祝民強， 劉林清， 張展適

（東華理工大學江西省數(shù)字國土重點實驗室，江西南昌 330013）

1概述

甘肅北山地區(qū)是我國高放廢物處置庫候選場址區(qū)之一。該地區(qū)現(xiàn)代氣候干燥，地表大面積出露花崗巖、花崗閃長巖，區(qū)內(nèi)古近紀沉積不發(fā)育。酒泉盆地是北山候選場址的鄰區(qū)盆地，其新生代地層發(fā)育相對比較完整，除缺失古新統(tǒng)外，其余各統(tǒng)均有分布。該區(qū)沉積物以陸相的洪積、河流、湖泊為主，較完整的記錄了古近紀以來古氣候環(huán)境的演變過程。在干旱地區(qū)湖泊演變環(huán)境的遙感研究方面，胡東生在鹽湖演變與全球變化的對比分析中，提出了遙感地學分析手段的作用［1］。劉興起等、王飛躍利用遙感技術探討了吉蘭泰鹽湖演化過程和晚更新世以來鹽湖氣候演變規(guī)律［2，3］。謝連文等根據(jù)近年來其它學科對過去2 000 a氣候變化研究成果，通過遙感方法將羅布泊鹽湖近2 000 a氣候變化記錄與不同地區(qū)、不同類型的氣候變化曲線進行對比分析，探索了現(xiàn)代鹽湖沉積對氣候事件的響應機制，并證明了羅布泊鹽湖沉積物遙感影像反射率變化曲線具有明確的古氣候意義［4－6］。

在研究區(qū)巖石露頭出露較好地區(qū)，應用多光譜遙感礦物指數(shù)法半定量地計算露頭巖石的氧化鐵指數(shù)（TM3/TM1）、亞鐵指數(shù)（TM5/TM4）和粘土化指數(shù)（TM5/TM7），以此來識別巖石中Fe3+氧化物、Fe2+氧化物和粘土化的相對富集程度。氧化鐵指數(shù)（TM3/TM1）高則表明Fe3+氧化物含量高，間接反映炎熱干旱、干濕季節(jié)差別明顯、化學風化作用和氧化作用強烈的氣候環(huán)境。而亞鐵指數(shù)（TM5/TM4）高表明Fe2+氧化物含量高，間接反映溫濕氣候，易于還原性沉積物的形成，粘土化指數(shù)（TM5/TM7）高則表明化學風化作用強烈。

在北山及鄰區(qū)，與氣候變化相關地貌的形成與變遷現(xiàn)象廣泛發(fā)育，如沖積扇形成和遷移、湖泊的形成和消亡等在遙感影像上特征明顯。應用多光譜及高分辨率遙感技術，在北山及鄰區(qū)開展河流階地、湖泊沉積階地、剝蝕夷平面、三角洲變遷等微地貌進行解譯，以及沖積扇形成和遷移、湖泊的形成和消亡的解譯和分析，研究微地貌與新近沉積物形成與古氣候和古地理環(huán)境的關系是一項有意義的工作。

2 地層概況

通過北山及領區(qū)以往地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，結(jié)合遙感分析研究，古近紀—第四紀地層出露較好的是酒泉盆地周邊。位于河西走廊西端的酒泉盆地群由酒西盆地、酒東盆地和花海—金塔盆地構(gòu)成，各盆地均有一系列NE－NNE向展布的箕狀斷陷組成。

2．1 古近系（E）

酒泉盆地周邊古近系廣泛發(fā)育，層位主要有始新統(tǒng)柳溝莊組、漸新統(tǒng)火燒溝組、白楊河組，缺失有古新統(tǒng)。

柳溝莊組（E2l）

該組值出露于旱峽剖面，在青西凹陷柳溝莊地區(qū)的石油部門的隆2、西參1、柳1、柳2、柳3、柳5等井下有揭露，分布范圍較小。與上覆新統(tǒng)白楊河組呈不整合接觸，于下伏下白堊統(tǒng)中溝組亦呈不正合接觸。該組在青西凹陷柳5井巖性和孢粉組合特征反映最好，主要為厚達75 m的灰綠色泥巖夾薄石膏層。

火燒溝組（E3h）

該組僅分布于凹陷的北部和西部。與下伏下白堊統(tǒng)新民堡群、赤金堡組呈不整合接觸。漸新統(tǒng)火燒溝組分布在盆地北部紅柳峽、膳馬城和火燒溝一帶，向南、向東厚度減薄并尖滅，為一套山麓—河湖相沉積，厚度250～1 196 m。上部為紫紅色砂質(zhì)泥巖夾棕紅色砂巖、礫巖，砂巖中含鈣質(zhì)結(jié)核。中部為灰白色石英砂礫巖夾棕紅色泥巖。下部為紫紅色泥質(zhì)砂礫巖夾砂泥巖透鏡體。該組在火燒溝地區(qū)發(fā)育最好。

白楊河組（E3b）

該組分布范圍較廣，在北部與下伏火燒溝組呈不整合接觸;在南部不整合在老地層（K、T、P）之上。主要為一套河湖相沉積，巖性主要為棕紅色或桔紅色的泥巖、粉砂巖和砂巖組成。在盆地北部呈平行不整合于火燒溝組上外，其它地區(qū)均直接不整合于中生代及更老地層上。本組在石油溝地區(qū)發(fā)育最好。

2．2 新近系（N）

該系在盆地內(nèi)均有分布，與上覆第四系玉門組呈角度不整合接觸，與下伏漸新統(tǒng)白楊河組也呈微角度不整合接觸，自下而上分為中新統(tǒng)弓形山組（N1g）、胳塘溝組（N1t）和上新統(tǒng)晚期牛胳套組（N2n）。其中新統(tǒng)中弓形山組（N1g）為灰白色厚層砂巖，夾棕紅色泥巖和砂巖，底部為灰白色礫狀砂巖，厚300～400 m;中新統(tǒng)胳塘溝組（N1t）為棕紅色砂質(zhì)泥巖、砂巖和黃色、灰色礫巖間互層，厚600 m;上新統(tǒng)牛胳套組（N2n）東、西部厚，中部薄，厚400～700 m。

2．3 第四系（Q）

早更新統(tǒng)玉門組（Q1y）:分布于盆地南部丘陵帶，向北厚度減薄并尖滅，上部為灰褐色砂泥巖夾砂礫巖，泥巖中含腹足類和蘆葦化石，屬洪積—沖積型;下部為玉門冰期堆積和洪積物，主要為了灰色泥巖、砂礫巖夾砂巖透鏡體和含礫砂質(zhì)粘土。玉門組總厚200～600 m。

中更新統(tǒng)酒泉組（Q2j）:分布于酒西盆地南北的山前丘陵帶，下部為灰色、黃色砂、礫和泥、礫層，夾粉砂質(zhì)泥，半膠結(jié)或未膠結(jié)，厚10～30 m;上部為灰綠色礫石層夾砂層、粉砂層及亞砂土、亞粘土，厚度小于250 m。下與玉門組為不整合或平行不整合、上與戈壁組為不整合接觸。

晚更新統(tǒng)戈壁組（Q3g），又稱“戈壁礫石層”，主要為沖積、洪積物。厚約40余米。為灰黑色礫石層，灰色與灰黃色礫石、砂礫夾亞砂土、亞粘土等，地表為大小不一的礫石，由于日曬風化使礫石表面有一層黑色的“沙漠漆”而呈灰黑和黑色。

全新統(tǒng)（Q4）洪積、沖積層，堆積物為沙礫石及亞砂土、亞粘土，洪積型沉積物構(gòu)成戈壁灘。常見風成砂積、坡積、洪積、沖積、湖沼和冰水沉積等。堆積物主要是黃砂、碎石、粘土?？偤穸?00余米。

3 古近紀以來古氣候特征的遙感信息響應

紅層是沉積物中不穩(wěn)定元素與易溶礦物大多淋失而高價氧化鐵、氧化鋁得以殘存的產(chǎn)物，形成于化學風化強烈的暖熱氣候下，它是暖熱而又有明顯干濕季節(jié)差別的環(huán)境條件的標志。蒸發(fā)巖由石鹽、石膏、鉀鹽等組成。大型的蒸發(fā)巖沉積主要形成于大型封閉盆地內(nèi)，大多屬于淺水環(huán)境，而且當?shù)氐恼舭l(fā)量必須大于降雨量和河流淡水注入量，因而也是干旱氣候環(huán)境的標志。沉積剖面中多層蒸發(fā)巖的出現(xiàn)則是意味著干、濕環(huán)境的多次交替。

為了獲得上述參數(shù)，首先要獲得研究區(qū)的無冰雪覆蓋的夏秋季landsat TM影像，研究獲取的是2000年5月20日landsat TM衛(wèi)星影像，通過輻射校正和幾何校正后，計算獲取氧化鐵指數(shù)（TM3/TM1）、亞鐵指數(shù)（TM5/TM4）和粘土化指數(shù)（TM5/TM7）圖像，分別選擇火燒溝、紅柳峽和酒西坳陷的最西段的火燒溝組、白楊河組和疏勒河組、玉門組和酒泉組圖切剖面位置，通過圖像光譜工具獲得上述指數(shù)的影像圖切剖面。

3．1 遙感礦物指數(shù)信息

西北地區(qū)古近紀—新近紀紅色系的沉積以紅色系、灰色或灰白色系的交替為特征，古近紀紅色系中分布著石膏等蒸發(fā)巖，表明總體屬于干旱氣候帶。新近紀全球氣候開始逐步轉(zhuǎn)涼，中新世南極冰蓋已達到相當規(guī)模，上新世晚期北大西洋地區(qū)也開始出現(xiàn)冰川活動，終至進入第四紀冰期，形成現(xiàn)代環(huán)流形勢和現(xiàn)代氣候。

漸新世火燒溝組（E3h）發(fā)育時期，氧化鐵指數(shù)（TM3/TM1）從最高3．5逐漸減至1．7左右，亞鐵指數(shù)（TM5/TM4）也從1．6逐漸減至1．4左右，粘土化指數(shù)變化不大，表明氣候從極炎熱、干濕季節(jié)明顯的亞熱帶干旱氣候環(huán)境逐漸演化為暖熱、干濕季節(jié)明顯的氣候環(huán)境，化學風化和氧化作用非常強烈。

漸新世白楊河組（E3b）以巧克力色泥巖夾石膏層為界，下部發(fā)育一套桔紅色陸相碎屑巖沉積，上部發(fā)育一套棕紅色陸相碎屑巖沉積，氧化鐵指數(shù)均在2．0左右波動，但早期亞鐵指數(shù)較低在1．4左右，晚期在1．5左右，氣候基本延續(xù)火燒溝組發(fā)育后期的暖熱、干濕季節(jié)明顯的氣候環(huán)境，化學風化和氧化作用強烈。

中新世—上新世的疏勒河群（Nsh）發(fā)育時期可分為三個階段，早期（弓形山組）為灰色碎屑巖與紅色碎屑巖沉積互層，氧化鐵指數(shù)跳躍明顯，尤其在弓形山組底的部灰色砂巖，氧化鐵指數(shù)和亞鐵指數(shù)均低，氧化鐵指數(shù)僅1．5左右，而粘土化指數(shù)異常高。早期（弓形山組）氣候為三個旋回的溫濕多雨、還原水體與暖熱、干濕季節(jié)分明、氧化水體的交替。中期胳塘溝組為棕紅色砂質(zhì)泥巖、砂巖和黃色、灰色礫巖間互層，反映暖熱干濕季節(jié)分明的氣候環(huán)境，氧化鐵指數(shù)1．7～1．8，亞鐵指數(shù)穩(wěn)定在1．35左右。晚期牛胳套組為一套灰白色碎屑巖沉積，氣候為較穩(wěn)定的溫濕氣候環(huán)境，氧化鐵指數(shù)較低，在1．4～1．5之間波動，亞鐵指數(shù)穩(wěn)定在1．35左右。

早更新世（玉門組）可劃分為玉門冰期和玉門間冰期，玉門冰期發(fā)育一套灰色玉門冰積礫巖為標志，氧化鐵指數(shù) 1．3～1．4，具較高的亞鐵指數(shù)（1．5～1．6），粘土化相對較強，反映寒冷氣候。玉門間冰期為溫暖、干濕季節(jié)分明的氣候環(huán)境，發(fā)育一套暗紅色碎屑巖沉積，氧化鐵指數(shù)在1．5左右波動，亞鐵指數(shù)1．5 ～1．6。

中更新世（酒泉組）可劃分為酒泉冰期和酒泉—榆木山間冰期，酒泉冰期發(fā)育一套灰色酒泉冰積礫巖為標志，氧化鐵指數(shù)1．3～1．4，具較高的亞鐵指數(shù)（1．6左右），反映寒冷氣候。酒泉—榆木山間冰期為溫暖氣候環(huán)境，圖像上未找到合適的剖面。

晚更新世依據(jù)前人研究（甘肅區(qū)域地質(zhì)志，1989）可劃分為榆木山冰期、榆木山—東溝間冰期和東溝冰期。圖像上未找到合適的剖面。

全新世依據(jù)大多數(shù)學者的研究，氣候為溫濕和干冷頻繁交替期，從羅布泊古三角洲變遷、湖泊階地變遷和消亡的遙感解譯來看，總體有向干冷方向演變的趨勢。

3．2 羅布泊湖泊變遷信息的遙感解譯及與全新世氣候變化關系

第三紀時期，塔里木盆地是一個統(tǒng)一的大湖，羅布泊凹陷尚未形成，羅布泊地區(qū)處于沖洪積區(qū)與問歇性洪積湖區(qū)或淺湖區(qū)之間的過渡區(qū)，其所處的敏感環(huán)境為大湖的形成創(chuàng)造了良好的條件。在大約5 Ma前的上新世，該地區(qū)處于濕熱的氣候條件下，羅布泊開始出現(xiàn)。進入第四紀，由于喜馬拉雅山運動的影響，塔里木盆地西部抬升，而東部相對沉降，形成西高東低的地勢。羅布泊就位于盆地的最低處，并在斷裂構(gòu)造的影響下，南北兩側(cè)山地不斷抬升，羅布泊地區(qū)相對沉降，堆積了厚達數(shù)百米的第四系沉積物［7］。

王永等對羅布泊東部阿奇克谷地的AK1孔進行了第四紀沉積特征的綜合研究。他們發(fā)現(xiàn)早更新世氣候以干冷為主，早更新世中期出現(xiàn)過湖相沉積;中更新世氣候轉(zhuǎn)為溫濕，中更新世晚期氣候濕潤，湖相沉積范圍擴大，為羅布泊湖的一次大發(fā)展期;晚更新世以來湖泊環(huán)境波動變化加快，氣候向干旱化發(fā)展，造成湖泊退縮，沉積環(huán)境波動加快。表層易溶鹽濃度顯著增大，出現(xiàn)巖鹽沉積，代表羅布泊出現(xiàn)極端干旱的氣候環(huán)境［8，9］。

圖1 羅布泊湖泊變遷的TM遙感解譯

因此羅布泊是在全新世前后開始逐漸萎縮消亡的。羅布泊湖泊變遷的遙感解譯結(jié)果表明（圖1），羅布泊湖泊面積最大時為圖上藍線所圈定的范圍，它東南側(cè)近阿爾金斷裂，北側(cè)達庫魯克塔塔山麓，東南分支延伸臨近羅布泊雅丹地貌區(qū)。湖泊面積最大階段期間發(fā)育西南邊緣的車爾臣三角洲和孔雀河—塔里木河三角洲，以及湖泊沉積階地3（圖2）。中科院等羅布泊科考組（2010）認為，距今9 800～15 300年間，成層石膏的出現(xiàn)表明當時氣候干燥。它們代表羅布泊第一次大規(guī)模萎縮。距今5 900～8 150年間（中全新世），巖性指標顯示當時氣候較為溫暖濕潤，徑流豐富［10］。

距今3 400～8 150年間，巖性指標顯示當時氣候較為溫暖濕潤，徑流豐富，為半咸水湖（中科院等羅布泊科考組，2010）［10］。孔雀河—塔里木河三角洲向前快速推進（圖1），湖泊面積縮小。同時形成湖泊沉積階地2（圖2）。距今2 200～3 400年間，羅布泊出現(xiàn)干涸事件，這次干涸造成了該地區(qū)人類文明的斷層［10］。

距今350～2 200年，樓蘭文化開始興盛，羅布泊地區(qū)氣候相對溫和濕潤，河流水量相對較大，綠洲面積較大，地面植被種類豐富且覆蓋度較高，羅布泊西湖及西岸地區(qū)進入環(huán)境最佳時期，歷史記載中的唐代“邊屯如云”，屯戍的田卒多達10萬，人們又回到了早已荒蕪的樓蘭古城。羅布泊此階段范圍如圖1黃色線所示，此階段水體深度小于5 m，大部分地區(qū)2～3 m。此階段沉積形成湖泊沉積階地1（圖2）。

圖2 羅布泊三次湖泊萎縮形成的湖泊沉積階地（影像引自谷歌地圖）（位置:90°48'30″;37°57'59″）

距今350年后，風暴作用加強，氣候干旱，羅布泊進入現(xiàn)代環(huán)境的變遷;1958年以后，由于孔雀河修建了兩個水庫，截留了上游來水，因此羅布泊在1962年完全干涸，形成現(xiàn)在的羅布泊鹽漠。

4 結(jié)論

通過北山及領區(qū)古近系、新近系和第四系遙感地質(zhì)解譯，應用遙感地貌成因類型解譯了古近紀以來的沉積物的分布。在高分辨率和landsat ETM多光譜遙感影像上選擇典型的古近紀—新近紀地層剖面，計算了Landsat TM遙感影像礦物指數(shù)，分別利用氧化鐵指數(shù)（TM3/TM1）、亞鐵指數(shù)（TM5/TM4）和粘土化指數(shù)（TM5/TM7）來識別Fe3+氧化物、Fe2+氧化物和粘土化的相對富集層，獲得上述指數(shù)的圖切影像剖面。通過三個典型TM遙感礦物指數(shù)剖面的分析，獲得了古氣候變化信息。漸新世－中上新世氣候總體為從極炎熱、干濕季節(jié)明顯的環(huán)境逐漸向暖熱、干濕季節(jié)明顯的氣候環(huán)境演化;更新世為三個旋回的寒冷冰期與間冰期交替。全新世氣候為溫濕和干冷頻繁交替期，通過羅布泊三角洲變遷、湖泊階地變遷和消亡的遙感解譯，全新世及未來的氣候總體有向干冷荒漠化方向演變的趨勢。

［1］胡東生．鹽湖遙感地質(zhì)學的應用研究［J］．鹽湖研究，1991（4）:178-183．

［2］劉興起，葛文勝．吉蘭泰鹽湖區(qū)域地質(zhì)特征及形成演化的遙感解譯［J］．海洋與湖沼，2002（2）:143-150．

［3］王飛躍．吉蘭泰鹽湖演變衛(wèi)星雷達遙感研究［J］．國土資源遙感，2001（4）:35-40．

［4］謝連文，李鋒，鄧國武．羅布泊鹽湖古環(huán)境信息遙感研究方法［J］．遙感信息，2003（4）:2-4．

［5］謝連文，黃靜思．甚年輕沉積物的高分辨率遙感定年方法探討——以羅布泊鹽湖為例［J］．地質(zhì)科技情報，2003，22（3）:83-86．

［6］謝連文，黃靜思，李鋒．羅布泊鹽湖近2000 a氣候變化的高分辨率遙感研究［J］．成都理工大學學報，2004，31（3）:302-306．

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［8］王永，趙振宏．羅布泊東部阿奇克谷地第四紀古地理［J］．古地理學報，2001，3（2）:23-28．

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［10］錢毓．羅布泊科考獲三大新突破［N］．北京日報，2010-11-10．