環(huán)境敏感因子在威海灣沉積環(huán)境中的應(yīng)用比較

關(guān)鍵詞 威海灣；環(huán)境敏感因子；基本端元模擬算法；粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差法；粒級(jí)旋轉(zhuǎn)主成分分析法

0 引言

海灣是被陸地環(huán)繞且面積不小于口門寬度為直徑的半圓面積的海域[1]，海灣內(nèi)往往沉積帶有環(huán)境變化信息的泥質(zhì)體，它保存了不同歷史時(shí)期的氣候變化、沉積環(huán)境和海陸變化信息，同時(shí)保存了人類活動(dòng)的信號(hào)[2?4]。因此，對(duì)海灣中的沉積記錄信息的提取，在研究水陸交換、人文信息和氣候歷史等方面具有重要意義。

粒度是沉積物基本性質(zhì)之一，是衡量環(huán)境變化的重要指標(biāo)[5]。它主要受水動(dòng)力強(qiáng)弱、搬運(yùn)方式、物源等因素的影響，因而沉積物粒度分布特征可以表征沉積物的物理性質(zhì)及分類、沉積環(huán)境等方面的變化[6]。在以往的研究中，學(xué)者們往往以沉積物的組分含量（黏土、粉砂、砂）以及粒度參數(shù)（分選系數(shù)、平均粒徑、偏態(tài)、峰態(tài)）為標(biāo)準(zhǔn)揭示環(huán)境的變化[7?9]，但這些粒度指標(biāo)只能近似地指代環(huán)境變化，為了更直觀地研究受到多種物源和不同沉積環(huán)境影響的古環(huán)境，人們嘗試采用近似的替代指標(biāo)[10]。近年來(lái)對(duì)于柱狀樣粒度資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提取對(duì)沉積環(huán)境變化敏感的粒度組分或端元組分，以此重建地質(zhì)歷史時(shí)期的古環(huán)境、古氣候已成為研究熱點(diǎn)[11?12]。為準(zhǔn)確提取環(huán)境敏感因子，各國(guó)學(xué)者分別探討了沉積物粒度的多組分分離法，如冷傳旭等[11]利用因子分析法提取東亞季風(fēng)敏感粒級(jí)時(shí)將中心化對(duì)數(shù)比變換引入季風(fēng)敏感粒級(jí)的提取過(guò)程是可行的，能有效地揭示更真實(shí)的中國(guó)東部地區(qū)東亞冬季風(fēng)演化歷史；Prins et al.[13]使用Weibull分布的函數(shù)擬合法揭示了馬克蘭大陸坡沉積物是由濁積砂、濁積粉砂或風(fēng)積砂及河流沉積物三個(gè)端元組成的混合物；滕珊等[14]利用粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差法提取了沉積物的敏感性粒級(jí)，探討了研究區(qū)沉積物的搬運(yùn)機(jī)制及對(duì)東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的響應(yīng)；Yi et al.[15]利用V-PCA揭示了粒度變化是東亞季風(fēng)強(qiáng)度的指標(biāo)，其強(qiáng)度主要受太陽(yáng)日照和全球冰量的影響。

環(huán)境敏感因子在近海環(huán)境演化的研究中已取得豐碩成果[13?15]，但不同環(huán)境敏感因子提取方法在海灣沉積環(huán)境中的對(duì)比研究較少。不同環(huán)境敏感因子在海灣沉積環(huán)境中的適用性如何？不同方法反映東亞季風(fēng)的方式是否一致或存在差異？海灣與相鄰近海沉積提取的敏感粒級(jí)反映的東亞季風(fēng)變化是否具有一致性？基于此，本文選取了BasEMMA、粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差法、V-PCA三種方法，提取威海灣WH-05巖心沉積物的環(huán)境敏感因子，研究沉積環(huán)境特征，探討不同方法在海灣沉積環(huán)境中的適用性及對(duì)東亞季風(fēng)的指示作用。研究成果有助于豐富環(huán)境敏感因子對(duì)季風(fēng)事件響應(yīng)研究成果，對(duì)于完善海灣沉積環(huán)境演化具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

威海灣位于山東半島東北部，瀕臨北黃海，趙北嘴和北山嘴之間，面積約54 km2，海岸線長(zhǎng)約26 km，岸線穩(wěn)定。水深一般介于6～9 m，最大水深13.5 m[16]。研究區(qū)地處東亞季風(fēng)區(qū)，冬季盛行西北風(fēng)，夏季以東南風(fēng)為主[17]。威海灣東北為低溫低鹽的魯北沿岸流，它在冬季風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下從山東半島北岸向東運(yùn)動(dòng)，之后越過(guò)成山頭繼續(xù)向南延伸[18]。表層沉積物以粉砂、黏土質(zhì)粉砂為主，中值粒徑介于5.7～6.7 Φ 16]。注入威海灣的河流有李家夼河、廟琦河、望島河、長(zhǎng)峰河等，這些河流全是季節(jié)性河流，其徑流水源主要來(lái)自大氣降水，屬于雨水補(bǔ)給型河流[19]。威海灣得天獨(dú)厚的自然條件和地理位置使灣內(nèi)波浪和海流均較小，地形穩(wěn)定。

2 材料與方法

2.1 材料來(lái)源

2019年12月，中國(guó)海洋大學(xué)在威海灣通過(guò)兩艘漁船（魯V漁60611和魯V漁60623）搭建的海上平臺(tái)鉆探獲取了WH-05 巖心（37°28′ N、122°10′ E）樣品，取心率為60%，無(wú)沉積間斷。水深6 m，巖心深度為18.2 m，鉆孔位置見圖1。

2.2 粒度分析方法

鉆取的巖心按照2 cm間隔分樣，粒度分析在中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。取0.5～1.0 g沉積物樣品置于100 mL燒杯中，加5 mL 30%的過(guò)氧化氫溶液浸泡24 h，去除沉積物中的有機(jī)質(zhì)；再加入10%的鹽酸浸泡24 h，去除沉積物中的鈣質(zhì)膠結(jié)物等；后加入0.05 mol/L的六偏磷酸鈉溶液以分散沉積物后上機(jī)測(cè)試。分析儀器采用Beckman Coulter LS 13 320激光衍射粒度分析儀（測(cè)量范圍0.017～2 000 μm，分辨率0.1 Φ）進(jìn)行測(cè)試，選取20%樣品進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，重復(fù)測(cè)試誤差≤1%。本文使用Folk et al.[21]提出的方法進(jìn)行沉積分類命名，采用McManus[22]提出的矩法對(duì)粒度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分級(jí)。

2.3 環(huán)境敏感因子提取方法

BasEMMA[23]使用VBA（Visual Basic for Applications）嵌入到Microsoft Excel 程序中，使用Excel圖形實(shí)時(shí)顯示中間結(jié)果和最終結(jié)果。Zhang et al.[23] 建議BasEMMA應(yīng)該執(zhí)行兩次。首先，利用“EM數(shù)從2到5”、“最大生成數(shù)=30”和“種群數(shù)=300”等參數(shù)進(jìn)行粗略快速的分析。其次，在確定合適的EM數(shù)后，應(yīng)使用“EM數(shù)從3到3”和“最大生成數(shù)=300”等參數(shù)進(jìn)行全面而緩慢地分析。“粒度數(shù)”和“樣本數(shù)”取決于所涉及的數(shù)據(jù)。

粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差法[6，24]是通過(guò)計(jì)算每一粒級(jí)所對(duì)應(yīng)含量的標(biāo)準(zhǔn)偏差以獲得粒度組分的個(gè)數(shù)和分布范圍，計(jì)算公式如下：

V-PCA曾成功應(yīng)用于中國(guó)渤海晚第四紀(jì)的沉積記錄以重建亞洲季風(fēng)的變化[15]，Darby et al.[25]用此方法識(shí)別北極沉積物中的海冰與底流搬運(yùn)作用。通過(guò)該方法可以獲得粒度主成分，其可以反映對(duì)應(yīng)于某種動(dòng)力機(jī)制。粒級(jí)旋轉(zhuǎn)分析原理是：將一系列具有相關(guān)性變量集（粒級(jí)），通過(guò)正交分解，以獲得不相關(guān)的、相對(duì)獨(dú)立的變量集（粒級(jí)譜）。粒級(jí)旋轉(zhuǎn)的目的是獲得最大的方差貢獻(xiàn)來(lái)代表整體樣品[26]。將柱狀沉積物不同粒級(jí)的百分含量作為變量，通過(guò)SPSS 20對(duì)這些粒級(jí)進(jìn)行粒級(jí)旋轉(zhuǎn)主成分分析，以粒徑為0.3～300 μm粒徑譜的相關(guān)矩陣作為輸入矩陣，獲得沉積物粒度主控因子。該方法提取相對(duì)獨(dú)立的粒度主成分，這些粒度主成分可以對(duì)應(yīng)于一定的搬運(yùn)機(jī)制。不同的搬運(yùn)機(jī)制對(duì)應(yīng)于不同的 V-PCA粒度譜。V-PCA粒級(jí)譜的眾數(shù)為因子載荷最大的粒級(jí)，它最能代表粒級(jí)譜[25]。

3 結(jié)果

3.1 8.4 ka B.P.以來(lái)威海灣沉積特征

結(jié)合AMS14C測(cè)年結(jié)果[27]（表1），8.4 ka B.P.以來(lái)威海灣沉積物以粉砂為主，含量介于26.86%～97.54%，平均值為78.30%；黏土次之，含量介于2.45%～33.43%，平均值為19.27%；砂含量最低，含量介于0～65.68%，平均值為2.42%。平均粒徑介于3.11～7.54 Φ ；分選系數(shù)介于0.76～2.95，分選較差、差；偏態(tài)介于-1.28～2.64，為極負(fù)偏和極正偏；峰度值介于0.87～3.58，屬尖銳（表2、圖2）。根據(jù)粒度參數(shù)變化，將研究區(qū)8.4 ka B.P.以來(lái)地層可大致劃分為5個(gè)沉積單元，具體分層情況如下。

DU3 層可以分為上下兩個(gè)單元（DU3-1 和DU3-2）。DU3-1 層（16.37～17.76），主要成分是粉砂（82.39%），其次是黏土（17.09%），砂的含量最少（0.52%）。平均粒徑為6.32～7.30 Φ；分選介于0.77～1.66，分選中等、較差；偏態(tài)介于-0.97～1.14，為負(fù)偏到正偏；峰態(tài)介于0.88～2.09，為很窄到寬平（表2、圖2）。粒度參數(shù)高頻波動(dòng)，指示水動(dòng)力較強(qiáng)。頻率分布曲線主要呈雙峰分布，主峰介于7～8 Φ，次峰介于5～6 Φ；概率累積曲線主要呈三段式，以跳躍組分為主，含量介于10%～80%，其次是懸浮組分，含量在20%左右，滾動(dòng)組分含量較少，不足10%。DU3-2層（17.76～18.2 m），主要成分是粉砂（59.01%），其次是砂（24.51%），黏土含量最少（16.48%）。平均粒徑為3.11～7.17；分選介于1.36～2.95，分選較差、差；偏態(tài)介于-1.23～2.64，偏態(tài)由負(fù)偏到極正偏；峰態(tài)介于1.82～3.58，為寬平到很寬平（表2、圖2）。頻率分布曲線主要為雙峰曲線，主峰較寬平，次峰尖銳。主峰值介于6～8 Φ ，次峰值介于4～5 Φ ；概率累積曲線主要是三段式，以跳躍組分為主，含量介于20%～98%，其次是滾動(dòng)組分，含量在20%左右，懸浮組分最少，不足2%。該層砂的含量逐漸增加，DU3-2層位砂的含量首次超過(guò)了黏土的含量，說(shuō)明該層水動(dòng)力較強(qiáng)，沉積環(huán)境動(dòng)蕩。

DU2層可以分上下兩個(gè)單元（DU2-1和DU2-2）。DU2-1層（8.37～15.17 m），主要成分是粉砂（81.37%），其次是黏土（18.08%），砂含量明顯減少，只有0.54%。平均粒徑為5.92～7.54 Φ ；分選系數(shù)介于0.76～1.87，分選中等、較差；偏態(tài)介于-1.28～1.53，為負(fù)偏到正偏；峰度值介于0.87～2.49，為很窄到寬平（表2、圖2）。此段粒度參數(shù)為高頻波動(dòng)，一方面是因?yàn)閷?duì)沉積物樣品進(jìn)行高分辨率粒度測(cè)試；另一方面可能是因?yàn)橹鶢顦游挥诤硟?nèi)，水深較淺，易受風(fēng)暴沉積的影響。頻率分布曲線（圖3）呈單峰到多峰分布，主峰值介于5～6 Φ ，次峰值介于8～9 Φ ，主要成分為粉砂；概率累積曲線主要呈三段式，跳躍組分介于10%～70%，懸浮組分介于10%～30%，此外還有少量滾動(dòng)組分，含量在10%左右，由頂?shù)降壮练e物懸浮組分逐漸增多，曲線斜率由頂?shù)降字饾u增大，說(shuō)明分選性越來(lái)越好，水動(dòng)力自上而下水動(dòng)力由弱變強(qiáng)。DU2-2層（15.17～16.37 m），主要成分是粉砂（79.01%），其次是黏土（20.38%），砂的含量最少（0.61%）。平均粒徑為6.13～7.29 Φ ；分選介于0.83～1.66，分選中等、較差；偏態(tài)介于0.23～1.25，正偏；峰度介于0.96～2.14，為很窄到寬平（表2、圖2）。概率分布曲線主要呈單峰特征，主峰尖銳，介于7～8 Φ ，部分樣品呈雙峰特征，次峰的眾數(shù)在4.2 Φ ；概率累積曲線主要呈三段式，跳躍組分含量介于20%～80%，滾動(dòng)組分含量在20%左右，懸浮組分含量在10%以下。該段整體水動(dòng)力較強(qiáng)，沉積環(huán)境不穩(wěn)定。該層整體屬于水動(dòng)力較強(qiáng)的環(huán)境，隨著水深逐漸增大，粉砂和黏土含量增多，水動(dòng)力相應(yīng)地減弱。

DU1層（0～8.37m）沉積物以中細(xì)粉砂為主，平均含量為77.27%；其次為黏土，平均含量為21.90%，砂平均含量為0.83%。平均粒徑為5.73～7.32 Φ ；分選系數(shù)介于1.33～1.89，分選較差；偏態(tài)介于-1.08～1.55，為負(fù)偏到正偏；峰度值介于1.78～2.42，峰值寬平（表2、圖2）。頻率分布曲線主要為單峰曲線（圖3），曲線尖銳，峰值在5.5 Φ 左右，主要是粉砂成分；概率累積曲線為典型的三段式，以躍移組分為主，含量介于30%～95%，滾動(dòng)組分介于10%～20%，懸浮組分在5%之內(nèi)。此段水動(dòng)力較強(qiáng)，沉積環(huán)境不穩(wěn)定。

3.2 8.4 ka B.P. 以來(lái)威海灣沉積物環(huán)境敏感因子特征

3.2.1 BasEMMA提取的敏感粒級(jí)特征

對(duì)威海灣WH-05巖心按照2 cm間隔選取432個(gè)樣品沉積物粒度進(jìn)行端元模擬分析，獲得了具有統(tǒng)計(jì)意義的五個(gè)粒度端元。所獲得的五個(gè)端元組分，隨其所解釋的方差量的大小而變化。而擬合優(yōu)度可以用決定系數(shù)（coefficient of determination，R2）所指示，它可以用于評(píng)估計(jì)算豐度與測(cè)試豐度之間的相似性，可以確定近似于整個(gè)數(shù)據(jù)變化的模擬最小端元組分個(gè)數(shù)[26]。基本端元模型最終輸出的是具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義并且符合現(xiàn)實(shí)地質(zhì)狀況的真實(shí)的粒度分布。而且，由于它和測(cè)量粒度分布具有一樣的綱量，所以方便進(jìn)行對(duì)比、分析以及端元主控因素判定[28]。在取端元模擬組分個(gè)數(shù)2～5情況下（圖4），每一個(gè)粒級(jí)的決定系數(shù)（R2）的變化。當(dāng)取端元數(shù)為2時(shí)，在26.7 μm處決定系數(shù)達(dá)到最低（圖5a）；當(dāng)端元數(shù)為3時(shí)，決定系數(shù)基本可以大于0.6。圖5b是端元數(shù)取1～11時(shí)隨著累計(jì)方差貢獻(xiàn)的變化，當(dāng)端元數(shù)取3時(shí)，累計(jì)方差貢獻(xiàn)達(dá)到95.92%。Dietze et al.[28]對(duì)端元模擬分析研究結(jié)果顯示，在端元模擬分析過(guò)程中，所模擬端元的方差貢獻(xiàn)和必須達(dá)到95%才是可靠的，決定系數(shù)到三個(gè)端元時(shí)達(dá)到0.6，此時(shí)可以確定三個(gè)粒度端元可以解釋所有的樣品（圖4）。

粒度端元為3 時(shí)，體積含量峰值分別出現(xiàn)在7.4 μm、39.8 μm、493.6 μm，所對(duì)應(yīng)的粒度組分范圍是7.8～11.0 μm、31.3～44.2 μm、353.6～500.0 μm。EM1（7.8～11.0 μm）粒級(jí)沉積物含量最低，約為15%，粒級(jí)區(qū)間與概率累積曲線上懸浮組分對(duì)應(yīng)，指示為懸浮運(yùn)動(dòng)；EM2（31.3～44.2 μm）含量較高，介于25%～30%，粒級(jí)區(qū)間與概率累積曲線跳躍組分第一段所對(duì)應(yīng)的，其斜率較大，表現(xiàn)為較高速率的沉積，反映了該粒度組分的構(gòu)成主要來(lái)自水動(dòng)力較強(qiáng)的沉積環(huán)境中；EM3（353.6～500.0 μm）含量介于20%～25%，是最粗的沉積物，粒度區(qū)間與概率累積曲線圖中跳躍、滾動(dòng)組分均有對(duì)應(yīng)，說(shuō)明EM3是在水動(dòng)力條件較為強(qiáng)烈的沉積環(huán)境中形成的。

3.2.2 粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差法提取的敏感粒級(jí)特征

通過(guò)粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差法對(duì)432個(gè)粒度樣品提取敏感粒級(jí)，獲得的每個(gè)粒級(jí)組分的標(biāo)準(zhǔn)偏差會(huì)隨著粒級(jí)的變化而變化（圖6），圖中較高標(biāo)準(zhǔn)偏差值反映了沉積物粒度含量在某一粒級(jí)范圍內(nèi)差異大，標(biāo)準(zhǔn)偏差的大小代表了對(duì)應(yīng)粒級(jí)的百分含量隨年代以及沉積環(huán)境改變的波動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)WH-05巖心而言，3個(gè)明顯的標(biāo)準(zhǔn)偏差峰值分別出現(xiàn)在7.5 Φ（5.6 μm）、4.5 Φ（43.7 μm）、1.5 Φ（356.5 μm），粒級(jí)組分區(qū)間是7.1～8.6 Φ（2.6～7.4 μm）、4.0～4.9 Φ（33.7～63.4 μm）、1.3～2.0 Φ（256.9～409.6 μm）。粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差變化曲線反映了不同層位的樣品的粒度含量在某一粒級(jí)中。

3.2.3 V?PCA提取的環(huán)境敏感因子特征

采用V-PCA法，從WH-05巖心中分離出4個(gè)粒度主成分：F1（6.2 μm，30.684%）、F2（18.9 μm，26.741%）、F3（0.8 μm，26.661%）、F4（14.3 μm，4.638%），所解釋的方差貢獻(xiàn)和為88.723%（圖7、表3）。

F1（6.2 μm，30.684%）粒度主成分解釋30.684%的方差貢獻(xiàn)，在6.2 μm處有一個(gè)寬廣的正相關(guān)峰，在39.7 μm處有一個(gè)較狹窄的負(fù)相關(guān)峰。F2（18.9 μm，26.741%）粒度主成分解釋26.741% 的方差貢獻(xiàn)，在18.9 μm處有一個(gè)狹窄的正相關(guān)峰，在194.2 μm處有一個(gè)起伏較低的負(fù)相關(guān)峰。F3（0.8 μm，26.661%）粒度主成分解釋為26.661%的方差貢獻(xiàn)，在0.8 μm處有一個(gè)寬廣的正相關(guān)峰，在92.1 μm處有一個(gè)較狹窄的負(fù)相關(guān)峰。F4（14.3 μm，4.638%）粒度主成分解釋為4.638%的方差貢獻(xiàn)，在14.3 μm處有一個(gè)狹窄的正相關(guān)峰，在56.6 μm處有一個(gè)寬廣的負(fù)相關(guān)峰。

根據(jù)F1（6.2 μm，30.684%）和F2（18.9 μm，26.741%）的方差貢獻(xiàn)和粒度主成分眾數(shù)，可以將其解釋為WH-05巖心的主控因子，這兩個(gè)主控因子基本反映了沉積物樣品的總體粒度趨勢(shì)。

粒級(jí)組分（GS）是通過(guò)V-PCA程序計(jì)算出的主成分F1-F4與其平方載荷之和求得，公式如下：

GS=（54.438*F1 + 18.437*F2 + 14.095*F3-3.965*F4）/100

GS序列表示東亞季風(fēng)強(qiáng)度[15]。當(dāng)東亞冬季風(fēng)增強(qiáng)時(shí)，水動(dòng)力增強(qiáng)，粗粒物質(zhì)增多，GS值減小；當(dāng)東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)時(shí)，水動(dòng)力減弱，細(xì)粒物質(zhì)增多，GS 值增大。

4 討論

4.1 不同方法提取的環(huán)境敏感因子比較分析

BasEMMA和粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差法在選用的粒度參數(shù)和計(jì)算過(guò)程上存在一定差異，但均在WH-05沉積地層中提取了3個(gè)敏感粒級(jí)且粒級(jí)范圍基本一致，表明兩種方法能反映相同的環(huán)境變化信息。下文以BasEMMA為代表，與V-PCA進(jìn)行對(duì)比分析。

Yi et al.[15]推斷沉積物GS序列與東亞季風(fēng)強(qiáng)度有關(guān)，東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)時(shí)，沉積物GS值相應(yīng)增大，與本研究區(qū)分析結(jié)果較為一致。EM1（/ EM1+EM2+EM3）表示的是BasEMMA算出的細(xì)粒物質(zhì)在沉積物總體的含量，這兩項(xiàng)指標(biāo)雖然原理不同，但都可以表示沉積物中的細(xì)顆粒物質(zhì)（圖8b）。為探討兩種方法在同尺度下與東亞季風(fēng)的強(qiáng)度對(duì)比，改繪了部分高質(zhì)量的中國(guó)黃土紀(jì)錄的堆疊歸一化平均粒徑（MGS）[29]（圖8a），它通常被用作東亞季風(fēng)強(qiáng)度替代指標(biāo)。

BasEMMA與V-PCA提取的粒度端元隨深度變化趨勢(shì)基本一致，環(huán)境敏感組分具有較好的相關(guān)性，決定系數(shù)（R2）達(dá)0.781 2（圖9）。兩種方法在DU2-1和DU2-2 相關(guān)性較高，決定系數(shù)分別是0.856 0 和0.855 8；其次是DU3，決定系數(shù)達(dá)0.772 1；DU1相關(guān)性較低，只有0.670 8（圖10）。

對(duì)比中國(guó)沿海其他巖心關(guān)于研究敏感粒級(jí)的成果，發(fā)現(xiàn)粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差法在渤海、黃海和東海沉積環(huán)境研究中的應(yīng)用較為普遍[14，30]（圖11、表4）；V-PCA主要用于分析某種動(dòng)力機(jī)制的粒度主成分[15]，應(yīng)用相對(duì)較少；BasEMMA作為一種新方法[23]，尚未得到廣泛應(yīng)用。以上三種方法在研究區(qū)應(yīng)用效果較好，說(shuō)明這三種方法在海灣沉積環(huán)境演化研究中均具有適用性。

4.2 環(huán)境敏感因子對(duì)東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度變化的響應(yīng)

為探討WH-05在山東半島泥質(zhì)區(qū)內(nèi)對(duì)東亞季風(fēng)的指示作用以及兩種方法在此研究區(qū)內(nèi)的指示意義，參考了前人文獻(xiàn)中在研究區(qū)附近的巖心所展現(xiàn)出的東亞季風(fēng)強(qiáng)度變化[31?33]并改繪部分高質(zhì)量的中國(guó)黃土紀(jì)錄的堆疊歸一化平均粒徑[29]（圖8a）。雖然BasEMMA和V-PCA是從不同的角度提取敏感粒級(jí)因子，兩者在原理和方法上有巨大的差異，但在8.4ka B.P.以來(lái)東亞冬季風(fēng)的變化上，二者在總體上都呈先減小再增大的趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在8.4～7.5 ka B.P.階段，對(duì)應(yīng)沉積單元DU3。兩種方法趨勢(shì)均為增大（圖8b），說(shuō)明在此階段細(xì)顆粒物質(zhì)增多，水動(dòng)力減弱，較低的東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度與中國(guó)黃土記錄的東亞冬季風(fēng)[29]減弱相對(duì)應(yīng)（圖8a）。

在7.5～7 ka B.P.階段，對(duì)應(yīng)沉積單元DU2-2。在7.2 ka B.P.左右兩種方法均達(dá)到峰值（圖8b），細(xì)粒物質(zhì)組分含量達(dá)到最高，這與前人研究中的7.2 ka弱季風(fēng)事件[34?35]一致。7.2 ka B.P.之后，兩種數(shù)值均呈下降的趨勢(shì)，細(xì)粒組分減少，但幅度不大，此時(shí)仍處于季風(fēng)較弱階段。

在7～4 ka B.P.階段，對(duì)應(yīng)沉積單元DU2-1。從約6.5 ka B.P. 至今，兩種方法呈逐漸減弱的趨勢(shì)（圖8b），細(xì)顆粒成分減少，水動(dòng)力增強(qiáng)，東亞冬季風(fēng)增強(qiáng)。這與前人研究中全新世早期東亞冬季風(fēng)呈降低趨勢(shì)，全新世晚期（6.5 ka B.P.之后）東亞冬季風(fēng)呈增強(qiáng)趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)[29，31?32]。

從4 ka B.P.至今，對(duì)應(yīng)沉積單元DU1。由圖8可見，EM1（/ EM1+EM2+EM3）與東亞季風(fēng)強(qiáng)度擬合比較好，說(shuō)明BasEMMA在此階段對(duì)沉積環(huán)境有著更好的指示作用。兩種方法的趨勢(shì)均為減小，在約4 ka B.P.到2 ka B.P.相對(duì)穩(wěn)定，從2 ka B.P.至今相對(duì)減弱。這說(shuō)明沿岸水動(dòng)力呈持續(xù)增強(qiáng)趨勢(shì)，東亞冬季風(fēng)也在相應(yīng)增強(qiáng)。

選取2 ka B.P.以來(lái)的冬季溫度變化數(shù)據(jù)[36]（圖12a），用以比較BasEMMA與V-PCA在反映季風(fēng)事件上的差異性。由圖12b可以看出，GS數(shù)值在“小事件”時(shí)間段有更明顯的變化。2 ka B.P. 內(nèi)GS 顯示3個(gè)對(duì)環(huán)境反映敏感的點(diǎn)。a點(diǎn)和c點(diǎn)均為細(xì)粒物質(zhì)含量較少的點(diǎn)，兩點(diǎn)的冬季溫度變化都為負(fù)值，冬季溫度降低，此時(shí)東亞季風(fēng)較強(qiáng)（圖12a），a點(diǎn)與15世紀(jì)初明清小冰期所對(duì)應(yīng)[37?38]，此時(shí)東亞冬夏季風(fēng)都強(qiáng)，二者勢(shì)均力敵，兩種氣團(tuán)的交界停留在同一區(qū)域，會(huì)形成較長(zhǎng)時(shí)間的降水和降溫天氣[35]；c點(diǎn)與公元前29年西漢小冰期所對(duì)應(yīng)[39?40]，之后是持續(xù)十幾年的寒冷和干旱氣候，此時(shí)冬季風(fēng)強(qiáng)度高且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。b 點(diǎn)冬季溫度變化為正值，氣溫上升（圖12a），與13世紀(jì)初中國(guó)第四個(gè)溫暖期所對(duì)應(yīng)[41]，此時(shí)細(xì)顆粒物質(zhì)含量較高，沿岸流較弱，細(xì)顆粒組分被留在原地，季風(fēng)較弱。兩種方法出現(xiàn)這種區(qū)別是因?yàn)閺?.5 ka B.P.至今東亞季風(fēng)逐漸增強(qiáng)，在此增強(qiáng)趨勢(shì)中有些許年份是減弱，這些不同的輸運(yùn)機(jī)制對(duì)應(yīng)不同的V-PCA粒度譜[25]，在寒暖過(guò)渡期更能體現(xiàn)東亞季風(fēng)的變化。而BasEMMA和粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差法是從整體數(shù)據(jù)考慮，所以在一定程度上忽略了“小事件”。而且粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差法對(duì)粒度變化過(guò)于敏感，些許誤差也會(huì)被計(jì)算其中[42]。不過(guò)BasEMMA和粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差法較準(zhǔn)確提取柱狀樣的敏感粒級(jí)，這是V-PCA所不及的。

因此，三種方法均能準(zhǔn)確反映山東半島海灣沉積物中的環(huán)境敏感組分，其中BasEMMA和粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差法更適用于整體敏感粒級(jí)提取，V-PCA對(duì)“小事件”的季風(fēng)變化較敏感。

5 結(jié)論

本文以威海灣WH-05巖心為例，研究了8.4 ka B.P.以來(lái)沉積環(huán)境演化以及不同方法提取的環(huán)境敏感因子的差異性及應(yīng)用，取得如下認(rèn)識(shí)。

（1） WH-05巖心可劃分為3個(gè)沉積單元（DU1、DU2和DU3）。8.4 ka B.P.以來(lái)威海灣沉積物以粉砂為主，黏土次之，砂最少。粉砂、黏土和砂含量變化差異均較大，以跳躍組分為主，懸浮組分次之。DU1水動(dòng)力較強(qiáng)，沉積環(huán)境不穩(wěn)定；DU2上層水動(dòng)力較強(qiáng)，隨著水深逐漸增大水動(dòng)力相對(duì)減弱；DU3沉積動(dòng)力環(huán)境整體較強(qiáng)。

（2） BasEMMA、粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差法、V-PCA提取的環(huán)境敏感因子均能較好地反映海灣沉積環(huán)境演化。但BasEMMA和粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差法更適用于整體敏感粒級(jí)提取，V-PCA對(duì)特殊年份的粒度變化較敏感。

（3） 8.4～6.5 ka B.P.時(shí)期，GS序列和EM1（/ EM1+EM2+EM3）都呈緩慢增大的趨勢(shì)，此階段東亞季風(fēng)減小；從6.5 ka B.P.至今，GS序列和EM1（/ EM1+EM2+EM3）呈降低趨勢(shì)，指示東亞季風(fēng)加強(qiáng)。