新疆伊犁地區(qū)黃土的物質(zhì)組成和地球化學(xué)特征

新疆伊犁地區(qū)黃土的物質(zhì)組成和地球化學(xué)特征

多年來，中國的黃土研究取得了輝煌的成就。然而,中國的黃土研究主要集中在東部季風區(qū)的黃土高原及青藏高原。事實上,中國不僅受季風影響,在西北的新疆,特別是天山和準噶爾盆地的西部常年為西風環(huán)流控制。地處天山西部的伊犁盆地就是典型的西風區(qū),氣候特點明顯不同于東部季風區(qū)。伊犁地區(qū)隸屬于獨特的干旱內(nèi)陸中的半干旱區(qū),降水257.6～512.2mm,山地最大降水帶大于1000mm,降水季節(jié)分配比較均勻,以春季比例略高。區(qū)內(nèi)水資源豐富,在1000～1800m高度上殘留著世界稀有的野果林,也是新疆重要的黃土分布區(qū)之一,地帶性土壤為灰鈣土。近年來伊犁地區(qū)黃土理化特征、黃土記錄的初步研究表明,盡管伊犁黃土具有典型的風成黃土的特征,作為對全球變化的響應(yīng),伊犁地區(qū)末次冰期以來氣候也存在不穩(wěn)定性,但該區(qū)粉塵的物質(zhì)來源和沉積環(huán)境與黃土高原存在差別[1～6]。本文試圖通過黃土理化特征的綜合分析以及與季風區(qū)黃土的對比,來探討西風環(huán)流控制下黃土的形成過程、沉積特征及古地理環(huán)境的差異。1克臺地區(qū)陰山山地黃土業(yè)務(wù)法伊犁地區(qū)地處中國天山西段,是一個西寬東窄向西開敞的山間盆地,在構(gòu)造上它是一個大型斷陷盆地的東半部,其西部位于哈薩克斯坦共和國境內(nèi)。黃土主要分布在低山、丘陵和高階地上,其上限大致與所分布區(qū)域的森林下限一致(圖1)。山區(qū),黃土披覆在不同的基底之上,厚度多小于10m。鞏乃斯谷地是黃土集中分布區(qū),黃土分布上限1900m左右,在900～1500m的干草原和荒漠草原地帶,出露厚度十至幾十米不等,在則克臺地區(qū),黃土厚度超過80m。在縱向上,黃土的分布順谷地方向由東到西呈透鏡狀,即中間厚而兩側(cè)薄。在橫向上,從平原至山地,也有類似的分布規(guī)律,即以山前黃土分布最集中且厚度最大。伊犁黃土多為淡黃或淺淡黃色(2.5Y8/3～8/4),疏松多孔,無層理,結(jié)構(gòu)均勻,不含礫石。除坡積黃土外,均無砂或礫夾層。黃土中通常含有1～3層古土壤層,普遍含有陸相軟體動物華蝸?；?有些地段埋藏有草原、森林草原型動物化石。根據(jù)光釋光測年資料,伊犁地區(qū)出露的黃土主要為末次間冰期以來的沉積(圖2),僅在伊犁谷地的東端發(fā)現(xiàn)有與黃土高原離石黃土相當?shù)娘L塵沉積,這與文啟忠等對伊犁地區(qū)坎蘇黃土剖面的測年結(jié)果比較接近。2不同地區(qū)、不同粒度下黃土粒度的對比見表1粒度分析結(jié)果表明,伊犁地區(qū)的以粉砂(63～4μm)占優(yōu)勢,其含量變化范圍為66.3%～85.8%,粘粒含量(<4μm)變化于11.65%～31.79%之間,砂(>63μm)的含量1.05%～9.73%,其中90%樣品砂含量小于5%。與黃土高原西部、中部的馬蘭黃土以及新疆其它地區(qū)的黃土相比,伊犁黃土粒度偏細(圖3、4),而和黃土高原東南部的洛川黃土粒度組成比較接近。與黃土高原馬蘭黃土粒度自西北源區(qū)向東南逐漸變細的分布規(guī)律相似,伊犁地區(qū)的黃土粒度組成在平面上由西向東由粗變細,即越靠近源區(qū),顆粒越粗。一方面反映形成黃土物質(zhì)的風塵特征,也證明位于上風方向的中亞荒漠是該區(qū)粉塵的主要物源。因此粉塵的理化特征不僅反映沉積區(qū)的氣候特點,也能揭示源區(qū)的環(huán)境特征。3不同層次間冰期土壤中碳酸鈣化的變化黃土中的碳酸鈣含量和淀積形式對區(qū)域氣候和環(huán)境具有一定的指示作用。黃土高原黃土東南部洛川剖面馬蘭黃土碳酸鈣平均含量為12.92%,離石黃土平均含量9.32%～12.66%,古土壤碳酸鈣含量3.36%,西北部含量高達20%左右。而伊犁黃土以碳酸鹽含量高而且變化幅度大為特征,其值介于12.0%～33.6%之間,平均含量為18.3%,離石黃土因為古土壤的淋溶作用碳酸鈣含量也明顯高于黃土高原,最高含量達到28.9%。相反,伊犁地區(qū)的末次間冰期古土壤碳酸鈣含量平均為17.2%,而離石黃土中的古土壤層碳酸鈣含量平均為6.1%,二者之間的差別遠遠大于黃土高原。從淀積形式來看,伊犁黃土中碳酸鈣通常以白色斑點、假菌絲體和薄膜形式出現(xiàn),有些層段可見到直徑0.5～1.0cm的鈣結(jié)核,特別是在降水較豐富的昭蘇盆地,黃土剖面中有多層鈣結(jié)核分布。趙景波認為,黃土中的碳酸鹽聚集是黃土化作用的結(jié)果,不同的生物、氣候條件下存在差異。當年平均降水小于450mm,黃土中形成非結(jié)核形式的碳酸鈣;年平均降水500mm左右的森林草原條件下,生物和淋溶作用較明顯,下滲飽和淀積的碳酸鈣數(shù)量多,有5%～10%的碳酸鈣來自大氣降水。層發(fā)育期間,氣溫高,降水增加,蒸發(fā)強烈,碳酸化由此推斷,伊犁地區(qū)黃土形成時期,年平均降水介于200～500mm之間。末次間冰期以前,古土壤發(fā)育時期降水大于500mm,使成土母質(zhì)中的碳酸鈣被淋溶;而黃土堆積時期,碳酸鹽化作用強烈,碳酸鈣大量淀積。末次間冰期以來,氣候干旱,在古土壤和弱成壤作用活躍,因此形成碳酸鹽含量高的草原或荒漠草原型土壤,降水的增加一方面使淋溶增強,同時也帶來了一定量的碳酸鈣。冰期,氣溫一方面,粉塵源區(qū)在溫暖期土壤中可能存在強烈的酸鹽表聚現(xiàn)象,所提供的粉塵物質(zhì)較寒冷期碳酸鹽含量高。多種因素的綜合作用使伊犁地區(qū)末次間冰期古土壤和末次冰期弱成壤層中含有豐富的碳酸鈣。就磁化率而言,伊犁地區(qū)離石黃土古土壤序列磁化率特征與黃土高原相近,黃土磁化率低,古土壤磁化率高,磁化率與碳酸鈣含量呈負相關(guān)(圖5);但末次間冰期以來黃土古土壤序列中,黃土磁化率偏高,有些層段甚至高于古土壤。從上述黃土與古土壤的碳酸鈣含量和磁化率的變化規(guī)律分析,末次間冰期以前,西風區(qū)和季風區(qū)古環(huán)境差別不及現(xiàn)在和末次冰期大,當時的伊犁地區(qū),黃土堆積期和古土壤發(fā)育期環(huán)境差異比較大,古土壤發(fā)育期氣候濕潤,淋溶作用強烈,黃土堆積期,氣候比較干旱。末次間冰期以來,伊犁地區(qū)環(huán)境惡化,即使在溫暖的間冰期和間冰段,氣候也比較干旱,少量增加的降水難以平衡大幅度增長的蒸發(fā)力,導(dǎo)致土壤中碳酸鈣積聚。4伊、古土壤稀土50個黃土和古土壤樣品主要元素、稀土元素和同位素分析結(jié)果表明,伊犁黃土不論是主要元素、稀土元素,還是鍶同位素的變化都局限在一定范圍內(nèi),充分體現(xiàn)了該區(qū)黃土化學(xué)成分的均一性。黃土CIA值變化于51.96～66.84之間,但絕大多數(shù)樣品集中分布于56～59之間;弱發(fā)育古土壤CIA值54.65～58.69;古土壤55.44～58.94。根據(jù)Taylor等的研究,未風化的大陸地殼的CIA值為50,黃土55～70。伊犁黃土與古土壤CIA值高于地殼平均值,與世界風成黃土的CIA值接近。伊犁黃土樣品稀土元素(REE)豐度介于115.5～170.5ppm之間,平均148.9ppm。除少數(shù)樣品外,黃土樣品稀土含量彼此較為接近;古土壤稀土含量153～179.6ppm,平均166.9ppm;弱發(fā)育古土壤稀土含量144.2～166.7ppm,平均154.7ppm。與黃土高原相比,伊犁地區(qū)黃土稀土含量偏低,其平均值也低于標準沉積巖平均值(177ppm)。由圖6可知,伊犁地區(qū)黃土樣品的稀土分布模式類似,都呈斜率為負值的分布模式,主要富集Ce族元素(輕稀土)。La-Eu曲線較陡,而Eu-Lu曲線則相對平緩,反映了風成黃土的均一性。伊犁黃土稀土分布模式與黃土高原及世界典型黃土也有較好的相似性。鍶、銣含量及鍶同位素分析顯示,伊犁黃土Rb/Sr、87Sr/86Sr比值(0.16～0.37;0.711565～0.713613)略低于古土壤(0.34～0.87;0.713301～0.713759)。但不論是黃土還是古土壤其比值都較黃土高原為低(黃土高原黃土:0.55,0.7153;黃土高原古土壤:0.73;0.7171),從而反映物源與沉積環(huán)境的差異。5不同土壤條件對古土壤的影響伊犁黃土和古土壤物質(zhì)組成、碳酸鹽含量、磁化率和地球化學(xué)等特征的綜合研究表明,伊犁黃土屬于風成沉積。它既有世界黃土所具有的共性,又深深地打上了區(qū)域特色的烙印。由于物質(zhì)來源、搬運和分選動力以及沉積環(huán)境的差異,伊犁地區(qū)的末次間冰期以來的黃土、古土壤與以黃土高原為代表的季風區(qū)同時代黃土和古土壤具有下列不同:(1)黃土粒度組成以細粉砂和粘土含量高為特征,即伊犁黃土較黃土高原黃土為細,反映西風遠源輸送的重要作用。(2)黃土碳酸鹽含量高,鈣結(jié)核不及黃土高原普遍,反映較為強烈的次生碳酸鹽化作用和弱的淋溶作用,也反映粉塵的高碳酸鈣含量和源區(qū)干旱的環(huán)境。(3)古土壤發(fā)育程度和碳酸鹽含量隨時間變化而變化