牛东风，李保生，2，王丰年，温小浩，马佳丽，舒培仙

(1．华南师范大学地理科学学院，广东广州 510631;2．中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，陕西西安 710061;3．惠州学院旅游系，广东惠州 516007)

0 引言

位于毛乌素沙漠东南部边缘的萨拉乌苏河流域是北方黄土与沙漠过渡带的重要组成部分，其对气候环境变化相当敏感．毛乌素沙漠至少在50万年前就已经形成，在第四纪气候振荡的作用下，历经“沙漠－非沙漠”的多次转变［1］．在这种环境变迁过程中，萨拉乌苏河流域沉积地层很好记录了古气候的演化，连续的沉积地层也成为了我国北方晚更新世以来的标准地层，成为了国内外古环境研究的热点地区之一［2］．迄今为止，学者们在萨拉乌苏河两岸发现了多个沉积剖面，并开展了较多的气候与环境演变研究，取得了大量新的进展［3－8］，为进一步深入研究毛乌素沙漠变迁奠定了坚实的基础．然而研究中少有涉及粘土矿物组成及其反映出的环境变化，因此选择该流域典型沉积剖面——滴哨沟湾剖面，对该剖面粘土矿物组成进行分析，以此为依据探讨萨拉乌苏地区全新世的气候变化．

粘土矿物广泛地分布于地表各类沉积物和沉积岩中，是一定气候条件、水介质条件、物源条件下受沉积作用、成岩作用综合影响的产物，因此通过对粘土矿物及其组合的研究可以揭示古气候、物源、沉积环境和成岩环境的特征［9］．粘土矿物的形成和转化与气候，特别是与温度和湿度有十分密切的关系［10］．近年来，利用粘土矿物研究黄土和古土壤形成的气候环境及其演变取得了重要进展［11－12］．前人从孢粉［13］、地球化学元素［14－16］及粒度［17－18］等方面出发研究了全新世以来萨拉乌苏流域的古气候变迁，但还需其它指标进一步论证该区的气候环境变迁．选择毛乌素沙漠东南缘萨拉乌苏河流域滴哨沟湾剖面，对其剖面的粘土矿物进行定量分析，并据此探讨该地层对于全新世气候变化及其环境变迁的指示意义．

1 剖面及其年代

滴哨沟湾剖面位于萨拉乌苏河流域滴哨沟湾村的河流左岸，37°43'26．3″N，108°31'2．3″E，该剖面顶部海拔高度1 309 m(见图1)，地层出露厚度为62．70 m，时代包括全新统、上更新统和中更新统上部［19］．滴哨沟湾全新统地层，即DGS1层段(以下简称DGS1)位于滴哨沟湾剖面0～4．84 m深度，包括了地层编号为0MD～21LS的总共22个层序:12层湖沼相(LS)、3层古流动沙丘砂(D)、3层古半固定沙丘砂(FD)、1层现代流动沙丘(MD)、1层黑垆土(S)、1层砂质泥炭(P)和1层次生黄土(CS)(见图1、2)．

图2 DGS1沉积序列Fig．2 The sediment sequence of DGS1

DGS1总共有7个样品的年代测试结果，其中6个常规14C年代(表1)和1个OSL年代(图2)．14C年代由中国科学院寒区旱区环境与工程研究所14C实验室胡智育测定．OSL年代由中国地质矿产部水文地质工程地质研究所光释光实验室赵华完成．对14C年代采用Calib7．0程序中Intcal 13数据集［15］进行校正(见表1)．由于这6个常规14C年代测试结果在第4个年代出现倒置，其余均符合地层层序律原则，将此点删除．同时滴哨沟湾剖面DGS1底部已有大量的绝对年代值［14，16－17］，如图2所示，我们使用苏志珠等［16］的DGS1层段底部(21LS)14C年代测定结果作为全新世开始．剖面1CS顶部OSL年代为1 800(100 aBP，最新的光释光年代结果［18］与14C及年代结果也吻合较好．为了查明DGS1各个层位的形成年代，按测定的两个相邻年龄之间的堆积厚度分段计算出诸年龄段平均沉积速率内插并获得该剖面的时间标尺，内插建立的回归曲线方程为y=0．023 79x+196．96，相关系数高(R2=0．95)，各个层位形成的年代见表2．

表1 滴哨沟湾DGS1层段14C年龄测定结果Tab．1 14C dating ages and calendar ages of some horizons in the DGS1

表2 DGS1年代表Tab．2 The chronological table of DGS1

2 样品采集与分析

对DGS1层段共选取4种沉积相——沙丘砂、黑垆土、次生黄土和湖沼相共10个样品做粘土矿物鉴定．粘土矿物采用沉降法提取，提取的粒级主要为粉砂和粘土(见表3)，因此做出的粘土矿物组合是可信的．粘土矿物测试采用X射线衍射法，由中科院广州地球化学研究所魏景明完成．测试条件:测试仪为德国BRUKER D8 ADVANCE型X射线衍射仪Cu(单色);工作电压40 kV;工作电流30 mA;扫描范围2θ=3～85°;狭缝1 mm;扫描速度4°/min．测试样品及其所属不同层位沉积相的粘土矿物含量组成结果分别统计示于表4、5(剔除混入粘土矿物中的石英和长石)，数据均以质量分数形式表示．不同沉积相粘土矿物X射线衍射图谱如图3所示．

表3 DGS1粘土矿物测试样品各粒级组成Tab．3 The grain －size composition content distribution of clay mineral in DGS1 (%)

表4 DGS1中测试样品的粘土矿物含量组成Tab．4 The distribution of clay mineral composition for analysing samples in DGS1 (%)

表5 DGS1中不同层位沉积相粘土矿物含量组成Tab．5 The distribution of clay mineral composition for each sedimentary facies in DGS1(%)

图3 DGS1不同沉积相粘土矿物X射线衍射图谱Fig．3 X － ray diffraction patterns of different DGS1 sedimentary facies clay minerals

从测试图谱和结果可知粘土矿物在DGS1内的分布状况为:各沉积相不含高岭石;蒙脱石在沙丘砂、黑垆土和次生黄土中分布范围为0% ～22．7%，平均值为14．45%;在湖沼相中为12．3% ～49．6%，平均值为28．08%，低值出现在17LS．伊利石在沙丘砂、黑垆土和次生黄土中分布范围为39．6% ～52．6%，平均值为45．3%;在湖沼相中为24．6% ～50．5%，平均值为37．43%．绿泥石在沙丘砂和次生黄土中分布范围为30．2% ～53．4%，平均值为40．23%;在湖沼相中为25．8% ～44．9%，平均值为34．68%．

另外有一定数量的粘土矿物中混入长石和石英．DGS1中石英与长石在沙丘砂、黑垆土和次生黄土中平均值为30．07%;在湖沼相中平均值为17．7%;沙丘砂、黑垆土和次生黄土中钠长石含量很高，超过钾长石2～3倍，可能是沉积物堆积之初就含有较多的钠长石，但是钠长石比钾长石容易风化，沉积物中含有较多的钠长石，可以说明该区堆积沙丘砂、黑垆土和次生黄土的风化作用和成土过程都不够强烈［21］．

3 DGS1粘土矿物的的环境指示意义

粘土矿物是在一定的气候环境条件下形成的，其形成和转化与周围的环境有密切关系．粘土矿物在各种类型的沉积物和沉积岩中普遍存在，不同的气候环境，所产生的粘土矿物的种类和组合特征也是有差异的，由此，可根据粘土矿物的特性、种类推知其形成时期的气候环境特征．

高岭石分子式为Al4［Si4O10］(OH)2，是在潮湿气候、酸性介质中的岩石里的长石、云母和辉石(硅酸盐矿物)经强烈淋滤形成的［21］，它的阳离子是Si2+、Al3+，因此气候暖湿有利于高岭石的形成和保存．

伊利石分子式为 K0．75(Al1．75R2+)［Si3．5Al0．5O10］(OH)2，是在气温稍低、弱碱性条件下，由长石、云母等铝硅酸盐矿物在风化脱钾的情况下形成的［22］，其主要阳离子为 Si2+、Al3+、K+，分子式中R2+代表二价金属阳离子．晶格层间钾离子继续淋失，则伊利石可向蒙脱石演化．如果气候变得热湿，化学风化进行得彻底，碱金属(主要是K+)被带走，伊利石将进一步分解为高岭石．因此气候干冷，淋滤作用弱，对伊利石的形成和保存都有利．

蒙脱石分子式为(Na，Ca)0．33(Al，Mg)2［Si4O10］(OH)2·n H2O，大部分由火山物质和基性火成岩在碱性介质(pH=7～8．5)条件下蚀变而成，在温带半湿润区沉积物中含量较高．其形成与水解强度有关，只要有充足的水分，火山物质就可以分化成蒙脱石［23］．有研究指出，南海粘土矿物蒙脱石含量高值区与有孔虫指冷层位对应，而低值区与指暖层位对应［24］，得到了蒙脱石的存在反映了寒冷的气候特征这一结论．但是笔者认为在萨拉乌苏河流域——近北纬40°附近蒙脱石的存在就该区来说应该是温暖湿润的气候体现，因为它可以与注入南海的河流汇流区域寒冷期的水热条件对应．我国东北地区的黑钙土中含有很多的蒙脱石，也说明其形成气候条件应该相对湿润．

绿泥石的主要阳离子为Si2+、Al3+、Fe2+、Mg2+，形成环境为碱性，淋滤作用不强．在风化作用期间，其水镁石层内的二价铁容易氧化，所以绿泥石只能在化学风化作用受抑制的地区，像冰川或干旱的地表保存下来．

4 粘土矿物在DGS1所反映的气候环境变化

根据上述对粘土矿物组成指标环境意义的探讨，结合DGS1粘土矿物组成，认为本区不同沉积相所表现出的不同粘土矿物特征，较好地反映了本区各沉积相形成时气候环境的差异．

分析样品中不含高岭石而较多的绿泥石的出现，首要因为全新世本区整体气候还是温凉干燥的，没有达到产生高岭土的高温高湿环境．DGS1湖沼相沉积中绿泥石的含量明显低于沙丘砂、黑垆土和次生黄土;而蒙脱石在气候暖湿条件下积累量增加，特别是在湖沼相中的含量是其它沉积相中的含量2倍，这都说明湖沼相堆积时气候条件明显比沙丘砂和次生黄土堆积时温暖湿润．伊利石在DGS1的两种沉积物中平均含量差别较小，湖沼相沉积中伊利石含量略低于沙丘砂、黑垆土和次生黄土中的含量;但是在10LS－11LS－12LS－13LS－14LS－15LS－16LS中含量明显低于上层沙丘砂、次生黄土与其下覆的17LS－18FD－19LS－20FD－21LS，可以说明大的轮廓上湖沼相开始堆积的17LS－18FD－19LS－20FD－21LS气候仍较冷干，在16LS～10LS期间暖热，在沙丘砂、次生黄土堆积期间恶化，变得寒冷干燥．这一气候变化特点也可在DGS1中不同层位是否出现淡水腹足类化石和堆积的软体化石不同属种体现出来．在地层中灰白色湖沼相堆积并发育大量淡水腹足类化石，而在其它沉积相则未见，再次论证了前述湖沼相堆积时气候条件明显比沙丘砂和次生黄土堆积时温暖湿润的观点．同时这些软体动物化石一般迁徒能力很弱，生态环境的阻隔使其适应能力较差，对生活环境的变化较为敏感，如水温、盐度、酸碱度、底质等的要求比较严格，其适应能力有一定范围．经鉴定该17LS－18FD－19LS－20FD－21LS层段软体动物主要为凸旋螺(图4)．目前其最南分布于我国广东、云南，国外分布于东南亚一带，最北分布于陕西．这一物种的出现反映了较温暖、湿润的生物气候环境．说明这一时期具有比较温暖、湿润的气候环境．而10LS－11LS层段腹足类化石中西伯利亚旋螺Gyraulus sibiricus(Dunker)、小土蜗Galba pervia(Martens)组合的出现，亦反映了较寒冷、干旱的生物气候环境．这是因为这些种类一般具有耐寒冷的能力，能适应大陆性气候环境，从目前已知种类的地理分布看，主要生活在华北区、蒙新区、青藏区(即古北界区域内)，它们系典型的古北界种类．同时前人对21LS－20FD－19LS－18FD中软体动物化石的研究表明，常见平卷螺和塔螺贝壳［25］;另外在地层中发育冻融卷曲或融冻褶皱现象［25］，表明此阶段温度仍然较低，气候相对干凉．

图4 DGS1湖沼相沉积中的淡水类腹足类动物化石Fig．4 The type of freshwater gastropods fossil in limnetic facies sedimentary

在干旱、半干旱地区石英、长石混入粘土矿物的比例比较多，在湿润气候条件下混入粘土矿物的比例比较小．因此，粘土矿物中混入石英和长石的比重也是衡量气候变化的一个重要参考值．DGS1中石英+长石在沙丘砂和黄土中平均值明显高于湖沼相．说明总体上沙丘砂、次生黄土发育期间气候冷干，湖沼相发育时气候条件暖湿．另外长石和石英含量变化趋势与伊利石相似，即在7LS－8FD－9P－10LS－11LS－12LS－13LS－14LS－15LS－16LS－17LS－18FD－19LS中二者含量明显低于上层沙丘砂、次生黄土与其下覆的其余湖沼相，且含量差异较大．

5 结论

通过上述分析，可以得出:全新世本区气候整体上还是温凉干燥的．依据DGS1不同沉积相演变和粘土矿物组合分布的差异，可以将该区全新世分为两个气候区．

1)全新世前期以湖沼相堆积为代表的温暖湿润时期(21LS－10LS，11 020～3 760 aBP)，该时期又可以分为两个小时期，即21LS－20FD－19LS－18FD－17LS(11 020～8 600 aBP)的堆积时期气候仍偏冷干，16LS－15LS－14LS－13LS－12LS－11LS－10LS的堆积时期(8 600～3 760 aBP)气候暖湿．在21LS～10LS时期存在较明显气候波动，17LS的蒙脱石低值，伊利石、绿泥石高值可以说明这个问题．

2)全新世后期以沙丘砂和次生黄土堆积为代表的干冷时期(9P－8FD－7LS－6D－5LS－4D－3S－2D－1CS－0MD，3 760～0 aBP)．

该区全新世前期以夏季风为主导，气候温暖湿润，前期的刚开始是末次冰期向全新世大暖期过渡的时期，气候有所好转但是仍偏冷干，后期以冬季风为主导，气候干冷．

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