在干旱区有地表径流补给的外源湖泊^[1-2]，由于地表径流对流域常年侵蚀带来大量的易溶盐离子积累在湖泊中^[3-4]，伴随着强烈的蒸发作用，湖水矿化度逐渐升高，湖泊演化类型从碳酸盐型向硫酸盐型和卤水型湖泊演化^[5].与此同时，湖泊自生作用产生的盐类也从各类碳酸盐、硫酸盐向氯化物转变^[6-7]，即湖泊湖水矿化度变化和沉积盐类顺序与盐类矿物组合存在着很好的关系^[8-11].并且，通过盐类沉积，可以很好地进行古环境的重建工作.例如，李卓仑等^[12]通过花海湖沉积物中白云石含量的变化重建该湖全新世时期湖水盐度的变化.Wang等^[13-15]根据花海湖芒硝沉积定量重建了该区域末次盛冰期(LGM)和新仙女木时期(YD)的年平均气温.Nuttin等^[16]通过阿根廷Laguna Potrok Aike湖沉积矿物中方解石含量变化重建了LGM以来的湖泊演化过程.McLaren等^[17]通过Bungunnia古湖自生碳酸盐含量变化，重建了晚更新世以来的湖泊演化情况.Hassan等^[18]也根据埃及Qarun湖沉积物中方解石和文石含量的变化，重建了该区域6000—7000 aBP时期气候变化过程.这些研究为我们根据湖泊盐类矿物重建过去环境变化研究提供了很好的借鉴和参考.

然而，在没有地表径流补给的干旱区湖泊中，湖水主要由地下水进行补给，可以称之为地下水补给型湖泊.由于地下水补给型湖泊的湖水矿化度和沉积盐类之间的关系尚不明确，故而限制利用该类型湖泊的沉积盐类进行湖泊演化、气候变化和古环境重建的工作，也限制对该型湖泊演化过程的认识.尤其是地下水补给型湖泊盐类矿物是否仍有一定的环境指示意义，能否用于古环境重建工作，目前尚缺少系统的研究工作.因此探讨地下水补给型湖泊表层沉积盐类矿物与湖水矿化度的关系，可以明确该类型湖泊表层沉积盐类矿物组成的环境指示意义，明晰与径流补给型湖泊盐类矿物组成的环境指示意义是否相同，同时可以为该类型湖泊沉积的现代过程研究提供新的证据.

巴丹吉林沙漠地处我国西北干旱区，根据野外实地考察发现，目前常年积水湖泊共110多个^[19]，其中绝大多数湖泊是矿化度很高的盐湖^[20]，无地表径流的补给，是研究地下水补给型湖泊的良好场所.根据郑绵平^[9]对中国盐湖带的划分，该地区属我国西北盐湖区，也是调查工作程度较低的盐湖地区之一.前人虽然对该区域的湖泊水化学类型开展了大量研究^[20-24]，但缺乏对湖泊沉积矿物现代过程的研究.基于上述，本文以巴丹吉林沙漠部分湖泊表层沉积物为研究对象，通过分析湖泊表层沉积盐类矿物与湖水矿化度的关系，探讨其是否具有一定的环境指示意义.

1 区域概况

巴丹吉林沙漠位于雅布赖盐湖与雅布赖山之西北，宗乃山、省道S218公路之西，黑河正义峡出山口、弱水东岸至古日乃湖之东，合黎山、北大山、黑山头之北，拐子湖、古居延泽之南，面积为5.2×10⁴m²，系我国仅次于塔克拉玛干沙漠的第二大沙漠^[22].区内地势总体呈南高北低、东高西低的趋势，海拔为1000~1700m.全年主要受W-NW大陆风系控制，多年平均降水量由东南向西北逐渐减少，东南部约为150mm，西北部不足40 mm，气候极度干旱^[25].沙漠东南部分布着高大复合型沙山，相对高度一般达200~300m；沙山之间的洼地分布着许多大小不等的永久性湖泊，绝大多数属矿化度很高的盐碱湖，还有一定数量的淡水湖^[20-21].湖泊的水源除少量受大气降水的补给外，主要来源于地下水和湖边泉水的补给^[26-27].

2 研究方法

2013年4月，采集33个湖泊的表层沉积物和相应的湖水样品，并在沿途按照沿盛行风向采集10个平沙地的风积砂样品(图 1).表层沉积物采自距离湖边2m左右，湖底表层1cm范围内，样品采集前，将聚乙烯样品盒用采样地湖水原液冲洗2~3次，采集出水面后迅速装入样品盒密封.湖水样品的采样过程，依据《水域生态系统观测规范》^[28].样品采集前，样品瓶亦用湖水原液冲洗2~3次.在沉积物采样点处的水面下采集湖水样品，然后现场用酸式滴定法测定CO₃^2-和HCO₃^-的质量浓度，最后密封保存水样.

样品测试工作在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成.湖泊表层沉积物和风积砂样品的矿物用荷兰帕纳科公司的X-pert Pro型粉晶X射线衍射仪测定.矿物种类及相对百分含量通过该仪器自带的X'Pert High Score Plus软件分析后得出，样品中不同矿物的重量百分数公式为：

$ {X_i}{\rm{ = }}{\left( {\frac{{{K_{i, n}}}}{{{I_{i, n}}}}\sum\limits_{j = 1}^m {\frac{{{I_{j, n}}}}{{{K_{j, n}}}}} } \right)^{ - 1}} $

(1)

式中，X_i为样品中i矿物的重量百分数；K_i，n和K_j，n分别为矿物i和j在衍射线n上的参照强度比值；I_i，n和I_j，n分别为矿物i和j在衍射线n上的积分强度；m为样品中所有矿物的个数，误差为±5 %^[13].

根据电导水参仪测得的可溶性固体总量(TDS)大小将各水样按比例用超纯水稀释成不同倍数并经0.45 μm的滤膜过滤后，通过美国戴安公司生产的ICS-2500型离子色谱仪测定处理后水样的八大离子的质量浓度^[29]，最后计算求得湖水的矿化度.通过阴阳离子平衡检查计算得出实验水样中总阴阳离子的相对误差均小于±10 %，表明水化学分析结果可靠.

3 结果与分析 3.1 湖水矿化度

采集的湖水矿化度范围为0.86~412.52g/L，平均值为134.09g/L(表 1).根据矿化度的大小^[30]将湖泊分为以下类型：淡水湖(矿化度＜1g/L)、微咸水湖(矿化度在1~24.7g/L之间)、咸水湖(矿化度在24.7~ 35 g/L之间)和盐湖(矿化度＞35g/L).由此统计本研究33个湖泊中，淡水湖有1个，微咸水湖有4个，盐湖有28个，无咸水湖.

3.2 不同矿化度湖泊表层沉积物矿物组成与含量

湖泊表层沉积矿物组成主要是碎屑矿物、盐类矿物以及其他矿物(表 1).其中，碎屑矿物主要为石英、长石、云母和辉石，占总矿物含量的80 %左右.盐类矿物主要由碳酸盐和氯化物矿物组成，含量在0~9 %之间，其中碳酸盐矿物主要是方解石、白云石和文石，卤化物矿物为石盐，未检出硫酸盐类矿物.

分析不同矿化度湖泊的盐类矿物发现(图 2)，淡水湖的表层沉积物析出极少量的盐类矿物；4个微咸水湖中，只有1个微咸水湖(萨音乌苏)含有较多的碳酸盐(9 %)，但不含氯化物矿物；在28个盐湖中，除呼和吉林外，均检出盐类矿物的存在，并且有24个湖泊检出卤化物，并且盐类矿物的组成相对淡水湖和微咸水湖更为复杂，存在方解石、白云石、文石和石盐的不同组合，但盐类矿物总含量相对碎屑矿物很低.

3.3 巴丹吉林沙漠风积砂矿物组成

X衍射的结果表明，10个平沙地的风积砂主要矿物组成为碎屑矿物(表 2)，占总矿物含量的90 %左右，包括：石英、长石、云母、辉石.方解石在研究区内分布范围极小、仅在1个样品中检出，并且含量仅为1 %左右，不含其他盐类矿物.绿泥石、角闪石和榍石等矿物总共不足10 %.

4 讨论 4.1 巴丹吉林沙漠湖泊表层沉积物矿物组成来源分析

在地球表生作用过程中，矿物组合特征受流域基岩类型、构造、气候、湖泊内生物种类以及人类活动等因素的综合制约^[31]，其中湖泊中的碎屑矿物主要是外源矿物^[32]，而盐类矿物中碳酸盐矿物的成因则相对复杂，既有自生成因亦有外源成因.宁凯等^[33]研究表明，巴丹吉林沙漠地表风积砂平均中值粒径为0.45mm，均值粒径为0.53mm，是中国北方粒度最粗的沙漠之一.机械组成上，粗砂含量最高.此外，巴丹吉林沙漠湖泊没有地表径流的作用，凡此均可表明，常规的流水作用无法携带上述沉积物进入湖泊中.因此其外源矿物主要是通过风力作用携带进入湖中.结合巴丹吉林沙漠地表风积砂矿物组成(表 2)可知，表层沉积物矿物组成与沙漠地表风积砂的矿物组成较为相似，碎屑矿物含量均在80 %左右，并且除1个样品含有1 %的方解石外，其余均不含方解石等盐类矿物.因此，湖泊表层沉积物中的碳酸盐类矿物不是外源矿物，即湖泊表层沉积物中盐类矿物主要是自生作用形成的.

4.2 盐类矿物组成与湖水矿化度的关系

在干旱封闭环境下，由于蒸发强烈，湖水矿化度不断升高，湖泊经历从淡水、碳酸盐型、硫酸盐型，进而演变成卤水盐湖的演化过程^[34]，导致自生盐类沉积也出现了相应的碳酸盐、硫酸盐和岩盐的沉积次序.在本研究中淡水湖的表层沉积物矿物组成与大多数径流补给的淡水湖相似^{[31, 35-36]}，以碎屑矿物石英、长石等为主，只有痕量的方解石出现.在微咸水湖中，除矿化度最高的萨音乌苏湖含有较高的碳酸盐矿物外，均不含有盐类矿物.

在盐湖中，呼和吉林湖水矿化度(101.39g/L)较其他盐湖低，表层沉积中并未检出盐类矿物，为盐类沉积不发育的盐湖^[37]，其他盐湖均检出了盐类矿物的存在.随着湖水矿化度(平均值为139.04g/L)升高，3个盐湖表层沉积中检出方解石、白云石和文石等碳酸盐矿物^[38]，即苏木吉林、呼都格吉林和哈布特诺尔.当湖水矿化度(平均值为136.97g/L)进一步变化，表层沉积检出了氯化物矿物石盐，这8个盐湖中，除东诺尔图湖水矿化度很低(88.07g/L)外，其他盐湖的湖水矿化度均很高，平均为181.29g/L，远高于其他类型盐湖平均矿化度值，湖泊表层盐类沉积强烈，沉积矿物由碳酸盐矿物和石盐矿物组成，如方解石-石盐、方解石-白云石或者文石-石盐等^[38].即盐湖湖泊表层沉积盐类矿物组成随湖水矿化度升高而显著变化，二者存在着良好的关系.但值得注意的是，虽然该研究区湖泊位于以硫酸盐为主型的内蒙古盐湖区，但此次在湖泊边缘位置的样品中未检出硫酸盐类矿物，并且盐类矿物含量均相对较低.其主要原因可能是与采样位置远离湖心有关，这种沉积环境不利于硫酸盐析出，特别是稳定硫酸盐矿物沉积以碎屑沉积为主，这一点与径流补给型湖泊的盐类沉积较为相似.在径流补给型湖泊中，湖泊演化早期或者径流作用较强时，湖泊表层往往沉积碎屑矿物^[39]，但随着环境干旱、湖泊面积收缩，湖心附近开始沉积盐类矿物，矿物类型从碳酸盐向硫酸盐、卤化物过渡，但湖泊边缘表层盐类矿物含量仍然很低甚至为0^[40].

在有地表径流补给的盐湖中，新疆地区盐湖盐类化学沉积有碳酸盐、硫酸盐、硼酸盐、氯化物和硝酸盐五大类型^[39]，西藏盐湖也沉积碳酸盐、硫酸盐和氯化物，还有锂硼酸盐^[38].本区巴丹吉林沙漠地下水补给型湖泊数量众多且多为咸水湖和盐湖^[20].虽然已检出湖泊边缘表层沉积物中的盐类矿物只有碳酸盐和卤化物两大类、4种矿物，盐类矿物组成及类型较新疆和西藏地区的盐湖表现单一.但由于采样位置位于湖泊边缘，与湖心相比，并不利于盐类矿物的析出^[41]，其湖心位置的盐类矿物组成可能会有更为多样的组合情况.然而本研究中仍然有明显的盐类矿物析出，并且随着盐湖平均矿化度升高，湖泊表层沉积物的矿物组成在统计上响应了湖水的矿化度，能够较好地反映湖水矿化度的变化.这一结果表明，在巴丹吉林沙漠地下水补给型湖泊表层沉积物中，随着湖水矿化度的升高，其沉积物中盐类矿物的析出规律与有地表径流补给湖泊相同.虽然本研究中只有1个淡水湖泊，其痕量方解石矿物的析出是否具有一定的代表性，尚待进一步的研究.但可以明确的是，在该区域，湖泊表层沉积物的盐类矿物组成具有明显的环境指示意义，能够较好地反映湖水矿化度的变化，与径流补给型湖泊盐类矿物组成的环境指示意义^{[6, 31-32, 39]}有较好的一致性.因此，在理论上，巴丹吉林沙漠的盐湖可以成为用于恢复古气候、古环境的重要研究对象，尤其是其沉积的盐类矿物，可以从中提取相应的古环境信息.

5 结论

巴丹吉林沙漠33个不同矿化度地下水补给型湖泊的边缘表层沉积物矿物组成主要为外源碎屑矿物、盐类矿物和其他矿物.其中外源碎屑矿物主要为石英、长石、云母和辉石，含量在80 %左右，主要来源于风成沉积.由于采样位置位于湖泊边缘，远离湖心，盐类矿物仅为少量的碳酸盐和卤化物，并且均为自生盐类矿物，与有地表径流的盐湖在成盐规律上是相同的.

该区不同矿化度湖泊表层沉积物的矿物组成有一定的差异.虽然地下水补给型湖泊边缘表层沉积物的盐类矿物类型少且含量低，但随着湖水矿化度的升高，盐类矿物在组成和含量上响应了湖水矿化度的变化，显示了其具有很好的环境指示意义，并且与径流补给型湖泊盐类矿物组成的环境指示意义有较好的一致性.因此，理论上可以从巴丹吉林沙漠地下水补给型湖泊沉积的盐类矿物中提取相应的古环境信息，用于恢复古气候和古环境的研究.

致谢: 兰州大学资源环境学院魏芳莉、孙佳琦同学参与部分X衍射实验工作，董龙龙同学在图件清绘上给予帮助，在此一并致谢.