现代黄河三角洲Pb剖面的标准化方法——粒度相关法

Question

如题所述

Answer 1

业渝光　和杰　刁少波　蔡善琪　宋苏顷

（地质矿产部海洋地质研究所）

关键词²¹⁰Pb　粒度相关法　标准化

²¹⁰Pb技术是测定现代沉积速率的有效手段，已广泛应用于湖泊、陆架、港湾和河口沉积学的研究。1855年以来形成的黄河三角洲是应用²¹⁰Pb技术极为吸引人的地区，首先，它的形成年代就在²¹⁰Pb测年的范围内（100～150a）；其次，历史的记录使我们知道了某些已知年代。

我们曾试用这种方法为现代黄河三角洲的叶瓣模式提供了²¹⁰Pb的证据。但是由于黄河携带的泥沙都是细颗粒物质，主要是粉砂，而且沉积速率极快，这就给应用^210Pb技术带来了许多困难，如²¹⁰Pb初始浓度较低，粒级不均匀等。Shocks通过对密西西比河三角洲沉积物的研究，发现²¹⁰Pb的放射性被粗粒的惰性物质大量稀释，由此他断言，²¹⁰Pb方法不能应用于质量沉积速率很高（＞0.2g/cm².a）的很靠近海岸的区域。黄河沉积物的堆积速率要比密西西比河大得多，而且沉积物堆积主要在汛期（占全年平均的84%以上），这对吸附的²¹⁰Pb浓度有很大影响。这些因素使许多现代黄河三角洲钻孔岩心中的²¹⁰Pb垂向分布不呈指数关系衰减，这些曲线有着复杂的形式，很难分析。为此，我们开展了现代黄河三角洲²¹⁰Pb剖面标准化方法的研究工作。

1　基本原理

²¹⁰Pb剖面标准化方法的原理并不复杂，在铀系测年中库兹涅佐夫曾总结了锾（²³⁰Th）曲线标准化的方法，本项研究的基本原理类似于这种方法。我们在测定现代黄河三角洲ZK224孔的²¹⁰Pb剖面时就曾发现，²¹⁰Pb放射性强度和粒度有很大关系。这是因为带有210 Pb的尘埃进入水圈后，被吸附在水体中的微小颗粒上，颗粒越小表面积越大，吸附的210 Pb也越多。因此，可以在经历了很短时间的一段岩心上有意识地密集采取不同粒级的样品，测定其²¹⁰Pb浓度和粒度，找出它们之间的相关关系，然后把²¹⁰Pb浓度在同一粒径的基准上归一，这就是²¹⁰Pb剖面粒度相关法的基本出发点。

体积相同的物体总表面积和其粒径成反比。例如，将边长为1cm的立方体分为边长为0.1cm的立方体时，其表面积从6cm²增加到60cm²。根据这个原理，我们可把样品不同粒级部分都归一到10φ粒径上来，我们称之为10φ当量粒径。这个10φ当量粒径的含意及所占的百分比表示沉积物相当于归一到10φ时表面积的大小，10φ当量粒径所占百分比越大，吸取的²¹⁰Pb粒子亦越多。

2　取样地点及岩性描述

ZK226孔位于垦利县呈子口西南600m公路东侧（图1），孔口标高2.1m，孔深30m，样品的采取是经过精心选择的，在沉积物岩性明显不同的界限都采取了样品，一共采取了32个样品。由图1可看出这个钻孔位于5流路的右河道入海处，根据地质资料，这个钻孔沉积物主要是由第5流路和第8或第9流路的叶瓣所组成。在第5叶瓣（1926～1929年）沉积物中（岩心长3m左右）采取不同粒径的样品 15个，选择这个叶瓣的目的是由于沉积时间短，可以忽略²¹⁰Pb本身随时间衰减而引起的误差，使分析的问题更加简化，可认为是同一年沉积的。本底的²¹⁰Pb浓度同样受粒度控制，取本底样品10个。在第5叶瓣以上的岩心上取样7个。样品的岩性、深度及沉积环境见表1。

图1　现代黄河三角洲叶瓣和钻孔位置图（据成国栋等，1987．加绘钻孔位置）　 Fig.1 Map showing the modern Huanghe River delta lobes and the sites of ZK226 and 88C2(After Cheng Guodong,et al.,1987）

虚线为第1亚三角洲（1855～1934年）的古河道及舌状堆积体。各叶瓣的形成年代为：

①1855.6～1889.3；②1889.3～1897.5；③1897.5～1904.6；④1904.6～1926.6；⑤1926.6～1929.8；

⑥1929.8～1934.8；⑦1934.8～1953.7；⑧1953.7～1964.1；⑨1964.1～1976.5；⑩1976.5～现代；▲为钻孔

3　实验及结果

用SKC-2000型光透式粒度分布仪测定每个样品的粒度分布情况，然后折算成10φ当量粒径所占的比例，小于10φ的部分乘以由实验求得的2.8当量系数，最后加在一起求出10φ的当量粒径。

表1　ZK226孔粒度分析和²¹⁰Pb结果及有关参数^＊Table 1 Lithology of samples and date of²¹⁰Pb and grain size analyses in core ZK226

用a谱法测定样品的²¹⁰Pb浓度，实验方法同文献[4]。测试数据均列入表1。

把8-22号样品的²¹⁰Pb浓度C(dpm/g）与10φ当量粒径D(%）回归，得到如下关系式，

地质年代学理论与实践

相关系数r=0.98。

把本底样品23～32号样品的²¹⁰Pb浓度C_b(dpm/g）和10φ当量粒径D(%）回归，得到式（2）

地质年代学理论与实践

相关系数r=0.98。

这个式中的第一项是沉积物表面吸附物质的本底，而第二项常数是沉积物自身铀系衰变系列的本底，这说明本底²¹⁰Pb的贡献大部分来自沉积物本身。

从式（1）和式（2）的相关系数可看出，无论是本底还是第5叶瓣沉积物中的²¹⁰Pb含量和10φ当量粒径之间的线性关系相当好，这说明粒度是控制²¹⁰Pb浓度的重要因素。把方程（1）和（2）标绘图2中，两个线性方程相交于A点（D=54.13%,C＝0.89dpm/g），经A点做一直线平行D轴，这一直线即为样品的本底，即C_b=0.89dpm/g。

图2　10φ当量粒径和²¹⁰Pb浓度相关图Fig.2　The dependence of 10φequivalent grain sizeson²¹⁰Pb concentra tions

在现代黄河三角洲绝大部分沉积物来自同一源地——黄土高原，沉积作用主要是机械分异，化学分异作用很小，岩心中不同粒级的组分是由于环境变化，在水力作用下机械分异的结果。因此，我们可以认为在现代黄河三角洲样品中的²¹⁰Pb浓度都遵循方程（1），也就是说任一年代的线性相关方程斜率都是相同的，只不过截距不一样。

我们若知道样品中的²¹⁰Pb含量和10φ当量粒径就可以计算出年代，现以7号样品为例说明。从表1可得知7号样品的²¹⁰Pb为0.67dpm/g,10φ当量粒径占27.27%，把这两

个数代入（＝0.01606D+A中，可以得到一个新的线性方程

地质年代学理论与实践

式（3）即为7号样品²¹⁰Pb浓度和10φ当量粒径间的关系式，令D为65代入式（3）可求出B点（D=65%,C=1.276dpm/g）。把A点和B点连成一直线，此直线即为样品中过剩的²¹⁰Pb和10φ当量粒径间的关系，此直线的斜率K₂=0.03551。因第5叶瓣方程（1）的斜率K1=0.01606，那么7号样品的过剩²¹⁰Pb和第5叶瓣样品过剩²¹⁰Pb之比，C_ex2/C_ex1=K₂/K₁，把K₁和K₂的值代入下式就可求出7号样品和第5叶瓣样品相差的年代为25.6a，现令第5叶瓣的平均年份为1928年，则7号样品为1953年7月。这种方法求取的相差年代和10φ当量粒径无关，无论在10φ当量粒径为65%,75%或80%的基础上标准化，两条直线的斜率K₁和K₂不变，过

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图3　ZK226孔²¹⁰Pb沿深度分布图Fig.3　Distribution of²¹⁰Pb for oore ZK226

·实测²¹⁰Pb；×标准化后²¹⁰Pb

图4　88C₂孔²¹⁰Pb沿深度分布图　Fig.4　Distribution of²¹⁰Pb for core 88C₂

·—实测²¹⁰Pb；×—标准化后²¹0Pb

剩的²¹⁰Pb浓度尽管因在不同当量粒径基础上标准化而改变，但其比值不变，即相差年代不变。

按照上述方法把ZK226孔的²¹⁰Pb剖面在10φ当量粒径为65%的基础上标准化，其结果见表1和图3。从图3可看出，ZK226孔是由1926～1929年（－9.58～－13.85m）和1953～1964年（－9.58～0m）两个叶瓣所构成的，这说明黄河泥沙在河口区迅速沉降形成河口沙坝。

4　标准化方法的验证

Carpenter等曾用沉积物中的²¹⁰Pb对Al、Mn的比来判断华盛顿大陆坡和陆架沉积物的不同来源，我们在测定现代黄河三角洲样品²¹⁰Pb浓度的同时，也测定了Fe、Mn、Al、Cu等元素的含量，这些元素的含量同²¹⁰Pb明显地呈正相关，具体情况将另文报道。测定结果表明^2I0Pb对Fe、Mn、Al、Cu等元素的比值变化不大，说明沉积物基本上来源于黄土高原，而且²¹⁰Pb主要来自表层土壤中，既然物质来源一样，那么这个建立在ZK226孔基础上的²¹⁰Pb剖面粒度相关标准化方法应适用于这个地区的其他钻孔。为此，我们用粒度相关法使88C₂孔的²¹⁰Pb剖面在同样的10φ粒径（D=65%）基础上标准化。88C₂孔位于潮间带，具体位置见图1。第9叶瓣的构造比较复杂，在12a的第9流路期间黄河入海口改道数次（图1），当取样地点正对河口时形成河口沙坝，堆积速率就极快；当取样地点位于沙坝侧缘时相对来说堆积速率就较慢。88C₂孔的测试结果见表2和图4，它主要是1964年至今形成的。这个孔的²¹⁰Pb剖面如实反映了由于黄河入海口的改变，导致了堆积速率变化，这也证明了我们这种粒度相关标准化方法的可靠性。

表2　88C₂孔粒度分析和²¹⁰Pb结果及有关参数Table2　Litholohy of samples and data of²¹⁰Pb and grain size analyses in core 88C₂

5　讨论

5.1　沉积年代的计算

用²¹⁰Pb方法计算沉积速率和年代的模式有两种：①恒定过剩²¹⁰Pb初始浓度（C、I、C、）模式；②恒定补给速率（C、R、S、）模式。我们采用了C、I、C模式。根据黄河三角洲的特定情况在沉积物的剖面中分段使用。大气中含有²¹⁰Pb的尘埃沉降到地球表面时，直接进入河流中很少，绝大部分降落在地球表层土壤中。Carpenter的测试数据表明，哥伦比亚河中²¹⁰Pb最多有2%的大气²¹⁰Pb的补给，其余大气的²¹⁰Pb都降落在哥伦比亚河流域，所以其²¹⁰Pb河流搬运颗粒主要来自土壤。黄河流域表层土壤中的²¹⁰Pb随着降雨和径流进入黄河，和黄土高原来的沉积物混合并被迅速吸附，最终沉积在河口。每年的降雨量不同，进入黄河的²¹⁰Pb也不相同，但在一般情况下降雨都是把土壤表层的²¹⁰Pb带入黄河，因此可以认为过剩的²¹⁰Pb初始浓度是恒定的。严格来说C、I、C模式应用于黄河三角洲是比较勉强的，因为每年汛期黄河携带的泥沙占全年输沙量的大部分，在汛期沉积物的堆积速率很高，而在非汛期沉积物的堆积速率较低，在一年内堆积速率实际上是变化的，我们将在后面详细讨论。再者由于黄河入海口经常改变，水下三角洲的地形情况也不相同，在“河口陡坡”式水下地形处坡度很大，沉积物堆积速率就十分迅速，一年甚至可达数米，相反在前三角洲沉积物的堆积速率就较慢。尽管如此，我们仍可认为沉积物在进入黄河水系后，沉积物—水界面的过剩²¹⁰Pb初始浓度为一常量，在沉积环境相对一致的期间内，沉积物的平均堆积速率没有变化。沉积物某一层的年代可由下式求出，

地质年代学理论与实践

式中，C_z为沉积物在Z深度时过剩²¹⁰Pb的浓度，用dpm/g表示；C_o为Z深度上一层O时过剩²¹⁰Pb的浓度，用dpm/g表示；t为沉积物在深度0和Z之间年代差，用a表示，τ为²¹⁰Pb的平均寿命，为32.3a。只要知道了某一层的年代就可逐层求出每一层的年代。5.2汛期和水下地形改造的稀释作用

由图3和图4可见，即使在标准化后，²¹⁰Pb剖面在某些地方还是不呈指数关系，²¹⁰Pb明显减少，这和黄河输沙量不均一有极大的关系。黄河流域气候变化较大，降雨量从东南向西北速减，降水时间主要集中在6～8月份，此间降水量占全年总降水量的65%～80%，造成黄河明显的汛期洪水。黄河的输沙量在时间上较径流更为集中，图5为利津水文站的黄河输沙量的直方图，利津水文站位于黄河三角洲顶点附近，其水沙特征即代表了黄河的水沙特征。

根据图5，再分析ZK226孔和88C₂孔的整个²¹⁰Pb剖面，可以明显地看出²¹⁰Pb浓度降低的地方正是黄河输沙量最大的年份，1954年（全年19.8×10⁸t，汛期17.6×10⁸t），1958年（全年21×10⁸t，汛期19.3×10⁸t），1964年（全年20.3×10⁸1，汛期 15.9×10⁸t）和1967年（全年20.9×10⁸t，汛期17.5×10⁸t）。这可能是由于汛期降水量太强，洪水量太猛，输沙量太大，把黄河流域和黄河底质较老的物质带入，致使²¹⁰Pb含量被稀释。另一种可能是，由于水量猛输沙量大，改造了黄河三角洲的水下地形。据密西西比三角洲水下块体运动的研究表明，三角洲前缘的滑动构造一般发生在坡度为0.2～0.5°的前缘斜坡上，而黄河三角洲5～10m水深处三角洲前缘斜坡的角度高达0.3°，更利于滑坡的发生。在汛期洪水可加速滑坡的发生，致使一些较老的沉积物堆积下来，稀释了²¹⁰Pb的浓度。

图5　1952～1980年黄河输沙量直方图　Fig.5　Histogram of sedimentation discharge in the HuangheRiver(1952～1980）

汛期和非汛期²¹⁰Pb的变化在ZK226孔 1926～1929年的叶瓣上表现得更为突出（图3）。1926～1929年是黄河输沙量较小的流路，1928年是最小的输沙量年份，年输沙量仅为4.88×10⁸t（县水文站）。图3左边标准化后的过剩²¹⁰Pb曲线，在1926～1929年间有明显的4个低峰，这是1926～1929年的汛期所造成的。1928年汛期输沙量最小，所以低峰也最小。

6　结束语

现代黄河三角洲的叶瓣构造并不是简单的镶嵌和覆盖，黄河尾闾的经常摆动，高能的沉积环境，汛期和非汛期输沙量相差悬殊等因素，造成了河口地区比较复杂的垂向沉积序列。使用常规的²¹⁰Pb技术在这个地区难以奏效，用标准化方法可以明显地消除²¹⁰Pb在现代黄河三角洲沉积物中不规则的垂直分布，有利于黄河三角洲现代沉积作用的研究更加深入。在一般情况下，水动力条件造成的沉积物粒径变化而引起的²¹⁰Pb浓度的变化，可用标准化方法得到解决。在现代黄河三角洲²¹⁰Pb剖面中极不规则的层位，是由于黄河汛期洪水和水下地形改造的结果，致使较老的物质混进沉积物而使²¹⁰Pb浓度被稀释。本文提出的用粒度相关使²¹⁰Pb剖面标准化方法可适用于现代黄河三角洲。

致谢　工作中得到海洋地质研究所成国栋先生的指导和帮助，阅读初稿并提出宝贵的修改意见；中国科学院地质研究所铀系实验室夏明先生和北京大学考古系第四纪年代学实验室原思训先生对本项工作给予极大的支持，在此一并表示衷心感谢。

参考文献（略）

（地理科学，1992，第12卷，4期，379～386页）