沉積物色度在古環境重建中的應用

李楊 方晶 潘隆 王福

（1 天津師范大學地理與環境科學學院，天津 300378；2 中國地質調查局天津地質調查中心，天津 300170）

0 引言

使用高分辨率的信息載體來恢復古氣候環境變化是全球變化研究的一項重要內容[1]。僅僅揭示百萬年甚至萬年等級的“軌道尺度”“構造尺度”的氣候變化規律已經無法解釋在研究中發現的一些快速突變事件和短周期現象。這些現象除了受“軌道驅動”因素影響外，還和球表面氣候系統（大氣-海洋系統）有關[2]。而探索這些機制，只能利用高分辨率的記錄。而高分辨率的古環境記錄，需要有相應精度的年代學作為基礎[3]。

利用沉積物顏色指標研究古氣候變化是近年來古氣候研究中一種重要的探索方法。研究表明顏色指標可以作為第四紀沉積物高分辨率的氣候指標[4]。色度是近年來發展起來的指示氣候變化的重要的環境指標，與環境磁學、粒度和孢粉等多種環境代用指標相結合進行研究，它以反映沉積物的宏觀顏色與氣候濕熱、氧化還原環境之間的關系且測量快速經濟而被廣泛應用[5-8]。同時色度測量對一些礦物質是快速的、敏感的和非破壞性的。在不同環境下發生沉積時，留下了包括土壤、礦物、穩定同位素、地化元素、微體古生物等沉積物[9]。碳酸鹽含量、Fe元素[10]、黏土礦物[11]和沉積物有機質含量[12]的變化是氣候變化的重要指示物。通過色度與其他環境代用指標的對比發現，色度指標與其他具有環境指代意義的礦物、地球化學元素等指標一樣，對古氣候的變化有良好的響應[13-15]。因此色度也可以作為一個代用指標反映不同尺度下氣候的變化。而且通過對現代土壤的顏色測定分析，也發現土壤顏色與成土過程和現代氣候因子之間呈現出良好的函數關系[16-17]。

1 色度的定義及色度指標分類

顏色是由亮度和色度（chromaticity）共同表示的，而色度則是不包括亮度在內的顏色的性質，它反映的是顏色的色調和飽和度。顏色是土壤最重要也是最容易測量的物理屬性，且與沉積物的有機質含量和礦物質成分關系密切，因此能夠有效地反映沉積物形成時的環境，并且闡明沉積過程中的古氣候變化[18-19]。標準色度學系統是一種量化顏色的工具，其中經歷了CIE 1931RGB 顏色系統、CIE 1931XYZ 色度學系統、CIE 1964XYZ色度學系統、CIE 1960UCS色度圖、CIE1964 U*V*W*均勻顏色空間、CIE1976 L*U*V*均勻顏色空間和CIE 1976 L*a*b*均勻顏色空間。其中CIE 1976 L*a*b*均勻顏色空間充分考慮了心理顏色的特點，是目前最好用的量化分析顏色的均勻空間。

色彩模型的分類方式有很多種，色度指標也有許多組類，比如門賽爾系統[20]、RGB和L*a*b* 色彩模型。第一種是門賽爾色度體系[21]。門賽爾色度體系的顏色標記包括色調（Hue）、亮度（Value）和彩度（Chroma），分別描述主波長、亮度、飽和度或純度。門賽爾色度體系由一系列用于與樣品做目視比較的色卡圖組成，與被測樣品進行對比。但門賽爾顏色系統存在很多缺點。在不同的照明條件和觀測條件下，人眼的反應和靈敏度的不同都可以造成誤差，而且所測數據既不能定量化，也沒有高度的客觀性，因此難以滿足高精度的研究。第二種是模仿人眼視網膜上含有的親紅、親綠、親藍三種視色素的錐體細胞而建立的RGB顏色體系[22]。三色學說是19世紀由Tomas Young與H. Helmholz首先提出，RGB顏色體系就是在三色學說的理論基礎上開發的顏色空間[23]。研究發現，利用RGB顏色體系進行色度測定時，波長在380～780 nm范圍內三刺激值不會造成誤差[24]。第三種是CIE L*a*b*體系，CIE L*a*b*體系中的3個值分別代表亮度值（L*=0 表示黑色，L*=100表示白色）、a*值（正值偏向紅色，負值偏向綠色）和b*值（正值偏向黃色，負值偏向藍色）代表色度。

目前在各個領域中使用的最多的是第三種CIE 1976 L*a*b*均勻顏色空間[25]。CIE 1976 L*a*b*均勻顏色空間是CIE 1931標準色度學系統的非線性變換。是將CIE 1931標準色度學系統的XYZ直角坐標顏色空間轉換為柱面極坐標，將三刺激值X，Y，Z轉換成與眼睛視覺相一致的亮度L*值和與色調、飽和度的感覺相一致的a*值和b*值[26-27]。在使用CIE RGB模型時，R，G，B系中只有同時3個量一起才能直觀地反映沉積物的真實顏色，以用于氣候變化方面的研究，而CIE L* a* b*的值在反映氣候變化方面具有更好的說服力，而且不同的指標有不同的指示意義。在測量色度時可以測得CIE RGB和CIE L*a*b*兩種數據。為了更加直觀，可以將RGB模式轉化為CIE L* a* b*模式[28]。CIE 1976 L*a*b*均勻顏色空間模擬了人眼對顏色的感覺。顏色的亮度用縱坐標軸 L* 表示，黑色對應亮度L*=0，白色對應亮度L* =100；a*軸與b*軸共同表示彩度，a*軸正方向代表紅色，負方向代表綠色；b*軸正方向代表黃色，負方向代表藍色[29]。

2 色度在古氣候中的應用

2.1 湖泊沉積物中的應用

湖泊是陸地水圈的重要組成部分，與大氣圈、生物圈和巖石圈關系密切，是各圈層相互作用的連接點。作為一個相對獨立的體系，湖泊經歷了較長的地質歷史，其連續的沉積和沉積物中保存的豐富信息，加上較高的沉積速率，使湖相地層可提供區域環境、氣候和事件的高分辨率連續記錄，從而成為全球氣候環境變化研究的重要載體[30]。色度作為一個方便測量而且靈敏度高的指標開始在湖泊沉積中得到應用[31]。

國外學者利用色度對不同地點的湖泊沉積物進行了研究。Sandeep等[32]在印度南部Sahyadri Pookot的一個小型淡水湖中利用漫反射光譜學（DRS）和磁性參數對沉積物成分進行了描述，并重建了湖泊周圍的古環境歷史。發現湖泊沉積物中存在CaCO3、針鐵礦、赤鐵礦/針鐵礦、黏土礦物和有機碳。同時，沉積物顏色在年代的建立和修正中也起到了重要作用。利用湖相沉積物色度和總有機碳含量、鈣/鉀比率和喬木花粉百分比，Stockhecke等[33]在阿拉特山脈地區根據巖石地層框架，編制了不同的年齡框架，并建立了一個60萬年的湖面記錄的強大和精確的年表。在西班牙東北部的Teruel盆地中，利用沉積物色度對晚中新世沖積扇扇緣至湖相沉積物進行古氣候研究，揭示了晚中新世存在Milankovitch天文氣候周期，并以此指標的時間序列分析對目前廣泛應用的古地磁年表（GPTS） 晚中新世時段（特別是其C5和C4r） 進行了修正[34]。在格陵蘭西南部低北極湖泊，將高分辨率XRF衍生的地球化學穩定同位素和元素與顏色數據進行了比較，得到了很好的對應關系[35]。在這些研究中，眾多學者將色度值與有機碳含量、碳酸鹽、花粉以及同位素等指標進行了對比，做了大量工作，比如恢復古環境、編制年齡框架、揭示天文周期及矯地磁年表。色度都能很好地反映古氣候的變化。

中國在對不同地區的湖泊古環境的復原中也用到了色度指標，其中大部分集中在青藏高原的湖泊沉積研究上。L*值與總有機碳含量和碳酸鹽含量及Ca元素有關，L*值高，反映氣溫低，L*值低，則氣溫高；a*值主要受到不同價態鐵離子礦物和碳酸鎂含量的控制，也反映氣溫，a*值高反映氣溫高，a*值低氣溫低；b*值主要受不同價態的鐵的氫氧化物含量大小影響，反映湖水深度變化和有效濕度的變化，b*值高，湖水淺，氧化作用增強。同時，a*值和b*值共同反映氧化-還原條件[36-39]。在對該地區進行古環境重建的同時，對湖相沉積物的L*值、a*值和 b*值與地球化學指標進行相關性分析，發現色度L*值與碳酸鹽及 Ca元素具有較好的正相關性。色度 a*值和 b*值與Mg元素和Fe元素具有較好的正相關性，而與Ca元素、碳酸鹽含量具有負相關性[40-41]。在對我國其他地區的研究中，利用湖泊沉積物色度和磁化率進行了對比，發現沉積物的色度和磁化率可以很好地吻合。其中，沉積物L*值分別與a*值、磁化率、黏土和有機質含量之間有很好的相關性。證明了沉積物色度可以較好地反映區域氣候環境變化[42]。同時利用湖泊沉積物的粒度、色度、磁化率及干密度等指標對瑪珥湖地區的環境和氣候變化進行了重建，發現色度L*值和a*值與磁化率、干密度和粒度特征呈很好的一致性。干密度可指示氣候冷暖變化，與 L*值具有相似的變化[43]。

2.2 黃土-古土壤中的應用

中國黃土分布廣泛、沉積連續性好，是重建古環境、恢復古氣候的理想材料。中國黃土高原黃土-古土壤序列詳細地記錄了2.5 Ma BP以來古氣候和古環境變化的信息[44]，Yang等[45]通過對黃土礦床的顏色變化與古氣候條件之間的關系的研究中發現，發現色度a*值表示黃土和土壤單位總體向南增加，與成壤發育向南增加的模式和目前的南北氣候梯度相一致。表明紅度a*值是黃土沉積物風化強度的有效指標。近年來對不同地區的黃土-古土壤也進行了大量研究。

王千鎖等[46]對朝那剖面末次冰期-間冰期旋回中的黃土-古土壤序列色度指標與磁化率進行了對比，發現亮度L*值與Hm（赤鐵礦）和Gt（針鐵礦）的比值相關性較好。a*值與Hm和Gt的比值有較強的正相關關系，反映土壤發育時期的水熱條件。而黃度b*與針鐵礦的相關性較好，與低頻磁化率χlf使用可以更好地反映土壤的發育程度。而且色度指標在變化頻率和幅度上較磁化率大，能很好地識別弱黃土-古土壤層。

在對新疆昭蘇黃土剖面[47]、六盤山盆地[48]和塬堡黃土剖面[49]等地區的黃土-古土壤的研究中，發現沉積物色度與磁化率、粒度、CaCO3和孢粉有很好的對應。在對昭蘇黃土剖面進行古環境重建的過程中，發現亮度L*在很大程度上受控于顏色分量a*值和b*值，同有機質含量關系密切。色度a*值受赤鐵礦含量的影響最大，其較好的正相關關系可以很好地反映氣候變干的過程。同時在六盤山盆地和塬堡黃土剖面的研究中，將色度值和磁化率相互結合，對古氣候進行了恢復。同時發現色度L*、a*和b*值與磁化率、孢粉、粒度和CaCO3等代用指標保持了一致性。在對其他地區黃土-古土壤色度參數的變化、色度主控因素及古環境重建的研究中發現色度可以很好地反映古氣候，而且與其他氣候指代指標能夠很好地吻合[50-53]。同時，能夠將色度和其他環境代用指標結合起來，進行年齡模型的建設[54]。

通過對不同地區黃土剖面的研究發現，色度能夠和其他指標相互結合，較好地反映古氣候變化。其中L*值受到碳酸鈣機制的影響，反映氣溫高低。而a*值和b*值受到針鐵礦和磁鐵礦的影響較大，反映當時的水熱狀況以及氧化-還原條件。同時紅度a*值還是黃土沉積物風化強度的有效指標。但是在對新疆昭蘇黃土剖面研究的時候發現，黃度b*值與針鐵礦相關性較差，其原因是b*值容易受碳酸鈣和有機質等多方面的影響和制約，以及L*a*b*顏色系統中不同顏色分量會相互影響對氣候轉變的敏感性不高。因此在對黃土-古土壤進行分析研究時，色度b*值對氣候過程的反映還有待驗證。

2.3 海洋沉積物中的應用

深海沉積物作為一種重要的深海環境變化記錄載體，是全球氣候變化的海洋記錄、古海洋學、古地磁學、碳循環及海洋儲碳、海洋沉積過程等研究方向基礎性研究材料[55]。眾多學者利用古地磁、粒度等傳統手段已經對海洋沉積物進行了研究[56-58]。但是在現代科學越來越追求定量化、高精度的背景下，色度在深海沉積物的研究中也得到了應用[59]。

對在西北冰洋及白令海的不同海區采獲的沉積巖芯研究發現，a*/b*與Mn之間具有較密切的相關變化。在間冰期時，大量風化的陸源Mn元素經陸架被搬運至洋盆，并隨洋流分布到氧化環境較強的海區沉積，形成了深褐色沉積層。到了冰期，因陸架封凍、海冰覆蓋率增高導致還原性沉積環境，造成北冰洋洋盆內形成土黃色或深灰色沉積。據此推測顏色及Mn元素含量的旋回變化應能指示冰期/間冰期旋回變化[60-63]。同時利用地球磁力的變化推算了沉積速率，并發現顏色也是一個很好的地層指標[64]。

除了對古環境的重建及色度影響因素的研究外，在挪威海北部進行了沉積物粒度組成、AMS14C測年、顏色反射率和高分辨率XRF地球化學元素無損掃描測試。陳漪馨等[65]運用因子分析方法判別了不同來源沉積物的地球化學組成差異，并與末次盛冰期以來北大西洋海洋循環機制和氣候變化對比分析，研究了了海洋環境變化對沉積物來源的影響和制約機制。在北大西洋亞熱帶地區，Lang等[66]利用沉積物顏色、CaCO3含量、有孔蟲、底棲碳同位素（d13C）和放射性同位素（Sr，Nd，Pb）研究了冰期-間冰期循環。在北大西洋Aptian-Albian期沉積物的研究中發現，該時期的大洋紅層與灰色、白色沉積物高頻旋回，而作為沉積期低溫氧化的產物的針鐵礦、赤鐵礦是導致樣品變紅的礦物學因素[67]。

在中國不同海域也利用色度與其他環境代用指標進行了沉積物的研究。在山東半島南部濱淺海區根據鉆孔稀土元素的垂向變化特征，并結合沉積物粒度、顏色、測年等其他指標進行了沉積環境的復原，發現色度與稀土元素、粒度等指標在沉積環境演變過程中的特征變化比較吻合[68]。在渤海萊州灣南岸利用沉積物的顏色反射率各參數變化進行了主成分分析，根據結果討論了影響海陸交互相沉積物中顏色變化的主要影響因子；并討論了顏色反射率、磁化率等指標的環境指示意義、周期性變化及可能的影響因素[69]。通過對南海南部陸坡海區近200 ka以來的沉積序列和氧同位素地層剖面高分辨率的研究發現，該海區沉積層序的顏色分層與氧同位素地層具有很好的對應關系，沉積物顏色特征隨氣候而變化[70]。

2.4 海岸帶研究

海岸帶是地球系統中陸地-海洋-大氣強烈交互的作用帶，其沉積物記錄了豐富的環境變化信息，海岸帶地區的沉積環境重建是認識全球變化的重要手段[71-72]。委內瑞拉北部海岸的卡里亞科盆地的色彩反射率和主要元素化學的沉積時間序列記錄了過去9萬年間熱帶大西洋水文循環的大幅度突變。這支持了熱帶反饋在末次冰期期間調節全球氣候中發揮重要作用的觀點[73]。近年來日本學者使用KONICA MINOLTA SPAD-503型色度計，對鉆孔巖芯做高密度色度測定，結合其他海陸相地層指標，對海岸沖積低地的古環境復原進行了卓有成效的研究[74-75]。堀和明等[76]將色度值與泥分含量和電導率結合對濃尾平原三角洲前緣相進行了劃分，并指出取樣巖芯半裁后的濕潤狀態下的三角洲前置層亮度（L*）比其下伏的底置層要小。堀和明等[77]將濃尾平原兩個鉆孔巖芯通過色度、粒度、沉積構造和電導率等分為7個帶，區分了海陸相地層，并討論了全新世中期以后的河流沉積物的特征。

利用色度對海岸帶進行古環境復原的手段在國內尚處于起步階段。高峰等[78]利用沉積物色度和粒度對渤海灣北岸晚新生代沉積環境和沉積體系進行了復原，并提出了利用色度進行沉積環境恢復的量化指標，認為：a*＞2.5，b*＞13.0為陸相沉積環境或含有鈣質淀積的湖相沉積；a*＜2.5，b*＜13.0為湖相或海相沉積。在河北平原滄州地區將沉積物色度與粒度和磁化率結合進行了古環境恢復，探討了環境變化與冰期旋回之間的關系[79]。在福建地區，利用古生物化石、沉積物色度、粒度分析及其參數等指標對平潭島北部蘆洋埔海積平原進行了沉積環境的劃分，重建了MIS6末期以來的沉積相變化過程，揭示了MIS5期間的多次海平面波動變化[80]。對澳門的一處古海灣沉積剖面利用粒度、磁化率、色度、植硅石及炭屑等指標恢復新石器時代以來的環境變化，并探討了人類活動對環境變化的影響[81]。

2.5 其他研究

沉積物顏色還可以作示蹤劑，可以區分潛在的沉積物源。與傳統方法相比，該方法更易于使用。比較使用顏色和礦物磁性示蹤劑得到的沉積物來源結果，通過與歷史沉積的沉積物一起使用，發現顏色可以作為一個可靠的示蹤劑[82-83]。新生代期間青藏高原東北部出現了明顯的氣候變化，通過青藏高原沉積層序的磁性、沉積物顏色和粒度等指標推測了西藏高原的隆升和西風的流通[84-85]。色度也應用于冰川的研究中。在對哈得遜海峽冰川[86]、勞倫蒂德冰原[87]、加拿大地區[88]的研究中，發現沉積物色度能夠反映冰川的進退。除此之外，色度在天文周期[89]、古地震[90]等有關研究中也開始應用。

3 展望

色度在古環境重建方面發揮著重要作用，隨著現代技術的不斷發展，在高精度的年齡框架下，對高分辨率下湖泊沉積、黃土-古土壤、海洋沉積和海岸帶沉積環境的重建起到了重要作用，也在沉積物示蹤、冰川進退、地質構造等其他方面獲得了進展。

但是色度在這些領域的應用仍然存在一些問題。色度學方法在揭示未固結或半固結沉積物沉積時的古氣候方面有著良好的應用，但成巖或成巖后演化對原巖成分的改造使得其在已成巖巖石中的應用還不多。因為和未固結或半固結沉積物相比，已成巖巖石經歷了成巖作用和后期改造，巖石沉積時形成的原生色可能發生了變化[91]。因此色度學方法在已成巖巖石中是否適用，以及色度指標與古氣候的關系如何等問題還有待進一步研究。色度在湖泊沉積中的應用也在短尺度的時間序列上進行，大尺度的時間序列上的應用有待研究。值得注意的是，為了有效地還原古環境，在對湖泊沉積物進行研究前，首先要了解沉積物來源。對黃土-古土壤和海洋沉積也僅僅建立在單個鉆孔上進行研究，還需進行大量的驗證。因此色度學在地質學領域仍有很大的發展前景。首先是在大尺度的古環境重建中驗證色度作為環境代用指標的可行性。其次應該在目前半定量化的基礎上繼續深入研究，建立色度對不同土壤類型的定量化反映。除了傳統方向的研究外，還要不斷擴展色度學在地質學其他方向上的應用。