基于麦夸特算法的X射线衍射物相定量分析的影响因素研究

X射线衍射物相定量分析方法很多,新近提出的麦夸特算法(Levenberg-Marquardt)在XRD物相定量分析中具有明显的优势,但在实际应用过程中,哪些因素会对该方法计算结果的准确度产生影响仍不清楚。为了指导实际操作过程并提高麦夸特算法在X射线衍射物相定量分析中的准确度和处理效率,本研究通过Matlab软件,将已知配比含量的刚玉、石英、方解石和钠长石与其计算值进行比较,探讨衍射峰强度、衍射峰背底、样品数量等因素对麦夸特算法应用于X射线衍射物相定量分析中计算结果的影响。结果表明:通过前三强峰法的计算结果比通过最强峰法的计算结果具有更高的准确度;由于物相晶体结构及衍射特性的差异,衍射峰背底对不同物相定量结果的影响程度各异,扣除背底后各物相计算结果的准确度整体上都有不同程度的提高;在利用麦夸特算法进行批量分析过程中,当样品数低于一定阈值时,样品数越多,计算结果的准确度提高越明显,但当计算的样品超过一定阈值时准确度不会有明显的提高。

新疆伊犁昭苏黄土剖面中的矿物组成及其风化意义

应用X射线衍射(XRD)分析技术,对处于西风区的新疆伊犁昭苏黄土剖面中的138个全岩样品和9组分粒级样品进行了分析,获得了该剖面的矿物组分、含量及其粒径分布信息。昭苏黄土主要由石英、方解石、绿泥石、斜长石、普通角闪石、钾长石、白云石和白云母组成;方解石在各个粒级组分中分布相对均匀;石英、白云石、斜长石、普通角闪石和钾长石主要赋存于粗颗粒中;绿泥石在细颗粒中的含量明显较高;白云母在16～32’m粒级组分中含量较低,在其它粒级组分中的含量则相对更高。各矿物学指标揭示了昭苏黄土剖面的化学风化程度整体较低且变化幅度不大,但古土壤层的化学风化程度稍强于黄土层;物理风化则经历了由强到弱的两个波动过程。

新疆伊犁地区近地表黄土的磁化率研究

伊犁盆地位于亚洲中纬度内陆,其特殊的构造和地理位置,使得该区具有特殊的气候环境。分布在盆地内的黄土记录了该区气候环境的变化过程,但是由于受到区域气候、海拔及近地物源的影响,使得磁化率在该区的表现和环境意义与黄土高原黄土中的会有差异。为了较准确的应用磁化率指标表征气候环境意义,就必须理解磁化率变化所受到的制约因素。本文通过伊犁盆地近地表采取的38个黄土样品(相当于黄土高原马兰黄土顶层),应用粒度,磁化率,元素分析的方法,结合地形和气候因素,初步探讨了近地表黄土的磁性特征、地域分异和受控因素,指出了磁化率在伊犁古环境研究中需考虑的问题。结果表明,近地表黄土样品的磁化率与<2μm的粘粒含量、Fe_2O_3含量成负相关,与>63μm的粗粒级含量呈正相关关系;样品的频率磁化率与<2μm含量、Fe_2O_3含量呈正相关;成壤作用形成的超顺磁颗粒对磁化率的贡献有限,粗颗粒组分对磁化率贡献较大。近地表黄土磁化率与降水、海拔高度、局地物源等多种因子有关,在黄土古气候解译中需要综合考虑这些因子对磁化率变化的可能影响。

小样本情况下需水量预测模型研究

针对传统的GM(1,1)模型,分析了其预测结果与实际过程存在的偏差,通过GM(1,1)模型与自回归滑动平均模型相结合的方法以弥补偏差。以钦州市1999-2009年及2005-2009年城市供水总量这两组基础数据对本文所建模型进行验证,并利用此模型预测了钦州市2010-2018年需水量。通过与其他预测模型的对比,进一步证明了本文所提新方法具有更高的预测精度、更强的数据拟合能力及更强的适应性,在小样本的预测上显示出新模型特有的优越性。在时间序列短、原始数据序列波动大的情况下,对于需水量预测这类复杂的问题,本文所提模型具有较高的可靠性。

影响XRD衍射谱形态的实验条件分析

X射线衍射(XRD)谱形态决定了样品的物相种类和含量,是定性与定量分析的基础,本文分析了各种实验条件如样品粒径、装样方式、表面平整度、扫描速率、X射线管功率、发散狭缝宽度对湖泊沉积物和黄土样品衍射谱形态的影响,同时初步讨论了XRD定量分析的影响因子。结果表明,样品过250目筛,采用横式填样方式,保持样品表面尽可能平整,选取2°min^(-1)的扫描速度,控制X射线管功率为1.6 kW,选取2°的发散狭缝宽度均有利于获得较理想的衍射谱。择优取向、晶体吸收和不同的计算方法对XRD定量分析均有不同程度的影响。

2000-2014年人类活动对贵州省植被净初级生产力的影响

利用MODIS实际净初级生产力数据与CASA模型估算得到的潜在净初级生产力,建立贵州省2000-2014年人类活动相对贡献指数(RCI),并依据各县喀斯特地貌面积和等级比例探究其年际变化及空间分布特征,再通过相关分析辨析选定的人类活动因子对其的影响。结果表明:(1)贵州省RCI均小于-0.5,人类活动促进了植被净初级生产力的增加,以2007年为转折点,影响程度先增强后减弱;(2)贵州省东北部、中部及西部地区的RCI多大于0,人类活动对生态环境有负面干扰作用;东南部及北部边缘地带的RCI多小于-1,人类活动的正面影响较强;(3)贵州省中部、北部大部分地区的RCI缓慢下降,人类活动对植被的正面影响增强;东南部部分区域的RCI由负转正,人类活动负面干扰作用增强;西南边界地区的RCI呈上升趋势却仍为负值,人类干预程度呈减弱趋势;(4)贵州省农业活动在人类活动的负面影响中有重要作用;城镇化与经济发展对生态环境既有正面影响,也有不可避免的负面干扰。

晚全新世黔西南喀斯特地区兴义泥炭高分辨率腐殖化度记录研究

季风气候区泥炭重要组成部分—贵州泥炭的研究较缺乏,其腐殖化度的环境指示意义尚有待挖掘。对黔西南喀斯特地区的兴义泥炭XY1钻孔进行AMS14C测年并构建年代框架,结合不同波长的高分辨率腐殖化度测定,及钻孔沉积速率和碳累积速率,重建黔西南3000~1770 cal.a B.P.的泥炭沉积过程,并探讨其可能的受控机制。结果表明:1)XY1钻孔样品的腐殖化度受温度和降水的双重控制,腐殖化度高值指示气候干冷,反之则指示气候湿热;2)3000~2700 cal.a B.P.腐殖化度较低且呈上升趋势,碳累积速率较低且呈下降趋势,沉积速率较低并且波动不明显,泥炭沉积较为缓慢;2700~2400 cal.a B.P.腐殖化度下降,碳累积速率、沉积速率略有上升,泥炭沉积略有加快;2400~1950 cal.a B.P.腐殖化度升高,碳累积速率、沉积速率处于高值,泥炭沉积快;1950~1770 cal.a B.P.腐殖化度、碳累积速率、沉积速率快速下降后回升,泥炭沉积发生明显波动;3)功率谱和小波分析显示,腐殖化度变化序列存在83 a、55 a、38 a、31 a、27 a、22 a准周期,与双海尔周期、布鲁克纳周期和太阳活动世纪周期相一致,表明该区气候变化和泥炭沉积受太阳活动的驱动。

上山遗址区沉积过程与人类活动的关系

上山遗址是上山文化(11~8.5 ka)的代表性遗址,位于钱塘江上游浦阳江北岸的二级阶地上,是迄今长江下游地区发现的最早的新石器时代遗址,也是研究稻作农业起源的重要遗址。近年来,国内外学者对上山遗址进行了大量的研究,主要集中于遗址的文化面貌、出土遗存等方面,对全新世早期人地关系演化、上山文化产生的环境背景研究相对薄弱。通过选取上山遗址区沉积剖面(SSYZ)以及探方(SSS)的沉积物样品进行粒度、磁化率、土壤有机碳、孢粉和炭屑分析,结合考古发掘资料及区域气候环境背景,探讨了遗址区沉积过程、古环境条件及其与人类活动的关系。结果表明:1)上山遗址区在晚更新世以来(130 ka~近现代)经历了河漫滩(202~142 cm)、粉尘堆积(142~72 cm)、考古文化层(72~24 cm)和现代耕作(24~0 cm)4个沉积阶段;2)粉尘堆积是上山遗址区沉积演化的转折阶段。这一阶段气候环境偏干,粉尘堆积于河流的二级阶地之上使地势不断增高,并逐步脱离洪水的影响。以粉砂为主的物质组成,也为早期稻作农业的孕育奠定了母质基础;3)SSYZ剖面磁化率自下而上增高,其中低频、频率磁化率在文化层达到剖面峰值,并且与探方文化层磁化率变化趋势一致,反映了人类活动对磁化率值的影响;4)130~11 ka,孢粉和炭屑的总浓度先增加后减少,乔灌木花粉的百分比含量较高且呈减少的趋势,陆生草本花粉百分比含量呈增加趋势,反映研究区气候环境整体较好,但经历了较大的波动并呈恶化趋势,植被覆盖度较高但呈减小的趋势,与末次间冰期—冰期气候条件较为吻合。全新世以来水热条件好转,植物资源丰富,乔灌木、松科和湿生草本的花粉增加,陆生草本花粉减少但禾本科花粉明显增加,并且土壤有机碳含量增加,土壤肥力增强,加上近河的地理位置便于先民获取灌溉水源及石器原料,遗址区环境适合人类活动,最终孕育了中国早期的稻作农业文化—上山文化。在文化层中以松科为主的乔灌木植物花粉含量呈减少趋势,而以禾本科为主的陆生草本以及湿生草本的花粉含量呈增加趋势,可能是由于先人住房等生产、生活活动中需要砍伐森林,及人类活动强度的增强使增加了对植物资源的利用。

中亚热带加积型红土粗粒组分磨圆度及物源意义

为探究粗粒组分对加积型红土物源的影响及其环境意义,选取中亚热带洞庭湖周边、鄱阳湖周边、皖浙地区24处加积型红土剖面145个样品,并对其粗粒组分(粒径>63μm)开展粗粒矿物磨圆度特征研究,结果表明:1)加积型红土粗粒组分矿物磨圆度与矿物类型有关,棱角状和次棱角状矿物多为长英质碎屑;圆状和次圆状矿物多为赤褐铁矿、钛铁矿等.2)均质红土(HRC)、网纹红土(VRC)的圆度组合类型基本属"尖锥形",且与当地基岩风化物、湖滨风成砂山、河流沉积物样品的圆度组合类型一致;黄棕色土(YB)、网纹黄棕色土(VYB)的圆度组合类型略为复杂.3)以JL剖面为例,加积型红土粗粒组分圆度沿剖面自下而上波动增加,结合以洛川黄土和赣江流域梅江沉积物粗粒组分为端元的物源判别结果,网纹红土粗粒物质来自近源河湖沉积物,而黄棕色土粗粒物质中还混有远源粗颗粒物.

青海湖二郎剑钻孔的粘土矿物学研究

位于青藏高原东北边缘的青海湖盆地拥有巨厚的新生代沉积,较好地记录了湖盆形成以来的古气候和古环境演化历史,对认识青藏高原东北部隆升过程和东亚气候变化具有重要的科学意义.但迄今为止,对青海湖沉积物长时间尺度的研究尚不多见,对沉积矿物学的研究较少涉及.利用X射线衍射分析技术,基于麦夸特算法对青海湖1108.95 m长的二郎剑钻孔岩芯开展了系统的粘土矿物学研究,获得了该钻孔沉积物中粘土矿物的组成、相对含量、化学指数和结晶学特征等方面的信息.结合钻孔的粒度指标,探讨了晚中新世以来高原构造隆升事件和青海湖地区的风化历史与古气候演化过程.研究表明,麦夸特算法在粘土矿物含量计算中能取得较好的效果,二郎剑钻孔中的粘土矿物以伊利石和绿泥石为主,高岭石和蒙脱石的含量较低;粘土矿物主要为碎屑成因,指示了化学风化作用较弱而物理风化作用强.各项粘土矿物学指标和粒度组分的变化特征揭示了自钻孔底部沉积以来青海湖地区处在总体相对寒冷干旱的气候环境下,并经历了5次大的环境演化阶段.其中在晚中新世早期气候相对温和湿润,之后具趋冷趋干的特点;在晚中新世晚期到上新世早期经历了一个短暂的温暖期之后,一直到第四纪气候持续变得寒冷干旱.各项指标可能也蕴含了自晚中新世以来青藏高原东北部发生过多次构造隆升事件的信息.

西风区昭苏黄土剖面中碳酸盐矿物组成及其古环境意义辨识

碳酸盐矿物是黄土的重要组成部分,是古环境重建的重要指标之一。通过对地处西风区的新疆伊犁盆地昭苏黄土剖面的全岩样品和分粒级样品的X射线衍射测试,分析了其碳酸盐矿物组成,利用麦夸特算法计算了碳酸盐矿物的含量。综合碳酸盐矿物的含量、粒径分布及风化特征等因素,对其古环境意义进行了辨识,从而建立了该剖面末次冰期以来碳酸盐矿物记录的古气候环境变化序列。结果表明:昭苏剖面中原生碳酸盐矿物(方解石和白云石)含量占主导地位,次生方解石对样品中总方解石含量的贡献较少;白云石含量可能与亚轨道尺度冷暖交替导致的西风环流强度变化有关;方解石含量的变化可能指示了西风区降水量的变化;碳酸盐矿物含量揭示了昭苏地区在末次冰期时气候冷湿,在全新世时气候暖干。

麦夸特算法在X射线衍射物相定量分析中的应用

常规的X射线衍射物相定量分析方法有各自的优点,但这些方法往往也存在一些不足.在实际应用中迫切需要一种简便、高效的普适性多物相无标样定量分析方法.选择麦夸特算法、粒子群算法、遗传算法、差分进化算法这4种迭代搜索领域的经典算法构建了基于非线性模型参数估计方法的4模冗余系统,以19个配制的4相样品中各相"前三强线"的积分强度之和作为计算的原始数据,通过Matlab软件进行了含量计算.理论分析及试验结果表明,运用麦夸特算法进行定量分析具有更小的计算复杂度、更快的收敛速度及更好的全局搜索能力,各相含量的计算值与配比值的绝对误差在5%以内的约占总计算量的83%.为了验证该算法,计算了昭苏黄土剖面82个混合样品及青海湖二郎剑钻孔359个混合样品中刚玉的含量,刚玉含量的配比值与计算值的相关性分别达到0.83和0.63,刚玉含量的误差超过5%的分别占总计算量的4.88%和9.75%.基于麦夸特算法的定量分析方法在批量化处理多物相定量中具有效率高、可操作性强、准确度高等优点.

对全球变化背景下长三角地区城镇化发展科学问题的思考

城镇化是中国现代化必由之路和实现经济可持续发展的长期国策。在全球变化背景下,如何科学评估并预测气候变化对城镇化发展的影响,阐释快速城镇化进程中应对气候变化的响应机制和适应模式,进而提出适应全球变化的城镇化可持续发展策略,是中国城镇化发展亟待解决的科学问题。长三角位于中国地势第三级阶梯的海岸带,海陆交互作用显著,是全球变化和人类活动剧烈相互作用的典型区域。长三角地区的城市化气候效应最强,水旱灾害、地面沉降、海面上升、极端气候事件对长三角城镇化发展的影响目前尚未作深入研究,气候变化和人类活动相互作用制约长三角的发展,长三角地区的城镇格局将如何应对气候变化和环境污染的影响?对该问题的回答是中国城镇化发展必须解决的难题,将直接决定中国城镇化可持续发展事业的成败。因此,开展长三角城镇化发展对全球变化的响应和适应对策研究,可为国家制定快速城镇化策略应对气候变化提供理论方法和科学决策依据。

红原泥炭记录的晚冰期以来若尔盖地区粉尘通量变率及其气候影响

由于高分辨率的气候重建记录,尤其是粉尘通量重建结果仍然较少,晚冰期以来东亚地区的气候突变机制存在很多争论。本研究对青藏高原东北部若尔盖红原泥炭HY2014剖面(深度450cm)样品的灰分含量及其粒度组成和K、Ti、Zr、Rb、Sr、V等元素含量进行高分辨率测定,基于AMS14C测年结果,重建了晚冰期以来该地区粉尘通量的变化动态,并结合过去的研究结果综合探讨粉尘通量的影响机制。结果表明:1)红原泥炭中的Ti、V、Sr、EF_(Zr)、EF_(Rb)、EF_(K)等元素主要为风成输入,可辅助粉尘通量来共同反映研究区大气粉尘沉积的变化历史。2)14000~11600cal.a B.P.,红原地区粉尘通量总体偏高,其中14000~12800cal.a B.P.期间由于红原地区发生特大古洪水事件使大气粉尘通量数值明显增加,而12800~11600cal.a B.P.期间气候冷干,强劲的东亚冬季风和北半球西风急流将裸露的松散沉积物搬运沉积到红原泥炭地中,导致红原大气粉尘通量增加;11600~3100cal.a B.P.粉尘通量低,其中在11600~6400cal.a B.P.期间波动较为明显,而在6400~3100cal.a B.P.粉尘通量波动更为稳定。早中全新世气候总体暖湿,受东亚冬季风和北半球西风急流影响较小且植被覆盖度较高,粉尘通量总体较低;3100cal.a B.P.以来东亚冬季风增强,红原地区粉尘通量再次升高。3)红原泥炭粉尘沉积通量记录了新仙女木事件,还清晰地记录了此后发生的7次粉尘增强事件,这在中国西北和北部的其他记录中也多有体现。粉尘增强事件发生时,东亚冬季风增强,粉尘源区干旱化,植被覆盖面积减小,粉尘释放增多,红原泥炭中粉尘含量升高。

基于XRF岩芯扫描的贵州喀斯特地区晚全新世泥炭古环境研究

文章选取发育于贵州喀斯特地区的兴义泥炭为研究对象,对钻孔上部300 cm岩芯进行高分辨率XRF连续扫描,并测定了样品含水量、色度(亮度L*、红度a*、黄度b*)和碳酸盐含量。通过对Rb、Ti、Zr、Al、Si、Ca、Sr、Mg等元素含量及其比值、色度和其他代用指标的综合分析,结合主成分分析方法,探讨XRF岩芯扫描在兴义泥炭研究中使用的可行性,并进一步分析兴义泥炭化学元素的来源、指示意义及所记录的古环境演化过程。基于AMS14C测年构建的年代框架,发现:1)XRF岩芯扫描的Ca元素含量与气量法测定的碳酸盐含量具有较好的一致性。XRF岩芯扫描和分光测色计获得的L*、b*相关性高,尽管这两种方法获得的a*存在差异,但其数值表现上相似性仍较高;2)晚全新世以来兴义泥炭的地球化学元素主要来源于周边碳酸盐岩风化、淋溶、随流水搬运而最终沉积到湿地的物质;3)兴义泥炭Sr/Ca比值处于高值,Si/Al、Rb/Sr比值处于低值时,气候偏干,反之则指示气候偏湿润。此外,兴义泥炭Al、Si、Ca、Sr、Mg、Rb/Sr、Si/Al、Sr/Ca的变化趋势与烧失量、腐殖化度等具有较好的一致性;4)晚全新世以来兴义地区总体上呈现出由湿润向干转变的趋势,3270~2700 cal.a B.P.由湿润持续转干,2300~1670 cal.a B.P.降水持续减少,与西南季风主控区众多古环境记录能较好地对应,并揭示了2700~2300 cal.a B.P.降水稳步增加的过程。对兴义泥炭进行XRF岩芯扫描能挖掘其蕴含的物质来源、物质变化特征等多方面信息,有助于拓展XRF岩芯扫描分析方法在泥炭沉积中的应用,并能深化对西南地区古环境演化历史的认识及丰富泥炭研究档案。

1470～1949年贵州地区干湿序列的重建及其影响分析

贵州地区在小冰期的气候环境状况及其对人类活动的影响研究缺乏,综合历史文献资料分析与地质记录的研究仍有待加强。基于1470~1949年贵州地区旱涝历史文献资料重建该区干湿变化序列,然后运用互信息的相关分析方法对此序列进行检验,再通过小波分析探究其干湿变化过程与周期。同时,结合高分辨率石笋δ18O序列、海洋热状况和国家与地方政权的动荡情况,讨论其控制因子及其对人类活动的影响。研究表明:(1)贵州地区15世纪末期气候偏干,16世纪整体较湿润,在经历了17世纪前期的干旱期后,从17世纪中期至20世纪前期为一个长期较稳定的湿润期,与众多古环境研究记录较为吻合;(2)小波分析表明干湿变化具有128~155年、32~55年、11~20年的周期,反映其干湿变化主要受太阳活动控制;(3)贵州地区湿润程度受南亚夏季风强度、ENSO、AMO等因素影响,且对当地政治活动和地表生态环境产生了重要影响。

中国南方红土记录的晚第四纪干旱化

第四纪期间干旱的触发机制及持续时间一直是研究的热点。然而针对东亚夏季风前沿的中国南方地区晚第四纪干旱事件鲜有报道。本研究基于九江市沙河(SH)红土剖面(厚6.94 m)的环境指标,分析该地区的古植被和古环境信息,重建晚第四纪中国南方地区干旱化历史,解译干旱气候在中国南方红土中的环境效应及关联机制。结果表明:(1)SH红土剖面网纹红土层(6.94~4.69 m)到上覆黄棕色土层(4.69~0 m)记录了中国南方地区晚第四纪气候环境逐渐变干的趋势,尤其是黄棕色土层记录的干旱化过程进一步可分为A(下)和B(上)两阶段。B阶段(2.24~0 m)较A阶段(4.69~2.24 m)粘粒含量由27.59%减少至24.37%,粉砂含量由71.36%增至74.52%, CIA指数由81.50降至78.05,风化淋溶指数ba值由0.33增至0.46,风化程度减弱,粒径明显增大。(2)孢粉分析表明,0.29~0.23 Ma(带Ⅲ, 2.24~0 m),松属花粉相对高含量可能指示本地降温和冬季风增强的过程,陆生草本相对增加,高炭屑浓度指示火灾发生的频率增加,尤其是在Ⅲ-2(1.50~0 m)各环境指标对干旱气候响应更为明显,区域干旱化过程明显加深;晚第四纪南方地区整体以落叶阔叶林为主,林下灌木和陆生草本发育,与现在的地带性植被落叶阔叶林相比,当时植被带可能有一定程度的南移;(3)结合冰期-粉尘-干旱耦合特征,推测0.29 Ma之后冷空气活动增强及空气湿度的下降共同驱动中国南方地区干旱化程度增强,成壤和植被组合变化特征很可能是冬季风增强导致区域干旱化程度加强的表现,该研究为认识中国南方红土植被和气候关系提供了新的线索。

全新世以来钱塘江流域遗址时空分布特征及其与环境变化的关系

钱塘江流域是中国东部早期人类活动最重要的场所之一,其考古学文化发展序列完整,是中华文明的重要源头。目前学者广泛探索了黄河流域和长江流域史前人地关系,而对钱塘江流域的研究相对薄弱。基于全新世以来考古遗址及其所处环境的资料,运用GIS空间分析技术对遗址数据进行核密度估计、地形地貌因子提取及其方向性分布计算等,探讨了遗址时空演变特征、规律及其与环境变迁的关系。研究发现:(1)自然和人文因素不同程度影响了遗址数量及其延续性,其中海平面升降、气候变化等要素显著影响钱塘江流域遗址的分布、迁移和考古学文化演替。(2)新石器时代早期到夏商时期,钱塘江流域遗址数量呈现出变形的倒“N”型,垂直空间上主要倾向分布在高程200 m以下区域,水平空间上聚集性显著,分布中心在钱塘江干流附近;(3)钱塘江流域各时期遗址通过坡度、坡向、距河远近等要素对环境变迁进行响应,遗址主要分布于坡度为0°~7°、坡向为90°~180°、濒河距离小于7 km的区域。随着生产力的提高,人类对水资源依赖度增加,受自然环境限制程度降低。