趙 娜，徐興永，于洪軍，姚 菁，蘇 喬

（1.中國(guó)科學(xué)院 煙臺(tái)海岸帶研究所，山東 煙臺(tái)26403；2.中國(guó)科學(xué)院 研究生院，北京100049；3.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061）

影響海陸交互相沉積物亮度的幾個(gè)因素＊

趙 娜1，2，3，徐興永3，于洪軍3，姚 菁3，蘇 喬3

（1.中國(guó)科學(xué)院 煙臺(tái)海岸帶研究所，山東 煙臺(tái)26403；2.中國(guó)科學(xué)院 研究生院，北京100049；3.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061）

對(duì)中國(guó)北方萊州灣南岸鉆孔上部54m海陸交互相沉積物的亮度進(jìn)行研究，探討其作為海陸交互相沉積物的環(huán)境指標(biāo)的可行性，同時(shí)通過對(duì)比不同樣品處理方式所得的亮度值探討影響亮度的幾個(gè)因素。測(cè)量分2次進(jìn)行，分別使用Minolta CM－2002分光光度計(jì)針對(duì)柱狀原樣及Minolta CR400／410色差計(jì)針對(duì)風(fēng)干研磨后的散樣進(jìn)行。研究結(jié)果表明，海陸交互相沉積物的亮度，尤其是經(jīng)過風(fēng)干處理后樣品的亮度值，與碳酸鈣含量及粒度兩個(gè)古氣候代用指標(biāo)均具有顯著相關(guān)關(guān)系，可以將其作為碳酸鈣含量的替代指標(biāo)應(yīng)用于海陸交互相沉積物的環(huán)境演化研究。而亮度值與碳酸鈣含量不一致性，可歸因于沉積物中非碳酸鈣組分的性質(zhì)及含量。粒度與亮度的相關(guān)性顯示，鉆孔砂質(zhì)沉積中含有的大量深色的有機(jī)質(zhì)使得鉆孔中粒度0～31μm的部分比例越高，亮度會(huì)越大，而粒度＞31μm的部分比例越高，亮度會(huì)越小。2次亮度值的對(duì)比表明，水分、氧化作用及研磨是沉積物2次測(cè)量所得亮度值存在差異的主要原因。

海陸交互相沉積；萊州灣；亮度；碳酸鈣；L＊

沉積物的顏色是沉積物中內(nèi)在成分的綜合反映。它是對(duì)可見光范圍（400～700nm）內(nèi)電磁光譜的反射輻射的感知［1］。地質(zhì)研究中對(duì)顏色的描述傳統(tǒng)上使用定性的Munsell顏色系統(tǒng)，該系統(tǒng)為通過將人眼觀測(cè)到的沉積物顏色與Munsell色卡進(jìn)行對(duì)照從而獲得數(shù)值的定性系統(tǒng)。這種方法最大的缺點(diǎn)在于其客觀性較差，除了人眼的不準(zhǔn)確性外，觀測(cè)條件的差異也會(huì)造成結(jié)果的偏差［2］。相對(duì)于Munsell系統(tǒng)，近年來廣泛應(yīng)用的一種描述顏色的方法之一是CIE L＊a＊b＊色度空間。該色度空間是1976年國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）推薦的均勻顏色空間。由于該空間指定了發(fā)光體且可進(jìn)行顏色的定量描述，目前已被普遍使用［3］。L＊為亮度參數(shù)，表示沉積物的明暗程度，數(shù)值范圍從0～100，0代表黑色，100代表白色［4］。亮度的變化一直以來都被解釋為沉積物中碳酸鹽的變化［3］，由于其測(cè)量快速、分辨率高及費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)，被越來越多地作為碳酸鹽的替代指標(biāo)應(yīng)用于古氣候的研究中。

過去對(duì)沉積物顏色的研究主要集中于深海沉積物［3，5］，黃土沉積物［6－9］，陸架沉積物［10－11］及湖泊沉積物中［12］。我們探討亮度作為海陸交互相沉積物環(huán)境指標(biāo)的可行性，同時(shí)探討其影響因素，為進(jìn)一步利用沉積物亮度進(jìn)行古氣候的研究提供依據(jù)。

1 鉆孔位置

選取萊州灣南岸2007年鉆進(jìn)獲取的LZ908孔（37°09′N，118°58′E，海拔6m）（圖1）。萊州灣位于中國(guó)渤海南部，其北面是渤海中央海盆，西面為現(xiàn)代黃河三角洲，東面與北黃海相連，南面為魯中山區(qū)和第四紀(jì)時(shí)期發(fā)育的沖積海積平原。鉆孔鉆進(jìn)深度為101.3m，取芯率為70%。鉆孔上部0～54m以砂、粉砂為主，夾有數(shù)層泥炭粘土層，含有較多的貝殼碎片；下部54～101m以淤泥為主，含大量鈣質(zhì)結(jié)核。有研究表明，晚更新世以來萊州灣發(fā)育了多個(gè)海侵層位，記錄了古海平面升降、古海岸線變遷的歷史［13－14］。我們判斷LZ908孔的海相地層集中于上部54m，下部屬河湖相環(huán)境。本研究?jī)H針對(duì)上部海陸交互相地層的沉積物進(jìn)行分析。

圖1 鉆孔位置圖Fig.1 Location of the borehole studied

2 實(shí)驗(yàn)與方法

2.1 顏色測(cè)量

2.1.1 所選儀器

由于Konica Minolta儀器攜帶方便、簡(jiǎn)易的手持式操作以及測(cè)量快速等特點(diǎn)，常被用來進(jìn)行L＊a＊b＊的測(cè)定。測(cè)量進(jìn)行了2次，使用Minolta CM－2002分光光度計(jì)對(duì)柱狀原樣和Minolta CR400／410色差計(jì)針對(duì)風(fēng)干研磨后的樣品進(jìn)行測(cè)試。兩儀器主要參數(shù)設(shè)置相同，色度空間均采用L＊a＊b＊，測(cè)量孔徑均為8mm，并設(shè)置SCE（Spectral Component Excluded）用以排除沉積物表面所覆蓋的玻璃質(zhì)物質(zhì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，此外兩者均參照國(guó)際硫酸鋇標(biāo)準(zhǔn)使用白色瓦片進(jìn)行校正。

2.1.2 測(cè)量方法

首次顏色測(cè)量于柱狀樣剖開后隨即開始，使用Minolta CM－2002分光光度計(jì)。測(cè)量前，在柱狀樣的縱剖面上覆蓋一層晶質(zhì)光潔的聚乙烯薄膜（克林萊牌保鮮膜）。覆蓋薄膜可以阻止柱狀樣水分的散失，使氧化作用造成的沉積物顏色的改變減到最小［4］，避免樣品受到分光光度計(jì)的污染［15］，以及保護(hù)分光光度計(jì)，避免與柱狀樣中的含水物質(zhì)接觸而遭到腐蝕或損壞［1］。測(cè)量前進(jìn)行白板校正，并設(shè)置SCE。測(cè)量間隔為1cm，直接在薄膜表面滑移進(jìn)行，測(cè)量結(jié)果為L(zhǎng)＊1。

第2次測(cè)量使用儀器為Minolta CR400／410色差儀。測(cè)量前，先將從柱狀樣中以10cm為間隔取出的樣品置于室溫下風(fēng)干，之后每份樣品取大約0.5g進(jìn)行初步研磨，使礦物顆粒處于均勻分散狀態(tài)，然后對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果為L(zhǎng)＊2。

2.2 碳酸鈣含量測(cè)量

柱狀樣中待測(cè)碳酸鈣樣品分樣間隔為10cm，測(cè)量采用容量法（GB／T13909－92）。稱取0.1g樣品于100mL三角瓶中，用少許水濕潤(rùn)；加入10mL，0.1mol／L的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液；搖勻后加熱微沸3min，移于70～80℃的水浴鍋上保溫10～20min，待碳酸鈣分解完全后，取下冷卻；加入2～3滴酚酞指示劑，用0.1mol／L的標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液滴定至溶液呈粉紅色；分析同時(shí)做空白試驗(yàn)。使用下面公式計(jì)算樣品中碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）：

式中，c（NaOH）為標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液的濃度，mol／L；V1為消耗氫氧化鈉溶液的體積，mL；V0為空白樣中氫氧化鈉溶液的消耗體積，mL；m為樣品質(zhì)量，g；F等于50.04×10－3，即消耗1mL濃度為1mol／L氫氧化鈉溶液相當(dāng)?shù)腃aCO3的質(zhì)量，g。

2.3 粒度測(cè)量

粒度測(cè)量的分樣間隔為2cm，使用英國(guó)MALVERN公司生產(chǎn)的MASTERSIZER－2000型激光粒度儀進(jìn)行測(cè)試。該儀器的測(cè)量范圍為0.02～2 000μm，重復(fù)測(cè)量誤差小于3%。

3 結(jié)果與討論

3.1 亮度與沉積組分

沉積物的顏色主要受所含組分影響。其中淺色組分（如碳酸鈣、蛋白石）可增加沉積物的亮度，而深色組分（如伊利石、綠泥石）減少沉積物的亮度［2］。

為了方便對(duì)比，所有數(shù)據(jù)間距統(tǒng)一為10cm。從柱狀樣亮度的兩次測(cè)量結(jié)果可以看出：波動(dòng)范圍為30.8～56.3，為40.4～77.7，的平均值比大18；鉆孔上部與的一致性較好，下部?jī)烧咭恢滦詼p弱（圖2）。2次測(cè)得的亮度值均與碳酸鈣含量呈顯著的正相關(guān)，與碳酸鈣的相關(guān)性較更好（表1），無論是兩者曲線的變化趨勢(shì)還是峰值位置均基本吻合（圖2）。與碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性較差，尤其是鉆孔下半部分（表1，圖2），原因可能是使用Minolta CM－2002進(jìn)行測(cè)量時(shí)，柱狀樣上部含水率相對(duì)較高，薄膜與沉積物表面伏貼較好，而下部含水率較低，薄膜貼合不緊密，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性造成一定影響。而2次測(cè)得的亮度值均不能完美的反應(yīng)鉆孔中碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，這可歸因于沉積物中非碳酸鈣組分：如果這些組分被淺色物質(zhì)控制，如高嶺石，亮度并不會(huì)隨著碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少而發(fā)生顯著變化；如果被深色物質(zhì)控制，如有機(jī)物、綠泥石，那么隨著碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少，亮度會(huì)大大降低［3］。柱狀樣中非碳酸鈣組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)隨著沉積時(shí)序的變化而存在差異，這會(huì)嚴(yán)重影響亮度與碳酸鈣之間的相關(guān)性。因此Balsam建議，對(duì)于年代或地域跨度較大的樣品，將亮度作為碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的替代指標(biāo)時(shí)要謹(jǐn)慎［3］。盡管鉆孔中亮度值與碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系并非完美，但鑒于兩者顯著的相關(guān)關(guān)系及兩者曲線較一致的變化趨勢(shì)，在海陸交互相沉積物中，將亮度作為碳酸鹽的替代指標(biāo)仍然是可行的。

圖2 碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒度與亮度變化曲線Fig.2 Downhole variations in calcium carbonate content，grain size，and two L＊s of L＊curves，the ones with shadow represent Land the bold ones represent L

3.2 亮度與粒度

表1 亮度與碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)關(guān)系Table 1 Correlation coefficents between lightness and calcium carbonate content

表2 亮度、碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)與粒度的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation among two lightness，carbonate content，and grain size，

亮度與砂之間顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系可以從2個(gè)角度可以去解釋。從光學(xué)角度分析，砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大，沉積物的孔隙度便較大，光能會(huì)被吸收的更多，反射光將減少，導(dǎo)致沉積物亮度值減小。從沉積學(xué)角度來看，晚更新世以來在渤海地區(qū)與干冷－溫濕氣候的變化史相一致的表現(xiàn)為海侵－海退的交替出現(xiàn)，在萊州灣南岸形成了海陸交互相地層?？偟膩碚f，粉砂沉積發(fā)育及碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的地層，基本上代表冷期的氣候環(huán)境，顯示以風(fēng)成沉積為主的氣候條件；凡是厚層砂層發(fā)育及碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的地層，基本上代表了暖期氣候環(huán)境［14］。這從鉆孔中碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)與粒度組分之間的相關(guān)性中得到了很好的印證（表2）。作為碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)替代指標(biāo)的亮度便與砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.3 水分、氧化及研磨

含有水分的沉積物其顏色比干燥的沉積物要深，即含水沉積物亮度更?。?］。?ngstrom指出，含水物質(zhì)表面產(chǎn)生了水膜，而含水物質(zhì)的漫反射使得在水膜里發(fā)生完全的內(nèi)部反射成為可能［17］。Twomey等則認(rèn)為是由水的存在所增加的散射，使得光子被物質(zhì)吸收的可能性增大［18］。我們進(jìn)行的2次顏色測(cè)量，分別使用Minolta CM－2002直接對(duì)含水柱狀樣品進(jìn)行讀數(shù)和Minolta CR400／410測(cè)風(fēng)干后的散樣。樣品經(jīng)風(fēng)干后，水分喪失，勢(shì)必會(huì)造成亮度值的增大。對(duì)比圖2中L＊1和L＊2兩曲線的變化可以看到，L＊2的值明顯比L＊1大，水分的作用便是原因之一。此外，從柱狀樣被切開的那一刻起，沉積物水分的散失便開始了，且散失速率無法控制和估算，這使得我們既無法獲得樣品初始狀態(tài)下的亮度值，也無法保證每次所測(cè)得的沉積物的亮度值所受到失水的影響是相同的。沉積物的含水率不同，亮度被減弱的程度也不同［5］，這是柱狀樣的亮度值無法很準(zhǔn)確的反映碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的原因之一。

此外，水分的存在可能是導(dǎo)致2次測(cè)量的亮度與粒度相關(guān)性存在差異的主要原因。不同粒徑的沉積物，其顏色受水分影響也不同。對(duì)于淤泥質(zhì)及更細(xì)的沉積物來說，較高的水分能破壞其填積作用，使沉積物顏色表現(xiàn)得更深［5］。這與前面提到的，沉積物中砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，沉積物亮度越小，是相反的。所以，水分的存在，使得沉積物亮度的變動(dòng)幅度減小，故而不會(huì)很準(zhǔn)確的反應(yīng)碳酸鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這也從另一個(gè)角度解釋了經(jīng)實(shí)驗(yàn)室處理后的樣品的亮度值能更好的反映碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。

和水相比，氧化作用對(duì)沉積物顏色的影響也不容忽視，甚至更大。沉積物中通常會(huì)發(fā)生氧化的組分之一就是有機(jī)物。未經(jīng)氧化的有機(jī)物是深色的，隨著氧化作用發(fā)生，含有有機(jī)物的沉積物會(huì)變淺，通常從深色變?yōu)闇\灰色［19］。柱狀樣在分樣、風(fēng)干及研磨的過程中，其組分暴露于空氣中經(jīng)受氧化，這是L＊2的值比L＊1大的另一原因。此外，與水分對(duì)亮度的影響相似，柱狀樣剖開之后，沉積物的氧化作用亦隨即開始，且亦無法控制及估算，故氧化作用亦導(dǎo)致了亮度結(jié)果無法準(zhǔn)確反映碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

前處理過程中除水分的散失及氧化作用外，研磨也會(huì)造成兩次測(cè)量值的差異。研磨能使沉積物組分均勻分布、表面更加平滑［1］，這將使測(cè)量結(jié)果更接近真實(shí)。而直接在柱狀樣表面測(cè)量，分光光度計(jì)只分析樣品表面及其以下幾微米的顏色性質(zhì)。由于低密度沉積物會(huì)占去樣品表面更大的面積，因此在測(cè)量中低密度物質(zhì)會(huì)占有較高的比重［3］。如果這種低密度物質(zhì)對(duì)亮度的影響很大，那么它將主導(dǎo)亮度值的大小，從而嚴(yán)重干擾亮度值對(duì)碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的反映。此外直接在柱狀樣剖面上的測(cè)量也可能由于出現(xiàn)沉積組分的點(diǎn)塊聚集而出現(xiàn)偏差。

4 結(jié) 論

2）鉆孔中亮度與粒度0～31μm的部分呈正相關(guān)，而與＞31μm的部分呈負(fù)相關(guān)；在0～31μm的范圍內(nèi)，亮度與中砂的正相關(guān)性最高，向兩端逐漸遞減。由此可得，鉆孔中粒度0～31μm的比例越高，亮度會(huì)越大；粒度＞31μm的部分比例越高，亮度會(huì)越小。由于沉積物中大多數(shù)深色組分粒徑均較小，那么推測(cè)鉆孔砂質(zhì)沉積物中，尤其是指示海相地層的厚砂層沉積中，含有較多大大降低沉積物亮度的有機(jī)質(zhì)。

3）水分、氧化作用及研磨是沉積物2次測(cè)量所得亮度值存在差異的主要原因。

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Factors Influencing the Lightness of Paralic Sediments From Borehole LZ908in the Southern Laizhou Bay

ZHAO Na1，2，3，XU Xing－yong3，YU Hong－jun3，YAO Jing3，SU Qiao3
（1.Yantai Institute of Coastal Zone Research，Chinese Academy of Sciences，Yantai 264003，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao 266061，China）

The lightness of the paralic sediments collected from the top－54mof Borehole LZ908taken from the southern coast of the Laizhou Bay was studied and several factors influencing the lightness of the sediments were discussed by comparing the lightness values obtained after different sample preparations.In addition，the feasibility for using the lightness as an environmental indicator of paralic sediments was also discussed.The measurements of lightness were performed twice，during which a Minolta CM－2002spectrophotometer was used for measuring the original and fresh samples collected from the borehole and a Minolta CR400／410system for air－dried and ground samples.The results indicate that the lightness values of the samples studied，especially those from the air－dried and grounded samples，show a prominent correlation to the calcium carbonate content and grain size which have been considered to be the proxies of palaoclimate，indicating that the lightness could be，as a proxy of calcium carbonate content，used for the study of the environment evolution of the paralic sediments.The inconsistency between the lightness values and the calcium carbonate contents may possibly be attributed to the properties and contents of non－carbonate components in the sediments.The correlation between lightness and grain size show that the higher the proportion of（31μm in grain size，the bigger the lightness is，whereas the higher the proportion of（31 μm is，the smaller the lightness is.It can be seen from the twice measurements that dehydration，oxidation and grinding may possibly be the main reasons for the differences in the lightness varieties.

paralic sediments；Laizhou Bay；lightness；calcium carbonate content；L＊

November 29，2010

P936

A

1671－6647（2012）01－0125－07

2010－11－29

我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)——萊州灣地區(qū)海水入侵災(zāi)害調(diào)查與研究（908－01－ZH2）；國(guó)家海洋局青年海洋科學(xué)基金——萊州灣地區(qū)全新世百年尺度環(huán)境演化研究（2008310）；山東省科技攻關(guān)項(xiàng)目——萊州灣地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)研究（2009GG20005004）

趙 娜（1983－），女，遼寧沈陽(yáng)人，博士，主要從事環(huán)境地質(zhì)方面研究.E－mail：zhaona＿1983＠163.com

（陳 靖 編輯）

致謝：國(guó)家海洋局王昆山博士，泰安學(xué)院彭淑貞博士和山西師范大學(xué)朱麗君在沉積物顏色參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)中給予幫助，姜興鈺、陳廣泉、徐元芹參與分樣工作。