齊升吉，李志忠，陳秀玲，靳建輝，姜修洋,吳美榕，張 輝，胡凡根，林舒倩

(福建師范大學(xué)a.地理研究所，b.地理科學(xué)學(xué)院，c.濕潤亞熱帶生態(tài)-地理過程省部共建教育部重點實驗室，中國 福州 350007)

沉積物粒度分析在判別碎屑物質(zhì)來源、搬運營力、沉積過程、后生變化以及重建古地理環(huán)境方面具有重要意義[1]．在中國北方黃土沉積古環(huán)境研究中，粒度參數(shù)作為冬季風(fēng)代用指標(biāo)揭示了東亞季風(fēng)演化和沉積環(huán)境變遷，反映了粉塵搬運距離的變化[2-3]．中國南方紅土是中國第四紀(jì)陸相沉積物的主要類型之一，其現(xiàn)代分布范圍覆蓋中國亞熱帶和熱帶廣大區(qū)域，是中國南方第四紀(jì)氣候與沉積環(huán)境變化的重要信息載體．探討南方第四紀(jì)紅土物質(zhì)來源和成因類型，有助于揭示中國南方第四紀(jì)氣候環(huán)境變遷過程及其與全球變化的聯(lián)系．

前人研究表明，中國南方紅土有風(fēng)化、沖積、洪積、坡積、風(fēng)積等多種物質(zhì)來源[4-9]，紅土成因類型可分為風(fēng)化殘積型、沉積型和沉積-風(fēng)化型3種類型．其中，北亞熱帶、中亞熱帶北部紅土多為遠(yuǎn)源風(fēng)力搬運堆積的風(fēng)塵物質(zhì)并經(jīng)后期化學(xué)風(fēng)化形成的沉積-風(fēng)化型紅土，可稱為均質(zhì)紅土和均質(zhì)網(wǎng)紋紅土[7，10-12]，而熱帶和南亞熱帶地區(qū)紅土多為各類基巖風(fēng)化殘積和沖洪積與坡積成因的沉積型紅土，可稱為非均質(zhì)紅土和非均質(zhì)網(wǎng)紋紅土[13-14]．福建位于中國中亞熱帶東部沿海，為風(fēng)化殘積型和沉積型紅土發(fā)育的典型區(qū)域，但研究比較薄弱．福州地處南亞熱帶與中亞熱帶過渡帶的閩江河口，為陸地地貌過程與海洋水文過程的交互作用地帶，因此成為對全球變化十分敏感的區(qū)域．本研究以福州紅土沉積為對象，在確定了紅土剖面年代框架的基礎(chǔ)上，通過粒度組成和粒度參數(shù)分析，提取第四紀(jì)紅土記錄的沉積與風(fēng)化信息，初步揭示紅土沉積對過去全球變化的響應(yīng)過程．

1 區(qū)域概況和研究方法

1.1 研究區(qū)和剖面概況

①長樂剖面(CL)；②萬佛寺剖面(WFS)；③馬保剖面(MB)圖1 福州紅土剖面采樣位置示意圖

研究區(qū)福州(圖1)地處戴云山脈的東翼，倚山面海，地勢由西北向東南傾斜，海岸線曲折，閩江橫貫其中．氣候溫暖濕潤，雨量充沛，四季常青；年平均氣溫16～20 ℃，最冷月1～2月，平均氣溫達(dá)6～10 ℃；最熱月7～8月，平均氣溫為24～29 ℃，年平均降水量1 342.5 mm；冬季主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)，夏季偏南風(fēng)為主；植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，土壤以紅壤為主．

CL—長樂剖面；MB—馬保剖面；WFS—萬佛寺剖面圖2 紅土剖面巖性柱狀圖

在福州盆地南部和東部坡度15～40°的山麓帶采集3個典型紅土沉積剖面，3個剖面主要是紅棕色黏土、砂質(zhì)黏土層夾多個洪積坡積角礫石薄層，大致構(gòu)成5～6個沉積風(fēng)化旋回(圖2)．其中：長樂剖面(CL)海拔19.3 m，位于侏羅系流紋質(zhì)晶屑凝灰熔巖風(fēng)化剝蝕的低丘南麓，剖面厚8 m，未見底，可劃分為上下2段．

上段，0～3.5 m，棕紅色紅土夾多層礫石．其中，頂部0～0.4 m為現(xiàn)代紅壤，較多植物根系；0.4～2.7 m，棕紅色土，夾有2～3層不連續(xù)分布的薄層礫石層，構(gòu)成2～3個沉積風(fēng)化旋回．礫石層膠結(jié)堅實，呈棱角狀，直徑10～20 cm，礫石表面被覆紅褐色風(fēng)化氧化膜；2.7～3.5 m，棕紅色坡積紅土層，以粉砂為主，膠結(jié)堅實．底部礫石層礫石直徑0.5～5 cm，大部分呈棱角狀，為侵蝕不整合面過渡到下段．下段，3.5～8 m(未見底)，紅褐色、紅棕色網(wǎng)紋紅土層，夾雜少量棱角狀礫石，膠結(jié)堅實．發(fā)育典型蠕蟲狀白色、灰白色網(wǎng)紋．在風(fēng)化裂隙中有大量黑色氧化錳薄膜，夾薄層不連續(xù)分布的棱角狀礫石層，礫石直徑0.2～3 cm不等．

馬保(MB)剖面，采樣點海拔8 m，厚度2.5 m，基底為燕山期鉀長花崗巖風(fēng)化殼，采樣位置在福州盆地南緣靠近現(xiàn)代閩江河谷．剖面分層及巖性結(jié)構(gòu)如下：

0～0.20 m，紅棕色，植物根系較多，塊狀結(jié)構(gòu)，緊實；

0.20～2.20 m，紅棕色，塊狀結(jié)構(gòu)，緊實；

2.20～2.80 m，紅棕色，夾雜不均勻黃棕色，斑塊塊狀結(jié)構(gòu)，少量孔隙較緊實；

2.80～3.20 m，淡紅棕色，夾雜黃棕色，疏松，含植物殘根及少量腐爛灰黑色植物根系，多孔隙；

3.20～3.50 m，深度風(fēng)化，疏松多孔，黃色棕色，混雜多量腐爛的灰黑色植物根系．

萬佛寺(WFS)剖面，采樣點海拔22 m，厚度2.4 m，基底為燕山期鉀長花崗巖風(fēng)化殼．剖面分層及巖性結(jié)構(gòu)如下：

0～0.30 m，黃棕色，植物根系多，呈團塊狀粒狀結(jié)構(gòu)，有孔洞，略緊實；

0.30～2.40 m，紅棕色，植物根系少，團塊狀結(jié)構(gòu)，無孔洞，較緊實；

2.40～2.60 m，為全風(fēng)化花崗巖風(fēng)化殼．

1.2 剖面年代測定和粒度實驗

關(guān)于福州紅土沉積年代學(xué)，本研究在CL剖面、MB剖面共采集9個紅土測年樣品，用電子自旋共振法(ESR)和光釋光法(OSL)進(jìn)行測年．測年實驗分別在國家地震動力學(xué)重點實驗室ESR測年實驗室和國土資源部水環(huán)境地質(zhì)研究所釋光測年實驗室完成，共獲得9個有效測年數(shù)據(jù)(圖2)．

野外分別對上述3個剖面進(jìn)行了系統(tǒng)采樣，其中CL采樣間距5 cm，MB采樣間距10 cm，WFS采樣間距30 cm，3個剖面合計采樣206個．樣品粒度參數(shù)測試在福建省濕潤亞熱帶生態(tài)-地理過程省部共建教育部重點實驗室完成．實驗方法：稱取過2 mm篩混合均勻的風(fēng)干待測樣品0.7 g，放入潔凈的燒杯，加入H2O2溶液(2體積水和1體積H2O2混合而成)10 mL浸泡12 h，去除樣品中的有機質(zhì)，并在水浴鍋中加熱煮沸分解多余的H2O2，冷卻后加去離子水靜置24 h，抽去燒杯上部清液，加入10 mL 0.5 mol/L的NaOH溶液做分散劑，并于超聲波震蕩器上震蕩10 min使樣品有效分散，然后上機測試．測試儀器為英國MALVERN儀器公司生產(chǎn)的Mastersizer2000型激光粒度儀，測量范圍為0.02～2 000 μm，重復(fù)測試相對誤差<5%．

粒度頻率分布和概率累計曲線從激光粒度儀測試數(shù)據(jù)中提取．粒度參數(shù)包括平均粒徑(Mz)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)、偏度(SK)和峰態(tài)(Kg)，均按照Folk和Ward[15]公式計算得出．?dāng)?shù)據(jù)分析和制圖采用Excel 2003、Origin 8.0和CorelDraw 12.0完成．

2 結(jié)果分析與討論

2.1 粒度組成特征

福州3個紅土剖面的粒度組成既表現(xiàn)出較好的一致性，也有一定差異(表1)．1)粉砂(4～63 μm)體積分?jǐn)?shù)占優(yōu)勢，在32.28%～73.05%之間變化，平均為51.60%．粉砂含量中，細(xì)粉砂(4～10 μm)體積分?jǐn)?shù)明顯低于粗粉砂(10～63 μm)．其中，CL剖面上部紅土的粉砂體積分?jǐn)?shù)平均54.60%，下部網(wǎng)紋紅土平均體積分?jǐn)?shù)為50.86%．2)黏土(<4 μm)體積分?jǐn)?shù)變化于7.04%～43.98%，平均26.12%；其中CL剖面上部紅土變化于20.31%～37.95%，平均26.35%，下部網(wǎng)紋紅土14.51%～36.82%，平均23.07%．3)砂(63～2 000 μm)體積分?jǐn)?shù)變化于3.70%～54.20%，多集中在22.3%．其中，CL剖面上部紅土砂體積分?jǐn)?shù)在3.70%～33.05%之間變化，平均19.06%；下部網(wǎng)紋紅土變化于11.98%～40.12%，平均26.04%．4)CL、WFS剖面黏土平均含量高于砂含量，而MB剖面黏土平均含量低于砂含量，反映了研究區(qū)紅土粒度組分的差異性．5)各剖面樣品粒度組分離散系數(shù)粉砂最小，CL、WFS剖面砂離散系數(shù)最大，MB剖面黏粒的離散系數(shù)最大；粉砂組分中，CL、WFS剖面細(xì)粉砂的離散系數(shù)明顯低于粗粉砂的離散系數(shù)，而MB剖面則相反．離散系數(shù)越小說明該組分顆粒粗細(xì)差異程度越小，物源供給和搬運動力較為穩(wěn)定．

表1 福州紅土沉積各組分體積分?jǐn)?shù)變化(單位：%)

福州紅土粒度特征與中亞熱帶“加積型”紅土[16]相比，優(yōu)勢組分(粉砂粒級)相同，但含量較低，黏土含量較中亞熱帶加積型紅土少，原因在于福州紅土砂含量較高．就離散性而言，加積型紅土離散系數(shù)較小，多小于0.1，而福州紅土各組分離散系數(shù)均較大，多大于0.1．對比可知，福州紅土沉積具有明顯近源搬運沉積特點．

2.2 頻率曲線和概率累計曲線特征

從3個剖面樣品粒度頻率曲線(圖3)分析，CL、MB 2個剖面以多峰型(圖3A)為主體，主次峰對比明顯．第一眾數(shù)峰多在4～16 μm之間，主要由細(xì)粉砂粒級構(gòu)成；第二眾數(shù)峰多在200～537 μm變化，多為細(xì)砂、中砂，平均體積分?jǐn)?shù)10%，對峰態(tài)影響比較顯著；在<1 μm處出現(xiàn)第三眾數(shù)，該組細(xì)顆粒的形成多與化學(xué)風(fēng)化和成壤作用相關(guān)．而WFS剖面以單峰型(圖3B)為主體，第一眾數(shù)在4 μm左右，由眾數(shù)峰向細(xì)端變化較陡較快，在<1 μm處有一拐點，向粗端變化較向細(xì)端變化緩，且在>100 μm后拖有長尾．

圖3 福州紅土剖面典型樣品頻率曲線(A.多峰型，B.單峰型)

圖4 福州紅土剖面典型樣品概率累計曲線

3個剖面粒度概率累計曲線主要為4段式(圖4)．CL(圖4A)、MB和WFS剖面(圖4B)概率累計曲線特點大體一致，粗截點在1～2Φ(Φ值定義參見文獻(xiàn)[10])，細(xì)截點在10～11Φ，6Φ附近截點將粒級分成粗細(xì)兩部分．其中，CL剖面組分a為推移組分，斜率接近70°，體積分?jǐn)?shù)在5%～10%，較MB、WFS剖面組分a′斜率60°高．CL剖面組分d為次生組分，斜率近75°，較MB、WFS剖面組分d′斜率70°為高．主要粒度組分在2～10Φ之間，含量約占80%；截點6Φ將其分為2～6Φ躍移組分，6～10Φ懸移組分，斜率分別為20°和40°；就兩組分來看，2～6Φ分選性較差，6～10Φ分選性較好．

研究區(qū)多峰型的頻率曲線與4段式的概率累計曲線特征明顯區(qū)別于中亞熱帶加積型紅土，而與嶺南東江流域網(wǎng)紋紅土[17]、粵東北丘陵末次間冰期紅土[18]具有很好可比性，反映出第四紀(jì)時期研究區(qū)多山地丘陵的剝蝕地貌環(huán)境，以及中亞熱帶南部和南亞熱帶季風(fēng)氣候交替變遷影響下紅土沉積風(fēng)化環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性．

2.3 粒度參數(shù)基本特征

平均粒徑(Mz)代表沉積介質(zhì)的平均動能．CL剖面上部紅土Mz變化于5.4～7.2，平均6.3，下部網(wǎng)紋紅土介于4.8～7.0，平均5.8．MB剖面Mz平均5.37，WFS平均粒徑較細(xì)，Mz均值為6.99(表2)．福州紅土Mz各剖面差異顯著，但總體上與嶺南東江流域網(wǎng)紋紅土[17]Mz值相當(dāng)．

表2 福州紅土剖面粒度參數(shù)比較/Φ

分選系數(shù)(σ)表示沉積物分選程度，反映沉積物不同粒度顆粒分散和集中狀態(tài)．福州紅土樣品的σ介于2.0～3.1，平均變化于2.2～2.6，總體上分選性差，并有明顯的空間差異．其中，WFS剖面樣品的σ值2.2較MB剖面2.5、CL剖面2.6的分選性要好，CL剖面分選性最差．福州紅土σ與北亞熱帶、中亞熱帶沉積-風(fēng)化型紅土[7,10]相比分選系數(shù)要大，反映福建東部山地丘陵地貌起伏變化，季風(fēng)氣候影響下水動力搬運條件的變化，使得研究區(qū)紅土沉積粒度組成粗細(xì)不均，總體上分選性差．

偏度(SK)反映沉積物粗細(xì)顆粒的分布情況．福州紅土樣品SK值介于-0.27～0.34，其中CL剖面近87.6%的樣品SK介于0.1～0.3之間，屬正偏；WFS剖面67.7%的樣品也呈正偏；MB剖面23%的樣品則呈現(xiàn)負(fù)偏，其中54%的樣品近對稱分布，13%樣品正偏．正偏樣品含量較高，反映粒度組成趨向于粗粒端，暗示研究區(qū)紅土物質(zhì)來源較近、搬運動力動蕩變化對粒度組成的影響．

峰態(tài)(Kg)衡量分布曲線的峰凸程度．福州紅土剖面Kg總體以中等峰態(tài)為主，其中CL剖面占46%，MB剖面占60%，WFS占36%；寬峰態(tài)其次，CL占38%，MB占40%；窄峰態(tài)比重最小，CL占16%，WFS占30%．寬峰態(tài)與中等峰態(tài)比重較高，可能反映福州紅土沉積后經(jīng)歷較強的風(fēng)化作用，使得各級粒度有一定混合．

離散系數(shù)是數(shù)據(jù)樣本離散程度的相對指標(biāo)．所研究3個剖面中，Mz離散系數(shù)最大的是MB剖面，可能指示MB剖面水動力條件變化較大，物質(zhì)來源更為混雜，這與MB剖面所在福州盆地邊緣河谷地貌位置吻合；σ離散系數(shù)各剖面相差不大，均反映紅土樣品分選差；SK變化最大的MB剖面，反映偏度差異較大；WFS剖面Kg離散系數(shù)最小，峰態(tài)差異較小，對應(yīng)單峰為主的頻率曲線．

2.4 粒度參數(shù)的縱向變化

中國南方第四紀(jì)風(fēng)塵堆積序列的粒度特征是重建氣候變化歷史的重要代用指標(biāo)[7]．北亞熱帶長江中下游地區(qū)加積型紅土粗細(xì)顆粒的旋回變化也反映了冬季風(fēng)風(fēng)力大小變化和氣候的冷暖變化，而南亞熱帶沉積型紅土粗細(xì)顆粒變化代表了水動力強弱變化，<4 μm的次生組分反映了風(fēng)化成土強度的變化[7，19-20]．福州位于太平洋板塊向歐亞板塊俯沖碰撞帶前沿，地處中國南亞熱帶與中亞熱帶的過渡區(qū)域，在第四紀(jì)新構(gòu)造運動和全球氣候變化背景下，區(qū)域構(gòu)造地貌起伏變化以及氣候帶南北遷移必然在沉積風(fēng)化過程中留下沉積學(xué)烙印．

圖5 福州長樂紅土剖面粒度組分及粒度參數(shù)

綜合上述粒度參數(shù)和沉積相的旋回變化特點，結(jié)合北半球第四紀(jì)新構(gòu)造和氣候變遷歷史分析，在1 235±123～240±14 ka的早中更新世時期，中國西部青藏高原的高度尚未對中緯度大氣環(huán)流造成顯著影響，東亞季風(fēng)勢力較弱，華南副熱帶高壓控制下的高溫濕熱氣候穩(wěn)定少變，福建海岸帶至中西部地勢起伏差異較小，有利沖積洪積持續(xù)進(jìn)行并遭受強烈化學(xué)風(fēng)化作用，紅土沉積相反映粗粒組分>63 μm、>125 μm、>250 μm含量變化小、離散系數(shù)也較小，例如CL剖面下段旋回Ⅰ-旋回Ⅲ>63 μm、>125 μm、>250 μm粒級體積分?jǐn)?shù)的離散系數(shù)分別為0.24、0.31、0.40．中更新世晚期以來，尤其是112.4±6.1～21.4±1.2 ka的晚更新世，隨著中國西部青藏高原強烈隆升，華南海岸帶新構(gòu)造差異升降活動增強，研究區(qū)東西向地勢起伏加大，東亞季風(fēng)影響范圍顯著擴大，冬夏季風(fēng)勢力增強，副高控制下的亞熱帶濕熱氣候變化趨于不穩(wěn)定，尤其是末次間冰期全球氣候劇烈變冷惡化，河流水動力變化增強，反映在紅土沉積粒度組成中>63 μm、>125 μm、>250 μm粒級百分含量離散系數(shù)較大，CL剖面上段沉積旋回Ⅳ-旋回Ⅳ>63 μm、>125 μm、>250 μm粒級百分含量的離散系數(shù)分別為0.36、0.45、0.58，且洪積坡積角礫石層增多，反映晚更新世以來氣候振蕩頻率加大，沉積相總體反映干旱化趨勢．這與姜永見等[22]對廬山地區(qū)紅土沉積粒度特征研究結(jié)果具有某種一致性．

3 結(jié)論

綜上所述，福州第四紀(jì)紅土沉積粒度組成和參數(shù)變化特征及其環(huán)境意義概述如下：

1)研究區(qū)紅土粒度組分總體上以粉砂為主，黏土次之，砂體積分?jǐn)?shù)最少，但不同沉積部位紅土剖面存在差異．其中，CL剖面上部的非均質(zhì)紅土層黏土、粉砂體積分?jǐn)?shù)高于下部非均質(zhì)網(wǎng)紋紅土層，非均質(zhì)紅土砂體積分?jǐn)?shù)低于非均質(zhì)網(wǎng)紋紅土．非均質(zhì)紅土層粗顆粒組分離散系數(shù)高于非均質(zhì)網(wǎng)紋紅土，CL剖面沉積相總體上反映了區(qū)域沉積風(fēng)化環(huán)境的不穩(wěn)定變化趨勢．

2)多數(shù)樣品的頻率曲線以多峰型為主，單峰帶粗尾型頻率曲線以WFS剖面為主，主峰位于細(xì)粉砂粒級，次峰多在細(xì)沙、中砂粒級，第三眾數(shù)峰多<1 μm．CL剖面非均質(zhì)紅土與網(wǎng)紋紅土層頻率曲線相似，多峰的頻率曲線反映幾個總體相混合．3個剖面樣品概率累計曲線多為沖洪積相特有的4段式，主要反映水動力沉積環(huán)境，WFS剖面下部有較多風(fēng)化殘積型紅土沉積相特點．

3)各剖面樣品Mz平均值較小，區(qū)域差異較大，大體與南亞熱帶水動力沉積型紅土的Mz值相當(dāng)；但分選系數(shù)σ值反映分選性差，總體上比北亞熱帶風(fēng)塵加積-風(fēng)化型紅土沉積的分選性要差；SK正偏，Kg中等至寬變化，表明動蕩的水動力搬運且搬運距離較短，同時經(jīng)歷后期較強的化學(xué)風(fēng)化作用，使得各個粒級細(xì)化并有一定程度混合．

4)各紅土剖面的粒度組成和參數(shù)變化既有共性也存在差異，總體上反映山地丘陵地貌環(huán)境下多次水動力近源搬運沉積的沖洪積和坡積沉積特征，并經(jīng)歷多期強烈化學(xué)風(fēng)化作用，具有典型的非均質(zhì)沉積型紅土粒度組成特點．各剖面自下向上，隨著時間推移各剖面粒度組分離散系數(shù)增大、棱角狀礫石層增多的趨勢，可能記錄了早更新世晚期以來，區(qū)域地勢起伏逐漸增大、季風(fēng)氣候系統(tǒng)逐步加強，以致水動力搬運沉積過程不穩(wěn)定性增強的環(huán)境變遷歷史．

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