大連賀家圈黃土粒度所指示的物源特征

鄭樹森，李永化，魏東嵐

(遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

0 引言

黃土是第四紀(jì)時期形成的松散土狀堆積物。中國黃土分布范圍廣，沉積厚，具有良好的沉積連續(xù)性，承載著沉積過程中重要的氣候環(huán)境信息和沉積動力特征，因此黃土與深海沉積物、極地冰芯一起被稱為全球古氣候的三大信息庫[1]。

遼南地區(qū)的黃土屬于中國黃土分布的最東界(與廟島群島和膠東半島的黃土合稱為“濱海黃土”)，主要集中于遼寧南部靠近渤海的西部海岸區(qū)域，其堆積主要受到當(dāng)時歐亞大陸東部沿海自然地理環(huán)境的影響，與內(nèi)陸地區(qū)典型的中國黃土相比具有其獨特性[2]，對于中國第四紀(jì)環(huán)境變遷研究具有重要的科學(xué)意義。一方面，遼東半島濱海黃土符合中國黃土分布的基本趨勢；另一方面遼南濱海黃土在粒度組分和化學(xué)元素上，具有和內(nèi)陸黃土明顯的區(qū)別，即粒度具有粗細兩個組分。遼東半島黃土具有雙物源的性質(zhì)，黃土的風(fēng)化淋溶作用較內(nèi)陸黃土強，較南京下蜀黃土弱，基本與山東廟島黃土相近。張威[3，4]、李雪銘[5，6]等人已經(jīng)對遼南濱海黃土做過大量的研究工作，并積累了寶貴的研究基礎(chǔ)。

沉積物的粒度特征受到沉積環(huán)境、沉積動力、地形地貌等多種因素的影響，同時可以明確體現(xiàn)出沉積物的粒度組成，是研究第四紀(jì)沉積物的重要手段之一，被廣泛的運用于第四紀(jì)黃土、紅色風(fēng)化殼與河湖相沉積物的分析當(dāng)中。黃土沉積的連續(xù)性較好，這一點在粒度特征上體現(xiàn)的很明顯。因此，黃土的粒度特征在反演古氣候，重建古環(huán)境中具有廣泛應(yīng)用[7]。但是不同時代背景下的沉積環(huán)境不同，氣溫不同，水分條件也不同，這些環(huán)境因素均對沉積物的粒度組成、分選具有較大的影響和控制作用。沉積物粒度組成同時受到沉積環(huán)境和沉積后期環(huán)境的共同影響，沉積物在沉積之后受到的風(fēng)化作用和改造作用，均會影響沉積物粒徑大小，粉粘比等一系列特征。所以黃土的全樣粒度數(shù)據(jù)混雜著較多的其它因素，在判別氣候信息方面具有不穩(wěn)定性和不確定性[8]。

國內(nèi)眾多學(xué)者已經(jīng)開始嘗試使用端元分析來加以區(qū)分沉積物的粒度組成，以及深入探討沉積環(huán)境、物質(zhì)來源與沉積動力等因素，對國內(nèi)不同區(qū)域的第四紀(jì)黃土[9，10]與河湖相沉積[11，12]進行的相關(guān)研究均取得了豐富成果。目前針對遼南濱海黃土進行的粒度端元分析和物源分析較少，故本文采用端元分析模型對遼南濱海黃土進行粒度分析和物源探討。

1 研究區(qū)概況

賀家圈(HJQ)剖面(121°14′42.3″E，39°32′10.87″N)位于大連市長興島西部，地質(zhì)構(gòu)造上屬于中朝準(zhǔn)地臺中的膠遼臺隆區(qū)。地層以古生代為主，中生代地層間雜發(fā)育其中。研究區(qū)位于暖溫帶地區(qū)，受海陸位置及周圍地形的影響，氣候為具有海洋性特點的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑、四季分明。年平均氣溫10.5℃，自南向北遞減，極端氣溫最高37.8℃，最低-19.13℃；年平均降水量介于550 mm～900 mm ，雨季集中在夏季，自東向西遞減；根據(jù)地區(qū)氣象站多年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，冬季主要受來自北方的干冷冬季風(fēng)影響，夏季受來自南部的暖濕夏季風(fēng)影響，年平均風(fēng)速從沿海島嶼和半島南端向中部和北部遞減。

賀家圈黃土剖面厚度約7 m，剖面底部海拔50 m，頂部有植被覆蓋，其下發(fā)育50 cm厚的現(xiàn)代土壤層，剖面整體呈黃色，垂直節(jié)理發(fā)育，土質(zhì)疏松。通過詳細觀察，剖面明顯為沉積連續(xù)的黃土地層，且沒有受到明顯擾動，較為完整地保存了晚更新世以來的沉積信息。剖面依照等間距采集法，間距30 cm，自上而下采集樣品21個。

圖1 賀家圈(HJQ)剖面位置(a)及周圍優(yōu)勢風(fēng)向(b)

2 研究方法

2.1 粒度以及地球化學(xué)元素分析

賀家圈剖面黃土樣品的粒度和地球化學(xué)元素實驗，均在遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院重點實驗室進行。粒度實驗使用美國貝克曼庫爾特有限公司生產(chǎn)的型號為LS13 320激光衍射粒度分析儀進行測量。粒度實驗采取3組平行實驗，選取最優(yōu)結(jié)果。地球化學(xué)元素使用日本理學(xué)Rigaku公司ZSX Prinmus Ⅱ型X射線熒光光譜儀進行元素測量，常量元素誤差控制在2%以內(nèi)。根據(jù)沉積物各粒徑范圍的體積百分比含量繪制所有樣品的沉積物粒度頻率分布曲線(圖2a)，可以看出賀家圈剖面黃土主要成分為粗粉砂和細砂，粒徑整體較粗，具有雙峰結(jié)構(gòu)。結(jié)合謝帕德三角分類圖(圖2b)，可以判斷出賀家圈剖面黃土接近砂和粉砂的特征，顆粒較粗，粒徑較大。

2.2 端元分析

端元分析方法最早由Weltje提出[13，14]，他認為沉積物由不同的物質(zhì)來源或者由不同的搬運動力經(jīng)過混合而成。根據(jù)一組沉積物粒度數(shù)據(jù)進行分析計算，把不同動力作用下的端元組分分離出來。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球深部結(jié)構(gòu)與過程研究室Greig A.Paterson副研究員與其在澳大利亞國立大學(xué)的合作者David Heslop博士，設(shè)計開發(fā)了一種基于總體特征的粒度端元分析的非參數(shù)估計方法，相較于目前國際上的一些已有沉積數(shù)據(jù)分離算法，該方法在數(shù)據(jù)擬合方面具有更高的準(zhǔn)確率[15]。運用MATLAB軟件導(dǎo)入21個樣品的粒度數(shù)據(jù)集合，在假設(shè)1～10個端元的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進行EMMA計算。隨著端元數(shù)量的增加，粒級復(fù)相關(guān)系數(shù)R2逐漸接近于1，角度離差逐漸變小。由圖3可以看出，當(dāng)端元數(shù)量達到3的時候，R2接近1且角度離差較小，說明劃分出3個端元已經(jīng)滿足了EMMA分析的要求，故本文選擇3個端元進行粒度分析。

圖2 賀家圈(HJQ)剖面粒度頻率曲線和謝帕德三角分類

圖3 賀家圈(HJQ)剖面端元數(shù)線性相關(guān)和角度離差

3 結(jié)果和討論

通過對賀家圈剖面沉積物的粒度進行EMMA分析，對分離出的3個端元繪制各端元粒度頻率分布曲線。從圖4可以看出，不同端元具有不同的形態(tài)特征，但是與剖面樣品整體粒度頻率分布曲線相一致，匹配較好。結(jié)合各端元曲線參數(shù)特征(表1)和頻率分布曲線可以看出：端元1和3具有明顯的雙峰結(jié)構(gòu)。端元1具有兩個較大的峰，主峰在左次峰在右。主峰位于2Φ附近，說明主峰代表的顆粒粒徑較大組分偏粗，主要組分是中砂和細砂，主峰高度較高，說明在剖面中粗粒組分占有較大比例；次峰位于5Φ附近，說明次峰主要為以粉砂為主的細粒組分，高度較低說明在剖面中細粒組分含量相對較少。端元2為典型的單峰構(gòu)造，左端1-2Φ有一個小的波動，右端6-11Φ為細尾構(gòu)造，說明主要組分為極細砂與粉砂，但是還存在一些中砂和黏土組分。端元3主峰在右次峰在左，高度相差不大，說明代表的兩個粒度組分占比相差不多；主峰在5Φ附近，次峰在3Φ附近，說明主峰代表的是粉砂，次峰為極細砂。從平均粒徑來說，端元1>端元2>端元3，說明端元1的組分最粗，端元2次之，端元3最細。從標(biāo)準(zhǔn)差來看，端元1>端元3>端元2，說明端元1分選較差，顆粒大小不均勻，粒徑分布范圍較廣，主要分為兩個粒級；端元2和端元3則粒級較少，主峰突出，說明顆粒較小且集中，分選很好。從峰度來看，端元2>端元3>端元1，說明端元2的高度最大，分選最好，粒度組成比較統(tǒng)一，成分較為單一；反之，端元1和3峰度較低且均為雙峰構(gòu)造，說明其粒度組分比較混雜，具有大小兩個粒度組成成分。

表1 賀家圈剖面(HJQ)各端元曲線參數(shù)特征

圖4 賀家圈(HJQ)剖面各端元頻率分布曲線

從各端元深度分布曲線(圖5)，可以看出端元1極值出現(xiàn)在最頂層和最底層，中間部分波動起伏較大；端元2與端元1的變化趨勢大致呈負相關(guān)，在剖面上部較多且有一個明顯旋回，在120 cm處出現(xiàn)極值，300 cm以下分布較少；端元3從剖面上部到下部呈現(xiàn)出波動上升的趨勢，在510 cm處達到極值，在剖面下部含量明顯高于上部。

風(fēng)化淋溶系數(shù)(Ba)可以反映沉積物中活躍組分與惰性組分之間的相互關(guān)系，風(fēng)化淋溶系數(shù)的高低與氣候條件密切相關(guān)。Ba的高值反映出淋溶作用相對較弱，可以推測出此時氣候相對干冷。賀家圈(HJQ)黃土剖面中Ba值的變化范圍為0.45～0.83，平均值為0.6，距剖面120 cm處值最高，出現(xiàn)一次氣候旋回，60 cm～120 cm處出現(xiàn)短時期的氣候急劇升溫。整體剖面自下部至上部BA值逐漸上升，反映出沉積環(huán)境的氣候由暖濕逐漸變?yōu)楦衫?，?20 cm處達到極值，隨后氣候變暖。

化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)是反映沉積物化學(xué)風(fēng)化程度的重要指標(biāo)。據(jù)前人研究表明，未風(fēng)化的沉積物當(dāng)中，斜長石和鉀長石CIA值約為50，為沉積物風(fēng)化起點；當(dāng)CIA值介于50～65時，指示沉積物屬于低等風(fēng)化階段；當(dāng)CIA值介于65～85時，沉積物屬于中等風(fēng)化階段；伊利石和蒙脫石CIA值約為85，當(dāng)CIA值介于85～100時，指示沉積物屬于強烈風(fēng)化階段，高嶺石和三水鋁石CIA值約為100[16]。因此，CIA值越小、風(fēng)化作用越弱、氣候環(huán)境相對干冷。反之，風(fēng)化作用越強，氣候環(huán)境溫濕。賀家圈(HJQ)黃土剖面中CIA的變化范圍為67～71，平均值為69。剖面下部420～630 cm CIA值整體較高，上部整體較低。整個剖面的CIA值均為中等風(fēng)化階段，但是剖面下部風(fēng)化程度情況較上部深，可以看出剖面沉積的早期階段氣候相對較為暖濕，后期相對干冷。

殘積系數(shù)可以很好地反映沉積物化學(xué)風(fēng)化淋溶作用的強弱，其高值反映風(fēng)化淋溶作用較弱，沉積氣候條件較為濕潤；反之，風(fēng)化淋溶作用強，氣候較為干涼[17，18]。賀家圈(HJQ)黃土剖面中殘積系數(shù)變化范圍為0.91～2.08，平均值為3.93。在距地表450 cm處殘積系數(shù)最大，此時氣候環(huán)境最為溫暖濕潤。整體剖面自下部至上部殘積系數(shù)值逐漸降低，反映沉積環(huán)境氣候趨于干冷。

圖5 賀家圈(HJQ)剖面各端元百分含量與氣候指標(biāo)對比

張威等人對大連七頂山黃土剖面進行光釋光測年發(fā)現(xiàn)，遼東半島濱海黃土上層馬蘭黃土堆積開始于10～11 ka左右，上層4 m左右黃土地層年代集中于22～31 ka，下部5.5～8 m黃土年代處于86～113 ka。根據(jù)與七頂山及周圍其他黃土剖面進行對比，可以大致將賀家圈剖面3 m深度的第10個樣品定年到25 ka左右。李雪銘根據(jù)2-3Φ粒級的含量變化，將遼南地區(qū)末次冰期依照25 ka，50 ka和75 ka劃分為3個階段[19]。其中大約25 ka前，遼南地區(qū)處于末次冰期的中期階段，氣候相對暖濕，渤海海平面上升，渤海西岸發(fā)生了獻縣海侵事件。這個階段對應(yīng)賀家圈剖面下部地層，表現(xiàn)出剖面整體風(fēng)化淋溶作用較強。25 ka后，遼南地區(qū)處于末次冰期的晚期階段，氣候再次轉(zhuǎn)為干冷，整個渤海出露為陸地，中國東部海岸線東移500～600 km，從蒙古高壓來的強勁西北風(fēng)使渤海海底沙以躍移和滾動方式搬運堆積，并形成了黃土剖面上部粗粒層。此階段對應(yīng)賀家圈剖面的上層部分，在粒度上表現(xiàn)出粒徑較大，分選較差；在地球化學(xué)元素上表現(xiàn)為剖面黃土淋溶作用較弱，風(fēng)化作用較強。

進一步對沉積物中各端元組分含量，磁化率以及地球化學(xué)元素在深度上做對比分析，可以發(fā)現(xiàn)：端元2與淋溶系數(shù)隨深度的變化趨勢大致相同且都在120 cm處達到極值，而與殘疾系數(shù)深度曲線呈負相關(guān)，說明端元2與淋溶系數(shù)與殘積系數(shù)在深度上具有較強相關(guān)性。端元3在深度上與CIA曲線的波動趨勢和分布較為相似且都在510 cm處達到極值，所以說明端元3與CIA具有較強的聯(lián)系。

基于前人研究與上述分析，可以初步認為：端元1代表的是剖面原始粒度組成，主峰在左代表晚更新世冰期，渤海陸架出露，受到強大冬季風(fēng)吹拂帶來的近源粗粒沉積組分，次峰在右代表由高空氣流攜帶來的遠源細粒組分，較好的匹配了遼南黃土雙物源的特征。端元2代表的是沉積物沉積后期受到沉積環(huán)境與古氣候的淋溶作用與改造作用，致使剖面粒度組分整體變細，粗粒與細粒組分相差變小，主要表現(xiàn)為2Φ附近的中砂粒徑變小成為極細砂的過程。在時間上表現(xiàn)為剖面早期古氣候較為暖濕，較為充足的降水帶來了較強的淋溶作用和殘積作用，致使粗粒中砂組分的粒徑在其影響下不斷變小為極細砂組分，同時粉沙黏土含量相對增加。端元3代表的是沉積物沉積之后收到的化學(xué)風(fēng)化作用。在時間上表現(xiàn)為剖面早期古氣候較為暖濕，帶來了較為明顯的化學(xué)風(fēng)化作用，致使中砂組分粒徑變小成為極細砂，同時化學(xué)風(fēng)化作用似乎對粉砂黏土組分并無影響，所以在頻率曲線上表現(xiàn)為單峰構(gòu)造。

結(jié)合上文對每個端元的動力成因分析，可以推測出，該剖面下部屬于晚更新世末次冰期中較暖濕的間冰期，此時氣候溫暖濕潤，對已有風(fēng)成沉積物的化學(xué)風(fēng)化和淋溶作用較強，古氣候環(huán)境對沉積物的影響較大，使粗粒組分粒徑變小，含量降低，細粒組分含量相對提高；剖面上部屬于晚更新世末次冰期的晚期階段，此時氣候再次轉(zhuǎn)為干冷，周圍渤海地區(qū)出露，近地面氣流加強，強大的北風(fēng)攜帶粗粒物質(zhì)在此堆積，同時來源于高空氣流的遠源沉積從未停止。

4 結(jié)論

根據(jù)大連賀家圈黃土剖面的粒度實驗數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用端元分析模型并結(jié)合磁化率和地球化學(xué)元素指標(biāo)，能夠細致地鑒別出各種沉積動力組分，從而很好地判別晚更新世以來黃土剖面沉積組分的變化特征。本研究將賀家圈剖面沉積粒度組分劃分為3個端元：端元1可能代表了剖面原始的粒度組分，表現(xiàn)為獨特的雙峰雙物源特征；端元2可能代表了沉積物在沉積之后受到的淋溶作用和殘積作用，剖面早期氣候暖濕作用較強，剖面晚期氣候干冷作用較弱；端元3可能代表了沉積物受到的化學(xué)風(fēng)化作用，雖然處于低等風(fēng)化階段，但是依舊可以判別古氣候的變遷。

綜上分析，應(yīng)用端元分析，能夠很好地指示晚更新世以來賀家圈黃土剖面沉積組分變化特征?？梢钥闯?，沉積物在沉積以及后期改造的過程中，往往會經(jīng)歷多種動力因素，這就說明了各地層單元中均含有多個端元組分的特征。通過對多動力沉積物組分的分離，可以有效地判斷各組分所代表的沉積動力在晚更新世以來的變化特征。