辽南黄土晚更新世粒度敏感组分的古环境意义

张 威， 杨蝉玉,2

(1.辽宁师范大学 地理科学学院,辽宁 大连 116029;2.忻州师范学院 地理系,山西 忻州 034000)

沉积物粒度是古环境、古气候重建指标中研究较为成熟的一种指标，被广泛应用于风成沉积、河湖相等沉积中，反映物源、搬运方式以及古气候重建等.分析方法有很多种，有粒度参数[1-2]，敏感组分等.常用的敏感组分有：>30 μm粒径含量[3]、SC/D值(粉砂、黏土和砂的比值)[4]、<2 μm和>63 μm粒径含量[5]、粒度分维值[6-7]等，但在不同的地理区域，不同的地理环境，粒度的敏感组分也存在明显的差异，哪一粒级可以更加敏感的反应该区域古环境信息，还要因地而论.因此，提取粒度敏感组分探讨其对沉积环境的意义成为古环境研究的关键技术问题.目前，敏感组分提取常用的方法有：(1)Weibull拟合函数[8]、粒级-标准偏差法[9-11]、主成分因子分析[12]、端元模型法[13-14].辽东半岛位于我国黄土分布的最东界，其黄土记录了与内陆黄土不同的气候环境信息，采用的分析方法也不在不断改进，主要采用主成分分析[12]、端元模型法[15-16]提取粒度敏感组分，而粒级-标准偏差法提取敏感组分在辽东半岛鲜有报道.利用多种方法提取敏感组分能更好地进行环境演化的分析.因此，本文选取位于大连市金州区北部的华农剖面进行高分辨采样，尝试用粒级-标准偏差法提取敏感，结合端元分析法探讨其气候环境意义.

1 研究区概况

研究区位于大连市金州区北部石河街道华农村，地理坐标为N39°19′08.88″； E121°50′01.96″，地处辽东半岛南部、渤海普兰店湾南岸.气候类型为暖温带大陆性季风气候，兼有海洋性气候，年平均气温10.1 ℃，年降水量 660 mm[17].大地构造属中朝准地台，胶辽台隆复州台陷中的复州-大连凹陷[18]，地貌主要为山地丘陵，海拔百米左右.

2 材料与方法

2.1 样品采集

2018年7月对华农剖面(HN)进行挖掘并采集样品，剖面厚约14.5 m，由于高度及其他野外条件的限制，依据剖面自然堆积情况将其自上而下分为4个工作区进行样品的采集(图1).对剖面自上而下采用2和3 cm间隔连续采样，共采集样品714个，记为HN1-HN714。

图1 华农剖面4个工作区

华农剖面岩性特征为：

0～67 cm：棕黄色粉砂质砂，结构松散，0～20 cm有较多植物根系.

67～150 cm：黄色粉砂质砂和砂质粉砂，较上层紧实，有大量黑色斑点.107～112 cm处有浅黄色砂质透镜体；115～120 cm处有棕黄色砂质透晶体.

150～180 cm：较紧实的棕色粉砂质砂，黑色斑点比上层少，有白色结核.

180～235 cm：紧实的红棕色粉砂质砂，白色结核较多.

235～382 cm：较紧实的浅黄棕色粉砂质砂，偶见白色结核，有黑色斑块.279～298 cm处有颗粒较粗的不规则条带；345～365 cm处有斜长形砂质透镜体.

382～428 cm：以较紧实的黄棕色粉砂质砂为主，有一些连续的粉砂质黏土条带，偶见结核.

428～647 cm：较紧实的浅黄棕色砂质粉砂为主，有结核.478～502 cm处有砂质不完整条带；540～547 cm处有较长的砂质条带；555～625 cm处偶见黑色斑块，结核增多.

647～893 cm：较紧实的棕黄色砂质粉砂和粉砂质砂.

893～1 415 cm：砂质粉砂，胶结度较差，有黑色斑点，偶见灰白色结核.

1 415～1 445 cm：较为紧实的砂质粉砂，有砾石，见底.

2.2 实验方法

实验在辽宁师范大学实验中心进行.

粒度测定使用美国库尔特公司生产的贝克曼LS13 320型激光衍射粒度测试仪，仪器范围为0.375～2 000 μm.具体测定步骤：首先称取0.25～0.30 g的烘干样品于小烧杯中，然后加入10 mL配比为 1∶1的H2O2溶液，静置24 h后置于电热板加热至不再产生气泡，以去除有机质；再加入10 mL配比为1∶3的HCl溶液，静置24 h后置于电热板加热至不再产生气泡，以去除碳酸盐；随后用蒸馏水将样品反复清洗至中性；在测试前加入10 mL体积浓度为5%(NaPO3)6的分散剂并摇匀使样品分散；最后上机测试.每个样品重复3次，取其平均值.

2.3 数据处理方法

粒级以Krumbein粒度(Φ)表示，转换公式为Φ=-lb(d)，d为粒级(mm).

粒度分级采用吴正[19]的分级标准，统计参数的计算采用Folk and Wald[20]提出的计算公式.

敏感粒级的提取采用粒级-标准偏差法和端元模型法.粒级-标准偏差法[21-22]：分别以粒级和标准偏差为横坐标和纵坐标，作粒级标准偏差图.某一粒级对应的标准偏差越大，说明产生该粒级的沉积动力或沉积过程等环境变化越大.端元分析采用Paterson 改进的端元分析模型[23]在Matlab软件中运行AnalySize Software，假定端元数为1～10 并导入粒级数据，采用参数化Weibull方法对粒度数据进行计算.端元数增大，粒级复相关系数R2逐渐接近于1，角度偏差越小，说明数据拟合性随端元数增大变好.当R2达到0.8以上说明端元数基本满足拟合要求.粒度数据分解出的端元表现为多峰形态会使端元分布跨越较宽的粒级范围，甚至出现某个端元的次峰与其他端元的峰重合分布的情况，而端元分解只有在各端元充分不同的情况下才算成功[24].基于此，文章拟合4个端元组分(EM1、EM2、EM3和EM4)对该组粒度数据进行分析(图2).

图2 华农剖面端元数线性相关和角度离差

3 结果与讨论

3.1 粒级及其参数特征

从华农剖面的粒级特征(图3)来看，整个剖面以粉砂为主，平均含量50.02%，其次为砂，平均含量45.26%，黏土含量仅有4.72%.中国各地黄土<5 μm的粒径含量一般在15%～25%之间[25]，而该剖面仅4.72%，明显低于中国黄土的一般数值，同样低于同区域的七顶山黄土(12.04%)[26]和周家沟黄土(19.44%)[27].图4清晰地记录了华农剖面黏土、粉砂和砂三者之间的比例关系及主要含量的分布特征.根据“砂粒组-粉砂组-黏粒组”三因分类法的三角图解[25]，辽南地区黄土剖面粒度以粉砂质砂和砂质粉砂为主，且分布更靠近粉砂粒组的一侧，说明该地区黄土属于粉砂质黄土.

图3 华农剖面粒径组成图

图4 华农剖面粒度三角图

常用的粒度参数主要有平均粒径(Mz)、标准差(σ)、偏度(SK)、峰态(KG)等.从图5可以看出：华农剖面粒径变化较大(2.51～5.08)，均值4.14；分选系数的变化范围为1.39～2.64，均值1.80，按照Folk and Wald(1957)判定分选性好坏的标准，华农剖面整体分选较差，说明华农黄土的沉积可能受到多物源和不同动力综合作用等因素的影响.偏度系数的变化范围为-0.12～4.43，从负偏到正偏均有分布，均值为0.14，呈明显的近对称.峰态系数的变化范围为0.77～1.49，整个剖面处于宽到窄的范围，均值为1.14.

图5 华农剖面粒度参数随深度变化

华农黄土<5 μm和5～63 μm的百分含量与平均粒径呈现显著的负相关，相关系数分别达到-0.740和-0.929(表1)，表明这两个粒级组分对平均粒径产生的是消减作用.>125 μm的粒级组分与平均粒径均呈现显著的正相关，尤其250～500 μm的粒级组分，相关系数为0.879，说明其对平均粒径起着促进作用.5～63 μm的粒级颗粒含量与125～500 μm粒级颗粒含量呈显著负相关关系(R2=-0.839)，而且达到了0.01显著性水平，可能是因为华农黄土以 5～63 μm颗粒含量为主要组成的成分(49.04%)，能够代表该地区主要的沉积搬动力，>125 μm的颗粒风力不易搬动，主要是近源物质成分，所以二者关系显著.

表1 华农黄土剖面各粒级含量之间的相关性

3.2 粒级-标准偏差分析

对华农剖面进行了粒级-标准偏差分析(图6).其曲线呈三峰分布，峰值分别位于57.77、256.95 μm以及1 377.2 μm，标准偏差分别为1.19、1.08以及0.31.三者之间的分界线为121.84、863.88 μm.峰值越大说明该粒级对环境变化的敏感度越大，即57.77、256.95 μm为华农剖面的敏感粒级.

图6 华农剖面粒级-标准偏差曲线

根据华农剖面粒级-标准偏差曲线中标准偏差峰谷值出现的粒径，将该剖面粒度组分划分为组分C1 (<121.84 μm) 、组分C2 (121.84～863.88 μm) 和组分C3 (863.88～2 000 μm).各组分的含量及其平均粒径变化见图7，整个剖面组分C1、组分C2、组分C3的含量依次减少，均值分别为72.53%、27.08%、0.29%.组分C2和中值粒径的变化趋势较为一致(图7)，反映了该沉积物粒度的变化主要受组分C2的控制.因此组分C2 为华农剖面沉积物粒度组成中的环境敏感粒度组分.

图7 华农剖面粒级-标准偏差各组分含量及其平均粒径

此外，通过分析各组分含量与各自平均粒径的相关性也可以有效地辨识气候敏感组分[28]，组分C2与其平均粒径的相关性较强(R2=0.747).相关性分析也说明C2组分含量变化可能对气候变化较为敏感.因此，粗粒组分C2是对气候变化较为敏感的组分，更能反映沉积环境的变化.

从组分C2 的变化曲线可以看出，0～4.5 m波动明显，说明气候变化频繁.且有3个主要的高值区，且在0.5 m左右、1～1.5 m和10 m左右出现3个明显的高值区域，说明风力组分的明显增加，风沙活动强烈.在10 m上下，又出现一个非常明显的峰值，说明在相对温暖的时期气候发生了突变.

3.3 粒度端元分析

根据Paterson 改进的端元分析方法[23]，将华农剖面粒度分离出4种粒度端元组分(EM)，即EM1，EM2，EM3，EM4，对应的众数粒径分别为24.95，57.77，194.2，373.1 μm(图8).各端元组分随深度变化趋势有所区别(图9).EM1与EM2大致呈相反趋势，且6.5 m为二者的分界线，6.5 m之上，EM1的含量波动增加，EM2波动减少，6.5 m之下呈相反趋势.2 m之上，EM3与EM4同样呈现相反趋势，EM3波动增加，EM4波动减少，2 m之下，EM3含量持续减少，EM4变化不太明显.

图8 EM1、EM2、EM3和EM4频率分布曲线

图9 华农剖面粒度端元组分深度变化

EM1，众数粒径为24.95 μm，属于中粉砂粒级，对应于1.b.3组分(25～31 μm)[24]，该端元组分非原生黄土中的常见组分，且在亚洲黄土中发生的频率较低，但在欧洲黄土发生频率较高[29]，同时也是欧洲红土和中国红土的常见组分[24]，该组分被搬运的距离一般为100 km.Sun等[30]认为该组分为不连续沙尘事件的产物，在强风条件下可在1 km以下的低空搬运，距离约在1 000 km之内.推测该组分为近地面风低空传送的物质.有学者在黄土高原黄土分离出了16～32 μm的组分[31]，该组分被认为是由于东亚冬季风主导的春季尘暴产生的[30]，纳错湖畔的陆源沉积物粒度27.4 μm是短距离悬浮的产物[32].综合说明EM1可能为环流主导的短距离悬浮物质.

EM2，众数粒径为57.77 μm，对应于1.b.1组分(51～60 μm)[24]，该组分是黄土高原黄土的典型组分，但并不是主要组分，是次生黄土中河流-风成沉积物，该观点被孙东怀等[33]认可，是流水沉积物与风成沉积物混合形成的次生黄土中的风成粗粒组分.Vriend等[34]和刘浩等[35]提出该组分为尘暴组分.无论哪种观点，EM2成因均为风成的.与其他地区沉积物粒度组分相比较(表2)，发现EM2各组分含量与周边海域沉积物相差甚远，因此排除水动力条件对EM2的影响.其粉砂含量与黄土高原典型黄土含量保持一致，且众数粒径57.77 μm与黄土高原尘暴组分(55.3 μm)非常接近.因此，推断EM2是西伯利亚高压控制下的尘暴组分，与EM1相比较，距离源区更近，所受动力更强.而且该端元在华农剖面的平均含量为35.04%，为各端元含量最大值，说明该区域黄土形成的主动力条件为风力.

EM3，众数粒径为194.2 μm，该组分达到了颗粒悬浮载荷的粒径上限100 μm[40].有学者则认为70 μm即是颗粒悬浮搬运的上限[41]，砂粒组分以跃移的形式被搬运[34]，且只能在厘米级或几米的高度被搬运到几厘米或几米远的距离.说明该组分的源区相对EM2应该更近，动力条件可能为强劲的地表风[42-43].从粒度组成含量而言，EM3与周围海域沉积物更相似(表2)，因此，简单推断该端元与端元1相似，同样源于冰期出露的黄渤海陆架平原.但是EM3(1.59)的分选性比EM1(2.51)好，说明其沉积动力条件较强，颗粒经过多次分选而成，磨圆更好.

表2 华农剖面各端元粒度与其他区域相比

EM4，众数粒径为373.1 μm，该组分属于河流搬运的动力范围[42]，其粒径大小取决于沉积载荷和河流流速大小[8]，是河流冲积扇沉积物中的常见组分，被视为河流搬运的沉积物[44].EM2与EM4表现出了较大的反相关性(-0.669)，说明二者存在此消彼长的关系，因此EM4为风力搬运的可能性较小.华农剖面位于辽东湾东南，辽东湾有辽河、大凌河、小凌河等河流注入，为剖面提供了充足的河流沉积物.剖面西侧地势相比东侧较低，且离海岸近，近地面风向冬季以西北风为主，这些气候以及地形地势条件都为该剖面接受冰期出露的辽东湾河流沉积物提供了有利条件.

3.4 粒度指示的气候环境

对华农剖面顶部与底部进行了光释光测年，年龄分别为22.88 ka BP和107.22 ka BP，该剖面反映了辽南地区晚更新世以来的气候变化.深海岩心中有孔虫介壳的δ18O是古气候的标记物，被广泛应用于第四纪古气候的研究中，其曲线峰谷交替的变化记录了冰期与间冰期的交替过程.将华农剖面的粒度指标与深海氧同位素进行对比(图10)，尝试对辽南地区晚更新世以来的区域气候变化对全球气候变化的响应进行分析和探讨.

图10 华农黄土剖面粒度曲线与深海氧同位素曲线[44]对比图

通过图10可以看出粒度指标中<5 μm的粒径百分含量与深海氧同位素曲线的变化趋势较为相似，而>63 μm的粒径百分含量与组分2的曲线则与深海氧同位素曲线的变化趋势基本呈相反趋势.三者均与深海氧同位素曲线有较为一致的峰谷对应，<5 μm的粒径百分含量曲线的高值与深海氧同位素曲线的奇数阶段相对应，低值与偶数阶段相对应；>63 μm的粒径百分含量与组分2的高值与深海氧同位素曲线的偶数阶段相对应，低值与奇数阶段相对应.这些相似性可以反映出辽南地区 MIS 5以来的气候变化，能够敏感的反映全球冰量的变化，与全球气候变化具有相似性.

阶段Ⅰ(12.26～14.45 m)对应于MIS 5.粒度指标中平均粒径(Mz)Φ值在该阶段呈现高值，均值为4.73，为4个阶段的最高值，说明粒径较细；>63 μm的粒径百分含量、粒径-标准偏差提取的组分2和EM3的含量变化的均值均为4个阶段的最低值，分别为29.9%、10.26%、6.78%.前文推测EM3可能源于冰期出露的黄渤海陆架平原，其含量在该段处于低值状态，物质来源较少，黄渤海陆架平原出露较少，说明气候相对温暖湿润.同期，辽南地区七顶山黄土的氧化度表现为峰值[25]，该数值偏高，气候趋于温热，反之则趋于寒冷[45].七顶山粒度分维值偏大，指示了该时期相对较为温暖的气候[6].辽南地区在相对温暖湿润的气候条件下有次一级的气候出现，表现为干冷-暖湿-干冷的气候波动，气候阶段记为Ⅰ(a)、Ⅰ(b)、Ⅰ(c)，深度分别为13.8～14.45、12.95～13.8、12.26～12.95 m，分别对应MIS5a、MIS5b、MIS5c.

阶段Ⅱ(6.58～12.26 m)对应于MIS 4.气候与上一阶段相比，较为寒冷干燥.该阶段黄土沉积时期，平均粒径(Mz)显著减小，Φ值均值从4.73减小到4.20，粒径变粗粗，说明气候条件较差.粒径-标准偏差提取的组分2和EM3的含量同样表现为较高值，均值分别为18.45%和17.17%，比上一阶段增加了8.6%和10.4%，说明黄渤海陆架平原在该阶段出露较厚，为该阶段黄土沉积提供了较为丰富的物质来源，间接验证了该阶段黄土沉积时期寒冷干燥的气候特征.风动力条件下的EM2含量达到了55.16%，>63 μm的粒径百分含量在该阶段呈现不断增加的趋势，二者进一步说明了该阶段气候相比上一阶段较为寒冷干燥，植被较为稀疏，冰期特征明显.在深度10 m上下，粒径突然变粗，同时出现>63 μm的粒径百分含量、组分2和EM3的含量则急剧增加的现象，细砂、中砂、粗砂含量在同步出现峰值(图2)，峰态也表现为该阶段中的最低值(图5)，这些参数说明在该时间点气候突变，更加寒冷干燥.

阶段Ⅲ(2.3～6.58 m)对应于MIS 3.该阶段EM3的含量缓慢增加，代表水动力条件的EM2相比上一阶段在急剧下降(图9)，从55.16%到13.17%，而代表低空沉积物的EM1含量却达到了剖面最大值(46.67)，其含量远超于其他是三个端元，说明此时沉积物以近地面风吹蚀物为主要物质来源，这些物质经过较长时间的搬运堆积形成了黏土矿物，<5 μm的粒径百分含量相比上一阶段也有所增加.说明该阶段气候相比上一阶段相对温暖湿润.此时，其他地区也经历了“高温大降水事件”[46-47]辽南地区的七顶山黄土则由于气候和地势缺失了该时间段的沉积地层[48].该剖面较好地反映了全球气候和局地气候.

阶段Ⅳ(0～2.3m)对应于MIS 2.该时期平均粒径Φ值减小，说明粒径变粗.变化趋势，而>63 μm的粒径百分含量和组分2百分含量相比上一阶段都呈增加的趋势，且均为剖面最大值，而<5 μm的粒径百分含量则出现了剖面最低值.EM3含量增加，说明该阶段气候条件相比上一阶段寒冷干燥.与阶段Ⅱ相比，EM3和组分2的百分含量更大，且砂含量达到57.86%，达到了砂黄土的范畴，气候与同样冷期的阶段Ⅱ相比更加恶劣.

与深海氧同位素曲线(δ18O)相比，δ18O曲线在 MIS2和 MIS3阶段呈现低频低幅的振荡变化过程，辽南粒度曲线表现为高频低幅的气候波动.在MIS4 阶段中，辽南粒度曲线更平缓一些.在 MIS5 阶段中，辽南粒度曲线频率更高.从整体来看，华农剖面黄土沉积物的气候代用指标显示冷期持续时间较短，暖期持续时间较长，气候呈现出较高频率的波动变化特征，受全球冰量影响.

4 结 论

(1)华农剖面以粉砂为主，为粉砂质黄土，分选性较差.

(2)通过端元模型提取的4个端元代表了不同的沉积动力条件以及物质来源，分别为低空近地面风吹来的细小颗粒、西伯利亚高压控制下的尘暴组分、强劲地表风吹蚀来的渤海海底沉积物以及河流冲积物.说明辽南黄土物质来源的复杂性，整体可以区分为近源物质和远源物质.

(3)综合分析粒度特征以及敏感组分，受全球冰量的影响，晚更新世以来辽南地区气候经历了4个气候阶段，温暖期-冷期-较弱的暖期-较为强烈的冷期，气候波动变化，在第一个暖期经历了短暂的较为强烈的风沙活动.