鲁中山地北麓黄土沉积特征和成因研究

　　粉尘在气候变化中的作用成为地球气候系统模拟的焦点问题，其参数是大气综合循环模型( AGCMs)的重要模拟参数之一。源区距离、传输路径的差异，使得粉尘产生的气候效应不同，查明粉尘传输和沉积规律及其对区域和全球环境的影响是目前全球变化研究的重要内容。黄土是地质时期沙尘暴天气形成的陆相粉尘堆积物，在不同纬度地区均有分布，其中以我国黄土高原地区大面积、巨厚而连续的晚新生代黄土最为典型。在古环境研究领域内，基于黄土的记录已经有效地揭示了粉尘的物源、搬运路径和沉积等环节的风成沉积系统等演化信息，这些对于现代沙尘天气发生、发展机理以及防治提供了重要科学依据。

　　目前，学术界从不同区域上对中国黄土的物源及其指示的古大气环流状况进行了深入研究，获得了一些重要的成果。这些研究区域主要包括黄土高原、青藏高原周边、辽南、长江流域等。位于中国黄土带东缘的山东地区亦广泛分布黄土，按自然地理区将其划分为渤海湾濒海岛屿区、鲁中山区北麓两部分。其中，对山东黄土物源研究以渤海湾濒海岛屿区的研究最为系统，但对鲁中山区北麓黄土风成系统研究仅局限于青州等零散剖面，并且还存有争议。深入了解该区黄土物质来源需要对空间布局合理的多个剖面进行研究才能得到可靠的认识。

　　大气动力学研究表明，粉尘的粒度特征参数能有效揭示搬运过程中大气湍流强度、粉尘搬运路径和源区距离等信息。沉积物粒度多组分分析被成功地应用到沉积环境信息的提取，不同的组分反映了不同的沉积动力和环境条件，与全岩粒度分析相比，更能合理地表现全样品中每一组分的粒度分布特征及其成因意义。因此，文中在东西呈带状分布的鲁中山区北麓黄土区，自东向西选择青州、淄博、济南三个剖面和黄土高原地区西峰剖面末次盛冰期黄土进行了粒度测试与特征参数计算，并基于对数正态分布函数拟合后，从粉尘搬运的空气动力学和野外观察对整个鲁中山地北麓黄土沉积特征和成因进行了系统研究。

　　1、 样品与方法

　　1． 1 样品采集

　　在鲁中山地北麓，自东向西采集黄土样品的剖面地点为淄博市土门头村( ZB，36°28' N、118°05'E) 、青州市傅家庄村( QZ，36°40'N，118°27'E) 和济南市张夏镇( JN，37°18． 793' N、118°18'E) ( 图 1) 。在每个剖面，以 2． 5cm 间距采集散样，为便于同时期比较，粒度测试样品在末次盛冰期挑选 5 个样品。在西峰赵家川黄土剖面( XF，35°53'N，107°58'E) 挑选 5 个末次盛冰期样品供对比。

　　1． 2 粒度测试

　　将风干的样品称取0． 2g 左右放入已洗净的烧杯中，加入 15 毫升 10% 的双氧水( H2O2) 加热至 100℃2 小时去除有机质; 静止 10 分钟后，加入10 毫升10%的盐酸( HCl) 去除碳酸盐静置48 小时后待测。测试前，加入 5 毫升 1mol / L 的六偏磷酸钠( ( NaPO3)6) 分散剂，并用超声波清洗机震荡 10 分钟。粒度测试使用 Marvern Mas-tersizer 2000 型粒度仪，该仪器测量范围为 0． 02－ 2000μm，重复检测相对误差小于 1% 。

　　1． 3 粒度特征参数计算与多组分拟合

　　在沉积物粒度分析时，特征参数计算常用的主要有图解法和距法。文中采用目前较为常用的距法，对全岩粒度分别计算了标准差( σ) 、偏度( S) 和峰度( K) 。在沉积物的粒度分布曲线中，每一组分均属于对数正态分布类型。由于黄土沉积包含多个组分，笔者采用了正态分布函数对研究样品各组分进行了数学分离。用设定的分布函数对实测数据以各粒级的粒径为自变量，以该粒级的百分含量为分布函数值，以拟合权重残差最小为目标对样品进行了粒度频率曲线拟合，拟合误差均控制在 3%以内。并计算了样品中每个组分粒径的中值粒径( Md) 、标准差(σ) 、百分含量( %) 等粒度参数，从而将混合样品的各组分完全分离出来。多组分的对数正态分布函数如下:

　　式中: n 是组分数，x = ㏒( d) ，d 是粒径( μm) ; ci为第 i 组分百分比，n 个 ci之和为 100%; σi为样品第 i 组分粒径的标准差; ai是第 i 个组分粒径的对数平均值( μm) ，ai= ln( d) 。

　　式中: m 是粒级间距的数量; F( xj) 是第 j 粒级间距的拟合百分比; G( xj) 是第 j 粒级间距的测量值的百分比。dF 值最小时表明拟合结果最好。

　　2、 结果与分析

　　图 2 为各个研究剖面代表性样品的粒度频率分布曲线。鲁中山地北麓的三个剖面和黄土高原西峰剖面的粒径变化范围均在 0 ～ 125μm 之间，其中粉砂粒级( ＜ 63μm) 以下的颗粒占绝对优势，其含量均在90% 以上。从粉尘动力学的研究角度来看，粉砂占绝对优势的特征表明其颗粒是以风力悬浮状态搬运为主。

　　沉积物的粒度参数与形成环境及搬运动力条件具有密切的关系。通过距法计算的全岩粒度特征参数显示，鲁中山地北麓和西峰黄土所有全岩样品的粒度标准差( σ) 值为 1． 7 ～2． 2 之间，表明其分选较差; 偏度( Sk) 值为变化范围在 0． 5 ～0． 7 之间，总体上呈显著的正偏态非对称分布; 峰度( K) 值变化范围在2． 4 ～ 3． 4 之间，峰态分布总体上是很窄的。全岩粒度特征参数显示鲁中山地北麓黄土与西峰黄土沉积环境和搬运动力是相似的。

　　沉积环境的各种条件非常复杂，近年来的观点认为全岩粒度参数的分析有时难以严格区分沉积物成因类型，结合粒度多组分特征分析可能更为有效。基于正态分布函数对研究样品各组分进行了数学分离后发现，所有样品由细( C1) 、中( C2) 、粗( C3) 三个组分构成( 图 2) 。其中，粗粒组分( C3) 峰形最明显，其次是细粒组分( C1) ，而中粒组分( C2) 表现为细粒( C1) 和粗粒( C3) 组分之间平缓的过渡峰，该特征是典型风成沉积粒度分布特征。

　　各组分的中值粒径( Md) 、标准差( σ) 和百分含量( %) 亦表现出相似特征( 表 1) 。首先，每个地点样品的各组分中值粒径都在较小的变化范围。C1 组分中值粒径最小，均在 ＜ 1μm。C2 组分中值粒径居于中间，在5 －10μm 之间。C3 组分中值粒径最大，在25 －35μm 之间。其次，各地样品相同组分的百分含量亦比较接近，C1 组分最小，均在 11% 以内，C2 和 C3 组分大致相同，在 43 －48% 之间。由上述分析可见，鲁中山地北麓三个黄土剖面与西峰黄土第四纪黄土无论在全岩粒度特征参数，还是多组分特征均呈现相似特征，具有风成沉积的典型粒度分布特征。

　　3、 讨论

　　3． 1 鲁中山地北麓黄土的成因分析

　　关于鲁中山地北麓黄土的成因曾有过多种看法，主要有残积坡积说和风成说等。近年来，对粒度、矿物学等手段的研究形成比较一致的观点是风成成因。从鲁中山地北麓三个黄土剖面的粒度频率分布、特征参数和多组分特征分析来看文中支持黄土风成说的观点。残积说认为，堆积在鲁中山地北麓的山前平原、山间盆地的黄土中常夹杂砂砾透镜体、基岩碎屑，具有流水作用的痕迹，黄土物质堆积后经洪水搬运、沉积而成。文中通过野外观察发现，这种现象在鲁中山地北麓是较为常见的。在黄土和古土壤层过渡层位和剖面下部具有流水作用的痕迹，例如济南剖面。但在距离山地较远的阶地上发育着一些厚度较大的剖面有的整套几乎不含砂砾透镜体，例如青州、淄博剖面，具有典型的风成特征。鲁中山地基本物质成分是风成起源的，受地形和气候条件的影响多数剖面经过流水作用的改造。沉积序列上较长、典型的风成剖面，如青州剖面等将成为研究山东晚第四纪以来古环境变化不可多得的材料。

　　3． 2 鲁中山地北麓风成黄土物源

　　关于鲁中山地北麓风成黄土的物源，在上个世纪七、八十年代曾认为是与黄土高原地区一样来自于西北内陆的荒漠、戈壁的松散沉积物，经偏西北的高空气流携带而来的远缘粉尘。近年来，较为一致的观点是基于黄土粒度较粗的特点认为是近源物质，主要来源于沉积区以北的黄泛平原和渤海陆架的第四系松散堆积物。文中研究表明，典型风成黄土粒度的细粒组分( C1) 受布朗运动控制，中粒组分( C2) 受湍流控制，这两者都可以远距离搬运，而粗粒组分( C3) 受重力沉降控制，其百分含量与搬运距离成反比，距源区距离愈远含量降低，反之增加。因此根据粗颗粒的百分含量推测物质源区的远近。

　　由表 1 所示，鲁中山地北麓黄土与西峰剖面的黄土粗粒粗粉( C3) 的百分含量大致相同，说明两地黄土距各自的源区距离应该比较接近。西峰黄土剖面距西北内陆最近的源区现代沙漠 － 腾格里沙漠大约为200km，但鲁中山地北麓距沙漠 － 腾格里沙漠在 1000km 以上。由此可见，鲁中山地北麓黄土源区与西峰黄土可能不完全相同。同时，从鲁中山地济南、淄博和青州黄土粗粒组分的空间变化来看，自西向东黄土粗粒粗粉的百分含量亦大致相同，表明形成该区黄土搬运风力也不是西北向气流为主。

　　现代气象观测资料显示，山东地区西北方向的冬季风系统，在渤海海区发生转向，渐变为近北向风力为主，这表明输送鲁中山地北麓黄土主要是以北向的风力为主，上述这些分析与以前的观点也是相一致的。鲁中山地北麓的黄土应当是以冰期时偏北气流所携带的黄泛平原和渤海湾陆架沉积为主。

　　4、 结论

　　鲁中山地北麓黄土的粒度频率分布、特征参数和多组分特征显示鲁中山地基本物质成分为风成起源，且黄土物质堆积后经洪水搬运、沉积作用的改造。基于对数正态分布函数拟合后，根据粉尘动力学原理，鲁中山地北麓的黄土的主要来源是以冰期时偏北气流所携带的黄泛平原和渤海湾陆架沉积为主。