陳明勇，徐勝利，吳中海，李躍華，3，4，趙希濤，，張克旗，馬志邦，馬 丹，田婷婷，3

(1.新疆地質(zhì)調(diào)查院第四地質(zhì)調(diào)查所，新疆昌吉831100;2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京100081;3.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083;4.安徽地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，安徽蚌埠233000;5.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京100029)

0 引言

湖灘巖是在特定氣候、水化學(xué)條件下、于特定地貌部位沉積并成巖的，是反映古湖面變化的重要沉積記錄，因此，可以根據(jù)它的巖性、巖相及其時代，揭示湖泊的湖面變化過程及相關(guān)的氣候環(huán)境意義。

賽里木湖位于新疆維吾爾自治區(qū)博爾塔拉蒙古自治州博樂市境內(nèi)，又稱三臺海子，經(jīng)緯度為80°59'—81°22'E，44°30'—44°43'N，湖泊形狀大體上呈棱形，長軸東西向，長約30 km，短軸南北向，長約27 km［1～2］，為新構(gòu)造期間北天山西段在近南北向擠壓縮短變形過程中所形成的一個斷陷湖。該湖的湖面海拔2071.9 m，面積453 km2，最深處約86 m，儲水量約21×109m3，是新疆面積最大的高山冷水湖。

2011年期間，筆者在賽里木湖盆地開展1∶50000第四紀地質(zhì)填圖和湖泊演化研究過程中，沿該湖泊的湖岸階地或湖積臺地發(fā)現(xiàn)了與古湖面波動直接相關(guān)的湖濱相沉積物記錄——湖灘巖。之前有研究者對其他地區(qū)湖泊的類似沉積物進行過沉積相、礦物巖石學(xué)特征和同位素測年等方面的研究，并將這種發(fā)育于湖泊周緣，在特定環(huán)境和特定地貌部位形成的，能夠直接反映古湖面波動的特殊湖相沉積巖定名為湖灘巖［3～7］。已有研究認為，湖灘巖多分布于湖積階地與古湖岸堤的頂部，是湖岸堤形成過程中因湖水的蒸發(fā)作用造成碳酸鹽類礦物結(jié)晶、并膠結(jié)湖濱相砂礫石所形成，因此，都以鈣質(zhì)膠結(jié)砂礫巖面貌出現(xiàn)。簡而言之，湖灘巖是一種形成在湖岸潮間帶上的由碳酸鹽膠結(jié)湖相砂、礫石沉積物的富碳酸鹽類膠結(jié)巖。

1 賽里木湖灘巖的發(fā)現(xiàn)及其分布特征

賽里木湖盆地的第四紀地質(zhì)填圖結(jié)果表明，賽里木湖沿岸分布有多級主要由湖相砂、礫石沉積物所組成的湖岸階地和由湖濱相礫石堆積所構(gòu)成的古湖岸堤以及相關(guān)的湖蝕崖 (見圖1)等湖岸地貌，尤其是古湖岸堤、湖蝕崖沿湖周緣間斷分布，地貌特征非常顯著。湖灘巖主要沿該湖泊周緣的古湖岸堤呈不連續(xù)分布，最常見于賽里木湖東南部的古湖岸線呈半封閉狀的古湖灣內(nèi)側(cè) (見圖1)。基本的分布特點是:①都出現(xiàn)在古湖岸呈半封閉的區(qū)域上;②都發(fā)育在現(xiàn)代湖水退縮后的濱湖地帶——湖積臺地和古湖岸堤上，并構(gòu)成它們的組成部分(見圖1，圖2)。

利用水準儀對保存湖灘巖的地貌部位的相對高程進行測定表明，賽里木湖東南部的湖灘巖主要分布在7.1～9.4 m和33.4～39.7 m的低、高兩級湖積臺地上 (見圖1，圖3)。不同形成時期的湖灘巖保存和分布的地貌部位不相同，也常具有不同的堆積形態(tài)。其中在賽里木湖東南岸S7剖面上，湖灘巖主要分布在7～9 m高程的湖岸階地至33～40 m高程的高湖岸堤之間的多個高度上，包括在高程33～34 m的高湖岸階地后緣也有湖灘巖出露 (見圖3)。但在賽里木湖東部S1剖面上，僅有三臺烏伊公路北側(cè)附近第13道湖岸堤的堤頂部高出現(xiàn)今湖面34～35 m高度附近發(fā)現(xiàn)湖灘巖。

2 湖灘巖礦物巖石學(xué)特征

賽里木湖的湖灘巖都分布在高湖積臺地與古湖岸堤上。這里遠離河流、冰川等淡水補給源，受到的淡水影響較小，這就造成了局部湖水的咸化，導(dǎo)致湖水中鈣質(zhì)、礦物質(zhì)含量相對變高，從而影響巖石的膠結(jié)作用。進一步研究湖灘巖的巖石學(xué)與礦物學(xué)特征，可增進對湖灘巖成巖作用及其后期變化的了解，并幫助理解湖灘巖形成時期的環(huán)境特點。

圖1 賽里木湖東南部湖灘巖出露分布圖Fig.1 Distribution map of the lacustrine-beach rock around south-east Sayram Lake

圖2 賽里木湖東南部湖灘巖分布特征Fig.2 Distribution characteristics of the lacustrine-beach rock around south-east Sayram Lake

2.1 巖石學(xué)特征

圖3 賽里木湖南岸湖積臺地剖面與湖灘巖分布圖Fig.3 The section of lacustrine facies at the south of Sayram Lake and the distribution of lacustrine-beach rock

賽里木湖周緣湖灘巖的顯微特征顯示，該區(qū)湖灘巖是典型的方解石膠結(jié)砂屑礫屑巖，塊狀構(gòu)造，基底式及接觸式膠結(jié) (見圖4a、4b)。巖石主要由內(nèi)碎屑、藻團塊、陸源碎屑、膠結(jié)物和泥晶填隙物等構(gòu)成。內(nèi)碎屑由粉泥晶灰?guī)r、粉晶灰?guī)r、鈣板巖、細晶灰?guī)r、粉細晶白云巖、單晶方解石、單晶白云石等構(gòu)成，碎屑呈次棱角—圓狀，略顯方向性，內(nèi)碎屑以2.0～30.0 mm的礫級屑 (30% ～50%)為主，少量 (10% ～30%)砂級碎屑 (0.1～2.0 mm，見圖4c)。藻團塊呈不規(guī)則團狀，由泥晶方解石及藻類 (見圖4d)構(gòu)成，有的似紋層狀與亮晶方解石相間排列而構(gòu)成瑪瑙紋構(gòu)造 (見圖4e)。陸源碎屑 (10%～20%)由巖屑及少量石英構(gòu)成，次棱角—棱角狀，零散顯方向性分布，主要為硅質(zhì)巖、石英巖，大小0.05～15.00 mm不等，而湖灘巖的膠結(jié)物 (10%～15%)主要由亮晶方解石及少部分文石構(gòu)成。部分湖灘巖可見粒徑小于0.01 mm的泥晶填隙物 (見圖4f)，個別湖灘巖還含有少量被方解石填充的腕足類生物碎屑，并偶見海百合生物碎屑。湖灘巖的膠結(jié)物多由呈清晰纖狀、刃狀的亮晶方解石和文石構(gòu)成。

2.2 礦物學(xué)特征

湖灘巖的成巖機制及其蘊含的古環(huán)境信息，可通過對膠結(jié)物成分的分析來進行。對賽里木湖湖灘巖樣品經(jīng)X射線衍射定量分析表明，該區(qū)湖灘巖的膠結(jié)物主要由方解石 (30%～45%)、白云石 (20%左右)和少量的文石 (＜2%)組成 (見圖5)。同時，鑒定測得少量石英和長石成分，可能是由于少量的石英和長石等局部混入膠結(jié)物造成的。

湖灘巖是在湖水作用下膠結(jié)形成的，這類巖石的初始膠結(jié)物通常為賽里木湖水中經(jīng)常形成的文石和高鎂方解石。有國外研究者指出，膠結(jié)物的礦物組成取決于孔隙中的Mg2+濃度，在Mg2+/Ca2+比值較高的環(huán)境里，膠結(jié)物通常為較不穩(wěn)定的高鎂方解石或文石［8～9］。文石是一種不穩(wěn)定的含鈣鎂碳酸鹽礦物，在表生環(huán)境中容易轉(zhuǎn)變成方解石。當(dāng)賽里木湖湖面發(fā)生下降時，湖灘巖脫離湖水環(huán)境，巖石暴露于表生環(huán)境中，受到大氣降水或地下水影響發(fā)生新生變形 (Neomorphism)，使得最初的膠結(jié)物由亞穩(wěn)定的高鎂方解石或文石發(fā)生退變，原先膠結(jié)的文石在后期逐漸轉(zhuǎn)變成為含鎂低的方解石 (普通方解石)，使得湖灘巖膠結(jié)物中的文石含量很少。

圖4 賽里木湖周緣湖灘巖顯微特征Fig.4 Micro-characteristics of the lacustrine-beach rock around south-east Sayram Lake

圖5 湖灘巖膠結(jié)物X射線衍射圖譜Fig.5 The X-ray diffraction gram of the lacustrine-beach rock cement

綜合分析可知，賽里木湖周緣發(fā)現(xiàn)的湖灘巖均是湖濱相的粗粒碎屑經(jīng)碳酸鹽膠結(jié)而形成的沉積巖。這些湖灘巖固結(jié)程度良好，與其下伏湖濱相松散沉積物呈逐漸過渡接觸關(guān)系，湖灘巖的碎屑成分與湖濱松散沉積物相同，這與前人對此類巖石的研究結(jié)果［3，10～13］基本一致。

3 湖灘巖U系測年及形成年代分析

為進一步探明湖灘巖的形成時代，沿賽里木湖東南部3個實測湖岸剖面采集了3個湖灘巖樣品和1個覆蓋在高湖岸階地后緣洪積扇頂部的鈣質(zhì)膠結(jié)砂礫巖樣品，并采用鈾系不平衡測年方法進行了年代學(xué)測試分析。其中的湖灘巖樣品分別采集于賽里木湖東三臺烏伊公路北側(cè)附近最高湖岸堤的頂部，以及湖東南岸7～9 m高程的湖岸階地頂部，洪積相的鈣質(zhì)膠結(jié)砂礫巖樣品采自拔湖38～40 m洪積扇頂部。4個樣品的拔湖高度與巖性見表1。

U系年代學(xué)測試中將湖灘巖樣品物質(zhì)視為自然形成的未受到重結(jié)晶作用影響的純碳酸鹽，對這些樣品直接進行234U/238U和230Th/234U比值的測試［14］，并以GBW04412作為U系年齡標準物質(zhì)，將其作為標樣參考值與樣品的測試結(jié)果進行對比。測試過程為:首先將野外采集的方解石樣品表面清污并研磨至小于150μm(100目)，再經(jīng)過溶解、U和Th放射性物質(zhì)的化學(xué)分離與純化以及α譜測量，最后根據(jù)測得的238U、234U、230Th和232Th放射性活度值，計算出234U/238U、230Th/234U和230Th/232Th比值與誤差，將其代入ISOPLOT程序獲得樣品的年齡值。經(jīng)過處理的樣品年齡測定數(shù)據(jù)見表1。賽里木湖沿岸的3個湖灘巖的U系全溶樣品年齡測定結(jié)果表明，其U系年齡呈現(xiàn)自拔湖較高向較低處由老變新的特點，表明年齡結(jié)果與地貌部位的相對新老相吻合，說明測試結(jié)果是相對可靠的。

表1 賽里木湖湖灘巖出露高程及鈾系測試結(jié)果Table 1 Elevations and U-series dates of the lacustrine-beach rock around the Sayram Lake

根據(jù)樣品的U系測年結(jié)果可以初步確定，賽里木湖自拔湖高度7.14 m以上，位于第一級湖岸階地與第二級湖岸階地之間的地貌部位的高位湖相沉積，形成于距今24.8±1.5～27.6±1.5 ka間的晚更新世晚期，大致相當(dāng)于深海氧同位素MIS3(距今56～25 ka)的晚期。拔湖高度34.72 m的高湖積階地和最高湖岸堤，則大致形成于距今55.4±3.8 ka的MIS3的早期。而在湖南部S7剖面上，年齡為距今37.0±2.2 ka的洪積扇覆蓋于高湖積臺地后緣 (該洪積扇的中下部可能與湖積臺地呈相變關(guān)系)，這也指示高湖積臺地上的湖灘巖年齡應(yīng)該老于MIS3的中期，即形成于MIS早期。

4 討論

湖岸帶受到水陸交互作用的影響，能夠?qū)Νh(huán)境變化迅速響應(yīng)。而湖灘巖與形成于潮間帶上的湖岸堤類似，都是在湖泊整體退縮過程中湖面保持相對穩(wěn)定階段，在水陸交互作用下沿湖岸帶所形成的沉積記錄。由于湖灘巖成巖于潮間帶上，且成巖過程迅速，并多直接構(gòu)成古湖岸線的一部分，出露位置可以指示與它形成同期的平均湖面位置，是指示古湖面的直接標志，其年齡也可近似代表相同高度上古湖岸線的時代。因此，可利用對湖灘巖的研究來揭示過去相對湖面變化的特征，一直是研究湖岸帶變遷過程以及相關(guān)的氣候環(huán)境意義的重要標志［15～20］。在賽里木湖地區(qū)高、低兩級湖積臺地上新發(fā)現(xiàn)的湖灘巖，顯然指示了該區(qū)最近兩次顯著的高湖面階段和隨后的湖面下降過程。湖灘巖樣品的U系年代學(xué)測試結(jié)果表明，它們主要形成于距今24.8±1.5 ka至27.6±1.5 ka和距今55.4±3.8 ka左右的MIS3階段。因此，屬于末次冰期MIS3間冰階湖面變化過程的重要沉積記錄。

距今59～29 ka(或56～25 ka)的深海氧同位素第3階段 (MIS3)是末次冰期中氣候相對暖濕的特殊時期 (也稱“末次間冰階”)，并具有全球性意義［21～22］。當(dāng)時的全球氣溫普遍升高，平均氣溫比現(xiàn)今可高出3～4℃，大陸冰蓋顯著退縮，山地冰川融化，海平面上升［23］。該期氣候變化在中國中—西部的冰芯、黃土、湖泊和沼澤泥炭等多種不同來源的氣候記錄中都有明顯顯示，并可進一步劃分出多個冷、暖變化階段［23～27］。如施雅風(fēng)等［26］根據(jù)青藏高原的古里雅冰芯記錄在MIS3階段進一步劃分出了a、b、c等3個亞階段，其中3c(早期)與3a(晚期)為2個明顯的暖期，溫度分別高出現(xiàn)代3℃和4℃。陳一萌等［24］對黃土高原西部臨夏塬堡剖面的研究表明，末次冰期大間冰階的MIS3可劃分為距今56.1～42.2 ka強溫濕、距今39.3～33.1 ka弱溫濕與距今31～25 ka中等溫濕3個溫濕期和其間距今42.2～39.3 ka與距今33.1～31.0 ka的2個干冷期。李世杰等［25］對青藏高原西北部甜水海盆地湖泊沉積巖心的研究表明，甜水海分別在MIS3時期距今59～56 ka、49～47 ka、45～41 ka、35.5～34.0 ka和28～25 ka期間存在高湖面，并認為高湖面的出現(xiàn)與氣候變暖導(dǎo)致的冰川融水增加或氣候變濕造成的降水增加有關(guān)。朱蕓等［27］對神農(nóng)架沼澤泥炭沉積的環(huán)境氣候指標研究結(jié)果顯示，該區(qū)在MIS3階段的早期 (距今60～49 ka)和晚期 (距今38.5～26.1 ka)存在大氣濕度明顯增高和氣溫升高現(xiàn)象。

上述研究表明，MIS3階段的早期和晚期，在中國不同的氣候區(qū)都存在比較較明顯的高溫高降水氣候特征，這一氣候特點顯然有利于處于西北干旱區(qū)天山腹地中的古湖泊出現(xiàn)相對穩(wěn)定的高湖面階段。賽里木湖周緣高、低兩級湖積臺地上的湖灘巖年齡表明，在MIS3的早、晚期，賽里木湖先后出現(xiàn)了高湖面，并保持穩(wěn)定了較長的時間，為湖灘巖的發(fā)育創(chuàng)造了條件。因此，可以說賽里木湖高湖面的出現(xiàn)是MIS3階段暖濕氣候特點的結(jié)果。遙感解譯和地表調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，賽里木湖盆地周緣山地在末次冰期都曾不同程度地發(fā)育古冰川，特別是西部山地，至今還有小規(guī)?，F(xiàn)代冰川殘留。因此，MIS3階段早、晚期的暖濕氣候，會造成山地冰川融化，并發(fā)生顯著退縮，再加上相對充沛的降水，可為湖泊提供充足的水源供應(yīng)，從而使得湖泊的水源供給大于或等于湖水的蒸發(fā)量，形成高湖面并保持湖面穩(wěn)定。除了最為顯著的高、低兩級湖積臺地，在賽里木湖周緣還發(fā)育多道古湖岸堤和湖岸階地，它們的存在表明，在MIS3期間和之后，賽里木湖還經(jīng)歷了多個湖面波動過程，反映了該區(qū)還存在多個次一級的冷暖氣候變化過程。另外，從賽里木湖的湖岸階地和湖岸堤發(fā)育特點不難看出，該區(qū)MIS3階段早期的高湖面是范圍最大的，也是保持時間相對最長的，之后的湖泊整體上處于不斷退縮過程中，這也與該區(qū)末次冰期以來冰川規(guī)模不斷退縮的過程是吻合的，都反映了西天山地區(qū)在MIS3以來氣候不斷干旱化的趨勢。但在區(qū)域氣候不斷干旱化過程中，仍存在多個相對暖濕的氣候階段，使得湖面能夠得以保持相對穩(wěn)定或略有上升，從而形成了高湖積臺地之后的多個階地和多道規(guī)模不等的古湖岸堤。如能對這些階地和湖岸堤的發(fā)育特點及時代做進一步研究，將有助于更深入地了解該區(qū)在MIS3以來的湖面變化過程和相關(guān)氣候環(huán)境演化特征。

5 結(jié)論

賽里木湖的湖灘巖是湖濱相粗粒碎屑經(jīng)碳酸鹽膠結(jié)而形成的沉積巖，是在湖泊整體退縮過程中湖面保持相對穩(wěn)定階段，在水陸交互作用下沿湖岸帶所形成的沉積記錄，也是指示古湖面的直接標志。

賽里木湖最近一期最高湖面出現(xiàn)在距今55.4 ka左右末次間冰階早期，可高出現(xiàn)今湖面35～40 m，高湖面的出現(xiàn)與MIS階段氣候變暖濕密切相關(guān)。

最近一次相對穩(wěn)定的高湖面期出現(xiàn)在MIS3階段的末期，僅高出現(xiàn)今湖面7～9 m左右，隨后的末次盛冰期可能造成了湖面。

賽里木湖在MIS3階段以來整體處于湖面逐步降低的過程中，反映了該區(qū)氣候的逐步干旱化趨勢，但在期間存在多次氣候相對暖濕期，并造成湖面相對擴張或穩(wěn)定，并可形成湖灘巖沉積記錄。

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