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SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA >

2012 , Vol. 32 >Issue 2: 238 - 243

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.02.238

Orginal Article

Environmental Significance and Clay Mineral Characteristics of YZ1 Core Sediments in Zhouzhuang, Northern Jiangsu Plain

  • SHU Qiang ,
  • CHEN Ye ,
  • ZHANG Mao-heng ,
  • ZHAO Zhi-jun
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  • Key Laboratory of Environmental Evolution and Ecological Construct of Jiangsu Province, College of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing, Jiangsu 210046,China

Received date: 2011-03-23

  Request revised date: 2011-06-04

  Online published: 2012-02-20

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本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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Abstract

The clay mineral was widely distributed in the quaternary sediments. The present research shows that the clay mineral was a product which effects by the diagenesis and sedimentation, under the certain climatic and sediment source condition. And it was a good substitution index for reconstructing the change of palaeoenvironment. This paper chosed the lacustrine sediment as study object which was near the subsidence center of Subei plain. Based on X-ray diffraction (XRD) analysis, the clay mineral components and their assemblage feature of one core sediments（YZ1）in Subei plain were measured. The characteristics and environmentical significance of clay minerals were analyzed. The results show that the main clay minerals in YZ1 core sediments were illite, kaolinite, chlorite and smectite, and feldspar and quartz piece were minor. The palaeoclimate of the study area has experienced three stages: 13 770 -11 600 cal a B.P.,relative cold-dry period in climate. During the period, kaolinite content was with relatively low value, illite, smectite content and crystallinity were relatively high, indicating a cold-dry palaeoclimate. 11 600-9 610 cal a B.P., it grew warmer and went intowarm-moisture period. Kaolinite content increased observably, and smectite and illite decreased, suggesting atemperature and humidity gradually increase palaeoclimate. 9 610-1 520 cal a B.P.,relative warm-moisture period. Kaolinite content was with relatively high value, while illite and smectite content were relatively low. Crystallinity also showed relatively low, suggesting a relatively warm and humid palaeoclimate. In addition, theclay mineral indexes also recorded several sub cold-warm changes under the background of three main period.

Key words： clay mineral; environmental significance; northern Jiangsu plain

Cite this article

SHU Qiang , CHEN Ye , ZHANG Mao-heng , ZHAO Zhi-jun . Environmental Significance and Clay Mineral Characteristics of YZ1 Core Sediments in Zhouzhuang, Northern Jiangsu Plain[J]. SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA, 2012 , 32(2) : 238 -243 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2012.02.238

近几十年来,孢粉、地球化学元素、粒度、磁化率、氧同位素等代用指标被广泛的运用于第四纪环境变化方面的研究,并取得了丰硕的成果[1~8]。而粘土矿物作为第四纪沉积物中的一类常见矿物,由于其分布广泛,易于取样,因此将粘土矿物应用古环境变化方面的研究也受到了越来越多的研究者的关注。已有的研究表明[9~13],粘土矿物是一定气候条件、物源条件下受沉积作用、成岩作用综合影响下的产物。而在一定时段内,区域地质背景的可变性相对较小,而气候环境变化则会迅速破坏沉积环境的水热平衡,影响到粘土矿物的组合特性,含量和结晶度等。因此,通过对粘土矿物的组合特征,含量以及结晶度等方面的研究,可以揭示出区域气候环境的演化过程[14~17]。目前,中国有关粘土矿物与气候环境变化的研究成果主要集中在海洋沉积和黄土沉积方面[18~23],而在东部典型季风区域的陆上沉积物中很少有这方面的研究,本文就拟通过对苏北平原YZ1浅钻岩芯湖沼相沉积物中的粘土矿物进行分析,希望通过对这个剖面研究来进一步揭示研究区粘土矿物的古气候环境指示意义、以及古气候环境演化的过程与特征。

1 研究区概况及剖面基本特点

苏北盆地东临黄海,地处长江、淮河下游。历史上黄河、长江、淮河从江苏东部入海,在水流的冲积、沉积作用下,形成了一片广阔的由北到南分布的平原。平原面积辽阔,地势低平,河网稠密,湖荡众多成为其基本特征。本文所取的YZ1浅钻剖面位于苏北盆地里下河腹地,高邮湖以东偏南约40 km、泰州市以北约25 km的兴化市周庄镇附近（图1）。YZ1浅钻岩芯长613 cm,顶部44 cm为耕作层,岩性以粘土和粉砂质粘土为主,是一套沉积过程连续的湖沼相沉积。整个剖面可以分为5层,由上而下分别为： ① 0~44 cm：灰黑色粉砂质粘土,有植物根系,耕作层。② 44~238 cm：青灰色粘土,夹杂粘土团块。③ 238~348 cm：青灰色粉砂。④ 348~390 cm：深灰色粉砂质粘土。⑤ 390~613 cm：深灰色—灰黑色粘土。
Fig.1 Location of YZ1 core in Xinghua

图1 兴化市YZ1钻孔位置

2 样品采集与分析

2005年6月和10月课题组两次对苏北平原进行野外考察, 并于10月底利用钻机在兴化市周庄镇附近钻取了YZ1浅钻沉积岩芯,随后在实验室内进行了样品采集,样品采集是按2 cm间距进行的,共采实验样品306个;另外,根据沉积物含碳量的多少,还采取3个14C样品进行AMS14C年代测定。粘土矿物的提取是先用盐酸和双氧水进行分散和去除碳酸盐及有机质,并制成稳定悬浮液,然后根据Stokes法则提取粒径<2 um的成分进行粘土矿物的鉴定。样品测试是在南京师范大学理化中心使用日本理学D/max-2500/PC转靶X射线衍射仪完成。14C年代是在兰州大学西部环境教育部重点实验室年代实验室进行样品前期处理和制靶工作,然后送北京大学进行AMS14C年龄测试,测年材料为沉积物中的全样有机质,样品的14C年龄的计算是采用Stuiver and Polach[24]给出的方法,14C的平均寿命取8 033 a（半衰期T1/2=5 568±30）,年龄校正采用校正程序CALIB 5.0[25],校正模式用INTCAL 04[26]北半球非海洋性陆地样,测年结果见表1。测年结果与地层沉积序列一致,并与深度呈现很好的线性关系（R2=0.998）。由于整个剖面岩心均为湖沼相沉积,故根据各段的沉积速率并参考整段的平均沉积速率,通过线性内插外延可以获得其余各深度点的年代,进而建立钻孔剖面年代序列。经计算,剖面底部613 cm的年代约为13 770 cal a B.P.,顶部44 cm处的年代约为1 520 cal a B.P.,样品的分辨率大概为45 a。
Table 1 AMS14C dating results of samples from YZ1 core

表1 YZ1浅钻沉积物样品AMS14C测年结果

实验室编号 样品编号 取样深度（cm） 样品描述 14C年龄(a B.P.) 校正年龄(cal a B.P.)
LAMS06-087 YZ1-1 351~355 沉积物 6980±40 7911±18
LAMS06-088 YZ1-2 545~549 沉积物 10110±50 11782±95
LAMS06-089 YZ1-3 592~596 沉积物 11335±50 13213±95

3 分析结果与讨论

3.1 粘土矿物组合与分布特征

样品的X 衍射分析和半定量结果表明YZ1浅钻沉积物粘土（<2 μm）成分主要由4种粘土矿物和少量长石、石英碎屑组成,其中粘土矿物相对含量变化中,伊利石含量最高,达56.33%~81.96%,平均为68.98%;其次为绿泥石6.67%~22.26%,平均为14.93%;高岭石为5.76%~13.81%,平均为9.91%;蒙脱石含量为1.99%~14.45%,平均为6.17%,组合类型为伊利石—绿泥石—高岭石—蒙脱石型。
另外,从粘土矿物各指标随深度的变化曲线可以看出,整个钻孔剖面的粘土矿物各指标出现较为明显的波动（图2）。从大的趋势来说,可以分为3个阶段。第1阶段,深度介于613~537 cm间,伊利石和结晶度都处于相对较高的水平,尤其是在此阶段后半段出现高的峰值波动,平均值分别为78.76%和0.39;绿泥石、高岭石和蒙脱石都表现为低值波动趋势,平均值分别为9.23%,7.44%和4.58%。第2阶段,深度介于537~437 cm之间,伊利石和结晶度都呈现出逐步降低的趋势,平均值分别为70.51%和0.36;绿泥石、高岭石和蒙脱石都表现为逐步升高的趋势,平均值分别为14.71%,9.66%和5.10%。第3阶段,深度介于437~44 cm间,伊利石和结晶度都表现为相对的低值阶段,平均值分别为67.11%和0.34;绿泥石、高岭石和蒙脱石都处于相对高值阶段,平均值分别为15.85%,10.37%和6.68%。另外,在第3阶段里,各值还表现出一定的高低波动,还可以划分出多个小的阶段。
Fig.2 Variations of clay mineral concentrations in YZ1 core

图2 YZ1浅钻沉积物粘土矿物含量变化

3.2 古气候环境演变讨论

已有的大量研究表明,粘土矿物的含量及组合类型主要受气候环境变化的影响,但其同时也会受到沉积物来源、成岩作用等环境条件变化的影响[10~13]。因此,利用粘土矿物指标来反演古气候,必须要排除沉积物来源、成岩作用及沉积环境的影响,或者确定它们对粘土矿物含量及组合类型的影响甚小。研究剖面地处苏北盆地中部沉降中心附近,近10 000 a来,区域地质背景变化极小,粘土矿物受沉积物来源母岩成分变化的影响甚微;同时,钻孔沉积物都为松散的晚更新世、全新世碎屑沉积物,可忽略沉积后成岩作用的影响;经过前期的岩性描述和相关实验,可以大致的确定研究样品沉积环境为相对稳定的湖沼沉积环境,沉积环境相对稳定。因此,剖面粘土矿物含量及其组合主要受研究区域的气候环境的影响。一般认为,高岭石是在湿热气候环境条件下形成的,气候温暖潮湿有利于高岭石的形成和保存,因此高含量的高岭石指示了湿热的环境[27,28]。伊利石和蒙脱石是在气温稍低条件下情况下形成的,气候干冷,淋滤作用弱,对伊利石和蒙脱石的形成和保存非常有利[14,29]。伊利石结晶度是气候变化的灵敏响应指标[30,31],一般认为在高温和大的降水条件下,矿物的水解作用较强,导致结晶度较差,所以,高的结晶度指示的是低温干燥的气候条件,低结晶度指示的高温湿润的气候条件。
根据研究区域粘土矿物的气候环境指示意义和实验分析结果得到的粘土矿物含量和组合的波动特征,可将YZ1钻孔近13 770 cal a B.P.以来的气候环境演化划分为3个阶段：
阶段Ⅰ（613~537 cm,13 770~11 600 cal a B.P.）,低温冷干阶段。这一深度段内高岭石含量相对较低,伊利石和蒙脱石含量相对较高,并表现出波动变化趋势;结晶度也处于相对高值,并有一定的高低波动;多代用指标均指示出此时段的气候为相对暖湿转冷干的变化特征。由图3可以看出,贵州董歌洞石笋氧同位素数据[32]和格陵兰冰芯（GISP2）数据[33]均在这一时期出现相似变化。从时间上来说,此段对应的应为阿勒罗德-（Allerød-Bølling）暖事件及随后出现的新仙女木（Younger Dryas）冷事件。YZ1浅钻沉积物粘土矿物数据揭示出这样的结果正好表明研究区气候变化对全球气候变化有很好的响应,具有全球一致性特征。
Fig.3 Comparison of climatic proxies among YZ1 core, GISP2 ice core and Dongge stalagmite δ18O record

图3 YZ1浅钻沉积记录与GISP2冰芯和董歌洞石笋记录的对比

阶段Ⅱ（537~437 cm,11 600~9 610 cal a B.P.）,逐步升温阶段。这一深度段内高岭石含量表现出逐步升高的趋势;伊利石和蒙脱石含量表现出波动降低的趋势;结晶度也呈现出逐步降低的变化;多代用指标均指示出此时段的古气候为逐步转暖的变化趋势。从时间上来说,此时段正好对应的是从晚冰期进入全新世前的一个波动升温阶段。由图3可看出,贵州董歌洞石笋氧同位素数据[32] 和格陵兰冰芯数据[33]均在这一时期出现相似变化,同时不难发现,YZ1浅钻沉积物粘土矿物多指标在约10 000 cal a B.P.左右还出现了一次短时的冷干波动,而这在董歌洞石笋记录中也有所体现,但从波动幅度上来说可能更接近于发生于9 000 cal a B.P.的波动,GISP2冰芯数据则仅有非常细小的变化。
阶段Ⅲ（437~44 cm,9 610~1 520 cal a B.P.）,全新世暖湿气候阶段。在这一时段内,高岭石含量总体处于相对高值;伊利石和蒙脱石含量相对低值;结晶度也表现为相对低值,各指标总体在此阶段内都相对稳定,波动不大;但是在这种相对稳定的大背景条件下,各指标也出现了几个小的次级波动,如297~253 cm间和136~100 cm间的波动变化。这表明从晚冰期逐步升温进入全新世以来,研究区域的气候环境总体上以暖湿为基本特征,只是间或出现一个短暂的异常波动,其中尤以6 770~5 860 cal a B.P.（297~253 cm）和3 430~2 690 cal a B.P.（136~100 cm）的变冷变化最为显著。图3可看出,在这一时期内,GISP2冰心记录[33]结果与董歌洞石笋记录[32]结果虽然都以气候的整体暖湿为基本特征,但也表现出一定的差异性,YZ1浅钻沉积物粘土矿物记录与同处东亚季风区的董歌洞记录结果有着更为相似的变化趋势,研究区沉积物记录到的两次冷事件与董歌洞石笋记录冷事件对比显著。
总体来看,YZ1浅钻粘土矿物所揭示的古气候环境变化与中国东部现有记录[34,35]、以及石笋氧同位[32]、格陵兰冰芯[33]所揭示的气温变化基本一致,只是在个别事件的起止和时间跨度、或者波动幅度上存在一定的差异。譬如,新仙女木（Younger Dryas）冷事件发生前的阿勒罗德-（Allerød-Bøl-
ling）暖事件,其虽然在YZ1浅钻沉积物粘土矿物记录中有所出现,但其所表现出来的波动幅度较石笋、冰心氧同位素记录结果要小;再如,研究区沉积物记录到的发生于约10 000 cal a B.P.左右一次短暂冷干波动,在董歌洞记录中有细微波动变化与之对应,但在GISP2记录中表现不明显。这些差异的存在可能正体现不同沉积环境下沉积物对气候变化响应的差异、或气候环境变化的区域性特征、以及年代控制点的多少和测试精度高低等对记录结果的影响。

4 结 论

通过对苏北平原周庄镇浅钻沉积物粘土矿物分布特征及其环境意义的探讨,可以得到以下几点结论：
1） YZ1号浅钻沉积物粘土矿物以伊利石含量为主（平均68.98%）,其次为绿泥石（平均14.93%）、高岭石（平均9.91%）和蒙脱石（平均6.17%）,为伊利石—绿泥石—高岭石—蒙脱石组合类型。
2） YZ1浅钻沉积物粘土矿物含量和组合类型揭示出,研究区在近13 770 cal a B.P.以来,气候环境主要经历3个演变阶段: 13 770~11 600 cal a B.P.期间的低温冷干阶段;11 600~9 610 cal a B.P.期间的逐步升温阶段;9 610~1 520 cal a B.P.期间的全新世暖湿阶段,在这3个大的阶段背景条件下也存在一些次级波动,其中较明显的新仙女木（Younger Dryas）冷事件、6 770~5 860 cal a B.P.和3 430~2 690 cal a B.P.的冷波动。
3） YZ1浅钻沉积物粘土矿物所揭示的区域古气候变化不仅与同处东亚季风区的贵州董歌洞石笋氧同位记录有着很好的对应,同时也得到了高纬格陵兰GISP2冰心氧同位记录的支持。这也体现了研究区的气候环境演化特征不仅与全球性的气候变化具有一致性,同时也具有自身的区域性特征。

The authors have declared that no competing interests exist.

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