基于激光粒度測試法的閩粵沿?；ò哒惩脸梢蜓芯?/h1>
2021-10-17 01:33:38高全洲
光譜學(xué)與光譜分析 2021年10期
王 晶， 陳 震， 高全洲*
1. 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院， 廣東 廣州 510275 2. 中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 廣東 廣州 510275
引 言
我國閩粵沿海第四紀(jì)盆地(如珠江三角洲、 練江平原、 韓江三角洲以及福建沿海盆地等)的上更新統(tǒng)與全新統(tǒng)之間， 廣泛發(fā)育一套黃色粉土層， 有時表現(xiàn)為以黃色為基色， 混雜紅、 灰的斑紋狀結(jié)構(gòu)， 因此也被稱作“花斑粘土”[1-2]。 現(xiàn)有研究認(rèn)為， 花斑粘土是晚更新世末期海進(jìn)時的河、 海相沉積， 在末次盛冰期全球低海面時暴露地表， 頂部一定厚度的沉積風(fēng)化而成[1-2]。 而初步的研究發(fā)現(xiàn)： 花斑粘土與其下伏河、 海相沉積在成分及結(jié)構(gòu)等方面均存在顯著差異， 無明顯過渡， 不具備典型的風(fēng)化成因關(guān)系； 花斑粘土具粉砂感， 風(fēng)干后易隨風(fēng)飛揚(yáng)， 沉積特征具有風(fēng)成特性。
近年來， 隨著粒度測試技術(shù)的不斷發(fā)展， 依據(jù)光學(xué)散射原理測試顆粒粒徑的激光粒度分析方法在國內(nèi)外有著廣泛的運(yùn)用[3-4]。 除了在醫(yī)藥、 化工、 建材、 電子、 食品、 環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用， 激光粒度在地質(zhì)沉積學(xué)中也發(fā)揮著越來越重要的作用[3-4]。 粒度特征是反映沉積物搬運(yùn)介質(zhì)、 沉積條件的重要指標(biāo)， 是研究沉積物沉積環(huán)境及成因的有效方法。 當(dāng)激光光束遇到大小不等的顆粒時， 會產(chǎn)生不同角度的散射， 通過探測散射光的強(qiáng)度可計算樣品的粒度分布。 相對于傳統(tǒng)機(jī)械分析方法而言， 激光粒度分析法所需樣品量少、 測試速度快、 精度高。 鑒于此優(yōu)勢， 使用該方法， 對該套花斑粘土的粒度特征進(jìn)行深入分析， 從而探討其成因。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 鉆孔及采樣
花斑粘土廣泛分布于閩粵沿海的第四紀(jì)盆地中， 尤以珠江三角洲為盛(圖1)。 該層粉土的厚度不大， 一般為幾十～幾百cm， 通常形成于晚第四紀(jì)以來兩次高海面之間的海退期， 由于受海水?dāng)_動作用的影響， 年代較老的多被破壞， 現(xiàn)多保留年齡為25～10 ka的末次盛冰期的層位[1-2]。 為了揭示花斑粘土的成因， 本文選擇珠江三角洲的三個第四紀(jì)鉆孔(圖1)， 對各鉆孔中的花斑粘土層及其下伏沉積按照平均8 cm的間距連續(xù)采樣， 樣品共計94個。
圖1 本研究搜集和研究鉆孔分布
1.2 測試方法
將所采集的樣品取適量分別放入50 mL小燒杯中， 先加入10%的雙氧水以除去有機(jī)質(zhì)， 后加入10%的濃鹽酸以除去碳酸鈣。 每加試劑后， 放置于電熱板使樣品充分反應(yīng)。 最后， 將燒杯注滿蒸餾水反復(fù)清洗， 直到溶液呈中性為止。 上機(jī)測試前， 加入10 mL 0.05 mol·L-1的六偏磷酸鈉進(jìn)行分散， 并在超聲波振蕩器中震蕩10 min。 測試儀器為英國Mastersizer 2000型激光粒度儀(測量范圍0.02～2 000 μm)。
2 結(jié)果與討論
2.1 粒度組成
本文采用5， 10和50 μm作為粘粒、 細(xì)粉砂、 粗粉砂、 砂礫石的分界點(diǎn)。 從表1可看出， 各鉆孔的花斑粘土均以粗粉砂(10～50 μm)為第一眾數(shù)粒組， 平均含量介于37.52%～50.21%； 粘粒(<5 μm)的平均含量介于25.59%～32.92%， 是粒度組成中的次眾粒組； 細(xì)粉砂(5～10 μm)的平均含量介于20.90%～26.01%； 砂礫石(>50 μm)的含量最少， 平均值介于3.30%～4.14%， 幾乎不含>100 μm的顆粒(表1)。 總體上， 花斑粘土以粉砂(5～50 μm)為主， 巖性屬粘土質(zhì)粉砂， 而并非傳統(tǒng)所認(rèn)為的“粘土”(為了避免與以往慣用名稱相混淆， 本文依舊將其稱為“花斑粘土”)。
表1顯示， 花斑粘土的粒度組成模式在不同鉆孔之間較為一致， 在單個鉆孔中的不同深度也相似， 主要表現(xiàn)為各鉆孔垂向上各粒組含量的最大值與最小值相差不大(表1)， 粒度總體上均一而穩(wěn)定， 表明樣品在堆積前經(jīng)歷了充分的混合和分選， 這是風(fēng)成沉積的典型特征。
將各粒組含量繪制成柱狀圖可更為直觀的顯示樣品的粒組分布特征(圖2)。 劉東升先生研究黃土?xí)r， 將10～50 μm的粗粉砂和<5 μm的粘粒分別定名為風(fēng)成沉積的“基本粒組”和“挾持粒組”， 兩者是風(fēng)成沉積的典型粒組構(gòu)成[5]。 通過對比， 花斑粘土同樣以風(fēng)成黃土的“基本粒組”(黑色方柱)和“挾持粒組”(灰色方柱)為主要粒組構(gòu)成， 其余依次為5～10及>50 μm的方柱[圖2(a—c)]。 該粒組配分特征與典型黃土一致[圖2(d, e)]， 表明花斑粘土具有風(fēng)成特性。
而TS和JT鉆孔花斑粘土下伏沉積均以粘粒(<5 μm)為第一眾數(shù)粒組， 細(xì)粉砂(5～10 μm)為第二眾數(shù)粒組(表1)， 且隨著粒級增大， 各粒組方柱呈遞減趨勢[圖2(f, g)]， 為典型的海相淤泥； SJ鉆孔花斑粘土下伏沉積以>50μm的粗砂礫石為主要構(gòu)成， 粒組方柱最高， 其次為10～50μm的方柱[圖2(h)]， 且各粒組含量變化范圍廣， 不同深度相差很大(表1)， 表明搬運(yùn)動力不穩(wěn)定， 符合河流相沉積的粒度特征。 由此可見， 花斑粘土層與其下伏海、 河相沉積在粒度組成模式上截然不同， 表明它們在搬運(yùn)方式及所體現(xiàn)的成因上并無關(guān)聯(lián)。
表1 花斑粘土的粒度特征以及與下伏沉積、 典型黃土的對比
圖2 花斑粘土的粒度組成柱狀圖以及與下伏沉積、 典型黃土的對比(取表1中的平均值)
2.2 粒度參數(shù)
粒度參數(shù)是判斷搬運(yùn)介質(zhì)及沉積環(huán)境的重要依據(jù)。 其中， 平均粒徑(Mφ)反映樣品分布的集中趨勢， 不同鉆孔花斑粘土的平均值介于6.73～7.03φ； 分選系數(shù)(σ)反映顆粒的分選程度， 介于1.56～1.61； 偏度(SKφ)表示樣品粒度分布的不對稱程度， 平均值介于0.25～0.64， 屬于正偏-極正偏； 峰態(tài)(Kg)介于2.76～2.99， 表明樣品的頻率分布曲線形態(tài)較尖銳。 總體上， 花斑粘土的各項(xiàng)粒度參數(shù)在不同鉆孔之間變化不大， 單個鉆孔中的最大值與最小值也相差不大(表1)， 表明樣品粒度均一， 搬運(yùn)動力穩(wěn)定， 符合風(fēng)成特征。 通過對比， 花斑粘土的粒度參數(shù)與典型黃土具有較好的可比性(表1)， 表明它們在沉積環(huán)境及成因上的相似性。
而相比于花斑粘土， 其下伏海相沉積的平均粒徑(Mφ)分別為7.80φ(TS)和7.43φ(JT)， 粒度更細(xì)； 下伏河流相沉積為5.03φ(SJ)， 粒度更粗(表1)。 分選系數(shù)(σ)上， 下伏海相沉積平均值分別為1.43(TS)和1.44(JT)， 均小于花斑粘土； 下伏河流相沉積為2.59(SJ)， 大于花斑粘土(表1)。 偏度(SKφ)上， 下伏海相沉積的平均值分別為0.19(TS)和0.15(JT)， 小于花斑粘土， 近正態(tài)分布(表1)。 下伏河流相沉積的偏度(SKφ)和峰態(tài)(Kg)的最大值與最小值相差較大(表1)， 表明搬運(yùn)動力極不穩(wěn)定。 上述差異表明， 花斑粘土與下伏沉積層在粒度參數(shù)所反映的沉積環(huán)境上存在較大差異。
2.3 粒度參數(shù)散點(diǎn)圖
粒度參數(shù)散點(diǎn)圖是將不同的粒度參數(shù)分別作為橫縱坐標(biāo)進(jìn)行投點(diǎn)。 大量研究表明， 不同成因類型的沉積物在粒度參數(shù)散點(diǎn)圖中的投點(diǎn)均有各自的區(qū)間范圍， 因此可以更有效的區(qū)分不同沉積物的屬性及成因[7]。
各散點(diǎn)圖中， 花斑粘土的投點(diǎn)與典型黃土具有一致的范圍(圖3)， 表明兩者在沉積類型上的相似性。 而相對于花斑粘土和典型黃土， 下伏海相沉積的投點(diǎn)在圖3(a—c)中偏右， 圖3(d,e)中偏左， 表明海相沉積的平均粒徑(Mφ)較大， 分選值(σ)較小。 各圖中， 花斑粘土下伏河流相沉積的投點(diǎn)散落不集中， 表明沉積環(huán)境動蕩， 這與花斑粘土及典型風(fēng)成沉積均存在較大差異(圖3)。
圖3 花斑粘土的粒度參數(shù)散點(diǎn)圖以及與下伏沉積、 典型黃土的對比
2.4 粒度判別分析
前人對不同沉積相的粒度參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析， 總結(jié)出Y=-3.568 8Mφ+3.701 6σ2-2.076 6SKφ+3.113 5Kg(Y=判別參數(shù)， Mφ=平均粒徑，σ=分選系數(shù)， SKφ=偏度， Kg=峰態(tài))用于判別風(fēng)成沉積[9]。 研究發(fā)現(xiàn)， 風(fēng)成沉積的Y值皆為負(fù)值且一般>-10[9-10]。 通過計算， 三個鉆孔中花斑粘土的判別參數(shù)值均符合風(fēng)成沉積的范圍， 并與典型黃土具有較好的可比性(圖4)。 下伏海相沉積的Y值較小， 介于-13～-9的范圍； 下伏河流相沉積的Y值介于0～40的范圍， 均為正值， 且不同層位Y值相差較大， 與花斑粘土差異十分明顯(圖4)。 因此， 判別分析結(jié)果同樣表明， 花斑粘土具有風(fēng)成特征， 與下伏沉積在成因上并無關(guān)聯(lián)， 花斑粘土不應(yīng)為下伏海、 河相沉積風(fēng)化而成。
圖4 花斑粘土的粒度判別結(jié)果以及與下伏沉積、 典型黃土的對比(西峰黃土數(shù)據(jù)引自[8])
2.5 粒度指數(shù)特征
粒度指數(shù)圖是依據(jù)樣品的中值粒徑(Md)以及四分位值(Q1和Q3)而作的股價圖。 其中， 中值Md， Q1和Q3是樣品累積百分含量分別在50%， 75%和25%時所對應(yīng)的粒徑。 這些參數(shù)是反映沉積類型及沉積環(huán)境的重要指標(biāo)。
圖5顯示， 同一鉆孔以及不同鉆孔之間， 花斑粘土的指數(shù)展布范圍較為統(tǒng)一， 均介于5～8φ之間， 與典型黃土具有較好的可比性， 表明花斑粘土具有風(fēng)成特性。 而花斑粘土下伏海相沉積的粒度指數(shù)介于6～9φ， 明顯高于花斑粘土和典型黃土(圖5)； 下伏河流相沉積的指數(shù)展布跨度大， 介于0～9φ， 且不同層位的樣品展布范圍不一致， 表明粒度極不均一， 分選性差(圖5)。 可見， 花斑粘土與下伏海、 河相沉積在粒度指數(shù)及其所反映的沉積環(huán)境上亦差異明顯。
圖5 花斑粘土的粒度指數(shù)以及與下伏沉積、 典型黃土的對比(西峰黃土數(shù)據(jù)引自[8])
2.6 粒度相分析
粒度相分析是將一些與沉積過程密切相關(guān)的粒徑及所對應(yīng)的百分含量繪制成散點(diǎn)圖。 最常見的粒度相是C-M圖， C代表樣品累積含量在1%時對應(yīng)的粒徑(μm)， 表征樣品的粗粒級組分； M代表中值粒徑， 即樣品累積含量在50%時對應(yīng)的粒徑(μm)， 橫縱坐標(biāo)皆用對數(shù)表示。 CM圖可通過將未知成因的樣品在圖中的投點(diǎn)區(qū)域和已知成因的樣品的投點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行比較， 從而確定未知樣品的成因和沉積環(huán)境， 是一種綜合性的成因圖解[11]。 此外， 粒度相還有A-M和L-M圖。 A代表樣品<4 μm的百分含量， L代表樣品<31 μm的百分含量。 這些粒度相全面的反映了沉積物的粒度特征， 可以用來綜合判斷沉積物的沉積類型， 反映沉積環(huán)境。
圖6的C-M圖中， 花斑粘土投點(diǎn)集中， 其下伏海相沉積的投點(diǎn)偏左， 中值粒徑偏小。 而下伏河流相沉積的投點(diǎn)分布零散， 相對花斑粘土層偏右上， 中值粒徑偏大， 粗粒級組分含量更多(圖6)。 在A-M及L-M圖中， 樣品的投點(diǎn)均呈帶狀分布， 花斑粘土與其下伏沉積層均分布在不同的范圍(圖6)， 表明花斑粘土在成因及沉積環(huán)境上與其下伏沉積沒有關(guān)聯(lián)， 花斑粘土并非其“原沉積相”風(fēng)化形成。
鹿化煜等[8]對黃土高原黃土、 古土壤以及紅粘土樣品進(jìn)行了粒度相分析。 由于沒有源數(shù)據(jù)， 本文將文獻(xiàn)中典型風(fēng)成沉積的粒度相投點(diǎn)區(qū)域疊加到圖6中以做對比研究。 通過對比， 閩粵沿海花斑粘土的投點(diǎn)區(qū)域與典型風(fēng)成沉積所在的粉色區(qū)域在各圖中均重合(圖6)， 表明花斑粘土與典型風(fēng)成沉積在沉積類型上的一致性。 結(jié)合前述粒度分析各項(xiàng)指標(biāo)， 可進(jìn)一步判定， 花斑粘土為風(fēng)成成因。
圖6 花斑粘土的粒度相以及與下伏沉積、 典型黃土的對比(典型黃土投點(diǎn)區(qū)域總結(jié)自[8])
3 結(jié) 論
使用激光粒度分析方法， 對珠江三角洲晚第四紀(jì)的花斑粘土進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 結(jié)果顯示， 花斑粘土的粒度組成、 粒度參數(shù)、 散點(diǎn)分布、 判別分析、 粒度指數(shù)特征及相分析均指示風(fēng)成成因， 與典型黃土具有較好的可比性， 而與其下伏沉積差異截然。 由此， 花斑粘土并非原地風(fēng)化形成， 而屬末次盛冰期外來的粉塵堆積。 由于風(fēng)成沉積經(jīng)歷了充分的混合和分選， 堆積時顏色及結(jié)構(gòu)均勻， 因此“花斑”結(jié)構(gòu)不應(yīng)是沉積時形成， 而是冰后期(全新世)濕熱氣候環(huán)境改造的表象。 激光粒度方法深入有效的分析了研究區(qū)晚第四紀(jì)花斑粘土的粒度特征， 并為其成因判斷提供了重要依據(jù)。 本研究對今后華南沿海晚第四紀(jì)古氣候環(huán)境及風(fēng)場格局的重建具有重要的科學(xué)意義。
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引 言
我國閩粵沿海第四紀(jì)盆地(如珠江三角洲、 練江平原、 韓江三角洲以及福建沿海盆地等)的上更新統(tǒng)與全新統(tǒng)之間， 廣泛發(fā)育一套黃色粉土層， 有時表現(xiàn)為以黃色為基色， 混雜紅、 灰的斑紋狀結(jié)構(gòu)， 因此也被稱作“花斑粘土”[1-2]。 現(xiàn)有研究認(rèn)為， 花斑粘土是晚更新世末期海進(jìn)時的河、 海相沉積， 在末次盛冰期全球低海面時暴露地表， 頂部一定厚度的沉積風(fēng)化而成[1-2]。 而初步的研究發(fā)現(xiàn)： 花斑粘土與其下伏河、 海相沉積在成分及結(jié)構(gòu)等方面均存在顯著差異， 無明顯過渡， 不具備典型的風(fēng)化成因關(guān)系； 花斑粘土具粉砂感， 風(fēng)干后易隨風(fēng)飛揚(yáng)， 沉積特征具有風(fēng)成特性。
近年來， 隨著粒度測試技術(shù)的不斷發(fā)展， 依據(jù)光學(xué)散射原理測試顆粒粒徑的激光粒度分析方法在國內(nèi)外有著廣泛的運(yùn)用[3-4]。 除了在醫(yī)藥、 化工、 建材、 電子、 食品、 環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用， 激光粒度在地質(zhì)沉積學(xué)中也發(fā)揮著越來越重要的作用[3-4]。 粒度特征是反映沉積物搬運(yùn)介質(zhì)、 沉積條件的重要指標(biāo)， 是研究沉積物沉積環(huán)境及成因的有效方法。 當(dāng)激光光束遇到大小不等的顆粒時， 會產(chǎn)生不同角度的散射， 通過探測散射光的強(qiáng)度可計算樣品的粒度分布。 相對于傳統(tǒng)機(jī)械分析方法而言， 激光粒度分析法所需樣品量少、 測試速度快、 精度高。 鑒于此優(yōu)勢， 使用該方法， 對該套花斑粘土的粒度特征進(jìn)行深入分析， 從而探討其成因。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 鉆孔及采樣
花斑粘土廣泛分布于閩粵沿海的第四紀(jì)盆地中， 尤以珠江三角洲為盛(圖1)。 該層粉土的厚度不大， 一般為幾十～幾百cm， 通常形成于晚第四紀(jì)以來兩次高海面之間的海退期， 由于受海水?dāng)_動作用的影響， 年代較老的多被破壞， 現(xiàn)多保留年齡為25～10 ka的末次盛冰期的層位[1-2]。 為了揭示花斑粘土的成因， 本文選擇珠江三角洲的三個第四紀(jì)鉆孔(圖1)， 對各鉆孔中的花斑粘土層及其下伏沉積按照平均8 cm的間距連續(xù)采樣， 樣品共計94個。
圖1 本研究搜集和研究鉆孔分布
1.2 測試方法
將所采集的樣品取適量分別放入50 mL小燒杯中， 先加入10%的雙氧水以除去有機(jī)質(zhì)， 后加入10%的濃鹽酸以除去碳酸鈣。 每加試劑后， 放置于電熱板使樣品充分反應(yīng)。 最后， 將燒杯注滿蒸餾水反復(fù)清洗， 直到溶液呈中性為止。 上機(jī)測試前， 加入10 mL 0.05 mol·L-1的六偏磷酸鈉進(jìn)行分散， 并在超聲波振蕩器中震蕩10 min。 測試儀器為英國Mastersizer 2000型激光粒度儀(測量范圍0.02～2 000 μm)。
2 結(jié)果與討論
2.1 粒度組成
本文采用5， 10和50 μm作為粘粒、 細(xì)粉砂、 粗粉砂、 砂礫石的分界點(diǎn)。 從表1可看出， 各鉆孔的花斑粘土均以粗粉砂(10～50 μm)為第一眾數(shù)粒組， 平均含量介于37.52%～50.21%； 粘粒(<5 μm)的平均含量介于25.59%～32.92%， 是粒度組成中的次眾粒組； 細(xì)粉砂(5～10 μm)的平均含量介于20.90%～26.01%； 砂礫石(>50 μm)的含量最少， 平均值介于3.30%～4.14%， 幾乎不含>100 μm的顆粒(表1)。 總體上， 花斑粘土以粉砂(5～50 μm)為主， 巖性屬粘土質(zhì)粉砂， 而并非傳統(tǒng)所認(rèn)為的“粘土”(為了避免與以往慣用名稱相混淆， 本文依舊將其稱為“花斑粘土”)。
表1顯示， 花斑粘土的粒度組成模式在不同鉆孔之間較為一致， 在單個鉆孔中的不同深度也相似， 主要表現(xiàn)為各鉆孔垂向上各粒組含量的最大值與最小值相差不大(表1)， 粒度總體上均一而穩(wěn)定， 表明樣品在堆積前經(jīng)歷了充分的混合和分選， 這是風(fēng)成沉積的典型特征。
將各粒組含量繪制成柱狀圖可更為直觀的顯示樣品的粒組分布特征(圖2)。 劉東升先生研究黃土?xí)r， 將10～50 μm的粗粉砂和<5 μm的粘粒分別定名為風(fēng)成沉積的“基本粒組”和“挾持粒組”， 兩者是風(fēng)成沉積的典型粒組構(gòu)成[5]。 通過對比， 花斑粘土同樣以風(fēng)成黃土的“基本粒組”(黑色方柱)和“挾持粒組”(灰色方柱)為主要粒組構(gòu)成， 其余依次為5～10及>50 μm的方柱[圖2(a—c)]。 該粒組配分特征與典型黃土一致[圖2(d, e)]， 表明花斑粘土具有風(fēng)成特性。
而TS和JT鉆孔花斑粘土下伏沉積均以粘粒(<5 μm)為第一眾數(shù)粒組， 細(xì)粉砂(5～10 μm)為第二眾數(shù)粒組(表1)， 且隨著粒級增大， 各粒組方柱呈遞減趨勢[圖2(f, g)]， 為典型的海相淤泥； SJ鉆孔花斑粘土下伏沉積以>50μm的粗砂礫石為主要構(gòu)成， 粒組方柱最高， 其次為10～50μm的方柱[圖2(h)]， 且各粒組含量變化范圍廣， 不同深度相差很大(表1)， 表明搬運(yùn)動力不穩(wěn)定， 符合河流相沉積的粒度特征。 由此可見， 花斑粘土層與其下伏海、 河相沉積在粒度組成模式上截然不同， 表明它們在搬運(yùn)方式及所體現(xiàn)的成因上并無關(guān)聯(lián)。
表1 花斑粘土的粒度特征以及與下伏沉積、 典型黃土的對比
圖2 花斑粘土的粒度組成柱狀圖以及與下伏沉積、 典型黃土的對比(取表1中的平均值)
2.2 粒度參數(shù)
粒度參數(shù)是判斷搬運(yùn)介質(zhì)及沉積環(huán)境的重要依據(jù)。 其中， 平均粒徑(Mφ)反映樣品分布的集中趨勢， 不同鉆孔花斑粘土的平均值介于6.73～7.03φ； 分選系數(shù)(σ)反映顆粒的分選程度， 介于1.56～1.61； 偏度(SKφ)表示樣品粒度分布的不對稱程度， 平均值介于0.25～0.64， 屬于正偏-極正偏； 峰態(tài)(Kg)介于2.76～2.99， 表明樣品的頻率分布曲線形態(tài)較尖銳。 總體上， 花斑粘土的各項(xiàng)粒度參數(shù)在不同鉆孔之間變化不大， 單個鉆孔中的最大值與最小值也相差不大(表1)， 表明樣品粒度均一， 搬運(yùn)動力穩(wěn)定， 符合風(fēng)成特征。 通過對比， 花斑粘土的粒度參數(shù)與典型黃土具有較好的可比性(表1)， 表明它們在沉積環(huán)境及成因上的相似性。
而相比于花斑粘土， 其下伏海相沉積的平均粒徑(Mφ)分別為7.80φ(TS)和7.43φ(JT)， 粒度更細(xì)； 下伏河流相沉積為5.03φ(SJ)， 粒度更粗(表1)。 分選系數(shù)(σ)上， 下伏海相沉積平均值分別為1.43(TS)和1.44(JT)， 均小于花斑粘土； 下伏河流相沉積為2.59(SJ)， 大于花斑粘土(表1)。 偏度(SKφ)上， 下伏海相沉積的平均值分別為0.19(TS)和0.15(JT)， 小于花斑粘土， 近正態(tài)分布(表1)。 下伏河流相沉積的偏度(SKφ)和峰態(tài)(Kg)的最大值與最小值相差較大(表1)， 表明搬運(yùn)動力極不穩(wěn)定。 上述差異表明， 花斑粘土與下伏沉積層在粒度參數(shù)所反映的沉積環(huán)境上存在較大差異。
2.3 粒度參數(shù)散點(diǎn)圖
粒度參數(shù)散點(diǎn)圖是將不同的粒度參數(shù)分別作為橫縱坐標(biāo)進(jìn)行投點(diǎn)。 大量研究表明， 不同成因類型的沉積物在粒度參數(shù)散點(diǎn)圖中的投點(diǎn)均有各自的區(qū)間范圍， 因此可以更有效的區(qū)分不同沉積物的屬性及成因[7]。
各散點(diǎn)圖中， 花斑粘土的投點(diǎn)與典型黃土具有一致的范圍(圖3)， 表明兩者在沉積類型上的相似性。 而相對于花斑粘土和典型黃土， 下伏海相沉積的投點(diǎn)在圖3(a—c)中偏右， 圖3(d,e)中偏左， 表明海相沉積的平均粒徑(Mφ)較大， 分選值(σ)較小。 各圖中， 花斑粘土下伏河流相沉積的投點(diǎn)散落不集中， 表明沉積環(huán)境動蕩， 這與花斑粘土及典型風(fēng)成沉積均存在較大差異(圖3)。
圖3 花斑粘土的粒度參數(shù)散點(diǎn)圖以及與下伏沉積、 典型黃土的對比
2.4 粒度判別分析
前人對不同沉積相的粒度參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析， 總結(jié)出Y=-3.568 8Mφ+3.701 6σ2-2.076 6SKφ+3.113 5Kg(Y=判別參數(shù)， Mφ=平均粒徑，σ=分選系數(shù)， SKφ=偏度， Kg=峰態(tài))用于判別風(fēng)成沉積[9]。 研究發(fā)現(xiàn)， 風(fēng)成沉積的Y值皆為負(fù)值且一般>-10[9-10]。 通過計算， 三個鉆孔中花斑粘土的判別參數(shù)值均符合風(fēng)成沉積的范圍， 并與典型黃土具有較好的可比性(圖4)。 下伏海相沉積的Y值較小， 介于-13～-9的范圍； 下伏河流相沉積的Y值介于0～40的范圍， 均為正值， 且不同層位Y值相差較大， 與花斑粘土差異十分明顯(圖4)。 因此， 判別分析結(jié)果同樣表明， 花斑粘土具有風(fēng)成特征， 與下伏沉積在成因上并無關(guān)聯(lián)， 花斑粘土不應(yīng)為下伏海、 河相沉積風(fēng)化而成。
圖4 花斑粘土的粒度判別結(jié)果以及與下伏沉積、 典型黃土的對比(西峰黃土數(shù)據(jù)引自[8])
2.5 粒度指數(shù)特征
粒度指數(shù)圖是依據(jù)樣品的中值粒徑(Md)以及四分位值(Q1和Q3)而作的股價圖。 其中， 中值Md， Q1和Q3是樣品累積百分含量分別在50%， 75%和25%時所對應(yīng)的粒徑。 這些參數(shù)是反映沉積類型及沉積環(huán)境的重要指標(biāo)。
圖5顯示， 同一鉆孔以及不同鉆孔之間， 花斑粘土的指數(shù)展布范圍較為統(tǒng)一， 均介于5～8φ之間， 與典型黃土具有較好的可比性， 表明花斑粘土具有風(fēng)成特性。 而花斑粘土下伏海相沉積的粒度指數(shù)介于6～9φ， 明顯高于花斑粘土和典型黃土(圖5)； 下伏河流相沉積的指數(shù)展布跨度大， 介于0～9φ， 且不同層位的樣品展布范圍不一致， 表明粒度極不均一， 分選性差(圖5)。 可見， 花斑粘土與下伏海、 河相沉積在粒度指數(shù)及其所反映的沉積環(huán)境上亦差異明顯。
圖5 花斑粘土的粒度指數(shù)以及與下伏沉積、 典型黃土的對比(西峰黃土數(shù)據(jù)引自[8])
2.6 粒度相分析
粒度相分析是將一些與沉積過程密切相關(guān)的粒徑及所對應(yīng)的百分含量繪制成散點(diǎn)圖。 最常見的粒度相是C-M圖， C代表樣品累積含量在1%時對應(yīng)的粒徑(μm)， 表征樣品的粗粒級組分； M代表中值粒徑， 即樣品累積含量在50%時對應(yīng)的粒徑(μm)， 橫縱坐標(biāo)皆用對數(shù)表示。 CM圖可通過將未知成因的樣品在圖中的投點(diǎn)區(qū)域和已知成因的樣品的投點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行比較， 從而確定未知樣品的成因和沉積環(huán)境， 是一種綜合性的成因圖解[11]。 此外， 粒度相還有A-M和L-M圖。 A代表樣品<4 μm的百分含量， L代表樣品<31 μm的百分含量。 這些粒度相全面的反映了沉積物的粒度特征， 可以用來綜合判斷沉積物的沉積類型， 反映沉積環(huán)境。
圖6的C-M圖中， 花斑粘土投點(diǎn)集中， 其下伏海相沉積的投點(diǎn)偏左， 中值粒徑偏小。 而下伏河流相沉積的投點(diǎn)分布零散， 相對花斑粘土層偏右上， 中值粒徑偏大， 粗粒級組分含量更多(圖6)。 在A-M及L-M圖中， 樣品的投點(diǎn)均呈帶狀分布， 花斑粘土與其下伏沉積層均分布在不同的范圍(圖6)， 表明花斑粘土在成因及沉積環(huán)境上與其下伏沉積沒有關(guān)聯(lián)， 花斑粘土并非其“原沉積相”風(fēng)化形成。
鹿化煜等[8]對黃土高原黃土、 古土壤以及紅粘土樣品進(jìn)行了粒度相分析。 由于沒有源數(shù)據(jù)， 本文將文獻(xiàn)中典型風(fēng)成沉積的粒度相投點(diǎn)區(qū)域疊加到圖6中以做對比研究。 通過對比， 閩粵沿海花斑粘土的投點(diǎn)區(qū)域與典型風(fēng)成沉積所在的粉色區(qū)域在各圖中均重合(圖6)， 表明花斑粘土與典型風(fēng)成沉積在沉積類型上的一致性。 結(jié)合前述粒度分析各項(xiàng)指標(biāo)， 可進(jìn)一步判定， 花斑粘土為風(fēng)成成因。
圖6 花斑粘土的粒度相以及與下伏沉積、 典型黃土的對比(典型黃土投點(diǎn)區(qū)域總結(jié)自[8])
3 結(jié) 論
使用激光粒度分析方法， 對珠江三角洲晚第四紀(jì)的花斑粘土進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 結(jié)果顯示， 花斑粘土的粒度組成、 粒度參數(shù)、 散點(diǎn)分布、 判別分析、 粒度指數(shù)特征及相分析均指示風(fēng)成成因， 與典型黃土具有較好的可比性， 而與其下伏沉積差異截然。 由此， 花斑粘土并非原地風(fēng)化形成， 而屬末次盛冰期外來的粉塵堆積。 由于風(fēng)成沉積經(jīng)歷了充分的混合和分選， 堆積時顏色及結(jié)構(gòu)均勻， 因此“花斑”結(jié)構(gòu)不應(yīng)是沉積時形成， 而是冰后期(全新世)濕熱氣候環(huán)境改造的表象。 激光粒度方法深入有效的分析了研究區(qū)晚第四紀(jì)花斑粘土的粒度特征， 并為其成因判斷提供了重要依據(jù)。 本研究對今后華南沿海晚第四紀(jì)古氣候環(huán)境及風(fēng)場格局的重建具有重要的科學(xué)意義。
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