美國(guó)Bryce峽谷Claron組粒度端元指示的風(fēng)塵沉積及意義

周聲芳　劉秀銘　毛學(xué)剛　邢行　連悅辰

關(guān)鍵詞 粒度端元；風(fēng)塵沉積；Claron組；粒度分布

第一作者簡(jiǎn)介 周聲芳，女，1996年出生，碩士研究生，第四紀(jì)與全球變化，E-mail： zsf199606@163.com通信作者 劉秀銘，男，教授，E-mail： xliu@fjnu.edu.cn

中圖分類號(hào) P512.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

古新世—始新世是地質(zhì)歷史中全球顯著增溫的時(shí)期[1]，對(duì)于當(dāng)前全球氣候變化研究具有一定借鑒意義[2]。美國(guó)猶他州西南部廣泛分布了一套以紅色為主、灰白次之的地層，其地質(zhì)年代可追溯到古新世—始新世這一時(shí)期[3?5]，是研究該時(shí)期氣候環(huán)境變化的優(yōu)質(zhì)材料。已有地質(zhì)考察結(jié)果顯示，該地層主要為湖相石灰?guī)r[6]，含部分碎屑巖石[7]，結(jié)合石灰?guī)r中含有介形類、腹足類化石以及藻類碎屑[8?9]，地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為在這一時(shí)期該地區(qū)發(fā)育了巨大的湖泊[3?9]。而我們對(duì)其中的Bryce峽谷國(guó)家公園進(jìn)行野外實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，Claron組大部分地層以粉砂粒級(jí)為主，部分層位（尤其是底部褐紅色層）發(fā)育連續(xù)的、均質(zhì)紅色古土壤，表現(xiàn)出風(fēng)塵沉積的特征[10]。過去，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為該地層為河湖相沉積地層，但是地層中大部分層位呈現(xiàn)出風(fēng)塵沉積的特征，與湖泊沉積特征相差甚遠(yuǎn)。于是探討地層中是否存在風(fēng)塵沉積，可以幫助理解以下兩點(diǎn)問題：發(fā)育均質(zhì)紅色古土壤的地層，若為湖泊沉積應(yīng)為什么類型的湖泊？若非湖泊沉積，應(yīng)屬于什么沉積類型？幾十年中國(guó)黃土“風(fēng)成”、“水成”之爭(zhēng)表明，對(duì)古老地層沉積環(huán)境的認(rèn)識(shí)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，對(duì)年代更為久遠(yuǎn)的Claron組的認(rèn)識(shí)也應(yīng)該是一個(gè)逐步推進(jìn)的過程。鑒別地層中的風(fēng)塵沉積有助于更深層次地認(rèn)識(shí)其沉積環(huán)境，提取該時(shí)期所對(duì)應(yīng)的更詳細(xì)的沉積環(huán)境和古氣候信息。

沉積物粒度特征提供了關(guān)于沉積學(xué)起源的信息[11?12]，被廣泛用于黃土沉積物的物源[13]、古氣候研究[14?15]，并取得了顯著成果。沉積物頻率分布曲線是粒度分布的直觀體現(xiàn)，不同沉積動(dòng)力具有顯著的分選差異，形成具備自身特性的形態(tài)特征[16]。自然界中大部分沉積物是受一種或多種搬運(yùn)方式和搬運(yùn)動(dòng)力綜合作用的，具有多組分、多模態(tài)的粒度分布特征[17]，對(duì)粒度分布進(jìn)行簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)分析難以反映多元沉積物的復(fù)雜性[18]。因此，應(yīng)用端元分析進(jìn)行粒度分解后，不同粒度端元代表不同的搬運(yùn)、沉積機(jī)制和源區(qū)，可以提取被我們忽略的更多細(xì)節(jié)信息。近年來，應(yīng)用不同平臺(tái)如Excel、Visual Basic、Matlab以及R語(yǔ)言進(jìn)行粒度頻率分布曲線分解的模型逐漸成熟。參數(shù)法和非參數(shù)法是目前粒度分解最主要的兩種方法，二者的顯著區(qū)別體現(xiàn)在前者認(rèn)為當(dāng)搬運(yùn)介質(zhì)和搬運(yùn)方式一定，且搬運(yùn)動(dòng)力比較穩(wěn)定時(shí)，沉積物呈現(xiàn)由單因子控制的單組分分布[19?20]；而后者認(rèn)為不同物源、搬運(yùn)動(dòng)力和搬運(yùn)方式的組合，應(yīng)該具有不同的分選特征，所以將每個(gè)端元本身視為由不同混合和分選過程所影響的初始模態(tài)進(jìn)行分析[21]。因此，非參數(shù)法是基于一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，相比之下更具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義和物理意義。在這一前提下，相繼出現(xiàn)了一系列非參數(shù)算法，例如DRS-unmixer[22]，EMMAgeo[23]，AnalySize[24]和BEMMA[25]。van Hateren et al.[26]對(duì)這一系列端元分析模型進(jìn)行評(píng)估的結(jié)果表明，使用AnalySize 進(jìn)行擬合的粒度端元結(jié)果更精確、可靠。因此，本文以Bryce峽谷Claron組為研究對(duì)象，考慮到地層沉積物組成的復(fù)雜性，采用AnalySize[24]非參數(shù)粒度端元分析進(jìn)行粒度分布組分分解，同時(shí)分析不同端元的沉積學(xué)指示意義并且識(shí)別地層中的風(fēng)塵沉積組分，進(jìn)而對(duì)地層沉積環(huán)境進(jìn)行更系統(tǒng)地探討。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

Bryce峽谷國(guó)家公園位于美國(guó)猶他州龐沙岡特（Paunsaugunt）高原東部（圖1a）。該區(qū)域現(xiàn)代氣候類型為大陸性氣候，氣候年際變化大，雨季集中在7—8月，年降雨量介于380～460 mm。古近紀(jì)（約70～50Ma前）拉拉米造山運(yùn)動(dòng)曾影響整個(gè)北美洲，此間落基山脈隆起[27]，伴隨著白堊紀(jì)海陸逐漸縮小至最終關(guān)閉[28]，并且發(fā)育了許多山間破碎前陸盆地[29]。距今63～40 Ma前（古新世—始新世），沉積物堆積于前陸盆地中，形成五顏六色的Claron組[27]。該地層由較柔軟的巖石組成，故容易受侵蝕作用影響，沉積后遭受科羅拉多河支流帕里亞河（Paria）溯源侵蝕，在龐沙岡特（Paunsaugunt）高原東部懸崖上雕刻出一系列獨(dú)立的奇形巖石（Hoodoos），這些巖石整齊排列形成類似巖石環(huán)形劇場(chǎng)的地貌景觀（圖2a），構(gòu)成了如今的Bryce峽谷國(guó)家公園。Claron組是峽谷內(nèi)出露最廣的地層，與下伏于上白堊統(tǒng)Wahweap組地層不整合接觸[30]，地質(zhì)學(xué)者基于顏色將其劃分為上部白色石灰?guī)r和下部粉紅色石灰?guī)r[31]（圖1b）。粉紅色石灰?guī)r呈現(xiàn)深—淺不同的紅色變化，其間夾雜灰白色薄層（圖2a），沉積厚度為152～213 m；白色石灰?guī)r主要分布在Sunset點(diǎn)以南，厚度約91 m[6]。

1.2 樣品采集

已有研究認(rèn)為該地層為河湖相沉積地層，野外考察發(fā)現(xiàn)地層紅色層中存在連續(xù)發(fā)育的古土壤，古土壤質(zhì)地比較均一，置于指間有粉砂感，滴鹽酸后殘留肉眼可見的粉砂顆粒，疑似風(fēng)塵沉積。為了更細(xì)致地了解地層的沉積環(huán)境，選擇峽谷內(nèi)的Sunrise點(diǎn)（37°37′42″ N，112°09′46″ W）及其以南的Sunset點(diǎn)（37°37′21″ N，112°09′57″ W）進(jìn)行考察和采樣（圖1）。樣品主要按照土壤發(fā)生層次和不同顏色層進(jìn)行采集。采樣首先從Sunrise頂部的灰白色層開始，所采樣品均按自上而下編號(hào)?；野咨珜雍窦s18 m，其中可見淺褐色層（圖2b），采集樣品B1～B5。往下可見3～4 m連續(xù)發(fā)育的紅色古土壤層（圖2c），其間鈣結(jié)核不規(guī)則發(fā)育但總體上成層分布形成鈣積層（Bk）。鈣積層之上通常發(fā)育黏化層（Bt），呈均勻黏土質(zhì)地且發(fā)育黏粒膠膜，鈣積層與鹽酸劇烈反應(yīng)后殘余大量粉砂顆粒，而黏化層與鹽酸基本不反應(yīng)。于是在該層采集樣品B6～B9。繼續(xù)向下可見紅色層中發(fā)育彩色花斑狀網(wǎng)紋和植物根跡（圖2d），以及上述黏化層和鈣積層，于是采集樣品B10～B25，其中B22來自紅色層中夾雜的灰白色薄層。在接近地層底部發(fā)現(xiàn)了一層厚度大于1 m的褐紅色古土壤層（圖2e），該層上部為黏化層，發(fā)育灰白色斑點(diǎn)和淺色淋溶帶（圖2f），下部為顏色稍淺的鈣積層，在該層采集樣品B26～B29。B30～B34來自其下部紅色稍淺的層。Sunset點(diǎn)主要針對(duì)谷底褐紅色層進(jìn)行采樣，樣品編號(hào)BS1～BS18，采樣位置與Sunrise 點(diǎn)褐紅色層大致平行。相較于Sunrise點(diǎn)，Sunset點(diǎn)的褐紅色層淺色網(wǎng)紋更為發(fā)育。兩個(gè)采樣點(diǎn)共采集樣品52塊，根據(jù)采樣時(shí)巖性和古土壤發(fā)育層次，將巖性柱與古土壤發(fā)生層的關(guān)系呈現(xiàn)在圖2中；同時(shí)與孟塞爾比色卡進(jìn)行比對(duì)獲得樣品的色調(diào)、明度和色度。采樣層位更詳細(xì)的信息見圖2。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

樣品進(jìn)行自然風(fēng)干后稱取0.3～2 g原樣（根據(jù)樣品的遮光度，灰白色樣品～2 g，褐紅色樣品0.3～0.5 g）放至燒杯中。先加入10 mL 濃度為15% 的過氧化氫，放至加熱板上加熱直至完全去除樣品中的有機(jī)質(zhì)。再加入10 mL濃度為10%的稀鹽酸去除樣品中的碳酸鹽。最后將樣品靜置12 h，抽取上層液，重復(fù)這一步驟直至樣品呈中性即可上機(jī)測(cè)量。粒度測(cè)試使用英國(guó)Marvern 公司的Mastersizer2000 激光粒度儀，測(cè)量范圍為0.02～2 000 μm，重復(fù)測(cè)試誤差低于1%。粒度分布端元分析在Matlab 中通過AnalySize程序進(jìn)行，對(duì)該地層樣品的粒度數(shù)據(jù)執(zhí)行非參數(shù)化端元分析。端元粒度分布統(tǒng)計(jì)分析使用GRADISTAT 4.0[32]。石英顆粒表面結(jié)構(gòu)特征主要使用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，石英顆粒提取采用焦硫酸鉀—氟硅酸浸泡法[33]，前處理步驟參考文獻(xiàn)[34]，提取的石英顆粒用導(dǎo)電碳膠帶固定并鍍金后置于掃描電子顯微鏡下觀察。

2 結(jié)果

2.1 基于端元模型的粒度分布

在使用AnalySize進(jìn)行非參數(shù)化端元分析時(shí)，線性相關(guān)性（R2）越高，角度偏差越小，非參數(shù)化粒度端元與粒度分布曲線的擬合程度越好[35]。擬合結(jié)果（圖3）顯示，當(dāng)端元數(shù)為4時(shí)，R2為0.976（大于0.9），但是角度偏差遠(yuǎn)大于5；當(dāng)端元數(shù)為5 時(shí)，R2 已經(jīng)達(dá)到0.986，但角度偏差仍大于5；當(dāng)端元數(shù)為6時(shí)，R2 為0.994，角度偏差為3.37（小于5），此時(shí)端元相關(guān)性為0.311。本著端元最少、擬合效果最佳的原則，這里將端元數(shù)確定為6個(gè)。在進(jìn)行端元分析時(shí)，不同的算法可能產(chǎn)生不同的結(jié)果，為了使端元分析結(jié)果更加可靠，本文同時(shí)運(yùn)用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的端元分析模型（Neural Network Based End-Member Modeling Analysis，NNEMMA）進(jìn)行驗(yàn)證[36]，發(fā)現(xiàn)二者的擬合結(jié)果基本一致（圖4）。

端元分析結(jié)果如圖5所示，端元粒度參數(shù)信息見表1。端元1 呈正偏態(tài)、單峰分布，眾數(shù)粒徑位于0.75 μm（圖5a）；端元2呈單峰對(duì)稱分布，眾數(shù)粒徑位于2.38 μm（圖5b）；端元3呈雙峰對(duì)稱分布、尖峰形態(tài)，第一眾數(shù)粒徑位于5.33 μm，第二眾數(shù)粒徑位于33.63 μm，沉積物分選一般（圖5c）；端元4呈單峰非對(duì)稱分布，眾數(shù)粒徑位于11.93 μm（圖5d）；端元5呈三峰分布，峰高從高到低分別位于21.22 μm、4.23 μm和0.85 μm，且在100～200 μm呈現(xiàn)粗尾（圖5e）；端元6 呈雙峰、負(fù)偏態(tài)，第一眾數(shù)粒徑位于42.34 μm，第二眾數(shù)粒徑位于8.45 μm（圖5f）。

2.2 石英顆粒表面結(jié)構(gòu)特征

Claron組的石英顆粒從棱角狀到次圓狀，表面多發(fā)育蝶形坑、撞擊坑、圓麻點(diǎn)和階梯狀斷口（圖6）。許多石英顆粒表面平坦光滑，為SiO2 在表面形成沉淀[37]；而且在蝶形坑和撞擊坑中多見圓形鼓包凸起（圖6a），呈葡萄狀，為葡萄狀SiO2沉淀[37]。呈鋸齒狀、高度參差不齊且與顆粒表面之間存在一定夾角的翻卷解理薄片[38]在地層中十分常見，邊緣有SiO2溶蝕沉淀加厚（圖6a，b）。

3 討論

3.1 地層風(fēng)塵沉積特征分析

3.1.1 野外沉積特征分析

已有研究認(rèn)為Claron組為河湖相沉積地層[6?9]，但是野外考察結(jié)果表明地層中紅色層具備顯著的風(fēng)塵沉積特征，與河湖相沉積存在較大差異。首先，從沉積物顏色來看，河湖相為水下沉積，與缺氧的還原環(huán)境相對(duì)應(yīng)，灰黑色是其現(xiàn)代沉積物中最常見的顏色，而Bryce峽谷Claron組絕大部分地層呈紅色，且紅色的深—淺和灰白色隨著地層層理/層次變化而整體發(fā)生變化，說明該地層的紅色和灰白色是與地層層理/層次近于同期形成的原生顏色[39]。紅色與赤鐵礦密切相關(guān)[40]，地層呈原生紅色表明紅色層是在地表氧化環(huán)境中形成和保存的。其次，沉積構(gòu)造也是區(qū)分不同類型沉積物比較直觀的特征之一[41]。河湖相沉積與風(fēng)塵沉積在沉積構(gòu)造上存在顯著差別，前者為水下沉積（subaqueous），具備典型的層理或?qū)用鏄?gòu)造[41]；后者為氣下沉積（subaerial），沉積物以粉砂粒級(jí)為主，具備良好的分選性，沉積層理不明顯[42]。Claron組宏觀展示出極好的水平層狀，或許是地質(zhì)學(xué)家認(rèn)定為水中沉積的層理，但是仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，剖面中巖性、粒度和其他結(jié)構(gòu)特征并未呈現(xiàn)顯著變化，而是通過紅顏色的深—淺和灰白色變化來體現(xiàn)層理/層次變化，不同顏色層之間呈現(xiàn)顏色逐漸過渡的特征，顯著區(qū)別于上下層截然變化的層理。盡管宏觀上可見灰白色層、粉紅色層和褐紅色層交替的層次變化，但是剖面上無明顯的層理發(fā)育，也未見泥裂、波痕等流水作用留下的痕跡；沉積物質(zhì)地均一、以粉砂和黏粒為主，垂直節(jié)理發(fā)育且富含碳酸鹽，剖面內(nèi)可見鈣結(jié)核成層分布，沉積特征與典型風(fēng)成黃土、風(fēng)成紅土十分類似[10，42]。另外，地層紅色層具備顯著的加積特征，即沉積與風(fēng)化成土過程幾乎同時(shí)進(jìn)行，這是風(fēng)塵沉積物特有的特征[43]。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是地層中的古土壤在形成時(shí)同時(shí)具有向兩個(gè)方向分異的特征，向下土壤水?dāng)y帶沉積物中的碳酸鹽至一定深度淀積，向上則有母質(zhì)緩慢加入，導(dǎo)致鈣結(jié)核的沉積上限隨著土體的上漲而上漲[10]（圖2c）；二是地層紅顏色隨著層理/層次整體發(fā)生變化，且沉積物質(zhì)地均一、顏色均勻，成土程度基本一致。從更大范圍來看，研究區(qū)Sunrise點(diǎn)和Sunset點(diǎn)兩個(gè)采樣點(diǎn)相距約1 km，但是兩個(gè)點(diǎn)紅色層的顆粒粗細(xì)相近、地層結(jié)構(gòu)相似、沉積速率基本一致、古土壤發(fā)育程度大致相當(dāng)，這一特征也只有風(fēng)塵沉積才能具備[10]。

3.1.2 石英顆粒表面結(jié)構(gòu)特征分析

石英顆粒具備硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，在表生環(huán)境中所受到的各種物理和化學(xué)作用都將不同程度地在其表面留下痕跡[37]，因此石英顆粒表面結(jié)構(gòu)特征常被用于理解沉積物的來源和后期改造過程[44]。Claron組紅色樣品的石英顆粒表面分布著大小不一的撞擊坑和蝶形坑，這在我國(guó)典型風(fēng)成黃土石英顆粒表面十分常見[44]。蝶形坑為磨圓度較好的顆粒相互碰撞的結(jié)果，是風(fēng)成環(huán)境特有的標(biāo)志，一般形成于強(qiáng)風(fēng)暴中[45]。圓麻點(diǎn)在風(fēng)成黃土—古土壤中的古土壤發(fā)育層位更為常見，是風(fēng)化成土過程中化學(xué)溶蝕的產(chǎn)物[44]。該地層圓麻點(diǎn)較少發(fā)育，只在部分石英顆粒表面可以觀察到；但是表征更強(qiáng)化學(xué)溶蝕作用的翻卷解理薄片在地層褐紅色樣品中十分常見，與褐紅色層古土壤發(fā)育強(qiáng)的特征十分吻合。SiO2在石英顆粒表面形成沉淀的現(xiàn)象在地層中比較常見，在部分樣品撞擊坑或蝶形坑的表面，還可以發(fā)現(xiàn)大小不一的鼓包，這可能是由于強(qiáng)烈的撞擊導(dǎo)致石英顆粒表面結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，更易遭受化學(xué)溶蝕作用，在表生風(fēng)化的過程中SiO2在表面形成沉淀[37]。強(qiáng)烈的溶蝕作用往往和顯著的沉淀作用相伴隨，尤其在風(fēng)成環(huán)境中[46?47]，季節(jié)性的干濕變化顯著，但孔隙水時(shí)常處于不飽和狀態(tài)，溶蝕的SiO2不易被水帶走，多在顆粒表面沉淀[48]。此外，地層中階梯狀斷口發(fā)育，往往和擠壓或猛烈撞擊有關(guān)，通常出現(xiàn)在高能的水下環(huán)境中[45]。具備典型風(fēng)塵沉積特征的層位發(fā)育的階梯狀斷口也可能與其原始母質(zhì)進(jìn)入風(fēng)成環(huán)境的時(shí)間較短有關(guān)[49]。因此，地層紅色層的石英顆粒表面結(jié)構(gòu)特征進(jìn)一步為風(fēng)塵沉積提供了證據(jù)。

3.2 不同端元的沉積學(xué)意義

頻率曲線是粒度分布的直觀顯示，不同沉積環(huán)境的粒度分布明顯不同。例如，砂粒是河流搬運(yùn)最常見的粒級(jí)[50]，通常作為眾數(shù)粒徑在頻率分布曲線上出現(xiàn)；而典型風(fēng)塵沉積通常以粉砂粒級(jí)為眾數(shù)粒徑[50]。但是自然界的沉積并不總是受一種搬運(yùn)動(dòng)力作用，不同條件下沉積物可能受多種動(dòng)力影響，使得粒度頻率曲線呈現(xiàn)不同形態(tài)。Bryce峽谷Claron組的粒度頻率分布曲線呈現(xiàn)出多峰分布的特征（圖5），但是所有樣品均沒有砂粒級(jí)作為眾數(shù)粒徑，只有部分樣品在100 μm附近呈現(xiàn)粗尾，地層中也不含礫石，與河流搬運(yùn)沉積物差異顯著，而河流所攜帶的物質(zhì)是湖泊沉積的重要來源。在這種情況下，很難通過粒度頻率曲線的形態(tài)來鑒別其沉積過程。為了更詳盡地了解地層中的沉積物組成，本文使用AnalySize進(jìn)行非參數(shù)化端元分析，結(jié)合NNEMMA算法進(jìn)行驗(yàn)證，確保分析結(jié)果更加可靠。兩個(gè)算法最終擬合出6個(gè)端元，分別指示不同的沉積過程。

端元1 呈正偏態(tài)、單峰分布，眾數(shù)粒徑位于0.75 μm（圖5a、表１），該粒級(jí)應(yīng)該屬于成土過程中形成的黏粒[42]。成土作用可以從兩個(gè)方面改變沉積物的粒徑，一是不穩(wěn)定礦物（云母等）在表生風(fēng)化過程中產(chǎn)生粒度較小的黏土礦物；二是形成新的黏土礦物，但這種在地表環(huán)境下形成的礦物通常小于2 μm，甚至小于1 μm[51]。所有樣品的粒度頻率分布曲線上均存在小于1 μm的峰值，尤其在底部褐紅色古土壤中往往作為第一眾數(shù)粒徑，形成的粒度頻率分布曲線與中國(guó)南方第四紀(jì)網(wǎng)紋紅土的曲線形態(tài)十分接近[52?53]，而且相應(yīng)的石英顆粒表面也呈現(xiàn)強(qiáng)烈的淋溶成土特征。因此，端元1代表了沉積物沉積后經(jīng)歷風(fēng)化成土作用的成土組分。端元2呈單峰對(duì)稱分布（圖5b），眾數(shù)粒徑位于2.38 μm（表１），屬于沉積學(xué)中的淤泥、泥漿（Mud），平均粒徑為2.01 μm，屬于極細(xì)的黏粒，沉積物呈適度分選。無論是終年積水還是臨時(shí)性的湖泊環(huán)境中，沉積物在靜水中的沉降會(huì)增加細(xì)粒黏土的沉積，形成湖泊環(huán)境特有的1～2.5 μm組分[23，54?55]。另外，有研究表明沖—洪積形成的洼地也存在湖泊靜水沉積這一特征[12]。該地層沉積時(shí)的古地形為盆地地形[29]，易在排水不暢的地區(qū)形成積水洼地甚至湖泊。因此，端元2主要代表了積水洼地/湖泊靜水沉降的細(xì)粒組分。

端元3含有兩個(gè)眾數(shù)粒徑，第一眾數(shù)粒徑位于5.33 μm，第二眾數(shù)粒徑位于33.63 μm。與端元3擬合程度高的粒度分布曲線也多呈單峰分布，代表這些層位形成時(shí)期的搬運(yùn)動(dòng)力比較單一。該端元第一眾數(shù)粒徑出現(xiàn)頻率為75%，表明其以細(xì)組分為主。非常細(xì)的組分既可能來自長(zhǎng)距離風(fēng)力搬運(yùn)，也可能是河流短距離搬運(yùn)沉積，又或者是風(fēng)水共同作用的產(chǎn)物[56]。河流搬運(yùn)沉積具備典型的流體動(dòng)力分選特征，短距離搬運(yùn)過程中會(huì)有大量粗顆粒組分沉積（大于63 μm）[57]，但是從整個(gè)地層的粒度分布來看，缺乏河流搬運(yùn)的砂粒作為眾數(shù)粒徑（圖5）。而且從野外特征來看，地層中并無截然變化的沉積層理，也沒有粉砂、細(xì)砂、砂粒明顯粗細(xì)變化的結(jié)構(gòu)特征（圖2）。表明該地層沉積時(shí)并未發(fā)育大型、穩(wěn)定的河流，顯然端元3不屬于河流搬運(yùn)的產(chǎn)物。端元3的另一個(gè)眾數(shù)粒徑為33.63 μm，屬于風(fēng)塵基本粒組的范圍[42]。風(fēng)塵沉積各個(gè)粒級(jí)的含量比較均一，不同于河流沉積物各個(gè)粒級(jí)含量差別較大[50]。風(fēng)動(dòng)力學(xué)研究表明，在中等強(qiáng)度風(fēng)暴條件下，小于10 μm的細(xì)粉砂可以被搬運(yùn)至世界各地[58]，它們既可能是聚集/吸附于粗顆粒上被搬運(yùn)，也可能是被風(fēng)單獨(dú)搬運(yùn)[59]。若以聚合體的形式或吸附于粗顆粒之上被搬運(yùn)，則細(xì)顆粒應(yīng)與粗顆粒同時(shí)變化[60]，于是將端元3在各樣品中的比例分別與端元4，5，6在各樣品中的比例進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果均為負(fù)數(shù)或不相關(guān)。而且一些層位端元3的含量超過60%，表明端元3不是吸附于粗顆?；蛞源诸w粒聚合體的形式被搬運(yùn)，而更可能是高空氣流遠(yuǎn)距離搬運(yùn)的組分。

端元5呈三峰分布，三個(gè)峰分別位于21.22 μm、4.23 μm和0.85 μm（分別為第一、第二、第三眾數(shù)粒徑），具備典型的流體動(dòng)力搬運(yùn)、分選特征。前文已經(jīng)排除地層形成時(shí)期存在穩(wěn)定、大型河流的可能，而且該端元僅在100～200 μm呈現(xiàn)粗尾，表明粗粒組分并不是該地層穩(wěn)定的來源，而粗粒組分突然增加，可能代表著該時(shí)期地表徑流突然增強(qiáng)。該地層堆積于前陸盆地，可能位于距離風(fēng)化巖石坡下不遠(yuǎn)處，降雨增加導(dǎo)致地表徑流增強(qiáng)，攜帶大量碎屑物質(zhì)至低洼處沉積。但是這種沉積方式不同于河流搬運(yùn)，當(dāng)降雨減少時(shí)，地表徑流攜帶碎屑物質(zhì)的能力也會(huì)減弱，表現(xiàn)為沖—洪積搬運(yùn)。沖—洪積形成的沉積物也具有流體動(dòng)力分選的特征，因此端元5應(yīng)該屬于地表徑流增強(qiáng)時(shí)形成的沖—洪積組分。

端元4和端元6的粒度分布特征均與中國(guó)西峰黃土—古土壤十分相似（圖7a）。相關(guān)研究表明，即使來自不同物源的粉塵，一旦在氣流中經(jīng)歷充分混合，就會(huì)呈現(xiàn)相似的形態(tài)特征[60]。孫東懷等[61]對(duì)我國(guó)西峰、洛川典型風(fēng)成黃土剖面的粒度分布特征進(jìn)行總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，它們總體呈雙峰、負(fù)偏態(tài)非對(duì)稱分布，分布范圍一般為0～150 μm，眾數(shù)粒徑一般介于32～16 μm，向細(xì)粒端減小的過程中往往在2～4 μm出現(xiàn)第二個(gè)眾數(shù)粒徑。端元6呈雙峰分布，第一眾數(shù)粒徑為42.34 μm，向細(xì)粒端緩慢減少的過程中出現(xiàn)第二個(gè)眾數(shù)粒徑8.45 μm。不同于端元5陡然變化的特征，端元6的顆粒組成更均勻，比較符合風(fēng)塵沉積的特點(diǎn)[50]。與端元6擬合程度較高的粒度頻率分布曲線與西峰第三紀(jì)風(fēng)成紅黏土比較相似（圖7b），但紅黏土在4～7 μm的細(xì)粒組分更高。相較于西峰黃土和紅黏土的粒度組成，端元6的第一眾數(shù)粒徑更粗，且平均粒徑17.53 μm也粗于西峰黃土的平均粒徑（約9.95 μm），這表明端元6 的平均動(dòng)力更強(qiáng)。Tsoar et al.[58]的研究中指出粒徑在30～63 μm這一范圍的粉砂，為一般風(fēng)暴下二次揚(yáng)塵帶來的近源物質(zhì)或強(qiáng)風(fēng)暴下的遠(yuǎn)源物質(zhì)。端元6與昆侖山北麓現(xiàn)代沙塵暴沉積物的粒度頻率分布曲線也十分相似，但是現(xiàn)代沙塵暴沉積物更粗（大于70 μm）[60]。因此，端元6 代表一般風(fēng)暴或強(qiáng)風(fēng)暴搬運(yùn)的近源或遠(yuǎn)源物質(zhì)，這與石英顆粒表面的蝶形坑和撞擊坑特征也十分吻合。而風(fēng)暴過后形成的浮塵組分會(huì)在風(fēng)力減弱或停止后沉降，沉降的顆粒往往小于20 μm[58]。端元4呈單峰分布，眾數(shù)粒徑為11.93 μm，在風(fēng)暴過后的浮塵組分粒級(jí)范圍之內(nèi)，而且與端元4擬合程度高的曲線與西峰古土壤的曲線形態(tài)高度相似，但成土峰更高。因此，端元4應(yīng)該屬于風(fēng)暴過后沉降的浮塵組分。

綜合上述分析，結(jié)合各端元在不同層位的比例變化（圖8a），對(duì)Claron組粒度分布進(jìn)行分解的6個(gè)端元中，端元1屬于成土組分，在地層各個(gè)層位均存在，平均含量約為17.98%，含量高的層位均與野外判定的黏化層相對(duì)應(yīng)；端元2屬于積水洼地/湖泊靜水沉降的細(xì)粒組分，在地層中的平均含量約為16.73%；端元3代表高空氣流遠(yuǎn)距離輸送組分，在地層中的平均含量約為19.42%；端元4代表風(fēng)暴過后的浮塵組分，在地層中的平均含量約為14.59%；端元5代表降雨量增大時(shí)期形成的沖—洪積組分，在地層中的平均含量約為15.49%；端元6代表風(fēng)暴搬運(yùn)的近源或遠(yuǎn)源組分，在地層中的平均含量約為15.77%。在上述6個(gè)端元中，端元3、4、6均指示風(fēng)塵沉積（統(tǒng)稱為風(fēng)塵沉積端元），風(fēng)塵沉積端元在地層中的平均含量約為49.79%，最大含量約為97.27%，加上部分成土物質(zhì)也來自風(fēng)塵沉積，表明地層中有一半以上的物質(zhì)來自風(fēng)塵沉積。

3.3 Claron 組風(fēng)塵沉積識(shí)別對(duì)沉積環(huán)境的指示意義

關(guān)于Bryce峽谷Claron組的沉積環(huán)境，目前尚未有對(duì)這一區(qū)域這一地層的細(xì)致研究，而主要是從大范圍分布的Claron組來認(rèn)識(shí)。例如Goldstrand[8]詳細(xì)描述了麥格頓（Markagunt）高原和龐沙岡特（Paunsaugunt）高原廣泛出露的Claron組沉積環(huán)境，認(rèn)為地層紅色部分主要是成土過程中植被發(fā)育，植物根系攪動(dòng)沉積物形成氧化環(huán)境，生成大量赤鐵礦所致，這里主要指的是次生的成土過程，沉積物來源則歸因于洪水事件，而地層白色部分為湖相石灰?guī)r。Taylor[7]對(duì)Red Hill等地區(qū)零星分布的Claron組進(jìn)行巖性調(diào)查研究，總體上將Claron組劃分為上下部碎屑巖相和中間石灰?guī)r相，認(rèn)為碎屑巖相主要是辮狀河流沉積，石灰?guī)r則指示湖泊沉積環(huán)境。Sanjuan etal.[3]在Claron組下部發(fā)現(xiàn)了輪藻（Peckichara torulosa）的微體化石，并基于該淡水植物化石在歐洲的古生態(tài)容限和生物地層分布，認(rèn)為在始新世早期該地區(qū)發(fā)育了臨時(shí)性湖泊。Sanjuan et al.[4]發(fā)現(xiàn)含有輪藻化石的泥巖，通常是埋藏良好的古土壤，其中含有腹足類、介形類和輪藻化石，這些層位通常具有較高含量的碳酸鹽，進(jìn)一步認(rèn)為這可能是漫灘沉積。因此，對(duì)于各地區(qū)Claron組的形成環(huán)境目前尚未有定論，但傾向于湖泊起源這一觀點(diǎn)[3?9]。

對(duì)Bryce峽谷的Claron組進(jìn)行研究后，我們認(rèn)同地層中的灰白色層可能屬于湖泊沉積，因?yàn)楸姸鄬W(xué)者在地層中發(fā)現(xiàn)的腹足類化石、藻類碎屑等水生特征主要分布于灰白色層。但是對(duì)于將紅色層認(rèn)定為湖泊沉積則存在諸多疑問：一是現(xiàn)代湖泊沉積物由于受到水下缺氧環(huán)境的限制，有機(jī)質(zhì)分解緩慢，往往形成灰黑色甚至黑色沉積物，將今論古，而該地層下部總體呈氧化紅色，似乎與缺氧的湖相沉積環(huán)境相矛盾；二是在紅色層甚至整個(gè)剖面層理特征并不明顯可見，甚至缺乏，而地層以粉砂粒級(jí)為主，如果發(fā)生積水，那么在積水被蒸發(fā)退去后，積水面很大概率會(huì)形成一層硬的泥質(zhì)結(jié)皮，在層面上表現(xiàn)為泥裂，在剖面上就會(huì)形成層理，但不論在紅色層還是灰白色層中，都很難見到層理或泥裂；另外，紅色層具備顯著的加積特征，代表著沉積物堆積與地表風(fēng)化成土過程幾乎同時(shí)發(fā)生，也較難從湖泊沉積的角度去理解。對(duì)該地層進(jìn)行粒度端元分析的結(jié)果表明地層中一半以上的物質(zhì)來自風(fēng)塵沉積（圖8），而且部分層位風(fēng)塵沉積占據(jù)主導(dǎo)。于是存在兩種可能的沉積過程，一是湖泊沉積，其中混入了較大比例的風(fēng)塵沉積物質(zhì)。但是從野外特征來看，地層總體呈紅色且發(fā)育連續(xù)的均質(zhì)古土壤，表明這不是終年積水的湖泊類型。二是風(fēng)塵沉積和積水洼地/臨時(shí)性湖泊交替沉積。

從各端元在剖面中的比例變化來看（圖8a），代表不同沉積過程的各組分在各個(gè)層位均占有一定比例，但不同時(shí)期占據(jù)主導(dǎo)的組分不同。成土組分含量高的層位對(duì)應(yīng)沉積物顏色較紅（褐紅色）。沉積物顏色在一定程度上能夠反映氣候的干濕變化，紅色通常來自赤鐵礦，代表干旱氧化的環(huán)境[40]，因此紅色古土壤發(fā)育的層位對(duì)應(yīng)著地表干旱氧化的環(huán)境?；野咨磉^渡濕潤(rùn)的氣候環(huán)境[62]，沉積物漬水會(huì)導(dǎo)致其中的3價(jià)鐵還原為2價(jià)鐵，形成可溶于水的氫氧化鐵隨水流走，沉積物紅色逐漸變淡?；野咨珜佣嗽?（積水洼地/湖泊靜水沉降組分）和端元5（沖—洪積組分）的含量均比較高，表明其形成時(shí)期受水作用大，可能形成積水洼地甚至臨時(shí)性湖泊。但不同于終年積水的湖泊，因?yàn)樵诨野咨珜又腥匀豢梢杂^察到淺褐色古土壤層，表明灰白色層也存在地表氧化的環(huán)境。因此灰白色層可能對(duì)應(yīng)著積水洼地/臨時(shí)性湖泊沉積；端元2則代表積水洼地/臨時(shí)性湖泊靜水沉降的細(xì)粒組分。

風(fēng)塵沉積端元在各個(gè)時(shí)期均占有較大比例，表明風(fēng)塵沉積是地層中穩(wěn)定的物質(zhì)來源。風(fēng)塵沉積占據(jù)主導(dǎo)地位的層位通常對(duì)應(yīng)古土壤發(fā)育程度高的層位。圖8a中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為3個(gè)高度發(fā)育的復(fù)合古土壤層，其中Ⅰ對(duì)應(yīng)的古土壤層如圖2c所示，鈣結(jié)核在剖面中高度發(fā)育。Ⅱ和Ⅲ同為位于地層下部的褐紅色古土壤層，黏化層和淺色斑狀網(wǎng)紋在該層高度發(fā)育（圖2f）。這3個(gè)復(fù)合古土壤所在層位的端元比例變化均存在大致相似的情況，即上部成土組分占據(jù)主導(dǎo)，下部風(fēng)塵沉積組分占據(jù)主導(dǎo)，同時(shí)有沖—洪積組分和積水洼地/臨時(shí)性湖泊靜水沉降組分加入。這一現(xiàn)象或許可以解釋為：該地層形成于四周高、中間低的盆地中，盆地地形極易匯水且排水較差，加上處于風(fēng)化巖石的坡下，強(qiáng)降水易形成洪流，攜帶粗粒物質(zhì)在山前沉積，細(xì)粒物質(zhì)被帶到更遠(yuǎn)的地方沉積。相較于風(fēng)塵沉積，沖—洪積的沉積速率高，能在短時(shí)間內(nèi)形成大量沉積物。若降雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，則易在低洼地區(qū)積水甚至形成臨時(shí)性湖泊；若降雨持續(xù)時(shí)間短，沉積物沉積后浸水時(shí)間相對(duì)較短，隨后氣候比較干旱，進(jìn)入漫長(zhǎng)的成土期伴有風(fēng)塵物質(zhì)不斷加積。因此，該地層為風(fēng)塵沉積、沖—洪積和積水洼地/臨時(shí)性湖泊交替沉積形成，在以沖—洪積和積水洼地/臨時(shí)性湖泊沉積為主的時(shí)期，氣候濕潤(rùn)；而風(fēng)塵沉積和成土占據(jù)主導(dǎo)的時(shí)期，氣候相對(duì)干旱。

4 結(jié)論

（1） Bryce峽谷Claron組宏觀上呈現(xiàn)深—淺不同的紅色和灰白色變化，但并未相應(yīng)地呈現(xiàn)巖性、顆粒粗細(xì)和沉積構(gòu)造的變化，而且不同顏色呈現(xiàn)逐漸過渡特征，顯著區(qū)別于突變的水成層理。地層紅色層呈現(xiàn)出顯著的加積特征，結(jié)合石英顆粒表面結(jié)構(gòu)特征可知Claron組紅色層以風(fēng)塵沉積為主。

（2） 對(duì)Bryce峽谷Claron組進(jìn)行非參數(shù)化粒度端元分析，共分解出6個(gè)具有不同沉積意義的端元。其中端元1代表成土組分；端元2代表積水洼地/臨時(shí)性湖泊靜水沉降的細(xì)粒組分；端元3代表高空氣流遠(yuǎn)距離輸送組分；端元4代表風(fēng)暴過后的浮塵組分；端元5代表沖—洪積組分；端元6代表風(fēng)暴搬運(yùn)的近源或遠(yuǎn)源組分。其中，端元3、4、6（第一眾數(shù)粒徑分別為5.33 μm、11.93 μm、42.34 μm）均來自風(fēng)塵沉積，統(tǒng)稱為風(fēng)塵沉積端元。風(fēng)塵沉積端元在地層中的平均含量約為49.79%，表明地層中一半以上的物質(zhì)來自風(fēng)塵沉積。地層各個(gè)層位均含有較大比例的風(fēng)塵沉積組分，表明風(fēng)塵沉積是該地層穩(wěn)定的物質(zhì)來源。

（3） 從各端元在剖面中的比例變化來看，該地層是由風(fēng)塵沉積、沖—洪積和積水洼地/臨時(shí)性湖泊交替沉積形成。而代表不同沉積過程的端元與沉積物顏色、古土壤發(fā)育程度的關(guān)系表明，在沖—洪積和積水洼地/臨時(shí)性湖泊沉積占據(jù)主導(dǎo)的時(shí)期氣候濕潤(rùn)，而風(fēng)塵沉積和成土占據(jù)主導(dǎo)的時(shí)期氣候相對(duì)干旱。

致謝 對(duì)各位審稿專家和編輯部老師提出的寶貴建議表示誠(chéng)摯的感謝，并對(duì)Bryce 峽谷國(guó)家公園允許采樣研究以及中科院地環(huán)所李越副研究員的幫助表示誠(chéng)摯的感謝。