Analysis of creep characteristics of hydrate sediments under compressive loading
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摘要:
水合物开采可能诱发海底滑坡或其他工程地质灾害。实现水合物商业化开采需要中长期稳定产气，长期荷载下储层的蠕变特性是地层稳定性评价的基础力学参数。利用南海水合物储层粉黏土为试验介质在压缩加载条件下的系列固结排水蠕变测量试验结果，对粉黏土的蠕变特性进行了分析。结果表明，加载过程中，含水合物沉积物经历瞬时变形、固结变形和蠕变变形3个阶段；随着加载应力和水合物饱和度的提高，蠕变应变不断增加；修正的Singh-Mitchell蠕变模型可以较好预测不同应力水平和水合物饱和度下粉黏土的蠕变特性。
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关键词:
- 水合物沉积物 /
- 蠕变 /
- 水合物饱和度 /
- Singh-Mitchell蠕变模型
Abstract:Hydrate mining may induce submarine landslides or other engineering geological disasters. Long-term and stable gas production is required for any commercial exploitation for natural gas hydrate. Understanding the creep properties of hydrate-bearing sediments is importance for the estimation of long-term stratum instability. Therefore, we analyzed the creep characteristics of silty clay by using a serial test on consolidation drainage creep under compression loading conditions with hydrate reservoir silty clay as the test medium. The results show that the deformation curves of hydrate bearing sediments presented three stages: instantaneous deformation, consolidation deformation, and creep deformation. With the increase of load and hydrate saturation, the creep strain increased progressively. The modified Singh-Mitchell creep model was applied, by which the creep properties of hydrate bearing sediments were well predicted at different stress levels and hydrate saturations.
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第四纪作为地质历史上最接近现代的一个时期[1]，其植被、气候演化历史对于深入理解不同时间尺度全球气候变化机制以及预测未来变化趋势具有重要科学意义[2]，备受国内外研究学者关注。
孢粉化石由于耐腐蚀、易散布、产量大等特点，广泛分布于不同类型的沉积物中，作为重要的陆源生物指标，其种属组成可以忠实地记录过去植物群落的组合特征，被广泛应用于过去植被演化历史重建当中[3]。同时，根据区域植被组成的演化，可以有效地获取过去气候变化信息，因此，在古气候重建中发挥着重要作用。早在20世纪20年代，北欧泥炭记录中的孢粉记录就被应用于全新世气候重建当中[4]。随后在20世纪50年代，国内孢粉学研究逐步发展起来，并取得了一系列的卓越成果，建立了不同时间尺度的植被、气候演变序列[5-7]。近年来，随着现代花粉过程研究的深入以及统计学方法在古环境演化中的应用，基于孢粉化石组成的过去植被、气候演化历史研究也逐步由定性分析向定量重建的方向发展[8]。孢粉化石组成作为陆生植被系统演替的直接证据，在恢复过去植被、气候环境演化研究中发挥着不可替代的作用。
近几十年来，基于一系列的沉积物钻孔和剖面样品孢粉分析，对我国第四纪时期的植被、气候演化进行了探讨（表1）。然而，受样品材料限制，在百万年时间尺度上利用孢粉为代用指标开展古气候重建的研究仍较少，且多数文献仅局限于对自身沉积序列数据的分析，缺乏系统的气候描述及区域间的综合对比分析。研究表明，对不同时间节点的孢粉分析结果进行空间上的作图分析可以更有效地获取宏观区域尺度上的植被及气候演化规律[9-10]。因此，本文拟对2.5 Ma以来我国陆地孢粉研究记录进行搜集和系统整理，通过空间插值分析获取孢粉组成在空间上的分布特征以及时间上的演化历史，进一步揭示孢粉记录中所保存的第四纪古气候演化信息。
表 1 中国2.5 Ma以来陆地孢粉记录Table 1. List of pollen records since 2.5 Ma from Chinese continent编号 钻孔 东经 北纬 载体 孔深/m 年代/Ma 样品数 文献 NW1 QK7 107.00° 41.00° 岩芯 200 0.51 275 李玉刚等[11] NW2 DWJ 99.50° 39.50° 岩芯 140 1.70 19 常婧等[12] NW3 CK1 106.25° 38.47° 岩芯 300 0.80 110 杨振京等[13] N1 虎头梁剖面 114.35° 40.16° 剖面 − 早更新世 − 刘金陵等[14] N2 昌平东闸村 115.84° 40.04° 岩芯 103～149 0.60～1.07 60 李腾飞等[15] N3 HR88-01 116.58° 40.19° 岩芯 506 第四纪 − 李长安等[16] N4 TZ01 116.54° 40.10° 岩芯 763 3.58 239 姚亦峰等[17] N5 北京凹陷新5孔 116.52° 39.95° 岩芯 862 2.30 51 郭高轩等[18] N6 CQJ1孔 117.22° 39.34° 岩芯 501 4.00 275 范淑贤等[19] N7 TD1 118.16° 39.54° 岩芯 238 3.45 87 胡云壮等[20] N8 G1、G25、SK304 − − 岩芯 103、68、55 第四纪 25、31、31 任振纪等[21] N9 河北平原内25口井 115.00°～117.45° 37.45°～33.51° 剖面 − 第四纪 314 童国榜等[22] N10 HS1 115.68° 37.91° 岩芯 600 3.50 529 范淑贤等[23] N11 河南开封XK63、武涉XK72 河北肃宁sukai10、沧州沧12 沧13、玉田yu11 113.00°～118.00° 35.0°～40.0° 岩芯 330～770 第四纪 362 童国榜等[24] N12 HB1 117.51° 38.29° 岩芯 550 3.20 462 范淑贤等[25] N13 甘肃省灵台县朝那镇 107.20° 35.12° 剖面 105 1.50 130 吴福莉等[26] N14 黑木沟 109.43° 35.76° 剖面 − 2.50 − 李玉梅等[27] N15 BK2 113.25° 35.18° 岩芯 162 0.57 158 乔晓旭等[28] N16 HZ～S 114.51° 36.61° 岩芯 1～101 第四纪 140 肖景义等[29] N17 N3 110.10° 34.55° 岩芯 250 第四纪 35 刘明建等[30] N18 NYbz1、NYbz2 112.54° ～112.40° 32.89°～32.94° 岩芯 150、130 1.98 50、20 李博等[31] N19 淮北平原 116.00° 34.00° − − 2.50 − 于振江等[32] T1 ZK402 91.60° 37.58° 岩芯 − 2.50 − 王建等[33] T2 ZK701＋801孔、水6孔、
涩中6井、涩深1井− − 岩芯 0～1100
0～900
380～1146、
1140～16201.87 − 康安等[34] T3 BDQ 93.93° 35.22° 岩芯 106 0.73～0.02 90 刘晓丽等[35] T4 羌塘组 94.93° 36.41° 剖面 355 2.00 50 许清海等[36] T5 东山顶 94.78° 35.00° 剖面 120 2.40 180 潘安定等[37] T6 野牛沟、大野马岭牛头碑、哈拉滩、黑河乡 97.00°~99.00° 34.00°~35.00° 剖面 2.23 219 韩建恩等[38] T7 东山组 103.07° 35.58° 剖面 80～200 2.50～1.76 88 董铭等[39] T8 香孜组剖面 79.67° 31.82° 剖面 250 2.68～1.36 34 朱大岗等[40] T9 香孜组剖面 79.62° 31.84° 剖面 110 2.75～1.86 54 江尚松等[41] T10 CN 91.40°～91.50° 31.40°～31.50° 岩芯 197 2.80 400 陈诗越等[42] T11 错鄂孔 91.40°～91.50° 31.40°～31.50° 岩芯 201 2.80 400 陈诗越等[43] T12 沃马剖面 85.29° 28.50° 剖面 600 10.00～1.67 159 徐亚东等[44] S1 DZS2 112.70° 31.22° 岩芯 240 第四纪 461 张志忠等[45] S2 ZKA4 119.52° 32.48° 岩芯 234 2.58 129 张宗言等[46] S3 ZK10 119.84° 32.97° 岩芯 243 2.58 180 劳金秀等[47] S4 兴化钻孔 119.52° 32.48° 岩芯 350 3.00 − 舒强等[48] S5 NTK01 120.91° 31.97° 岩芯 202 上新世 125 向烨等[49] S6 SZ03 120.70° 31.24° 岩芯 272 第四纪 109 宗雯等[50] S7 渡村1125井 120.08° 31.03° 岩芯 139 第四纪 51 汪世兰等[51] S8 长江三角洲 121.14° 31.00° − − 第四纪 1000多 王开发等[52] S9 斜土路2号钻孔 120.86° 30.67° 岩芯 248 更新世 − 姜立征等[53] S10 ZK1 122.33° 30.00° 岩芯 90 中更新世 33 叶兴永等[54] S11 HQ 100.18° 26.56° 岩芯 737 / 2.78 1989 肖霞云等[55] S12 云贵高原 92.00°～108.00° 22.00°～28.00° − − 4.00 700 童国榜等[56] S13 ZK1 110.18° 20.33° 岩芯 39～210 0.73～2.48 26 廖先斌等[57] S14 ZQ1、ZQ2、ZQ3、ZQ4 113.00°~116.00° 20.00°~23.00° 岩芯 120 第四纪 177 陈芳等[58] 1. 区域概况
中国幅员辽阔，复杂多样的地形和气候条件形成了丰富多样的植被类型。受纬度及相应的热力分布差异影响，从南到北地带性植被有北热带季雨林、南亚热带季风常绿阔叶林、中亚热带常绿阔叶林、北亚热带常绿落叶混交林、暖温带落叶阔叶林、温带针阔叶混交林和寒温带针叶林等[59]。同时，我国地处典型的季风气候区，在亚洲夏季风的影响下年降水量呈现出明显的由东南沿海向西北内陆逐渐减少的趋势，从东南到西北呈现出由森林、草原逐渐过渡到荒漠的植被分布特征。此外，不同海拔高度上，气候要素对植被生长的影响呈现较大的差异，山地地形气候的地带性差异使得山地植被存在明显的垂直地带性分异。尤其是青藏高原地区，因其海拔效应而形成独特的气候环境，发育了典型的高寒草甸、高寒草原等植被类型。
在中国植被区划的基础上，为方便对比分析，我们将研究区分为4个主要区域：北方地区、南方地区、西北地区及青藏高原地区（图1）。（1）北方地区主要包括华北平原、东北平原、黄土高原、长白山及太行山等地区。其中东北平原和长白山地区现代植被以温带针阔混交林、森林草甸草原为主；华北平原和太行山以栎林、油松林和灌木草原等为主；黄土高原南部以松栎林为代表的森林草原为主，北部以长芒草、蒿为代表的干草原为主。（2）南方地区为中国东部季风区南部，主要是秦岭-淮河一线以南，包括长江中下游平原、珠江三角洲平原、四川盆地、云贵高原等地形区。本地带以亚热带常绿阔叶林为鲜明特征，按照不同的水分条件、海拔高度以及不同纬度形成的植被组合可进一步分为半湿润常绿阔叶林、季风常绿阔叶林和中山湿性常绿阔叶林。（3）西北地区主要包括准噶尔盆地、塔里木盆地、阿尔泰山、天山及内蒙古高原等，区域性植被包括东疆山间盆地戈壁荒漠植被、河西走廊荒漠草原植被以及内蒙古高原荒漠草原植被。（4）青藏高原地区包括青藏高原及柴达木盆地，植被主要为干旱荒漠灌丛植被、高寒灌丛草甸及山地寒温性云冷杉针叶林等[60]。
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图 1 第四纪古孢粉记录的空间分布及4个研究区域A. 西北地区，B. 青藏地区，C. 北方地区，D. 南方地区。
黄色点为有年代标尺的记录，红色点为无具体年代标尺的记录，记录详情见表1。Figure 1. The distribution of Quaternary pollen records collected in this study for four sub-regionsA-Northwest China, B-Qinghai-Tibetan Plateau, C-North China, D-South China
The yellow dots are records with age control, while red dots represent records without age control, detailed information refer to Table 1.2. 研究方法
2.1 孢粉记录的获取
为获取中国第四纪植被演替信息，对已发表的3.0 Ma以来我国陆地孢粉文献资料进行收集整理，共获取到时间跨度在0.5 Ma以上且有明确孢粉数据资料的记录有48个，其中时间跨度在1.5 Ma以上的有24个（图1，表1）。大部分记录中的样品取自沉积物岩芯（34个）、剖面（11个）。在空间分布上，所获取的记录主要集中在北方地区（19个）和南方地区（14个），青藏高原地区（12个）尤其是西北地区（3个）记录相对较少。此外，所收集的记录中的32个记录有明确的测年结果及年代学框架，占记录总数约67%，测年方法以古地磁、释光和ESR测年为主；剩余16个无具体年代学标尺的记录中，部分记录对样品进行了详细的沉积地层学的描述（4个），依据地层年代对样品所处的年代进行了推算。
2.2 特征种属的空间分布及时间演化规律
为获取第四纪植被演化的时间、空间规律，本文对有具体年代标尺且孢粉百分比含量数据较为完整的记录进行空间插值分析。选取在记录中广泛分布且含量较高的6种孢粉种属进行统计分析，包括木本花粉3种：松属（Pinus）、云/冷杉属（Picea/Abies）和桦木属（Betula），草本花粉3种：蒿属（Artemisia）、藜科（Chenopodiaceae）和禾本科（Poaceae）。根据文献资料中各钻孔孢粉数据记录的气候演化趋势，同时考虑亚洲夏季风在第四纪所呈现出阶段性的变化趋势，我们对2.5、2.0、1.5、1.0、0.5、0 Ma这6个时间节点的6种特殊种属的孢粉百分含量进行了分析探讨。
为了更清晰地展示特征种属在时间尺度和空间尺度上的变化规律，运用ArcMap 10.4.1程序对6个特征种属的数据进行了数量分级（表2），随后采用反距离加权方法（Inverse Distance Weighting）对分布不均匀的孢粉记录进行空间插值，从而获取不同时间的孢粉种属百分含量的空间分布特征（图2—8）。由于3.0～2.5 Ma时段孢粉记录较少，未进行空间插值分析；同时，为了保证空间上的分辨率，对2.5 Ma以来少数部分数据缺失的钻孔，利用较近距离的两个以上样品点的数据进行插值，进而得出各钻孔在不同时间段的特征种属百分含量。
表 2 特征孢粉种属ArcMap插值分级Table 2. Classification of selected pollen species for interpolation in ArcMap种属 分级 松属 ＜10%、10%～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%、＞80% 云/冷杉属 ＜5%、5%～15%、15%～25%、＞25% 桦木属 ＜1%、1%～2%、2%～4%、4%～5%、＞5% 蒿属 ＜6%、6%～15%、15%～25%、25%～50%、＞50% 藜科 ＜2%、2%～5%、5%～15%、15%～30%、30%～40%、40%～55%、＞55% 禾本科 ＜3%、3%～5%、5%～10%、10%～15%、＞20% ![]()
图 2 2.5 Ma以来松属花粉含量的时空变化Figure 2. Temporal and spatial distribution pattern of Pinus pollen since 2.5 Ma![]()
图 8 孢粉记录中获取的气候（A温度，B湿度）变化序列Figure 8. Paleoclimate inference （A temperature, B moisture） based on Quaternary pollen records2.3 孢粉记录的过去气候变化信息
为了更清晰地展示孢粉记录中的气候变化信息，从48篇古气候记录中筛选了25篇有具体气候变化描述的文献，其中包括21篇有具体年代标尺的记录和4篇有地层年代描述的记录。通过建立气候指数的方法[61-64]，将所搜集文献中的气候变化信息（湿度、温度）转化为半定量的气候干湿（冷暖）指数：+2，+1，−1，−2；其中，+2表示记录中最为湿润（温暖）的气候阶段，+1表示气候相对偏湿（偏暖）的状态；相应的，−1则表示气候相对偏干（偏冷）的阶段，而−2表示记录中最为干旱（寒冷）的时期。依据以上规则，结合参考文献记录中的气候演化阶段划分及气候环境描述，将25篇文献中的气候变化信息转化为4个等级的气候指数，并结合相应年代得到气候指数变化序列（图8），开展气候记录间以及不同区域间的对比分析。
3. 结果
3.1 特征孢粉种属时空分布特征
在所选取的6种特征种属中，木本花粉中松属（Pinus）在各记录中广泛分布，且普遍呈现出较高含量（最高可达80%）。同时，在所搜集到的第四纪时期孢粉记录中，松属花粉主要分布在北方地区，在青藏高原东北部也有所分布，含量较低（约10%）（图2）。另一方面，在时间分布上，2.5 Ma以来松属百分含量呈现波动变化，在1.0 和0 Ma时间段内整体含量较高，其余时段含量较低（图2）。
云/冷杉属（Picea/Abies）花粉的百分含量变化范围为0～40%，但由于获取的资料中云/冷杉属的记录较少，仅利用ArcMap程序进行数据分级，未能进行插值分析。从图3可以发现，2.5～2.0 Ma该种属主要出现在北方地区，同时在青藏地区有所分布；2.0 Ma时段内北方地区云/冷杉属孢粉百分含量略有减少，主要分布于青藏地区。2.0～1.5 Ma其百分含量较上一阶段整体下降，而1.5～0.5 Ma又有显著升高。自0.5 Ma以来，云/冷杉孢粉含量在青藏地区有所上升，北方、西北地区呈减少趋势。
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图 3 2.5 Ma以来云/冷杉花粉含量的时空变化Figure 3. Temporal and spatial distribution pattern of Picea/Abies pollen since 2.5 Ma桦木属（Betula）花粉百分含量整体较低，为0～15%，主要分布在我国北方地区。对桦木属进行数据分级和空间插值分析表明，1.0 Ma以前孢粉含量在青藏高原东缘略有增高，但北方地区变化不明显；除北方地区外，该孢粉含量在0.5 Ma前后明显增多且在多数记录中出现峰值后，孢粉含量明显下降（图4）。
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图 4 2.5 Ma以来桦木属花粉含量的时空变化Figure 4. Temporal and spatial distribution pattern of Betula pollen since 2.5 Ma草本花粉中蒿属（Artemisia）百分含量为0～75%，从图5中我们可以发现蒿属主要分布在北方和青藏地区。对蒿属进行数据分级和插值分析表明： 2.5～2.0 Ma孢粉百分含量在青藏地区逐渐增多，而北方地区略有减少，在该时间段内蒿属主要分布于青藏地区。2.0～1.5 Ma蒿属百分含量整体呈现小幅度升高，而随后1.5～1.0 Ma整体减少。自1.0 Ma以来，蒿属花粉孢粉百分含量又呈现整体上升的趋势，尤其是在最后0.5 Ma时段内明显增加。
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图 5 2.5 Ma以来蒿属花粉含量的时空变化Figure 5. Temporal and spatial distribution pattern of Artemisia pollen since 2.5 Ma藜科（Chenopodiaceae）花粉在记录中的百分含量为0～75%，由于记录空间分布的限制，该科花粉主要分布在北方地区和青藏地区。此外，空间插值分析结果（图6）表明，2.5～2.0 Ma藜科花粉含量整体较低，随后在1.5～1.0 Ma期间含量略有增加。1.0 Ma以来孢粉含量显著增加，且在空间分布范围上明显扩大。
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图 6 2.5 Ma以来藜科花粉含量的时空变化Figure 6. Temporal and spatial distribution pattern of Chenopodiaceae pollen since 2.5 Ma禾本科（Poaceae）的百分含量为0～60%，在各区域内分布较为均匀。在2.5 Ma除南阳盆地NYbz1、NYbz2钻孔[31]的禾本科含量异常偏高外，整体含量呈波动变化。1.5～1.0 Ma禾本科孢粉含量在青藏地区略有升高，而自1.0 Ma以来，禾本科含量整体呈现上升趋势，尤其是我国东部的平原地区（图7）。
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图 7 2.5 Ma以来禾本科花粉含量的时空变化Figure 7. Temporal and spatial distribution pattern of Poaceae pollen since 2.5 Ma3.2 气候记录温湿指数分析
在北方地区搜集到的古气候记录中，8个记录有具体年代标尺和详细气候演化描述，这些记录中所反映的3.0 Ma以来中国北方地区的气候演化过程大体表现为：3.0～2.5 Ma气候较为温暖湿润，2.5～2.0 Ma逐渐变冷，气候偏干，2.0～1.0 Ma气候逐渐变湿，1.0～0.5 Ma气候温和偏湿，0.5Ma以来气候波动频繁，整体偏暖（图8）。
南方地区搜集到的记录中仅有4个记录有具体的年代标尺和气候变化信息。综合这4个记录可以发现，中国南方地区在3.0～2.5 Ma时段内气候温暖湿润，2.5～1.5 Ma气候偏凉且较为干燥，1.5～0 Ma气候较为湿润（图8）。
西北地区获取记录较少，仅3个记录，均有具体的年代标尺和气候演化历史的描述，但所涵盖的时间较短。从这3个记录中可以发现，中国西北地区在1.5～0.5 Ma时期气候较为干旱，随后0.5～0 Ma气候波动频繁（图8）。
青藏地区所搜集的12个记录中，10篇记录有较为具体的年代学研究结果和气候演化阶段的描述。该地区整体呈现如下模式：3.0～2.5 Ma气候温暖，2.5～2.0 Ma气候偏凉偏干，2.0～1.5 Ma气候整体偏凉，1.5～1.0 Ma气候波动较为频繁，1.0～0 Ma气候寒冷偏干（图8）。对中国4个区域古气候记录进行综合对比分析可以发现，在3.0～2.5 Ma期间气候整体较为温暖湿润，2.5～1.5 Ma期间气候波动频繁，整体偏冷且明显偏干，1.5～1.0 Ma期间东部地区气候偏湿而西北地区和青藏高原地区则偏干，1.0 Ma以来整体气候波动频繁。
4. 讨论
4.1 特征种属孢粉所记录的第四纪环境演化
由于研究资料的限制，本文共搜集到48个记录，而其中仅有一半记录（24个）中提供了明确的年代学研究结果及气候演化描述（表1）。同时，所搜集到的记录主要集中在北方地区，西北地区仅搜集到3个钻孔记录，而我国东北地区、西藏的西北部以及华南大部分地区未搜集到相关记录。因此，样品点空间分布上的不均一性，一定程度上限制了孢粉组成的空间插值分析结果。此外，由于孢粉保存、提取工作的难度，所搜集到的第四纪时段孢粉记录中样品分析数量通常仅有几十个，样品分辨率达数万年，从钻孔所获取的气候记录的分辨率较低，因而只能获取阶段性的气候演化信息，很难提取到周期性的气候波动变化信号。
在所选取的文献中出现广泛且含量较高的6个特征种属中，松属（Pinus）含量较高。现代松属植物在地球上广泛分布，在北极圈以南赤道以北的北半球区域均有分布，在垂向上可分布于0～4 000 m不同海拔高度。我国是松属植物重要分布中心区域之一，种类繁多，几乎遍及全国各省区[65]，松属花粉含量在50～60%及以上的样品多出现在海拔2 500～3 200 m[66]。研究表明，松属植物的花粉产量大[67]，且具有两个发达的气囊，可以随气流搬运到较远的距离，导致在无林区也会出现较高含量松属花粉的现象[68]。同时，松属花粉数量主要受春季温度影响，温度越高花粉数量越多，其他季节花粉数量主要受相对湿度影响，湿度越低，花粉数量越大[69]。因而，在第四纪阶段内松属花粉在北方地区含量较高，但在时间和空间上变化较小，变化趋势不明显，可能与松属花粉具有两个发达气囊易于传播有很大的关系。一定程度上也表明，在开展松属花粉研究工作中应进行更为精确的种属鉴定，结合不同花粉的传播机制，获取更为确切的气候指示意义。
云杉属和冷杉属（Picea/Abies）是暗针叶林的主要建群种，绝大多数现生种都分布在寒冷地区。因而在第四纪沉积物中发现的云/冷杉属花粉，通常被视为寒冷气候的指示物，尤其它们在孢粉组合中含量增加，一般被解释为冰期的到来[70]。所搜集到的孢粉记录中云/冷杉属花粉主要分布于中国北方、青藏地区。在2.5～2.0 Ma时段内整体含量偏高，指示气候相对偏冷（图3a）。然而，在2.0～1.5 Ma期间云/冷杉花粉含量整体略有下降，表明气温有所回升，气候偏暖（图3b）。在1.5～0.5 Ma，其花粉含量在青藏高原地区再次升高，指示该区域温度呈现明显下降的趋势（图3c—e），气候变冷。自0.5 Ma以来，其百分含量略有增加，指示气温有所降低，气候逐渐变冷（图3f）。
桦木属（Betula）为落叶乔木或灌木，喜温湿，耐水湿，绝大多数种类分布在北半球温带，但对南方山地也有很强的适应性，不少种类散布至亚热带、热带地区[71]。对中国北方不同植被类型下表土花粉丰度及气候参数进行对比研究发现，桦木属花粉丰度在一定程度上受年均降水量的影响，花粉丰度与降水量呈正相关，随着降水量的增高其丰度值增高[72]。此外，结合表土花粉和现代植被地理的研究也发现，桦木属对区域降水量和湿度的变化有很强的指示意义[73]。在1.5 Ma前后，青藏高原东北部地区桦木属花粉有所增加，指示该区域气候略为湿润（图4c）。桦木属花粉0.5 Ma时在北方和青藏高原地区出现较为明显的高值，一定程度上表明该阶段区域气候较为湿润（图4e），随后该种属花粉含量降低，气候逐渐变干（图4f）。
蒿属（Artemisia）和藜科（Chenopodiaceae）植物都是典型的草原和荒漠草原类植物[74]，同时由于二者较高的相对花粉产量，是我国西部干旱半干旱地区以及青藏高原地区样品中花粉组合的主要成分。蒿属为草本，在北半球温带地区分布广泛，以草原为主尤其在草原沙地上特别发育。藜科同样多分布于荒漠、干草原尤其以荒漠区属种多，其中许多属种为荒漠植被的主要建群种[75]。样品中蒿属和藜科花粉的百分含量变化可以敏感地反映区域气候干旱程度，环境的干旱程度越高，蒿藜所占百分比越高[76]。此外，由于两个科属植物的生态习性差异，在干旱地区，当蒿属、藜科之和占孢粉总数的一半以上时，蒿/藜比值（A/C）具有良好的气候指示意义，被广泛用来指示区域气候干旱程度的变化[77-78]。所搜集的记录中蒿属、藜科的花粉含量在2.5～2.0 Ma期间青藏地区有所增加，指示该地区该时间段较为干旱（图5a—b，图6a—b）。随后，2.0～1.5 Ma阶段蒿属、藜科绝对百分含量整体呈现小幅度升高，指示气候进一步干旱（图5b、 c，图6b, c）；而1.5～1.0 Ma蒿属百分比含量小幅度减少，表明气候较为湿润（图5c、 d，图6c, d）。自1.0 Ma以来，蒿属、藜科孢粉百分比含量在青藏、西北地区又呈现出明显升高的趋势，指示区域气候再次干旱化（图5e、 f，图6e、 f）。
禾本科（Poaceae）植物的适应性强，分布范围广泛，属于非地带性植物。一方面，禾本科植物为伴人植物，是借助于人类活动传播和扩大分布区的植物[79]，诸多研究表明禾本科植物花粉通常可以指示人类活动的影响[80]。另一方面，作为常见的草本植物类型，其花粉含量在一定环境下与湿度呈现负相关[72]。在所搜集到的钻孔记录中，禾本科花粉在1.0 Ma之前变化并不明显，只是南阳盆地NYbz1、NYbz2钻孔的禾本科含量在2.5 Ma时间段内出现明显高值（图7a）[31]。自1.0 Ma以来，禾本科百分含量整体呈现逐步升高的趋势，结合蒿属和藜科两种草本植物在该时间段花粉含量增加所指示的气候变干趋势，禾本科花粉含量的增加一定程度上也受到了整体气候变干的影响。同时相较于1.0 Ma，0.5～0 Ma期间禾本科大幅度增加可能受到人类活动的影响。因而，禾本科花粉增加可能是自然气候变干和人类活动增加两者的共同结果（图7e、f）。
4.2 孢粉记录的第四纪气候变迁与亚洲夏季风演化
由于我国处于典型的季风气候区，在全球大气环流共同影响下，受太平洋夏季风（东南季风）、印度洋夏季风（西南季风）和来自西伯利亚的冬季风的共同控制[81]，区域内植被、气候演化受季风影响显著，形成了独特的环境格局。在夏季风影响区，降水主要集中在夏季，温度较同纬度其他地区高，而冬季温度较同纬度其他地区低[82]。
在第四纪阶段亚洲冬季风的演化历史研究中，已经得出较为一致观点，认为自3.0 Ma以来冬季风逐渐增强。例如，刘东生等在探索亚洲季风系统的起源和发展与两极冰盖和区域构造运动的时代耦合性时提出，冬季风加强的时期可能在3.0 Ma以前就开始了，到2.5 Ma时达到顶峰[82]。此外，Rea等人在海洋记录中同样发现距今3.6 Ma北太平洋粉尘通量急剧增加，间接地指示了冬季风的加强[83]。在对中国黄土古土壤序列与日本晚新生代沉积记录进行对比时也发现2.5 Ma冬季风加强。另一方面，陕西靖边黄土剖面砂含量记录的北方沙漠的阶段性扩张，表明自3.5 Ma以来我国夏季风逐渐减弱[84]。综合孢粉种属分布和温湿指数变化发现，在3.0～2.5 Ma阶段气候记录较少，搜集到的资料综合显示该阶段气候波动较为频繁，因而气候变化趋势不明显（图8）。在2.5～2.0 Ma时段内，蒿属、藜科孢粉百分含量在青藏地区呈现上升趋势，同时气候指数结果也指示气候较为干旱。随后，在2.0～1.5 Ma阶段，蒿属、藜科孢粉含量整体继续升高，指示气候更为干旱。通过对洛川剖面氨基酸分析结果与氧同位素记录对比，向明菊等[85]发现2.4 Ma气候由暖湿转向冷干，0.87～0.77 Ma，1.2～1.09 Ma和2.0～1.87 Ma时期西北地区气候较为干冷。1.5～1.0 Ma期间蒿、藜百分含量略有减少，指示较为湿润的环境，而自1.0 Ma以来，蒿、藜百分比含量均明显增多，木本植物花粉尤其是桦木属花粉含量在该阶段明显降低，气候整体寒冷干旱。郑绵平等[86]通过研究第四纪盐湖沉积发现，以柴达木西部—塔里木东部为中心，于2.36～2.0 Ma、1.62～1.0 Ma和0.9～0.6 Ma发生了盐湖扩张，指示西北地区该时间段较为干旱。
亚洲季风系统中的夏季风主要包括两个子系统，即源于印度洋的西南季风（也称印度夏季风）和源于太平洋的东亚夏季风。由于青藏高原的隆升和阻挡，西南季风对青藏地区的气候有重要影响[87]，而东亚夏季风主要影响我国东部的南方和北方地区。相对于冬季风研究，亚洲夏季风在第四纪阶段的演化问题仍有一定不确定性。有关西南季风的研究中，Jin等通过对青藏高原中部湖泊介形虫的δ15O和δ13N的研究发现，在0.93～0.84 Ma期间西南季风减弱[88]。在1.0 Ma期间，青藏地区云/冷杉含量降低，蒿属、藜科百分含量增高，指示区域性干旱，与0.93 ～0.84 Ma印度夏季风的衰退有较好的一致性（图5—6）。在对东亚夏季风的研究中，通过对比中国黄土-古土壤序列与日本晚新生代沉积，Xiao 和An发现晚新生代东亚夏季风环流在1.2 Ma以及0.5 Ma出现明显的增强过程[76]。此外，An等根据黄土磁性地层和稳定同位素记录也发现1.2 Ma和0.5 Ma是东亚夏季风加强的转型点[89]；同时，临夏北塬、洛川黑木沟和蓝田马白坡黄土磁性地层和稳定同位素记录表明东亚夏季风存在阶段性的变迁，尤其是在 1.2 和0.5 Ma时期东亚夏季风显著加强[89-90]。受时间及空间分辨率的影响，孢粉记录中仅在1.5～1.0 Ma时段内东部地区呈现出蒿属孢粉百分含量明显降低，指示气候较为湿润，与该时间段东亚夏季风增强相一致。
结合第四纪季风研究结果，发现孢粉记录的气候干湿变化与黄土、海洋记录中夏季风的进退具有较好的一致性[89, 91]。受2.5 Ma亚洲冬季风增强的影响，该阶段气候较为干旱；在1.5 Ma东亚夏季风呈现增强的趋势，带来较多降水，气候湿润，而1.0 Ma以来冬季风增强夏季风减弱，青藏与西北地区气候又逐渐变干。
5. 结论
不同类型沉积物中所保存的孢粉记录，在获取地质历史时期植被、气候演化研究中具有重要意义。在百万年时间尺度上，以孢粉为代用指标进行古气候重建的研究目前仍较少，且样品的时间分辨率低，在空间分布上还存在显著的不均一性，一定程度上限制了大空间尺度上的植被演替、气候变化分析。通过对6种特征种属孢粉含量的时间、空间分布规律进行分析，发现研究区域在2.5～1.5 Ma期间气候环境偏冷干且波动变化明显，随后在1.5～1.0 Ma期间东部地区气候偏湿而西北地区和青藏高原地区仍偏干，而1.0 Ma以来整体气候波动频繁。由于我国特定的地理条件，受东亚季风影响显著，2.5 Ma以来气候的冷暖干湿与东亚季风的进退有着密切的联系。此外，应进一步开展中国第四纪长时间序列孢粉分析，进行古植被、古气候重建，以填补各个区域不同时间尺度上的研究空白，同时完善多种环境代用指标的综合分析以及加强区域之间的联系与对比研究，更好地理解第四纪以来区域气候变化尤其是亚洲季风的演化历程。
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图 5 不同饱和度下蠕变全过程曲线图
Figure 5. The whole-process curve of creeping under different saturation degrees
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图 7 无水合物沉积物应变率和时间的曲线
Figure 7. Curves of strain rate and time for hydrate-free sediments
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图 8 无水合物试样$ \text{lg}{ \varepsilon }\;\text{vs lg}{t} $蠕变特性曲线
Figure 8. The lgε vs lgt creep characteristic curve of hydrate-free samples
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图 9 $ \text{ln}{{ \varepsilon }}_{\text{r}}\text{}\;\text{vs}\;\text{}{{D}}_{\text{r}} $关系拟合曲线
Figure 9. Fitting curve $ \text{ln}{{ \varepsilon }}_{\text{r}}\;\text{vs}\;\text{}{{D}}_{\text{r}} $ relationship
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图 10 无水合物模型计算曲线和试验值对比
Figure 10. Comparison of model calculation curve to the test result of hydrate-free sediments
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图 11 经典模型和修正模型参数$ \text{A} $对比图
Figure 11. Comparison of classical model and modified model parameter A
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图 12 不同水合物饱和度模型计算曲线和试验值对比
Figure 12. Comparison of model calculated curves and the test values at different hydrate saturation degrees
表 1 Singh-Mitchell蠕变模型中参数计算值
Table 1 Parameter values of the Singh-Mitchell creeping model
水合物饱和度 σ / MPa Dr B β λ Tr / min 0 0.5 0.5 13.3 0.206 0.0125 1 2.0 2.0 13.3 0.206 0.0101 1 3.0 3.0 13.3 0.206 0.0081 1 
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表 2 修正的 Singh-Mitchell 蠕变模型参数值
Table 2 Parameter values of modified Singh-Mitchell creeping model
水合物饱和度/ % σ / MPa Dr A(1+SH)α β λ 20 0.5 0.5 14.23 0.200 0.0123 2.0 2.0 14.23 0.200 0.0160 3.0 3.0 14.23 0.200 0.0114 60 0.5 0.5 15.83 0.192 0.0061 2.0 2.0 15.83 0.192 0.0117 3.0 3.0 15.83 0.192 0.0074 80 0.5 0.5 16.53 0.226 0.0076 2.0 2.0 16.53 0.226 0.0092 3.0 3.0 16.53 0.226 0.0064
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