長江三峽地區(qū)黃土粒度特征及其成因分析

吳 可，彭紅霞2，＊，時 冉

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）地球科學學院，武漢430074；2.中國地質(zhì)大學（武漢）公共管理學院，武漢430074）

我國黃土分布面積廣、沉積連續(xù)，堆積時間長，含有豐富的氣候與環(huán)境變化記錄指標［1］.巫山黃土被認為是我國黃土分布的南界，其來源及成因?qū)ζ涔艢夂颦h(huán)境的研究意義深遠.謝明等［2］對長江三峽地區(qū)黃土狀堆積物進行研究，認為巫山黃土各方面都與河漫灘和其它階地堆積物相似，屬于河流沉積物；柯于義等［3］對三峽庫區(qū)巫山黃土成因研究，認為巫山黃土為沖積成因，但不是階地堆積，而是多期次的洪水沉積物，沉積物中含有風成黃土成分，但是屬于經(jīng)流水搬運再次沉積的次生黃土；王建明、何永峰、張玉芬等［4－9］分別從巫山黃土粒度特征、元素地球化學特征、磁組構(gòu)特征、稀土元素特征等方面進行了研究，認為主要是風成.對巫山黃土沉積成因的研究眾多，但是由于沒有定年作為基礎(chǔ)，沒能進行很好的橫縱向的比較，其成因仍是眾說紛云.對于黃土，粒度參數(shù)能反映其物質(zhì)來源、搬運介質(zhì)和動力、沉積環(huán)境，是沉積物的重要特征之一，其在追溯來源及重建古氣候中具有重要作用［10－13］，已經(jīng)被廣泛運用于北方黃土研究中.論文以巫山地區(qū)黃土剖面作為研究載體，討論和分析了巫山黃土的粒度特征，并結(jié)合測年數(shù)據(jù)，通過與北方黃土及河流沉積物進行對比，探討巫山黃土的成因，推測其來源，以期對中國黃土古氣候環(huán)境演變方面的研究作出一定的貢獻.

1 區(qū)域概況與剖面特征

研究區(qū)處于我國東南歷史降塵區(qū)以東范圍內(nèi)［14］，處于我國第二級階梯和第三級階梯的交界處，該區(qū)域的地理坐標是109°33′～110°11′E，30°45′～31°28′N.該區(qū)氣候類型屬于亞熱帶季風氣候，年均溫18.4℃，年平均降水量1 041 mm，冬夏季風都能影響到該區(qū).

采樣點位于重慶市巫山縣城巫山客運巷北岸，大寧河與長江主流交界處（如圖1所示），采樣剖面孤立分布于長江中游河谷北岸，為一個建筑工地新開挖的新鮮露頭，厚達10 m多，頂?shù)浊宄?，出露完整，是研究巫山黃土的理想剖面.剖面質(zhì)地均一，無層理，垂直節(jié)理發(fā)育，土壤風化程度弱，未見明顯的古土壤層，主要由黃色和褐黃色的粉砂和砂質(zhì)粘土組成.

2 樣品采集與實驗方法

剖面共采年代樣品5個，間距約2 m，避光采樣后迅速用多層黑色塑料袋密封，送往青海省中科院鹽湖研究所進行光釋光測年，具體測年方法詳見賴忠平等［15－16］的相關(guān)研究成果.

粒度樣品采集間隔5 cm采樣，獲得201個樣品，為了進行橫向?qū)Ρ龋覀冊陂L江河流沖積物中采集了17個樣品，一共獲得218個樣品.粒度測試是在中國地質(zhì)大學（武漢）生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點實驗室完成，采用的儀器是美國Coutler公司制造的LS230型全自動激光粒度分析儀，測量范圍為0.4～2 000μm［17］.樣品的制備過程與Konert描述的方法相似［18］：首先稱取1.2 g樣品，加入10%的H2O210 m L震蕩，靜置過夜，吸取上清液，去除樣品中的有機質(zhì)；再加入10%的HCl 10 m L震蕩，靜置過夜，吸取上清液，去除溶液中的碳酸鹽；加入去離子水30 m L，洗去溶液中的Cl－、Ca2＋等.然后在進樣前加入濃度為30 g／1 000 m L的分散劑（Na3PO4）610 m L對樣品進行分散，若樣品固結(jié)不易分散，可采用超聲震蕩10～20 min.最后就可以在儀器上進行樣品測試，重復測量3次，減小誤差.

圖1 我國黃土分布及采樣點的地理位置Fig.1 The distribution of China’s loess and the location of the sampling point

3 結(jié)果分析與討論

3.1 年代結(jié)果

測得年代數(shù)據(jù)如表1.

表1 巫山黃土剖面地層年代表Tab.1 Stratigraphic timetable of Wushan loess profile

年齡測試結(jié)果與剖面厚度之間具有很好的線性關(guān)系（如圖2所示），回歸方程：t＝2.315x＋19.989（t為年齡，單位：ka；x為剖面厚度，單位：m），相關(guān)系數(shù)R＝0.975.年代數(shù)據(jù)顯示，該剖面黃土為晚更新世中后期黃土.

圖2 年代數(shù)據(jù)線性關(guān)系Fig.2 The liner relationship of age data

3.2 巫山黃土與河流沉積物粒度特征比較

3.2.1 質(zhì)地分類采用中國制土壤顆粒分級，分別以顆粒直徑為50μm、10μm和5μm作為細砂粒／

粗粉粒、粗粉粒／細粉粒和細粉粒／粘粒的劃分界線進行統(tǒng)計.論文同時采用中國制土壤質(zhì)地分類標準，將砂粒（1 000μm～50μm）、粉砂（50μm～5μm）、粘粒（＜5μm）所對應(yīng)的各粒組百分含量［19］，投影到土壤質(zhì)地分類三角圖上（如圖3）.從圖中可以看出，剖面的全部黃土為粘土質(zhì)粉砂，巫山黃土和河流沉積物的土壤質(zhì)地完全不同，巫山黃土分布集中，以粉砂為主，而河流沉積物則分布分散，并且以砂粒為主.

圖3 土壤質(zhì)地分類三角圖Fig.3 The triangle figure of soil texture classification

3.2.2 巫山黃土與河流沉積物的粒度象對比 將A－M，L－M，F(xiàn)－M圖結(jié)合起來，可以反映沉積物全部樣品的總面貌，帕塞加稱之為沉積物的粒度象，并認為它可以說明沉積物的搬運介質(zhì)狀況，反映沉積物的沉積環(huán)境等［20］.從圖4中可以看出，巫山黃土和河流沉積物幾乎分布在兩個不同的區(qū)域，表明二者成因不同，而且巫山黃土分布區(qū)域集中，而河流沉積物不同組分的對應(yīng)百分含量波動大，分布區(qū)域廣，表現(xiàn)河流沉積物的搬運動力大小的變化.

圖4 巫山黃土與河流沉積物的粒度象比較Fig.4 The comparison of granularity image of Wushan loess river sediments

3.3 巫山黃土粒度組成與北方黃土比較

3.3.1 粒度特征比較 巫山黃土粒徑＜5μm的顆粒含量范圍為15.44%～26.70%，平均為21.31%，該組分被稱為“挾持組分”，主要是依靠較粗顆粒跳躍撞擊揚起，或附著在粉塵顆粒表面而被帶到黃土堆積區(qū)，為該段的次眾數(shù)粒組；粒徑5μm～10μm的顆粒含量范圍為8.71%～15.46%，平均為12.19%，該組分含量在北方典型黃土剖面中一般保持在10%～15%左右；粒徑為10μm～50μm的顆粒含量范圍為42.91%～55.86%，平均含量為48.62%，該組分是我國北方各地典型黃土的眾數(shù)粒組，變化范圍在40%～60%，被稱為風塵的基本粒組——“黃土粒組”；粒徑＞50μm的顆粒含量范圍為11.79%～27.73%，平均含量為17.88%.我國北方黃土粒徑＞50μm或者＞63μm（即4Φ）的含量一般不超過10%，而該剖面沉積物中細砂粒達到17.88%，明顯多于西北部黃土中細砂粒含量，這可能與剖面所處的地理位置有關(guān)，因為剖面位于長江峽谷中，并且地勢較低，所以附近山地的相對較粗的顆粒有可能混入.

巫山黃土以粗粉粒為主，粘粒次之，再次為細砂粒，細粉粒最少，與洛川剖面和午城剖面晚更新世的馬蘭黃土相比，巫山黃土粒度組成特征與同時期的我國西北典型風成黃土非常相似.而河流沉積物粒度組分則是以細砂粒為主，粗粉粒次之，而且各含量變化范圍大，這與巫山黃土的粒度組分明顯不同（見表2），需要說明的是甘肅、洛川、午城黃土資料來源于劉東生等［20］.

表2 巫山黃土粒度組成Tab.2 Wushan loess grain－size composition

3.3.2 頻率曲線比較 巫山黃土粒度頻率曲線如圖5所示.

圖5 巫山黃土粒度頻率曲線Fig.5 The grain－size frequency curves of Wushan loess

巫山黃土的粒度頻率曲線多表現(xiàn)出雙峰特征，個別樣品出現(xiàn)多峰，在Φ＜2區(qū)間有少數(shù)樣品有個小峰，該組分對應(yīng)滾動粒組，可能來自附近較粗顆粒物質(zhì)或者在采樣過程中混入較大顆粒.第1眾數(shù)在4～5Φ區(qū)間，第2眾數(shù)在6～7Φ區(qū)間，這可以用我國黃土粒度普遍出現(xiàn)的雙峰分布特征［21－24］來解釋，但是第2眾數(shù)對應(yīng)區(qū)間的顆粒粒徑稍微偏粗，這部分對應(yīng)的是細粒粉塵，其搬運方式主要是高空長距離懸浮，或者附著于大顆粒被搬運，也有成壤作用因素.細粒的懸浮組分的搬運與當時的氣候有關(guān)，研究區(qū)黃土為晚更新世黃土，氣候正處于末次冰期，是第四紀最寒冷的時期，冬季風增強有可能是導致懸浮的細粒組分偏粗的一個原因.另外，在Φ值大于11的區(qū)域也占有一定的含量，這部分對應(yīng)粒徑＜0.5μm的區(qū)間，一般在黃土中含量在3%左右，古土壤中約為5%，該剖面平均值為2.95%，它的成因與成壤作用有關(guān)，采樣剖面未見古土壤層，這一平均值也符合黃土中成壤粒徑的含量［25］.曲線偏度為正偏態(tài)，第一眾數(shù)粒徑向粗粒端減小的速率要比向細粒端快，從而在細粒端形成跨度大的細尾，表明搬運動力弱，粗粒物質(zhì)不足［26］，相對于流水搬運而言，風力搬運更適合解釋這一現(xiàn)象，這也符合風塵黃土的普遍規(guī)律.峰態(tài)表現(xiàn)為非常窄而且尖銳，表明巫山黃土堆積后，新環(huán)境對其改造作用很明顯.

研究表明，中國黃河中游馬蘭黃土自西北向東南有平均粒徑逐漸變細的空間分布特點，根據(jù)不同采樣點的平均粒徑大小進行統(tǒng)計，朱海之把它們劃分為砂黃土帶、黃土帶、粘黃土帶3個區(qū)域，如上圖6所示［27－29］.

圖6 黃河中游馬蘭黃土顆粒粗細分帶圖Fig.6 Particles thickness distribution strip chart of Malan loess at the middle Yellow River

巫山黃土的平均粒徑Φ值在4.583 117到5.274 250之間變化，平均值為5.047 610Φ，這一值與黃土從西北向東南逐漸變細的空間分布特征不符合［30－31］（如圖6所示）.但是研究區(qū)的粒度組分特征滿足我國典型黃土的“風成黃土基本粒組”以及中國黃土粒度的雙峰分布特征，對其平均粒徑偏大貢獻率較大的是＞50μm顆粒的含量.綜上分析，我們推測影響其平均粒徑偏大的原因可能有以下幾點：1）研究區(qū)域黃土為晚更新世黃土，氣候正處于末次冰期，從巫山黃土的頻率曲線的第二眾數(shù)稍微偏大可以證實當時冬季風較強盛；2）在冬季風風力強勁條件下，近源較粗顆粒的風塵物質(zhì)混入，有研究表明沉積物中＞32μm不可能是風力長距離搬運的產(chǎn)物，而認為暴露在冰期的河谷或湖床的細粒沉積為南方黃土的物源做出了重要貢獻［32］；3）采樣剖面位于長江與大寧河交界河谷北岸，地勢較低，重力作用下近源粗顆?；烊耄魉饔酶脑斓仍蛞灿锌赡茉斐善骄狡?，從頻率曲線的峰態(tài)很尖銳也可以證實巫山黃土沉積后受新環(huán)境改造作用強.

4 結(jié)論

巫山黃土的粒度特征與河流沉積物以及同時期的典型風成馬蘭黃土對比分析得出如下結(jié)論：

（1）年代數(shù)據(jù)顯示，研究區(qū)域黃土為晚更新世黃土；

（2）巫山黃土和河流沉積物在土壤質(zhì)地三角圖上分布在不同的區(qū)域，顯示二者屬于不同的質(zhì)地；巫山黃土和河流沉積物的粒度象顯示二者差別明顯，表明巫山黃土不是水成成因.

（3）巫山黃土的基本粒組（粒徑為10μm～50μm）的平均含量為48.62%，符合我國風成黃土該成份變化范圍（40%～60%），而粒徑＞50μm組份偏高可能有近源較大顆粒進入；巫山黃土頻率曲線也與我國北方風成黃土雙峰分布相符合，但是明顯受新環(huán)境改造作用強.

致謝：OSL測年在中國科學院青海鹽湖所鹽湖資源與化學重點實驗室完成，粒度數(shù)據(jù)在中國地質(zhì)大學（武漢）生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點實驗室完成.此外，研究生葉小拼、李曉莉、梁峰參加了野外樣品的采集，在此對他們表示感謝！

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