廬山JL剖面粒度敏感組分的提取與環境意義初探

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

(浙江師范大學地理過程實驗室，浙江 金華 321004)

粒度環境敏感組分能夠更準確地指示沉積物的沉積環境。該文采用粒級—標準偏差法提取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，并探討其環境指示意義。結果表明：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對環境變化的反應最敏感，能夠指示冬季風的強弱變化。2)敏感粒度組分的含量在網紋紅土中最低，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為高低值相間的多個旋回。初步認為，廬山地區第四紀以來冬季風呈明顯增強的趨勢，并存在冬夏季風強弱交替的波動。

紅土；敏感組分；粒級—標準偏差

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

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，區域內的土壤為紅壤、黃壤。廬山雖然是亞熱帶季風氣候，但由于山高谷深，具有明顯的山地氣候特征。網紋紅土在這里得到廣泛發育，主要分布在河流階地和海拔<400 m的和緩丘陵地區。網紋紅土的廣泛分布是第四紀期間氣候濕熱的有力證據[17]。此外，海拔>1 000 m的地方保留的變位網紋紅土是第四紀期間廬山隆升的標志[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，該剖面整體質地比較均一，未發現大于2 mm的礫石和流水作用的痕跡。與殘積風化紅土相比，具有不同的粒度特征和沉積地層，并具有風成特性，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、土壤發育程度及網紋形態結構等有明顯的差異。剖面中下部1～5層為網紋紅土，厚14 m，基質顏色呈深淺交替；剖面上部6～8層為棕黃色土，厚4.46 m，其中第7層土壤發育程度相對較好，為淺紅色古土壤。根據施雅風等在廬山地區的工作，剖面中下部網紋紅土對應葉家壟組，剖面上部棕黃色土對應于下蜀組[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，對沉積物進行粒度分析，通過計算不同的粒度指標，討論搬運的介質和方式、沉積環境等影響因素，是對古環境演化規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性及精確性，為古氣候古環境的分析研究作出了重要貢獻。由于物源和沉積動力都具有復雜性，不論是地質時期的沉積物，還是現代的沉積物，都是由不同成因的組分混合形成，因此，全樣的粒度參數不能詳細說明沉積環境的具體情況；同時不是所有的粒級組分都對環境變化有敏感反應[22]，所以必須從沉積物的粒度數據中提取環境敏感粒度組分，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分布函數擬合法[24]、粒級—標準偏差法[25]和端元分析模型[26]等。

粒級—標準偏差變化曲線能夠反映不同粒徑范圍內不同樣品的粒度含量存在的差異性。標準偏差的值越高，表明在某一粒徑范圍內的樣品具有變動較大的粒度含量；較低的標準偏差，表明某一粒徑范圍內的樣品具有變動較小的粒度含量[2]?？梢該说贸鲆幌盗械臉悠罚诹６冉M分的范圍以及個數上明顯不同。沉積動力環境對得出的這些粒度組分的影響要比其他粒度組分大，即稱之為環境敏感粒度組分。本文主要采用粒級—標準偏差法，通過計算粒度數據的標準偏差，繪制粒級—標準偏差曲線，進而提取環境敏感粒度組分。

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，第一眾數出現在15～30 μm之間，第二眾數則對應粘粒。處理得出的JL剖面的粒度數據，計算各粒級數據的標準偏差，它可以反映一組測量數據的離散程度和某時段內統計結果圍繞誤差上下波動的幅度。以標準偏差作為縱坐標、粒徑作為橫坐標作出粒級—標準偏差曲線，如圖3所示。

圖3 JL剖面沉積物粒級標準偏差曲線

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

某粒級組分的標準偏差值越大代表其波動幅度越大，而沉積物作為環境的指示物，標準偏差越大的粒級組分對環境變化的響應比其他粒級組分更加敏感。標準偏差的峰值對應的粒徑分別為0.31 μm、5.02 μm和25.17 μm，谷值對應的粒徑分別為1.78 μm、10.02 μm，因此把樣品的全部粒級劃分成3個標準偏差區間：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—標準偏差法得到的粒度組分有3個，需要進一步判斷哪個組分對環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行比較，確定環境敏感粒度組分。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數轉化為100%，再求粒級百分數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?？梢钥闯鼋M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準偏差：組分1為0.06、組分2為0.05、組分3為1.16，可見組分3平均粒徑的標準偏差最大。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對環境變化的反應最敏感，能夠指示JL剖面記錄的環境變化。

2.2 敏感粒度組分的環境意義

將求得的各個敏感組分的平均粒徑放在沉積物的粒度構成中進行比較，發現組分1(0.94 μm)對應的是粘粒，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%，為細粉砂對應風力挾持組分[6]。組分3(25.83 μm)對應的是粗粉砂，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。在對風成沉積物的研究中，“風塵基本粒組”[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剖面具有明顯的風成特性[29]，風成沉積物環境敏感粒度組分中的粗組分與東亞冬季風有關[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(該層按網紋形態，層內細分出3段，其中①-3網紋呈斑點狀，大小混雜，①-2網紋較①-3段增大，①-1網紋相對稀疏)，為棕紅色網紋層，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強弱變化，可以在一定程度上指示該地區沉積環境的變化。環境敏感粒度組分能指示沉積物形成中經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境的分段性。

網紋紅土發育過程中經歷了一個相當長的濕熱氣候環境[18,9]，風化成壤強烈。從剖面記錄的情況來看，存在風化減弱事件。第①網紋層的敏感粒度組分含量在全剖面最低，相對應的此階段冬季風也最弱，但此時冬季風又有所波動，①-3到①-1整體上冬季風是增強的，①-3冬季風最弱，在該層有大量的鐵質膠膜，是在濕熱的氣候條件下形成的[32]。①-2冬季風呈現減弱趨勢，但較①-3強。①-1層冬季風處于波動狀態，但比①-3、①-2階段強。與第①網紋層進行比較，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處記錄的冬季風呈減弱的趨勢，②上部、③上部和⑤處記錄的冬季風有明顯的增強，其中⑤處冬季風出現急劇的增強。此時冬季風加強，夏季風相對減弱，季風變化周期變長。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，冬季風加強。第⑦層為淺紅色古土壤層，冬季風有所減弱，風化成壤作用有所加強。但相對剖面中下部的網紋紅土，冬季風強度較強，氣候的濕熱程度不及網紋紅土發育時期。第⑧層敏感粒度組分含量有明顯增加，冬季風進一步加強，氣候干冷程度增加，風化強度進一步減弱。

JL剖面敏感粒度組分含量的縱向變化所指示的環境意義與前人對廬山地區第四紀沉積環境變化的研究結論基本一致。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，該地區的網紋紅土形成于相對濕熱的環境下，冬季風勢力弱，夏季風勢力強勁，氣候的干濕變化頻繁，整體上呈由熱變涼的趨勢。李吉均等研究認為，廬山地區第四紀氣候存在一個濕熱變干涼的過程，并存在數次反映冰期旋回的氣候冷暖波動[17]。朱誠認為中更新世早期，廬山地區的氣候以濕熱為主；到晚更新世初中期，該區氣候呈現干冷與濕熱的頻繁交替；晚更新世末一直到全新世初期，中等規模的抬升運動導致廬山地區變為干冷氣候[18]。黃翡等通過研究九江第四紀紅土的生物、地球化學也得出，從中更新世開始，該地區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]的研究也有相似結論。

4 結論

(1)使用粒級—標準偏差法提取JL剖面環境敏感粒度組分，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。敏感組分為基本風成粒組，可用來指示冬季風的變化。

(2)第①網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，表現為高低值相間的多個旋回，相應的指示了冬季風由弱到強的多個變化階段，與前人的研究結果基本一致。初步認為，JL剖面環境敏感粒度組分含量的變化，可以指示該地區第四紀以來沉積環境的變化趨勢。

[1] 朱宣清，何乃華．運用粒度分析方法恢復河流地貌——以滹沱河為例[J]．河北省科學院學報，1990,7(1):17-29．

[2] 丁喜桂，葉思源，宮少軍等．黃河三角洲ZK1孔巖心環境敏感粒度組分及沉積環境分析[J]．世界地質，2010，29(4)：575-581．

[3] PRINS M A，POSTMA G，WELTJE G．Controls on the terrigenous sediment supply to theArabian Sea during the late Quaternary: The Makran continental slope[J]．Marine Geology，2000,169: 351-371．

[4] 操應長，王建，劉惠民．利用環境敏感粒度組分分析灘壩砂體水動力學機制的初步探討——以東營凹陷西部沙四上灘壩砂體沉積為例[J]．沉積學報，2010,28(2):274-283．

[5] 徐樹建，潘保田，高紅山，等．末次間冰期-冰期旋回黃土環境敏感粒度組分的提取及意義[J]．土壤學報，2006,43(2):183-190．

[6] 鹿化煜，安芷生．黃土高原黃土粒度組成的古氣候意義[J]．中國科學(D輯)，1998,28(3):278-283．

[7] 汪海斌，陳發虎，張家武．黃土高原西部地區黃土粒度的環境指示意義[J]．中國沙漠，2002,22(1):21-26．

[8] SUN D H，BLOEMENDAL J，REA D K，et al．Grain-size distribution function of polymodal sediments in hydraulic and aeolian environments，and numerical partitioning of the sedimentary components[J]．Sedimentary Geology，2002,152(3-4):263-277．

[9] 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，2006,10(5):586-591．

[10] 朱麗東，周尚哲，葉瑋，等．網紋紅土稀土元素地球化學特征的初步研究[J]．中國沙漠，2007,3(2):194-200．

[11] 朱麗東，李鳳全，葉瑋，等．廬山JL紅土剖面的色度氣候意義[J]．熱帶地理，2007,27(3):193-199．

[12] 朱麗東，姜永見，張明強，等．廬山JL剖面紅土磁化率特征及古環境記錄[J]．山地學報，2011,7(4):385-394．

[13] 葉瑋，朱麗東，李鳳全，等．中國中亞熱帶網紋紅土的地球化學特征與沉積環境[J]．土壤學報，2008,5(3):385-391．

[14] 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，2008,5(3):341-347．

[15] 伊繼雪，朱麗東，姜永見，等．第四紀加積型紅土與下蜀黃土理化特征比較[J]．海洋地質與第四紀地質，2009,4(2):123-130．

[16] 姜永見，朱麗東，葉瑋，等．廬山JL剖面紅土粒度體積分形特征及其環境意義[J]．山地學報，2008,1(1):36-44．

[17] 李吉均，張林源，鄧養鑫，等．廬山第四紀環境演變和地貌發育問題[J]．中國科學(B輯)，1983(8):734-744．

[18] 朱誠．對廬山東麓第四紀沉積物物源及新構造運動的新認識[J]．地理學報，1995,50(1):41-50．

[19] 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:蘭州大學，2007．

[20] 施雅風，崔之久，李吉均，等．中國東部第四紀冰川與環境問題[M]．北京:科學出版社，1989.321-325．

[21] 龔正權．晚更新世以來閩東沿海風沙沉積的古季風變化記錄研究[D] ．福州：福建師范大學，2010．

[22] 萬世明，李安春，JAN-BEREND W S，等．南海北部 ODP1146 站粒度揭示的近 20 Ma 以來東亞季風演化[J]．中國科學(D輯)，2007,37(6):761-770．

[23] KLOVAN J E.The use of factor analysis in determining depositional environments from grain-size distributions[J].Journal of Sedimentary Petrology，1966,1(36):115-125.

[24] 孫東懷，鹿化煜，REA D，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(3):327-335．

[25] 劉巍，俞鳴同，龔正權，等．福建漳浦前湖灣晚第四紀濱海沉積物敏感粒級組分的提取及意義[J]．寧德師專學報，2009,21(1):28-33．[26] 張存勇．連云港近岸海域沉積物粒度端元模型分析[J]．淮海工學院學報，2008,17(2):74-78．

[27] 劉東生．黃土與環境[M]．北京：科學出版社，1985.191-208．

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

[29] 孫曉燕，李廣雪，劉勇，等．東海北部泥質區敏感粒度組分對東亞季風演變的響應[J]．海洋地質與第四紀地質，2008,28(4):11-16．

[30] 孫有斌，高抒，李軍．邊緣海陸源物質中環境敏感粒度組分的初步分析[J]．科學通報，2003,48(1):83-87．

[31] 黃麗，洪軍，譚文峰，等．我國幾種亞熱帶土壤鐵錳膠膜的微形貌和元素分布特征[J].自然科學進展，2006,16(9):1122-1129．

[32] 黃翡，熊尚發．江西九江第四紀紅土中的植物硅酸體及孢粉[J]．微體古生物學報，2001,18(2):203-210．

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

國家自然科學基金項目(41071002、41371206)

趙西西(1989-)，女，碩士研究生，從事數學方法在地理學中的應用研究。*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