艾比湖湖相沉积物粒度的分维特征与环境意义

第25卷 第4期

2002年12月

干旱区地理

ARID LAND GEOGRAPHY

Vol. 25 No. 4Dec. 2002

文章编号:1000-6060(2002) 04-0336-06

y

艾比湖湖相沉积物粒度的分维特征与环境意义

柏春广1 穆桂金2 王 建1

(1南京师范大学地理科学学院, 南京 210097; 2中国科学院新疆生态与地理研究所, 乌鲁木齐 830011)

提 要 艾比湖为一典型的内陆干旱区封闭型湖泊, 其沉积物粒度是反映湖面消长和水动力条件变化的很好记录。对该湖Ash 孔湖相沉积粒度分维值的研究表明:沉积物的粒度具有分形性, 与传统的粒度参数相比较, 分形的定量指标 分维值的变化具有明显的阶段性, 能很好地揭示本地区环境变化的规律性。分维研究在粒度分析中的应用为以后的环境变化研究提供了一种新的参数。

关键词 粒度 分维 艾比湖 湖相沉积中图分类号 P534. 63 X14 文献标识码 A

1 区域概况

位于新疆境内准噶尔盆地西南隅的艾比湖(82 35 ~83 11 E 、44 44 ~45 10 N) 是一典型的内陆干旱区封闭型湖泊, 湖盆洼地的形成和演变受区域构造控制 1 , 而湖泊变迁则同时受构造、气候和人为干扰的影响 2 。本区属西风带作用区, 冬季西伯利亚冷空气影响突出。由于所在位置具有特殊的代表

性, 再加上历史近期强烈人为干扰引起的巨大变化 3 , 一直是学者和社会各界关注的地方。关于艾比湖地区的环境及环境变化近年来开展了大量的调

查研究工作, 包括对古环境以及对湖相沉积记录的揭示, 然而对该地区第四纪古环境的认识程度仍然有限。为了获取更多的古环境信息, 我们对现代水下的湖相沉积进行了高密度的采样。本文即是具体针对沉积机制、物质组成的分析, 通过粒度分形研究

提取湖泊沉积中更多的环境信息。

图1 沉积孔柱位置示意图F ig. 1 L ocation of the dr illing core

(根据文启忠等1988年的艾比湖90团场剖面位置图修改而成)

收稿日期:2001-11-08; 修订日期:2002-03-14

基金项目:国家重大基础研究发展规划项目(G1999043502)和 国家教育振兴计划 教育部青年教师奖励基金(2001DLXS BJBC12) 男, 年生, , 博士生, 篇E-mail:net

前人对艾比湖湖相沉积的研究主要集中在现今的湖岸地区(图1) , 采样点多位于古湖积平原或湖成阶地上, 如AAZ 剖面(据文启忠等, 1988) 位于艾比湖西岸总排干渠处, 海拔212m ; AZ 剖面(据吴敬禄, 1995) 位于艾比湖西侧海拔200m 的湖成阶地上, 距现代湖岸线约1km 5 ; ZK00B 孔剖面(据李国胜, 1993) 位于艾比湖西侧总排干渠外湖滨浅滩 6 。可见这些剖面都缺失近代沉积而且各剖面的上段都非湖相。由于在取样时均采用了分层法, 故样品不连续且间隔较大。为了揭示湖相沉积对近代湖泊变化的记录, 1995年在位于艾比湖西侧的博尔塔拉河水下三角洲, 海拔约194m 的现代低湖滨下缘水边采得长180cm 的湖相沉积物, 记为Ash 浅孔(图1) , 根据湖相沉积平均速率约为6. 0mm/a, 该剖面约概括了艾比湖近300年的湖相沉积。在对Ash 浅孔岩芯取样时采用了2cm 间隔连续采样法, 部分层段进行了加密采样, 间隔为1cm, 共采集了90个样品。全部样品的粒度测定都是在中国科学院新疆生态与地理研究所完成的, 测量仪器为Malvern2000, 其粒度测量范围为0. 02~2000um 。

2

由于采样点位于博尔塔拉河水下三角洲

, 即该河水流所携带的物质应该是沉积物最主要的来源。各样品的颗粒组分中, 粘粒组分(

由C-M 图(图3) 可以看出, 沉积物C 值(C 是从累积曲线粗端算起, 含量为1%处的颗粒直径, 即样品的最大粒径值, 它代表搬运的最大动能) 均小于1000um, 90个样品中, 除了两个样的M 值(M 是累积曲线50%处的粒径值, 代表搬运营力的平均动能) 大于15um 外, 其余都小于15um 。在C-M 图所划分出的I ~IX 这九个沉积类型中, Ash 孔的沉积物基本位于VIII 区, 属于悬浮沉积, 主要为静水低能环境。为更清楚地显示不同深度的样品在图上的位置, 对图中的第VIII 区进行了放大, 并用不同符号代表浅孔不同深度段的沉积样。2. 2 粒度分维

自从数学家M andelbrot 提出分形理论 7 以来, 地学界已经将之应用于各种地质现象, 碎形便是其中重要的一种。由于像断层、断裂和节理这些构造过程作用的结果, 地球表面是破碎的。进一步的风化过程使得岩石更加破碎, 产生各种碎形体。碎形体在外力的侵蚀、搬运和沉积作用下形成各种沉积物。碎形体的颗粒大小与频度分布具有统计自相似性(即分形) 的特点已为研究者们所肯定 8~

12

2 粒度分维及其特征

2. 1 粒度组成

样品粒度测定结果表明:在艾比湖Ash 孔, 除部分样品的粒度分布曲线在细端或粗端有弱峰外, 主要呈现单峰分布(图2) , 反映出物质沉积前所受

搬运营力性质单一。

, 目前

在计算破碎物质分形的定量指标 分维值时, 使用得最为广泛的是幂指数法。本项研究即采用了该方法, 对艾比湖孔柱Ash 的沉积物样品的粒度分维值作了计算, 具体如下:

根据分形理论, 如果分形存在, 则有关系式:N (r ) r -D

式中r 定义为颗粒体积的立方根, N (r ) 表示粒径大于r 的颗粒数目, D 为分维数。

对上式求导, 可得

dN (r ) r -D-1dr

在常规粒度分析中, 常用质量百分含量累积曲线来反映沉积物的粒度构成。由破碎物颗粒大小与频度的经验关系 Weibull 分布, 可得

m (r ) /m r b

(r 图2 艾比湖Ash 浅孔湖相沉积物粒度分布曲线图Fig. 2 Grain -size distribution of lacustrine sediments

m 为总质量, b 为幂指数。对此式求导则有

d m (r ) r b -1dr

在假定沉积物颗粒密度不变的情况下, 颗粒的质量与其直径的立方成正比, 即频度的增量与质量的增量满足以下关系:

d m (r ) r 3dN (r ) 经过变量代换, 得

r b -1dr r 3*r -D =3-b

D-1

dr

所以, 粒度的分维为

这样, 只要在m (r ) /m 与r 的双对数坐标图上通过最小二乘法拟合计算, 就可以得到直线段的斜率b 值、对应的相关系数R , 并求得粒度的分维值D

。

图3 Ash 浅孔湖相沉积物C-M 图

Fig. 3 C-M figure of lacustrine sediments from Ash drilling core

(注:图中1 4分别表示沉积孔自下而上的不同深度段, 参见图5)

艾比湖Ash 孔柱沉积物的典型粒度分维曲线如图4所示:

相关系数R 的大小代表沉积物粒度统计自相似程度的高低。R 值越大, 统计自相似程度越高。粒度的分维值D 代表沉积物粒度组成的复杂程度, D 值越大, 代表沉积物的粒度组成越复杂。笔者对冰碛物、黄土、河流悬移质、河床沉积、潮滩沉积、湖泊沉积等进行粒度组成分形分析的结论为:各类型沉积物基本都保持了碎形体的统计自相似的特征, 即具有分形性, 但因不同类型沉积物所受外力搬运与分选作用的差异以及风化程度的不同, 分维值的大

图4 艾比湖湖相沉积粒度分维曲线Fig. 4 G ranularity fractal dimension cur ve of

lacustr ine sediments

小存在明显差异。总体而言, 断层泥、冰碛物、泥石流等的粒度分维值接近于碎形体的分维值2. 60左右, 而河床、湖泊、潮滩等沉积物的分维值则明显小于2. 60。同一类型的沉积物由于样品所处的具体位

置及风化程度不一, 其分维值的大小也有所区别。

称和正偏的样品居多, 平均值为0. 073, 表明粗细粒组分总体相差不大。整个剖面峰态值(KG) 范围为0. 874~1. 665之间, 绝大多数属于中等峰态和窄峰

态类型, 平均为1. 078, 同样反映了物质的分选不明显。除深7cm 处样品的峰态值较高, 与剖面其它样相差较大以外, 样品的峰态值相差不显著。3. 2 艾比湖湖相沉积粒度分维特征

根据前述粒度分维的计算方法求得艾比湖Ash 孔柱沉积物粒度的分维值所对应相关系数的平均值在0. 9以上, 显示了沉积物的粒度分布具有分形性。粒度的分维值变化于2. 0518~2. 5357之间, 平均值为2. 3121。与笔者前述研究中算得的其它湖泊沉积粒度分维值的平均值2. 407接近。就整个沉积剖面而言, 粒度分维值的变化是显而易见的(图5) , 总体呈现出下段分维值大, 上段分维值小的特征, 而粒度分维值的变化是物源、动力特征、分选与沉积速率以及风化时间等多种因素作用的结果, 将其与传统的粒度参数作比较和分析, 能使沉积环境及其变化特

点得到更好的揭示。

3 艾比湖湖相沉积粒度分维特征及其与传统粒度参数特征的对比分析

3. 1 艾比湖湖相沉积粒度参数基本特征

采用福克和沃德(1957年) 提出的公式 13 , 获得沉积物的粒度参数。平均粒径(Mz) 总体变化幅度不大, 除深7cm 处的样品相对较粗(4. 84 ) 和深168~175cm 处含砾或呈砾质外, 其余各点的值都介于6. 30~7. 80 之间, 所有样的平均值为7. 00 , 为典型的湖相沉积物, 与沉积物C-M 图上所反映的低能环境相吻合, 反映出采样点所在位置一直位于湖水位以下并接受着湖相陆源碎屑沉积。样品的图解标准差( 1) 变化范围为1. 292~2. 615, 平均值为1. 815, 从分选等级来看, 属于分选较差和分选差的类型, 符合悬浮物质沉积的粒度特征。偏度值(SK 1) 基本介于-0. 21~+0. 43之间, 变化幅度相对较大, 从负偏到近于对称以及正偏都有, 其中以近于对

图5 粒度参数和分维值随深度变化图

F ig. 5 Changes of g rain size parameters and fr actal dimensions versus depth

3. 3 对比分析

由图5中的沉积物粒度参数随深度的变化曲线不难看出, 艾比湖Ash 岩芯的平均粒径变化较小,

很难以其为依据分析湖泊水动力条件并探讨地区环境变化特征。峰态值同样表现出变化不明显的特点。偏态值虽总体呈现出下段波动相对剧烈, 上段

:. , ()

波动弱且随深度变小而有所增大的趋势, 但特点不明显, 所显示出的变化阶段也不够精细。深度102cm 可以近似看作粒度标差变化的一个分界线, 但分段不够详细且上下两阶段数值大小的差别较小, 与其它粒度参数变化的对应关系也不显著。简言之, Ash 岩芯沉积物各传统粒度参数的环境指示意义不明显。

与各传统粒度参数不同的是, 在该剖面上沉积物的粒度分维值的变化显示出很好的分段性, 依据其变化特点, 可以将Ash 浅孔的沉积过程分为四段:其中第1段(深度180~123cm) 的分维值变化较小, 介于2. 344~2. 536, 就整个剖面而言, 以这一段的分维值为最高, 平均值达2. 440。较高的分维值代表着沉积物的物质组成相对比较复杂, 与之相对应, 这一段图解标准差也相对较大。第2段(深度123~64cm) 的分维值变化频繁并且变化幅度在整个剖面中最大, 分维值介于2. 158~2. 481, 其平均值明显低于前一段, 为2. 313。该段分维值有规律的变化可能具有更短周期沉积环境波动的含义。第3段(深度64~24cm ) 的粒度分维值较第2段小, 平均值为2. 215, 并且变化幅度不大。第4段(深度24~0cm ) 的分维值为整个剖面的最低值。可见各段分维值大小及变化幅度的差异是显而易见的。在C -M 图中, 四个段的M 值相差不大, 但从第1段至第4段C 值分布范围由大到小的变化趋势很明显, 与分维值的变化相同, 但分维值显示了该剖面更清晰的分段特征。

好的分辨率;

(2) Ash 剖面的粒度分维值反映了博尔塔拉河近代向艾比湖输送碎屑物的变化情况, 结合剖面岩性组成特征分析, 分维值的分段变化显示河流输送能力由强变弱的变化过程;

(3) 沉积物粒度分形研究提供分维值(D) 和相关系数(R) , 给出了一套新的粒度分析指标, 结合传统粒度分析参数用于环境研究, 其科学价值由Ash 剖面的粒度分形研究得到较好的体现。至于沉积物粒度分维值变化的真正涵义则有待今后更深入的研究、解读。

参

考

文

献

1 新疆维吾尔自治区地质矿产局. 新疆维吾尔自治区区域地质志

M . 中华人民共和国地质矿产部地质专报(一、区域地质) 第32号. 北京:地质出版社, 1993:841.

2 柏春广, 穆桂金. 艾比湖的湖岸地貌及其反映的湖面变化 J .

干旱区地理, 1999, 22(1).

3 阎顺, 杨云良. 艾比湖及周边地区环境演变与对策 A . 人类活

动对亚洲中部水资源和环境的影响及天山积雪资源评价 C . 乌鲁木齐:新疆科技卫生出版社(K) , 1997. 198~199. 4 文启忠, 郑洪汉. 北疆地区晚更新世以来的气候环境变迁 J .

科学通报, 1988, 33(10) :771~774.

5 吴敬禄. 新疆艾比湖全新世沉积特征及古环境演化 J . 地理科

学, 1995, 15(1) :39~46.

6 李国胜. 艾比湖最近20ka 的氧碳同位素记录与气候突变 J .

海洋地质与第四纪地质, 1993, (4) :13.

7 M andelbrot B B. How long is the coast of Britain? S tatistical self

-si m i lari ty and fracti onal dimension J . Science, 1967, 156(3775) :636~638.

8 Turcotte D L. Fractal an d fragmentati on J . J of Geophys Res,

1986, 91:1920~1926.

9 Clark G B. Principles of Rock Fragm entation M . John W i ley

and Sons, New York, 1987:610.

10 邵顺妹. 鸳鸯镇 凤凰山断裂的断层泥粒度分布与断层活动特

征 J . 地质力学学报, 1996, 2(4) :38.

11 易顺民, 唐辉明. 断层泥粒度成分的分形研究 J . 地震地质,

1995, 17(2) :187.

12 卫宏等. 泥石流堆积物的结构维数及其地质意义 J . 中国地质

灾害与防治学报, 2000, (3) :11.

13 Folk R L, W ard W C. Brazos river bar:A s tudy in the sign i fica -tion of grain si z e parameters J . J. Sedim Petro. , 1957, 27:3~27.

4 小 结

沉积物粒度的分形研究仍然处于探索阶段, 初步对各种成因、各种环境沉积物的分形研究已显示出重要的科学价值, 分维值的变化特征与沉积物的

成因(包括破碎、搬运、分选和沉积) 和风化等因素有关, 反映了沉积物中记录的环境信息。艾比湖湖相沉积剖面粒度分维特征的研究表明:

(1) 整个剖面沉积物粒度组成均具有分形特征, 在约300a 的沉积剖面上分维值的变化特征表现出鲜明的四段, 初步显示出比其他粒度分析参数有更

G RAIN -SIZE FRACTAL DIMENSIONS CHARACTERRISTICS OF

LACUSTRINE SEDIMENTS OF AIBY LAKE AND THE

ENVIRONMENTAL SIGNIFICANCE

BAI Chun -guang M U Gu-i jin WANG Jian

1

2

1

(1College o f Geographical Scie nc es , N anj ing Nor mal Univ ersity , Nanj ing 210097China; 2X inj iang Institute o f Ecology and Geogr ap hy , Chine se A cademy of S ciences, Uru mqi 830011, China )

Abstract

Aiby Lake is a typical closed lake in inland of arid area. The changes of lake surface and hydrodynamic con -ditions are w ell recorded by grain -size characteristic of lacustrine sediments. In this research we acquired a drilling core of lacustrine sediments named Ash, and its length is about 180cm. This drilling core is below cur -rent lake surface and near the shore. It is estimated that the sediments formed 300aBP. 90sedimentary samples have been taken and the distance of tw o adjacent samples is 2cm or 1cm. Granularity of the samples is measured and the fractal dimensions are calculated in this research. Based on the characteristics of grain -size dimensions, w e can draw these conclusions:(1) The granularity of the sedim ents from the w hole section is fractal, i. e. the

distribution of the size of grains is statistically sel-f sim ilarity. The mean value of fractal dimensions is 2. 3121. T he curve of fractal dimension verse depth can be clearly divided into 4parts. Every part has different change characteristics. Com pared to traditional parameters of g ranularity, fractal dimension can better differentiate the changes of environment. (2) Fractal dimensions of sediments from this section well indicate the modern changing process of Bortala River transporting fragments to Aiby Lake. Combined w ith the litholog y of the drilling core, the periodical changes of fractal dimension show the fundamental chang ing process of the river transporting abil-i ty:from strong to w eak. (3) The value of fractal dimension (D) and its correlation coefficient (R) provided by fractal research to granularity of sediments present a set of new granularity index. Combined w ith traditional g ranularity parameters, the science sense of using fractal dimension in environment research is w ell show ed by the granularity fractal research on Ash drilling core. More research should be done to understand the accurate meaning of fractal dimension changes.