山東地區(qū)黃土中稀土元素特征及其意義

賈廣菊，徐樹建, 孔凡彪，丁新潮

(1.山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，山東濟南　250014；2.山東省水土保持與環(huán)境保育重點實驗室

臨沂大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院地理與旅游學(xué)院，山東臨沂　276005)

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山東地區(qū)黃土中稀土元素特征及其意義

賈廣菊1,2，徐樹建2，*, 孔凡彪1,2，丁新潮1,2

(1.山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，山東濟南250014；2.山東省水土保持與環(huán)境保育重點實驗室

臨沂大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院地理與旅游學(xué)院，山東臨沂276005)

[摘要]黃土中的稀土元素在反映沉積環(huán)境和物質(zhì)來源上有重要意義.本文根據(jù)采集的山東濟南平陰、濰坊朱里、煙臺林格莊和砣磯島等4個黃土剖面中稀土元素的分析結(jié)果，探討了山東地區(qū)黃土中稀土元素的分布特征，并和黃土高原典型黃土中的稀土元素進行對比，判斷物源及沉積環(huán)境，得出：山東地區(qū)黃土與黃土高原黃土的ΣREE、ΣLREE、ΣHREE十分接近，且稀土分配模式也非常相似，這證明兩者具有相似的物源；但通過稀土元素特征參數(shù)及三角圖解研究發(fā)現(xiàn)兩個地區(qū)還存在著細微差異，且山東地區(qū)從內(nèi)陸到沿海地區(qū)的黃土與黃土高原黃土差異逐漸變大，這可能與山東地區(qū)黃土沉積的近源與遠源的差別有關(guān).

[關(guān)鍵詞]山東地區(qū)；黃土；稀土元素

0引言

黃土是第四紀時期形成的土狀堆積物，在世界上分布相當廣泛，主要分布于世界大陸比較干燥的中緯度地帶，占全球陸地面積的十分之一.在這其中我國是世界上黃土堆積最厚、發(fā)育最好的國家.如今，中國對黃土的研究已經(jīng)取得了顯著的成果，并且在國際上得到普遍的認可.在這些成果中包括著黃土成因理論的發(fā)展、黃土分布范圍的擴展、黃土在沉積時間上的延伸以及黃土中所包含的氣候事件等[1-5].在這些研究成果的支持下，對黃土的研究中國已經(jīng)形成了獨特的區(qū)域特色黃土研究理論.

黃土是晚新生代以來研究古氣候的重要載體，通過研究黃土的成因能夠為古氣候和古環(huán)境打下良好的基礎(chǔ).在我國，黃土高原的黃土堆積最為典型，其風塵堆積(黃土和古土壤)能夠直接指示物質(zhì)來源區(qū)的環(huán)境演變以及風力搬運機制.此外，在我國東部地區(qū)也廣泛分布著第四紀以來的黃土堆積，這其中山東地區(qū)的黃土最富代表性.有關(guān)山東黃土的記錄最早可以追溯到明代萬歷48年(1620年)山東地區(qū)的“雨土”記錄.近幾十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者對山東地區(qū)黃土的研究也逐漸深入，曹家欣等[6]通過黃土粒度及礦物成分對山東廟島群島的物質(zhì)來源進行了分析；徐樹建等[7]通過沉積環(huán)境特征以及光釋光測年分析了山東埠西黃土的古氣候環(huán)境；張家強等[8]通過對黃土沉積物磁組構(gòu)的對比分析了山東長山列島黃土的沉積環(huán)境以及物源變化；彭淑貞等[9]通過黃土的粒度組成對山東青州傅家莊黃土進行了成因分析.上述研究都是通過分析山東黃土的粒度、磁學(xué)特征以及年代特征來進行山東黃土物質(zhì)來源及古環(huán)境理論的研究，而通過黃土的稀土元素(Rare earth element, REE)特征研究其物源及環(huán)境意義還較為薄弱.稀土元素由于其具有4f層電子排布的特殊化學(xué)性質(zhì)，使其在母巖風化、搬運、剝蝕及沉積成巖過程中不易遷移，幾乎能夠被全部轉(zhuǎn)移到碎屑沉積物中[10-12].因此，稀土元素作為示蹤元素其含量、分布模式及特征值都能夠很好的反應(yīng)各種沉積物的物質(zhì)來源及沉積環(huán)境等[13-17].而關(guān)于山東地區(qū)黃土的成因，早在上個世紀80年代，劉東生就曾做出過總體描述，并指出在末次冰期最盛時山東半島和濱海部分地區(qū)，除接受大量從西北以塵暴形式搬來的粉塵外還接受了從東部出露陸架向陸地的粉塵，從而形成當今的廟島群島和蓬萊海岸帶黃土[18].

本文選擇了山東地區(qū)具有代表性的4個黃土剖面，分析黃土中稀土元素的含量、分布模式及特征值的特點，并與黃土高原黃土稀土元素特征進行對比，通過對比稀土元素的化學(xué)特征，探討山東地區(qū)黃土的物質(zhì)來源及環(huán)境意義.

1研究區(qū)概況及研究方法

1.1研究區(qū)地質(zhì)地理位置

山東省處于我國現(xiàn)在季風區(qū)的中部，氣候為溫帶大陸性季風氣候，境內(nèi)中部山地隆起，東部、南部丘陵起伏，西南、西北低洼平坦，形成了以山地丘陵為骨架，平原盆地交錯環(huán)列其間的地形大勢.樣品采集地點從東到西遴選了砣磯島剖面(TJD)(38°10′28.9″N, 120°44′52.0″E)、煙臺林格莊剖面(LGZ)(37°48′07.8″N,120°41′28.7″E)、濰坊朱里剖面(ZL)(36°52′07.0″N,119°24′29.0″E)、濟南平陰龍橋剖面(PY)(36°17′33.6″N, 116°21′28.8″E)4個地點進行REE測試，此外還收集了黃土高原典型黃土[19]的REE數(shù)據(jù)，如圖1所示.

圖1　山東地區(qū)黃土采樣點位置

1.2樣品測試

樣品在常溫下自然風干后，將約5g重的樣品分別置于瑪瑙研缽中研磨至過200目分析篩，準確稱取0.1000g樣品于高壓溶樣罐Teflon內(nèi)罐，加電子級混合酸(HNO3：HCL:HF=6：2：2)10ml，放入陶瓷外罐中進行微波消解，取出后加入少量HCLO4，120℃蒸干至濕鹽狀態(tài)，冷卻后用去離子水定容于50ml容量瓶中待測；采用ICP-MS質(zhì)譜儀測試待測樣品的REE含量.

2稀土元素結(jié)果分析

2.1稀土元素總量區(qū)域分布特征

表1列出了山東地區(qū)各黃土剖面樣品的平均REE分量和稀土元素總量(ΣREE).從表中可以看出，整個山東地區(qū)黃土剖面樣品的ΣREE變化在125.91～179.18μg·g-1之間，平均值為152.26μg·g-1；輕稀土元素(ΣLREE)在112.92～160.99μg·g-1之間，平均值為136.98μg·g-1；重稀土元素(ΣHREE)在12.99～18.19μg·g-1之間，平均值為15.28μg·g-1，與黃土高原典型黃土中ΣREE、ΣLREE、ΣHREE十分接近，ΣREE能明顯反映出各類巖石的特征，因此對于判斷沉積物的源巖特征和判別沉積物源有指示意義，這說明山東地區(qū)的黃土與黃土高原的黃土具有相似的物源.

表1　山東各地區(qū)黃土及黃土高原稀土元素總量

2.2稀土元素分布模式特點

圖1為山東各地區(qū)黃土及黃土高原典型黃土經(jīng)球粒隕石[20]歸一化后的稀土元素分布模式圖.由圖1可以看出，山東各地區(qū)黃土樣品的稀土分布模式曲線彼此近乎平行，均呈斜“L”型，曲線為右傾的負斜率模式，LREE相對HREE富集，各元素分餾相一致，均表現(xiàn)為La～Eu曲線較陡，Eu～Lu曲線較為平緩，并且與黃土高原黃土稀土分布模式曲線具有很好的相似性.

2.3稀土元素特征值分析

由稀土元素特征值(表2)可以看出，球粒隕石標準化的各地區(qū)黃土中稀土元素的δEu值變化在0.60～0.77范圍內(nèi)，顯示具有明顯的Eu負異常，δCe基本在1.00左右，無明顯異常.從輕重稀土分餾(ΣLREE/ΣHREE，(Ce/Yb)N)、輕稀土內(nèi)部分餾差異(La/Sm)N、重稀土內(nèi)部分餾差異(Gd/Yb)N可以看出山東地區(qū)黃土的輕重稀土元素之間的分餾要高于黃土高原的黃土，且輕重稀土各自內(nèi)部的分餾也要比黃土高原的高.而ΣLREE/ΣHREE的差異一般是由風化作用引起的，而黃土高原黃土相較于山東地區(qū)的黃土環(huán)境較干冷，風化成壤作用要比山東地區(qū)弱.同時，稀土元素的豐度對原巖具有繼承性，因此，山東地區(qū)與黃土高原地區(qū)的差異可能是由于山東地區(qū)物源的差異性.同時，山東不同地區(qū)黃土中稀土元素參數(shù)存在著細微的差別，說明不同區(qū)域黃土具有相似的成因，但也存在著不同的沉積環(huán)境及物源.

此外，前人還曾利用REE特征參數(shù)三角圖示蹤物源[21,22]，如劉永生利用REE參數(shù)三角圖對黃土和沙漠地區(qū)進行物源分析，郭利成也利用REE參數(shù)三角圖解對新疆伊犁黃土進行分析，認為新疆伊犁盆地黃土受到近源和遠源組分的差異.本文利用δCe、δEu、ΣLREE/ΣHREE與平均值差的三角圖解來分析山東黃土與黃土高原典型黃土的物質(zhì)來源及環(huán)境條件的差異性.

圖2　山東各地區(qū)黃土及黃土高原稀土元素分布模式

不同地區(qū)ΣLREE/ΣHREEδCeδEu(La/Sm)N(Gd/Yb)N(Ce/Yb)N砣磯島9.261.000.703.761.607.62林格莊8.851.000.713.801.557.28朱里8.691.030.773.961.507.56平陰9.041.050.713.851.557.79黃土高原8.091.050.673.511.416.26

圖2為山東各地區(qū)黃土與黃土高原黃土REE特征參數(shù)三角圖解，由圖可以看出，不同地區(qū)樣品在三角圖中其稀土參數(shù)幾乎分布在一個狹長的范圍內(nèi)，表明δCe和δEu離散性較小，相對穩(wěn)定，但在一定范圍內(nèi)有較大的變化,ΣLREE/ΣHREE與其平均值差的絕對值變化較大，這可能與黃土堆積過程中受不同的環(huán)境氣候影響有關(guān).同時山東地區(qū)的黃土樣品分布范圍與黃土高原黃土(HTGY)有一定的差異，且從東到西分布的山東四個黃土剖面與黃土高原黃土的差異逐漸變大，這證明了山東地區(qū)的黃土可能來自不同的源區(qū)，內(nèi)陸和沿海地區(qū)黃土的物源主次不同，除接受黃土高原地區(qū)的黃土外可能還有來自近源的黃土.

圖3　山東各地區(qū)黃土與黃土高原黃土REE特征參數(shù)三角圖解

3結(jié)論

綜上所述，沉積物稀土元素在沉積過程中具有獨特的性質(zhì)，能夠有效的解釋黃土的物源、成因及其環(huán)境意義.末次冰期以來，山東地區(qū)的黃土稀土元素總量、稀土元素分配模式與黃土高原黃土稀土元素特征都十分接近，說明同一時期內(nèi)兩個地區(qū)的黃土具有相似的物源.兩個地區(qū)的稀土元素特征值及特征參數(shù)三角圖解在一定范圍內(nèi)類似，但是也存在著較大的差異，山東地區(qū)由內(nèi)陸到沿海不同黃土剖面與黃土高原黃土差異逐漸變大，這可能與山東地區(qū)黃土形成的近源與遠源組分不同有關(guān)，這與前人對山東地區(qū)黃土來源的分析相吻合.

末次冰期時，中國東部海平面下降130～150m，渤海灣陸架出露，遭風化作用形成粉塵經(jīng)強勁的偏北風攜帶到山東半島及濱海地區(qū)沉積.張祖陸[23]曾對渤海灣南岸黃土粒度做過統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其黃土組分主要以砂礫為主,在風力搬運時主要靠躍移和蠕移為主，而西北氣流攜帶的粗砂礫難以到達該區(qū)，這說明其物源以近源大陸架為主.同時，晚更新世海陸環(huán)境發(fā)生劇烈變化，亞洲大陸腹地和黃河中游地區(qū)的氣候變得更干更冷，冬季高空西風盛行并攜帶西北內(nèi)陸物質(zhì)到達山東地區(qū)并且沉積下來，這成為山東地區(qū)黃土的另一物源.

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[責任編輯：呂海玲]

Characteristics and Significance of Rare Earth Elements in Loess of Shandong Region

JIA Guang-ju1,2, XU Shu-jian2,KONG Fan-biao1,2, DING Xin-chao1,2,

(1. School of Geography and Environment, Shandong Normal University, Jinan 250014,China;2. Shandong Provincial Key Laboratory of Water and Soil Conservation and Environmental Protection,Linyi University, College of Environmental Science and Engineering, College of Geography and Tourism, Linyi 276000,China)

Abstract:The rare earth elements in the loess are great significance in reflecting the sedimentary environment and material sources. This article according to the analysis results of rare earth elements in four loess profile which come from Pingyin of Jinan, Zhuli of Weifang, Lingezhuang of Yantai and Tuoji island in Shandong Province, investigated the distribution of rare earth elements in loess of Shandong region, and compared with the rare earth elements in typical loess of Loess Plateau, and determine the provenance and sedimentary environment. It is concluded that: ΣREE、ΣLREE、ΣHREE of Shandong loess and the loess of Loess Plateau are close and REE distribution patterns are very similar, which proves that both of them have the similar provenance; But through the characteristics of rare earth elements parameters and triangular diagram study found that there exist slight differences between two regions, and the difference between Shandong area from inland to coastal and loess plateau become larger, which may be caused by the difference between the near and far source of loess deposits in Shandong area.

Key words:shandong region; loess; rare earth element

[中圖分類號]P595

[文獻標識碼]A

[文章編號]1004-7077(2016)02-0129-06

[作者簡介]賈廣菊(1990-),女,山東日照人，山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院自然地理專業(yè)2014級在讀碩士研究生,主要從事風塵堆積與區(qū)域環(huán)境演變的研究.徐樹建(1967-),男,山東臨沂人，山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院自然地理專業(yè)碩士研究生導(dǎo)師，臨沂大學(xué)環(huán)境科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院教授,主要從事地貌與第四紀區(qū)域環(huán)境演變的研究.

[基金項目]國家自然科學(xué)基金資助項目(項目編號：41172160,41472159).

[收稿日期]2016-02-18