影響海陸交互相沉積物亮度的幾個因素＊

趙 娜，徐興永，于洪軍，姚 菁，蘇 喬

（1.中國科學院 煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺26403；2.中國科學院 研究生院，北京100049；3.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061）

影響海陸交互相沉積物亮度的幾個因素＊

趙 娜1，2，3，徐興永3，于洪軍3，姚 菁3，蘇 喬3

（1.中國科學院 煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺26403；2.中國科學院 研究生院，北京100049；3.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061）

對中國北方萊州灣南岸鉆孔上部54m海陸交互相沉積物的亮度進行研究，探討其作為海陸交互相沉積物的環境指標的可行性，同時通過對比不同樣品處理方式所得的亮度值探討影響亮度的幾個因素。測量分2次進行，分別使用Minolta CM－2002分光光度計針對柱狀原樣及Minolta CR400／410色差計針對風干研磨后的散樣進行。研究結果表明，海陸交互相沉積物的亮度，尤其是經過風干處理后樣品的亮度值，與碳酸鈣含量及粒度兩個古氣候代用指標均具有顯著相關關系，可以將其作為碳酸鈣含量的替代指標應用于海陸交互相沉積物的環境演化研究。而亮度值與碳酸鈣含量不一致性，可歸因于沉積物中非碳酸鈣組分的性質及含量。粒度與亮度的相關性顯示，鉆孔砂質沉積中含有的大量深色的有機質使得鉆孔中粒度0～31μm的部分比例越高，亮度會越大，而粒度＞31μm的部分比例越高，亮度會越小。2次亮度值的對比表明，水分、氧化作用及研磨是沉積物2次測量所得亮度值存在差異的主要原因。

海陸交互相沉積；萊州灣；亮度；碳酸鈣；L＊

沉積物的顏色是沉積物中內在成分的綜合反映。它是對可見光范圍（400～700nm）內電磁光譜的反射輻射的感知［1］。地質研究中對顏色的描述傳統上使用定性的Munsell顏色系統，該系統為通過將人眼觀測到的沉積物顏色與Munsell色卡進行對照從而獲得數值的定性系統。這種方法最大的缺點在于其客觀性較差，除了人眼的不準確性外，觀測條件的差異也會造成結果的偏差［2］。相對于Munsell系統，近年來廣泛應用的一種描述顏色的方法之一是CIE L＊a＊b＊色度空間。該色度空間是1976年國際照明委員會（CIE）推薦的均勻顏色空間。由于該空間指定了發光體且可進行顏色的定量描述，目前已被普遍使用［3］。L＊為亮度參數，表示沉積物的明暗程度，數值范圍從0～100，0代表黑色，100代表白色［4］。亮度的變化一直以來都被解釋為沉積物中碳酸鹽的變化［3］，由于其測量快速、分辨率高及費用低廉等優點，被越來越多地作為碳酸鹽的替代指標應用于古氣候的研究中。

過去對沉積物顏色的研究主要集中于深海沉積物［3，5］，黃土沉積物［6－9］，陸架沉積物［10－11］及湖泊沉積物中［12］。我們探討亮度作為海陸交互相沉積物環境指標的可行性，同時探討其影響因素，為進一步利用沉積物亮度進行古氣候的研究提供依據。

1 鉆孔位置

選取萊州灣南岸2007年鉆進獲取的LZ908孔（37°09′N，118°58′E，海拔6m）（圖1）。萊州灣位于中國渤海南部，其北面是渤海中央海盆，西面為現代黃河三角洲，東面與北黃海相連，南面為魯中山區和第四紀時期發育的沖積海積平原。鉆孔鉆進深度為101.3m，取芯率為70%。鉆孔上部0～54m以砂、粉砂為主，夾有數層泥炭粘土層，含有較多的貝殼碎片；下部54～101m以淤泥為主，含大量鈣質結核。有研究表明，晚更新世以來萊州灣發育了多個海侵層位，記錄了古海平面升降、古海岸線變遷的歷史［13－14］。我們判斷LZ908孔的海相地層集中于上部54m，下部屬河湖相環境。本研究僅針對上部海陸交互相地層的沉積物進行分析。

圖1 鉆孔位置圖Fig.1 Location of the borehole studied

2 實驗與方法

2.1 顏色測量

2.1.1 所選儀器

由于Konica Minolta儀器攜帶方便、簡易的手持式操作以及測量快速等特點，常被用來進行L＊a＊b＊的測定。測量進行了2次，使用Minolta CM－2002分光光度計對柱狀原樣和Minolta CR400／410色差計針對風干研磨后的樣品進行測試。兩儀器主要參數設置相同，色度空間均采用L＊a＊b＊，測量孔徑均為8mm，并設置SCE（Spectral Component Excluded）用以排除沉積物表面所覆蓋的玻璃質物質對測量結果的影響，此外兩者均參照國際硫酸鋇標準使用白色瓦片進行校正。

2.1.2 測量方法

首次顏色測量于柱狀樣剖開后隨即開始，使用Minolta CM－2002分光光度計。測量前，在柱狀樣的縱剖面上覆蓋一層晶質光潔的聚乙烯薄膜（克林萊牌保鮮膜）。覆蓋薄膜可以阻止柱狀樣水分的散失，使氧化作用造成的沉積物顏色的改變減到最小［4］，避免樣品受到分光光度計的污染［15］，以及保護分光光度計，避免與柱狀樣中的含水物質接觸而遭到腐蝕或損壞［1］。測量前進行白板校正，并設置SCE。測量間隔為1cm，直接在薄膜表面滑移進行，測量結果為L＊1。

第2次測量使用儀器為Minolta CR400／410色差儀。測量前，先將從柱狀樣中以10cm為間隔取出的樣品置于室溫下風干，之后每份樣品取大約0.5g進行初步研磨，使礦物顆粒處于均勻分散狀態，然后對樣品進行測量。測量結果為L＊2。

2.2 碳酸鈣含量測量

柱狀樣中待測碳酸鈣樣品分樣間隔為10cm，測量采用容量法（GB／T13909－92）。稱取0.1g樣品于100mL三角瓶中，用少許水濕潤；加入10mL，0.1mol／L的標準鹽酸溶液；搖勻后加熱微沸3min，移于70～80℃的水浴鍋上保溫10～20min，待碳酸鈣分解完全后，取下冷卻；加入2～3滴酚酞指示劑，用0.1mol／L的標準氫氧化鈉溶液滴定至溶液呈粉紅色；分析同時做空白試驗。使用下面公式計算樣品中碳酸鈣質量分數（%）：

式中，c（NaOH）為標準氫氧化鈉溶液的濃度，mol／L；V1為消耗氫氧化鈉溶液的體積，mL；V0為空白樣中氫氧化鈉溶液的消耗體積，mL；m為樣品質量，g；F等于50.04×10－3，即消耗1mL濃度為1mol／L氫氧化鈉溶液相當的CaCO3的質量，g。

2.3 粒度測量

粒度測量的分樣間隔為2cm，使用英國MALVERN公司生產的MASTERSIZER－2000型激光粒度儀進行測試。該儀器的測量范圍為0.02～2 000μm，重復測量誤差小于3%。

3 結果與討論

3.1 亮度與沉積組分

沉積物的顏色主要受所含組分影響。其中淺色組分（如碳酸鈣、蛋白石）可增加沉積物的亮度，而深色組分（如伊利石、綠泥石）減少沉積物的亮度［2］。

為了方便對比，所有數據間距統一為10cm。從柱狀樣亮度的兩次測量結果可以看出：波動范圍為30.8～56.3，為40.4～77.7，的平均值比大18；鉆孔上部與的一致性較好，下部兩者一致性減弱（圖2）。2次測得的亮度值均與碳酸鈣含量呈顯著的正相關，與碳酸鈣的相關性較更好（表1），無論是兩者曲線的變化趨勢還是峰值位置均基本吻合（圖2）。與碳酸鈣質量分數的相關性較差，尤其是鉆孔下半部分（表1，圖2），原因可能是使用Minolta CM－2002進行測量時，柱狀樣上部含水率相對較高，薄膜與沉積物表面伏貼較好，而下部含水率較低，薄膜貼合不緊密，會對測量結果的準確性造成一定影響。而2次測得的亮度值均不能完美的反應鉆孔中碳酸鈣質量分數的變化，這可歸因于沉積物中非碳酸鈣組分：如果這些組分被淺色物質控制，如高嶺石，亮度并不會隨著碳酸鈣質量分數的減少而發生顯著變化；如果被深色物質控制，如有機物、綠泥石，那么隨著碳酸鈣質量分數的減少，亮度會大大降低［3］。柱狀樣中非碳酸鈣組分的質量分數會隨著沉積時序的變化而存在差異，這會嚴重影響亮度與碳酸鈣之間的相關性。因此Balsam建議，對于年代或地域跨度較大的樣品，將亮度作為碳酸鹽質量分數的替代指標時要謹慎［3］。盡管鉆孔中亮度值與碳酸鈣質量分數的對應關系并非完美，但鑒于兩者顯著的相關關系及兩者曲線較一致的變化趨勢，在海陸交互相沉積物中，將亮度作為碳酸鹽的替代指標仍然是可行的。

圖2 碳酸鈣質量分數、粒度與亮度變化曲線Fig.2 Downhole variations in calcium carbonate content，grain size，and two L＊s of L＊curves，the ones with shadow represent Land the bold ones represent L

3.2 亮度與粒度

表1 亮度與碳酸鈣質量分數的相關關系Table 1 Correlation coefficents between lightness and calcium carbonate content

表2 亮度、碳酸鈣質量分數與粒度的相關系數Table 2 Correlation among two lightness，carbonate content，and grain size，

亮度與砂之間顯著的負相關關系可以從2個角度可以去解釋。從光學角度分析，砂的質量分數大，沉積物的孔隙度便較大，光能會被吸收的更多，反射光將減少，導致沉積物亮度值減小。從沉積學角度來看，晚更新世以來在渤海地區與干冷－溫濕氣候的變化史相一致的表現為海侵－海退的交替出現，在萊州灣南岸形成了海陸交互相地層。總的來說，粉砂沉積發育及碳酸鈣質量分數較高的地層，基本上代表冷期的氣候環境，顯示以風成沉積為主的氣候條件；凡是厚層砂層發育及碳酸鈣質量分數較低的地層，基本上代表了暖期氣候環境［14］。這從鉆孔中碳酸鈣質量分數與粒度組分之間的相關性中得到了很好的印證（表2）。作為碳酸鈣質量分數替代指標的亮度便與砂質量分數呈現出負相關關系。

3.3 水分、氧化及研磨

含有水分的沉積物其顏色比干燥的沉積物要深，即含水沉積物亮度更小［5］。?ngstrom指出，含水物質表面產生了水膜，而含水物質的漫反射使得在水膜里發生完全的內部反射成為可能［17］。Twomey等則認為是由水的存在所增加的散射，使得光子被物質吸收的可能性增大［18］。我們進行的2次顏色測量，分別使用Minolta CM－2002直接對含水柱狀樣品進行讀數和Minolta CR400／410測風干后的散樣。樣品經風干后，水分喪失，勢必會造成亮度值的增大。對比圖2中L＊1和L＊2兩曲線的變化可以看到，L＊2的值明顯比L＊1大，水分的作用便是原因之一。此外，從柱狀樣被切開的那一刻起，沉積物水分的散失便開始了，且散失速率無法控制和估算，這使得我們既無法獲得樣品初始狀態下的亮度值，也無法保證每次所測得的沉積物的亮度值所受到失水的影響是相同的。沉積物的含水率不同，亮度被減弱的程度也不同［5］，這是柱狀樣的亮度值無法很準確的反映碳酸鈣質量分數的原因之一。

此外，水分的存在可能是導致2次測量的亮度與粒度相關性存在差異的主要原因。不同粒徑的沉積物，其顏色受水分影響也不同。對于淤泥質及更細的沉積物來說，較高的水分能破壞其填積作用，使沉積物顏色表現得更深［5］。這與前面提到的，沉積物中砂的質量分數越大，沉積物亮度越小，是相反的。所以，水分的存在，使得沉積物亮度的變動幅度減小，故而不會很準確的反應碳酸鹽的質量分數。這也從另一個角度解釋了經實驗室處理后的樣品的亮度值能更好的反映碳酸鹽質量分數的變化。

和水相比，氧化作用對沉積物顏色的影響也不容忽視，甚至更大。沉積物中通常會發生氧化的組分之一就是有機物。未經氧化的有機物是深色的，隨著氧化作用發生，含有有機物的沉積物會變淺，通常從深色變為淺灰色［19］。柱狀樣在分樣、風干及研磨的過程中，其組分暴露于空氣中經受氧化，這是L＊2的值比L＊1大的另一原因。此外，與水分對亮度的影響相似，柱狀樣剖開之后，沉積物的氧化作用亦隨即開始，且亦無法控制及估算，故氧化作用亦導致了亮度結果無法準確反映碳酸鈣質量分數。

前處理過程中除水分的散失及氧化作用外，研磨也會造成兩次測量值的差異。研磨能使沉積物組分均勻分布、表面更加平滑［1］，這將使測量結果更接近真實。而直接在柱狀樣表面測量，分光光度計只分析樣品表面及其以下幾微米的顏色性質。由于低密度沉積物會占去樣品表面更大的面積，因此在測量中低密度物質會占有較高的比重［3］。如果這種低密度物質對亮度的影響很大，那么它將主導亮度值的大小，從而嚴重干擾亮度值對碳酸鹽質量分數的反映。此外直接在柱狀樣剖面上的測量也可能由于出現沉積組分的點塊聚集而出現偏差。

4 結 論

2）鉆孔中亮度與粒度0～31μm的部分呈正相關，而與＞31μm的部分呈負相關；在0～31μm的范圍內，亮度與中砂的正相關性最高，向兩端逐漸遞減。由此可得，鉆孔中粒度0～31μm的比例越高，亮度會越大；粒度＞31μm的部分比例越高，亮度會越小。由于沉積物中大多數深色組分粒徑均較小，那么推測鉆孔砂質沉積物中，尤其是指示海相地層的厚砂層沉積中，含有較多大大降低沉積物亮度的有機質。

3）水分、氧化作用及研磨是沉積物2次測量所得亮度值存在差異的主要原因。

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Factors Influencing the Lightness of Paralic Sediments From Borehole LZ908in the Southern Laizhou Bay

ZHAO Na1，2，3，XU Xing－yong3，YU Hong－jun3，YAO Jing3，SU Qiao3
（1.Yantai Institute of Coastal Zone Research，Chinese Academy of Sciences，Yantai 264003，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao 266061，China）

The lightness of the paralic sediments collected from the top－54mof Borehole LZ908taken from the southern coast of the Laizhou Bay was studied and several factors influencing the lightness of the sediments were discussed by comparing the lightness values obtained after different sample preparations.In addition，the feasibility for using the lightness as an environmental indicator of paralic sediments was also discussed.The measurements of lightness were performed twice，during which a Minolta CM－2002spectrophotometer was used for measuring the original and fresh samples collected from the borehole and a Minolta CR400／410system for air－dried and ground samples.The results indicate that the lightness values of the samples studied，especially those from the air－dried and grounded samples，show a prominent correlation to the calcium carbonate content and grain size which have been considered to be the proxies of palaoclimate，indicating that the lightness could be，as a proxy of calcium carbonate content，used for the study of the environment evolution of the paralic sediments.The inconsistency between the lightness values and the calcium carbonate contents may possibly be attributed to the properties and contents of non－carbonate components in the sediments.The correlation between lightness and grain size show that the higher the proportion of（31μm in grain size，the bigger the lightness is，whereas the higher the proportion of（31 μm is，the smaller the lightness is.It can be seen from the twice measurements that dehydration，oxidation and grinding may possibly be the main reasons for the differences in the lightness varieties.

paralic sediments；Laizhou Bay；lightness；calcium carbonate content；L＊

November 29，2010

P936

A

1671－6647（2012）01－0125－07

2010－11－29

我國近海海洋綜合調查與評價專項——萊州灣地區海水入侵災害調查與研究（908－01－ZH2）；國家海洋局青年海洋科學基金——萊州灣地區全新世百年尺度環境演化研究（2008310）；山東省科技攻關項目——萊州灣地區地質災害預報預警系統研究（2009GG20005004）

趙 娜（1983－），女，遼寧沈陽人，博士，主要從事環境地質方面研究.E－mail：zhaona＿1983＠163.com

（陳 靖 編輯）

致謝：國家海洋局王昆山博士，泰安學院彭淑貞博士和山西師范大學朱麗君在沉積物顏色參數測定實驗中給予幫助，姜興鈺、陳廣泉、徐元芹參與分樣工作。