摘要：通过对乌伦古湖和吉力湖2个沉积柱样的210Pb和137Cs剖面的观测，运用210Pb过剩法和137Cs时标法估算了近几十年来的平均沉积速率。其中通过210Pb的CIC模式测定沉积速率的变化范围为0.9mm·a-1-0.12cm·a-1，137Cs时标法测定沉积速率的变化范围为0.11-0.19cm·a-1，两者具有较高的一致性。

关键词: 乌伦古湖；210Pb、137Cs；现代沉积速率

　  沉积速率是指由重力、沉积物及流体的物理、化学特性与动力环境相互作用而产生的单位时间内沉积物堆积的厚度[1]，是湖泊沉积学研究的重要方面。它能综合体现沉积过程的特征，是确定沉积环境的定量指标。长期平均的湖泊沉积速率反映了湖泊地质历史的形成和发育，短期的湖泊沉积速率则反映本区的现代沉积动力以及水体与沉积物的交换过程[2]。利用现代沉积物中210Pb和过剩的210Pbex（半衰期22.3a）及137Cs（半衰期30.2a）测定近百年来的地质年龄已得到广泛的应用[3，4]。随着测年技术的提高和研究的深入，现代沉积速率的确定在理论和方法上更加成熟，并取得一系列的成果[5-8]。同时应用放射性同位素210Pb和137Cs可以使湖泊现代沉积速率的计算定量化，两者相互印证[9，10]，使沉积速率的研究更为准确。本文采用210Pb和137Cs相结合的方法测定了新疆布乌伦古湖的现代沉积速率。

1  采样点位置与环境

乌伦古湖位于新疆北部阿勒泰地区福海县（图1），准噶尔——北天山褶皱系福海山间拗陷内，为乌伦古河的尾闾，由大小两湖组成。大湖在北，称乌伦古湖（46°59′～47°25′N， 87°00′~87°35′E）。小湖在南，称吉力湖（46°59′～47°25′N和87°00′～87°35′E）。大、小湖之间靠库依尕河沟通。湖泊总面积927km2，其中乌伦古湖长41.0km，宽18.4km左右，面积753.0km2，最大水深12.8m，平均水深8.0m，湖面海拔478.6m；吉力湖长17.5km，宽9.9km左右，面积174.0km2，最大水深14.7m，平均水深9.9m，湖面海拔482.8m[11]。乌伦古湖湖水和沉积物主要依赖唯一的入湖河流——乌伦古河补给。

2  基本原理与实验方法

2.1  210Pb法

210Pb是天然放射性铀系元素中的一员，半衰期为22.3a。从大气中沉降下来的过剩210Pb（210Pbex）主要随着降水和干式沉降进入水体，吸附在悬浮微粒上，并随悬浮物逐年沉积在湖底形成自我封闭体系。同时，湖底沉积物自身也有一定量的铀系核素，同样衰变产生附加210Pb（210Pbsup）。因此，首先要测出沉积物柱芯某一深度210Pb的总值210Pbtotal，然后扣除210Pbsup，才能得到210Pbex。假定混合作用忽略不计，依据初始浓度恒定（CIC）模式[4]，由下式求出平均沉积速率：

S = λ*Z/ln（C0/Cz）               （1）

式中：S为沉积速率（cm·a-1），λ为210Pb衰变常数（3.11×10-2y-1），Z为深度（cm），C0、Cz分别为表层与深度Z层的210Pb过剩值，其中Z/ln（C0/Cz）由过剩210Pb值取自然对数后与深度之间线性拟合的斜率求出。

210Pb数据处理及计算主要有作图法和积分法两种方法。作图法也称为恒定通量和恒定沉积速率模式（constant initial concentration，简称CIC模式）；积分法也称为恒定放射性通量模式（constant rate of supply，简称CRS模式）。实际上这两种方法的前提是一致的，只是求取结果所用的计算方法渠道不同[12] 。本文采用的是CIC模式。

2.2  137Cs法

137Cs是人工核爆炸的裂变产物，半衰期为30.2a。自大气层核试验以来，核爆炸产生的137Cs随大气参与全球环流。大气中的137Cs主要随降水进入水体，吸附在水中悬浮微粒上，随悬浮物一起沉降到水底沉积物上，并逐年积累在湖底。根据峰值层与年代关系可以按下式推算：

S = Z /（Tt-T0）                （2）

式中：S为平均沉积速率；Z为137Cs峰值所对应的深度；Tt为出现137Cs比活度峰值所对应的年代；T0为采集的沉积物所对应的年代。

2.3  样品采集与研究方法

2004年7月用重力采样器在乌伦古湖中心部位水深12.0m处和吉力湖中部水深12.8m处分别采得长约20cm的柱状岩芯。两孔岩芯岩性均一，乌伦古湖为浅灰色粉沙，吉力湖岩芯全部为浅灰色粘土质粉沙。样品采集后立即在现场按0.5cm间隔进行分割，装入专用的样品盒中，带回实验室进行210Pb和137Cs分析。

测试前称湿重，90℃烘干至恒重，求含水量，然后计算出每个样品的干容重；去除有机质，称取3g左右研磨过100目筛的干沉积物样品，装入专用的测试样品盒蜡封后放置3周。用γ分析方法对各样品进行无损坏的多种核素同时直接测量。分析仪器为美国EG & G Ortec 公司生产的由高纯锗井型探测器与Ortec919型谱控制器和IBM微机构成的16k道多道分析器所组成的γ谱分析系统。137Cs和226Ra标准样品由中国原子能研究院提供；210Pb标准样品由英国利物浦大学做比对标准。实验分析在中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊沉积与环境重点实验室完成。

3  结果分析与讨论

3.1  210Pbex垂直分布与计年

吉力湖、乌伦古湖沉积物210Pbex分析结果如图2和图3，其中吉力湖210Pbex在17.75cm深度以下210Pbex为零贡献（图2a），17.75cm深度以上呈指数递减，利用最小二乘法拟合后如图3（a）；而乌伦古湖在14.75cm深度以下210Pbex为零贡献（图2b），14.75cm深度以上呈指数递减，利用最小二乘法拟合后如图3（b）。由图3和式（1）可以得出吉力湖和乌伦古湖的CIC模式的平均沉积速率分别为0.12cm·a-1和0.9mm·a-1 。

3.2  137Cs分布特征与计年

大气核试验产生的核素137Cs计年是基于该放射性核素在沉积物记录中的层位对比。137Cs是一种人为产生的放射性核素，自1945年第一次核爆炸后，通过大气扩散沉降才开始输入地表和海洋环境中，并为泥沙颗粒（尤其是粘土和有机质）所吸附沉积[13]，1954年才开始出现较大的137Cs散落量[14]。在1961至1963年，由于美国、前苏联的核军备竞赛，全世界大气层核试验集中在此期间进行，故137Cs散落量的最大峰值出现在1963年，占总当量的80%以上。20世纪80年代后，核试验转入地下，137Cs大气散落量已很少。1986年出现的137Cs沉降峰是切尔诺贝利核事故的产物。因此核试验散落核素有明确的沉降量时序分布[15]，反映在沉积物中的137Cs剖面亦有基本的一致性[16]。所以核试验反映在沉积物中的137Cs的峰值年代自下而上分别为1954年、1963年、1975年及1986年切尔诺贝利核泄漏事件产生的137Cs散落峰。

吉力湖沉积物岩芯的137Cs垂直剖面有五个较为明显的蓄积峰值（图4a），根据137Cs在北半球近50年来的蓄积规律，可以初步判定在7.5cm的起始峰值处为1954年，在5.75cm处为1963年，作为全球一个公认的沉降峰值、在4.25cm处为1975年，在2.75cm处为1986年，前苏联切尔诺贝利核泄漏事件在该沉积样柱中有一个较为明显的时标特征。通过137Cs时标和深度可确定1954年以来吉力湖的平均沉积速率为0.15cm·a-1、其中1954年至1963年平均沉积速率为0.19cm·a-1、1963年至1975年平均沉积速率为0.13cm·a-1、1975年至1986年的平均沉积速率为0.14cm·a-1、1986年以来的平均沉积速率为0.15cm·a-1。

乌伦古湖沉积物岩芯的137Cs垂直剖面峰值仅有在2.25cm处离现在比较近的1986年峰值最明显（图4b），由于乌伦古湖位于新疆北部，地处西风带，与前苏联距离较近，面积大，受切尔诺贝利事件的影响相对较大，因而在1986年的沉积层节上表现出最大的137Cs比活度，湖泊接受了较多的137Cs的散落，成为乌伦古湖较明显的计年标志层。初始峰值在6.75cm处为1954年，在5.5cm、4.25cm处峰值都不明显，时间分别可粗略定为1963年和1975年。通过137Cs时标和深度可确定1954年以来乌伦古湖平均沉积速率为0.14cm·a-1、1954年至1963年平均沉积速率为0.14cm·a-1、1963年至1975年平均沉积速率为0.11cm·a-1、1975年至1986年的平均沉积速率为0.14cm·a-1、1986年以来的平均沉积速率为0.13cm

3.3  讨论

用210Pb和137Cs年代进行对比，也是验证计年结果准确与否的重要保证。在百年尺度的沉积物柱状样计年中，137Cs作为核试验后通过大气扩散而散落沉降到地表环境中的放射性核素，是研究湖泊沉积年代定位的一个独特而有效的示踪剂。以沉积物岩芯中137Cs垂直剖面的峰值作为时间标志，可以成功地获得沉积物平均沉积速率。210Pb的CIC模式测定沉积速率的变化范围为0.9mm·a-1-0.12cm·a-1，137Cs时标法测定沉积速率的变化范围为0.11-0.19 cm·a-1，反映出两者较高的一致性。

210Pb法和137Cs法测出的沉积速率都是吉力湖大于乌伦古湖，这与两湖接受乌伦古河补给的先后顺序有关。吉力湖因先接受河水补给，因而具有相对较高的210Pb法和137Cs累积。乌伦古湖137Cs时标中1986年峰值最明显，1975年峰值次之，一方面可能因为湖泊面积大，累积量较多，另一方面可能和1970s年代引额济海工程引水后受额尔齐斯河河水带入的137Cs影响有关，这与博斯腾湖1986的137Cs时标[17]比较相似。吉力湖在1954年至1963年期间沉积速率较大和吉力湖在1954年以后10间的丰水和土地的开垦有关[18，19]。

在137Cs垂直分布图中可以直观地看出（图4），137Cs初始值和峰值有向上下迁移的趋势，但其初始值和蓄积峰值依然清晰地存在，这反映出和整个样柱的210Pb平均沉积速率具有较高的一致性。137Cs初始值和峰值有向上下迁移的趋势，但其初始值和蓄积峰值依然清晰地存在，迁移的原因主要是受两地沉积速率的差异的影响。

4  结论

采用210Pb和137Cs法对乌伦古湖现代沉积速率进行研究的得到如下结论：

（1）210Pb法测出吉力湖、布伦托海的沉积速率分别为0.12cm·a-1、0.9mm·a-1，137Cs法测出吉力湖、布伦托海1954年以来的平均沉积速录分别为0.15cm·a-1、0.14cm·a-1。两种方法测得的沉积速率具有较高的一致性。

（2）由于物质供应和沉积环境的差异，从乌伦古河入湖口较近的吉力湖到入湖口较远的乌伦古湖的沉积速率有逐渐变小的趋势。

（3）乌伦古湖沉积速率总体较小主要是和入湖河流少，流域内尽管受西风气候影响，但深居内陆，降水少，碎屑物源少有关。

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