福建東南部第四紀紅土沉積粒度特征及成因分析

齊升吉,李志忠1,＊,陳秀玲1,,靳建輝1,,馬 鵬1,,4,吳美榕1,,林舒倩1,

（1.福建師范大學地理研究所,福州350007;2.福建師范大學地理科學學院,福州 350007;

3.濕潤亞熱帶生態—地理過程省部共建教育部重點實驗室,福州350007;4.運城學院師范分院,山西運城替換為 044000）

福建東南部第四紀紅土沉積粒度特征及成因分析

齊升吉2,3,李志忠1,2,3＊,陳秀玲1,2,3,靳建輝1,2,3,馬 鵬1,2,3,4,吳美榕1,2,3,林舒倩1,2,3

（1.福建師范大學地理研究所,福州350007;2.福建師范大學地理科學學院,福州 350007;

3.濕潤亞熱帶生態—地理過程省部共建教育部重點實驗室,福州350007;4.運城學院師范分院,山西運城替換為 044000）

在野外考察采樣和實驗分析基礎上,對福建東南部若干紅土剖面粒度特征及其沉積環境進行了初步研究.結果表明:1）福建東南部紅土粒度組成以粉砂為主,含量65.09%～70.07%,砂含量11.90%～28.40%,粘粒6.51%～18.03%.2）粒度頻率曲線以多峰為主并有明顯變化,各剖面第一眾數在4～71μm之間,第二眾數在118～746μm之間,第三眾數<1μm;概率累積曲線以四段式為主.3）粒度參數總體平均粒徑較粗、分選差、峰度平緩,由晚更新世早期到晚期各個粒度參數的變化趨于復雜.這些特征表明研究區紅土近源水動力搬運和快速混雜堆積的特點,其后經歷較強化學風化作用,晚更新世全球氣候惡化對研究區紅土搬運沉積過程和風化過程產生明顯影響.

粒度特征;紅土;第四紀;福建東南部

沉積物粒度組成、頻率、概率累積曲線以及粒度參數,在判別沉積物搬運營力、沉積過程及其沉積后生變化,重建古地理環境方面具有重要意義[1].因此,粒度分析方法廣泛應用于第四紀沉積物成因類型、沉積環境判別和區域古氣候環境變遷序列的重建.劉東生等[2-3]對我國北方黃土的粒度特征分析得出中國黃土具有風成沉積的特性.中國南方紅土和北方黃土一樣,也是我國陸相第四紀沉積物的主要類型之一,其形成、發育與季風和新構造運動密切相關,記錄了中國南方第四紀環境變遷的重要信息.我國南方紅土的成因可劃分為風化殘積型、沉積型和沉積—風化型3類,有風化、沖積、洪積、坡積、風積等多種物質來源[4-13].其中北亞熱帶長江中下游地區的紅土多為遠源搬運的風成物質經后期濕熱風化形成,而華南熱帶、南亞熱帶地區的紅土多為風化殘積和沖積洪積成因的非均質紅土.福建地處我國東南沿海南亞熱帶海洋性季風氣候區,內陸地區也廣泛分布第四紀紅土沉積,在重建我國南方亞熱帶東亞季風變化規律以及第四紀環境變遷過程研究中居于重要地位.本文初步研究福建東南部地區紅土沉積粒度特征,并與我國北方黃土、北亞熱帶和南亞熱帶紅土粒度特征進行對比,據此探討福建第四紀紅土成因及其沉積環境.

1 區域概況和研究方法

1.1 研究區與剖面概況

研究區位于福建東南部,靠近東南沿海,地理坐標為 24°10′04.4″～ 25°29′27.1″N,117°24′20.3″～119°12′42.4″E（圖 1）.第四紀新構造運動主要表現為間歇性和差異性隆起,地表遭受長期剝蝕,多發育剝蝕丘陵和河谷盆地,地勢比較低平.這里屬于南亞熱帶海洋性季風氣候,年平均氣溫19～22℃,年平均降水量1 000～1 600 mm,7～9月受臺風影響,降水較多.地帶性植被類型為南亞熱帶季風常綠雨林,地帶性土壤為赤紅壤,其礦物的富鋁化程度較深,物質的淋溶作用較強.

本文作者在福建東南部漳州五寨鄉（1個）、莆田仙游縣（2個）、福州萬佛寺（1個）等地采集了4個第四紀紅土沉積剖面（圖2）,采樣剖面多位于剝蝕丘陵、河谷盆地坡腳,代號分別為 WZ、XY、ZS、WFS.

圖1 福建東南部紅土采樣位置①五寨WZ;②仙游 XY;③鐘山ZS;④萬佛寺WFSFig.1 Red earth sampling locations in the southeast of Fujian①Wuzhai;②Xianyou;③Zhongshan;④Wanfosi

各剖面巖性描述如下:

WZ剖面 深度3.6 m（未見底）;

0～20 cm 植物根系較多,呈紅棕色,有孔洞,較疏松;

20～180 cm 植物根系少,多成紅棕色,無孔洞,呈塊狀團粒狀結構,略緊實;

180～220 cm 礫石層,礫石大小混雜,呈棱角與次棱角狀;

220～360 cm 紅棕色,含大量石英風化碎屑,呈塊狀結構,較緊實.

XY剖面 深度3.0 m,底部母巖花崗巖;

0～20 cm 植物根系較多,呈黃棕色,有孔洞,較疏松;

20～100 cm 植物根系少,多呈紅棕色,無孔洞,團塊狀結構,緊實;

100～300 cm 紅棕色,無孔洞,含砂量較高,緊實;

300～320 cm 花崗巖風化殼.

ZS剖面 深度2.9m（未見底）;

0～40 cm 黃棕色,多植物根系,團、塊狀粒狀結構,多孔隙,略緊實;

40～170 cm 紅棕色,團塊狀結構,多孔隙,含1～2 mm石英砂;

170～220 cm 礫石和紅土的混雜堆積層,礫石呈棱角狀,直徑約1～3 cm,碎石風化程度較深,多白色網紋;

220～290 cm 紅棕色,具白色網紋,塊狀,多孔隙,緊實.

WFS剖面 深度2.4 m,底部母巖花崗巖;

0～30 cm 黃棕色,植物根系多,呈團、塊狀粒狀結構,有孔洞,略緊實;

30～240 cm 紅棕色,植物根系少,團塊狀結構,無孔洞,較緊實;

240～260 cm 花崗巖風化殼.

圖2 紅土剖面巖性柱狀圖Fig.2 Red earth profile lithologic histogram

野外分別對上述4個剖面進行了系統采樣,采樣間距 WZ剖面10 cm,XY剖面30 cm,ZS剖面10 cm,WFS剖面30 cm,4個剖面合計采樣85個.選擇厚度較大的 WZ、ZS兩個剖面采樣進行了OSL測年,測年結果表明WZ、ZS剖面主要是晚更新世沉積.其中,WZ剖面下段2～3.6 m為晚更新世早期（Q13）沉積,上段為晚更新世中期（Q23）沉積;ZS剖面下段1.5～2.9 m為晚更新世中期（Q23）沉積,上段沉積為晚更新世晚期（Q33）沉積.

1.2 實驗方法和粒度參數計算

粒度測試在福建省濕潤亞熱帶生態—地理過程省部共建教育部重點實驗室完成.稱取過2 mm篩混合均勻的風干待測樣品2～3 g,放入潔凈的燒杯,加入2∶1的 H2O2溶液10 ml浸泡12 h,去除樣品中的有機質,并在水浴鍋中加熱煮沸分解多余的 H2O2,冷卻后加滿去離子水靜置24 h,抽去燒杯上部清夜,加入5 ml 0.5 mol/L的NaOH溶液做分散劑,并于超聲波震蕩器上震蕩15分鐘使樣品有效分散,然后上機測試.測試儀器為英國MALVERN儀器公司生產的Mastersizer 2000型激光粒度儀,測量范圍為0.02～2000μm,重復測試相對誤差<1%.

本文粒度分析采用Udden-Wentworth的粒度分級[1].粒度頻率分布曲線從激光粒度儀測試數據中提取（圖3）.粒度參數包括平均粒徑（MФ）、標準偏差（σ）、偏度（SKФ）和峰態 （Kg）,按照 Folk 和Ward[14]公式計算得出（表2）.

表1 福建東南部紅土剖面粒級百分含量/%Tab.1 The percentage of granularity in red earth profiles in the southeast of Fujian

表2 福建東南部紅土沉積與我國其它區域紅土和黃土粒度參數比較Tab.2 Compared granularity parameters of red earth and loess between Fujian and other parts of China

2 結果分析

2.1 粒度組成特征

綜合4個剖面的粒度組成（表1）可以看出,4個剖面均以粉砂（2～63μm）為主,含量65.09%～70.07%;其中以細粉砂（2～16μm）含量占優勢,最高可達60.58%.除 XY剖面外,其余3個剖面從細粉砂至粗粉砂（32～63μm）,隨粒級增大平均含量依次減小.各剖面粘粒（<2μm）含量變化明顯,WZ剖面 6.41%～16.23%,絕大多數小于10%;XY剖面4.78%～11.75%,絕大多數小于6.20%;ZS剖面 4.15%～15.16%;WFS剖面10.51%～23.44%.各個剖面砂（>63μm）含量變化較大,但平均含量相當.WZ剖面 4.37%～49.90%,平均 22.42%;XY剖面 12.30%～39.54%,平均 28.40%;ZS剖面 5.93%～57.23%,平均 22.40%;WFS剖面 5.04%～21.92%,平均 11.90%.其中細砂 （>125μm）含量平均變化于6.32%～17.86%,比重突出.從粒度組成的時間序列變化分析,WZ剖面粉砂組分Q13時期（平均 64.6%）低于 Q23時期（72.0%）,砂組分 Q13時期（平均 26.8%）高于 Q23時期（16.6%）,粘土組分Q13時期（平均8.5%）低于Q23時期（11.4%）;而ZS剖面粉砂組分Q23時期（平均68.0%）低于 Q33時期（68.7%）,砂組分 Q23時期（平均 22.6%）高于 Q33時期（22.1%）,粘土組分Q23時期（平均9.3%）低于Q33時期（9.8%）.

從北方黃土和南方紅土物質來源和成因對比分析,我國北方陜西洛川風成黃土>50μm顆粒含量<10%;長江中下游的江西九江紅土>50μm顆粒含量<5%[8],而安徽宣城向陽剖面>63μm的顆粒含量<1%[15].南亞熱帶東江流域臨江剖面紅土>63μm的顆粒含量13.79%～26.28%[16].顯然,福建東南部紅土粒度組成更接近南亞熱帶水力沉積形成的非均質沉積型紅土.野外觀察,上述紅土剖面常見數層角礫石夾層,產狀隨所在坡地傾斜變化,沉積相為近源溝谷流水或坡面流水剝蝕堆積的洪積坡積沉積構造特點.

2.2 頻率曲線和概率累積曲線特征

福建東南部紅土剖面樣品的粒度頻率分布曲線可歸納為3種類型（圖3）.類型1（圖3A）:單峰,細端略帶一分量,粗端拖有平臺.單峰曲線 WZ、WFS剖面各有1條,ZS剖面有2條.XY剖面單峰曲線較多,占樣品總數的70%,其總體特征為眾數值在31～71μm之間,眾數向粗粒端變化陡而迅速,向細粒端變化緩而慢.類型2（圖3B）:雙峰,主峰與次峰對比明顯,樣品數較少.雙峰曲線類型,XY剖面缺失,WFS剖面有1條,ZS剖面有1條,WZ剖面有2條.在雙峰曲線的細端<1μm處,有一不明顯主體分布,但不影響雙峰總體趨勢.類型3（圖3C）:多峰,樣品數較多.多峰曲線類型 WZ、ZS、WFS剖面較多,總體表現為在<1μm處出現第三眾數,這對雙峰曲線有很好的繼承性.

圖3 福建東南部第四紀紅土典型樣品頻率分布曲線A.單峰型;B.雙峰型;C.多峰型Fig.3 Frequency distribution curves of typical samples from Quaternary red earth in the southeast of Fujian

各剖面第一眾數不同,WZ剖面0.4～1.2 m段第一眾數多在9μm左右,1.2～4.0 m段第一眾數多在16μm左右;ZS剖面有8個樣品第一眾數在5～10μm之間,8個樣品的第一眾數在28～62μm之間,10個樣品的第一眾數在12μm左右;WFS剖面第一眾數4～6μm之間.各剖面樣品第二眾數大多都在118～746μm之間,但峰凸程度不同.

我國北方黃土、中亞熱帶風成紅土的第一眾數粒徑一般都在32～16μm之間,第二眾數一般在2～3μm[17];南亞熱帶東江流域流水搬運沉積的網紋紅土第一眾數在 4～5μm,第二眾數在 70～100μm[16].顯然,福建東南部第四紀紅土沉積與南亞熱帶流水搬運沉積紅土具有較多的相似性.晚更新世早期紅土沉積（剖面下部）的粒度頻率曲線眾數值較大,峰形差異小,晚更新世中晚期沉積（剖面上部）眾數值相對較小,峰形差異大,似乎反映晚更新世晚期區域氣候惡化、水動力條件變化復雜.

福建東南部紅土的概率累積曲線大致可分為兩類（圖4）:（1）四段式（圖4A）,2Ф、6Ф和11Ф附近的3個截點將紅土粒組分成四段,<2Ф的推移組分,2～6Ф、6～11Ф混合組分,>11Ф的次生組分.（2）五段式 （圖 4B）,即 <2Ф,2～4Ф,4～6Ф,6～11Ф和>11Ф.與四段式相比,在2～6Ф增加了一個截點,將粗粒部分分成兩段2～4Ф和4～6Ф,這說明有懸移組分的混入.總的來看,4個剖面樣品的概率累積曲線以四段式為主,并與嶺南東江流域一級階地網紋紅土曲線[16],黃山東麓白亭洪積扇剖面上、中部曲線[18]具有很好的可比性.

2.3 粒度參數特點

沉積物平均粒徑（MФ）代表粒度分布的集中趨勢,反映了搬運介質平均動能大小.4個剖面的MФ變化于 3.96Ф～7.63Ф,平均 5.31Ф～6.99Ф,少數樣品低于5Ф或者大于7.2Ф.XY剖面MФ變化于4.87Ф～5.94Ф,相差不到 1.1Ф,表明其搬運動力較為單一.WZ、ZS、WFS剖面 MФ變化較大,表明搬運介質平均動力差異較大,分選較為復雜.WZ剖面Q13時期 Mz（平均5.2）低于Q23時期（6.0）,ZS剖面Q23時期Mz（平均5.8）低于Q33時期（6.0）.

標準偏差（σ）表示沉積物分選程度,反映不同粒度顆粒分散和集中狀態.4個剖面的σ變化于2.07～2.71,表明福建東南部紅土沉積的分選程度差.WZ剖面Q13時期σ（平均2.51）低于 Q23時期（2.85）,ZS剖面Q23時期σ（平均2.22）低于 Q33時期（2.30）.實地觀察 WZ、ZS紅土剖面,在不同深度都有厚度不均、交錯分布的層狀棱角狀礫石,礫石巖性和礦物組成與附近坡地和下伏基巖的巖性和礦物組成相似,反映福建東南部紅土沉積近源搬運、快速堆積的特點.

偏度（SK）反映沉積物粗細顆粒的分布情況.XY剖面絕大部分樣品的偏度為負偏,其中偏度在-0.29～-1.8占54.5%,極負偏-0.32～-0.37占36.4%;ZS剖面-0.10～+0.10之間近對稱者占50%,+0.11～+0.23之間正偏占30%;WFS剖面+0.10～+0.21之間正偏占67%,+0.07～+0.09之間近對稱占 33%;WZ剖面 -0.07～+0.09近對稱占37.14%,+0.12～ +0.29正偏占62.86%.除XY剖面整體呈負偏外,其他3個剖面均以正偏為主,粒度組成集中于粗端部分,反映近源搬運堆積粗組分為主混合后期強烈化學風化的特點.

圖4 福建東南部第四紀紅土典型樣品概率累積曲線A.四段式;B.五段式Fig.4 Probability cumulative curves of typical samples from Quaternary red earth in the southeast of FujianA.four-segment pattern;B.five-segment pattern

峰態（Kg）衡量分布曲線的峰凸程度.Kg值很低或者非常低時,說明該沉積物未經改造就進入新環境,而新環境對其改造又不明顯.WFS剖面紅土 Kg值在1.11～1.14之間窄峰態樣品占33.33%,0.95～1.10之間中等峰態占55.56%;WZ剖面紅土 Kg<0.67很寬峰態占8.6%,0.67～0.88之間寬峰態占14.29%,1.11～1.35之間窄峰態占51.43%;XY剖面Kg在0.91～1.10之間中等峰態占81.82%;ZS剖面紅土 Kg在1.12～1.45之間窄峰態占60%,0.92～1.08之間中等峰態占26.6%,0.81～0.88之間寬峰態占13.33%,綜合來看,WZ、ZS剖面寬峰態比較高,平均變化于13.33%～22.89%,表明早期土壤和風化殼物質被沖洪積流水快速搬運、不同粒徑粗細混合堆積的特點.

從我國北方風成黃土和南方其他區域紅土粒度參數特點對比分析,福建東南部第四紀紅土粒徑平均偏粗,分選性差,具有明顯低山丘陵區洪積坡積水力搬運沉積的特點.從紅土沉積時間序列看,從晚更新世早期到中晚期,福建東南部紅土沉積各個粒度參數變化趨于復雜.

3 討論與結論

從福建東南部紅土沉積的粒度組成看,位于中亞熱帶和南亞熱帶過渡帶的福建東南部紅土沉積的粗顆粒含量與北方風成紅土沉積相差別較大,而與南亞熱帶東江流域臨江紅土沉積的粒度組成特點相似.

從福建東南部紅土沉積頻率曲線特征看,峰型多樣,反映較復雜沉積環境,各剖面樣品第一眾數峰在細端,多集中于4～71μm,第二眾數均較大.樣品的概率累積曲線以四段式為主,反映典型的水動力搬運特性.

從福建東南部粒度參數特點看,研究區紅土平均粒徑明顯比我國北方風塵黃土沉積以及北亞熱帶均質紅土粒徑偏粗,而與南亞熱帶水動力沉積的紅土平均粒徑相當;分選系數大于北亞熱帶均質紅土和南亞熱帶河流階地紅土,表現為粗細顆?；祀s分選性差.

綜上所述,福建東南部紅土沉積的平均粒徑較粗,分選性差,峰態寬緩,各剖面粒度參數空間變異較大,具有多峰頻率曲線和四段式的概率累積曲線,表明近源搬運、高能水動力和快速混合堆積的沖積洪積和坡積特征.反映了福建東南部低山丘陵、海洋性季風氣候、季節性暴雨剝蝕搬運的風化成土環境.從沉積序列分析,反映晚更新世以來福建東部紅土氣候條件和沉積環境變化趨于復雜,可能是末次間冰期到末次冰期北半球氣候惡化,由此影響低緯度亞熱帶東南沿海地區氣候條件變化和水動力的搬運堆積過程.由于本次采樣點有限,同時缺乏環境磁學、地球化學、粘土礦物等資料佐證,全面了解福建內陸地區紅土沉積過程和沉積環境,須對其他方面的環境代用指標進行深入系統研究.

[1]成都地質學院陜北隊.沉積巖（物）粒度分析及其應用[M].北京:地質出版社,1978.

[2]劉東生.黃土與環境[M].北京:科學出版社,1985.

[3]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.

[4]朱照宇.中國南方紅土研究若干問題討論.慶祝中國第四紀研究委員會成立50周年簪弟九屆全國第四紀學術大會論文摘要集[C].南京,2006.

[5]朱麗東.中亞熱帶加積型紅土及其所記錄的第四紀環境變化探討[D].蘭州大學,2007.

[6]朱顯謨.中國南方的紅土與紅色風化殼[J].水土保持研究,1995,2（4）:94-101.

[7]朱麗東,葉 瑋,周尚哲,等.中亞熱帶第四紀紅粘土的粒度特征[J].地理科學,2006,26（5）:586-591.

[8]楊立輝,葉 瑋,朱麗東,等.第四紀加積型紅土與黃土的風成相似性探討[J].干旱區地理,2008,31（3）:341-347.

[9]李敬衛,喬彥松,王 燕,等.江西九江紅土堆積的粒度特征及成因研究[J].地質力學學報,2009,15（1）:95-104.

[10]李徐生,楊達源,鹿化煜,等.皖南第四紀風塵堆積序列粒度特征及其意義[J].海洋地質與第四紀地質,1997,17（4）:73-81.

[11]喬彥松,趙志中,李增悅,等.成都平原紅土堆積的風成成因證據[J].第四紀研究,2007,27（2）:286-294.

[12]胡雪峰,龔子同.江西九江泰和第四紀紅土成因的比較研究[J].土壤學報,2001,38（1）:1-9.

[13]胡雪峰,朱煜,沈銘能.南方網紋紅土的多元成因的粒度證據[J].科學通報,2005,50（9）:918-925.

[14]Folk R,Ward WC.Brazos Rivervar.A study in significance of grain size parameters[J].Journal of Sedimentary Petrology,1957,27（1）:3-26.

[15]胡雪峰,沈銘能,方圣瓊.皖南網紋紅土的粒度分布特征及古氣候環境意義[J].第四紀研究,2004,24（2）:160-166.

[16]溫小浩,李保生,鄭琰明,等.嶺南東江流域一級階地網紋紅土的形成時代及其粒度特征[J].地理與地理信息科學,2009,25（5）:59-63.

[17]孫東懷,安芷生,蘇瑞俠,等.古環境中沉積物粒度組分分離的數學方法及其應用[J].自然科學進展,2001,11（3）:269-276.

[18]崔之久.泥石流沉積與環境[M].海洋出版社,1996.

[19]陳益良.粵東北地區臨江剖面晚第四紀紅土和棕黃色土粒度、交換性鋁、交換性酸的分布于環境的初步研究[D].華南師范大學,2008.

Abstract:Based on the field investigation and experimental analysis,this paper focuses on the research of several red earth profiles in southeast part of Fujian.The results show that:1）Granularity composition of red earth is dominated by silt（2～63μm）and its content is 65.09%～70.07%,while sand（>63μm）accounts for 11.90%～28.40%and clay（<2μm）is 6.51% ～18.03%.2）Frequency curves of red earth granularity are mainly multi-peak and have significant changes.The first mode of each profile is from 4 to 71μm;The second mode of samples of profiles lies between 118 and 746μm;The third mode is less than 1μm;The probability accumulate curves of the red earth are mainly four-segment pattern.3）Granularity parameters reflect relatively coarse in grain size,poor in sorting and gently in peakedness;Change in each granularity parameters complicate from the earlyer late pleistocene to the later period.It shows that red earth sediment are produced by near provenance,hydrodynamic deposit and rapid accumulation,and then came through strong chemical weathering process;Deterioration of global climate produce a significant impact on deposition of red earth handling and weathering process during late pleistocene in the study area.

Key words:granularity characteristics;red earth;Quaternary;southeast of Fujian

Granularity characteristics and genetic analysis of Quaternary red earth in the southeast of Fujian

QI Shengji1,2,3,LI Zhizhong1,2,3,CHEN Xiuling1,2,3,J IN Jianhui1,2,3,MA Peng1,2,3,4,WU Meirong1,2,3,LIN Shuqian1,2,3
（1.Institute of Geography,Fujian Normal University,Fuzhou 350007;2.School of Geography Science,Fujian Normal University,Fuzhou 350007;3.Key Laboratory of Humid subtropical Eco-geographical process,Ministry of Education,Resources and Environment,Fuzhou 350007;4.Normal Branch of Yuncheng University,Yuncheng,Shanxi 044000）

P534.63

A

1000-1190（2010）04-0696-06

2010-05-14.

福建省自然科學基金資助項目（2009J01208）;福建省公益類研究所專項基金（2009R10039-4）.

＊通訊聯系人.E-mail:lizzfz@163.com.