黄土洼淤地坝沟道沉积物粒度特征与沉积环境分析

王朋晓 岳大鹏 郭坤杰 刘婧春 程金文 达兴

摘 要：通过对淤地坝沟道350个样品粒度特征分析可知：黄土洼沟道沉积物粒度在 0.1～250 μm之间，以粗粉砂含量最多，占55.50%，其次是极细砂，占21.53%，而细砂和中粗砂含量极少，颗粒整体较细；胶粒、粘粒、细粉砂在垂直深度上分布趋势基本相似，与极细砂和细砂变化趋势相反；根据胶粒、粘粒、细粉砂含量变化，可将沟道发展历史分为三个阶段；剖面在36、58、86、182、292 cm处对应着侵蚀力强的降雨，86 cm对应着历史最强降雨；整个地区平均粒径变化呈现出“细-粗-细”的沉积旋回变化规律，408 cm以上沉积层理变化显著，动力环境复杂；以单峰为主，沉积物分选性较差，频率曲线呈正偏和极正偏，峰态有中等和很窄两类；黄土洼地区1963～1986年之间沉积速率较大，1986～1994年沉积速率变慢，1994年之后沉积速率加快。

关键词：黄土洼；淤地坝；沉积物；粒度特征；沉积环境

中图分类号：S151.2文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）05-0067-08

Abstract Based on the analysis of grain size characteristics of 350 samples in check dam of Huangtuwa， the grain size of channel sediments was between 0.1 μm and 250 μm， which was mainly made up of coarse silt， accounting for 55.50%， followed by very fine sand， accounting for 21.53%. The contents of fine sand and medium-coarse sand were extremely low， so the grains were fine on the whole. The distributions of colloid， clay and fine silt in the vertical depth were similar， in contrast with the trends of very fine sand and fine sand. The development history of channel could be divided into three stages according to the content changes of colloid， clay and fine silt. The profile at the 36， 58， 86， 182 and 292 cm corresponded to rainfalls with strong erosion， among which， 86 cm corresponded to the strongest rainfall. The mean grain size of the whole area showed sedimentary cycle change rule of “fine - coarse - fine”. The sedimentary structure above 408 cm changed significantly and the dynamic environment was complex. Most of the grain size frequency curves were unimodal； the sorting of sediments was weak； the frequency curve presented positively skewed and very positively skewed； there were moderate and very narrow kurtosis. The deposition rate in Huangtuwa Area was higher in 1963～1986， slower in 1986～1994， and got faster after 1994.

Key words Huangtuwa； Check dam； Sediments； Grain size characteristics； Sedimentary environment

黄土高原是世界上水土流失最为严重的地区之一，对黄土高原水土流失的治理有十分重要的意义[1]。淤地坝既能充分利用水土资源，又能有效防治水土流失，是黄土高原地区最为重要的水土保持工程措施之一[2]。淤地坝相当于小流域的沉沙池，拦蓄了大量泥沙，泥沙记录了沉积环境演变的相关信息[3]，通过对沉积物泥沙粒度特征分析有助于提取沉积环境的有关信息[4]。黄土洼淤地坝是黄土高原现今已知淤积时间最长的天然坝地[5]，1568年九牛山崩塌堆积之后，泥沙逐渐堆积形成了现今的天然淤地坝，坝内次生黄土堆积物剖面发育的很完整，是环境变化的天然信息源。对黄土洼的研究主要集中在地质公园[6]、降雨与沉积物的关系[7～8]、元素特征[9]、滑塌体[10]等，研究粒度特征与沉积环境的很少，本研究就从粒度特征入手，分析沟道沉积物粒度特征与沉积环境。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄土洼地区位于榆林市子洲县裴家湾镇（109°59E′，37°19′N），属无定河一级支流淮宁河庞家沟流域，面积3.15 km²，如图1所示。该区气候属暖温带半干旱大陆性季风气候，年均气温9.7℃，无霜期165天，多年平均降水量450 mm，降水量的65%集中于夏季。黄土洼是典型的黄土高原丘陵沟壑区，黄土物质分布深厚，植被很差，降雨集中，形成了支离破碎、沟壑纵横的地形。众多沟道发育程度不同，其中虎园则沟是黄土洼地区最大的支沟，发育最完整。

1.2 样品采集和测试

1.2.1 野外样品采集 于2015年8月18日至30日赴黄土洼进行采样，经过实地调查，最终选择采样点位于黄土洼淤地坝最大的支沟——虎园则沟。采样剖面位于沟内中游，如图1。用人工手摇钻在剖面AC自上到下每2 cm进行高密度均匀采样，采样深度7 m，共350个样，为了避免现代耕作的影响，近地面30 cm只进行采样，不参与比较，将所采样品用塑料袋密封加标签带回实验室。

1.2.2 粒度测试 将采集回来的样品放在实验室内自然风干，剔除样品中根系等杂物；用天平准确称量0.8 g样品放入500 mL烧杯中，加入10% H2O2 15 mL，在加热板上加热使其充分反应（去除有机质），之后加入10% HCl 10 mL（去除样品中的碳酸盐）直到反应完全；待样品完全冷却后向烧杯中注满蒸馏水静置48 h，之后用橡胶管在不扰动下层液体的情况下吸出烧杯上层清液，反复进行此步骤，直至溶液成中性，吸出上层清液；向烧杯中加入0.05 mol/L的分散剂（NaPO3）65 mL，用英国Malvem公司生产的Mastersizer2000激光粒度仪测量， 仪器测量粒度范围为0.02～2 000 μm，所有样品测3次，取平均值。

1.2.3 137Cs含量的测定 根据颜艳等[11]对黄土洼淤地坝芦苇地样品测试结果可知，淤地坝芦苇地290 cm处开始测出137Cs。由于芦苇地位于坝地内，地势较低，沟道较坝地偏高，故137Cs开始出现深度比坝地内浅，因此检测深度定为300 cm，由于0～30 cm是耕作层，不参与比较，实际监测深度270 cm，每6 cm取一个样，共44个样品，137Cs含量的测试在中国科学院南京地理与湖泊研究所完成。

2 结果与分析

2.1 粒度特征

粒度分析是对沉积物的颗粒大小、含量及分布的分析，不同的粒度特征反映不同的搬运介质、搬运方式等沉积环境[12]。通过对沉积物粒度特征的分析可以指示环境的演变。

2.1.1 剖面粒度组分分析 采取十进制划分标准和黄河中游黄土的一般分类方法[13]相结合对样品进行粒度划分。结果表明，黄土洼沟道沉积物粒度在 0.1～250 μm之间。从粒径组成上分析（表1），以粗粉砂含量最多，占55.50%，整个剖面各深度处含量都是最大，分布均匀；其次为极细砂，含量占21.53%；而细砂和中粗砂含量极少，与颜艳等[11]研究坝地内粒度特征相比，粗粉砂、极细砂含量大，细粉砂含量小，这说明黄土洼淤地坝沟道沉积物颗粒与坝地相比偏粗，整体仍较细。

根据试验结果绘制粒度级配随深度变化曲线，如图2所示，可以看出，胶粒、粘粒、细粉砂在各深度层都有分布，百分含量在高低值之间频繁交替变化，在垂直深度上分布趋势基本相似，最大值都出现在670 cm处，极细砂和细砂在附近出现低谷。极细砂和细砂在各深度也都有分布，垂直深度上变化同步，与胶粒、粘粒、细粉砂变化趋势相反，最大值都出现在86 cm处，胶粒、粘粒、细粉砂在附近出现低谷。粗粉砂含量在各个深度处都是最大，变化最为频繁，中粗砂只在极个别地方出现。

从粒径组成百分含量变化来看，各粒径含量随深度在高低值之间交替变化，反映了沉积时期环境的频繁变动。粗细颗粒在垂直剖面上交替出现，使得淤地坝沉积旋回明显，粗颗粒先沉积细颗粒后沉积，随着时间的推移淤地坝记录了这些沉积旋回信息。根据胶粒、粘粒、细砂含量变化，可以将沟道7 m深剖面分为3个阶段，第一阶段距地面408～700 cm深度范围。这一阶段，胶粒、粘粒、细粉砂含量变化相对缓慢，各沉积层厚度较厚，可能的原因是在沉积剖面形成初期，沟底面积小，发生等量侵蚀时，沉积厚度大，随着沟谷的发育，沟道不断拓宽，等量侵蚀时，沉积厚度较小，同时随着基准面的不断抬升，重力侵蚀逐渐减小，降雨量相同的情况下侵蚀量减小，因而408 cm以下沉积层厚度较大，层理更明显。第二阶段是266～408 cm深度，胶粒、粘粒、细粉砂含量变化剧烈，可能与黄土已有一定厚度沉积，黄土质地疏松稳定性差的特性以及当时黄土高原还没有开始大规模治理，水土流失严重，上一层刚刚淤积成层就被下次暴雨冲刷掉，致使沉积层较薄，粒度含量变化剧烈。第三阶段是0～266 cm，胶粒、粘粒、细粉砂变化再次变缓，可能的原因是当地政府已开始采取措施治理黄土高原水土流失，使得水土流失状况得到缓解。

从粒径>100 μm的峰在剖面分布规律看，在36、58、86、182、292 cm处粒径百分含量达到极大值。根据大雨对大沙的原理，在36、58、 86、182、292 cm处对应着侵蚀力强的降雨。在86 cm处，胶粒、粗粉砂出现最小值，粘粒、细粉砂出现极小值，极细砂和细砂出现最大值，沉积层厚度较厚，因此86 cm处降雨侵蚀力应该比其他4个深度处大，是最大降雨量对应点。根据降雨量数据可知，1994年8月3～5日降雨量153.2 mm，是1953年以来降雨最大值，因此可推断这个沉积层可能是此次降雨形成的。

2.1.2 剖面粒度频率曲线分析 粒度频率曲线是指沉积物中各粒径含量的百分比，通常有单峰、双峰、多峰。不同形态反映了沉积环境的不同意义。单峰通常反映沉积环境动力条件相对稳定，泥沙来源单一；双峰和多峰反映环境动力条件复杂，泥沙来源多样化。

对AC剖面350个样品进行逐一分析可知，样品峰态单一，在350个样品中，仅有4个样品呈明显双峰，其他全部是单峰，样品各粒径体积在0～7%之间变动，这说明黄土洼淤地坝粒径分布均衡，动力条件稳定，降雨产生的流水作用是主要的动力，泥沙来源单一。粒度频率曲线单峰的峰值85.7%集中在35～55 μm，峰值浮动范围较小，曲线形态变化不大，说明沉积物总体是在低能沉积环境下沉积而成的。4个频率曲线呈双峰的样品分别是AC43（84～86 cm）、AC151（300～302 cm）、AC153（304～306 cm）、AC238（474～476 cm），其峰态如图3所示，它们的主峰粒径在11～63 μm之间，次峰粒径在10～14、39～45 μm之间，根据刘东升[14]对风成黄土的研究，风成黄土粒径一般分布在0～150 μm，众数粒径在16～32 μm，因此4个曲线次峰的形成与风的作用力关系不大。通过对4个样品所在层位粒径组成继续研究发现，样品处对应着极细砂、中粗砂含量的较大值，胶粒、粘粒的极小值，粗砂向上向下逐渐减少，胶粒、粘粒含量逐渐增大，据此可推断这些样品可能是次降水量较大，历时过短，降水将泥沙迅速搬运至采样点，没有充分分选，只是与原有物质的简单混合。

2.1.3 剖面粒度参数分析 粒度参数主要包括平均粒径、分选系数、偏度、峰态4种，根据Folk和Ward的算法公式计算了各个粒度参数[15]，结果如图4所示。

平均粒径是粒度特征最重要的参数之一，表示粒度分布的集中趋势，是沉积介质平均动能的反映。从平均粒径随深度变化可知，沟道平均粒径在19～50 μm之间变动，说明淤地坝沟道沉积物以粗粉砂为主，反映了较单一的搬运动力，最大值出现在84～86 cm，此处粗颗粒沉积百分含量高，需要高能水动力环境，该层可做强降雨事件的参考，最小值出现在668～670 cm，低能水动力环境即可。与淤地坝内平均粒径相比，取值范围缩小，分布更加集中，这说明沟道推动泥沙运动的平均动能比淤地坝内大，粒度分布更加集中。从剖面整体看，平均粒径变化呈现出“细-粗-细”的变化规律，沉积旋回层理明显，特别在408 cm以下，沉积层理更加明显而且厚度增加，408 cm以上平均粒径在极大值与极小值之间变动频繁，沉积层理变化显著，沟道动力环境复杂。

分选系数是反映样品颗粒大小均匀程度的参数，分选性的好坏反映沉积介质的类型和沉积物结构成熟度。从分选系数测定数据分析，样品分选系数在1.30～1.70 Φ之间变动，平均值为1.52 Φ，根据Briggs[16]提出的分类标准，黄土洼沟道剖面沉积物分选系数变化不大，分选性总体偏差，反映了该地区搬运营力的单一性。沉积物样品在478～480、300～302 cm取得分选系数最大值，这两层沉积物分选性最差，样品粒径均匀程度最差；在67～68、106～108 cm分选性相对较好些，均匀程度较其他深度处好。一般情况下，粒径越细分选性就越好，粒径越粗分选性就越差。经过对沟道分选系数与粒径变化关系的进一步对比，发现此规律在这个地方完全符合，如67～68、106～108、478～480、300～302 cm。从分选系数随深度变化曲线来看，分选系数的数值也在频繁变化，也表现出沉积旋回规律。

偏度是用来测量粒度频率曲线对称程度的参数，粒度频率曲线有单峰、双峰和多峰，但不论频率曲线呈现哪种峰态，都有对称和不对称之分。从偏度随深度变化的曲线上分析，在350个样品中，除了样品AC153（对应深度为306 cm）偏度为0.08接近于对称外，剩余349个样品中，有149个样品为正偏，其余200个为极正偏，最大值0.44出现在86、664 cm，所以样品总体表现为正偏～极正偏，说明沉积物在细粒部分分散，粒度跨度大，在粗粒部分相对集中，粒度跨度小，同时也意味着因搬运能力较弱，粗颗粒沉积不足，这与黄土洼地区沉积物颗粒整体偏细相对应。

峰态是表示粒度正态频率曲线尖锐程度的参数。频率曲线的峰越尖，峰态值越小，峰越平，峰态值越大。从样品峰态值随深度变化曲线可知，剖面峰态值在0.98～1.35之间变动，根据布里格斯对峰态的分级标准看，350个样品中，其中177个样品峰态属中等，其余样品峰态很窄，最小峰态值出现在306、364 cm，最大值出现在454、644 cm。峰态值较小说明了沉积物没有经过过多改造就进入新环境，而新环境也没有对沉积物质进行明显改造，峰态值所在区域对应的粒径在35～56 μm之间，峰态值在较小范围内，说明水动力条件较弱。

2.2 137Cs含量与沟道沉积物沉积速率

沉积速率能直观反映沉积速度的快慢，是沉积环境的重要特征之一，而确定沉积物沉积时间是确定沉积速率的基础。自然环境中的137Cs并非自然界中原来存在的物质，主要来自于大气核试验或者核反应，这些尘埃进入大气中随干沉降或者降水落到地表，马上被吸附在土壤的颗粒上，特别是细颗粒物质，一旦137Cs被吸附只会随着土壤侵蚀或者泥沙移动而发生运动，很难被植物或者动物摄取，也难于被水淋溶，这些特点有着不可比拟的优越性，常被用来作为示踪剂，可根据137Cs垂直剖面蓄积峰值所在的深度位置及明显的137Cs含量出现的层位来判定沉积物沉积的年份。根据关于137Cs的相关研究可知[17～19]，137Cs全球沉降量在1963年达到最大，1986年前苏联切尔诺贝利核电站核泄漏，对我国有一定的影响，表现为137Cs含量增加。因此根据蓄积峰的位置可以判定1963、1986年沉积物所在的深度，同时根据大雨对大沙，判定历史大洪水沉积物所在深度来确定对应年份。泥沙沉积速率根据下列公式求得：

S=HA1-A2 （1）

其中，S表示沉积速率，H代表A1、A2两个年份间的沉积层厚度（cm），A1、A2代表分别沉积层所对应年份。

AC剖面137Cs含量如图5所示，从图中可以看出，蓄积峰在278 cm出现最大值，根据137Cs对时间序列的标定，可知278 cm处为1963年。自1954年以来最大降水量发生在1994年，粗颗粒百分含量最大值出现在86 cm，因此86 cm所对应的年份是1994年；1963～1994年次降雨量最大值在1978年，仅一天降雨量达116.7 mm，可知182 cm处出现的粗颗粒极大值对应1978年；因此1978～1994年137Cs蓄积峰所对应位置是1986年。

根据公式（1）测算出黄土洼沟道沉积物沉积速率如表2所示，黄土洼地区沟道的平均沉积速率为5.35 cm/年。1963～1986年黄土洼地区的沉积速率较大，一方面可能与60年代初降雨丰富有关，另一方面也与当时水土流失治理较少；1986～1994年黄土洼地区沉积速率变慢，当地政府开始采取措施治理水土，水土流失状况得到了缓解；1994年之后水土流失又加重，一方面是因为国家实行农田责任承包制以后带动了农民进行农业生产的积极性，陕北很多荒草地被开垦成农田，加重了水土流失；另一方面在1964年之后特大暴雨共有14次，与1994年之后就有7次有关。

3 结论

（1）黄土洼沟道沉积物颗粒整体偏细，从粒度组成上分析，沉积物粒径以粗粉砂含量最高，其次是极细砂，细砂、中粗砂含量极少，这些粒径级配在各个深度都有分布，在最大值与最小值之间频繁变换，反映历史时期沉积环境变化频繁。

（2）根据胶粒、粘粒、细粉砂变化，可将黄土洼沟道发展历史分为3个阶段；从>100 μm分布规律分析，剖面在36、58、86、182、292 cm处对应着侵蚀力强的降雨，86 cm对应着历史最强降雨。

（3）从粒度频率曲线上分析，黄土洼地区以单峰为主，仅有少量双峰存在，说明黄土洼沉积环境沉积动力条件相对稳定，泥沙来源单一，降雨侵蚀是黄土洼沉积物的主要物质来源和沉积作用力。

（4）从粒径剖面参数分析，平均粒径变化呈现出“细-粗-细”的变化规律，408 cm以上沉积层理变化显著，动力环境复杂；沉积物分选性较差；沉积物频率曲线正偏，粒径集中分布在粗端；样品峰态有中等和很窄两类。

（5）从沉积速率来看，黄土洼地区1963～1986年之间沉积速率较大，1986～1994年沉积速率变慢，1994年之后沉积速率又加快。

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