夏菁

摘 要 基于海岸變遷歷史地圖和區(qū)域典型氣候記錄對比建立了剖面的年代學(xué)標(biāo)尺，采用Mastersizer 2000型激光粒度儀測試剖面沉積的粒度特征，以剖面粒度參數(shù)作為代替海岸帶化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度、冬季風(fēng)強(qiáng)弱變化的主要指標(biāo).通過對福建漳浦赤湖海岸沙丘剖面（CH）粒度特征分析，發(fā)現(xiàn)該剖面沉積具有海岸波浪作用和風(fēng)力作用聯(lián)合作用沉積的粒度特點，因此其粒度參數(shù)可能記錄了海岸沙丘發(fā)育時期的海岸帶環(huán)境演變歷史.將CH剖面記錄的近2 000年以來的海岸帶氣候環(huán)境變化歷史劃分為4個時期.其中，581～740 AD和930～1260 AD兩個階段分別對應(yīng)我國的隋唐暖期和歐洲中世紀(jì)暖期；741～907 AD唐朝中后期至五代冷期以及1261 AD以來至小冰期結(jié)束的兩個階段也和前人研究得出的兩個冷期相當(dāng).

關(guān)鍵詞 海岸沙丘；粒度參數(shù)；風(fēng)力作用；環(huán)境演變；福建漳浦

中圖分類號 P532文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 10002537（2014）03000707

早在20世紀(jì)80年代，竺可楨便引證了大量物候資料，建立了中國近五千年來的溫度變化序列[1].近年來，眾多學(xué)者利用冰芯[2]、樹輪[34] 、湖泊[5]、歷史文獻(xiàn)資料[67]等各種記錄載體對過去2 000年來的區(qū)域氣候、環(huán)境變化進(jìn)行了研究.葛全勝等[8]集成已有的高分辨率氣候重建序列，分析了過去2 000年中國氣候變化的主要特征、區(qū)域差異和已有重建結(jié)果的不確定性，并將中國秦漢以來的氣候演變階段劃分為200 BC～180 AD、541～810 AD、931～1320 AD及20世紀(jì)4個暖期和181～540 AD、811～930 AD及1321～1920 AD 3個冷期，指出13～15世紀(jì)為我國氣候由干向濕發(fā)展的轉(zhuǎn)折點.對比竺可楨[1]和葛全勝等[8]的研究成果發(fā)現(xiàn)，兩者主要分歧在于1000～1300 AD氣候特征的認(rèn)定，即中國是否存在明顯的中世紀(jì)暖期？

海岸沙丘發(fā)育于世界各緯度海岸帶，其形成是各種因素相互作用的結(jié)果.其中， 有充足的沙源供應(yīng)、風(fēng)況適宜的海岸帶，以及趨于干冷的氣候條件是海岸沙丘發(fā)育的主要因素[9].關(guān)于海岸沙丘的研究主要集中在海岸沙丘砂的粒度特征及其與海灘砂的對比、石英砂表面結(jié)構(gòu)特征以及沉積構(gòu)造等方面[1012]，通過海岸沙丘的粒度特征來重建海岸帶環(huán)境演變的研究還不多.雖然通過冰芯、樹輪方法提取信息指代的區(qū)域范圍較大，但并不適用于在海岸帶等較狹窄區(qū)域和較為細(xì)致的波浪風(fēng)力聯(lián)合驅(qū)動的環(huán)境演變研究.而沉積物的粒度組成是表述碎屑沉積物特征的重要指標(biāo)之一，可用以反演任何時空尺度范圍沉積物形成的力學(xué)性質(zhì)、物質(zhì)來源和沉積環(huán)境等.福建地處我國華南沿海地區(qū)，是東亞夏季風(fēng)活動的核心區(qū)域，也是海岸環(huán)境演變的敏感區(qū)域.本文擬通過福建東南海岸沙丘粒度參數(shù)特征分析，在年代學(xué)框架基礎(chǔ)上，結(jié)合歷史文獻(xiàn)中的古氣候古環(huán)境記載，并對比我國其他區(qū)域和全球典型古氣候記錄，重建福建海岸帶古氣候古環(huán)境變化歷史，這對深入研究東南沿海環(huán)境演變規(guī)律具有重要意義.

1 研究區(qū)概況

漳浦縣位于福建省東南沿海南端，在北緯24°6′～23°32′、東經(jīng)117°35′～117°58′之間（圖1）.地質(zhì)構(gòu)造屬于閩東南沿海斷隆帶，出露的基巖以燕山早期細(xì)?；◢弾r、黑云母花崗巖（γ25）和新近系玄武巖（N）為主，并分布上全新統(tǒng)江田組風(fēng)積層（Q34jeol）、全新統(tǒng)長樂群海積層（Q4chm）等全新世晚第四紀(jì)松散沉積物.地貌類型以侵蝕剝蝕丘陵和侵蝕剝蝕臺地為主，沿海分布海積平原和熔巖臺地，屬于閩南沿海丘陵臺地平原區(qū).地勢由西北向東南傾斜，山脈河流與地勢形成同一走向.地帶性土壤為南亞熱帶赤紅壤.漳浦屬南亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，年平均氣溫21 ℃，年平均降雨量1 524.7 mm左右.風(fēng)向以東南風(fēng)為主，西南風(fēng)、西北風(fēng)次之.

2 材料與方法

2.1 剖面特征

赤湖剖面（CH）位于福建漳浦縣赤湖鎮(zhèn)東南約1 km，地理坐標(biāo)：N24°6′16.18″，E117°53′33.01″，海拔10 m.CH剖面毗鄰前湖灣河口約1.3 km，位于注入前湖灣的大溪北岸約150 m，地表為北岸河口附近起伏和緩的灌草叢沙壟地，現(xiàn)代地面為以木麻黃為主的人工防風(fēng)固沙林.整個剖面出露厚度約6 m，以疏松細(xì)砂、極細(xì)砂為主，發(fā)育明顯的水平層理和交錯層理（表1）.

2.2 實驗方法

在野外對CH剖面從深度6 m自下而上間隔2 cm等間距采樣280個，編號CH001～CH280.在實驗室進(jìn)行樣品處理與粒度測試過程如下：（1）取約4 g樣品放入100 mL燒杯中，加入約5 mL 10%的H2O2溶液并加熱使其充分反應(yīng)去除有機(jī)質(zhì)；（2）加入5 mL 10%的HCl溶液，加熱，使其充分反應(yīng)去除碳酸鈣；（3）給燒杯注滿蒸餾水后靜置24 h，再抽取蒸餾水，重復(fù)幾次直至溶液呈中性為止；（4）加入5 mL 0.05 mol/L的（Na2PO3）6溶液進(jìn)行分散，正式上機(jī)測試前，對樣品進(jìn)行超聲波振蕩4～5 min，使樣品有效分散；（5）采用英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000激光粒度儀（粒徑測量范圍為0.02～2 000 μm）進(jìn)行測量.每個樣品重復(fù)測試3次，以檢驗其重復(fù)性，重復(fù)測量誤差小于2%，最后取其平均值.

圖1 福建漳浦赤湖剖面（CH）位置圖

3 結(jié)果分析

3.1 剖面年代的確定

圖2 （a）福建CH剖面>500 μm組分變化曲線；（b）近2 ka北半球太陽總輻照度變化曲線[15]；（c）中國過去2 ka溫度變化曲線[16]

Fig.2 （a） Fujian CH profiles>500 μm composition variation curve； （b） Total solar irradiance variation curve of the Northern Hemisphere in 2 ka[15]； （C） Temperature variation curve of the past 2 ka in China[16]

通過查閱福建東南沿海海岸變遷圖[14]，CH剖面的位置大致在漢岸線和宋岸線之間，因此可以確定其堆積發(fā)育的初始年代為漢朝至宋朝.將CH剖面各層段中大于500 μm組分含量變化與近2 ka以來北半球太陽輻照度[15]以及中國溫度變化曲線[16]進(jìn)行比較（圖2），可以看出，各個曲線所反映的過去2 ka氣候變化的趨勢比較吻合.由此可以初步確定CH剖面應(yīng)屬于近2 ka的海岸沙丘沉積.

3.2 赤湖剖面（CH）總體粒度征

粒度分析顯示（圖3a），CH剖面粒度組成以中砂（250～500 μm）、細(xì)砂（125～250 μm）和粗砂（500～1 000 μm）為主，三者總含量達(dá)到901%.其中，中砂含量32.00%～55.56%，平均44.93%；細(xì)砂含量17.72%～59.44%，平均3432%；粗砂含量0.03%～34.75%，平均含量15.86%，變化較大.黏土、粉砂、極細(xì)砂和極粗砂的含量較小，其中，黏土含量0～2.25%，平均031%；粉砂含量0～4.47%，平均含0.60%；極細(xì)砂含量0.84%～7.47%，平均2.95%；極粗砂含量0～8.30%，平均1.03%.從剖面變化來看，各個粒度組分和粒度參數(shù)（圖3b）的波動旋回變化都很明顯，以剖面2.0 m、3.5 m、4.2 m、5.0 m為界，可以將剖面劃分為5個層段.其中，2.0～3.5 m和4.2～5.0 m的黏土（<2 μm）、粉砂（2～63 μm）以及極粗砂（1 000～2 000 μm）的含量都明顯多于其他層段，說明這兩層經(jīng)歷了較強(qiáng)的動力搬運(yùn)過程和化學(xué)風(fēng)化作用，因此分選性較差、細(xì)粒組分較多.剖面自上往下，細(xì)砂（125～250 μm）含量逐漸增多，粗砂（500～1 000 μm）含量逐漸減少，反映了從古至今研究區(qū)海岸帶的外動力強(qiáng)度逐步減弱的趨勢.

沉積物粒度頻率分布曲線能較直觀地顯示樣品中所包含的粒度組分.從圖4可以看出，CH剖面樣品頻率分布曲線的粒徑分布區(qū)間大體一致，粒度分布相對集中，均呈單峰曲線，反映了相對簡單的搬運(yùn)沉積動力作用形式和較單一的物源.其中2.5 m處展開度最窄，分選最好，可能反映了很強(qiáng)的風(fēng)力搬運(yùn)作用.4.5 m處展開度最寬，分選較差，可能對應(yīng)較強(qiáng)烈的風(fēng)暴潮搬運(yùn)作用和化學(xué)風(fēng)化狀況.

概率累計曲線可以反映沉積物搬運(yùn)方式和粒度分布之間的關(guān)系，因而能較有效地辨識沉積物的搬運(yùn)機(jī)制及解釋沉積環(huán)境.從圖5可以看出，CH剖面的概率累計曲線以跳躍組分占絕對優(yōu)勢，懸浮組分分布廣泛，反映了較明顯的風(fēng)力搬運(yùn)過程.跳躍組分區(qū)間大致為-2～3.5，區(qū)間較窄，斜率較大，反映出CH剖面以中細(xì)砂為主的粒度組成特征；較明顯的懸浮組分說明，該沉積物區(qū)別于含有較多滾動組分以及極少量甚至缺失懸浮組分的海灘砂，而與現(xiàn)代風(fēng)成砂較為相似.

CM圖是判斷沉積物不同搬運(yùn)方式的一種重要方法.從圖6可以看出，CH剖面各個層段樣品C值的分布范圍為400～1 600 μm，M值集中于200～400 μm；其中剖面最上段0.4～1.5 m和最下段5～6 m有明顯的區(qū)別，5～6 m的C值和M值總體上均小于0.4～2 m段.0.4～1.5 m和1.5～3.5 m有NO段（滾動）和OP段（滾動和懸?。?，以滾動搬運(yùn)為主，滾動組分與懸浮組分相混合，搬運(yùn)動力相對較強(qiáng).3.5～4.3 m既具有OP段（滾動和懸?。?，又具有PQ段（懸浮和滾動），以懸浮搬運(yùn)為主，但含有少量滾動搬運(yùn)組分.4.3～6 m以PQ段（懸浮和滾動）為主 . 總體來看，CH剖面下段的搬運(yùn)動力強(qiáng)于上段，并且從福建漳浦海岸線變遷圖[14]可以看出，CH剖面所在位置在漢唐時期為水下環(huán)境，宋朝至今為岸上環(huán)境，且離海岸線越來越遠(yuǎn).由此可以推測，CH剖面下段可能以海岸波浪作用為主，上段主要表現(xiàn)為風(fēng)暴潮作用和海岸風(fēng)力作用聯(lián)合影響.

3.3 赤湖剖面（CH）沙質(zhì)沉積的成因判別

將CH剖面沙質(zhì)沉積的粒度參數(shù)與中國海岸風(fēng)成砂（ZGW）[17]，中國海灘砂（ZGB）[18]的粒度參數(shù)進(jìn)行對比（表2）可知：CH剖面砂的平均粒徑（MZ）比中國海岸風(fēng)成沙和海灘砂都小，說明CH剖面搬運(yùn)介質(zhì)的平均動能較??；從標(biāo)準(zhǔn)偏差（σi）來分析，CH剖面砂的分選性從好到極好；偏度（SK）從很負(fù)偏到正偏，總體呈近對稱分布；峰態(tài)（KG）從平坦到很尖銳，平均來說為中等峰態(tài).根據(jù)以上對比可知，CH剖面砂質(zhì)沉積的綜合粒度特征，既繼承了海灘砂的沉積特點，同時也反映了風(fēng)積砂的沉積特點.

3.4 赤湖剖面（CH）粒度氣候環(huán)境記錄的綜合對比

福建海岸帶海岸沙丘砂中>500 μm的組分可以指代海岸帶波浪和風(fēng)力的聯(lián)合作用，而其變化可能間接反映了區(qū)域冬夏季風(fēng)強(qiáng)弱變化，繼而可能指示了東亞乃至北半球的溫度變化.此外，CH剖面中的黏粒含量、紅化作用應(yīng)當(dāng)與化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度成正比.因此，CH剖面B層（1.5～2.0 m）和E層（5.5～5.8 m）黏粒含量較高、呈現(xiàn)棕褐色的細(xì)砂層，即前人所指出“老紅砂”層，應(yīng)該對應(yīng)研究區(qū)海岸環(huán)境演變歷史上的兩個氣候暖期.

本文以CH剖面>500 μm組分作為海岸帶波浪和風(fēng)力聯(lián)合外動力強(qiáng)度變化的代用指標(biāo)，與湖北和尚洞石筍δ18O變化曲線[19]綜合對比，并結(jié)合前人關(guān)于中國歷史時期環(huán)境考古記錄以及同期其他地質(zhì)記錄的綜合分析，將CH剖面記錄的2 000年以來海岸帶的氣候環(huán)境變化分為以下4個階段（圖7）：

階段Ⅰ：6.0～4.3 m，年代大致在隋唐時期，約為581～740 AD.此階段包含5.8～5.5 m淡紅棕色的“老紅砂”層.該階段砂層黏土、粉砂、粗砂、極粗砂含量都比其他層段高且含量波動明顯，而細(xì)砂和中砂含量相對比較低.從粒度組分可以看出，6.0～4.3 m層段又可以分為兩個亞層，其中4.3～5.0 m黏土、粉砂、粗砂和極粗砂含量都更高，分選性差，可能反映氣候溫暖，風(fēng)暴潮作用頻繁，化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)烈.5.0～6.0 m峰態(tài)較尖銳，應(yīng)該是風(fēng)力搬運(yùn)堆積作用所致.4.3～5.0 m峰態(tài)較平坦，可能是受到海岸帶波浪和風(fēng)力聯(lián)合作用的結(jié)果，說明581～740 AD氣候溫暖程度有逐漸增加的趨勢，海平面上升.竺可楨[1]指出“隋唐統(tǒng)一時代，氣候變得暖和，公元650、669和678年的冬季，國都長安無雪無冰.8 世紀(jì)初期，梅樹生長于皇宮.唐朝時代，生長季節(jié)也似乎比現(xiàn)在長.”葛全勝等[20]指出“與1961～2000年相比，公元601～920年冬半年平均溫度高約0.22 ℃.”

階段Ⅱ：4.3～3.5 m，年代為唐朝中后期（741～907 AD）及五代前期（907～930 AD）.從灰白色細(xì)砂層和棕黃色粗砂層交替旋回沉積到灰黃色和灰棕色中細(xì)砂層為主，沉積層傾角變大，表現(xiàn)為典型的風(fēng)成沙丘沉積構(gòu)造斷面.其中，中砂含量35.58%～53.93%，平均40.08%，細(xì)砂含量19.29%～48.61%，平均33.35%.粗砂和極粗砂的含量顯著減少，分選性良好.說明本階段海岸帶總體上冬季風(fēng)很強(qiáng)，可能反映寒冷的氣候環(huán)境.滿志敏[7]統(tǒng)計，唐代（756～907 AD）寒冬數(shù)大約是618～755 AD的2倍多.在815 AD冬季，九江附近的江面甚至出現(xiàn)凍結(jié)（現(xiàn)九江一帶是中國河流出現(xiàn)冰情的南界）.

階段Ⅲ：3.5～1.5 m，包含深度1.5～2.0 m典型的紅棕色“老紅砂”層，形成年代大致為五代后期至南宋中晚期（930～1260 AD）.該階段砂層黏土、粉砂和極粗砂含量都有明顯增加.從CM圖分析可知，此層段砂物質(zhì)搬運(yùn)的主要方式是滾動，分選性較差，說明可能受到海岸帶強(qiáng)烈波浪作用.可能反映了氣候溫暖、熱帶氣旋活動頻繁的海岸環(huán)境.從沉積序列上看，本段“老紅砂層”的形成年代為中世紀(jì)暖期（MWP）.葛全勝[21]指出“11世紀(jì)我國東中部地區(qū)冬半年品均氣溫較今高約0.3～0.4 ℃”；王紹武等[22]認(rèn)為，公元10～11世紀(jì)我國東部地區(qū)平均氣溫至少與現(xiàn)代相當(dāng).

階段Ⅳ：0～1.5 m為灰黃色細(xì)砂，年代大概為明清小冰期（LIA）以來.以中砂和細(xì)砂為主，其中中砂含量37.20%～49.46%，平均42.76%.細(xì)砂含量19.77%～36.95%，平均27.05%.在0.4～0.8 m層段內(nèi)，黏土和粉砂的含量顯著增多，原因可能是接近地表，受人為農(nóng)業(yè)耕作、成壤作用干擾所致.前人研究表明，明代中國東中部地區(qū)氣候總體偏冷，1350～1650年冬半年氣溫平均比現(xiàn)今低0.25 ℃[23].由于氣候轉(zhuǎn)寒，16世紀(jì)后福建經(jīng)濟(jì)林木頻受凍害.例如1501年冬，福建莆田“冰結(jié)厚半寸，荔枝凍枯”[24].

圖3 福建漳浦CH剖面不同粒級含量（a）和粒度參數(shù)（b）隨深度的變化特征

Fig.3 The characteristics of different grain size fraction and parameter change with depth on CH profile

圖4 福建漳浦CH剖面典型樣品頻率曲線比較圖5 CH剖面典型樣品概率累計曲線

Fig.4 The comparison of typical samples frequency curves in Fig.5 The cumulative probability curves of CH profile typical samples

CH profile， Zhangpu county， Fujian province

圖6 福建漳浦CH剖面各個層段樣品CM圖比較

Fig.6 CM pattern of each interval samples in CH profile， Zhangpu county， Fujian province

圖7 福建CH剖面>500 μm組分與湖北和尚洞石筍δ18O[29]對比

Fig.7 Comparison between Fujian CH profile>500 μm fraction and the content of δ18O from Heshang cave

4 初步結(jié)論

1）福建漳浦赤湖海岸沙丘剖面（CH）總體上以中砂、細(xì)砂和粗砂為主，平均粒徑（MZ）為1.24～2.26，平均為1.74，標(biāo)準(zhǔn)偏差（σi）-1.35～0.50，平均為-0.73，分選性好到極好；偏度（SK）-0.35～0.21，平均為-0.01，從很負(fù)偏到正偏，總體呈近對稱分布；峰態(tài)（KG）0.87～1.87，平均為0.95，從平坦到很尖銳，平均為中等峰態(tài)，反映了海岸帶波浪作用和風(fēng)力作用交替作用下發(fā)育的海岸沙丘的粒度特征.

2）對比CH剖面>500 μm組分含量變化曲線與漳浦海岸帶變遷歷史地圖和全球典型氣候記錄，建立剖面年代標(biāo)尺，結(jié)合湖北和尚洞石筍δ18O含量變化氣候曲線、歷史文獻(xiàn)記載和東部地區(qū)的同期地質(zhì)記錄，可將CH剖面記錄的兩千年來的海岸帶氣候環(huán)境變化分為4個階段，其中包括兩個暖期581～740 AD、930～1260 AD；741～907 AD、1261 AD以來，分別對應(yīng)我國唐朝中后期至五代前期的冷期以及小冰期主要寒冷階段.

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