沉积物粒度特征及其对环境的指示意义----以濠河为例

李 勇，李海燕，赵应权

1.安徽科技学院数理与信息工程学院，安徽 凤阳 233100 2.中国地质大学(北京) 地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京 100083 3.成都理工大学沉积学院，成都 610059



沉积物粒度特征及其对环境的指示意义
----以濠河为例

李 勇1，李海燕2，赵应权3

1.安徽科技学院数理与信息工程学院，安徽 凤阳 233100 2.中国地质大学(北京) 地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京 100083 3.成都理工大学沉积学院，成都 610059

为了研究河流沉积物粒度对区域气候变化的指示作用，对濠河中游、下游、濠河入淮河口3个典型河床沉积物剖面及石英尾砂的粒度进行了测量。结果显示:3个沉积物剖面按粒度的变化特征均可分成四层，第一层沉积物以细粉砂为主，第二、三、四层以粗粉砂为主，其中第二、三、四层沉积物的粒度频率分布曲线与石英尾砂非常相似，说明大量石英尾砂排入濠河后，沉积物粒度特征由石英尾砂控制。在近30年中，濠河沉积物的粒度随河水动力的变化而出现波动，这种波动与降雨量的年际变化、洪水的发生等自然因素有关，沉积物平均粒径的峰值与降雨量大或洪水发生的年份存在对应关系。濠河沉积物的粒度特征具有濠河流域气候干湿变化的指示意义：粒径粗指示降雨量较多的湿润气候，粒径细指示降雨量较少的干旱气候。

石英尾砂；沉积物；粒度；环境变化；濠河

0 引言

粒度是河流和湖泊沉积物最基本的物理特征，主要受水动力环境和物源的影响，由于其具有测量简单、快速、不受生物作用影响、对气候变化敏感等特点而倍受研究者青睐[1-2]。前人[3-7]通过研究海洋、湖泊、河流、沼泽等沉积物粒度特征来区分沉积环境、判断水动力条件和区域气候变化，已取得大量成果。还有学者[8]提出湖泊沉积物粒度在不同时间尺度、不同时间分辨率的研究中具有不同的环境指示意义，河滩沉积物粒度特征能指示洪水变化[9-10]；但也有学者[11]指出，河滩沉积物记录的信息不连续，存在缺失情况。在以往的研究中利用河床沉积物粒度特征来研究近几十年来区域环境变化的文章还比较少。笔者选择淮河流域的支流----濠河河床沉积物作为研究对象，在已对濠河河床沉积物磁学特征进行研究的前提下，了解了沉积物磁学参数随深度的变化规律和沉积物中磁学参数变化的影响因素[12]；基于濠河沉积物粒度特征，并结合其磁学参数(磁化率(χ)、非磁滞剩磁磁化率(χARM)、饱和等温剩磁(SIRM))、SiO2质量分数和当地降雨量等资料，研究了石英尾砂对濠河沉积物粒度的影响，以期了解濠河沉积物粒度特征对区域环境变化的指示作用。

1 研究区域概况

濠河发源于安徽省凤阳县凤阳山北麓，向北流经临淮关入淮河，全长44 km，流域面积621 km2。其中凤阳县境内613 km2，年径流量1.28×108m3。濠河主要用于灌溉，其中游和上游主要土壤类型是黄白土(黄棕壤)。濠河上游分东西两支，西支发源于官沟水库，东支发源于凤阳山水库(图1)，濠河上游以低山、丘陵为主，分岔较多。凤阳气候属北亚热带湿润季风气候，年平均气温14.9 ℃，年降雨量904.4 mm，年蒸发量1 609.7 mm，凤阳地区的降雨主要集中在一年的5--9月间，这5个月的降雨量占全年降雨量的70%以上。在濠河西支上游分布有400多家以湿法生产的石英砂企业，由于石英砂企业生产用水主要取自濠河，自20世纪90年代末以来，濠河每年都有近半年的时间处于断流状态。而在每年的雨季有大量石英尾砂被雨水带入濠河，在近30年时间内石英尾砂是濠河沉积物的主要物源。

图1 采样点位置分布图Fig.1 Distribution map of sampling locations

2 样品的采集及测试

在枯水季节，濠河中、下游的河床呈“凹”字型，仅中间低洼处才有水流。笔者于2010年3月濠河的枯水季节，选择在濠河中游、下游和濠河入淮河口未受人为干扰的河滩上，采集了3个沉积物剖面HH1、HH2、HH3(图1)，3个剖面自上而下都以4 cm为间距进行连续采样，其中：HH1剖面深120 cm，共采集30个样品；HH2剖面深116 cm，共采集29个样品；HH3剖面深80 cm，共采集20个样品。样品采好后封装在塑料袋内，带回实验室。3个剖面按颜色都可分成四层，其中：第一层呈灰黑色，颗粒很细，泥质质量分数高，看不见石英尾砂；第二层、第三层、第四层与第一层颜色明显不同，颜色较浅，颗粒粗，都能看见石英尾砂颗粒。样品采回后，置于室内自然风干，经理化处理后，进行粒度测量。粒度测量采用百特公司生产的Bettersize2000型激光粒度仪，仪器的测量范围为0.02～2 000.00 μm，重复性误差小于1%。粒度频率分布曲线由Bettersize2000测量软件系统直接导出。

3 实验结果分析

3.1 沉积物剖面粒度组成

粒度组成是分析沉积物特征的重要指标，但国内外所运用的粒度标准并不统一，本文参照Friedman等[13]和余铁桥等[14]的沉积物粒度划分标准，对沉积物粒度分组采用如下划分方案：黏土(<2 μm)、细粉砂(2～16 μm)、中粉砂(16～32 μm)、粗粉砂(32～63 μm)、砂(>63 μm)。各粒级在深度上的质量分数变化如图2所示。其中，黏土和细粉砂的质量分数表现为：HH3剖面最高，范围分别为1.83%～14.72%和5.67%～57.38%，平均分别为6.04%和26.95%；其次是HH2剖面，范围分别为1.87%～11.68%和5.86%～51.76%，平均分别为5.39%和26.38%；HH1剖面二者质量分数最低，范围分别为1.10%～10.55%和3.07%～41.80%，平均质量分数分别为3.31%和14.93%。3个剖面中粉砂质量分数相差不大，其中：HH3剖面范围为8.16%～25.77%，平均为21.21%；HH2剖面范围为9.51% ～ 27.65%，平均为22.02%；HH1剖面范围为4.87%～28.63%，平均为17.69%。对于粗粉砂和砂的质量分数：HH3剖面最低，范围分别为7.72%～37.96%和0.30%～51.00%，平均分别为27.38%和18.00%；其次是HH2剖面，二者范围分别为12.40%～40.90%和2.11%～48.40%，平均分别为27.64%和18.60%；HH1剖面中二者最高，范围分别为17.03%～40.65%和3.49%～59.20%，平均分别为31.85%和32.20%。

总体而言，3个剖面的沉积物都以粉砂为主，但也存在差别，其中：HH1剖面以中粉砂、粗粉砂和砂为主；HH2剖面和HH3剖面以细粉砂、中粉砂和粗粉砂为主，且砂质量分数也较高。3个剖面粒度平均值(图2f)显示：HH1剖面粒度平均值最大，为64.98 μm；HH2剖面次之，为46.48 μm；HH3剖面粒度平均值最小，为45.60 μm。3条剖面在纵向上，按颜色都可分成四层。HH1剖面：第一层(120～106 cm)呈灰黑色；第二层(106～74 cm)呈白色；第三层(74～31 cm)呈黄色，中间有泥土夹层；第四层(31～0 cm)呈白色。HH2剖面：第一层(116～98 cm)呈黑色；第二层(98～62 cm)呈浅黄色；第三层(62～30 cm)呈黄色，中间有泥土夹层；第四层(30～0 cm)呈白色。HH3剖面：第一层(80～62 cm)呈深黑色；第二层(62～40 cm)呈白色；第三层(40～24 cm)呈灰色；第四层(24～0 cm)呈灰白色。3个剖面都呈现出第一层沉积物的粒度细，第二层、第三层、第四层沉积物粒度粗的规律。

3.2 沉积物粒度频率分布曲线

图2 研究区沉积物粒度组成随深度变化Fig.2 Sediment grain size composition varied with depth

图3 石英尾砂和沉积物剖面典型样品粒度频率分布曲线图Fig. 3 Grain size frequency distribution curves of quartz tail-sand and sediment sections’ representative samples

沉积物的粒度频率分布曲线能描述样品的颗粒总体特征，并能直观地显示样品中各种粒度的相对质量分数及其对样品粒度的贡献。已有的研究[16-18]指出沉积物的粒度频率分布曲线可以帮助辨识样品的成因[15]，也是分析沉积物组分组成的有效手段。笔者共测量了81个样品(石英尾砂2个、HH1剖面30个，HH2剖面29个，HH3剖面20个)的粒度频率分布曲线，根据测量曲线形状规律，大致将其分为2类，见图3。图3b是石英尾砂(WS01和WS02)和濠河3个沉积物剖面第二层、第三层、第四层样品(分别为HH1-13、HH2-10、HH3-5)粒度频率分布曲线，图中显示：3个剖面第二层、第三层、第四层沉积物的粒度频率分布曲线与石英尾砂非常相似，均为三峰曲线，各峰值的分布范围相近；石英尾砂优势组分粒径范围在80～120 μm之间，3个剖面中层和上层沉积物的优势组分粒径范围在60～80 μm；2类样品在粒径小于1 μm处有2个质量分数很低的组分，粒径为0.3～0.4 μm和0.9～1.0μm。表明石英尾砂对濠河中层和上层沉积物的组成产生明显影响。

濠河3个沉积物剖面第一层样品(分别为HH1-30、HH2-28、HH3-18)粒度频率分布曲线(图3a)相似；但与石英尾砂及上层沉积物样品明显不同，3个样品均为双峰曲线，且两峰值的分布范围非常相近，优势组分粒径主要分布在10～30 μm，还有一个粒径在1～2 μm之间的组分，但质量分数较低。根据已有的研究[6]，这种双峰形态为河相沉积。

4 讨论

4.1 沉积物粒度与磁学参数及SiO2质量分数的相关性分析

河流沉积物的粒度特征和磁学参数都能指示环境的变化[19-21]。前期我们对濠河HH1、HH2、HH3剖面的磁学参数进行了研究，结果显示：3个剖面沉积物由于受到石英尾砂的影响，其磁学性质都由石英尾砂控制；3个剖面沉积物中SiO2质量分数也发生了改变，而且沉积物的磁学参数(χ、χARM、SIRM)与SiO2质量分数呈显著负相关关系。图3b显示3个沉积物剖面第二层、第三层、第四样品的粒度分布曲线与石英尾砂相似，且第二层、第三层、第四层沉积物粒度明显比第一层粗(图2)，说明大量石英尾砂排入濠河后，濠河沉积物粒度特征已由石英尾砂控制。为了对比研究濠河沉积物粒度特征和磁学参数对环境变化的指示，将3个剖面沉积物的粒度与磁学参数及SiO2质量分数进行了相关性分析(图4)。结果显示，3个剖面样品的粒度与磁学参数成负相关关系，与SiO2质量分数成正相关关系。在3条剖面中：HH1剖面粒度平均值最大(图2 f)、SiO2质量分数最高(平均值是82.7%)、磁学参数值最低(图4)；而且图4显示HH1剖面的粒度与磁学参数的负相关性及与SiO2质量分数的正相关性都比HH2剖面和HH3剖面强。这是由于HH1剖面离石英砂企业最近(图1)，受石英尾砂影响最严重。

图4 研究区沉积物粒度与磁学参数(χ、χARM、SIRM)及SiO2质量分数的相关关系图Fig.4 Correlation diagram of sedimental grain size vs. magnetic parameters(χ, χARM, SIRM) and the content of SiO2

4.2 沉积物粒度特征的环境指示意义

沉积物颗粒组成差异反映了水动力条件、沉积速率等沉积环境差异[22-23]。在濠河西支上游分布有400多家石英砂企业(图1)，每年要产生400万t的石英尾砂，而回收利用的尾砂量仅占总量的10%～20%，未经回收利用的石英尾砂由于占用企业大量生产场地，影响企业生产，大部分中小企业直接将尾砂堆放在山岗、田野、公路、河流、荒地等地方，在雨水冲洗作用下，特别是在洪水的作用下大量石英尾砂最终被冲入濠河并沉积下来。而沉积物样品越靠近上游的石英砂厂，其粒度特征的形成和变化就越能反映石英尾砂对濠河沉积物粒度的影响。

下面以HH1剖面为例，将其粒度特征与濠河流域降雨量进行对比分析(图5)。HH1剖面第一层沉积物都以细粉砂为主，第二、第三、第四层沉积物都以粗粉砂为主。颜色为白色的两层(第二层和第四层)对应粒径最粗(图5b、c)，这主要是沉积物受石英尾砂影响所致。第二层和第四层的磁学参数(χ、χARM、SIRM)和SiO2质量分数显示，这两层的χ、χARM、SIRM为整条剖面的最低值(分别为8.3×10-8m3/kg、26.5×10-8m3/kg、9.4×10-4(A·m2)/kg和8.9×10-8m3/kg、21.2×10-8m3/kg、11.1×10-4(A·m2)/kg)，而SiO2质量分数为整条剖面的最高值(分别为88.5%和88.8%)，也说明这两层被石英尾砂影响非常严重[12]。已有研究[24]表明，当降雨量越大时，河水动力能量也越大，河流沉积物粒径就越粗。根据凤阳县气象局提供的降雨量资料，在1979年至2009年的30年间，1991年和2003年凤阳的降雨量最大(图5a)，淮河流域在这两年都出现了大洪水，濠河水位升高、河水流速增大，被雨水带入濠河的石英尾砂急剧增加；濠河沉积物来源以石英尾砂为主，沉积物的粒度特征主要由石英尾砂控制，从而使沉积物的粒径变粗；因此第二层和第四层中粒径最大的2个样品(88 cm处和28 cm处)可能是在1991年和2003年的2次洪水期形成。值得注意的是，HH2和HH3剖面在洪水中形成的粒度峰值并没有HH1剖面明显(图2f)。这主要是因为HH2和HH3剖面沉积物来源和形成环境比HH1剖面复杂，它们的粒度特征不仅受石英尾砂的影响，HH2剖面沉积物还要受到濠河上游东支凤阳山水库(图1)水流中携带泥沙等物质的影响；HH3剖面位于濠河入淮河口，该区域会出现淮河水向濠河倒灌的现象，沉积物的粒度特征还会受到淮河水中泥沙等物质的影响。

图5 研究区沉积物的粒度与降雨量变化曲线Fig.5 Variation curve of sedimental grain size and rainfall

凤阳县是20世纪70年代末至80年代初开始建厂生产石英砂的。在刚建厂生产期间，石英砂产量低，石英尾砂的排放量少，排入濠河的石英尾砂量也少，因此濠河沉积物的粒度受石英尾砂的影响较少，濠河沉积以自然沉积为主，沉积物的来源主要是濠河上游和中游的旱地表土，沉积物的粒度特征和磁学性质也由其控制。对比濠河上游、中游旱地表土与HH1剖面及石英尾砂的磁学参数比值χARM/χ、χARM/SIRM发现：濠河上游、中游旱地表土的χARM/χ、χARM/SIRM平均值分别为7.92和9.95×10-4m/A[25]，与HH1剖面第一层沉积物的χARM/χ、χARM/SIRM平均值7.26和6.50×10-4m/A非常接近[12]，但远高于石英尾砂的χARM/χ、χARM/SIRM平均值(2.50，2.97×10-4m/A)和HH1剖面第二、第三、第四层沉积物的χARM/χ、χARM/SIRM平均值(3.14，2.83×10-4m/A；2.96，2.55×10-4m/A；2.29，1.90×10-4m/A)；而石英尾砂与HH1剖面第二、第三、第四层沉积物的χARM/χ、χARM/SIRM平均值相差不多。由于磁学参数比值(χARM/χ、χARM/SIRM)能反映样品中磁性矿物颗粒大小，说明濠河上游、中游旱地表土与HH1剖面第一层沉积物中的磁性矿物中都是以较细的单畴颗粒为主，而石英尾砂与HH1剖面第二、第三、第四层沉积物的磁性矿物中都是以较粗的假单畴和多畴颗粒为主。这表明濠河第一层沉积物主要来自上游和中游旱地表土。而图5b显示第一层沉积物比第二层、第三层、第四层沉积物的粒径也明显要细。到20世纪80年代中期，随着凤阳石英砂产量的快速增加，石英尾砂成了濠河沉积物的主要来源，而石英尾砂对濠河沉积物粒度的影响也越来越大。特别是在1991年发生洪水的时候，大量石英尾砂被冲入濠河，在石英尾砂的影响下，沉积物粒度达到最大值(图5b)，沉积层最厚(图5c)。如果将第二层88 cm处沉积物对应是1991年的洪水过程中形成的，对比图5a和图5b、c发现，在1991年至2009年这段时间内，随着年降雨量的变化，沉积物的粒度发生了相应的变化：当年降雨量增加时，沉积物粒度增加，沉积层变厚，沉积物颜色变浅；当年降雨量减少时，沉积物粒度减小，沉积层变薄，沉积物颜色变深。也就是说，在沉积物来源不变的条件下，沉积物粒度特征跟降雨量存在很好的对应关系。这也反映濠河流域降雨量的变化是控制沉积物粒度的重要因素，降雨量的变化通过影响地表径流强度，从而决定进入濠河的石英尾砂量的多少，进而影响沉积物的粒度：降雨量大的湿润年份，地表径流发育，搬运能力增强，更多的粗颗粒石英尾砂被携带进入濠河，沉积物粒度增大；降雨量小的干旱年份，地表径流贫乏，被携带进入濠河的粗颗粒石英尾砂减少，沉积物粒度减小。因此，濠河沉积物粒度变化能反映濠河流域降雨量的变化，从而具有气候干湿变化的指示意义：沉积物的粒径大指示降雨量较多的湿润气候，沉积物的粒径较小指示降雨量较少的干旱气候。

5 结论

1)在近30年中，濠河沉积物的主要来源于上游石英砂企业排放出来的石英尾砂，沉积物粒度特征受石英尾砂控制，在濠河中游、下游及濠河入淮河口的3个沉积物剖面中，第一层沉积物都以细粉砂为主，第二、第三、第四层沉积物都以粗粉砂为主，其中第二、第三、第四层沉积物的粒度频率分布曲线与石英尾砂非常相似。

2)濠河沉积物的粒度随濠河水动力的变化而出现波动，这种波动与降雨量的年间变化、洪水的发生等自然因素有关，濠河沉积物平均粒径的峰值与降雨量大、洪水发生的年份存在一定的对应关系。

3)濠河河床沉积物的粒度特征具有濠河流域气候干湿变化的指示意义：沉积物的粒径粗指示降雨量较多的湿润气候，沉积物的粒径细指示降雨量较少的干旱气候。

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Grain Size Characteristics of Haohe River Sediments and Its Environmental Implications

Li Yong1, Li Haiyan2, Zhao Yingquan3

1.CollegeofMathematics,PhysicsandInformationEngineering,AnhuiScienceandTechnologyUniversity,Fengyang233100,Anhui，China2.StateKeyLaboratoryofGeologicalProcessandMineralResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China3.CollegeofSedimentary,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

In order to study the indicating effect of the particle size of river sediments to the regional climate change, three representative sedimental sections were collected in the middle and lower reaches of the Haohe River bed. The grain size of the sediments and quartz tail-sands were measured. The results showed that the three representative sedimental sections can be divided into four sub-layers. The first sub-layer sediments is mainly fine silty sand, the second, the third and the fourth sub-layer sediments are mainly coarse silty sand. Grain size frequency distribution curves of the second, the third， and the fourth sub-layer are very similar to quartz tail-sands. This showed that the grain size characteristics of sediments was controlled by quartz tail-sands when a great deal of quartz tail-sands was discharged into Haohe River. The results also showed that grain size of Haohe River sediments changed with the river power in the past 30 years, which was connected with the natural variations such as rainfall, flood, and so on. The peaks of the sedimental average particle diameter had corresponding relation with the years when heavy rain or flood occurred. The grain size characteristics of Haohe River sediments could indicate the climate change of Haohe River basin: when the grain size of sediment was big, it indicated more rainfall humid climate; when the grain size of sediment was small, it indicated less rainfall arid climate.

quartz tail-sands; sediments; grain size; environmental change; Haohe River

10.13278/j.cnki.jjuese.201503207.

2014-09-25

国家自然科学基金项目(41172119)；国家重点实验室开放基金项目(PLC201102)

李勇(1975--)，男，副教授，主要从事磁学和环境磁学研究，E-mail:liyong197510@ 163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201503207

P512.31

A

李勇，李海燕，赵应权.沉积物粒度特征及其对环境的指示意义：以濠河为例.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(3):918-925.

Li Yong, Li Haiyan, Zhao Yingquan. Grain Size Characteristics of Haohe River Sediments and Its Environmental Implications.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(3):918-925.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201503207.