于瑞雪，李暢游，李文寶，甄志磊，趙勝男，張 帥

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.中國中鐵投資集團(tuán)，安徽 安慶 246000)

內(nèi)蒙古達(dá)來諾爾湖湖泊沉積物中敏感粒度組分沉積環(huán)境及地層分析

于瑞雪1，李暢游1，李文寶1，甄志磊1，趙勝男1，張 帥2

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.中國中鐵投資集團(tuán)，安徽 安慶 246000)

對達(dá)來諾爾湖北岸岸邊(DL-0)、湖中心(DL-1)和湖南岸(DL-2)3個(gè)點(diǎn)的巖心沉積物進(jìn)行了詳細(xì)的巖性分析、粒度分析和粒度參數(shù)垂向分布序列分析。對沉積環(huán)境變化較為敏感的粒度組分的分析發(fā)現(xiàn)DL-0與DL-1和DL-2井巖心沉積物敏感粒度組分的峰值有較大差別，其粒度分布范圍相差較大，表明湖北岸岸邊、湖中心和湖南岸的沉積物來源和沉積環(huán)境的時(shí)空差異。敏感粒度組分含量隨深度變化的初步分析表明，湖北岸岸邊(DL-0)和湖中心(DL-1)兩個(gè)點(diǎn)的沉積環(huán)境較為穩(wěn)定；而位于湖南岸(DL-2)點(diǎn)的沉積環(huán)境變化比較大，包含了5個(gè)明顯的沉積波動旋回，并對達(dá)來諾爾湖由北至南進(jìn)行了沉積地層分析。在達(dá)來諾爾湖水下1.5m內(nèi)主要是粒徑0～200μm的顆粒，巖性為粘土、粉砂和砂，以粘土和粉砂為主，隨著深度的增加，黏土含量增大，粉砂和砂含量減小。

達(dá)來諾爾湖；沉積環(huán)境；粒度分析；地層分析

引言

湖泊沉積物是地球陸地環(huán)境變化的自然檔案，保存豐富的環(huán)境變化和人類活動等信息，成為研究過去環(huán)境變化的良好載體[1,2]。沉積物粒度作為重建古環(huán)境的重要指標(biāo)，廣泛應(yīng)用于古環(huán)境研究之中[3-5]。目前主要通過對粒度組分Weibull分布的函數(shù)擬合法[6]、端元模型法[7]、粒徑標(biāo)準(zhǔn)偏差法[8-9]和因子分析法[10]等對沉積物的物質(zhì)來源進(jìn)行分析。湖區(qū)沉積物的粒度分析早就作為一個(gè)代理指標(biāo)被用于指示與區(qū)域氣候和環(huán)境變化相關(guān)聯(lián)的湖泊的水文條件。湖泊沉積物以復(fù)眾數(shù)分布為特征，在一個(gè)粒度分布里，不同的粒度組成代表不同的沉積過程。因此，湖泊沉積物中粒度參數(shù)僅被認(rèn)為是湖區(qū)水文條件的近似的指示指標(biāo)[11]。本研究在內(nèi)蒙古中東部達(dá)來諾爾湖北岸岸邊、湖中心、湖南岸分別取得0.95m、1.50m、1.14m的沉積物剖面和巖心，每隔1cm取樣，采用粒徑標(biāo)準(zhǔn)偏差法區(qū)分粒度組成。本文選擇這3個(gè)點(diǎn)的沉積物巖心樣品進(jìn)行粒度分析，試圖依據(jù)巖心沉積物的粒度數(shù)據(jù)，分析粒度組成特征，對這3個(gè)巖心環(huán)境敏感粒度組分進(jìn)行初步分析，探討這3個(gè)巖心沉積環(huán)境的變化過程[12]。

1 研究區(qū)概況

達(dá)來諾爾湖為內(nèi)陸堰塞湖，位于內(nèi)蒙古克什克騰西90km(圖1)。面積188.48km2，最大水深為11m，海拔1226m。此湖位于東西走向的渾善達(dá)克沙地的南部。湖的西側(cè)和南側(cè)是小山，東側(cè)是湖積平原。東北兩條永久性河流和西南兩條間斷性河流流入湖中，但沒有水流出。

達(dá)來諾爾湖地處半濕潤至半干旱的轉(zhuǎn)變區(qū)域，屬于中國的中溫帶。該湖流域的氣候受東亞季風(fēng)氣候和西風(fēng)(圖1)影響，冬季寒冷干燥，西北氣流盛行，一直從晚秋持續(xù)到春天。夏季向北遷移暖濕空氣，潮濕的氣團(tuán)與西北的冷空氣相互作用，產(chǎn)生了大部分年降雨量。該湖流域年均溫度為1～2℃，年均降雨量為350～400mm。70%的年降雨量集中在6～8月，年均蒸發(fā)量為1287mm。從11月到次年4月，湖面覆蓋厚約1m的冰。

2 采樣與分析方法

2014年6月在達(dá)來諾爾湖北岸岸邊(DL-0)布設(shè)1m×3m×1m取樣剖面，在剖面上拍照和觀察，每隔1cm進(jìn)行取樣。2015年1月在達(dá)來諾爾湖中部(DL-1)和南部(DL-2)用自制巖心取樣器分別采集長約1.50m和1.14m 的湖泊沉積物巖心(圖1、表1)。沉積物巖心樣品封裝后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，并以1cm間隔取樣，裝入自封袋密封，低溫保存。

將樣品自然風(fēng)干，碾碎，過24目篩子，取沉積樣品0.5g左右，將樣品用德國HELOS-RODOSM型激光粒度儀進(jìn)行粒度測試[13]。

粒度能夠反映搬運(yùn)介質(zhì)能量的高低和沉積環(huán)境的變化[14-15]。本文根據(jù)傳統(tǒng)巖性分類將粒度分為黏土(4μm)、細(xì)粉砂(4～16μm)、中粉砂(16～32μm)、粗粉砂(32～64μm)和砂(>64μm)等5類[16]。本文采用福克-沃德提出的參數(shù)，即平均粒徑(MZ)、分選系數(shù)(σi)、偏態(tài)(Ski)、峰態(tài)(Kg)、中值粒徑(Md)[12]。

圖1 達(dá)里諾爾湖區(qū)域位置及鉆孔位置圖

Fig.1 Location of the Dalai Nur Lake and three sampling sites

表1 達(dá)來諾爾湖采樣點(diǎn)信息

3 分析結(jié)果與討論

3.1 沉積物粒度參數(shù)特征

3.1.1 平均粒徑和中值粒徑

代表粒度分布的集中趨勢，即碎屑物質(zhì)的粒度一般趨向于圍繞著一個(gè)平均的數(shù)值分布，這個(gè)數(shù)值就是平均粒徑或中值或眾數(shù)。在實(shí)際意義上，其反映了搬運(yùn)介質(zhì)的平均動能。DL-0、DL-1和DL-2(圖2)3個(gè)點(diǎn)的巖心沉積物平均粒徑分別為4.54～6.22Φ、4.30～6.29Φ和3.71～6.80Φ，平均值分別為5.52Φ、5.29Φ和5.08Φ。從上往下，巖心沉積物顆粒均呈變細(xì)的趨勢。DL-0點(diǎn)在岸邊，遭受不同的風(fēng)浪影響。在0～43cm的沉積物平均粒徑呈上升趨勢，沉積物顆粒由粗變細(xì)，風(fēng)浪動力作用減弱。DL-1和DL-2點(diǎn)的0～89cm和0～58cm的沉積物平均粒徑均較為穩(wěn)定，變動幅度較小，沉積物顆粒分布較為均勻，此段應(yīng)為同一物源沉積物，水動力作用比較穩(wěn)定。DL-2在湖南岸，在58～61cm的沉積物平均粒徑呈明顯下降趨勢，在61～78cm趨于平穩(wěn)，58～61cm處沉積物顆粒驟然變粗，水動力作用變強(qiáng)并在61～78cm處穩(wěn)定。DL-0點(diǎn)的43cm以下，沉積物的平均粒徑比較穩(wěn)定，變化幅度比較小，沉積物顆粒分布也比較均勻，此段應(yīng)為同一物源沉積物，風(fēng)浪動力作用穩(wěn)定。DL-1和DL-2的89cm以下和78cm以下，沉積物平均粒徑呈明顯上升趨勢，沉積物顆粒變細(xì)，水動力作用變?nèi)酢?/p>

DL-0、DL-1和DL-2(圖2)3個(gè)點(diǎn)的巖心沉積物中值粒徑分別為4.48～5.73Φ、3.77～6.38Φ和3.36～7.01Φ，平均值分別為為5.12Φ、4.85Φ和4.87Φ。中值粒徑的垂向變化規(guī)律與平均粒徑極為相似，3個(gè)點(diǎn)巖心從上部向下，沉積物顆粒均呈變細(xì)的趨勢。DL-0點(diǎn)的0～43cm處沉積物的平均粒徑呈上升趨勢，沉積物顆粒由粗變細(xì)。DL-1和DL-2點(diǎn)的0～89cm和0～58cm處，沉積物平均粒徑均較為穩(wěn)定，變動幅度較小。DL-0.43cm以下，沉積物中值粒徑較為穩(wěn)定，變動幅度較小。DL-1和DL-2的89cm以下和78cm以下，沉積物平均粒徑呈明顯上升趨勢，沉積物顆粒變細(xì)。

圖2 DL-0、DL-1和DL-2 3個(gè)點(diǎn)巖心粒度參數(shù)垂向序列變化

Fig.2 Vertical variations of the grain size parameters for the cores DL-0, DL-1 and DL-2

3.1.2 分選系數(shù)、偏態(tài)、峰度

DL-0、DL-1和DL-2點(diǎn)沉積物的分選系數(shù)分別為-2.02～ -0.85、 -2.55～-1.75和 -2.54～-1.21，平均值分別為-1.53、-2.21和-1.73，3個(gè)點(diǎn)的分選系數(shù)均代表分選極好的特征。分選系數(shù)的垂向變化規(guī)律與平均粒徑的變化規(guī)律相反，總體上呈減小趨勢。

偏態(tài)是用來表示頻率曲線對稱性的參數(shù)，實(shí)質(zhì)上反映粒度分布的不對稱程度。DL-0、DL-1和DL-2沉積物偏態(tài)分別為 -0.57～-0.26、 -0.57～0.00和-0.61～0.08 ，平均值分別為-0.43、-0.34和-0.27。DL-0負(fù)偏，在垂向上一直很平穩(wěn)；DL-1負(fù)偏，在垂向上變動不大，但大體上有增大趨勢；DL-2很負(fù)偏，在垂直方向呈先減小后增大的趨勢。

峰度是用來衡量粒度頻率曲線尖銳程度的參數(shù)。DL-0、DL-1和DL-2沉積物峰態(tài)分別為0.77～1.84、0.71～1.11和0.65～1.35，平均值為1.22、0.89和1.05。DL-0顯示峰態(tài)為尖銳，在垂向上的分布顯示0～34cm處平穩(wěn)，34～41cm處開始下降，41cm以下處于平穩(wěn)；DL-1顯示峰態(tài)為平坦，在垂向上的分布較為平穩(wěn)，總體基本不變；DL-2顯示峰態(tài)為中等(正態(tài))，在垂向上的分布較為平穩(wěn)，但總體趨勢減小。

3.2 敏感粒度組分

湖泊不同區(qū)域受各方面因素影響而形成的沉積層和粒度特征有較大差異[17]。在進(jìn)行沉積古環(huán)境分析之前，需要對該區(qū)域的物質(zhì)來源和運(yùn)移的動力過程進(jìn)行調(diào)查與分析[18]，判別沉積物中可能粒度組分的沉積意義。由于物源和沉積動力的復(fù)雜性，現(xiàn)代和地質(zhì)時(shí)期的沉積物普遍表現(xiàn)出多成因的組分混合。這樣的粒度參數(shù)沒有代表性，只能近似作為沉積環(huán)境的代用指標(biāo)[19-21]。另外，由于粒度范圍較小[22-24]，如水流流速等組分對環(huán)境沒有重要的指示意義。因此，必須進(jìn)行環(huán)境敏感粒度組分的提取。

目前，國內(nèi)外對敏感粒度組分提取方面的研究頗多。Prins等人利用端元粒度模型計(jì)算出沉積物所包含的端元粒度組分?jǐn)?shù)[24]；Boulay等人則通過沉積物的粒度標(biāo)準(zhǔn)偏差法來獲取敏感粒度組分的個(gè)數(shù)和分布區(qū)間[25]。孫有斌等曾利用兩種方法對同一組粒度進(jìn)行了分析與比較，發(fā)現(xiàn)所獲得的粒度組分的個(gè)數(shù)相同[8]。本文采用粒級標(biāo)準(zhǔn)偏差算法提取沉積物中的環(huán)境敏感粒度組分并對粒度分析結(jié)果進(jìn)行深入討論[26-27]。

粒級標(biāo)準(zhǔn)偏差的公式為：

(1)

圖3顯示本文采用粒級-標(biāo)準(zhǔn)偏差的算法獲得DL-0剖面沉積所有樣品的每一個(gè)粒級組分的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著粒級組分變化的曲線，圖中較高的標(biāo)準(zhǔn)偏差值所對應(yīng)的粒級是對沉積環(huán)境敏感的粒度組分。

從圖3可以看出，DL-0、DL-1和DL-2沉積物都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差峰值，分別出現(xiàn)在41.08μm、82.16μm和34.36μm處。因此，對沉積環(huán)境敏感的粒度組分范圍分別是41～42μm、82～83μm和34～35μm，即41～42μm、82～83μm和34～35μm是對DL-0、DL-1和DL-2孔處沉積環(huán)境敏感的粒級。

3.3 不同粒度組分含量隨深度變化

由于DL-1孔的巖心在湖中心，在整個(gè)湖比較有代表性，DL-1孔的巖心在標(biāo)準(zhǔn)偏差-粒級組分曲線(圖3)上包含2個(gè)陸源物質(zhì)的粒度組分中，細(xì)粒組分(<82μm)部分地來自于水層中、上部懸浮物的沉降，而其余部分(未知比率)與粗組分(>82μm)則是底床物質(zhì)運(yùn)動的產(chǎn)物。位于北岸岸邊的DL-0孔沉積物，包含了2個(gè)明確的粒度組分(圖3)。其中的粗組分(>41μm)不是水層中、上部懸浮物沉降的產(chǎn)物。位于南岸的DL-2孔的巖心，包含了2個(gè)明確的粒度組分(圖4)。其中的粗組分(>34μm)也不是水層中、上部懸浮物沉降的產(chǎn)物。對比分別位于達(dá)來湖北岸岸邊、湖中心和湖南岸3個(gè)巖心的粒度結(jié)果，可以看出兩地的沉積物均有兩種主要粒度組成構(gòu)成。DL-1和DL-2孔的兩種主要粒度組分標(biāo)準(zhǔn)偏差峰值相同，但明顯小于DL-0孔的結(jié)果，表明DL-0孔地點(diǎn)與DL-1和DL-2的物質(zhì)來源不盡相同。DL-0和DL-2孔的兩種主要粒度組分標(biāo)準(zhǔn)偏差的分布范圍相同，但明顯小于DL-1孔的結(jié)果，表明DL-1孔地點(diǎn)與DL-0和DL-2的輸運(yùn)方式不盡相同。

圖3 3個(gè)點(diǎn)沉積物粒級—標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線圖

Fig.3 Grain size vs. standard deviation diagram for the cores DL-0, DL-1 and DL-2

圖4顯示了DL-0孔粗粒(>41μm)、細(xì)粒(<41μm)兩種組分；DL-1孔粗粒(>82μm)、細(xì)粒(<82μm)兩種組分以及DL-2孔粗粒(>34μm)、細(xì)粒(<34μm)兩種組分的含量隨深度的變化。DL-0孔0～36cm粗組分的百分比大于細(xì)組分，36～98cm細(xì)組分百分比大于粗組分，是由于DL-0點(diǎn)湖岸邊風(fēng)等動力運(yùn)移粗顆粒到岸邊停止，細(xì)顆粒繼續(xù)向湖里運(yùn)移，導(dǎo)致粗組分比細(xì)組分多。DL-1孔的整個(gè)巖心的兩種粒度組分含量隨深度的變化幅度不大，表明該孔記錄的沉積環(huán)境條件在時(shí)間上變化較小。DL-2孔的兩個(gè)粒度組成含量隨深度變化較大，5個(gè)粗組分含量的高值分別出現(xiàn)在4、31、42、65和82cm處(見圖4DL-2箭頭所示)，指示該孔共記錄了5個(gè)明顯的沉積波動旋回。

圖4 DL-0、DL-1和DL-2孔不同粒度組分含量隨深度變化(曲線箭頭為粗組分含量高值)

Fig.4 Variation of grain sizes as the function of depths of the cores DL-0, DL-1 and DL-2

3.4 地層分析

將DL-0、DL-1和DL-2個(gè)點(diǎn)設(shè)為一個(gè)剖面進(jìn)行分析，可以劃分成一個(gè)剖面。根據(jù)中值粒徑垂向變化特征，結(jié)合各粒度組分含量隨深度變化特征曲線劃分出各個(gè)不同的層面，并繪制相關(guān)的地層剖面圖。DL-0剖面沉積物在0～36cm深度內(nèi)，主要為粒徑4～64μm的粉砂和粒徑>64μm的砂，在36cm以下，主要為粒徑0～4μm的粘土和粒徑4～64μm的粉砂；DL-1孔沉積物深度主要為粒徑0～4μm的粘土和粒徑4～64μm的粉砂；DL-2孔沉積物在0～31cm之間，主要為粒徑0～4μm的粘土和粒徑4～64μm的粉砂； 31～82cm之間，沉積物主要為粒徑4～64μm的粉砂，粘土和砂的含量幾乎相同；82cm以下，主要為粒徑4～64μm的粉砂和粒徑0～4μm的粘土，而且隨著深度增加砂的含量減小。砂均見于各層，但含量很少。所以可以將這個(gè)剖面大體分為2層，分別是粘土、粉砂層。根據(jù)上述特征繪制了該剖面的地層剖面圖(圖5)。

圖5 達(dá)來諾爾湖剖面工程地質(zhì)剖面圖

Fig.5 Engineering geological section across the Dalai Nur Lake

4 結(jié)論

在達(dá)來諾爾湖北岸岸邊，湖中心和湖南岸分別取得DL-0、DL-1、DL-2孔3個(gè)巖心，其中3個(gè)剖面的沉積物均以黏土和粉砂為主。從頂部向下，沉積物粒徑呈變細(xì)趨勢，沉積環(huán)境變化頻繁。通過粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差的算法獲得了DL-0，DL-1和DL-2的沉積物環(huán)境敏感粒度組分。通過對粗細(xì)粒組分的垂向分布、平均粒徑(MZ)、分選系數(shù)(σi)、偏態(tài)(Ski)、峰態(tài)(Kg)、中值粒徑(Md)等參數(shù)分布特征的研究，代表著細(xì)組分越高，指示離湖岸越遠(yuǎn)，DL-0孔與DL-1和DL-2孔的粒度運(yùn)移能量不同。湖邊(DL-2)沉積物受湖濱拍岸浪和湖心(DL-1)的影響產(chǎn)生明顯的粒度分異規(guī)律。通過粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差方法結(jié)合不同粒度組分含量隨深度變化曲線的對比研究，1960年以來，人類活動和自然災(zāi)害顯著影響了湖泊的沉積特征，粗粒度明顯增加。通過對其分析確定達(dá)來諾爾湖水下1.5m內(nèi)主要是粒徑0～200μm的顆粒，巖性主要為粘土、粉砂和砂，其中以粘土和粉砂為主，砂含量較少，主要是來自于水層中、上部懸浮物的沉降。其中砂粒與粉砂交替分層，第1層為活動的粉砂，穩(wěn)定性極差，隨水流運(yùn)動的活動量較大；第2層為粘土，隨水流的運(yùn)動相對較小，只有在水流速度一定大的時(shí)候才會發(fā)生變化，深度越深，地層越穩(wěn)定，隨水流的變化越小。3個(gè)沉積層序粒度特征的時(shí)空差異，無疑蘊(yùn)含了與沉積動力過程的古環(huán)境演化密切相關(guān)的信息，有待于今后結(jié)合更多的資料進(jìn)行深入的分析。

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Sedimentary environmental and stratigraphic analysis of the sensitive grain size components from the Dalai Nur Lake deposits, Inner Mongolia

YU Rui-xue1, LI Chang-you1, LI Wen-bao1, ZHEN Zhi-lei1, ZHAO Sheng-nan1, ZHANG Shuai2

(1.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,InnerMongolia,China; 2.ChinaRailwayInvestmentGroup,Anqing246000,Anhui,China)

The detailed analysis of lithology, grain size and vertical distribution of the grain-size parameters are made for the samples collected from the sites DL-0 at the northern bank, DL-1 at the central part and DL-2 at the southern bank of the Dalai Nur Lake, Inner Mongolia. The peak values of sensitive grain size components are found to be quite different, indicating the spatio-temporal differences of provenances and sedimentary environments in the above-mentioned well sites. The sites DL-0 and DL-1 indicate stable sedimentary environments while the site DL-2 indicates variable sedimentary environments in which five depositional cycles are recognized. The clay, silt and sand ranging in grain size from 0 to 200 μm occur mostly at the depth of 1.5 m below the lake level of the Dalai Nur Lake. With the increase of the depths, the clay contents increase while the silt and sand contents decrease.

Dalai Nur Lake; sedimentary environment; grain size analysis; stratigraphic analysis

1009-3850(2016)03-0077-06

2015-09-30； 改回日期： 2015-11-04

于瑞雪(1988-)，男，碩士，研究方向?yàn)樗h(huán)境保護(hù)方向。E-mail：554023733@qq.com

P534.63

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