福建东南部第四纪红土沉积粒度特征及成因分析

齐升吉,李志忠1,＊,陈秀玲1,,靳建辉1,,马 鹏1,,4,吴美榕1,,林舒倩1,

（1.福建师范大学地理研究所,福州350007;2.福建师范大学地理科学学院,福州 350007;

3.湿润亚热带生态—地理过程省部共建教育部重点实验室,福州350007;4.运城学院师范分院,山西运城替换为 044000）

福建东南部第四纪红土沉积粒度特征及成因分析

齐升吉2,3,李志忠1,2,3＊,陈秀玲1,2,3,靳建辉1,2,3,马 鹏1,2,3,4,吴美榕1,2,3,林舒倩1,2,3

（1.福建师范大学地理研究所,福州350007;2.福建师范大学地理科学学院,福州 350007;

3.湿润亚热带生态—地理过程省部共建教育部重点实验室,福州350007;4.运城学院师范分院,山西运城替换为 044000）

在野外考察采样和实验分析基础上,对福建东南部若干红土剖面粒度特征及其沉积环境进行了初步研究.结果表明:1）福建东南部红土粒度组成以粉砂为主,含量65.09%～70.07%,砂含量11.90%～28.40%,粘粒6.51%～18.03%.2）粒度频率曲线以多峰为主并有明显变化,各剖面第一众数在4～71μm之间,第二众数在118～746μm之间,第三众数<1μm;概率累积曲线以四段式为主.3）粒度参数总体平均粒径较粗、分选差、峰度平缓,由晚更新世早期到晚期各个粒度参数的变化趋于复杂.这些特征表明研究区红土近源水动力搬运和快速混杂堆积的特点,其后经历较强化学风化作用,晚更新世全球气候恶化对研究区红土搬运沉积过程和风化过程产生明显影响.

粒度特征;红土;第四纪;福建东南部

沉积物粒度组成、频率、概率累积曲线以及粒度参数,在判别沉积物搬运营力、沉积过程及其沉积后生变化,重建古地理环境方面具有重要意义[1].因此,粒度分析方法广泛应用于第四纪沉积物成因类型、沉积环境判别和区域古气候环境变迁序列的重建.刘东生等[2-3]对我国北方黄土的粒度特征分析得出中国黄土具有风成沉积的特性.中国南方红土和北方黄土一样,也是我国陆相第四纪沉积物的主要类型之一,其形成、发育与季风和新构造运动密切相关,记录了中国南方第四纪环境变迁的重要信息.我国南方红土的成因可划分为风化残积型、沉积型和沉积—风化型3类,有风化、冲积、洪积、坡积、风积等多种物质来源[4-13].其中北亚热带长江中下游地区的红土多为远源搬运的风成物质经后期湿热风化形成,而华南热带、南亚热带地区的红土多为风化残积和冲积洪积成因的非均质红土.福建地处我国东南沿海南亚热带海洋性季风气候区,内陆地区也广泛分布第四纪红土沉积,在重建我国南方亚热带东亚季风变化规律以及第四纪环境变迁过程研究中居于重要地位.本文初步研究福建东南部地区红土沉积粒度特征,并与我国北方黄土、北亚热带和南亚热带红土粒度特征进行对比,据此探讨福建第四纪红土成因及其沉积环境.

1 区域概况和研究方法

1.1 研究区与剖面概况

研究区位于福建东南部,靠近东南沿海,地理坐标为 24°10′04.4″～ 25°29′27.1″N,117°24′20.3″～119°12′42.4″E（图 1）.第四纪新构造运动主要表现为间歇性和差异性隆起,地表遭受长期剥蚀,多发育剥蚀丘陵和河谷盆地,地势比较低平.这里属于南亚热带海洋性季风气候,年平均气温19～22℃,年平均降水量1 000～1 600 mm,7～9月受台风影响,降水较多.地带性植被类型为南亚热带季风常绿雨林,地带性土壤为赤红壤,其矿物的富铝化程度较深,物质的淋溶作用较强.

本文作者在福建东南部漳州五寨乡（1个）、莆田仙游县（2个）、福州万佛寺（1个）等地采集了4个第四纪红土沉积剖面（图2）,采样剖面多位于剥蚀丘陵、河谷盆地坡脚,代号分别为 WZ、XY、ZS、WFS.

图1 福建东南部红土采样位置①五寨WZ;②仙游 XY;③钟山ZS;④万佛寺WFSFig.1 Red earth sampling locations in the southeast of Fujian①Wuzhai;②Xianyou;③Zhongshan;④Wanfosi

各剖面岩性描述如下:

WZ剖面 深度3.6 m（未见底）;

0～20 cm 植物根系较多,呈红棕色,有孔洞,较疏松;

20～180 cm 植物根系少,多成红棕色,无孔洞,呈块状团粒状结构,略紧实;

180～220 cm 砾石层,砾石大小混杂,呈棱角与次棱角状;

220～360 cm 红棕色,含大量石英风化碎屑,呈块状结构,较紧实.

XY剖面 深度3.0 m,底部母岩花岗岩;

0～20 cm 植物根系较多,呈黄棕色,有孔洞,较疏松;

20～100 cm 植物根系少,多呈红棕色,无孔洞,团块状结构,紧实;

100～300 cm 红棕色,无孔洞,含砂量较高,紧实;

300～320 cm 花岗岩风化壳.

ZS剖面 深度2.9m（未见底）;

0～40 cm 黄棕色,多植物根系,团、块状粒状结构,多孔隙,略紧实;

40～170 cm 红棕色,团块状结构,多孔隙,含1～2 mm石英砂;

170～220 cm 砾石和红土的混杂堆积层,砾石呈棱角状,直径约1～3 cm,碎石风化程度较深,多白色网纹;

220～290 cm 红棕色,具白色网纹,块状,多孔隙,紧实.

WFS剖面 深度2.4 m,底部母岩花岗岩;

0～30 cm 黄棕色,植物根系多,呈团、块状粒状结构,有孔洞,略紧实;

30～240 cm 红棕色,植物根系少,团块状结构,无孔洞,较紧实;

240～260 cm 花岗岩风化壳.

图2 红土剖面岩性柱状图Fig.2 Red earth profile lithologic histogram

野外分别对上述4个剖面进行了系统采样,采样间距 WZ剖面10 cm,XY剖面30 cm,ZS剖面10 cm,WFS剖面30 cm,4个剖面合计采样85个.选择厚度较大的 WZ、ZS两个剖面采样进行了OSL测年,测年结果表明WZ、ZS剖面主要是晚更新世沉积.其中,WZ剖面下段2～3.6 m为晚更新世早期（Q13）沉积,上段为晚更新世中期（Q23）沉积;ZS剖面下段1.5～2.9 m为晚更新世中期（Q23）沉积,上段沉积为晚更新世晚期（Q33）沉积.

1.2 实验方法和粒度参数计算

粒度测试在福建省湿润亚热带生态—地理过程省部共建教育部重点实验室完成.称取过2 mm筛混合均匀的风干待测样品2～3 g,放入洁净的烧杯,加入2∶1的 H2O2溶液10 ml浸泡12 h,去除样品中的有机质,并在水浴锅中加热煮沸分解多余的 H2O2,冷却后加满去离子水静置24 h,抽去烧杯上部清夜,加入5 ml 0.5 mol/L的NaOH溶液做分散剂,并于超声波震荡器上震荡15分钟使样品有效分散,然后上机测试.测试仪器为英国MALVERN仪器公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪,测量范围为0.02～2000μm,重复测试相对误差<1%.

本文粒度分析采用Udden-Wentworth的粒度分级[1].粒度频率分布曲线从激光粒度仪测试数据中提取（图3）.粒度参数包括平均粒径（MФ）、标准偏差（σ）、偏度（SKФ）和峰态 （Kg）,按照 Folk 和Ward[14]公式计算得出（表2）.

表1 福建东南部红土剖面粒级百分含量/%Tab.1 The percentage of granularity in red earth profiles in the southeast of Fujian

表2 福建东南部红土沉积与我国其它区域红土和黄土粒度参数比较Tab.2 Compared granularity parameters of red earth and loess between Fujian and other parts of China

2 结果分析

2.1 粒度组成特征

综合4个剖面的粒度组成（表1）可以看出,4个剖面均以粉砂（2～63μm）为主,含量65.09%～70.07%;其中以细粉砂（2～16μm）含量占优势,最高可达60.58%.除 XY剖面外,其余3个剖面从细粉砂至粗粉砂（32～63μm）,随粒级增大平均含量依次减小.各剖面粘粒（<2μm）含量变化明显,WZ剖面 6.41%～16.23%,绝大多数小于10%;XY剖面4.78%～11.75%,绝大多数小于6.20%;ZS剖面 4.15%～15.16%;WFS剖面10.51%～23.44%.各个剖面砂（>63μm）含量变化较大,但平均含量相当.WZ剖面 4.37%～49.90%,平均 22.42%;XY剖面 12.30%～39.54%,平均 28.40%;ZS剖面 5.93%～57.23%,平均 22.40%;WFS剖面 5.04%～21.92%,平均 11.90%.其中细砂 （>125μm）含量平均变化于6.32%～17.86%,比重突出.从粒度组成的时间序列变化分析,WZ剖面粉砂组分Q13时期（平均 64.6%）低于 Q23时期（72.0%）,砂组分 Q13时期（平均 26.8%）高于 Q23时期（16.6%）,粘土组分Q13时期（平均8.5%）低于Q23时期（11.4%）;而ZS剖面粉砂组分Q23时期（平均68.0%）低于 Q33时期（68.7%）,砂组分 Q23时期（平均 22.6%）高于 Q33时期（22.1%）,粘土组分Q23时期（平均9.3%）低于Q33时期（9.8%）.

从北方黄土和南方红土物质来源和成因对比分析,我国北方陕西洛川风成黄土>50μm颗粒含量<10%;长江中下游的江西九江红土>50μm颗粒含量<5%[8],而安徽宣城向阳剖面>63μm的颗粒含量<1%[15].南亚热带东江流域临江剖面红土>63μm的颗粒含量13.79%～26.28%[16].显然,福建东南部红土粒度组成更接近南亚热带水力沉积形成的非均质沉积型红土.野外观察,上述红土剖面常见数层角砾石夹层,产状随所在坡地倾斜变化,沉积相为近源沟谷流水或坡面流水剥蚀堆积的洪积坡积沉积构造特点.

2.2 频率曲线和概率累积曲线特征

福建东南部红土剖面样品的粒度频率分布曲线可归纳为3种类型（图3）.类型1（图3A）:单峰,细端略带一分量,粗端拖有平台.单峰曲线 WZ、WFS剖面各有1条,ZS剖面有2条.XY剖面单峰曲线较多,占样品总数的70%,其总体特征为众数值在31～71μm之间,众数向粗粒端变化陡而迅速,向细粒端变化缓而慢.类型2（图3B）:双峰,主峰与次峰对比明显,样品数较少.双峰曲线类型,XY剖面缺失,WFS剖面有1条,ZS剖面有1条,WZ剖面有2条.在双峰曲线的细端<1μm处,有一不明显主体分布,但不影响双峰总体趋势.类型3（图3C）:多峰,样品数较多.多峰曲线类型 WZ、ZS、WFS剖面较多,总体表现为在<1μm处出现第三众数,这对双峰曲线有很好的继承性.

图3 福建东南部第四纪红土典型样品频率分布曲线A.单峰型;B.双峰型;C.多峰型Fig.3 Frequency distribution curves of typical samples from Quaternary red earth in the southeast of Fujian

各剖面第一众数不同,WZ剖面0.4～1.2 m段第一众数多在9μm左右,1.2～4.0 m段第一众数多在16μm左右;ZS剖面有8个样品第一众数在5～10μm之间,8个样品的第一众数在28～62μm之间,10个样品的第一众数在12μm左右;WFS剖面第一众数4～6μm之间.各剖面样品第二众数大多都在118～746μm之间,但峰凸程度不同.

我国北方黄土、中亚热带风成红土的第一众数粒径一般都在32～16μm之间,第二众数一般在2～3μm[17];南亚热带东江流域流水搬运沉积的网纹红土第一众数在 4～5μm,第二众数在 70～100μm[16].显然,福建东南部第四纪红土沉积与南亚热带流水搬运沉积红土具有较多的相似性.晚更新世早期红土沉积（剖面下部）的粒度频率曲线众数值较大,峰形差异小,晚更新世中晚期沉积（剖面上部）众数值相对较小,峰形差异大,似乎反映晚更新世晚期区域气候恶化、水动力条件变化复杂.

福建东南部红土的概率累积曲线大致可分为两类（图4）:（1）四段式（图4A）,2Ф、6Ф和11Ф附近的3个截点将红土粒组分成四段,<2Ф的推移组分,2～6Ф、6～11Ф混合组分,>11Ф的次生组分.（2）五段式 （图 4B）,即 <2Ф,2～4Ф,4～6Ф,6～11Ф和>11Ф.与四段式相比,在2～6Ф增加了一个截点,将粗粒部分分成两段2～4Ф和4～6Ф,这说明有悬移组分的混入.总的来看,4个剖面样品的概率累积曲线以四段式为主,并与岭南东江流域一级阶地网纹红土曲线[16],黄山东麓白亭洪积扇剖面上、中部曲线[18]具有很好的可比性.

2.3 粒度参数特点

沉积物平均粒径（MФ）代表粒度分布的集中趋势,反映了搬运介质平均动能大小.4个剖面的MФ变化于 3.96Ф～7.63Ф,平均 5.31Ф～6.99Ф,少数样品低于5Ф或者大于7.2Ф.XY剖面MФ变化于4.87Ф～5.94Ф,相差不到 1.1Ф,表明其搬运动力较为单一.WZ、ZS、WFS剖面 MФ变化较大,表明搬运介质平均动力差异较大,分选较为复杂.WZ剖面Q13时期 Mz（平均5.2）低于Q23时期（6.0）,ZS剖面Q23时期Mz（平均5.8）低于Q33时期（6.0）.

标准偏差（σ）表示沉积物分选程度,反映不同粒度颗粒分散和集中状态.4个剖面的σ变化于2.07～2.71,表明福建东南部红土沉积的分选程度差.WZ剖面Q13时期σ（平均2.51）低于 Q23时期（2.85）,ZS剖面Q23时期σ（平均2.22）低于 Q33时期（2.30）.实地观察 WZ、ZS红土剖面,在不同深度都有厚度不均、交错分布的层状棱角状砾石,砾石岩性和矿物组成与附近坡地和下伏基岩的岩性和矿物组成相似,反映福建东南部红土沉积近源搬运、快速堆积的特点.

偏度（SK）反映沉积物粗细颗粒的分布情况.XY剖面绝大部分样品的偏度为负偏,其中偏度在-0.29～-1.8占54.5%,极负偏-0.32～-0.37占36.4%;ZS剖面-0.10～+0.10之间近对称者占50%,+0.11～+0.23之间正偏占30%;WFS剖面+0.10～+0.21之间正偏占67%,+0.07～+0.09之间近对称占 33%;WZ剖面 -0.07～+0.09近对称占37.14%,+0.12～ +0.29正偏占62.86%.除XY剖面整体呈负偏外,其他3个剖面均以正偏为主,粒度组成集中于粗端部分,反映近源搬运堆积粗组分为主混合后期强烈化学风化的特点.

图4 福建东南部第四纪红土典型样品概率累积曲线A.四段式;B.五段式Fig.4 Probability cumulative curves of typical samples from Quaternary red earth in the southeast of FujianA.four-segment pattern;B.five-segment pattern

峰态（Kg）衡量分布曲线的峰凸程度.Kg值很低或者非常低时,说明该沉积物未经改造就进入新环境,而新环境对其改造又不明显.WFS剖面红土 Kg值在1.11～1.14之间窄峰态样品占33.33%,0.95～1.10之间中等峰态占55.56%;WZ剖面红土 Kg<0.67很宽峰态占8.6%,0.67～0.88之间宽峰态占14.29%,1.11～1.35之间窄峰态占51.43%;XY剖面Kg在0.91～1.10之间中等峰态占81.82%;ZS剖面红土 Kg在1.12～1.45之间窄峰态占60%,0.92～1.08之间中等峰态占26.6%,0.81～0.88之间宽峰态占13.33%,综合来看,WZ、ZS剖面宽峰态比较高,平均变化于13.33%～22.89%,表明早期土壤和风化壳物质被冲洪积流水快速搬运、不同粒径粗细混合堆积的特点.

从我国北方风成黄土和南方其他区域红土粒度参数特点对比分析,福建东南部第四纪红土粒径平均偏粗,分选性差,具有明显低山丘陵区洪积坡积水力搬运沉积的特点.从红土沉积时间序列看,从晚更新世早期到中晚期,福建东南部红土沉积各个粒度参数变化趋于复杂.

3 讨论与结论

从福建东南部红土沉积的粒度组成看,位于中亚热带和南亚热带过渡带的福建东南部红土沉积的粗颗粒含量与北方风成红土沉积相差别较大,而与南亚热带东江流域临江红土沉积的粒度组成特点相似.

从福建东南部红土沉积频率曲线特征看,峰型多样,反映较复杂沉积环境,各剖面样品第一众数峰在细端,多集中于4～71μm,第二众数均较大.样品的概率累积曲线以四段式为主,反映典型的水动力搬运特性.

从福建东南部粒度参数特点看,研究区红土平均粒径明显比我国北方风尘黄土沉积以及北亚热带均质红土粒径偏粗,而与南亚热带水动力沉积的红土平均粒径相当;分选系数大于北亚热带均质红土和南亚热带河流阶地红土,表现为粗细颗粒混杂分选性差.

综上所述,福建东南部红土沉积的平均粒径较粗,分选性差,峰态宽缓,各剖面粒度参数空间变异较大,具有多峰频率曲线和四段式的概率累积曲线,表明近源搬运、高能水动力和快速混合堆积的冲积洪积和坡积特征.反映了福建东南部低山丘陵、海洋性季风气候、季节性暴雨剥蚀搬运的风化成土环境.从沉积序列分析,反映晚更新世以来福建东部红土气候条件和沉积环境变化趋于复杂,可能是末次间冰期到末次冰期北半球气候恶化,由此影响低纬度亚热带东南沿海地区气候条件变化和水动力的搬运堆积过程.由于本次采样点有限,同时缺乏环境磁学、地球化学、粘土矿物等资料佐证,全面了解福建内陆地区红土沉积过程和沉积环境,须对其他方面的环境代用指标进行深入系统研究.

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Abstract:Based on the field investigation and experimental analysis,this paper focuses on the research of several red earth profiles in southeast part of Fujian.The results show that:1）Granularity composition of red earth is dominated by silt（2～63μm）and its content is 65.09%～70.07%,while sand（>63μm）accounts for 11.90%～28.40%and clay（<2μm）is 6.51% ～18.03%.2）Frequency curves of red earth granularity are mainly multi-peak and have significant changes.The first mode of each profile is from 4 to 71μm;The second mode of samples of profiles lies between 118 and 746μm;The third mode is less than 1μm;The probability accumulate curves of the red earth are mainly four-segment pattern.3）Granularity parameters reflect relatively coarse in grain size,poor in sorting and gently in peakedness;Change in each granularity parameters complicate from the earlyer late pleistocene to the later period.It shows that red earth sediment are produced by near provenance,hydrodynamic deposit and rapid accumulation,and then came through strong chemical weathering process;Deterioration of global climate produce a significant impact on deposition of red earth handling and weathering process during late pleistocene in the study area.

Key words:granularity characteristics;red earth;Quaternary;southeast of Fujian

Granularity characteristics and genetic analysis of Quaternary red earth in the southeast of Fujian

QI Shengji1,2,3,LI Zhizhong1,2,3,CHEN Xiuling1,2,3,J IN Jianhui1,2,3,MA Peng1,2,3,4,WU Meirong1,2,3,LIN Shuqian1,2,3
（1.Institute of Geography,Fujian Normal University,Fuzhou 350007;2.School of Geography Science,Fujian Normal University,Fuzhou 350007;3.Key Laboratory of Humid subtropical Eco-geographical process,Ministry of Education,Resources and Environment,Fuzhou 350007;4.Normal Branch of Yuncheng University,Yuncheng,Shanxi 044000）

P534.63

A

1000-1190（2010）04-0696-06

2010-05-14.

福建省自然科学基金资助项目（2009J01208）;福建省公益类研究所专项基金（2009R10039-4）.

＊通讯联系人.E-mail:lizzfz@163.com.