长江三峡地区黄土粒度特征及其成因分析

吴 可，彭红霞2，＊，时 冉

（1.中国地质大学（武汉）地球科学学院，武汉430074；2.中国地质大学（武汉）公共管理学院，武汉430074）

我国黄土分布面积广、沉积连续，堆积时间长，含有丰富的气候与环境变化记录指标［1］.巫山黄土被认为是我国黄土分布的南界，其来源及成因对其古气候环境的研究意义深远.谢明等［2］对长江三峡地区黄土状堆积物进行研究，认为巫山黄土各方面都与河漫滩和其它阶地堆积物相似，属于河流沉积物；柯于义等［3］对三峡库区巫山黄土成因研究，认为巫山黄土为冲积成因，但不是阶地堆积，而是多期次的洪水沉积物，沉积物中含有风成黄土成分，但是属于经流水搬运再次沉积的次生黄土；王建明、何永峰、张玉芬等［4－9］分别从巫山黄土粒度特征、元素地球化学特征、磁组构特征、稀土元素特征等方面进行了研究，认为主要是风成.对巫山黄土沉积成因的研究众多，但是由于没有定年作为基础，没能进行很好的横纵向的比较，其成因仍是众说纷云.对于黄土，粒度参数能反映其物质来源、搬运介质和动力、沉积环境，是沉积物的重要特征之一，其在追溯来源及重建古气候中具有重要作用［10－13］，已经被广泛运用于北方黄土研究中.论文以巫山地区黄土剖面作为研究载体，讨论和分析了巫山黄土的粒度特征，并结合测年数据，通过与北方黄土及河流沉积物进行对比，探讨巫山黄土的成因，推测其来源，以期对中国黄土古气候环境演变方面的研究作出一定的贡献.

1 区域概况与剖面特征

研究区处于我国东南历史降尘区以东范围内［14］，处于我国第二级阶梯和第三级阶梯的交界处，该区域的地理坐标是109°33′～110°11′E，30°45′～31°28′N.该区气候类型属于亚热带季风气候，年均温18.4℃，年平均降水量1 041 mm，冬夏季风都能影响到该区.

采样点位于重庆市巫山县城巫山客运巷北岸，大宁河与长江主流交界处（如图1所示），采样剖面孤立分布于长江中游河谷北岸，为一个建筑工地新开挖的新鲜露头，厚达10 m多，顶底清楚，出露完整，是研究巫山黄土的理想剖面.剖面质地均一，无层理，垂直节理发育，土壤风化程度弱，未见明显的古土壤层，主要由黄色和褐黄色的粉砂和砂质粘土组成.

2 样品采集与实验方法

剖面共采年代样品5个，间距约2 m，避光采样后迅速用多层黑色塑料袋密封，送往青海省中科院盐湖研究所进行光释光测年，具体测年方法详见赖忠平等［15－16］的相关研究成果.

粒度样品采集间隔5 cm采样，获得201个样品，为了进行横向对比，我们在长江河流冲积物中采集了17个样品，一共获得218个样品.粒度测试是在中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室完成，采用的仪器是美国Coutler公司制造的LS230型全自动激光粒度分析仪，测量范围为0.4～2 000μm［17］.样品的制备过程与Konert描述的方法相似［18］：首先称取1.2 g样品，加入10%的H2O210 m L震荡，静置过夜，吸取上清液，去除样品中的有机质；再加入10%的HCl 10 m L震荡，静置过夜，吸取上清液，去除溶液中的碳酸盐；加入去离子水30 m L，洗去溶液中的Cl－、Ca2＋等.然后在进样前加入浓度为30 g／1 000 m L的分散剂（Na3PO4）610 m L对样品进行分散，若样品固结不易分散，可采用超声震荡10～20 min.最后就可以在仪器上进行样品测试，重复测量3次，减小误差.

图1 我国黄土分布及采样点的地理位置Fig.1 The distribution of China’s loess and the location of the sampling point

3 结果分析与讨论

3.1 年代结果

测得年代数据如表1.

表1 巫山黄土剖面地层年代表Tab.1 Stratigraphic timetable of Wushan loess profile

年龄测试结果与剖面厚度之间具有很好的线性关系（如图2所示），回归方程：t＝2.315x＋19.989（t为年龄，单位：ka；x为剖面厚度，单位：m），相关系数R＝0.975.年代数据显示，该剖面黄土为晚更新世中后期黄土.

图2 年代数据线性关系Fig.2 The liner relationship of age data

3.2 巫山黄土与河流沉积物粒度特征比较

3.2.1 质地分类采用中国制土壤颗粒分级，分别以颗粒直径为50μm、10μm和5μm作为细砂粒／

粗粉粒、粗粉粒／细粉粒和细粉粒／粘粒的划分界线进行统计.论文同时采用中国制土壤质地分类标准，将砂粒（1 000μm～50μm）、粉砂（50μm～5μm）、粘粒（＜5μm）所对应的各粒组百分含量［19］，投影到土壤质地分类三角图上（如图3）.从图中可以看出，剖面的全部黄土为粘土质粉砂，巫山黄土和河流沉积物的土壤质地完全不同，巫山黄土分布集中，以粉砂为主，而河流沉积物则分布分散，并且以砂粒为主.

图3 土壤质地分类三角图Fig.3 The triangle figure of soil texture classification

3.2.2 巫山黄土与河流沉积物的粒度象对比 将A－M，L－M，F－M图结合起来，可以反映沉积物全部样品的总面貌，帕塞加称之为沉积物的粒度象，并认为它可以说明沉积物的搬运介质状况，反映沉积物的沉积环境等［20］.从图4中可以看出，巫山黄土和河流沉积物几乎分布在两个不同的区域，表明二者成因不同，而且巫山黄土分布区域集中，而河流沉积物不同组分的对应百分含量波动大，分布区域广，表现河流沉积物的搬运动力大小的变化.

图4 巫山黄土与河流沉积物的粒度象比较Fig.4 The comparison of granularity image of Wushan loess river sediments

3.3 巫山黄土粒度组成与北方黄土比较

3.3.1 粒度特征比较 巫山黄土粒径＜5μm的颗粒含量范围为15.44%～26.70%，平均为21.31%，该组分被称为“挟持组分”，主要是依靠较粗颗粒跳跃撞击扬起，或附着在粉尘颗粒表面而被带到黄土堆积区，为该段的次众数粒组；粒径5μm～10μm的颗粒含量范围为8.71%～15.46%，平均为12.19%，该组分含量在北方典型黄土剖面中一般保持在10%～15%左右；粒径为10μm～50μm的颗粒含量范围为42.91%～55.86%，平均含量为48.62%，该组分是我国北方各地典型黄土的众数粒组，变化范围在40%～60%，被称为风尘的基本粒组——“黄土粒组”；粒径＞50μm的颗粒含量范围为11.79%～27.73%，平均含量为17.88%.我国北方黄土粒径＞50μm或者＞63μm（即4Φ）的含量一般不超过10%，而该剖面沉积物中细砂粒达到17.88%，明显多于西北部黄土中细砂粒含量，这可能与剖面所处的地理位置有关，因为剖面位于长江峡谷中，并且地势较低，所以附近山地的相对较粗的颗粒有可能混入.

巫山黄土以粗粉粒为主，粘粒次之，再次为细砂粒，细粉粒最少，与洛川剖面和午城剖面晚更新世的马兰黄土相比，巫山黄土粒度组成特征与同时期的我国西北典型风成黄土非常相似.而河流沉积物粒度组分则是以细砂粒为主，粗粉粒次之，而且各含量变化范围大，这与巫山黄土的粒度组分明显不同（见表2），需要说明的是甘肃、洛川、午城黄土资料来源于刘东生等［20］.

表2 巫山黄土粒度组成Tab.2 Wushan loess grain－size composition

3.3.2 频率曲线比较 巫山黄土粒度频率曲线如图5所示.

图5 巫山黄土粒度频率曲线Fig.5 The grain－size frequency curves of Wushan loess

巫山黄土的粒度频率曲线多表现出双峰特征，个别样品出现多峰，在Φ＜2区间有少数样品有个小峰，该组分对应滚动粒组，可能来自附近较粗颗粒物质或者在采样过程中混入较大颗粒.第1众数在4～5Φ区间，第2众数在6～7Φ区间，这可以用我国黄土粒度普遍出现的双峰分布特征［21－24］来解释，但是第2众数对应区间的颗粒粒径稍微偏粗，这部分对应的是细粒粉尘，其搬运方式主要是高空长距离悬浮，或者附着于大颗粒被搬运，也有成壤作用因素.细粒的悬浮组分的搬运与当时的气候有关，研究区黄土为晚更新世黄土，气候正处于末次冰期，是第四纪最寒冷的时期，冬季风增强有可能是导致悬浮的细粒组分偏粗的一个原因.另外，在Φ值大于11的区域也占有一定的含量，这部分对应粒径＜0.5μm的区间，一般在黄土中含量在3%左右，古土壤中约为5%，该剖面平均值为2.95%，它的成因与成壤作用有关，采样剖面未见古土壤层，这一平均值也符合黄土中成壤粒径的含量［25］.曲线偏度为正偏态，第一众数粒径向粗粒端减小的速率要比向细粒端快，从而在细粒端形成跨度大的细尾，表明搬运动力弱，粗粒物质不足［26］，相对于流水搬运而言，风力搬运更适合解释这一现象，这也符合风尘黄土的普遍规律.峰态表现为非常窄而且尖锐，表明巫山黄土堆积后，新环境对其改造作用很明显.

研究表明，中国黄河中游马兰黄土自西北向东南有平均粒径逐渐变细的空间分布特点，根据不同采样点的平均粒径大小进行统计，朱海之把它们划分为砂黄土带、黄土带、粘黄土带3个区域，如上图6所示［27－29］.

图6 黄河中游马兰黄土颗粒粗细分带图Fig.6 Particles thickness distribution strip chart of Malan loess at the middle Yellow River

巫山黄土的平均粒径Φ值在4.583 117到5.274 250之间变化，平均值为5.047 610Φ，这一值与黄土从西北向东南逐渐变细的空间分布特征不符合［30－31］（如图6所示）.但是研究区的粒度组分特征满足我国典型黄土的“风成黄土基本粒组”以及中国黄土粒度的双峰分布特征，对其平均粒径偏大贡献率较大的是＞50μm颗粒的含量.综上分析，我们推测影响其平均粒径偏大的原因可能有以下几点：1）研究区域黄土为晚更新世黄土，气候正处于末次冰期，从巫山黄土的频率曲线的第二众数稍微偏大可以证实当时冬季风较强盛；2）在冬季风风力强劲条件下，近源较粗颗粒的风尘物质混入，有研究表明沉积物中＞32μm不可能是风力长距离搬运的产物，而认为暴露在冰期的河谷或湖床的细粒沉积为南方黄土的物源做出了重要贡献［32］；3）采样剖面位于长江与大宁河交界河谷北岸，地势较低，重力作用下近源粗颗粒混入，流水作用改造等原因也有可能造成平均粒径偏大，从频率曲线的峰态很尖锐也可以证实巫山黄土沉积后受新环境改造作用强.

4 结论

巫山黄土的粒度特征与河流沉积物以及同时期的典型风成马兰黄土对比分析得出如下结论：

（1）年代数据显示，研究区域黄土为晚更新世黄土；

（2）巫山黄土和河流沉积物在土壤质地三角图上分布在不同的区域，显示二者属于不同的质地；巫山黄土和河流沉积物的粒度象显示二者差别明显，表明巫山黄土不是水成成因.

（3）巫山黄土的基本粒组（粒径为10μm～50μm）的平均含量为48.62%，符合我国风成黄土该成份变化范围（40%～60%），而粒径＞50μm组份偏高可能有近源较大颗粒进入；巫山黄土频率曲线也与我国北方风成黄土双峰分布相符合，但是明显受新环境改造作用强.

致谢：OSL测年在中国科学院青海盐湖所盐湖资源与化学重点实验室完成，粒度数据在中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室完成.此外，研究生叶小拼、李晓莉、梁峰参加了野外样品的采集，在此对他们表示感谢！

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