李 育 周雪花 李卓侖 王乃昂

(蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院蘭州大學(xué)干旱區(qū)水循環(huán)與水資源研究中心 蘭州 730000)

掃描面電鏡作為一種沉積學(xué)研究手段運(yùn)用于地學(xué)研究始于20世紀(jì)60年代［1］，目前這一方法已廣泛運(yùn)用于地學(xué)各個(gè)領(lǐng)域［2～13］，并積累了大量不同沉積環(huán)境下石英砂表面形態(tài)特征的成果。沉積物石英砂在其沉積過(guò)程中由于搬運(yùn)介質(zhì)、搬運(yùn)形式以及沉積環(huán)境不同，常常會(huì)在其顆粒表面留下反映不同搬運(yùn)和沉積過(guò)程的形狀及外貌特征，再加上石英砂具有硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等特殊性質(zhì)，因而運(yùn)用掃描電鏡分析石英砂的表面微結(jié)構(gòu)特征可以推斷其沉積、形成環(huán)境和搬運(yùn)演化歷史［3，4］。

地處我國(guó)兩大沙漠包圍的石羊河終端湖豬野澤(圖1)，一直是晚第四紀(jì)時(shí)期氣候變化研究的焦點(diǎn)。對(duì)于這一區(qū)域已有許多研究成果［14～19］，大多是基于湖泊沉積物中的古環(huán)境信息，如孢粉、有機(jī)地化指標(biāo)、碳酸鹽、沉積物粒度等環(huán)境代用指標(biāo)來(lái)探討該區(qū)域較大時(shí)間尺度上的古氣候變化，也對(duì)某些環(huán)境突變事件做了論證，如高湖面、百年尺度的干旱事件等，但對(duì)湖泊沉積物本身的形成原因及過(guò)程探討較少。然而，湖泊沉積物的變化也反應(yīng)著古環(huán)境的變遷，因而，探明各沉積層的成因及其來(lái)源，可為重建古環(huán)境提供有力旁證。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)Fig.1 Map showing the study area and the sampling sites

本文針對(duì)古湖岸進(jìn)行系統(tǒng)采樣，并通過(guò)掃描電鏡手段將豬野澤古湖岸全新世剖面中部和底部砂層的35組砂樣和巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠以及白堿湖岸堤的16組砂樣進(jìn)行表面形態(tài)的對(duì)比分析，揭示了豬野澤QTH01和QTH02兩個(gè)剖面中砂層形成的原因及過(guò)程，為揭示豬野澤地區(qū)古環(huán)境的演變過(guò)程以及晚第四紀(jì)時(shí)期該地區(qū)湖岸的變遷提供依據(jù)。

1 區(qū)域概況

石羊河流域(37°02＇～ 39°17＇N，100°57＇～ 104°57＇E)位于甘肅省河西走廊東部，祁連山北麓，流域全長(zhǎng)300余km，總面積4.16萬(wàn)km2(圖1)。石羊河起源于祁連山，消失于巴丹吉林和騰格里沙漠之間的民勤盆地，主要由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營(yíng)河、東大河、西大河等8條河流組成。豬野澤系石羊河水系終端湖，位于民勤縣中渠鄉(xiāng)志云村北。豬野澤自全新世中后期以來(lái)，由統(tǒng)一湖泊逐步縮小瓦解成若干小湖泊或沼澤地，包括野麻湖、青土湖、東平湖、西硝池和白堿湖［20］，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，由于大量農(nóng)業(yè)用水，現(xiàn)已完全干涸。據(jù)馮繩武［20］的研究，豬野澤經(jīng)歷了多次湖面的變化，這從豬野澤周邊的多條古湖岸可以得到印證，但是關(guān)于豬野澤最高湖面位置的認(rèn)識(shí)歷來(lái)分歧頗大，經(jīng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)白堿湖是豬野澤終端湖最靠近末端的殘余。白堿湖規(guī)模宏大形態(tài)完整，是研究石羊河終端湖變遷的最佳地點(diǎn)。圍繞白堿湖有9級(jí)岸堤，是白堿湖湖面多次變遷的結(jié)果，本文所采用部分樣品是采自這9道岸堤的剖面。

2 研究材料及實(shí)驗(yàn)方法

QTH01和 QTH02剖面地理坐標(biāo)為 39°03＇N，103°40＇E，海拔1 309 m，剖面深度分別為692 cm，736 cm(圖2)。本文使用QTH01剖面16組樣品，QTH02剖面19組樣品，共35組采自剖面中部和底部砂層的樣品做電鏡分析。將巴丹吉林沙漠39.13°～41.78°N、101.47°～102.41°E，共 9 組樣品;騰格里沙漠39.15°N、104.18°E，3 組樣品;白堿湖古湖岸堤39.08°N、104.08°E，4 組樣品選為對(duì)比樣品(圖3)。在以上各組樣品均挑選出2～3 g砂顆粒進(jìn)行電鏡掃描。

圖2 剖面示意圖及年代結(jié)果Fig.2 Dates and lithology at QTH01 and QTH02 sections

粒徑0.005～0.01 mm石英砂基本可反映它的成因類(lèi)型，特征成因組合發(fā)育不全;0.01～0.125 mm石英砂完全可以反映成因類(lèi)型，表面結(jié)構(gòu)成因組合發(fā)育較全;0.125～0.5 mm石英砂基本為各成因沉積物中的最活躍組分，表面結(jié)構(gòu)成因組合發(fā)育齊全;大于0.5 mm石英砂表面特征及成因組合不全［21，22］。因此本次試驗(yàn)將樣品過(guò)30和120目試驗(yàn)篩，選取粒徑為0.5～0.125 mm的石英砂來(lái)觀察。

先將所選0.125～0.5 mm的樣品過(guò)30和120目試驗(yàn)篩，篩選好后用濃度為20%的HCl浸泡8 h后，用蒸餾水反復(fù)沖洗直至上清液為中性，再分別使用草酸溶液和無(wú)水乙醇再次沖洗至中性，清洗完畢后將沙樣烘干，然后在雙目鏡下挑選較好樣品，使用EIKOIB—3、IB—5型離子鍍膜儀噴鍍金膜后即可用掃描電鏡觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用了S—4800掃描電鏡儀器觀測(cè)，本實(shí)驗(yàn)在蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院完成。

圖3 采樣點(diǎn)Fig.3 Typical sampling sites

3 結(jié)果

石英砂顆粒在不同成因下各種表面結(jié)構(gòu)特征已有總結(jié)［11～13，23，24］，其中與本研究有關(guān)的表面結(jié)構(gòu)特征及其成因如表1所示。

豬野澤QTH01、QTH02剖面石英砂風(fēng)成環(huán)境下的典型結(jié)構(gòu)有蝶形坑和麻面，兩剖面蝶形坑結(jié)構(gòu)分布頻率分別11.86%和40.40%，麻面分別為13.55%和11.11%，雖然QTH01和QTH02剖面砂樣之間存在差別，但石英砂風(fēng)成結(jié)構(gòu)分布頻率大致趨勢(shì)與現(xiàn)代沙丘樣品和岸堤樣品分布頻率較為相似(圖4)，巴丹吉林沙漠石英砂蝶形坑和麻面結(jié)構(gòu)分別為36.95%和13.64%，騰格里砂樣分別為23.52%和29.41%，岸堤砂樣分別為31.57%和15.78%。具體統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

豬野澤剖面石英砂中水成環(huán)境下的典型結(jié)構(gòu)有V型坑、水下磨光面和硅化物沉淀結(jié)構(gòu)。QTH01、QTH02剖面砂樣中V型坑分布頻率分別為32.20%和26.26%，水下磨光面分布頻率為44.06%、56.56%，硅化物沉淀結(jié)構(gòu)分別為50.84%、75.75%。比較這三種水成特征結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，豬野澤剖面樣品V型坑分布頻率明顯少于水下磨光面和硅化物沉淀結(jié)構(gòu)，這可能與砂層形成過(guò)程中經(jīng)歷的不同水動(dòng)力條件有關(guān)。與岸堤砂樣相比，豬野澤剖面砂樣中水成結(jié)構(gòu)分布特征與岸堤砂樣較為相似，但從砂層整體沉積形態(tài)來(lái)看，岸堤砂層表面明顯具有其特有的層理結(jié)構(gòu)。干旱環(huán)境中的巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠砂樣與水環(huán)境下的樣品相比，硅化物沉淀結(jié)構(gòu)明顯少于后者。具體統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

豬野澤QTH01、QTH02剖面絕大部分石英砂表面既存在代表風(fēng)成環(huán)境的結(jié)構(gòu)又存在代表水成環(huán)境的結(jié)構(gòu)，說(shuō)明這部分石英砂既經(jīng)歷了風(fēng)成環(huán)境，又經(jīng)歷了水成環(huán)境，而且大部分石英砂表面的水成結(jié)構(gòu)疊加與風(fēng)成結(jié)構(gòu)之上，形成了代表不同沉積環(huán)境的微結(jié)構(gòu)共存的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

解理面與貝殼狀斷口一般在冰川作用或較強(qiáng)的外力碰撞、物理分化下較為發(fā)育［5］。豬野澤剖面砂樣與岸堤砂樣、騰格里沙漠砂樣、巴丹吉林沙漠砂樣中，石英砂顆粒表面解理面和貝殼狀斷口發(fā)育都很少。各采樣點(diǎn)砂樣的貝殼狀斷口的分布頻率都小于5%，解理面分布頻率大多在11%左右，說(shuō)明冰川對(duì)各采樣點(diǎn)砂樣影響較小。

圖4 各采樣點(diǎn)樣品結(jié)構(gòu)特征對(duì)比Fig.4 Comparison between samples from different sites

表2 石英顆粒表面結(jié)構(gòu)成因類(lèi)型的顆粒頻率統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical grain frequency for genetic types of quartz grain surface textures

圖5 各樣品磨圓度特征對(duì)比Fig.5 Comparison of the psephicity features

結(jié)合不同成因下石英砂的結(jié)構(gòu)特征，顆粒磨圓度可判斷砂粒被風(fēng)或水流搬運(yùn)的相對(duì)距離和湖泊的水動(dòng)力條件［25，26］。通過(guò)掃描電鏡從磨圓度分析，所觀測(cè)各采樣點(diǎn)石英砂顆粒以次圓狀和次棱角狀居多，棱角狀樣品相對(duì)也較多，圓狀結(jié)構(gòu)都比較少。豬野澤QTH01、QTH02剖面砂樣次圓狀顆粒和次棱角狀顆粒分布頻率總計(jì)占49.3%和68.37%，棱角狀顆粒分布頻率分別為36.98%、24.78%。與巴丹吉林沙漠、岸堤樣品的磨圓度曲線(xiàn)相似，但是同為現(xiàn)代沙丘沙的巴丹吉林砂樣和騰格里沙漠砂樣在顆粒磨圓度上也有明顯差別(圖5)，這可能是由于騰格里沙漠樣品較少，在統(tǒng)計(jì)中沒(méi)有代表性。從磨圓度分布的表現(xiàn)來(lái)看QTH01和QTH02剖面的石英砂磨圓度不等，但次圓狀和次棱角狀居多，且與沙丘沙磨圓度特征相似，風(fēng)成特征明顯，說(shuō)明這部分石英砂顆粒經(jīng)歷不同距離的風(fēng)力搬運(yùn)過(guò)程。

4 討論

圖6 掃描電鏡下石英砂表面典型微結(jié)構(gòu)Fig.6 The typical surface microtextures of quartz sand under SEM

在風(fēng)成環(huán)境下，石英砂顆粒多次圓狀和次棱角狀外形，在此背景下，表面常有蝶形坑、麻面等風(fēng)成環(huán)境下的典型特征結(jié)構(gòu)［25］。豬野澤剖面樣品中絕大部分砂樣既有風(fēng)成結(jié)構(gòu)也有水成結(jié)構(gòu)。QTH01和QTH02剖面砂樣與岸堤砂樣中的風(fēng)成結(jié)構(gòu)分布特征與現(xiàn)代沙丘的風(fēng)成結(jié)構(gòu)分布特征較為相似，說(shuō)明兩者在形成過(guò)程中經(jīng)歷了大致與現(xiàn)代沙丘相似的風(fēng)成環(huán)境。QTH01和QTH02剖面絕大部分砂樣表面存在麻面和硅質(zhì)沉淀、V型坑和麻面、蝶形坑和V型坑等復(fù)合結(jié)構(gòu)(圖6-a，b，c)，這說(shuō)明這部分砂粒既經(jīng)歷了風(fēng)成環(huán)境也經(jīng)歷了水成環(huán)境。豬野澤QTH01、QTH02剖面水下磨光面和硅質(zhì)沉淀大多是在風(fēng)成特征基礎(chǔ)之上形成，大部分蝶形坑底部沉淀有硅化物，或凹坑底部已經(jīng)被磨光(圖6-d，e)說(shuō)明這一時(shí)期流域風(fēng)沙活動(dòng)頻繁，使得這部分砂粒在風(fēng)力環(huán)境中形成這些典型的風(fēng)成結(jié)構(gòu)，后期搬運(yùn)到湖盆，在湖泊弱的水動(dòng)力條件和相對(duì)較高的鹽度環(huán)境下，形成了磨光面和硅質(zhì)沉淀結(jié)構(gòu)。豬野澤砂層石英砂的風(fēng)成結(jié)構(gòu)保存的也較完好，說(shuō)明后期在水環(huán)境中沒(méi)有經(jīng)歷強(qiáng)烈的搬運(yùn)。QTH01、QTH02剖面石英砂磨圓度相對(duì)較高，絕大部分石英砂外形呈次圓狀和次棱角狀，磨圓度特征與岸堤砂樣和現(xiàn)代沙丘砂樣較為相似(圖6-f，g.j)，說(shuō)明剖面砂層與岸堤砂層在形成時(shí)的搬運(yùn)過(guò)程與現(xiàn)代沙丘砂較為相似。

豬野澤剖面水環(huán)境下的石英砂顆粒表面典型的結(jié)構(gòu)特征有V型坑、水下磨光面以及小規(guī)模的硅化物沉淀結(jié)構(gòu)。V型坑的大小、深淺、多少及分布范圍和流水沖擊能量有關(guān)，其形成需相對(duì)較強(qiáng)的水動(dòng)力條件［25］。水下磨光面一般與相對(duì)穩(wěn)定的水動(dòng)力條件相關(guān)［4］。豬野澤 QTH01、QTH02剖面砂樣中，不論是發(fā)育有V型坑的石英砂顆粒數(shù)量，還是V型坑結(jié)構(gòu)的分布頻率，都明顯少于水下磨光面和硅化物沉淀結(jié)構(gòu)，而且這部分表面有V型坑的石英砂顆粒磨圓度都較高，以次圓狀顆粒居多，V型坑邊緣多被磨圓(圖6-h)，硅化物沉淀結(jié)構(gòu)形成在V型坑之上(圖6-i)，因此說(shuō)明這少部分石英砂可能先經(jīng)力了較長(zhǎng)的河流搬運(yùn)過(guò)程，后期匯入水動(dòng)力條件相對(duì)穩(wěn)定的湖泊環(huán)境中后，在低凹的V型坑底部沉淀了硅化物，且河水的鹽度和水動(dòng)力條件也不利于硅質(zhì)沉淀的形成。剖面砂樣的V型坑分布較少也說(shuō)明了該時(shí)期河流對(duì)湖泊的影響較小或水流搬運(yùn)作用不強(qiáng)。QTH01、QTH02剖面砂樣水成結(jié)構(gòu)分布特征與岸堤石英砂水成結(jié)構(gòu)的分布頻率較相似(圖6-j)，岸堤一般是形成于穩(wěn)定的水動(dòng)力環(huán)境之下，且具有岸堤砂層特有的斜紋層理，而剖面砂層不具斜紋層理，因此說(shuō)明，剖面砂層與岸堤砂層形成時(shí)所處的水動(dòng)力環(huán)境較為相似，但豬野澤剖面位置并非為岸堤，且砂粒在后期經(jīng)歷的水環(huán)境較為穩(wěn)定，湖泊沒(méi)有較大的波動(dòng)。

在進(jìn)行石英砂顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，豬野澤QTH01、QTH02剖面、岸堤、現(xiàn)代沙丘砂樣中，貝殼狀斷口和解理面結(jié)構(gòu)發(fā)育都很少，說(shuō)明冰川作用對(duì)各采樣點(diǎn)石英砂形成的影響都較小。豬野澤 QTH01、QTH02剖面砂樣中發(fā)育有貝殼狀斷口的石英砂顆粒磨圓度一般都很差，多為棱角狀(圖6-k)，豬野澤距上游冰川發(fā)育的祁連山距離較遠(yuǎn)，經(jīng)搬運(yùn)顆粒磨圓度應(yīng)較好，而這部分砂粒磨圓度相對(duì)都較差，可排除冰水作用的影響，因此這部分砂粒很可能是湖泊周?chē)傲＝?jīng)較強(qiáng)風(fēng)力作用或物理風(fēng)化下形成后匯入湖盆的近源沉積物，這也說(shuō)明這一時(shí)期湖泊周?chē)脖桓采w度較低，本文作者在對(duì)該流域古氣候重建時(shí)也得出這一階段有相對(duì)的干旱事件［14～16］。

石英砂化學(xué)特征的形成與弱的水動(dòng)力作用和高鹽環(huán)境有關(guān)?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)在不同的環(huán)境中也有所不同，高溫潮濕的環(huán)境化學(xué)結(jié)構(gòu)較發(fā)育［28］，多化學(xué)溶蝕結(jié)構(gòu)，如溶蝕坑或溝等。氣候相對(duì)干冷的環(huán)境，化學(xué)結(jié)構(gòu)不發(fā)育，只有規(guī)模較小的硅化物沉淀結(jié)構(gòu)，如硅質(zhì)球、硅質(zhì)鱗片，薄膜等硅化物的零星沉淀。對(duì)于北方干旱區(qū)，石英砂硅化物沉淀結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定的水環(huán)境中發(fā)育的相對(duì)要多，在沙丘砂表層中分布較少?，F(xiàn)代沙丘砂樣石英顆粒表面化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)育較少，顆粒表面比較平整(圖6-l)，這是因?yàn)樯衬畾夂蚋稍?，沙丘?jīng)常運(yùn)動(dòng)［28］，不利于石英砂化學(xué)結(jié)構(gòu)的形成。與巴丹吉林沙漠相比，豬野澤QTH01和QTH02剖面樣品中硅化物的沉淀結(jié)構(gòu)較多，多為硅質(zhì)鱗片、薄膜、硅質(zhì)球等結(jié)構(gòu)，并不發(fā)育大規(guī)模的硅質(zhì)沉淀和溶蝕結(jié)構(gòu)，這可能與北方干旱區(qū)相對(duì)低溫的環(huán)境有關(guān)。

5 結(jié)論

綜合上述分析可得，豬野澤QTH01、QTH02剖面砂層大部分石英砂兼具風(fēng)成結(jié)構(gòu)和水成結(jié)構(gòu)，且水成特征覆蓋于風(fēng)成特征之上，說(shuō)明剖面砂層是先經(jīng)歷了風(fēng)成環(huán)境，后轉(zhuǎn)向湖相沉積，這一時(shí)期流域較強(qiáng)的風(fēng)沙活動(dòng)可能是其動(dòng)力因子。少部分砂是通過(guò)流水輸入湖泊。

處于古湖泊不同位置的QTH01、QTH02剖面與岸堤，其樣品中石英砂顆粒表面風(fēng)成結(jié)構(gòu)、水成結(jié)構(gòu)和磨圓度特征都較相似，說(shuō)明兩者砂層形成過(guò)程相似。兩者與現(xiàn)代沙丘砂樣的磨圓度特征也較相似，說(shuō)明都經(jīng)歷了大致與現(xiàn)代沙丘砂相同的搬用過(guò)程。

通過(guò)比較分析剖面與岸堤砂樣結(jié)構(gòu)特征可知，豬野澤砂層沉積時(shí)期，該流域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈，湖泊水動(dòng)力條件穩(wěn)定，河流對(duì)湖泊的影響較小，湖泊沒(méi)有較大的波動(dòng)。

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