2019, Vol.39
更新世期间，全球气候曾发生过多次冰期与间冰期的交替变化，致使全球海面多次发生大幅度的升降。间冰期气候来临时，全球温度升高，大陆冰川融化，海面抬升，陆架区出现海侵，形成陆架沉积；冰期来临时，气温降低，冬季风显著加强，夏季风明显减弱，海平面下降，致使黄海、渤海、东海陆架大面积出露，在这种环境下，对数千公里的浅地层剖面仪测量记录的研究导致晚更新世末期陆架沙漠化概念的提出[1]。众多学者对大陆架沉积物展开了大量的研究[2~6]。结果表明：粒度及石英颗粒表面形态研究对沉积物沉积环境具有较好的指示意义。埃默里和尤芳湖[7]最初提出“残留沉积”的概念，促进了陆架沉积学的研究进展；马锋等[8]对图们江下游沙丘进行了粒度分布与石英颗粒表面形态特征的研究；张一辉等[9]对南海琼东陆架海洋沉积物进行了粒度分析；于洪军[10]对山东半岛北部沿海和水下“陆架黄土”进行了系统的成因研究，并提出了末次冰期陆架荒漠化和山东黄土的风成近源成因观点；Reineck等[11]讨论了在陆架淤泥层中夹有砂层是波浪和风暴共同作用形成的；Parra等[12]利用钻孔对新西兰北岛的Poverty陆架上的陆架砂、海滩砂的粒度、矿物组成等方面进行分析，证明该地砂质沉积物主要来源于本地。
前人的研究多以钻孔资料为主，研究表明在全新世海侵以前，黄渤海及东海陆架普遍为砂质沉积区，部分地区为黄土沉积区，由于中国陆架处于十分干旱的环境，只能出现沙漠与黄土沉积[1]。本文以长兴岛裸露于地表的砂质沉积物为研究对象，分析研究区粒度组成及石英颗粒表面结构特征，探讨该区域陆架沙漠化沉积特征。
1 研究区概况研究区位于辽宁大连长兴岛地区(图 1)，与渤海相邻，属暖温带湿润大陆性季风气候，年均温为13 ℃，年均降水量600 mm左右，以山地、丘陵为主，西部高，东中部较低，平均海拔50 m左右。
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图 1 研究区位置图 Fig. 1 Location map of study area |
采样剖面(BZ)位于长兴岛滨海假日花园南侧(39°36′N，121°26′E)，海拔高度为16 m，剖面厚度约3 m(图 1和2)。下层样品与上层样品颜色显著不同，自上而下来看，顶部约有30 cm表土层；其下为80 cm棕色土层，垂直节理明显，铁锰结核可见；继而是厚约20 cm混合过渡层，下层为厚约40 cm棕黄色土层，偶见钙结核，颗粒较细；再下为厚约40 cm灰色土层，质地紧密，颗粒较细；下部砂质沉积层约90 cm，呈现浅黄色，质地松散，层理清晰。自剖面底部至顶部以30 cm为间隔共采集7个样品，样品编号依次为CXD1~CXD7用于激光粒度仪测试与石英颗粒扫描电子显微镜观察。
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图 2 长兴岛砂质沉积物剖面示意图 Fig. 2 Diagram of sandy sediment profile in Changxing Island |
粒度测试与扫描电镜实验均在辽宁师范大学实验中心完成。运用美国库尔特公司的贝克曼LS13 320激光粒度仪进行粒度测定，测试范围为0.02~2000 μm，误差小于3 %。样品前处理参照风成砂方法：取0.25~0.3 g样品加入10 ml浓度为10 % H2O2静置24 h后加热煮沸以去除样品中的有机质。待反应完全后，加入10 ml浓度为10 %的HCl并加热煮沸去除碳酸盐及有机质胶结。反复清洗至中性，最后除去上层清液后加入10 ml浓度为0.02 mol的六偏磷酸钠((NaPO3)6)摇匀使其充分分散，使用激光粒度仪进行粒度测试。
利用日本日立公司生产的Hitachi SU801场发射高分辨率扫描电子显微镜观测石英表面结构特征。前处理方法采用如下步骤：将风干的样品分别过1 mm和0.125 mm铜筛，筛分出粒级为0.125~0.1 mm的样本，然后称取10~15 g，加入浓度为37 %的盐酸及浓度为37 %的H2O2浸泡去除有机质及碳酸盐，最后将样品烘干。在双目显微镜下挑选出50~100颗石英颗粒，放入烧杯中加入10 ml浓度为37 %的盐酸及10 ml浓度为37 %的H2O2浸泡并烘干。将挑选出石英颗粒在双目显微镜下用毛尖笔随机挑选出15~20颗整齐地粘贴在双面胶上并固定到样品桩上送入扫描电镜观察。
2.2 剖面年代的推测长兴岛剖面与金州七顶山剖面[13]相距46 km，其海拔高度相同，均位于渤海东缘，其分布地貌部位相似，沉积层序相同，并通过标准差法计算与七顶山剖面马兰黄土部分样品粒度[13]比较得出该剖面黄土层与七顶山剖面的QDS-31和QDS-29样品相关结果数据极为接近，两个剖面具有可比性；另外，与张威等[14]对七顶山马兰黄土光释光测年结果进行对比，推断该剖面大约形成于距今2.5万年左右，沉积环境为晚更新世末次冰期时期，气候比较干冷，降水偏少，陆架出露。
3 实验结果 3.1 粒度特征沉积物粒度分析方法作为分析沉积物的搬运方式和沉积环境、沉积过程的重要手段之一，被广泛应用于风成、海洋、湖泊、河流和浊流沉积环境的比较和鉴别上[15~18]。
3.1.1 长兴岛砂质沉积物粒度参数本文采用乌顿-温德华[19~20]粒级分级标准及Folk和Ward[21]制定的公式计算粒度参数[22]。粒度测试结果显示(表 1)该剖面自下而上呈现出的粒级特征：整体变化为粗→细→粗→细的趋势；CXD1和CXD2以中细砂为主，含量在75 %左右，平均粒径为2.37 ϕ，分选较差；CXD3和CXD4粉砂含量显著增加，中细砂含量减少，平均粒径为3.89 ϕ，分选较差；CXD5和CXD7粉砂含量居多，平均含量达60 %以上，不含粗砂，平均粒径为4.91 ϕ，分选差；CXD6粉砂含量与中细砂含量相近，平均粒径为3.69 ϕ。整个剖面平均粒径(Mz)在2.23~4.95 ϕ之间；中值粒径(Md)在2.17~5.16 ϕ之间；偏度值(SkI)在-0.07~0.46之间，呈现出正偏-近对称分布；峰态值(KG)在0.79~2.74之间，自下而上变化为很窄-中等-尖窄；标准偏差(σI)在1.26~2.08。
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表 1 长兴岛砂质沉积物剖面粒度参数表 Table 1 Particle size parameters of sandy sediments in Changxing Island |
依据粒度分布频率曲线(图 3)：剖面从样本CXD1到样本CXD2呈现出单峰态，众数值在2 ϕ左右，在分布曲线上有细尾延伸，表明物源单一，与辽东半岛[23]砂质沉积物粒度近似，比风成砂均值细(表 2)，表明该处沉积物下层以近源沉积为主。从样本CXD3到CXD7呈现出双峰式分布特征，分别有两个众数值，第一众数值在2 ϕ左右，第二众数值在5.0~6.5 ϕ之间，表明上层沉积物不是单物源，结合表 3对比显示该剖面CXD5和CXD7沉积物比大连七顶山[24]及周家沟[25]马兰黄土粒径偏细，比西部洛川黄土[26]粒径偏粗。表明该剖面上层沉积物以近源沉积为主、远源为辅。剖面沉积物的概率累积频率分布曲线(图 4)具有3~4个直线段，2~3个截点，出现两个跃移组分和两个悬移组分。CXD1和CXD2样本中，第一个悬移组(>10 ϕ)，斜率略大，分选较好，含量少；第二个悬移组(>3 ϕ)，斜率小，分选差，含量较少；第一个跃移组(1~3 ϕ)，斜率大，分选较好，百分含量多；第二个跃移组(< 1 ϕ)，应属于推移组分，斜率大，分选好，粒径较粗，百分含量较少。两个跃移组分可能是受流水冲刷作用。CXD5和CXD7样本中，第一个悬移组(>10.5 ϕ)，斜率略大，分选较好，含量少；第二个悬移组(>7.5 ϕ)，斜率较小，分选较差，含量少；第一个跃移组(2.0~7.5 ϕ)，斜率略大，分选稍好，百分含量多；第二个跃移组(1~2 ϕ)，斜率较小，分选较差，含量较少。
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图 3 长兴岛砂质沉积物粒度分布频率曲线 Fig. 3 Frequency curve of grain size distribution of sandy sediments in Changxing Island |
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表 2 长兴岛剖面下层沉积物与辽东半岛海岸砂质沉积物及风成砂[23]均值比较表 Table 2 Comparison table of mean values of sandy sediments and aeolian sands between the lower sediments of Changxing Island section and the coast of Liaodong Peninsula |
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图 4 长兴岛沉积物概率累积频率分布曲线 Fig. 4 Probabilistic cumulative frequency distribution curve of sediments in Changxing Island |
粒度参数特征可以反映沉积物的形成环境[27~29]。萨胡[30]通过对大量的砾石、砂、粉砂等碎屑物质进行采样分析，建立了风成、海滩、浅海、河流(三角洲)以及浊流5种环境间的判别公式[22, 31]。用萨胡[30]公式对长兴岛砂质沉积物剖面的沉积环境进行判别，Y风成：海滩=-3.5688Mz+3.7016σI2-2.0766SkI+3.1135KG(若Y < -2.7411，说明样品形成于风成沉积环境；若Y>-2.7411，说明样品形成于海滩环境)。带入公式计算得出在-2.33~4.98之间，均大于-2.7411，表明该剖面形成于海滩环境。
3.2 石英颗粒表面形态特征石英颗粒形态是区别外营力种类和搬运距离长短的重要标志[32]。石英颗粒表面形态特征能够反映沉积物形成时期环境特征及搬运过程中的机械、化学作用，主要分为机械成因特征、化学成因特征及机械化学成因特征(图 5)。
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图 5 长兴岛剖面不同层位沉积物石英颗粒表面形态特征 Fig. 5 Surface morphological characteristics of quartz particles in different position from Changxing Island profile |
依据陈丽华等[33]的磨圆度等级划分原则，划分为棱角状、次棱角状、次圆状、圆状及浑圆状5个圆度等级。石英颗粒的磨圆度能较好的指示沉积物搬运距离[34]，长兴岛砂质沉积物石英颗粒形态以次棱角-次圆状为主(图 6a和6b)，少数可见圆状(图 6c)，过渡层CXD3、CXD4中少数可见棱角状(图 6d)，没有出现浑圆状颗粒。本次分析的样品磨圆度与陆架沙漠化典型石英颗粒形态相一致。CXD5及CXD7样品中可见菱形(图 6e)、矛形(图 6f)、纺锤形(图 6g)及水滴形(图 6h)等典型的黄土表面形态特征。
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图 6 石英颗粒磨圆度形态 Fig. 6 Roundness morphology of quartz particles |
Newsome和Ladd[35]研究认为，特征出现频率大于75 %为大量出现，25 % ~75 %的为正常出现，2 % ~25 %的为少量出现，小于2 %为极少量出现，甚至不出现。对长兴岛砂质沉积物剖面机械成因分析显示(图 5)：石英砂中碟形坑、新月形撞击坑、麻点/麻面(图 7a和7f)均普遍发育，其中碟形坑、麻点/麻面出现频率均在90 %以上，麻点/麻面往往与碟形坑、新月形撞击坑相伴生。翻卷薄片也大量发育，虽在多种环境中可见，但一般认为在风成环境中最为发育[36]。对比黄土层麻点/麻面等风成特征要比砂层更显著(图 5)。
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图 7 石英颗粒表面形态特征 Fig. 7 Surface morphology of quartz particles |
V形坑、水下磨光面、直/弯的撞击沟(图 7b、7c和7e)均大量出现，其中V形坑出现频率在85 %以上。部分样品贝壳状断口也大量出现，其中，中贝壳状断口出现频率最高，长度在10~100 μm之间(图 7a、7d和7e)。平行阶与平行解理面、U形沟均为正常出现(图 7c)，U形沟可能形成于动力条件较强的环境中，碰撞作用力导致颗粒沿结晶软弱面破裂而成[37]，为陆架砂石英颗粒表面结构的标志性特征，从平行解理面的新鲜程度也可见搬运距离较近的特征(图 7h)。水下磨光面一般与相对稳定的水动力条件相关[38]。整体而言，砂质层水成特征如水下磨光面等出现频率要高于黄土层(图 5)。此外，常见风成环境与水下环境特征伴生和叠加现象(图 7a、7d和7e)。
3.2.3 石英颗粒表面化学成因特征化学成因特征可分为溶蚀作用特征、沉淀作用特征及晶体增长[39]。长兴岛砂质沉积物中石英颗粒表面化学作用特征明显，发育了大量的溶蚀坑、深邃溶蚀沟、鳞片状剥落、SiO2沉淀物(图 7f)等高能化学环境。溶蚀浅沟及SiO2沉淀薄膜、溶蚀小坑为低能化学溶蚀。鳞片状剥落、溶蚀坑、硅质鳞片、硅质薄膜出现频率在90 %以上，其中硅质鳞片出现频率为100 %。沉淀作用多在颗粒表面低洼部分发育。硅质球作为沉淀作用发育的初期形态出现概率在65 % ~100 %之间，大部分样品中为大量出现，少部分样品中出现葡萄状硅质球沉淀(图 7g)。方向性溶蚀坑在砂层中出现的频率高于黄土层。晶体增长为正常出现，表明水下环境作用明显。CXD3、CXD4和CXD6颗粒表面凹坑及磨光面SiO2再沉淀作用显著(图 7c和7f)，具有显著的过渡特征，其他样品的硅质主要沉淀于石英颗粒凹坑及裂隙中(图 7e和7h)，且表面比较光滑。
3.2.4 石英颗粒表面机械化学成因特征石英颗粒表面机械-化学成因特征是指石英颗粒在搬运及沉积过程中先受到机械作用的影响后又经化学作用改造，或先受到化学作用改造又受到机械作用的影响，或反复经受机械跟化学作用的共同影响，从而形成机械化学成因特征[40]。机械化学特征主要有低突起、中突起、高突起和粘结颗粒。长兴岛砂质沉积物样品中以高凸起为主，未见低突起。粘结颗粒出现频率较高(图 7b和7d)。
4 物质来源与沉积环境的讨论研究发现，黄渤海地区陆架砂以砂和粉砂沉积为主，陆架黄土粒度普遍比洛川黄土粗(见表 3)，属于干旱荒漠沉积环境，石英砂表面具有大量碟形坑、新月形坑、薄层沉淀、硅质鳞片等明显的风蚀作用特征[1]。颗粒形态大部分呈次棱-次圆状[39]。本区沉积物在动力条件、物质来源与沉积环境等方面与内陆黄土沉积地区不同。
前人对于陆架砂的研究多经钻孔资料获得，在多种钻孔资料中发现，晚更新世末期的地层主要由砂质沉积组成[1]。李培英等[41]在探讨辽东海岸带黄土与庙岛黄土和洛川黄土的异同时，指出就物质来源和沉积环境来说，辽东海岸带与庙岛群岛接近而与洛川黄土有所不同；吴正等[42~44]对我国海岸沙丘石英砂表面结构特征分析得出既有代表风成环境的典型特征，同时也有代表海滩环境的水下特征，对内陆沙漠砂的研究中发现磨圆度高于海滩砂。
长兴岛砂质沉积物粒度分布频率曲线及概率累积频率分布曲线均表明该处沉积物下层以近源沉积为主，砂质沉积物可能主要是冰盛期海退时，就近裸露陆架发生沙漠化搬运沉积而来。上层则可能是因为晚更新世末期该处盛行北和西北风，在强大的风力吹扬作用下，在该处形成沙漠的衍生沉积区即黄土沉积；沉积物主要通过跃移方式搬运沉积，概率累积频率分布曲线大部分样品出现两个跃移组分，下层可能是流水冲刷作用的影响，上层可能是因来源不同或为不同的粒度分布混合的结果[22]，即该剖面上层较细的沉积物可能受盛行风吹拂来源于距离较远的西北内陆，进而与近源细粒沉积物混合后沉积下来。通过将研究区下层样品与上层样品分别与辽东半岛砂质沉积物及洛川、辽东半岛黄土粒度特征对比分析可以看出研究区为典型的砂层与黄土以互层的方式沉积，中间有过渡特征。
研究区石英颗粒形态以次棱-次圆为主，磨圆度差，指示搬运距离较近，颗粒表面广泛发育具有风成砂标志特征的碟形坑、麻点/麻面、新月形撞击坑和主要发育于水下环境的V形坑、水下磨光面、直/弯的撞击沟。表明该剖面沉积物形成时经历了高能风成环境与中、高能水下环境双重作用。剖面石英颗粒表面叠加特征很明显，有的颗粒风成环境与水下环境相互叠加甚至多次叠加。下部砂质层样品中的石英颗粒水下环境特征明显，且粒度分布频率曲线为单峰态，物源单一，表明该处沉积物可能是裸露的陆架发生沙漠化时，在原地或就近搬运沉积下来，而上部黄土层中石英颗粒表面风成环境特征多叠加在水下沉积的标志性特征之上(图 6i)，且粒度与内陆地区黄土相比较粗，则说明本区黄土可能来源于附近海域，就近搬运与距离较远的沉积物混合后堆积下来。总体而言研究区沉积物经过一定距离搬运，但搬运距离不是很长，以短距离搬运为主。
对于该地沉积物以近源为主，远源为辅的来源特点来看，晚更新世末次冰期盛行时，海面下降，陆架裸露，沙漠化发育，从而堆积了广泛的砂质沉积层，后期又在其上覆盖了黄土层。通过分析比较长兴岛砂质沉积物的粒度及石英颗粒表面结构特征，与前人总结的陆架沙漠化的特征呈现出高度的一致性，为典型的陆架砂沉积。
5 结论本文通过对大连市长兴岛地区陆架砂质沉积剖面的粒度和石英颗粒表面结构特征测试与观测，得出以下结论：
(1) 在粒度特征变化规律来看，长兴岛砂质沉积剖面自下而上呈现出粒级整体变化由粗→细→粗→细的趋势。剖面下层沉积物以中细砂为主，粒度分布频率曲线表现为单峰态并有细尾延伸，以近源沉积为主；中部过渡层粉砂含量显著增加，中细砂含量减少，具有过渡特征；剖面上层沉积物以粉砂为主，粒度频率分布曲线呈现出双峰式分布，物质来源指示为以近源为主远源为辅的特征。
(2) 剖面整体石英砂以次棱-次圆为主，磨圆度较差，指示搬运距离较近。下层砂质沉积物石英颗粒水下环境特征明显，指示海滩环境下的就近搬运沉积；中间层石英颗粒的硅质再沉淀作用显著，呈现过渡特征；上层沉积物石英颗粒表面多发育有碟形坑、麻点麻面等典型黄土特征，且兼具风成与水成特征。
(3) 长兴岛砂质沉积剖面区别于单一的黄土沉积或砂质沉积，以砂层与黄土互层的方式存在，自下而上大致表现为砂土层-过渡层-黄土层的变化。粒度特征及石英颗粒表面结构特征表明该地沉积物以近源砂质沉积为主，后又在其上覆盖了衍生沉积的黄土层，以短距离搬运为主，具有典型的陆架沙漠化特征。
致谢: 感谢北京大学刘耕年教授对野外剖面的实地观测以及刘玉国老师和刘照斌老师在实验过程中的指导!感谢审稿专家和编辑部老师建设性的修改意见!
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Abstract
Grain size of sediments and surface structure of quartz particles are the good carriers reflecting sedimentary characteristics and recording environmental changes. Through field investigation, sandy sediment profile (BZ:39°36'N, 121°26'E; 16 m a.s.l.) with thickness of about 3 m was found in Changxing Island area, the eastern margin of Bohai Sea. Seven samples were collected at intervals of 30 cm and numbered CXD1~CXD7 from bottom to top, to carry out analysis such as grain size and quartz particle scanning electron microscopy (SEM), for defining the sedimentary characteristics of sediments in the study area and discussing the sources of materials and sedimentary environment. The results show that the upper sediments (CXD5 and CXD7) of Changxing Island sandy sediment profile have typical loess characteristics. The frequency curve of particle size distribution shows a bimodal distribution, and the surface morphology of quartz particles shares the aeolian characteristics and the underwater characteristics. Thus, the source of material is mainly near source, supplemented by far source. The lower sediments (CXD1 and CXD2) are mainly fine and medium sand, which are similar to sandy sediments and have obvious underwater characteristics on the surface of quartz particles, indicating that they are near-source material transport deposits. The siliceous re-precipitation of quartz particles in the middle layer (CXD3, CXD4 and CXD6) is significant, showing transitional characteristics. Therefore, the sandy sediment profile in Changxing Island area has the characteristics of interfacial distribution of sand and loess, and the overall sedimentary environment of the profile is mainly near-source, and the upper sediment mixed with remotely transported materials, which is a typical shelf desertification sedimentary environment.