曹 振，朱曉東

近年來(lái)，由于氣候變暖等環(huán)境問題日益受關(guān)注，對(duì)氣候變化尤其是氣候預(yù)測(cè)要求更高，第四紀(jì)作為研究環(huán)境和全球變化的學(xué)科更加活躍，它要求提取地層中記錄進(jìn)行區(qū)域分析，區(qū)域?qū)Ρ纫越沂具^去環(huán)境變化機(jī)制，以預(yù)測(cè)全球變化趨勢(shì)。

東北地區(qū)的黃土處于內(nèi)陸黃土堆積的外圍，是我國(guó)第四紀(jì)沉積物的主要類型，與內(nèi)陸典型黃土相比具有自身獨(dú)特性，作為恢復(fù)區(qū)域古氣候有重要意義。20世紀(jì)90年代以前對(duì)東北地區(qū)黃土研究較少，且主要用于建筑、工程方面，近年來(lái)對(duì)于遼東半島南端以及東北地區(qū)中部(長(zhǎng)春)黃土研究增多，黃土的古氣候意義越來(lái)越受重視，眾多學(xué)者已分別通過孢粉分析、礦物成分分析，以及化學(xué)成分等不同的側(cè)面對(duì)東北地區(qū)黃土進(jìn)行了研究，探討了黃土的成因機(jī)制、沉積環(huán)境、地層時(shí)代等方面。本文運(yùn)用粒度分析法對(duì)東北區(qū)南部、中部?jī)蓚€(gè)地區(qū)典型剖面進(jìn)行對(duì)比分析，主要通過粒度曲線、粒度參數(shù)分析環(huán)境變化和物質(zhì)來(lái)源，結(jié)合前人所做的孢粉分析、同位素測(cè)年，試圖分析東北地區(qū)第四紀(jì)以來(lái)的環(huán)境變化。

1 研究區(qū)概況

東北地區(qū)位于我國(guó)東北部，自遼東半島南端的老鐵山岬至黑龍江漠河，南北跨了將近20個(gè)緯度。本區(qū)南部屬溫帶海洋性季風(fēng)氣候，中部屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，僅黑龍江北端屬寒溫帶季風(fēng)氣候。本區(qū)大部降水量為400～700mm。本區(qū)植被類型主要有寒溫帶針葉林(達(dá)烏里區(qū)系)，以興安松為代表;針闊混交林(長(zhǎng)白山區(qū)系)，以紅松落葉林為代表;溫帶草原。土壤類型復(fù)雜、分布較廣的地帶性土壤有寒棕壤、溫帶暗棕壤、黑土，亦有白漿土、草甸土、沼澤土等非地帶性土壤出現(xiàn)。

本區(qū)第四紀(jì)沉積物主要為黃土沉積，分布在溝谷階地上，是我國(guó)黃土的一個(gè)重要亞類——次生黃土。本文選擇遼東半島南端西海岸廟山剖面和長(zhǎng)春腰分水嶺剖面進(jìn)行分析。

1.1 廟山剖面

廟山地處金州灣和普蘭店灣的小島上，周圍是海拔150m左右的石灰?guī)r丘陵，在廟山與七頂山之間的公路旁為筑路開挖人工露頭，地層出露較全，從上而下可劃分為三層，分別為上新世不同階段的沉積物(圖1)。

圖1 廟山黃土剖面圖

圖2 腰分水嶺黃土剖面

(1)更新統(tǒng):馬蘭黃土和砂的互層，顏色灰黃，厚約10m，與下伏中、下更新統(tǒng)呈不整和接觸。

(2)中、下更新統(tǒng):棕紅色砂質(zhì)黏土，相當(dāng)與內(nèi)陸的離石黃土與下伏上新統(tǒng)呈不整和接觸，厚約11m。

(3)上新統(tǒng):紅色黏土，具有風(fēng)化殘余小碎石，屬基巖風(fēng)化殼，向下逐漸過渡為堅(jiān)硬的石灰?guī)r。

1.2 長(zhǎng)春腰分水嶺剖面

長(zhǎng)春地處松遼盆地東南隆起地區(qū)，黃土分布廣泛，大多20m左右。本文所選的腰分水嶺剖面出露15m，未見底，為中、晚更新世沉積物，相當(dāng)于內(nèi)陸的上離石黃土和馬蘭黃土。自上而下劃分4層(圖2)。

(1)古土壤層，厚約 0.5m。

(2)淺黃色亞黏土，泛白，粘性較大，含鐵錳結(jié)核，具鐵錳被膜，約3m，相當(dāng)于內(nèi)陸馬蘭黃土。

(3)灰白色亞黏土，泛黑，鐵錳結(jié)核，具鐵錳被膜，厚0.8m。

(4)黃色亞黏土，具鐵錳被膜，粘性很大，未見底，相當(dāng)于內(nèi)陸的離石黃土。

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 樣品采集

遼東半島西海岸更新世沉積物中，黃土為主體堆積，砂和砂層作為薄層成透鏡體存在于黃土地層之間。在野外進(jìn)行剖面采集時(shí)，對(duì)離石黃土按80cm間隔，馬蘭黃土堆積按50cm間隔，砂和砂層按20～30cm間隔系統(tǒng)采樣共27樣，長(zhǎng)春地區(qū)黃土按80cm間隔采樣，共15個(gè)樣。

2.2 實(shí)驗(yàn)室分析

樣品先加鹽酸以除去黃土中的鈣質(zhì)，然后加入六偏磷酸鈉以分散黃土顆粒，之后烘干。實(shí)驗(yàn)室粒度分析時(shí)小于4ф的粒級(jí)用國(guó)產(chǎn)遼陽(yáng)標(biāo)準(zhǔn)篩，大于4ф的粉砂和黏土粒級(jí)用日產(chǎn)SA－CP3型粒度分布自動(dòng)測(cè)試儀，按溫德華粒度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)＜－1ф為礫石，－1－－1ф為砂，－1－－4ф為砂，4－－8ф為粉砂，＞8ф為黏土，一定的粒度都與一定的動(dòng)力能的搬運(yùn)介質(zhì)相關(guān)，所以粒級(jí)劃分成為識(shí)別各種堆積環(huán)境動(dòng)力狀況、了解其沉積環(huán)境變化必不可少的過程。

3 粒度特征分析

陸源碎屑沉積物粒度分布的基本特征不僅是沉積物分類、命名的基礎(chǔ)，而且影響到松散沉積物的各種力學(xué)性質(zhì)，成為評(píng)價(jià)其工程地質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，同時(shí)對(duì)于查明這些沉積的沉積環(huán)境有重要意義。沉積物的粒度分布，直接受物源遠(yuǎn)近、風(fēng)化程度、沉積介質(zhì)、堆積時(shí)的環(huán)境因素的制約。其中沉積介質(zhì)、動(dòng)力狀況及環(huán)境是決定沉積的粒度分布的主要因素。目前，粒度分析的方法已經(jīng)應(yīng)用到沉積環(huán)境研究的各個(gè)領(lǐng)域，尤其以風(fēng)和穩(wěn)定的水流為搬運(yùn)介質(zhì)的陸源碎屑沉積物成熟度高。本文主要分析沉積物的粒度組成來(lái)反演古環(huán)境。

3.1 廟山黃土粒度組成

由廟山黃土粒度曲線圖(圖3)可看出，廟山黃土含少許粗砂，且整個(gè)剖面黃土中黏土含量很少，隨深度的增加砂的含量呈遞減趨勢(shì)，粉砂和黏土的含量隨深度增加遞增。在7～10m之間曲線圖發(fā)生明顯彎曲，這是由于馬蘭黃土所夾砂層粒度較大，粉砂和黏土含量很少。11m處大致為馬蘭黃土與離石黃土的分界，馬蘭黃土的顆粒較離石黃土粗，反映出晚更新世比早、中更新世更加干冷。

圖3 廟山黃土粒度組成

圖4 長(zhǎng)春腰分水嶺黃土粒度組成

3.2 長(zhǎng)春腰分水嶺黃土粒度組成

由圖4可看出，長(zhǎng)春黃土粒級(jí)含量變化不大，且通體粒度范圍較小，幾乎不含砂，粉砂及黏土含量很大，且以粉砂為主。在4m處有明顯變化，與剖面中顏色呈灰黃色相對(duì)應(yīng)，應(yīng)該是馬蘭黃土中所夾的土壤層，氣候濕潤(rùn)，成土作用強(qiáng)，因而顏色較暗，黏土含量較多，反映出第四紀(jì)干冷氣候旋回。下部離石黃土與上層馬蘭黃土相比砂的含量明顯減少，反映出晚更新世更干冷的環(huán)境。

3.3 兩剖面的粒度對(duì)比分析

粒度曲線是用基本數(shù)據(jù)繪制的各種曲線，可以直觀地反映沉積物粒度組成的基本特征，常用的粒度曲線包括頻率曲線、正態(tài)概率累積曲線。

廟山馬蘭黃土頻率曲線呈現(xiàn)多峰狀態(tài)。據(jù)孫東懷、鹿花煜等分析，第一組分為分布峰度高、分選較好的粗粒組成，這一組分帶代表了冬季風(fēng)盛行季節(jié)，近距離、低空搬運(yùn)的粉塵物質(zhì)，它的粒度指示了東亞季風(fēng)的環(huán)流強(qiáng)度，反映了粉塵源區(qū)的干燥度;第二組分峰度較低、分布平緩、分布粒度范圍大的粒度組成，可能為一種遠(yuǎn)距離的、搬運(yùn)高度較大的常態(tài)粉塵物質(zhì)，黃土中這一組分與太平洋西風(fēng)帶粉塵較為一致，主要為高空氣流搬運(yùn)。由此分析廟山黃土物質(zhì)來(lái)源，由圖可看出峰值在4附近峰值含量達(dá)到30%以上，另外兩個(gè)峰值分別在6ф和9ф，峰值不高。由此分析廟山黃土有多個(gè)物質(zhì)來(lái)源，但主要為近地面季風(fēng)吹來(lái)的海岸礫石，另外為高空西風(fēng)氣流帶來(lái)的內(nèi)陸粉塵，而長(zhǎng)春黃土呈單峰說(shuō)明其物質(zhì)來(lái)源單一。

圖5 廟山馬蘭黃土所夾砂層

廟山離石黃土曲線呈雙峰亦說(shuō)明有多種物質(zhì)來(lái)源，與上部馬蘭黃土相似，但是峰值較馬蘭黃土低，且更加偏向細(xì)顆粒，這與黃土粒度組成相符合，都說(shuō)明晚更新世氣候變得干冷。長(zhǎng)春地區(qū)離石黃土與馬蘭黃土相比粒度小，亦說(shuō)明長(zhǎng)春地區(qū)晚更新世較中更新世干冷;但廟山馬蘭黃土與長(zhǎng)春馬蘭黃土相比要粗得多，離石黃土也顯示出相似的特征，說(shuō)明兩種不同的沉積環(huán)境;廟山馬蘭黃土所夾砂層為單峰，且峰值較高，呈正偏，說(shuō)明氣候干旱，成土作用差。

圖6 廟山離石黃土與腰分水嶺離石黃土比較

圖7 廟山馬蘭黃土與腰分水嶺馬蘭黃土比較

表1 東北地區(qū)與西北黃土粒度組成對(duì)比

由表1可以看出，廟山黃土的突出特征是顆粒粗。據(jù)劉東生的研究，山陜內(nèi)陸的黃土沉積物中很少含大于0.25mm的顆粒，而廟山的黃土不僅含大于0.25mm的中砂，甚至有大于0.5mm的粗砂，粗粒級(jí)顆粒的含量遠(yuǎn)大于內(nèi)陸地區(qū)，該區(qū)離石黃土的平均粒度組成砂53.3%，粉砂37.2%，黏土8.1%;馬蘭黃土的粒度組成砂60.6%，粉砂28.1%，黏土11.8%，明顯不符合我國(guó)黃土沉積呈現(xiàn)的由西向東減少的趨勢(shì)，說(shuō)明廟山與內(nèi)陸黃土具有不同的物質(zhì)來(lái)源。

長(zhǎng)春腰分水嶺離石黃土砂的含量很少，只有小部分細(xì)砂，粉砂含量最大，黏土含量也高于廟山，砂10.8%，細(xì)砂69.9%，黏土17.4%;上部馬蘭黃土砂14.8%，粉砂67.4%，黏土15.5%。與內(nèi)陸相比，馬蘭黃土細(xì)砂含量少，離石黃土細(xì)砂含量相差很小，但是粉砂的含量比內(nèi)陸大，黏土含量少于內(nèi)陸黃土。長(zhǎng)春地區(qū)黃土與廟山黃土具有相似性，上部馬蘭黃土的顆粒較下部離石黃土粗，反映晚更新世氣候更加干旱。另外由廟山馬蘭黃土所夾砂層可以得出晚更新世干濕交替變化。

3.4 兩剖面正態(tài)概率曲線對(duì)比分析

沉積物的搬運(yùn)方式有三種:滾動(dòng)、跳躍和懸浮。每種搬運(yùn)方式的碎屑顆粒粒級(jí)分配在概率坐標(biāo)紙上，都呈一對(duì)數(shù)正態(tài)分布，因此通過研究其正態(tài)概率曲線線段數(shù)目、斜率及截點(diǎn)等形態(tài)特征可以有效地識(shí)別不同的沉積環(huán)境，遼東半島西海岸更新世沉積物的粒度正態(tài)概率曲線反映的環(huán)境信息與前人做的地貌分析、構(gòu)造分析結(jié)果吻合。從圖6可看出廟山黃土正態(tài)概率曲線由三段構(gòu)成，說(shuō)明有幾種不同的物質(zhì)來(lái)源，且＜6φ的粒度含量達(dá)到80%，以躍移為主。廟山馬蘭黃土所夾砂層也有三段構(gòu)成且粒徑更大，＜4φ的粒級(jí)達(dá)到90%，反映晚更新世環(huán)境干冷的環(huán)境下吹來(lái)的濱海沉積物，是由不同的風(fēng)向吹來(lái)的。長(zhǎng)春地區(qū)黃土則為多段，并且顆粒偏細(xì)，說(shuō)明以躍移和懸移為主。

4 結(jié)論

東北地區(qū)馬蘭黃土比離石黃土顆粒粗，且廟山馬蘭黃土中所夾砂層顆粒更粗，廟山黃土與山陜內(nèi)陸黃土相比，不具有區(qū)域聯(lián)系，長(zhǎng)春黃土粒度組成與內(nèi)陸黃土相比亦沒有區(qū)域聯(lián)系，有其特殊的成土環(huán)境。

廟山黃土沉積物能反映東北地區(qū)更新世環(huán)境的演變，馬蘭黃土平均粒徑較下部離石黃土粗，反映在第四紀(jì)干冷的氣候背景下，晚更新世氣候變得更加干冷，馬蘭黃土所夾砂層則反映出晚更新世干濕交替。另外晚更新世黃土含大量的鈣結(jié)核、菌絲體也反映出更加干冷的沉積環(huán)境。

長(zhǎng)春黃土由中更新世和晚更新世兩種不同顏色和巖性黃土狀粉質(zhì)亞黏土組成，形成于不同的環(huán)境。中更新世相對(duì)溫濕，以水為主要?jiǎng)恿δ?，河流周圍沉積大量洪積、沖擊物就地風(fēng)化，鐵錳淋溶侵染黃土，到晚更新世環(huán)境變干燥鐵錳形成結(jié)核狀，在盛行西北風(fēng)作用下，有利于風(fēng)塵搬運(yùn)和堆積，因而細(xì)砂含量增加。

東北地區(qū)黃土與內(nèi)陸黃土相比有其獨(dú)特性，是我國(guó)黃土的一個(gè)重要亞類。本文研究豐富了黃土研究?jī)?nèi)容。

圖8 正態(tài)概率曲線比較圖

［1］劉東生.黃土與環(huán)境［M］北京:科學(xué)出版社，2002:7－12.

［2］李雪銘.遼南濱海黃土粒度環(huán)境信息高分辨率研究［J］.地理研究，2002(2):201－209.

［3］鹿化煜 ，安芷生.洛川黃土粒度組成的古氣候意義［J］.科學(xué)通報(bào)，1997，42(1):66－69.

［4］孫東懷，鹿化煜，David Rea，等.中國(guó)黃土粒度的雙峰分布及其古氣候意義［J］.沉積學(xué)報(bào)，2000，18(3):327－335.

［5］顧兆炎，韓家懋，劉東生.中國(guó)第四紀(jì)黃土地球化學(xué)研究進(jìn)展［J］.第四紀(jì)研究，2001，20(1):41－55.

［6］孫東懷，安芷生，蘇瑞俠，等.最近2.6Ma中國(guó)北方季風(fēng)環(huán)流與西風(fēng)環(huán)流演變的風(fēng)塵沉積記錄［J］.中國(guó)科學(xué):D輯，2003(6):497－504.

［7］李雪銘.遼東半島南部地區(qū)濱海黃土的沉積特征［J］.海洋科學(xué)，2001(1):32－35.

［8］李雪銘.遼東半島南部一濱海黃土剖面的孢粉分析及意義［J］.海洋科學(xué)，1995(2):54－58.

［9］何巖.長(zhǎng)春地區(qū)黃土狀土沉積環(huán)境的初步研究［C］∥中國(guó)東北平原第四紀(jì)自然環(huán)境形成與演化編寫組，中國(guó)東北平原第四紀(jì)自然環(huán)境形成與演化.哈爾濱:哈爾濱地圖出版社，1998:68－78.

［10］張慶云，解磊.長(zhǎng)春黃土成因探討［C］∥中國(guó)東北平原第四紀(jì)自然環(huán)境形成與演化編寫組，中國(guó)東北平原第四紀(jì)自然環(huán)境形成與演化.哈爾濱:哈爾濱地圖出版社，1998:106－116.