目标样本粒度判据在海湾环境演变研究中的运用——以福建前湖湾为例

俞鸣同，刘秀铭*，杨华玮，曹宏伟，唐荣骏，刘巍，龚正权，陈有喜，陈樱，孙巧红，郭杰

(1. 福建师范大学 地理科学学院，福建 福州350007；2.福建师范大学 湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福建 福州350007)

目标样本粒度判据在海湾环境演变研究中的运用
——以福建前湖湾为例

俞鸣同1，2，刘秀铭1，2*，杨华玮1，曹宏伟1，唐荣骏1，刘巍1，龚正权1，陈有喜1，陈樱1，孙巧红1，郭杰1

(1. 福建师范大学 地理科学学院，福建 福州350007；2.福建师范大学 湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福建 福州350007)

高密度采集福建前湖湾海岸剖面133个泥沙样品做粒度分析，其频率曲线显示多种粒度分布特征，预示多种沉积环境的变化。采集研究剖面周边海滩、河口浅滩、河口、滨海沼泽和海岸沙丘等已知环境的样品作为目标样本。将目标样本沉积参数平均粒径(Mz)、标准偏差(σ)、峰态(Kg)设为判别参数，利用Excel计算海岸剖面样品与目标样本参数的距离，筛选最小距离样品，归为已知目标样本的同类。据此，分析了海岸剖面蕴含的6个沉积环境变化阶段。利用剖面底部淤泥测年14C=(328 15±170)a BP，和剖面上部泥炭测年14C=(24 130±100)a BP，了解这一变化发生的年代。自(32 815±170)a BP以来，前湖湾经历了河口浅滩-河口、沙丘-河口-滨海沼泽-海滩-沙丘等海岸环境演变过程。

目标样本参数；最小距离；沉积环境判别

1 引言

沉积物粒度特征是沉积环境动力状态的反应，可用于识别沉积环境，传统方法是用沉积参数进行经验判别，例如粒度用平均粒径(Mz)、标准偏差(σ)、偏度(Sk)、峰态(Kg)的特征值，萨胡多元判别公式，维谢尔的概率累计曲线，帕赛加CM图等[1]。但是，不同地区相同沉积环境粒度参数(如平均粒径、标准偏差、偏度、峰态)阈值存在一定差异，用统一度量判别误差较大。近些年利用粒度分布曲线的函数拟合，识别多成因复杂沉积环境取得了可喜的探索[2—4]。但是，对于众多的分析样品，逐个拟合工作量大，容易失误。本文以研究福建前湖湾环境演变为例，用周边已知环境样本沉积参数为判据，对海岸剖面133个样品求取目标样本最小距离的方法识别沉积相，推断沉积环境变化。

2 研究区概况

前湖湾位于福建省漳浦县赤湖镇以东约3 km，地理坐标24°02′10″～24°07′20″N，117°53′40″～117°55′20″E。海湾总体呈长弧形，湾口开阔，面向台湾海峡，湾顶有前湖溪汇入海湾(见图1)。由于风暴潮的侵蚀，前湖湾潮间带埋藏古树林一度暴露出来，古树林被埋藏的成因众说纷纭[5—6]。

图1 研究位置及目标样品分布图Fig.1 Location of research section and target samples

本研究在海岸剖面以10 cm间隔连续采集海岸露头剖面样品70个，从上往下编号为D2-70～D2-1，在露头剖面跟前钻孔穿过埋藏古树沉积层至基底花岗岩风化层，以同样间隔延续向下采集埋藏剖面钻孔岩心样品63个从上往下编号为CHHA-01～CHHA-63，确保露头剖面、埋藏剖面样品的连续性，共获得133个待判别样品(图2)。

图2 漳浦前湖湾海岸岩性剖面及钻孔位置(①～⑥岩性段)Fig.2 The coastal section and hole location in Qianhu bay, Fujian province(①～⑥suggested lithologic section)

整个剖面岩性大致分为6个阶段，从上往下依次为：

第⑥段：黄白色细砂、粉砂，沉积物松散，成分较单一，属于现代风砂沉积，厚度约1 m；

第⑤段：褐黄色、浅黄色细沙，沉积物松散，见少量褐色斑纹、褐色斑点，厚度约2.5 m；

第④段：灰色、黑色淤泥、泥炭，沉积物黏重，中部泥炭测年14C=(24 130±100)a BP(北京大学加速器质谱实验室、第四纪年代测定实验室测试，经树轮校正)，厚度约1.5 m；

第③段：褐灰色、褐黄色、青灰色细沙，沉积物松散，见少量褐色斑纹、斑点，厚度约1.45 m；

第②段：土黄色、灰白色中砂、细砂交替，沉积物松散，见少量褐色斑纹、锈色团块，厚度约3.7 m；

第①段：灰褐、灰白、黄绿色中砂、粗砂，沉积物松散，见少量褐色斑纹、锈色斑点，底部淤泥测年14C=(32 815±170)a BP(北京大学加速器质谱实验室、第四纪年代测定实验室测试，经树轮校正)，厚度约4.4 m。

3 研究方法

海岸剖面133个样品用10%的H2O2去有机质；用10%的HCl去碳酸钙等胶结物；用0.05 mol/L(NaPO3)6分散样品并置于超声波振荡7 min。处理后用马尔文粒度仪(Mastersize2000)测量。结果显示样品粒度分布具有多样性，挑选其中不同类型代表性样品表示其粒度分布特征(见图3)，直观难以识别整个剖面蕴含的多种环境变化，需要判别大量样品蕴含的沉积环境信息。

根据瓦尔特相律即相序连续性原理：在没有沉积间断的条件下，只有在横向上相邻的相，才能在纵向上互相叠置[1]。前湖湾海岸剖面粒度分布多样性与周边环境多样性有关，如果用周边已知沉积环境样品的沉积参数作目标判据来识别待检测样品，它们具有相同的物源和相似的沉积动力，判别具有可比性，其中与目标样本最小距离者，归为同类，以此识别样品蕴含的沉积环境。大量被检测样品与目标样本参数的对比计算用Excel“绝对引用”可方便、快捷完成。

为了识别海岸剖面样品蕴含的不同沉积环境，在剖面周边分别采集已知环境的海滩(图1中A)样品3个、河口(图1中B)样品2个，河口外浅滩(图1中C)样品2个、沙丘(图1中D)样品2个、沼泽(图1中E)样品2个，设为目标样本。海滩样本为黄白色中砂、细砂，质地松散，分选好；河口样本为褐黄色粗砂、中砂，质地略黏滞分选差；河口外浅滩样本为浅黄色中砂、粗砂，质地松散，分选差；沙丘样本为黄白色中砂，质地松散，分选好；沼泽样本为灰黑色淤泥、泥炭，质地黏重，分选差。

图3 海岸剖面代表性样品的粒度分布Fig.3 Grain size curves of samples from coastal section

对于采集的目标样本做同样处理，用马尔文粒度仪(Mastersize2000)测量获得海滩、河口，河口外浅滩、沙丘、沼泽粒度分布。海滩砂粒度曲线呈单峰(见图4a)，河口砂呈双峰(见图4b)，河口浅滩砂呈双峰(分布特征界于海滩和河口特征之间，见图4c)，沙丘砂呈单峰(见图4d)，滨海沼泽泥沙呈三峰(见图4e)。

将目标样本和剖面样品测量特征分位值分别输出至Excel，换算成φ5、φ16、φ25、φ50、φ75、φ84、φ95值，用公式(1)～(4)[7]计算每个样品的平均粒径(Mz)，标准偏差(σ)，偏度(Sk)，峰态(Kg)参数值。将目标样本平均粒径、标准偏差、偏度、峰态值拟设为目标样本参数。

Mz=(φ16+φ50+φ84)/3，

(1)

σ=(φ84-φ16)/4+(φ95-φ5)/6.6，

(2)

Sk=(φ16+φ84-2×φ50)/2×(φ84-φ16)+

(φ5+φ95-2×φ50)/2×(φ95-φ5)，

(3)

Kg=(φ95-φ5)/2.44×(φ75-φ25).

(4)

为了让目标样本具有较好的兼容性，每一类用若干个样品求φ5、φ16、φ25、φ50、φ75、φ84、φ95平均值，再计算参数Mz、σ、Sk、Kg(表1)，并对数据进行均一化处理[8]，在统一阈内表达，以便后续计算中的权重平等。

表1 目标样本判别参数Tab.1 The discriminant parameters of target samples

注：表中黑斜体参数值很接近，不宜区分被检测样品。

图4 目标样本粒度频率曲线Fig.4 Grain-sizes curves of the target samplesa.海滩样本，b.河口样本，c.河口外浅滩样本，d.沙丘样本，e.滨海沼泽样本a.Beach samples，b.estuary samples，c.shallow samples，d.dune samples，e.seamarsh samples

目标参数选择要适当，太少不宜区分样品，太多易出现相近的变量，造成某些相近参数权重的无意加大，混淆判别。研究区目标样本参数总体特征显著，易于区分，但筛选发现，沙丘、海滩和河口外浅滩的偏度值很接近(表1黑斜体)，不利于样品区分，不设为判别参数。为此，将识别特征显著的参数——平均粒径、标准偏差和峰态设为目标参数。

对133个剖面样品参数Mz、σ和Kg均一化处理后，用公式(5)[8]分别在Excel计算133个样品与目标样本的参数距离。

(5)

式中，Dij为被检样品与目标样本的距离，xit为第i待判别样品第t均一化参数值(其中i为待判别样品序列号(1～133)，t为沉积参数号Mz、σ、Kg)，xjt为第j目标样本第t均一化参数值(其中j为目标样本号表示海滩、河口、浅滩、沙丘、沼泽)，k为参数的维数。

计算结果数据量很大，最小距离数据不容易看出。用Excel“相对引用”将距离判据数据减最小距离数据，等于“0”的数据一目了然，就是最小距离样品，将其与目标样本归为同类。这样，整个研究剖面样品蕴含的各种沉积环境一目了然。

判别样品指示的沉积环境在一定阶段内保持一致较为可靠，体现沉积环境稳定性。个别样品判别的环境突变，但与相邻样品相差微小，可能为实验或计算误差的原因，可参考上下岩性相似性程度，加以修正。

判别的结果可以与目标样本进行粒度分布曲线对比检验，随机选取判别出的某阶段样品，如：D2-58～D2-64样品判别为海滩环境，将其粒度曲线与目标样本的海滩样品D5-1、D5-2、D5-7曲线进行比较，两者吻合性好(图5)，判别效果良好。

图5 被检样品与目标样本的粒度曲线对比Fig.5 Grain-sizes curves matching of examined samples with target samples

4 结果

判别结果整理后，整个剖面样品反映了从河口浅滩-河口、沙丘-河口-滨海沼泽-海滩-沙丘等环境演变过程。据此将研究剖面分为6个阶段(图3中①～⑥)。第①阶段-6.3～-1.9 m为河口浅滩阶段，岩性为灰褐、灰白、黄绿色为主的河口浅滩中砂、粗砂，其下含有海侵淤泥。淤泥层之上埋藏古树林，表明海侵结束后生长古树林，年代为14C=(328 15±170)a BP。第②阶段-1.8～1.9 m为河口浅滩-沙丘交替阶段，岩性为土黄色、灰白色河口浅滩中砂与沙丘细砂交替，河口浅滩退却，海岸风砂活跃。第③阶段2～3.45 m为沙丘-河口阶段，岩性为褐灰色、褐黄色、青灰色细沙，该阶段沙丘更加活跃，与河口交替出现。第④阶段3.5～5 m，为滨海沼泽阶段，岩性为灰色、黑色淤泥和泥炭14C=(24 130±100)a BP，该阶段处于盛冰期，气候干冷，海面下降，沙丘发育，阻碍河水外流，演变为潟湖沼泽。第⑤阶段5.1～7.6 m为海滩-沙丘阶段，岩性为褐黄色、浅黄色细沙，表明冰后期海面快速上升，海滩与沙丘超覆沉积在泥炭层上。第⑥阶段为海岸剖面顶部风沙阶段，岩性为黄白色粉砂、细砂，属于现代风砂沉积。

5 讨论

末次冰期期间40～50 ka BP是MIS3气候回暖强盛时期，中国南方对这时期气候响应强烈，有些估计该阶段气候比现代更暖[9-10]，福建沿海多处出现42 ka BP海侵[11]，福建洞穴石笋δ18O也揭示了42 ka BP前后出现高温和降水丰沛气候[12]。前湖湾剖面所反映的正是42 ka BP海侵之后，气温、海面逐步下降向盛冰期低温、低海面的海岸环境演变，以及冰后期气温、海面快速上升出现海岸超覆沉积的过程。下部(32 815±170)a BP古树林出现在海侵淤泥层之上，表明海面开始下降，沿岸成陆的森林环境。随着海面继续下降，古树林被浅滩砂，沙丘砂，河口砂，沼泽泥等覆盖，表现在①～④阶段沉积。冰后期海面快速上升，海滩沙超覆沿岸沉积，形成上部海滩、沙丘沉积，表现为第⑤阶段沉积。前湖湾环境经历了河口浅滩-河口、沙丘-河口-滨海沼泽-海滩-沙丘等演变过程与末次冰期气候、海面变化相符，是气候、海面变化的沉积响应。

6 结论

在沉积相生物指标、化学指标不全的地层中，利用合适的粒度分析能有效的识别地层的沉积环境，分析古地理环境变化。本文利用研究区周边已知环境样品的沉积参数判别待检测样品的目标样本粒度判据方法就是其中之一，目标样本与被检测样品物质同源，沉积动力相似，具有可比性、判别效果较好。

图6 海岸剖面样品与目标样本参数最小距离判别(参数距离“0”表示与该目标样本最小距离)Fig.6 The minimum distance judgment of coastal samples and target samples (“0” was suggested minimum distance of the coastal samples and target samples)

研究案例以前湖湾周边海滩、河口浅滩、河口、滨海沼泽和海岸沙丘等已知环境样品的沉积参数平均粒径、标准偏差、峰态为判别参数，计算、筛选与目标样本参数最小距离的前湖湾剖面样品，归为目标样本的同类，识别出海岸剖面地层蕴含着河口浅滩、沙丘、河口、滨海沼泽、海滩等沉积环境。末次冰期MIS3以来，前湖湾海岸带出现河口浅滩-河口、沙丘-河口-滨海沼泽-海滩、沙丘等海岸环境变化，是气候、海面变化的沉积响应。

致谢：感谢其他研究生、本科生等参与本项目野外采样，感谢北京大学加速器质谱实验室、第四纪年代测定实验室为本文测量14C年代。

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The parameters of target samples as criterion to research environmental evolution in bay：as the case of Qianhu Bay，Fujian Province

Yu Mingtong1，2，Liu Xiuming1，2，Yang Huawei1，Cao Hongwei1，Tang Rongjun1，Liu Wei1，Gong Zhengquan1，Chen Youxi1，Chen Ying1，Sun Qiaohong1，Guo Jie1

(1.CollegeofGeographicalSciences，FujianNormalUniversity，Fuzhou350007，China; 2.StateKeyLaboratoryofSubtropicalMountainEcology，FujianNormalUniversity，Fuzhou350007，China)

133 high density sediment samples were collected from Qianhu Bay coastal section to analyze their grain size which showed a variety of the frequency curves indicated the changes of sedimentary environment. Some samples of beach，shallow，estuary，seamarsh and dunes around the section were also collected to analyze grain size. Their parameters of mean particle size (Mz)，the standard deviation (σ)，kurtosis (Kg) were set as criterion to calculate the minimum distance between the section samples and the criterion samples. Samples with minimum distance were classified to the similar of criterion sample so that to known their paleo-environment. We use this method to analyze 133 coastal samples and known their environmental evolution from estuaries shallow，estuaries，dunes，seamarsh to beach. The silt sample under the bottom of the coastal section was dating of14C=(32 815±170)a BP and known the ages of environmental changes of Qianhu Bay. Referring the sealevel changes in Fujian coastal during that time we know it was climate and sealevel changes that cause the environmental changes in Qianhu Bay.

criterion sample parameter; minimum distance; sedimentary environment discriminant

2014-12-12；

2015-03-16。

国家基础科学人才培养基金项目(J1210067)；国家自然科学基金项目(41210002)；福建师范大学2014年大学生创新创业训练计划项目。

俞鸣同(1959—)，男，福建省福州市人，教授，研究方向为第四纪环境。E-mail：ymt909@126.com

*通信作者：刘秀铭(1956—)，男，福建省福州市人，教授，研究方向为环境磁学与地球环境变化。E-mail：xliu@fjnu.edu.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.09.011

P736.2

A

0253-4193(2015)09-0106-07

俞鸣同，刘秀铭，杨华玮，等. 目标样本粒度判据在海湾环境演变研究中的运用——以福建前湖湾为例[J]. 海洋学报，2015，37(9):106-112，

Yu Mingtong，Liu Xiuming，Yang Huawei，et al. The parameters of target samples as criterion to research environmental evolution in bay：as the case of Qianhu Bay，Fujian Province[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(9):106-112，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.09.011