D辑地球科学2006,36
(7):646~653 中新世黄土-古土壤序列的粒度特征及其对成因的指示意义* 乔彦松①③郭正堂①②**郝青振①尹秋珍①袁宝印①刘东生① (①中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029;②中国科学院地球环境研究所,西安710075;③中国地质科学院地质力学研究所,北京100081) 摘要对甘肃秦安QA-I中新世黄土剖面进行了系统的粒度分析,并与第四纪黄土、古土壤及代表性河湖相沉积样品的粒度特征进行了对比.结果表明,中新世和第四纪黄土、古土壤样品具有相似的粒度分布特征,而与河湖相沉积有较大区别.中新世黄土-古土壤序列与第四纪黄土-古土壤序列一样,黄土层粒度较粗,而古土壤层粒度较细,反映了气候的冷暖、干湿变化.从长尺度上看,中新世黄土-古土壤序列的中值粒径与沉积速率的变化大致同步,与北太平洋深海风尘沉积通量变化也具有较好的一致性.上述结果不仅进一步证实研究序列的风成成因,而且说明中新世黄土-古土壤序列的粒度变化与源区的干旱化程度有密切关系. 关键词秦安中新世黄土-古土壤序列粒度特征成因 分布于六盘山以西陇中盆地的中新世黄土-古土壤序列[1]是继第四纪黄土-古土壤序列[2]、三趾马红土[3~7]之后发现的一套风尘堆积序列.以前的研究[8]将其归入甘肃系.近年来进一步的研究揭示出,甘肃系与黄土高原的第四系一样,包含了多种成因类型的沉积物,其中包含在台地上形成的典型风尘堆积[1,9]和盆地内的水成沉积,二者在空间上共存.从目前已发表的QA-
I,QA-II[1]、糜子湾[9]和西宁高阶地上[10]的风尘堆积剖面来看,中新世的风尘堆积范围相 当广泛,且同时代的风尘沉积为盆地内的水成沉积提供了大量细粒沉积物[11].同一地区也保存了晚中新世-上新世的黄土-古土壤序列[12].目前,对这些风尘堆积的成因已从其地球化学特征[1,12]、包含的数百层古土壤[1,12]、陆生软体动物化石[13,14]、石英颗粒形态[1,15]和石英粒度变化[15]、大范围内地层和磁化率等的空间可对比性[9]等多种角度得到进一步证实.这些特征多数为风尘堆积所特有.然而,由于对中新世黄土的系统研究起步较晚,蕴涵的大量古环境信息还 收稿日期:2005-11-15;接受日期:2006-03-07*中国科学院知识创新工程重要方向项目(批准号:KZCX3-SW-139)、国家自然科学基金(批准号:40231001,40272088)和国家“九七三”计划(批 准号:2004CB720203)资助项目**联系人,E-mail:ztguo@ SCIENCEINCHINASer.DEarthSciences 第7期 乔彦松等:中新世黄土-古土壤序列的粒度特征及其对成因的指示意义 647 有待进一步挖掘,序列的全岩粒度变化特征尚未进行系统研究. 沉积物的粒度特征与沉积环境有密切的关系,常被用于不同沉积物成因类型的判别及搬运动力条件的研究[16~19],也是提取古气候信息的常用指标[20~24].本文对QA-I剖面样品进行了系统的粒度分析,并与第四纪黄土、古土壤及河湖相沉积的粒度参数进行了对比,进一步研究序列的沉积特征,并对其粒度特征的古环境意义进行初步探讨. 1样品及测试 本文研究的QA-I剖面(105°27′E,35°02′N)位于甘肃省秦安县境内[1],剖面厚度253.1m,时间跨度约为6.2~22MaBP,其中包含肉眼可识别的230多层褐红色古土壤层.本次研究以50cm间距对剖面的507个样品进行了粒度测试.同时,为了进行对比,我们在西峰剖面选取第四纪黄土样品10个、古土壤样品9个;在四川泸定海子坪剖面[25]选取湖相样品5个;在安徽宣城剖面下部[26]取得河流相样品8个.在样品的前处理过程中,首先加入10mL30%的H2O2,加热至140℃去除有机质;然后加入10mL10%的盐酸,加热至200℃去除碳酸盐;最后加入10mL0.05mol/L的(NaPO3)6分散剂,并用超声波清洗机振荡10min后上机测量.样品测量在英国Marvern仪器有限公司生产的Mastersizer2000上完成,重复测量的相对误差<1%. 2中新世黄土的粒度特征及其与第四纪黄土及河湖相样品的对比 2.1粒度分布特征 图1(a)~(c)为QA-I剖面上、中、下部相邻黄土、古土壤样品粒度分布的频率曲线,它们与第四纪黄土、古土壤样品(图1(d))一样,都呈双峰分布,以粉砂颗粒为主,缺少粗尾,>63µm颗粒的含量很少,与湖相(图1(e))、河流相(图1(f))样品的多峰分布特征有很大区别.另外,比较中新世的黄土和古土壤样品(图1(a)~(c))可以发现,二者的差异与第四纪黄土和古土壤样品(图1(d))的差异类似.即古土壤样品的第一众数均明显细偏,黄土中含有更多的粗粒组分,而古土 壤中含有更多的细粒组分.第四纪黄土和古土壤的这种粒度差异反映了冰期-间冰期的气候波动[22],上述特点不仅反映出中新世与第四纪黄土具有相同的成因类型,而且说明中新世黄土、古土壤粒度变化的旋回与第四纪黄土、古土壤一样也反映了气候冷暖、干湿的变化. 图1中新世黄土、古土壤与第四纪黄土、古土壤及河湖相样品粒度分布的频率曲线 图中(a),(b),(c)分别为QA-I剖面上、中、下部相邻黄土、古土壤样品(实线为黄土样品、虚线为古土壤样品);(d)第四纪相邻黄土、古土壤样品(实线为黄土样品、虚线为古土壤样品);(e)湖相样品;(f)河流相样品 2.2粒度参数 沉积物的粒度参数与形成环境及搬运动力条件具有密切的关系.常用的粒度参数统计分析方法包括矩法[27]和图解法[28]两种,本文采用了矩法计算粒度参数的方法,计算公式如下[27]: ∑平均粒径 X=1nfX,
(1) 100i=1ii 648 中国科学D辑地球科学 第36卷 ∑()标准偏差σ=1nX−X2f,
(2) 100i=1i i ∑()偏度 S=σ−31 n
3 X−Xf,
(3) 100i=1i i ∑()峰度 K=σ−41 n
4 X−Xf,
(4) 100i=1i i 上式中,Xi为第i个粒级的中点粒径,fi为第i个粒 级的百分含量.图2为QA-I剖面不同深度的典型黄 土(20个)、古土壤(15个)样品与第四纪黄土、古土壤 以及河湖相沉积粒度参数的对比.从图中可以看出, 中新世黄土的平均粒径一般在7.2~6.5φ(6.8~11.0µm) 之间,与第四纪古土壤比较接近,而与第四纪黄土相 比总体偏细,但二者的标准偏差非常接近,分选程度 明显高于湖相及河流相沉积,表明其搬运动力的相 对稳定性.两个时代的黄土、古土壤样品均呈正偏态, 但中新世黄土、古土壤偏度较小,接近正态分布.虽 然湖相样品也为正偏态,但其偏度明显大的多.中新 世与第四纪黄土、古土壤以及河流相样品的峰度比较 接近,明显比湖相样品的峰度值小. 图2中新世黄土、古土壤与第四纪黄土、古土壤及河湖相样品的粒度参数对比 (a),(b)分别为中新世黄土、古土壤;(c),(d)分别为第四纪黄土、古土壤;(e)湖相样品;(f)河流相样品 由以上分析可以看出,每个粒度参数都具有
一 定的沉积环境的判别意义.但是,沉积环境的各种条件非常复杂,用单一的粒度参数有时难以严格区分两种不同类型的沉积物,常常需要对各种粒度参数进行综合分析,才能得出比较可靠的结论.通过对已知环境的现代沉积物粒度结构参数散点图的研究表明[29],不同类型沉积物的某些数据点虽然可以互相穿插,但点群的界线则常常很明显.前人[18,19]对三趾马红土与第四纪黄土、古土壤以及河湖相沉积的粒度结构参数的对比研究也表明,三趾马红土的粒度结构参数散点图与第四纪黄土、古土壤非常相似,而与河湖相沉积有很大区别.在粒度结构参数散点图中(图3),中新世与第四纪黄土、古土壤具有非常相近的投影区域,而与河流相、湖相样品存在很大区别.反映了中新世黄土与第四纪黄土相同的成因. 2.3粒度指数特征四分位值(Q1,Q3)和中位数(Md)是反映沉积物 特征的重要参数,综合利用这些参数可以直接看出四分位标准差、偏度等的变化,从而判别不同的沉积物类型[16].从图4可以看出,中新世与第四纪黄土、古土壤的粒度指数图非常相似,而与河流相、湖相沉积有很大区别. 2.4综合C-M图C-M图是一种综合性的成因图解[29],其中,C和 M分别代表样品累积含量为1%时对应的粒径及中值粒径.在沉积物成因研究中,主要通过未知样品在C-M图中的投影区域与已知成因样品投影区域的比较来确定其沉积环境[18,19].QA-I剖面不同深度的典型黄土、古土壤与西峰第四纪黄土、古土壤样品在C-M图中的投影呈带状分布(图5).在该带中,第四纪黄土样品的中值粒径偏粗,位于C-M图的右上方,中新世黄土样品的粒度偏细,位于C-M图的左下方.其中,中新世黄土与第四纪古土壤样品的投影区域更为接近.湖相、河流相样品的投影区域与上述样品明显不同. 2.5判别分析判别分析是一种多元统计分析,可用来寻找适当 的统计值以判断不同的沉积作用和沉积环境.通过 SCIENCEINCHINASer.DEarthSciences 第7期 乔彦松等:中新世黄土-古土壤序列的粒度特征及其对成因的指示意义 649 图3中新世黄土、古土壤与第四纪黄土、古土壤以及河湖相样品的粒度结构参数散点图 ▽示中新世黄土;□示中新世古土壤;△示第四纪黄土;+示第四纪古土壤;○示湖相样品;▲示河流相样品 图4中新世黄土、古土壤与第四纪黄土、古土壤以及河湖相样品的粒度指数图 ▽示累积含量为75%时的粒径(Q1);△示累积含量为25%时的粒径(Q3);◇示中位数(Md) 对沉积物粒度参数的统计分析,可以找出判别不同沉积类型的指标值.我们用下面的公式来计算样品的判别值[30]: Y=3.5688MZ+3.7016σI2 −2.0766KZ+3.1135KG,
(5) 式中Y为判别参数, MZ, σ 2I , KZ, KG分别为平均粒 650 中国科学D辑地球科学 第36卷 图5中新世黄土、古土壤与第四纪黄土、古土壤以及河湖相样品的综合C-M图 ▽示中新世黄土;□示中新世古土壤;△示第四纪黄土;+示第四纪古土壤;○示湖相沉积;▲示河流相沉积 径、标准偏差、偏度、峰度.所研究样品的计算结果见图
6.从图中可以看出,湖相沉积的判别参数为正值,其余的全为负值.中新世黄土、古土壤与第四纪黄土、古土壤的判别参数比较接近,而且其判别参数值也比较稳定,而河流相与湖相样品的判别参数变化较大.根据Sahu[30]的研究,上式计算的风尘堆积的判别值应该小于−2.7411.我们研究的所有中新世黄土、古土壤样品的判别值全部在该范围之内.前人[18,19] 用同样的方法计算了不同地区河流相、湖相样品的判别参数,计算结果均为正值,也说明不同时间、地点的河湖相样品的判别参数有较大的变化范围,但中新世黄土、古土壤样品的判别参数范围非常集中,需要十分稳定的动力条件和沉积环境.以上判别分析的结果也反映出中新世黄土、古土壤与第四纪黄土、古土壤具有相同的成因. 2.6QA-I剖面粒度中值粒径及各粒级组分在剖面上的变化 对QA-I剖面507个样品的粒度分析结果(图7)也表明,在整个序列中,所有样品都以粉砂颗粒为主,中值粒径变化范围在6~13µm之间;>63µm的粗颗粒含量最大值为5.3%,平均值为0.9%.虽然剖面所在露头的个别层位中发现极少数粒径可达1~2mm的石英颗粒,是黄土堆积过程中从附近基岩高地带来的近源组分,这种特征在河流阶地上第四纪黄土中比较常见,但因其数量极为稀少,未在采样和分析中捕获到.在长达16Ma、厚达253.1m的序列中,这种稳定的细粒沉积不能用任何其他动力解释,是风尘堆积的典型特征. 3QA-I剖面粒度、沉积速率的长尺度变化及与深海风尘沉积通量的对比 在我国北方风尘堆积的研究中,粒度常被作为冬季风强度变化的替代性指标,沉积速率往往被认为与风尘物源区的干旱化程度有关[20].对第四纪黄土-古土壤序列[31]、三趾马红土[32]的研究表明,我国北方风尘堆积在构造时间尺度上粒度与沉积速率具 图6中新世黄土、古土壤与第四纪黄土、古土壤以及河湖相样品的判别参数SCIENCEINCHINASer.DEarthSciences 第7期 乔彦松等:中新世黄土-古土壤序列的粒度特征及其对成因的指示意义 651 图7QA-I剖面粒度中值粒径及各粒级组分变化 有大致同步的特点.用古地磁界限作为年龄控制点,根据Kukla磁化率时间模式[33]获得QA-I剖面的时间标尺[1].从图8可以看出,21.3~20.2,16.0~13.3及8.7~6.9MaBP是QA-I剖面粒度较粗的时期,与该序列的风尘沉积速率(图8(b))[1]变化大致一致.一般认为,北太平洋深海风尘沉积来源于亚洲内陆干旱区,其沉积通量反映了亚洲内陆的干旱化程度[34].根据北太平洋885/886孔风尘沉积通量的变化曲线(图8(c))[34],8MaBP左右是中新世期间显著的高粉尘沉积通量时期,而该时段也是QA-I剖面中粒度较粗、沉积速率较高的时期(图8(a),(b)),两者的变化具有较好的一致性.上述事实不仅从另一个侧面证明了中新世黄土-古土壤序列与第四纪黄土-古土壤序列一样是典型的风尘堆积,而且还说明中新世期间的粒度变化与物源区的干旱化程度有关,在大尺度上也可以作为反映物源区干旱化程度的替代性指标. 4结论 本文通过对中新世与第四纪黄土、古土壤以及代表性河湖相样品全岩粒度特征的对比研究,并结合QA-I剖面粒度变化及其与沉积速率、深海风尘沉积通量的对比分析,可以得到以下认识:
(1)中新世黄土-古土壤序列与第四纪黄土-古土壤序列一样是典型的风尘堆积;
(2)中新世黄土与第四纪黄土相比总体偏细,其粒度特征与第四纪古土壤更为相似,表明相对较弱的风动力条件或相对较低的源区干旱程度;
(3)中新世相邻黄土、古土壤与第四纪相邻黄土、古土壤具有相似的粒度反差特征,说明中新世黄土、古土壤粒度变化的旋回与第四纪黄土、古土壤一样,反映了气候冷暖、干湿的变化;
(4)在构造时间尺度上,中新世黄土-古土壤序列的粒度与沉积速率的变化大致同步,与北太平洋深海风尘沉积通量的变化也具有较好的一致性.因此,我们认为,中新世黄土-古土壤序 652 中国科学D辑地球科学 第36卷 图8QA-I剖面粒度、沉积速率的变化及其与北太平洋深海风尘沉积通量的对比 (a),(b)分别为QA-I中新世黄土剖面粒度、沉积速率记录[1];(c)北太平洋885/886孔风尘沉积通量记录[34] 列的粒度变化不仅与风力变化有关,而且与源区的干旱化程度密切相关. 参考文献 1GuoZT,RuddimanWF,HaoQZ,etal.OnsetofAsiandesertificationby22MyragoinferredfromloessdepositsinChina.Nature,2002,416:159―163[DOI] 2刘东生.黄土与环境.北京:科学出版社,19853AnZS,KutzbachJE,PrellSC,etal.EvolutionofAsianmon- soonsandphasedupliftoftheHimalaya-TibetanPlateausinceLateMiocenetimes.Nature,2001,411:62―66[DOI]4GuoZT,PengSZ,HaoQZ,etal.OriginoftheMiocene-PlioceneRed-EarthFormationatXifenginnorthernChinaandimplicationsforpaleoenvironments.PalaeogeogrPalaeoclPalaeoecol,2001,170:11―26[DOI]5DingZL,SunJM,LiuTS,etal.Wind-blownoriginofthePlioceneredclayformationinthecentralLoessPlateau,China.EarthSciLett,1998,161:135―143[DOI]6SunDH,ShawJ,AnZS,etal.ostratigraphyandpaleoclimaticinterpretationofacontinuous7.2MaLateCenozoiceoliansedimentsfromtheChineseLoessPlateau.GeophysResLett,1998,25
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(7):646~653 中新世黄土-古土壤序列的粒度特征及其对成因的指示意义* 乔彦松①③郭正堂①②**郝青振①尹秋珍①袁宝印①刘东生① (①中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029;②中国科学院地球环境研究所,西安710075;③中国地质科学院地质力学研究所,北京100081) 摘要对甘肃秦安QA-I中新世黄土剖面进行了系统的粒度分析,并与第四纪黄土、古土壤及代表性河湖相沉积样品的粒度特征进行了对比.结果表明,中新世和第四纪黄土、古土壤样品具有相似的粒度分布特征,而与河湖相沉积有较大区别.中新世黄土-古土壤序列与第四纪黄土-古土壤序列一样,黄土层粒度较粗,而古土壤层粒度较细,反映了气候的冷暖、干湿变化.从长尺度上看,中新世黄土-古土壤序列的中值粒径与沉积速率的变化大致同步,与北太平洋深海风尘沉积通量变化也具有较好的一致性.上述结果不仅进一步证实研究序列的风成成因,而且说明中新世黄土-古土壤序列的粒度变化与源区的干旱化程度有密切关系. 关键词秦安中新世黄土-古土壤序列粒度特征成因 分布于六盘山以西陇中盆地的中新世黄土-古土壤序列[1]是继第四纪黄土-古土壤序列[2]、三趾马红土[3~7]之后发现的一套风尘堆积序列.以前的研究[8]将其归入甘肃系.近年来进一步的研究揭示出,甘肃系与黄土高原的第四系一样,包含了多种成因类型的沉积物,其中包含在台地上形成的典型风尘堆积[1,9]和盆地内的水成沉积,二者在空间上共存.从目前已发表的QA-
I,QA-II[1]、糜子湾[9]和西宁高阶地上[10]的风尘堆积剖面来看,中新世的风尘堆积范围相 当广泛,且同时代的风尘沉积为盆地内的水成沉积提供了大量细粒沉积物[11].同一地区也保存了晚中新世-上新世的黄土-古土壤序列[12].目前,对这些风尘堆积的成因已从其地球化学特征[1,12]、包含的数百层古土壤[1,12]、陆生软体动物化石[13,14]、石英颗粒形态[1,15]和石英粒度变化[15]、大范围内地层和磁化率等的空间可对比性[9]等多种角度得到进一步证实.这些特征多数为风尘堆积所特有.然而,由于对中新世黄土的系统研究起步较晚,蕴涵的大量古环境信息还 收稿日期:2005-11-15;接受日期:2006-03-07*中国科学院知识创新工程重要方向项目(批准号:KZCX3-SW-139)、国家自然科学基金(批准号:40231001,40272088)和国家“九七三”计划(批 准号:2004CB720203)资助项目**联系人,E-mail:ztguo@ SCIENCEINCHINASer.DEarthSciences 第7期 乔彦松等:中新世黄土-古土壤序列的粒度特征及其对成因的指示意义 647 有待进一步挖掘,序列的全岩粒度变化特征尚未进行系统研究. 沉积物的粒度特征与沉积环境有密切的关系,常被用于不同沉积物成因类型的判别及搬运动力条件的研究[16~19],也是提取古气候信息的常用指标[20~24].本文对QA-I剖面样品进行了系统的粒度分析,并与第四纪黄土、古土壤及河湖相沉积的粒度参数进行了对比,进一步研究序列的沉积特征,并对其粒度特征的古环境意义进行初步探讨. 1样品及测试 本文研究的QA-I剖面(105°27′E,35°02′N)位于甘肃省秦安县境内[1],剖面厚度253.1m,时间跨度约为6.2~22MaBP,其中包含肉眼可识别的230多层褐红色古土壤层.本次研究以50cm间距对剖面的507个样品进行了粒度测试.同时,为了进行对比,我们在西峰剖面选取第四纪黄土样品10个、古土壤样品9个;在四川泸定海子坪剖面[25]选取湖相样品5个;在安徽宣城剖面下部[26]取得河流相样品8个.在样品的前处理过程中,首先加入10mL30%的H2O2,加热至140℃去除有机质;然后加入10mL10%的盐酸,加热至200℃去除碳酸盐;最后加入10mL0.05mol/L的(NaPO3)6分散剂,并用超声波清洗机振荡10min后上机测量.样品测量在英国Marvern仪器有限公司生产的Mastersizer2000上完成,重复测量的相对误差<1%. 2中新世黄土的粒度特征及其与第四纪黄土及河湖相样品的对比 2.1粒度分布特征 图1(a)~(c)为QA-I剖面上、中、下部相邻黄土、古土壤样品粒度分布的频率曲线,它们与第四纪黄土、古土壤样品(图1(d))一样,都呈双峰分布,以粉砂颗粒为主,缺少粗尾,>63µm颗粒的含量很少,与湖相(图1(e))、河流相(图1(f))样品的多峰分布特征有很大区别.另外,比较中新世的黄土和古土壤样品(图1(a)~(c))可以发现,二者的差异与第四纪黄土和古土壤样品(图1(d))的差异类似.即古土壤样品的第一众数均明显细偏,黄土中含有更多的粗粒组分,而古土 壤中含有更多的细粒组分.第四纪黄土和古土壤的这种粒度差异反映了冰期-间冰期的气候波动[22],上述特点不仅反映出中新世与第四纪黄土具有相同的成因类型,而且说明中新世黄土、古土壤粒度变化的旋回与第四纪黄土、古土壤一样也反映了气候冷暖、干湿的变化. 图1中新世黄土、古土壤与第四纪黄土、古土壤及河湖相样品粒度分布的频率曲线 图中(a),(b),(c)分别为QA-I剖面上、中、下部相邻黄土、古土壤样品(实线为黄土样品、虚线为古土壤样品);(d)第四纪相邻黄土、古土壤样品(实线为黄土样品、虚线为古土壤样品);(e)湖相样品;(f)河流相样品 2.2粒度参数 沉积物的粒度参数与形成环境及搬运动力条件具有密切的关系.常用的粒度参数统计分析方法包括矩法[27]和图解法[28]两种,本文采用了矩法计算粒度参数的方法,计算公式如下[27]: ∑平均粒径 X=1nfX,
(1) 100i=1ii 648 中国科学D辑地球科学 第36卷 ∑()标准偏差σ=1nX−X2f,
(2) 100i=1i i ∑()偏度 S=σ−31 n
3 X−Xf,
(3) 100i=1i i ∑()峰度 K=σ−41 n
4 X−Xf,
(4) 100i=1i i 上式中,Xi为第i个粒级的中点粒径,fi为第i个粒 级的百分含量.图2为QA-I剖面不同深度的典型黄 土(20个)、古土壤(15个)样品与第四纪黄土、古土壤 以及河湖相沉积粒度参数的对比.从图中可以看出, 中新世黄土的平均粒径一般在7.2~6.5φ(6.8~11.0µm) 之间,与第四纪古土壤比较接近,而与第四纪黄土相 比总体偏细,但二者的标准偏差非常接近,分选程度 明显高于湖相及河流相沉积,表明其搬运动力的相 对稳定性.两个时代的黄土、古土壤样品均呈正偏态, 但中新世黄土、古土壤偏度较小,接近正态分布.虽 然湖相样品也为正偏态,但其偏度明显大的多.中新 世与第四纪黄土、古土壤以及河流相样品的峰度比较 接近,明显比湖相样品的峰度值小. 图2中新世黄土、古土壤与第四纪黄土、古土壤及河湖相样品的粒度参数对比 (a),(b)分别为中新世黄土、古土壤;(c),(d)分别为第四纪黄土、古土壤;(e)湖相样品;(f)河流相样品 由以上分析可以看出,每个粒度参数都具有
一 定的沉积环境的判别意义.但是,沉积环境的各种条件非常复杂,用单一的粒度参数有时难以严格区分两种不同类型的沉积物,常常需要对各种粒度参数进行综合分析,才能得出比较可靠的结论.通过对已知环境的现代沉积物粒度结构参数散点图的研究表明[29],不同类型沉积物的某些数据点虽然可以互相穿插,但点群的界线则常常很明显.前人[18,19]对三趾马红土与第四纪黄土、古土壤以及河湖相沉积的粒度结构参数的对比研究也表明,三趾马红土的粒度结构参数散点图与第四纪黄土、古土壤非常相似,而与河湖相沉积有很大区别.在粒度结构参数散点图中(图3),中新世与第四纪黄土、古土壤具有非常相近的投影区域,而与河流相、湖相样品存在很大区别.反映了中新世黄土与第四纪黄土相同的成因. 2.3粒度指数特征四分位值(Q1,Q3)和中位数(Md)是反映沉积物 特征的重要参数,综合利用这些参数可以直接看出四分位标准差、偏度等的变化,从而判别不同的沉积物类型[16].从图4可以看出,中新世与第四纪黄土、古土壤的粒度指数图非常相似,而与河流相、湖相沉积有很大区别. 2.4综合C-M图C-M图是一种综合性的成因图解[29],其中,C和 M分别代表样品累积含量为1%时对应的粒径及中值粒径.在沉积物成因研究中,主要通过未知样品在C-M图中的投影区域与已知成因样品投影区域的比较来确定其沉积环境[18,19].QA-I剖面不同深度的典型黄土、古土壤与西峰第四纪黄土、古土壤样品在C-M图中的投影呈带状分布(图5).在该带中,第四纪黄土样品的中值粒径偏粗,位于C-M图的右上方,中新世黄土样品的粒度偏细,位于C-M图的左下方.其中,中新世黄土与第四纪古土壤样品的投影区域更为接近.湖相、河流相样品的投影区域与上述样品明显不同. 2.5判别分析判别分析是一种多元统计分析,可用来寻找适当 的统计值以判断不同的沉积作用和沉积环境.通过 SCIENCEINCHINASer.DEarthSciences 第7期 乔彦松等:中新世黄土-古土壤序列的粒度特征及其对成因的指示意义 649 图3中新世黄土、古土壤与第四纪黄土、古土壤以及河湖相样品的粒度结构参数散点图 ▽示中新世黄土;□示中新世古土壤;△示第四纪黄土;+示第四纪古土壤;○示湖相样品;▲示河流相样品 图4中新世黄土、古土壤与第四纪黄土、古土壤以及河湖相样品的粒度指数图 ▽示累积含量为75%时的粒径(Q1);△示累积含量为25%时的粒径(Q3);◇示中位数(Md) 对沉积物粒度参数的统计分析,可以找出判别不同沉积类型的指标值.我们用下面的公式来计算样品的判别值[30]: Y=3.5688MZ+3.7016σI2 −2.0766KZ+3.1135KG,
(5) 式中Y为判别参数, MZ, σ 2I , KZ, KG分别为平均粒 650 中国科学D辑地球科学 第36卷 图5中新世黄土、古土壤与第四纪黄土、古土壤以及河湖相样品的综合C-M图 ▽示中新世黄土;□示中新世古土壤;△示第四纪黄土;+示第四纪古土壤;○示湖相沉积;▲示河流相沉积 径、标准偏差、偏度、峰度.所研究样品的计算结果见图
6.从图中可以看出,湖相沉积的判别参数为正值,其余的全为负值.中新世黄土、古土壤与第四纪黄土、古土壤的判别参数比较接近,而且其判别参数值也比较稳定,而河流相与湖相样品的判别参数变化较大.根据Sahu[30]的研究,上式计算的风尘堆积的判别值应该小于−2.7411.我们研究的所有中新世黄土、古土壤样品的判别值全部在该范围之内.前人[18,19] 用同样的方法计算了不同地区河流相、湖相样品的判别参数,计算结果均为正值,也说明不同时间、地点的河湖相样品的判别参数有较大的变化范围,但中新世黄土、古土壤样品的判别参数范围非常集中,需要十分稳定的动力条件和沉积环境.以上判别分析的结果也反映出中新世黄土、古土壤与第四纪黄土、古土壤具有相同的成因. 2.6QA-I剖面粒度中值粒径及各粒级组分在剖面上的变化 对QA-I剖面507个样品的粒度分析结果(图7)也表明,在整个序列中,所有样品都以粉砂颗粒为主,中值粒径变化范围在6~13µm之间;>63µm的粗颗粒含量最大值为5.3%,平均值为0.9%.虽然剖面所在露头的个别层位中发现极少数粒径可达1~2mm的石英颗粒,是黄土堆积过程中从附近基岩高地带来的近源组分,这种特征在河流阶地上第四纪黄土中比较常见,但因其数量极为稀少,未在采样和分析中捕获到.在长达16Ma、厚达253.1m的序列中,这种稳定的细粒沉积不能用任何其他动力解释,是风尘堆积的典型特征. 3QA-I剖面粒度、沉积速率的长尺度变化及与深海风尘沉积通量的对比 在我国北方风尘堆积的研究中,粒度常被作为冬季风强度变化的替代性指标,沉积速率往往被认为与风尘物源区的干旱化程度有关[20].对第四纪黄土-古土壤序列[31]、三趾马红土[32]的研究表明,我国北方风尘堆积在构造时间尺度上粒度与沉积速率具 图6中新世黄土、古土壤与第四纪黄土、古土壤以及河湖相样品的判别参数SCIENCEINCHINASer.DEarthSciences 第7期 乔彦松等:中新世黄土-古土壤序列的粒度特征及其对成因的指示意义 651 图7QA-I剖面粒度中值粒径及各粒级组分变化 有大致同步的特点.用古地磁界限作为年龄控制点,根据Kukla磁化率时间模式[33]获得QA-I剖面的时间标尺[1].从图8可以看出,21.3~20.2,16.0~13.3及8.7~6.9MaBP是QA-I剖面粒度较粗的时期,与该序列的风尘沉积速率(图8(b))[1]变化大致一致.一般认为,北太平洋深海风尘沉积来源于亚洲内陆干旱区,其沉积通量反映了亚洲内陆的干旱化程度[34].根据北太平洋885/886孔风尘沉积通量的变化曲线(图8(c))[34],8MaBP左右是中新世期间显著的高粉尘沉积通量时期,而该时段也是QA-I剖面中粒度较粗、沉积速率较高的时期(图8(a),(b)),两者的变化具有较好的一致性.上述事实不仅从另一个侧面证明了中新世黄土-古土壤序列与第四纪黄土-古土壤序列一样是典型的风尘堆积,而且还说明中新世期间的粒度变化与物源区的干旱化程度有关,在大尺度上也可以作为反映物源区干旱化程度的替代性指标. 4结论 本文通过对中新世与第四纪黄土、古土壤以及代表性河湖相样品全岩粒度特征的对比研究,并结合QA-I剖面粒度变化及其与沉积速率、深海风尘沉积通量的对比分析,可以得到以下认识:
(1)中新世黄土-古土壤序列与第四纪黄土-古土壤序列一样是典型的风尘堆积;
(2)中新世黄土与第四纪黄土相比总体偏细,其粒度特征与第四纪古土壤更为相似,表明相对较弱的风动力条件或相对较低的源区干旱程度;
(3)中新世相邻黄土、古土壤与第四纪相邻黄土、古土壤具有相似的粒度反差特征,说明中新世黄土、古土壤粒度变化的旋回与第四纪黄土、古土壤一样,反映了气候冷暖、干湿的变化;
(4)在构造时间尺度上,中新世黄土-古土壤序列的粒度与沉积速率的变化大致同步,与北太平洋深海风尘沉积通量的变化也具有较好的一致性.因此,我们认为,中新世黄土-古土壤序 652 中国科学D辑地球科学 第36卷 图8QA-I剖面粒度、沉积速率的变化及其与北太平洋深海风尘沉积通量的对比 (a),(b)分别为QA-I中新世黄土剖面粒度、沉积速率记录[1];(c)北太平洋885/886孔风尘沉积通量记录[34] 列的粒度变化不仅与风力变化有关,而且与源区的干旱化程度密切相关. 参考文献 1GuoZT,RuddimanWF,HaoQZ,etal.OnsetofAsiandesertificationby22MyragoinferredfromloessdepositsinChina.Nature,2002,416:159―163[DOI] 2刘东生.黄土与环境.北京:科学出版社,19853AnZS,KutzbachJE,PrellSC,etal.EvolutionofAsianmon- soonsandphasedupliftoftheHimalaya-TibetanPlateausinceLateMiocenetimes.Nature,2001,411:62―66[DOI]4GuoZT,PengSZ,HaoQZ,etal.OriginoftheMiocene-PlioceneRed-EarthFormationatXifenginnorthernChinaandimplicationsforpaleoenvironments.PalaeogeogrPalaeoclPalaeoecol,2001,170:11―26[DOI]5DingZL,SunJM,LiuTS,etal.Wind-blownoriginofthePlioceneredclayformationinthecentralLoessPlateau,China.EarthSciLett,1998,161:135―143[DOI]6SunDH,ShawJ,AnZS,etal.ostratigraphyandpaleoclimaticinterpretationofacontinuous7.2MaLateCenozoiceoliansedimentsfromtheChineseLoessPlateau.GeophysResLett,1998,25
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