<trans-title>Geochemical Characteristics of Aeolian Deposits on the Eastern Shore of Qinghai Lake and Their Paleoclimatic Implications since the Holocene

XUE HongPan; ZENG FangMing

doi:10.14027/j.issn.1000-0550.2020.066

Volume 39 Issue 5

Sep. 2021

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XUE HongPan, ZENG FangMing. Geochemical Characteristics of Aeolian Deposits on the Eastern Shore of Qinghai Lake and Their Paleoclimatic Implications since the Holocene[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2021, 39(5): 1198-1207. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.066

Citation:

XUE HongPan, ZENG FangMing. Geochemical Characteristics of Aeolian Deposits on the Eastern Shore of Qinghai Lake and Their Paleoclimatic Implications since the Holocene[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2021, 39(5): 1198-1207. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.066

Geochemical Characteristics of Aeolian Deposits on the Eastern Shore of Qinghai Lake and Their Paleoclimatic Implications since the Holocene

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.066

XUE HongPan^{1, 2, 3
,},
ZENG FangMing^{1, 2
,
,}

1.
Key Laboratory of Comprehensive and Highly Efficient Utilization of Salt Lake Resources, Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, Xining 810008, China
2.
Qinghai Provincial Key Laboratory of Geology and Environment of Salt Lakes, Xining 810008, China
3.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Funds:

National Natural Science Foundation of China U20A2078

Special Project Youth Innovation Promotion Association CAS 2017468

The Second Tibetan Plateau Scientific Expedition and Research Program （STEP） 2019QZKK0805

Received Date: 2020-06-04
Rev Recd Date: 2020-07-22
Publish Date: 2021-10-10

Abstract

The paleoclimatic evolution of the Qinghai Lake area has long been studied due to the uniqueness of its geographical location. However， the nature of the climate in the area since the last deglaciation， especially in the early Holocene， has been controversial due to the large number of various proxies. In this study， aeolian deposits from the Zhongyangchang （ZYC） section on the eastern shore of Qinghai Lake were analyzed to determine their geochemical properties and associated paleoclimatic implications. The elemental characteristics were combined with magnetic susceptibility （MS）， median grain size （Md） and color parameters to reconstruct the evolution of the paleoclimate in the Qinghai Lake area over the past 11 000 years. The results indicate that aeolian deposits in the ZYC section experienced weak to moderate chemical weathering， and that they are still at the early stage of plagioclase weathering （mainly the removal of Ca and Na）， as indicated by the chemical index of alteration （CIA） and the Al₂O₃-（CaO^*+Na₂O）-K₂O （A-CN-K） ternary diagram. The climate in the study area has alternated greatly between dry and wet， as reflected by the variation of CIA values since the early Holocene. The lightness （L^*） is highly negatively correlated with total organic carbon （TOC） content （R² = 0.71， P < 0.01）， indicating changes of regional vegetation coverage and indirectly revealing the evolution of the paleoclimate in the area. The results of multi-proxies together with the stratigraphic distribution characteristics in the ZYC section indicate weak weathering in the Qinghai Lake area from 11.0 to 6.5 ka B.P.， and that the climate may have been relatively warm and dry. The high CIA， MS and Rb/Sr ratio， and low （CaO+Na₂O+MgO）/Ti₂O ratio， Md and L^* indicate a warm， humid climate from 6.5 to 1.1 ka B.P.， consistent with the high lake level indicated by shoreline evidence. Since 1.1 ka B.P.， the Qinghai Lake area has become dry. Variation of the intensity of the Asian monsoon and solar radiation may cause the effective humidity to vary， resulting in the alternating wet and dry climate in the Qinghai Lake area.
- Qinghai Lake,
- Holocene,
- elemental geochemistry,
- aeolian deposit,
- paleoclimate change

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

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0 引言

青海湖地区位于中国东部季风湿润区、西北干旱区和青藏高原高寒区的过渡带，对气候变化的响应敏感^[1]。青海湖地区因其独特的地理位置和气候条件，成为人们了解过去气候和环境演变过程的重要窗口。

过去关于青海湖地区环境和气候演变的研究主要集中在湖相沉积和风成沉积（黄土、古土壤及风成砂）^[2-7]。然而，由于各类环境替代指标的多解性导致重建的末次冰消期以来特别是早全新世的气候特征存在不一致的认识^[5,8]。一些研究认为全新世早期气候温干、湖面较低、水体含盐量较高^[3,5,9]，而另一些研究认为早全新世气候暖润、湖面比现在高、水体含盐量较低^[2,4,10]。

青海湖地区的风成沉积研究也存在认识上的差异。基于光释光（Optically Stimulated Luminescence，OSL）定年技术，Liu et al.^[11]对青海湖湖面变化过程的研究揭示早全新世湖面相对较低；中全新世湖面逐渐上升，在5 ka B.P.左右出现最高湖面；晚全新世湖面趋于下降。上述湖面变化过程与利用多个湖东风成沉积剖面重建的古气候演变过程可以相互印证^[1,7,12]，但与南岸哈拉力剖面^[13]早全新世期间发育古土壤的温湿气候存在认识上的差异。因此，青海湖地区的古气候演变过程仍值得进一步研究。

虽然对青海湖地区风成沉积的地球化学特征及利用其重建古气候信息的工作已有报道^[1,6-7,14]，但是利用这套沉积的地球化学相关指标与磁化率、粒度、色度等指标结合来重建古气候变化的研究仍然较少。在前期OSL定年建立了剖面年代框架的基础上^[15-16]，本研究对青海湖地区种羊场剖面（简称为ZYC剖面）风成沉积物的元素地球化学特征及其古气候意义进行分析，并结合磁化率、粒度和色度指标，旨在重建青海湖地区全新世期间古气候演变过程，对驱动其气候变化的机制进行初步探讨。

2 材料与方法

2.1　剖面和样品采集

ZYC剖面的经纬度为36.63° N，100.87° E，海拔3 390 m（图1a，b）。该剖面总采样厚度为120 cm，从顶至底依次为：0~30 cm，灰色砂质土壤层，现代植物根系丰富；30~80 cm，灰色粉砂质古土壤层，植物根系较少，结构致密；80~100 cm，灰黄色粉砂质黄土层，较疏松；100~120 cm为浅黄色风成砂，结构疏松，未见底。

散样样品采样间隔为2 cm，共采集60个。OSL测年样品不定间隔共采集了6个，其年龄分别为0.9±0.1 ka（深20 cm）、1.1±0.1 ka（深30 cm）、4.9±0.4 ka（深49 cm）、6.5±0.6 ka（深68 cm）、8.2±0.7 ka（深80 cm）和10.0±1.0 ka（深107 cm）^[15-16]。OSL年龄与地层层序分布一致。假定剖面顶部的年代为0 ka，依据剖面的OSL年龄采用线性内插和外推的方法，计算出剖面各深度的沉积年龄，剖面底部（深120 cm）的年代约为11 ka，黄土层与风成砂层过渡处（深100 cm）年代约为9.54 ka。

2.2　指标分析

样品自然风干之后用于实验分析。主、微量元素含量测试：样品在玛瑙研钵中充分磨细，并使其通过200目不锈钢网筛，采用压片法测定元素的含量，仪器为荷兰帕纳科公司生产的Axios X射线荧光光谱仪，各元素分析误差小于10%。

磁化率的测试采用英国Bartington MS2型双频率磁化率仪完成，具体测试过程与曾方明等^[20]描述一致。粒度样品经过去除有机质和碳酸盐之后采用激光粒度仪Malvern Mastersizer 2000进行颗粒粒径的测试。磁化率和粒度数据见已发表文章^[21]。

色度用CIE1976 L^*、a^*、b^*表色系统进行表示，L^*代表亮度，变化于黑（0）与白（100）之间，表示土壤的明暗程度；a^*代表红度，变化于红绿之间；b^*代表黄度，变化于黄蓝之间^[22]。色度测试在日本Konica Minolta CM2500-C分光测色仪上进行。

4 讨论

综合ZYC剖面地球化学相关指标、粒度、磁化率及色度和剖面地层特征，并与其它古气候替代指标作比较（图5），我们对青海湖地区气候演变过程进行分析，初步认为青海湖地区11.0 ka B.P.以来气候演变经历了11.0~6.5 ka B.P.、6.5~1.1 ka B.P.和1.1~0 ka B.P.三个阶段。

11.0~6.5 ka B.P.，ZYC剖面CIA值、Rb/Sr比值、磁化率值和TOC含量^[16]为低值，有增高的趋势，L^*值、中值粒径、（CaO+Na₂O+MgO）/Ti₂O比值均为高值，剖面发育风成砂、黄土及部分古土壤（图5m），这些记录揭示该时期青海湖地区风化作用较弱，气候可能相对温暖干旱，与基于烯烃重建的青海湖地区夏季温度显示该时期气温较高（图5j）^[34]和重建的青藏高原东北缘年均降水量显示这一时期降水量较低（图5k）^[35]相印证。在这种气候条件下青海湖湖面较低（图5l）^[11]，区内风沙活动较强，风成砂沉积发育（图5a）^{[6-7,15-16,36-37]}。

6.5~1.1 ka B.P.，ZYC剖面CIA值、Rb/Sr比值、磁化率值和TOC含量^[16]都呈高值，且达到峰值，而L^*值、中值粒径、(CaO+Na₂O+MgO)/Ti₂O比值显著降低，剖面古土壤发育（图5m）。尽管这些指标峰值出现的时间不一致，但是它们均揭示该时期青海湖地区风化作用可能较强，为暖湿期，这与重建的青藏高原东北缘年均降水量显示这一时期降水量较高（图5k）^[35]和基于烯烃重建的青海湖地区夏季温度显示该时期温度相对较高（图5j）^[34]相吻合。在这种暖湿气候条件下，可能造成青海湖湖面上升，出现高湖面，古湖岸堤地貌证据显示全新世最高湖面出现在约5.0 ka B.P.（图5l）^[11]。由于这一暖湿气候持续时间长，冷暖波动少，风沙活动弱，成壤作用较强，区内古土壤发育较厚（图5a）^{[6-7,15-16,36-37]}。

1.1 ka B.P.至今，剖面发育砂质土壤（图5m），CIA值、Rb/Sr比值、TOC含量^[16]、磁化率值、（CaO+Na₂O+MgO）/Ti₂O比值、中值粒径和L^*值波动变化，该时期青海湖地区风成砂和古土壤交替出现（图5a）^{[6-7,15-16,36-37]}，重建的该地区夏季温度较高（图5j）^[34]，降水量较低（图5k）^[35]，表明青海湖地区气候变得干旱。古湖岸堤地貌证据也显示在约1.1 ka B.P.以后青海湖湖面下降（图5l）^[11]。

亚洲季风在很大程度上影响了包括青海湖盆地在内的中国北部沙漠或沙地的演化，其强弱变化可导致气候的干湿变化，从而造成风成砂和古土壤在风成沉积剖面中出现^[7,41]。本次研究结果揭示青海湖地区全新世早期气候相对温暖干旱，可能由于早期太阳辐射增加（图5h）^[38]导致蒸发强度较高，造成青海湖地区有效湿度降低，使得风沙活动加强，风成砂沉积发育（图5a）^{[6-7,15-16,36-37]}，青海湖处于低湖面（图5l）^[11]。而全新世中期，太阳辐射（图5h）^[38]逐渐减弱可能导致蒸发强度逐渐降低，造成青海湖地区有效湿度增加，气候进入湿润期，青海湖地区古土壤沉积大量发育（图5a）^{[6-7,15-16,36-37]}，青海湖湖面在约5.0 ka B.P.达到最高（图5l）^[11]。全新世晚期，太阳辐射变弱，年降雨量减少（图5k）^[35]，导致气候变干，发育风成砂沉积（图5a）^{[6-7,15-16,36-37]}。

综上所述，我们初步认为亚洲季风和太阳辐射的强弱变化可能造成有效湿度的高低变化，从而导致青海湖地区气候干湿交替变化。

5 结论

（1）青海湖种羊场风成沉积的主量元素相比UCC显著富集CaO，亏损Na₂O，微量元素相比UCC有显著的Nb亏损，而富集V、Cr、Co、Ni、Y、Zr、La。

（2） CIA值和A-CN-K三元图表明种羊场风成沉积经历了弱风化、中等程度的化学风化强度，仍处于斜长石风化早期Ca和Na的去除阶段。CIA值的波动变化反映青海湖地区全新世期间经历了较大的干湿变化。

（3）种羊场风成沉积物的亮度（L^*）与TOC含量呈高度负相关，可以间接地反映研究区古气候演变过程，而红度（a^*）与磁化率之间不相关，其控制因素有待进一步探究，在重建青海湖地区古气候和环境演变过程时具有局限性，需谨慎使用。

（4） ZYC剖面的多指标分析结果和剖面地层特征揭示青海湖地区在11.0~6.5 ka B.P.时期，风化作用较弱，气候可能相对温暖干旱，青海湖可能处于低湖面；6.5~1.1 ka B.P.时期风化作用可能较强，为暖湿期，青海湖为高湖面时期；1.1 ka B.P.至今，气候变得干旱。亚洲季风和太阳辐射的强弱变化可能造成有效湿度的高低变化，从而导致青海湖地区气候干湿交替变化。

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层位	砂质土壤			古土壤			黄土			风成砂			UCC^[23]
元素	最大值	最小值	平均值	最大值	最小值	平均值	最大值	最小值	平均值	最大值	最小值	平均值	平均值
SiO₂/%	59.08	53.34	56.15	55.25	43.66	48.02	47.73	46.31	47.18	53.39	49.15	51.92	66
Al₂O₃/%	13.6	10.13	11.93	13.37	12.06	12.68	12.04	11.24	11.74	11.18	10.38	10.77	15.2
K₂O/%	2.75	2.15	2.43	2.72	2.24	2.44	2.26	2.13	2.21	2.11	2	2.05	3.4
Na₂O/%	1.97	1.43	1.59	1.67	1.25	1.4	1.78	1.59	1.65	1.91	1.78	1.83	3.9
CaO/%	8.87	5.48	7.42	13.81	6.23	10.81	12.33	11.88	12.04	11.57	10.24	10.74	4.2
MgO/%	2.2	1.2	1.79	2.94	2.1	2.54	2.78	2.64	2.7	2.5	2.07	2.27	2.2
Fe₂O₃/%	4.95	2.52	3.87	5.02	4.42	4.73	4.3	3.87	4.14	3.69	3.15	3.36	4.5
TiO₂/%	0.65	0.33	0.52	0.63	0.5	0.56	0.53	0.52	0.53	0.52	0.47	0.5	0.5
P₂O₅/%	0.26	0.14	0.2	0.2	0.16	0.18	0.19	0.18	0.18	0.18	0.14	0.15	0.16
MnO/%	0.1	0.06	0.08	0.1	0.08	0.09	0.08	0.07	0.08	0.07	0.06	0.07	0.08
V/(μg/g)	86.93	45.07	71.03	85.43	74.45	79.94	76.11	66.63	71.04	71.21	64.15	68.14	60
Cr/(μg/g)	77.93	43.98	64.9	75.25	54.34	62.09	57.41	53.03	55.06	60.19	50.76	54.95	35
Co/(μg/g)	13.36	7.95	11.13	15.73	13.85	14.87	16.84	13.67	15.28	12.78	8.61	9.87	10
Ni/(μg/g)	31.69	14.02	24.16	34.75	31.92	33.3	30.59	26.46	28.26	22.87	17.92	20.25	20
Cu/(μg/g)	24.28	11.85	19.6	28.21	23.35	25.73	24.73	21.28	23.33	16.73	12	13.81	25
Zn/(μg/g)	74.06	37.94	59.43	77.61	69.15	73.47	67.97	58.44	64.33	53.87	43.94	48.02	71
Ga/(μg/g)	17.82	12.44	13.94	17.44	13.94	15.23	14.74	12.62	13.94	13.11	12.34	12.6	17
Rb/(μg/g)	116.37	84.44	100.12	119.4	98.6	108.43	96.66	91.2	94.59	89.78	82.57	84.83	112
Sr/(μg/g)	255.19	195.77	225.97	364.08	209.5	293.44	366.75	354.64	361.74	339.73	295.26	309.11	350
Y/(μg/g)	29.67	22.54	27.7	31.45	28.95	30.17	29.49	28.14	28.85	28.33	26.58	27.2	22
Zr/(μg/g)	270.48	156.43	234.28	229.24	151.36	183.25	239.52	204.02	216.28	282.44	230.93	263.07	190
Nb/(μg/g)	15.23	8.74	12.75	15.97	11.83	13.66	13.85	11.92	12.83	12.69	11.9	12.34	25
Ba/(μg/g)	551.75	479.81	505.08	574.58	487.47	527.96	503.66	467.25	486.97	503.26	481.38	488.58	550
La/(μg/g)	53.17	26.52	37.5	58.13	24.98	43.74	52.52	36.6	41.54	59.06	13.82	34.59	30
Ce/(μg/g)	64.12	36.54	49.99	67.73	33.66	47	69.97	35.31	50.82	66.26	29.7	47.88	64
Nd/(μg/g)	36.54	17.26	25.94	41.54	18.96	27.03	25.28	20.44	22.86	23.94	16.64	20.61	26
Pb/(μg/g)	24.51	16.67	19.99	23.89	18.74	21.28	20.64	14.4	17.75	17.59	14.34	15.7	20

深度/cm	L^*	a^*	b^*	深度/cm	L^*	a^*	b^*
2	51.70	5.41	15.55	62	55.69	4.52	13.58
4	48.17	5.32	14.50	64	59.19	4.45	13.94
6	48.55	5.29	14.37	66	58.77	4.62	14.29
8	48.15	5.22	14.16	68	57.79	4.60	14.17
10	50.21	5.27	14.42	70	55.69	4.85	13.99
12	49.97	5.50	14.87	72	57.04	4.63	14.19
14	49.05	5.55	15.10	74	57.77	4.57	14.08
16	50.08	5.62	15.47	76	55.17	4.73	14.26
18	49.66	5.86	15.83	78	55.39	4.82	14.48
20	49.98	5.82	15.52	80	53.59	4.86	14.05
22	50.12	5.70	15.24	82	56.25	4.75	14.41
24	49.27	5.78	15.29	84	56.65	4.67	14.44
26	48.40	5.85	15.27	86	57.22	4.80	14.85
28	46.69	5.95	15.19	88	55.94	4.85	14.90
30	45.77	5.95	14.96	90	56.30	4.96	14.82
32	46.93	5.93	15.13	92	56.42	4.73	14.64
34	47.41	5.79	14.87	94	59.08	4.83	15.33
36	47.82	5.63	14.75	96	56.82	5.04	15.44
38	47.37	5.44	14.38	98	56.88	4.90	15.17
40	48.93	5.12	13.91	100	58.88	4.97	15.48
42	45.11	4.91	12.89	102	63.02	4.46	15.34
44	48.39	4.95	13.50	104	63.37	4.34	15.04
46	46.87	4.92	13.38	106	62.62	4.38	15.03
48	47.70	4.82	13.11	108	63.99	4.37	15.55
50	51.48	4.78	13.24	110	66.63	4.02	15.43
52	50.11	4.79	13.55	112	67.46	3.97	15.61
54	53.90	4.26	12.84	114	65.73	4.19	15.65
56	53.13	4.38	13.01	116	65.92	4.24	15.61
58	57.86	4.26	13.21	118	65.66	4.42	16.08
60	60.50	4.55	14.00	120	65.48	4.71	16.52