廬山JL剖面粒度敏感組分的提取與環(huán)境意義初探

趙 西 西，王 天 陽，朱 麗 東，葉 瑋，李 鳳 全，谷 喜 吉

(浙江師范大學(xué)地理過程實驗室，浙江 金華 321004)

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廬山JL剖面粒度敏感組分的提取與環(huán)境意義初探

趙 西 西，王 天 陽*，朱 麗 東，葉 瑋，李 鳳 全，谷 喜 吉

(浙江師范大學(xué)地理過程實驗室，浙江 金華 321004)

粒度環(huán)境敏感組分能夠更準(zhǔn)確地指示沉積物的沉積環(huán)境。該文采用粒級—標(biāo)準(zhǔn)偏差法提取JL剖面的敏感組分，分析了粒度敏感組分含量在剖面上的變化，并探討其環(huán)境指示意義。結(jié)果表明：1)JL剖面有3個粒度敏感組分(組分1平均粒徑波動范圍為0.7～1.04 μm，平均值為0.94 μm；組分2平均粒徑的波動范圍為5.15～5.50 μm，平均值為5.34 μm；組分3平均粒徑的波動范圍為22.16～32.84 μm，平均值為25.83 μm)，其中組分3對環(huán)境變化的反應(yīng)最敏感，能夠指示冬季風(fēng)的強弱變化。2)敏感粒度組分的含量在網(wǎng)紋紅土中最低，棕黃色黃土層中含量最高，古土壤層的含量介于網(wǎng)紋紅土層和棕黃色土層之間。3)JL剖面敏感粒度組分含量的縱向變化表現(xiàn)為高低值相間的多個旋回。初步認(rèn)為，廬山地區(qū)第四紀(jì)以來冬季風(fēng)呈明顯增強的趨勢，并存在冬夏季風(fēng)強弱交替的波動。

紅土；敏感組分；粒級—標(biāo)準(zhǔn)偏差

沉積物的粒度數(shù)據(jù)在判定物質(zhì)的運動方式上已經(jīng)有許多研究，并且被用來識別沉積物形成的環(huán)境，可以解釋沉積物形成中的搬運情況和沉積動力，在沉積學(xué)研究中具有重要作用[1,2]。研究表明，不論是現(xiàn)代的沉積物，還是地質(zhì)歷史時期形成的沉積物，都是由不同物源或沉積動力過程組合而成，全樣的粒度參數(shù)不能詳細(xì)說明沉積環(huán)境[3]。操應(yīng)長等[4]指出，環(huán)境敏感粒度組分是指那些能夠詳細(xì)說明沉積環(huán)境的水體能量變化并能指示不同能量水動力的粒度組分。將環(huán)境敏感粒度組分應(yīng)用到風(fēng)成沉積物的研究之中，則可以用來指示沉積環(huán)境中不同能量風(fēng)動力對應(yīng)的粒度組分。許多學(xué)者通過對多峰的粒度曲線的分解提取其中的環(huán)境敏感組分，對北方風(fēng)成沉積物進(jìn)行了相關(guān)研究[5-8]。本文所研究的JL剖面，已經(jīng)有很多研究成果，如朱麗東等[9-13]對第四紀(jì)紅粘土的粒度特征、網(wǎng)紋紅土稀土元素地球化學(xué)特征、土壤色度、磁化率特征及其形成過程中的沉積環(huán)境進(jìn)行了深入研究；楊立輝等[14,15]對第四紀(jì)加積型紅土與北方黃土之間的風(fēng)成相似性以及加積型紅土與下蜀黃土的理化特征進(jìn)行了比較研究；姜永見等[16]對JL剖面紅土粒度體積分形特征進(jìn)行了研究，并探討其環(huán)境意義。但以上研究都沒有涉及環(huán)境敏感粒度組分,而環(huán)境敏感組分能夠更準(zhǔn)確地指示沉積物形成的沉積環(huán)境。因此，本文提取多峰的粒度曲線，得出其中的環(huán)境敏感粒度組分并探討其環(huán)境意義，為JL剖面沉積環(huán)境的研究作出貢獻(xiàn)。

1 材料和方法

1.1 研究剖面概況

廬山位于我國中亞熱帶常綠闊葉林帶的北端，區(qū)域內(nèi)的土壤為紅壤、黃壤。廬山雖然是亞熱帶季風(fēng)氣候，但由于山高谷深，具有明顯的山地氣候特征。網(wǎng)紋紅土在這里得到廣泛發(fā)育，主要分布在河流階地和海拔<400 m的和緩丘陵地區(qū)。網(wǎng)紋紅土的廣泛分布是第四紀(jì)期間氣候濕熱的有力證據(jù)[17]。此外，海拔>1 000 m的地方保留的變位網(wǎng)紋紅土是第四紀(jì)期間廬山隆升的標(biāo)志[18]。

JL剖面是因公路修建而出露的，位于江西省九江市廬山的西北麓，地理位置為29°42′N，116°02′E，剖面厚度為18.46 m。對剖面觀察得到，該剖面整體質(zhì)地比較均一，未發(fā)現(xiàn)大于2 mm的礫石和流水作用的痕跡。與殘積風(fēng)化紅土相比，具有不同的粒度特征和沉積地層，并具有風(fēng)成特性，被稱為加積型沉積紅土[19]。剖面從下到上可以分成8個明顯不同的地層(圖1)，它們的土色、土壤發(fā)育程度及網(wǎng)紋形態(tài)結(jié)構(gòu)等有明顯的差異。剖面中下部1～5層為網(wǎng)紋紅土，厚14 m，基質(zhì)顏色呈深淺交替；剖面上部6～8層為棕黃色土，厚4.46 m，其中第7層土壤發(fā)育程度相對較好，為淺紅色古土壤。根據(jù)施雅風(fēng)等在廬山地區(qū)的工作，剖面中下部網(wǎng)紋紅土對應(yīng)葉家壟組，剖面上部棕黃色土對應(yīng)于下蜀組[20]。

圖1 JL剖面地層性狀[12]

Fig.1 Formation properties of JL profile

1.2 研究方法

近年來，對沉積物進(jìn)行粒度分析，通過計算不同的粒度指標(biāo)，討論搬運的介質(zhì)和方式、沉積環(huán)境等影響因素，是對古環(huán)境演化規(guī)律研究的一個重要方面[21]。激光粒度儀大大提高了粒度測量的可重復(fù)性及精確性，為古氣候古環(huán)境的分析研究作出了重要貢獻(xiàn)。由于物源和沉積動力都具有復(fù)雜性，不論是地質(zhì)時期的沉積物，還是現(xiàn)代的沉積物，都是由不同成因的組分混合形成，因此，全樣的粒度參數(shù)不能詳細(xì)說明沉積環(huán)境的具體情況；同時不是所有的粒級組分都對環(huán)境變化有敏感反應(yīng)[22]，所以必須從沉積物的粒度數(shù)據(jù)中提取環(huán)境敏感粒度組分，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分布函數(shù)擬合法[24]、粒級—標(biāo)準(zhǔn)偏差法[25]和端元分析模型[26]等。

粒級—標(biāo)準(zhǔn)偏差變化曲線能夠反映不同粒徑范圍內(nèi)不同樣品的粒度含量存在的差異性。標(biāo)準(zhǔn)偏差的值越高，表明在某一粒徑范圍內(nèi)的樣品具有變動較大的粒度含量；較低的標(biāo)準(zhǔn)偏差，表明某一粒徑范圍內(nèi)的樣品具有變動較小的粒度含量[2]?？梢該?jù)此得出一系列的樣品，在粒度組分的范圍以及個數(shù)上明顯不同。沉積動力環(huán)境對得出的這些粒度組分的影響要比其他粒度組分大，即稱之為環(huán)境敏感粒度組分。本文主要采用粒級—標(biāo)準(zhǔn)偏差法，通過計算粒度數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，繪制粒級—標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線，進(jìn)而提取環(huán)境敏感粒度組分。

2 敏感粒度組分的確定

2.1 敏感粒度組分的提取

圖2(見封3)為JL剖面的粒度頻率曲線，可以看出粒度頻率分布曲線呈多峰分布，第一眾數(shù)出現(xiàn)在15～30 μm之間，第二眾數(shù)則對應(yīng)粘粒。處理得出的JL剖面的粒度數(shù)據(jù)，計算各粒級數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，它可以反映一組測量數(shù)據(jù)的離散程度和某時段內(nèi)統(tǒng)計結(jié)果圍繞誤差上下波動的幅度。以標(biāo)準(zhǔn)偏差作為縱坐標(biāo)、粒徑作為橫坐標(biāo)作出粒級—標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線，如圖3所示。

圖3 JL剖面沉積物粒級標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線

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

某粒級組分的標(biāo)準(zhǔn)偏差值越大代表其波動幅度越大，而沉積物作為環(huán)境的指示物，標(biāo)準(zhǔn)偏差越大的粒級組分對環(huán)境變化的響應(yīng)比其他粒級組分更加敏感。標(biāo)準(zhǔn)偏差的峰值對應(yīng)的粒徑分別為0.31 μm、5.02 μm和25.17 μm，谷值對應(yīng)的粒徑分別為1.78 μm、10.02 μm，因此把樣品的全部粒級劃分成3個標(biāo)準(zhǔn)偏差區(qū)間：0.02～1.78 μm、2～10.02 μm、11.24～2 000 μm，分別記作組分1、組分2和組分3。其中組分1粒級含量的變化范圍為9.86%～34.46%，平均含量為16.22%；組分2粒級含量的變化范圍為29.63%～46.58%，平均含量為39.69%；組分3粒級含量的變化范圍為30.29%～57.51%，平均含量為44.09%。繪制各組分粒級含量隨深度的變化曲線(圖4)，從各組分粒級含量圖比較可以看出：3個粒級組分含量最高的是組分3，其次是組分2，最小的是組分1；組分3和組分2波動十分明顯且變化幅度較大，組分1的波動幅度不大。

圖4 JL剖面樣品各組分百分比含量

Fig.4 Percentage content of components for JL profile sample

通過粒級—標(biāo)準(zhǔn)偏差法得到的粒度組分有3個，需要進(jìn)一步判斷哪個組分對環(huán)境變化具有更好的指示意義，因此再通過對3個組分的平均粒徑進(jìn)行比較，確定環(huán)境敏感粒度組分。采用距算法[21]分別計算組分1、組分2和組分3的平均粒徑。首先將各組分的粒級頻率百分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為100%，再求粒級百分?jǐn)?shù)與各個粒級的中值之積，最后求總和即可得到整個敏感粒級組分的平均粒徑。求出的3個組分各自平均粒徑分別為：組分1平均粒徑的波動范圍為0.7～1.04 μm，平均值為0.94 μm；組分2平均粒徑的波動范圍為5.15～5.50 μm，平均值為5.34 μm；組分3平均粒徑的波動范圍為22.16～32.84 μm，平均值為25.83 μm。可以看出組分1和組分2的平均粒徑波動較小，組分3的平均粒徑波動幅度最大。再計算3個組分平均粒徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差：組分1為0.06、組分2為0.05、組分3為1.16，可見組分3平均粒徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大。綜合考慮3個粒度組分的含量、平均粒徑及其波動，最終確定組分3對環(huán)境變化的反應(yīng)最敏感，能夠指示JL剖面記錄的環(huán)境變化。

2.2 敏感粒度組分的環(huán)境意義

將求得的各個敏感組分的平均粒徑放在沉積物的粒度構(gòu)成中進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)組分1(0.94 μm)對應(yīng)的是粘粒，占總體的平均百分比為16.22%，變化范圍為9.86%～34.46%，這表明紅土形成過程中受到了較強的風(fēng)化作用。組分2(5.34 μm)占總體的平均百分比為39.69%，變化范圍為29.63%～46.58%，為細(xì)粉砂對應(yīng)風(fēng)力挾持組分[6]。組分3(25.83 μm)對應(yīng)的是粗粉砂，占總體的平均百分比為44.09%，變化范圍為30.29%～57.51%，在整個粒度構(gòu)成中所占比重最大，相對波動范圍也最大。因此組分3在3個敏感組分中最具代表性。在對風(fēng)成沉積物的研究中，“風(fēng)塵基本粒組”[28]的范圍為10～50 μm，組分3的平均粒徑為25.83 μm，屬于該范圍。研究表明，JL剖面具有明顯的風(fēng)成特性[29]，風(fēng)成沉積物環(huán)境敏感粒度組分中的粗組分與東亞冬季風(fēng)有關(guān)[30，31]。因此，在JL剖面中敏感粒度組分3的含量變化可以間接指示東亞冬季風(fēng)的變化情況。

3 敏感粒度組分的剖面變化及其意義

JL剖面敏感粒度組分的含量沿剖面的變化大致可分為三大段(圖5)：第一段為剖面的①層(該層按網(wǎng)紋形態(tài)，層內(nèi)細(xì)分出3段，其中①-3網(wǎng)紋呈斑點狀，大小混雜，①-2網(wǎng)紋較①-3段增大，①-1網(wǎng)紋相對稀疏)，為棕紅色網(wǎng)紋層，敏感粒度組分含量值低，波動幅度大，呈自下而上波動增加特征，但在波動增加的大趨勢下也存在著局部的下降。第二段為剖面的②-⑤層，為網(wǎng)紋紅土層，敏感粒度組分含量較①-1略有減少，呈階梯式波動上升趨勢，②下部、③下部、④都呈下降趨勢，②上部、③上部、⑤都存在明顯的上升，⑤上部出現(xiàn)急劇的上升。第三段為棕色黃土⑥-⑧層，敏感粒度組分含量為全剖面中最高，⑥下部、⑦上部呈下降趨勢，⑥上部、⑧存在明顯的上升趨勢。因此全剖面存在著高低值相間的輪回，自下而上敏感粒度組分含量呈波動增加趨勢。

圖5 組分3百分率隨深度變化曲線

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

JL剖面粒度敏感組分含量的變化可以指示冬季風(fēng)強弱變化，可以在一定程度上指示該地區(qū)沉積環(huán)境的變化。環(huán)境敏感粒度組分能指示沉積物形成中經(jīng)受的不同能量和動力[3]，因此，敏感粒度組分的縱向變化更好地顯示了沉積環(huán)境的分段性。

網(wǎng)紋紅土發(fā)育過程中經(jīng)歷了一個相當(dāng)長的濕熱氣候環(huán)境[18,9]，風(fēng)化成壤強烈。從剖面記錄的情況來看，存在風(fēng)化減弱事件。第①網(wǎng)紋層的敏感粒度組分含量在全剖面最低，相對應(yīng)的此階段冬季風(fēng)也最弱，但此時冬季風(fēng)又有所波動，①-3到①-1整體上冬季風(fēng)是增強的，①-3冬季風(fēng)最弱，在該層有大量的鐵質(zhì)膠膜，是在濕熱的氣候條件下形成的[32]。①-2冬季風(fēng)呈現(xiàn)減弱趨勢，但較①-3強。①-1層冬季風(fēng)處于波動狀態(tài)，但比①-3、①-2階段強。與第①網(wǎng)紋層進(jìn)行比較，②-⑤層的敏感粒度組分含量略有減少，波動比前一階段平緩，說明此時冬夏季風(fēng)的交替頻率比前一階段小。②下部、③下部和④處記錄的冬季風(fēng)呈減弱的趨勢，②上部、③上部和⑤處記錄的冬季風(fēng)有明顯的增強，其中⑤處冬季風(fēng)出現(xiàn)急劇的增強。此時冬季風(fēng)加強，夏季風(fēng)相對減弱，季風(fēng)變化周期變長。第⑥層的敏感粒度組分含量先是有所減少，再增加到一個較高的含量，冬季風(fēng)加強。第⑦層為淺紅色古土壤層，冬季風(fēng)有所減弱，風(fēng)化成壤作用有所加強。但相對剖面中下部的網(wǎng)紋紅土，冬季風(fēng)強度較強，氣候的濕熱程度不及網(wǎng)紋紅土發(fā)育時期。第⑧層敏感粒度組分含量有明顯增加，冬季風(fēng)進(jìn)一步加強，氣候干冷程度增加，風(fēng)化強度進(jìn)一步減弱。

JL剖面敏感粒度組分含量的縱向變化所指示的環(huán)境意義與前人對廬山地區(qū)第四紀(jì)沉積環(huán)境變化的研究結(jié)論基本一致。姜永見等[16]對JL剖面紅土粒度體積分型特征的研究中指出，該地區(qū)的網(wǎng)紋紅土形成于相對濕熱的環(huán)境下，冬季風(fēng)勢力弱，夏季風(fēng)勢力強勁，氣候的干濕變化頻繁，整體上呈由熱變涼的趨勢。李吉均等研究認(rèn)為，廬山地區(qū)第四紀(jì)氣候存在一個濕熱變干涼的過程，并存在數(shù)次反映冰期旋回的氣候冷暖波動[17]。朱誠認(rèn)為中更新世早期，廬山地區(qū)的氣候以濕熱為主；到晚更新世初中期，該區(qū)氣候呈現(xiàn)干冷與濕熱的頻繁交替；晚更新世末一直到全新世初期，中等規(guī)模的抬升運動導(dǎo)致廬山地區(qū)變?yōu)楦衫錃夂騕18]。黃翡等通過研究九江第四紀(jì)紅土的生物、地球化學(xué)也得出，從中更新世開始，該地區(qū)的氣候呈明顯變干變冷的趨勢[32]。該剖面的磁化率[12]、土壤色度[11]、粒度體積分型特征[16]的研究也有相似結(jié)論。

4 結(jié)論

(1)使用粒級—標(biāo)準(zhǔn)偏差法提取JL剖面環(huán)境敏感粒度組分，得到3個敏感組分，分析每個組分的百分比含量變化、平均粒徑及其波動情況，最后得出組分3最能代表整個剖面樣品記錄的信息。敏感組分為基本風(fēng)成粒組，可用來指示冬季風(fēng)的變化。

(2)第①網(wǎng)紋層敏感粒度的組分含量在全剖面最低，波動頻率較高，呈增加趨勢；②-⑤層敏感粒度組分的含量較①層高，波動頻率低，在第⑤層出現(xiàn)明顯增加；⑥-⑧層敏感粒度組分的含量在全剖面最高，⑧層呈明顯增加的趨勢。從整體上看，敏感粒度組分的含量呈波動增加的趨勢。

(3)JL剖面敏感粒度組分含量自下而上呈波動上升的趨勢，表現(xiàn)為高低值相間的多個旋回，相應(yīng)的指示了冬季風(fēng)由弱到強的多個變化階段，與前人的研究結(jié)果基本一致。初步認(rèn)為，JL剖面環(huán)境敏感粒度組分含量的變化，可以指示該地區(qū)第四紀(jì)以來沉積環(huán)境的變化趨勢。

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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

國家自然科學(xué)基金項目(41071002、41371206)

趙西西(1989-)，女，碩士研究生，從事數(shù)學(xué)方法在地理學(xué)中的應(yīng)用研究。*通訊作者E-mail：Lygl59@zjnu.cn

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.02.023

P512.2

A

1672-0504(2015)02-0115-04