青海湖沉积物有机碳含量与同位素和粒度特征及其古气候意义 郭雪莲02海洋地质与第四纪地质.pdf

2 0 0 2年 8月 第 2 2卷 第 3期 海 洋 地 质 与 第 四 纪 地 质 MARI NE GE OL OGY QUATERNARY GEOLOGY Vo1 2 2 NO 3 Au g 20 02 青海湖沉积物有机碳含量与同位素和 粒度特征及其古气候意义 郭雪莲 王 琪 史基安 张晓宝 曾凡 刚 邓津辉 中国科学 院 兰 州地质研究所气 体地球化学 国家 重点实验室 兰 州 7 3 0 0 0 0 中国人民大学 环境科学 系 北京 1 0 0 0 8 1 摘 要 对 青海湖沉积 物 中粒度 参数 总有机碳 T OC 含 量及 其 6 C值 的形成条件 与环境 气候 的关 系进 行 了研 究 结果表 明 在暖 湿时期 沉积 物 中有机 碳含 量 T0C 较 高 有机质 的 6 C 值较 高 沉 积物 的平均 粒径较 细 反 之 在冷 干时期 沉积物 中有 机碳含 量 T0C 较低 有机 质的 6 C 值较 低 沉 积物 的平 均粒径较 粗 反映 出沉 积物 中 T 0C含 量 有机质 6 C值及 粒度 特征 与 气温具有 良好 的相 关性 结 合 C测年 分析 了湖 区古 气候 演化序 列 表 明 自8 5 0 0 a B P以来湖 区 气候经历 了 4个演化 阶段 即暖湿 一凉干一 温湿一 冷干 的变化过程 关键 词 有机碳 同位 素 总有机碳 粒度 古气候 青海湖 中囝分类号 P 5 3 2 文献标识码 A 文章编号 0 2 5 6 1 4 9 2 2 0 0 2 0 3 0 0 9 9 0 5 在古气候的研究工作 中 湖泊沉积可作为 气候 和环境变化的信息库 它能提供分辨率较高 的气候 变化信息 研究这些信息的方法较多 其中沉积物稳 定 同位素记录是一种重要 的研究手段 目前可以采 用 3种途径获得沉积物中古气候环境变化的稳定同 位素记录 一是对沉积物中碳酸盐矿物的 C O 值 的研究 I 但各种碳酸盐矿物之 间存 在着同位 素 分馏差异 这种差异对指示气候的影响 尚未得到完 全解决 二是对沉积物 中微体化石 如硅藻 介形类 等 的 C O值进行研究 但是要 在湖泊沉积 物各层中找到同一属 种的微体 化石常常 比较 困难 三是对 湖泊沉积物 中有机质 坞 C值进行研 究 该方法在国内外已获得 了较好 的效果 成为古气候 变化的灵敏指示剂 本文测定了青海湖沉积物有机 质 C值和 总有机碳含量 TOC 并结 合沉积物粒 度参数 研究了青海湖区近 8 5 0 0 a以来的古气候变 化 1 样品与实验 基 金 项 目 气体地 球 化学 国家 重 点实 验 室 主任基 金 资助 项 目 ZRJ J 一 0 1 作 者简介 郭雪莲 1 9 7 2 一 女 在读硕 士生 从 事沉积 学研 究 E ma i l g s g w c c p u b l i c 1 z g s c n 收稿 日期 2 0 0 1 1 1 1 5 2 0 0 2 0 4 0 3改 回 文风英编辑 1 1 样 品 青海湖位于青藏高原东北隅 是 我国第一大 咸 水湖 湖区介于 3 6 1 5 3 8 2 O N 9 7 5 O 1 0 1 2 O E 之间 流域面积为 2 9 6 6 0 k mz r 本文所研 究的钻孔 QH1位于青海湖的东南部 岩心柱长 3 5 0 c m 所在 位置水深 2 3 m 距 QH8 5 1 6 A 约 5 m 取样方法为 每隔 2 5 c m 取 1 个样品 共取样品 1 4 0个 其位置 如图 1 所示 图 1 青海 湖钻 孔位置示 意图 Fi g 1 Th e l o c a t i o n ma p o f t h e s t u d i e d b o r e h o l e i n t h e Qi n g h a i La k e 1 2 实验 1 2 1总 有机 碳 TOC 分析 样品磨碎至 1 0 0目 根据有机碳含量的不同 称 维普资讯 Edited by Foxit Reader Copyright C by Foxit Software Company 2005 2008 For Evaluation Only z D D 海 洋 地 质 与 第 四 纪 地 质 取分析样 品 0 1 1 g 加入 5 的盐酸 静置 1 0 h 然后 用蒸馏水 冲洗至 中性 在 7 5 以下烘 干后用 C S 一 3 4 4型分析仪检测 1 2 2有 机碳 的 C 值分 析 样品前部 分处理 与 ToC分析相 同 经 处理后 的样品装入石英舟中 然后送入装有 C u O 的石英管 中进行 燃烧 生成的 c O 用 MAT一 2 5 1型 同位素质 谱仪测定 分析误差 d0 2 o 有机碳 的 C值用下 式计算 C一 c C 样 品一 C C P o B C C p D B 1 0 0 0 分析结果参照国际 P D B标准 1 2 3粒度 分析 样 品 的粒 度 采用 Ma l v e r n Ma s t e r s i z e 2 0 0 0激 光粒度仪进行分析 为使样品充分分散 分别加入稀 盐酸和双氧水去除碳酸盐和有机质 然后加入分散 剂六偏磷酸钠 用搅拌器匀速搅拌 待样品充分分散 后 沉淀一天对其进行测量 测量误差小于 5 2 结果与讨论 2 1 实验结果 图 2为 T oC 有机碳的 C值和粒度与深度 年代 的对应关系 其中 沉积物年代是根据澳大利亚 堪培拉 国立大学地球科学 院应用H C测年法测定的 青海湖 QH8 5 1 6 A孔 中沉积物年龄 A a B P 与埋深 S c m 间的关 系式 A一2 2 7 2 7 S 4 3 8 9计算 得到 的 5 本文所研究的钻孔 QH1位 于 QH8 5 1 6 A 以 南约 5 1 T I 处 图 1 其沉 积 物 岩性 特 征 与 QH8 5 1 6 A基本相 同 从 图中可以看出 TOC和有机碳的 C值 呈正相关 二者都 由两个峰值段和 两个谷值 段构成 从总体上看 T OC C值和粒度三者之间 的高低变化有着 良好的对应关系 2 2 与古气候的关系 湖 泊沉积物 的有机 质主要 有两大来源 即内源 的湖泊生物 沉水植物 浮游藻类等 和来 自外源湖 区周 围随入湖水流带入的陆生植物 不 同来源的有 机质具有不同的 C值 其分 布与气候环境 的关系 密切 6 q 就内源成因的有机碳 同位素而言 在相对 年代深度T O C 6 平均粒径 I m 演化 a B P c m 0 0 7 1 4 21 Z8 3 5 3 0 2 8 2 6 2 4 2 2 5 1 3 2 1 2 9 3 7 4 5阶段 图 2 青 海湖湖泊岩 心 中 TO C 有 机质 8 1 3 C值 及粒度分布 曲线 F i g 2 Th e d i s t r i b u t i o n ma p o f TOC o r g a n i c 8 C a n d g r a i n s i z e i n a l a c u s t r i n e c o r e o f t h e Qi n g h a i La k e 维普资讯 第 3期 郭雪莲 等 青海 湖沉积物有 机碳含量 与同位 素和 粒度特 征及其古气 候意义 j D j 寒冷期 湖水较浅 使得挺 水植物 其 n C值 分布 为 一 2 4 一3 0 发 育 湖泊生产力较低 沉积物 中 有机质主要来 自挺 水植物和陆生植物的贡献 有机 碳同位素相对较轻 随着古气温 的升高 水体变大 湖泊 生产力较高 水体 中沉水植物 其 n C值分布 为一1 2 2 0 o 发育 对沉积物中有机质贡献较 大 有机碳同位素逐渐变重 6 外源成因的有机质 同位素与流域植被类型有关 来 自 C 植被类型的有 机 质 具 有 较 轻 的 同 位 素 其 n C值 为 一 2 1 一 3 3 平均 为 一2 7 o 左右 来 自C 植 被类型的有 机 质 具 有 较 重 的 同 位 素 其 nC值 为 一 1 0 一 2 1 平均为一1 4 左右 8 由于光合作用固碳方 式的不同 C 植物 主要生活在干旱 炎热且 日照 充足 的地 区 而 C 植物则 主要分布于温度较低 日照不 强且较为湿润的地 区 9 由图 2可知 青海湖有机碳 的 n C 值 在 剖 面 上 的 变 化 范 围 为 一 2 3 0 2 8 7 平均值为 一2 5 1 落在 C 植物 n C值 的分布范围内 这说 明有 机质主要来源于陆生高等 植物 因此 该沉积物 中有机碳 n C值低值段代表 偏冷 的气候 高值段代表偏暖的气候 从 图 2可 以看 出 在 8 5 0 0 a至今 的时间范 围 内 总有机碳及其 n C值经历 了 4次 明显的正负交 替变化 8 5 O 0 5 3 0 0 a B P期间 T OC和 6 3 C值均频 繁波 动 TOC较高 n c值接 近于均 值 其均 值 为 一 2 5 1 距 今 5 3 0 0 3 1 0 0 a B P间其值均较低 3 1 0 0 2 0 0 0 a B P间其值均较高 可见 青海湖在这 段 时间 内湖泊生产力高 湖 区植被 比较繁 盛 2 0 0 0 a B P 以来 TOC较 低 而 n C 值 偏 正 其 均 值 为 2 4 6 6 这反映了湖 区气候存在着 4次较为明 显 的变 化 经研究表 明 沉积物颗粒 的粗细变化反映 了湖 面 的扩 张 和 收 缩 变 化 进 而 指 示 气 候 的 干 湿 变 迁 Ka s h i wa y a Na r c i s i 引 B o n i f a y 等对 湖 泊沉积物的研究也证 明 细粒沉积物标志着湿润气 候 粗粒沉积物反映干旱气候 从图 2可以看 出 沉 积物粒径在剖面上的波动趋 势为细一粗 反映了 自 8 5 0 0 a以来湖区气候湿润一干旱的变动历史 与第 四纪 以来 我国西北地 区气候逐渐 变干 的趋势相 吻 合 因j 沉积物粒度参数成为气候干湿变迁的一种 子代 指标 综上所述 湖泊沉积有机 质的 TOC n C值及 粒 度有效结 合是研 究古气候变 化 的有 效指 标 当 T OC含量增加 TOC的 n c值偏正 沉积物粒度变 细时 反映这一时期湖 区降水增加 地表径流增大 湖 区植被繁盛 是湖泊维持较高水位的体现 代表 了 一 种 暖湿 的气候环境 反之 当沉积物 中 T OC含量 显著 下 降 TO C 的 n c值 偏 负 沉积 物粒 度 变粗 时 反映这一时期湖 区降水减少 湖 区植被退缩 沉 积物在陆上暴露或接近水面 总体 上是 低水 位的表 现 因此代表一种冷干的气候环境 2 3 青海湖区 8 5 k a B P以来气候环境变化特征 根据上述沉积物的分布特征 可将青 海湖区的 古气候分 为 4个演化阶段 阶段 I 8 5 5 3 k a B P 3 5 0 2 1 6 c m 湖泊 沉 积 物 中 有 机 碳 同 位 素 n C 值 接 近 于 均 值 一2 5 1 TOC含量较 高 沉积物粒 度为整个 剖 面 中的较低值 反映该时期气候温暖湿润 湖 区植被 繁盛 降雨量 大于蒸发 量 湖面较高 为暖湿 的气候 环境 但 TOC含量和 n c值 的波动频繁 且呈周期 性旋回 表明该时段气候冷暖交替 环境不稳定 阶 段 I 5 3 3 1 k a B P 2 1 6 1 1 6 c m 沉 积 物 中 有 机 碳 同 位 素 n C 值 偏 负 均 值 为 一 2 5 6 5 o TOC含量也急剧 下降 表 明湖 区气候 在经历了上述 暖湿期后 迅速转凉 气温降低 降水 减少 沉积物粒度增大 湖 面缩小 为温凉略湿 的气 候 环境 阶 段 3 1 2 0 k a B P 1 1 6 7 0 c m 沉 积 物中有机碳 同位素 c值偏正 均值为 一2 3 8 o o TOC含 量也 上升 沉积物 粒度未发生 明显的变 化 表 明该段 内气温 回升 降水和蒸发大体维持平衡状 态 湖面波动不大 为温和略湿的气候环境 阶段 I V 2 0 k a B P以来 7 0 0 c m 该段可分 为两个亚 阶段 早期有机碳 同位素 n C值 偏 负 均 值为 一2 6 TOC含量急剧下降至 8 5 0 0 a以来的 较低值 晚期均上升为正值 沉积物粒度较粗 这说 明在早期气温急剧下降 湖区植被退缩 降水多数情 况下小于蒸发 湖面进一步下降 为寒冷干旱的气候 环境 而晚期 又有所回升 转为凉偏干的气候环境 综上所述 冰后期以来 全球气候基本上处于向 暖湿方 向发展 的阶段 期 间伴有若干寒冷期n 反 映在青 海湖流域 8 5 5 3 k a B P时期 湖 区植 被繁 盛 湖泊生产力高 气候温暖湿润 为 8 5 0 0 a以来气 候适宜期 在总体 暖湿的状况下 曾出现过几次小尺 度 的冷波动 相 当于北欧的大西洋期 在 5 6 5 3 k a B P 2 2 8 2 1 6 c m 期 间 有一 明显的降温事件 其 冷峰 出现于 5 5 k a B P左右 可能 由于新冰期冰进所 致 这与祁连山敦德冰心记录中 5 3 k a B P左右的降 温事件基本吻合 3 0 2 0 k a B P期间气温回升 进 入暖湿阶段 2 0 1 7 k a B P 7 0 5 5 c m 为第二次 维普资讯 1 o 2 海 洋 地 质 与 第 四 纪 地 质 2 0 0 2钜 降温 事件 标志着湖泊进入一个新的冷干 阶段 自 1 7 k a B P以来 尽管 气候趋 向于转 暖 但与 高温期 相 比 在持续时间和程度上都开始降低 这说 明气候 趋 向于冷偏干的变化过程 总之 该气候阶段 的划分 基本上 可与 B r a d l e y E 对北欧泥炭地层研究所建立 的气候分期进行对 比 只是在年代上略有差异 可能 由于测试手段与方法不尽相 同 存在着一定的差别 因而青海湖区的古气候波动具有全球意义 1 2 3 4 5 6 参考文献 K e l t s K 著 丁仲礼 译 湖沼 沉积 过去变 化 的信息 库 J 第四纪研 究工作 1 9 9 2 2 1 3 8 1 4 3 张彭熹 张保 珍 钱 桂敏 青海 湖全新 世 以来古 环境 参数 的研 究 J 第 四纪 研究 1 9 9 4 3 2 2 5 2 3 6 沈 吉 吴瑞金 安 芷生 大布 苏湖沉积剖 面有机碳 同位 素特征 与古环境 J 湖泊 科学 1 9 9 8 1 0 3 8 1 2 张 振克 吴瑞金 王 苏民 近 8 k a B P来 云南洱海地 区气候演 化 的有机碳 稳定 同位 素记录 J 海洋地 质与第 四地 质 1 9 9 8 1 8 3 2 3 2 9 中国科学院兰州分 院中国科学院西部 资源 环境研 究中心 青 海 湖近代 环境 的演化和 预测 M 北京 科学 出版社 1 9 9 4 1 2 4 O Na k a i N Ca r b o n i s ot o pi c v a r i a t i o n a n d t h e pa l e o c l i m a t e o f s e d i me n t s f r o m L a k e B i w a J Pr a c 1 a p Ac a d 1 9 7 2 4 8 S1 6 一S21 7 S t u i v e r M C l i ma t e v e r s u s c h a n g e i n C c o n t e n t o f t h e o r g a n i c c o mp o n e n t o f l a k e s e d i me n t s d u r i n g t h e L a t e Qu a t e r n a r y J Qu a t Re s 1 9 7 5 5 2 51 2 6 2 8 C o r mi e A B S c h wa r c z H P S t a b l e i s o t o p e s o f n i t r o g e n a n d c a r bo n o f No r t h Ame r i c a n wh i t e t a i l e d d e e r a n d i mp l ic a t i o n s f o r p a l e o d i e t a r y a n d o t h e r f o o d we b s t u d i e s J Pa l a e o g e o g r 尸a l ae o c l i ma t o 1 Pa l a e o e c o 1 1 9 9 4 1 O 7 2 27 2 4 1 9 吴乃 琴 吕厚 远 等 Cs Ct 植物 及其 硅酸 体研 究 的古 气候 意 义 J 第四纪研 究 1 9 9 2 2 2 4 1 2 4 9 1 O 陈敬安 万 国江 洱 海沉积 物粒 度记录 与气 候干 湿变迁 J 沉积学 报 2 0 0 0 9 3 4 1 3 4 5 1 1 Ka s h i wa y a K Ya ma n o t o A F u k u y a ma K Ti me Va r i a t i o n s o f Er o s i on a l f o r c e a n d g r a i n s i z e i n Pl e i s t o c e n e l a ke s e di me n t s J Qu a t e r n a r y Re s e a r c h 1 9 8 5 2 8 6 1 6 8 1 2 Na r c i s s i B An s e l mi B Li t h o s t r a t i g r a p h y o f t h e 2 5 0 0 0 0 y e a r r e c o r d of l a t c h s t r i n g s e di me n t s f r om t h e v a l l e d i Ca s t i l ia n c r a t e r R o ma J Qu a t e r n a r y S c i e n c e Re v i e w 1 9 9 2 1 I 3 5 3 3 6 2 1 3 B o r i f a y E C r e e r K M S t u d y o f t h e Ho l o c e n e a n d l a t e Wu r mi a n s e d i me nt s o f La c d u Bo u c h e t Ha r t e Lo i r e Fr a nc e F i r s t r e s u l t s A C l i ma t e Hi s t o r y p e r i o d i c i t y a n d p r e d i c t a b i l i t y c Ne w Yo r k Va n No s t r a n d Re in h o l d 9 9 2 9 O 一 11 6 1 4 温孝胜 彭子 成 赵焕庭 中 国全 新世 气 候演 变 研 究的进 展 J 地球科学进 展 l 9 9 9 3 2 9 2 2 9 8 1 5 B r a d l e y R S Qu a t e r n a r y P a l e o c l i ma t o l o g y M Al l e n Un m i n I n c 1 98 5 1 4 维普资讯 第 3期 郭雪 莲 等 青 海湖沉 积物有机碳 含量与 同位素和粒 度特征及 其古气候 意义 1 o 3 CH ARACTERS oF TH E ToTAL oRGANI C CARBoN AND oRGANI C CARBoN I S oToPE AND GRAI N SI ZE AND PALEoCLI M ATE S I GNI F I C ANC E I N QI NGHAI LAKE S EDI MENT S GUo Xu e l i a n W ANG Qi S HI J i a n Z HANG Xi a o b a o ZENG Fa n g a n g DENG J i n h u i St a t e Ke y La b o r a t o r y o f Ga s Ge o c h e m i s t r y L a nz h o u I n s t i t ud e o f Ge o l o g y CAS La n z ho u 7 3 0 0 0 0 Ch i na D e p a r t me n t o f En v i r o n me n t a l S c i e n c e s C h i n a Re n mi n Un i v e r s i t y B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 C h i n a Ab s t r a c t Qi n g h a i La k e i s t h e l a r g e s t i n l a n d s a l i n e l a k e i n Ch i n a I t s s e d i me n t s c o n t a i n a l a r g e a mo u n t o f i n f o r ma t i o n o n p a l e o c l i ma t e e n v i r o n me n t c h a n g e s Th e o r g a n i c c a r b o n i s o t o p e 6 C i n t h e s e d i me n t s h a s b e e n t a k e n a s a n i d e a l s a mp l e f o r g e t t i n g s u c h i n f o r ma t i o n i n t h e h i g h c o l d s e mi a r i d a r e a s b e c a u s e o f i t s s e ns i t i vi t y t o t he c l i ma t e c ha ng e s By t he a na l y s i s o f t he c ha r a c t e r i s t i c s o f o r ga ni c m a t t e r TOC a n d 8 3 C v a l ue s a nd s e d i m e nt gr a i n s i z e f r o m s a mp l e s o f Qi n g h a i La k e p a l e o c l i ma t e c h a n g e s a r e d i s c u s s e d i n t h e p a p e r Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e o r ga ni c c a r b on i s o t o pe a nd t ot a l or g an i c c a r bo n a n d g r a i n s i z e h a ve a go o d r e l a t i o n w i t h c l i ma t e c ha ng e s Dur i ng wa r m e r an d we t t e r c l i m a t i c e pi s od e s t he v a l ue s o f 8 3 C a n d TOC o f t he o r g a ni c m a t e r i a 1 s i n s e di me n t s a r e h i g h e r On t h e c o n t r a r y d u r i n g c o l d e r a n d d r y e r c l i ma t i c e p i s o d e s t h e v a l u e S o f 8 3 C a n d TOC c o n t e n t s i n s e d i me n t s a r e l o we r I n a d d i t i o n t h e s e d i me n t g r a i n s i z e p r o v i d e s a n e w e f f e c t i v e wa y f o r