, n=80), 其中, 全样与粗粒级中, Rb/Sr与Rb的相关性要差一些.表明在全样与粗粒级中决定Rb/Sr变化的主要是Sr, 而在细粒级中是Rb与Sr的共同作用.

图2 黄旗海H3剖面Rb, Sr在不同粒级沉积物中的含量与碳酸盐矿物含量Fig.2 Carbonate minerals(calcite, dolomite and aragonite)content and Rb, Sr content in different grain size sediments of section H3, Huangqihai Lake

3 讨论

图3 黄旗海H3剖面Rb, Sr的粒度效应, 粗, 细粒级Rb/Sr比值与碳酸盐矿物含量Fig.3 Grain size effect of Rb and Sr, Rb/Sr ratio with coarse and fine grain size fraction respectively, and carbonate minerals content in section H3 of Huangqihai Lake

在剖面中下部, Rb在不同粒级中的含量, 几乎没有差异, 粒度效应不明显; 在剖面上部, Rb在细颗粒中的含量明显比粗颗粒中增加, 粒度效应显著.

通过沉积物粒度组成, 元素在小于20, μ m与77~20, μ m粒级中的含量, 计算出元素在小于77, μ m粒级中的含量.分析元素在小于20 μ m, 小于77, μ m粒级, 全样中的含量与沉积物粒度累积含量之间的相关关系(图 4), 可知Rb与4~28, μ m粒级关系最为密切(r> 0.4~0.5, α =0.01, k=79), 而与小于4, μ m的黏土级颗粒关系次之, 与大于28, μ m粒级关系最差(图 4), 也就是说碎屑颗粒大小决定Rb的含量, 或者说Rb具有其富存的特殊粒级:4~28 μ m.这或许是其粒度效应存在的主要原因.

图4 黄旗海H3剖面中Rb在各粒级沉积物中的含量与各粒级粒度累积含量的相关关系A--全样; B--样品中粒径小于77, μ m部分; C--样品中粒径小于20, μ m部分Fig.4 Correlative relation of Rb content and cumulative content of different grain size sediments in section H3 of Huangqihai Lake

与Rb不同的是, Sr的粒度效应在剖面的中, 下部显著, 在上部逐渐减小.

由于流域没有碳酸盐岩出露, Sr在湖泊中的沉积基本可排除外源碳酸盐输入, 因此, 主要为硅酸盐碎屑与湖泊内生来源, 后者形成方式与如下的化学反应有关:

X(HCO3)2=XCO3↓ +H2O+CO2

普遍认为浮游生物光合作用引起的二氧化碳同化作用是湖泊内生碳酸盐沉淀的重要因素(Lerman, 1978; Camoin et al., 1999), 气温高, 浮游生物光合作用增强, CO2被大量吸收, 致使反应平衡向右移动, 导致碳酸盐沉淀.同时, 气温高时, 湖水蒸发强烈也有利于碳酸盐结晶析出.这种内生碳酸盐, 主要有两种颗粒存在方式:附着晶(包括隐晶)和独立的自形晶.水土界面上, 细颗粒物质与湖水具有较多的接触时间与接触机会, 因此其表面附着的无定形自生碳酸盐的量要高, 而自形晶往往为泥晶(王云飞, 1993), 为细颗粒.这两个因素决定了细颗粒沉积物中自生碳酸盐含量一般要高于粗颗粒.在全新世高温期(Li et al., 1997), 湖泊内生碳酸盐发育, 致使在H3剖面中, 下部(深湖--半深湖相沉积), Sr的粒度效应显著, 在剖面上部(沼泽--河湖交互相), 由于碎屑沉积速率的增加与气候恶化(申洪源等, 2006a), 湖泊自生碳酸盐产率降低, 粗, 细颗粒物中自生碳酸盐含量均减少, Sr的粒度效应不明显.

从表面上看, Sr在细颗粒中的富集与自生碳酸盐的发育有关(图 3), 而碳酸盐总量是由文石决定的.因此, 有理由认为文石是Sr在剖面中, 下部细颗粒中富集的主要原因.有证据表明, 文石比方解石, 白云石更富集Sr, 这尤其在海相碳酸盐岩地层中多见(梁有彬, 1990; 牟保磊等, 1999; 刘琰等, 2003).最近的一些研究表明, 文石是湖泊湿热环境条件下的产物(刘兴起等, 2003),

图5 黄旗海H3剖面中Sr在各粒级沉积物中的含量与各粒级沉积物累积含量的相关关系
样品粒级:A, D--全样; B, E--样品中粒径小于77, μ m部分; C, F--样品中粒径小于20, μ m部分; 样品深度:A, B, C--剖面上部150~218 cm; D, E, F--剖面下部218~316 cmFig.5 Correlation of Sr content in different grain size sediments and cumulative content of different grain size sediments in section H3 of Huangqihai Lake

且与生物过程密切相关(Andres et al., 2006).这样, 就不难理解, 早, 中全新世高温期, 黄旗海湖泊碳酸盐以文石为主, 造成Sr的富集; 在气候环境逐渐向冷干过渡时, 碳酸盐以方解石, 白云石发育为主, Sr含量降低.同时随着湖泊碎屑沉积速率的增加, 内生碳酸盐中Sr被稀释.这时, 不论是在细颗粒还是在粗颗粒中, Sr含量都显著降低, 二者没有明显差异, Sr的粒度效应降低.根据Sr在各粒级中的含量与沉积物粒度累积含量之间的相关关系(图 5)(计算过程同Rb)可知, Sr具有在小于4, μ m的黏土级颗粒中富集的趋势, 这具体体现了自生碳酸盐矿物的粒度特点(图 5).因此, 以自生来源为主的碳酸盐中Sr粒度效应与以硅酸盐碎屑颗粒态为主的Rb粒度效应存在显著差异.

因此, Rb/Sr随着Rb, Sr的变化而变化, 但环境含义应具体分析.在环境湿热时, 由于文石的形成而使Sr富集, Rb/Sr减小; 在环境冷干时, 包括文石在内的碳酸盐的产率降低, 同时碎屑沉积增加, Sr被"稀释", 含量降低, Rb/Sr增加.而Rb又相对富集在4~28, μ m粒级颗粒中, Sr相对富集于更细的黏粒级(< 4, μ m)颗粒中.可见在不同环境下, Rb/Sr有不同的环境指示意义, 不能将其笼统地与化学风化直接联系起来, 这是湖泊沉积与风化壳的不同之处.

巧合的是, 干旱半干旱区的大多数湖泊, 在处于湿热环境时, 流域植被盖度高, 侵蚀量低, 湖泊扩张且环境稳定, 湖心外源碎屑沉积速率较低, 而内生碳酸盐沉积发育, 故富集Sr, 对应流域较强烈的化学风化期; 而在冷期, 内生碳酸盐产率可能有所降低, 同时湖泊萎缩, 流域侵蚀强烈, 湖泊碎屑沉积发育, 内生碳酸盐沉积被"稀释", Sr含量降低, 这时流域化学风化降低.Rb/Sr表现出与化学风化相对应的"线形"变化, 但也仅仅是"形似", 其机理要比化学风化复杂的多.

4 结论

1)由于不同粒级的沉积物往往具有不同的矿物组合与元素组分, 而硅酸盐碎屑矿物态元素, 并不具有直接的气候指示意义, 因此, 传统的全岩化学元素分析方法往往掩盖了湖泊沉积过程中的元素地球化学行为, 而分粒级元素测试, 利用元素粒度效应, 能够定性界定环境信息的特点.

2)Rb倾向富集于较细粒级(4~28, μ m)碎屑颗粒中, Sr相对富集于更细的颗粒粒级(< 4, μ m)中, 这与湖泊自生碳酸盐(富Sr文石)以泥晶为主有关.

3)Rb/Sr在不同的气候环境下, 有不同的环境指示意义, 不能将其笼统地与化学风化直接联系起来, 这是湖泊沉积与风化壳的不同.

碎屑沉积,无论是风化壳,还是水下载体,都具有一定的粒度组成;粒度组成不同,其元素组成及其比例也会存在差异.就湖泊沉积而言,不同粒级组成的沉积物,由元素组成所揭示的流域与湖泊环境信息指向,理论上也有所不同.如粗颗粒,可能反映的是较强的湖泊水动力环境与(或)较强的流域水文侵蚀与搬运能力,元素赋存在碎屑颗粒中.细颗粒物质,表面倾向于有过剩的表面能,在湖泊过程中,这种作用往往加速颗粒物的聚沉(包括对更细的黏土级,胶体颗粒)和对溶质形态的吸附作用(王晓蓉,1993).并且,细颗粒沉积物比表面积大,且颗粒本身沉降速度较慢,其表面与水体接触时间长,湖泊过程中形成的化学沉淀便较为发育(Singh and Benerjee,2001).因此,细颗粒蕴涵丰富的环境信息(Singh and Benerjee,2001;申洪源等,2006a,2006b),并且这种信息与湖泊水环境中的化学与生物过程密切相关.因而,只有相同粒度组成的沉积物,才能获得等量或等向的环境信息.因此,利用元素进行古气候环境的重建,有必要识别或剔除粒度效应,而对样品进行分粒级测试,是消除粒度效应而获得等量或等向环境信息的方便而快捷的手段,正被许多学者所采用(Ackerman,1983;Singh and Benerjee,2001;刘俐等, 2006;申洪源等,2006a,2006b).

对H3剖面的分析表明,元素在全样与粗,细颗粒粒级中的含量与线形变化差异较大,证明粒度效应是存在的.元素的粒度效应(或称颗粒效应),可用细,粗颗粒中元素含量(分别用 Xf与 Xc示之, X表示元素)的比值( Xf/ Xc)简单表示.

The authors have declared that no competing interests exist.

作者声明没有竞争性利益冲突.

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