基于激光粒度测试法的闽粤沿海花斑粘土成因研究

王 晶， 陈 震， 高全洲*

1. 中山大学地理科学与规划学院， 广东 广州 510275 2. 中山大学地球科学与工程学院， 广东 广州 510275

引 言

我国闽粤沿海第四纪盆地(如珠江三角洲、 练江平原、 韩江三角洲以及福建沿海盆地等)的上更新统与全新统之间， 广泛发育一套黄色粉土层， 有时表现为以黄色为基色， 混杂红、 灰的斑纹状结构， 因此也被称作“花斑粘土”[1-2]。 现有研究认为， 花斑粘土是晚更新世末期海进时的河、 海相沉积， 在末次盛冰期全球低海面时暴露地表， 顶部一定厚度的沉积风化而成[1-2]。 而初步的研究发现： 花斑粘土与其下伏河、 海相沉积在成分及结构等方面均存在显著差异， 无明显过渡， 不具备典型的风化成因关系； 花斑粘土具粉砂感， 风干后易随风飞扬， 沉积特征具有风成特性。

近年来， 随着粒度测试技术的不断发展， 依据光学散射原理测试颗粒粒径的激光粒度分析方法在国内外有着广泛的运用[3-4]。 除了在医药、 化工、 建材、 电子、 食品、 环境等领域的应用， 激光粒度在地质沉积学中也发挥着越来越重要的作用[3-4]。 粒度特征是反映沉积物搬运介质、 沉积条件的重要指标， 是研究沉积物沉积环境及成因的有效方法。 当激光光束遇到大小不等的颗粒时， 会产生不同角度的散射， 通过探测散射光的强度可计算样品的粒度分布。 相对于传统机械分析方法而言， 激光粒度分析法所需样品量少、 测试速度快、 精度高。 鉴于此优势， 使用该方法， 对该套花斑粘土的粒度特征进行深入分析， 从而探讨其成因。

1 实验部分

1.1 钻孔及采样

花斑粘土广泛分布于闽粤沿海的第四纪盆地中， 尤以珠江三角洲为盛(图1)。 该层粉土的厚度不大， 一般为几十～几百cm， 通常形成于晚第四纪以来两次高海面之间的海退期， 由于受海水扰动作用的影响， 年代较老的多被破坏， 现多保留年龄为25～10 ka的末次盛冰期的层位[1-2]。 为了揭示花斑粘土的成因， 本文选择珠江三角洲的三个第四纪钻孔(图1)， 对各钻孔中的花斑粘土层及其下伏沉积按照平均8 cm的间距连续采样， 样品共计94个。

图1 本研究搜集和研究钻孔分布

1.2 测试方法

将所采集的样品取适量分别放入50 mL小烧杯中， 先加入10%的双氧水以除去有机质， 后加入10%的浓盐酸以除去碳酸钙。 每加试剂后， 放置于电热板使样品充分反应。 最后， 将烧杯注满蒸馏水反复清洗， 直到溶液呈中性为止。 上机测试前， 加入10 mL 0.05 mol·L-1的六偏磷酸钠进行分散， 并在超声波振荡器中震荡10 min。 测试仪器为英国Mastersizer 2000型激光粒度仪(测量范围0.02～2 000 μm)。

2 结果与讨论

2.1 粒度组成

本文采用5， 10和50 μm作为粘粒、 细粉砂、 粗粉砂、 砂砾石的分界点。 从表1可看出， 各钻孔的花斑粘土均以粗粉砂(10～50 μm)为第一众数粒组， 平均含量介于37.52%～50.21%； 粘粒(<5 μm)的平均含量介于25.59%～32.92%， 是粒度组成中的次众粒组； 细粉砂(5～10 μm)的平均含量介于20.90%～26.01%； 砂砾石(>50 μm)的含量最少， 平均值介于3.30%～4.14%， 几乎不含>100 μm的颗粒(表1)。 总体上， 花斑粘土以粉砂(5～50 μm)为主， 岩性属粘土质粉砂， 而并非传统所认为的“粘土”(为了避免与以往惯用名称相混淆， 本文依旧将其称为“花斑粘土”)。

表1显示， 花斑粘土的粒度组成模式在不同钻孔之间较为一致， 在单个钻孔中的不同深度也相似， 主要表现为各钻孔垂向上各粒组含量的最大值与最小值相差不大(表1)， 粒度总体上均一而稳定， 表明样品在堆积前经历了充分的混合和分选， 这是风成沉积的典型特征。

将各粒组含量绘制成柱状图可更为直观的显示样品的粒组分布特征(图2)。 刘东升先生研究黄土时， 将10～50 μm的粗粉砂和<5 μm的粘粒分别定名为风成沉积的“基本粒组”和“挟持粒组”， 两者是风成沉积的典型粒组构成[5]。 通过对比， 花斑粘土同样以风成黄土的“基本粒组”(黑色方柱)和“挟持粒组”(灰色方柱)为主要粒组构成， 其余依次为5～10及>50 μm的方柱[图2(a—c)]。 该粒组配分特征与典型黄土一致[图2(d, e)]， 表明花斑粘土具有风成特性。

而TS和JT钻孔花斑粘土下伏沉积均以粘粒(<5 μm)为第一众数粒组， 细粉砂(5～10 μm)为第二众数粒组(表1)， 且随着粒级增大， 各粒组方柱呈递减趋势[图2(f, g)]， 为典型的海相淤泥； SJ钻孔花斑粘土下伏沉积以>50μm的粗砂砾石为主要构成， 粒组方柱最高， 其次为10～50μm的方柱[图2(h)]， 且各粒组含量变化范围广， 不同深度相差很大(表1)， 表明搬运动力不稳定， 符合河流相沉积的粒度特征。 由此可见， 花斑粘土层与其下伏海、 河相沉积在粒度组成模式上截然不同， 表明它们在搬运方式及所体现的成因上并无关联。

表1 花斑粘土的粒度特征以及与下伏沉积、 典型黄土的对比

图2 花斑粘土的粒度组成柱状图以及与下伏沉积、 典型黄土的对比(取表1中的平均值)

2.2 粒度参数

粒度参数是判断搬运介质及沉积环境的重要依据。 其中， 平均粒径(Mφ)反映样品分布的集中趋势， 不同钻孔花斑粘土的平均值介于6.73～7.03φ； 分选系数(σ)反映颗粒的分选程度， 介于1.56～1.61； 偏度(SKφ)表示样品粒度分布的不对称程度， 平均值介于0.25～0.64， 属于正偏-极正偏； 峰态(Kg)介于2.76～2.99， 表明样品的频率分布曲线形态较尖锐。 总体上， 花斑粘土的各项粒度参数在不同钻孔之间变化不大， 单个钻孔中的最大值与最小值也相差不大(表1)， 表明样品粒度均一， 搬运动力稳定， 符合风成特征。 通过对比， 花斑粘土的粒度参数与典型黄土具有较好的可比性(表1)， 表明它们在沉积环境及成因上的相似性。

而相比于花斑粘土， 其下伏海相沉积的平均粒径(Mφ)分别为7.80φ(TS)和7.43φ(JT)， 粒度更细； 下伏河流相沉积为5.03φ(SJ)， 粒度更粗(表1)。 分选系数(σ)上， 下伏海相沉积平均值分别为1.43(TS)和1.44(JT)， 均小于花斑粘土； 下伏河流相沉积为2.59(SJ)， 大于花斑粘土(表1)。 偏度(SKφ)上， 下伏海相沉积的平均值分别为0.19(TS)和0.15(JT)， 小于花斑粘土， 近正态分布(表1)。 下伏河流相沉积的偏度(SKφ)和峰态(Kg)的最大值与最小值相差较大(表1)， 表明搬运动力极不稳定。 上述差异表明， 花斑粘土与下伏沉积层在粒度参数所反映的沉积环境上存在较大差异。

2.3 粒度参数散点图

粒度参数散点图是将不同的粒度参数分别作为横纵坐标进行投点。 大量研究表明， 不同成因类型的沉积物在粒度参数散点图中的投点均有各自的区间范围， 因此可以更有效的区分不同沉积物的属性及成因[7]。

各散点图中， 花斑粘土的投点与典型黄土具有一致的范围(图3)， 表明两者在沉积类型上的相似性。 而相对于花斑粘土和典型黄土， 下伏海相沉积的投点在图3(a—c)中偏右， 图3(d,e)中偏左， 表明海相沉积的平均粒径(Mφ)较大， 分选值(σ)较小。 各图中， 花斑粘土下伏河流相沉积的投点散落不集中， 表明沉积环境动荡， 这与花斑粘土及典型风成沉积均存在较大差异(图3)。

图3 花斑粘土的粒度参数散点图以及与下伏沉积、 典型黄土的对比

2.4 粒度判别分析

前人对不同沉积相的粒度参数进行统计分析， 总结出Y=-3.568 8Mφ+3.701 6σ2-2.076 6SKφ+3.113 5Kg(Y=判别参数， Mφ=平均粒径，σ=分选系数， SKφ=偏度， Kg=峰态)用于判别风成沉积[9]。 研究发现， 风成沉积的Y值皆为负值且一般>-10[9-10]。 通过计算， 三个钻孔中花斑粘土的判别参数值均符合风成沉积的范围， 并与典型黄土具有较好的可比性(图4)。 下伏海相沉积的Y值较小， 介于-13～-9的范围； 下伏河流相沉积的Y值介于0～40的范围， 均为正值， 且不同层位Y值相差较大， 与花斑粘土差异十分明显(图4)。 因此， 判别分析结果同样表明， 花斑粘土具有风成特征， 与下伏沉积在成因上并无关联， 花斑粘土不应为下伏海、 河相沉积风化而成。

图4 花斑粘土的粒度判别结果以及与下伏沉积、 典型黄土的对比(西峰黄土数据引自[8])

2.5 粒度指数特征

粒度指数图是依据样品的中值粒径(Md)以及四分位值(Q1和Q3)而作的股价图。 其中， 中值Md， Q1和Q3是样品累积百分含量分别在50%， 75%和25%时所对应的粒径。 这些参数是反映沉积类型及沉积环境的重要指标。

图5显示， 同一钻孔以及不同钻孔之间， 花斑粘土的指数展布范围较为统一， 均介于5～8φ之间， 与典型黄土具有较好的可比性， 表明花斑粘土具有风成特性。 而花斑粘土下伏海相沉积的粒度指数介于6～9φ， 明显高于花斑粘土和典型黄土(图5)； 下伏河流相沉积的指数展布跨度大， 介于0～9φ， 且不同层位的样品展布范围不一致， 表明粒度极不均一， 分选性差(图5)。 可见， 花斑粘土与下伏海、 河相沉积在粒度指数及其所反映的沉积环境上亦差异明显。

图5 花斑粘土的粒度指数以及与下伏沉积、 典型黄土的对比(西峰黄土数据引自[8])

2.6 粒度相分析

粒度相分析是将一些与沉积过程密切相关的粒径及所对应的百分含量绘制成散点图。 最常见的粒度相是C-M图， C代表样品累积含量在1%时对应的粒径(μm)， 表征样品的粗粒级组分； M代表中值粒径， 即样品累积含量在50%时对应的粒径(μm)， 横纵坐标皆用对数表示。 CM图可通过将未知成因的样品在图中的投点区域和已知成因的样品的投点区域进行比较， 从而确定未知样品的成因和沉积环境， 是一种综合性的成因图解[11]。 此外， 粒度相还有A-M和L-M图。 A代表样品<4 μm的百分含量， L代表样品<31 μm的百分含量。 这些粒度相全面的反映了沉积物的粒度特征， 可以用来综合判断沉积物的沉积类型， 反映沉积环境。

图6的C-M图中， 花斑粘土投点集中， 其下伏海相沉积的投点偏左， 中值粒径偏小。 而下伏河流相沉积的投点分布零散， 相对花斑粘土层偏右上， 中值粒径偏大， 粗粒级组分含量更多(图6)。 在A-M及L-M图中， 样品的投点均呈带状分布， 花斑粘土与其下伏沉积层均分布在不同的范围(图6)， 表明花斑粘土在成因及沉积环境上与其下伏沉积没有关联， 花斑粘土并非其“原沉积相”风化形成。

鹿化煜等[8]对黄土高原黄土、 古土壤以及红粘土样品进行了粒度相分析。 由于没有源数据， 本文将文献中典型风成沉积的粒度相投点区域叠加到图6中以做对比研究。 通过对比， 闽粤沿海花斑粘土的投点区域与典型风成沉积所在的粉色区域在各图中均重合(图6)， 表明花斑粘土与典型风成沉积在沉积类型上的一致性。 结合前述粒度分析各项指标， 可进一步判定， 花斑粘土为风成成因。

图6 花斑粘土的粒度相以及与下伏沉积、 典型黄土的对比(典型黄土投点区域总结自[8])

3 结 论

使用激光粒度分析方法， 对珠江三角洲晚第四纪的花斑粘土进行了系统的研究。 结果显示， 花斑粘土的粒度组成、 粒度参数、 散点分布、 判别分析、 粒度指数特征及相分析均指示风成成因， 与典型黄土具有较好的可比性， 而与其下伏沉积差异截然。 由此， 花斑粘土并非原地风化形成， 而属末次盛冰期外来的粉尘堆积。 由于风成沉积经历了充分的混合和分选， 堆积时颜色及结构均匀， 因此“花斑”结构不应是沉积时形成， 而是冰后期(全新世)湿热气候环境改造的表象。 激光粒度方法深入有效的分析了研究区晚第四纪花斑粘土的粒度特征， 并为其成因判断提供了重要依据。 本研究对今后华南沿海晚第四纪古气候环境及风场格局的重建具有重要的科学意义。