绿洲沉积特征及沉积模式.pdf
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1、 第 28 卷 第 1 期 干旱区地理 Vol.28 No.12005 年 2 月 ARID LAND GEOGRAPHY Feb.2005 收稿日期:2004-06-17 修订日期:2004-11-25 基金项目:中国科学院新疆生态与地理研究所创新领域前沿项目(KZCXX501-02);国家重大基础研究发展规划项目(TG1999043502)成果作者简介:穆桂金(1958),男,研究员,博士生导师,从事环境演变研究。E-mail: 绿洲沉积特征及沉积模式 穆桂金,陈冬梅(中国科学院新疆生态与地理所,乌鲁木齐 830011)摘 要:绿洲沉积是指在绿洲生物发育、演化的环境中无机和有机物在地表和近
2、地表层的沉积或沉淀作用。绿洲沉积是绿洲物质循环过程的重要环节,其沉积物不仅记录了物源组成、介质性质、能量状态及动力特征等,还记录了绿洲环境变化的大量信息。沉积物的颜色、组构、组成等方面表明绿洲沉积是可识别的。通过研究绿洲沉积,可以揭示绿洲物质循环、认识绿洲环境演变、解析绿洲对全球变化的响应,为绿洲低耗、高效、可持续发展理论模式的构建和技术创新提供科学依据。关 键 词:绿洲沉积;沉积模式;环境变化 中国分类号:P512.2 文献标识码:A 文章编号:1000-6060(2005)01-0001-05 环境演变研究的进步始终得益于沉积学的发展,无论是北大西洋的深海沉积研究1、格陵兰的冰芯研究2还是
3、玛珥湖纹泥研究3都同时使环境演变的理论认识产生了革命性的发展。各种不同的沉积记录从不同的时空尺度保存着环境变化的信息。在复杂多样的陆相沉积中除了黄土研究在千年和万年尺度上成功地同深海研究对比之外4,在广大的陆相沉积区似乎很难完成高精度认识。一般认为最理想的湖泊沉积5也因为隐域环境的影响使其不具有广泛的区域或全球对比性。因此,我们需要认识与湖泊关系密切的其它地理单元对环境变化的记录,以扩大它们记录的空间范围代表性并识别其在时间序列上响应的同步性。绿洲(包括沼泽湿地)就是与湖泊具有等同地位的另一类地理单元。由于绿洲对区域或全球环境变化具有更强的敏感性使沉积记录具有了更丰富的内容。同时,在干旱区我们
4、关心绿洲如同关心我们的房屋是否会倒塌一样关心她的安全。因此能够直接解读绿洲过去的演变过程,认识现代绿洲物质的迁移、转化规律和系统的驱动原理,为绿洲自然与社会的持续发展提供科学依据仍然是我们最真切的愿望。绿洲,一个隐域环境的地域,地面主要暴露在空气环境中,又被相对茂密的植被所覆盖,其内的沉积作用长期以来一直被学者们所忽视。近年来的调查研究发现,沉积作用在绿洲范围内是客观存在且可识别的。土壤学指出的绿洲土壤“复幼”特点6,实际上就是绿洲沉积作用,而人工绿洲中的灌淤土7正是人工绿洲沉积。绿洲沉积是绿洲物质循环过程的一个组成部分,绿洲沉积物记录了绿洲形成及演化过程中的环境变化信息。1 绿洲沉积的涵义
5、1.1 涵义 绿洲作为一个特殊的地理单元,我们将其仍然理解为“荒漠区适宜于多种生物共同生息繁衍的地域”8。因为这种单元不仅在区域景观上呈现斑块特点,并具有隐域环境属性,而且绿洲内部也呈现多层次的斑块景观,所以沉积变得十分复杂、多样。因此,首先需要明确我们的研究对象,给绿洲沉积一个相对确切的涵义范围。在上述概念中,一个完整的绿洲内仍然包括许多非绿洲植被覆盖的微地理单元(例如河道、湖泊等水域,沙丘地、盐碱地等荒漠斑块)。如果以绿洲作为沉积边界条件和沉积空间,且不限定物源性质及沉积成因类型,这样绿洲沉积的广义涵义就应该是绿洲地域范围内自然或人为作用产生的无机或有机碎屑以及无机或有机化学物质的迁移和沉
6、积(或淀积)作用。显然这一概念包含着众多的沉积微相,同时也就包括了发生在绿洲内非绿洲生物占据的斑块上的河流、湖泊、沙漠以及蒸发沉积作用及其相应的沉积类型,在沉积学中这些类型早已在非绿洲地域被重视并进行了深入的理论认识。因为绿洲内非绿洲生物占据的斑块在空间结构上、景观斑块上、系统功能上存在密切的成因关系和耦合关系以及系统动力学联系等,所以一个广义的绿洲沉积概念有助于认识 干 旱 区 地 理 28 卷 2完整绿洲体系的物质迁移、转化和循环。但作为沉积学的一个概念,还是应将其限定得相对狭义一点,以区别河湖相沉积、风沙沉积、盐沼沉积等。那么一个相对狭义的绿洲沉积概念又如何限定呢?结合绿洲的分布特点、空
7、间结构特征以及绿洲的发育、演变过程等,绿洲沉积应该包括在促进绿洲植被发育环境的沉积、绿洲兴盛时期植被下的沉积以及绿洲衰退过程植被下的沉积。具体的叙述应该是:绿洲沉积(oasis sedimentation)是指在绿洲生物发育、演化的环境中无机和有机物在地表和近地表层的沉积或沉淀作用。这一概念在上述广义概念的基础上再次作了两层限定,一是在时间序列上限定了绿洲沉积的起始和结束界线;二是在空间范围上限定了绿洲沉积区位只在绿洲生物生息繁衍的地域,包括绿洲生物占据的各种微地理单元。狭义的绿洲沉积概念强调的是绿洲生物生息繁衍地域(主要是绿洲植被下)的沉积环境特征、沉积类型多样性变化以及沉积环境和沉积特征的
8、演化。绿洲沉积的无机或有机物质可以称之为绿洲沉积物(oasis deposits),由绿洲沉积物的积累形成的沉积层为绿洲沉积层(oasis deposit layer)。绿洲沉积物是可以作为研究对象的,绿洲沉积物的特征记录了绿洲的属性,绿洲沉积层则立体地展示了绿洲过去的时空演变。1.2 绿洲沉积层与绿洲土壤的区别 迄今为止,无论国内还是国外,仍未关于绿洲沉积的研究,更没有关于绿洲沉积概念的讨论。这首先是因为学者们忽视了绿洲范围内沉积物作用及其重要性,通常把绿洲范围内发生的沉积作为河湖洪泛沉积的一部分,或者简单、错误地定为风化壳层;其次是人们以为相对于人类历史来讲,其沉积速率缓慢,沉积物的厚度有
9、限;此外,对于这样一个植被茂盛生长的地域,人们更习惯于从土壤学的角度来分析绿洲区域内的近地表层,而忽视了沉积作用的存在,以及沉积物和沉积层中所包含的重要信息。虽然绿洲沉积层与绿洲土壤存在有机联系,但绿洲沉积层与绿洲土壤是完全不同的概念。绿洲土壤是绿洲生物生息繁衍地域成壤作用对绿洲沉积及其下伏沉积层作用(包括化学作用和生物作用)的结果,而绿洲沉积则是在绿洲生物生息繁衍地域无机、有机和化学物质在地面通过物理方式或化学方式的堆积。绿洲沉积和绿洲土壤形成、演化都是绿洲内物质循环过程的组成部分。二者在空间上和时间上,都是相互紧密联系在一起的。在发生时间上,绿洲土壤的发育在绿洲植被发育之后,因为只有在绿洲
10、沉积环境形成之后才具备了绿洲植被发育的基础,然后才能形成绿洲土壤发育的条件,因此绿洲土壤是在绿洲沉积发生之后,绿洲土壤可能包含了全部绿洲沉积层和下伏层的一部分,或者仅包括绿洲沉积层上方的一部分,这完全取决于绿洲沉积的物源丰度。绿洲沉积在平面空间上与绿洲土壤的分布范围一致,在垂向剖面上则有所重叠。我们把绿洲沉积发生之前就存在的、与之相接触的地层,即绿洲沉积下伏层,称为前绿洲沉积层。它可能是残留在原地的基岩风化壳(残积风化壳)层,也可能是从异地搬运到此地沉积的碎屑层。绿洲沉积及其沉积物的土壤化作用是一个连续发生的过程,绿洲沉积物可成为绿洲土壤发育的母质,但这与绿洲形成前绿洲土壤发育的母质及其土壤要
11、区分开来,土壤的母质可能是绿洲沉积物,也可能是绿洲沉积的下伏层(前绿洲沉积层或残积风化壳)(图 1)。图 1 绿洲沉积典型剖面结构示意图及其与绿洲 土壤在剖面上的叠加关系 Fig.1 A sketch figure of a typical profile of oasis deposit and its correlation with the oasis soil profile 2 研究绿洲沉积的意义 近些年来野外观察发现,在绿洲范围内存在沉积作用,绿洲沉积层累见不鲜。由于绿洲的特殊环境和绿洲生物的突出作用,使绿洲沉积特征具有在沉积结构、构造、沉积地球化学以及生物等方面的独特性。研究表明
12、,绿洲沉积是可以识别的,是具有一定厚度和在绿洲范围内广泛分布的。尽管绿洲绿洲生物 生物沉积B 洪泛沉积C 冲积 绿 洲 生 物 绿洲沉积层前绿洲沉积层1 期 穆桂金等:绿洲沉积特征及沉积模式 3环境同尾闾湖9,10一样具有较强的隐域性,但是绿洲沉积物记录有绿洲形成及演变过程的大量信息,以及绿洲对区域乃至全球环境变化的响应信息。某一具体剖面的空间代表性及其信息的成因机制可以通过多个剖面的精细对比分析进行识别,一般反映个体的信息代表隐域环境,而剖面群体一致表现的则是区域环境或者是全球环境。同时,绿洲沉积物的组成特性十分有利于采用物理、化学以及生物等技术方法进行分析,通过多参量代用指标提取各种环境信
13、息,因此保障了记录信息的有效提取,保证了信息记录的可利用性。绿洲是干旱区最富有生机的地理景观单元,是干旱区为数不多的具有环境响应能力的地理单元之一。绿洲生物对局地环境、区域环境以及全球环境的响应都十分敏感,首先是因为绿洲沉积地面通常处在空气介质环境,空气比水或固体介质的环境响应活性更强;其次是多元化的物源随环境变化具有较强的敏感性,并在绿洲沉积剖面上表现出明显的交替特征;最后还有绿洲生物对环境的敏感响应,并通过生物作用(包括生物理、化作用和生物沉积作用)在沉积物中留下记录,所以绿洲沉积物同湖相沉积11、黄土沉积12等一样也包含了大量的环境信息。利用沉积学方法研究绿洲沉积层的结构、构造,沉积物的
14、理、化特征及生物特征,通过多种代用指标提取并解读绿洲环境的时空变化信息,对于揭示绿洲形成、演化动力及成因机理,以及绿洲对全球变化的响应规律有重要的意义;同时绿洲作为全球广大干旱区生物活跃的代表区,在全球变化研究和干旱环境形成演变的研究中,绿洲沉积记录在各种时空尺度上都具有重要的和不可忽略的研究、对比价值。绿洲生态系统是开放的,沉积作用是这个开放系统中物质循环过程的一个重要环节。绿洲沉积物不仅仅表现的是绿洲某一部位物质的积累,同时记录了物源方向、组成、性质,记录了沉积介质的性质及能量状态,记录了物质的传输途径和动力条件等。观测、研究绿洲现代沉积特征,分析绿洲的物质来源、迁移和积累规律,阐述绿洲生
15、态系统内的物质循环、能量转化和资源消耗过程,对剖析绿洲生态系统的结构、功能,解析绿洲景观斑块的异质性及斑块间的耦合关系等都具有重要意义。绿洲沉积过程通过外部输入和局部富集,一方面为绿洲生物提供丰富的营养,促进植物生长;另一方面,在这个物质输入和积累的过程中因为不断改变绿洲的地面环境和潜水的循环状态,或者改变近地表层物质的理化性质,所以将影响绿洲是否产生荒漠化趋势或者持续促进绿洲的健康发展。因此对绿洲沉积的理论认识将为构建绿洲低耗、高效、可持续生态的发展模式和技术提供科学依据,对建立稳定的人工绿洲生态系统,促进干旱区人类社会的可持续发展有重要实际意义。3 绿洲沉积物特征 绿洲沉积是自然存在的,重
16、要的是它是可以识别的,是具有识别特征的。绿洲沉积物特征取决于动力条件、物源条件、沉积介质、边界条件以及其他相关环境影响因素。绿洲处于典型的陆相平原环境,在区域上属于河、湖及风沙等自然因素作用范围,这些因素仍然为形成绿洲沉积的主要动力条件,但是绿洲非常活跃的生物作用和特殊的底形(以水上为主体)边界以及物源的多源性使沉积作用又与典型的河、湖或风沙沉积不尽相同,沉积特征具有特别的科学涵义。绿洲内现代地质过程中人为干扰作用又更加丰富了绿洲的沉积作用类型,同时也改变了绿洲天然沉积的动力条件,限定了其沉积范围。因此,绿洲沉积物特征(包括产状、构造、结构、有机和无机地球化学、生物以及物理特性等)是沉积环境的
17、各种记录形式。3.1 颜色 由于多暴露于空气环境,所以无机碎屑层常呈氧化色,以褐色、黄色等为基调,呈灰褐、黄褐、灰黄等,但是在绿洲生物特别密集的湿地环境也呈现典型的还原特征。其实绿洲沉积物的颜色更突出的是绿洲生物产生的有机质沉积,多以黑色为基调,但是也常形成浅黄色的干草层。3.2 结构、构造特征 绿洲沉积物碎屑以小于细砂颗粒为主,表现为绿洲植被下,或者是绿洲生物占据的湿地中无论是洪泛漫溢或者是沙尘降落都是相对低能环境;颗粒分布多为单峰或者不对称双峰,少量出现多峰,但以正偏、中等到尖锐峰度居多。绿洲沉积多不形成层理构造,表现为厚层、块状无层理。只有在有限范围的水下环境才发育良好的层理构造,包括微
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