巴丹吉林沙漠车日格勒钙华测年及其地质意义

曹乐 刘敏

摘 要：巴丹吉林沙漠内分布有100多个湖泊，许多湖泊中心、湖岸分布钙华，其形成机理与古气候意义引起了诸多学者的关注。为研究沙漠钙华的成因及其反映的沙漠古气候演化规律，本文通过钻取车日格勒湖泊北岸钙华岩芯，对样品进行沉积形貌与测年分析，探究了鈣华沉积的地质历史时期及其沉积规律。结果表明，不同的干湿气候条件下形成的钙华颜色、碳酸钙含量不同，深色、高碳酸钙的钙华沉积于干旱期，反之沉积于湿润期；钙华主要沉积于中晚全新世，生长模式为自下向上与后期充填；钙华沉积平均速率为0.664mm/a，干旱期沉积速率大于湿润期。研究结果增加了对沙漠湖泊钙华基础形貌特征的了解，对其沉积时代进行了确定，为沙漠区水化学特征演化、古气候重建等研究工作提供了重要基础。

关键词：钙华；铀系测年；车日格勒；巴丹吉林沙漠

钙华，作为一种常见的碳酸钙沉淀物，多由岩溶泉、河、湖水沉积形成，受到地形地貌、水动力条件、气候变化、环境变化、生物等因素影响，能够记录高分辨率的气候和环境变化，常见于温暖湿润的碳酸盐岩地区，干冷地区少有发育。前期调查发现，巴丹吉林沙漠中分布众多湖泊，在诸多湖泊中心或湖岸边、泉口周围发育大量钙华，呈块状、板状。

目前相关研究还较少，陈建生[ 1-3 ]于诺尔图、音德尔图、伊和吉格德湖泊发现钙华分布，对钙华取样并进行X射线衍射（XRD）测试，显示钙华主要成分为文石，并认为其为典型湖泊相碳酸钙沉积。钙华14C年龄在8543±172aBP，陈建生分析认为CO2来源于地壳深部，祁连山冰雪融水沿深大断裂导水进入巴丹吉林沙漠，地下水在地表成湖时水中碳酸钙沉积形成钙华。杨小平[ 4-6 ]于沙漠区敦德吉林湖泊南岸发现钙华，U系法测得顶层钙华年龄为11.5±0.5 ka，并根据钙华样品较低的234U/238U比率认为钙华由浅层水形成，与世界上盐湖形成的钙华塔相似。通过对沙漠地区钙华沉积形貌特征及年龄信息的研究，能够揭示沙漠地区地下水补径排条件及其迁移转化过程，恢复历史时期地下水环境及古气候变化，具有重要科学意义。

1 研究区概况

巴丹吉林沙漠面积约5.2万km2[ 7 ]，位于阿拉善高原西部，雅布赖山、雅布赖盐场西北，北大山、合黎山以北，宗乃山以东，温图高勒以南，古居延泽、额济纳旗东南（图1a、b）。沙漠区地势东南高、西北低，东南部分布有众多高沙山、沙丘，相对高差区为200～300m，在众多沙山之间散布着100多个湖泊，湖泊多为咸水湖，矿化度1～400g/L，少数淡水湖小于1g/L[ 8 ]。沙漠区属大陆性气候，全年最高气温可达70～80℃，降水量较少，蒸发量大。取样湖泊为车日格勒（图1c），面积分别为1.11km2，南北长约1.31km，东西宽0.9～1.05km。

2 样品采集与分析

钙华样品采自巴丹吉林沙漠车日格勒湖泊北岸，地表样品为散布块体，直接取样，剖面样品采用美国绍尔单人背包钻钻取岩芯，利用自封袋密封保存并带回实验室测试分析。钙华矿物成分在甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院地质矿产实验室测试完成；选择铀系不平衡法进行测年，测试在中国科学院地质与地球物理研究所铀系年代学实验室，采用NeptunePlus型多接收电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICP-MS）进行。

3 结果与讨论

3.1 钙华剖面沉积特征

图2柱状图表现了钙华的沉积样貌变化，根据钙华沉积颜色、孔洞、胶结程度等特征可以将其分为A、B、C、D、E五种类型。钻孔深3.8m，钙华岩芯样貌以A、B、C为主，D主要作为A、B、C类型中间夹层出现，边界线明显；E位于钻孔底部。5种沉积样貌特征列于表1，具体特征为：A呈现灰白色，胶结程度相对较高，密实，无空隙、孔洞，局部颜色呈深灰色，放大镜下可见石英、长石颗粒，反映了较强的水动力与风沙动力条件，加HCl可明显冒泡；B呈白色，坚硬，气泡状孔洞较多，蜂窝状构造，纯质均匀，加酸剧烈冒泡；C呈乳白色，胶结程度较高，中间有较多孔洞，局部造成钻孔岩芯中空间断，纯质均匀，坚硬，加酸剧烈冒泡；D呈浅黄色，有孔洞，矿物结晶呈鲕粒状、放射状，纯质均匀，坚硬，加酸剧烈冒泡；E呈深灰色，胶结程度差，岩芯松散破碎，含少量泥质，放大镜下可见石英、长石矿物颗粒，反映了较强的水动力与风沙动力条件，加HCl可轻微冒泡。

钙华岩芯5种不同的沉积样貌，反映了在钙华沉积过程中气候环境条件的差异。E深度最深，是钙华沉积的起始时期，与A相似，CaCO3含量相对较低，且明显可见石英、长石颗粒，放映了沉积时期较强的水动力与空气动力环境，在钙华沉积时混入了较多的沙漠风积砂颗粒；B较多的气泡状孔洞，形成薄层的皮壳状CaCO3，说明钙华沉积过程中脱气作用发挥的主导作用，气体消失后留下孔洞；C、D质地为较纯的CaCO3，表1中矿物含量也显示C、D的CaO含量最高，均超过54.5%，反映了较稳定的沉积环境，根据沉积样貌，特别是中空段，反映了该部分CaCO3可能是后期填充沉积而成。

3.2 钙华测年

车日格勒北岸钻孔钙华年龄结果在0.59～4.22ka.BP范围内，主要分布在中晚全新世，最老年龄为280cm深的4.216ka BP，最年轻为60cm深处的0.594ka BP，前人所得年龄在8000～10000年，可能是由于“死碳效应”[ 9 ]存在，导致14C测年偏老。钙华年龄并非随取样深度的增加而变大，表现出更多的无序性，并非表现出“深度越大，年龄越老”的特征，在60cm、335cm深处的样品表现出偏年轻的特点，分别低于其上、下钙华样品的年龄，说明这部分乱序的钙华可能是后期充填而成的。

图2中年代-深度图显示钙华岩芯的沉积速率并非匀速，由4000多年前至今，沉积速率越来越快，说明钙华的沉积速度随着气候、环境等条件的变化而有所不同。若以岩芯280cm深所测得的最老年龄距今4216a计算，钻孔钙华沉积的平均速率为0.664mm/a，小于黄龙钙华1～4.86mm/a[ 10 ]的平均沉积速率。若将岩芯分成4段：280～230cm；230～185cm；185～110cm；110～5cm，分别计算各阶段的平均沉积速率为0.263mm/a、0.578mm/a、4.688mm/a、5.497mm/a，沉积速率逐渐加快，近2000a来达到最大值。

4 结论

1）根据钙华沉积形态（颜色、孔洞、胶结程度等）可将其分为5类，钙华是否沉积不能代表气候环境的湿润与干燥，其沉積的形态、成分变化才能用于反映气候干湿冷暖。

2）巴丹吉林沙漠车日格勒湖泊钙华主要沉积于中晚全新世；沉积生长模式并非由下向上不断加积，年龄的无序性反映了后期年轻钙华的充填沉积。

3）钻孔内钙华沉积平均速率为0.664mm/a，最大可达5.497mm/a。说明钙华并非只在湿润期沉积，干旱期也在不断沉积，沉积速度甚至更快。

参考文献：

[1] Chen J S， Li L， Wang J Y， et al. Groundwater maintains dune landscape[J].Nature，2004，432（7016）：459-460.

[2] 陈建生，汪集旸，赵霞，等.巴丹吉林沙漠湖泊钙华与根状结核的发现对研究湖泊水补给的意义：高分辨记录与同位素技术在环境变化研究中的应用全国学术讨论会[C].中国桂林.2004.

[3] Chen J， Zhao X， Sheng X， et al. Formation mechanisms of megadunes and lakes in the Badain Jaran Desert， Inner Mongolia[J]. Chinese Science Bulletin，2006，51（24）：3026-3034.

[4] 杨小平.巴丹吉林沙漠地区钙质胶结层的发现及其古气候意义[J].第四纪研究，2000（3）：295.

[5] Yang X，Williams M A J.The ion chemistry of lakes and late Holocene desiccation in the Badain Jaran Desert， Inner Mongolia， China[J].Catena，2003，51（1）：45-60.

[6] Yang X， Ma N， Dong J， et al. Recharge to the inter-dune lakes and Holocene climatic changes in the Badain Jaran Desert， western China[J].Quaternary Research，2010，73（1）：10-19.

[7] 朱金峰，王乃昂，陈红宝，等.基于遥感的巴丹吉林沙漠范围与面积分析[J].地理科学进展，2010，29（9）：1087-1094.

[8] 陈立，王乃昂，王浩，等.巴丹吉林沙漠湖泊与地下水化学参数初步研究[J].中国沙漠，2012，32（2）：531-538.

[9] 胡欣欣，黄成敏.钙华成因及其在古环境与古气候重建中的应用[J].世界科技研究与发展，2008，30（3）：331-335.

[10] 胥良，姜泽凡.基于钙均衡估算黄龙钙华沉积速率的探讨[J].中国岩溶，2007，26（2）：132-136.

作者简介：

曹乐（1990-），男，汉族，山东泰安人，硕士，研究方向：水文地质、水资源。