山東煙臺(tái)地區(qū)芝罘剖面粒度分維特征及其環(huán)境意義

黎武標(biāo),李志文*,王志剛,李子康

(1. 東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,江西 南昌 330013；2. 東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330013)

0 引 言

自然界豐富多樣的沉積相源于成因與演化的復(fù)雜性，前人對(duì)其沉積環(huán)境進(jìn)行定量重建過(guò)程中，提出了研究復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)[1-2]的分形理論。20世紀(jì)末，中國(guó)學(xué)者開(kāi)始將分形理論應(yīng)用于沉積物與地貌研究[3-4]。十余年間，學(xué)者們利用粒度與分形理論在恢復(fù)湖泊古水環(huán)境[5-6]、揭示泥石流的粒度分布與堆積特征[7-8]和重建風(fēng)成砂沉積環(huán)境[9-10]等方面取得了豐富的成果，認(rèn)為分維值在判別沉積物成因方面有較好的指示意義[11]。

黃土高原為第四紀(jì)大陸風(fēng)成沉積體[12]，區(qū)內(nèi)巨厚的黃土-古土壤沉積是分形理論理想的研究對(duì)象。對(duì)于此類(lèi)沉積，分形研究著重刻畫(huà)其分形特征及分維值的意義，如區(qū)分黃土與古土壤[13-14]、反映物源及沉積環(huán)境演變[14]、指示非線性事件[15-16]等。位于黃海、渤海南岸的山東半島北部海岸，亦是傳統(tǒng)意義上的海岸帶沙漠-黃土孿生沉積帶[17]，有豐富的黃土-古土壤沉積。前人從有孔蟲(chóng)化石、孢粉[18]、磁化率[19]等指標(biāo)參數(shù)以及14C[20]、熱釋光(TL)和光釋光(OSL)[21-22]等測(cè)年手段對(duì)該地區(qū)黃土開(kāi)展了大量工作，而對(duì)粒度研究多集中于探討粒度組成，對(duì)其分形特征的研究尚不多見(jiàn)。目前，利用分維值來(lái)恢復(fù)沉積環(huán)境雖然已取得了較大進(jìn)展[23-24]，但其反演古氣候的準(zhǔn)確性仍需更多的驗(yàn)證?；诖耍疚倪x擇山東煙臺(tái)地區(qū)芝罘島一處黃土狀沉積體作為研究對(duì)象，運(yùn)用分形理論中冪指函數(shù)關(guān)系法來(lái)探討該沉積序列粒度的分形特征，采取主成分分析法尋求影響分維值特征量的最大因子，并試圖利用粒度參數(shù)和分維值定量反演研究區(qū)域內(nèi)氣候環(huán)境變化，繼而與格陵蘭冰芯氧同位素[25]指示的氣候變化進(jìn)行對(duì)比，論證其反演結(jié)果的可靠性。

1 區(qū)域地質(zhì)概況與分析方法

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

芝罘島位于山東省煙臺(tái)市北部，地勢(shì)西北高、東南低，南部有較厚的黃棕色砂質(zhì)黏土堆積物，屬山麓相的洪坡積層，為中、上更新世之堆積[26-27]。年均氣溫為12.7 ℃，年均降水量為651.9 mm，年均風(fēng)速為4～6 m·s-1，冬、春季多偏北風(fēng)，夏、秋季多偏南風(fēng)，屬暖溫帶季風(fēng)氣候。芝罘剖面位于芝罘島西口村，地理坐標(biāo)為(37°37′4″N，121°21′44″E)(圖1)，西南面海。整個(gè)剖面出露地表約6 m，大致為NW—SE向。頂部為混雜堆積層-耕作層，土壤呈暗黑色，長(zhǎng)有低矮植被，土壤中含較多腐殖質(zhì)和未腐爛枯枝落葉，呈松散狀，厚約40 cm。下伏層位均以粉砂為主，呈褐色、暗棕色和棕紅色等，偶有數(shù)層較薄礫石層。為減少人為的影響，本文研究的深度為72～498 cm，劃分為6個(gè)層位(ZF3～ZF8)，以2 cm等間距采集213個(gè)粒度分析樣品和6個(gè)光釋光測(cè)年樣品。

1.2 分析方法

粒度分析在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，儀器為Mastersizer 2000激光粒度儀，檢測(cè)范圍是0.02～2 000.00 μm，共101個(gè)粒級(jí)，重復(fù)測(cè)量誤差小于2%。測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行前處理，將自然風(fēng)干未經(jīng)研磨的樣品均勻混合后稱(chēng)取約10 g，加入30% H2O2去除有機(jī)物，待無(wú)氣泡產(chǎn)生，加熱蒸發(fā)殘余H2O2，冷卻后加入10% HCl去除碳酸鹽，靜置過(guò)夜后倒出上清液，加入純水中和溶液。測(cè)試前再加入適量(NaPO3)6使樣品充分分散，并在超聲波中震蕩10 min再上機(jī)測(cè)試，每個(gè)樣品均測(cè)試3次求其算術(shù)平均值。粒徑分級(jí)使用烏登-溫特沃斯(Udden-Wentworth)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，即黏粒(粒徑小于2 μm)、粉砂(2～63 μm)、極細(xì)砂(63～125 μm)、細(xì)砂(125～250 μm)、中砂(250～500 μm)、粗砂(500～1 000 μm)6個(gè)粒組，因極粗砂含量過(guò)少，不進(jìn)行討論。采用Folk等提出的圖解法公式[28]進(jìn)行平均粒徑(Mz)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)、偏度(Sk)、峰態(tài)(Kg)等粒度參數(shù)的計(jì)算。

圖1 山東煙臺(tái)地區(qū)芝罘剖面采樣位置Fig.1 Sampling Location of Zhifu Section in Yantai Area of Shandong

m為質(zhì)量;lg(m(r)/m)為小于某一粒徑r的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量百分比的函數(shù)圖2 不同無(wú)標(biāo)度區(qū)下的樣品粒度分形曲線Fig.2 Granularity Fractal Dimension Curves of Samples Under Different Kinds of Non-scaling Intervals

沉積物定年采用光釋光測(cè)年，ZF3層位頂部和底部測(cè)年在中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，其等效劑量測(cè)試方法為簡(jiǎn)單多片再生法(SMAR)，材料為細(xì)顆粒(粒徑為4～11 μm)石英組。其他樣品在中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所完成，其等效劑量測(cè)試方法為單片再生法(SAR)，環(huán)境劑量中U、Th、K測(cè)試方法為中子活化法。

2 分維值計(jì)算方法與無(wú)標(biāo)度區(qū)選取

2.1 分維值計(jì)算方法

分形理論認(rèn)為土壤是一個(gè)開(kāi)放的自組織系統(tǒng)，粒度分布實(shí)質(zhì)上是描述該系統(tǒng)物質(zhì)組成的分形結(jié)構(gòu)，其分形特征量用分維值描述。因此，分維值大小與土壤演化環(huán)境密切相關(guān)。本文采用冪指數(shù)關(guān)系法進(jìn)行計(jì)算，假定沉積物的顆粒密度均一，質(zhì)量累積百分比由體積累積百分比計(jì)算得出，具體計(jì)算過(guò)程參照文獻(xiàn)[14]。

2.2 無(wú)標(biāo)度區(qū)選取

使用冪指數(shù)關(guān)系法求取粒度分維值時(shí)，分形關(guān)系成立的尺度范圍[29-30]為無(wú)標(biāo)度區(qū)。前人一般選取粒徑(r)或質(zhì)量累積百分比范圍作為無(wú)標(biāo)度區(qū)，但關(guān)于粒徑上、下限與質(zhì)量累積百分比范圍無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。不同成因的沉積物選取的粒徑范圍往往不同，同一粒徑的顆粒在樣品中的含量也不相同，需要按實(shí)際情況而定。但必須指出的是，無(wú)標(biāo)度區(qū)取值不同，求得的分維值也會(huì)有差異[31]，且難以相互比對(duì)。本文隨機(jī)選取2個(gè)樣品對(duì)兩種無(wú)標(biāo)度區(qū)均進(jìn)行嘗試，其中1號(hào)樣品以粒徑為區(qū)間，2號(hào)樣品以累積百分比為區(qū)間。

以粒徑為無(wú)標(biāo)度區(qū)時(shí)，當(dāng)1號(hào)樣品的無(wú)標(biāo)度區(qū)在激光粒度儀的101個(gè)粒級(jí)，即粒徑為0.020～2 000.000 μm時(shí)，lg(m(r)/m)與lgr的線性關(guān)系較差，細(xì)端部分較零散，粗端部分趨于水平的直線，相關(guān)系數(shù)(R)為0.841 4[圖2(a)]；粒度測(cè)試結(jié)果顯示，大部分樣品的粒徑為0.448～800.000 μm，當(dāng)無(wú)標(biāo)度區(qū)定在此區(qū)間內(nèi)，相關(guān)系數(shù)為0.885 0，仍未達(dá)到0.9，且細(xì)端和粗端部分偏離擬合直線較大[圖2(b)]；當(dāng)無(wú)標(biāo)度區(qū)定在粒徑為1.262～200.000 μm(此區(qū)間包含90%的粒組)時(shí)，lg(m(r)/m)與lgr的線性關(guān)系顯著，相關(guān)系數(shù)也在0.95以上[圖2(c)]。

在累積百分比的測(cè)算中，當(dāng)2號(hào)樣品的無(wú)標(biāo)度區(qū)在激光粒度儀測(cè)定的全范圍(質(zhì)量累積百分比為0%～100%)時(shí)[圖2(d)]，相關(guān)系數(shù)僅為0.841 4，相關(guān)性不高；當(dāng)范圍縮小，樣品無(wú)標(biāo)度區(qū)在質(zhì)量累積百分比為2%～98%時(shí)[圖2(e)]，相關(guān)系數(shù)為0.891 2，相關(guān)性有所提高；黃土的分形研究中，前人對(duì)質(zhì)量累積百分比區(qū)間多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以質(zhì)量累積百分比5%～95%為無(wú)標(biāo)度區(qū)較佳[32-35]，當(dāng)以該區(qū)間測(cè)算時(shí)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.976 2[圖2(f)]。

兩種方法在其他樣品中試驗(yàn)時(shí)，亦取得相似的結(jié)果。因此，將粒徑1.262～200.000 μm和質(zhì)量累積百分比5%～95%作為本文使用的無(wú)標(biāo)度區(qū)，該區(qū)間包含了樣品中粒度的主要特征，有充足的統(tǒng)計(jì)樣本點(diǎn)。

3 結(jié)果分析

3.1 年代學(xué)特征

山東煙臺(tái)地區(qū)芝罘剖面光釋光測(cè)年分析結(jié)果與地層層序一致。其中，ZF8層位底部的實(shí)測(cè)年齡為(124.90±9.70)ka B.P.(表1)，參考深海氧同位素階段的研究結(jié)果，對(duì)應(yīng)末次間冰期(MIS5e)早期；ZF3層位頂部的實(shí)測(cè)年齡為(62.85±6.94)ka B.P.(表1)，對(duì)應(yīng)末次冰期(MIS4)中早期[27]。因此，芝罘剖面(ZF3～ZF8)是形成于末次冰期—末次間冰期的沉積物。在此基礎(chǔ)上，采用分段式沉積速率內(nèi)插法建立芝罘剖面層段的深度-年代框架(圖3)。

表1 芝罘剖面光釋光測(cè)年分析結(jié)果

注：w(·)為元素的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。

圖3 芝罘剖面末次冰期—末次間冰期的地層序列與深度-年代框架Fig.3 Stratigraphic Sequence and Depth-age Relationship of Zhifu Section During Last Glacial-last Interglacial Periods

3.2 分維值

通過(guò)計(jì)算，全剖面樣品以質(zhì)量累積百分比5%～95%為無(wú)標(biāo)度區(qū)時(shí)[圖4(a)]，分維值為2.238～2.445，平均值為2.330，直線斜率(k)為0.670 2，相關(guān)系數(shù)為0.960～0.991，平均值為0.974 9；以粒徑1.262～200.000 μm為無(wú)標(biāo)度區(qū)時(shí)[圖4(b)]，全剖面樣品分維值為2.237～2.404，平均值為2.325，直線斜率為0.675 3，相關(guān)系數(shù)為0.957～0.989，平均值為0.967 9。兩種方法獲得的結(jié)果均表明整個(gè)剖面的沉積物具有良好的分形結(jié)構(gòu)。

圖4 兩種無(wú)標(biāo)度區(qū)下的平均分維值及其相關(guān)關(guān)系Fig.4 Average Fractal Dimensions and Their Relationships Under Two Kinds of Non-scaling Intervals

兩種分維值的相關(guān)性十分顯著[圖4(c)]，相關(guān)系數(shù)為0.997 1，表明獲得的結(jié)果均可作為芝罘剖面的分維值。但質(zhì)量累積百分比5%～95%獲得的分維值函數(shù)與直線擬合度更優(yōu)，也便于與前人研究獲得的分維值比對(duì)，因此，后續(xù)研究中使用以質(zhì)量累積百分比5%～95%獲得的分維值。

3.3 分維值與各粒級(jí)含量的相關(guān)關(guān)系

將分維值與各粒級(jí)含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可以看出：分維值與黏粒含量成顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.839 6；分維值與粉砂含量相關(guān)性微弱，相關(guān)系數(shù)為0.128 4；當(dāng)粒徑增大，相關(guān)關(guān)系由正相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)相關(guān)，與極細(xì)砂有較好的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為-0.336 5，與細(xì)砂、中砂和粗砂相關(guān)性逐漸減弱，直至相關(guān)系數(shù)低于-0.1。由此表明，沉積物顆粒越細(xì)，函數(shù)擬合越好，相關(guān)系數(shù)越大，分形效果也就越好。

3.4 分維值與粒度參數(shù)的相關(guān)關(guān)系

粒度參數(shù)對(duì)沉積物的形成環(huán)境有很好的指示意義[32]。將分維值與各粒度參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示：分維值與標(biāo)準(zhǔn)偏差有顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.889 4[圖6(a)]，分維值反映沉積物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，而標(biāo)準(zhǔn)偏差反映沉積物組成物質(zhì)大小的均一程度，分維值越大，表明沉積物的組成結(jié)構(gòu)越混亂，分選性差，標(biāo)準(zhǔn)偏差越大；分維值與平均粒徑亦成較好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.733 8[圖6(b)]，平均粒徑反映沉積物粒徑大小的平均狀況，在古環(huán)境的研究中，風(fēng)成黃土的沉積物粒徑細(xì)，表明當(dāng)時(shí)氣候暖濕，沉積物受到氣候的改造作用強(qiáng)，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的沉積物；分維值與峰態(tài)相關(guān)性較弱，相關(guān)系數(shù)僅為-0.302 3[圖6(d)]；分維值與偏度相關(guān)系數(shù)不足-0.1[圖6(c)]，表明兩者之間相關(guān)關(guān)系十分微弱。偏度與峰態(tài)主要反映沉積物粒度頻率曲線上的粗、細(xì)兩端[12]。前人少有將偏度與峰態(tài)作為指標(biāo)反演古環(huán)境，更少有對(duì)分維值與兩者相關(guān)關(guān)系的分析及原因的討論。筆者猜測(cè)偏度與峰態(tài)在古氣候的研究中存在不足，分維值與二者關(guān)系的分析有待進(jìn)一步探究。

4 討 論

4.1 沉積物成因

前人研究表明，山東半島北部海岸及廟島群島黃土-古土壤沉積物為風(fēng)成成因，沉積物既有來(lái)自陸架荒漠的較粗顆粒，亦有來(lái)自西北內(nèi)陸的細(xì)小顆粒[32]。通過(guò)薩胡公式(Y=-3.568 8Mz+3.701 6σ2-2.076 6Sk+3.113 5Kg，Y為沉積物環(huán)境判別參數(shù))[34]對(duì)芝罘剖面沉積物的成因進(jìn)行判別。若Y<-2.741 1，說(shuō)明樣品為風(fēng)成成因；若Y>-2.741 1，則形成于海灘環(huán)境。沉積物環(huán)境判別結(jié)果(圖7)顯示，除個(gè)別樣品外，Y值均小于-2.741 1，揭示出剖面的風(fēng)成成因與前人研究結(jié)果較一致。

4.2 分維值特征分析與對(duì)比

研究表明，較少或沒(méi)有經(jīng)過(guò)搬運(yùn)與分選的風(fēng)化碎屑物(如凍土、斷層泥、冰磧物和泥石流等)的分維值約為2.60，經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈外力分選的沉積物(如風(fēng)成砂(分維值為2.13)和潮灘沉積物(2.34))分維值明顯偏小[35]。芝罘剖面沉積物平均分維值為2.325(表2)，說(shuō)明其為經(jīng)過(guò)一定距離搬運(yùn)后的沉積物。山東半島的海岸帶黃土并不是基巖原地風(fēng)化破碎的產(chǎn)物[33]，而是遠(yuǎn)方或附近的風(fēng)化碎屑物經(jīng)過(guò)風(fēng)力搬運(yùn)后沉積而成。因此，分維值可以作為山東煙臺(tái)地區(qū)沉積物類(lèi)型判別的重要參數(shù)之一。

表2 不同地區(qū)黃土與古土壤分維值對(duì)比

劉連文等對(duì)陜西洛川黃土的研究認(rèn)為，分維值大小能夠?qū)ⅫS土和古土壤區(qū)分開(kāi)來(lái)[14]。由圖7可知，分維值在ZF4、ZF6和ZF8層位中處于高值，在其余層位為低值。若將高值區(qū)劃分為古土壤層，低值區(qū)為黃土層，則ZF4、ZF6和ZF8層位為古土壤層，ZF3、ZF5和ZF7層位為黃土層。芝罘剖面古土壤層的平均分維值(2.379)高于黃土層(2.194)，在黃土和古土壤之間有較顯著的差別。因此，可依據(jù)分維值大小區(qū)分黃土與古土壤，但其是否具有普適性有待于更多剖面的研究。

圖5 分維值與各粒級(jí)含量的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Relationships Between Fractal Dimension and Content of Each Grain Size

圖7 芝罘剖面沉積物Y值、分維值、平均粒徑、黏粒含量與格陵蘭冰芯氧同位素對(duì)比Fig.7 Comparisons of Y, Fractal Dimension, Average Grain Size and Clay Content in Sediments from Zhifu Section with Oxygen Isotopes from Greenland Ice Cores

與其他地區(qū)黃土的分維值比較，芝罘剖面黃土平均分維值(2.194)高于洛川馬蘭黃土(1.930)和朱里馬蘭黃土(2.140)。從隴東到山東，分維值自西向東逐漸增大。其原因是：洛川馬蘭黃土位于黃土高原，為遠(yuǎn)處經(jīng)風(fēng)力吹揚(yáng)作用搬運(yùn)沉積后形成的[38]，物源單一，分選性較好，土壤自組織程度較好，分維值?。恢炖锺R蘭黃土屬魯中山地黃土，物源較單一，而山東地區(qū)海岸帶黃土屬于中國(guó)大陸最東端的陸架黃土帶[12]，此地黃土沉積主要物質(zhì)來(lái)源為冰期渤海陸架沙漠化而出露的松散沉積物，亦有來(lái)自黃土高原乃至西北內(nèi)陸的粉塵沉積物[33,39]。因此，芝罘剖面黃土接受了遠(yuǎn)源細(xì)顆粒物與近源較粗顆粒物的沉積，雙物源導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)偏差增大，分選性差，土壤自組織程度低，導(dǎo)致分維值偏大。另外，張威等對(duì)遼東半島黃土的研究表明，相比于粒徑無(wú)標(biāo)度區(qū)，成因或物源較復(fù)雜的沉積物使用質(zhì)量累積百分比無(wú)標(biāo)度區(qū)時(shí)，計(jì)算出的分維值函數(shù)擬合度更優(yōu)[37]，這與芝罘剖面的計(jì)算結(jié)果較一致，表明沉積物的物源不一。

4.3 分維值的影響因子分析

從圖5的統(tǒng)計(jì)分析得出：粒徑越細(xì)顆粒的函數(shù)擬合度越好，相關(guān)系數(shù)越大，分形效果也就越好。為確定最終影響分維值特征變化的因子，需明確各組分的貢獻(xiàn)率。運(yùn)用主成分分析法，將6個(gè)粒組看作因子，求出它們對(duì)分維值結(jié)果的貢獻(xiàn)率。通過(guò)計(jì)算，最終確定的主控因子僅有3個(gè)(表3)，其中主控因子F1(黏粒含量)和F2(極細(xì)砂含量)分別控制了50.917%和29.917%的分維值變化特征，兩者反映分維值總體特征變化的80.834%，主控因子F3(粉砂含量)的貢獻(xiàn)率偏低，僅為13.271%，由此可見(jiàn)，黏粒含量對(duì)分維值的影響最大。其原因是風(fēng)成黃土形成過(guò)程中，生物-化學(xué)風(fēng)化作用影響著粉塵沉積后沉積物的改造程度，并破壞原始風(fēng)成黃土分選性好的特征。因此，黏粒含量高，表明受到的生物-化學(xué)風(fēng)化作用越強(qiáng)，沉積物結(jié)構(gòu)混亂，分維值為高值。

表3 芝罘剖面粒度分維值因子結(jié)構(gòu)分析

4.4 分維值的變化特征與意義

4.4.1 分維值的變化特征

芝罘剖面分維值垂直變化大致可分為3個(gè)峰谷交替的旋回(圖7)，與平均粒徑的變化較一致。ZF3層位為砂黃土-黃土層，分維值較低，波動(dòng)大；ZF4、ZF6和ZF8層位均為古土壤層，分維值略高，峰谷波動(dòng)較緩，有降低趨勢(shì)；ZF5和ZF7層位均為黃土層，分維值處于相對(duì)低值，且處于波動(dòng)下降中。管清玉等研究表明，黏粒與成壤作用關(guān)系密切，主要受控于黏化作用，黏粒含量與風(fēng)化強(qiáng)度成正比[40]，但其在剖面中變化不如分維值明顯，尤其在ZF4和ZF5層位區(qū)別不大。而分維值與黏粒含量成顯著的正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)為0.839 6)，與平均粒徑、黏粒含量和標(biāo)準(zhǔn)偏差相比，分維值的峰谷變化具有更顯著的階段性且其大幅度波動(dòng)變化對(duì)氣候交替更敏感。因此，芝罘剖面的粒度分維值可以代替黏粒含量和平均粒徑指示土壤的風(fēng)化強(qiáng)度，揭示該區(qū)域沉積環(huán)境的變化。

4.4.2 分維值和粒度參數(shù)與格陵蘭冰芯氧同位素

對(duì)比

冰芯是反映溫度變化的古氣候指標(biāo)[41]。將分維值和粒度參數(shù)與格陵蘭冰芯氧同位素進(jìn)行對(duì)比可知，它們有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖7)。根據(jù)光釋光測(cè)年分析結(jié)果及其曲線變化特征，芝罘剖面的堆積可分成明顯的3個(gè)階段。

深度70～128 cm，對(duì)應(yīng)年代為62.85～70.18 ka B.P.，為第一階段。該階段沉積物為末次冰期沉積，黏粒含量低，平均粒徑為5.09 Φ，而分維值為全剖面最低但波動(dòng)大，表明沉積物自組織程度較高，分選性較好，此變化與冬、夏季風(fēng)交替有關(guān)。該階段對(duì)應(yīng)格陵蘭冰芯氧同位素曲線的低谷。前人研究表明冰蓋上空水汽凝結(jié)冰雪時(shí)溫度的變化是影響冰芯δ18O值變化的主要因素[41]，此階段中δ18O值波動(dòng)較大但總體較小，反映此時(shí)氣溫較低。這表明在末次冰期(MIS4)中早期，氣候干冷，冬季風(fēng)強(qiáng)盛，但存在頻繁的干冷暖濕交替，沉積物沒(méi)有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的成壤作用，剖面沉積砂黃土-黃土。

深度129～197、256～322和375～496 cm，對(duì)應(yīng)年代分別為70.18～83.40、94.70～105.20和118.50～124.90 ka B.P.，與MIS5a、MIS5c和MIS5e時(shí)期對(duì)應(yīng)，均為末次間冰期亞間冰階，為第二階段。該階段的分維值均處于較高水平，黏粒含量(12.05%)較高，平均粒徑為6.06 Φ，均對(duì)應(yīng)格陵蘭冰芯氧同位素曲線的峰值，說(shuō)明這一階段夏季風(fēng)強(qiáng)盛，氣溫高，風(fēng)化成壤作用強(qiáng)烈，古土壤發(fā)育，分選性變差，從而導(dǎo)致分維值增高。值得一提的是，MIS5e時(shí)期，分維值出現(xiàn)較大的波動(dòng)，呈現(xiàn)出高→低→高的變化，說(shuō)明在夏季風(fēng)主導(dǎo)的暖濕時(shí)期，存在冬季風(fēng)增強(qiáng)的冷事件，與前人在內(nèi)蒙米浪溝灣[42]和陜西洛川[43]等地區(qū)的研究較一致。

深度198～255和323～374 cm，對(duì)應(yīng)年代分別為83.40～94.70和105.20～118.50 ka B.P.，與MIS5b和MIS5d時(shí)期對(duì)應(yīng)，均為末次間冰期亞冰階，為第三階段。該階段的分維值明顯處于低值，對(duì)應(yīng)格陵蘭冰芯氧同位素曲線的低谷，表明此時(shí)夏季風(fēng)衰弱，冬季風(fēng)相對(duì)增強(qiáng)，氣候干冷，黃土沉積速率加快，成壤作用弱，黏粒含量低，沉積物自組織程度較好。但第三階段的分維值明顯不如第一階段低，側(cè)面說(shuō)明了該階段氣候干冷程度不及MIS4時(shí)期。

曹家欣等認(rèn)為末次冰期山東地區(qū)氣候以干冷為主，但氣候波動(dòng)劇烈，渤海海盆海陸更替[44]。Xu等認(rèn)為山東半島黃土-古土壤交替發(fā)育受末次冰期—末次間冰期氣候旋回影響，并存在小幅度的氣候波動(dòng)事件[22]。以上研究表明，芝罘剖面分維值所指示的氣候冷暖更替與前人對(duì)山東地區(qū)末次冰期—末次間冰期沉積環(huán)境變化的研究結(jié)論基本一致。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)山東煙臺(tái)地區(qū)芝罘剖面沉積物末次冰期中早期—末次間冰期(62.85～124.90 ka B.P.)風(fēng)成沉積物具有良好的分形結(jié)構(gòu)，芝罘剖面沉積物平均分維值為2.325。其中，黃土分維值為2.007～2.392(平均值為2.194)，古土壤分維值為2.089～2.506(平均值為2.379)，據(jù)此可區(qū)分黃土與古土壤。

(2)隨著粒徑的增大，黏粒含量與分維值的相關(guān)性逐漸減弱，且由正相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)相關(guān)；粒度分維值與標(biāo)準(zhǔn)偏差具顯著相關(guān)關(guān)系，與平均粒徑具中度相關(guān)關(guān)系，與其他粒度參數(shù)相關(guān)性不顯著。最終影響分維值特征變化的是黏粒含量。

(3)分維值的變化較好地反映了芝罘剖面黃土-古土壤沉積序列形成過(guò)程時(shí)氣候環(huán)境演變，可作為該區(qū)域可靠的古氣候指標(biāo)。分維值低時(shí)，對(duì)應(yīng)格陵蘭冰芯氧同位素曲線的低谷，反映此時(shí)氣候干冷，冬季風(fēng)強(qiáng)盛，黃土堆積速率加快，后期受成壤作用的改造較弱，沉積物組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；反之，氣候暖濕，古土壤發(fā)育，成壤作用強(qiáng)，沉積物組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜。