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《兰州大学》 2019年
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山西公海过去15 ka的湖泊沉积物支链甘油二烷基甘油四醚类脂物的分布特征及其古环境意义

曹建涛  
【摘要】:近10多年来,利用湖泊支链甘油二烷基甘油四醚(brGDGTs)的甲基化度指标(MBT,MBT'_(5ME),MBT'_(6ME))和环化度指标(CBT,CBT'),重建过去气候环境(温度和pH)变化,取得了众多进展。然而,湖泊沉积物来源的复杂性,使我们对湖泊沉积物brGDGTs相关指标环境意义的认识受到一定限制。已有研究认为湖泊沉积物中陆生来源的brGDGTs甲基化度指标和环化度指标分别响应于大气温度和土壤pH值变化;而湖泊水体自生来源的brGDGTs甲基化度指标和环化度指标分别响应于湖水温度和湖水pH值变化。同时,湖水温度和湖水pH值影响因素的复杂性,也使得湖泊沉积物brGDGTs相关指标古环境意义的解译存在不确定性。因此,可靠地利用湖泊沉积物brGDGTs,重建过去较长时间尺度的湖泊流域环境和气候变化历史,首先需要弄清楚现代和过去沉积物中brGDGTs的来源,进而分析其气候环境指示意义。本文以具有高精度定年结果、且古气候研究成果丰富的山西公海湖泊沉积物为研究对象,获取了过去15 ka的甲基化度指标和环化度指标沉积记录,为了对这些记录进行古气候、古环境意义解译,我们开展了大量现代过程的工作,以确定湖泊沉积物brGDGTs的物质来源以及相关指标的气候环境意义。本论文用到的现代样品和湖泊水文观测主要包括:(1)山西公海:表层沉积物(20个)、不同水层颗粒物(8个)、流域表层土壤(30个)和粉尘区表层土壤(30个);(2)内蒙古查干淖尔:流域表层土壤样品(42个)、河流表层沉积物(11个)和湖泊表层沉积物(11个);(3)山西天池湖泊群:流域表层土壤样品(22个)、湖泊表层沉积物(18个);(4)山西天池湖泊群:湖泊水温等水文参数观测。基于已开展的工作,得到的主要认识如下:(1)公海表层沉积物brGDGTs平均浓度是流域表层土壤的2倍以上,高于粉尘区表层土壤2个数量级以上;查干淖尔表层沉积物brGDGTs平均浓度是流域表层土壤的30倍以上,是河流表层沉积物的5倍以上;天池湖泊群湖泊表层沉积物brGDGTs平均浓度是流域表层土壤的10倍以上。公海和查干淖尔表层沉积物brGDGTs的四、五、六甲基三角图分布和各自流域表层土壤样品分布区域几乎不重叠;公海岩芯GH09C沉积物四、五、六甲基三角图分布和中国区域不同气候带表层土壤样品的相应分布区域也几乎不重叠。土壤和沉积物brGDGTs的含量和分布的显著差异,表明公海表层沉积物、查干淖尔表层沉积物、天池湖泊群表层沉积物和沉积岩芯GH09C中的brGDGTs主要来源于湖泊内部自生。而由于湖泊沉积物中水生brGDGTs占主要部分,故brGDGTs甲基化度指标和环化度指标应分别响应于湖泊水体温度和湖水pH值。(2)利用公海沉积岩芯GH09C的CBT指标重建的过去15 ka的湖水pH记录显示:15-11 ka BP,湖水pH值最高,偏碱性;11-3 ka BP,湖水pH偏向中性到弱碱性,其中pH值最低值出现在8-5 ka BP;3-0 ka BP,湖水pH值增加,偏向碱性。与公海沉积岩芯自生碳酸盐含量、基于孢粉重建的降水量和长链正构烷烃单体碳同位素记录的对比发现,降水量高时,碳酸盐含量低,湖水pH值低,反之亦然;这表明湖水pH记录主要受控于公海区域湿度变化。如,在气候最湿润期8-5 ka BP,公海流域发育C_3森林植被,大量的淡水进入湖泊,稀释了湖泊水体的碱基离子CO_3~(2-),使得沉积物中碳酸盐含量偏低,湖水pH数值较低,最终被CBT指标所记录。由于公海区域的降水和湿度主要受控于东亚夏季风强度变化,因此,基于公海CBT重建的湖水pH记录可以用来指示东亚夏季风的强弱变化。(3)公海水体温度随着水深增加有下降趋势,而公海深水区表层沉积物brGDGTs古温标(MBT/CBT和MBT'_(5ME))数值总体也低于浅水区的表层沉积物;天池湖泊群的湖泊水体平均温度与湖泊深度负相关,不同深度湖泊brGDGTs古温标数值也与湖泊深度负相关;相同气温下,天池湖泊群的湖泊水体温度随着深度增加而逐渐降低,湖泊表层沉积物brGDGTs古温标很好地记录了这种水温随着湖泊深度增加而降低的现象。公海岩芯GH09C沉积物MBT/CBT、MBT'_(5ME)记录显示末次冰消期(15-11 ka BP)数值较高,早中全新世数值最低(11-4 ka BP),晚全新世数值较高的趋势(4-0 ka BP)。与其他古气候指标对比发现,末次冰消期以来,公海湖泊单位面积接受太阳辐射量基数大且变幅很小(8%),降水量高,湖泊深度大,而MBT/CBT、MBT'_(5ME)数值低;降水量低时,湖泊深度浅,而MBT/CBT、MBT'_(5ME)数值高,说明末次冰消期以来公海湖泊MBT/CBT、MBT'_(5ME)可以记录湖泊深度的变化。现代与过去的结果一致表明,当湖泊单位面积接受热量变化很小的前提下,brGDGTs古温标通过记录平均水体温度,间接反映湖泊水位深度的变化。(4)基于我们自己的公海和查干淖尔研究成果,并且综合分析其他研究者报道的来自不同纬度带的研究结果,以及全球不同纬度带湖泊表层沉积物自生brGDGTs的数据,不同纬度带的湖泊表层沉积物自生brGDGTs古温标MBT/CBT与区域大气年均温和大气年均暖季温度正相关。从低纬度到中纬度地区,湖泊沉积物MBT/CBT计算的温度值与年均大气温度的差值逐渐增大,与年均暖季大气温度的差值几乎不变。这些结果表明,中纬度区域湖泊沉积物自生brGDGTs古温标MBT/CBT记录的温度均偏向暖季大气温度。湖泊水温与气温的关系很好地解释了这种现象,主要机制概括为:低纬度地区,湖泊常年与大气接触,水温与气温常年保持接近的状态,湖泊沉积物自生brGDGTs古温标MBT/CBT记录的平均水温与年均大气温度接近;中纬度地区,湖泊冬季冰封,湖泊水温远高于大气温度,而其他季节水温与气温数值接近,全年湖泊平均水温高于大气温度,湖泊沉积物自生brGDGTs古温标MBT/CBT记录的平均水温高于年均大气温度,与暖季大气温度接近。我们的研究结果凸显了湖泊brGDGTs现代过程研究的重要性,只有在明确湖泊沉积物brGDGTs物质来源和指示意义的前提下,指标参数沉积记录才能得到合理的古气候、古环境解译;反之,现代过程结果也需要古记录重建结果的验证;“将今论古”,“将古论今”二方面工作的结合,才能更有助于获得过去气候环境变化历史的“真知”。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:P512.2;P532

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