研究中选用华南沿海台地上的7个剖面作为主要分析研究对象, 剖面位置见图1。 所有剖面中, 除了白沙剖面的黄色粉土位于网纹红土之上[图2(a)], 西淋岗剖面属于连续的晚第四纪珠三角地层, 后期因新构造运动抬升而成为台地, 其余剖面的黄色粉土均直接覆盖于基岩风化壳或基岩之上。 其中, 新墟剖面的黄色粉土覆盖于风化红层之上[图2(b)]; 华林剖面的黄色粉土覆盖于风化花岗岩之上[图2(c)]; 镀锌厂剖面的黄色粉土覆盖于风化云母片岩之上; 连州北、 三排镇南两个剖面的黄色粉土覆盖于新鲜灰岩之上。 各剖面中的黄色粉土层均与下伏基岩或基岩风化壳存在明显界限, 且在物质成分结构上存在明显差异[图2(b)和(c)]。 因此, 完全可以排除黄色粉土为基岩风化物的可能。 后期抬升型的粉土虽偶混有周缘基岩残余的石英颗粒, 但粉土部分在粒度及成分上十分均一, 与河流相、 洪冲积相等亦存在较大差异。 此外, 该套粉土层与华南沿海已知的第四纪沉积类型均无法对比。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 研究区地理位置及剖面分布(改编自[6]) (a): 研究区地理位置及黄土分布; (b): 研究剖面位置Fig.1 Loess distribution in central and northern China and location of typical loess sections (a), and the studied sites examined in the coastal area of south China(b) (Recompiled after [6])

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 华南沿海黄色粉土剖面 (a): 白沙剖面; (b): 新墟剖面; (c): 华林剖面Fig.2 Yellow silt sections in the coastal area of south China (a): Baisha section; (b): Xinxu section; (c): Hualin section

沉积物的粒度组成直接反映了搬运介质的动力条件, 在此基础上可进一步指示成因。 研究中使用激光粒度分析的方法, 对上述7个剖面所采集的207个样品进行分析测试。 由于部分样品中混有少量原地或近源基岩风化残余的岩屑、 岩块或石英晶体颗粒, 这部分样品首先使用淘洗法进行分离, 分离后的粉土样品放置于烘箱低温烘干以备粒度测试的预处理。

将各剖面的均质黄色粉土样品取适量, 先加入10%的H₂O₂以去除有机质, 后加入10%的HCl以去除碳酸钙。 每加入试剂后均放置于电热板上加热以确保充分反应。 最后, 用蒸馏水充分清洗样品。 上机测试前, 所有样品分别加入10 mL 0.05 mol· L^-1的六偏磷酸钠(NaPO₃)₆, 并放置于超声波震荡仪中震荡20 min, 待样品充分分散后, 即可进行粒度测试。 测试仪器为英国MALVERN仪器公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪(测量范围为0.02~2 000 μ m)。

将5, 10和50 μ m分别作为粘粒、 细粉砂、 粗粉砂、 粗砂砾石的分界线。 由表1可知, 各剖面的黄色粉土皆以10~50 μ m的粗粉砂为第一众数粒组, 含量平均值介于38.35%~55.28%, 该粒组是黄土沉积的“ 基本粒组” ^[7]; < 5 μ m的粘粒为第二众数粒组, 含量平均值介于20.29%~35.49%, 该粒组是黄土沉积的“ 挟持粒组” ^[7]。 上述两个粒组构成了风成沉积的特征粒组^[7]。 其次分别为5~10 μ m的细粉砂及> 50 μ m的粗砂砾石, 含量平均值在各剖面的变化范围分别为13.61%~23.96%及2.40%~13.81%。 各粒组在剖面不同层位含量变化稳定, 最大值与最小值相差不大, 变异系数较小(表1), 表明样品在堆积前经历了充分的混合及分选, 是风成沉积的典型特征。 从粒度组成柱状图可更为直观的看出: 华南沿海不同剖面的粒度构成一致, 均以10~50 μ m和< 50 μ m为主要粒组构成, 柱状图均呈“ 双峰式” 分布(图3)。 各地粉土粒度均一, 表明搬运介质稳定, 为风成成因提供又一证据。 在岩性三角图中, 华南沿海黄色粉土投点集中, 岩性一致, 均属于粘土质粉砂(图4)。 通过对比, 上述粒度特征均与我国典型黄土及下蜀土具有较好的可比性, 表明在搬运模式及成因上的相似性(表1、 图3、 图4)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 华南沿海黄色粉土的粒度组成特征以及与典型黄土, 海、 河相沉积的对比 Table 1 Grain size characteristics of yellow silt in the coastal area of south China and their comparison with the typical loess, marine and fluvial deposits 剖面名称 类型 粒度组成(μ m)% < 5 5~10 10~50 > 50 白沙 黄色粉土 最大值 33.85 16.00 52.18 21.45 最小值 18.10 11.46 42.89 8.58 平均值 26.27 13.61 46.42 13.81 变异系数 0.14 0.08 0.05 0.25 新墟 黄色粉土 最大值 33.65 26.62 46.49 3.20 最小值 26.29 21.54 38.15 1.39 平均值 30.26 23.96 43.38 2.40 变异系数 0.07 0.07 0.06 0.20 镀锌厂 黄色粉土 最大值 22.26 20.32 57.14 9.36 最小值 17.14 16.35 52.94 4.48 平均值 20.29 18.54 55.03 6.14 变异系数 0.14 0.11 0.04 0.45 西淋岗 黄色粉土 最大值 41.37 24.75 42.30 9.43 最小值 30.60 18.30 31.58 2.61 平均值 35.20 21.19 38.35 5.28 变异系数 0.08 0.07 0.08 0.30 连州北 黄色粉土 最大值 24.72 16.38 52.24 7.04 最小值 24.50 16.30 52.02 6.87 平均值 24.60 16.33 52.11 6.96 变异系数 0.00 0.00 0.00 0.01 三排镇南 黄色粉土 最大值 24.42 15.74 55.38 4.76 最小值 24.22 15.63 55.18 4.64 平均值 24.34 15.70 55.28 4.69 变异系数 0.00 0.00 0.00 0.01 华林 黄色粉土 最大值 37.78 18.72 41.37 6.56 最小值 34.65 18.69 36.94 5.26 平均值 35.49 18.70 40.22 5.59 变异系数 0.05 0.00 0.06 0.13 陕西洛川 马兰黄土 平均值 27.40 12.50 53.30 6.80 江苏镇江 下蜀土 平均值 28.44 18.02 49.36 4.18 珠江三角洲 海相淤泥 最大值 56.69 29.68 29.42 1.25 最小值 41.19 26.52 16.59 0.18 平均值 51.79 27.55 20.20 0.45 变异系数 0.08 0.04 0.17 0.66 珠江三角洲 河流相粉 砂质砂砾 最大值 18.22 10.17 32.18 81.34 最小值 6.18 3.32 8.56 53.83 平均值 10.18 5.60 14.34 69.25 变异系数 0.51 0.51 0.59 0.24 Note: data of Xi Lingang are from Ref.[6]; data of Luochuan are from Ref.[7]; data of Zhenjiang are from Ref.[8] 注: 西淋岗数据引自文献[6]; 洛川黄土数据引自文献[7]; 镇江下蜀土数据引自文献[8]

表1 华南沿海黄色粉土的粒度组成特征以及与典型黄土, 海、 河相沉积的对比 Table 1 Grain size characteristics of yellow silt in the coastal area of south China and their comparison with the typical loess, marine and fluvial deposits

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 华南沿海黄色粉土的粒度组成柱状图(a— g)以及与典型黄土(h— i), 海相(j), 河相沉积(k)的对比, (h)— (k)改编自文献[8]Fig.3 Grain size composition histograms of yellow silt in the coastal area of south China (a— g) and their comparison with the typical loess (h— i), marine (j) and fluvial deposits (k), (h)— (k) recompiled after Ref.[8]

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 华南沿海黄色粉土的岩性三角图以及与典型黄土, 海、 河相沉积的对比Fig.4 Compositions of yellow silt in the coastal area of south China, typical loess, marine and fluvial deposits in terms of sand, silt and clay fractions

在典型的海相淤泥中, < 5 μ m的粘粒为第一众数粒组; 在河流相沉积中, > 50 μ m的粗砂砾石为第一众数粒组。 自细颗粒到粗颗粒, 两者的粒组含量呈单方向递减及递增的趋势(表1、 图3)。 海相沉积在岩性三角图中的投点属于粉砂质粘土; 河流相沉积的投点分散不均匀, 岩性属于粉砂质砂砾(图4)。 河流相沉积不同层位各粒组含量的最大值与最小值相差甚远, 变异系数较大(表1), 表明样品粒度极不均一。 上述海、 河相沉积的粒组配分特征与典型黄土及华南沿海黄色粉土截然不同。

2.2.1 粒度参数结果

采用矩阵法计算样品的粒度参数。 表2显示, 同一粒度参数在华南沿海不同剖面之间较为接近: 平均粒径Mφ 的均值介于6.40~7.04φ ; 分选系数σ 介于1.53~1.95; 偏度SKφ 介于0.12~0.75, 除了西淋岗剖面为0.12, 属于正偏, 其余剖面均属于极正偏, 表明样品中相对较粗的颗粒为主要构成。 峰态K_g介于2.38~3.10, 显示样品的频率分布曲线很尖锐。 各地粉土在粒度参数上较为一致, 体现了相对稳定的搬运模式及物源供给。 垂向上, 四个参数在各剖面不同层位的变化幅度不大, 均一稳定, 变异系数值较小(表2), 表明样品在堆积前已经历了充分的混合与分选, 是风成沉积的标志性特征。 通过对比, 华南沿海黄色粉土与我国典型黄土及下蜀土在粒度参数及所反映的沉积环境上较为一致(表2)。

相比黄色粉土及典型黄土, 海相沉积的平均粒径Mφ 较大, 粒度更细。 分选系数σ 较小, 偏度SKφ 较小, 近于正态分布(表2)。 河流相沉积的平均粒径Mφ 较小, 粒度粗大。 分选系数σ 、 偏度SKφ 及峰态K_g均较大, 显示分选差、 极正偏、 峰态极为尖锐, 且各参数在剖面纵向上差异明显, 变异系数大(表2), 表明搬运动力的不稳定。 上述典型海、 河相沉积的粒度参数特征及其所反映的搬运动力、 沉积环境及成因均与我国典型黄土及华南沿海黄色粉土存在明显差异。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 华南沿海黄色粉土的粒度参数特征以及与典型黄土, 海、 河相沉积的对比 Table 2 Grain size parameters of yellow silt in the coastal area of south China and their comparison with the typical loess, marine and fluvial deposits 剖面名称 类型 粒度参数 Mφ σ SKφ Kg 白沙 黄色粉土 最大值 6.82 2.11 0.86 2.97 最小值 5.87 1.77 0.37 2.10 平均值 6.40 1.95 0.59 2.48 变异系数 0.03 0.04 0.21 0.09 新墟 黄色粉土 最大值 7.14 1.64 0.54 3.01 最小值 6.80 1.42 0.22 2.62 平均值 6.93 1.53 0.41 2.82 变异系数 0.01 0.05 0.20 0.04 镀锌厂 黄色粉土 最大值 6.56 1.56 0.70 3.16 最小值 6.17 1.54 0.65 3.03 平均值 6.40 1.55 0.67 3.10 变异系数 0.03 0.01 0.04 0.02 西淋岗 黄色粉土 最大值 7.25 1.80 0.26 2.64 最小值 6.70 1.51 -0.09 2.26 平均值 6.97 1.67 0.12 2.47 变异系数 0.02 0.04 0.90 0.04 连州北 黄色粉土 最大值 6.50 1.74 0.67 2.86 最小值 6.49 1.73 0.67 2.84 平均值 6.50 1.74 0.67 2.85 变异系数 0.01 0.00 0.00 0.01 三排镇南 黄色粉土 最大值 6.55 1.72 0.76 2.86 最小值 6.54 1.72 0.75 2.85 平均值 6.55 1.72 0.75 2.85 变异系数 0.00 0.00 0.01 0.00 华林 黄色粉土 最大值 7.06 1.93 0.40 2.40 最小值 7.03 1.90 0.30 2.32 平均值 7.04 1.91 0.37 2.38 变异系数 0.00 0.01 0.16 0.02 陕西洛川 马兰黄土 平均值 6.64 2.09 0.32 / 江苏镇江 下蜀土 平均值 6.65 1.75 0.52 / 珠江三角洲 海相淤泥 最大值 7.96 1.57 0.33 2.87 最小值 7.42 1.37 0.09 2.28 平均值 7.80 1.43 0.18 2.70 变异系数 0.02 0.04 0.36 0.05 珠江三角洲 河流相粉 砂质砂砾 最大值 5.19 3.60 1.45 5.70 最小值 1.38 2.45 0.29 1.66 平均值 2.70 2.78 1.09 3.56 变异系数 0.49 0.14 0.57 0.36 注: 西淋岗数据引自文献[6]; 洛川黄土数据引自文献[7]; 镇江下蜀土数据引自文献[8] Note: Data of Xi Lingang are from Ref.[6]; data of Luochuan arefrom Ref. [7]; data of Zhenjiang are from Ref. [8]

表2 华南沿海黄色粉土的粒度参数特征以及与典型黄土, 海、 河相沉积的对比 Table 2 Grain size parameters of yellow silt in the coastal area of south China and their comparison with the typical loess, marine and fluvial deposits

2.2.2 粒度参数散点图

单一的粒度参数在判别沉积物成因及环境方面具有一定的局限性, 将各粒度参数进行综合分析可更为准确的判断沉积物的沉积属性。 由于不同沉积环境的沉积物在粒度参数上截然不同, 因此, 对于不同沉积类型的沉积物而言, 根据粒度参数所绘制的散点图具有明显的界限。 图5显示, 华南沿海各黄色粉土剖面的粒度参数投点均在统一的区间范围, 且多有重合, 并与我国典型黄土及下蜀土相近。 海相沉积与风成沉积的差异主要体现在图5(a)— (c)中, 表现为平均粒径(Mφ )偏大, 分选系数(σ )较小, 偏度(SKφ )较小; 河流相沉积在所有粒度参数散点图中的投点均与研究粉土及典型黄土偏离程度较大, 且极为分散(图5)。 上述结果表明, 华南沿海黄色粉土在粒度散点图所反映的沉积环境及成因上与我国典型风成沉积一致, 而与当地常见的海、 河相沉积存在差异。

图5

Fig.5

Figure Option ViewDownloadNew Window

图5 华南沿海黄色粉土的粒度参数散点图以及与典型黄土, 海、 河相沉积的对比 (a): Mφ -σ ; (b): Mφ -SKφ ; (c): Mφ -Kg; (d): σ -SKφ ; (e): σ -Kg; (f): SKφ -Kg 洛川黄土及镇江下蜀土因无峰态Kg资料, (c), (e), (f)为无投点, 其余参数分别引自文献[7, 8]Fig.5 Scatter diagram of grain size parameters of yellow silt in the coastal area of south China and their comparison with the typical loess, marine and fluvial deposits (a): Mφ -σ ; (b): Mφ -SKφ ; (c): Mφ -Kg; (d): σ -SKφ ; (e): σ -Kg; (f): SKφ -Kg No Kg points of Luochuan and Zhenjiang present in Fig.(c), (e), (f) because of no data, other parameters are respectively from Ref. [7, 8]

粒组配分柱状图展示了各类沉积物在统计学上的粒度特征, 是研究讨论粒组构成的一种常见方法(图3)。 而全粒度分级可以更为精确、 详细的反映沉积物的粒度特征、 成因及沉积环境。

图6(a)— (g)显示了华南沿海黄色粉土的频率分布曲线。 图中可看出, 不同剖面的曲线形态基本一致, 均呈“ 单峰式” 分布, 并带一细尾。 主峰通常位于5~7φ , 细尾位于10φ 附近。 曲线总体上均向右(粗颗粒端)偏, 在粗颗粒端与横坐标的夹角大于细颗粒端与横坐标的夹角, 表明样品中相对较粗的颗粒占优势。 同一剖面中, 不同层位样品的频率分布曲线一致; 不同剖面的曲线也较为相似[图6(a)— (g)], 表明华南沿海地区的黄色粉土粒度均一, 同时也说明在大区域范围内沉积物的搬运介质稳定、 沉积环境相同。 上述特征唯有风成成因可以给予较好的解释。

图6

Fig.6

Figure Option ViewDownloadNew Window

图6 华南沿海黄色粉土的频率分布曲线以及与典型黄土, 海、 河相沉积的对比 图(h)改编自文献[9]; 图(i)改编自文献[8](该频率分布曲线是以1个φ 为单位间隔作图)Fig.6 Grain size frequency distribution curves of yellow silt in the coastal area of south China and their comparison with the typical loess, marine and fluvial deposits Fig.(h) recompiled after Ref. [9]; Fig.(i) recompiled after Ref. [8] the curve is the percentage of grain size class interval of 1φ , rather than percentage of each grain size class

通过对比, 华南沿海黄色粉土与我国典型风成黄土的粒度频率分布曲线较为相似[图6(a)— (i)], 表明它们在沉积环境及成因上的一致性。 而海相沉积频率分布曲线的主峰位于8φ 附近, 整体向左(细颗粒端)偏, 曲线与横坐标的夹角在细颗粒端大于粗颗粒端[图6(j)], 表明样品中相对较细的组分占主要比例。 河流相沉积的频率分布曲线呈单峰或多峰分布, 主峰位于-1~1φ , 峰态极为尖锐。 曲线在粗颗粒端与横坐标近于垂直相交, 在细颗粒端与横坐标缓慢相交[图6(k)], 表明样品中粗大颗粒为主要粒度构成。 不同层位的样品曲线走势不一致, 粒度不均, 体现了搬运动力的不稳定性, 这是河流相沉积的典型特征。 上述海、 河相沉积的频率分布曲线形态以及所反映的沉积环境及成因均与我国典型黄土及华南沿海地区的黄色粉土存在较大差异。

四分位值(Q1, Q3)及中位数(Md)是反映沉积物特征的重要参数, 综合利用这些参数可以直接看出四分位标准差、 偏度等变化, 从而判别不同的沉积物类型。 图7显示华南沿海各黄色粉土剖面的粒度指数展布范围较为统一, 与西峰黄土相似, 指示成因的一致性。 而海、 河相沉积的粒度指数展布区间分别明显高于或低于华南沿海黄色粉土及典型风成黄土。 其中, 河流相沉积各样品指数波动幅度大而不均, 表明其在粒度分布上的非均一性。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 华南沿海黄色粉土的粒度指数图以及与典型黄土, 当地海、 河相沉积的对比(西峰黄土数据引自文献[10])Fig.7 Grain size index of yellow silt in the coastal area of south China and their comparison with the typical loess, marine and fluvial deposits (data of Xifeng loess are from Ref. [10])

判别分析是一种多元统计分析方法, 可用来寻找适当的统计值以判断不同的沉积作用和沉积环境。 通过对沉积物粒度参数的统计分析, 可以找出判别不同沉积类型的指标值^[11]。 判别公式如下

Y=-3.5688Mφ+3.7016σ2-2.0766SKφ+3.1135Kg[12]

其中, Y为判别参数, Mφ 为平均粒径, σ 为分选系数。 SKφ 为偏度, K_g为峰态, 计算结果如图8。 据Saho^[12]的研究, 公式中, 风成沉积的判别值小于-2.741 1。 图8显示, 华南沿海各剖面黄色粉土的判别参数均为负值。 白沙剖面个别层位的样品判别参数值较大, 可能与剖面中混入一些原地或近源的粗颗粒导致Mφ 偏小, σ 偏大有关。 其余剖面均在风成沉积的范围内, 并与我国典型西峰黄土具有较好的可比性(图8)。 而典型海相沉积的判别参数较小, 平均值为-12.4; 河流相沉积的判别参数为正值, 且不同层位判别值变化较大(图8)。 以上结果表明华南沿海黄色粉土与典型黄土具有相同的成因, 而与当地典型的海、 河相沉积存在明显差异。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 华南沿海黄色粉土的判别参数以及与典型黄土, 海、 河相沉积的对比(西峰黄土数据引自文献[10])Fig.8 Discriminant parameter of yellow silt in the coastal area of south China and their comparison with the typical loess, marine and fluvial deposits (data of Xifeng loess are from Ref.[10])