2016, Vol. 28 
(2: 内蒙古师范大学地理科学学院, 呼和浩特 010022)
(3: 内蒙古师范大学湿地环境与修复自治区工程实验室, 呼和浩特 010022)
(2: College of Geographical Science, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, P.R.China)
(3: Inner Mongolia Repair Engineering Laboratory of Wetland Eco-environment System, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, P.R.China)
湖泊沉积在重建陆地古气候环境演化序列, 进行区域和全球对比研究中扮演着十分重要的角色[1], 对其研究也已经成为过去全球变化的重要研究领域之一[2].内陆封闭湖泊沉积作为气候与环境变迁的忠实记录者, 记录了大量的环境变化信息, 因此湖泊演化研究备受关注[3-4].对此, 国内外众多学者已经进行了大量研究.研究表明, 末次冰期期间35-21 ka以及全新世8.5 ka时期腾格里沙漠古湖泊曾出现过高湖面, 在35-21 ka阶段湖泊面积高达20000~32000 km2, 形成巨大的“腾格里古湖泊”[5].极端干旱的巴丹吉林沙漠在MIS 3阶段末期曾发育大面积的淡水湖泊[6-7], 在全新世11 ka时期该地区湖泊再次发育, 出现次一级高湖面[8], 暗示存在大范围的湿润气候环境[9]. 19.1 ka和8.6-7.7 ka时期乌兰布和沙漠腹地出现过高湖面, 当时的乌兰布和存在与现在的沙漠截然不同的水域环境[10-11].在全新世早期位于季风边缘区的岱海[12-14]、黄旗海[15-17]以及呼伦湖[18]也曾出现过不同程度的高湖面现象.同样是季风边缘区的察干淖尔盐湖是否存在过高湖面, 何时出现高湖面是值得进一步研究的科学问题.本文将以湖泊沉积物为研究对象, 探讨察干淖尔盐湖29 ka以来的古气候古环境演化.以此可为中国北方季风边缘区湖泊沉积研究提供一个有益的补充, 这对区域环境演变也很有意义.
1 研究区概况察干淖尔盐湖(43°13′~43°16′N，112°50′~112°53′E)位于内蒙古自治区锡林郭勒盟苏尼特右旗, 也处于著名的二连盆地的乌兰察布坳陷中部(图 1a).根据1951-2010年苏尼特右旗气象站点的资料统计, 其多年平均气温约为4.5℃, 日极端最高气温为37.8℃, 日极端最低气温达到-32.4℃, 年平均降水量约175.8 mm, 年最大降水量为342.9 mm, 蒸发作用很强, 年蒸发量为2529.7~3046.6 mm.
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图 1 察干淖尔盐湖湖岸阶地分布 Fig.1 Lake terraces' distribution of the Qehan Salt Lake (a：内蒙古位置；b：察干淖尔湖泊位置) |
对察干淖尔盐湖进行一系列实地考察, 确认盐湖周围实际存在的湖岸阶地, 采用研究区1 :50000的地形图, 判读高程, 并结合Google Earth影像得到准确的阶地高程.再从各级湖岸阶地采集OSL样品, 样品采集选用直径3 cm、长度35 cm的不锈钢钢管为样品采集器, 确保避光采集、封存(图 2).选择这些典型的湖岸阶地剖面样品(图 1b), 通过OSL测年技术测出其年龄, 建立湖面波动历史的时间序列.
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图 2 湖岸阶地及贝壳体 Fig.2 Photos of lake terraces and the shell of the study area (a、b为1020 m湖岸阶地，c为973 m湖岸阶地，d为贝壳体的照片) |
本文采用OSL定年技术测定样品年龄, 样品制备和测试的整个过程依据祝嵩等[19]的方法, 在装置有微弱红光灯的暗室里按规范的操作程序进行.样品年龄测定在中国科学院青海盐湖研究所和中国科学院地质研究院光释光实验室完成, 结果表明, 湖岸阶地的年代序列从高到低逐渐变年轻, 高低湖岸阶地和上下采样点之间的年龄没有发生倒转现象(表 1).某种程度上表明湖滨沉积物OSL年代的可靠性.
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表 1 察干淖尔盐湖岸阶地沉积物OSL测年数据 Tab.1 OSL dating data of shoreline sediments in Qehan Salt Lake |
DEM以缩微的形式表现了地表形态起伏变化特征, 具有形象、直观、精确等特点, 是研究湖泊面积变化的重要方法, 其应用可遍及整个地学领域[18, 20].本文通过对察干淖尔盐湖周围进行一系列野外调查, 确认其存在的各级湖岸阶地, 在此基础上, 使用ArcGIS软件, 以研究区1 :50000的地形图为底图, 手动进行数字化, 得出察干淖尔盐湖盆地的DEM, 以便于更直观地显示察干淖尔盐湖演化的空间格局.通过与实地调查地形地貌情况对比可知, DEM较好地模拟了真实的地面信息.
3 湖岸阶地的分布察干淖尔盐湖所在地周围存在海拔高程为三级古湖岸阶地, 主要分布在盐湖的东北和西侧(图 1b).这些在不同地点发育的湖岸阶地和湖滨沉积物是察干淖尔古湖面演化的重要证据, 证明该湖29 ka以来的湖面波动, 经历很大的萎缩过程.
T1阶地：盐湖东西两侧间段分布着海拔高程为1020 m的湖岸阶地, 其中盐湖西侧的沙嘴是最具有代表性的阶地, 发育在S1采样点处(图 1).该沙嘴呈南北走向, 剖面点湖滨砂砾石沉积厚度达到6 m, 层理发育, 并且砂砾石层中存在大量的贝壳体.该层顶部的湖滨砂砾石的OSL年代为29.2±1.3 ka.这些都较好地证明了当时的湖面高度达到过此处.
T2阶地：湖东北约4 km处发育呈东南—西北方向, 表面平坦, 受破坏程度较小.海拔高程为978 m, 阶地表面分布着颗粒较小的砂砾石, 最宽的部位有30 m, 长度大约1 km.在该阶地挖掘了S3、S4两个剖面(图 1). S3剖面深度为80 cm, 由湖滨砂砾石组成, 在40 cm深处采集OSL样品, 其年代为18.4±0.8 ka. S4剖面深度为120 cm, 剖面上层80 cm为水平层理发育的湖滨砂砾石, 下层为粉细砂层, 从上层40 cm处采集样品, OSL年龄为18.3±0.8 ka.据此推测18 ka前后该湖发育高湖面.
T3阶地：该阶地是一个呈南北走向的沙嘴.沙嘴长约1 km, 海拔高程为973 m, 最宽处有35 m. S2剖面点发育在沙嘴顶部(图 1).该剖面上层以灰白色细砂为主, 其OSL年代为8.0±0.4 ka, 下层为浅黄色细砂, OSL年龄为8.2±0.5 ka.明显的层理发育也表明了察干淖尔盐湖在全新世中期也发育高湖面.
4 结果与讨论 4.1 时间序列OSL测年结果表明察干淖尔古湖于29.2、18.4以及8.2 ka时期发育高湖面.(1)位于盐湖西侧剖面点S1的顶部湖滨砂砾石的年代为29.2 ka, 应属MIS3晚期的高湖面, 研究区气候较现代湿润, 流域降水量大, 湖泊水位比现在的湖面高出约70 m, 面积达3600 km2.(2)从S3和S4处采集的样品年龄可知, 该阶地形成年代为18.4 ka, 属于冰消期高湖面.(3)从盐湖东北S2砂场处采取上、下2个样品, 其剖面顶部OSL年代为8.0 ka, 底部为8.2 ka, 这时古湖泊形成了更次一级的早全新世高湖面.
在MIS3晚期, 察干淖尔古湖水位较高, 这与毗邻地区的湖泊水位变化具有一致性.譬如黄旗海[16, 21]、腾格里沙漠[22]和巴丹吉林沙漠[23]在此时段内均发育高湖面.青藏高原亦是如此, 在47-20 ka时段, 青藏高原降水量普遍增加, 甜水海高湖面从45 ka延续至25 ka[24], 为淡水湖泊, 降水量较多；班公错在约29 ka时期也存在高湖面[24], 但是29 ka以后因为补水减少, 湖泊开始衰退；以及察尔汗湖在38-28 ka时段内湖泊范围巨大, 为水质较淡的大湖泊[24].施雅风等的综合研究也表明40-30 ka中国全境出现比现在暖湿得多的气候环境, 而且西部的增温与降水比东北部的更加强烈[25].甚至蒙古国的Boon Tsagann Nuur、Tsagann Nuur和Orog Nuur等湖泊在MIS3阶段水位普遍上涨[10].可以认为, 当察干淖尔古湖在29.2 ka前后发育高湖面时, 中国西北部甚至中亚干旱、半干旱区在此时均可能存在多个巨型淡水、深水古湖泊, 其原因或动力很可能是岁差周期变化造成的日射值增加, 从而加强西南和东南两个方向的夏季风和西方来的西风的吸引作用[25].
T2级阶地形成年龄为18.4 ka, 属于冰消期高湖面.末次冰期总体干冷的气候条件下, 察干淖尔古湖曾出现过高湖面, 气候比较湿润的现象.这与邻近地区相比较, 只有巴丹吉林沙漠约在20 ka时期气候比较湿润, 降水量多[23].但黄旗海[16, 21]以及腾格里沙漠[22]等很多地区均表现为寒冷、干旱的特征(图 3).察干淖尔盐湖在18.4 ka时期出现高湖面的可能原因是, 尽管冬季风占主导地位, 然而在短时期内夏季风也很强盛, 其强度甚至超过现代[23].一定时期内该区域降水量可能达到过很高程度.
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图 3 察干淖尔盐湖与邻近湖泊环境情况区域对比 Fig.3 Comparison of the environment between Qehan Salt Lake and the adjacent lakes |
全新世8.2-8.0 ka时段的高湖面与西北地区东南部广泛存在的高湖面证据[28]相吻合, 如季风边缘区的呼伦湖[27]、岱海[12-13, 32]、腾格里沙漠潴野泽[28]和青土湖[29-30]都经历湖面扩张的大湖期.巴丹吉林沙漠中的湖泊早全新世水体盐度变低, 水位普遍升高[31].凡此均指示早全新世时期西北地区湖泊开始扩张的特征.不少研究印证该时期西北大部分地区气候湿润[33].关于该时期气候湿润的原因, 一些学者认为全新世初期夏季太阳辐射达到鼎盛, 造成海陆温差加大, 亚洲季风增强, 冬夏季风相互作用的极锋位置显著北推[25].数值模拟结果表明, 在9.3 ka时期东亚季风盛行[33], 也在一定程度印证了这一观点.
4.2 空间分布格局湖面波动是气候变化的环境响应, 对气候变化的指示意义也比较直接[24].察干淖尔盐湖周围存在的三级湖岸阶地以及湖泊沉积物是察干淖尔古湖存在和演化的重要证据, 以此来反演察干淖尔古湖各时期的面积变化(图 4).
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图 4 不同时期察干淖尔盐湖面积及周围DEM图 Fig.4 Area of Qehan Salt Lake in different periods and DEM (a:现存盐湖；b: 8.2 ka时期的古湖泊；c: 18.0 ka时期的古湖泊；d: 29.0 ka时期的古湖泊) |
根据1020 m的湖岸阶地进行高程推测得到古湖范围(图 4d).该湖岸阶地连续性好, 在盐湖西侧和东侧均有良好的发育, 其沉积物的OSL年代为29.2 ka.此时的湖面包含研究区现存的盐湖、东北方向的呼和淖尔湖泊以及南边的查干淖尔、乌兰淖尔等湖泊群.面积约达到3600 km2左右, 是MIS3晚期形成的巨大的古湖泊.
29.2 ka时期的湖面, 由978 m湖岸阶地高程复原的湖泊面积为500 km2(图 4c).当时湖泊已经与南边的查干淖尔、乌兰淖尔等湖泊群解体, 只包含了现存的盐湖以及东北方向的呼和淖尔, 形成了次一级高湖面.相比29.2 ka时期的古湖泊面积已大大缩小.
8.2-8.0 ka时期的湖面, 追踪973 m的等高线得出其当时的湖泊面积为400 km2(图 4b).包含现存的盐湖以及东北方向的呼和淖尔湖泊, 形成了更次一级高湖面.同时期的巴丹吉林沙漠[30]和腾格里沙漠古湖[31]发育了大范围湖相沉积.在全新世8.6-7.0 ka时期盐海子、岱海和白碱湖以及河西走廊等地区均出现了高湖面, 指示了当时相对湿润的气候环境[32-33].因此, 在季风边缘区大范围的湿润环境背景下, 区域降水量增加可能是在8.2-8.0 ka阶段察干淖尔湖发育古湖泊和高湖面的重要原因.
5 结论1) 通过野外考察发现, 在察干淖尔盐湖周围存在三级古湖岸阶地, 不仅是高湖面存在和发育的重要证据, 也是气候变化的重要标志, 能够反映区域环境变化过程.
2) 三级湖岸阶地的湖滨沉积物的OSL年代分别为29.2±1.3、18.4±0.8和8.2 ka, 各时期的古湖泊面积分别为3600、500和400 km2, 呈现逐渐萎缩的过程. 29.2 ka时期察干淖尔古湖是与北部的呼和淖尔以及南部的查干淖尔、乌兰淖尔等湖泊群相连接的巨大的古湖泊.在18.4 ka左右, 湖泊面积已极度缩小, 这时察干淖尔湖泊与南部的乌兰淖尔、查干淖尔等湖泊群已经解体.到全新世8.2 ka时期, 湖泊进一步萎缩, 形成全新世更次一级高湖面, 之后逐渐演变为现在的湖泊格局.
3) 察干淖尔盐湖年代数据揭示的气候环境演化与周边区域环境变化记录基本一致, 较好地响应了区域环境气候变化.
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