粒度端元模型在新疆黃土粉塵來(lái)源與古氣候研究中的初步應(yīng)用

程良清，宋友桂，李越，張治平

1.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3.中國(guó)科學(xué)院中亞生態(tài)與環(huán)境研究中心，烏魯木齊 830011 4.新疆伊犁哈薩克自治州環(huán)境監(jiān)測(cè)站，新疆伊寧 835000

0 引言

粒度作為一個(gè)反映物源、搬運(yùn)方式和古氣候的重要指標(biāo)，已被廣泛地應(yīng)用于海洋[1-3]、湖泊[4-5]以及黃土[6-8]古環(huán)境變化研究中。一般情況下，沉積物是不同物源或沉積動(dòng)力過(guò)程作用的結(jié)果，單一的動(dòng)力過(guò)程產(chǎn)生單一的粒度組分，全樣的粒度參數(shù)只能近似地指示沉積環(huán)境的變化。因此，如何從全樣的粒度頻率分布曲線中分離出不同的單一粒度組分，進(jìn)而探討各組分的沉積學(xué)意義成為古環(huán)境研究的關(guān)鍵技術(shù)問題。目前黃土粒度組分分離方法主要有3種：1)Weibull分布函數(shù)擬合法：通過(guò)Weibull函數(shù)對(duì)沉積物中粒度頻率分布曲線峰值進(jìn)行擬合，從而分離出不同成因的粒度組分[9]。2)粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差法：計(jì)算每一粒級(jí)的所有樣品數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，某一粒級(jí)所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差越大，說(shuō)明產(chǎn)生該粒級(jí)的沉積動(dòng)力或沉積過(guò)程等環(huán)境變化越大[2,10]。3)端元模型分析法(EMMA)：認(rèn)為沉積物的粒度分布由不同物源或者不同傳輸機(jī)制和路徑?jīng)Q定，每一種過(guò)程具有某一特征的粒級(jí)組合。與Weibull函數(shù)擬合方法不同，該方法主要基于主成分分析、因子旋轉(zhuǎn)和非負(fù)最小二乘法來(lái)獲得對(duì)應(yīng)于某種沉積過(guò)程的組分，并且不需要任何特定條件的假設(shè)，主要根據(jù)樣品的粒度總體分布特征進(jìn)行分解[11]。盡管上述不同的粒度組分分離方法在黃土高原地區(qū)得到了成功的應(yīng)用[10,12-13]，但是在中亞干旱區(qū)氣候變化重建過(guò)程中鮮見報(bào)道。中亞干旱區(qū)同時(shí)受西風(fēng)環(huán)流、西伯利亞高壓以及北冰洋極鋒等氣候系統(tǒng)的影響，因而可能記錄了更為復(fù)雜的沉積動(dòng)力過(guò)程。本文以地處中亞干旱區(qū)的伊犁盆地肖爾布拉克黃土剖面為研究對(duì)象，嘗試?yán)昧＜?jí)標(biāo)準(zhǔn)偏差法和貝葉斯粒度端元模型法提取環(huán)境敏感粒度組分，探討其粉塵來(lái)源與氣候環(huán)境意義。

1 地理背景與剖面描述

伊犁盆地為天山中部的一個(gè)山間盆地，其主要包括哈薩克斯坦東南部以及我國(guó)新疆伊犁地區(qū)(圖1)。地貌形態(tài)為向西敞開的喇叭形，地勢(shì)上東高西低。區(qū)內(nèi)沉積了大量的第四紀(jì)松散沉積物。由于其遠(yuǎn)離海洋，主要為半干旱的大陸性氣候[14]，獨(dú)特的喇叭口形態(tài)使得來(lái)自大西洋以及地中海、里海的水汽被西風(fēng)帶到本區(qū)形成降水[15]，因此本區(qū)的降水相對(duì)新疆其他地區(qū)較為豐富，年降水量在平原地區(qū)為200～500 mm，在山區(qū)可達(dá)到1 000 mm[14,16]。盆地年均溫為2.6 ℃～10.4 ℃，在1 500 m以上高空常年盛行西風(fēng)[15]，低空地面風(fēng)以東風(fēng)頻率最高，但是大風(fēng)主要以西和偏西風(fēng)為主[17]。

圖1 伊犁盆地肖爾布拉克和則克臺(tái)黃土剖面位置圖Fig.1 Locations of the Xiaoerbulake (XEBLK) and Zeketai (ZKT) loess sections in the Ili Basin

肖爾布拉克剖面(XEBLK)(經(jīng)緯度：83.07°E，43.42°N；海拔：902 m)位于伊犁盆地新源縣西南的肖爾布拉克鎮(zhèn)，坐落在鞏乃斯河南岸的第四級(jí)河流階地上。厚30.7 m，未見底，該剖面為約30 ka以來(lái)的黃土沉積[18]。粒度樣品以5 cm為間隔采集，共計(jì)614個(gè)粒度樣品。剖面描述如下：

0～0.7 m：表層土壤，淺黃棕色，松散，具塊狀和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，含大量的蝸牛以及較細(xì)的草根。

0.7～9 m：黃土，淺灰黃色粉砂，偶見層狀結(jié)構(gòu)和碳酸鈣斑點(diǎn)。

9～12 m：弱古土壤，淺黃棕色，無(wú)層理，具顆粒結(jié)構(gòu)。

12～27 m：黃土，淺灰黃色粉砂，偶見層狀結(jié)構(gòu)和碳酸鈣斑點(diǎn)。

27～30.7 m：古土壤，紅至深棕色，細(xì)小(<0.5 cm)的碳酸鈣結(jié)核較為常見，可見氧化錳薄膜。

2 實(shí)驗(yàn)方法

粒度測(cè)試方法：稱取干樣品4 g左右放入80 mL燒杯，加入20 mL濃度為10%的鹽酸，煮沸去掉碳酸鹽；再加入20 mL濃度為15%的雙氧水，煮沸去除有機(jī)質(zhì)。加入20 mL濃度為0.05 mol/L的六偏磷酸鈉分散劑，放在超聲波震蕩儀上震動(dòng)15 min，最后上機(jī)測(cè)量。所有樣品的粒度分析在黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度儀上測(cè)量完成。

數(shù)據(jù)處理方法：

(1) 粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)偏差法。以粒級(jí)為橫坐標(biāo)，以每一粒級(jí)的所有樣品數(shù)據(jù)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)偏差為縱坐標(biāo)，作粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)偏差圖[2,19]。某一粒級(jí)所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差越大，說(shuō)明產(chǎn)生該粒級(jí)的沉積動(dòng)力或沉積過(guò)程等環(huán)境變化越大。

(2) 貝葉斯粒度端元模型法(BEMMA)。Weibull函數(shù)擬合方法僅僅對(duì)單個(gè)樣品的粒度分布曲線進(jìn)行分解，沒考慮到粒度分布的地質(zhì)背景，因而并不能很好地解釋組分的沉積動(dòng)力過(guò)程。EMMA主要根據(jù)樣品的粒度總體分布特征進(jìn)行分解，使得每個(gè)端元的解釋在統(tǒng)計(jì)學(xué)和物理學(xué)的意義上更具可描述性。但是EMMA方法也存在著端元數(shù)量的選擇以及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中出現(xiàn)不確定性等問題。貝葉斯模型將模型參數(shù)作為隨機(jī)變量，其靈活性高，并且可以有效地減少模型參數(shù)的不確定性，貝葉斯模型被廣泛用于環(huán)境水文和地球化學(xué)數(shù)據(jù)的分析[20-21]。Yuetal.[22]將貝葉斯模型與沉積物粒度端元分析相結(jié)合，基于MATLAB語(yǔ)言提出了BEMMA方法，有效地減少了粒度端元數(shù)量的選擇以及降低了算法的不確定性。因此，本研究采用BEMMA方法進(jìn)行沉積動(dòng)力過(guò)程的分離(具體的理論和計(jì)算過(guò)程參見參考文獻(xiàn)[22])。

3 結(jié)果和討論

3.1 粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)偏差分析

根據(jù)XEBLK剖面全樣粒度數(shù)據(jù)作出粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線(圖2)。從圖2可以看出，主要存在3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差峰值，分別出現(xiàn)在15.9 μm、79.6 μm和447.7 μm。所對(duì)應(yīng)的粒度組分分別為0.4～31.7 μm，31.7～282.5 μm，282.5～709.6 μm。

不同的粒度組成具有不同的環(huán)境意義[2,10]，圖3顯示，282.5～709.6 μm 組分主要在沉積物較粗時(shí)出現(xiàn)，可能記錄了特大塵暴事件，0.4～31.7 μm組分與31.7～282.5 μm組分呈相反的變化趨勢(shì)。組分含量不可避免地會(huì)受到各組分含量之間的相互影響，而粒度的大小與風(fēng)力強(qiáng)度有很大關(guān)系[6,23]，通過(guò)分析組分含量與各自平均粒徑的相關(guān)性可以有效地辨識(shí)氣候敏感組分[24]，31.7～282.5 μm組分與平均粒徑的相關(guān)性非常好(R2=0.832)(圖4)，而0.4～31.7 μm組分與平均粒徑的相關(guān)性比較差(R2=0.194)，相關(guān)性分析也說(shuō)明31.7～282.5 μm的組分含量變化可能對(duì)氣候變化較為敏感，而0.4～31.7 μm組分含量可能受其他組分含量的影響較大。因此31.7～282.5 μm的粗組分是對(duì)氣候變化較為敏感的組分，更能反映沉積環(huán)境的變化。在黃土高原地區(qū)，鹿化煜等[25]通過(guò)將多種粒度組分與深海氧同位素進(jìn)行對(duì)比，也發(fā)現(xiàn)>30 μm的粗顆粒含量是反映東亞冬季風(fēng)的敏感指標(biāo)。葛本偉等[24]利用粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)偏差法對(duì)天山北坡的黃土粒度進(jìn)行研究后同樣認(rèn)為大于31.7 μm的組分是反映氣候變化敏感的粒度組分。

圖2 XEBLK剖面粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線Fig.2 Standard deviation curve of XEBLK loess section

圖3 XEBLK剖面不同粒級(jí)組分含量隨深度的變化(年代數(shù)據(jù)來(lái)自Li et al.[18])Fig.3 Changes of different grain-size fractions with depth in the XEBLK section (age data from Li et al.[18])

圖4 0.4～31.7 μm和31.7～282.5 μm組分與各自平均粒徑的相關(guān)性分析Fig.4 Correlation analysis of 0.4-31.7 μm and 31.7-282.5 μm fractions with their respective mean grain size

3.2 端元模型分析

根據(jù)Yuetal.[22]提出的BEMMA方法，我們將XEBLK黃土粒度分離出3種粒度端元組分(EM)，即EM1，EM3，EM2，對(duì)應(yīng)的眾數(shù)粒徑分別為21.22 μm，47.51 μm和75.29 μm(圖5)。黃土層中，EM2和EM3的含量高，古土壤或弱古土壤層中，EM2和EM3的含量相對(duì)較低，而EM1的含量相對(duì)較高(圖3)。EM2(平均粒徑[26]：40.67 μm)組分比較粗，而EM1(平均粒徑：15.27 μm)和EM3(平均粒徑：25.48 μm)組分偏細(xì)。Vandenberghe[27]通過(guò)歸納前人的研究成果，分析了沉積環(huán)境與組分眾數(shù)粒徑的關(guān)系(詳細(xì)見Vandenberghe[27])，為我們分析端元組分的沉積動(dòng)力過(guò)程提供了基礎(chǔ)。

EM1組分：對(duì)應(yīng)于Vandenberghe[27]提出的1.c.1的組分(約19 μm)類型，該組分不僅在中國(guó)黃土高原黃土粒度端元分布當(dāng)中十分常見[27]，在青藏高原東北部的祁連山黃土[28]、歐洲黃土古土壤序列[29-30]以及塔吉克斯坦黃土[31]當(dāng)中也是比較常見的粒度組分。有研究表明，細(xì)顆粒碎屑可能會(huì)粘附在較粗顆粒碎屑表面，或者以聚合體的形式隨著較粗顆粒一起經(jīng)歷搬運(yùn)沉積過(guò)程[32-33]。然而，EM1組分與中值粒徑之間表現(xiàn)出負(fù)的相關(guān)性，因此，“粘附”或“聚合體”假說(shuō)可能并不能解釋EM1組分的出現(xiàn)和含量的變化。盡管成壤風(fēng)化作用也會(huì)產(chǎn)生較多的細(xì)顆粒碎屑[34]，然而成壤風(fēng)化作用中產(chǎn)生的碎屑顆粒通常在2 μm以下[35]。同時(shí)在伊犁半干旱區(qū)成壤作用很弱。因此，EM1組分也不是在成壤風(fēng)化作用過(guò)程中產(chǎn)生的。在現(xiàn)代降塵實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)EM1組分主要以較為穩(wěn)定的懸移組分出現(xiàn)[36]，在塵暴活動(dòng)的沉積物當(dāng)中也占了相當(dāng)?shù)谋壤齕33,37]。該組分的平均粒徑為15.27 μm，而平均粒徑<20 μm的組分一旦起動(dòng)則很容易上升到高層大氣并分散到不同高空的大氣中被高空氣流帶到下風(fēng)區(qū)的任一上空[38]。Yangetal.[28]發(fā)現(xiàn)祁連山黃土主要存在3個(gè)端元組分，并認(rèn)為眾數(shù)粒徑為16 μm的組分主要由西風(fēng)搬運(yùn)。因此，該組分很有可能為大氣粉塵的較為穩(wěn)定的背景值，反映了西風(fēng)環(huán)流的信息。

圖5 EM1、EM2和EM3頻率分布曲線Fig.5 Frequency distribution curves of EM1, EM2 and EM3

EM2組分：該組分對(duì)應(yīng)于Vandenberghe[27]提出的1 a的組分(約75 μm)類型，該組分在河流階地粉塵沉積物的粒度端元中比較常見，也是其主要成分，如在我國(guó)湟水河[31,39]和黃河[29]，塞爾維亞的多瑙河和蒂薩河[29]以及美國(guó)的密西西比河[40]的河流階地附近堆積的黃土沉積物中均為主要成分。對(duì)比則克臺(tái)黃土剖面(ZKT)(圖1)的粒度發(fā)現(xiàn)，XEBLK剖面的粒度比ZKT剖面的粒度要粗得多[41-42]，ZKT剖面由于其位于鞏乃斯河北岸，而伊犁河谷近地面大風(fēng)風(fēng)向主要為西風(fēng)或偏西風(fēng)，相應(yīng)的河流沉積物供應(yīng)相對(duì)較少，XEBLK剖面處于河流南岸，大風(fēng)風(fēng)向的下風(fēng)向，同時(shí)受到天山山麓的阻擋，接受了較厚較粗的黃土沉積，因此，XEBLK剖面的黃土粗組分含量高主要與近源的河流沉積物多有關(guān)。EM2組分的平均粒徑為40.67 μm，而平均粒徑為20～70 μm的粉砂組分，在一般的塵暴中可上升到近地表幾百米以內(nèi)，搬運(yùn)距離大致在1 000 km以內(nèi)[38]，也說(shuō)明EM2可能主要為河流沉積物近距離懸移搬運(yùn)的組分。從圖5可以看出通過(guò)粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)偏差法計(jì)算的敏感組分31.7～282.5 μm在EM2組分中的含量最高(EM2組分曲線與橫坐標(biāo)軸之間重疊的陰影部分面積最大)。并且EM1，EM2，EM3組分分別與中值粒徑[18]的相關(guān)性分析顯示(圖6)，EM3的相關(guān)性最差(R2=0.016)，EM1次之(R2=0.669)，而EM2具有最顯著的相關(guān)性(R2=0.895)。因此，推斷EM2是反映氣候變化較為敏感的粒度組分，主要反映近地面風(fēng)強(qiáng)度的變化。

EM3組分：該組分對(duì)應(yīng)于Vandenberghe[27]提出的1.b.1的組分(44～65 μm)類型，該組分在黃土高原黃土中非常典型，其含量主要表現(xiàn)為由近源區(qū)的黃土高原北部向遠(yuǎn)源區(qū)的南部含量逐漸降低[13,43]。EM3組分的平均粒徑為25.48 μm，EM3組分可能也主要為近距離的懸移搬運(yùn)[38]。Crouvietal.[44]通過(guò)分析以色列南部Negev沙漠中的3個(gè)黃土剖面的粒度組成，并結(jié)合風(fēng)向，粒度的空間變化，物源的可及性分析認(rèn)為眾數(shù)粒徑為50～60 μm組分主要為砂粒級(jí)組分的碰撞磨蝕產(chǎn)生。因此，我們推測(cè)其主要是在塵暴活動(dòng)中，較粗的顆粒被大風(fēng)揚(yáng)起，其后在搬運(yùn)過(guò)程中，顆粒之間相互碰撞磨蝕產(chǎn)生。

3.3 端元組分在古氣候環(huán)境重建中的應(yīng)用

根據(jù)粒度組分變化特征，初步重建該剖面30 ka以來(lái)的氣候環(huán)境變化歷史。在深海氧同位素3a階段(MIS3a，30～26 ka)，EM1組分含量較高，EM2組分處于較為穩(wěn)定的低值，282.5～709.6 μm組分含量也較少(圖3)，說(shuō)明MIS3a晚期西風(fēng)環(huán)流對(duì)伊犁地區(qū)影響較大，西風(fēng)攜帶來(lái)的水汽較多，古土壤發(fā)育，地表風(fēng)的強(qiáng)度較弱，強(qiáng)沙塵暴天氣少。末次冰盛期(LGM，26～18 ka)，EM2組分處于較為穩(wěn)定的髙值，EM1明顯減少，282.5～709.6 μm組分含量明顯增多，說(shuō)明在LGM時(shí)期西伯利亞高壓增強(qiáng)，低空氣流風(fēng)力較強(qiáng)，搬運(yùn)粉塵能力增加，強(qiáng)沙塵暴頻發(fā)，西風(fēng)帶南移，西風(fēng)環(huán)流對(duì)伊犁地區(qū)的影響相對(duì)變?nèi)?。末次冰消?18～11 ka)，18～17 ka期間，EM1組分含量迅速增加，EM2組分含量迅速減少，未見282.5～709.6 μm組分。說(shuō)明此期間，西風(fēng)環(huán)流對(duì)伊犁地區(qū)的影響較大，西風(fēng)攜帶來(lái)的水汽較多，弱古土壤發(fā)育，西伯利亞高壓較弱，低空氣流風(fēng)力較弱，強(qiáng)沙塵暴極少。17～11 ka期間EM1組分含量處于一個(gè)較為穩(wěn)定的低值，而EM2組分的變化幅度較大，說(shuō)明該時(shí)期西風(fēng)帶南移，西風(fēng)環(huán)流對(duì)伊犁地區(qū)的影響較小，低空風(fēng)力波動(dòng)幅度較大。全新世時(shí)期(11 ka以來(lái))，與17～11 ka期間的組分含量相比，EM1組分含量相對(duì)增高，EM2組分含量相對(duì)降低，282.5～709.6 μm組分減少，說(shuō)明與17～11 ka期間相比，全新世期間西風(fēng)對(duì)伊犁盆地的影響較大，低空氣流風(fēng)力較弱。早全新世282.5～709.6 μm組分含量要高于中晚全新世表明了早全新世強(qiáng)塵暴頻率比中晚全新世要高。

不同緯度的太陽(yáng)輻射量變化存在著差異，高緯地區(qū)太陽(yáng)輻射量變化幅度比低緯地區(qū)要大。冰期高緯地區(qū)降溫大于低緯地區(qū)，經(jīng)向溫度梯度增加，風(fēng)力加強(qiáng)。而EM2組分的含量與風(fēng)力強(qiáng)度有很大關(guān)系，因此，EM2組分也能夠間接指示溫度的變化。將XEBLK剖面30 ka以來(lái)的EM2組分含量變化與格陵蘭冰芯δ18O記錄對(duì)比，發(fā)現(xiàn)EM2組分記錄了7個(gè)明顯的峰值，其中3個(gè)峰值可分別對(duì)應(yīng)格陵蘭冰芯記錄中的H1、H2、YD事件，另外4個(gè)峰值分別出現(xiàn)在4.2 ka、8.2 ka、19 ka和22 ka(圖7)。EM2組分記錄的YD事件和H1事件的變化幅度明顯大于H2事件，可能是區(qū)域氣候與全球氣候綜合作用的結(jié)果。在北半球多個(gè)地方均發(fā)現(xiàn)4.2 ka事件的記錄[45]，其被認(rèn)為可能是造成新石器文化衰敗的主要原因[46-48]。Lietal.[16]通過(guò)分析伊寧尼勒克湖泊沉積物的孢粉記錄發(fā)現(xiàn)，伊犁地區(qū)在5.2～3.3 ka之間處于極度干旱時(shí)期，主要以荒漠草原為主。鄰近伊犁賽里木湖、巴里坤湖、托勒庫(kù)勒湖以及準(zhǔn)格爾盆地瑪納斯湖的沉積記錄指示在4.5 ka左右處于寒冷干旱時(shí)期[49-52]，然而黃土中的記錄相對(duì)缺乏。因此本研究提供了新疆黃土記錄的4.2 ka寒冷干旱事件的證據(jù)。8.2 ka事件在北半球多處均有記錄[47,53-54]，新疆地區(qū)的艾比湖[55]、博斯騰湖[56]以及巴里坤湖[57]的沉積記錄表明8.2 ka事件期間，該區(qū)可能處于寒冷濕潤(rùn)的氣候環(huán)境之下。我們的記錄表明該時(shí)期EM2組分含量增加(圖7)，變化特征同4.2 ka事件期間較為相似(都處于高值)，這也證實(shí)了EM2組分可能反映溫度的變化。在其他地區(qū)還未有19 ka事件和22 ka事件的記錄，因此本研究中EM2在19 ka和22 ka期間處于峰值的原因，還需要更多的指標(biāo)和年代學(xué)工作來(lái)解釋。

圖7 XEBLK剖面EM2組分與格陵蘭冰芯[58]記錄的對(duì)比Fig.7 Comparison of the EM2 fractions of the XEBLK section with Greenland Ice record [58]

4 結(jié)論

通過(guò)粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)偏差法和端元模型法初步探討了XEBLK剖面的古氣候的粒度敏感組分，主要得出以下結(jié)論：

(1) EM2組分是較為敏感的古氣候指標(biāo)，主要代表了近距離的懸移搬運(yùn)組分，主要來(lái)自近源河流沉積物堆積。EM1組分代表大氣粉塵中較為穩(wěn)定的背景值，與西風(fēng)環(huán)流有關(guān)。EM3組分也代表了近距離的懸移搬運(yùn)成分，可能主要由較粗顆粒的碰撞磨蝕產(chǎn)生。

(2) EM2組分記錄了MIS2階段以來(lái)的氣候波動(dòng)事件，如H事件、YD事件。

(3) 貝葉斯粒度端元模型能夠區(qū)分不同的沉積動(dòng)力過(guò)程，在新疆黃土古氣候研究具有廣泛的應(yīng)用前景。