東北地區(qū)中、東部黃土成因初步研究

曹 振，朱曉東

近年來，由于氣候變暖等環(huán)境問題日益受關注，對氣候變化尤其是氣候預測要求更高，第四紀作為研究環(huán)境和全球變化的學科更加活躍，它要求提取地層中記錄進行區(qū)域分析，區(qū)域對比以揭示過去環(huán)境變化機制，以預測全球變化趨勢。

東北地區(qū)的黃土處于內(nèi)陸黃土堆積的外圍，是我國第四紀沉積物的主要類型，與內(nèi)陸典型黃土相比具有自身獨特性，作為恢復區(qū)域古氣候有重要意義。20世紀90年代以前對東北地區(qū)黃土研究較少，且主要用于建筑、工程方面，近年來對于遼東半島南端以及東北地區(qū)中部(長春)黃土研究增多，黃土的古氣候意義越來越受重視，眾多學者已分別通過孢粉分析、礦物成分分析，以及化學成分等不同的側面對東北地區(qū)黃土進行了研究，探討了黃土的成因機制、沉積環(huán)境、地層時代等方面。本文運用粒度分析法對東北區(qū)南部、中部兩個地區(qū)典型剖面進行對比分析，主要通過粒度曲線、粒度參數(shù)分析環(huán)境變化和物質來源，結合前人所做的孢粉分析、同位素測年，試圖分析東北地區(qū)第四紀以來的環(huán)境變化。

1 研究區(qū)概況

東北地區(qū)位于我國東北部，自遼東半島南端的老鐵山岬至黑龍江漠河，南北跨了將近20個緯度。本區(qū)南部屬溫帶海洋性季風氣候，中部屬中溫帶大陸性季風氣候，僅黑龍江北端屬寒溫帶季風氣候。本區(qū)大部降水量為400～700mm。本區(qū)植被類型主要有寒溫帶針葉林(達烏里區(qū)系)，以興安松為代表;針闊混交林(長白山區(qū)系)，以紅松落葉林為代表;溫帶草原。土壤類型復雜、分布較廣的地帶性土壤有寒棕壤、溫帶暗棕壤、黑土，亦有白漿土、草甸土、沼澤土等非地帶性土壤出現(xiàn)。

本區(qū)第四紀沉積物主要為黃土沉積，分布在溝谷階地上，是我國黃土的一個重要亞類——次生黃土。本文選擇遼東半島南端西海岸廟山剖面和長春腰分水嶺剖面進行分析。

1.1 廟山剖面

廟山地處金州灣和普蘭店灣的小島上，周圍是海拔150m左右的石灰?guī)r丘陵，在廟山與七頂山之間的公路旁為筑路開挖人工露頭，地層出露較全，從上而下可劃分為三層，分別為上新世不同階段的沉積物(圖1)。

圖1 廟山黃土剖面圖

圖2 腰分水嶺黃土剖面

(1)更新統(tǒng):馬蘭黃土和砂的互層，顏色灰黃，厚約10m，與下伏中、下更新統(tǒng)呈不整和接觸。

(2)中、下更新統(tǒng):棕紅色砂質黏土，相當與內(nèi)陸的離石黃土與下伏上新統(tǒng)呈不整和接觸，厚約11m。

(3)上新統(tǒng):紅色黏土，具有風化殘余小碎石，屬基巖風化殼，向下逐漸過渡為堅硬的石灰?guī)r。

1.2 長春腰分水嶺剖面

長春地處松遼盆地東南隆起地區(qū)，黃土分布廣泛，大多20m左右。本文所選的腰分水嶺剖面出露15m，未見底，為中、晚更新世沉積物，相當于內(nèi)陸的上離石黃土和馬蘭黃土。自上而下劃分4層(圖2)。

(1)古土壤層，厚約 0.5m。

(2)淺黃色亞黏土，泛白，粘性較大，含鐵錳結核，具鐵錳被膜，約3m，相當于內(nèi)陸馬蘭黃土。

(3)灰白色亞黏土，泛黑，鐵錳結核，具鐵錳被膜，厚0.8m。

(4)黃色亞黏土，具鐵錳被膜，粘性很大，未見底，相當于內(nèi)陸的離石黃土。

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 樣品采集

遼東半島西海岸更新世沉積物中，黃土為主體堆積，砂和砂層作為薄層成透鏡體存在于黃土地層之間。在野外進行剖面采集時，對離石黃土按80cm間隔，馬蘭黃土堆積按50cm間隔，砂和砂層按20～30cm間隔系統(tǒng)采樣共27樣，長春地區(qū)黃土按80cm間隔采樣，共15個樣。

2.2 實驗室分析

樣品先加鹽酸以除去黃土中的鈣質，然后加入六偏磷酸鈉以分散黃土顆粒，之后烘干。實驗室粒度分析時小于4ф的粒級用國產(chǎn)遼陽標準篩，大于4ф的粉砂和黏土粒級用日產(chǎn)SA－CP3型粒度分布自動測試儀，按溫德華粒度分級標準＜－1ф為礫石，－1－－1ф為砂，－1－－4ф為砂，4－－8ф為粉砂，＞8ф為黏土，一定的粒度都與一定的動力能的搬運介質相關，所以粒級劃分成為識別各種堆積環(huán)境動力狀況、了解其沉積環(huán)境變化必不可少的過程。

3 粒度特征分析

陸源碎屑沉積物粒度分布的基本特征不僅是沉積物分類、命名的基礎，而且影響到松散沉積物的各種力學性質，成為評價其工程地質的一個重要指標，同時對于查明這些沉積的沉積環(huán)境有重要意義。沉積物的粒度分布，直接受物源遠近、風化程度、沉積介質、堆積時的環(huán)境因素的制約。其中沉積介質、動力狀況及環(huán)境是決定沉積的粒度分布的主要因素。目前，粒度分析的方法已經(jīng)應用到沉積環(huán)境研究的各個領域，尤其以風和穩(wěn)定的水流為搬運介質的陸源碎屑沉積物成熟度高。本文主要分析沉積物的粒度組成來反演古環(huán)境。

3.1 廟山黃土粒度組成

由廟山黃土粒度曲線圖(圖3)可看出，廟山黃土含少許粗砂，且整個剖面黃土中黏土含量很少，隨深度的增加砂的含量呈遞減趨勢，粉砂和黏土的含量隨深度增加遞增。在7～10m之間曲線圖發(fā)生明顯彎曲，這是由于馬蘭黃土所夾砂層粒度較大，粉砂和黏土含量很少。11m處大致為馬蘭黃土與離石黃土的分界，馬蘭黃土的顆粒較離石黃土粗，反映出晚更新世比早、中更新世更加干冷。

圖3 廟山黃土粒度組成

圖4 長春腰分水嶺黃土粒度組成

3.2 長春腰分水嶺黃土粒度組成

由圖4可看出，長春黃土粒級含量變化不大，且通體粒度范圍較小，幾乎不含砂，粉砂及黏土含量很大，且以粉砂為主。在4m處有明顯變化，與剖面中顏色呈灰黃色相對應，應該是馬蘭黃土中所夾的土壤層，氣候濕潤，成土作用強，因而顏色較暗，黏土含量較多，反映出第四紀干冷氣候旋回。下部離石黃土與上層馬蘭黃土相比砂的含量明顯減少，反映出晚更新世更干冷的環(huán)境。

3.3 兩剖面的粒度對比分析

粒度曲線是用基本數(shù)據(jù)繪制的各種曲線，可以直觀地反映沉積物粒度組成的基本特征，常用的粒度曲線包括頻率曲線、正態(tài)概率累積曲線。

廟山馬蘭黃土頻率曲線呈現(xiàn)多峰狀態(tài)。據(jù)孫東懷、鹿花煜等分析，第一組分為分布峰度高、分選較好的粗粒組成，這一組分帶代表了冬季風盛行季節(jié)，近距離、低空搬運的粉塵物質，它的粒度指示了東亞季風的環(huán)流強度，反映了粉塵源區(qū)的干燥度;第二組分峰度較低、分布平緩、分布粒度范圍大的粒度組成，可能為一種遠距離的、搬運高度較大的常態(tài)粉塵物質，黃土中這一組分與太平洋西風帶粉塵較為一致，主要為高空氣流搬運。由此分析廟山黃土物質來源，由圖可看出峰值在4附近峰值含量達到30%以上，另外兩個峰值分別在6ф和9ф，峰值不高。由此分析廟山黃土有多個物質來源，但主要為近地面季風吹來的海岸礫石，另外為高空西風氣流帶來的內(nèi)陸粉塵，而長春黃土呈單峰說明其物質來源單一。

圖5 廟山馬蘭黃土所夾砂層

廟山離石黃土曲線呈雙峰亦說明有多種物質來源，與上部馬蘭黃土相似，但是峰值較馬蘭黃土低，且更加偏向細顆粒，這與黃土粒度組成相符合，都說明晚更新世氣候變得干冷。長春地區(qū)離石黃土與馬蘭黃土相比粒度小，亦說明長春地區(qū)晚更新世較中更新世干冷;但廟山馬蘭黃土與長春馬蘭黃土相比要粗得多，離石黃土也顯示出相似的特征，說明兩種不同的沉積環(huán)境;廟山馬蘭黃土所夾砂層為單峰，且峰值較高，呈正偏，說明氣候干旱，成土作用差。

圖6 廟山離石黃土與腰分水嶺離石黃土比較

圖7 廟山馬蘭黃土與腰分水嶺馬蘭黃土比較

表1 東北地區(qū)與西北黃土粒度組成對比

由表1可以看出，廟山黃土的突出特征是顆粒粗。據(jù)劉東生的研究，山陜內(nèi)陸的黃土沉積物中很少含大于0.25mm的顆粒，而廟山的黃土不僅含大于0.25mm的中砂，甚至有大于0.5mm的粗砂，粗粒級顆粒的含量遠大于內(nèi)陸地區(qū)，該區(qū)離石黃土的平均粒度組成砂53.3%，粉砂37.2%，黏土8.1%;馬蘭黃土的粒度組成砂60.6%，粉砂28.1%，黏土11.8%，明顯不符合我國黃土沉積呈現(xiàn)的由西向東減少的趨勢，說明廟山與內(nèi)陸黃土具有不同的物質來源。

長春腰分水嶺離石黃土砂的含量很少，只有小部分細砂，粉砂含量最大，黏土含量也高于廟山，砂10.8%，細砂69.9%，黏土17.4%;上部馬蘭黃土砂14.8%，粉砂67.4%，黏土15.5%。與內(nèi)陸相比，馬蘭黃土細砂含量少，離石黃土細砂含量相差很小，但是粉砂的含量比內(nèi)陸大，黏土含量少于內(nèi)陸黃土。長春地區(qū)黃土與廟山黃土具有相似性，上部馬蘭黃土的顆粒較下部離石黃土粗，反映晚更新世氣候更加干旱。另外由廟山馬蘭黃土所夾砂層可以得出晚更新世干濕交替變化。

3.4 兩剖面正態(tài)概率曲線對比分析

沉積物的搬運方式有三種:滾動、跳躍和懸浮。每種搬運方式的碎屑顆粒粒級分配在概率坐標紙上，都呈一對數(shù)正態(tài)分布，因此通過研究其正態(tài)概率曲線線段數(shù)目、斜率及截點等形態(tài)特征可以有效地識別不同的沉積環(huán)境，遼東半島西海岸更新世沉積物的粒度正態(tài)概率曲線反映的環(huán)境信息與前人做的地貌分析、構造分析結果吻合。從圖6可看出廟山黃土正態(tài)概率曲線由三段構成，說明有幾種不同的物質來源，且＜6φ的粒度含量達到80%，以躍移為主。廟山馬蘭黃土所夾砂層也有三段構成且粒徑更大，＜4φ的粒級達到90%，反映晚更新世環(huán)境干冷的環(huán)境下吹來的濱海沉積物，是由不同的風向吹來的。長春地區(qū)黃土則為多段，并且顆粒偏細，說明以躍移和懸移為主。

4 結論

東北地區(qū)馬蘭黃土比離石黃土顆粒粗，且廟山馬蘭黃土中所夾砂層顆粒更粗，廟山黃土與山陜內(nèi)陸黃土相比，不具有區(qū)域聯(lián)系，長春黃土粒度組成與內(nèi)陸黃土相比亦沒有區(qū)域聯(lián)系，有其特殊的成土環(huán)境。

廟山黃土沉積物能反映東北地區(qū)更新世環(huán)境的演變，馬蘭黃土平均粒徑較下部離石黃土粗，反映在第四紀干冷的氣候背景下，晚更新世氣候變得更加干冷，馬蘭黃土所夾砂層則反映出晚更新世干濕交替。另外晚更新世黃土含大量的鈣結核、菌絲體也反映出更加干冷的沉積環(huán)境。

長春黃土由中更新世和晚更新世兩種不同顏色和巖性黃土狀粉質亞黏土組成，形成于不同的環(huán)境。中更新世相對溫濕，以水為主要動力能，河流周圍沉積大量洪積、沖擊物就地風化，鐵錳淋溶侵染黃土，到晚更新世環(huán)境變干燥鐵錳形成結核狀，在盛行西北風作用下，有利于風塵搬運和堆積，因而細砂含量增加。

東北地區(qū)黃土與內(nèi)陸黃土相比有其獨特性，是我國黃土的一個重要亞類。本文研究豐富了黃土研究內(nèi)容。

圖8 正態(tài)概率曲線比較圖

［1］劉東生.黃土與環(huán)境［M］北京:科學出版社，2002:7－12.

［2］李雪銘.遼南濱海黃土粒度環(huán)境信息高分辨率研究［J］.地理研究，2002(2):201－209.

［3］鹿化煜 ，安芷生.洛川黃土粒度組成的古氣候意義［J］.科學通報，1997，42(1):66－69.

［4］孫東懷，鹿化煜，David Rea，等.中國黃土粒度的雙峰分布及其古氣候意義［J］.沉積學報，2000，18(3):327－335.

［5］顧兆炎，韓家懋，劉東生.中國第四紀黃土地球化學研究進展［J］.第四紀研究，2001，20(1):41－55.

［6］孫東懷，安芷生，蘇瑞俠，等.最近2.6Ma中國北方季風環(huán)流與西風環(huán)流演變的風塵沉積記錄［J］.中國科學:D輯，2003(6):497－504.

［7］李雪銘.遼東半島南部地區(qū)濱海黃土的沉積特征［J］.海洋科學，2001(1):32－35.

［8］李雪銘.遼東半島南部一濱海黃土剖面的孢粉分析及意義［J］.海洋科學，1995(2):54－58.

［9］何巖.長春地區(qū)黃土狀土沉積環(huán)境的初步研究［C］∥中國東北平原第四紀自然環(huán)境形成與演化編寫組，中國東北平原第四紀自然環(huán)境形成與演化.哈爾濱:哈爾濱地圖出版社，1998:68－78.

［10］張慶云，解磊.長春黃土成因探討［C］∥中國東北平原第四紀自然環(huán)境形成與演化編寫組，中國東北平原第四紀自然環(huán)境形成與演化.哈爾濱:哈爾濱地圖出版社，1998:106－116.