阿勒泰泥炭重金属元素异常记录的人类活动信息.pdf 11页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn阿勒泰泥炭重金属元素异常记录的人类活#动信息王刚刚，强明瑞**5（兰州大学西部环境教育部重点实验室，兰州730000）摘要：本文选择了北疆铁尔沙汗湿地雨养泥炭作为研究对象，采用AMS14C测年并建立了泥炭岩芯的年代序列。测试了泥炭沉积的粒度组成、灰分沉积通量以及重金属元素含量。利用与人类采矿和冶金密切相关的元素Cu、Pb、Cd的变化，初步认识了阿勒泰地区的人类活动10对泥炭沉积中元素含量的影响。结果表明，5500calaBP以来，泥炭沉积中元素Cu、Pb、Cd的变化叠加了人类活动的影响；5500-2000calaBP期间，元素Cu、Pb、Cd富集可能表明了在青铜-铁器文化繁盛的阶段，人们的采矿冶金活动使得周围大气介质中的重金属元素含量升高，从而通过大气沉降进入泥炭沉积中的重金属元素含量亦有所增大；1500calaBP以来，两次元素Cu、Pb、Cd极度富集可能分别与唐王朝对西域大规模的开发以及喀喇汗王15国采矿冶金活动有关。泥炭沉积表层元素Cu、Pb、Cd含量开始快速上升可能与新疆地区近现代以来大规模的经济开发有关。关键词：北疆地区；泥炭沉积；重金属；采矿冶金中图分类号：K90320HumanactivitydocumentedbythepeatdepositionofTieershahanwetland,AltaiMountains,NorthwesternChinaWANGGanggang,QIANGMingrui(MOEKeyLaboratoryofWesternChina’sEnvironmentalSystems,LanzhouUniversity,Lanzhou730000)25Abstract:WeselectedtheombrotrophicpeatdepositionintheTieershahanwetlandandusedtheAMS14Cdatingtoestablishthechronologyofthepeatdeposition.Heavymetalelements,ashfluxandgriansizeweremeasured.Cu,PbandCdwhicharecloselyrelatedtotheminingandmetallurgywereemployedtoreflectthehumanactivityintheAltayPrefecture,MinusinskayaKotlovina,Tuva.TheresultsshowthatthesignificantenrichmentofCu,PbandCdduring305500-2000calaBPwouldbeassociatedwithanumberofprosperousBrozne-IroncivilizationaroundtheAltayPrefecture,MinusinskayaKotlovinaandTuva.Theminingandmetallurgicalactivitiesduringthisperiodcouldenhancethereleaseofthemineraldust,leadingtomoreheavymetalelementstransportedintothepeatdeposit.TheabruptenrichmentofCu,PbandCdduring1600-1200and1100-700calaBPprobablyrelatedtothelarge-scaledevelopmentoftheWestern35RegionsinTangdynastyandminingandmetallurgicalactivitiesofKarahanKingdom,respectively.TherapidincreaseofCu、Pb、Cdcontentsinthesurfaceofpeatdepositionwereresultedtothemodernlarge-scaleeconomicdevelopmentinNorthofXinjiangarea.Keywords:NorthernXinjiang;peatdeposition;heavymetal;miningandmetallurgy400引言[1-2]人地关系是地理学研究的核心。自人类诞生以来，一方面时刻受自然环境深刻地塑[3]造；反过来人类对自然环境的改造和影响也与日加深。进入全新世以来，人类活动更加频繁，因而对自然环境的影响也更加显著。基于此，诺贝尔奖获得者Paul.Crutzen提出了“The基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20130211110035)作者简介：王刚刚（1992-），男，硕士研究生，研究方向：元素地球化学通信联系人：强明瑞（1973-），教授，研究方向：湖泊沉积与干旱区环境演化.E-mail:mrqiang@lzu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnAnthropocene”这一概念，以期强调人类活动作为地质营力对全新世自然环境越来越重要的45影响。人与自然和谐相处是构建社会可持续发展的一个重要方面，而地质历史时期的人地关系可以给现代人地和谐以启迪。泥炭沉积是大气环境变化的良好地质档案，能够记录由大气输入的无机离子溶解物、风扬颗粒尘埃、酸沉降、有机污染物与重金属等信息，其中泥炭沉积中重金属元素含量的变化可以很好地反映古人类活动变化信息，尤其是人类采矿与冶金信[4-7][8-11]息。众多学者已经利用泥炭沉积开展了大量的气候变化重建工作，气候环境变化对人[12-15]50类文明影响的研究也已广泛开展，然而，对泥炭沉积记录人类活动信息的研究则相对较少。铁器时代乃至更早期青铜时代的古人类活动变化规律对于今天人类与自然环境和谐相处具有非常积极的指导与启示意义。新疆地处我国西北部，是连接中、西亚与我国内地的重要通道，是古代“陆上丝绸之路”的重要节点。有迹象表明，在西汉张骞打通丝绸之路以前，丝绸之路的部分路段已经发挥了巨大的作用。东西方不同文化的碰撞与融合，不同人群的迁55徙与交流，在新疆及其周边地区形成了诸多极其灿烂辉煌的青铜-铁器文化。自“陆上丝绸之路”被开通，东西方的交流与互动更加频繁且深入，因此新疆地区在历史时期亦有相当程[16]度璀璨的文明。然而，目前该地区从自然科学的角度探讨人类活动环境效应的研究尚未见报道，利用泥炭沉积元素异常认识人类采矿冶金活动规律的研究还未展开。因此，本文选择北疆铁尔沙汗湿地雨养泥炭作为研究对象，利用与人类采矿和冶金密切相关的重金属元素60变化，探讨阿勒泰泥炭重金属元素异常记录的人类活动信息。1研究区概况铁尔沙汗湿地位于新疆维吾尔自治区最北部，喀纳斯后山南侧谷地内，著名的喀纳斯湖位于其东侧。采样点坐标48°48′1.15″N，86°55′59.98″E，海拔1755m（图1）。该区域处于阿尔泰褶皱系内，该褶皱系隶属于西伯利亚板块西南缘活动带。中部加里东冒地槽褶皱带发65育于前震旦纪基底之上，南北两侧发育华力西冒地槽褶皱带，阿尔泰褶皱带是在加里东冒地槽褶皱带基础上发育而来的。早古生代为原地相深熔交代型花岗岩,晚古生代异地火成岩广泛侵入。此外，该区域变质岩分布广泛，期次多，变质作用强烈且复杂，形成明显的“带状[17]结构”。阿勒泰地区属典型的温带大陆性气候。铁尔沙汗湿地流域年均温﹣2℃；年降水量70500-600mm，年内分布不均，主要集中于6-8月；年蒸发量1844mm，远大于年降水量。研究区现代植被主要是西伯利亚落叶松（Larixsibirica）与新疆云杉（Piceaobviated），湿地[11]控制植被为苔属植物（Carex）和泥炭藓植物（Sphagnumspp）。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图1研究区地理位置75Fig.1Locationofthestudyarea2材料与方法2013年秋季，课题组使用半管泥炭岩芯取样器（RussianCorer）在阿勒泰铁尔沙汗湿地中心钻取岩芯沉积样品，编号ALT-A。ALT-A泥炭为埋藏泥炭，或可称之为雨养泥炭。该泥炭岩芯总长545cm，自顶部以下到521cm为泥炭沉积，521cm以下为粉砂质粘土。样品80采回经冷冻干燥后，进行了灰分沉积通量、烧失量、粒度组成和元素含量等代用指标测试，均在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成。粒度测试分析使用英国马尔文公司生产的Mastersizer2000型激光粒度仪，该仪器的测量范围为0.02-2000μm，重复误差小于2%。元素测量采用美国热点X-SerieⅡ型ICP-MS质谱仪，该质谱仪可测定样品中的微量元素和稀土元素含量。元素测定实验在福建师范大学湿润亚热带山地生态省部共建教育部重点实验室85完成。挑选了ALT-A泥炭岩芯中不同层位深度的8个莎草科植物残体叶子或根系样品进行14AMSC年代测定，结果见表1。该实验在美国Beta放射性碳测年实验室完成。14表1阿勒泰泥炭沉积（岩芯ALT-A）AMSC测年结果14Tab.1AMSCdatingresultsforcoreALT-A13C14实验室编号样品深度测年材料δC年龄误差校正年龄(2σ,编号(cm)(‰)(aBP)(±a)calaBP)Beta-437670ALT-A-120莎草科植物残体﹣23.69030110+/﹣30Beta-437671ALT-A-288莎草科植物残体﹣26.02410302390+/﹣30Beta-437672ALT-A-3161莎草科植物残体﹣27.25090305050+/﹣30Beta-437673ALT-A-4297莎草科植物残体﹣25.36830306830+/﹣30Beta-437674ALT-A-5322莎草科植物残体﹣27.17090307060+/﹣30Beta-437675ALT-A-6380莎草科植物残体﹣26.37660307640+/﹣30-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn+Beta-437676ALT-A-7471莎草科植物残体﹣24.91450301450+/﹣30Beta-437677ALT-A-8518莎草科植物残体﹣28.19310309260+/﹣30+90（剔除的年代）3结果3.1年代模型由于样品ALT-A-7（实验室编号Beta-437676）所测年龄异常偏轻，经鉴定该样品为莎草科植物根系，可能是泥炭沼泽上层的植物根系深入底部，因此样品ALT-A-7测年结果被95剔除。本文利用贝叶斯年代统计方法—Bacon年代模型，建立了ALT-A泥岩岩芯的年代-深度模型（图2）。岩芯底部年龄为10500calaBP，每个样品的时间分辨率约为19年。图2岩芯ALT-ABacon年代-深度模式（a）MCMC为迭代次数，原则上不少于1000次，曲线平稳波动为可信，逐渐上升或下降为不可信；100（b）γ分布，绿线表示先验分布，灰图；（c）β分布，为后验分布绿线表示先验分布，灰图为后验分布。Fig.2BayesianagemodelforcoreALT-A(a)TheMCMCiterations(goodrunsshowastationarydistributionwithlittlestructureamongneighbouringiterations);Theprior(greencurves)andposterior(greyhistograms)distributionsfortheaccumulationrate(b)andmemory(c).1053.2重金属元素含量变化依据元素Cu、Pb、Cd的含量变化，并结合灰分沉积通量、烧失量、沉积速率与平均粒径的变化可以将ALT-A泥炭沉积岩芯记录大体分为3个阶段（图3）。阶段1：10500-8700calaBP110在10500-8700calaBP期间，元素Cu、Pb、Cd的含量较低且变化幅度微弱。这一时期泥炭岩芯烧失量平均值为70%，而8700calaBP之后泥炭岩芯烧失量平均值为88%，此阶-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn段烧失量较后两阶段烧失量低约18%，表明植物生长量较后两阶段低，这一阶段泥炭沼泽沉积速率亦较后一阶段（8700-5500calaBP）低。影响雨养泥炭沼泽沉积速率大小的原因主要有两个，其一，泥炭植物生长量远远大于其分解量，泥炭沼泽沉积速率变大；其二，一旦[18]115由外地质营力搬运进泥炭沉积的物质增多，也能致使泥炭沉积速率增高。这一阶段植物生长量较低，因此泥炭沼泽沉积速率较低的原因更多是因为外地质营力搬运进泥炭沉积的物质较少，因此在这一阶段元素Cu、Pb、Cd的含量较低。图3岩芯ALT-A沉积物中元素Cu、Pb、Cd与灰分沉积通量、烧失量、沉积速率与平均粒径的变化120Fig.3VariationsinCu,Pb,CdforcoreALT-Aandashflux,lossonignition,peataccumulationratesandmeangrainsizeforcoreALT-A阶段2：8700-5500calaBP在8700-5500calaBP期间，元素Cu、Pb、Cd的含量较前一阶段有所升高。这一阶段烧失量较高，约90%左右，沉积速率较前一阶段大幅度增大，说明在植物生长量增加的同125时由外地质营力输入泥炭沉积中的物质也有所增多，导致此一阶段元素Cu、Pb、Cd含量较高。阶段3：5500calaBP-至今5500calaBP以来，灰分沉积通量与烧失量的变化与前一阶段相差不大，但是泥炭沉积速率在这一阶段较前两个阶段大幅度减小，尤其相较于第二阶段，从而表明由外地质营力搬130运进泥炭沉积中的物质大为减少。外地质营力作为重金属元素进入泥炭沉积最主要的动力，对重金属元素在泥炭沉积岩芯中的含量有着极其重要的控制和调节作用；由外地质营力搬运进泥炭沉积的物质减少理应降低重金属元素在泥炭沉积中的含量，然而这一阶段元素Cu、Pb、Cd的含量反倒有所增加，说明虽然由外地质营力搬运进泥炭沉积的物质有所减少，但是进入泥炭沉积的物质中所赋存的重金属Cu、Pb、Cd反而有所增加。至少可以说明在此一135阶段大气中重金属Cu、Pb、Cd的含量与前两个阶段相比有所增加，而这种变化极有可能是人类采矿、冶金活动造成的。因此，5500calaBP以来ALT-A泥炭岩芯中的元素变化是自然与人类活动双重影响的结果，即这种变化叠加了古人类活动的影响。3.3重金属元素富集因子不同粒级的颗粒物上所赋存的元素含量是不尽相同的，黄土中的稀土元素主要富集在＜-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[19]1404μm的细粒端，而＞63μm的粗粒端稀土元素明显亏损。黄河沉积物的稀土元素含量随着沉积物粒径的增大呈现“高-低-高”的不对称马鞍形分布，研究发现稀土元素最主要富集[20][21]在＜4μm的细粒端。长江沉积物的稀土元素丰度随着粒径变细而逐渐增大。黄土中的元素Si主要富集在＞50μm的粗颗粒中,元素Fe,Mg在＜2μm与2-8μm的颗粒物中富集明[22][23]显。此外，粘土级（＜2μm）的颗粒物对各类金属元素都具有较强的吸附力。综上所145述，粒度效应对沉积物元素含量具有一定的影响。[24]富集因子法通常情况下可以抵消粒度效应对沉积物元素含量的影响，因此元素富集因子的变化更能真实地体现出元素含量的变化。某一元素相对于陆壳元素的富集因子为：EF=(X/Sc)sample/(X/Sc)crust式中：(X/Sc)sample是样品中某元素与元素Sc的比值，(X/Sc)crust是陆壳中某元素与元素Sc150的比值。在实际应用中通常计算某元素相对于上陆壳（UCC）的富集因子，分母取上陆壳中某元素与元素Sc的比值。EFCu、EFPb、EFCd的变化与各自元素在泥炭岩芯中的含量变化趋势相当一致（图4），因此粒度效应对元素Cu、Pb、Cd在泥炭岩芯中的含量并不存在大的影响，1500calaBP以来，各元素富集因子与元素含量的变化趋势略有差异，但是各元素富集因子的变化更能真实155地体现出元素含量的变化。元素Cu、Pb、Cd的富集因子EF值均显著大于1，因此这3种重金属元素在ALT-A泥炭沉积物中富集明显。图4岩芯ALT-A沉积物中元素元素Cu、Pb、Cd与EFCu、EFPb、EFCd的变化Fig.4AgeseriesofCu,Pb,CdandEFCu,EFPb,EFCdforcoreALT-A1604讨论ALT-A泥炭岩芯在10500-5500calaBP期间的重金属元素含量变化可能与区域气候变化有关，究竟存在什么关系还有待于进一步研究，然而5500calaBP以来ALT-A泥炭岩芯中的重金属元素变化无疑叠加了人类活动的影响，很可能自此时起人类活动已是控制泥炭沉积中元素含量变化的主要因素。165因此本文对比了ALT-A泥炭岩芯沉积物5500calaBP以来元素Cu、Pb、Cd异常富集与该时期以来阿勒泰与米努辛斯克盆地、图瓦地区文化发生序列的关系，不难发现重金属元-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn素Cu、Pb、Cd出现蓄积峰的时间段与该区域考古文化序列发生的起迄时间较为吻合（图5）。阿勒泰与米努辛斯克盆地、图瓦地区在5500calaBP以来相继出现过数支非常繁荣的青铜-铁器文化。有历史文献记载的2000calaBP以后，阿勒泰地区诞生过数个冶金技术非常发170达的文明体，中央王朝也数次征服并统治过该区域，而重金属元素Cu、Pb、Cd最富集的阶段恰出现在1500calaBP以后。图5岩芯ALT-A沉积剖面中的元素Cu、Pb、Cd异常富集与阿勒泰地区文化发生序列对比Fig.5ComparisonofEFCu,EFPbandEFCdabnormitywiththeculturalsequenceinALTareasince5500aBP175元素Cu与Pb是青铜器的主要组成元素，其次在硫化铜矿床中，往往存在有价Pb。不仅金属器物的冶炼、铸造、锻打会向周围环境介质中释放元素Cu、Pb，古人的采矿活动亦能向周围环境中释放大量Cu、Pb，进而为泥炭沉积所保存记录。在青铜冶炼、锻造过程的中加入重金属Cd不仅可以提高青铜器物的耐磨性，还能降低合金的熔点。因此这三种元素含量的变化可以在一定程度上反映人类采矿、冶金活动的繁荣式微。180阿勒泰与米努辛斯克盆地、图瓦地区出现的第一支青铜文化为阿凡纳谢沃（Afanasievo）文化，该文化起止时间大约为3100-2300BC之间。阿凡纳谢沃文化墓葬出土的金属器物绝大部分属于纯铜器，仅有部分属金银器；主要有短剑、刀、銎斧、锥、耳环等类型。小件铜器多为锻造而成，说明当时的古人或许已经简单掌握了锻造技术。除去金属器物，该文化墓葬中亦出土了大量陶器、骨器。同时有研究表明，该文化极有可能源于东欧竖穴墓文化[25]185（3500-2300BC），而后者是欧亚草原最为重要的第一支青铜文化。14该地区出现的第二支繁荣的青铜文化为奥库涅夫（Okunevo）文化，而该文化C年龄主要集中在2600-1700BC之间。奥库涅夫文化墓葬出土的金属器物主要有短剑、刀、锥、耳环，鱼钩等，经光谱分析已出现部分青铜器，但大部分器物仍以纯铜为主，同时该文化墓葬[26]中也出土了大量纹饰繁复的平底陶器。以上两种早期的考古文化墓葬虽只出土了一部分190金属器物，但至少可以说明当时的古人或许已经掌握了金属矿物的开采与冶炼技术，因此5500calaBP以来元素Cu、Pb、Cd开始富集。安德罗诺沃（Andronovo）文化分布范围非常广大，以哈萨克草原为中心，西起南乌拉尔地区，东抵叶尼塞河中游和中国的新疆地区，向南一直延伸到中亚南部的土库曼斯坦地区，[27]该文化起止时间大约为2000-900BC之间，持续了长达千年的时间。该文化遗址出土了195大量青铜工具、武器、装饰品；安德罗诺沃文化的冶金业非常繁盛发达，在该文化遗址中出土了大量金属器物，主要为含锡3-10%的青铜器，锡青铜数量占总出土金属器物的90%以上。含锡比例在一个固定的范围内，显然是古人有意为之；有研究表明纯铜的布氏硬度为35，-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn若加5-7%的锡，硬度会增高为50-65；若加7-9%的锡，硬度则增为65-70；若加9-10%的锡，[28]硬度就会增大到70-100。而要在冶炼过程中使得金属锡的含量占比在一个相对固定的范[29]200围内，可见当时人们的冶金技术已经达到了一定的水平。有研究表明在安德罗诺沃时期[30]Altyn-Tyube矿已被开采，并且采矿废料达18m厚，可从一个侧面说明安德罗诺沃文化采矿业的繁荣。米努辛斯克盆地，图瓦地区，阿尔泰地区在1200-800BC之间出现了又一支青铜文化，即卡拉苏克文化（Karasuk）。在商代晚期与西周时期流行于中国北方地区的青铜短剑与卡205拉苏克文化出土的青铜短剑有很大的相似性，说明自此时起，中原内地与该区域的古文化已有交流互动。卡拉苏克文化出土的金属器物主要为工具与武器，有铜刀、铜锛、曲柄刀、弓形器、管銎戈、铜镰、铜矛和空首斧等，通过金相学分析表明该文化金属器物多为砷铜合金，锡铜合金所占比例不超过15%。这或许是3250-3000calaBP期间元素Pb、Cd比5100-3250calaBP期间富集因子较小的原因之一，因为在此之前，该区域流行锡铜合金，而元素Pb、210Cd正是青铜的金属成分之一。图瓦地区的On-Kazhaa与Khovu-Aksy铜砷矿藏在卡拉苏克文化时期业已被开采，可能是铜砷矿藏的开采使得当时的古人在冶铜的同时加入元素砷，使得这一时期流行砷铜合金。然而该区域流行砷铜合金仅限于卡拉苏克文化时期，在此之后，[31]锡铜合金再次占据了主动，并最终受到当地古人的欢迎，而逐步淘汰了砷铜。2000BC左右活动于甘肃西北部的四坝文化曾盛行砷铜合金，该文化遗址出土了相当比例的砷铜合金[32]215。泥炭沉积的元素地球化学记录或许也可以甄别不同时期考古文化金属器物合金成分的变化。3000calaBP起，阿勒泰与米努辛斯克盆地、图瓦地区几乎同时流行塔加尔文化、塞人文化；其中塔加尔文化在米努辛斯克盆地与叶塞尼河、图瓦河流域分布有大量遗址，该文化遗址出土了大量青铜武器与工具，有青铜短剑、战斧、铜锥等。在米努辛斯克盆地发现大量[33]220在塔加尔时期就已开采的古代铜矿藏，亦可见在该时期古人采矿业的兴盛。以上考古文化的遗址或墓葬中均出土了大量金属器物，包括纯铜、锡铜与砷铜合金，说明当时的人们已经开始金属冶炼铸造工作；其次在考古时期就已开采的铜矿，不仅为古人的金属冶炼提供了原料，且开矿必然会向大气介质中释放重金属物质，进而为泥炭沉积所记录。阿勒泰与米努辛斯克盆地、图瓦属于乌拉尔-蒙古成矿带，该成矿带主要矿产有Cu、Fe、Pb、[34-35]225Zn、Sn、Cd。其中新疆阿勒泰地区存有大量斑岩型铜矿床，该铜矿床有规模大，埋藏[35-38]浅，品味低但是矿化度分布均匀的特点，非常易于分选利用。古人采矿技术有限，埋藏浅易于开采，规模大保证了冶炼的需要，因此该区域存在如此多繁盛的青铜-铁器文化是有其地质条件支持的。ALT-A泥炭沉积在3000BC之前元素Cu、Pb、Cd即出现了富集，活跃于该区域的阿230凡纳谢沃文化已经开始冶炼纯铜器，而我国内地最早的铜器大约出现在2500-1700BC期间，[39-40]即龙山时期-夏代。可见该区域的古人掌握金属器物制造的时间远远早于中原内地，金属冶炼技术极有可能是沿着河西走廊或是蒙古草原进入中原腹地，当然仅凭时间上的先后断定中国的冶金技术是否是外来的，还存在很多不严谨的地方，需要更深入地分析金属器物的器型、纹饰、合金组分以及冶炼铸造技术等。235200BC以后，新疆地区开始出现在历史文献的记载中，关于古人采矿冶金的资料遍布各家史料。在《汉书·地域传》中就记载了婼羌、鄯善、莎车、难兜、罽宾、姑墨等国采矿冶金的盛况；如婼羌国开采铁矿用以制作弓、矢、矛、服刀、剑甲等战争装备；罽宾已开展[41]了金属贸易。-8- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1600-1400calaBP期间，元素Cu、Pb、Cd亦有所富集，这一时期先后有柔然和突厥民240族盘踞于该区域。据史料记载柔然在阿勒泰地区拥有一个规模巨大的冶铁基地，主要为其与中原王朝的战争提供铠甲、武器等。《魏书·太祖纪》记载北魏与柔然一战即缴获重甲骑兵2000匹，可见当时柔然武备制造业的繁荣。柔然衰落后，突厥民族雄踞于蒙古草原，继而统治阿勒泰与米努辛斯克盆地、图瓦地区，突厥民族不仅在新疆地区开采铁矿，甚至还要求属国向其运送优良铁矿石，用以开展大规模、专业化的冶铁工作。唐王朝灭突厥后于2451350-1200calaBP期间统治西域，众所周知唐王朝是我国历史上一段极为辉煌的时期，其对西域的经营无论从内容上还是规模上均远超以往任何历史时期。如唐王朝在西域屯田可达[41]2800倾之多，可见中原王朝在这一时期对西域的经营规模之大。这一时期元素Cd极度富集，富集因子高达18，或许正是唐王朝对西域大规模的开发致使了这一变化。1100-700calaBP期间，中原王朝又一次失去了对西域的控制，喀喇汗王国则乘机占据250了阿勒泰地区。喀喇汗王国的金属冶炼较前代有了较大的发展，主要制造武器、工具、装饰品等。根据炉渣分析并有历史文献证实，喀喇汗王国的工匠已经掌握了从硫化铜矿中用烤钵提炼白银的复杂技术，说明喀喇汗王国的工匠已经具备了相当高的冶金技术。而且喀喇汗王国的采矿技术更为先进，彼时的古人依据不同的地形，选择不同的开采形式，有竖井、斜井、露天矿。当时开采的矿井深达150-160m，井下不仅利用自然通风，还利用挡风板将地面上255的空气反推入井下，以给采矿工匠提供足够的氧气；矿石则用绞车提到地面，在开采场就地[41]粉碎、洗矿、冶炼。矿石产品多样，有铁、锡、铜、金、银以及宝石。可见在喀喇汗王国时期，古人不仅具备高超的冶金技术，还有相对先进的采矿技术，二者共同的作用使得这一时期金属业异常繁荣，使得这一阶段元素Pb的富集因子高达30，元素Cu的富集因子高达13。260值得注意的一个现象是近现代以来，元素Cu、Pb、Cd的富集因子开始迅速增大，这极有可能与新疆地区近现代以来铜矿开采以及经济开发有关。新疆喇嘛苏铜矿自从1985年发[42]现以来，即开始不断大规模开采，该矿盛产磁黄铁矿、黄铁矿、黄铜矿、方铅矿等。进入80年代，随着国家“305”项目在北疆地区的开展，相继发现了萨惹什克、卡拉萨依、老[43]鸦泉、贝勒库都克等锡矿床，随即也组织了开采。而开采活动势必会向周围大气中排放265元素Cu、Pb、Cd等，从而为ALT-A泥炭所记录。泥炭沉积不仅可以记录历史时期人类采矿冶金活动的变化，而且能监测现代大气金属污染状况。5结论14本文选择了北疆铁尔沙汗湿地ALT-A雨养泥炭作为研究对象，采用AMSC测年并建立了泥炭岩芯的年代序列。测试了泥炭沉积的粒度组成、灰分沉积通量以及重金属元素含量。270利用与人类采矿和冶金密切相关的元素Cu、Pb、Cd的变化，探讨了阿勒泰泥炭重金属元素异常记录的人类活动信息。1.5500calaBP以来，泥炭灰分沉积通量与烧失量并未发生明显的变化，然而沉积速率却迅速减小到一个较低的水平，从而表明由外地质营力带入泥炭中的物质有所减少，即该时期以来大气粉尘含量有所降低，然而元素Cu、Pb、Cd却在5500calaBP以来富集明显，说275明这一阶段大气中重金属Cu、Pb、Cd的含量有所增加，使得进入泥炭中的碎屑物质所携带的重金属增多，而这种变化非常有可能是人类采矿、冶金活动所导致。2.5500calaBP以来，元素Cu、Pb、Cd富集的阶段正对应了阿勒泰地区及其周边米努辛斯克盆地、图瓦地区青铜-铁器文化的鼎盛期。此一时期以来，这片广袤的区域先后盛行-9- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn过阿凡纳谢沃（3100-2300BC）、奥库涅夫（2600-1700BC）、安德罗诺沃（2000-900BC）、280卡拉苏克（1200-800BC）、塔加尔与塞人文化（1000-200BC）。这一系列考古文化的遗址或墓葬中均出土了数量极为丰富的纯铜、青铜器以及铁器，说明当时的古人们已经掌握了金属矿藏的开采与冶炼技术，意即北疆阿勒泰地区早在5000多年以前就已进入了青铜时代。5500-2000calaBP期间元素Cu、Pb、Cd异常富集极有可能与上述一系列青铜-铁器文化有关，正是彼时古人获取金属矿藏与制造金属器物的活动提高了大气介质中的重金属物质含285量，而由人类活动所释放的重金属物质最终以大气沉降的形式进入泥炭沼泽沉降档案。3.1500calaBP以来，元素Cu、Pb、Cd存在两个极度富集的阶段，前一阶段（约600-750AD）富集可能正是唐王朝对西域大规模的开发所导致；而后一阶段（约850-1250AD）富集可能是当时深耕于阿勒泰地区的喀喇汗王国大规模的采矿与冶金所致使。近现代以来，重金属元素升高极有可能与北疆地区现代化进程与大规模开矿有关。290致谢感谢金彦香、李渊、李丰山、吴金甲、刘利等在论文完成过程中的宝贵意见。[参考文献](References)[1]CrutzenPJ.GeologyofMankind[M].SpringerInternationalPublishing,2016.[2]方创琳.中国人地关系研究的新进展与展望[J].地理学报,2004,(S1):21-32.295[3]ShotykW.NaturalandanthropogenicenrichmentsofAs,Cu,Pb,SbandZninombrotrophicversusminerotrophicpeatbogprofiles,JuraMountains,Switzerland[J].Water,Air,&SoilPollution,1996,90(3):375-405.[4]CrutzenPJ.Geologyofmankind[J].Nature,2002,415(6867):23-23.[5]Martínez-CortizasA,ShotykW.MercuryinaSpanishPeatBog:ArchiveofClimateChangeandAtmospheric300MetalDeposition[J].Science,1999,284(5416):939-42.[6]YuX,ZhouW,LiuX,etal.PeatrecordsofhumanimpactsontheatmosphereinNorthwestChinaduringthelateNeolithicandBronzeAges[J].PalaeogeographyPalaeoclimatologyPalaeoecology,2010,286(1):17-22.[7]王国平,贾琳,刘景双,等.国外大气沉降泥炭沼泽档案研究进展[J].湿地科学,2006,4(1):69-74.[8]ShotykW,WeissD,KramersJD,etal.GeochemistryofthepeatbogatEtangdelaGruère,JuraMountains,305Switzerland,anditsrecordofatmosphericPbandlithogenictracemetals(Sc,Ti,Y,ZrandREE)since12,37014CyrBP[J].GeochimicaEtCosmochimicaActa,2001,65(14):2337-2360.[9]SollorsW.SummaryoftheWorkshoponPeatBogArchivesofAtmosphericMetalDeposition[J].Water,Air,&SoilPollution,1997,100(3):213-219.[10]Roos-BarracloughF,Martinez-CortizasA,Garcı́A-RodejaE,etal.A14 500yearrecordoftheaccumulation310ofatmosphericmercuryinpeat:volcanicsignals,anthropogenicinfluencesandacorrelationtobromineaccumulation[J].Earth&PlanetaryScienceLetters,2002,202(2):435-451.[11]ZhangY,MeyersPA,LiuX,etal.HoloceneclimatechangesinthecentralAsiamountainregioninferredfromapeatsequencefromtheAltaiMountains,Xinjiang,northwesternChina[J].QuaternaryScienceReviews,2016,152:19-30.315[12]ChenFH,DongGH,ZhangDJ,etal.ResponsetoCommenton"AgriculturefacilitatedpermanenthumanoccupationoftheTibetanPlateauafter3600B.P."[J].Science,2015,348(6237):248-250.[13]MuttoniG,ScardiaG,KentDV.HumanmigrationintoEuropeduringthelateEarlyPleistoceneclimatetransition[J].PalaeogeographyPalaeoclimatologyPalaeoecology,2010,296(12):79-93.[14]WuQ,ZhaoZ,LiuL,etal.Outburstfloodat1920BCEsupportshistoricityofChina"sGreatFloodandthe320Xiadynasty[J].Science,2016,353(6299):580-582.[15]DemenocalPB.CulturalresponsestoclimatechangeduringthelateHolocene.[J].Science,2001,292(5517):667-73.[16]李明伟.丝绸之路研究百年历史回顾[J].西北民族研究,2005(2):90-106.[17]张志德.新疆区域地质基本特征概述[J].地质通报,1990(2):112-125.325[18]赵红艳,冷雪天,王升忠.长白山地泥炭分布、沉积速率与全新世气候变化[J].山地学报,2002,20(5):513-518.[19]李洋,李徐生,韩志勇,等.黄土不同粒级稀土元素分布特征及其制约因素[J].土壤学报,2016,53(4):972-984.[20]戴慧敏,鲍庆中,杨作升,等.黄河沉积物中稀土元素(REE)组成的粒度效应[J].第四纪研究,2007,33027(5):718-723.[21]宫传东,戴慧敏,杨作升,等.长江沉积物稀土元素的粒度效应研究[J].地质学刊,2012,36(4):349-354.[22]刘连文,陈骏,王洪涛,等.一个不受风力分选作用影响的化学风化指标:黄土酸不溶物中Fe/Mg值[J].-10- 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