目標(biāo)樣本粒度判據(jù)在海灣環(huán)境演變研究中的運用
——以福建前湖灣為例

俞鳴同，劉秀銘*，楊華瑋，曹宏偉，唐榮駿，劉巍，龔正權(quán)，陳有喜，陳櫻，孫巧紅，郭杰

(1. 福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州350007；2.福建師范大學(xué) 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地，福建 福州350007)

目標(biāo)樣本粒度判據(jù)在海灣環(huán)境演變研究中的運用
——以福建前湖灣為例

俞鳴同1，2，劉秀銘1，2*，楊華瑋1，曹宏偉1，唐榮駿1，劉巍1，龔正權(quán)1，陳有喜1，陳櫻1，孫巧紅1，郭杰1

(1. 福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州350007；2.福建師范大學(xué) 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地，福建 福州350007)

高密度采集福建前湖灣海岸剖面133個泥沙樣品做粒度分析，其頻率曲線顯示多種粒度分布特征，預(yù)示多種沉積環(huán)境的變化。采集研究剖面周邊海灘、河口淺灘、河口、濱海沼澤和海岸沙丘等已知環(huán)境的樣品作為目標(biāo)樣本。將目標(biāo)樣本沉積參數(shù)平均粒徑(Mz)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)、峰態(tài)(Kg)設(shè)為判別參數(shù)，利用Excel計算海岸剖面樣品與目標(biāo)樣本參數(shù)的距離，篩選最小距離樣品，歸為已知目標(biāo)樣本的同類。據(jù)此，分析了海岸剖面蘊含的6個沉積環(huán)境變化階段。利用剖面底部淤泥測年14C=(328 15±170)a BP，和剖面上部泥炭測年14C=(24 130±100)a BP，了解這一變化發(fā)生的年代。自(32 815±170)a BP以來，前湖灣經(jīng)歷了河口淺灘-河口、沙丘-河口-濱海沼澤-海灘-沙丘等海岸環(huán)境演變過程。

目標(biāo)樣本參數(shù)；最小距離；沉積環(huán)境判別

1 引言

沉積物粒度特征是沉積環(huán)境動力狀態(tài)的反應(yīng)，可用于識別沉積環(huán)境，傳統(tǒng)方法是用沉積參數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗判別，例如粒度用平均粒徑(Mz)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)、偏度(Sk)、峰態(tài)(Kg)的特征值，薩胡多元判別公式，維謝爾的概率累計曲線，帕賽加CM圖等[1]。但是，不同地區(qū)相同沉積環(huán)境粒度參數(shù)(如平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度、峰態(tài))閾值存在一定差異，用統(tǒng)一度量判別誤差較大。近些年利用粒度分布曲線的函數(shù)擬合，識別多成因復(fù)雜沉積環(huán)境取得了可喜的探索[2—4]。但是，對于眾多的分析樣品，逐個擬合工作量大，容易失誤。本文以研究福建前湖灣環(huán)境演變?yōu)槔弥苓呉阎h(huán)境樣本沉積參數(shù)為判據(jù)，對海岸剖面133個樣品求取目標(biāo)樣本最小距離的方法識別沉積相，推斷沉積環(huán)境變化。

2 研究區(qū)概況

前湖灣位于福建省漳浦縣赤湖鎮(zhèn)以東約3 km，地理坐標(biāo)24°02′10″～24°07′20″N，117°53′40″～117°55′20″E。海灣總體呈長弧形，灣口開闊，面向臺灣海峽，灣頂有前湖溪匯入海灣(見圖1)。由于風(fēng)暴潮的侵蝕，前湖灣潮間帶埋藏古樹林一度暴露出來，古樹林被埋藏的成因眾說紛紜[5—6]。

圖1 研究位置及目標(biāo)樣品分布圖Fig.1 Location of research section and target samples

本研究在海岸剖面以10 cm間隔連續(xù)采集海岸露頭剖面樣品70個，從上往下編號為D2-70～D2-1，在露頭剖面跟前鉆孔穿過埋藏古樹沉積層至基底花崗巖風(fēng)化層，以同樣間隔延續(xù)向下采集埋藏剖面鉆孔巖心樣品63個從上往下編號為CHHA-01～CHHA-63，確保露頭剖面、埋藏剖面樣品的連續(xù)性，共獲得133個待判別樣品(圖2)。

圖2 漳浦前湖灣海岸巖性剖面及鉆孔位置(①～⑥巖性段)Fig.2 The coastal section and hole location in Qianhu bay, Fujian province(①～⑥suggested lithologic section)

整個剖面巖性大致分為6個階段，從上往下依次為：

第⑥段：黃白色細(xì)砂、粉砂，沉積物松散，成分較單一，屬于現(xiàn)代風(fēng)砂沉積，厚度約1 m；

第⑤段：褐黃色、淺黃色細(xì)沙，沉積物松散，見少量褐色斑紋、褐色斑點，厚度約2.5 m；

第④段：灰色、黑色淤泥、泥炭，沉積物黏重，中部泥炭測年14C=(24 130±100)a BP(北京大學(xué)加速器質(zhì)譜實驗室、第四紀(jì)年代測定實驗室測試，經(jīng)樹輪校正)，厚度約1.5 m；

第③段：褐灰色、褐黃色、青灰色細(xì)沙，沉積物松散，見少量褐色斑紋、斑點，厚度約1.45 m；

第②段：土黃色、灰白色中砂、細(xì)砂交替，沉積物松散，見少量褐色斑紋、銹色團塊，厚度約3.7 m；

第①段：灰褐、灰白、黃綠色中砂、粗砂，沉積物松散，見少量褐色斑紋、銹色斑點，底部淤泥測年14C=(32 815±170)a BP(北京大學(xué)加速器質(zhì)譜實驗室、第四紀(jì)年代測定實驗室測試，經(jīng)樹輪校正)，厚度約4.4 m。

3 研究方法

海岸剖面133個樣品用10%的H2O2去有機質(zhì)；用10%的HCl去碳酸鈣等膠結(jié)物；用0.05 mol/L(NaPO3)6分散樣品并置于超聲波振蕩7 min。處理后用馬爾文粒度儀(Mastersize2000)測量。結(jié)果顯示樣品粒度分布具有多樣性，挑選其中不同類型代表性樣品表示其粒度分布特征(見圖3)，直觀難以識別整個剖面蘊含的多種環(huán)境變化，需要判別大量樣品蘊含的沉積環(huán)境信息。

根據(jù)瓦爾特相律即相序連續(xù)性原理：在沒有沉積間斷的條件下，只有在橫向上相鄰的相，才能在縱向上互相疊置[1]。前湖灣海岸剖面粒度分布多樣性與周邊環(huán)境多樣性有關(guān)，如果用周邊已知沉積環(huán)境樣品的沉積參數(shù)作目標(biāo)判據(jù)來識別待檢測樣品，它們具有相同的物源和相似的沉積動力，判別具有可比性，其中與目標(biāo)樣本最小距離者，歸為同類，以此識別樣品蘊含的沉積環(huán)境。大量被檢測樣品與目標(biāo)樣本參數(shù)的對比計算用Excel“絕對引用”可方便、快捷完成。

為了識別海岸剖面樣品蘊含的不同沉積環(huán)境，在剖面周邊分別采集已知環(huán)境的海灘(圖1中A)樣品3個、河口(圖1中B)樣品2個，河口外淺灘(圖1中C)樣品2個、沙丘(圖1中D)樣品2個、沼澤(圖1中E)樣品2個，設(shè)為目標(biāo)樣本。海灘樣本為黃白色中砂、細(xì)砂，質(zhì)地松散，分選好；河口樣本為褐黃色粗砂、中砂，質(zhì)地略黏滯分選差；河口外淺灘樣本為淺黃色中砂、粗砂，質(zhì)地松散，分選差；沙丘樣本為黃白色中砂，質(zhì)地松散，分選好；沼澤樣本為灰黑色淤泥、泥炭，質(zhì)地黏重，分選差。

圖3 海岸剖面代表性樣品的粒度分布Fig.3 Grain size curves of samples from coastal section

對于采集的目標(biāo)樣本做同樣處理，用馬爾文粒度儀(Mastersize2000)測量獲得海灘、河口，河口外淺灘、沙丘、沼澤粒度分布。海灘砂粒度曲線呈單峰(見圖4a)，河口砂呈雙峰(見圖4b)，河口淺灘砂呈雙峰(分布特征界于海灘和河口特征之間，見圖4c)，沙丘砂呈單峰(見圖4d)，濱海沼澤泥沙呈三峰(見圖4e)。

將目標(biāo)樣本和剖面樣品測量特征分位值分別輸出至Excel，換算成φ5、φ16、φ25、φ50、φ75、φ84、φ95值，用公式(1)～(4)[7]計算每個樣品的平均粒徑(Mz)，標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)，偏度(Sk)，峰態(tài)(Kg)參數(shù)值。將目標(biāo)樣本平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度、峰態(tài)值擬設(shè)為目標(biāo)樣本參數(shù)。

Mz=(φ16+φ50+φ84)/3，

(1)

σ=(φ84-φ16)/4+(φ95-φ5)/6.6，

(2)

Sk=(φ16+φ84-2×φ50)/2×(φ84-φ16)+

(φ5+φ95-2×φ50)/2×(φ95-φ5)，

(3)

Kg=(φ95-φ5)/2.44×(φ75-φ25).

(4)

為了讓目標(biāo)樣本具有較好的兼容性，每一類用若干個樣品求φ5、φ16、φ25、φ50、φ75、φ84、φ95平均值，再計算參數(shù)Mz、σ、Sk、Kg(表1)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行均一化處理[8]，在統(tǒng)一閾內(nèi)表達(dá)，以便后續(xù)計算中的權(quán)重平等。

表1 目標(biāo)樣本判別參數(shù)Tab.1 The discriminant parameters of target samples

注：表中黑斜體參數(shù)值很接近，不宜區(qū)分被檢測樣品。

圖4 目標(biāo)樣本粒度頻率曲線Fig.4 Grain-sizes curves of the target samplesa.海灘樣本，b.河口樣本，c.河口外淺灘樣本，d.沙丘樣本，e.濱海沼澤樣本a.Beach samples，b.estuary samples，c.shallow samples，d.dune samples，e.seamarsh samples

目標(biāo)參數(shù)選擇要適當(dāng)，太少不宜區(qū)分樣品，太多易出現(xiàn)相近的變量，造成某些相近參數(shù)權(quán)重的無意加大，混淆判別。研究區(qū)目標(biāo)樣本參數(shù)總體特征顯著，易于區(qū)分，但篩選發(fā)現(xiàn)，沙丘、海灘和河口外淺灘的偏度值很接近(表1黑斜體)，不利于樣品區(qū)分，不設(shè)為判別參數(shù)。為此，將識別特征顯著的參數(shù)——平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差和峰態(tài)設(shè)為目標(biāo)參數(shù)。

對133個剖面樣品參數(shù)Mz、σ和Kg均一化處理后，用公式(5)[8]分別在Excel計算133個樣品與目標(biāo)樣本的參數(shù)距離。

(5)

式中，Dij為被檢樣品與目標(biāo)樣本的距離，xit為第i待判別樣品第t均一化參數(shù)值(其中i為待判別樣品序列號(1～133)，t為沉積參數(shù)號Mz、σ、Kg)，xjt為第j目標(biāo)樣本第t均一化參數(shù)值(其中j為目標(biāo)樣本號表示海灘、河口、淺灘、沙丘、沼澤)，k為參數(shù)的維數(shù)。

計算結(jié)果數(shù)據(jù)量很大，最小距離數(shù)據(jù)不容易看出。用Excel“相對引用”將距離判據(jù)數(shù)據(jù)減最小距離數(shù)據(jù)，等于“0”的數(shù)據(jù)一目了然，就是最小距離樣品，將其與目標(biāo)樣本歸為同類。這樣，整個研究剖面樣品蘊含的各種沉積環(huán)境一目了然。

判別樣品指示的沉積環(huán)境在一定階段內(nèi)保持一致較為可靠，體現(xiàn)沉積環(huán)境穩(wěn)定性。個別樣品判別的環(huán)境突變，但與相鄰樣品相差微小，可能為實驗或計算誤差的原因，可參考上下巖性相似性程度，加以修正。

判別的結(jié)果可以與目標(biāo)樣本進(jìn)行粒度分布曲線對比檢驗，隨機選取判別出的某階段樣品，如：D2-58～D2-64樣品判別為海灘環(huán)境，將其粒度曲線與目標(biāo)樣本的海灘樣品D5-1、D5-2、D5-7曲線進(jìn)行比較，兩者吻合性好(圖5)，判別效果良好。

圖5 被檢樣品與目標(biāo)樣本的粒度曲線對比Fig.5 Grain-sizes curves matching of examined samples with target samples

4 結(jié)果

判別結(jié)果整理后，整個剖面樣品反映了從河口淺灘-河口、沙丘-河口-濱海沼澤-海灘-沙丘等環(huán)境演變過程。據(jù)此將研究剖面分為6個階段(圖3中①～⑥)。第①階段-6.3～-1.9 m為河口淺灘階段，巖性為灰褐、灰白、黃綠色為主的河口淺灘中砂、粗砂，其下含有海侵淤泥。淤泥層之上埋藏古樹林，表明海侵結(jié)束后生長古樹林，年代為14C=(328 15±170)a BP。第②階段-1.8～1.9 m為河口淺灘-沙丘交替階段，巖性為土黃色、灰白色河口淺灘中砂與沙丘細(xì)砂交替，河口淺灘退卻，海岸風(fēng)砂活躍。第③階段2～3.45 m為沙丘-河口階段，巖性為褐灰色、褐黃色、青灰色細(xì)沙，該階段沙丘更加活躍，與河口交替出現(xiàn)。第④階段3.5～5 m，為濱海沼澤階段，巖性為灰色、黑色淤泥和泥炭14C=(24 130±100)a BP，該階段處于盛冰期，氣候干冷，海面下降，沙丘發(fā)育，阻礙河水外流，演變?yōu)闈暫訚伞５冖蓦A段5.1～7.6 m為海灘-沙丘階段，巖性為褐黃色、淺黃色細(xì)沙，表明冰后期海面快速上升，海灘與沙丘超覆沉積在泥炭層上。第⑥階段為海岸剖面頂部風(fēng)沙階段，巖性為黃白色粉砂、細(xì)砂，屬于現(xiàn)代風(fēng)砂沉積。

5 討論

末次冰期期間40～50 ka BP是MIS3氣候回暖強盛時期，中國南方對這時期氣候響應(yīng)強烈，有些估計該階段氣候比現(xiàn)代更暖[9-10]，福建沿海多處出現(xiàn)42 ka BP海侵[11]，福建洞穴石筍δ18O也揭示了42 ka BP前后出現(xiàn)高溫和降水豐沛氣候[12]。前湖灣剖面所反映的正是42 ka BP海侵之后，氣溫、海面逐步下降向盛冰期低溫、低海面的海岸環(huán)境演變，以及冰后期氣溫、海面快速上升出現(xiàn)海岸超覆沉積的過程。下部(32 815±170)a BP古樹林出現(xiàn)在海侵淤泥層之上，表明海面開始下降，沿岸成陸的森林環(huán)境。隨著海面繼續(xù)下降，古樹林被淺灘砂，沙丘砂，河口砂，沼澤泥等覆蓋，表現(xiàn)在①～④階段沉積。冰后期海面快速上升，海灘沙超覆沿岸沉積，形成上部海灘、沙丘沉積，表現(xiàn)為第⑤階段沉積。前湖灣環(huán)境經(jīng)歷了河口淺灘-河口、沙丘-河口-濱海沼澤-海灘-沙丘等演變過程與末次冰期氣候、海面變化相符，是氣候、海面變化的沉積響應(yīng)。

6 結(jié)論

在沉積相生物指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)不全的地層中，利用合適的粒度分析能有效的識別地層的沉積環(huán)境，分析古地理環(huán)境變化。本文利用研究區(qū)周邊已知環(huán)境樣品的沉積參數(shù)判別待檢測樣品的目標(biāo)樣本粒度判據(jù)方法就是其中之一，目標(biāo)樣本與被檢測樣品物質(zhì)同源，沉積動力相似，具有可比性、判別效果較好。

圖6 海岸剖面樣品與目標(biāo)樣本參數(shù)最小距離判別(參數(shù)距離“0”表示與該目標(biāo)樣本最小距離)Fig.6 The minimum distance judgment of coastal samples and target samples (“0” was suggested minimum distance of the coastal samples and target samples)

研究案例以前湖灣周邊海灘、河口淺灘、河口、濱海沼澤和海岸沙丘等已知環(huán)境樣品的沉積參數(shù)平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、峰態(tài)為判別參數(shù)，計算、篩選與目標(biāo)樣本參數(shù)最小距離的前湖灣剖面樣品，歸為目標(biāo)樣本的同類，識別出海岸剖面地層蘊含著河口淺灘、沙丘、河口、濱海沼澤、海灘等沉積環(huán)境。末次冰期MIS3以來，前湖灣海岸帶出現(xiàn)河口淺灘-河口、沙丘-河口-濱海沼澤-海灘、沙丘等海岸環(huán)境變化，是氣候、海面變化的沉積響應(yīng)。

致謝：感謝其他研究生、本科生等參與本項目野外采樣，感謝北京大學(xué)加速器質(zhì)譜實驗室、第四紀(jì)年代測定實驗室為本文測量14C年代。

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The parameters of target samples as criterion to research environmental evolution in bay：as the case of Qianhu Bay，F(xiàn)ujian Province

Yu Mingtong1，2，Liu Xiuming1，2，Yang Huawei1，Cao Hongwei1，Tang Rongjun1，Liu Wei1，Gong Zhengquan1，Chen Youxi1，Chen Ying1，Sun Qiaohong1，Guo Jie1

(1.CollegeofGeographicalSciences，F(xiàn)ujianNormalUniversity，F(xiàn)uzhou350007，China; 2.StateKeyLaboratoryofSubtropicalMountainEcology，F(xiàn)ujianNormalUniversity，F(xiàn)uzhou350007，China)

133 high density sediment samples were collected from Qianhu Bay coastal section to analyze their grain size which showed a variety of the frequency curves indicated the changes of sedimentary environment. Some samples of beach，shallow，estuary，seamarsh and dunes around the section were also collected to analyze grain size. Their parameters of mean particle size (Mz)，the standard deviation (σ)，kurtosis (Kg) were set as criterion to calculate the minimum distance between the section samples and the criterion samples. Samples with minimum distance were classified to the similar of criterion sample so that to known their paleo-environment. We use this method to analyze 133 coastal samples and known their environmental evolution from estuaries shallow，estuaries，dunes，seamarsh to beach. The silt sample under the bottom of the coastal section was dating of14C=(32 815±170)a BP and known the ages of environmental changes of Qianhu Bay. Referring the sealevel changes in Fujian coastal during that time we know it was climate and sealevel changes that cause the environmental changes in Qianhu Bay.

criterion sample parameter; minimum distance; sedimentary environment discriminant

2014-12-12；

2015-03-16。

國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金項目(J1210067)；國家自然科學(xué)基金項目(41210002)；福建師范大學(xué)2014年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目。

俞鳴同(1959—)，男，福建省福州市人，教授，研究方向為第四紀(jì)環(huán)境。E-mail：ymt909@126.com

*通信作者：劉秀銘(1956—)，男，福建省福州市人，教授，研究方向為環(huán)境磁學(xué)與地球環(huán)境變化。E-mail：xliu@fjnu.edu.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.09.011

P736.2

A

0253-4193(2015)09-0106-07

俞鳴同，劉秀銘，楊華瑋，等. 目標(biāo)樣本粒度判據(jù)在海灣環(huán)境演變研究中的運用——以福建前湖灣為例[J]. 海洋學(xué)報，2015，37(9):106-112，

Yu Mingtong，Liu Xiuming，Yang Huawei，et al. The parameters of target samples as criterion to research environmental evolution in bay：as the case of Qianhu Bay，F(xiàn)ujian Province[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(9):106-112，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.09.011