山东烟台地区芝罘剖面粒度分维特征及其环境意义

黎武标,李志文*,王志刚,李子康

(1. 东华理工大学 地球科学学院,江西 南昌 330013；2. 东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室,江西 南昌 330013)

0 引 言

自然界丰富多样的沉积相源于成因与演化的复杂性，前人对其沉积环境进行定量重建过程中，提出了研究复杂系统内部精细结构[1-2]的分形理论。20世纪末，中国学者开始将分形理论应用于沉积物与地貌研究[3-4]。十余年间，学者们利用粒度与分形理论在恢复湖泊古水环境[5-6]、揭示泥石流的粒度分布与堆积特征[7-8]和重建风成砂沉积环境[9-10]等方面取得了丰富的成果，认为分维值在判别沉积物成因方面有较好的指示意义[11]。

黄土高原为第四纪大陆风成沉积体[12]，区内巨厚的黄土-古土壤沉积是分形理论理想的研究对象。对于此类沉积，分形研究着重刻画其分形特征及分维值的意义，如区分黄土与古土壤[13-14]、反映物源及沉积环境演变[14]、指示非线性事件[15-16]等。位于黄海、渤海南岸的山东半岛北部海岸，亦是传统意义上的海岸带沙漠-黄土孪生沉积带[17]，有丰富的黄土-古土壤沉积。前人从有孔虫化石、孢粉[18]、磁化率[19]等指标参数以及14C[20]、热释光(TL)和光释光(OSL)[21-22]等测年手段对该地区黄土开展了大量工作，而对粒度研究多集中于探讨粒度组成，对其分形特征的研究尚不多见。目前，利用分维值来恢复沉积环境虽然已取得了较大进展[23-24]，但其反演古气候的准确性仍需更多的验证。基于此，本文选择山东烟台地区芝罘岛一处黄土状沉积体作为研究对象，运用分形理论中幂指函数关系法来探讨该沉积序列粒度的分形特征，采取主成分分析法寻求影响分维值特征量的最大因子，并试图利用粒度参数和分维值定量反演研究区域内气候环境变化，继而与格陵兰冰芯氧同位素[25]指示的气候变化进行对比，论证其反演结果的可靠性。

1 区域地质概况与分析方法

1.1 区域地质概况

芝罘岛位于山东省烟台市北部，地势西北高、东南低，南部有较厚的黄棕色砂质黏土堆积物，属山麓相的洪坡积层，为中、上更新世之堆积[26-27]。年均气温为12.7 ℃，年均降水量为651.9 mm，年均风速为4～6 m·s-1，冬、春季多偏北风，夏、秋季多偏南风，属暖温带季风气候。芝罘剖面位于芝罘岛西口村，地理坐标为(37°37′4″N，121°21′44″E)(图1)，西南面海。整个剖面出露地表约6 m，大致为NW—SE向。顶部为混杂堆积层-耕作层，土壤呈暗黑色，长有低矮植被，土壤中含较多腐殖质和未腐烂枯枝落叶，呈松散状，厚约40 cm。下伏层位均以粉砂为主，呈褐色、暗棕色和棕红色等，偶有数层较薄砾石层。为减少人为的影响，本文研究的深度为72～498 cm，划分为6个层位(ZF3～ZF8)，以2 cm等间距采集213个粒度分析样品和6个光释光测年样品。

1.2 分析方法

粒度分析在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室完成，仪器为Mastersizer 2000激光粒度仪，检测范围是0.02～2 000.00 μm，共101个粒级，重复测量误差小于2%。测试前对样品进行前处理，将自然风干未经研磨的样品均匀混合后称取约10 g，加入30% H2O2去除有机物，待无气泡产生，加热蒸发残余H2O2，冷却后加入10% HCl去除碳酸盐，静置过夜后倒出上清液，加入纯水中和溶液。测试前再加入适量(NaPO3)6使样品充分分散，并在超声波中震荡10 min再上机测试，每个样品均测试3次求其算术平均值。粒径分级使用乌登-温特沃斯(Udden-Wentworth)分类标准，即黏粒(粒径小于2 μm)、粉砂(2～63 μm)、极细砂(63～125 μm)、细砂(125～250 μm)、中砂(250～500 μm)、粗砂(500～1 000 μm)6个粒组，因极粗砂含量过少，不进行讨论。采用Folk等提出的图解法公式[28]进行平均粒径(Mz)、标准偏差(σ)、偏度(Sk)、峰态(Kg)等粒度参数的计算。

图1 山东烟台地区芝罘剖面采样位置Fig.1 Sampling Location of Zhifu Section in Yantai Area of Shandong

m为质量;lg(m(r)/m)为小于某一粒径r的颗粒质量占总质量百分比的函数图2 不同无标度区下的样品粒度分形曲线Fig.2 Granularity Fractal Dimension Curves of Samples Under Different Kinds of Non-scaling Intervals

沉积物定年采用光释光测年，ZF3层位顶部和底部测年在中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室完成，其等效剂量测试方法为简单多片再生法(SMAR)，材料为细颗粒(粒径为4～11 μm)石英组。其他样品在中国科学院青海盐湖研究所完成，其等效剂量测试方法为单片再生法(SAR)，环境剂量中U、Th、K测试方法为中子活化法。

2 分维值计算方法与无标度区选取

2.1 分维值计算方法

分形理论认为土壤是一个开放的自组织系统，粒度分布实质上是描述该系统物质组成的分形结构，其分形特征量用分维值描述。因此，分维值大小与土壤演化环境密切相关。本文采用幂指数关系法进行计算，假定沉积物的颗粒密度均一，质量累积百分比由体积累积百分比计算得出，具体计算过程参照文献[14]。

2.2 无标度区选取

使用幂指数关系法求取粒度分维值时，分形关系成立的尺度范围[29-30]为无标度区。前人一般选取粒径(r)或质量累积百分比范围作为无标度区，但关于粒径上、下限与质量累积百分比范围无统一的标准。不同成因的沉积物选取的粒径范围往往不同，同一粒径的颗粒在样品中的含量也不相同，需要按实际情况而定。但必须指出的是，无标度区取值不同，求得的分维值也会有差异[31]，且难以相互比对。本文随机选取2个样品对两种无标度区均进行尝试，其中1号样品以粒径为区间，2号样品以累积百分比为区间。

以粒径为无标度区时，当1号样品的无标度区在激光粒度仪的101个粒级，即粒径为0.020～2 000.000 μm时，lg(m(r)/m)与lgr的线性关系较差，细端部分较零散，粗端部分趋于水平的直线，相关系数(R)为0.841 4[图2(a)]；粒度测试结果显示，大部分样品的粒径为0.448～800.000 μm，当无标度区定在此区间内，相关系数为0.885 0，仍未达到0.9，且细端和粗端部分偏离拟合直线较大[图2(b)]；当无标度区定在粒径为1.262～200.000 μm(此区间包含90%的粒组)时，lg(m(r)/m)与lgr的线性关系显著，相关系数也在0.95以上[图2(c)]。

在累积百分比的测算中，当2号样品的无标度区在激光粒度仪测定的全范围(质量累积百分比为0%～100%)时[图2(d)]，相关系数仅为0.841 4，相关性不高；当范围缩小，样品无标度区在质量累积百分比为2%～98%时[图2(e)]，相关系数为0.891 2，相关性有所提高；黄土的分形研究中，前人对质量累积百分比区间多次试验，发现以质量累积百分比5%～95%为无标度区较佳[32-35]，当以该区间测算时，相关系数高达0.976 2[图2(f)]。

两种方法在其他样品中试验时，亦取得相似的结果。因此，将粒径1.262～200.000 μm和质量累积百分比5%～95%作为本文使用的无标度区，该区间包含了样品中粒度的主要特征，有充足的统计样本点。

3 结果分析

3.1 年代学特征

山东烟台地区芝罘剖面光释光测年分析结果与地层层序一致。其中，ZF8层位底部的实测年龄为(124.90±9.70)ka B.P.(表1)，参考深海氧同位素阶段的研究结果，对应末次间冰期(MIS5e)早期；ZF3层位顶部的实测年龄为(62.85±6.94)ka B.P.(表1)，对应末次冰期(MIS4)中早期[27]。因此，芝罘剖面(ZF3～ZF8)是形成于末次冰期—末次间冰期的沉积物。在此基础上，采用分段式沉积速率内插法建立芝罘剖面层段的深度-年代框架(图3)。

表1 芝罘剖面光释光测年分析结果

注：w(·)为元素的含量(质量分数，下同)。

图3 芝罘剖面末次冰期—末次间冰期的地层序列与深度-年代框架Fig.3 Stratigraphic Sequence and Depth-age Relationship of Zhifu Section During Last Glacial-last Interglacial Periods

3.2 分维值

通过计算，全剖面样品以质量累积百分比5%～95%为无标度区时[图4(a)]，分维值为2.238～2.445，平均值为2.330，直线斜率(k)为0.670 2，相关系数为0.960～0.991，平均值为0.974 9；以粒径1.262～200.000 μm为无标度区时[图4(b)]，全剖面样品分维值为2.237～2.404，平均值为2.325，直线斜率为0.675 3，相关系数为0.957～0.989，平均值为0.967 9。两种方法获得的结果均表明整个剖面的沉积物具有良好的分形结构。

图4 两种无标度区下的平均分维值及其相关关系Fig.4 Average Fractal Dimensions and Their Relationships Under Two Kinds of Non-scaling Intervals

两种分维值的相关性十分显著[图4(c)]，相关系数为0.997 1，表明获得的结果均可作为芝罘剖面的分维值。但质量累积百分比5%～95%获得的分维值函数与直线拟合度更优，也便于与前人研究获得的分维值比对，因此，后续研究中使用以质量累积百分比5%～95%获得的分维值。

3.3 分维值与各粒级含量的相关关系

将分维值与各粒级含量进行相关性分析，结果见图5。从图5可以看出：分维值与黏粒含量成显著的正相关关系，相关系数为0.839 6；分维值与粉砂含量相关性微弱，相关系数为0.128 4；当粒径增大，相关关系由正相关转变为负相关，与极细砂有较好的负相关性，相关系数为-0.336 5，与细砂、中砂和粗砂相关性逐渐减弱，直至相关系数低于-0.1。由此表明，沉积物颗粒越细，函数拟合越好，相关系数越大，分形效果也就越好。

3.4 分维值与粒度参数的相关关系

粒度参数对沉积物的形成环境有很好的指示意义[32]。将分维值与各粒度参数进行相关性分析，结果显示：分维值与标准偏差有显著相关性，相关系数为0.889 4[图6(a)]，分维值反映沉积物结构的复杂程度，而标准偏差反映沉积物组成物质大小的均一程度，分维值越大，表明沉积物的组成结构越混乱，分选性差，标准偏差越大；分维值与平均粒径亦成较好的正相关关系，相关系数为0.733 8[图6(b)]，平均粒径反映沉积物粒径大小的平均状况，在古环境的研究中，风成黄土的沉积物粒径细，表明当时气候暖湿，沉积物受到气候的改造作用强，形成结构复杂的沉积物；分维值与峰态相关性较弱，相关系数仅为-0.302 3[图6(d)]；分维值与偏度相关系数不足-0.1[图6(c)]，表明两者之间相关关系十分微弱。偏度与峰态主要反映沉积物粒度频率曲线上的粗、细两端[12]。前人少有将偏度与峰态作为指标反演古环境，更少有对分维值与两者相关关系的分析及原因的讨论。笔者猜测偏度与峰态在古气候的研究中存在不足，分维值与二者关系的分析有待进一步探究。

4 讨 论

4.1 沉积物成因

前人研究表明，山东半岛北部海岸及庙岛群岛黄土-古土壤沉积物为风成成因，沉积物既有来自陆架荒漠的较粗颗粒，亦有来自西北内陆的细小颗粒[32]。通过萨胡公式(Y=-3.568 8Mz+3.701 6σ2-2.076 6Sk+3.113 5Kg，Y为沉积物环境判别参数)[34]对芝罘剖面沉积物的成因进行判别。若Y<-2.741 1，说明样品为风成成因；若Y>-2.741 1，则形成于海滩环境。沉积物环境判别结果(图7)显示，除个别样品外，Y值均小于-2.741 1，揭示出剖面的风成成因与前人研究结果较一致。

4.2 分维值特征分析与对比

研究表明，较少或没有经过搬运与分选的风化碎屑物(如冻土、断层泥、冰碛物和泥石流等)的分维值约为2.60，经过强烈外力分选的沉积物(如风成砂(分维值为2.13)和潮滩沉积物(2.34))分维值明显偏小[35]。芝罘剖面沉积物平均分维值为2.325(表2)，说明其为经过一定距离搬运后的沉积物。山东半岛的海岸带黄土并不是基岩原地风化破碎的产物[33]，而是远方或附近的风化碎屑物经过风力搬运后沉积而成。因此，分维值可以作为山东烟台地区沉积物类型判别的重要参数之一。

表2 不同地区黄土与古土壤分维值对比

刘连文等对陕西洛川黄土的研究认为，分维值大小能够将黄土和古土壤区分开来[14]。由图7可知，分维值在ZF4、ZF6和ZF8层位中处于高值，在其余层位为低值。若将高值区划分为古土壤层，低值区为黄土层，则ZF4、ZF6和ZF8层位为古土壤层，ZF3、ZF5和ZF7层位为黄土层。芝罘剖面古土壤层的平均分维值(2.379)高于黄土层(2.194)，在黄土和古土壤之间有较显著的差别。因此，可依据分维值大小区分黄土与古土壤，但其是否具有普适性有待于更多剖面的研究。

图5 分维值与各粒级含量的相关关系Fig.5 Relationships Between Fractal Dimension and Content of Each Grain Size

图7 芝罘剖面沉积物Y值、分维值、平均粒径、黏粒含量与格陵兰冰芯氧同位素对比Fig.7 Comparisons of Y, Fractal Dimension, Average Grain Size and Clay Content in Sediments from Zhifu Section with Oxygen Isotopes from Greenland Ice Cores

与其他地区黄土的分维值比较，芝罘剖面黄土平均分维值(2.194)高于洛川马兰黄土(1.930)和朱里马兰黄土(2.140)。从陇东到山东，分维值自西向东逐渐增大。其原因是：洛川马兰黄土位于黄土高原，为远处经风力吹扬作用搬运沉积后形成的[38]，物源单一，分选性较好，土壤自组织程度较好，分维值小；朱里马兰黄土属鲁中山地黄土，物源较单一，而山东地区海岸带黄土属于中国大陆最东端的陆架黄土带[12]，此地黄土沉积主要物质来源为冰期渤海陆架沙漠化而出露的松散沉积物，亦有来自黄土高原乃至西北内陆的粉尘沉积物[33,39]。因此，芝罘剖面黄土接受了远源细颗粒物与近源较粗颗粒物的沉积，双物源导致标准偏差增大，分选性差，土壤自组织程度低，导致分维值偏大。另外，张威等对辽东半岛黄土的研究表明，相比于粒径无标度区，成因或物源较复杂的沉积物使用质量累积百分比无标度区时，计算出的分维值函数拟合度更优[37]，这与芝罘剖面的计算结果较一致，表明沉积物的物源不一。

4.3 分维值的影响因子分析

从图5的统计分析得出：粒径越细颗粒的函数拟合度越好，相关系数越大，分形效果也就越好。为确定最终影响分维值特征变化的因子，需明确各组分的贡献率。运用主成分分析法，将6个粒组看作因子，求出它们对分维值结果的贡献率。通过计算，最终确定的主控因子仅有3个(表3)，其中主控因子F1(黏粒含量)和F2(极细砂含量)分别控制了50.917%和29.917%的分维值变化特征，两者反映分维值总体特征变化的80.834%，主控因子F3(粉砂含量)的贡献率偏低，仅为13.271%，由此可见，黏粒含量对分维值的影响最大。其原因是风成黄土形成过程中，生物-化学风化作用影响着粉尘沉积后沉积物的改造程度，并破坏原始风成黄土分选性好的特征。因此，黏粒含量高，表明受到的生物-化学风化作用越强，沉积物结构混乱，分维值为高值。

表3 芝罘剖面粒度分维值因子结构分析

4.4 分维值的变化特征与意义

4.4.1 分维值的变化特征

芝罘剖面分维值垂直变化大致可分为3个峰谷交替的旋回(图7)，与平均粒径的变化较一致。ZF3层位为砂黄土-黄土层，分维值较低，波动大；ZF4、ZF6和ZF8层位均为古土壤层，分维值略高，峰谷波动较缓，有降低趋势；ZF5和ZF7层位均为黄土层，分维值处于相对低值，且处于波动下降中。管清玉等研究表明，黏粒与成壤作用关系密切，主要受控于黏化作用，黏粒含量与风化强度成正比[40]，但其在剖面中变化不如分维值明显，尤其在ZF4和ZF5层位区别不大。而分维值与黏粒含量成显著的正相关关系(相关系数为0.839 6)，与平均粒径、黏粒含量和标准偏差相比，分维值的峰谷变化具有更显著的阶段性且其大幅度波动变化对气候交替更敏感。因此，芝罘剖面的粒度分维值可以代替黏粒含量和平均粒径指示土壤的风化强度，揭示该区域沉积环境的变化。

4.4.2 分维值和粒度参数与格陵兰冰芯氧同位素

对比

冰芯是反映温度变化的古气候指标[41]。将分维值和粒度参数与格陵兰冰芯氧同位素进行对比可知，它们有良好的对应关系(图7)。根据光释光测年分析结果及其曲线变化特征，芝罘剖面的堆积可分成明显的3个阶段。

深度70～128 cm，对应年代为62.85～70.18 ka B.P.，为第一阶段。该阶段沉积物为末次冰期沉积，黏粒含量低，平均粒径为5.09 Φ，而分维值为全剖面最低但波动大，表明沉积物自组织程度较高，分选性较好，此变化与冬、夏季风交替有关。该阶段对应格陵兰冰芯氧同位素曲线的低谷。前人研究表明冰盖上空水汽凝结冰雪时温度的变化是影响冰芯δ18O值变化的主要因素[41]，此阶段中δ18O值波动较大但总体较小，反映此时气温较低。这表明在末次冰期(MIS4)中早期，气候干冷，冬季风强盛，但存在频繁的干冷暖湿交替，沉积物没有经过长期的成壤作用，剖面沉积砂黄土-黄土。

深度129～197、256～322和375～496 cm，对应年代分别为70.18～83.40、94.70～105.20和118.50～124.90 ka B.P.，与MIS5a、MIS5c和MIS5e时期对应，均为末次间冰期亚间冰阶，为第二阶段。该阶段的分维值均处于较高水平，黏粒含量(12.05%)较高，平均粒径为6.06 Φ，均对应格陵兰冰芯氧同位素曲线的峰值，说明这一阶段夏季风强盛，气温高，风化成壤作用强烈，古土壤发育，分选性变差，从而导致分维值增高。值得一提的是，MIS5e时期，分维值出现较大的波动，呈现出高→低→高的变化，说明在夏季风主导的暖湿时期，存在冬季风增强的冷事件，与前人在内蒙米浪沟湾[42]和陕西洛川[43]等地区的研究较一致。

深度198～255和323～374 cm，对应年代分别为83.40～94.70和105.20～118.50 ka B.P.，与MIS5b和MIS5d时期对应，均为末次间冰期亚冰阶，为第三阶段。该阶段的分维值明显处于低值，对应格陵兰冰芯氧同位素曲线的低谷，表明此时夏季风衰弱，冬季风相对增强，气候干冷，黄土沉积速率加快，成壤作用弱，黏粒含量低，沉积物自组织程度较好。但第三阶段的分维值明显不如第一阶段低，侧面说明了该阶段气候干冷程度不及MIS4时期。

曹家欣等认为末次冰期山东地区气候以干冷为主，但气候波动剧烈，渤海海盆海陆更替[44]。Xu等认为山东半岛黄土-古土壤交替发育受末次冰期—末次间冰期气候旋回影响，并存在小幅度的气候波动事件[22]。以上研究表明，芝罘剖面分维值所指示的气候冷暖更替与前人对山东地区末次冰期—末次间冰期沉积环境变化的研究结论基本一致。

5 结 语

(1)山东烟台地区芝罘剖面沉积物末次冰期中早期—末次间冰期(62.85～124.90 ka B.P.)风成沉积物具有良好的分形结构，芝罘剖面沉积物平均分维值为2.325。其中，黄土分维值为2.007～2.392(平均值为2.194)，古土壤分维值为2.089～2.506(平均值为2.379)，据此可区分黄土与古土壤。

(2)随着粒径的增大，黏粒含量与分维值的相关性逐渐减弱，且由正相关转变为负相关；粒度分维值与标准偏差具显著相关关系，与平均粒径具中度相关关系，与其他粒度参数相关性不显著。最终影响分维值特征变化的是黏粒含量。

(3)分维值的变化较好地反映了芝罘剖面黄土-古土壤沉积序列形成过程时气候环境演变，可作为该区域可靠的古气候指标。分维值低时，对应格陵兰冰芯氧同位素曲线的低谷，反映此时气候干冷，冬季风强盛，黄土堆积速率加快，后期受成壤作用的改造较弱，沉积物组成结构简单；反之，气候暖湿，古土壤发育，成壤作用强，沉积物组成结构复杂。