基于XRF岩心扫描的中国西部湖泊沉积物元素地球化学特征_张晓楠

２０１５年２月 海洋地质与第四纪地质 Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．１第３５卷第１期 ＭＡＲＩＮＥ　ＧＥＯＬＯＧＹ　＆ＱＵＡＴＥＲＮＡＲＹ　ＧＥＯＬＯＧＹ　Ｆｅｂ．，２０１５ＤＯＩ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１１４０．２０１５．０１１６３基于ＸＲＦ岩心扫描的中国西部湖泊沉积物元素地球化学特征张晓楠，张灿，吴铎，周爱锋（兰州大学西部环境教育部重点实验室，兰州大学西部环境与气候变化研究院，兰州７３００００）摘要：对我国西部地区典型山地、高原及荒漠绿洲湖泊沉积物岩心采用高分辨率ＸＲＦ元素扫描进行地球化学元素测试。

挑选其中ＸＲＦ信号强度较高且信号相对稳定的Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｌ、Ｋ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ等元素进行聚类分析、因子分析和相关分析等多元统计分析，结果表明：湖泊元素组成与区域环境和湖泊类型密切相关；在我国西部湖泊中，沉积物元素组成主要以湖泊流水补给所带来的Ａｌ、Ｓｉ、Ｋ、Ｔｉ、Ｒｂ等外源碎屑元素为主，外源碎屑元素的含量和组成受流域基岩状况、风化状况、植被覆盖程度以及以降水为主导的流域侵蚀作用强弱的控制，可用来指示流域降水量和相应的生态环境状况；Ｃａ、Ｓｒ等强烈迁移元素的变化受湖泊水位、湖泊水化学特征和湖泊类型影响，可用来指示湖泊水文特征。

关键词：湖泊沉积物；元素地球化学特征；多元统计分析；ＸＲＦ岩心扫描分析中图分类号：Ｐ５９５ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５６－１４９２（２０１５）０１－０１６３－１２ 运用湖泊沉积物中地球化学元素含量的变化特征，提取有效的气候环境信息，重建过去沉积环境的变化序列，是研究地球环境系统的常用方法之一［１－４］。

自然条件下，湖泊沉积物中的无机化学元素主要有两种来源：一是流域侵蚀带来的外源碎屑组分；二是湖泊水体中各种物理、化学及生物过程所产生的内生沉淀组分［２，５－８］。

因此，其化学元素的组成受多种环境因素的综合影响，一方面与元素的赋存状态、固有的地球化学行为有关，另一方面又与沉积环境的物理化学条件相关［２，５，８－１０］。

湖泊沉积物中不同元素具有不同的环境指示意义，Ｃａ、Ｓｒ等化学性质活泼、易迁移元素与碳酸盐化学沉淀过程相关［１１－１４］，其富集既取决于湖泊历史水位与矿化度的变化，又与湖泊生产力密切相关［１５－１６］。

元素Ａｌ、Ｓｉ、Ｋ、Ｔｉ在多数研究中均被认为是外源碎屑元素，一般与外源物质输入相关，尤其是Ｔｉ元素，其含量变化可能主要受物理风化作用以及区域降水量变化的影响［２，１７－２１］。

Ｚｒ元素多赋存于重矿物中，其在很多情况下与沉积物中粗颗粒含量有很高的相关性，或可基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（２０１０ＣＢ９５０２０２，２０１２ＣＢ９５６１０２）；国家自然科学基金项目（４１１３０１０２，４１２７１２２１）作者简介：张晓楠（１９８９—），男，硕士研究生，主要从事湖泊沉积与环境演化研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｘｎ２０１２＠ｌｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ通讯作者：周爱锋（１９７７—），男，博士，副教授，主要从事湖泊环境变化研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｏｕａｆ＠ｌｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ收稿日期：２０１４－０２－１９；改回日期：２０１４－０５－１５．　文凤英编辑指示水动力条件的变化［１２，２１］。

ＸＲＦ岩心扫描分析方法作为一种应用于湖泊沉积物元素分析的新兴研究方法，具有快速、无损、高分辨率以及样品制备要求低等特点［２１－２３］。

目前ＸＲＦ岩心分析方法已经广泛应用于沉积物物源分析［２４－２５］、古洪水事件研究［２６］、区域降水量重建［１８］、海洋古生产力的估算［２７－２８］、流域土壤侵蚀历史及风化状况研究［２９－３０］、标志性气候事件的研究等各方面［１７，２８，３１－３２］，并取得了十分显著的成果。

目前国内ＸＲＦ岩心扫描分析方法因受ＸＲＦ岩心扫描系统和精确的岩心切割分样设备较少等实验条件的制约，相对研究较少，但也取得了一些成就［１，１０，３３－３５］。

此外，由于ＸＲＦ岩心扫描分析方法主要是对新鲜的岩心剖面进行扫描，其扫描结果受到岩心含水量、粒度、有机质含量、裂隙以及岩心表面平整度的影响，因而只能获得半定量的元素结果［２２，３６－４０］。

良好的前处理工作（将样品表面尽量处理平整和均匀）以及对测试条件的熟练把握都有助于获得更为可靠的结果［３７］，经过了良好的前处理过程并且在恰当测试条件下所得到的ＸＲＦ岩心扫描结果可以用来代表元素的相对含量［１７，３３，３８－３９，４１］。

湖泊沉积物化学元素的影响因素复杂，不同区域及气候条件下的湖泊沉积物，其元素组成有何异同，元素对于区域环境的变迁如何响应以及响应强度等都有待研究。

运用多元统计分析方法可以在各种复杂而近似零乱的数据中提取出种种规律［１０］，目 海洋地质与第四纪地质２０１５年　前的多数研究都是对单个湖泊元素进行多元统计分析来得到其元素分布规律及环境指示意义［２，１７，４２－４４］。

尽管多元统计分析方法在许多湖泊中已得到很好的应用，然而对于某个大区域湖泊沉积物元素特征进行多元统计分析的工作仍然缺乏。

而对一定区域的地球化学特征进行分类分析对于过去环境变化的研究具有重要的意义。

本研究选取我国西部地区不同气候条件下不同类型的湖泊，通过ＸＲＦ岩心扫描获得湖泊岩心的元素组成，并对各湖泊中元素组成的差异进行多元统计分析和总结，尝试得到我国西部地区湖泊沉积物元素组成特征，并提取其中所含的环境、气候信息，从而加深对湖泊沉积物元素地球化学所记录湖泊环境变化的认识和理解。

１　研究区概况研究区湖泊选择从黄土高原西部经青藏高原到阿尔泰山地区（图１），包括了黄土高原西部中温带半干旱区（西海子、北联池）、祁连青东高山盆地高原温带半干旱区（冶海、娘娘天池、草褡裢湖、青海湖）、柴达木盆地与昆仑山北翼高原温带半干旱区（苏干湖）、塔里木与东疆盆地温带干旱区（博斯腾湖）、天山山地中温带干旱区（大龙池）、额尔齐斯谷底中温带干旱区（乌伦古湖）和阿尔泰山地中温带半干旱区（黑湖、双湖、喀纳斯湖）等７个现代气候类型区的１３个湖泊［４５－４９］，现代气候类型跨越温带季风气候、高原山地气候和温带沙漠气候。

包括了山地湖泊、荒漠湖泊、绿洲湖泊、高原湖泊以及河流尾闾湖等湖泊类型（表１）。

２　研究方法在研究区内，根据湖泊情况分别采用奥地利ＵＷＩＴＥＣ重力钻、ＵＷＩＴＥＣ活塞钻和改进的机械钻对目标湖泊（表１）进行钻探，分别获取了２～５１．４７ｍ的岩心，岩心就地包装好运回实验室，保存在４℃恒温冷库中。

进行ＸＲＦ扫描分析前首先将岩心剖开，并将岩心表面处理平整，覆盖上Ｕｌｔｒａｌｅｎｅ薄膜（４μｍ），随后使用荷兰产Ａｖａａｔｅｃｈ　ＸＲＦ岩心扫描仪进行元素测试。

其中乌伦古湖、博斯腾湖、冶海、大龙池、黑湖、双湖、喀纳斯、苏干湖使用“１０ｋｖ，１ｍＡ，１０ｓ；３０ｋｖ，２ｍＡ，２０ｓ”的测试条件，扫描面积６ｍｍ（宽度）×１０ｍｍ（长度），并以１０ｍｍ分辨率进行测试。

娘娘天池、北联池、西海子、草褡裢、青海湖使用“１０ｋｖ，１ｍＡ，２０ｓ；３０ｋｖ，２ｍＡ，４０ｓ”的测试条件，扫描面积６ｍｍ（宽度）×２ｍｍ（长度），以２ｍｍ分辨率进行测试。

选取岩性分布均匀，岩心表面平整无裂隙、含水量较低（＜１０％）的玛纳斯湖湖泊岩心，分别用６ｍｍ（宽度）×２ｍｍ（长度）和６ｍｍ（宽度）×５ｍｍ（长度）的扫描面积在“１０ｋｖ，１ｍＡ，２０ｓ；３０ｋｖ，图１　研究区域湖泊位置Ｆｉｇ．１　Ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌａｋｅｓ　ｉｎ　Ｓｔｕｄｙ　ａｒｅａ４６１　第１期 张晓楠，等：基于ＸＲＦ岩心扫描的中国西部湖泊沉积物元素地球化学特征表１　研究区湖泊详情Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｌａｋｅｓ　ｉｎ　ｓｔｕｄｙ　ａｒｅａ湖泊经纬度海拔／ｍ湖泊面积／ｋｍ２矿化度／（ｇ／Ｌ）样点水深／ｍ湖泊类型气候类型流域植被西海子３５°５４′Ｎ、１０６°８′Ｅ　２２２８　０．０４＜１　３．００高山封闭型湖泊中温带半干旱气候高山乔木、灌丛北联池３５°４４′Ｎ、１０６°１０′Ｅ　２５２９　０．０３＜１　７．００高山半封闭型湖泊中温带半干旱气候高山乔木冶海３４°５７′Ｎ、１０３°４０′Ｅ　２３２１　１．２０＜１　１５．００高山封闭型湖泊中温带半干旱气候高山灌丛娘娘天池３６°７′Ｎ、１０２°４４′Ｅ　２５６４　０．０１＜１　３．００高山半封闭湖泊高原温带半干旱气候高山乔木、灌丛草褡裢湖３７°４′Ｎ、１００°２８′Ｅ　３２０７　０．０７＜１　３．００终端湖高原温带半干旱气候高原草甸、高寒草原青海湖３７°２′Ｎ、１００°２７′Ｅ　３２６０　４３００．００　１４．１３　７．００终端湖高原温带半干旱气候高原草甸、高寒草原苏干湖３８°５１′Ｎ、９３°５４′Ｅ　２７９６　１１９．００　３１．８３　２．５０山前绿洲湖泊高原温带干旱气候荒漠草原大龙池４２°２７′Ｎ、８３°１８′Ｅ　２４０２　２．００＜１　４．５０高山封闭型湖泊高山高寒气候高山乔木、灌丛、草甸博斯腾湖４１°５９′Ｎ、８７°１０′Ｅ　１０４９　１００２．４０　１．５０　６．００山前绿洲湖泊中温带干旱气候荒漠草原乌伦古湖４７°１４′Ｎ、８７°１３′Ｅ　４７９　７６０．００　２．３４　１０．４０河流尾闾湖泊中温带干旱气候荒漠草原黑湖４８°４１′Ｎ　８７°１１′Ｅ　２１６９　０．２８＜１　０．５０高山封闭型湖泊高山湿润高寒气候高山乔木、灌丛、草甸双湖４８°５２′Ｎ　８７°２′Ｅ　１５１９　０．３０＜１　３．２０高山封闭型湖泊高山湿润高寒气候高山乔木、灌丛、草甸喀纳斯湖４８°５２′Ｎ、８７°６′Ｅ　１３６５　４５．７３＜１　２５．００高山开放型湖泊高山湿润高寒气候高山乔木、灌丛、草甸 注：苏干湖、青海湖、乌伦古湖、博斯腾湖湖泊详情分别源于文献［４６－４９］，喀纳斯湖湖泊面积数据源于景区介绍，其余湖泊信息为实地考察获取。

２ｍＡ，４０ｓ”条件下进行测试，以用来进行不同测试条件下扫描结果的对比。

同时，选取干旱区具有代表性的湖泊乌伦古湖岩心，对应于其ＸＲＦ扫描位置在剖面上选取１６个样品，在４０℃下对样品进行烘干并研磨成可过２００目筛的粉末，然后取４ｇ左右样品在３０Ｔ气压下压入直径为３２ｍｍ的硼酸制成的饼中，采用产自荷兰型号为ＭａｇｉｘＰＷ２４０３的Ｘ射线荧光光谱（ＸＲＦ）分析仪对样品进行元素含量的分析，测量误差＜０．５％。

本研究所有试验均在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成。