熱帶亞熱帶土壤頻率磁化率與磁性礦物關(guān)系及其環(huán)境意義

熱帶亞熱帶土壤頻率磁化率與磁性礦物關(guān)系及其環(huán)境意義

磁化率作為土壤、沉積物和氣候懸浮顆粒登記信息的重要指標，已經(jīng)廣泛認識和應(yīng)用。該頻率磁化率用于湖泊、河流和海洋沉積物的來源、沉積環(huán)境的變化以及對大氣污染的磁性研究。然而，人們對這個磁體參數(shù)并不熟悉。在20世紀90年代初，我們介紹了這一磁體參數(shù)。劉秀明等人對黃土-古土壤條件的頻率磁化率進行了高分辨率測量。結(jié)果表明，隨著黃土和古土壤侵蝕的出現(xiàn)，頻率磁化率的波谷和波峰對應(yīng)于變化的波谷。這可以作為反映舊氣候變化的穩(wěn)定指標。最近的湖泊沉積物試驗表明，頻率磁化率反映了湖泊沉積物記錄的環(huán)境變化。這是研究歷史時期環(huán)境變化的重要指標之一。由于磁化學(xué)的快速發(fā)展、簡單的性質(zhì)和不破壞，它成為研究環(huán)境問題的重要手段，并形成了新的交叉環(huán)境磁學(xué)。本文結(jié)合當(dāng)前亞熱帶土壤磁化率測定結(jié)果，探討了磁化率與磁性礦粒度的關(guān)系及其環(huán)境意義，并討論了磁化率在環(huán)境變化、氣候變化、土壤學(xué)統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。1頻率磁化率與磁化率磁化率(χ)是指低頻弱磁場中(0.1T)樣品的磁化強度與磁場強度之比,是反映樣品中鐵磁性礦物含量的指標,但許多研究表明磁化率也反映磁性礦物的顆粒大小.頻率磁化率(Frequencydependentsusceptibility,χfd)則是指在不同頻率外磁場下,樣品產(chǎn)生的磁化率值的變化程度.天然樣品表現(xiàn)為磁化率隨測定頻率增高而降低的趨勢,其原因是隨著測定頻率增高,大小在超順磁性(Superparamagneticgrains,SP,粒徑<0.02μm)-穩(wěn)定單疇(Stablesingledomain,SSD,粒徑0.02~0.04μm)過渡態(tài)范圍的磁性顆粒由于磁滯而被阻擋,對高頻磁化率沒有貢獻,因此,高頻磁化率是按比例低于低頻磁化率數(shù)值的.頻率磁化率(χfd)定義為:χfd=(χlf?χhf)/χlf×100χfd=(χlf-χhf)/χlf×100其中,χlf為低頻(0.47kHz)磁化率,χhf為高頻(4.7kHz)磁化率,該參數(shù)反映了磁性礦物的粒徑及其相對含量.當(dāng)人們獲得一個樣品的頻率磁化率數(shù)值時,便可以了解其中超順磁性(SP)-穩(wěn)定單疇(SSD)過渡態(tài)顆粒的含量.對多疇(Multidomain,MD,粒徑>1μm)粗粒磁性礦物,頻率磁化率最大值變動在0.26%以內(nèi),已知的最高頻率磁化率是土壤和大氣塵埃樣品.目前,廣泛應(yīng)用的土壤頻率磁化率測定儀器為Bartington(英國)公司生產(chǎn)的MS2型雙頻磁化率儀,低頻磁化率和高頻磁化率分別在0.47kHz和4.7kHz下測定.頻率磁化率與礦物粒度的關(guān)系可由圖1表示,它是人工合成不同粒徑的磁性礦物顆粒,測定其磁學(xué)性質(zhì)獲得的.從圖可見,磁化率與磁性礦物的粒度密切相關(guān),磁性礦物粒度在0.03~0.01μm和16~125μm各出現(xiàn)χ的峰值,并以0.03~0.01μm的峰值最高.而χfd反映了SSD和SP過渡態(tài)磁性礦物的數(shù)量,因此,χfd對<0.02μm的磁性顆粒有明確的指示作用.對土壤來說,這種大小的磁性顆粒是風(fēng)化成土作用的產(chǎn)物,主要受風(fēng)化成土強度、成土環(huán)境等控制;對湖泊、河口沉積物和大氣懸浮物其χfd則由物源、沉積動力、沉積環(huán)境等因素控制.因此,χfd反映了物源、成土條件和成土環(huán)境的變化,具有明確的環(huán)境意義.磁性礦物的粒度還可由其它的磁性參數(shù)反映,圖1可見,粒徑0.02~0.04μm的穩(wěn)定單疇磁性顆?？捎梅谴艤４?ARM)指示之,土壤中SSD顆粒也是成土作用的產(chǎn)物,其數(shù)量反映成土過程與成土環(huán)境的差異,具有明確的指示作用.此外,環(huán)境磁學(xué)家還應(yīng)用磁性參數(shù)的比值來描述磁性礦物的粒度.圖1可見,SP顆粒和MD顆粒有高的SIRM/χ,再用χfd可將它們區(qū)分,SIRM/ARM指示0.05~0.5μm的磁性顆粒,ARM/χ和IRM20mT/ARM指示SSD顆粒.2fd與sp磁化率關(guān)系頻率磁化率作為反映SP-SSD過渡態(tài)顆粒含量的指標有比較明確的環(huán)境意義.雖然,我們對土壤中磁性礦物的成因還不十分明了,但SP顆粒作為成土風(fēng)化作用中新形成的次生磁性礦物已得到了廣泛的承認和驗證,表現(xiàn)為隨風(fēng)化成土作用的進行,成土作用產(chǎn)生的SP磁性顆粒逐漸取代原生殘留的磁性礦物.因此,在一個正常的時間依變成土過程中土壤頻率磁化率變化的基本模式表現(xiàn)為隨成土作用的進行,SP顆粒數(shù)量逐漸增多,表現(xiàn)為土壤頻率磁化率逐漸增大,其頻率磁化率增大的幅度反映了風(fēng)化成土作用的強度.在母巖中基本不存在SP磁性礦物,即χfd接近零.對熱帶亞熱帶地區(qū)由各種沉積物母質(zhì)上發(fā)育土壤的χfd統(tǒng)計,土壤的χfd在0~16%之間,隨著風(fēng)化成土作用進行形成的SP和SSD顆粒(土壤成因磁性礦物,pedogenicferrimagneticminerals)逐漸增多,土壤的磁化率逐漸增大.根據(jù)171個沉積母質(zhì)發(fā)育土壤的統(tǒng)計,土壤的χ與χfd呈顯著指數(shù)正相關(guān)(圖2),與ARM呈顯著直線正相關(guān)(圖3),表明在風(fēng)化成土過程中隨著SP-SSD顆粒的形成,土壤的χ逐漸增大,Fine的土壤年齡土鏈研究中,證實隨著成土年齡的增大,χ和χfd逐漸增大,χ和χfd是研究成土年齡的重要手段.從磁性礦物的化學(xué)形態(tài)分析,次生的磁性礦物存在于游離氧化鐵中,可用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉溶液(DCB)提取.據(jù)統(tǒng)計,熱帶亞熱帶土壤的χfd與游離氧化鐵含量呈極顯著直線正相關(guān)(圖4),即風(fēng)化成土過程中,隨著硅酸鹽礦物中氧化鐵的游離,SP態(tài)磁性礦物顆粒逐漸形成,它們存在平行關(guān)系,符合土壤χfd變化的基本模式.土壤經(jīng)DCB處理后殘留的磁性氧化鐵屬于原生礦物,其χfd很低,因而DCB處理損失的磁化率是由SP磁性礦物貢獻的,土壤中SP顆粒愈多,χfd值愈高,DCB處理后損失的磁化率愈高.圖5是亞熱帶地區(qū)由第四紀紅土,石灰?guī)r,花崗巖,玄武巖和泥巖發(fā)育的75個土壤樣品集中χfd與DCB處理后磁化率損失量的關(guān)系圖,表明DCB處理的磁化率損失量與土壤χfd呈極顯著的指數(shù)正相關(guān),根據(jù)圖5的結(jié)果,可以χfd10%為界把土壤分成二部分,χfd<10%的土壤,DCB處理磁化率損失量<20×10-8m3kg-1,且主要集中在χfd<5%的土壤,表明它們基本不存在SP磁性顆粒.χfd>10%,DCB處理的磁化率損失量>20×10-8m3kg-1,表明有相當(dāng)數(shù)量的SP磁性顆粒.因此,可將χfd10%作為土壤中SP磁性顆粒存在與否的臨界評價值.Fine在研究中國黃土磁性中認為χfd<5%~6%基本不存在SP磁性顆粒,χfd>10%表明有相當(dāng)數(shù)量的SP顆粒的結(jié)論比較一致.因此,可認為DCB處理的磁化率損失量與χfd有相同的環(huán)境意義.Fine在土壤年齡土鏈研究中將它們的數(shù)值大小作為土壤成土年齡的依據(jù).Oldfield對土壤和沉積物的測定也認為χfd<2.0%,不存在SP磁性顆粒,χfd2.0%~10.0%,SP顆粒、SSD和MD顆粒共存,χfd>10.0%以上,SP顆粒豐度>75%.土壤頻率磁化率變化的第二個模式是土壤剖面變化.其剖面分布模式可分成三種情況,一是由各種殘積物發(fā)育土壤表現(xiàn)為表土的頻率磁化率最大,逐漸向母質(zhì)層降低,至母質(zhì)層χfd接近零.二是由沉積巖(紅砂巖、砂巖)上發(fā)育的幼年土,由于土壤發(fā)育程度淺,土壤的χfd剖面分布基本一致,其χfd多在5%以下,多在1%~2%.三是各類水稻土,根據(jù)水分條件的變化,χfd剖面分布各異,水成土的χfd剖面分布也屬于此類.圖6是幾個典型土壤剖面的χfd分布模式,火成巖上發(fā)育的富鐵土呈現(xiàn)為表層土壤的χfd達最大,向下逐漸降低的分布模式,巖成土由于成土作用的年輕性整個剖面的χfd都很低,表明基本不存在SP鐵磁性礦物顆粒.因此,頻率磁化率記載了土壤形成過程的環(huán)境條件,有十分明確的環(huán)境指示作用.土壤頻率磁化率的變化是環(huán)境變化對土壤的影響留下的印記,或是母質(zhì)的不均一性,成土過程的間斷等引起的,反過來可利用頻率磁化率去判斷土壤記載的環(huán)境變化信息.3fd研究的應(yīng)用意義磁測具有簡便、快速和非破壞性等特點,上面的討論表明頻率磁化率具有十分明確的環(huán)境指示作用,可將之作為環(huán)境變遷、沉積物來源、古氣候變化、成土環(huán)境等的代用指標,故有必要討論頻率磁化率的環(huán)境應(yīng)用范圍和潛力.土壤是環(huán)境變化的一面鏡子,記載和反映了當(dāng)時的成土環(huán)境.因此,古土壤是重建古地理環(huán)境的最好手段之一.利用古土壤的χfd變化來恢復(fù)古環(huán)境古氣候變遷已有許多成功的例子.我國北方黃土在形成古土壤的過程中,有許多SP磁性礦物顆粒形成,不同氣候條件下形成的SP磁性礦物的相對含量,則反映了古氣候溫濕程度的強弱和持續(xù)時間的長短,甚至可以根據(jù)其曲線比較靈敏地反映古氣候弱小波動的特點.由劉秀銘根據(jù)磁化率和頻率磁化率建立的中國黃土-古土壤序列可靠而完整的古氣候事件序列模式,已與深海氧同位素記錄一樣作為全球古氣候事件對比的經(jīng)典.同時,χfd是鑒別各種環(huán)境下古土壤的重要依照.例如,冰磧物環(huán)境中的埋藏土,黃土環(huán)境中的古土壤,風(fēng)砂環(huán)境中的埋藏土等.在石灰?guī)r發(fā)育土壤的成土地球化學(xué)過程中,富鐵錳階段和富鋁脫硅階段,表現(xiàn)為明顯的表土磁性增強現(xiàn)象,表層的χfd在13%~14%,自下逐漸降低,直至母巖層的χfd為0%,表層χfd增大的幅度反映了成土地球化學(xué)階段,可作為土壤地球化學(xué)環(huán)境和分類的重要依據(jù).氧化鐵化合物是對環(huán)境中化學(xué)和溫度變化最為敏感的礦物,磁性礦物的粒度會因局部環(huán)境條件的差異和自然過程或人為活動的影響呈現(xiàn)明顯的差異,即記載了環(huán)境的“印痕”,是描述土壤剖面性態(tài)和成土過程的重要指標.潛育化作用溶解土壤中的SP磁性顆粒而明顯降低土壤χfd,在旱地改水田后表層的頻率磁化率顯著降低,由地帶性土壤發(fā)育的水稻土χfd剖面多呈表層的極低,底層的頻率磁化率略為降低的模式.富鐵鋁化過程中SP磁性顆粒的形成,可使χfd值明顯增大.因此,χfd是研究熱帶亞熱帶土壤的成土環(huán)境、成土過程和土壤屬性的作用手段.此外,土壤χfd在土壤侵蝕泥砂來源判斷上具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性,不同來源的泥砂記載了源地土壤的磁顆粒特征,通過研究沉積物泥砂的磁顆粒特征可判斷其來源,結(jié)合徑流動態(tài),泥砂的顆粒組成變化建立沉積物來源組成定量分析的磁診斷模型,并已在水庫沉積物來源研究中應(yīng)用.此外,有人將高χfd表層的缺失作為土壤侵蝕的依據(jù).湖