大别山北麓黄土古土壤磁组构参数特征与环境变化研究

张 华， 宋传中， 张 妍

（1.合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽建筑工业学院 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230022）

在近年来的第四纪环境研究中，以普遍存在于所有沉积物中的磁性矿物为载体，具备多参数、高分辨率以及定量化优点的磁组构学备受重视。磁组构是判断古沉积环境的有效方法，随着沉积磁组构分析在沉积学领域中不断发展和完善，目前 已 经 应 用 于 黄 土－古 土 壤［1－3］、河 湖 相 沉 积物［4－5］的研究中来推断各种沉积物的沉积类型和成因方式。研究发现，不同沉积动力特征下形成的沉积物，其磁组构参数的大小及不同参数的组合特 征 不 同，两 者 之 间 存 在 对 应 关 系［1，3，6］。 因此，运用典型沉积的磁组构特征对比分析未知沉积物，可以得到未知沉积物的物源、沉积过程和环境信息。大别山是中国南北地理和气候带的分界线，对大别山黄土－古土壤展开系统的研究对中国中东部古气候环境演变的研究具有重要意义。目前有关该地区的研究主要是集中在构造方面［7］，而关于黄土－古土壤古气候环境研究甚少，为了获得其沉积物的沉积环境及沉积动力类型，本文以大别山北麓黄土－古土壤为对象，运用磁组构分析方法进行研究，从而获得对大别山北麓黄土－古土壤的沉积环境的初步认识。

1 实验方法

研究剖面位于大别山北麓河南省信阳地区的罗山县境内，其地理位置为32°06′N，114°40′E，剖面厚约17m，根据河南省区域地质志推测该剖面为中更新世以来的沉积物。为了较为准确地研究该剖面形成的年代，进行了古地磁采样，共采集定向样品81块用于样品测试与分析。古地磁在西北大学大陆动力学国家重点实验室古地磁室测定。古地磁测试在零磁空间经过系统的逐步热退磁，温度从100℃逐步升到600℃，剩磁测量使用英国MINISPING旋转磁力仪，退磁使用美国生产的DM S－2热退磁仪测试。大别山北麓剖面磁性地层划分测试结果如图1所示，在14.4m以上的磁倾角和磁偏角为连续的正极性，其下是连续的负极性，且底部未出现Jaramillo极性亚时事件，初步推测研究剖面底部形成于800ka B.P.。

图1 大别山北麓剖面磁性地层划分

2 常用磁组构参数及其意义

沉积物内部磁性矿物分布排列方式的特点称为磁组构，它决定的磁化率在各个方向上的差异性被称为磁化率各向异性［8］。其特征可由一个定向的具3个相互垂直轴的椭球体予以表征，椭球体3个主轴即长轴（K1）、中轴（K2）和短轴（K3）分别与磁化率的最大值、中间值和最小值相对应。产生磁化率各向异性的因素与沉积作用、沉积环境和成因方式有关，不同的成因方式致使沉积物磁组构参数特征各异。运用沉积磁组构特征对比分析未知沉积物，可以得到未知沉积物的物源、沉积过程和环境信息。本文在利用磁组构参数研究所选剖面成因类型时，利用的参数［8］有：① 磁化率各向异性度P＝K1／K3，反映沉积物中颗粒排列的有序化程度，控制因素是沉积动力的强度及稳定性；② 磁面理度F＝K2／K3，反映沉积颗粒呈面状分布的程度；③ 磁线理度L＝K1／K2，反映沉积颗粒呈线状排列程度；④ 基质颗粒度q＝2（K1－K2）／（K1＋K2－2K3），反映沉积粒度的分选性，其数值大小反映了沉积状态和介质能量衰减的幅度；⑤ 扁率E＝K22／K1K3，反映磁化率量值椭球的形状，E＞1为压扁状，E＜1则为拉长的椭球。

3 实验结果

利用磁组构探讨沉积物的原始沉积环境，必须利用它在沉积过程中形成的磁组构，即原生磁组构。研究表明，K3轴接近垂直于层面（i3≈90°）是沉积物原生磁组构的最显著特征［8］，但i3＞60°的磁组构参数能够有效降低风化作用的干扰而获得更接近原生磁组构的数据［6］。因此，本文选取i3＞60°的样品磁组构，即近似代表研究剖面的原生磁组构。

3.1 磁组构各参数实验结果

磁组构各参数图如图2所示，从图2可以看出，研究剖面上下表现出一定的差异。在上部（0～1 480cm），P＜1.02，平均值为1.012，说明磁性颗粒排列的定向性较弱。F值也很小，平均值为1.009，说明沉积物中微细层理构造较不发育。q平均值为0.291，但变化范围较大，为0.075＜q＜0.865，一般q＜0.5时沉积物分选性好，代表能量缓慢衰减的正常沉积，即正常重力分异作用下的沉降，沉积物分选性较好，成层性也好；q＞0.7时沉积物分选性差，代表了颗粒在底流能量急剧衰减情况下的快速堆积，或代表了底流比较紊乱的无序沉积的事件性沉积，即非正常重力分异作用下的沉积。磁线理度L＜1.005，一般地，L受控于搬运介质流动方向的单一性及沉积动力强度，流体流动持续而稳定，颗粒排列有序度高，则L值大；反之，L值小，反应沉积物稳定性较差，颗粒长轴呈线性排列的程度低。

图2 大别山北麓剖面磁组构各参数图

底部（1 480～1 600cm）地层剖面内磁组构特征与上面地层剖面相比表现为明显的差异，1.029＜P＜1.034，平均值为1.032，P值均大于1.020，说明磁性颗粒排列的定向性较高。1.020＜F＜1.024，平均值为1.022，说明沉积物中微细层理构造较发育，这与野外观察的现象一致。q（0.299＜q＜0.394）小于0.500，说明流体介质是在能量稳定条件下的沉积，沉积物粒级分选性好。L＞1.005，平均值为1.009，磁线理度比上部地层剖面大，反应颗粒长轴呈线性排列的程度高，说明水成沉积物中颗粒长轴线状排列程度比风成沉积高。整个地层剖面E平均值均大于1，但剖面上部大部分E＜1.01而底部大部分E＞1.01，说明研究剖面磁化率量值椭球形状均为压扁状，即磁性颗粒以一定程度的面状近似平行排列。

前人已对我国黄土古土壤的磁组构作了大量研究，结果表明，水成沉积物P、F一般大于1.02，q在正常沉积时小于0.5，沉积环境动荡时大于0.5，E值绝大多数大于1.01［9］；而风成沉积物的P、F均小于1.02，E值小于1.01，这是由于空气的密度远小于水的密度，在流速接近的情况下，风的动能远小于水的动能，因而风的搬运能力远小于水的搬运能力，故一般风成P和F值均小于1.02［9］。结合前人研究成果，综合分析上述研究剖面沉积磁组构特征，推知剖面0～1 480cm层段的磁组构参数较小，表明该层段的沉积动力强度较弱，反映典型风成沉积为主的特点，而剖面底部1 480～1 600cm磁组构参数较大，表明其沉积动力强度较大，与水成沉积物磁组构参数特征相似，反映水成沉积为主的特点。

3.2 磁组构参数组合特征

用多个磁组构参数组合图来分析沉积环境的特征能更为确切地反映沉积物的成因类型和沉积环境，因此，对所研究剖面绘出F－L、F－P、L－P、P－q组合参数图，如图3所示。

在中上地层剖面（0～1 480cm）样品磁组构参数分布在靠近原点附近的区域，即在F－L组合图上，F、L值几乎均小于1.02的值域范围内；在P－q组合关系图上，样品磁组构参数值为P值小而q值大的区域内，磁基质颗粒度q值变化较大，从0.07到0.865均有分布，说明沉积过程中出现少数事件性沉积；从P－F、P－L组合关系图上，可以看出各样品P、F均线性相关性较好（R2＝0.899 5）而P、L相关性较差，说明样品磁化率各向异性主要是由磁面理引起的。

上部地层剖面样品磁组构参数组合特征与前人研究的风成沉积物的特征相似，反映风成沉积物的沉积动力强度弱而稳定［10］。

剖面底部（1 480～1 600cm）的磁组构参数组合关系图F－L、P－F、P－q上的磁组构参数分布在远离坐标原点的区域，即F、L、P高值区，q值的低值区，P、F相关性较好（R2＝0.944 4），这与典型水成沉积的磁组构参数组合特征类似，并且反应了水成沉积动力强而稳定，底部地层剖面P、F较高的相关性也是水成沉积物所具备的主要特征之一［9］。

图3 大别山北麓剖面磁组构参数组合图

综上所述，由大别山北麓黄土古土壤样品的磁组构参数测试结果得知，无论是单个磁组构参数特征，还是磁组构参数组合特征均能显示剖面上部均为风成成因，而剖面底部为水成沉积，研究区自下而上磁组构参数特征的差异也许正是不同成因所致，反映了沉积环境从水成向风成即由湿向干的递变过程，也说明不同类型沉积物AMS特征反映了不同的古环境条件及其随时间的演化过程。大别山黄土古土壤的AMS所记录的环境演变与我国长江中下游黄土所记录的环境演变具有较好的一致性，专家对我国第四纪黄土皖南剖面进行了详细的地层分组和ESR年代学及粒度研究，结果表明，上部9组地层记录了风尘堆积的地层始于约800ka B.P.左右，而底部1组地层记录的是冲击成因［11］；文献［12］对长江中下游地区风尘堆积的磁性地层学和沉积学研究指出，我国南方最新一期的网纹红土形成于780ka B.P.以后；向阳剖面第四纪网纹红土剖面上部黄棕色土层和下部网纹层的磁组构学研究表明，黄棕色土层的磁组构特征为风积成因，而网纹层的与水成沉积的相应特征近似［6］。上述研究反映了我国长江中下游地区在约800ka B.P.以来的黄土堆积由水成到风成的环境变迁，而大别山北麓黄土古土壤所记录相应时段内的气候环境变迁说明具有全球一致性，可能是对全球气候的响应。

4 结论

（1）上部地层剖面的磁组构参数P、F值均小于1.02，E值小于1.01，反映风成沉积物的特点，而剖面底部P、F值均大于1.02，E值绝大多数大于1.01，反映水成沉积物的特点。

（2）在磁组构参数F－L、P－F和P－q关系图上，上部地层剖面样品的磁组构参数主要集中在靠近坐标原点附近，底部剖面集中于远离坐标原点的区域，其组合特征反映了上部及中下部的沉积物在沉积动力强度弱而稳定的环境中形成，显示出典型风成沉积物的特征，而底部是在沉积动力较强而稳定的环境中形成，与前人研究的典型水成沉积物特征一致，反映出水成成因所致。

（3）整个剖面自下而上成因类型的递变记录了沉积环境从水成向风成的逐渐转变过程，即剖面从下至上形成由湿向干转换的气候环境。

［1］黄孝刚，孙继敏.末次间冰期以来黄土－古土壤序列的磁组构特征及其指示的古风向［J］.第四纪研究，2005，25（4）：516－522.

［2］Zhu Rixiang，Liu Qingsong，Jackson M J.Paleoenvironmental significance of the magnetic fabrics in Chinese loesspaleosols since the last interglacial（＜130ka）［J］.Earth and Planetary Science Letters，2004，221：55－69.

［3］Hus J J.The magnetic fabric of some loess／palaeosol deposits［J］.Physics and Chemistry of the Earth，2003，28：689－699.

［4］陈庆强，李从先，丛友滋.沉积物磁组构与其动力沉积特征对应关系研究［J］.科学通报，1998，43（10）：1106－1109.

［5］Liu Baozhu，Saito Y，Yamazaki T，et al.Paleocurrent analysis for the Late Pleistocene－Holocene incised－valley fill of the Yangtze delta，China by using anisotropy of magnetic susceptibility［J］.Marine Geology，2001，176：175－189.

［6］朱宗敏，杨文强，林文姣，等.安徽宣城第四纪网纹红土的磁组构特征及其意义［J］.海洋地质与第四纪地质，2006，26（4）：105－110.

［7］陈泽超，宋传中，黄文成，等.大别山南缘（团陂－马垅剖面）构造变形分析及意义［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2009，32（9）：1394－1398.

［8］阎桂林.岩石磁化率各向异性在地学中的运用［M］.武汉：中国地质大学出版社，1996：8－89.

［9］张家强，李从先，丛友滋.水成沉积与风成沉积及古土壤的磁组构特征［J］.海洋地质与第四纪地质，1999，19（2）：85－94.

［10］谢久兵，朱照宇，周厚云，等.陕西蓝田公王岭黄土古土壤序列的磁组构特征及其古环境意义［J］.地球化学，2007，36（2）：185－192.

［11］李徐生，杨达源，鹿化煜，等.皖南第四纪风尘堆积序列粒度特征及其意义［J］.海洋地质与第四纪地质，1997，（4）：73－80.

［12］乔彦松，郭正堂，郝青振，等.皖南风尘堆积－土壤序列的磁性地层学研究及其古环境意义［J］.科学通报，2003，48（13）：1465－1469.