1、第41卷第3期2023年6月Vol.41 No.3Jun.2023沉 积 学 报ACTA SEDIMENTOLOGICA SINICA环境敏感因子在威海湾沉积环境中的应用比较郝榕荣1，杨怡红2，朱龙海1，3，朱颖涛4，袁晓东11.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东青岛 2661002.山东省海洋工程咨询协会，济南 2500133.中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东青岛 2661004.交通运输部天津水运工程科学研究院港口水工建筑技术国家工程实验室，天津 300456摘 要 环境敏感因子是沉积环境演化研究中的重要参数，其提取方法有多种，不同方法在海湾内应用成果相对较少。文章根据
2、山东半岛威海湾WH-05岩心（钻探深度18.2 m）高分辨率（2 cm）粒度分析结果，采用基本端元模拟算法（BasEMMA）、粒级标准偏差法和粒级旋转主成分分析法（V-PCA）提取了环境敏感因子，结合AMS14C数据，对不同方法提取的环境敏感因子进行了对比分析，探讨了其对季风强度变化的响应关系。结果表明：8.4 ka B.P.以来威海湾沉积物类型均为粉砂，粉砂含量为主、黏土含量次之、砂含量较少，以跳跃组分为主，悬浮组分次之。BasEMMA和粒级标准偏差法提取的3个敏感粒级范围（2.611.0 m、31.363.4 m、256.9500.0 m）总体一致，能较好地反映东亚季风长周期变化事件（8.
3、46.5 ka B.P.东亚季风强度减弱；6.5 ka B.P.至今东亚季风强度增强）；V-PCA提取的环境敏感因子，能较好地反映东亚季风短周期变化事件（如明清小冰期、西汉小冰期事件等）。以上三种方法提取的环境敏感因子指示了研究区气候变化，对研究区沉积环境具有较好的指示作用。关键词 威海湾；环境敏感因子；基本端元模拟算法；粒级标准偏差法；粒级旋转主成分分析法第一作者简介 郝榕荣，女，1997年出生，硕士研究生，海洋沉积学，E-mail:通信作者 朱龙海，男，教授级高级工程师，E-mail:中图分类号 P532 文献标志码 A0 引言 海湾是被陆地环绕且面积不小于口门宽度为直径的半圆面积的海域1
4、，海湾内往往沉积带有环境变化信息的泥质体，它保存了不同历史时期的气候变化、沉积环境和海陆变化信息，同时保存了人类活动的信号24。因此，对海湾中的沉积记录信息的提取，在研究水陆交换、人文信息和气候历史等方面具有重要意义。粒度是沉积物基本性质之一，是衡量环境变化的重要指标5。它主要受水动力强弱、搬运方式、物源等因素的影响，因而沉积物粒度分布特征可以表征沉积物的物理性质及分类、沉积环境等方面的变化6。在以往的研究中，学者们往往以沉积物的组分含量（黏土、粉砂、砂）以及粒度参数（分选系数、平均粒径、偏态、峰态）为标准揭示环境的变化79，但这些粒度指标只能近似地指代环境变化，为了更直观地研究受到多种物源和
5、不同沉积环境影响的古环境，人们尝试采用近似的替代指标10。近年来对于柱状样粒度资料进行数据处理，提取对沉积环境变化敏感的粒度组分或端元组分，以此重建地质历史时期的古环境、古气候已成为研究热点1112。为准确提取环境敏感因子，各国学者分别探讨了沉积物粒度的多组分分离法，如冷传旭等11利用因子分析法提取东亚季风敏感粒级时将中心化对数比变换引入季风敏感粒级的提取过程是可行的,能有效地揭示更真实的中国东部地区东亚冬季风演化历史；Prins et al.13使用Weibull分布的函数拟合法揭示了马克兰大陆坡沉积物是由浊积砂、浊积粉砂或风积砂及河流沉积物三个端元组成的混合物；滕珊等14利用粒级标准偏差法
6、提取了沉积物的敏感性粒级，探讨了研究区沉积物的搬运机制及对东亚冬季风强度的响应；Yi et al.15利用V-PCA揭示了粒度变化是东亚季风强度的指标，其强度主要受太阳日照和全球冰量的影响。收稿日期：20210607；修回日期：20210910；录用日期：20211013；网络出版日期：20211013基金项目：国家自然科学基金项目（41776059）Foundation：National Natural Science Foundation of China,No.41776059DOI:10.14027/j.issn.10000550.2021.129文章编号：10000550（2023）
7、03076315第41卷沉 积 学 报环境敏感因子在近海环境演化的研究中已取得丰硕成果1315,但不同环境敏感因子提取方法在海湾沉积环境中的对比研究较少。不同环境敏感因子在海湾沉积环境中的适用性如何？不同方法反映东亚季风的方式是否一致或存在差异？海湾与相邻近海沉积提取的敏感粒级反映的东亚季风变化是否具有一致性？基于此，本文选取了BasEMMA、粒级标准偏差法、V-PCA三种方法，提取威海湾WH-05岩心沉积物的环境敏感因子，研究沉积环境特征，探讨不同方法在海湾沉积环境中的适用性及对东亚季风的指示作用。研究成果有助于丰富环境敏感因子对季风事件响应研究成果，对于完善海湾沉积环境演化具有重要意义。1
8、 研究区概况 威海湾位于山东半岛东北部，濒临北黄海，赵北嘴和北山嘴之间，面积约54 km2，海岸线长约26 km，岸线稳定。水深一般介于69 m，最大水深13.5 m16。研究区地处东亚季风区，冬季盛行西北风，夏季以东南风为主17。威海湾东北为低温低盐的鲁北沿岸流，它在冬季风的驱动下从山东半岛北岸向东运动，之后越过成山头继续向南延伸18。表层沉积物以粉砂、黏土质粉砂为主，中值粒径介于5.76.7 16。注入威海湾的河流有李家夼河、庙琦河、望岛河、长峰河等，这些河流全是季节性河流，其径流水源主要来自大气降水，属于雨水补给型河流19。威海湾得天独厚的自然条件和地理位置使湾内波浪和海流均较小，地形稳
9、定。2 材料与方法 2.1材料来源2019年12月，中国海洋大学在威海湾通过两艘渔船（鲁V渔60611和鲁V渔60623）搭建的海上平台钻探获取了 WH-05 岩心（37 28 N、122 10 E）样品，取心率为60%，无沉积间断。水深6 m，岩心深度为18.2 m，钻孔位置见图1。2.2粒度分析方法钻取的岩心按照2 cm间隔分样，粒度分析在中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室完成。取0.51.0 g沉积物样品置于100 mL烧杯中，加5 mL 30%的过氧化氢溶液浸泡24 h，去除沉积物中的有机质；再加入10%的盐酸浸泡24 h，去除沉积物中的钙质胶结物等；后加入0.05 mol
10、/L的六偏磷酸钠溶液以分散沉积物后上机测试。分析仪器采用Beckman Coulter LS 13 320激光衍射粒度分析仪（测量范围0.0172 000 m，分辨率0.1）进行测试，选图 1研究区地理位置及钻孔位置图（修改自苏纪兰20）SBCC.渤南沿岸流；NSCC.鲁北沿岸流；YSWC.黄海暖流Fig.1Geographic location and borehole location of the study area(modified from Su20)SBCC:south Bohai coastal current;NSCC:north Shandong coastal curre
11、nt;YSWC:Yellow Sea warm current764第3期郝榕荣等：环境敏感因子在威海湾沉积环境中的应用比较取20%样品进行重复测试，重复测试误差1%。本文使用Folk et al.21提出的方法进行沉积分类命名，采用McManus22提出的矩法对粒度参数进行计算和分级。2.3环境敏感因子提取方法BasEMMA23使用VBA(Visual Basic for Applications)嵌入到Microsoft Excel 程序中，使用Excel图形实时显示中间结果和最终结果。Zhang et al.23建议BasEMMA应该执行两次。首先，利用“EM数从2到5”、“最大生成数=
12、30”和“种群数=300”等参数进行粗略快速的分析。其次，在确定合适的EM数后，应使用“EM数从3到3”和“最大生成数=300”等参数进行全面而缓慢地分析。“粒度数”和“样本数”取决于所涉及的数据。粒级标准偏差法6,24是通过计算每一粒级所对应含量的标准偏差以获得粒度组分的个数和分布范围，计算公式如下：s=i=1n(si-s)-2/n式中：s为偏差，si为样本值，n为样本数。V-PCA曾成功应用于中国渤海晚第四纪的沉积记录以重建亚洲季风的变化15，Darby et al.25用此方法识别北极沉积物中的海冰与底流搬运作用。通过该方法可以获得粒度主成分，其可以反映对应于某种动力机制。粒级旋转分析原
13、理是：将一系列具有相关性变量集（粒级），通过正交分解，以获得不相关的、相对独立的变量集（粒级谱）。粒级旋转的目的是获得最大的方差贡献来代表整体样品26。将柱状沉积物不同粒级的百分含量作为变量，通过SPSS 20对这些粒级进行粒级旋转主成分分析，以粒径为0.3300 m粒径谱的相关矩阵作为输入矩阵，获得沉积物粒度主控因子。该方法提取相对独立的粒度主成分，这些粒度主成分可以对应于一定的搬运机制。不同的搬运机制对应于不同的 V-PCA粒度谱。V-PCA粒级谱的众数为因子载荷最大的粒级，它最能代表粒级谱25。3 结果 3.18.4 ka B.P.以来威海湾沉积特征结合AMS14C测年结果27（表1），
14、8.4 ka B.P.以来威海湾沉积物以粉砂为主，含量介于 26.86%97.54%，平均值为 78.30%；黏土次之，含量介于2.45%33.43%，平均值为19.27%；砂含量最低，含量介于 065.68%，平均值为 2.42%。平均粒径介于3.117.54；分选系数介于0.762.95，分选较差、差；偏态介于-1.282.64，为极负偏和极正偏；峰度值介于0.873.58，属尖锐（表2、图2）。根据粒度参数变化，将研究区8.4 ka B.P.以来地层可大致划分为5个沉积单元，具体分层情况如下。DU3 层 可 以 分 为 上 下 两 个 单 元（DU3-1 和DU3-2）。DU3-1 层（
15、16.3717.76），主要成分是粉砂（82.39%），其次是黏土（17.09%），砂的含量最少（0.52%）。平均粒径为6.327.30；分选介于0.771.66，分选中等、较差；偏态介于-0.971.14，为负偏到正偏；峰态介于0.882.09，为很窄到宽平（表2、图2）。粒度参数高频波动，指示水动力较强。频率分布曲线主要呈双峰分布，主峰介于78，次峰介于56；概率累积曲线主要呈三段式，以跳跃组分为主，含量介于10%80%，其次是悬浮组分，含量在20%左右，滚动组分含量较少，不足10%。DU3-2层（17.7618.2 m），主要成分是粉砂（59.01%），其次是砂（24.51%），黏土含
16、量最少（16.48%）。平均粒径为3.117.17；分选介于1.362.95，分选较差、差；偏态介于-1.232.64，偏态由负偏到极正偏；峰态介于1.823.58，为宽平到很宽平（表2、图2）。频率分布曲线主要为双峰曲线，主峰较宽平，次峰尖锐。主峰值介于68，次峰值介于45；概率累积曲线主要是三段式，以跳跃组分为主，含量介于 20%98%，其次是滚动组分，含量在20%左右，悬浮组分最少，不足2%。该层砂的含量逐渐增加，DU3-2层位砂的含量首次超过了黏土的含量，说明该层水动力较强，沉积环境动荡。DU2层可以分上下两个单元（DU2-1和DU2-2）。DU2-1层（8.3715.17 m），主要成分是粉砂（81.37%），其次是黏土（18.08%），砂含量明显减少，只有0.54%。平均粒径为5.927.54；分选系数介于0.761.87，分选中等、较差；偏态介于-1.281.53，为负偏到正偏；峰度值介于 0.872.49，为很窄到宽平（表 2、图2）。此段粒度参数为高频波动，一方面是因为对沉积物样品进行高分辨率粒度测试；另一方面可能是因为柱状样位于海湾内，水深较浅，易受风暴沉积的影响。
