大连贺家圈黄土粒度所指示的物源特征

郑树森，李永化，魏东岚

(辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连 116029)

0 引言

黄土是第四纪时期形成的松散土状堆积物。中国黄土分布范围广，沉积厚，具有良好的沉积连续性，承载着沉积过程中重要的气候环境信息和沉积动力特征，因此黄土与深海沉积物、极地冰芯一起被称为全球古气候的三大信息库[1]。

辽南地区的黄土属于中国黄土分布的最东界(与庙岛群岛和胶东半岛的黄土合称为“滨海黄土”)，主要集中于辽宁南部靠近渤海的西部海岸区域，其堆积主要受到当时欧亚大陆东部沿海自然地理环境的影响，与内陆地区典型的中国黄土相比具有其独特性[2]，对于中国第四纪环境变迁研究具有重要的科学意义。一方面，辽东半岛滨海黄土符合中国黄土分布的基本趋势；另一方面辽南滨海黄土在粒度组分和化学元素上，具有和内陆黄土明显的区别，即粒度具有粗细两个组分。辽东半岛黄土具有双物源的性质，黄土的风化淋溶作用较内陆黄土强，较南京下蜀黄土弱，基本与山东庙岛黄土相近。张威[3，4]、李雪铭[5，6]等人已经对辽南滨海黄土做过大量的研究工作，并积累了宝贵的研究基础。

沉积物的粒度特征受到沉积环境、沉积动力、地形地貌等多种因素的影响，同时可以明确体现出沉积物的粒度组成，是研究第四纪沉积物的重要手段之一，被广泛的运用于第四纪黄土、红色风化壳与河湖相沉积物的分析当中。黄土沉积的连续性较好，这一点在粒度特征上体现的很明显。因此，黄土的粒度特征在反演古气候，重建古环境中具有广泛应用[7]。但是不同时代背景下的沉积环境不同，气温不同，水分条件也不同，这些环境因素均对沉积物的粒度组成、分选具有较大的影响和控制作用。沉积物粒度组成同时受到沉积环境和沉积后期环境的共同影响，沉积物在沉积之后受到的风化作用和改造作用，均会影响沉积物粒径大小，粉粘比等一系列特征。所以黄土的全样粒度数据混杂着较多的其它因素，在判别气候信息方面具有不稳定性和不确定性[8]。

国内众多学者已经开始尝试使用端元分析来加以区分沉积物的粒度组成，以及深入探讨沉积环境、物质来源与沉积动力等因素，对国内不同区域的第四纪黄土[9，10]与河湖相沉积[11，12]进行的相关研究均取得了丰富成果。目前针对辽南滨海黄土进行的粒度端元分析和物源分析较少，故本文采用端元分析模型对辽南滨海黄土进行粒度分析和物源探讨。

1 研究区概况

贺家圈(HJQ)剖面(121°14′42.3″E，39°32′10.87″N)位于大连市长兴岛西部，地质构造上属于中朝准地台中的胶辽台隆区。地层以古生代为主，中生代地层间杂发育其中。研究区位于暖温带地区，受海陆位置及周围地形的影响，气候为具有海洋性特点的暖温带大陆性季风气候，冬无严寒、夏无酷暑、四季分明。年平均气温10.5℃，自南向北递减，极端气温最高37.8℃，最低-19.13℃；年平均降水量介于550 mm～900 mm ，雨季集中在夏季，自东向西递减；根据地区气象站多年统计数据，冬季主要受来自北方的干冷冬季风影响，夏季受来自南部的暖湿夏季风影响，年平均风速从沿海岛屿和半岛南端向中部和北部递减。

贺家圈黄土剖面厚度约7 m，剖面底部海拔50 m，顶部有植被覆盖，其下发育50 cm厚的现代土壤层，剖面整体呈黄色，垂直节理发育，土质疏松。通过详细观察，剖面明显为沉积连续的黄土地层，且没有受到明显扰动，较为完整地保存了晚更新世以来的沉积信息。剖面依照等间距采集法，间距30 cm，自上而下采集样品21个。

图1 贺家圈(HJQ)剖面位置(a)及周围优势风向(b)

2 研究方法

2.1 粒度以及地球化学元素分析

贺家圈剖面黄土样品的粒度和地球化学元素实验，均在辽宁师范大学地理科学学院重点实验室进行。粒度实验使用美国贝克曼库尔特有限公司生产的型号为LS13 320激光衍射粒度分析仪进行测量。粒度实验采取3组平行实验，选取最优结果。地球化学元素使用日本理学Rigaku公司ZSX Prinmus Ⅱ型X射线荧光光谱仪进行元素测量，常量元素误差控制在2%以内。根据沉积物各粒径范围的体积百分比含量绘制所有样品的沉积物粒度频率分布曲线(图2a)，可以看出贺家圈剖面黄土主要成分为粗粉砂和细砂，粒径整体较粗，具有双峰结构。结合谢帕德三角分类图(图2b)，可以判断出贺家圈剖面黄土接近砂和粉砂的特征，颗粒较粗，粒径较大。

2.2 端元分析

端元分析方法最早由Weltje提出[13，14]，他认为沉积物由不同的物质来源或者由不同的搬运动力经过混合而成。根据一组沉积物粒度数据进行分析计算，把不同动力作用下的端元组分分离出来。中国科学院地质与地球物理研究所地球深部结构与过程研究室Greig A.Paterson副研究员与其在澳大利亚国立大学的合作者David Heslop博士，设计开发了一种基于总体特征的粒度端元分析的非参数估计方法，相较于目前国际上的一些已有沉积数据分离算法，该方法在数据拟合方面具有更高的准确率[15]。运用MATLAB软件导入21个样品的粒度数据集合，在假设1～10个端元的基础上，对数据进行EMMA计算。随着端元数量的增加，粒级复相关系数R2逐渐接近于1，角度离差逐渐变小。由图3可以看出，当端元数量达到3的时候，R2接近1且角度离差较小，说明划分出3个端元已经满足了EMMA分析的要求，故本文选择3个端元进行粒度分析。

图2 贺家圈(HJQ)剖面粒度频率曲线和谢帕德三角分类

图3 贺家圈(HJQ)剖面端元数线性相关和角度离差

3 结果和讨论

通过对贺家圈剖面沉积物的粒度进行EMMA分析，对分离出的3个端元绘制各端元粒度频率分布曲线。从图4可以看出，不同端元具有不同的形态特征，但是与剖面样品整体粒度频率分布曲线相一致，匹配较好。结合各端元曲线参数特征(表1)和频率分布曲线可以看出：端元1和3具有明显的双峰结构。端元1具有两个较大的峰，主峰在左次峰在右。主峰位于2Φ附近，说明主峰代表的颗粒粒径较大组分偏粗，主要组分是中砂和细砂，主峰高度较高，说明在剖面中粗粒组分占有较大比例；次峰位于5Φ附近，说明次峰主要为以粉砂为主的细粒组分，高度较低说明在剖面中细粒组分含量相对较少。端元2为典型的单峰构造，左端1-2Φ有一个小的波动，右端6-11Φ为细尾构造，说明主要组分为极细砂与粉砂，但是还存在一些中砂和黏土组分。端元3主峰在右次峰在左，高度相差不大，说明代表的两个粒度组分占比相差不多；主峰在5Φ附近，次峰在3Φ附近，说明主峰代表的是粉砂，次峰为极细砂。从平均粒径来说，端元1>端元2>端元3，说明端元1的组分最粗，端元2次之，端元3最细。从标准差来看，端元1>端元3>端元2，说明端元1分选较差，颗粒大小不均匀，粒径分布范围较广，主要分为两个粒级；端元2和端元3则粒级较少，主峰突出，说明颗粒较小且集中，分选很好。从峰度来看，端元2>端元3>端元1，说明端元2的高度最大，分选最好，粒度组成比较统一，成分较为单一；反之，端元1和3峰度较低且均为双峰构造，说明其粒度组分比较混杂，具有大小两个粒度组成成分。

表1 贺家圈剖面(HJQ)各端元曲线参数特征

图4 贺家圈(HJQ)剖面各端元频率分布曲线

从各端元深度分布曲线(图5)，可以看出端元1极值出现在最顶层和最底层，中间部分波动起伏较大；端元2与端元1的变化趋势大致呈负相关，在剖面上部较多且有一个明显旋回，在120 cm处出现极值，300 cm以下分布较少；端元3从剖面上部到下部呈现出波动上升的趋势，在510 cm处达到极值，在剖面下部含量明显高于上部。

风化淋溶系数(Ba)可以反映沉积物中活跃组分与惰性组分之间的相互关系，风化淋溶系数的高低与气候条件密切相关。Ba的高值反映出淋溶作用相对较弱，可以推测出此时气候相对干冷。贺家圈(HJQ)黄土剖面中Ba值的变化范围为0.45～0.83，平均值为0.6，距剖面120 cm处值最高，出现一次气候旋回，60 cm～120 cm处出现短时期的气候急剧升温。整体剖面自下部至上部BA值逐渐上升，反映出沉积环境的气候由暖湿逐渐变为干冷，在120 cm处达到极值，随后气候变暖。

化学蚀变指数(CIA)是反映沉积物化学风化程度的重要指标。据前人研究表明，未风化的沉积物当中，斜长石和钾长石CIA值约为50，为沉积物风化起点；当CIA值介于50～65时，指示沉积物属于低等风化阶段；当CIA值介于65～85时，沉积物属于中等风化阶段；伊利石和蒙脱石CIA值约为85，当CIA值介于85～100时，指示沉积物属于强烈风化阶段，高岭石和三水铝石CIA值约为100[16]。因此，CIA值越小、风化作用越弱、气候环境相对干冷。反之，风化作用越强，气候环境温湿。贺家圈(HJQ)黄土剖面中CIA的变化范围为67～71，平均值为69。剖面下部420～630 cm CIA值整体较高，上部整体较低。整个剖面的CIA值均为中等风化阶段，但是剖面下部风化程度情况较上部深，可以看出剖面沉积的早期阶段气候相对较为暖湿，后期相对干冷。

残积系数可以很好地反映沉积物化学风化淋溶作用的强弱，其高值反映风化淋溶作用较弱，沉积气候条件较为湿润；反之，风化淋溶作用强，气候较为干凉[17，18]。贺家圈(HJQ)黄土剖面中残积系数变化范围为0.91～2.08，平均值为3.93。在距地表450 cm处残积系数最大，此时气候环境最为温暖湿润。整体剖面自下部至上部残积系数值逐渐降低，反映沉积环境气候趋于干冷。

图5 贺家圈(HJQ)剖面各端元百分含量与气候指标对比

张威等人对大连七顶山黄土剖面进行光释光测年发现，辽东半岛滨海黄土上层马兰黄土堆积开始于10～11 ka左右，上层4 m左右黄土地层年代集中于22～31 ka，下部5.5～8 m黄土年代处于86～113 ka。根据与七顶山及周围其他黄土剖面进行对比，可以大致将贺家圈剖面3 m深度的第10个样品定年到25 ka左右。李雪铭根据2-3Φ粒级的含量变化，将辽南地区末次冰期依照25 ka，50 ka和75 ka划分为3个阶段[19]。其中大约25 ka前，辽南地区处于末次冰期的中期阶段，气候相对暖湿，渤海海平面上升，渤海西岸发生了献县海侵事件。这个阶段对应贺家圈剖面下部地层，表现出剖面整体风化淋溶作用较强。25 ka后，辽南地区处于末次冰期的晚期阶段，气候再次转为干冷，整个渤海出露为陆地，中国东部海岸线东移500～600 km，从蒙古高压来的强劲西北风使渤海海底沙以跃移和滚动方式搬运堆积，并形成了黄土剖面上部粗粒层。此阶段对应贺家圈剖面的上层部分，在粒度上表现出粒径较大，分选较差；在地球化学元素上表现为剖面黄土淋溶作用较弱，风化作用较强。

进一步对沉积物中各端元组分含量，磁化率以及地球化学元素在深度上做对比分析，可以发现：端元2与淋溶系数随深度的变化趋势大致相同且都在120 cm处达到极值，而与残疾系数深度曲线呈负相关，说明端元2与淋溶系数与残积系数在深度上具有较强相关性。端元3在深度上与CIA曲线的波动趋势和分布较为相似且都在510 cm处达到极值，所以说明端元3与CIA具有较强的联系。

基于前人研究与上述分析，可以初步认为：端元1代表的是剖面原始粒度组成，主峰在左代表晚更新世冰期，渤海陆架出露，受到强大冬季风吹拂带来的近源粗粒沉积组分，次峰在右代表由高空气流携带来的远源细粒组分，较好的匹配了辽南黄土双物源的特征。端元2代表的是沉积物沉积后期受到沉积环境与古气候的淋溶作用与改造作用，致使剖面粒度组分整体变细，粗粒与细粒组分相差变小，主要表现为2Φ附近的中砂粒径变小成为极细砂的过程。在时间上表现为剖面早期古气候较为暖湿，较为充足的降水带来了较强的淋溶作用和残积作用，致使粗粒中砂组分的粒径在其影响下不断变小为极细砂组分，同时粉沙黏土含量相对增加。端元3代表的是沉积物沉积之后收到的化学风化作用。在时间上表现为剖面早期古气候较为暖湿，带来了较为明显的化学风化作用，致使中砂组分粒径变小成为极细砂，同时化学风化作用似乎对粉砂黏土组分并无影响，所以在频率曲线上表现为单峰构造。

结合上文对每个端元的动力成因分析，可以推测出，该剖面下部属于晚更新世末次冰期中较暖湿的间冰期，此时气候温暖湿润，对已有风成沉积物的化学风化和淋溶作用较强，古气候环境对沉积物的影响较大，使粗粒组分粒径变小，含量降低，细粒组分含量相对提高；剖面上部属于晚更新世末次冰期的晚期阶段，此时气候再次转为干冷，周围渤海地区出露，近地面气流加强，强大的北风携带粗粒物质在此堆积，同时来源于高空气流的远源沉积从未停止。

4 结论

根据大连贺家圈黄土剖面的粒度实验数据分析，应用端元分析模型并结合磁化率和地球化学元素指标，能够细致地鉴别出各种沉积动力组分，从而很好地判别晚更新世以来黄土剖面沉积组分的变化特征。本研究将贺家圈剖面沉积粒度组分划分为3个端元：端元1可能代表了剖面原始的粒度组分，表现为独特的双峰双物源特征；端元2可能代表了沉积物在沉积之后受到的淋溶作用和残积作用，剖面早期气候暖湿作用较强，剖面晚期气候干冷作用较弱；端元3可能代表了沉积物受到的化学风化作用，虽然处于低等风化阶段，但是依旧可以判别古气候的变迁。

综上分析，应用端元分析，能够很好地指示晚更新世以来贺家圈黄土剖面沉积组分变化特征。可以看出，沉积物在沉积以及后期改造的过程中，往往会经历多种动力因素，这就说明了各地层单元中均含有多个端元组分的特征。通过对多动力沉积物组分的分离，可以有效地判断各组分所代表的沉积动力在晚更新世以来的变化特征。