赣南地区花岗岩型红土剖面粒度特征及其环境意义

熊平生，张 忆， 李 优

(1.衡阳师范学院南岳学院，湖南衡阳 421008；2.衡阳师范学院城市与旅游学院，湖南衡阳 421002)

0 引言

粒度是反映物体颗粒组成大小的一项参数，不同粒级沉积物的搬运和沉淀受沉积介质的动力条件所控制，沉积物粒度分析在区分沉积环境、判定搬运方式与动力条件以及恢复古气候变化等方面具有重要意义[1].粒度分析方法在南方红土研究中具有重要地位，尤其是粒度组合特征、粒度参数、粒度频率和粒度概率累积等指标，对揭示红土的物源、沉积动力和风化过程等方面有重要作用[2-7].本文拟以江西赣县花岗岩型红土剖面为研究对象，综合对比分析红土粒度组合、粒度参数特征、粒度频率曲线和概率累积曲线特点，以及与化学风化参数的对比，探讨花岗岩型红土的沉积与古环境意义，有助于全球气候变化与地区气候响应的研究，同时也丰富了南方红土研究资料.

1 样品与方法

图1 采样剖面位置图Fig.1 Location of sampling profile

田村红土剖面(以下简称TC)位于赣州地区赣县田村(图1)，地理坐标是25°48′N,114°58′E.属于花岗岩型红土，为人工挖掘新鲜红土剖面，深度约900 cm，从上往下依次为红壤层(0～20 cm)、均质红土层(21～70 cm)、网纹红土层(70～900 cm)，以20 cm为间距由下往上依次采集样品45个.样品同时进行了粒度测试和化学元素测试.其中粒度测试在在西南大学地理科学学院第四纪实验室完成，仪器为英国马尔文Masterizer-2000型激光粒度仪，测试范围0.02～2 000 μm，每个样品重复测量，并取三次平均值作为测试结果，误差小于2%.元素测试在南京师范大学地理科学学院完成，仪器为荷兰PANalytical公司生产的X射线荧光光谱仪，实验测试误差小于5%，常量元素以氧化物的形式给出.本研究运用尤登-温德华氏等比例粒级分类进行，Φ值利用公式Φ=-log2D进行换算，粒度参数根据Fork公式[8]计算得出.

2 结果与分析

2.1 粒度特征

为了进行红土样数据对比分析，本文采用以4 μm与63 μm为界限依次划分出粘粒、粉砂和砂粒[9].根据土壤粒级主次粒组命名法的规则，TC剖面粒度组成以粉砂组分(4～63 μm)含量最高，为优势粒级，分布范围18.33%～83.72%，平均含量为52.52%，其中粗粉砂粒(10～50 μm)平均含量为36.12%，分布范围11.72%～62.28%；砂粒(63～2 000 μm)次之，分布范围3.43%～78.04%，平均含量为38.38%；粘粒(<4 μm)最少，分布范围3.63%～17.48%，平均含量9.09%，其中细粘粒(<2μm)组分平均含量为4.46%，分布范围1.79%～8.69%.TC剖面岩土三角图解如图2所示，均质红土层和网纹红土层样在图中分布范围基本一致，属于砂质粉砂土和粉砂土类，但红壤层土样与均质红土和网纹红土在粒度组成上不一致.

为了研究红土粒度组分在成土过程中的相似性和差异性，经过线性回归分析得知，TC剖面红土粘粒含量和粉砂含量成显著正相关性，相关系数R为0.774，红土粘粒含量和砂粒含量成显著负相关性，相关系数R为0.837，粉砂含量和砂粒含量成显著负相关性，相关系数R为0.994.运用ORIGIN8.5软件对粉砂、粘粒和砂粒含量分别进行线性拟合(见图3)，TC剖面粘粒含量与粉砂、砂含量的拟合度R2分别为0.589 74、0.693 38，粉砂含量和砂含量的拟合度R2为0.988 46.

图3 红土剖面粒度组分之间拟合关系Fig.3 Fitting relation between grain sizes of the red earth section

化学蚀变指数CIA=[A1203/(A1203+K20+Na20+Ca0)]，式中的氧化物均用其分子摩尔数表示.为了研究CIA值在化学风化过程中与粒度组分的相关性，经过线性回归分析得知，红土剖面CIA值与砂粒(>63 μm)含量成显著负相关性，相关系数R值为0.755 8；CIA值与粉砂 (4～63 μm)含量成显著正相关性，相关系数R值为0.760 1；CIA值粘粒(<4 μm)含量成较显著正相关性，相关系数R值为0.584 2.TC剖面红土CIA值与对应的粒度之间进行线性拟合如图4所示，砂粒(>63 μm)含量与CIA值拟合度R2为0.561 33；粘粒(<4 μm)含量与CIA值拟合度R2为0.326；粉砂 (4 ～63 μm)含量与CIA值拟合度R2为0.569 25.

图4 红土剖面CIA值与粒度之间拟合关系Fig.4 Fitting relation both CIA value and grain sizes of the red earth section

2.2 红土粒度参数特征

图5 红土剖面粒度参数散点图Fig.5 Scatting maps of grain size parameters of the red earth section

平均粒径(Mz)揭示搬运介质的平均动能情况.TC剖面红土的平均粒径均值是4.69Φ，分布范围2.74～6.19Φ，平均粒径变化较大，表明搬运介质平均动能差异明显.分选系数(σ1)反映不同颗粒分散和集中情况，TC剖面红土的分选系数均值为2.00，分选范围1.51～2.86，多数样品属于分选差范畴.偏度(Sk)揭示沉积物颗粒粗细分布状况吗，TC剖面红土的偏度(Sk)均值为0.25，变化范围-0.03～0.49，绝大多数样品属于正偏值范围，反映遭受了强烈化学风化的结果，并接受近源搬运堆积.峰态(Kg)揭示后期环境对沉积物质的改造情况，TC剖面红土样峰态(Kg)均值为1.09，变化范围0.69～1.51，多数样品属于窄峰态，表明沉积物后期改造作用不明显.

研究发现[10]，粒度参数散点图解能够较好地区分沉积物的成因.由图5可知，均质红土层和网纹红土层样品在粒度参数散点图上分布基本一致，推测它们具有相对一致的沉积环境.我们也发现红壤层样品与均质红土层、网纹红土层样品之间存在一定分离，表明其沉积环境与均质红土层、网纹红土层有所不同，可能受到地表流水作用的改造.

2.3 红土粒度频率曲线

粒度频率曲线能识别沉积物众数粒径的大小和分布情况.TC剖面红土样品粒度频率曲线以单峰态为主体(图6)，主峰集中分布在4～6Ф附近，峰态高而窄，众数粒径值多数样品基本一致，指示研究剖面红色风化壳具有共同的物质来源，但是组成物质差异较大，风化程度有别.少数样品粒度频率曲线出现众数值不一致现象，指示红土风化壳物质来源基本相同的，但母岩不纯.少数样品频率曲线出现双峰，次峰出现在1.5Ф附近，表现为低而缓，接近地表的样品粒度频率曲线主峰分布2Ф附近，与流水沉积相中跃移组分的粒度分布范围1～2Ф(200～400 μm)相接近.

图6 红土剖面粒度频率曲线Fig.6 Frequency curves of red earth profile

2.4 红土粒度概率累积曲线

概率累积曲线能识别沉积物粒度分布状况、优势粒径含量及其分布区间，粒度区间百分含量和粒度分选程度[11].田村(TC)剖面红土概率累积曲线在形态上具有相似性，大致分为三段(图7).界点分别2～4Φ和10Φ，可以划分为三种不同状态的粒级组分，<2Φ或4Φ为滚动粒径组分，>10Φ为悬浮组分，其余部分为跳跃粒径组分.其中滚动组分总体含量约为10%～30%，跳跃组分总体含量介于 60%～80%，悬浮组分总体含量<10%.样品中滚动组分和悬浮组分总体的分选性较好.

图7 红土剖面概率累积曲线Fig.7 Probability cumulative curve of red clay profile

3 讨论

TC剖面红土CIA值与对应粉砂含量成显著的正相关性，与砂粒含量成显著负相关性，与粘粒含量成中等正相关性，表明花岗岩型红土粉砂、沙粒含量的变化具有较好环境指示意义.当暖湿气候程度增加时，化学风化参数CIA值增大，化学风化成壤作用增强，红土粉砂含量增多，沙粒含量减少；当暖湿气候程度降低时，化学风化参数CIA值减小，化学风化成壤作用增弱，红土砂粒含量增加，粉砂含量减少.

TC剖面红土粒度参数特征表现为：平均粒径偏细但其变化范围较大、分选程度较差、偏态平缓和峰态较窄的特征.TC剖面红土粒度参数与洞庭湖风尘沉积红土[12]相比，平均粒径相对偏细，分选效果更差，峰态较窄.与福建大横洪、冲积红土[13]相比，平均粒径相对偏细，峰态相似，分选效果稍好.田村(TC)剖面红土粒度频率曲线表现为单峰特性，众数粒径组出现在5～6Ф之间，表明了田村剖面红土物质来源的单一性，少数样品粒度频率曲线出现众数值不一致现象，指示红土风化壳物质来源基本相同的，但母岩不纯.接近地表的样品主峰出现2Ф附近，与流水沉积相中跃移组分粒度范围一致，说明接近地表红土沉积物受到流水作用的改造.

4 结论

(1)TC剖面粒度组成以粉砂组分(4～63 μm)含量最高，为优势粒级，分布范围18.33%～83.72%，平均含量为52.52%；砂粒(63～2 000 μm)次之，分布范围3.43%～78.04%，平均含量为38.38%；粘粒(<4 μm)最少，分布范围3.63%～17.48%，平均含量为9.09%.TC剖面粘粒含量和粉砂含量成显著正相关，相关系数为0.774，砂粒含量分别与粘粒含量、粉砂含量成显著负相关，相关系数分别0.837、0.994.

(2)TC剖面红土CIA值与对应粉砂含量成显著的正相关性，与砂粒含量成显著负相关性，与粘粒含量成中等正相关性，表明花岗岩型红土粉砂、沙粒含量的变化具有较好的环境指示意义.当暖湿气候程度增加时，化学风化参数CIA值增大，化学风化成壤作用增强，红土粉砂含量增多，沙粒含量减少；当暖湿气候程度降低时，化学风化参数CIA值减小，化学风化成壤作用增弱，红土砂粒含量增加，粉砂含量减少.

(3)TC剖面红土平均粒径均值为4.69Φ，变化范围为2.74～6.19Φ；分选系数平均值为2.00，变化范围为1.51～2.86；偏度均值为0.25，变化范围-0.03～0.49；峰态均值为1.09，变化范围0.69～1.51.红土剖面粒度参数整体上显示，平均粒径偏细，偏态较缓，峰态较窄，分选效果不佳.红土粒度频率曲线主体以单峰为主，表明红土物质来源具有单一性，少数样品粒度频率曲线出现众数值不一致现象，指示红土风化壳物质来源基本相同的，但母岩不纯.概率累积曲线主体表现为三段式，揭示了红土地层沉积环境较为一致.