庐山JL剖面粒度敏感组分的提取与环境意义初探

赵 西 西，王 天 阳，朱 丽 东，叶 玮，李 凤 全，谷 喜 吉

(浙江师范大学地理过程实验室，浙江 金华 321004)



庐山JL剖面粒度敏感组分的提取与环境意义初探

赵 西 西，王 天 阳*，朱 丽 东，叶 玮，李 凤 全，谷 喜 吉

(浙江师范大学地理过程实验室，浙江 金华 321004)

粒度环境敏感组分能够更准确地指示沉积物的沉积环境。该文采用粒级—标准偏差法提取JL剖面的敏感组分，分析了粒度敏感组分含量在剖面上的变化，并探讨其环境指示意义。结果表明：1)JL剖面有3个粒度敏感组分(组分1平均粒径波动范围为0.7～1.04 μm，平均值为0.94 μm；组分2平均粒径的波动范围为5.15～5.50 μm，平均值为5.34 μm；组分3平均粒径的波动范围为22.16～32.84 μm，平均值为25.83 μm)，其中组分3对环境变化的反应最敏感，能够指示冬季风的强弱变化。2)敏感粒度组分的含量在网纹红土中最低，棕黄色黄土层中含量最高，古土壤层的含量介于网纹红土层和棕黄色土层之间。3)JL剖面敏感粒度组分含量的纵向变化表现为高低值相间的多个旋回。初步认为，庐山地区第四纪以来冬季风呈明显增强的趋势，并存在冬夏季风强弱交替的波动。

红土；敏感组分；粒级—标准偏差

沉积物的粒度数据在判定物质的运动方式上已经有许多研究，并且被用来识别沉积物形成的环境，可以解释沉积物形成中的搬运情况和沉积动力，在沉积学研究中具有重要作用[1,2]。研究表明，不论是现代的沉积物，还是地质历史时期形成的沉积物，都是由不同物源或沉积动力过程组合而成，全样的粒度参数不能详细说明沉积环境[3]。操应长等[4]指出，环境敏感粒度组分是指那些能够详细说明沉积环境的水体能量变化并能指示不同能量水动力的粒度组分。将环境敏感粒度组分应用到风成沉积物的研究之中，则可以用来指示沉积环境中不同能量风动力对应的粒度组分。许多学者通过对多峰的粒度曲线的分解提取其中的环境敏感组分，对北方风成沉积物进行了相关研究[5-8]。本文所研究的JL剖面，已经有很多研究成果，如朱丽东等[9-13]对第四纪红粘土的粒度特征、网纹红土稀土元素地球化学特征、土壤色度、磁化率特征及其形成过程中的沉积环境进行了深入研究；杨立辉等[14,15]对第四纪加积型红土与北方黄土之间的风成相似性以及加积型红土与下蜀黄土的理化特征进行了比较研究；姜永见等[16]对JL剖面红土粒度体积分形特征进行了研究，并探讨其环境意义。但以上研究都没有涉及环境敏感粒度组分,而环境敏感组分能够更准确地指示沉积物形成的沉积环境。因此，本文提取多峰的粒度曲线，得出其中的环境敏感粒度组分并探讨其环境意义，为JL剖面沉积环境的研究作出贡献。

1 材料和方法

1.1 研究剖面概况

庐山位于我国中亚热带常绿阔叶林带的北端，区域内的土壤为红壤、黄壤。庐山虽然是亚热带季风气候，但由于山高谷深，具有明显的山地气候特征。网纹红土在这里得到广泛发育，主要分布在河流阶地和海拔<400 m的和缓丘陵地区。网纹红土的广泛分布是第四纪期间气候湿热的有力证据[17]。此外，海拔>1 000 m的地方保留的变位网纹红土是第四纪期间庐山隆升的标志[18]。

JL剖面是因公路修建而出露的，位于江西省九江市庐山的西北麓，地理位置为29°42′N，116°02′E，剖面厚度为18.46 m。对剖面观察得到，该剖面整体质地比较均一，未发现大于2 mm的砾石和流水作用的痕迹。与残积风化红土相比，具有不同的粒度特征和沉积地层，并具有风成特性，被称为加积型沉积红土[19]。剖面从下到上可以分成8个明显不同的地层(图1)，它们的土色、土壤发育程度及网纹形态结构等有明显的差异。剖面中下部1～5层为网纹红土，厚14 m，基质颜色呈深浅交替；剖面上部6～8层为棕黄色土，厚4.46 m，其中第7层土壤发育程度相对较好，为浅红色古土壤。根据施雅风等在庐山地区的工作，剖面中下部网纹红土对应叶家垄组，剖面上部棕黄色土对应于下蜀组[20]。

图1 JL剖面地层性状[12]

Fig.1 Formation properties of JL profile

1.2 研究方法

近年来，对沉积物进行粒度分析，通过计算不同的粒度指标，讨论搬运的介质和方式、沉积环境等影响因素，是对古环境演化规律研究的一个重要方面[21]。激光粒度仪大大提高了粒度测量的可重复性及精确性，为古气候古环境的分析研究作出了重要贡献。由于物源和沉积动力都具有复杂性，不论是地质时期的沉积物，还是现代的沉积物，都是由不同成因的组分混合形成，因此，全样的粒度参数不能详细说明沉积环境的具体情况；同时不是所有的粒级组分都对环境变化有敏感反应[22]，所以必须从沉积物的粒度数据中提取环境敏感粒度组分，提取方法主要有：多元分析的方法(包括主成分分析、因子分析等)[23]、Weibull分布函数拟合法[24]、粒级—标准偏差法[25]和端元分析模型[26]等。

粒级—标准偏差变化曲线能够反映不同粒径范围内不同样品的粒度含量存在的差异性。标准偏差的值越高，表明在某一粒径范围内的样品具有变动较大的粒度含量；较低的标准偏差，表明某一粒径范围内的样品具有变动较小的粒度含量[2]。可以据此得出一系列的样品，在粒度组分的范围以及个数上明显不同。沉积动力环境对得出的这些粒度组分的影响要比其他粒度组分大，即称之为环境敏感粒度组分。本文主要采用粒级—标准偏差法，通过计算粒度数据的标准偏差，绘制粒级—标准偏差曲线，进而提取环境敏感粒度组分。

2 敏感粒度组分的确定

2.1 敏感粒度组分的提取

图2(见封3)为JL剖面的粒度频率曲线，可以看出粒度频率分布曲线呈多峰分布，第一众数出现在15～30 μm之间，第二众数则对应粘粒。处理得出的JL剖面的粒度数据，计算各粒级数据的标准偏差，它可以反映一组测量数据的离散程度和某时段内统计结果围绕误差上下波动的幅度。以标准偏差作为纵坐标、粒径作为横坐标作出粒级—标准偏差曲线，如图3所示。

图3 JL剖面沉积物粒级标准偏差曲线

Fig.3 Sediment grain size-standard deviation curve of JL profile

某粒级组分的标准偏差值越大代表其波动幅度越大，而沉积物作为环境的指示物，标准偏差越大的粒级组分对环境变化的响应比其他粒级组分更加敏感。标准偏差的峰值对应的粒径分别为0.31 μm、5.02 μm和25.17 μm，谷值对应的粒径分别为1.78 μm、10.02 μm，因此把样品的全部粒级划分成3个标准偏差区间：0.02～1.78 μm、2～10.02 μm、11.24～2 000 μm，分别记作组分1、组分2和组分3。其中组分1粒级含量的变化范围为9.86%～34.46%，平均含量为16.22%；组分2粒级含量的变化范围为29.63%～46.58%，平均含量为39.69%；组分3粒级含量的变化范围为30.29%～57.51%，平均含量为44.09%。绘制各组分粒级含量随深度的变化曲线(图4)，从各组分粒级含量图比较可以看出：3个粒级组分含量最高的是组分3，其次是组分2，最小的是组分1；组分3和组分2波动十分明显且变化幅度较大，组分1的波动幅度不大。

图4 JL剖面样品各组分百分比含量

Fig.4 Percentage content of components for JL profile sample

通过粒级—标准偏差法得到的粒度组分有3个，需要进一步判断哪个组分对环境变化具有更好的指示意义，因此再通过对3个组分的平均粒径进行比较，确定环境敏感粒度组分。采用距算法[21]分别计算组分1、组分2和组分3的平均粒径。首先将各组分的粒级频率百分数转化为100%，再求粒级百分数与各个粒级的中值之积，最后求总和即可得到整个敏感粒级组分的平均粒径。求出的3个组分各自平均粒径分别为：组分1平均粒径的波动范围为0.7～1.04 μm，平均值为0.94 μm；组分2平均粒径的波动范围为5.15～5.50 μm，平均值为5.34 μm；组分3平均粒径的波动范围为22.16～32.84 μm，平均值为25.83 μm。可以看出组分1和组分2的平均粒径波动较小，组分3的平均粒径波动幅度最大。再计算3个组分平均粒径的标准偏差：组分1为0.06、组分2为0.05、组分3为1.16，可见组分3平均粒径的标准偏差最大。综合考虑3个粒度组分的含量、平均粒径及其波动，最终确定组分3对环境变化的反应最敏感，能够指示JL剖面记录的环境变化。

2.2 敏感粒度组分的环境意义

将求得的各个敏感组分的平均粒径放在沉积物的粒度构成中进行比较，发现组分1(0.94 μm)对应的是粘粒，占总体的平均百分比为16.22%，变化范围为9.86%～34.46%，这表明红土形成过程中受到了较强的风化作用。组分2(5.34 μm)占总体的平均百分比为39.69%，变化范围为29.63%～46.58%，为细粉砂对应风力挟持组分[6]。组分3(25.83 μm)对应的是粗粉砂，占总体的平均百分比为44.09%，变化范围为30.29%～57.51%，在整个粒度构成中所占比重最大，相对波动范围也最大。因此组分3在3个敏感组分中最具代表性。在对风成沉积物的研究中，“风尘基本粒组”[28]的范围为10～50 μm，组分3的平均粒径为25.83 μm，属于该范围。研究表明，JL剖面具有明显的风成特性[29]，风成沉积物环境敏感粒度组分中的粗组分与东亚冬季风有关[30，31]。因此，在JL剖面中敏感粒度组分3的含量变化可以间接指示东亚冬季风的变化情况。

3 敏感粒度组分的剖面变化及其意义

JL剖面敏感粒度组分的含量沿剖面的变化大致可分为三大段(图5)：第一段为剖面的①层(该层按网纹形态，层内细分出3段，其中①-3网纹呈斑点状，大小混杂，①-2网纹较①-3段增大，①-1网纹相对稀疏)，为棕红色网纹层，敏感粒度组分含量值低，波动幅度大，呈自下而上波动增加特征，但在波动增加的大趋势下也存在着局部的下降。第二段为剖面的②-⑤层，为网纹红土层，敏感粒度组分含量较①-1略有减少，呈阶梯式波动上升趋势，②下部、③下部、④都呈下降趋势，②上部、③上部、⑤都存在明显的上升，⑤上部出现急剧的上升。第三段为棕色黄土⑥-⑧层，敏感粒度组分含量为全剖面中最高，⑥下部、⑦上部呈下降趋势，⑥上部、⑧存在明显的上升趋势。因此全剖面存在着高低值相间的轮回，自下而上敏感粒度组分含量呈波动增加趋势。

图5 组分3百分率随深度变化曲线

Fig.5 The percentage change curve with depth for component 3

JL剖面粒度敏感组分含量的变化可以指示冬季风强弱变化，可以在一定程度上指示该地区沉积环境的变化。环境敏感粒度组分能指示沉积物形成中经受的不同能量和动力[3]，因此，敏感粒度组分的纵向变化更好地显示了沉积环境的分段性。

网纹红土发育过程中经历了一个相当长的湿热气候环境[18,9]，风化成壤强烈。从剖面记录的情况来看，存在风化减弱事件。第①网纹层的敏感粒度组分含量在全剖面最低，相对应的此阶段冬季风也最弱，但此时冬季风又有所波动，①-3到①-1整体上冬季风是增强的，①-3冬季风最弱，在该层有大量的铁质胶膜，是在湿热的气候条件下形成的[32]。①-2冬季风呈现减弱趋势，但较①-3强。①-1层冬季风处于波动状态，但比①-3、①-2阶段强。与第①网纹层进行比较，②-⑤层的敏感粒度组分含量略有减少，波动比前一阶段平缓，说明此时冬夏季风的交替频率比前一阶段小。②下部、③下部和④处记录的冬季风呈减弱的趋势，②上部、③上部和⑤处记录的冬季风有明显的增强，其中⑤处冬季风出现急剧的增强。此时冬季风加强，夏季风相对减弱，季风变化周期变长。第⑥层的敏感粒度组分含量先是有所减少，再增加到一个较高的含量，冬季风加强。第⑦层为浅红色古土壤层，冬季风有所减弱，风化成壤作用有所加强。但相对剖面中下部的网纹红土，冬季风强度较强，气候的湿热程度不及网纹红土发育时期。第⑧层敏感粒度组分含量有明显增加，冬季风进一步加强，气候干冷程度增加，风化强度进一步减弱。

JL剖面敏感粒度组分含量的纵向变化所指示的环境意义与前人对庐山地区第四纪沉积环境变化的研究结论基本一致。姜永见等[16]对JL剖面红土粒度体积分型特征的研究中指出，该地区的网纹红土形成于相对湿热的环境下，冬季风势力弱，夏季风势力强劲，气候的干湿变化频繁，整体上呈由热变凉的趋势。李吉均等研究认为，庐山地区第四纪气候存在一个湿热变干凉的过程，并存在数次反映冰期旋回的气候冷暖波动[17]。朱诚认为中更新世早期，庐山地区的气候以湿热为主；到晚更新世初中期，该区气候呈现干冷与湿热的频繁交替；晚更新世末一直到全新世初期，中等规模的抬升运动导致庐山地区变为干冷气候[18]。黄翡等通过研究九江第四纪红土的生物、地球化学也得出，从中更新世开始，该地区的气候呈明显变干变冷的趋势[32]。该剖面的磁化率[12]、土壤色度[11]、粒度体积分型特征[16]的研究也有相似结论。

4 结论

(1)使用粒级—标准偏差法提取JL剖面环境敏感粒度组分，得到3个敏感组分，分析每个组分的百分比含量变化、平均粒径及其波动情况，最后得出组分3最能代表整个剖面样品记录的信息。敏感组分为基本风成粒组，可用来指示冬季风的变化。

(2)第①网纹层敏感粒度的组分含量在全剖面最低，波动频率较高，呈增加趋势；②-⑤层敏感粒度组分的含量较①层高，波动频率低，在第⑤层出现明显增加；⑥-⑧层敏感粒度组分的含量在全剖面最高，⑧层呈明显增加的趋势。从整体上看，敏感粒度组分的含量呈波动增加的趋势。

(3)JL剖面敏感粒度组分含量自下而上呈波动上升的趋势，表现为高低值相间的多个旋回，相应的指示了冬季风由弱到强的多个变化阶段，与前人的研究结果基本一致。初步认为，JL剖面环境敏感粒度组分含量的变化，可以指示该地区第四纪以来沉积环境的变化趋势。

[1] 朱宣清，何乃华．运用粒度分析方法恢复河流地貌——以滹沱河为例[J]．河北省科学院学报，1990,7(1):17-29．

[2] 丁喜桂，叶思源，宫少军等．黄河三角洲ZK1孔岩心环境敏感粒度组分及沉积环境分析[J]．世界地质，2010，29(4)：575-581．

[3] PRINS M A，POSTMA G，WELTJE G．Controls on the terrigenous sediment supply to theArabian Sea during the late Quaternary: The Makran continental slope[J]．Marine Geology，2000,169: 351-371．

[4] 操应长，王建，刘惠民．利用环境敏感粒度组分分析滩坝砂体水动力学机制的初步探讨——以东营凹陷西部沙四上滩坝砂体沉积为例[J]．沉积学报，2010,28(2):274-283．

[5] 徐树建，潘保田，高红山，等．末次间冰期-冰期旋回黄土环境敏感粒度组分的提取及意义[J]．土壤学报，2006,43(2):183-190．

[6] 鹿化煜，安芷生．黄土高原黄土粒度组成的古气候意义[J]．中国科学(D辑)，1998,28(3):278-283．

[7] 汪海斌，陈发虎，张家武．黄土高原西部地区黄土粒度的环境指示意义[J]．中国沙漠，2002,22(1):21-26．

[8] SUN D H，BLOEMENDAL J，REA D K，et al．Grain-size distribution function of polymodal sediments in hydraulic and aeolian environments，and numerical partitioning of the sedimentary components[J]．Sedimentary Geology，2002,152(3-4):263-277．

[9] 朱丽东，叶玮，周尚哲，等．中亚热带第四纪红粘土的粒度特征[J]．地理科学，2006,10(5):586-591．

[10] 朱丽东，周尚哲，叶玮，等．网纹红土稀土元素地球化学特征的初步研究[J]．中国沙漠，2007,3(2):194-200．

[11] 朱丽东，李凤全，叶玮，等．庐山JL红土剖面的色度气候意义[J]．热带地理，2007,27(3):193-199．

[12] 朱丽东，姜永见，张明强，等．庐山JL剖面红土磁化率特征及古环境记录[J]．山地学报，2011,7(4):385-394．

[13] 叶玮，朱丽东，李凤全，等．中国中亚热带网纹红土的地球化学特征与沉积环境[J]．土壤学报，2008,5(3):385-391．

[14] 杨立辉，叶玮，朱丽东，等．第四纪加积型红土与黄土的风成相似性探讨[J]．干旱区地理，2008,5(3):341-347．

[15] 伊继雪，朱丽东，姜永见，等．第四纪加积型红土与下蜀黄土理化特征比较[J]．海洋地质与第四纪地质，2009,4(2):123-130．

[16] 姜永见，朱丽东，叶玮，等．庐山JL剖面红土粒度体积分形特征及其环境意义[J]．山地学报，2008,1(1):36-44．

[17] 李吉均，张林源，邓养鑫，等．庐山第四纪环境演变和地貌发育问题[J]．中国科学(B辑)，1983(8):734-744．

[18] 朱诚．对庐山东麓第四纪沉积物物源及新构造运动的新认识[J]．地理学报，1995,50(1):41-50．

[19] 朱丽东．中亚热带加积型红土及其所记录的第四纪环境变化探讨[D]．兰州:兰州大学，2007．

[20] 施雅风，崔之久，李吉均，等．中国东部第四纪冰川与环境问题[M]．北京:科学出版社，1989.321-325．

[21] 龚正权．晚更新世以来闽东沿海风沙沉积的古季风变化记录研究[D] ．福州：福建师范大学，2010．

[22] 万世明，李安春，JAN-BEREND W S，等．南海北部 ODP1146 站粒度揭示的近 20 Ma 以来东亚季风演化[J]．中国科学(D辑)，2007,37(6):761-770．

[23] KLOVAN J E.The use of factor analysis in determining depositional environments from grain-size distributions[J].Journal of Sedimentary Petrology，1966,1(36):115-125.

[24] 孙东怀，鹿化煜，REA D，等．中国黄土粒度的双峰分布及其古气候意义[J]．沉积学报，2000(3):327-335．

[25] 刘巍，俞鸣同，龚正权，等．福建漳浦前湖湾晚第四纪滨海沉积物敏感粒级组分的提取及意义[J]．宁德师专学报，2009,21(1):28-33．[26] 张存勇．连云港近岸海域沉积物粒度端元模型分析[J]．淮海工学院学报，2008,17(2):74-78．

[27] 刘东生．黄土与环境[M]．北京：科学出版社，1985.191-208．

[28] 胡雪峰，朱煜，沈铭能．南方网纹红土多元成因的粒度证据[J]．科学通报，2005,50(9):918-925．

[29] 孙晓燕，李广雪，刘勇，等．东海北部泥质区敏感粒度组分对东亚季风演变的响应[J]．海洋地质与第四纪地质，2008,28(4):11-16．

[30] 孙有斌，高抒，李军．边缘海陆源物质中环境敏感粒度组分的初步分析[J]．科学通报，2003,48(1):83-87．

[31] 黄丽，洪军，谭文峰，等．我国几种亚热带土壤铁锰胶膜的微形貌和元素分布特征[J].自然科学进展，2006,16(9):1122-1129．

[32] 黄翡，熊尚发．江西九江第四纪红土中的植物硅酸体及孢粉[J]．微体古生物学报，2001,18(2):203-210．

Extraction of Environmentally Sensitive Grain Size Group from JL Section and Initial Exploration of Its Environmental Significance

ZHAO Xi-xi，WANG Tian-yang，ZHU Li-dong，YE Wei，LI Feng-quan，GU Xi-ji

(GeographyProcessLab，ZhejiangNormalUniversity，Jinhua321004，China)

Sensitive grain-size component can accurately indicate sedimentary environment.In this paper,grain-standard deviation method was applied to extract sensitive grain-size components of JL profile．Some variations along the profile were observed，and we discussed their environmental implications.The results showed: 1)Three sensitive grain-size components were extracted (component 1 vary from 0.7 μm to 1.04 μm,average is 0.94 μm;component 2 vary from 5.15 μm to 5.50 μm,average is 5.34 μm;component 3 vary from 22.16 μm to 32.84 μm,average is 25.83 μm)and among which the component 3 was the most sensitive one，which indicates the change of winter monsoon.2)Plinthitic-red earth layers hold the least sensitive grain-size components,the brown-yellow layers most，and paleosol layers in between.3)The sensitive components showed multi-cycle along JL profile.Therefore,it could be inferred that the climate of Lushan is characterized by the alternation of summer and winter monsoon circulation，and it accompanied with a significant increase in winter monsoon since

red earth；sensitive components；grade-standard deviation method

2013-07-31；

2013-12-22

国家自然科学基金项目(41071002、41371206)

赵西西(1989-)，女，硕士研究生，从事数学方法在地理学中的应用研究。*通讯作者E-mail：Lygl59@zjnu.cn

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.02.023

P512.2

A

1672-0504(2015)02-0115-04