李世乾，李志文,2，周萬蓬，杜丁丁，黎武標

（1. 東華理工大學 地球科學學院，南昌 330013；2. 佛山科學技術(shù)學院 環(huán)境與化學工程學院，廣東 佛山 528225；3. 中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029）

粒度可以反映沉積物在形成過程中受到的風吹、搬運、懸浮和沉積等非線性作用（張存勇，2015）。傳統(tǒng)粒度參數(shù)如平均粒徑（MZ）、標準偏差（σ）、偏度（SK）、峰態(tài)（KG）等在描述粒度組成和揭示環(huán)境變化規(guī)律等方面被廣泛應(yīng)用（孫有斌等，2003；王昕梅 等，2019），是古氣候環(huán)境研究的重要指標。端元分析模型（Weltje et al., 2003）是基于高精度粒度結(jié)構(gòu)組份的有效分析工具，可以分離不同沉積動力作用下沉積物的粒度結(jié)構(gòu)組分，提取相關(guān)的敏感粒級反演環(huán)境變化，揭示沉積環(huán)境的動力組合和物源信息，在研究黃土沉積（王兆奪等，2020）、湖泊沉積（Dietze et al., 2012; Toonen et al., 2015；鐘寧 等，2020）、海洋沉積（張曉東等，2015）等方面取得良好的效果。

位于中國東部亞熱帶濕潤地區(qū)的鄱陽湖，廣泛分布著一系列由沙丘砂等沉積相組成的晚第四紀沉積序列，是研究該區(qū)域氣候變化的良好載體。已有研究探討這些沉積序列的年代（Jia et al., 2012）、物質(zhì)來源（龍進 等，2015）與環(huán)境變化（王志剛 等，2018）等科學問題，取得豐碩的成果。然而，前人主要對風沙沉積開展相關(guān)研究，較少涉及湖相及其與風成沙疊覆堆積。因此，本文基于鄱陽湖星子縣蓼花剖面的湖相、沙丘砂和古土壤沉積序列，以粒度分析結(jié)果為依據(jù)，運用端元分析模型探討蓼花剖面沉積物的粒度組分結(jié)構(gòu)，并與該剖面的黏粒體積分數(shù)、分選系數(shù)、Mz值、重慶YZ 洞石筍氧同位素作對比，討論其氣候環(huán)境意義，以期為鄱陽湖地區(qū)末次冰期沉積對東亞季風乃至全球的響應(yīng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

星子縣（29°08′—29°36′ N、115°48′—116°10′ E）地處江西省北部九江市，東臨鄱陽湖，西為廬山，地勢西北高東南低。氣候類型為亞熱帶季風氣候，夏季炎熱濕潤而冬季寒冷干燥，年均日照時數(shù)為1 920 h，年均有風天數(shù)約250 d，多年平均氣溫為15～18℃，多年平均降水量為1 400 mm。冬季盛行強勁的偏北風，由于鄱陽湖毗鄰的長江以北是北東向郯廬斷裂帶形成的寬廣平原（韓志勇 等，2010），缺少地形阻擋，偏北氣流呈Y 形吹至鄱陽湖（Jia et al., 2012），在湖岸兩側(cè)地形“狹管效應(yīng)”的影響下，風速加大，將因干涸而裸露的風沙物質(zhì)吹至湖濱地區(qū)，堆積成風沙地貌（賈玉芳，2012）。區(qū)域內(nèi)廣泛分布著第四系地層，其中晚更新世期間因風沙活動在地表堆積了許多沙山，上部多為灰黃色的全新世沉積，下部為紅色-棕紅色的晚第四紀風沙沉積序列（黨淑青，2013），形成一系列與風向平行的“沙山”，亦被稱為縱向沙壟（任黎秀 等，2008）。

蓼花剖面位于九江市星子縣蓼花村，東臨鄱陽湖，出露厚度約為9.9 m，自上而下可分成10 個地層單元，未見底。各地層的深度、沉積特征和采樣間距見表1。在LH3 頂部、LH5 頂部、LH5 底部和LH10 下部各采集1 個光釋光（OSL）測年樣品，LH9 底部采集1 個AMS-14C 測年樣品。根據(jù)年代測試情況，選擇LH3～LH10作為研究對象。

表1 九江市蓼花剖面地層特征描述Table 1 Description of stratigraphic characteristics of the Liaohua section in Jiujiang city

圖1 江西九江星子縣區(qū)位Fig.1 Location of Xingzi County, Jiujiang City, Jiangxi Province

2 實驗方法

2.1 年代測試方法

4個OSL 年代樣品在河北正定縣國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心完成，儀器為美國Daybreak 2200 的光釋光測定儀，測年方法為石英簡單多片再生法，測年結(jié)果、參數(shù)及采樣深度見表2所示。AMS-14C年代測試由美國Beta實驗室完成，為全樣品有機質(zhì)的測年結(jié)果，該樣品位于LH9 底部，深度約為744 cm，實測年齡為35.01±0.25 ka，校正后年齡為39.5±0.655 ka。

表2 蓼花剖面的光釋光測年結(jié)果Table 2 OSL ages of the Liaohua section

2.2 粒度測試方法

按照2 或1 cm 間距共采集527 個樣品，粒度實驗在東華理工大學核資源與環(huán)境國家重點實驗室完成，儀器為Mastersizer 2000型粒度儀（測量范圍為0.02～2 000 μm），測量誤差控制在2%以內(nèi)（雷國良 等，2006）。實驗步驟為：稱取適量樣品放入燒杯中，加入濃度為10%的雙氧水（H2O2）以去除有機質(zhì)，再加入鹽酸（HCl）以去除碳酸鹽；然后加入1mol/L的六偏磷酸鈉（NaPO3）6分散劑并用超聲波清洗機震蕩樣品10 min待測。每個樣品測試3遍并取其平均值。粒徑分級依據(jù)Udden-Wenetworth的分類標準（Wentworth, 1992），將粒度組分分為黏粒（<2 μm）、粉砂（2～63 μm）、極細砂（63～125 μm）、細砂（125～250 μm）、中砂（250～500 μm）、粗砂（500～1 000 μm）和極粗砂（1 000～2 000 μm）7 個類別，并根據(jù)Folk 等（1957）公式計算平均粒徑（Mz）、標準偏差（σ）、偏度（SK）、峰度（KG）等粒度參數(shù)。公式為：

式中：Mz指示沉積物的粒徑粗細和集中趨勢；σ表示顆粒大小的均勻程度，即沉積物粗、細顆粒的分選情況；SK 可以判別粒度分布的不對稱程度，對于了解沉積物的成因具有一定的意義；KG是用于判別粒度頻率曲線的尖銳程度，即衡量粒度分布中間部分與粗細兩端粒徑的展性之比，對于沉積環(huán)境具有較好的判斷意義。

2.3 端元分析

端元分析方法最早由Weltje（1997）提出，該方法認為在某一因子的影響下，其粒度分布曲線符合統(tǒng)計學的分布規(guī)律，可以通過粒度數(shù)據(jù)非參數(shù)化的形式劃分為若干個端元組分，每個端元對應(yīng)不同的動力條件。此后，該方法被不斷修改完善。本文采用Paterson等（2015）設(shè)計的AnalySize插件，利用Matlab R2018b 的AnalySize-masters 分析包，將粒度實驗數(shù)據(jù)導入軟件并分析。為確保端元模型的穩(wěn)定，刪除樣品中全部體積分數(shù)為0的粒級，利用粒度端元分析的Weibull 函數(shù)非參數(shù)化方法提取端元組分。假設(shè)端元數(shù)為1～10對LH剖面的粒度數(shù)據(jù)進行端元分解，對比不同端元數(shù)的線性相關(guān)性、角度偏差，然后選擇適合的端元數(shù)量。線性相關(guān)程度越高，角度偏差越小，說明粒度端元的頻率曲線與樣品粒度曲線的擬合程度越好（李越 等，2019；周聲芳 等，2021）。圖2-a顯示，當端元數(shù)由1增加到3 時，直線斜率值較大，相關(guān)系數(shù)R2增長快，達到0.98（一般認為＞0.8 即可滿足擬合要求），指示擬合程度較好。當端元數(shù)≥4 時，R2增長速率并不明顯。圖2-b顯示，當端元數(shù)由1至3時，角度偏差值θ迅速下降；當端元數(shù)量≥4時，角度偏差值降低的速度變慢。端元數(shù)為4 時，角度偏差＜5°，是理想的端元數(shù)值。但端元數(shù)為3 時，R2達到0.98，擬合程度非常高。因此，結(jié)合端元數(shù)和角度偏差盡量取小的原則（李越 等，2019；周聲芳 等，2021），將LH剖面的粒度數(shù)據(jù)分解為3個端元并進行分析。為表述方便，將3個端元組分分別命名為EM1、EM2和EM3。

圖2 蓼花剖面各端元擬合參數(shù)的相關(guān)性（a）及角度偏差（b）Fig.2 Correlation (a) and angle deviation (b) of fitting parameters of end members in Liaohua section

3 結(jié)果分析

3.1 年代學框架

根據(jù)年代樣品的深度及其測試結(jié)果（見表1、2），發(fā)現(xiàn)深度與年代二者之間有良好的對應(yīng)關(guān)系，年代隨著深度增加而增大，線性關(guān)系式為：Y=0.207 7X-0.438 9，相關(guān)系數(shù)為0.981 6（圖3，Y為深度，X為地質(zhì)時代）。根據(jù)表2 可知，蓼花剖面LH10 下部的測年結(jié)果為47 ka，與深海氧同位素（Lisiecki et al., 2005）末次冰期中MIS3b 階段的開始時間接近；剖面上部LH3頂部的OSL年代為17.1 ka，處于MIS2 階段的年代區(qū)間內(nèi)，其上覆地層LH2為淺棕紅色的沙質(zhì)沉積。因此認為，蓼花剖面LH3—LH10層位的年代區(qū)間為17.1—48.8 ka，屬于末次冰期中晚期的沉積物?；谝陨蠈崪y年代數(shù)據(jù)，利用分段沉積速率內(nèi)插法推測各層的年代，建立星子縣蓼花剖面的年代—深度框架（圖3）。

圖3 蓼花剖面地層序列與深度-年代框架Fig.3 Ages-depth relationship of the Liaohua section in the Last Glacial Period

3.2 粒度組分

蓼花剖面的粒度組成以粉砂、中砂和細砂為主，三者平均值之和為81.49%。其中粉砂為5.45%～82.36%（平均值為48.46%），中砂為1.33%～56.43% （23.56%） ， 細 砂 為 0.31%～22.78%（9.47%），粗砂為0.13%～53.20% （8%），黏粒為0.88%～13.52% （7.13%）， 極 細 砂 為0～11.04%（3.25%）。不同層位的各粒級的體積分數(shù)存在較大區(qū)別，如黏粒在沙丘砂層中較低（平均值為4.8%），在古土壤或湖相層中較高（平均值分別是8.89%和7.92%）；粗砂在沙丘砂層的體積分數(shù)最高（平均值為12.87%），古土壤次之（平均值為5.03%），湖相層中最低（平均值為4.32%）。各組分在剖面上的體積分數(shù)見圖4所示。

圖4 蓼花剖面各粒級組分體積分數(shù)Fig.4 Contents of each fraction of the Liaohua section

3.3 端元分析結(jié)果

粒度頻率分布曲線能反映粒徑的分布區(qū)間，可以直觀對比不同沉積相的粒度組成差異，便于判斷沉積物的形成環(huán)境。選取各沉積相的代表性樣品繪制粒度頻率分布曲線（圖5-a）。粒度頻率曲線為雙峰態(tài)，主眾數(shù)位于200～800 μm 的中砂-粗砂區(qū)間，次眾數(shù)位于3～70 μm的粉砂-極細砂區(qū)間，代表2種不同的動力環(huán)境。不同沉積相的粒度分布存在較大差異，湖相和古土壤中的粉砂體積分數(shù)較高，中-粗砂體積分數(shù)較低，沙丘砂與之相反。

根據(jù)參數(shù)化后的端元數(shù)據(jù)繪制端元頻率分布曲線（圖5-b），3 個端元代表不同的動力組分，均呈現(xiàn)單峰的形態(tài)，EM1、EM2 和EM3 的峰值范圍分別是2～90、140～700和280～1 000 μm，峰值區(qū)正好對應(yīng)粒度頻率分布曲線的2個眾數(shù)區(qū)間，說明參數(shù)化得到的3個端元組分是合適的。各端元組分的參數(shù)中，EM1、EM2和EM3的平均粒徑分別為12.15、270.02 和485.87 μm，分別屬于粉砂、中砂、中砂的范疇；分選系數(shù)分別為3.62，2.89，2.39，均屬于分選差的等級；EM1 偏度為-0.21，屬于負偏，EM2 和EM3 分別為-0.47、-0.42，屬于極負偏；EM1 的峰度為0.98，屬于中等峰態(tài)，EM2 為3.20，屬于非常窄的峰態(tài)，EM3 為2.98，屬于很窄的峰態(tài)。

圖5 粒度頻率曲線（a）和端元頻率曲線（b）Fig.5 Particle size frequency curve (a) and member frequency curve (b)

各地層的端元組分體積分數(shù)列于表3中。各端元組分在古土壤和湖相沉積中的體積分數(shù)基本一致，EM1 體積分數(shù)高而EM2 和EM3 體積分數(shù)低；在沙丘砂中EM2的體積分數(shù)明顯增加，說明不同沉積環(huán)境中搬運動力存在較大差異。

表3 各層組的端元組分體積分數(shù)Table 3 Content of end-member components in each layer group

4 討論

蓼花剖面在末次冰期形成湖相、古土壤以及沙丘砂的交替沉積，構(gòu)成氣候的沉積旋回，氣候指標也發(fā)生明顯的峰谷值交替（圖6）。根據(jù)實驗結(jié)果，并與重慶YZ 洞石筍氧同位素（Wu et al., 2020）和格陵蘭冰心（Grootes et al., 1993）記錄對比，對末次冰期中晚期的氣候特征論述如下。

階段Ⅰ：地質(zhì)時代為48.8—39.5 ka，包括地層LH10，為沙丘砂。該階段相當于深海氧同位素記錄的MIS3b階段（Lisiecki et al., 2005）。Mz較粗，為2.96Ф，明顯低于全剖面的平均值（4.41Ф），σ值為2.38，低于全剖面的平均值（2.65），說明該階段分選較好。EM1 的平均體積分數(shù)為21.95%，是全剖面的最低值。EM2 和EM3 呈現(xiàn)峰值，平均體積分數(shù)分別為51.09%和26.96%，前者體積分數(shù)由低變高，后者則由高逐漸減少。表明此階段冬季風勢力加強，氣候寒冷干燥，導致沉積物中粗顆粒組分的體積分數(shù)劇增，沉積相為沙丘砂。其西南方位相隔僅數(shù)10 km 的南昌市厚田沙地也顯示該地區(qū)為冬季風強勢期，發(fā)育為沙丘砂（王志剛 等，2018；詹江振等，2020），同時也對應(yīng)重慶YZ洞石筍氧同位素（Wu et al., 2020）的谷值以及格陵蘭冰心（Grootes et al., 1993）的峰值，這些指標記錄說明該階段屬于夏季風減弱而冬季風強勢的寒冷時期。

階段Ⅱ：地質(zhì)時代為39.5—28.1 ka，包括地層LH9—LH6，為湖相和古土壤沉積，相當于MIS3a階段。Mz平均值為4.76Ф，明顯高于全剖面MIS3b的平均值。σ值為2.84，高于剖面的平均值，說明該階段分選較差，粒度組成更為復雜。圖6 和表3顯示，EM1體積分數(shù)前期穩(wěn)定而中后期的峰谷頻繁交替，整體上保持較高的體積分數(shù)，平均為59.36%。EM2 和EM3 呈現(xiàn)明顯下降趨勢，平均體積分數(shù)分別為34.42%和6.32%。端元體積分數(shù)的變化特征說明該階段的氣候變得溫暖濕潤，降水增加，風化—成壤作用加強，早期發(fā)育湖相（LH9—LH7）而晚期發(fā)育古土壤（LH6），使沉積物中的細顆粒組分體積分數(shù)增加，粒度組成更加復雜。該階段在厚田沙地發(fā)育砂質(zhì)古土壤，指示夏季風增強（王志剛 等，2018；詹江振 等，2020）。同時也對應(yīng)于YZ 洞石筍氧同位素的峰值（Wu et al., 2020）和格陵蘭冰心（Grootes et al., 1993）的低值，在黃土高原也顯示為冬季風較弱期（安芷生 等，2000）。說明該階段氣候溫暖濕潤，夏季風增強，降水增加，導致風沙活動減弱。

圖6 蓼花剖面各階段端元體積分數(shù)、平均粒徑、分選系數(shù)與其他氣候記錄對比Fig.6 Comparison of percentage content, average particle size and sorting coefficient of endmembers in different stages of Liaohua section with other climatic records

階段Ⅲ：地質(zhì)時代為28.1—17.1ka，包括地層LH5—LH3，為沙丘砂、湖相和古土壤沉積，相當于MIS2 階段。Mz 平均值為4.99Ф。根據(jù)圖6 和表3，EM1 體積分數(shù)呈現(xiàn)為先減少，后升高的趨勢，在LH5層中平均體積分數(shù)為25.9%，在LH4和LH3中則快速增加至約70%；EM2體積分數(shù)趨勢與EM1相反，在LH5 中平均體積分數(shù)為68.74%，在LH4和LH3 中迅速降低，變?yōu)?7.68%和24.81%；EM3體積分數(shù)無明顯變化，在5%左右波動。這些變化特征說明該階段氣候在早期和晚期的氣候寒冷干燥，發(fā)育沙丘砂，冬季風強盛。而在中間變得溫暖濕潤，發(fā)育湖相和古土壤，降水增加，風化—成壤作用加強。該階段在厚田沙地晚期發(fā)育沙丘砂，中期發(fā)育砂質(zhì)古土壤的變化規(guī)律吻合（王志剛 等，2018；詹江振 等，2020）。在東亞季風區(qū)的薩拉烏蘇流域（張成君 等，2017），在29—23 ka 和20—17 ka有2次明顯的湖沼相和古土壤，也分別對應(yīng)石筍記錄（Wu et al., 2020）的峰值到谷值和冰心記錄（Grootes et al., 1993）的谷值到峰值的變化，說明LH剖面在MIS2階段總體上是由冬季風控制的寒冷干燥期，但存在氣候變?yōu)榕瘽竦牟▌印?/p>

5 結(jié)論

通過對江西省九江市星子縣蓼花剖面末次冰期中晚期（48.8—17.1 ka）沉積物的粒度端元分析，并與前人的研究進行對比，得出以下主要結(jié)論：

1）端元粒度模型分析將粒度數(shù)據(jù)分解為3個端元，其中EM1代表粉砂組分，指示弱動力環(huán)境和強成壤作用，在湖相和古土壤沉積中為峰值，沙丘砂中為谷值；EM2和EM3代表中砂-粗砂組分，指示強搬運作用，在沙丘砂中為峰值，在古土壤和湖相沉積中為谷值。

2）萬年尺度上表現(xiàn)為LH10（48.8—39.9 ka）和LH3—LH5（28.1—17.1 ka）的冬季風強盛時期，氣候寒冷干燥，分別對應(yīng)深海氧同位素的MIS3b和MIS2 階段。LH6—LH9（39.9—28.1 ka）為溫暖的夏季風時期，對應(yīng)MIS3a 階段。與重慶YZ 洞石筍氧同位素和格陵蘭冰心的記錄有良好的對應(yīng)關(guān)系，說明其氣候記錄與區(qū)域乃至全球氣候變化基本一致。

致謝：感謝審稿專家和編輯部對論文提出的寶貴意見和建議。