贛南地區(qū)花崗巖型紅土剖面粒度特征及其環(huán)境意義

熊平生，張 憶， 李 優(yōu)

(1.衡陽師范學院南岳學院，湖南衡陽 421008；2.衡陽師范學院城市與旅游學院，湖南衡陽 421002)

0 引言

粒度是反映物體顆粒組成大小的一項參數，不同粒級沉積物的搬運和沉淀受沉積介質的動力條件所控制，沉積物粒度分析在區(qū)分沉積環(huán)境、判定搬運方式與動力條件以及恢復古氣候變化等方面具有重要意義[1].粒度分析方法在南方紅土研究中具有重要地位，尤其是粒度組合特征、粒度參數、粒度頻率和粒度概率累積等指標，對揭示紅土的物源、沉積動力和風化過程等方面有重要作用[2-7].本文擬以江西贛縣花崗巖型紅土剖面為研究對象，綜合對比分析紅土粒度組合、粒度參數特征、粒度頻率曲線和概率累積曲線特點，以及與化學風化參數的對比，探討花崗巖型紅土的沉積與古環(huán)境意義，有助于全球氣候變化與地區(qū)氣候響應的研究，同時也豐富了南方紅土研究資料.

1 樣品與方法

圖1 采樣剖面位置圖Fig.1 Location of sampling profile

田村紅土剖面(以下簡稱TC)位于贛州地區(qū)贛縣田村(圖1)，地理坐標是25°48′N,114°58′E.屬于花崗巖型紅土，為人工挖掘新鮮紅土剖面，深度約900 cm，從上往下依次為紅壤層(0～20 cm)、均質紅土層(21～70 cm)、網紋紅土層(70～900 cm)，以20 cm為間距由下往上依次采集樣品45個.樣品同時進行了粒度測試和化學元素測試.其中粒度測試在在西南大學地理科學學院第四紀實驗室完成，儀器為英國馬爾文Masterizer-2000型激光粒度儀，測試范圍0.02～2 000 μm，每個樣品重復測量，并取三次平均值作為測試結果，誤差小于2%.元素測試在南京師范大學地理科學學院完成，儀器為荷蘭PANalytical公司生產的X射線熒光光譜儀，實驗測試誤差小于5%，常量元素以氧化物的形式給出.本研究運用尤登-溫德華氏等比例粒級分類進行，Φ值利用公式Φ=-log2D進行換算，粒度參數根據Fork公式[8]計算得出.

2 結果與分析

2.1 粒度特征

為了進行紅土樣數據對比分析，本文采用以4 μm與63 μm為界限依次劃分出粘粒、粉砂和砂粒[9].根據土壤粒級主次粒組命名法的規(guī)則，TC剖面粒度組成以粉砂組分(4～63 μm)含量最高，為優(yōu)勢粒級，分布范圍18.33%～83.72%，平均含量為52.52%，其中粗粉砂粒(10～50 μm)平均含量為36.12%，分布范圍11.72%～62.28%；砂粒(63～2 000 μm)次之，分布范圍3.43%～78.04%，平均含量為38.38%；粘粒(<4 μm)最少，分布范圍3.63%～17.48%，平均含量9.09%，其中細粘粒(<2μm)組分平均含量為4.46%，分布范圍1.79%～8.69%.TC剖面巖土三角圖解如圖2所示，均質紅土層和網紋紅土層樣在圖中分布范圍基本一致，屬于砂質粉砂土和粉砂土類，但紅壤層土樣與均質紅土和網紋紅土在粒度組成上不一致.

為了研究紅土粒度組分在成土過程中的相似性和差異性，經過線性回歸分析得知，TC剖面紅土粘粒含量和粉砂含量成顯著正相關性，相關系數R為0.774，紅土粘粒含量和砂粒含量成顯著負相關性，相關系數R為0.837，粉砂含量和砂粒含量成顯著負相關性，相關系數R為0.994.運用ORIGIN8.5軟件對粉砂、粘粒和砂粒含量分別進行線性擬合(見圖3)，TC剖面粘粒含量與粉砂、砂含量的擬合度R2分別為0.589 74、0.693 38，粉砂含量和砂含量的擬合度R2為0.988 46.

圖3 紅土剖面粒度組分之間擬合關系Fig.3 Fitting relation between grain sizes of the red earth section

化學蝕變指數CIA=[A1203/(A1203+K20+Na20+Ca0)]，式中的氧化物均用其分子摩爾數表示.為了研究CIA值在化學風化過程中與粒度組分的相關性，經過線性回歸分析得知，紅土剖面CIA值與砂粒(>63 μm)含量成顯著負相關性，相關系數R值為0.755 8；CIA值與粉砂 (4～63 μm)含量成顯著正相關性，相關系數R值為0.760 1；CIA值粘粒(<4 μm)含量成較顯著正相關性，相關系數R值為0.584 2.TC剖面紅土CIA值與對應的粒度之間進行線性擬合如圖4所示，砂粒(>63 μm)含量與CIA值擬合度R2為0.561 33；粘粒(<4 μm)含量與CIA值擬合度R2為0.326；粉砂 (4 ～63 μm)含量與CIA值擬合度R2為0.569 25.

圖4 紅土剖面CIA值與粒度之間擬合關系Fig.4 Fitting relation both CIA value and grain sizes of the red earth section

2.2 紅土粒度參數特征

圖5 紅土剖面粒度參數散點圖Fig.5 Scatting maps of grain size parameters of the red earth section

平均粒徑(Mz)揭示搬運介質的平均動能情況.TC剖面紅土的平均粒徑均值是4.69Φ，分布范圍2.74～6.19Φ，平均粒徑變化較大，表明搬運介質平均動能差異明顯.分選系數(σ1)反映不同顆粒分散和集中情況，TC剖面紅土的分選系數均值為2.00，分選范圍1.51～2.86，多數樣品屬于分選差范疇.偏度(Sk)揭示沉積物顆粒粗細分布狀況嗎，TC剖面紅土的偏度(Sk)均值為0.25，變化范圍-0.03～0.49，絕大多數樣品屬于正偏值范圍，反映遭受了強烈化學風化的結果，并接受近源搬運堆積.峰態(tài)(Kg)揭示后期環(huán)境對沉積物質的改造情況，TC剖面紅土樣峰態(tài)(Kg)均值為1.09，變化范圍0.69～1.51，多數樣品屬于窄峰態(tài)，表明沉積物后期改造作用不明顯.

研究發(fā)現[10]，粒度參數散點圖解能夠較好地區(qū)分沉積物的成因.由圖5可知，均質紅土層和網紋紅土層樣品在粒度參數散點圖上分布基本一致，推測它們具有相對一致的沉積環(huán)境.我們也發(fā)現紅壤層樣品與均質紅土層、網紋紅土層樣品之間存在一定分離，表明其沉積環(huán)境與均質紅土層、網紋紅土層有所不同，可能受到地表流水作用的改造.

2.3 紅土粒度頻率曲線

粒度頻率曲線能識別沉積物眾數粒徑的大小和分布情況.TC剖面紅土樣品粒度頻率曲線以單峰態(tài)為主體(圖6)，主峰集中分布在4～6Ф附近，峰態(tài)高而窄，眾數粒徑值多數樣品基本一致，指示研究剖面紅色風化殼具有共同的物質來源，但是組成物質差異較大，風化程度有別.少數樣品粒度頻率曲線出現眾數值不一致現象，指示紅土風化殼物質來源基本相同的，但母巖不純.少數樣品頻率曲線出現雙峰，次峰出現在1.5Ф附近，表現為低而緩，接近地表的樣品粒度頻率曲線主峰分布2Ф附近，與流水沉積相中躍移組分的粒度分布范圍1～2Ф(200～400 μm)相接近.

圖6 紅土剖面粒度頻率曲線Fig.6 Frequency curves of red earth profile

2.4 紅土粒度概率累積曲線

概率累積曲線能識別沉積物粒度分布狀況、優(yōu)勢粒徑含量及其分布區(qū)間，粒度區(qū)間百分含量和粒度分選程度[11].田村(TC)剖面紅土概率累積曲線在形態(tài)上具有相似性，大致分為三段(圖7).界點分別2～4Φ和10Φ，可以劃分為三種不同狀態(tài)的粒級組分，<2Φ或4Φ為滾動粒徑組分，>10Φ為懸浮組分，其余部分為跳躍粒徑組分.其中滾動組分總體含量約為10%～30%，跳躍組分總體含量介于 60%～80%，懸浮組分總體含量<10%.樣品中滾動組分和懸浮組分總體的分選性較好.

圖7 紅土剖面概率累積曲線Fig.7 Probability cumulative curve of red clay profile

3 討論

TC剖面紅土CIA值與對應粉砂含量成顯著的正相關性，與砂粒含量成顯著負相關性，與粘粒含量成中等正相關性，表明花崗巖型紅土粉砂、沙粒含量的變化具有較好環(huán)境指示意義.當暖濕氣候程度增加時，化學風化參數CIA值增大，化學風化成壤作用增強，紅土粉砂含量增多，沙粒含量減少；當暖濕氣候程度降低時，化學風化參數CIA值減小，化學風化成壤作用增弱，紅土砂粒含量增加，粉砂含量減少.

TC剖面紅土粒度參數特征表現為：平均粒徑偏細但其變化范圍較大、分選程度較差、偏態(tài)平緩和峰態(tài)較窄的特征.TC剖面紅土粒度參數與洞庭湖風塵沉積紅土[12]相比，平均粒徑相對偏細，分選效果更差，峰態(tài)較窄.與福建大橫洪、沖積紅土[13]相比，平均粒徑相對偏細，峰態(tài)相似，分選效果稍好.田村(TC)剖面紅土粒度頻率曲線表現為單峰特性，眾數粒徑組出現在5～6Ф之間，表明了田村剖面紅土物質來源的單一性，少數樣品粒度頻率曲線出現眾數值不一致現象，指示紅土風化殼物質來源基本相同的，但母巖不純.接近地表的樣品主峰出現2Ф附近，與流水沉積相中躍移組分粒度范圍一致，說明接近地表紅土沉積物受到流水作用的改造.

4 結論

(1)TC剖面粒度組成以粉砂組分(4～63 μm)含量最高，為優(yōu)勢粒級，分布范圍18.33%～83.72%，平均含量為52.52%；砂粒(63～2 000 μm)次之，分布范圍3.43%～78.04%，平均含量為38.38%；粘粒(<4 μm)最少，分布范圍3.63%～17.48%，平均含量為9.09%.TC剖面粘粒含量和粉砂含量成顯著正相關，相關系數為0.774，砂粒含量分別與粘粒含量、粉砂含量成顯著負相關，相關系數分別0.837、0.994.

(2)TC剖面紅土CIA值與對應粉砂含量成顯著的正相關性，與砂粒含量成顯著負相關性，與粘粒含量成中等正相關性，表明花崗巖型紅土粉砂、沙粒含量的變化具有較好的環(huán)境指示意義.當暖濕氣候程度增加時，化學風化參數CIA值增大，化學風化成壤作用增強，紅土粉砂含量增多，沙粒含量減少；當暖濕氣候程度降低時，化學風化參數CIA值減小，化學風化成壤作用增弱，紅土砂粒含量增加，粉砂含量減少.

(3)TC剖面紅土平均粒徑均值為4.69Φ，變化范圍為2.74～6.19Φ；分選系數平均值為2.00，變化范圍為1.51～2.86；偏度均值為0.25，變化范圍-0.03～0.49；峰態(tài)均值為1.09，變化范圍0.69～1.51.紅土剖面粒度參數整體上顯示，平均粒徑偏細，偏態(tài)較緩，峰態(tài)較窄，分選效果不佳.紅土粒度頻率曲線主體以單峰為主，表明紅土物質來源具有單一性，少數樣品粒度頻率曲線出現眾數值不一致現象，指示紅土風化殼物質來源基本相同的，但母巖不純.概率累積曲線主體表現為三段式，揭示了紅土地層沉積環(huán)境較為一致.