楊 瑞, 王金貴, 李慶喆, 陳宏強, 卜 令

河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院, 河北 廊坊 065000

顏色是土壤最直觀且容易測量的物理屬性之一,它不僅可以反映土壤的礦物組成, 還可以指示沉積物在風(fēng)化成壤過程中, 沉積環(huán)境的變化規(guī)律。 土壤顏色的變化, 與土壤中致色礦物的含量息息相關(guān), 比如有機質(zhì)含量高會使沉積物顏色變暗, 赤鐵礦和針鐵礦會使沉積物紅度、 黃度發(fā)生變化。 隨著大量研究工作的開展, 色度參數(shù)對氣候的敏感性響應(yīng), 已成為了人們研究氣候變遷的替代性指標(biāo)[1-7]。 在大尺度地理空間中, 伴隨緯度及氣候帶的改變, 土壤色度參數(shù)具有一定的規(guī)律性變化, 且色度參數(shù)與氣候因子(年均降水和年均溫) 具有良好的函數(shù)關(guān)系[8-9]。 而在小范圍的黃土剖面中, 色度參數(shù)也可以反映不同地質(zhì)時期古氣候環(huán)境的演化。 例如, 王千鎖等[10]對黃土高原中部古土壤剖面進行研究發(fā)現(xiàn), 色度指標(biāo)變化有較高的頻率和幅度, 能更敏感地反映冰期-間冰期旋回氣候變化特征。 陳梓炫等[11]基于漫反射光譜和色度分析對土壤中赤鐵礦、 針鐵礦半定量研究發(fā)現(xiàn), 高熱環(huán)境中, 針鐵礦向赤鐵礦轉(zhuǎn)變, 土壤紅度值增大, 黃度值減小, 針鐵礦次峰值和赤鐵礦峰值比值與色度指標(biāo)b*/a*有良好的相關(guān)性。 而季峻峰等[12]認為該比值可作為反映東亞季風(fēng)干、 濕變化的敏感指標(biāo)。 比值較高時反映了干燥的土壤環(huán)境, 而較低時指示了潮濕的土壤環(huán)境。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

唐山地區(qū)位于燕山南麓傾斜平原, 緊鄰華北平原北部, 繼中生代隆起之后, 新生代新近紀早期, 該地區(qū)地貌仍然為隆起區(qū), 進入到新近紀后期及第四紀時期才開始接受來自燕山及灤河的物質(zhì)沉積[16-17]。 以豐潤南部豐臺—野雞坨斷裂為界(見圖1), 斷裂兩側(cè)基底形成了明顯的地貌分異, 西側(cè)鴉鴻橋凹陷內(nèi)新生代地層最厚可達1 000 m, 而東側(cè)唐山凸起新生代地層厚度僅為100～200 m[16]。 因古地貌的高低變化, 也使得斷層兩側(cè)沉積相存在差異, 處于斷裂下降盤的凹陷區(qū)以湖相、 三角洲相沉積為主, 處于上升盤的凸起區(qū)以洪積扇、 河流相沉積為主。

圖1 區(qū)域構(gòu)造地貌圖(據(jù)文獻[16] 修改)Fig.1 Tectonic landform map of the study area

因構(gòu)造分異形成的容量空間, 使唐山地區(qū)成為了燕山及灤河的主要沉積區(qū)域, 第四紀以來, 古灤河沖積扇從唐山以西向東逐漸遷移, 早中更新世, 古灤河沖積扇主要發(fā)育在沙流河一帶, 形成沙流河沖積扇;晚更新世, 古灤河在上游丘莊水庫一帶發(fā)生襲奪, 并在豐潤北部出山口形成沖積扇, 即為還鄉(xiāng)河沖積扇[18-20], 而PZK15 孔正好位于該沖積扇上。

2 PZK15 孔基本情況與研究方法

2.1 鉆孔基本情況

PZK15 鉆孔位于河北省唐山市豐潤區(qū)老莊子鎮(zhèn)光新莊子村, 鉆孔坐標(biāo)X: 4 402 115.707 Y: 598 425.363 H: 36.55, 鉆孔施工鉆機為機械鉆, 巖芯管直徑108 mm, 單管長100 mm, 鉆孔最終深度為80 m, 巖芯總長71.10 m, 綜合測井77.8 m。 整孔巖芯采取率＞85%, 滿足研究要求。 鉆孔巖性主要為黏土、 粉砂質(zhì)黏土、 黏土質(zhì)粉砂、 粉砂、 細砂、 中粗砂、 礫石等,照片(見圖2)。

圖2 唐山地區(qū)PZK15 鉆孔巖心照片F(xiàn)ig.2 Photograph of borehole PZK15 in the Tangshan area

2.2 測試及研究方法

PZK15 孔共采集色度測試樣品115 件(礫石層除外), 將樣品在室溫環(huán)境中自然風(fēng)干, 在不損壞沉積物顆粒結(jié)構(gòu)的前提下?lián)v碎磨細, 約200 目篩, 取4 g樣品用壓力機壓成圓片, 將圓片放于測試白板上, 在避光室內(nèi)用提前校準好的Konica-Minolta SPAD-503 色度儀進行測量, 同一樣品在不同區(qū)域測量3 次, 并記錄L*(亮度)、a*(紅度)、b*(黃度) 的平均值。

L*、a*、b*是CIELAB 表色系統(tǒng)中對顏色進行描述的常用參量, 它可以定量給出顏色范圍, 以減少人眼觀察出現(xiàn)的誤差, 在地學(xué)領(lǐng)域中運用廣泛。 其中L*值表示亮度, 數(shù)值范圍(黑色0) ～ (白色100),指示有機質(zhì)與碳酸鈣的含量差異。a*值表示紅度, 顯色范圍(紅色+60) ～ (綠色-60), 該值與致色礦物赤鐵礦等, 鐵的氧化物含量線型相關(guān), 可指示沉積物氧化程度。b*值為黃度, 顯色范圍 (黃色+60) ～(藍色-60), 該值隨土壤濕度增加而增大, 指示與季節(jié)性降水相關(guān)。

野外測井工作使用JGS-3 綜合數(shù)字測井設(shè)備, 利用電位差計的自動補償原理間接測量電位差, 激電測井使用DZD-6A 多功能直流電法儀, 對本鉆孔進行綜合測井, 測井設(shè)備穩(wěn)定可靠, 測井井深誤差小于0.2%, 保證了解釋的準確程度。 本次采用視電阻率(RT) 與自然伽馬曲線(SP) 的相互對比, 對鉆孔沉積相進行劃分。

電阻率測井中, 小顆粒的沉積物縫隙內(nèi)含有大量低電阻的井液, 而較為密實的大顆粒沉積物電阻較大, 因此, RT 曲線與巖性粒度具有明顯的對應(yīng)關(guān)系; 自然伽馬測井是沿井身測量地層的伽馬射線強度的方法, 地層的自然放射性是由于地層中含有鈾、釷、 錒及鉀的放射性同位素而引起的, 而泥質(zhì)物質(zhì)則易于吸附這類元素, 可見自然伽馬主要反映泥與砂礫的比值[24-27]。

1003 大動脈粥樣硬化與心源性栓塞大腦中動脈 M1 段閉塞急性缺血性腦卒中血管內(nèi)治療單中心回顧性分析 常曉贊，張 磊，李子付，許 奕，黃清海，劉建民，楊鵬飛，洪 波

3 結(jié)果

3.1 色度測試結(jié)果

PZK15 鉆孔色度結(jié)果按照沉積物巖性大致分為8個組段(見表1), 其中S0為古土壤層, 巖性以黏土為主, 深棕色, 紅棕色, 棱塊狀構(gòu)造, 質(zhì)地堅硬, 致密, 發(fā)育大量Fe、 Mn 質(zhì)結(jié)核; T0為地表土, 巖性為黏土、 砂質(zhì)黏土等; 其余T1～T6為過渡層, 巖性包括黏土、 粉砂—粗砂等。

表1 唐山西部PZK15 孔不同組段色度對比Table 1 Contrast of color in different stages of borehole PZK15 in western Tangshan

表1 顯示, 亮度值L*在各層均有變化, 整體變化范圍47.5～63.5, 均值為56.9, 變化頻率16.5%; 其中L*最小值集中于組段T0, 變化范圍47.5 ～51.2,均值49.3;L*最大值集中于組段T6, 變化范圍59.2～63.0, 均值61.3; 古土壤層S0,L*值變化介于50.4～56.7, 均值54.1, 地表土的L*值較古土壤層S0明顯偏低, 而組段T1與古土壤層相近, T2～T6過渡層較S0明顯呈現(xiàn)為高值。

鉆孔中a*值變化較明顯, 整體變化范圍3.3 ～11.6, 均值為6.6, 變化頻率76.8%; 不同組段a*值也存在較大差異, 地表土T0呈現(xiàn)最高值, 變化范圍9.0～11.6, 均值10.0; 古土壤層a*值次之, 變化范圍7.4～10.2, 均值8.6; 而T1與古土壤層S0相差不大, 其余T2～T6組段均表現(xiàn)為低值, 最低值為組段T5, 變化介于3.3～6.5, 均值為4.5。

b*值整體變化范圍14.3～24.8, 均值19.0, 變化頻率29.1%, 且不同組段b*值變化規(guī)律較一般, 組段T3 呈現(xiàn)最高值, 古土壤層S0與T3相近, 呈現(xiàn)為次高值, 介于19.2～24.5 之間, 均值21.5, 地表土T0～T2及T4～T6均呈現(xiàn)為低值, 組段T5表現(xiàn)為最低值。

3.2 沉積相劃分

整個鉆孔巖性由下而上依據(jù)沉積物巖性特征、 沉積構(gòu)造、 測井曲線及色度特征, 可劃分為8 個沉積階段(如圖3):

圖3 PZK15 孔測井曲線、 色度曲線與沉積相解譯圖Fig.3 The logging curves and the color index curves and the sedimentary types of PZK15 borehole

沉積階段Ⅰ: 深度70.5 ～80.0 m, 巖性主要以雜色砂礫石為主, 雜基主要為粗砂級碎屑物, 由石英、長石及巖屑等組成, 黏土膠結(jié); 礫石含量50%～60%,粒徑大小不均, 主3～5 cm, 個別10 cm 左右, 次棱角—次圓狀。 該階段沉積物以大顆粒物質(zhì)為主, 色度樣品較少, 僅T6組段中少量樣品分布于該沉積階段,研究意義不大。 RT 曲線呈高幅齒狀箱型, 與粗顆粒礫石相對應(yīng); SP 曲線可見2 個高幅或極高幅箱型或齒化箱型形, 顯示泥質(zhì)含量整體較高; 該沉積階段, 沉積過程中能量較大, 物源充足, 沉積物以快速堆積的“泥包礫” 為主, 偶有穩(wěn)定的細粒物質(zhì)堆積, 屬洪積扇沉積。

沉積階段Ⅱ: 深度61.1～70.5 m, 巖性以淡棕色、棕色粉砂、 黏土、 黏土質(zhì)粉砂、 粉砂質(zhì)黏土為主的細碎屑沉積物, 粉砂中發(fā)育水平層理, 黏土呈塊狀, 含有大量黑色錳質(zhì)結(jié)核和銹黃色鐵質(zhì)結(jié)核。 色度特征包括T5、 T6兩個組段旋回,L*變化范圍57.0 ～63.0,均值59.3;a*值變化3.3～8.0, 均值5.7;b*值變化14.3～22.2, 均值18.5。 RT 曲線為極底幅微齒狀, 顯示該沉積階段沉積物主要以細粒物質(zhì)為主; SP 曲線呈現(xiàn)為高中幅齒型或齒化箱型形, 較之前稍有降低, 曲線向上呈減小趨勢, 泥砂比整體較高, 該階段沉積特征為河漫灘相。

沉積階段Ⅲ: 深度46.6～61.1 m, 雜色砂礫石層,雜基主要為粗砂級碎屑物, 由石英、 長石及巖屑等組成, 黏土膠結(jié); 礫石含量50%～60%, 粒徑大小不均,主要為3 ～5 cm, 個別為10 cm 左右, 次棱角—次圓狀。 該沉積階段為大顆粒沉積物, 未采集色度樣品。RT 曲線呈2 個中高幅齒化鐘型; SP 曲線整體呈齒化箱型形, 泥質(zhì)含量整體較高; 沉積物以泥質(zhì)礫石為主, 攜帶能量較大, 卸載迅速, 與沉積階段Ⅰ相似,屬洪積扇沉積。

沉積階段Ⅳ: 深度42.3 ～46.6 m, 下部巖性為棕色細礫, 礫石大小以0.2 ～1 cm 為主, 上部巖性以棕色細砂、 中砂為主, 中砂中偶見礫石, 并發(fā)育斜層理。 該沉積階段色度特征與組段T4對應(yīng),L*變化范圍55.2～59.2, 均值57.3;a*值變化4.9 ～6.2, 均值5.6;b*值變化4.9～6.2, 均值17.6。 RT 曲線為極底幅微齒狀, SP 曲線整體呈齒化箱型形, 砂泥比較高;沉積物水動力較強, 具有一定的搬運能力, 該沉積階段具河床邊灘沉積特征。

沉積階段Ⅴ: 深度30.45～42.3 m, 巖性以深棕色黏土、 粉砂質(zhì)黏土、 黏土質(zhì)粉砂為主, 塊狀, 無層理。 色度特征, 主要包括了組段T3及古土壤層S0兩個旋回,L*平均值分別為58.2、 54.1, 向上呈減小趨勢;a*平均值分別為6.8、 8.6, 向上呈增大趨勢; 而b*平均值由21.6 到21.5, 向上變化不大。 測井曲線中RT 曲線為極底幅微齒型, SP 曲線整體呈中高幅齒化箱型, 沉積物以黏土為主, 層理發(fā)育較弱, 具河漫灘沉積特征。

沉積階段Ⅵ: 深度29.25 ～30.45 m, 棕色含礫粗砂, 細礫含量10%, 大小2～3 mm, 發(fā)育正粒序?qū)永怼Ｔ撾A段沉積厚度較薄, 色度樣品僅在T2組段中占較少部分,L*變化范圍57.8 ～59.1, 均值58.5;a*值變化4.3 ～4.9, 均值4.6;b*值變化14.6 ～15.1, 均值14.9。 RT 曲線為中高幅鐘型, 曲線呈向上減小,粒度變化明顯; SP 曲線呈低頻齒型, 顯示泥質(zhì)含量較少, 整體具河床滯留沉積特征。

沉積階段Ⅶ: 深度6.57～29.25 m, 巖性以淡棕色細砂、 中砂、 粗砂為主, 發(fā)育平行層理、 斜層理。 色度特征, 主要包括了T2組段及T1中的少部分,L*變化范圍53.1～63.5, 均值58.4;a*值變化3.5 ～9.1,均值5.3;b*值變化14.6～23.4, 均值17.3。 RT 曲線呈4 個極高幅高頻齒型或齒化箱型和1 個底幅齒化箱型, 沉積物粒度變化較快, 水動力較強, 呈現(xiàn)震蕩環(huán)境, 具河床邊灘沉積特征。

沉積階段Ⅷ: 深度0 ～6.57 m, 巖性以棕紅色黏土、 含粉砂黏土、 黏土質(zhì)粉砂為主, 塊狀, 無層理。色度特征, 包含了T2組段及表土層T0,L*平均值分別為54.2、 49.3, 向上呈減小趨勢;a*平均值分別為7.7、 10.0, 向上呈增大趨勢; 而b*平均值由20.4 到19.8, 向上變化幅度較小。 RT 曲線呈中低幅鐘型和微齒型, 向上趨于減小, SP 曲線呈中幅齒化箱型和中低幅齒型, 向上呈增大趨勢。 二者均指示沉積物粒徑向上變細, 黏土含量增多, 具河漫灘相沉積特征。

4 討論

4.1 鉆孔年代地層對比

PZK15 孔位于豐臺—野雞坨斷裂東側(cè)唐山凸起之上, 晚新生代以來, 該凸起受河流及洪泛作用影響,長期處于剝蝕狀態(tài), 全新統(tǒng)地層近乎無有。 鉆孔淺表巖性以棕黃色、 灰黃色黏土質(zhì)粉砂、 粉砂、 細砂等為主, 不發(fā)育區(qū)域上受海侵影響形成灰黑色湖沼相層[21-22], 且?guī)r性固結(jié)程度未能與區(qū)域上末次盛冰期形成的硬黏土對應(yīng)[23], 通過查閱2019 年1 ∶5 萬豐潤幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告等區(qū)域資料, PZK15 孔上部無全新統(tǒng)地層。

PZK15 孔可與唐山市玉田縣老莊子鎮(zhèn)七王莊村PZK20 孔進行對比(見圖4)[16], 高程差約9 m, 且二者均無全新統(tǒng)地層。 PZK15 孔46.40～61.10 m 間的礫石層可與PZK20 孔38.20 ～49.00 m 的礫石層對應(yīng),PZK20 孔上更新統(tǒng)下限為36 m, 則可對比得到PZK15上更新統(tǒng)與中更新統(tǒng)的界線約為46 m。

圖4 PZK15 鉆孔與PZK20 鉆孔地層對比圖(據(jù)文獻[16] 修改)Fig.4 Comparison of stratum between PZK15 and PZK20 boreholes

PZK20 孔Brunches 正極性時與Matuyama 負極性時分界深度為71 m, 對應(yīng)中更新統(tǒng)與早更新統(tǒng)分界,其下部發(fā)育一套黑灰色湖相層, 且湖相層上部為一套棕紅色黏土層, 含F(xiàn)e、 Mn 質(zhì)結(jié)核及粒徑較大的鈣質(zhì)結(jié)核。 PZK15 與其對比孔底部未見湖相地層, 且未見發(fā)育鈣質(zhì)結(jié)核的黏土層, 則可得到PZK15 底部80 m未到中更新統(tǒng)下限。

4.2 色度參數(shù)分析及意義

土壤顏色的變化受多種因素的影響, 其中包括沉積物自身的物質(zhì)組成、 結(jié)構(gòu)性狀, 以及在沉積過程中氣溫的變遷、 季節(jié)風(fēng)的強弱、 和雨水濕度等因素。 依據(jù)前人研究,L*值與土壤中有機質(zhì)含量具有同步異向的變化趨勢[1-3], 即L*值與有機質(zhì)含量呈高度負相關(guān);a*值受土壤中鐵的氧化物產(chǎn)物影響較大[8], 少量赤鐵礦就可以使土壤顯紅色, 伴隨a*值的不斷增大可指示土壤風(fēng)化程度在逐漸增強; 而b*值受氣溫和降雨量的影響較大[2], 伴隨沉積環(huán)境溫度的升高以及雨量充沛時, 黃度會呈現(xiàn)高值。

通過對PZK15 孔色度參數(shù)L*、a*、b*進行相關(guān)性分析, 如表2 所示,L*受a*變化影響較大, 受b*值影響較小,L*與a*呈明顯的負相關(guān), 相關(guān)系數(shù)r=-0.712;L*與b*呈一般負相關(guān), 相關(guān)系數(shù)r=-0.257; 而a*與b*呈明顯的正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)r=0.689。

表2 色度參數(shù)L*、a *、b *之間的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between chroma parametersL*,a *,b *

依據(jù)PZK20 孔在以往的研究中所給出的時代架構(gòu), PZK15 孔色度參數(shù)所研究的沉積物為中更新統(tǒng)中期到上更新統(tǒng)晚期的產(chǎn)物, 表1 中T6、 T5 組段對應(yīng)中更新統(tǒng)中期到晚期的色度值變化情況, 其中L*均值變化范圍為57.0 ～61.3, 呈增大趨勢,a*值7.0 ～4.5,b*值20.1 ～17.0, 同為減小趨勢; T3、 T4及S0組段可對應(yīng)上更新統(tǒng)早期, 即深海氧同位素MIS5 階段, T4、 T3、S0組 段 中,L*平 均 值 分 別 為57.3、58.2、 54.1,a*平均值分別為5.6、 6.8、 8.6,b*平均值分別為17.6、 21.6、 21.5, 呈高低起伏變化;T2、 T1組段與末次盛冰期相對應(yīng), 其中色度參數(shù)L*平均值介于58.6～54.2, 呈減小趨勢;a*平均值介于5.3～7.7 增大趨勢,b*平均值范圍17.2 ～20.4, 同為增大趨勢。

綜合色度參數(shù)高低變可得, 該地區(qū)中更新統(tǒng)中期到晚期氣候由濕暖向干冷變化, 沉積物中有機質(zhì)含量下降, 化程度在降低。 進入上更新統(tǒng)早期氣候有所回暖, 此時呈現(xiàn)出了暖-冷-暖的變遷過程, 而S0古土壤層可能形成于該時期最溫暖濕潤的階段。 而進入末次盛冰期時, 氣候大幅度降低, 呈現(xiàn)出了干冷向暖濕的變遷過程, T2組段可能與MIS4 階段相對應(yīng), 而T1組段對應(yīng)MIS3 階段。 T0組段為地表土, 受現(xiàn)代氣候濕度影響, 呈現(xiàn)出有機質(zhì)含量高, 風(fēng)化強度大, 土壤較為濕潤的特征。

4.3 沉積環(huán)境演化

依據(jù)色度及沉積相特征, 中更新統(tǒng)早期, 氣候較為干冷, 洪泛作用較強, 沉積物由山區(qū)被帶到平原區(qū)及凹陷湖盆內(nèi); 中更新統(tǒng)中期, 氣候轉(zhuǎn)暖, 該時期洪水退積, 沉積作用以扇上河道為主; 進入中更新統(tǒng)晚期, 氣候轉(zhuǎn)變?yōu)楦衫? 洪泛作用增強; 進入上更新統(tǒng), 氣候不斷轉(zhuǎn)暖, 洪水消退, 扇上河流作用增強,因下部泥石流地層堆積較厚, 地表逐漸趨于平緩, 最終形成了較為穩(wěn)定的曲流河沉積體系。

5 結(jié)論

(1) 色度參數(shù)對氣候變化具有較好的指示作用,其適用范圍不僅限于黃土—古土壤剖面, 湖盆沉積等, 而且也同樣適用于沖洪積平原沉積。 以PZK15 孔沉積物色度特征為例, 由下而上共劃分8 個組段, 分別指示了由中更新統(tǒng)中后期—上更新統(tǒng)末期不同時期氣候的冷暖遷移、 土壤風(fēng)化強弱及沉積環(huán)境的干濕變化。 綜合所得, 該地區(qū)中更新統(tǒng)中后期氣候由暖轉(zhuǎn)冷, 上更新統(tǒng)早期對應(yīng)深海氧同位素MIS5 階段氣溫變化為暖-冷-暖, 末次盛冰期時氣候由冷轉(zhuǎn)暖。

(2) 除地表土外,L*在古土壤層呈現(xiàn)為最低值,a*與b*在古土壤層呈最高值。 相關(guān)性分析顯示L*與a*呈顯著的負相關(guān)關(guān)系, 與b*呈一般負相關(guān)關(guān)系,a*與b*呈高度正相關(guān);L*低值與a*、b*高值組合可指示古土壤層發(fā)育, 氣候溫暖濕潤。

(3) 以PZK15 孔為代表的唐山凸起淺表第四系地層, 沉積環(huán)境以洪積扇相與曲流河相為主。 受氣候環(huán)境影響, 鉆孔下部發(fā)育兩次間歇性洪水, 沉積物以泥質(zhì)含量較高的砂礫石為主, RT 曲線與SP 曲線呈協(xié)同趨勢, 屬洪積扇相沉積; 鉆孔上部發(fā)育兩套河床-邊灘-河漫灘沉積, 二元結(jié)構(gòu)完整, 屬曲流河相沉積。