1、第 2 8卷第 4期地理科學 Vol. 28 No. 42 0 0 8年 0 8月SC IENTIA GEOGRAPH ICA SIN ICAAug. , 2 0 0 8安徽巢湖全新世湖泊沉積物磁化率與粒度組合的變化特征及其環境意義王心源1, 2, 3 ,吳立1, 3 ,張廣勝4 ,王官勇1, 3 ,韓偉光1, 3( 1. 安徽師范大學地理系 , 安徽蕪湖 241000; 2. 安徽遙感考古工作站 , 安徽蕪湖 241000 ; 3. 安徽師范 大學科技考古中心 , 安徽蕪湖 241000; 4. 南京大學地理與海洋科學系 , 江蘇南京 231009)摘要:通過對獲取的巢湖湖泊沉積巖芯的磁化率

2、與粒度組合特征的分析 ,結合孢粉及相鄰其它區域的環境考古 資料 ,得出該巖芯柱樣所反映的環境變化信息。結果表明: ( 1) 巢湖湖泊沉積物磁化率曲線在 117 cm 以下總體上比較平穩而略有下降 , 117 cm 以上人類活動所導致的侵蝕作用加劇使得磁化率值異常升高; ( 2 ) 本巖芯柱樣117 cm 以下樣品的磁化率強度與粘土的百分比含量呈正相關 ,而與粉砂組分的百分比含量成負相關 ; ( 3 ) 根據磁化率與粒度組合變化特征 ,結合孢粉分析及全新世以來區域氣候變化背景 , 9 870 Cal a B. P. 以來的巢湖流域古氣候環境演變可以劃分 6個不同的時期: 9 8707 000 C

3、al a B. P. ,氣候呈溫和略干的特點; 7 0004 750 Cal aB. P. ,氣候溫暖濕潤; 4 7502 170 Cal a B. P. ,流域氣候溫和干燥 ,巢湖湖盆局部地區可能出露水面以上; 2 1701 040 Cal a B. P. ,氣候總體上溫和濕潤 ,但是冷暖波動明顯; 1 040 2 00 Cal a B. P. 流域處在溫涼稍濕的時期 ,人類活動逐漸加強 ; 200 Cal a B. P. 至今 ,流域總體上處于相對溫暖濕潤階段。關鍵詞:湖泊沉積 ;磁化率;粒度;環境演化 ;全新世;巢湖中圖分類號: X141文獻標識碼: A 文章編號: 1000 - 069

4、0 ( 2008) 04 - 0548 - 06磁化率是表征沉積物磁性特征的參數之一 ,可以從磁化率曲線特征來分析相應的環境變化信 息 1, 2 。沉積物粒度是衡量沉積盆地能量和沉積 介質能量的一種代用指標 3, 4 ,其與沉積環境關系密切。湖泊沉積物粒度分析在沉積環境和區域氣 候變化分析中發揮著重要作用 5, 6 。在黃土 - 古土壤序列中 ,把沉積物的磁化率和粒度參數作為氣候變化良好的替代性指標 , 可以與深海氧同位素 (18 O )曲線進行對比 7, 8 。在湖泊中 ,由于磁化率和粒度參數都可以反映水動力條件的變化 ,而水動力則直接與沉積環境相關 ,這就為利用沉積物磁化率和粒度參數來研究

5、陸相湖泊當時的沉積環境提 供了可能 9, 10 。近年來許多學者從湖泊污染、湖 泊形成、水土流失等方面對巢湖進行研究 1113 。本文從連續、完整且具較高分辨率的湖泊沉積物中提取磁化率與粒度組合所反映的環境信息 ,結合其它資料 ,研究巢湖全新世以來的環境演變特征。收稿日期: 2007 - 10 - 15; 修訂日期: 2008 - 02 - 161巢湖流域自然地理背景巢湖是中國五大淡水湖泊之一 ,處于長江下游沿江平原北部 ,屬亞熱帶季風氣候 ,整個流域年平均氣溫在 1516,年降水量 1 000 mm 等值線過本區。氣候溫和 ,雨量適中 ,四季分明 ,無霜期長。巢湖地區位于塔里木 中朝板塊和華

6、南揚子板塊的交匯地帶。由于受到新生代喜馬拉雅運動的影響 , 第四紀以來 , 大別山在上升剝蝕時 期 14 ,而山前和巢湖西湖區都在大別山前相對沉降的地帶。大別山屬于高壓超高壓變質巖廣泛出露地區 ,巖石中鐵磁性物質含量普遍較高 ,具有貧鋁、低鈦、貧堿 ,MgO、Fe2 O3 + FeO (磁鐵礦 )含量高的 特點 15 。現有入湖河流主要分布在湖區西部和西南部。在注入巢湖的河流中 ,水量最大的河流為杭埠 - 豐樂河 ,它是流入巢湖長度最長、流域面積最大 的水系之一 ,占到巢湖流域徑流總量的 55. 5% 16 。基金項目:國家自然科學基金項目 (批準號: 40571162 ) 、國家重點基礎發展

7、研究計劃 (國家 973 項目 ,課題編號: 2003CB415201 )和安徽 省自然科學基金項目 (批準號: 050450401 )資助。作者簡介:王心源 ( 1964 - ) ,男 ,安徽六安人 ,博士 ,教授 ,主要從事自然地理學等方面的教學與研究。E2mail: xinyuanw57 vip. sina. com 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 4期 王心源等:安徽巢湖全新世湖泊沉積物磁化率與粒度組合的變化特征及其環境意義 549杭埠 - 豐樂河小流域

8、是巢湖流域的強度水土流失 區 ,是巢湖泥沙淤積的主要來源 ,其入湖泥沙貢獻 率達 50%以上 17 。西部大別山區是巢湖泥沙的 主要來源 ,也是巢湖湖泊沉積物磁性物質來源的基 礎 ,這得到巢湖西部土壤環境磁學研究的證實 18 。巢湖西湖區不斷淤積 , 中、東湖區岸線崩塌嚴 重 12, 19 ,湖面向東遷移 ,造成湖底淤高、湖面變大。 巢湖唯一的通江水道裕溪河 ,位于巢湖東湖口 ,全長 60. 4 km ,向東南流至裕溪口匯入長江。2樣品及分析方法圖 1巢湖流域主要水系及湖泊沉積物()采樣點位置示意圖位于研究樣品取自巢湖西湖區 ,采樣點 圖 1Fig. 1 Map of samp ling lo

9、cation of lake sediment1172339. 4 E、31 3344. 6N,在水深 310 cm 處獲得 8 m 長的湖芯一根 (未見底 ) 。該湖泊沉積物柱and main rivers in Chaohu Lake Valley樣總體上為青灰粉砂質粘土 ,少量為 3 mm 的細砂儀。在該柱狀沉積物樣 490 cm 以上樣品中 , 進行夾層 ,屬湖泊相沉積。7個湖泊底泥樣品的 AM S14 C 測年 ,測定由北京大研究樣品采集為 1 cm 間隔 ,共取 400 個樣品學重離子物理教育部重點實驗室完成。測年數據進行磁化率、粒度的分析。樣品分析在中國科學院與深度呈很好的線性關

10、系 ( R2 = 0. 974 5) 。通過巢南京地理與湖泊研究所湖泊沉積與環境重點實驗湖年代與深度關系的特征研究 ,結合前人的研究方室完成 ,粒度分析儀器為英國 MALVERN 公司生產法 2023 ,建立巢湖沉積物年代的線性回歸校正 ,通的 M astersize2000激光粒度儀; 磁化率的測定采用過線性插值內插和外推 24 ,得到巢湖湖泊沉積物英國 B artington公司生產的M S2型便攜式磁化率年代與深度的對應關系 (表 1) 。表 1巢湖湖泊鉆孔巖芯 AM S14 C 測年結果Table 1 Result of AMS14 C age of Chaohu Lake sedim

11、ent深度 ( cm )87127189227287387487年代 ( Cal a B. P. )1040 702550 403720 1304565 555475 956590 1309770 403 湖泊沉積物磁化率與粒度組合的cm 以上 ,低頻磁化率和高頻磁化率都開始大幅度變化特征升高 , 61 cm 處兩者開始下降 ,直至 45 cm 以上便處在一個有波動但較為穩定的高磁化率范圍內;頻3. 1 沉積物磁化率的變化特征率磁化率則呈現高低值的振蕩 ,出現若干次峰值 ,1) 磁化率值的特征。根據實驗的結果 ,該柱其中在 107 cm 處出現最大峰值 ,此后頻率磁化率狀沉積物樣的低頻磁化率值

12、介于 6. 59 10 - 8 便處在一個波動上升的階段。64. 49 10 - 8 m3/ kg, 平均值 18.34 10 - 8 m3/ kg;3. 2 粒度分析結果及特征頻率磁化率最大值 ( 107 cm 處 ) 為 11. 17% , 平均巢湖湖泊沉積物柱樣粒級劃分按 Udden -值為 3. 50% ;頻率磁化率與低頻磁化率之比的最W entworth標準分粘土 ( 64 m )三個級別 ,反映了沉積物粒度半干旱區的湖泊 25 ,而高于泥炭、沼澤 26 ,反映出的變化。粒度分析結果表明 ,粘土含量 10. 46% 亞熱帶濕潤地區湖泊的磁化率值特點。60. 48% ,平均值 32.

13、89% ; 粉砂含量為 39. 52% 2) 磁化率曲線的變化特征。從磁化率曲線可89. 54% ,平均值 66. 90% ;砂含量 0 7. 10% ,平均以看出 ,低頻磁化率和高頻磁化率曲線在 117 cm值 0. 21%。按國際制三角圖圖解法命名 , 屬粉砂以下都比較平穩 , 呈現小幅度的高低振蕩 , 160 質粘土。117 cm 兩者的值都呈現出略有下降的趨勢 ,而 117 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 5 50地理科學 28卷3. 3 磁化率與粒度組

14、合的變化特征沉積物磁化率與粒度間關系非常密切。天然湖泊沉積物的磁化率與粒度關系很大程度上反映物質來源及沉積動力和次生條件變化的影響 ,與粒 度關系因情況不同產生較大差異 2729 。根據謝紅霞等 18 對巢湖西部杭埠河口采集的沉積物柱樣磁性測試表明:不論樣品磁化率值的高低 ,磁性礦物居里溫度都在 580左右 , 說明磁鐵礦是主要的磁性礦物;而流域土壤的磁性特征研究證實入湖泥沙主要是含有磁性礦物的細顆粒泥沙。由于 117 cm 以上人類活動導致侵蝕作用加劇使磁化率值異常升高 ,本文將 117 cm 以下低頻磁化率與粘土含量粒度數據進行對比以及相關系數的計算表明 , 低頻磁化率值與粘土含量呈正相關

15、(圖 2 ) ,相關系數 = 0. 782,而與粉砂組分百分比含量成負相關 (R = 0. 785) 。根據巢湖湖泊沉積物的磁化率與粒度組合的變化特征 ,結合孢粉與沉積速率確定的年代序列 ,可以得出巢湖湖泊沉積物磁化率與氣候干濕變化的關系:磁化率的高值與氣候濕潤一致 ;氣候的干圖 2巢湖沉積物樣品磁化率與粘土百分含量關系圖Fig. 2 Relationship between sediment magneticsuscep tibility and grain content of fine sand燥則與磁化率的低值相對應; 粒度、孢粉環境代用指標的變化也與磁化率的記錄有很好對應關系(圖 3

16、) 。由此 ,自 4900 cm 的巢湖湖芯柱樣可以劃分 6 段: 段 ( 490 400 cm ) , 段 ( 400 240cm ) , 段 ( 240117 cm ) , 段 ( 117 87 cm ) , 段 ( 8717 cm ) , 段 ( 170 cm ) 。圖 3巢湖湖泊沉積物磁化率與粒度組合分帶特征及與孢粉指標的相關情況Fig. 3 Magnetic suscep tibility and grain size, pollen concentration with increasing dep th of sediment in Chaohu Lake4磁化率與粒度組合的環境

17、意義候環境 ,細粒沉積物則指示湖泊擴張、湖水較深的濕潤氣候環境 (有關詳細情況 ,另文論述 ) 。據此 ,通過分析比較 ,在本研究中 ,沉積物磁化率較 以磁化率與粒度組合變化特征分析為基礎 ,綜合孢高代表當時水動力條件較強 ,環境較為濕潤; 而較 粉資料并參考相關研究成果 ,本文得到巢湖流域環低的磁化率則表示當時較為干旱的環境條件 ;相應 境變化的歷史 ,分段分析如下:地 ,粗粒沉積物指示湖泊收縮、湖水較淺的干旱氣 1) 9 870 7 000 Cal a B. P. 。這一階段時間 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing

18、House. All rights reserved. 4期 王心源等:安徽巢湖全新世湖泊沉積物磁化率與粒度組合的變化特征及其環境意義 551上對應歐洲冰后期的北方期 ( 9 500 7 500 Cal a巢湖流域可能經歷一次環境突變事件 ,在 107 cmB. P. ) 。湖泊沉積物磁化率分析結果表現為低頻( 1 795 Cal a B. P. )處低頻磁化率出現了峰值 ,由磁化率值較低 ,平均值 14. 86 10 - 8 m3 / kg。頻率7. 05 10 - 8 m3 / kg 迅速升高到 17. 22 10 - 8m3 /磁化率值也處于一個相對較低的階段。反映在粒kg,然后又迅速降

19、低到 7. 71 10 - 8 m3 / kg,同時頻度上 ,粘土含量高于平均值 ,粘土平均占 33. 40%。率磁化率也迅速達到極大值 11. 17% ,砂含量出現說明這個時期整體氣候干燥而溫和 ,對應末次冰期峰值 ,水動力條件較強。這個時段恰好與歷史記載之后高溫期到來之前氣候轉暖的過渡時期 ,氣候變()發吳赤烏二年 公元 239年 ,即 1 760 Cal a B. P.化反映承先啟后的性質。孢粉分析也顯示 ,該階段生的“陷巢州 ”12 相合。也正是這個時段內 ,長江植被是以殼斗科的落葉、常綠屬種為主的落葉闊洪水漫溢南京城 ,“水深八尺 ”31 。由此筆者推測葉、常綠闊葉混交林; 常綠落葉

20、闊葉栲 /石櫟在減此時期巢湖流域曾經經歷過大洪水事件。少、落葉闊葉櫟類在增加 ,為含量最高段。該期后一階段氣候溫暖濕潤 ,黃河流域可生長2) 7 0004 750 Cal a B. P. 。這一階段頻率梅、竹等亞熱帶植物 32 。砂物質含量也出現幾次磁化率值峰谷交替、激烈振蕩 ,發生 3次旋回 ;粒度峰值 ,指示水動力條件增強。流域降水量加大 ,湖波動也十分明顯 ,出現數次砂含量的峰值。孢粉分面擴張 ,可能經歷過洪水災害。唐代開發南方 ,這析表明 ,植被是以落葉櫟類、栗屬、青岡屬和栲 /石時期巢湖流域開始受到人類活動的較大影響。孢櫟屬為主的落葉闊葉、常綠闊葉混交林。綜合分析粉分析表明此階段之前

21、的落葉闊葉、常綠闊葉混交該時期區域環境由前一階段的干燥溫和轉化為更林迅速被破壞 ,演替成以禾本科為主草地。加溫暖濕潤 ,但氣候不穩定 ,有數次的波動。5) 1 040 200 Cal a B. P. 。該時期磁化率值3) 4 7502 170 Cal a B. P. 。磁化率值逐漸出現躍升 ,在 87 cm 處磁化率值由 7. 53 10 - 8 m3 /降低 ,沉積物粒度持續增大 ,但砂物質含量卻在這kg上升到 21. 57 10 - 8 m3 / kg,且一直處在較高水一時期達到最低值 ,說明這一時期水動力下降 ,攜平上;粘土含量有所上升 ,砂物質出現多次峰值 ,水帶能力減弱 , 環境向著

22、冷干方向發展 , 湖面收縮。動力條件強。特定流域內 ,高磁化率被當作侵蝕作這也顯示了中國自北向南延遲降溫的規律 30 。孢用標志 33 ,磁化率值異常升高反映流域內由于耕粉資料也表明該階段落葉闊葉屬種含量是整個剖作和森林砍伐而導致基巖侵蝕加劇 ,水動力條件較面的最高值 ,且出現相對較多的胡桃屬 ,而常綠闊強 ,流域內磁性礦物輸入量很大 ,巢湖流域人類活葉屬種含量總體有所降低。推測該時期巢湖流域動進入繁盛時期。現有歷史資料表明 ,該時期中國處在一個溫和干燥的時期。通過對唐家嘴遺址文人口大量南遷 ,移民分布密集區主要在淮河以南、化層含碳較高的中間層位14 C測年結果 2 090 130長江以北地區

23、 ,長江以南只是點狀分布 34 。巢湖Cal a B. P. 的綜合分析 12 ,推測 2 170 Cal a B. P.流域正處在淮河以南、長江以北 ,富庶的土地吸引左右可能是巢湖歷史上湖面最小的一個時期 ,巢湖大量移民定居 ,人口大幅度增加 ,人類活動引起的湖盆的局部地區可能出露水面以上 ,湖灘地面積擴墾荒和土地開發不斷加劇 ,水土流失嚴重 ,入湖的大 ,唐家嘴遺址漢時期的經濟文化較為繁榮。磁性物質含量自然也增加很快 ,磁化率值也因人類4) 2 1701 040 Cal a B. P. 。該時期磁化率干擾較大而異常升高。值迅速升高 ,但波動明顯 ,前階段較小 ,后階段逐漸在較高的磁化率水平

24、上 ,磁化率波動依然反映增大 ,最高值達 24. 70 10 - 8 m3 / kg, 出現兩次峰出氣候變化信息。在 8561 cm ( 1 015740 Cal a值。粒度也有波動 ,前階段粒度較粗 ,后階段粒度B. P. )低頻磁化率值由 21. 57 10 - 8 m3 / kg上升到較細。綜合磁化率、粒度以及孢粉的分析和歷史文64. 49 10 - 8 m3 / kg, 粗粒物質物質逐漸下降; 65獻資料 ,推測該時期總體上是個溫和濕潤的時期 ,cm ( 900 Cal a B. P. )處 ,榆屬的孢粉百分比含量由氣候波動明顯、不穩定 ,包含一次冷暖旋回。0. 29%下降到 0,而松

25、屬百分比含量則由 8. 29%上該期前階段處于寒冷干旱時期。在野外考察升到 21. 67% ,常綠櫟類和落葉櫟類都出現下降趨中發現 ,該階段巢湖流域普遍沉積了一層灰黃色或勢。該時段正好對應南宋寒冷期向元代溫暖期過亮黃色略含細砂的粘土質粉砂 ,周昆叔、莫多聞等渡時期。而 45 cm ( 540 Cal a B. P. )處磁化率迅速專家認為這反映風成堆積發育。但是在這階段中下降、粒度增大及松屬孢粉百分比含量迅速上升 , 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 5 52地理

26、科學 28卷榆屬百分比含量下降則對應明清小冰期。綜合分析 ,此時巢湖流域總體處在一個溫涼稍濕時期 ,末期受到小冰期影響而較為寒冷。6) 200 Cal a B. P. 至今。這個時期磁化率值又有一個迅速降低的過程。這種現象反映了該時期人類活動的進一步增強 ,人為活動對沉積環境的干擾作用加強。由于工業文明的興起及農業的進一步發展 ,這個時期巢湖的有機質含量增加 ,富營養化現象較為嚴重 ,有機質在一定程度上降低了沉 積物的磁化率 35 。粒度在 7 cm 處出現一個極高值 ,可能與人類大規模的開發活動有關 ,但也可能是近 600年來氣候變化中第四次冷期 ( 1945 年左右 )的反映。該時期巢湖流

27、域總體上處于相對溫暖濕潤階段。這種氣候狀況一直延續至今。5討論和結論綜上所述 ,我們得出以下認識:1) 從湖泊沉積物環境代用指標記錄的巢湖流域全新世 9 870 Cal a B. P. 以來的氣候和環境演變信息看 ,巢湖區域的環境演變一方面受到全球變化的影響 ,尤其是亞洲季風的演化對巢湖區域的影響 ,是區域環境變化對全球變化的響應 ;另一方面 ,由于巢湖獨特的地理位置以及所處的構造帶、流域特征等 ,都使該區域的環境演變有著自身的特點和復雜性 ,環境演變具有區域特征。同時 ,中晚全新世以來 ,人類活動影響不容忽視。2) 在巢湖湖泊沉積物的研究中 ,作為反映環境變化的代用指標磁化率和粒度 ,兩者之

28、間有著一定的對應關系。磁化率強度與粘土的百分比含量呈正相關 ,而與粉砂組分的百分比含量成負相關。在巢湖湖泊沉積中 , 高磁化率一般指示濕潤的氣候 ,湖面較高;而低磁化率則指示干燥的氣候 ,湖面較低。通過歷史上人類活動的響應 ,我們也相互驗證了巢湖流域氣候環境演化的歷史。3) 基于磁化率與粒度組合特征的分析 ,綜合孢粉與其它文獻資料 ,巢湖流域環境變化可分為 6個階段。全新世以來 ,本區氣候環境總體上經歷了溫和略干 - 溫暖濕潤 - 溫和干燥 - 溫和濕潤 - 溫涼稍濕 - 溫暖濕潤的變化過程 ,這與中國東部全新世以來氣候變化趨勢相印證。4) 磁化率值的異常升高與人類活動的增強相對應 ,說明它們

29、之間存在聯系; 隨后磁化率值的下降可能與人類活動加劇所產生的有機質及湖泊富營養化有關 ,需進一步研究。致謝: 衷心感謝周昆叔先生、莫多聞教授在野外考察中的大力支持和指導; 對于賈玉連教授、蔣慶豐博士、張恩樓博士、肖霞云博士在采樣與分析工作中給予的支持與幫助表示感謝。參考文獻: 1 Thomp son R , O ldfield F. Environmental Magnetism M . Lon2 don: George A llen & Unwin, 1986: 1 - 83. 2 王俊達. 第四紀沉積物的古地磁研究 J . 第四紀研究 , 1992,13 ( 1 ) : 39 44. 3

30、王君波 ,朱立平. 藏南沉錯沉積物的粒度特征及其古環境意義 J . 地理科學進展 , 2002, 21 ( 5 ) : 459 467. 4 曹建廷 ,王蘇民 ,沈 吉 ,等. 近千年來內蒙古岱海氣候環境演變湖泊沉積記錄 J . 地理科學 , 2000, 20 ( 5) : 391396. 5 羊向東 ,王蘇民 ,沈 吉 ,等. 近 0. 3 ka來龍感湖流域人類活 動的湖泊環境響應 J . 中國科學 ( D 輯 ) , 2001, 31 ( 12 ) :1031 1038. 6 王乃昂 ,李吉均 , 曹繼秀 , 等. 青土湖近 6 000 年來沉積氣候記錄研究 J . 地理科學 , 1999, 19 ( 2 ) : 119 124. 7 旺羅 ,劉東生 ,韓家懋 ,等. 中國第四紀黃土環境磁學研究進展 J . 地球科學進展 , 2000, 15 ( 3 ) : 335 341. 8 Heller F, L iu T S. Magnetostratigraphical dating of Loess depos2its in China J . Nature, 1982, 300: 431 -