,1,2, 陈海涛2,3, 徐树建,2,3, 苗晓东2Dust accumulation processes and palaeoenvironmental significance of loess indicated by grain size in Zhangqiu, Shandong Province
KONG Fanbiao,1,2, CHEN Haitao2,3, XU Shujian,2,3, MIAO Xiaodong2通讯作者:
收稿日期:2019-12-16修回日期:2021-03-25网络出版日期:2021-05-25
| 基金资助: |
Received:2019-12-16Revised:2021-03-25Online:2021-05-25
| Fund supported: |
作者简介 About authors
孔凡彪(1992-), 男, 山东济南人, 博士生, 主要从事地貌与环境演变研究。E-mail:
摘要
关键词：
Abstract
Keywords：
PDF (2618KB)元数据多维度评价相关文章导出EndNote|Ris|Bibtex收藏本文
本文引用格式
孔凡彪, 陈海涛, 徐树建, 苗晓东. 山东章丘黄土粒度指示的粉尘堆积过程及古气候意义. 地理学报[J], 2021, 76(5): 1163-1176 doi:10.11821/dlxb202105009
KONG Fanbiao, CHEN Haitao, XU Shujian, MIAO Xiaodong.
1 引言
黄土作为第四纪干旱、半干旱气候条件下的风成土状沉积物,因沉积较厚且基本连续,蕴藏着第四纪气候环境演变信息,同深海沉积物、极地冰芯并称为古气候研究的三大支柱[1]。粒度是沉积物的重要物理属性之一,蕴含沉积物的物源、搬运动力与沉积环境等信息,是研究沉积特征与气候环境变化的重要指标[2,3]。由于黄土在沉积过程中受到多种因素的综合作用,使得黄土的全样粒度参数只能近似的指示沉积环境的变化[4],因此,从全样粒度中将指示不同沉积动力的粒级组分分离出来,将更有利于对复杂的黄土沉积过程进行分析,分离出来的与特定沉积动力相关的粒度组分被称为粒度端元[5,6,7,8]。目前对粒度端元进行分解的方法主要有参数法和非参数法：参数法认为沉积物总体是由搬运介质和搬运方式一定、搬运动力稳定时,单因子控制的单组分的自然累积,利用粒度分布函数从数字特征上可分离出不同成因的粒度组分[9];非参数法认为不同物源和搬运过程的组合具有分选性,使沉积物粒度向不同的范围分化,从而优选出具有某一特征的粒级组合[10]。粒度端元分析方法在中国青藏高原和西北等地区的黄土研究中得到成功应用[11,12,13,14],揭示了中国内陆地区黄土沉积的源—汇过程,反映了粉尘搬运过程与大气环流之间的联系,并探讨了气候环境意义。山东黄土位于中国黄土分布的东部边缘,中国现代季风区的东部和海陆交接过渡地带。深入研究山东黄土沉积特征、年代、物源以及所蕴含的环境信息,对认识中国东部沿海地区气候环境变迁以及东亚季风变化规律具有重要意义[15]。多年来,****们采用粒度、磁化率、孢粉、地球化学元素等指标并结合测年数据对山东黄土的成因、物源、年代与沉积环境展开了深入研究,取得了丰硕的成果[16,17,18,19,20],但通过粒度端元分析方法对山东黄土沉积过程与环境演变的研究较少[21]。因此,本文基于前人的研究成果,拟采用参数化粒度端元分析方法对山东章丘剖面进行研究,试图揭示该区黄土粉尘的沉积动力组合特征以及大气环流变化等信息,并结合磁化率[22,23]和色度[24-26] 2种气候代用指标探讨该地区的环境演变过程。
2 研究剖面概况与样品采集
章丘区位于山东省济南市东部,泰沂山区北麓,与华北平原接壤,属暖温带季风气候,雨热同期。剖面位于济南市章丘区黑峪村（117?31′11″E, 36?32′26″N）,剖面底部海拔约260 m,因人工开采形成新鲜垂直断面,出露高度14.5 m,未见底（图1）。基于野外观察沉积物颜色、岩性、沉积结构特征和层间接触关系等,结合剖面的高度将剖面进行地层划分：0~40 cm为现代耕作层,暗灰棕色,结构疏松多孔,含有较多植物根系,受流水和生物扰动明显;40~1450 cm为黄土层,主要为黄色粉砂质土,块状结构,质地均匀,较疏松,垂直节理明显;其中在670~710 cm与1270~1320 cm范围内分布有两期砾石层,砾石粒径较小,以次棱状和次圆状为主,呈叠瓦状排列,主要以石灰岩为主,含有极少量的砂页岩、花岗岩等。本文根据剖面分层在100 cm、250 cm、370 cm、470 cm、717 cm、1260 cm处采集6个光释光年代样品,并以10 cm等间距采集粒度、磁化率、色度样品各137个。图1
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图1研究区位置及研究剖面
Fig. 1Map showing the location of the studied loess section
3 研究方法
3.1 样品测试方法
粒度测试采用英国Mastersizer 2000激光粒度仪。粒度测试前处理按照Liu等[27]操作过程：取0.3~0.4 g的样品置于100 mL的烧杯中,加入5 mL浓度为10%的H2O2后置于恒温电热板上加热去除有机质;待有机质除尽后加入浓度为10%的HCl去除碳酸盐,待反应完全后将烧杯取下静置24 h后抽掉上层清澈液体;然后加入10 mL浓度为5%的(NaPO3)6溶液,在超声波震荡仪里面震荡7 min后放在粒度仪上进行测量。重复测量相对误差小于2%,说明样品粒度数据可靠。年代测试采用丹麦生产的Ris? DA-20-C/D释光自动测量系统,测试方法为简单多片再生法（SMAR）。在室内弱红光下,去掉样品顶部和底部可能曝光、污染的部分,保留中心部位的样品进行等效剂量测定,其测试过程为：从中取约20 g样品测定含水量和饱和含水量,之后将样品在低温（40 ℃）烘干后充分研磨至全部通过63 μm的筛子供测定样品中U、Th、K含量;将中心样品筛选出< 300 μm的组分放在1000 mL的烧杯中,加入浓度为30%的H2O2和30%的HCl以去除有机质和碳酸盐类,待充分反应后加入氨水中和,并用高纯水反复冲洗至中性;将反应完全的样品筛选出< 90 μm的粒组,用静水沉降法分离出4~11 μm的粒组,低温（40 ℃）烘干后再分别加入浓度为40%的HF和10%的HCl以去除长石和氟化物,然后用高纯水清洗至中性,检验无长石残留后将样品低温（40 ℃）烘干,最后制成细颗粒测片待测。
磁化率测试采用英国Bartington公司生产的MS2磁化率仪,测试过程为：取低温（40 ℃）烘干后的样品放进玛瑙研钵中,在不损伤颗粒结构的前提下进行研磨并装满容积为8 cm3的磁学专用样品塑料盒;压实、密封后称取塑料盒中样品的质量并计算其密度;然后将样品移至MS2磁化率仪测量低频（0.47 KHz）、高频（4.7 KHz）磁化率,所有样品重复测试3次后取其平均值。
色度测试采用日本柯尼卡美能公司生产的CM-700d分光测色计,先取10 g低温（40 ℃）烘干后的样品放入玛瑙研钵中均匀研磨至200目以下,并将研磨后的样品放入模具中压实、抹平;然后将样品放入仪器中进行测试,同一样品在不同区域测量3次后取其平均值,使误差小于0.07。其中测试参数为CIED65标准光源（色温6500 K）,观察视野为10°,孔径为8 mm,色度值的标准偏差值小于ΔE×ab（0.04）,测量范围为360~850 nm,扫描间隔为1 nm,使用硫酸钡制作的标准白板。
其中,年代样品送至美国University of Illinois Urbana-Champaign释光年代学实验室进行测试,粒度、磁化率与色度测试均在山东省水土保持与环境保育重点实验室进行。
3.2 参数化粒度端元分析方法
Paterson等[28]于2015年提出一种新的广义Weibull函数参数化粒度端元分析法,该方法基于协方差数据的非参数端元分析,利用非负矩阵因子分解法对参数化粒度端元进行估算,进而将样品的粒度数据分解为一组单峰分布的参数端元来表达。该方法弥补了Weibull函数只能对单个样品数据进行分解,以及没有考虑粒度分布地质背景而不能准确的解释端元组分沉积动力过程等问题,从而使各粒度端元组分的统计学与物理学意义更具有可描述性[10,13]。本文使用基于Matlab程序语言开发的AnalySize程序并选择Gen.Weibull方法对剖面样品粒度数据进行参数化粒度端元分析。4 结果分析与讨论
4.1 年代结果分析与地层对比
章丘剖面光释光年代样品测试结果如表1。剖面深度100 cm、250 cm、370 cm、470 cm、717 cm、1260 cm处的年代结果分别为(0.264±0.017) ka、(15.7±0.7) ka、(20.4±1.4) ka、(23.6±1.4) ka、(32.0±2.0) ka、(39.0±2.0) ka,剖面年代数据基本连续且未发生倒置。利用光释光年代数据进行多项式回归分析建立年代模型（图2）,推测章丘剖面出露部分的底部年代约为42.24 ka,与同区域内埠西剖面[15]的年代数据较为接近,初步表明二者为同期沉积,也进一步表明章丘剖面出露部分主要为晚更新世以来的沉积物。通过光释光年代数据与年代模型对670 cm（第二砾石层上部）和1320 cm（第一砾石层下部）处的年代进行计算,结果表明,670 cm处的年代约为31.2 ka,1320 cm处的年代约为40.87 ka。从年代结果与地层对比来看,章丘剖面第二砾石层与埠西剖面740~950 cm范围内的弱古土壤层相对应,第一砾石层与埠西剖面1300~1450 cm范围内的古土壤层相对应,均指示温暖湿润的气候条件。Tab. 1
表1
表1章丘剖面OSL测年结果
Tab. 1
| 实验 编号 | 野外 编号 | 埋深 (cm) | U (Bq/kg) | Th (Bq/kg) | K (Bq/kg) | 实测含 水量(%) | 环境剂量率(Gy/ka) | 等效剂量 (Gy) | 年龄 (ka) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 16-OSL-523 | HY01 | 100 | 28.1±1.9 | 48.5±0.5 | 659±10 | 11±5 | 3.42±0.14 | 0.90±0.04 | 0.264±0.017 |
| 16-OSL-524 | HY02 | 250 | 28.7±2.6 | 46.0±0.5 | 656±10 | 18±5 | 3.13±0.12 | 49.1±1.1 | 15.7±0.7 |
| 16-OSL-525 | HY03 | 370 | 26.5±1.7 | 45.4±0.5 | 654±10 | 12±5 | 3.27±0.13 | 67±3 | 20.4±1.4 |
| 16-OSL-526 | HY04 | 470 | 27.4±2.6 | 45.0±0.5 | 653±10 | 17±5 | 3.10±0.12 | 73±3 | 23.6±1.4 |
| 16-OSL-521 | HY05 | 717 | 31.3±2.1 | 48.3±0.5 | 602±10 | 10±5 | 3.22±0.13 | 101±5 | 32.0±2.0 |
| 16-OSL-522 | HY06 | 1260 | 31.1±1.6 | 47.2±0.5 | 617±10 | 9±5 | 3.23±0.14 | 126±5 | 39.0±2.0 |
新窗口打开|下载CSV
图2
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图2章丘与埠西剖面光释光年代—深度模型
Fig. 2Age-depth models of the Zhangqiu and Buxi sections
4.2 粒度分析
章丘剖面样品粒度分布范围在0~125 μm之间,粒度频率曲线主要呈双峰分布,主峰集中在20~60 μm之间,次峰小于1 μm,总体呈正偏—似正偏分布（图3）。国内外对于粒度划分标准并不统一,同时因激光粒度仪和传统沉降法获得的粘土、粉砂和砂粒级之间的界线存在差异[13, 29],本文选择将剖面沉积物分为粘土（< 5 μm）、粉砂（5~63 μm）和砂（> 63 μm）3种粒级组分来进行分析。章丘剖面中粉砂组分含量最高,变化范围为58.71%~81.95%,平均含量为73.72%;粘粒组分含量变化范围为11.40%~30.90%,平均含量为22.08%;砂粒组分含量最低,变化范围为0.72%~12.34%,平均含量为4.19%。章丘剖面粒度组成与洛川[30]典型风成黄土的粒度组成非常相似（粉砂组分平均含量为75.90%,粘粒组分平均含量为21.02%,砂粒组分平均含量为3.08%）,表明章丘剖面具有风成沉积的典型特征。图3
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图3章丘剖面粒度频率分布曲线
Fig. 3Grain-size frequency distribution curve of the Zhangqiu section
4.3 端元结果分析
章丘剖面沉积物样品粒度数据执行参数化粒度端元分析结果如图4所示：当端元数为2时,线性相关（R2 = 0.945）已达到0.9以上,但角度偏差（θ = 8.1°）大于5°;当端元数为3、4、5和6时,线性相关（R2分别为0.987、0.994、0.998和0.999）逐渐增加并接近于1,此时角度偏差（θ分别为4.7°、2.5°、1.7°和1.2°）均小于5°并逐渐趋于稳定,表明随着端元数量增加,粒度端元与样品粒度数据之间的拟合性逐渐变好[4, 13];此外,当端元数为5时,端元相关性为0.076,均小于3个端元（0.104）、4个端元（0.203）和6个端元（0.210）时的端元相关性,因此本文最终选择5个端元来进行分析。图4
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图4参数化端元的拟合特性和端元数量选取
Fig. 4Fitting characteristics and number selection of parametric end elements
在章丘剖面的5个端元组分中（图5、表2）,EM1的众数粒径为0.89 μm,主要为粘土组分;EM2的众数粒径为5.62 μm,为极细粉砂组分,该组分中粉砂含量较高,并含有较多的粘土组分,同时该组分的分选性最差;EM3的众数粒径为14.12 μm,为细粉砂组分,主要为粉砂组分,粘土与砂含量较少,分选性较差,仅次于EM2组分;EM4的众数粒径为35.48 μm,为粗粉砂组分,主要为粉砂组分并含有部分砂粒组分,粘土组分几乎不存在;EM5的众数粒径为63.10 μm,为极细砂组分,主要为粉砂组分并含有较多的细砂组分,不含有粘土组分,同时该组分的峰态较高且分选性最好。
图5
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图5章丘剖面各端元粒度频率曲线图
Fig. 5Grain size frequency distribution curves of end members in the Zhangqiu section
Tab. 2
表2
表2章丘剖面各端元参数特征
Tab. 2
| 剖面 | 平均粒径(Mz/um) | 分选系数 | 偏度(Sk) | 峰度(Kg) | 粘土(%) | 粉砂(%) | 砂(%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| EM1 | 1.06 | 1.66 | 0.64 | 3.25 | 98.93 | 1.07 | 0.00 |
| EM2 | 6.01 | 2.08 | 0.24 | 2.76 | 32.38 | 67.53 | 0.08 |
| EM3 | 12.66 | 2.04 | -0.27 | 2.89 | 6.89 | 92.71 | 0.40 |
| EM4 | 29.84 | 1.67 | -0.52 | 3.29 | 0.06 | 95.95 | 3.99 |
| EM5 | 56.20 | 1.44 | -0.73 | 3.82 | 0.00 | 63.86 | 36.14 |
新窗口打开|下载CSV
4.4 粒度端元环境意义分析
EM1为粘土组分。研究认为,黄土中粒径< 2 μm的粘土组分与成壤作用有关,并反映了黄土堆积时气候的干湿变化[31,32]。在对黄土高原黄土进行粒度组分分离时发现,黄土高原黄土中普遍存在粒径为0.4 μm左右的超细粒组分,并通过分析其矿物成分认为该粒级组分与成壤作用密切相关[33];新疆伊犁则克台黄土中也识别出众数粒径为0.8 μm且主要由粘粒构成的端元组分,并将该组分看作成壤组分[34];同时有研究表明,黄土中的粘土组分也能以聚集体的形式或粘附在较粗颗粒表面进行搬运[33, 35-36]。通过对端元组分与中值粒径之间的相关性可以看出（表3）,EM1与中值粒径之间存在较低的负相关性,表明EM1组分可能无法提供搬运动力等有关信息[37];而EM1与EM2组分之间存在相对较高的正相关性,与其他端元组分之间的相关性较低或存在较高的负相关性可能表明,章丘剖面中的粘土组分除了有当地成壤作用产生的以外,也有部分粘土组分是在粉尘源区经过成壤作用产生后,粘附在EM2组分颗粒表面搬运而来。Tab. 3
表3
表3章丘剖面各端元组分及中值粒径的相关性
Tab. 3
| EM1 | EM2 | EM3 | EM4 | EM5 | Md | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| EM1 | 1 | |||||
| EM2 | 0.349*** | 1 | ||||
| EM3 | -0.318*** | -0.246*** | 1 | |||
| EM4 | 0.011 | -0.424*** | -0.679*** | 1 | ||
| EM5 | -0.152 | -0.330*** | -0.641*** | 0.550*** | 1 | |
| Md | -0.094 | -0.610*** | -0.499*** | 0.730*** | 0.805*** | 1 |
新窗口打开|下载CSV
EM2为极细粉砂组分。通过研究可知黄土中平均粒径< 20 μm的细颗粒组分被风吹起后很容易被抬升并分散在几千米高度的大气中,并在高空气流作用下进行上千公里的远距离悬浮搬运,因此该粒级组分通常被认为与高空气流有着密切的关系[38,39]。Vandenberghe[40]认为黄土中出现的细粉砂组分为高空远距离悬浮搬运的粉尘物质;Nottebaum等[41]在祁连山北部一系列黄土剖面中分解出众数粒径为9 μm的细粒组分,并认为主要分布在6~20 μm范围的端元组分是高空远距离悬浮搬运的粉尘物质;Sun等[42]对黄土高原多个黄土剖面进行端元分解时发现这一粒级组分的众数粒径分布在2~8 μm范围内,并认为该组分的搬运与西风之间存在密切联系,在某种程度上指示高空西风气流的强度;相同的端元组分也在新疆等地黄土的粒度端元分解中被识别出来,并将其看作高空西风搬运的粒度组分[34]。章丘剖面沉积物EM2组分与新疆等地区的相似组分相比,粒径较小且含量波动变化较大,推测可能与粉尘物质长距离搬运过程中西风强度由西部源区向东部沉积区逐渐减弱有关[40],同时该组分的分选性较差体现了黄土粉尘在远距离搬运过程中的混合过程。结合以往研究可知,西北内陆地区的粉尘物质可以通过高空气流携至山东地区[1, 20],因此本文认为EM2组分为高空西风搬运的粉尘物质。
EM3为细粉砂组分。虽然该组分平均粒径也小于20 μm,但该组分与EM2组分之间呈现出的负相关性表明二者可能并非是同一搬运动力下的粉尘物质。研究表明,粒径小于20 μm的颗粒除了可能来自远距离粉尘物源区外,也可能来自邻近的粉尘源区[38, 43]。EM1组分中除了包含风化作用产生的粘土组分外还通过粘附在EM2组分表面被远距离搬运而来,因此,EM3与EM1、EM2组分之间表现出的负相关性可能指示粉尘物源区之间的差异。现代降尘研究表明,空气中的细粉砂组分能以颗粒的形式发生沉降且该组分的含量随浮尘出现时间的增加而增加[35, 44]。在新疆伊犁黄土粒度端元分解中识别出众数粒径为15.02 μm的端元组分并将其看作大气中以浮尘形式存在的沉降组分[13]。EM3组分与粗粒级组分（EM4和EM5）之间明显的负相关性体现了它们搬运机制的差异性,结合EM3组分相对较差的分选性,本文认为EM3组分也是以浮尘形式存在并在风力强度减弱或停止后发生沉降的粒级组分。但与新疆伊犁黄土的细粉砂组分相比,章丘剖面中细粉砂组分的众数粒径较小且含量相对较少,这可能与两地尘暴事件的发生频率与强度存在差异有关。
EM4为粗粉砂组分。黄土中平均粒径在20~70 μm的粒级组分很少能在空气中悬浮较长时间,主要为低空短距离悬浮搬运的粉尘物质[38,39,40];在对黄土高原[42]、祁连山[41]等地的黄土粒度进行端元分解时均提取出相似的粒级组分,并将该组分看作低空或近地表悬浮搬运的粉尘物质;同时在青藏高原东部黄土粒度端元分解中也提取出相似的端元组分,并将其看作高原季风或局地环流影响的粒级组分[11]。EM4组分是章丘剖面粉尘物质的主要来源形式（平均含量为36.96%）,已有研究表明,鲁中地区位于莱州湾滨海平原盛行风系（北向风）的下风区,该区黄土主要由低空地方风系搬运的近源粉尘物质堆积而成,其物质来源为莱州湾和黄泛平原的松散沉积物[20],因此本文认为EM4组分是地方风系作用下低空短距离悬浮搬运的粉尘物质。
EM5为极细砂组分。砂粒级组分普遍存在于靠近河流或者河流阶地的黄土沉积中,并认为是风力作用搬运的河流沉积物[40-41, 45]。因为砂粒级组分的粒径较粗,所需的搬运动力较强且搬运距离相对较近[12, 38],所以普遍认为黄土中出现的砂粒级组分是尘暴天气中近距离悬移或近地面跃移的粉尘物质[13, 39, 41]。章丘境内河流分布广泛且章丘剖面位于清野河下游的河流阶地,可为章丘剖面沉积物提供砂粒级组分;EM4与EM5组分之间较高的正相关性表明2个组分之间存在相似的搬运方式,粒径分选的结果可能是由于风力强度不同[37]。与EM4相比,EM5频率分布较窄,峰态高且分选性较好,表明EM5组分的搬运高度与搬运距离更加有限,因此,EM5组分可能是冬季风动力驱动下以尘暴形式近地面悬移搬运的粉尘物质。研究表明,东亚冬季风环流对近地面气流的强度起主导作用[9, 42],并且黄土中的粗粒级组分对冬季风强度具有较好的指示意义[4, 15, 46]。章丘剖面沉积物的粗粒级组分（EM4与EM5）与中值粒径之间存在较高的正相关性,表明章丘剖面的粗粒级组分是冬季风强度变化的敏感组分,其中EM5组分的相关性更高,表明EM5组分对冬季风强度的变化具有更好的指示意义。
4.5 搬运动力与沉积环境演变分析
章丘剖面沉积物的堆积过程是一个由多种搬运动力综合作用以及堆积后受成壤作用影响的复杂过程。由于章丘剖面分离出的EM1组分中可能有粘附在EM2组分颗粒上携带搬运的粉尘物质,所以仅通过EM1组分的含量不能直接用来反映成壤作用的强度变化,对此本文近似的将EM1/EM2比值看作EM1组分中通过粘附搬运的组分含量,从而来表示章丘剖面堆积过程中成壤作用强度的变化。同时磁化率和色度指标的变化与气候之间存在密切联系,从而将其看作成壤强度和夏季风强度的指标[22,23,24,25,26]。因此,本文通过端元组分含量变化,结合低频磁化率和红度指标对章丘剖面堆积过程中粉尘搬运动力与气候环境进行分析。通过章丘剖面地层年代和各指标变化与深海氧同位素对比可知,章丘剖面堆积过程总体上经历了MIS3、MIS2和MIS1共3个阶段（图6）。图6
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图6章丘剖面沉积记录与深海氧同位素对比
Fig. 6Comparison of records between the Zhangqiu section and deep-sea oxygen isotope
在MIS3阶段（500~1450 cm）,EM5组分（平均含量为6.10%）多在低于剖面平均值（7.04%）的一侧波动变化;EM4组分含量呈现在平均值附近的波动变化,但该组分平均含量（36.15%）较低于剖面平均值（36.87%）;EM3组分波动变化较大且平均含量（28.91%）低于剖面平均值（29.02%）;EM3~EM5含量变化表明该阶段内冬季风强度较弱且尘暴天气出现频率较低。EM2组分（平均含量为20.61%）多在高于剖面平均值（19.05%）一侧的波动变化,表明此时的西风环流强度较强,远距离搬运的粉尘物质较多;EM1组分（平均含量为7.99%）略高于剖面平均值（7.68%）,EM1/EM2比值（0.40）略低于剖面平均值（0.43）,并且低频磁化率与红度值（平均值分别为71.87和6.77）均高于剖面平均值（63.84和6.66）,表明该阶段内的成壤作用较强,夏季风较为强盛,整体与该阶段暖湿气候存在较好的对应关系。EM5组分在该阶段内出现4次明显增加的波动（T1~T4）,其中T1（年代大致为33—32 ka）和T4（年代大致为41—40 ka）对应同区域埠西黄土的古土壤发育阶段,从而表明该时期为暖湿气候条件[34, 47-49],初步推断该时期粗粒级组分的增加可能并非因气候变冷使得风力作用增强所致;T1和T4两次波动均发生在砾石层的下部层位,在野外调查中发现距该剖面约30 m（垂直距离河流中心线约20 m）有一剖面无砾石层出现,结合当前典型河流阶地砾石层的研究[50,51]本文认为,章丘剖面中存在的砾石层为本区域短时间的快速水文事件,由此本文推测,章丘剖面中T1和T4的两次波动可能受到砾石层形成过程的影响。通过与同区域埠西黄土剖面的对比发现,T2（年代大致为39—38 ka）与T3（年代大致为37—36 ka）发生在气候条件干冷,冬季风作用较强的堆积阶段。将T2与T3与气候事件记录对比后发现,T2大致与冷事件（H4）相对应;波动变化相对平缓且峰值较低的T3则大致与气候事件DO7~DO8之间的冷阶阶段相对应。
MIS2阶段（200~500 cm）内各指标的变化总体呈现出两阶段的变化,其中在末次冰盛期（300~500 cm）内,EM5组分含量明显增加（平均含量为10.02%）且呈现出高值波动变化,EM4组分含量也明显增加（平均含量为39.44%）,从而表明末次冰盛期内的冬季风作用明显增强且尘暴天气频率增加,此时地方风系强度明显增强,搬运较多的粗粒级组分;EM3组分含量减小（平均含量为28.52%）可能与低空气流强度的增强使空气中的粉尘难以沉降或者沉积后再悬浮有关[36, 48];EM1与EM2组分（平均含量分别为6.72%和15.11%）呈现低于平均值一侧的波动变化,EM1/EM2比值较高（0.49）,低频磁化率与红度值明显减小（分别为45.95和6.39）,表明该阶段内西风环流和夏季风强度减弱,总体与末次冰盛期的干冷气候之间存在较好的对应关系。在MIS2阶段的后期（200~300 cm）,EM5与EM4组分含量明显减小（平均含量分别为6.47%和34.23%）,EM3组分含量明显增加（平均含量为32.25%）,表明此时的冬季风强度减弱,粗粒级组分搬运减少,空中含有较多的粉尘物质,在低空气流强度减弱后得到较多沉降;EM1与EM2组分含量增加（平均含量分别为7.72%和19.53%）并且EM1/EM2比值减小（0.42）,低频磁化率和红度值增加（分别为47.94和6.48）,表明西风环流与夏季风强度有所增强,气候逐渐向暖湿过渡。对于EM5组分含量在该阶段内明显增加的波动变化（T5~T7）,通过与气候事件记录对比本文认为T5（年代大致为25—24 ka）和T7（年代大致为16—15 ka）是冷事件（H2和H1）的区域性响应[12, 34, 49];EM5组分在T6（年代大致为21—19 ka）的波动变化也在新疆黄土敏感粒级组分对古气候重建中被识别出来[12],新疆黄土敏感组分（众数粒径为75.29 μm,平均粒径约为40.67 μm的粗粒组分）与章丘剖面中的敏感粒级组分EM5（众数粒径为63.10 μm,平均粒径约为56.20 μm的粗粒组分）为同一组分类型,可能表明该时期内的粗粒组分在两地剖面之间的波动变化存在着联系;虽然两地黄土之间的距离较远,但进一步对比后发现2个剖面均堆积于河流阶地,对此本文初步猜测在末次冰盛期冬季风作用显著、尘暴事件频繁发生的干冷气候背景下也存在明显的气候波动,由于堆积在河流阶地的黄土有充足的砂粒级组分供给,使该事件被更好的记录。当然,对于该事件的猜测需要结合更多指标和手段进行验证。
MIS1阶段（40~200 cm）内的EM5与EM4组分含量较高（平均含量分别为6.10%和36.15%）,总体呈现高于平均值一侧的波动变化,EM3组分含量在平均值两侧波动变化并且平均含量减少（28.79%）,从而表明该阶段内地方风系的冬季风效应较明显,同时空中浮尘的沉降受到影响;EM1与EM2组分含量总体呈现低于平均值一侧的波动变化并且平均含量相对较低（7.16%和16.25%）,EM1/EM2比值相对较高（0.46）,低频磁化率和红度值（46.35和6.48）低于剖面平均值,表明此时的西风环流和夏季风强度较弱,气候较为干冷。通过与气候事件记录对比,本文认为EM5组分在此阶段明显增加的波动变化T8（年代大致为13—12 ka）可能是新仙女木冷期（YD）事件的区域性响应[34, 48, 52]。综上所述,章丘剖面记录的环境演变信息体现了全球气候环境变化的区域性响应,但也因地理位置等因素影响呈现出区域性差异。
4.6 章丘剖面粉尘堆积过程
章丘剖面样品参数化粒度端元分解进一步表明该剖面沉积物多物源性和粉尘搬运复杂性特点,结合各端元组分含量变化可以发现,来自西北内陆的细粒粉尘物质（EM2组分和部分EM1组分）可通过高空西风的搬运成为章丘剖面黄土的组成物质,但短距离搬运的近源粉尘（EM4和EM5组分）则是章丘剖面沉积物的主要粉尘物质来源,而且章丘剖面沉积物中以浮尘形式沉降的组分（EM3）也主要来自于近源。低空地方风系是章丘剖面粉尘物质的主要搬运动力,并且其动力变化与冬季风强度变化之间表现出正相关性,表明受西伯利亚高压控制的冬季风是章丘剖面粉尘搬运的主要驱动因素。此外,由章丘剖面年代框架可以看出,气候相对暖湿的MIS3阶段堆积明显厚于气候干冷的MIS2阶段（图2、图6）,其沉积速率与粉尘搬运动力之间出现矛盾,然而从粉尘搬运与堆积的整个过程来看,粉尘源区的供给、粉尘搬运距离与动力强弱以及地表捕获粉尘的能力都影响粉尘物质的堆积[36, 48, 53]。由章丘剖面各端元组分含量变化及其指示的搬运动力之间的相关性本文认为,近源物质丰厚为粉尘搬运与堆积提供了有利条件,在相对暖湿的气候条件下,除了西风搬运的粉尘物质增加以外,相对较弱的近地风对空中浮尘物质沉降过程的阻碍作用减弱;同时地表较多的植被增加了对粉尘的捕捉能力,进而使通过多种搬运方式而来的粉尘物质得到了较好的沉积。而对于冬季风作用明显增强的干冷气候时期,西风环流强度的减弱使其搬运的粉尘物质减少,并且较强的近地风对浮尘物质沉降过程的阻碍作用增强;虽然风力作用的增强使章丘剖面沉积物中的粗粒物质含量增加,但干冷的气候条件使地表植被对粉尘的捕获能力减弱,并且粉尘物质在强风作用下可能出现二次搬运。由此本文认为,在相对暖湿的气候条件下,除了远距离搬运的粉尘增加以外,通过各种方式搬运来的粉尘均可发生较好的沉积是章丘剖面MIS3阶段沉积较厚的主要原因,而且突发水文事件形成的砾石层对MIS3阶段沉积物的厚度可能也存在影响。通过与埠西剖面对比发现,章丘剖面中并未发现有与全新世大暖期相对应的古土壤层,对于同区域内2个剖面记载的全新世气候环境之间存在的差异本文认为,章丘剖面与埠西剖面虽然都处在河谷之中,但2个剖面在堆积地形上存在差异,其中埠西剖面的堆积地形主要以盆地为主,而章丘剖面的堆积地形主要为山地,并且章丘剖面可能因受水文事件和人类活动的影响未能保存全新世大暖期的黄土堆积,从而进一步表明了黄土堆积过程的区域性差异。5 结论
本文采用参数化粒度端元分析方法对章丘剖面样品粒度进行端元组分分解,探讨该剖面沉积物的搬运动力与搬运方式等信息,结合光释光年代（OSL）结果、低频磁化率（χlf）与色度（a*）指标提取了章丘剖面沉积过程的气候环境演变信息,得出以下结论：（1）章丘剖面出露部分光释光年代介于42.24—0.26 ka之间,表明章丘剖面主要为晚更新世以来的沉积物。
（2）章丘剖面沉积物粒度组分分解为5个端元：EM1代表成壤作用产生和携带搬运的粘土组分;EM2代表高空西风远距离搬运的细粉砂组分;EM3代表以浮尘形式沉降的粒级组分;EM4代表地方风系作用下低空悬移搬运的粉砂组分;EM5代表以尘暴形式近地悬移搬运的砂粒组分。EM5对冬季风强度的变化具有更好的指示意义,并记录了晚更新世以来的气候事件。
（3）章丘剖面沉积物堆积过程先后经历了冬季风强度较弱、西风环流与夏季风较强,气候暖湿的间冰期;冬季风强度增强、夏季风与西风强度减弱,气候干冷的末次冰盛期;冬季风强度减弱、西风环流与夏季风增强的末次冰消期;以及末次冰期向全新世转换阶段,西风环流、夏季风的强度较弱,冬季风效应较明显的干冷时期。近源物质丰厚、近地风强度较弱以及地表植被较多是章丘剖面MIS3阶段堆积较厚的重要原因。
（4）本文初步表明参数化粒度端元分析方法在山东地区黄土沉积动力、物质来源及其沉积环境等研究中具有可行性,但是关于章丘剖面砾石层形成对于黄土堆积的影响还需展开进一步的研究。
参考文献 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子
[本文引用: 2]
[本文引用: 2]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
DOI:10.1016/j.palaeo.2016.02.005URL [本文引用: 1]
DOI:10.13249/j.cnki.sgs.2018.05.020 [本文引用: 3]
This article makes End Member analysis on grain-size data collected from high resolution 125 samples based on typical Late Pleistocene-Holocene Loess-Paleosol profile (CCY profile) in Changchengyuan, Ningxia Province, and do the wavelet analysis for the End Members components on the axis in depth. The research result shows that four End Members can be separated from the sediment grain sizes in CCY profile. And the EM1 may indicate dust from far source under the high-altitude airflow controlled by westerly belt. The EM2 may indicate dynamic strength of sedimentation under the influence of weathering and pedogenesis. The EM3 may represents the eluviation dynamic characteristic. The EM4 may indicates the northwest monsoons typical eolian loess under the influence of component characteristics. According to the wavelet analysis, it can be concluded that the component content of each dynamic of End Member has periodic variation at different depths, which indicates that the corresponding time scale of the paleomonsoon variation has periodic characteristics, and also indicates that the sedimentary profile has been in a continuous and uninterrupted sedimentary state, and the sedimentary dynamic processes are recorded completely. Each End Member component has different periodic characteristics on different depth (time) scales.
[本文引用: 3]
DOI:10.1007/BF02775085URL [本文引用: 1]
DOI:10.1016/j.catena.2019.04.029URL [本文引用: 1]
DOI:10.1016/j.sedgeo.2011.09.014URL [本文引用: 1]
DOI:10.1007/s11004-015-9611-0URL [本文引用: 1]
DOI:10.1016/S0037-0738(02)00082-9URL [本文引用: 2]
DOI:10.1016/j.quascirev.2006.07.002URL [本文引用: 2]
[本文引用: 2]
[本文引用: 2]
[本文引用: 4]
[本文引用: 4]
[本文引用: 6]
[本文引用: 6]
DOI:10.1016/j.quaint.2019.10.005URL [本文引用: 1]
[本文引用: 3]
[本文引用: 3]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
DOI:10.1016/j.quascirev.2019.06.022URL [本文引用: 1]
DOI:10.1016/j.aeolia.2017.07.007URL [本文引用: 1]
DOI:10.1016/j.aeolia.2015.02.001URL [本文引用: 1]
[本文引用: 3]
[本文引用: 3]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 2]
[本文引用: 2]
DOI:10.1016/j.yqres.2013.10.002URL [本文引用: 2]
DOI:10.1016/j.geoderma.2016.05.012URL [本文引用: 2]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 2]
[本文引用: 2]
DOI:10.1016/j.aeolia.2018.03.008URL [本文引用: 1]
DOI:10.1002/ggge.v16.12URL [本文引用: 1]
DOI:10.1046/j.1365-3091.1997.d01-38.xURL [本文引用: 1]
DOI:10.1016/j.quaint.2013.12.053URL [本文引用: 1]
DOI:10.1016/1040-6182(90)90037-5URL [本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
DOI:10.1111/sed.2011.58.issue-4URL [本文引用: 2]
[本文引用: 5]
[本文引用: 5]
DOI:10.1016/j.jaridenv.2010.06.002URL [本文引用: 2]
DOI:10.1016/j.earscirev.2016.01.006URL [本文引用: 3]
DOI:10.5194/cp-14-271-2018URL [本文引用: 2]
[本文引用: 4]
DOI:10.1126/science.227.4688.721URL [本文引用: 3]
DOI:10.1016/j.earscirev.2013.03.001URL [本文引用: 4]
DOI:10.1016/j.quaint.2014.12.071URL [本文引用: 4]
DOI:10.1016/S0341-8162(03)00109-7URL [本文引用: 3]
DOI:10.1016/j.yqres.2008.04.011URL [本文引用: 1]
DOI:10.1016/j.aeolia.2015.12.001URL [本文引用: 1]
DOI:10.1016/j.quaint.2010.11.009URL [本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
DOI:10.1016/j.quascirev.2014.09.007URL [本文引用: 1]
DOI:10.1002/jgrf.20101URL [本文引用: 3]
[本文引用: 2]
[本文引用: 2]
DOI:10.13249/j.cnki.sgs.2016.06.019 [本文引用: 1]
Through the analysis of the gravel fabric of terrace gravel layers to the upper Qingyijiang River at Jingxian County, this article tries to discuss the sedimentary environments of terrace gravel layers and its indicative effect on the development of the Qingyijiang River at Jingxian County. The Qingyijiang River Basin is located in southern of Anhui Province, issuing from the northern fringe of Huangshan Mountain, is an important tributary of lower reaches of the Yangtze River. Field investigation focuses on a natural outcrop along the upper reaches of the Qingyijiang River at Jingxian County, where a well-preserved sequence of three gravel layers of river terraces is present. These gravel layers are generally 4-6 m in thickness, overlying by about 2-5 m red clay. The results show that: 1) The gravels are mainly medium and coarse in diameter, and the hydrodynamic conditions are strong in the formation periods of terrace gravel layers when the mean velocity of river is about 2 m/s while the maximum velocity can be up to 3.5 m/s, especially in the formation periods of T3 terrace gravel layer; 2) The gravel orientations in T3 terrace gravel layer and T2 terrace gravel layer are 191° and 250°, pointing to the SSW direction and SWW direction, respectively. The paleocurrent of the Qingyijiang River at Jingxian County shows little change from the formation period of T3 terrace gravel layer to that of T2 terrace gravel layer, being similar to the present current which flows from south to north; 3) The gravels are mainly sub-round or round in shape, and the total content of such gravels is more than 70% in each terrace gravel layer. The roundness of terrace gravel layers is good, implying that these gravels should be transported over a long distance from its provenances; 4) The terrace gravel layers contain mainly quartz sandstone, sandstone, vein quartz and quartzite, and the total content of such gravels is up to 90% in each terrace gravel layer, showing that the change of the provenances is not significant; 5) The gravel layers of T2 terrace and T1 terrace are typical fluvial sediments, while the gravel layer of T3 terrace might be a product of the superimposition between the debris flow deposit and river deposit, and the sedimentary characteristics of the T3 terrace gravel layer might potentially has some indicating functions on the analysis of the development of the Qingyijiang River to some extent.
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
