魯中山地北麓黃土沉積特征和成因研究,農業(yè)基礎科學論文

魯中山地北麓黃土沉積特征和成因研究,農業(yè)基礎科學論文粉塵在氣候變化中的作用成為地球氣候系統(tǒng)模擬的焦點問題，其參數(shù)是大氣綜合循環(huán)模型(AGCMs)的重要模擬參數(shù)之一。源區(qū)距離、傳輸途徑的差異，使得粉塵產生的氣候效應不同，查明粉塵傳輸和沉積規(guī)律及其對區(qū)域和全球環(huán)境的影響是當前全球變化研究的重要內容。黃土是地質時期沙塵暴天氣構成的陸相粉塵堆積物，在不同緯度地區(qū)均有分布，華而不實以我們國家黃土高原地區(qū)大面積、巨厚而連續(xù)的晚新生代黃土最為典型。在古環(huán)境研究領域內，基于黃土的記錄已經有效地揭示了粉塵的物源、搬運途徑和沉積等環(huán)節(jié)的風成沉積系統(tǒng)等演化信息，這些對于當代沙塵天氣發(fā)生、發(fā)展機理以及防治提供了重要科學根據(jù)。當前，學術界從不同區(qū)域上對中國黃土的物源及其指示的古大氣環(huán)流狀況進行了深切進入研究，獲得了一些重要的成果。這些研究區(qū)域主要包括黃土高原、青藏高原周邊、遼南、長江流域等。位于中國黃土帶東緣的山東地區(qū)亦廣泛分布黃土，按自然地理區(qū)將其劃分為渤海灣瀕海島嶼區(qū)、魯中山區(qū)北麓兩部分。華而不實，對山東黃土物源研究以渤海灣瀕海島嶼區(qū)的研究最為系統(tǒng)，但對魯中山區(qū)北麓黃土風成系統(tǒng)研究僅局限于青州等零散剖面，并且還存有爭議。深切進入了解該區(qū)黃土物質來源需要對空間布局合理的多個剖面進行研究才能得到可靠的認識。大氣動力學研究表示清楚，粉塵的粒度特征參數(shù)能有效揭示搬運經過中大氣湍流強度、粉塵搬運途徑和源區(qū)距離等信息。沉積物粒度多組分分析被成功地應用到沉積環(huán)境信息的提取，不同的組分反映了不同的沉積動力和環(huán)境條件，與全巖粒度分析相比，更能合理地表現(xiàn)全樣品中每一組分的粒度分布特征及其成因意義。因而，文中在東西呈帶狀分布的魯中山區(qū)北麓黃土區(qū)，自東向西選擇青州、淄博、濟南三個剖面和黃土高原地區(qū)西峰剖面末次盛冰期黃土進行了粒度測試與特征參數(shù)計算，并基于對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)擬合后，從粉塵搬運的空氣動力學和野外觀察對整個魯中山地北麓黃土沉積特征和成因進行了系統(tǒng)研究。1、樣品與方式方法1．1樣品采集在魯中山地北麓，自東向西采集黃土樣品的剖面地點為淄博市土門頭村(ZB，3628N、11805E)、青州市傅家莊村(QZ，3640N，11827E)和濟南市張夏鎮(zhèn)(JN，3718．793N、11818E)(圖1)。在每個剖面，以2．5cm間距采集散樣，為便于同時期比擬，粒度測試樣品在末次盛冰期挑選5個樣品。在西峰趙家川黃土剖面(XF，3553N，10758E)挑選5個末次盛冰期樣品供比照。1．2粒度測試將風干的樣品稱取0．2g左右放入已洗凈的燒杯中，參加15毫升10%的雙氧水(H2O2)加熱至100℃2小時去除有機質;靜止10分鐘后，參加10毫升10%的鹽酸(HCl)去除碳酸鹽靜置48小時后待測。測試前，參加5毫升1mol/L的六偏磷酸鈉((NaPO3)6)分散劑，并用超聲波清洗機震蕩10分鐘。粒度測試使用MarvernMas-tersizer2000型粒度儀，該儀器測量范圍為0．02－2000m，重復檢測相對誤差小于1%。1．3粒度特征參數(shù)計算與多組分擬合在沉積物粒度分析時，特征參數(shù)計算常用的主要有圖解法和距法。文中采用當前較為常用的距法，對全巖粒度分別計算了標準差()、偏度(S)和峰度(K)。在沉積物的粒度分布曲線中，每一組分均屬于對數(shù)正態(tài)分布類型。由于黃土沉積包含多個組分，筆者采用了正態(tài)分布函數(shù)對研究樣品各組分進行了數(shù)學分離。用設定的分布函數(shù)對實測數(shù)據(jù)以各粒級的粒徑為自變量，以該粒級的百分含量為分布函數(shù)值，以擬合權重殘差最小為目的對樣品進行了粒度頻率曲線擬合，擬合誤差均控制在3%以內。并計算了樣品中每個組分粒徑的中值粒徑(Md)、標準差()、百分含量(%)等粒度參數(shù)，進而將混合樣品的各組分完全分離出來。多組分的對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)如下:式中:n是組分數(shù)，x=㏒(d)，d是粒徑(ci為第i組分百分比，n個ci之和為100%;i為樣品第i組分粒徑的標準差;ai是第i個組分粒徑的對數(shù)平均值(m)，ai=ln(d)。式中:m是粒級間距的數(shù)量;F(xj)是第j粒級間距的擬合百分比;G(xj)是第j粒級間距的測量值的百分比。dF值最小時表示清楚擬合結果最好。2、結果與分析圖2為各個研究剖面代表性樣品的粒度頻率分布曲線。魯中山地北麓的三個剖面和黃土高原西峰剖面的粒徑變化范圍均在0～125m之間，華而不實粉砂粒級(＜63m)下面的顆粒占絕對優(yōu)勢，其含量均在90%以上。從粉塵動力學的研究角度來看，粉砂占絕對優(yōu)勢的特征表示清楚其顆粒是以風力懸浮狀態(tài)搬運為主。沉積物的粒度參數(shù)與構成環(huán)境及搬運動力條件具有密切的關系。通過距法計算的全巖粒度特征參數(shù)顯示，魯中山地北麓和西峰黃土所有全巖樣品的粒度標準差()值為1．7～2．2之間，表示清楚其分選較差;偏度(Sk)值為變化范圍在0．5～0．7之間，總體上呈顯著的正偏態(tài)非對稱分布;峰度(K)值變化范圍在2．4～3．4之間，峰態(tài)分布總體上是很窄的。全巖粒度特征參數(shù)顯示魯中山地北麓黃土與西峰黃土沉積環(huán)境和搬運動力是類似的。沉積環(huán)境的各種條件非常復雜，近年來的觀點以為全巖粒度參數(shù)的分析有時難以嚴格區(qū)分沉積物成因類型，結合粒度多組分特征分析可能更為有效?；谡龖B(tài)分布函數(shù)對研究樣品各組分進行了數(shù)學分離后發(fā)現(xiàn)，所有樣品由細(C1)、中(C2)、粗(C3)三個組分構成(圖2)。華而不實，粗粒組分(C3)峰形最明顯，其次是細粒組分(C1)，而中粒組分(C2)表現(xiàn)為細粒(C1)和粗粒(C3)組分之間平緩的過渡峰，該特征是典型風成沉積粒度分布特征。各組分的中值粒徑(Md)、標準差()和百分含量(%)亦表現(xiàn)出類似特征(表1)。首先，每個地點樣品的各組分中值粒徑都在較小的變化范圍。C1組分中值粒徑最小，均在＜1m。C2組分中值粒徑居于中間，在5－10m之間。C3組分中值粒徑最大，在25－35m之間。其次，各地樣品一樣組分的百分含量亦比擬接近，C1組分最小，均在11%以內，C2和C3組分大致一樣，在43－48%之間。由上述分析可見，魯中山地北麓三個黃土剖面與西峰黃土第四紀黃土無論在全巖粒度特征參數(shù)，還是多組分特征均呈現(xiàn)類似特征，具有風成沉積的典型粒度分布特征。3、討論3．1魯中山地北麓黃土的成因分析關于魯中山地北麓黃土的成因曾有太多種看法，主要有殘積坡積講和風成講等。近年來，對粒度、礦物學等手段的研究構成比擬一致的觀點是風成成因。從魯中山地北麓三個黃土剖面的粒度頻率分布、特征參數(shù)和多組分特征分析來看文中支持黃土風成講的觀點。殘積講以為，堆積在魯中山地北麓的山前平原、山間盆地的黃土中常夾雜砂礫透鏡體、基巖碎屑，具有流水作用的痕跡，黃土物質堆積后經洪水搬運、沉積而成。文中通過野外觀察發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象在魯中山地北麓是較為常見的。在黃土和古土壤層過渡層位和剖面下部具有流水作用的痕跡，例如濟南剖面。但在距離山地較遠的階地上發(fā)育著一些厚度較大的剖面有的整套幾乎不含砂礫透鏡體，例如青州、淄博剖面，具有典型的風成特征。魯中山地基本物質成分是風成起源的，受地形和氣候條件的影響多數(shù)剖面經過流水作用的改造。沉積序列上較長、典型的風成剖面，如青州剖面等將成為研究山東晚第四紀以來古環(huán)境變化不可多得的材料。3．2魯中山地北麓風成黃土物源關于魯中山地北麓風成黃土的物源，在上個世紀七、八十年代曾以為是與黃土高原地區(qū)一樣來自于西北內陸的荒漠、戈壁的松懈沉積物，經偏西北的高空氣流攜帶而來的遠緣粉塵。近年來，較為一致的觀點是基于黃土粒度較粗的特點以為是近源物質，主要來源于沉積區(qū)以北的黃泛平原和渤海陸架的第四系松懈堆積物。文中研究表示清楚，典型風成黃土粒度的細粒組分(C1)受布朗運動控制，中粒組分(C2)受湍流控制，這兩者都能夠遠距離搬運，而粗粒組分(C3)受重力沉降控制，其百分含量與搬運距離成反比，距源區(qū)距離愈遠含量降低，反之增加。因而根據(jù)粗顆粒的百分含量揣測物質源區(qū)的遠近。由表1所示，魯中山地北麓黃土與西峰剖面的黃土粗粒粗粉(C3)的百分含量大致一樣，講明兩地黃土距各自的源區(qū)距離應該比擬接近。西峰黃土剖面距西北內陸近期的源區(qū)當代沙漠－騰格里沙漠大約為200km，但魯中山地北麓距沙漠－騰格里沙漠在1000km以上。由此可見，魯中山地北麓黃土源區(qū)與西峰黃土可能不完全一樣。同時，從魯中山地濟南、淄博和青州黃土粗粒組分的空間變化來看，自西向東黃土粗粒粗粉的百分含量亦大致一樣，表示清楚構成該區(qū)黃土搬運風力也不是西北向氣流為主。當代氣象觀測資料顯示，山東地區(qū)西北方向的冬季風系統(tǒng)，在渤海海區(qū)發(fā)生轉向，漸變?yōu)榻毕蝻L力為主，這表示清楚輸送魯中山地北麓黃土主要是以北向的風力為