基于激光粒度測試法的閩粵沿海花斑粘土成因研究

王 晶， 陳 震， 高全洲*

1. 中山大學地理科學與規劃學院， 廣東 廣州 510275 2. 中山大學地球科學與工程學院， 廣東 廣州 510275

引 言

我國閩粵沿海第四紀盆地(如珠江三角洲、 練江平原、 韓江三角洲以及福建沿海盆地等)的上更新統與全新統之間， 廣泛發育一套黃色粉土層， 有時表現為以黃色為基色， 混雜紅、 灰的斑紋狀結構， 因此也被稱作“花斑粘土”[1-2]。 現有研究認為， 花斑粘土是晚更新世末期海進時的河、 海相沉積， 在末次盛冰期全球低海面時暴露地表， 頂部一定厚度的沉積風化而成[1-2]。 而初步的研究發現： 花斑粘土與其下伏河、 海相沉積在成分及結構等方面均存在顯著差異， 無明顯過渡， 不具備典型的風化成因關系； 花斑粘土具粉砂感， 風干后易隨風飛揚， 沉積特征具有風成特性。

近年來， 隨著粒度測試技術的不斷發展， 依據光學散射原理測試顆粒粒徑的激光粒度分析方法在國內外有著廣泛的運用[3-4]。 除了在醫藥、 化工、 建材、 電子、 食品、 環境等領域的應用， 激光粒度在地質沉積學中也發揮著越來越重要的作用[3-4]。 粒度特征是反映沉積物搬運介質、 沉積條件的重要指標， 是研究沉積物沉積環境及成因的有效方法。 當激光光束遇到大小不等的顆粒時， 會產生不同角度的散射， 通過探測散射光的強度可計算樣品的粒度分布。 相對于傳統機械分析方法而言， 激光粒度分析法所需樣品量少、 測試速度快、 精度高。 鑒于此優勢， 使用該方法， 對該套花斑粘土的粒度特征進行深入分析， 從而探討其成因。

1 實驗部分

1.1 鉆孔及采樣

花斑粘土廣泛分布于閩粵沿海的第四紀盆地中， 尤以珠江三角洲為盛(圖1)。 該層粉土的厚度不大， 一般為幾十～幾百cm， 通常形成于晚第四紀以來兩次高海面之間的海退期， 由于受海水擾動作用的影響， 年代較老的多被破壞， 現多保留年齡為25～10 ka的末次盛冰期的層位[1-2]。 為了揭示花斑粘土的成因， 本文選擇珠江三角洲的三個第四紀鉆孔(圖1)， 對各鉆孔中的花斑粘土層及其下伏沉積按照平均8 cm的間距連續采樣， 樣品共計94個。

圖1 本研究搜集和研究鉆孔分布

1.2 測試方法

將所采集的樣品取適量分別放入50 mL小燒杯中， 先加入10%的雙氧水以除去有機質， 后加入10%的濃鹽酸以除去碳酸鈣。 每加試劑后， 放置于電熱板使樣品充分反應。 最后， 將燒杯注滿蒸餾水反復清洗， 直到溶液呈中性為止。 上機測試前， 加入10 mL 0.05 mol·L-1的六偏磷酸鈉進行分散， 并在超聲波振蕩器中震蕩10 min。 測試儀器為英國Mastersizer 2000型激光粒度儀(測量范圍0.02～2 000 μm)。

2 結果與討論

2.1 粒度組成

本文采用5， 10和50 μm作為粘粒、 細粉砂、 粗粉砂、 砂礫石的分界點。 從表1可看出， 各鉆孔的花斑粘土均以粗粉砂(10～50 μm)為第一眾數粒組， 平均含量介于37.52%～50.21%； 粘粒(<5 μm)的平均含量介于25.59%～32.92%， 是粒度組成中的次眾粒組； 細粉砂(5～10 μm)的平均含量介于20.90%～26.01%； 砂礫石(>50 μm)的含量最少， 平均值介于3.30%～4.14%， 幾乎不含>100 μm的顆粒(表1)。 總體上， 花斑粘土以粉砂(5～50 μm)為主， 巖性屬粘土質粉砂， 而并非傳統所認為的“粘土”(為了避免與以往慣用名稱相混淆， 本文依舊將其稱為“花斑粘土”)。

表1顯示， 花斑粘土的粒度組成模式在不同鉆孔之間較為一致， 在單個鉆孔中的不同深度也相似， 主要表現為各鉆孔垂向上各粒組含量的最大值與最小值相差不大(表1)， 粒度總體上均一而穩定， 表明樣品在堆積前經歷了充分的混合和分選， 這是風成沉積的典型特征。

將各粒組含量繪制成柱狀圖可更為直觀的顯示樣品的粒組分布特征(圖2)。 劉東升先生研究黃土時， 將10～50 μm的粗粉砂和<5 μm的粘粒分別定名為風成沉積的“基本粒組”和“挾持粒組”， 兩者是風成沉積的典型粒組構成[5]。 通過對比， 花斑粘土同樣以風成黃土的“基本粒組”(黑色方柱)和“挾持粒組”(灰色方柱)為主要粒組構成， 其余依次為5～10及>50 μm的方柱[圖2(a—c)]。 該粒組配分特征與典型黃土一致[圖2(d, e)]， 表明花斑粘土具有風成特性。

而TS和JT鉆孔花斑粘土下伏沉積均以粘粒(<5 μm)為第一眾數粒組， 細粉砂(5～10 μm)為第二眾數粒組(表1)， 且隨著粒級增大， 各粒組方柱呈遞減趨勢[圖2(f, g)]， 為典型的海相淤泥； SJ鉆孔花斑粘土下伏沉積以>50μm的粗砂礫石為主要構成， 粒組方柱最高， 其次為10～50μm的方柱[圖2(h)]， 且各粒組含量變化范圍廣， 不同深度相差很大(表1)， 表明搬運動力不穩定， 符合河流相沉積的粒度特征。 由此可見， 花斑粘土層與其下伏海、 河相沉積在粒度組成模式上截然不同， 表明它們在搬運方式及所體現的成因上并無關聯。

表1 花斑粘土的粒度特征以及與下伏沉積、 典型黃土的對比

圖2 花斑粘土的粒度組成柱狀圖以及與下伏沉積、 典型黃土的對比(取表1中的平均值)

2.2 粒度參數

粒度參數是判斷搬運介質及沉積環境的重要依據。 其中， 平均粒徑(Mφ)反映樣品分布的集中趨勢， 不同鉆孔花斑粘土的平均值介于6.73～7.03φ； 分選系數(σ)反映顆粒的分選程度， 介于1.56～1.61； 偏度(SKφ)表示樣品粒度分布的不對稱程度， 平均值介于0.25～0.64， 屬于正偏-極正偏； 峰態(Kg)介于2.76～2.99， 表明樣品的頻率分布曲線形態較尖銳。 總體上， 花斑粘土的各項粒度參數在不同鉆孔之間變化不大， 單個鉆孔中的最大值與最小值也相差不大(表1)， 表明樣品粒度均一， 搬運動力穩定， 符合風成特征。 通過對比， 花斑粘土的粒度參數與典型黃土具有較好的可比性(表1)， 表明它們在沉積環境及成因上的相似性。

而相比于花斑粘土， 其下伏海相沉積的平均粒徑(Mφ)分別為7.80φ(TS)和7.43φ(JT)， 粒度更細； 下伏河流相沉積為5.03φ(SJ)， 粒度更粗(表1)。 分選系數(σ)上， 下伏海相沉積平均值分別為1.43(TS)和1.44(JT)， 均小于花斑粘土； 下伏河流相沉積為2.59(SJ)， 大于花斑粘土(表1)。 偏度(SKφ)上， 下伏海相沉積的平均值分別為0.19(TS)和0.15(JT)， 小于花斑粘土， 近正態分布(表1)。 下伏河流相沉積的偏度(SKφ)和峰態(Kg)的最大值與最小值相差較大(表1)， 表明搬運動力極不穩定。 上述差異表明， 花斑粘土與下伏沉積層在粒度參數所反映的沉積環境上存在較大差異。

2.3 粒度參數散點圖

粒度參數散點圖是將不同的粒度參數分別作為橫縱坐標進行投點。 大量研究表明， 不同成因類型的沉積物在粒度參數散點圖中的投點均有各自的區間范圍， 因此可以更有效的區分不同沉積物的屬性及成因[7]。

各散點圖中， 花斑粘土的投點與典型黃土具有一致的范圍(圖3)， 表明兩者在沉積類型上的相似性。 而相對于花斑粘土和典型黃土， 下伏海相沉積的投點在圖3(a—c)中偏右， 圖3(d,e)中偏左， 表明海相沉積的平均粒徑(Mφ)較大， 分選值(σ)較小。 各圖中， 花斑粘土下伏河流相沉積的投點散落不集中， 表明沉積環境動蕩， 這與花斑粘土及典型風成沉積均存在較大差異(圖3)。

圖3 花斑粘土的粒度參數散點圖以及與下伏沉積、 典型黃土的對比

2.4 粒度判別分析

前人對不同沉積相的粒度參數進行統計分析， 總結出Y=-3.568 8Mφ+3.701 6σ2-2.076 6SKφ+3.113 5Kg(Y=判別參數， Mφ=平均粒徑，σ=分選系數， SKφ=偏度， Kg=峰態)用于判別風成沉積[9]。 研究發現， 風成沉積的Y值皆為負值且一般>-10[9-10]。 通過計算， 三個鉆孔中花斑粘土的判別參數值均符合風成沉積的范圍， 并與典型黃土具有較好的可比性(圖4)。 下伏海相沉積的Y值較小， 介于-13～-9的范圍； 下伏河流相沉積的Y值介于0～40的范圍， 均為正值， 且不同層位Y值相差較大， 與花斑粘土差異十分明顯(圖4)。 因此， 判別分析結果同樣表明， 花斑粘土具有風成特征， 與下伏沉積在成因上并無關聯， 花斑粘土不應為下伏海、 河相沉積風化而成。

圖4 花斑粘土的粒度判別結果以及與下伏沉積、 典型黃土的對比(西峰黃土數據引自[8])

2.5 粒度指數特征

粒度指數圖是依據樣品的中值粒徑(Md)以及四分位值(Q1和Q3)而作的股價圖。 其中， 中值Md， Q1和Q3是樣品累積百分含量分別在50%， 75%和25%時所對應的粒徑。 這些參數是反映沉積類型及沉積環境的重要指標。

圖5顯示， 同一鉆孔以及不同鉆孔之間， 花斑粘土的指數展布范圍較為統一， 均介于5～8φ之間， 與典型黃土具有較好的可比性， 表明花斑粘土具有風成特性。 而花斑粘土下伏海相沉積的粒度指數介于6～9φ， 明顯高于花斑粘土和典型黃土(圖5)； 下伏河流相沉積的指數展布跨度大， 介于0～9φ， 且不同層位的樣品展布范圍不一致， 表明粒度極不均一， 分選性差(圖5)。 可見， 花斑粘土與下伏海、 河相沉積在粒度指數及其所反映的沉積環境上亦差異明顯。

圖5 花斑粘土的粒度指數以及與下伏沉積、 典型黃土的對比(西峰黃土數據引自[8])

2.6 粒度相分析

粒度相分析是將一些與沉積過程密切相關的粒徑及所對應的百分含量繪制成散點圖。 最常見的粒度相是C-M圖， C代表樣品累積含量在1%時對應的粒徑(μm)， 表征樣品的粗粒級組分； M代表中值粒徑， 即樣品累積含量在50%時對應的粒徑(μm)， 橫縱坐標皆用對數表示。 CM圖可通過將未知成因的樣品在圖中的投點區域和已知成因的樣品的投點區域進行比較， 從而確定未知樣品的成因和沉積環境， 是一種綜合性的成因圖解[11]。 此外， 粒度相還有A-M和L-M圖。 A代表樣品<4 μm的百分含量， L代表樣品<31 μm的百分含量。 這些粒度相全面的反映了沉積物的粒度特征， 可以用來綜合判斷沉積物的沉積類型， 反映沉積環境。

圖6的C-M圖中， 花斑粘土投點集中， 其下伏海相沉積的投點偏左， 中值粒徑偏小。 而下伏河流相沉積的投點分布零散， 相對花斑粘土層偏右上， 中值粒徑偏大， 粗粒級組分含量更多(圖6)。 在A-M及L-M圖中， 樣品的投點均呈帶狀分布， 花斑粘土與其下伏沉積層均分布在不同的范圍(圖6)， 表明花斑粘土在成因及沉積環境上與其下伏沉積沒有關聯， 花斑粘土并非其“原沉積相”風化形成。

鹿化煜等[8]對黃土高原黃土、 古土壤以及紅粘土樣品進行了粒度相分析。 由于沒有源數據， 本文將文獻中典型風成沉積的粒度相投點區域疊加到圖6中以做對比研究。 通過對比， 閩粵沿海花斑粘土的投點區域與典型風成沉積所在的粉色區域在各圖中均重合(圖6)， 表明花斑粘土與典型風成沉積在沉積類型上的一致性。 結合前述粒度分析各項指標， 可進一步判定， 花斑粘土為風成成因。

圖6 花斑粘土的粒度相以及與下伏沉積、 典型黃土的對比(典型黃土投點區域總結自[8])

3 結 論

使用激光粒度分析方法， 對珠江三角洲晚第四紀的花斑粘土進行了系統的研究。 結果顯示， 花斑粘土的粒度組成、 粒度參數、 散點分布、 判別分析、 粒度指數特征及相分析均指示風成成因， 與典型黃土具有較好的可比性， 而與其下伏沉積差異截然。 由此， 花斑粘土并非原地風化形成， 而屬末次盛冰期外來的粉塵堆積。 由于風成沉積經歷了充分的混合和分選， 堆積時顏色及結構均勻， 因此“花斑”結構不應是沉積時形成， 而是冰后期(全新世)濕熱氣候環境改造的表象。 激光粒度方法深入有效的分析了研究區晚第四紀花斑粘土的粒度特征， 并為其成因判斷提供了重要依據。 本研究對今后華南沿海晚第四紀古氣候環境及風場格局的重建具有重要的科學意義。