李守军,崔肖辉,张祥玉,刘宝梅,徐 华,张 卓

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.山东省地质调查院，山东 济南 250013)

基于聚类分析的莱州湾晚第四纪介形虫群落结构研究

李守军1,崔肖辉1,张祥玉1,刘宝梅1,徐 华2,张 卓2

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.山东省地质调查院，山东 济南 250013)

为深入探讨渤海莱州湾晚第四纪介形虫的群落结构多样性特征，通过对渤海莱州湾GK138孔、GK111孔、GK95孔、GK59孔、GK74孔、GK79孔和GK89孔中介形虫化石样本的实验处理和数据统计，结合Q型聚类及主成分分析对钻孔中介形虫的群落结构进行属种数据分析。结果显示，研究区内介形虫群落可以划分出3组代表不同沉积环境的化石组合，第I化石组合带主要以Sinopontocytheresubjaponica、Loxoconchaocellata和Limnocytheredectyophora等为优势种，沉积环境为潮上带-潮间带环境；第Ⅱ化石组合主要以Bicornucytherebisanensis、Pistocythereisbradyformis和Neomonoceratinadongtaiensis等海相种组合为优势种，沉积环境潮间带至潮下带环境；第III化石组合带主要以Candoniellaalbicans为优势种，沉积环境为河流漫滩至潮上带环境。

莱州湾；介形虫；晚第四纪；群落结构；聚类分析

介形虫的生活领域十分广泛，对环境和气候条件的变化反应非常敏感，从数千米的深海到沼泽等环境都有分布，不同环境中介形虫属种的生态特征亦不相同，其区域性分带特征可用作古海岸线、古盐度及水深等的变化标志[1-2]。聚类分析是对样品或变量进行分类的一种多元分析方法，在古生物地理学及群落古生态研究中得到了较多应用。沈树忠等[3]利用聚类分析的方法识别出二叠纪早期腕足类的3个生物域和6～7个生物区。谢俊芳等[4]通过聚类分析和非度量性多元标度变换将二叠纪全球381个腕足动物属分布数据划分为4个腕足动物生物域和9个生物区。

第四纪晚期以来，受到全球气候变化、海平面升降及区域地质构造的影响，渤海莱州湾地区气候变化频繁，海陆交互相地层较发育，沉积物记录了丰富的环境演化信息[5-6]。由于介形虫的古生态学可以提供重要的环境变化信息[7]，因此根据渤海莱州湾GK138孔、GK111孔、GK95孔、GK59孔、GK74孔、GK79孔和GK89钻孔中介形虫丰度、分异度和Fisher-α等指数的变化特征，利用聚类分析方法对介形虫垂向分布进行研究，分析不同组合带中介形虫属种的变化特征，并结合岩性进一步探讨不同组合带中沉积环境的演化。

1 研究区概况

研究区地处莱州湾南岸，大地构造属济阳坳陷和沂沭断裂带[8]。自晚第四纪以来，我国渤海地区经历了多次海陆变迁，构造运动呈间歇性持续坳陷沉降，形成了海相沉积和陆相沉积的交替地层[5,9]。

本研究所选的GK138孔、GK111孔、 GK95孔、GK59孔、GK74孔、GK79孔和GK89孔位于渤海莱州湾滨海平原海岸(图1)，是由鲁中山地北麓诸河流冲积形成的广阔平原，属海陆交互作用区，沉积速率较快，有利于介形虫壳体的保存，因此可详细记录海陆环境变化信息[10]。

图1 研究区及钻孔位置

2 研究材料及化石属种

2.1 实验方法

实验样品取自研究区GK138孔、GK111孔、 GK95孔、GK59孔、GK74孔、GK79孔和GK89钻孔，样品间隔为0.2～0.8 m，采用钻孔号加取样顺序的编码方式，共获得447个样品，其中，GK95钻孔取样77个、GK111钻孔取样79个、GK138钻孔取样99个。所有样品按照标准的微体化石分析方法处理[9-10]：首先，将样品放入50 ℃的烤箱内进行充分干燥，然后称取20 g干样，用自来水置于烧杯中浸泡2～3天，对于分散不好的样品加入几滴浓度为10%的H2O2溶液浸泡使其充分分散；等待样品浸泡充分散开后，采用孔径为0.150 mm(100目)及0.063 mm(250目)的标准筛叠合对样品进行冲洗；最后，收集两个网筛中的剩余样品置于烘箱内烘干以备镜下鉴定。烘干后的样品在双目显微镜下进行属种鉴定，鉴定方法和步骤参考文献[10-15]。对于部分介形虫含量丰富的沉积物样品, 采取缩分法进行缩分，一般缩分至样品中有孔虫个数不少于150 枚，对于介形虫含量的样品则统计全样微体化石。

2.2 化石属种鉴定

本次研究共鉴定出介形虫16属28种，其中，GK138孔99个岩心样品共发现介形虫壳瓣1 486枚，经过鉴定海相类1 052瓣，陆相类434瓣，由于样品中化石破碎较为严重，介形虫丰度最高为196瓣，多数为10～30瓣，简单分异度最高为8种；GK111孔79个样品中共分析出1 053枚介形虫壳瓣，经鉴定海相类812瓣，陆相类241瓣，介形类丰度最高为192瓣，多数为5～20瓣，简单分异度最高为10种，多数为2～6种；GK95孔77个样品中共发现1 207枚介形类壳瓣，经鉴定海相类893瓣，陆相类314瓣，介形类丰度最高为186瓣，多数为5～30瓣，简单分异度最高为7种，多数为3～6种；GK59孔、GK74孔、GK79孔和GK89孔中介形虫的分析结果详见文献[13]。

在属种鉴定结果中，海相介形虫属种占有绝对优势，主要有东台新单角介Neomonoceratinadongtaiensis、布氏形纯艳花介PistocytheteisBradyformis、腹结细花介Leptocythereventriclivosa、布氏纯艳花介Pistocytheteisbradyi、近日本中华海花介Sinopontocytheresubjaponica、网纹半美花介Hemicytherideareticulata、美山双角花介Bicornucytherebisanensis和压印中华美花介Sinocytherideaimpreessa等；其中，生活在水体较深的介形虫有眼点弯贝介Loxoconchaocellata、网纹豆艳花介Leguminocythreisreticulata，而日本穆赛介Munseyellajaponica等属种主要分布在水深20～50 m的浅水区；淡水介形虫主要有纯净小玻璃介Candoniellaalbicans、粗糙土星介Ilyocyprissalebrosa和布氏土星介Ilyocyprisbradyi等属种。

3 数据分析与介形虫化石组合特征

实验样品中的介形虫属种鉴定统计后，运用PAleontological Statistics 3.0(PAST 3.0)软件对属种数据进行Q型聚类分析和主成分分析[16-17]，并进一步根据分析结果探讨介形虫组合的环境意义。

3.1 Q型聚类分析原理及实验结果

聚类分析是一种逐级归类的方法，主要思想是根据一定的相似性指标，按照研究对象的相似程度进行合理地归并和分类。能根据样品的多观测指标计算样品之间的相似程度，把相似的样品归为一类，同时把关系密切的归为一个小分类单位，关系不密切的归到一个大分类单位，把所有样品归类完毕后，形成一个由大到小的分类系统[17]。Q型聚类分析中样品的相似程度用相似系数、距离系数表示。

距离系数定义为：如果把在m个变量上进行观测的N个样品看成m维空间的N个点，任意两样品点xj与xk之间的相似程度可用m维空间两点间的距离表示，即

(1)

其中，xij为样品j的第i个特征参数变量，xik为样品k的第i个特征参数变量。

相似系数描述样品之间的相似程度，把每个样品看作m维度空间的向量，两样品xj与xk的相似程度定义为两向量夹角的余弦，即

(2)

根据式(2)对所有样品两两求相似系数，可得到相似矩阵，该矩阵为主对角线元素为1的对称矩阵，样品j与样品k越相似，相似系数越趋近于1，反之则趋于0[17]。

综合考虑Q型聚类分析方法的数理功能及其方法的优越性，本次分析选取研究区内介形虫百分含量超过2%的样品，剔除只在个别样品中出现的稀有种，并将环境指示意义相近的属种进行合并。对于筛选后的数据利用Past3软件进行Q型聚类分析[16](图2)，聚类分析采用相关系数距离作为判别距离。

图2 莱州湾7口钻孔介形虫样品的Q型聚类系统树图

通过图2可以看出，研究区GK138孔、GK111孔、GK95孔、GK59孔、GK74孔、GK79孔和GK89钻孔的岩心样品可以分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ3类。

3.2 主成分分析原理及实验结果

由于447个岩心样品中包含数量不等的介形虫属种数据，因此造成介形虫群落结构分析过程中的维数灾难，导致过多变量无法在处理和分析中发挥作用，大量属种数据信息反而成为分析和解决问题的障碍。为解决这一难题，采用具有数据压缩和特征信息提取的主成分分析法，将多个相关的变量转化为少数几个相互独立的变量，减少数据的冗余，使得数据在一个低维的特征空间被处理，同时保持原始数据的绝大部分信息[18]。

1) 不同样品中介形虫属种数据的标准化，经过原始数据标准化后的数据仍记为Χ。

3) 计算R的特征值和特征值贡献率。

4) 计算主成分累计贡献率e，确定主成分个数m的值，累计贡献率计算公式为：

图3 莱州湾7口钻孔介形虫样品的主成分碎石图

(3)

式中，λ为各主成分对应的特征值，k为选定的主成分数，i为全部主成分数。

5) 选取大于85%的累计贡献率确定m的取值，建立主成分模型。

为进一步分析研究区介形虫群落结构和沉积环境之间的关系，按照主成分分析的步骤，利用PAST 3.0软件，对聚类分析中的实验样本数据进行主成分分析，得到各成分碎石图(图3)。

通过碎石图中各主成分信息量的分布规律及累计贡献率，选取前3个主成分时，选取的主成分数据包含了原始数据88.08%的信息量(表1)，基本保留了原始数据变量反映的信息。

表1 提取的主成分特征值及贡献率

表2 第I化石组合中平均丰度>2%的介形虫属种

表3 第II化石组合中平均丰度>2%的介形虫物种

表4 第III化石组合中平均丰度>2%的介形虫物种

3.3 介形虫组合特征及环境意义

为了进一步分析研究区介形虫群落结构和沉积环境之间的关系，结合Q型聚类结果与主成分分析结果，将研究区内的介形虫群落结构划分为3个化石组合带时，能够较好地反映出沉积环境演化过程。

第Ⅰ介形虫化石组合特征：主要以Sinopontocytheresubjaponica、Loxoconchaocellata、Neomonoceratinadongtaiensis、Bicornucytherebisanensis和Limnocytheredectyophora等海相种组合优势属种(表2)，主成分分析结果显示其主要受到Loxoconchaocellata及Limnocytheredectyophora的影响(图4～5)。本组合中介形虫分异度、丰度较大，简单分异度介于2～10，丰度主要介于10～68瓣。介形虫组合以Bicornucythere及Sinocytheridea为主，代表从河口、泻湖半咸水到潮下带正常海水的广盐环境[11,13]，结合介形虫的分异度及丰度分布变化来看，其沉积环境应为潮上带至潮间带。

第Ⅱ介形虫化石组合特征：主要以Bicornucytherebisanensis、PistocythereisbradyformisNeomonoceratinadongtaiensis、Sinocytherideaimpreessa和Sinopontocytheresubjaponica等海相种组合为优势种(表3)。主成分分析结果表明该组合主要受到Pistocythereisbradyformis、Neomonoceratinadongtaiensis、Bicornucytherebisanensis和Sinopontocytheresubjaponica等海相种的影响较大(图4～5)。介形虫简单分异度介于2～8，丰度主要介于15～126瓣。该组合海相种介形虫占有绝对优势，综合介形虫的丰度和分异度分析，显示该组合中介形虫生活在相对深水环境，认为其沉积环境为潮间带至潮下带。

第Ⅲ介形虫化石组合特征：主要以Candoniellaalbicans为优势种(表4)。主成分分析结果表明第III化石组合主要受到Candoniellaalbicans、Sinocytherideaimpreessa和Ilyocyprisbradyi的影响(图4～5)。其中Bicornucythere、Ilyocypris及Sinocytheridea等介形虫组合代表滨海环境[12]，并且组合中出现大量Candoniellaalbicans淡水种，说明其沉积环境受陆相因素的影响较大。根据介形虫的分异度及丰度分布变化，认为此层段的沉积环境应为河流漫滩至潮上带环境。

4 结论

通过GK138孔、GK111孔、 GK95孔、GK59孔、GK74孔、GK79孔和GK89孔中介形虫化石的属种数据，结合Q型聚类分析和主成分分析，对渤海莱州湾地区的介形虫群落结构进行研究，主要取得了以下成果和认识：

图4 介形虫的主成分分析图(主成分1和主成分2)

图5 介形虫的主成分分析图(主成分1和主成分3)

1) 渤海莱州湾沿岸的GK138、GK111和GK95孔岩心样品中共鉴定出介形虫16属28种，鉴定结果显示，海相种主要以Sinopontocytheresubjaponica、Loxoconchaocellata、Limnocytheredectyophora、Bicornucytherebisanensis和Pistocythereisbradyformis等滨海相种为优势种，淡水种主要有Candoniellaalbicans、粗糙土星介Ilyocyprissalebrosa和布氏土星介Ilyocyprisbradyi。

2) 通过Q型聚类分析，研究区GK138孔、GK111孔、GK95孔、GK59孔、GK74孔、GK79孔和GK89钻孔的岩心样品可以分为I、II和III类。结合主成分分析结果，当选取前3个主成分时，选取的主成分数据包含了原始数据88.08%的信息量。

3) 结合Q型聚类结果与主成分分析结果，研究区内的介形虫群落结构可以划分为33组代表不同沉积环境的化石组合带。第I化石组合带主要以Sinopontocytheresubjaponica、Loxoconchaocellata和Limnocytheredectyophora等海相种组合为优势种，其沉积环境为潮上带-潮间带环境；第II化石组合中主要以Bicornucytherebisanensis、Pistocythereisbradyformis和Neomonoceratinadongtaiensis等海相种组合为优势种，其沉积环境为潮间带至潮下带环境；第III化石组合带中Candoniellaalbicans占有绝对优势，其沉积环境为河流漫滩至潮上带环境。

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(责任编辑：高丽华)

Clustering Analysis of Late Quaternary Ostracod Community Structure in Laizhou Bay

LI Shoujun1, CUI Xiaohui1, ZHANG Xiangyu1, LIU Baomei1, XU Hua2, ZHANG Zhuo2

(1. College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. Shandong Institute of Geological Survey, Jinan, Shandong 250013, China)

To make an in-depth exploration into the community structure characteristics of ostracods in Laizhou bay during the late Quaternary, samples were taken from boreholes GK138, GK111, GK95, GK59, GK74, GK79 and GK89 for experiment treatment and data statistics. Genus-species analyses were made of the community structure characteristics of ostracods in these boreholes by using Q-mode clustering analysis and principal component analysis. The results show that the ostracod communities in the study areas can be categorized into three microfossil assemblages representing different sedimentary environments. Assemblage I, withSinopontocytheresubjaponica,LoxoconchaocellataandLimnocytheredectyophoraas the dominant species, represents the supratidal-intertidal sedimentary environment; Assemblage II, withBicornucytherebisanensis,PistocythereisbradyformisandNeomonoceratinadongtaiensisas the dominant species, represents the intertidal-subtidal sedimentary environment; and Assemblage III, withAmmoniabeccariias the dominant species, represents the flood plain or the supratidal sedimentary environment.

Laizhou bay; ostracods; late Quaternary; community structure; clustering analysis

2016-05-18

中国地质调查局“山东半岛蓝色经济区地质环境调查评价”项目(1212011220001)；山东科技大学研究生科技创新基金项目(YC150320)

李守军(1962—)，男，山东临朐人，教授，博士生导师，主要从事古生物地层学和油气地质学方面的研究工作，本文通信作者.E-mail：lishoujun@126.com

P52

A

1672-3767(2017)02-0011-08