太原盆地QK1鉆孔60 ka.B.P.以來氣候環境演化的沉積記錄

劉 瑋， 王利康， 楊振京， 畢志偉， 寧 凱， 楊慶華

(1.中國地質科學院水文地質環境地質研究所，石家莊 050061；2.河北地質大學資源學院，石家莊 050031)

第四紀沉積物形成于不同的沉積環境，同時記錄著環境信息的變化，沉積物中的磁性礦物也同時記錄著古氣候的變化規律，磁化率作為一個重要的環境指標，在第四紀古氣候研究中得到廣泛的應用[1-3]。沉積物粒度特征可以作為確定沉積動力、搬運條件、物質來源以及環境變化的重要手段，在確定沉積環境以及區域氣候變化中發揮著重要的作用[4-6]。磁化率和粒度在重建古氣候古地理方面有著重要的意義，前人在河流、湖泊的沉積物粒度和磁化率重建古氣候古地理方面做了大量的研究工作，取得許多重要成果[7-10]。為河湖相沉積物的研究提供了重要的參考。

太原盆地位于山西省中部，區域內東側為太行山，西側為呂梁山，隔靈石隆起與臨汾盆地相接。地形上呈北東走向，是新生代形成的斷陷盆地，海拔高度為700～800 m，盆地長約150 km，寬30～40 km，面積大約5 016 km2[11-12]。汾河自北向南貫穿整個盆地，農業與工業發達，是山西省人口的主要密集區域。

現選取太原市QK1鉆孔的沉積物粒度和磁化率作為研究對象，結合光釋光和14C測年，探討太原盆地QK1鉆孔60 ka.B.P.以來的氣候環境變化，了解太原盆地氣候環境演變過程。

1 材料與研究方法

QK1鉆孔位于太原市清徐縣西谷鄉西谷村東南部，汾河的東部。地理坐標: N:37°34′04.9″; E:112°24′14.1″,H:741 m(圖1)該鉆孔終孔深度為600.28 m，在0～55 m取得粒度樣品86件，磁化率樣品202件，光釋光年代樣品9件，14C年代樣品2件。

圖1 QK1鉆孔位置

粒度樣品、磁化率樣品和光釋光樣品在中國地質科學院水文地質環境地質研究所實驗室進行，粒度分析儀器為英國MALVERN公司生產的Mastersize2000激光粒度儀，磁化率樣品使用Bartington公司生產的MS2型高低頻磁化率測量儀測量，光釋光年代數據由Daybreak2200儀器測得。14C年代數據由北京大學考古文博學院測試完成，使用加速器測年法，使用IntCall3atomospericcurve曲線進行樹輪校正，使用程序為OxCalv4.24BronkRamsey。

2 結果與分析

2.1 巖性特征

結合鉆孔巖心，將鉆孔沉積物根據巖性、顏色等特征，劃分為 17層。對各層位進行顆粒組分的計算，QK1鉆孔0～55 m粉砂級顆粒占比平均值在66.12%，粗顆粒含量在25～49 m有所增加，主要的巖性為中砂和細砂。

2.2 年代序列與沉積速率

QK1鉆孔的年代序列是根據9個光釋光測年數據和2個14C測年數據(圖2)建立的，年代序列之間采用線性內插方法。根據光釋光測年數據，55 m巖心底部年齡為59.6 ka.B.P.。為晚更新世晚期以來的沉積，根據測年結果分析，年齡深度模式圖(圖3)呈較好的線性關系，屬高度正相關(R2=0.917 4)。太原盆地QK1鉆孔60 ka.B.P.以來平均沉積速率為0.09 cm/a。其中全新世平均沉積速率為0.21 cm/a。明顯高于盆地周邊其他鉆孔全新世沉積速率[13]。

圖2 QK1鉆孔地層與年代框架柱狀圖

2.3 沉積物磁化率變化特征

磁化率是衡量沉積物磁化難易程度的指標，可以反映沉積物沉積時的氣候環境的變化。從而指示氣候的分異以及變化[14-15]。第四紀沉積物中的磁性礦物大多與當時的氣候變化和沉積環境相關。因此，磁化率指標多用于重建第四紀古氣候的研究中[16-17]。由于沉積環境和氣候發生改變，磁化率強度都會隨之改變，因此，對于磁化率的分析要根據不同的沉積環境和氣候變化來進行綜合分析。

從QK1鉆孔的磁化率曲線(圖4)上來看， QK1鉆孔前55 m的質量磁化率值介于(7.44～161.35)×10-8m3/kg，平均值為42.12×10-8m3/kg。從磁化率曲線可以看出，太原盆地QK1鉆孔前55 m磁化率變化較大，從49.5～55 m，磁化率曲線變化趨于平緩。0～49.5 m，磁化率曲線呈現高低振蕩的變化。分別在23.5 m和46.5 m處達到低值和高值。

圖3 QK1鉆孔年齡-深度線性關系及沉積速率

圖4 QK1鉆孔磁化率曲線

2.4 沉積物粒度變化特征

2.4.1 粒度組分特征

粒度組分是恢復古氣候-古環境的代用指標[18]，太原盆地沉積物粒級劃分按照國際上廣泛使用的伍登-溫特華斯(Udden-Wentworth)標準，分為黏土(<4 μm)、粉砂(4～64 μm)和砂(>64 μm)三個級別[19]。

結合山西省區域地質志與實際測試結果，測試樣品的粒徑數據從0.2～1 002 μm均有分布，其分巖性主要以粉砂為主，粉砂和砂含量隨著深度主要分布于4～64 μm。QK1鉆孔0～55 m粒度組的增加兩者呈現明顯的變化，表現為對稱分布。其中，粉砂含量占有優勢，平均含量為65.4%；砂平均含量為23.51%。黏土含量較少并且相對的穩定，平均含量為11.1%。

2.4.2 粒度參數特征

沉積物粒度參數對判斷沉積環境具有很好的指示意義[20]。沉積物粒度主要參數有平均值(Mz)、標準偏差(Sd)、偏度(Sk)和尖度(Kg)。其中各參數在在一定的數量值內表示不同的沉積環境粒度特征。根據沉積物粒度測試數據，計算得出樣品的平均值、標準差、偏度、尖度等粒度參數，并繪制頻率曲線和概率曲線[21]。

粒度參數可以反映了沉積物的沉積特征和沉積環境的變化。通過對QK1鉆孔60 ka.B.P.以來地層中86個沉積物粒度測試數據的統計，粒度特征如圖5所示，平均粒徑在(2.71～7.47)φ[φ代表粒徑的單位，反映粒徑的粗細。粒徑越粗，φ越小；粒徑越細，φ越大，φ=-log2(2，μm)]之間，變化幅度較大，平均粒徑為5.37φ，表明沉積物多數為細砂、粉砂為主的較細組分，偏態為0.03～2.41，多為正偏態；標準偏差變化為1.1～2.72，標準差平均值為1.67。分選較差；尖度是可以反映沉積環境對沉積物的改造[20]，尖度變化為2.39～6.98，變化幅度較大。

圖5 QK1鉆孔沉積物粒度分布

圖6 QK1鉆孔柱狀圖與樣品頻率曲線、概率累積曲線對比圖

3 太原盆地QK1鉆孔60 ka.B.P.以來的氣候環境演化特征

沉積環境的不同會導致頻率分布曲線和概率累積曲線的變化，不同的曲線形式反映了不同的搬運方式、水動力條件[22-24]。QK1鉆孔的頻率分布曲線特征如圖6所示，根據QK1鉆孔0～55 m樣品的巖性特征、粒度組分以及磁化率的變化特征可以將其劃分為6個階段。

第一階段：59.6～40 ka.B.P.(55～49.5 m)沉積物為灰色、深灰色亞黏土或黏土，該階段沉積物平均粒徑的變化范圍在(5.38～6.71)φ，顆粒很細，分選較好，偏度屬正偏態，頻率曲線以單峰為主，也含有少量雙峰以及多峰。峰態很窄，沉積物的粒級較為集中。概率累積曲線以兩段式為主，兩段式截點介于(5～7)φ。磁化率在該階段較為平穩，因此推斷本階段沉積環境較為簡單，沉積水動力條件較弱。

第二階段：40～31.5 ka.B.P.(49.5～37.5 m)巖性主要為灰色、深灰色亞黏土，間夾雜黃色粉細砂。粉細砂段位于45.5～47.5 m，砂含量約76.29%，黏土含量約為1.86%，平均粒徑為3.38φ,標準差為1.56φ，分選較好，偏度為1.66，屬極正偏態。頻率曲線以雙峰為主，峰態極窄，概率累積曲線以兩段式為主，截點介于(2～4)φ。亞黏土段砂含量為20.97%，粉砂含量為69.89%，平均粒徑為5.38φ，偏度為0.85φ。屬正偏態。頻率曲線以雙峰為主，部分樣品為單峰，概率累積曲線多為兩段式。磁化率在該階段具有高值，變化范圍較大。可以推斷該階段沉積環境較上一階段比較復雜，水動力條件雖有所增強，但沉積水動力條件依舊較弱。

第三階段：31.5～14.58 ka.B.P.(37.5～29.5 m)巖性以灰棕色中細砂以及灰色黏土為主，偶見少量粉砂層，頂部為中砂以及含礫粗砂。頂部砂含量為78.02%，平均粒徑為2.87φ，偏度為1.49，屬于正偏態。頻率分布曲線為雙峰，概率累積曲線為三段式，第一截點位于(0～2)φ，第二截點位于(4～5)φ。下部沉積物砂含量為26.66%，粉砂含量58.39%，平均粒徑為5.41φ，偏度為0.71，多數樣品為微正偏-正偏態，其中兩個樣品呈負偏態。頻率分布曲線以雙峰為主，峰態偏窄。概率累積曲線為二段式，截點介于(2～4)φ，顆粒偏粗。該階段磁化率表現出明顯的高低值峰谷變化。該階段沉積水動力明顯增強，沉積環境復雜。

第四階段：14.58～12.5 ka.B.P.(29.5～24 m)巖性較為復雜，粉砂層較厚，中間夾有細小砂層，該層底部砂層較厚，間夾雜有灰色亞黏土薄層。砂含量為28.83%，粉砂含量為60.62%。平均粒徑為5.21φ，分選較好，偏度為1.06，屬于正偏態，峰態較窄。底部砂層中值粒徑平均值為211.76 μm，砂感強。頻率分布曲線以雙峰為主，峰值多介于86.25～154.41 μm。概率累積曲線主要為二段式，截點介于(4～5)φ。磁化率依舊具有明顯的峰谷變化，且變化幅度較大，在這一階段沉積環境較為簡單，沉積水動力條件較弱。

第五階段：12.5～8.58 ka.B.P.(24～16.5 m)以灰黃色亞黏土為主，間夾雜灰棕色粉細砂，偶見暗色碳屑以及條帶，粒度逐漸變大。粉砂含量為68.88%，黏土含量為15.13%，偏度為0.86，為正偏態，平均粒徑為5.92φ，分選較好。底部粉砂多為粗粉砂級，砂感逐漸增加。頻率分布曲線主要為單峰，少量樣品為雙峰，峰態極窄。概率累積曲線為二段式和一段式，二段式的截點介于(4～5)φ。磁化率在本階段有著較小幅度的高低變化，但是具有明顯的峰谷，該階段沉積環境簡單，沉積水動力條件較弱。

第六階段：8.58 ka.B.P.至今(16.5～0 m)巖性以黃色、灰黃色粉砂為主，間夾雜輕亞黏土，呈褐色。粉砂含量占優勢，含量為72.28%。平均粒徑變化范圍較大，介于(4.63～7.18)φ。偏度為1.09，屬微正偏態，峰度為4.33，峰態極窄。頻率分布曲線多為雙峰，有少量樣品為單峰，且峰態極窄。概率累積曲線為二段式，截點介于(3～5)φ。磁化率具有較為明顯的峰谷變化，但是變化范圍較小，推測降水增加，流水作用明顯，水動力條件增強，階段沉積環境較簡單。

4 討論

太原盆地QK1鉆孔0～55 m的沉積物記錄了60 ka. B.P.以來的氣候環境演變歷史，該時期以來冰芯氧同位素曲線記錄了多個氣候冷暖變化旋回，通過鉆孔沉積物粒度參數、磁化率與氧同位素曲線的對比(圖7)，發現了地質歷史時期記錄的冷暖變化事件，對全球性氣候變化有很好的響應[25-26]。太原盆地粒度組分以粉砂為主，粉砂平均含量達到了65.9%，粉砂含量和黏土含量大致呈負相關。將粒度特征、沉積特征、磁化率和年代數據結合分析，可以將太原盆地QK1鉆孔0～55 m的沉積物劃分為6個大的氣候階段。

SMOW表示標準平均大洋水

59.6～40 ka.B.P.(第一階段)，研究區沉積環境為濱湖相沉積，水動力條件弱。這一時期處于MIS3(深海氧同位素第二階段)時期，全球氣候較溫暖濕潤[27-28]。多數湖泊達到高湖面，太原盆地在該時期氣候處于穩定狀態，磁化率和粒度參數都較穩定。由于太原盆地在受到東亞季風影響的同時也是具有區域氣候特點，氣候上表現為溫暖偏濕。在同時期山西長治龍洞[29]的石筍記錄的氣候顯示具有較強的夏季風，季風帶來的降水增多。

40～31.5 ka.B.P.(第二階段)，太原盆地在這一時段流水作用增強，該時期同樣對應與MIS3時期，但這一時期由于沉積作用的變化，太原盆地對全球性氣候變化具有很好的響應。該時期較上一個時期氣候更加溫暖濕潤。在這一階段有一次明顯的高沉積速率時期，沉積速率普遍高于盆地周邊其他鉆孔的沉積速率[13]，該研究區的高沉積速率推測是由于交城文水斷裂[30]的構造活動，加之氣候溫暖濕潤降水增多，導致大量粗顆粒物質匯集進入盆地沉降中心，在巖性特征上也與西側山區內的沖溝巖性有相似特征[31-32]。同時期，山西蓮花洞中石筍[33]、黃土高原臨夏剖面[34]均顯示在這一時期氣候溫濕。黃土高原洛川地區生長著云杉、松和菊科植物，表現為森林草原景觀[35]。

31.5～14.6 ka.B.P.(第三階段)，該區河流水動力增強，并且發生擺動。氣候階段上對應于MIS2(深海氧同位素第三階段)時期，氣候寒冷干燥。在同時期的北京平原地區生活有披毛犀和猛犸象[36]。在太原盆地南部介休一帶覆蓋有蒿、藜及菊科植物，表明當時該區內氣候干冷[37]。

14.6～12.5 ka.B.P.(第四階段)，該時期河流對沉積物的影響逐漸減弱，水動力條件明顯減弱。這一時期是全球氣溫降低的末次冰盛期前期，在該階段的早期時候出現較短時間的溫暖濕潤，但隨即轉入寒冷干燥，對應于B/A暖期[38]。整體上該階段寒冷干燥，這一結論與同時期白洋淀地區的氣候一致[39-40]。

12.5～9 ka.B.P.(第五階段)，研究區該時期降水減少，水動力條件減弱，表現為河漫湖泊沉積環境，該時期為末次冰期末期[41]在磁化率數劇中記錄著YD事件(新仙女木事件)。研究區開始進入早全新世，氣候由寒冷干燥轉向溫暖濕潤[42]，同時期華北平原白洋淀流域植被類型為以松為主的森林草原，降水逐漸增多逐漸進入全新世適宜期[43]。

9 ka.B.P.至今(第六階段)，太原盆地在該時期水動力條件增強，表現為河流相邊灘沉積，從這個階段開始進入全新世暖期[44]，氣候以溫暖濕潤為主。根據同時期太原盆地孢粉數據可以看出太原盆地在全新世暖期植被還是以草本為主，植被為以蒿屬為主的稀樹草原且濕度較大[38]。

5 結論

通過對太原盆地QK1鉆孔的年代學測試和粒度分析，并將粒度組分曲線、磁化率曲線與格陵蘭冰芯氧同位素進行對比得出以下幾點認識。

(1)通過對太原盆地QK1鉆孔的2個AMS14C和9個光釋光樣品的測試，得出該鉆孔55 m處的沉積年齡為59.6 ka.B.P.，為MIS3時期以來的沉積。

(2)太原盆地60 ka.B.P.以來的古氣候演化過程可以分為以下六個階段：階段一(59.6～40 ka.B.P.)氣候溫暖濕潤，階段二(40～31.5 ka.B.P.)較上階段更加溫暖濕潤，階段三(31.5～14.6 ka.B.P.)氣候轉向寒冷干燥，階段四(14.6～12.5 ka.B.P.)氣候動蕩，以寒冷干燥為主，階段五(12.5～9 ka.B.P.)氣候溫暖濕潤，階段六(9 ka.B.P.至今)進入全新世大暖期。

(3)年代測試分析得出，該區具有較快的沉積速率，全新世沉積速率約為0.21 cm/a，遠遠高于盆地邊緣鉆孔沉積速率，氣候的干濕轉變也導致沉積速率發生變化。