川西高原甘孜黄土A剖面常量元素地球化学特征初步研究

王 玲,刘冬雁,2＊＊,刘 明,2,胡广元,彭莎莎

(中国海洋大学1.海洋地球科学学院,山东青岛266100;2.海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛266100)

川西高原甘孜黄土A剖面常量元素地球化学特征初步研究

王 玲1,刘冬雁1,2＊＊,刘 明1,2,胡广元1,彭莎莎1

(中国海洋大学1.海洋地球科学学院,山东青岛266100;2.海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛266100)

本文以位于青藏高原东南缘的川西高原甘孜A剖面S0-S2黄土—古土壤序列为材料,利用X-荧光光谱仪对常量元素进行了测试分析。结果表明,SiO2,Al2O3,Fe2O3,MgO,K2O,MnO和TiO2随着黄土层和古土壤层的交替叠覆含量由低到高呈现明显的旋回变化特征,而CaO则相反;在化学风化过程中,元素Si,Al,Fe,Mg,K,Mn,Ti之间具相似性而与元素Ca具差异性;粒度对各常量元素分布具一定控制效应,Fe,Mn,K等元素分布与2～8μm黏土粒级含量具显著正相关,与30～64μm粉沙粒级含量具显著反相关。

川西高原;黄土;地球化学;粒度

中国的陆相黄土地层具有沉积厚度大、沉积连续的特点,记录了丰富的第四纪古气候变化的信息。在黄土研究中,不同学者运用一些物理、化学或生物学的替代性指标来反映第四纪古气候的变化[1]。黄土的地球化学研究主要集中在化学风化、环境指标的元素地球化学分析以及对黄土物质来源的示踪等方面[2]。以前对中国北方黄土高原的黄土研究表明,风尘堆积的地球化学特征与古气候变化密切相关,地球化学分析是黄土-古土壤序列研究中提取古环境信息的重要途径[3]。然而,要深入了解中国黄土的地球化学演化特征及其与古气候变化的关系,还需要对黄土高原以外的风尘堆积序列进行对比研究。青藏高原周缘地区的黄土-古土壤序列就是较为理想的研究材料。川西高原位于青藏高原的东南边缘,风尘堆积非常普遍,其中尤以甘孜盆地黄土最为典型,很多学者已对其粒度、色度、磁化率和碳酸钙含量等替代指标的古气候意义进行了深入研究[4-8],但有关元素地球化学的研究相对较少,其蕴涵的大量古环境信息还有待进一步挖掘。本文拟以川西高原甘孜A剖面S0-S2黄土-古土壤序列为材料,对常量元素在黄土层和古土壤层中的分布特征进行分析,并对其古气候意义进行初步探讨。

1 材料与方法

川西高原西界金沙江,东临四川盆地,南接云贵高原,大致在26°N～34°N,97°E～104°E之间[9],地势由北西向南东倾斜。由于第四纪以来青藏高原的多次急剧抬升,河流下切,河流阶地沿河流两岸分布,在宽谷地带可达7级之多。本区气候主要受西南季风、西风环流、高原季风等影响,气候变化具有幅度大、频率快的特点。甘孜位于川西高原的西部,现今年均温5.6℃,年均降水量636 mm,年均蒸发量1 661.1 mm,降水主要集中在夏季,占全年总降水量的81%。

图1 剖面位置图[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)位于甘孜县城西北约2 km处(见图1),剖面所处地貌部位属于雅砻江的六级阶地,海拔3 483 m。剖面总厚度32.5 m,其中典型风成黄土厚约28.5 m,下伏厚约4 m的次生黄土与残坡积砾石层,底部与基岩呈不整合接触。根据地层的岩性、结构、颜色、接触关系等特征自上而下可以初分为36层。磁性地层学研究结果表明该剖面典型风尘堆积的底界年龄为1.15 Ma BP[10]。

本研究以甘孜A剖面上部的S0-S2层为对象,选取不同黄土层和古土壤层样品间隔10 cm取样共70个进行了常量元素和粒度测试。进行常量元素测定前,样品首先烘干后研磨至200目,然后称取4 g上机测试。样品测试在中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室完成,所用的仪器为德国斯派克分析仪器公司所产SPECTRO XEPOS台式偏振X射线荧光光谱仪。实验过程中加入标准样品(GSS-8),分析结果在实验误差范围内。由于Na2O测量误差较大(> 20%),本文不做讨论。粒度分析在中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室完成,样品前处理过程参见文献[11]文中的方法E,粒度测量在Mastersizer 2000激光粒度仪上完成,分析范围0.02～2 000 μm,多次重复测量误差不超过1%。

2 结果

甘孜A剖面S0-S2地层中的70个样品8种主要氧化物(SiO2,Al2O3,Fe2O3,CaO,MgO,K2O,MnO, TiO2)含量列于表1。各黄土层和古土壤层的8种氧化物平均值见表2。图2为甘孜A剖面各常量氧化物百分含量随深度变化图。从表2和图2可以看出,甘孜A剖面常量元素化学成分变化具有以下显著特点: SiO2,Al2O3,Fe2O3,MnO,K2O,MgO和TiO2含量在黄土层中表现为低值,在古土壤层中为高值,CaO则相反。

表1 甘孜A剖面S0-S2地层常量化学组分分析结果Table 1 Major chemical compositions of the S0-S2stratigraphic of the GarzêA section

表2 甘孜A剖面S0-S2地层各黄土层与古土壤层化学组分平均含量Table 2 The average chemical compositions of the loess-paleosol sequence of S0-S2of the GarzêA section

图2 甘孜A剖面S0-S2地层各常量元素氧化物百分含量随深度变化图Fig.2 Major chemical compositions of the S0-S2stratigraphic of the GarzêA section varying with depth

表3列出了甘孜黄土中各常量元素氧化物的相关系数矩阵。由表3可见,Al2O3,Fe2O3,MgO、K2O, MnO,TiO2之间的相关系数均在0.758 0以上,呈显著正相关关系;Al2O3,Fe2O3,MgO,K2O,MnO,TiO2与CaO之间呈显著负相关关系,相关系数的绝对值均在0.736 0以上。

表3 甘孜A剖面S0-S2地层中的常量金属元素相关系数矩阵Table 3 Correlation coefficient matrix of some major chemical compositions of the S0-S2stratigraphic of the GarzêA section

图3为甘孜A剖面2个典型黄土和3个典型古土壤样品主要化学元素平均值的对比.其中,43个古土壤样品选自古土壤层S0,S1,S2,而27个黄土样品选自黄土层L1,L2。从图3可以看出,CaO含量投影点偏向黄土坐标轴,其它成分SiO2,Al2O3,Fe2O3,MgO, K2O,MnO,TiO2的投影点均相对于斜率为1的直线右偏。甘孜A剖面S0-S2地层中CaO的平均含量为6.84%,并且CaO含量在黄土、古土壤样品中差别也非常大,上述3个典型黄土及2个古土壤样品CaO的平均含量分别为8.53%和5.77%。

图3 甘孜A剖面S0-S2地层典型黄土、古土壤样品主要元素含量的比较Fig.3 Comparison of major element compositions between the representative loess and paleosol samples in S0-S2stratigraphic of the GarzêA section

图4 表示甘孜A剖面S0-S2地层各常量元素与各粒级的相关关系。当粒径在2～8μm之间时,元素Fe,K,Mn,Al,Ti与粒径呈正相关关系,其中Fe,K, Mn与粒径的相关系数达0.5以上,呈显著相关,Al,Ti与粒径的相关系数达0.4～0.5之间,呈低度相关,而元素Ca与粒径呈弱的负相关关系。当粒径在30～64 μm之间时,元素Fe,K,Mn和Al,Ti与粒径呈负相关关系,其中Fe,K,Mn与粒径的相关系数的绝对值达0.5以上,呈显著负相关,而元素Ca与粒径呈弱的正相关;因64～140μm粒级间的颗粒含量极少,所以该粒级不予考虑。

图4 甘孜A剖面S0-S2地层常量元素与各粒级的相关关系Fig.4 Major element compositions vary with correlation coefficient in S0-S2stratigraphic of the GarzêA section

3 讨论

3.1 黄土-古土壤中常量元素含量交替变化

黄土是在干冷的气候条件下堆积的,植被不良,风化成土作用微弱,原生CaCO3很少或几乎没有被淋失;古土壤形成时的气候湿润,植被茂密,风化成壤作用强,CaCO3淋失严重,稳定成分相对富集[13]。古土壤是黄土在温湿气候条件下经风化成土作用后形成的。气候越温湿,成土作用就越强烈,成土母质中岩基遭到淋失,铁、铝等高价氧化物相对聚集[14]。因此,剖面中氧化物含量的变化可以间接表征古气候的变化.由表2和图2所示的甘孜A剖面常量元素氧化物含量分布规律可知:(1)SiO2,Al2O3,Fe2O3,MnO,K2O,MgO和TiO2百分含量在黄土层中表现为低值,在古土壤层中为高值,CaO则相反;(2)随着黄土层和古土壤层的交替叠覆,它们的含量由低到高或由高到低呈交替变化。

3.2 Si,Al,K,Fe,Ti在化学风化过程中的相似性及其与元素Ca的差异性

表3中所列甘孜黄土S0-S2中的常量元素相关系数矩阵表明,SiO2,Al2O3,Fe2O3,K2O,MnO,TiO2之间呈显著正相关,而与CaO呈显著负相关。从图2亦可以看出,CaO含量投影点偏向黄土坐标轴,与其它成分尤其是SiO2,Al2O3,Fe2O3,K2O,MnO,TiO2等投影点均相对于斜率为1的直线右偏的特点显著不同。

甘孜黄土、古土壤的形成经历了粉尘的形成、搬运、堆积和成壤等一系列的复杂过程.在上述过程中原始粉尘不同程度地遭受了后期的风化和改造作用。

Si主要以氧化物的形式存在,在风化作用过程中相对稳定。在黄土风化成土过程中,SiO2本身的地球化学行为以迁移为主,其迁移能力介于K2O与A12O3之间[15]。Al是沉积物中仅次于Si和O的造岩元素,主要以各种铝硅酸盐矿物及其风化产物存在,广泛分布于沉积物中。Si和Al是硅酸盐矿物的主要组成元素,在风化过程中属于相对稳定的元素。Al在表生环境中,即使经风化作用被吸出来,大部分Al也只是转变为次生的黏土矿物而不像Ca那样发生淋失[16]。Fe是变价元素,在地表的氧化条件下Fe2+氧化成Fe3+,生成难溶的Fe(OH)3和Fe2O3,常残留在风化产物中[17],Fe则只有在强酸性条件下才发生淋溶迁移[16]。钛在地表分布较分散但化学性质较稳定且不易通过再分配进行集中[18]。在风化物和土壤中钛多以非晶质或细晶质的金红石存在。Fe、Ti同样在黄土形成过程中表现出稳定的表生行为。Ti一般难以形成可溶性化合物[15]。K在风化和成土过程中,K元素在土壤中残留比较多,K在地层中含量增高反映气候湿润,降水多;反之,表明降水相对减少,气候相对干燥[19],峰值也出现在Ca淋失亏损的古土壤层。

暖湿环境条件下,因化学风化作用增强,沉积物中的Cl,S,K,Na,Mg等易溶元素大量溶解迁移,而Al, Fe,Ti等是迁移能力很弱的元素一般很少迁移,常在风化壳中富集,即A12O3,Fe2O3和TiO2在风化成壤过程中多以淀积为主。因此,风成沉积地层中Al,Fe,Ti含量的增加代表着气候的暖湿波动;相反,气候向干燥方向变化时,地层多呈碱性,易溶元素不易淋失,Al, Fe,Ti的含量相对降低[18]。

Ca在风化产物和土壤中多以CaCO3,CaSO4, Ca3(PO4)2或氧化物形式存在。Ca是较易迁移元素,在温暖湿润的环境中,Ca大量迁移[20]。黄土中的Ca主要是以CaCO3的形式存在[20],使黄土层具有富含碳酸盐的典型特征。表3显示了Ca与其他组分呈显著负相关关系,图2中CaO含量投影点与其它成分尤其是SiO2,Al2O3,Fe2O3,MgO,K2O,MnO,TiO2等投影点显著不同,表明了元素Ca与Si,Al,K,Fe,Ti等在化学风化过程中的差异性。

Si,Al,Fe,和Ti的富集是碳酸盐的淋溶迁移所致,它们的峰值出现在Ca淋失亏损的古土壤层。

3.3 粒度对各常量元素分布的控制效应

如图4所示,Fe,K,Mn与2～8μm之间的黏土粒级成分呈显著正相关,Al,Ti呈低度相关。梁美艳等[21]认为,K为钾长石、云母和伊利石等所含的主要碱金属元素,当钾长石和云母风化成黏土矿物伊利石时, K几乎不发生淋失,且易被黏土矿物吸附[21];康建成等研究表明,K元素分布于硅酸盐矿物中,被风化解析出来后,易受到黏粒的置换、吸附[22];赵锦慧等认为K不仅是黄土中主要黏土矿物伊利石的组成元素之一,也更易于被黏粒吸附[23];K相对富集,其变化趋势受到黏粒含量的影响,与成壤强度正相关。页岩和黏土矿物中Mn的含量较高,砂岩则较低。在成土过程中从寄生矿物释放出的锰以二价锰的形式进入到土壤溶液,部分氧化成锰氧化物或进入次生矿物的晶格中;部分被黏土矿物和有机质吸持或固定;还有部分成为土壤微生物和动物的组成部分[18]。实际上,黏土矿物自身的锰含量十分有限,主要通过阳离子交换吸附和专性吸附来保持土壤锰。暖湿环境条件下,易溶元素大量溶解迁移,Al,Fe,Ti等迁移能力很弱的元素,往往残留在原地形成的新矿物-黏土矿物中[19]。Ca主要赋存于易风化的斜长石和暗色矿物辉石中,因此在化学风化的初始阶段就会遭受强烈的淋滤[21]。

图4显示,Fe,K,Mn与30～64μm之间的粗粉砂粒级成分呈显著负相关,Al,Ti呈低度负相关,可能主要来自于粗粉砂组分对全样的稀释效应。

4 结论

(1)黄土-古土壤中常量元素含量是交替变化的。SiO2, Al2O3,Fe2O3,MnO,K2O,MgO和TiO2,在黄土中表现为低值,在古土壤中为高值;而CaO则相反。

(2)在化学风化过程中,元素Si,Al,Fe,Mg,K,Mn,Ti之间颇具相似性而与元素Ca具差异性。

(3)元素Fe,K,Mn,Al,Ti与2～8μm黏土粒级百分含量成正相关关系,可能主要来自于的黏土吸附作用;元素Fe,K,Mn,Al,Ti与30～64μm粗粉砂粒级百分含量成反相关关系,可能主要来自于粗粉砂对黏土吸附作用的稀释效应。

致谢:感谢乔彦松研究员提供样品和对本文的修改意见;范德江教授对样品测试的指导和帮助。

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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

责任编辑 徐 环

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

国家自然科学基金项目(40472088);国土资源大调查“中荷海岸带全球变化响应的比较研究”项目(1212010911072)资助

2010-04-27;

2010-07-28

王玲(1982-),女,硕士,海洋地质专业。

E-mail:dongyanliu67@126.com