國(guó)內(nèi)湖泊沉積物中

國(guó)內(nèi)湖泊沉積物中

在對(duì)區(qū)域環(huán)境變化的正確研究的基礎(chǔ)上，需要基于放射性核素的輻射跟蹤不同環(huán)境變化過(guò)程的重要研究方法。根據(jù)不同服務(wù)的不同持續(xù)時(shí)間和不同參與者，137ss是一種長(zhǎng)期的人工放射性核素，半衰期為30.17年。它被廣泛用于研究現(xiàn)代湖泊的沉積、氣候環(huán)境的變化和流域侵蝕。湖泊是流域侵蝕土壤的匯,淤積直接或間接導(dǎo)致湖泊老化、衰亡,但湖泊沉積物卻可完整記錄區(qū)域環(huán)境變化的信息,湖泊沉積物作為地表物質(zhì)運(yùn)移的主要宿體,湖泊沉積的連續(xù)性及其剖面保存的完整性,使其成為揭示湖區(qū)氣候和環(huán)境變化的指示器.而且湖泊沉積物的環(huán)境變化記錄在全球變化的研究中也是一個(gè)重要的組成部分.由于137Cs為人工放射性核素,來(lái)源單一,輸入函數(shù)比較清楚,便成為研究湖泊沉積過(guò)程中常用的示蹤核素.全球核試驗(yàn)的初始時(shí)間是20世紀(jì)50年代初期,而散落的高峰期是1963-1964年,因?yàn)?37Cs這一人工放射性核素反映了大氣核試驗(yàn)的這段歷史,所以它通常被作為時(shí)間標(biāo)記使用.在1986年4月26日前蘇聯(lián)核泄漏事故之后,有研究表明在海洋和湖泊沉積物中即出現(xiàn)了源于切爾諾貝利事故的137Cs.因此,137Cs的沉積剖面中1986年的蓄積峰也能作為一個(gè)有價(jià)值的時(shí)間標(biāo)記.在國(guó)內(nèi)的研究中常用137Cs作為沉積物定年的工具,但大多數(shù)僅是對(duì)137Cs的沉積剖面進(jìn)行了年代方面的分析,或與210Pb計(jì)年進(jìn)行了對(duì)比,較少深入地研究沉積剖面特點(diǎn)形成的原因及影響因素.本文全面收集并整理了關(guān)于國(guó)內(nèi)湖泊沉積物中137Cs沉積剖面的研究文獻(xiàn),對(duì)它們進(jìn)行了綜合分析、對(duì)比和歸類(lèi),其目的是試圖找出我國(guó)湖泊沉積物中137Cs沉積剖面的分布特征,并對(duì)影響其分布特征的因素作綜合分析,希望這些總結(jié)性工作能對(duì)以后的研究工作有著一定的幫助.1中高緯度地區(qū)的大氣試驗(yàn)按照137Cs在全球空間上分布規(guī)律,北半球的137Cs總沉降量大于南半球,因?yàn)楦嗟暮嗽囼?yàn)發(fā)生在北半球;核爆炸周?chē)貐^(qū)的137Cs沉降量高于全球平均水平;受平流層大氣運(yùn)動(dòng)影響,137Cs塵埃在中高緯度地區(qū)含量較高,相同降水量下,緯度越高,137Cs沉降量越大.我國(guó)的核試驗(yàn)場(chǎng)主要在新疆的羅布泊地區(qū),在那里先后進(jìn)行了一系列大氣核試驗(yàn)(從1964年到1980年共進(jìn)行了22次大氣核試驗(yàn)),雖然爆炸當(dāng)量不大,但是對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)附近湖泊的137Cs沉積柱芯剖面影響可能性也存在.雖然切爾諾貝利核電站反應(yīng)堆爆炸事故導(dǎo)致在全球較大范圍內(nèi)的一次137Cs沉降峰,但是該事故泄漏的137Cs沒(méi)有進(jìn)入平流層,只影響到對(duì)流層,其沉降具有明顯的地域特征,受影響最嚴(yán)重的是距離核事故發(fā)生地點(diǎn)較近的歐洲和亞洲西部地區(qū),我國(guó)所處的亞洲東部地區(qū)受到的影響可能相對(duì)較小.2沉降地表及環(huán)境宿體137Cs存在于核爆炸逸散的放射性氣溶膠中,大于0.1mm的微粒在一天內(nèi)就地沉降,小于25μm的微粒在大氣中長(zhǎng)期飄游,部分保留在對(duì)流層,大部分進(jìn)入平流層.在對(duì)流層的放射性微粒因受大氣環(huán)流的影響,獲得充分的稀釋和擴(kuò)散,在重力和降水沖刷的作用下,比較均勻地沉降到地表.對(duì)流層中放射性微粒的平均寄宿時(shí)間只有幾天.進(jìn)入平流層的放射性微粒隨中緯度的西向噴注氣流呈帶狀擴(kuò)散,在幾個(gè)月內(nèi)沿緯度線呈均勻分布.在重力作用下,平流層中放射性微粒沉降到其底部,再透過(guò)平流層-對(duì)流層界面,或通過(guò)中緯度的界面“縫隙”回到對(duì)流層,進(jìn)而沉降到地表.放射性微粒在平流層中的寄宿時(shí)間約0.3-3年.沉降到地表的137Cs分別進(jìn)入土壤及水體中,并參與到環(huán)境宿體的各種地球化學(xué)過(guò)程中.所以,湖泊周?chē)牡匦蔚孛蔡攸c(diǎn)也是湖泊沉積物中137Cs分布剖面的影響因素之一.因此,我們綜合了已發(fā)表的有關(guān)中國(guó)湖泊中137Cs沉積剖面的相關(guān)文獻(xiàn),按照湖泊分區(qū)(青藏高原湖泊、云貴高原湖區(qū)、蒙新高原湖區(qū)、東部平原湖區(qū)和東北平原與山地湖區(qū),并結(jié)合湖泊所處的季風(fēng)區(qū)及周?chē)鷧^(qū)域的地形地貌特點(diǎn),對(duì)湖泊沉積物137Cs分布特征分別進(jìn)行討論.2.1湖泊中400d年蓄積相青藏高原范圍包括西藏自治區(qū)和青海省的全部及新疆南部一角.本區(qū)湖泊是地球上海拔最高、數(shù)量最多和面積最大的高原內(nèi)陸湖區(qū),也是我國(guó)湖泊分布密度最大的兩個(gè)稠密湖區(qū)之一.湖泊以鹽湖為主.前人分析了位于青海共和盆地的達(dá)連海湖、青藏高原的茍魯錯(cuò)、青藏高原東部若爾蓋盆地的興措、青藏高原北緣的哈拉湖、西藏南部羊卓雍湖流域內(nèi)的沉錯(cuò)地區(qū)和青海湖的沉積巖芯中137Cs的分布剖面.從這幾組沉積柱芯可以看出,在青藏高原湖區(qū)的137Cs分布剖面中,多以單蓄積峰為主,部分柱芯反映了不明顯的次蓄積峰.多數(shù)湖泊的剖面曲線在達(dá)到最大值后迅速下降,這一點(diǎn)也與北半球137Cs逐年大氣總沉降量變化曲線相似(圖1),說(shuō)明青藏高原的湖泊中137Cs的來(lái)源可能是以全球核試驗(yàn)所產(chǎn)生的大氣沉降為主(圖2).李世杰等認(rèn)為在茍魯錯(cuò)湖沉積柱芯中最大蓄積峰指示了1963年的時(shí)標(biāo),上部微弱的蓄積峰指示了切爾洛貝利事故的1986年,并用210Pb年齡測(cè)定以佐證;嚴(yán)平等認(rèn)為在達(dá)連海的137Cs深度分布的蓄積谷和最大蓄積峰間似有一個(gè)對(duì)應(yīng)1986年切爾諾貝利事件的次一級(jí)137Cs蓄積峰,但證據(jù)不充分;朱立平等認(rèn)為羊卓雍湖沉錯(cuò)地區(qū)的沉積剖面上部,盡管沒(méi)有明顯的峰值,但是位于3.5-4.5cm處的兩個(gè)高值對(duì)應(yīng)于1972年的核試驗(yàn),根據(jù)210Pb的分布所推算的年代與137Cs反映的絕對(duì)年齡時(shí)標(biāo)基本相符;沈吉等認(rèn)為137Cs于1963年和1952年的時(shí)標(biāo)分別出現(xiàn)在5.5cm和12.5cm,與根據(jù)210Pb變化計(jì)算的沉積速率基本吻合.該柱芯在1952年之前和1963年之后的沉積速率基本一致,而1952年至1963年之間沉積速率偏大,他們解釋為:由于湖區(qū)周?chē)笠?guī)模農(nóng)田開(kāi)墾所致.可見(jiàn),該湖區(qū)可能是以全球核爆產(chǎn)生的137Cs降塵為主要來(lái)源,我國(guó)的核試驗(yàn)和切爾諾貝利事故對(duì)其137Cs分布剖面的影響甚微.其主要原因?yàn)榍嗖馗咴暮０晤H高,使得各類(lèi)季風(fēng)被隔絕于高原內(nèi)部,阻礙了對(duì)流層中放射性降塵的沉降.由于我國(guó)核試驗(yàn)所產(chǎn)生的137Cs多存在于對(duì)流層中,并且切爾諾貝利事故的沉降具有明顯的地域特征,所以在青藏高原湖區(qū)137Cs沉積剖面中的放射性降塵多來(lái)源于平流層中1963年全球大氣核爆高峰期的沉降.2.2年、80年沉積特征及與沉積相關(guān)度本區(qū)域湖泊主要分布在滇中和滇西的一些斷裂帶上,以海拔較高,湖岸陡峻,面積較小而湖水較深為其主要特征.本區(qū)緯度較低,屬印度洋季風(fēng)氣候區(qū),降水主要受夏季風(fēng)即西南季風(fēng)控制,湖水依靠地表水和地下水補(bǔ)給.從前人關(guān)于云南的滇池、程海、撫仙湖、洱海和貴州的紅楓湖的研究中發(fā)現(xiàn):在該湖區(qū)湖泊的137Cs沉積剖面中雖然有所干擾,但還是能夠識(shí)別出兩個(gè)較為明顯的蓄積峰(圖3).曾海鰲等認(rèn)為在撫仙湖沉積柱芯中的137Cs具有1963年和1986年兩個(gè)明顯的峰值;萬(wàn)國(guó)江等認(rèn)為在紅楓湖中137Cs的沉積剖面與全球散落一致,有明顯1975年的137CS蓄積計(jì)年時(shí)標(biāo),有切爾諾貝利事故散落137Cs的蓄積跡象;項(xiàng)亮等認(rèn)為在滇池的沉積柱芯中蓄積的137Cs絕大部分還是來(lái)自核試驗(yàn)的散落物,發(fā)現(xiàn)了1986年切爾諾貝利事故散落137Cs的蓄積,部分地區(qū)存在一個(gè)可辨別的137Cs沉降峰,它對(duì)應(yīng)著1974年的時(shí)標(biāo),出現(xiàn)的原因與核武器試驗(yàn)散落核素有關(guān);萬(wàn)國(guó)江等認(rèn)為程海沉積物柱芯中137Cs比活度隨沉積物深度呈現(xiàn)出三峰特征,最大蓄積峰標(biāo)記了1964年全球散落高峰,兩個(gè)次級(jí)蓄積峰,分別與1975年的全球散落沉降和1986年發(fā)生的切爾諾貝利事故有關(guān).總的來(lái)說(shuō),在該區(qū)湖泊的137Cs沉積剖面中能夠識(shí)別出1963年和1975年的蓄積峰,但是沒(méi)有明顯存在1986年的蓄積峰.全球大氣核試驗(yàn)所產(chǎn)生的降塵是中國(guó)湖泊沉積物的137Cs分布剖面最主要的貢獻(xiàn)源,幾乎在每個(gè)沉積柱芯的137Cs分布剖面中都能找到指示1963年的蓄積峰,這使得該蓄積峰成為了137Cs標(biāo)年方法中最可靠的時(shí)間標(biāo)記;新疆湖泊137Cs比活度偏高的原因,可能與我國(guó)在該地區(qū)進(jìn)行大氣核試驗(yàn)存在密切關(guān)系,但是其他湖區(qū)在1975年左右所形成的蓄積峰是否是我國(guó)的核試驗(yàn)影響所致,還需要進(jìn)一步研究;切爾諾貝利事故所產(chǎn)生的1986年蓄積峰除蒙新湖區(qū)和東部湖區(qū)外,在其他三個(gè)湖區(qū)中并不明顯,甚至沒(méi)有,這可能是因?yàn)楦骱^(qū)降水量的差異、當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛惨约八幍募撅L(fēng)帶等諸多因素確定的.2.3博斯騰湖的沉積層節(jié)蒙新高原地區(qū)地處內(nèi)陸,大部分區(qū)域處于東南季風(fēng)的邊緣,從而形成眾多的內(nèi)陸湖泊,湖泊也以咸水湖和鹽湖為主.湖泊的湖面隨季風(fēng)降水量時(shí)升、時(shí)降,湖形多變.張成君等分析了新疆的博斯騰湖,認(rèn)為137Cs在博斯騰湖的質(zhì)量深度剖面中,有3個(gè)明顯的蓄積峰位置,但是其質(zhì)量深度剖面并不與其他湖泊,如云貴高原區(qū)域的程海的三峰沉降剖面一樣(比活度最大值出現(xiàn)在下層的蓄積峰),而是在最新的沉積層節(jié)上表現(xiàn)出最大的137Cs比活度.這是因?yàn)椴┧跪v湖位于新疆南部,處于西風(fēng)帶,與前蘇聯(lián)距離較近,受切爾諾貝利事件的影響相對(duì)較大;陳發(fā)虎等認(rèn)為博斯騰湖緊鄰中國(guó)核試驗(yàn)地區(qū),137Cs的分布曲線不但受到全球核試驗(yàn)的影響,更受該地區(qū)核試驗(yàn)的影響.在137Cs質(zhì)量深度剖面中也有較明顯的反映,可能也有與全球的137Cs散落相疊加的原因,所以在1975年的沉積層段也反映出較大的137Cs比活度[32(圖4).2.4北部灣紀(jì)沉積柱芯沉積特征該區(qū)主要是指我國(guó)東北的黑龍江、吉林和遼寧三省.本區(qū)山區(qū)為近代火山活動(dòng)較頻繁的地區(qū),所以區(qū)內(nèi)湖泊多與火山活動(dòng)關(guān)系密切.本湖區(qū)的湖泊成因多與近期地殼沉陷、地勢(shì)低洼、排水不暢和河流擺動(dòng)有關(guān).它們具有面積小、湖盆坡降平緩,現(xiàn)代沉積物深厚,湖水淺和礦化度高等特點(diǎn).前人的研究結(jié)果表明:在二龍灣沉積柱芯中有一個(gè)較為明顯的137Cs蓄積峰,這一峰值被確認(rèn)為對(duì)應(yīng)于1963年全球137Cs散落的高峰期;四海龍灣瑪珥湖中最大蓄積峰可能為1963年全球137Cs散落的高峰期,1986年切爾諾貝利核電站泄露造成的137Cs次級(jí)蓄積峰沒(méi)有發(fā)現(xiàn).可見(jiàn),在東北平原與山地湖區(qū)中的137Cs多以1963年的單蓄積峰為主,1975年和1986年的蓄積峰在該湖區(qū)的沉積剖面中不明顯(圖4).2.5湖泊沉積柱的沉降東部平原湖區(qū)眾多的大中型湖泊大多是在構(gòu)造盆地的基礎(chǔ)上,由于河床演變而形成的河成湖,黃淮海平原及大運(yùn)河沿線眾多的湖泊大多也是河流演變的產(chǎn)物.本區(qū)絕大多數(shù)湖泊屬吞吐型湖泊,河湖關(guān)系密切.湖泊水位因降水季節(jié)分配不勻而年變幅大.前人分析了蘇皖地區(qū)的固城湖和女山湖、武漢的東湖以及長(zhǎng)江中下游的鄱陽(yáng)湖、洪湖、巢湖、太湖大浦湖區(qū)和洞庭湖.劉建軍等認(rèn)為太湖大埔湖區(qū)的兩個(gè)蓄積峰分別是1986年和1963年的蓄積峰;項(xiàng)亮認(rèn)為蘇皖地區(qū)的固城湖和女山湖,其沉積柱芯內(nèi)137Cs比活度隨深度分布的特征都與北半球137Cs的年沉降分布特征相似,距表層較近的137Cs蓄積峰完全是對(duì)切爾諾貝利核泄漏事故的記錄;姚書(shū)春等認(rèn)為洪湖沉積柱芯剖面下層出現(xiàn)的高峰值指示1963年全球大規(guī)模的核試驗(yàn)爆發(fā),上層出現(xiàn)的最高峰指示了1986年前蘇聯(lián)切爾諾貝利核泄漏事件,巢湖沉積柱芯剖面所出現(xiàn)的最高峰值指示1963年137Cs的全球散落高峰.東部平原湖區(qū)137Cs的沉積柱芯剖面具有很明顯的雙峰特征(圖5),在該湖區(qū)的137Cs分布剖面中,多以1963年和1986年的雙蓄積峰為主,部分靠近西部的巖芯中反映了1973年的蓄積峰.其原因可能是因?yàn)闁|部平原湖區(qū)位于太平洋季風(fēng)區(qū),而且地形以平原為主,所以有較為明顯的1963年蓄積峰;在湖區(qū)的北面沒(méi)有如同云貴高原湖區(qū)北面青藏高原的存在,所以能夠在沉積剖面中出現(xiàn)明顯的1986年蓄積峰.最后,我們利用放射性衰變速率校正了一些湖泊137Cs的比活度數(shù)據(jù)至2004年,并根據(jù)文獻(xiàn)中所發(fā)表的質(zhì)量深度,得出湖泊沉積柱心中137Cs的總沉降量.然后與湖泊附近地域137Cs年平均沉降量的本底值進(jìn)行了比較,程海、滇池和劍湖附近的云南牟定(101.5°E,25.3°N)和云南元謀(101.9°E,25.7°N);固城和女山湖附近的江蘇吳縣(120.6°E,31.3°N)和江蘇宜興(119.8°E,31.9°N);博斯騰湖附近的新疆庫(kù)爾勒(86.1°E,41.7°N).從以上數(shù)據(jù)可以看出程海湖的沉降量遠(yuǎn)大于附近地區(qū)的本底值,可能是因?yàn)槌毯：苓叺貐^(qū)水土大流失,大量的侵蝕土壤進(jìn)入到湖泊沉積,造成了這一現(xiàn)象.據(jù)相關(guān)研究表明:程海湖流域是云南省湖泊中水土流失最嚴(yán)重的流域,土壤侵蝕率高達(dá)61.59%,流域每年的土壤侵蝕量達(dá)78.4×104t.總之,從全國(guó)范圍上來(lái)看在137Cs湖泊沉積剖面中都應(yīng)存在明顯的1963年主蓄積峰,青藏高原湖區(qū)和東北平原與山地湖區(qū)的大多數(shù)湖泊沉積巖芯中只存在1963年的蓄積峰,蒙新高原湖區(qū)和云貴高原湖區(qū)雖都是呈現(xiàn)三峰的剖面特征,但是各有各的特點(diǎn):蒙新高原湖區(qū)的剖面中最大蓄積峰為1986年的蓄積峰,指示全球核爆高峰期1963年的蓄積峰值在三個(gè)蓄積峰中最小,而云貴高原湖區(qū)的剖面特點(diǎn)正好與其相反.在東部平原湖區(qū)的多數(shù)湖泊沉積巖芯的剖面中只發(fā)現(xiàn)了1986年和1963年的蓄積峰,但是在靠近西部的武漢東湖卻有1975年蓄積峰的存在.如果在湖泊的周?chē)鷽](méi)有放射性原料工廠或核電站,那么中國(guó)湖泊的沉積物中137Cs有3個(gè)主要來(lái)源:1963年達(dá)到頂峰的大氣核試驗(yàn)所產(chǎn)生的放射性沉降,20世紀(jì)70年代,中國(guó)在西北地區(qū)進(jìn)行大氣核試驗(yàn)所產(chǎn)生的放射性沉降,以及1986年切爾諾貝利核泄漏事件產(chǎn)生的放射性沉降.但是,是否能說(shuō)在湖泊沉積物中的1975年蓄積峰的成因就是70年代中國(guó)的核試驗(yàn)?zāi)?在云貴高原湖區(qū)的湖泊沉積剖面中就出現(xiàn)不少的1975年蓄積峰,可是這不同于博斯騰湖1975年的蓄積峰.蒙新高原湖區(qū)湖泊沉積剖面中1975年的蓄積峰的主要來(lái)源可能是中國(guó)的核試驗(yàn),而云貴高原湖區(qū)1975年左右蓄積峰形成的原因,張信寶提出了另外一種可能性,他認(rèn)為是由于1972年為云南區(qū)域性干旱年,因此云南湖泊的沉積剖面中,往往出現(xiàn)與1972年137Cs“蓄積谷”對(duì)應(yīng)的1975年137Cs.項(xiàng)亮等則認(rèn)為該蓄積峰與核武器試驗(yàn)散落核素有關(guān),沉積時(shí)序上也可與在日本東京監(jiān)測(cè)的137Cs大氣沉降中,1974年出現(xiàn)的沉降峰相對(duì)應(yīng).且不論形成1975年左右蓄積峰的原因是什么,該蓄積峰作為云貴高原湖區(qū)的指示時(shí)標(biāo)是毋庸置疑的.黔中紅楓湖1963年蓄積峰的活度和總沉積通量(圖6)遠(yuǎn)高于滇西地區(qū)湖泊的原因,萬(wàn)國(guó)江等認(rèn)為滇西和黔中地區(qū)137Cs大氣散落的差異不可能從核試驗(yàn)強(qiáng)度的變化來(lái)解釋,而是青藏高原隆起對(duì)滇西地區(qū)存在著全球性擴(kuò)散大氣污染物散落的屏蔽效應(yīng).張信寶認(rèn)為是由于紅楓湖流域主要為喀斯特山地,石漠化嚴(yán)重,核爆期間隨降水沉降到地面的137Cs塵埃基本不被裸巖地面吸附,隨降雨徑流直接流失進(jìn)入湖泊的137Cs量占137Cs沉降量的比例高于其它湖泊.在20世紀(jì)80年代發(fā)生的切爾諾貝利事故是人類(lèi)歷史上最嚴(yán)重的一次核泄漏事故.在整個(gè)歐洲,甚至部分美國(guó)的湖泊沉積物剖面中,都發(fā)現(xiàn)了源于切爾諾貝利事故的137Cs.在我國(guó)西北方的蒙新高原湖區(qū)的137Cs沉積剖面中就同樣發(fā)現(xiàn)了明顯源于1986年切爾諾貝利事故的蓄積峰,由于青藏高原的阻擋,青藏湖區(qū)和云貴高原湖區(qū)并沒(méi)有出現(xiàn)該蓄積峰,而在東部平原湖區(qū)卻有該蓄積峰的跡象.綜上所述,影響137Cs沉積剖面分布的因素,除了緯度和海拔外,還應(yīng)與當(dāng)?shù)氐牡孛蔡卣?、降雨量、植被狀況和人類(lèi)活動(dòng)有關(guān).全球大氣核試驗(yàn)所產(chǎn)生的降塵是中國(guó)湖泊沉積物的137Cs分布剖面最主要的貢獻(xiàn)源,幾乎在每個(gè)沉積巖芯的137Cs分布剖面中都能找到指示1963年的蓄積峰,這使得該蓄積峰成為137Cs標(biāo)年方法中最可靠的時(shí)間標(biāo)記;新疆湖泊137Cs比活度偏高和總沉積通量(圖6)的原因,顯然與我國(guó)在該地區(qū)進(jìn)行大氣核試驗(yàn)存在密切關(guān)系,但是其它湖區(qū)在1975年左右所形成的蓄積峰是否是我國(guó)的核試驗(yàn)所影響?還需要進(jìn)一步研究.我們現(xiàn)在正在對(duì)沉積物中其它放射性核素的特征比進(jìn)行分析,希望能夠從中找出其來(lái)源;切爾諾貝利事故所產(chǎn)生的1986年蓄積峰除蒙新湖區(qū)和東部湖區(qū)外,在其它三個(gè)湖區(qū)中并不明顯,甚至沒(méi)有,但是其中與蒙新湖區(qū)位于同一緯度的東北平原湖區(qū)沒(méi)有1986年蓄積峰的原因還不清楚;紅楓湖1963年蓄積峰的活度偏高的原因還需要對(duì)其它地形地貌相似的湖泊進(jìn)行對(duì)比研究后才能最終確定.3沉積特征的確定隨著世界上核爆的減少和137Cs的不斷半衰變,19