东北地区中、东部黄土成因初步研究

2014-12-29朱晓东

长春师范大学学报 2014年4期

曹振，朱晓东

近年来，由于气候变暖等环境问题日益受关注，对气候变化尤其是气候预测要求更高，第四纪作为研究环境和全球变化的学科更加活跃，它要求提取地层中记录进行区域分析，区域对比以揭示过去环境变化机制，以预测全球变化趋势。

东北地区的黄土处于内陆黄土堆积的外围，是我国第四纪沉积物的主要类型，与内陆典型黄土相比具有自身独特性，作为恢复区域古气候有重要意义。20世纪90年代以前对东北地区黄土研究较少，且主要用于建筑、工程方面，近年来对于辽东半岛南端以及东北地区中部(长春)黄土研究增多，黄土的古气候意义越来越受重视，众多学者已分别通过孢粉分析、矿物成分分析，以及化学成分等不同的侧面对东北地区黄土进行了研究，探讨了黄土的成因机制、沉积环境、地层时代等方面。本文运用粒度分析法对东北区南部、中部两个地区典型剖面进行对比分析，主要通过粒度曲线、粒度参数分析环境变化和物质来源，结合前人所做的孢粉分析、同位素测年，试图分析东北地区第四纪以来的环境变化。

1 研究区概况

东北地区位于我国东北部，自辽东半岛南端的老铁山岬至黑龙江漠河，南北跨了将近20个纬度。本区南部属温带海洋性季风气候，中部属中温带大陆性季风气候，仅黑龙江北端属寒温带季风气候。本区大部降水量为400～700mm。本区植被类型主要有寒温带针叶林(达乌里区系)，以兴安松为代表;针阔混交林(长白山区系)，以红松落叶林为代表;温带草原。土壤类型复杂、分布较广的地带性土壤有寒棕壤、温带暗棕壤、黑土，亦有白浆土、草甸土、沼泽土等非地带性土壤出现。

本区第四纪沉积物主要为黄土沉积，分布在沟谷阶地上，是我国黄土的一个重要亚类——次生黄土。本文选择辽东半岛南端西海岸庙山剖面和长春腰分水岭剖面进行分析。

1.1 庙山剖面

庙山地处金州湾和普兰店湾的小岛上，周围是海拔150m左右的石灰岩丘陵，在庙山与七顶山之间的公路旁为筑路开挖人工露头，地层出露较全，从上而下可划分为三层，分别为上新世不同阶段的沉积物(图1)。

图1 庙山黄土剖面图

图2 腰分水岭黄土剖面

(1)更新统:马兰黄土和砂的互层，颜色灰黄，厚约10m，与下伏中、下更新统呈不整和接触。

(2)中、下更新统:棕红色砂质黏土，相当与内陆的离石黄土与下伏上新统呈不整和接触，厚约11m。

(3)上新统:红色黏土，具有风化残余小碎石，属基岩风化壳，向下逐渐过渡为坚硬的石灰岩。

1.2 长春腰分水岭剖面

长春地处松辽盆地东南隆起地区，黄土分布广泛，大多20m左右。本文所选的腰分水岭剖面出露15m，未见底，为中、晚更新世沉积物，相当于内陆的上离石黄土和马兰黄土。自上而下划分4层(图2)。

(1)古土壤层，厚约 0.5m。

(2)浅黄色亚黏土，泛白，粘性较大，含铁锰结核，具铁锰被膜，约3m，相当于内陆马兰黄土。

(3)灰白色亚黏土，泛黑，铁锰结核，具铁锰被膜，厚0.8m。

(4)黄色亚黏土，具铁锰被膜，粘性很大，未见底，相当于内陆的离石黄土。

2 研究方法与数据处理

2.1 样品采集

辽东半岛西海岸更新世沉积物中，黄土为主体堆积，砂和砂层作为薄层成透镜体存在于黄土地层之间。在野外进行剖面采集时，对离石黄土按80cm间隔，马兰黄土堆积按50cm间隔，砂和砂层按20～30cm间隔系统采样共27样，长春地区黄土按80cm间隔采样，共15个样。

2.2 实验室分析

样品先加盐酸以除去黄土中的钙质，然后加入六偏磷酸钠以分散黄土颗粒，之后烘干。实验室粒度分析时小于4ф的粒级用国产辽阳标准筛，大于4ф的粉砂和黏土粒级用日产SA－CP3型粒度分布自动测试仪，按温德华粒度分级标准＜－1ф为砾石，－1－－1ф为砂，－1－－4ф为砂，4－－8ф为粉砂，＞8ф为黏土，一定的粒度都与一定的动力能的搬运介质相关，所以粒级划分成为识别各种堆积环境动力状况、了解其沉积环境变化必不可少的过程。

3 粒度特征分析

陆源碎屑沉积物粒度分布的基本特征不仅是沉积物分类、命名的基础，而且影响到松散沉积物的各种力学性质，成为评价其工程地质的一个重要指标，同时对于查明这些沉积的沉积环境有重要意义。沉积物的粒度分布，直接受物源远近、风化程度、沉积介质、堆积时的环境因素的制约。其中沉积介质、动力状况及环境是决定沉积的粒度分布的主要因素。目前，粒度分析的方法已经应用到沉积环境研究的各个领域，尤其以风和稳定的水流为搬运介质的陆源碎屑沉积物成熟度高。本文主要分析沉积物的粒度组成来反演古环境。

3.1 庙山黄土粒度组成

由庙山黄土粒度曲线图(图3)可看出，庙山黄土含少许粗砂，且整个剖面黄土中黏土含量很少，随深度的增加砂的含量呈递减趋势，粉砂和黏土的含量随深度增加递增。在7～10m之间曲线图发生明显弯曲，这是由于马兰黄土所夹砂层粒度较大，粉砂和黏土含量很少。11m处大致为马兰黄土与离石黄土的分界，马兰黄土的颗粒较离石黄土粗，反映出晚更新世比早、中更新世更加干冷。

图3 庙山黄土粒度组成

图4 长春腰分水岭黄土粒度组成

3.2 长春腰分水岭黄土粒度组成

由图4可看出，长春黄土粒级含量变化不大，且通体粒度范围较小，几乎不含砂，粉砂及黏土含量很大，且以粉砂为主。在4m处有明显变化，与剖面中颜色呈灰黄色相对应，应该是马兰黄土中所夹的土壤层，气候湿润，成土作用强，因而颜色较暗，黏土含量较多，反映出第四纪干冷气候旋回。下部离石黄土与上层马兰黄土相比砂的含量明显减少，反映出晚更新世更干冷的环境。

3.3 两剖面的粒度对比分析

粒度曲线是用基本数据绘制的各种曲线，可以直观地反映沉积物粒度组成的基本特征，常用的粒度曲线包括频率曲线、正态概率累积曲线。

庙山马兰黄土频率曲线呈现多峰状态。据孙东怀、鹿花煜等分析，第一组分为分布峰度高、分选较好的粗粒组成，这一组分带代表了冬季风盛行季节，近距离、低空搬运的粉尘物质，它的粒度指示了东亚季风的环流强度，反映了粉尘源区的干燥度;第二组分峰度较低、分布平缓、分布粒度范围大的粒度组成，可能为一种远距离的、搬运高度较大的常态粉尘物质，黄土中这一组分与太平洋西风带粉尘较为一致，主要为高空气流搬运。由此分析庙山黄土物质来源，由图可看出峰值在4附近峰值含量达到30%以上，另外两个峰值分别在6ф和9ф，峰值不高。由此分析庙山黄土有多个物质来源，但主要为近地面季风吹来的海岸砾石，另外为高空西风气流带来的内陆粉尘，而长春黄土呈单峰说明其物质来源单一。

图5 庙山马兰黄土所夹砂层

庙山离石黄土曲线呈双峰亦说明有多种物质来源，与上部马兰黄土相似，但是峰值较马兰黄土低，且更加偏向细颗粒，这与黄土粒度组成相符合，都说明晚更新世气候变得干冷。长春地区离石黄土与马兰黄土相比粒度小，亦说明长春地区晚更新世较中更新世干冷;但庙山马兰黄土与长春马兰黄土相比要粗得多，离石黄土也显示出相似的特征，说明两种不同的沉积环境;庙山马兰黄土所夹砂层为单峰，且峰值较高，呈正偏，说明气候干旱，成土作用差。

图6 庙山离石黄土与腰分水岭离石黄土比较

图7 庙山马兰黄土与腰分水岭马兰黄土比较

表1 东北地区与西北黄土粒度组成对比

由表1可以看出，庙山黄土的突出特征是颗粒粗。据刘东生的研究，山陕内陆的黄土沉积物中很少含大于0.25mm的颗粒，而庙山的黄土不仅含大于0.25mm的中砂，甚至有大于0.5mm的粗砂，粗粒级颗粒的含量远大于内陆地区，该区离石黄土的平均粒度组成砂53.3%，粉砂37.2%，黏土8.1%;马兰黄土的粒度组成砂60.6%，粉砂28.1%，黏土11.8%，明显不符合我国黄土沉积呈现的由西向东减少的趋势，说明庙山与内陆黄土具有不同的物质来源。

长春腰分水岭离石黄土砂的含量很少，只有小部分细砂，粉砂含量最大，黏土含量也高于庙山，砂10.8%，细砂69.9%，黏土17.4%;上部马兰黄土砂14.8%，粉砂67.4%，黏土15.5%。与内陆相比，马兰黄土细砂含量少，离石黄土细砂含量相差很小，但是粉砂的含量比内陆大，黏土含量少于内陆黄土。长春地区黄土与庙山黄土具有相似性，上部马兰黄土的颗粒较下部离石黄土粗，反映晚更新世气候更加干旱。另外由庙山马兰黄土所夹砂层可以得出晚更新世干湿交替变化。

3.4 两剖面正态概率曲线对比分析

沉积物的搬运方式有三种:滚动、跳跃和悬浮。每种搬运方式的碎屑颗粒粒级分配在概率坐标纸上，都呈一对数正态分布，因此通过研究其正态概率曲线线段数目、斜率及截点等形态特征可以有效地识别不同的沉积环境，辽东半岛西海岸更新世沉积物的粒度正态概率曲线反映的环境信息与前人做的地貌分析、构造分析结果吻合。从图6可看出庙山黄土正态概率曲线由三段构成，说明有几种不同的物质来源，且＜6φ的粒度含量达到80%，以跃移为主。庙山马兰黄土所夹砂层也有三段构成且粒径更大，＜4φ的粒级达到90%，反映晚更新世环境干冷的环境下吹来的滨海沉积物，是由不同的风向吹来的。长春地区黄土则为多段，并且颗粒偏细，说明以跃移和悬移为主。