福州第四纪红土沉积的粒度特征及环境意义

2011-11-26齐升吉李志忠陈秀玲靳建辉姜修洋吴美榕胡凡根林舒倩

湖南师范大学自然科学学报 2011年4期

齐升吉，李志忠，陈秀玲，靳建辉，姜修洋,吴美榕，张辉，胡凡根，林舒倩

(福建师范大学a.地理研究所，b.地理科学学院，c.湿润亚热带生态-地理过程省部共建教育部重点实验室，中国福州 350007)

沉积物粒度分析在判别碎屑物质来源、搬运营力、沉积过程、后生变化以及重建古地理环境方面具有重要意义[1]．在中国北方黄土沉积古环境研究中，粒度参数作为冬季风代用指标揭示了东亚季风演化和沉积环境变迁，反映了粉尘搬运距离的变化[2-3]．中国南方红土是中国第四纪陆相沉积物的主要类型之一，其现代分布范围覆盖中国亚热带和热带广大区域，是中国南方第四纪气候与沉积环境变化的重要信息载体．探讨南方第四纪红土物质来源和成因类型，有助于揭示中国南方第四纪气候环境变迁过程及其与全球变化的联系．

前人研究表明，中国南方红土有风化、冲积、洪积、坡积、风积等多种物质来源[4-9]，红土成因类型可分为风化残积型、沉积型和沉积-风化型3种类型．其中，北亚热带、中亚热带北部红土多为远源风力搬运堆积的风尘物质并经后期化学风化形成的沉积-风化型红土，可称为均质红土和均质网纹红土[7，10-12]，而热带和南亚热带地区红土多为各类基岩风化残积和冲洪积与坡积成因的沉积型红土，可称为非均质红土和非均质网纹红土[13-14]．福建位于中国中亚热带东部沿海，为风化残积型和沉积型红土发育的典型区域，但研究比较薄弱．福州地处南亚热带与中亚热带过渡带的闽江河口，为陆地地貌过程与海洋水文过程的交互作用地带，因此成为对全球变化十分敏感的区域．本研究以福州红土沉积为对象，在确定了红土剖面年代框架的基础上，通过粒度组成和粒度参数分析，提取第四纪红土记录的沉积与风化信息，初步揭示红土沉积对过去全球变化的响应过程．

1 区域概况和研究方法

1.1 研究区和剖面概况

①长乐剖面(CL)；②万佛寺剖面(WFS)；③马保剖面(MB)图1 福州红土剖面采样位置示意图

研究区福州(图1)地处戴云山脉的东翼，倚山面海，地势由西北向东南倾斜，海岸线曲折，闽江横贯其中．气候温暖湿润，雨量充沛，四季常青；年平均气温16～20 ℃，最冷月1～2月，平均气温达6～10 ℃；最热月7～8月，平均气温为24～29 ℃，年平均降水量1 342.5 mm；冬季主导风向为东北风，夏季偏南风为主；植被以亚热带常绿阔叶林为主，土壤以红壤为主．

CL—长乐剖面；MB—马保剖面；WFS—万佛寺剖面图2 红土剖面岩性柱状图

在福州盆地南部和东部坡度15～40°的山麓带采集3个典型红土沉积剖面，3个剖面主要是红棕色黏土、砂质黏土层夹多个洪积坡积角砾石薄层，大致构成5～6个沉积风化旋回(图2)．其中：长乐剖面(CL)海拔19.3 m，位于侏罗系流纹质晶屑凝灰熔岩风化剥蚀的低丘南麓，剖面厚8 m，未见底，可划分为上下2段．

上段，0～3.5 m，棕红色红土夹多层砾石．其中，顶部0～0.4 m为现代红壤，较多植物根系；0.4～2.7 m，棕红色土，夹有2～3层不连续分布的薄层砾石层，构成2～3个沉积风化旋回．砾石层胶结坚实，呈棱角状，直径10～20 cm，砾石表面被覆红褐色风化氧化膜；2.7～3.5 m，棕红色坡积红土层，以粉砂为主，胶结坚实．底部砾石层砾石直径0.5～5 cm，大部分呈棱角状，为侵蚀不整合面过渡到下段．下段，3.5～8 m(未见底)，红褐色、红棕色网纹红土层，夹杂少量棱角状砾石，胶结坚实．发育典型蠕虫状白色、灰白色网纹．在风化裂隙中有大量黑色氧化锰薄膜，夹薄层不连续分布的棱角状砾石层，砾石直径0.2～3 cm不等．

马保(MB)剖面，采样点海拔8 m，厚度2.5 m，基底为燕山期钾长花岗岩风化壳，采样位置在福州盆地南缘靠近现代闽江河谷．剖面分层及岩性结构如下：

0～0.20 m，红棕色，植物根系较多，块状结构，紧实；

0.20～2.20 m，红棕色，块状结构，紧实；

2.20～2.80 m，红棕色，夹杂不均匀黄棕色，斑块块状结构，少量孔隙较紧实；

2.80～3.20 m，淡红棕色，夹杂黄棕色，疏松，含植物残根及少量腐烂灰黑色植物根系，多孔隙；

3.20～3.50 m，深度风化，疏松多孔，黄色棕色，混杂多量腐烂的灰黑色植物根系．

万佛寺(WFS)剖面，采样点海拔22 m，厚度2.4 m，基底为燕山期钾长花岗岩风化壳．剖面分层及岩性结构如下：

0～0.30 m，黄棕色，植物根系多，呈团块状粒状结构，有孔洞，略紧实；

0.30～2.40 m，红棕色，植物根系少，团块状结构，无孔洞，较紧实；

2.40～2.60 m，为全风化花岗岩风化壳．

1.2 剖面年代测定和粒度实验

关于福州红土沉积年代学，本研究在CL剖面、MB剖面共采集9个红土测年样品，用电子自旋共振法(ESR)和光释光法(OSL)进行测年．测年实验分别在国家地震动力学重点实验室ESR测年实验室和国土资源部水环境地质研究所释光测年实验室完成，共获得9个有效测年数据(图2)．

野外分别对上述3个剖面进行了系统采样，其中CL采样间距5 cm，MB采样间距10 cm，WFS采样间距30 cm，3个剖面合计采样206个．样品粒度参数测试在福建省湿润亚热带生态-地理过程省部共建教育部重点实验室完成．实验方法：称取过2 mm筛混合均匀的风干待测样品0.7 g，放入洁净的烧杯，加入H2O2溶液(2体积水和1体积H2O2混合而成)10 mL浸泡12 h，去除样品中的有机质，并在水浴锅中加热煮沸分解多余的H2O2，冷却后加去离子水静置24 h，抽去烧杯上部清液，加入10 mL 0.5 mol/L的NaOH溶液做分散剂，并于超声波震荡器上震荡10 min使样品有效分散，然后上机测试．测试仪器为英国MALVERN仪器公司生产的Mastersizer2000型激光粒度仪，测量范围为0.02～2 000 μm，重复测试相对误差<5%．

粒度频率分布和概率累计曲线从激光粒度仪测试数据中提取．粒度参数包括平均粒径(Mz)、标准偏差(σ)、偏度(SK)和峰态(Kg)，均按照Folk和Ward[15]公式计算得出．数据分析和制图采用Excel 2003、Origin 8.0和CorelDraw 12.0完成．

2 结果分析与讨论

2.1 粒度组成特征

福州3个红土剖面的粒度组成既表现出较好的一致性，也有一定差异(表1)．1)粉砂(4～63 μm)体积分数占优势，在32.28%～73.05%之间变化，平均为51.60%．粉砂含量中，细粉砂(4～10 μm)体积分数明显低于粗粉砂(10～63 μm)．其中，CL剖面上部红土的粉砂体积分数平均54.60%，下部网纹红土平均体积分数为50.86%．2)黏土(<4 μm)体积分数变化于7.04%～43.98%，平均26.12%；其中CL剖面上部红土变化于20.31%～37.95%，平均26.35%，下部网纹红土14.51%～36.82%，平均23.07%．3)砂(63～2 000 μm)体积分数变化于3.70%～54.20%，多集中在22.3%．其中，CL剖面上部红土砂体积分数在3.70%～33.05%之间变化，平均19.06%；下部网纹红土变化于11.98%～40.12%，平均26.04%．4)CL、WFS剖面黏土平均含量高于砂含量，而MB剖面黏土平均含量低于砂含量，反映了研究区红土粒度组分的差异性．5)各剖面样品粒度组分离散系数粉砂最小，CL、WFS剖面砂离散系数最大，MB剖面黏粒的离散系数最大；粉砂组分中，CL、WFS剖面细粉砂的离散系数明显低于粗粉砂的离散系数，而MB剖面则相反．离散系数越小说明该组分颗粒粗细差异程度越小，物源供给和搬运动力较为稳定．

表1 福州红土沉积各组分体积分数变化(单位：%)

福州红土粒度特征与中亚热带“加积型”红土[16]相比，优势组分(粉砂粒级)相同，但含量较低，黏土含量较中亚热带加积型红土少，原因在于福州红土砂含量较高．就离散性而言，加积型红土离散系数较小，多小于0.1，而福州红土各组分离散系数均较大，多大于0.1．对比可知，福州红土沉积具有明显近源搬运沉积特点．

2.2 频率曲线和概率累计曲线特征

从3个剖面样品粒度频率曲线(图3)分析，CL、MB 2个剖面以多峰型(图3A)为主体，主次峰对比明显．第一众数峰多在4～16 μm之间，主要由细粉砂粒级构成；第二众数峰多在200～537 μm变化，多为细砂、中砂，平均体积分数10%，对峰态影响比较显著；在<1 μm处出现第三众数，该组细颗粒的形成多与化学风化和成壤作用相关．而WFS剖面以单峰型(图3B)为主体，第一众数在4 μm左右，由众数峰向细端变化较陡较快，在<1 μm处有一拐点，向粗端变化较向细端变化缓，且在>100 μm后拖有长尾．

图3 福州红土剖面典型样品频率曲线(A.多峰型，B.单峰型)

图4 福州红土剖面典型样品概率累计曲线

3个剖面粒度概率累计曲线主要为4段式(图4)．CL(图4A)、MB和WFS剖面(图4B)概率累计曲线特点大体一致，粗截点在1～2Φ(Φ值定义参见文献[10])，细截点在10～11Φ，6Φ附近截点将粒级分成粗细两部分．其中，CL剖面组分a为推移组分，斜率接近70°，体积分数在5%～10%，较MB、WFS剖面组分a′斜率60°高．CL剖面组分d为次生组分，斜率近75°，较MB、WFS剖面组分d′斜率70°为高．主要粒度组分在2～10Φ之间，含量约占80%；截点6Φ将其分为2～6Φ跃移组分，6～10Φ悬移组分，斜率分别为20°和40°；就两组分来看，2～6Φ分选性较差，6～10Φ分选性较好．

研究区多峰型的频率曲线与4段式的概率累计曲线特征明显区别于中亚热带加积型红土，而与岭南东江流域网纹红土[17]、粤东北丘陵末次间冰期红土[18]具有很好可比性，反映出第四纪时期研究区多山地丘陵的剥蚀地貌环境，以及中亚热带南部和南亚热带季风气候交替变迁影响下红土沉积风化环境的多样性和复杂性．

2.3 粒度参数基本特征

平均粒径(Mz)代表沉积介质的平均动能．CL剖面上部红土Mz变化于5.4～7.2，平均6.3，下部网纹红土介于4.8～7.0，平均5.8．MB剖面Mz平均5.37，WFS平均粒径较细，Mz均值为6.99(表2)．福州红土Mz各剖面差异显著，但总体上与岭南东江流域网纹红土[17]Mz值相当．

表2 福州红土剖面粒度参数比较/Φ

分选系数(σ)表示沉积物分选程度，反映沉积物不同粒度颗粒分散和集中状态．福州红土样品的σ介于2.0～3.1，平均变化于2.2～2.6，总体上分选性差，并有明显的空间差异．其中，WFS剖面样品的σ值2.2较MB剖面2.5、CL剖面2.6的分选性要好，CL剖面分选性最差．福州红土σ与北亚热带、中亚热带沉积-风化型红土[7,10]相比分选系数要大，反映福建东部山地丘陵地貌起伏变化，季风气候影响下水动力搬运条件的变化，使得研究区红土沉积粒度组成粗细不均，总体上分选性差．

偏度(SK)反映沉积物粗细颗粒的分布情况．福州红土样品SK值介于-0.27～0.34，其中CL剖面近87.6%的样品SK介于0.1～0.3之间，属正偏；WFS剖面67.7%的样品也呈正偏；MB剖面23%的样品则呈现负偏，其中54%的样品近对称分布，13%样品正偏．正偏样品含量较高，反映粒度组成趋向于粗粒端，暗示研究区红土物质来源较近、搬运动力动荡变化对粒度组成的影响．

峰态(Kg)衡量分布曲线的峰凸程度．福州红土剖面Kg总体以中等峰态为主，其中CL剖面占46%，MB剖面占60%，WFS占36%；宽峰态其次，CL占38%，MB占40%；窄峰态比重最小，CL占16%，WFS占30%．宽峰态与中等峰态比重较高，可能反映福州红土沉积后经历较强的风化作用，使得各级粒度有一定混合．

离散系数是数据样本离散程度的相对指标．所研究3个剖面中，Mz离散系数最大的是MB剖面，可能指示MB剖面水动力条件变化较大，物质来源更为混杂，这与MB剖面所在福州盆地边缘河谷地貌位置吻合；σ离散系数各剖面相差不大，均反映红土样品分选差；SK变化最大的MB剖面，反映偏度差异较大；WFS剖面Kg离散系数最小，峰态差异较小，对应单峰为主的频率曲线．

2.4 粒度参数的纵向变化

中国南方第四纪风尘堆积序列的粒度特征是重建气候变化历史的重要代用指标[7]．北亚热带长江中下游地区加积型红土粗细颗粒的旋回变化也反映了冬季风风力大小变化和气候的冷暖变化，而南亚热带沉积型红土粗细颗粒变化代表了水动力强弱变化，<4 μm的次生组分反映了风化成土强度的变化[7，19-20]．福州位于太平洋板块向欧亚板块俯冲碰撞带前沿，地处中国南亚热带与中亚热带的过渡区域，在第四纪新构造运动和全球气候变化背景下，区域构造地貌起伏变化以及气候带南北迁移必然在沉积风化过程中留下沉积学烙印．

图5 福州长乐红土剖面粒度组分及粒度参数

综合上述粒度参数和沉积相的旋回变化特点，结合北半球第四纪新构造和气候变迁历史分析，在1 235±123～240±14 ka的早中更新世时期，中国西部青藏高原的高度尚未对中纬度大气环流造成显著影响，东亚季风势力较弱，华南副热带高压控制下的高温湿热气候稳定少变，福建海岸带至中西部地势起伏差异较小，有利冲积洪积持续进行并遭受强烈化学风化作用，红土沉积相反映粗粒组分>63 μm、>125 μm、>250 μm含量变化小、离散系数也较小，例如CL剖面下段旋回Ⅰ-旋回Ⅲ>63 μm、>125 μm、>250 μm粒级体积分数的离散系数分别为0.24、0.31、0.40．中更新世晚期以来，尤其是112.4±6.1～21.4±1.2 ka的晚更新世，随着中国西部青藏高原强烈隆升，华南海岸带新构造差异升降活动增强，研究区东西向地势起伏加大，东亚季风影响范围显著扩大，冬夏季风势力增强，副高控制下的亚热带湿热气候变化趋于不稳定，尤其是末次间冰期全球气候剧烈变冷恶化，河流水动力变化增强，反映在红土沉积粒度组成中>63 μm、>125 μm、>250 μm粒级百分含量离散系数较大，CL剖面上段沉积旋回Ⅳ-旋回Ⅳ>63 μm、>125 μm、>250 μm粒级百分含量的离散系数分别为0.36、0.45、0.58，且洪积坡积角砾石层增多，反映晚更新世以来气候振荡频率加大，沉积相总体反映干旱化趋势．这与姜永见等[22]对庐山地区红土沉积粒度特征研究结果具有某种一致性．

3 结论

综上所述，福州第四纪红土沉积粒度组成和参数变化特征及其环境意义概述如下：

1)研究区红土粒度组分总体上以粉砂为主，黏土次之，砂体积分数最少，但不同沉积部位红土剖面存在差异．其中，CL剖面上部的非均质红土层黏土、粉砂体积分数高于下部非均质网纹红土层，非均质红土砂体积分数低于非均质网纹红土．非均质红土层粗颗粒组分离散系数高于非均质网纹红土，CL剖面沉积相总体上反映了区域沉积风化环境的不稳定变化趋势．

2)多数样品的频率曲线以多峰型为主，单峰带粗尾型频率曲线以WFS剖面为主，主峰位于细粉砂粒级，次峰多在细沙、中砂粒级，第三众数峰多<1 μm．CL剖面非均质红土与网纹红土层频率曲线相似，多峰的频率曲线反映几个总体相混合．3个剖面样品概率累计曲线多为冲洪积相特有的4段式，主要反映水动力沉积环境，WFS剖面下部有较多风化残积型红土沉积相特点．

3)各剖面样品Mz平均值较小，区域差异较大，大体与南亚热带水动力沉积型红土的Mz值相当；但分选系数σ值反映分选性差，总体上比北亚热带风尘加积-风化型红土沉积的分选性要差；SK正偏，Kg中等至宽变化，表明动荡的水动力搬运且搬运距离较短，同时经历后期较强的化学风化作用，使得各个粒级细化并有一定程度混合．

4)各红土剖面的粒度组成和参数变化既有共性也存在差异，总体上反映山地丘陵地貌环境下多次水动力近源搬运沉积的冲洪积和坡积沉积特征，并经历多期强烈化学风化作用，具有典型的非均质沉积型红土粒度组成特点．各剖面自下向上，随着时间推移各剖面粒度组分离散系数增大、棱角状砾石层增多的趋势，可能记录了早更新世晚期以来，区域地势起伏逐渐增大、季风气候系统逐步加强，以致水动力搬运沉积过程不稳定性增强的环境变迁历史．

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