川西高原甘孜黃土A剖面常量元素地球化學(xué)特征初步研究

王 玲,劉冬雁,2＊＊,劉 明,2,胡廣元,彭莎莎

(中國海洋大學(xué)1.海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東青島266100;2.海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室,山東青島266100)

川西高原甘孜黃土A剖面常量元素地球化學(xué)特征初步研究

王 玲1,劉冬雁1,2＊＊,劉 明1,2,胡廣元1,彭莎莎1

(中國海洋大學(xué)1.海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東青島266100;2.海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室,山東青島266100)

本文以位于青藏高原東南緣的川西高原甘孜A剖面S0-S2黃土—古土壤序列為材料,利用X-熒光光譜儀對常量元素進行了測試分析。結(jié)果表明,SiO2,Al2O3,Fe2O3,MgO,K2O,MnO和TiO2隨著黃土層和古土壤層的交替疊覆含量由低到高呈現(xiàn)明顯的旋回變化特征,而CaO則相反;在化學(xué)風(fēng)化過程中,元素Si,Al,Fe,Mg,K,Mn,Ti之間具相似性而與元素Ca具差異性;粒度對各常量元素分布具一定控制效應(yīng),Fe,Mn,K等元素分布與2～8μm黏土粒級含量具顯著正相關(guān),與30～64μm粉沙粒級含量具顯著反相關(guān)。

川西高原;黃土;地球化學(xué);粒度

中國的陸相黃土地層具有沉積厚度大、沉積連續(xù)的特點,記錄了豐富的第四紀(jì)古氣候變化的信息。在黃土研究中,不同學(xué)者運用一些物理、化學(xué)或生物學(xué)的替代性指標(biāo)來反映第四紀(jì)古氣候的變化[1]。黃土的地球化學(xué)研究主要集中在化學(xué)風(fēng)化、環(huán)境指標(biāo)的元素地球化學(xué)分析以及對黃土物質(zhì)來源的示蹤等方面[2]。以前對中國北方黃土高原的黃土研究表明,風(fēng)塵堆積的地球化學(xué)特征與古氣候變化密切相關(guān),地球化學(xué)分析是黃土-古土壤序列研究中提取古環(huán)境信息的重要途徑[3]。然而,要深入了解中國黃土的地球化學(xué)演化特征及其與古氣候變化的關(guān)系,還需要對黃土高原以外的風(fēng)塵堆積序列進行對比研究。青藏高原周緣地區(qū)的黃土-古土壤序列就是較為理想的研究材料。川西高原位于青藏高原的東南邊緣,風(fēng)塵堆積非常普遍,其中尤以甘孜盆地黃土最為典型,很多學(xué)者已對其粒度、色度、磁化率和碳酸鈣含量等替代指標(biāo)的古氣候意義進行了深入研究[4-8],但有關(guān)元素地球化學(xué)的研究相對較少,其蘊涵的大量古環(huán)境信息還有待進一步挖掘。本文擬以川西高原甘孜A剖面S0-S2黃土-古土壤序列為材料,對常量元素在黃土層和古土壤層中的分布特征進行分析,并對其古氣候意義進行初步探討。

1 材料與方法

川西高原西界金沙江,東臨四川盆地,南接云貴高原,大致在26°N～34°N,97°E～104°E之間[9],地勢由北西向南東傾斜。由于第四紀(jì)以來青藏高原的多次急劇抬升,河流下切,河流階地沿河流兩岸分布,在寬谷地帶可達7級之多。本區(qū)氣候主要受西南季風(fēng)、西風(fēng)環(huán)流、高原季風(fēng)等影響,氣候變化具有幅度大、頻率快的特點。甘孜位于川西高原的西部,現(xiàn)今年均溫5.6℃,年均降水量636 mm,年均蒸發(fā)量1 661.1 mm,降水主要集中在夏季,占全年總降水量的81%。

圖1 剖面位置圖[12]Fig.1 Map showing the location of the GarzêA section

甘孜A剖面(31°37′22.8″N,99°58′29.4″E)位于甘孜縣城西北約2 km處(見圖1),剖面所處地貌部位屬于雅礱江的六級階地,海拔3 483 m。剖面總厚度32.5 m,其中典型風(fēng)成黃土厚約28.5 m,下伏厚約4 m的次生黃土與殘坡積礫石層,底部與基巖呈不整合接觸。根據(jù)地層的巖性、結(jié)構(gòu)、顏色、接觸關(guān)系等特征自上而下可以初分為36層。磁性地層學(xué)研究結(jié)果表明該剖面典型風(fēng)塵堆積的底界年齡為1.15 Ma BP[10]。

本研究以甘孜A剖面上部的S0-S2層為對象,選取不同黃土層和古土壤層樣品間隔10 cm取樣共70個進行了常量元素和粒度測試。進行常量元素測定前,樣品首先烘干后研磨至200目,然后稱取4 g上機測試。樣品測試在中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室完成,所用的儀器為德國斯派克分析儀器公司所產(chǎn)SPECTRO XEPOS臺式偏振X射線熒光光譜儀。實驗過程中加入標(biāo)準(zhǔn)樣品(GSS-8),分析結(jié)果在實驗誤差范圍內(nèi)。由于Na2O測量誤差較大(> 20%),本文不做討論。粒度分析在中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室完成,樣品前處理過程參見文獻[11]文中的方法E,粒度測量在Mastersizer 2000激光粒度儀上完成,分析范圍0.02～2 000 μm,多次重復(fù)測量誤差不超過1%。

2 結(jié)果

甘孜A剖面S0-S2地層中的70個樣品8種主要氧化物(SiO2,Al2O3,Fe2O3,CaO,MgO,K2O,MnO, TiO2)含量列于表1。各黃土層和古土壤層的8種氧化物平均值見表2。圖2為甘孜A剖面各常量氧化物百分含量隨深度變化圖。從表2和圖2可以看出,甘孜A剖面常量元素化學(xué)成分變化具有以下顯著特點: SiO2,Al2O3,Fe2O3,MnO,K2O,MgO和TiO2含量在黃土層中表現(xiàn)為低值,在古土壤層中為高值,CaO則相反。

表1 甘孜A剖面S0-S2地層常量化學(xué)組分分析結(jié)果Table 1 Major chemical compositions of the S0-S2stratigraphic of the GarzêA section

表2 甘孜A剖面S0-S2地層各黃土層與古土壤層化學(xué)組分平均含量Table 2 The average chemical compositions of the loess-paleosol sequence of S0-S2of the GarzêA section

圖2 甘孜A剖面S0-S2地層各常量元素氧化物百分含量隨深度變化圖Fig.2 Major chemical compositions of the S0-S2stratigraphic of the GarzêA section varying with depth

表3列出了甘孜黃土中各常量元素氧化物的相關(guān)系數(shù)矩陣。由表3可見,Al2O3,Fe2O3,MgO、K2O, MnO,TiO2之間的相關(guān)系數(shù)均在0.758 0以上,呈顯著正相關(guān)關(guān)系;Al2O3,Fe2O3,MgO,K2O,MnO,TiO2與CaO之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)的絕對值均在0.736 0以上。

表3 甘孜A剖面S0-S2地層中的常量金屬元素相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3 Correlation coefficient matrix of some major chemical compositions of the S0-S2stratigraphic of the GarzêA section

圖3為甘孜A剖面2個典型黃土和3個典型古土壤樣品主要化學(xué)元素平均值的對比.其中,43個古土壤樣品選自古土壤層S0,S1,S2,而27個黃土樣品選自黃土層L1,L2。從圖3可以看出,CaO含量投影點偏向黃土坐標(biāo)軸,其它成分SiO2,Al2O3,Fe2O3,MgO, K2O,MnO,TiO2的投影點均相對于斜率為1的直線右偏。甘孜A剖面S0-S2地層中CaO的平均含量為6.84%,并且CaO含量在黃土、古土壤樣品中差別也非常大,上述3個典型黃土及2個古土壤樣品CaO的平均含量分別為8.53%和5.77%。

圖3 甘孜A剖面S0-S2地層典型黃土、古土壤樣品主要元素含量的比較Fig.3 Comparison of major element compositions between the representative loess and paleosol samples in S0-S2stratigraphic of the GarzêA section

圖4 表示甘孜A剖面S0-S2地層各常量元素與各粒級的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)粒徑在2～8μm之間時,元素Fe,K,Mn,Al,Ti與粒徑呈正相關(guān)關(guān)系,其中Fe,K, Mn與粒徑的相關(guān)系數(shù)達0.5以上,呈顯著相關(guān),Al,Ti與粒徑的相關(guān)系數(shù)達0.4～0.5之間,呈低度相關(guān),而元素Ca與粒徑呈弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)粒徑在30～64 μm之間時,元素Fe,K,Mn和Al,Ti與粒徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中Fe,K,Mn與粒徑的相關(guān)系數(shù)的絕對值達0.5以上,呈顯著負(fù)相關(guān),而元素Ca與粒徑呈弱的正相關(guān);因64～140μm粒級間的顆粒含量極少,所以該粒級不予考慮。

圖4 甘孜A剖面S0-S2地層常量元素與各粒級的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Major element compositions vary with correlation coefficient in S0-S2stratigraphic of the GarzêA section

3 討論

3.1 黃土-古土壤中常量元素含量交替變化

黃土是在干冷的氣候條件下堆積的,植被不良,風(fēng)化成土作用微弱,原生CaCO3很少或幾乎沒有被淋失;古土壤形成時的氣候濕潤,植被茂密,風(fēng)化成壤作用強,CaCO3淋失嚴(yán)重,穩(wěn)定成分相對富集[13]。古土壤是黃土在溫濕氣候條件下經(jīng)風(fēng)化成土作用后形成的。氣候越溫濕,成土作用就越強烈,成土母質(zhì)中巖基遭到淋失,鐵、鋁等高價氧化物相對聚集[14]。因此,剖面中氧化物含量的變化可以間接表征古氣候的變化.由表2和圖2所示的甘孜A剖面常量元素氧化物含量分布規(guī)律可知:(1)SiO2,Al2O3,Fe2O3,MnO,K2O,MgO和TiO2百分含量在黃土層中表現(xiàn)為低值,在古土壤層中為高值,CaO則相反;(2)隨著黃土層和古土壤層的交替疊覆,它們的含量由低到高或由高到低呈交替變化。

3.2 Si,Al,K,Fe,Ti在化學(xué)風(fēng)化過程中的相似性及其與元素Ca的差異性

表3中所列甘孜黃土S0-S2中的常量元素相關(guān)系數(shù)矩陣表明,SiO2,Al2O3,Fe2O3,K2O,MnO,TiO2之間呈顯著正相關(guān),而與CaO呈顯著負(fù)相關(guān)。從圖2亦可以看出,CaO含量投影點偏向黃土坐標(biāo)軸,與其它成分尤其是SiO2,Al2O3,Fe2O3,K2O,MnO,TiO2等投影點均相對于斜率為1的直線右偏的特點顯著不同。

甘孜黃土、古土壤的形成經(jīng)歷了粉塵的形成、搬運、堆積和成壤等一系列的復(fù)雜過程.在上述過程中原始粉塵不同程度地遭受了后期的風(fēng)化和改造作用。

Si主要以氧化物的形式存在,在風(fēng)化作用過程中相對穩(wěn)定。在黃土風(fēng)化成土過程中,SiO2本身的地球化學(xué)行為以遷移為主,其遷移能力介于K2O與A12O3之間[15]。Al是沉積物中僅次于Si和O的造巖元素,主要以各種鋁硅酸鹽礦物及其風(fēng)化產(chǎn)物存在,廣泛分布于沉積物中。Si和Al是硅酸鹽礦物的主要組成元素,在風(fēng)化過程中屬于相對穩(wěn)定的元素。Al在表生環(huán)境中,即使經(jīng)風(fēng)化作用被吸出來,大部分Al也只是轉(zhuǎn)變?yōu)榇紊酿ね恋V物而不像Ca那樣發(fā)生淋失[16]。Fe是變價元素,在地表的氧化條件下Fe2+氧化成Fe3+,生成難溶的Fe(OH)3和Fe2O3,常殘留在風(fēng)化產(chǎn)物中[17],Fe則只有在強酸性條件下才發(fā)生淋溶遷移[16]。鈦在地表分布較分散但化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定且不易通過再分配進行集中[18]。在風(fēng)化物和土壤中鈦多以非晶質(zhì)或細晶質(zhì)的金紅石存在。Fe、Ti同樣在黃土形成過程中表現(xiàn)出穩(wěn)定的表生行為。Ti一般難以形成可溶性化合物[15]。K在風(fēng)化和成土過程中,K元素在土壤中殘留比較多,K在地層中含量增高反映氣候濕潤,降水多;反之,表明降水相對減少,氣候相對干燥[19],峰值也出現(xiàn)在Ca淋失虧損的古土壤層。

暖濕環(huán)境條件下,因化學(xué)風(fēng)化作用增強,沉積物中的Cl,S,K,Na,Mg等易溶元素大量溶解遷移,而Al, Fe,Ti等是遷移能力很弱的元素一般很少遷移,常在風(fēng)化殼中富集,即A12O3,Fe2O3和TiO2在風(fēng)化成壤過程中多以淀積為主。因此,風(fēng)成沉積地層中Al,Fe,Ti含量的增加代表著氣候的暖濕波動;相反,氣候向干燥方向變化時,地層多呈堿性,易溶元素不易淋失,Al, Fe,Ti的含量相對降低[18]。

Ca在風(fēng)化產(chǎn)物和土壤中多以CaCO3,CaSO4, Ca3(PO4)2或氧化物形式存在。Ca是較易遷移元素,在溫暖濕潤的環(huán)境中,Ca大量遷移[20]。黃土中的Ca主要是以CaCO3的形式存在[20],使黃土層具有富含碳酸鹽的典型特征。表3顯示了Ca與其他組分呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,圖2中CaO含量投影點與其它成分尤其是SiO2,Al2O3,Fe2O3,MgO,K2O,MnO,TiO2等投影點顯著不同,表明了元素Ca與Si,Al,K,Fe,Ti等在化學(xué)風(fēng)化過程中的差異性。

Si,Al,Fe,和Ti的富集是碳酸鹽的淋溶遷移所致,它們的峰值出現(xiàn)在Ca淋失虧損的古土壤層。

3.3 粒度對各常量元素分布的控制效應(yīng)

如圖4所示,Fe,K,Mn與2～8μm之間的黏土粒級成分呈顯著正相關(guān),Al,Ti呈低度相關(guān)。梁美艷等[21]認(rèn)為,K為鉀長石、云母和伊利石等所含的主要堿金屬元素,當(dāng)鉀長石和云母風(fēng)化成黏土礦物伊利石時, K幾乎不發(fā)生淋失,且易被黏土礦物吸附[21];康建成等研究表明,K元素分布于硅酸鹽礦物中,被風(fēng)化解析出來后,易受到黏粒的置換、吸附[22];趙錦慧等認(rèn)為K不僅是黃土中主要黏土礦物伊利石的組成元素之一,也更易于被黏粒吸附[23];K相對富集,其變化趨勢受到黏粒含量的影響,與成壤強度正相關(guān)。頁巖和黏土礦物中Mn的含量較高,砂巖則較低。在成土過程中從寄生礦物釋放出的錳以二價錳的形式進入到土壤溶液,部分氧化成錳氧化物或進入次生礦物的晶格中;部分被黏土礦物和有機質(zhì)吸持或固定;還有部分成為土壤微生物和動物的組成部分[18]。實際上,黏土礦物自身的錳含量十分有限,主要通過陽離子交換吸附和專性吸附來保持土壤錳。暖濕環(huán)境條件下,易溶元素大量溶解遷移,Al,Fe,Ti等遷移能力很弱的元素,往往殘留在原地形成的新礦物-黏土礦物中[19]。Ca主要賦存于易風(fēng)化的斜長石和暗色礦物輝石中,因此在化學(xué)風(fēng)化的初始階段就會遭受強烈的淋濾[21]。

圖4顯示,Fe,K,Mn與30～64μm之間的粗粉砂粒級成分呈顯著負(fù)相關(guān),Al,Ti呈低度負(fù)相關(guān),可能主要來自于粗粉砂組分對全樣的稀釋效應(yīng)。

4 結(jié)論

(1)黃土-古土壤中常量元素含量是交替變化的。SiO2, Al2O3,Fe2O3,MnO,K2O,MgO和TiO2,在黃土中表現(xiàn)為低值,在古土壤中為高值;而CaO則相反。

(2)在化學(xué)風(fēng)化過程中,元素Si,Al,Fe,Mg,K,Mn,Ti之間頗具相似性而與元素Ca具差異性。

(3)元素Fe,K,Mn,Al,Ti與2～8μm黏土粒級百分含量成正相關(guān)關(guān)系,可能主要來自于的黏土吸附作用;元素Fe,K,Mn,Al,Ti與30～64μm粗粉砂粒級百分含量成反相關(guān)關(guān)系,可能主要來自于粗粉砂對黏土吸附作用的稀釋效應(yīng)。

致謝:感謝喬彥松研究員提供樣品和對本文的修改意見;范德江教授對樣品測試的指導(dǎo)和幫助。

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Abstract: The West Sichuan Plateau is located in the southeast margin of the Tibet Plateau,where the climate is mainly influenced by the Indian southwest summer monsoon and the Tibet Plateau monsoon. Major elements of loess-paleosol from the sequence of S0-S2stratigraphy of the GarzêA section are measured by X-Ray Fluorescence Spectrometry.The results show that the content of SiO2,Al2O3,Fe2O3, MgO,K2O,MnO and TiO2vary from low to high values with significant change cycles,which varies with the alternately superimposition of loess layer and paleosol layers,however,the pattern of Ca is opposite.The chemical properties of Si,Al,Fe,Mg,K,Mn,Ti but Ca show a similarity during the process of chemical weathering.There are good correlations between elements of Fe,Mn,K,Al,Ti and the clay(2～8μm)and the silt(30～64μm)in loess,suggesting that the distribution of major elements is mainly controlled by the grain size of loess in the region.

Key words: Tibet Plateau;loess;geochemistry;grain size

責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Geochemical Characteristics of Major Elements of Ganzi loess in the Western Sichuan Province

WANG Ling1,LIU Dong-Yan1,2,Liu Ming1,2,HU Guang-Yuan1,Peng Sha-Sha1
(1.College of Marine Geoscience,Ocean University of China,Qingdao 266100,China;2.Key Lab of Sea Floor Resource and Exploration Technique of Ministry of Education,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

O179.29

A

1672-5174(2010)09Ⅱ-221-05

國家自然科學(xué)基金項目(40472088);國土資源大調(diào)查“中荷海岸帶全球變化響應(yīng)的比較研究”項目(1212010911072)資助

2010-04-27;

2010-07-28

王玲(1982-),女,碩士,海洋地質(zhì)專業(yè)。

E-mail:dongyanliu67@126.com