大別山北麓黃土古土壤磁組構(gòu)參數(shù)特征與環(huán)境變化研究

張 華， 宋傳中， 張 妍

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽建筑工業(yè)學(xué)院 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230022）

在近年來(lái)的第四紀(jì)環(huán)境研究中，以普遍存在于所有沉積物中的磁性礦物為載體，具備多參數(shù)、高分辨率以及定量化優(yōu)點(diǎn)的磁組構(gòu)學(xué)備受重視。磁組構(gòu)是判斷古沉積環(huán)境的有效方法，隨著沉積磁組構(gòu)分析在沉積學(xué)領(lǐng)域中不斷發(fā)展和完善，目前 已 經(jīng) 應(yīng) 用 于 黃 土－古 土 壤［1－3］、河 湖 相 沉 積物［4－5］的研究中來(lái)推斷各種沉積物的沉積類型和成因方式。研究發(fā)現(xiàn)，不同沉積動(dòng)力特征下形成的沉積物，其磁組構(gòu)參數(shù)的大小及不同參數(shù)的組合特 征 不 同，兩 者 之 間 存 在 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系［1，3，6］。 因此，運(yùn)用典型沉積的磁組構(gòu)特征對(duì)比分析未知沉積物，可以得到未知沉積物的物源、沉積過(guò)程和環(huán)境信息。大別山是中國(guó)南北地理和氣候帶的分界線，對(duì)大別山黃土－古土壤展開(kāi)系統(tǒng)的研究對(duì)中國(guó)中東部古氣候環(huán)境演變的研究具有重要意義。目前有關(guān)該地區(qū)的研究主要是集中在構(gòu)造方面［7］，而關(guān)于黃土－古土壤古氣候環(huán)境研究甚少，為了獲得其沉積物的沉積環(huán)境及沉積動(dòng)力類型，本文以大別山北麓黃土－古土壤為對(duì)象，運(yùn)用磁組構(gòu)分析方法進(jìn)行研究，從而獲得對(duì)大別山北麓黃土－古土壤的沉積環(huán)境的初步認(rèn)識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

研究剖面位于大別山北麓河南省信陽(yáng)地區(qū)的羅山縣境內(nèi)，其地理位置為32°06′N，114°40′E，剖面厚約17m，根據(jù)河南省區(qū)域地質(zhì)志推測(cè)該剖面為中更新世以來(lái)的沉積物。為了較為準(zhǔn)確地研究該剖面形成的年代，進(jìn)行了古地磁采樣，共采集定向樣品81塊用于樣品測(cè)試與分析。古地磁在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室古地磁室測(cè)定。古地磁測(cè)試在零磁空間經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的逐步熱退磁，溫度從100℃逐步升到600℃，剩磁測(cè)量使用英國(guó)MINISPING旋轉(zhuǎn)磁力儀，退磁使用美國(guó)生產(chǎn)的DM S－2熱退磁儀測(cè)試。大別山北麓剖面磁性地層劃分測(cè)試結(jié)果如圖1所示，在14.4m以上的磁傾角和磁偏角為連續(xù)的正極性，其下是連續(xù)的負(fù)極性，且底部未出現(xiàn)Jaramillo極性亞時(shí)事件，初步推測(cè)研究剖面底部形成于800ka B.P.。

圖1 大別山北麓剖面磁性地層劃分

2 常用磁組構(gòu)參數(shù)及其意義

沉積物內(nèi)部磁性礦物分布排列方式的特點(diǎn)稱為磁組構(gòu)，它決定的磁化率在各個(gè)方向上的差異性被稱為磁化率各向異性［8］。其特征可由一個(gè)定向的具3個(gè)相互垂直軸的橢球體予以表征，橢球體3個(gè)主軸即長(zhǎng)軸（K1）、中軸（K2）和短軸（K3）分別與磁化率的最大值、中間值和最小值相對(duì)應(yīng)。產(chǎn)生磁化率各向異性的因素與沉積作用、沉積環(huán)境和成因方式有關(guān)，不同的成因方式致使沉積物磁組構(gòu)參數(shù)特征各異。運(yùn)用沉積磁組構(gòu)特征對(duì)比分析未知沉積物，可以得到未知沉積物的物源、沉積過(guò)程和環(huán)境信息。本文在利用磁組構(gòu)參數(shù)研究所選剖面成因類型時(shí)，利用的參數(shù)［8］有：① 磁化率各向異性度P＝K1／K3，反映沉積物中顆粒排列的有序化程度，控制因素是沉積動(dòng)力的強(qiáng)度及穩(wěn)定性；② 磁面理度F＝K2／K3，反映沉積顆粒呈面狀分布的程度；③ 磁線理度L＝K1／K2，反映沉積顆粒呈線狀排列程度；④ 基質(zhì)顆粒度q＝2（K1－K2）／（K1＋K2－2K3），反映沉積粒度的分選性，其數(shù)值大小反映了沉積狀態(tài)和介質(zhì)能量衰減的幅度；⑤ 扁率E＝K22／K1K3，反映磁化率量值橢球的形狀，E＞1為壓扁狀，E＜1則為拉長(zhǎng)的橢球。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用磁組構(gòu)探討沉積物的原始沉積環(huán)境，必須利用它在沉積過(guò)程中形成的磁組構(gòu)，即原生磁組構(gòu)。研究表明，K3軸接近垂直于層面（i3≈90°）是沉積物原生磁組構(gòu)的最顯著特征［8］，但i3＞60°的磁組構(gòu)參數(shù)能夠有效降低風(fēng)化作用的干擾而獲得更接近原生磁組構(gòu)的數(shù)據(jù)［6］。因此，本文選取i3＞60°的樣品磁組構(gòu)，即近似代表研究剖面的原生磁組構(gòu)。

3.1 磁組構(gòu)各參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

磁組構(gòu)各參數(shù)圖如圖2所示，從圖2可以看出，研究剖面上下表現(xiàn)出一定的差異。在上部（0～1 480cm），P＜1.02，平均值為1.012，說(shuō)明磁性顆粒排列的定向性較弱。F值也很小，平均值為1.009，說(shuō)明沉積物中微細(xì)層理構(gòu)造較不發(fā)育。q平均值為0.291，但變化范圍較大，為0.075＜q＜0.865，一般q＜0.5時(shí)沉積物分選性好，代表能量緩慢衰減的正常沉積，即正常重力分異作用下的沉降，沉積物分選性較好，成層性也好；q＞0.7時(shí)沉積物分選性差，代表了顆粒在底流能量急劇衰減情況下的快速堆積，或代表了底流比較紊亂的無(wú)序沉積的事件性沉積，即非正常重力分異作用下的沉積。磁線理度L＜1.005，一般地，L受控于搬運(yùn)介質(zhì)流動(dòng)方向的單一性及沉積動(dòng)力強(qiáng)度，流體流動(dòng)持續(xù)而穩(wěn)定，顆粒排列有序度高，則L值大；反之，L值小，反應(yīng)沉積物穩(wěn)定性較差，顆粒長(zhǎng)軸呈線性排列的程度低。

圖2 大別山北麓剖面磁組構(gòu)各參數(shù)圖

底部（1 480～1 600cm）地層剖面內(nèi)磁組構(gòu)特征與上面地層剖面相比表現(xiàn)為明顯的差異，1.029＜P＜1.034，平均值為1.032，P值均大于1.020，說(shuō)明磁性顆粒排列的定向性較高。1.020＜F＜1.024，平均值為1.022，說(shuō)明沉積物中微細(xì)層理構(gòu)造較發(fā)育，這與野外觀察的現(xiàn)象一致。q（0.299＜q＜0.394）小于0.500，說(shuō)明流體介質(zhì)是在能量穩(wěn)定條件下的沉積，沉積物粒級(jí)分選性好。L＞1.005，平均值為1.009，磁線理度比上部地層剖面大，反應(yīng)顆粒長(zhǎng)軸呈線性排列的程度高，說(shuō)明水成沉積物中顆粒長(zhǎng)軸線狀排列程度比風(fēng)成沉積高。整個(gè)地層剖面E平均值均大于1，但剖面上部大部分E＜1.01而底部大部分E＞1.01，說(shuō)明研究剖面磁化率量值橢球形狀均為壓扁狀，即磁性顆粒以一定程度的面狀近似平行排列。

前人已對(duì)我國(guó)黃土古土壤的磁組構(gòu)作了大量研究，結(jié)果表明，水成沉積物P、F一般大于1.02，q在正常沉積時(shí)小于0.5，沉積環(huán)境動(dòng)蕩時(shí)大于0.5，E值絕大多數(shù)大于1.01［9］；而風(fēng)成沉積物的P、F均小于1.02，E值小于1.01，這是由于空氣的密度遠(yuǎn)小于水的密度，在流速接近的情況下，風(fēng)的動(dòng)能遠(yuǎn)小于水的動(dòng)能，因而風(fēng)的搬運(yùn)能力遠(yuǎn)小于水的搬運(yùn)能力，故一般風(fēng)成P和F值均小于1.02［9］。結(jié)合前人研究成果，綜合分析上述研究剖面沉積磁組構(gòu)特征，推知剖面0～1 480cm層段的磁組構(gòu)參數(shù)較小，表明該層段的沉積動(dòng)力強(qiáng)度較弱，反映典型風(fēng)成沉積為主的特點(diǎn)，而剖面底部1 480～1 600cm磁組構(gòu)參數(shù)較大，表明其沉積動(dòng)力強(qiáng)度較大，與水成沉積物磁組構(gòu)參數(shù)特征相似，反映水成沉積為主的特點(diǎn)。

3.2 磁組構(gòu)參數(shù)組合特征

用多個(gè)磁組構(gòu)參數(shù)組合圖來(lái)分析沉積環(huán)境的特征能更為確切地反映沉積物的成因類型和沉積環(huán)境，因此，對(duì)所研究剖面繪出F－L、F－P、L－P、P－q組合參數(shù)圖，如圖3所示。

在中上地層剖面（0～1 480cm）樣品磁組構(gòu)參數(shù)分布在靠近原點(diǎn)附近的區(qū)域，即在F－L組合圖上，F(xiàn)、L值幾乎均小于1.02的值域范圍內(nèi)；在P－q組合關(guān)系圖上，樣品磁組構(gòu)參數(shù)值為P值小而q值大的區(qū)域內(nèi)，磁基質(zhì)顆粒度q值變化較大，從0.07到0.865均有分布，說(shuō)明沉積過(guò)程中出現(xiàn)少數(shù)事件性沉積；從P－F、P－L組合關(guān)系圖上，可以看出各樣品P、F均線性相關(guān)性較好（R2＝0.899 5）而P、L相關(guān)性較差，說(shuō)明樣品磁化率各向異性主要是由磁面理引起的。

上部地層剖面樣品磁組構(gòu)參數(shù)組合特征與前人研究的風(fēng)成沉積物的特征相似，反映風(fēng)成沉積物的沉積動(dòng)力強(qiáng)度弱而穩(wěn)定［10］。

剖面底部（1 480～1 600cm）的磁組構(gòu)參數(shù)組合關(guān)系圖F－L、P－F、P－q上的磁組構(gòu)參數(shù)分布在遠(yuǎn)離坐標(biāo)原點(diǎn)的區(qū)域，即F、L、P高值區(qū)，q值的低值區(qū)，P、F相關(guān)性較好（R2＝0.944 4），這與典型水成沉積的磁組構(gòu)參數(shù)組合特征類似，并且反應(yīng)了水成沉積動(dòng)力強(qiáng)而穩(wěn)定，底部地層剖面P、F較高的相關(guān)性也是水成沉積物所具備的主要特征之一［9］。

圖3 大別山北麓剖面磁組構(gòu)參數(shù)組合圖

綜上所述，由大別山北麓黃土古土壤樣品的磁組構(gòu)參數(shù)測(cè)試結(jié)果得知，無(wú)論是單個(gè)磁組構(gòu)參數(shù)特征，還是磁組構(gòu)參數(shù)組合特征均能顯示剖面上部均為風(fēng)成成因，而剖面底部為水成沉積，研究區(qū)自下而上磁組構(gòu)參數(shù)特征的差異也許正是不同成因所致，反映了沉積環(huán)境從水成向風(fēng)成即由濕向干的遞變過(guò)程，也說(shuō)明不同類型沉積物AMS特征反映了不同的古環(huán)境條件及其隨時(shí)間的演化過(guò)程。大別山黃土古土壤的AMS所記錄的環(huán)境演變與我國(guó)長(zhǎng)江中下游黃土所記錄的環(huán)境演變具有較好的一致性，專家對(duì)我國(guó)第四紀(jì)黃土皖南剖面進(jìn)行了詳細(xì)的地層分組和ESR年代學(xué)及粒度研究，結(jié)果表明，上部9組地層記錄了風(fēng)塵堆積的地層始于約800ka B.P.左右，而底部1組地層記錄的是沖擊成因［11］；文獻(xiàn)［12］對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)風(fēng)塵堆積的磁性地層學(xué)和沉積學(xué)研究指出，我國(guó)南方最新一期的網(wǎng)紋紅土形成于780ka B.P.以后；向陽(yáng)剖面第四紀(jì)網(wǎng)紋紅土剖面上部黃棕色土層和下部網(wǎng)紋層的磁組構(gòu)學(xué)研究表明，黃棕色土層的磁組構(gòu)特征為風(fēng)積成因，而網(wǎng)紋層的與水成沉積的相應(yīng)特征近似［6］。上述研究反映了我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)在約800ka B.P.以來(lái)的黃土堆積由水成到風(fēng)成的環(huán)境變遷，而大別山北麓黃土古土壤所記錄相應(yīng)時(shí)段內(nèi)的氣候環(huán)境變遷說(shuō)明具有全球一致性，可能是對(duì)全球氣候的響應(yīng)。

4 結(jié)論

（1）上部地層剖面的磁組構(gòu)參數(shù)P、F值均小于1.02，E值小于1.01，反映風(fēng)成沉積物的特點(diǎn)，而剖面底部P、F值均大于1.02，E值絕大多數(shù)大于1.01，反映水成沉積物的特點(diǎn)。

（2）在磁組構(gòu)參數(shù)F－L、P－F和P－q關(guān)系圖上，上部地層剖面樣品的磁組構(gòu)參數(shù)主要集中在靠近坐標(biāo)原點(diǎn)附近，底部剖面集中于遠(yuǎn)離坐標(biāo)原點(diǎn)的區(qū)域，其組合特征反映了上部及中下部的沉積物在沉積動(dòng)力強(qiáng)度弱而穩(wěn)定的環(huán)境中形成，顯示出典型風(fēng)成沉積物的特征，而底部是在沉積動(dòng)力較強(qiáng)而穩(wěn)定的環(huán)境中形成，與前人研究的典型水成沉積物特征一致，反映出水成成因所致。

（3）整個(gè)剖面自下而上成因類型的遞變記錄了沉積環(huán)境從水成向風(fēng)成的逐漸轉(zhuǎn)變過(guò)程，即剖面從下至上形成由濕向干轉(zhuǎn)換的氣候環(huán)境。

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