小柴旦湖表层沉积物粒度分布特征

吕顺昌，鄂崇毅,，孙永娟，张 晶，赵亚娟，杨 龙

1.青海师范大学 青海省自然地理与环境过程重点实验室，西宁 810008

2.中国科学院青海盐湖研究所，西宁 810008

小柴旦湖表层沉积物粒度分布特征

吕顺昌1，鄂崇毅1,2，孙永娟2，张 晶1，赵亚娟1，杨 龙1

1.青海师范大学 青海省自然地理与环境过程重点实验室，西宁 810008

2.中国科学院青海盐湖研究所，西宁 810008

柴达木盆地分布着的大量浅水盐湖，是重建过去全球变化的重要载体。盐湖沉积物粒度的测定及其解释对湖水动力学、地貌学和沉积学的研究具有十分重要的意义；粒度作为湖泊沉积物中最直接的物理指标，在不同的湖泊中存在着多解性，因此，系统地研究不同湖泊表层沉积物的粒度空间分布特征十分必要。本文以柴达木盆地的小柴旦湖为研究对象，对湖泊中23个表层沉积物样品进行粒度分析，并结合2个风成砂样品和1个湖泊钻孔样品（XCD3），系统研究其表层沉积物粒度特征，探讨可能影响粒度分布的外力因素。结果表明：（1）在两条采样路线上，样品粒度随水位深度增加逐渐变细，其平均粒径的变化范围自50.2 μm至5.3 μm，说明小柴旦湖这类小型浅水盐湖的沉积特征符合湖泊中湖滨至湖心沉积物颗粒逐渐变细这一规律；（2）凡是湖泊水深超过200 cm的样品，粒度频率分布曲线具有较高的一致性，表明在小柴旦湖中较细颗粒主要赋存于深水区，指示深水区沉积环境相对稳定；（3）湖滨浅水区沉积物颗粒特征复杂，粒度频率分布曲线呈多峰态，可能受洪积扇、植被和风浪的影响。选取柴旦气象站1956 — 2013年气象数据中极大风速计算风浪对水体的影响，最大影响深度为0.4 m，说明湖滨深度小于0.4 m的区域受风浪影响。结合湖泊表层沉积物及周围风成砂粒度特征，对小柴旦3（XCD3）钻孔沉积物粒度特征进行分析，发现：钻孔中68 — 70 cm和77 — 80 cm层位粒度特征指示水位快速下降，湖泊干涸并沉积风成砂；其余层位均表现为相对稳定的湖相地层，湖泊水位与现代相近。

小柴旦湖；表层沉积物；粒度频率分布曲线

湖泊中的沉积物是揭示历史时期区域气候环境变化的良好研究介质（陈敬安等，1999），通过分析湖泊沉积物的物理、化学及生物指标的变化特征，进而反演历史时期区域性气候环境变化状况，已成为古气候环境变化研究的重要手段（陈敬安等，2000；陈发虎等，2004；沈吉等，2004；吴艳宏等，2004；蒋庆丰等，2006；刘向军和赖忠平，2010；沈华东和于革，2011；古立峰等，2012；刘晓清等，2013；Zhang et al，2016）。

盐湖沉积物粒度的测定及其解释对湖水动力学、地貌学和沉积学的研究具有十分重要的意义（沈吉等， 2010），但粒度在不同湖泊中因湖泊水文条件、湖盆地貌特征不同而具有不同分布特征，因而环境意义存在着多解性（鞠建廷等，2012）。总体上，湖泊沉积物粒度是湖泊水动力条件的反映（孙千里等，2001；朱立平等，2006，2007），水位无明显变化时，沉积物的粗细反映湖区降水状况（陈敬安等，2000），具有干湿变化的指示意义：气候湿润降水多，径流大，河流搬运能力较强，进入湖泊的颗粒较粗（蒋庆丰等，2006）；在封闭湖泊中，降水减少时湖泊水位下降，湖岸碎屑较容易到达沉积中心，粒度变粗，因而粒度具有指示水位的意义。但粒度与环境的变化反映是间接的，不是单一的对应关系（申慧彦等，2007）。例如，粗颗粒（＞60 μm或63 μm）沉积物在苏干湖沉积物中用以指示区域尘暴事件（强明瑞等，2006）；而在普莫雍错则反映了较强的流水搬运力（朱立平等，2006）；在青土湖可以作为河流搬运沉积的标志性粒级（赵强等，2003）；在巴里申湖一定程度上可以反映地质历史时期沙尘活动（薛积彬和钟巍，2008）；在甜水海则指示干旱时期低水位（李世杰等，2008）。因此，具体到不同的湖泊，有必要对湖泊现代表层沉积物粒度空间分布特征进行系统研究，分析粒度与水位变化、水动力变化的关系，以理解湖泊中粒度所代表的环境指示意义。

本文选择柴达木盆地内受人类活动影响较小的小柴旦湖为研究对象，通过对湖泊表层沉积物粒度指标的测试，分析其空间分布特征及规律，探讨其影响因素，并结合湖泊周围风成砂粒度特征，查明小柴旦湖泊钻孔粒度指标所揭示的环境意义，为进一步开展该区域古气候重建，提供科学依据。

1 研究区概况及样品采集

小柴旦湖位于柴达木盆地东北缘，大柴旦行委南约 55 km 处。北纬 37°26′57.66″—37°31′47.96″，东经 95°25′54.12″—95°35′9.12″，湖面海拔 3170 m左右，面积约为86 km2（2014年）。该区位于西北内陆区，具有典型的大陆性气候特征，紫外线辐射强烈，年、日温差较大，干旱少雨，多风寒冷，据柴旦气象站多年气候资料统计，年平均气温为1.95°C，年均降水量为72.94 mm。

如图1a，湖泊位于一个封闭的自流盆地内，东南部为锡铁山，西北部是绿梁山，二者为中低山；北部是达肯大阪山，为中高山。小柴旦湖泊西北部有塔塔棱河注入，以冰雪融水补给为主，在5—9月河流水量较充足，其余时间多渗入沉积物变为潜流（单昌昊和郑绵平，1990；Madsen et al，2013）。在西风急流控制下，湖区多西北风，受湖泊波浪长期侵蚀的影响，湖泊南部水位较深，深度超过200 cm，湖泊北部为山前洪积扇，由于泥沙堆积，湖泊底部坡度较缓，水深小于200 cm。

2016年4 月，在小柴旦湖利用彼得逊采泥器进行湖泊表层沉积物采集工作，共采集23个湖泊表层样品。分两条采样路线，均呈南北走向（图1b）：路线1中采集样品10个，样品编号SY1至SY10，采样点位于小柴旦湖西侧；路线2中采集样品13个，样品编号SY11至SY23，位于小柴旦湖东侧。采样时用油标尺测得采样点水深，采样点的水深随着离岸距离的增加呈现加深的趋势，最深点位于SY16，为220 cm。另外，在小柴旦湖东西两侧各采集一个风成砂样品（BYTH2、XCD），并与2014年在小柴旦湖水深158 cm处钻取的XCD3钻孔（图1b）进行比较研究。

小柴旦湖采样点3D分布图（图2）可以更加直观地得到各个样品点的空间位置及水位深度。图2内23个采样点中SY2、SY3、SY11至SY17的9个采样点位于湖泊南部，水深超过200 cm（下文中的深水区域是指小柴旦湖中水位深度超过200 cm的水域）；其余采样点水位深度随着离岸距离发生变化；采样点总体上呈现出南深北浅的特点，因湖泊北部的洪积扇一直延伸到湖泊之中，湖底地形南部陡深而北部缓浅。

2 实验测试与数据分析

2.1 实验测试

粒度样品的处理及测试工作在青海省自然地理与环境过程重点实验室进行。采用较为完全的前处理方法（王君波和朱立平，2005）：将湖泊表层样品置于烘箱中低温烘干，对烘干的样品碾压，取碾压后的样品0.35 g左右，加入10 mL浓度为10%的双氧水在加热条件下使其充分反应去除有机质；再加入10 mL浓度为10%的盐酸在加热条件下使其充分反应去除碳酸盐；待样品完全反应后，在烧杯中加满蒸馏水，静置24小时，抽去上清液上机测试。粒度测试使用英国Malvern MS 2000型激光粒度仪。

2.2 数据分析

根据表1中的粒度参数计算公式对测得的粒度数据进行分析计算得到平均粒径、分选系数、偏度和峰度（福克和沃德）等参数数据，并绘制粒度参数图（图3），用于反映沉积物的形成环境和基本特征。

（1）平均粒径值可以指示在沉积环境中搬运介质的平均动力的强弱，在一般情况下，平均粒径越大，说明其代表平均动力较强的沉积环境，反之，则反映低平均动力能的环境。小柴旦23个表层样品的平均粒径为5.3 — 31.8 μm，湖泊中不同水域样品的平均粒径表现出较大的差异，其中水深大于200 cm的9个样品的平均粒径为5.5 —7.3 μm，表明小柴旦湖泊中水位深度超过200 cm的水域动力微弱。湖泊浅水区样品的平均粒径稍粗，为17.5 — 50.2 μm，与其所处的沉积环境有较大关系。小柴旦北部为山前洪积扇，可能是湖泊的主要物源区，高山冰雪融水携带泥沙入湖，较粗的物质首先在湖泊北部沉积，较细的物质以悬移的方式被搬运至湖心。

图1 小柴旦湖泊流域地貌和采样点分布Fig.1 Distribution of land form and sampling sites in Xiao Qaidam Lake watershed

（2）对沉积物分选性能的表示，本文采用Folk and Ward（1957）提出的概率图解标准差，公式中除包含粒级分布的中心部分（16% — 84%）外，也包含了对水动力条件反映最灵敏的粗、细尾部（95%和5%）的分选情况，即以标准差来反映曲线尾部的分选性。小柴旦湖样品中分选系数的范围是1.36 — 2.59，水深大于200 cm的9个湖心样品的分选系数为1.36 — 1.92，而水深小于200 cm的16个样品中有11个样品的分选系数大于2.00。说明深水区样品的分选度明显好于湖滨区，湖滨区水动力条件复杂，深水区水动力条件相对简单。

（3）偏度值（Sk1）反映的是沉积物平均粒径（Mz）与中值粒径（D50）间相对位置的差异。若频率曲线表现为正态分布，则偏度值（Sk1）为0，沉积物平均粒径与中值粒径相等；若为正偏，Sk1＞ 0，峰偏向粗颗粒一侧，细颗粒一侧表现为低的尾部，说明沉积物以粗组分为主；若为负偏，Sk1＜ 0，则表现出与正偏完全相反的特征。23个样品的偏度值在−0.25 — 0.37，正、负偏的样品各有11个；有8个样品的偏度值在−0.1 — 0.1，属于近于对称状态，其中SY3样品是正态分布，呈单峰趋势，中值粒径为5.9 μm。深水区与浅水区的偏度值差异较小，不足以区分小柴旦湖水动力差异。

图2 小柴旦湖采样点3D分布图Fig.2 Sampling sites distribution of Xiao Qaidam Lake in a 3D graph

表1 粒度参数及分级（Folk and Ward，1957；朱筱敏，2008）Tab.1 Grain size parameters and classification

图3 小柴旦湖表层沉积物样品粒度参数值Fig.3 Grain size parameters of surface sediment samples in the Xiao Qaidam Lake

（4）峰度常用来衡量粒度频率分布曲线中峰形态的尖锐程度，是对其频率分布曲线中、尾部展开比例的反映。小柴旦湖的23个样品的峰度值范围在0.69 — 1.18。深水区9个样品的峰度为1.01 — 1.18，浅水区14个样品峰度为0.69 — 1.06，说明深水区样品的峰度明显高于湖滨区，湖滨区水动力变化范围较大，深水区水动力变化范围较小。

3 分析与讨论

3.1 湖泊表层沉积物粒度特征分析

3.1.1 小柴旦湖表层沉积物粒度总体特征

从图3中粒度基本参数的分析可以看出，小柴旦湖泊表层样品的粒度分布特征具有明显的规律性。图3中阴影区为深水区样品点，可以看出深水区样品分选系数值相对较小，偏度值更为集中，峰度更为尖锐，平均粒径较小，并保持一致性；浅水区的样品则表现出相反特征。沉积物的频率分布曲线是判断沉积作用形式的重要手段（汪敬忠等，2014），将同一采样线路上的样品粒度频率分布曲线按照采样点水位深度顺序投放到图4中，可以看出，随着水位深度增加沉积物的粒度由粗向细偏移。两条采样线路上沉积物粒度随水位深度的变化都表现出良好的规律性：浅水位处的沉积物粗颗粒组分所占比重较大，频率曲线的峰值居于粗颗粒一端，深水位的沉积物粒度主要为细颗粒，频率分布曲线的峰居于细颗粒一端，在深水位与浅水位之间的样品，其频率分布曲线的峰值也是随着水位深度的变化发生偏移。

图4a中，SY8的水位深度为100 cm，中值粒径为42.7 μm，同一条采样线路上水位最深点SY2水深205 cm，中值粒径为6.4 μm；在水位深度处于140 cm左右的SY1、SY5、SY4、SY10的粒度特征表现出从粗向细过渡的情况。SY1至SY3是采样线路1中的3个点，反映了从湖滨到湖心沉积物粒度的变化情况，从频率分布曲线中可以明显观察到SY1、SY2、SY3的曲线上主峰对应的粒径逐渐变细。图4b中，在水位深度小于160 cm的采样点均呈现出主峰在粗端的情况，水位深度超过160 cm的采样点的粒度特征表现为主峰靠近细端的情况。SY16至SY21是采样线路2中的6个点，同样地，其频率分布曲线图中也表现出沉积物粒度由细向粗的变化趋势。上述特征说明小柴旦湖这种浅水小型盐湖的表层沉积过程符合湖泊中湖滨区至湖心粒度逐渐变细这一规律。

图4 样品粒度频率分布曲线图Fig.4 Sample grain size frequency distribution curves

3.1.2 湖心深水区表层沉积物粒度特征具有一致性

图5a反映了9个深水区样品的粒度频率曲线，深水区表层沉积物的粒度频率曲线均呈单峰分布，峰值对应细颗粒，中值粒径在5.5 —7.1 μm，平均粒径在 5.5 — 7.3 μm，众数粒径在5.7 — 7.7 μm，分选系数在 1.36 — 1.92。上述粒度参数表明：小柴旦湖水位深度在大于200 cm的水域水动力微弱，细颗粒（粘粒级和极细粉砂）组分开始沉积下来，湖泊中南部属深水区，距北部的洪积扇有一定的距离，加之没有大型河流入湖，侵蚀搬运力弱，湖泊水动力不强，难以将北岸洪积扇沉积物中的粗颗粒搬运至此，导致此处沉积物表现出细粒特征。

对水位深度超过200 cm的9个样品粒度数据分析发现，其粒度频率分布曲线呈现很好的一致性。将9个深水区样品的体积百分比进行平均运算，各样品的体积百分比与平均值的误差范围仅在0.002% — 0.640%，说明小柴旦湖深水区的表层沉积物的特征差异性较小（图5b）。

3.2 讨论

3.2.1 洪积扇、植被等因素对湖泊沉积物粒度的影响

路线1上的样点SY5、SY9、SY7水位深度为125 cm、105 cm、85 cm，与之对应的采样线路2上的样点SY20、SY21、SY22有着同样的水位深度，且两片水域都靠近湖泊边缘。将同样深度的沉积物粒度频率曲线进行比较（图6），发现线路2的样品的沉积物粒度较线路1的样品粒度粗；且线路2样品呈双峰分布，线路1样品单峰分布，表明沿线路2的沉积物受到其他营力作用。湖滨区易受侵蚀和搬运作用影响，沉积物一般较粗（Cahill，1981）。但是，在实地考察过程中发现线路1上的SY5、SY9和SY7所处水域位于塔塔棱河的入湖口附近，该处沉积物多为河流搬运入湖，沉积物在河流搬运的过程中已经被河流流水作用分选；由于河流淡水注入，河口附近生长有大量芦苇，对河流携带的沉积物有一定的阻碍作用，使得最终穿过芦苇丛的河水只携带了较细的颗粒入湖。线路2上的SY20、SY21和SY22号样品所在水域为开阔的湖滨区，虽远离河口（动力减弱），第一峰值低于线路1对应样品，但由于北部洪积扇携带的沉积物一直延伸至湖泊，带来较粗颗粒沉积物，叠加了粗颗粒的峰值。因此线路2虽远离河口，相同水位深度下的沉积物粒度特征仍然不同。复杂的动力环境使得湖泊表层沉积物粒度呈现不同的分布模式。

图5 深水区样品沉积物平均粒度频率分布曲线Fig.5 Average grain size frequency distribution curves of sediment in deep water area

图6 同一水位深度不同水域沉积物粒度频率曲线对比Fig.6 Comparison of grain size frequency curves of sediment in the same water depth in different water areas

3.2.2 风浪对小柴旦湖水体的影响

除洪积扇和水体植被对湖泊沉积物有重要影响之外，风浪是另一重要的影响因子。风浪是风作用于湖面所形成的一种水质点周期性起伏的运动，风浪受多个因素控制，在“浪基面”以下的湖水较平静，成为静水环境（王良忱和张金亮，1996）。小柴旦湖水体有多大程度受到风浪的影响？其表层沉积物的沉降过程是否受到了风浪的扰动？参照国内学者对太湖水域风浪模型的研究（徐瑞忠等，2016），根据莆田试验站计算公式（花芳，2010）：

式中：hm代表平均波高（m），W代表计算风速（m ∙ s−1），Hm代表水域平均水深（m），D代表风区长度（m），g为重力加速度（取9.81 m ∙ s−2）。

在柴旦气象站多年实测气象资料中选取极大风速的最大值（24.2 m ∙ s−1），计算求得小柴旦湖泊浪高最高可达0.4 m左右，表明风浪对小柴旦湖泊水体运动影响有限。若在正常风速下，湖泊形成的风浪达不到0.4 m，湖泊风浪可以影响的水域只有深度更浅的位置。对于湖泊深水区，风浪几乎影响不到底层水体的运动，湖底沉积物的堆积过程处于一个较弱的水动力环境中。这在小柴旦湖沉积物中表现的十分明显：湖滨沉积物粒度频率分布曲线有双峰出现，且粒度较大；深水区的沉积物粒度频率分布曲线表现为单峰且粒度较小。

3.2.3 重建该地区古气候变化的一些尝试

结合2014年在小柴旦湖钻取的93 cm浅钻XCD3（位置见图1b）的沉积物粒度数据（图7），发现岩芯65 cm以上层位沉积物的粒度小；在65 cm处平均粒径开始增大，在68 — 70 cm沉积阶段，粒度均值远大于10 μm，指示该沉积阶段小柴旦湖泊水位变浅；底部77 — 80 cm层位沉积物粒以粗颗粒物占绝对优势，表明在底部77 — 80 cm沉积的时段内，小柴旦湖发生气候异常事件（图7）。将表层沉积物样品以及周围风成砂的粒度特征与岩芯沉积物粒度特征进行对比（图8），可以看出岩芯表层至65 cm层位沉积物样品粒度频率曲线与现代湖泊沉积物SY4样品的频率曲线形态有很好的一致性，说明该时段小柴旦湖区域内气候波动相对较小，水位稳定。XCD3底部77 —80 cm沉积物粒度频率曲线与湖泊周围风成砂（XCD、BYTH2）相一致（图8b），只是峰值粒径略有不同，但均为砂粒级。由此可以判断在此沉积阶段湖泊水位变浅，可能出现干涸、湖底裸露并被风成砂所覆盖。

图7 XCD3钻芯样品粒度组分随深度变化Fig.7 Grain size composition of XCD3 drilling core samples vary with depth

图8 XCD3部分湖芯样和湖泊表层沉积物、湖周风成砂粒度对比Fig.8 XCD3 part of lake core samples contrast with lake surface sediments, lake aeolian sand particle size

4 结论

在小柴旦湖的两条采样线路上，湖岸至湖心，随水位深度增加，表层沉积物样品粒度由粗向细过渡；粒度频率分布曲线上粒度组分偏移明显。小柴旦湖泊水位深度超过200 cm的水域，其样品粒度频率分布曲线具有较高的一致性，表明在小柴旦湖中较细颗粒主要赋存于深水区中，且深水区沉积环境相对稳定。湖滨浅水区沉积物颗粒特征复杂，受洪积扇、植被和风浪影响表现出不同的特征。湖泊表层沉积物粒度特征分析对于理解湖泊钻孔重建的古气候环境演变具有重要意义，但由于本次采样点较为稀疏，东西向样品缺乏，无法构建完整的湖泊粒度-深度模型，将在今后的研究中完善。

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Grain size distribution characteristics of surface sediments in Xiao Qaidam Lake

LÜ Shunchang1, E Chongyi1,2, SUN Yongjuan2, ZHANG Jing1, ZHAO Yajuan1, YANG Long1
1. Key Laboratory of Physical Geography and Environmental Processes of Qinghai Province, Qinghai Normal University, Xining 810008, China
2. Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, Xining 810008, China

Background, aim, and scopeSediments from shallow salt lakes in arid basins are important carriers for reconstructing the past global climatic changes. The grain size of sediments in such lakes provides basic understanding of the lake hydrodynamics, geomorphology and sedimentology. However, as a simple physical indicator, the grain size could be differently interpreted in different lakes. Here we present a detailed study onthe relationship between the grain size of surface sediments and hydrological conditions including water level and hydrodynamic changes within Xiao Qaidam Lake, a shallow salt lake in Qaidam Basin, NE Tibetan Plateau.Materials and methodsSurface sediments (23 samples) were collected along two sampling routes across the lake from south to north of the lake. Two aeolian sand samples around the lake and one short core (XCD3, 93 cm)sediments were used for comparisons. The grain size frequency curves, average grain size, sorting, skewness and kurtosis were calculated based on the measurements of Malvern MS 2000.ResultsResults suggest that the grain size of the sediments becomes fi ner with the increase of water depth. The average grain size of the surface sediments is 5.3—31.8 μm. The sorting coeff i cient ranges from 1.36 to 2.59 and the kurtosis varies between 0.69 and 1.18, with skewness between −0.25 and 0.37. In deeper water area (＞200 cm), the median grain size is less than 11.2 μm and the frequency curves show a similar unimodal distribution. In the shallower water (＜200 cm),the median grain size is much coarser and the frequency curves show different multi-peak distributions, resulting from the combination of processes.DiscussionAccording to the data of maximum wind speed from 1956 to 2013 at the Qaidam weather station, the maximum depth inf l uenced by wind-waves is calculated to be 40 cm,indicating the surface sediments under water depth ＞40 cm cannot be affected by the wind-waves. Similar grain size characteristics are found between core and surface sediments. Two stages in the short core (68—70 cm and 77—80 cm) show a similar grain size characteristic with aeolian sand around lake, indicating rapid drop of the lake level and aeolian sand reached the core site. The remaining stages demonstrate a relatively stable lake level, which is close to that of the modern.Conclusions(1) There is a decreasing trend in lake sediment grain size with the increasing of lake depth and the distance from the shore to the center of the lake. (2) The samples’grain size frequency distribution curves have a good consistency at the case of the lake water depth beyond 200 cm, indicating that the sedimentary environment of the Xiao Qaidam Lake is relatively stable in deep water with small external forces. (3) The characteristics of sediment grain size in the shallow lake area are complex,which is signif i cantly affected not only by hydrological settings but also surrounding landform and vegetation in lake.Recommendations and perspectivesTherefore, the characteristics of grain size in sediments from shallow lakes are complex, significantly affected not only by hydrological settings but also surrounding landform and vegetation. Detailed investigations on surface sediments are necessary before grain size of core sediments could be used for paleoenvironmental reconstructions.

Date: 2017-05-16; Accepted Date: 2017-08-22

National Natural Science Foundation of China (41361047); Natural Science Foundation of Qinghai Provincial Science and Technology Department (2017-ZJ-901)

E Chongyi, E-mail: echongyi@163.com

Xiao Qaidam Lake; surface sediments; grain size frequency distribution curves

2017-05-16；录用日期：2017-08-22

国家自然科学基金项目（41361047）；青海省科技厅自然科学基金项目（2017-ZJ-901）

鄂崇毅，E-mail: echongyi@163.com

吕顺昌 , 鄂崇毅, 孙永娟, 等. 2017. 小柴旦湖表层沉积物粒度分布特征[J].地球环境学报, 8(5): 427 – 438.

: Lü S C, E C Y, Sun Y J, et al. 2017. Grain size distribution characteristics of surface sediments in Xiao Qaidam Lake [J].Journal of Earth Environment, 8(5): 427 – 438.