郎溪剖面石英粒度和沉積物粒度特征對(duì)比與意義分析

翟天成

(安徽師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院， 江淮流域地表過程與區(qū)域響應(yīng)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 蕪湖 241003)

粒度作為反映土壤重要物理性特征的參考標(biāo)準(zhǔn)之一，同時(shí)也被廣泛地應(yīng)用到第四紀(jì)沉積的范疇中來(lái)。由于原始沉積物粒度組分的高度原生性和還原性特征以及沉積物中主要的礦物組分石英顆粒物SiO2具有沉積穩(wěn)定、受外力作用影響小、能夠在地質(zhì)體中長(zhǎng)期保存的特征，進(jìn)而通過對(duì)原始沉積物以及石英顆粒物粒度的測(cè)定，在探討第四紀(jì)紅土剖面中沉積物的組成、沉積動(dòng)力、物質(zhì)來(lái)源等因子中具有重要的參考價(jià)值，對(duì)于恢復(fù)整個(gè)沉積環(huán)境下顆粒物的自然成土作用、風(fēng)塵物質(zhì)搬運(yùn)特征以及近源水動(dòng)力的遷移具有很好的判別意義，能夠?qū)W(wǎng)紋紅土形成時(shí)期的沉積環(huán)境進(jìn)行有效的反演，為近年來(lái)眾多學(xué)者研究長(zhǎng)江中下游地區(qū)網(wǎng)紋紅土形成時(shí)期物源與沉積動(dòng)力提供了很好的反饋，在恢復(fù)第四紀(jì)古氣候波動(dòng)與演進(jìn)下的地理環(huán)境特征具有重要的研究?jī)r(jià)值[1-3]。目前在長(zhǎng)江中下游地區(qū)第四紀(jì)沉積物的研究中對(duì)于諸多的古環(huán)境替代性指標(biāo)例如地球化學(xué)元素、磁化率、色度等研究廣泛[4-6]，但鑒于紅土沉積物在形成過程中受到了強(qiáng)烈風(fēng)化因素的影響[7-8]，所以各類指標(biāo)在具體應(yīng)用上受到了一定的局限，信息量的減少使得第四紀(jì)紅土沉積物不能和北方黃土在相同指標(biāo)的應(yīng)用上進(jìn)行很好的比擬，所以對(duì)于其物源的探討仍然存在爭(zhēng)議[9-10]。鑒于此，將原始沉積物粒度與石英顆粒物粒度二者在古環(huán)境意義判別中進(jìn)行對(duì)比，分析其異同，從而為更好地指示郎溪第四紀(jì)紅土的沉積動(dòng)力和沉積環(huán)境提供確鑿證據(jù)。

1 研究區(qū)概況與樣品采集

剖面選址位于宣城郎溪境內(nèi)(119°9′34″E，30°58′39″N)(圖1)，周邊地形以低山丘陵為主，多起伏崗地，坡度<5°，地勢(shì)平緩。采樣點(diǎn)位于北亞熱帶季風(fēng)型濕潤(rùn)氣候區(qū)，溫和多雨、雨熱同期、日照充足、無(wú)霜期長(zhǎng)、季風(fēng)性顯著。境內(nèi)河流交錯(cuò)，水網(wǎng)密集，位于郎溪盆地內(nèi)的河流水系流入水陽(yáng)江，而位于郎溪盆地外的河流水系則流入太湖，最終匯聚于長(zhǎng)江。采樣點(diǎn)四周分布有密集的茶樹林，由此可推斷出周邊土壤的偏酸性特征。剖面位于人工開采的礦坑內(nèi)，整體呈月牙弧狀一字排開，總體深度約10 m，出露完整，剖面下部有大量礫石層分布，且磨圓度較差，基巖為顆粒較粗的泥質(zhì)砂巖和粉砂巖，傾角近似90°，土層為傾斜產(chǎn)狀。剖面上部則是有<1 m的現(xiàn)代表土沉積層分布，故均不作為最終采樣目標(biāo)。由于整體剖面未有一處自上而下在垂直距離上分布完整，所以為了保證樣品采集的完整性與可靠性，故依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)剖面的分布狀況與出露土層層組的差異性，綜合選取其中4個(gè)不同部分的剖面作為最終的采樣方案，自下而上共采集了171個(gè)沉積物樣品，每個(gè)樣品間隔5 cm，將第1個(gè)樣品定義為剖面高度0.00 m，共計(jì)采樣高度為8.55 m。

圖1 郎溪剖面地理位置

剖面1(P1)為強(qiáng)網(wǎng)紋紅土層，土質(zhì)較軟，自下而上基質(zhì)由深黃色向深紅色過渡，網(wǎng)紋密集，形態(tài)規(guī)則，分布于0～315 cm處，樣品編號(hào)為L(zhǎng)X01-LX63；剖面2(P2)為弱網(wǎng)紋紅土層，土質(zhì)較硬，自下而上基質(zhì)由淺紅色向紅褐色過渡，網(wǎng)紋由密集轉(zhuǎn)向稀疏，形態(tài)相對(duì)規(guī)則，分布于315～530 cm處，樣品編號(hào)為L(zhǎng)X64-LX106；剖面3(P3)為均質(zhì)紅土層，土質(zhì)為均質(zhì)，紅褐色，基本無(wú)網(wǎng)紋，泥質(zhì)土壤，表層松散而內(nèi)部緊實(shí)，分布于530～645 cm處，樣品編號(hào)為L(zhǎng)X107-LX129；剖面4(P4)為下蜀黃土層，土質(zhì)較軟，棕黃色，基本無(wú)網(wǎng)紋，形態(tài)規(guī)則，分布于645～855 cm處，樣品編號(hào)為L(zhǎng)X130-LX171。

2 實(shí)驗(yàn)方法

全部實(shí)驗(yàn)均采用10 cm等間距法對(duì)所有單數(shù)編號(hào)樣品粒度進(jìn)行測(cè)試。

1)石英顆粒提取。采取焦硫酸鉀-氟硅酸K2S2O7-H2SiF6熔融法對(duì)紅土沉積物中的石英礦物進(jìn)行提取。具體操作步驟為：取2 g自然風(fēng)干的沉積物樣品放入燒杯中，加入10 mL濃度為30%的過氧化氫H2O2靜置24 h，去除有機(jī)質(zhì)；再加入30 mL濃度為36.5%的鹽酸HCL在230 ℃電熱板上加熱1 h，去除碳酸鹽；將樣品轉(zhuǎn)移至離心管中，加入10 mL去離子水在4 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心10 min，倒出去離子水并反復(fù)清洗3次以上，直至固液完全分離后移入燒杯中用70 ℃烘箱烘干；隨后取1 g處理樣品置于坩堝中，加入10 g K2S2O7并混合均勻，用馬弗爐650 ℃高溫熔融45 min，將熔塊移至燒杯中加入100 mL去離子水冷卻并使其完全溶解，靜置后去除上層純水，移入離心管中依照上述步驟離心以去除固體藥品殘留；隨后再移至燒杯中用20 mL濃度為30%的H2SiF6浸泡72 h，每8 h攪拌一次，隨后再次離心去除液體藥品殘留，清洗后待完全風(fēng)干即可得到石英顆粒物[11]。

2)石英粒度測(cè)定。取0.2 g石英顆粒置于燒杯中，加入10 mL濃度為5.1%的六偏磷酸鈉(NaPO3)6超聲振蕩15 min，使顆粒完全分散，隨后上機(jī)測(cè)試，每個(gè)樣品測(cè)試兩次，測(cè)試結(jié)果取平均值。

3)沉積物粒度測(cè)定。取0.2 g沉積物樣品置于燒杯中，加入10 mL濃度為30%的H2O2在230 ℃下加熱3 h，待氣泡完全消失后加入10 mL濃度為36.5%的HCL在230 ℃下加熱1 h，待顆粒物和溶液完全變色后自然冷卻，并加入100 mL去離子水靜置24 h，隨后去除上層純水，加入與上述同等劑量的分散劑超聲振蕩15 min，待顆粒完全分散后進(jìn)行上機(jī)測(cè)試[12]，每個(gè)樣品測(cè)試兩次，測(cè)試結(jié)果取平均值。

石英粒度和沉積物粒度的測(cè)試均采用美國(guó)貝克曼公司生產(chǎn)的COULTER LS230激光粒度分析儀，采用手動(dòng)加樣模式，粒度測(cè)試區(qū)間為0.04～2 000 μm，運(yùn)行軟件為L(zhǎng)Sv.3.29，在安徽師范大學(xué)江淮流域地表過程與區(qū)域相應(yīng)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中完成。

3 結(jié)果與比較

將石英粒度與沉積物粒度的粒度組成、粒度參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，在粒度隨深度變化的機(jī)理、粒度分布和粒度特征，以及石英粒度與沉積物粒度二者在反映紅土沉積動(dòng)力與沉積環(huán)境的鑒別上作用顯著，對(duì)于古氣候與古環(huán)境指示具有重要意義。在第四紀(jì)研究中，眾多學(xué)者采用粒徑分級(jí)法和粒度參數(shù)法對(duì)沉積物的粒度特征進(jìn)行探討[13-16]，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合樣品的中值粒徑和眾數(shù)粒徑進(jìn)一步展開描述，具備了更加豐富的對(duì)比和參考價(jià)值。

3.1 粒度組成

鑒于紅土自身強(qiáng)風(fēng)化的特性，特別引入10～50 μm“風(fēng)塵基本粒組”作為粒度分級(jí)的主要參考標(biāo)準(zhǔn)[17]，故引入了劉東生等所使用的粒徑分級(jí)法[18]，將粒度組成分為4類，分別為黏粒(<5 μm)、細(xì)粉砂(5～10 μm)、粗粉砂(10～50 μm)、砂礫(>50 μm)。由表1和圖2可以看出，石英顆粒的均值粒徑含量只有粗粉砂部分隨著剖面高度的不斷增加而上升，而在黏粒、細(xì)粉砂和砂礫中則呈現(xiàn)穩(wěn)步減小的趨勢(shì)，在風(fēng)塵基本粒徑含量最低的強(qiáng)網(wǎng)紋紅土層中，其最小比重也達(dá)到了48.03%，而均值粒徑則達(dá)到了55.87%，說明了郎溪剖面石英顆粒的粒度組分中，10～50 μm“風(fēng)塵基本粒組”是其沉積物質(zhì)的主體，在下蜀黃土層中達(dá)到了最高值76.23%。反觀沉積物的均值粒徑組成，在P1、P2、P3構(gòu)成的由紅土為主要沉積物質(zhì)的剖面中，黏粒組分比重逐漸增大，砂礫組分比重逐漸減小，而細(xì)粉砂和粗粉砂的比重在不同層組中的變化程度很小，基本保持穩(wěn)定，分別在17%～18%和39%上下，粗粉砂仍然占據(jù)著最高比重，分布范圍在31.92%～50.34%，而黏粒組分的分布范圍則在18.10%～48.76%，成為紅土沉積物物質(zhì)組分的次要來(lái)源。與前者不同的是，在P4下蜀黃土層中，沉積物的均值粒徑變化與P1～P3層組沒有顯著相關(guān)性，粗粉砂的平均比重達(dá)到47.25%，黏粒次之，也體現(xiàn)了風(fēng)塵基本粒徑在該層組中的貢獻(xiàn)。由此可得，在郎溪剖面的粒度基本組成中，石英和沉積物均可佐證風(fēng)塵基本粒組在物質(zhì)組分中的主體地位，但二者貢獻(xiàn)度具有顯著差別，石英中的貢獻(xiàn)度達(dá)到了48.03%～76.23%，而沉積物中的貢獻(xiàn)度則僅有31.92%～54.47%；此外，在黏粒組分中，隨著剖面高度增加，石英粒度總體呈現(xiàn)減小態(tài)勢(shì)，且分布范圍在5.31%～25.15%，而沉積物粒度則總體呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)，分布范圍在18.10%～48.76%，二者不僅在含量上具有截然不同的占比，而且隨時(shí)間序列的變化態(tài)勢(shì)也具有顯著性差異；再次，沉積物粒度在不同層組規(guī)律變化的不同與石英粒度形成了可視化對(duì)比，揭示了其可能的形成原因以及相同沉積動(dòng)力影響下的差異性。

表1 石英粒度組成與沉積物粒度組成的特征值

圖2 石英粒度組成與沉積物粒度組成的剖面變化

3.2 粒度中值粒徑與眾數(shù)粒徑

粒度中值粒徑對(duì)應(yīng)粒度累積頻率曲線上含量達(dá)到50%時(shí)的粒徑，在鑒別沉積動(dòng)力上具備一定參考價(jià)值[19]；而粒度眾數(shù)粒徑則在混合物質(zhì)組分的研究中較為有效，可以間接反映樣品的沉積環(huán)境[20]。通過表2和圖3對(duì)比二者中值粒徑可以看出，石英中值粒徑偏大，分布范圍在10.71～17.62 μm，總體上均大于沉積物中值粒徑；細(xì)看則發(fā)現(xiàn)隨著剖面高度不斷增加，石英中值粒徑呈現(xiàn)緩慢遞增的態(tài)勢(shì)，而沉積物中值粒徑則在加積型紅土中不斷變細(xì)[21]，在P4層中值粒徑的平均含量達(dá)到了整個(gè)剖面最高值13.85 μm，但仍不及P4層的石英中值粒徑，這與上述的研究結(jié)論較為相似。在眾數(shù)粒徑對(duì)比中，二者差異較小，主要印證了在同一沉積環(huán)境和沉積動(dòng)力的影響下，二者峰值粒徑的分布呈現(xiàn)出較為明顯的一致性，反映了眾數(shù)粒徑在眾多參照指標(biāo)中相關(guān)度最為明顯，并能進(jìn)行很好的驗(yàn)證；細(xì)觀二者眾數(shù)粒徑分布不難發(fā)現(xiàn)，眾數(shù)粒徑分布區(qū)間較小，石英為12.99～18.86 μm，沉積物為12.99～17.18 μm，總體而言依舊呈現(xiàn)出石英粒徑較大的趨勢(shì)。

3.3 粒度參數(shù)

不同粒度參數(shù)可以從不同角度對(duì)物質(zhì)的沉積條件和粒度特征做出鑒定，采用Folk等的粒度參數(shù)法[22]，使用平均粒徑(Mz)、分選系數(shù)(Sd)、偏度(Sk)和峰態(tài)(Kg)這4種粒度參數(shù)對(duì)石英和沉積物樣品進(jìn)行了描述，計(jì)算公式為

Mz=1/3(Φ16+Φ50+Φ84)

(1)

表2 石英粒度與沉積物粒度中值粒徑與眾數(shù)粒徑的特征值

圖3 石英粒度與沉積物粒度中值粒徑與眾數(shù)粒徑的剖面變化

Sd=1/4(Φ84-Φ16)+5/33(Φ95-Φ5)

(2)

Sk=1/2(Φ84-Φ16)(Φ16+Φ84-2Φ50)+

1/2(Φ95-Φ5)(Φ5+Φ95-2Φ50)

(3)

Kg=25/61(Φ75-Φ25)(Φ95-Φ5)

(4)

式中，Φ=log2D，D為顆粒直徑。

觀察表3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，石英平均粒徑明顯高于沉積物平均粒徑，石英平均粒徑變化范圍為3.33Φ～4.13Φ，隨著剖面高度增加而緩慢遞增，而沉積物平均粒徑變化范圍為2.18Φ～3.98Φ，在加積型紅土層中隨著剖面高度增加而減少，而在下蜀黃土層組中平均粒徑達(dá)到了整個(gè)剖面的最高值3.26Φ，反映出與10～50 μm粗粉砂的粒度組成、粒度中值粒徑近乎相同的變化趨勢(shì)，說明了具有主導(dǎo)作用的粒度組分能夠更大程度地鑒別不同粒度參數(shù)的實(shí)際意義。而在引入中值粒徑后發(fā)現(xiàn)，雖然在粒度頻率曲線中央點(diǎn)數(shù)值的計(jì)算精度略遜于平均粒徑，但依然具有參考價(jià)值。對(duì)比二者分選系數(shù)得知，石英粒度分選系數(shù)明顯優(yōu)于沉積物，其分選性在1.95～2.90，總體呈現(xiàn)較好的分選；而沉積物粒度的分選性在3.39～5.22，總體呈現(xiàn)較差的分選。二者隨剖面高度增加，分選性都呈現(xiàn)逐漸變好的趨勢(shì)，反映了下蜀黃土形成時(shí)期的沉積作用明顯增強(qiáng)，而結(jié)合加積型紅土形成時(shí)期多網(wǎng)紋發(fā)育的特征，初步推斷這可能是由于紅土的強(qiáng)風(fēng)化性使得原生土體中大量信息流失所致的[23-25]。觀察二者偏度，石英粒度偏度范圍在-0.18～0.14，大多為近對(duì)稱型分布，而反觀沉積物粒度偏度范圍是在-0.32～-0.04，大多為負(fù)偏型分布；在各個(gè)層組上，石英和沉積物的偏度均值都隨著剖面高度的上升而減少，即粒度頻率曲線從近對(duì)稱態(tài)逐漸轉(zhuǎn)向負(fù)偏態(tài)。石英粒度峰態(tài)總體在0.92～1.42波動(dòng)，而沉積物粒度峰態(tài)則在0.87～1.35波動(dòng)，石英峰態(tài)略高于沉積物峰態(tài)，且在除去沉積物粒度峰態(tài)在下蜀黃土層組中出現(xiàn)的高值以外，其他層組上二者都呈現(xiàn)峰態(tài)逐步下降的趨勢(shì)，峰態(tài)隨剖面高度不斷增高，峰形變趨于平緩?？傮w而言，石英粒度峰態(tài)較沉積物粒度峰態(tài)尖銳，表明了單一物質(zhì)對(duì)沉積動(dòng)力組分的鑒別度較高，而混合類物質(zhì)對(duì)沉積動(dòng)力組分的還原性較好，二者雖有一定差距但都能做出合理解釋。

表3 石英粒度參數(shù)與沉積物粒度參數(shù)的特征值

圖4 石英粒度參數(shù)與沉積物粒度參數(shù)的剖面變化

綜上，反觀石英和沉積物粒度在各項(xiàng)粒度參數(shù)指標(biāo)上的異同，可以得出石英粒度平均粒徑偏大，分選性較好，偏度多為近對(duì)稱態(tài)分布，峰態(tài)相對(duì)較尖銳；而沉積物粒度平均粒徑偏小，分選性較差，偏度多為負(fù)偏態(tài)分布，峰態(tài)相對(duì)較平緩。且在分選系數(shù)、偏度和峰態(tài)上，二者隨剖面高度的變化趨勢(shì)近乎一致，總體都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；而在平均粒徑組成上，二者則存在較大差異，石英平均粒徑隨著剖面高度上升而增加，而沉積物平均粒徑則恰恰相反；此外，沉積物粒度參數(shù)僅在P4下蜀黃土層的平均粒徑和峰態(tài)均值中出現(xiàn)與整體規(guī)律較為不一致的最大值，其具體形成原因還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論與意義

通過對(duì)粒度組成進(jìn)行分類以及對(duì)多種粒度參數(shù)進(jìn)行比較，已經(jīng)初步觀察出石英粒度與沉積物粒度二者之間既有密不可分的聯(lián)系，也存在一定程度的差別?，F(xiàn)通過粒度頻率曲線和累積頻率曲線、粒度端元分解等方法可以對(duì)二者異同做出合理解釋，對(duì)探討郎溪剖面形成時(shí)期古環(huán)境與氣候演變、沉積動(dòng)力組分變化與不同沉積環(huán)境鑒別有著明確的指示意義[26-28]。

4.1 粒度頻率曲線與累積頻率曲線

引入粒度頻率曲線主要可以觀察出各層組剖面主要的粒徑范圍、峰態(tài)、以及眾數(shù)粒徑的分布態(tài)勢(shì)。在P1強(qiáng)網(wǎng)紋紅土層組中(圖5)，石英粒度呈現(xiàn)單峰態(tài)分布，而沉積物粒度則在主峰粒徑處與前者分布相似，但很明顯在30～36 μm處粒徑含量為[0.98,2.89]，相對(duì)鄰近粒徑而言出現(xiàn)了一隱峰，且在粗粒端的砂礫組分中也出現(xiàn)了一個(gè)低矮而緩平的峰，而這一特征在石英粒度中雖有表現(xiàn)但不明顯；觀察二者在P2弱網(wǎng)紋紅土層組中的變化，石英粒度和沉積物粒度在總體上呈現(xiàn)單峰態(tài)，但大致在27～36 μm處都存在一個(gè)隱峰，沉積物粒度隱峰分布較為明顯但分選性不及石英粒度，且二者在粗粒端都存在一個(gè)低平峰，總體而言沉積物粒度分布范圍始端遠(yuǎn)小于石英粒度，而在終端粒徑結(jié)點(diǎn)處卻大致相同；在P3均質(zhì)紅土層中，二者依然在30～36 μm粒徑處存在一隱峰，相比較發(fā)現(xiàn)沉積物粒度在0.18～3.21 μm處分選性要明顯差于對(duì)應(yīng)粒徑區(qū)間的石英粒度，說明了沉積物作為一種混合物質(zhì)來(lái)源較石英單一礦物，由于在均質(zhì)紅土層形成過程中曾歷經(jīng)不同強(qiáng)度的風(fēng)化，導(dǎo)致保留在紅土層中的長(zhǎng)石、鐵鎂礦物等在沉積過程中受到了不同程度的改造作用，使得同一時(shí)期在同一搬運(yùn)動(dòng)力和沉積環(huán)境下形成的不同礦物組分已經(jīng)不能完全準(zhǔn)確地恢復(fù)沉積時(shí)期沉積物的原始粒度信息，所以呈現(xiàn)出粒徑含量波動(dòng)明顯的特征[29-32]；在P4下蜀黃土層組中，大致特征與前三層基本相似，但仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，該層的沉積物粒度分選性要明顯好于前三層，主要表現(xiàn)在0.24～5.11 μm細(xì)粒端黏粒組分含量的波動(dòng)范圍大大縮小為[0.27,1.74],且在主峰粒徑和隱峰粒徑處對(duì)應(yīng)的粒徑范圍也大大縮小，反映了每個(gè)沉積物粒度樣品之間的沉積環(huán)境差異受到其他干擾因素的來(lái)源減少，增加了沉積物粒度判別的準(zhǔn)確性，而這正是由于下蜀黃土層組與加積型紅土的形成環(huán)境不同所導(dǎo)致的，依據(jù)前人的研究結(jié)論可以大致推斷出下蜀黃土形成時(shí)期化學(xué)風(fēng)化較弱，而加積型紅土形成時(shí)期粒徑偏細(xì)且風(fēng)化作用強(qiáng)，水熱條件的充沛與搬運(yùn)動(dòng)力的混合導(dǎo)致了沉積環(huán)境的復(fù)雜性[33]，體現(xiàn)在粒度頻率曲線上與黃土產(chǎn)生了較大差別，這一點(diǎn)也恰好能夠解釋前面研究所發(fā)現(xiàn)的P4下蜀黃土層中曾出現(xiàn)與P1～P3層組分布規(guī)律明顯不一致的現(xiàn)象。

圖5 P1～P4層組石英粒度頻率曲線與沉積物粒度頻率曲線

圖6 石英粒度累積頻率曲線與沉積物粒度累積頻率曲線

粒度累積頻率曲線可以較易觀察出粒徑分布的優(yōu)勢(shì)區(qū)間、分選性，以及搬運(yùn)粒度組分[34]。通過二者對(duì)比不難看出(圖6)，石英粒度和沉積物粒度的累積頻率曲線在整體分布上具有相似性，可將其劃分為<50 μm長(zhǎng)距離搬運(yùn)的懸浮組分以及>50 μm短距離搬運(yùn)的跳躍組分。依據(jù)曲線斜率劃分，二者在10～50 μm“風(fēng)塵基本粒徑”段粒徑累積含量較<10 μm和>50 μm段斜率明顯增大，甚至某些區(qū)間接近90°，反映了粗粉砂是粒徑分布的優(yōu)勢(shì)區(qū)間，也是主要的粒度組成物質(zhì)；沉積物粒度在同一累積含量上，粒徑分布區(qū)間明顯大于石英粒度，反映了其分選性較石英粒度差；石英粒度懸浮組分總體占有86.92%～99.82%，而跳躍組分僅占有0.18%～13.08%；而沉積物粒度的懸浮組分占有80.44%～99.78%，跳躍組分則僅有0.22%～19.56%，二者共同揭示遠(yuǎn)距離粉塵搬運(yùn)的懸浮物質(zhì)占據(jù)了主導(dǎo)，可能由于盛冰期冬季風(fēng)的顯著增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致西北干旱地區(qū)沙塵天氣增多，許多介于5～10 μm之間的細(xì)粉砂物質(zhì)歷經(jīng)強(qiáng)勁冬季風(fēng)的空中搬運(yùn)，在長(zhǎng)江中下游地區(qū)動(dòng)力減弱后沉積[35-36]；而形成于10～50 μm的粗粉砂物質(zhì)則通常被認(rèn)為是進(jìn)行了近距離風(fēng)塵沉積的搬運(yùn)作用[37-38]，這一粒徑區(qū)間只能歷經(jīng)幾百公里的風(fēng)力搬運(yùn)，所以在季風(fēng)控制下的風(fēng)向路徑中，排除在此搬運(yùn)距離之外的黃土高原地區(qū)也只能歸功于長(zhǎng)江中下游的河漫灘地區(qū)，而郎溪地區(qū)恰好位于冬季風(fēng)吹拂長(zhǎng)江后的下風(fēng)向上，所以粗粉砂來(lái)源很有可能是盛冰期時(shí)長(zhǎng)江河漫灘近乎裸露的條件下，近距離風(fēng)力搬運(yùn)形成的[39]。另一方面，跳躍組分含量很低，而這一組分通常被認(rèn)為是在近距離物質(zhì)遷移中形成的[40]。與上述不同的是，>50 μm的砂礫物質(zhì)粒徑偏大，進(jìn)而不會(huì)被認(rèn)為是冬季風(fēng)吹拂河漫灘物質(zhì)所形成的二次沉積組分，而是在間冰期相對(duì)溫暖濕潤(rùn)的氣候環(huán)境下，經(jīng)夏季風(fēng)搬運(yùn)而成[41-42]。結(jié)合郎溪地區(qū)東南方向的水系圖和地形圖可推斷，跳躍組分的沉積物質(zhì)很有可能來(lái)源于江南丘陵和浙閩丘陵一帶，由于搬運(yùn)距離較短且在剖面形成的不同時(shí)期歷經(jīng)風(fēng)化強(qiáng)弱的不同，進(jìn)而導(dǎo)致沉積速率也不同，而后經(jīng)過不同程度的成壤改造作用，所以呈現(xiàn)出最粗粒端粒徑區(qū)間較大且含量分布較不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

4.2 粒度端元分解與指示意義

由于物質(zhì)組成和來(lái)源的復(fù)雜性，通過上述研究尚不能對(duì)剖面整體形成時(shí)期的沉積動(dòng)力和環(huán)境意義做出明確推斷，因此在結(jié)合前人研究成果的基礎(chǔ)上，引入了Weltje提出的粒度端元分解法來(lái)作為研究的基本方法之一[43]。該方法相對(duì)其他數(shù)學(xué)方法而言，其優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)?fù)雜搬運(yùn)動(dòng)力來(lái)源的粒度組分進(jìn)行很好的分離，從而通過對(duì)單一搬運(yùn)動(dòng)力的粒度組分分析，來(lái)解決傳統(tǒng)粒度分析方法在復(fù)雜物質(zhì)沉積環(huán)境判別中的模糊性問題[44]。在MATLAB軟件中運(yùn)行AnalySize工具箱，在綜合運(yùn)用了Non-Parametic End Members非參數(shù)化端元分解法和Lognormal、Weibull、Gen.Weibull、SGG這4種Parametic End Members參數(shù)化端元分解法之后，并結(jié)合郎溪剖面自身特征與適用性，綜合選取了SGG偏斜廣義高斯參數(shù)化端元分解法作為粒度端元分解的基本方法(圖7)。選取依據(jù)主要為擬合數(shù)據(jù)集相關(guān)系數(shù)R2>0.99，對(duì)粒度原始數(shù)據(jù)擬合效果好；各端元間相關(guān)性EMR2<0.3，各端元相互獨(dú)立，不會(huì)存在過度擬合；角度差<7°，分解后的端元曲線能夠?qū)υ剂６阮l率曲線進(jìn)行可接受范圍內(nèi)的誤差分離[45]。所以綜合上述條件和在同等條件下端元數(shù)量選取應(yīng)少盡少的原則，最終將原始粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行了4個(gè)端元的分解，分解結(jié)果如下。

圖7 石英粒度與沉積物粒度SSG端元分解的相關(guān)系數(shù)與角度差

圖8 石英粒度與沉積物粒度4個(gè)端元分解

可以看出，整體而言4個(gè)端元雖然在粒徑范圍存在明顯交集，但4個(gè)特征峰的分布態(tài)勢(shì)十分明顯且排列有序，通過對(duì)應(yīng)每個(gè)端元曲線的眾數(shù)粒徑在原始粒度數(shù)據(jù)中求得每個(gè)樣品的平均值可知，石英粒度經(jīng)過4個(gè)端元分解后，EM1含量占有19.39%，EM2占有48.41%，EM3占有28.89%，EM4占有3.31%；將沉積物粒度經(jīng)過4個(gè)端元分解，得到EM1含量占有19.34%，EM2占有45.91%，EM3占有27.02%，EM4占有7.73%。觀察圖8，不難發(fā)現(xiàn)，4個(gè)端元曲線的起始點(diǎn)有著明顯不同，主要表現(xiàn)為沉積物粒度的EM1和EM2分布著較多的超細(xì)粒組分，這可能與不穩(wěn)定礦物在沉積過程中曾遭遇強(qiáng)風(fēng)化作用有關(guān)；二者4個(gè)特征峰雖然在峰形上存在一定差異，但究其平均含量后發(fā)現(xiàn)，整體呈現(xiàn)同一規(guī)律，即EM2組分在沉積過程中占主導(dǎo)，含量在45%以上，而EM2對(duì)應(yīng)粒徑區(qū)間大部分屬于5～10 μm的細(xì)粉砂，通常認(rèn)為是來(lái)自幾千米的高空懸浮顆粒物在經(jīng)過長(zhǎng)距離風(fēng)力搬運(yùn)后自然沉積而成，故很有可能來(lái)源于盛冰期時(shí)強(qiáng)勁冬季風(fēng)挾帶的北方黃土[46]；EM3組分次之，含量在27%以上，而EM3對(duì)應(yīng)粒徑區(qū)間大部分屬于10～50 μm的粗粉砂，通常認(rèn)為是在中等風(fēng)暴條件下進(jìn)行近距離搬運(yùn)后形成的，而結(jié)合“風(fēng)塵基本粒組”的形成背景可知，這一組分很有可能來(lái)源于距離郎溪地區(qū)較近的長(zhǎng)江河漫灘沉積物，在冰期河漫灘物質(zhì)顯露地表，經(jīng)冬季風(fēng)二次搬運(yùn)后在此處沉積形成[47]；含量再次的是EM1組分，整體在19%以上，粒徑區(qū)間大部分位于<5 μm的黏粒且眾數(shù)粒徑<5 μm，通常認(rèn)為是沉積物在自然成壤作用下形成的，這種作用常常伴隨著黏土礦物的生成，歷經(jīng)成壤改造作用后形成黏粒[48-49]；而含量最低的EM4組分，整體在3%以上，粒徑區(qū)間大部分位于>50 μm的砂礫且眾數(shù)粒徑>50 μm，通常認(rèn)為是躍移組分在歷經(jīng)近距離搬運(yùn)后沉積形成，不過這種沉積動(dòng)力與EM3大不相同，主要體現(xiàn)在更粗粒物質(zhì)受到間冰期氣候較溫暖時(shí)期的夏季風(fēng)從郎溪地區(qū)東南方向丘陵地帶經(jīng)地形作用逐漸搬運(yùn)至地勢(shì)較平坦處形成，通過該部分也能較清晰得知剖面形成時(shí)期水熱條件的變化[50]。

5 總結(jié)

通過在郎溪剖面全樣中提取石英礦物與原始沉積物粒度組分做對(duì)比，在充分論述二者具有相同指示性的同時(shí)，也闡明了二者各自特征的不同和應(yīng)用性的差異，對(duì)于驗(yàn)證郎溪剖面形成時(shí)期的沉積動(dòng)力和沉積環(huán)境、以及恢復(fù)古環(huán)境影響下的氣候信息具有更為豐富的參考價(jià)值。在對(duì)石英粒度和沉積物粒度二者在粒度組成上的對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，粉砂類物質(zhì)含量最高，黏粒組分上沉積物明顯大于石英，砂礫含量最少；在對(duì)石英粒度和沉積物粒度二者在中值粒徑和眾數(shù)粒徑上的對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，沉積物中值粒徑明顯小于石英，而二者眾數(shù)粒徑相差甚??；在對(duì)石英粒度和沉積物粒度二者在粒度參數(shù)上的對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，石英平均粒徑大于沉積物，石英分選系數(shù)優(yōu)于沉積物，石英偏度呈現(xiàn)近對(duì)稱分布，而沉積物偏度呈現(xiàn)負(fù)偏分布，石英峰態(tài)比沉積物更加尖銳。種種跡象表明，二者在不同粒度特征屬性的應(yīng)用中各有千秋，尚不能通過對(duì)單一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)好壞來(lái)評(píng)述石英粒度與沉積物粒度二者的優(yōu)劣。鑒于此，本文引入粒度頻率曲線說明了紅土沉積物形成時(shí)期曾遭受強(qiáng)風(fēng)化作用，搬運(yùn)動(dòng)力較為復(fù)雜，物質(zhì)來(lái)源未能明確鑒定的現(xiàn)象；引入累積頻率曲線初步斷定了粉砂類和砂礫組分的可能搬運(yùn)因子，并結(jié)合各粒度特征時(shí)間序列可以印證郎溪剖面形成時(shí)期氣候波動(dòng)的旋回性變化；引入粒度端元分解法最終驗(yàn)證了黏粒形成可能來(lái)源于自然成壤改造，細(xì)粉砂形成可能來(lái)源于盛冰期時(shí)期冬季風(fēng)遠(yuǎn)距離搬運(yùn)的沙漠黃土物質(zhì)，粗粉砂形成可能來(lái)源于盛冰期時(shí)期冬季風(fēng)近距離搬運(yùn)的河漫灘物質(zhì)，而砂礫形成則可能來(lái)源于間冰期時(shí)期夏季風(fēng)近距離搬運(yùn)的躍移粗粒組分。通過對(duì)石英粒度和沉積物粒度二者相同的環(huán)境指示意義證明了郎溪剖面形成時(shí)期曾經(jīng)歷過多種搬運(yùn)動(dòng)力的綜合影響，沉積環(huán)境較為復(fù)雜。

研究中也存在明顯的不足，首先，單一粒度指標(biāo)對(duì)比尚不能對(duì)郎溪剖面的物質(zhì)來(lái)源做出較為精準(zhǔn)的回應(yīng)，今后還需引入諸如地球化學(xué)元素指標(biāo)CIA化學(xué)蝕變參數(shù)、相關(guān)常量元素與微量元素加以佐證[51]；其次，缺乏年代數(shù)據(jù)的支撐，不能精確定年，從而定量化地分析高分辨率氣候背景下的旋回波動(dòng)狀況[52]；再次，對(duì)于全樣中穩(wěn)定礦物石英的提取，在分析粒度特征的同時(shí)尚未對(duì)其表明形態(tài)特征做出觀察，進(jìn)而沒能形成更好的參照[53]；最后，單一地區(qū)剖面粒度數(shù)據(jù)所能反映的特征尚且匱乏，亟須通過將不同地區(qū)樣品粒度做出綜合對(duì)比與分析，才能更大程度地恢復(fù)和討論不同時(shí)空尺度下的環(huán)境變化意義[54]。