大別山北麓黃土古土壤環(huán)境及物質(zhì)來源分析

大別山北麓黃土古土壤環(huán)境及物質(zhì)來源分析

通過對(duì)元素和地球化學(xué)的研究，我們可以探索氣候變化的歷史，并對(duì)舊氣候進(jìn)行了解和研究。不同氣候條件下存在著一定的與之相適應(yīng)的沉積物,這些沉積物與它所處環(huán)境之間的平衡關(guān)系是通過沉積礦物及元素組成的遷移或富集及元素重新組合產(chǎn)生新礦物來實(shí)現(xiàn)的,因而它們不但具有原巖的組成特征,而且記錄著它們形成時(shí)的氣候環(huán)境。研究沉積物中環(huán)境指示元素的地球化學(xué)特征,揭示它們?cè)诃h(huán)境演變過程中的地球化學(xué)行為,可為重建第四紀(jì)以來的古氣候演化序列和環(huán)境演變動(dòng)態(tài)過程提供重要依據(jù)。地球化學(xué)元素作為一種常用的物源判別指標(biāo),在對(duì)沉積物物質(zhì)來源的研究中,取得了豐碩的成果。但是,大多數(shù)地球化學(xué)元素均受成巖作用的影響,導(dǎo)致物源判別的差異性或多解性,因而,必須尋找更可靠的判別指標(biāo),以有效地避免沉積物在風(fēng)化剝蝕、搬運(yùn)、沉積、成巖過程中的影響,使其在物源區(qū)和沉積區(qū)具有一定的可比性。富集因子(enrichmentfactor,簡(jiǎn)稱EF)是1974年Zoller等為了研究南極上空大氣顆粒物中的化學(xué)元素是源于地殼還是海洋而首次提出來的。富集因子可以較準(zhǔn)確地反映元素富集程度并鑒別物質(zhì)來源,目前,富集因子法由最初研究大氣顆粒物成分延伸到其他領(lǐng)域,如土壤、植物、水系沉積物、湖泊底泥、河流懸浮物、雪樣等環(huán)境介質(zhì),近年來,我國(guó)許多學(xué)者利用富集因子進(jìn)行海底沉積物、濱海平原地區(qū)沉積物及海域表層沉積物物源判別取得了較好效果,但用元素富集因子進(jìn)行黃土-古土壤物源判別在國(guó)內(nèi)報(bào)道較少。由于大別山是中國(guó)南北地理格局和暖濕帶與亞熱帶的分界線,因此,研究其地球化學(xué)元素在剖面中的變化規(guī)律,對(duì)大別山北麓黃土-古土壤成因、特征、物源等展開系統(tǒng)的研究對(duì)中國(guó)中東部古氣候環(huán)境演變的研究具有重要意義。現(xiàn)以大別山北麓黃土-古土壤地球化學(xué)元素為對(duì)象,研究其特征及變化規(guī)律,并嘗試運(yùn)用地球化學(xué)元素富集因子分析方法進(jìn)行物源研究,從而獲得對(duì)大別山北麓黃土-古土壤沉積環(huán)境及物質(zhì)來源的初步認(rèn)識(shí)。1元素富集因子法元素富集因子法又稱富集因子法,是用以表示元素的富集程度、判斷和評(píng)價(jià)元素來源的方法。富集因子法是選擇滿足一定條件的元素作為參比元素(或稱標(biāo)準(zhǔn)化元素),將樣品中的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(或濃度)和參考元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(或濃度)的比值與參照區(qū)中二者質(zhì)量分?jǐn)?shù)(或濃度)比值的比率即稱為富集因子,它可將所研究的元素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,用以消除由于礦物和粒度變化等因素所產(chǎn)生的影響,從而達(dá)到準(zhǔn)確判斷沉積物物源的目的。某一元素相對(duì)于參照區(qū)元素的富集因子可定義為:EF=w樣品/w參照區(qū)w′樣品/w′參照區(qū)EF=w樣品/w參照區(qū)w′樣品/w′參照區(qū)式中:EF為某元素的富集因子系數(shù);w樣品,w參照區(qū)為某元素在測(cè)試區(qū)和參照區(qū)質(zhì)量分?jǐn)?shù);w′樣品,w′參照區(qū)為參比元素在測(cè)試區(qū)和參照區(qū)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。當(dāng)富集因子EF≈1時(shí),認(rèn)為元素來源于參照區(qū),當(dāng)EF>10時(shí),該元素被認(rèn)為是非參照區(qū)物源。黃土沉積物中的地球化學(xué)元素包括大部分常量元素和部分微量元素,多數(shù)金屬元素在黃土中的分布受環(huán)境作用和人類活動(dòng)的綜合影響。在自然環(huán)境作用過程中,會(huì)發(fā)生元素和礦物的物理化學(xué)遷移轉(zhuǎn)化、元素吸附和解吸附、還原氧化等地球化學(xué)作用,其結(jié)果使金屬元素在一定的物理化學(xué)條件下呈特定的化學(xué)形態(tài)并形成特定的礦物組分。微量元素的自然分布受黃土粒度、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鐵錳氧化物、黏土礦物等因素的影響,其中最重要的影響因素是粒度。因?yàn)榧?xì)粒組分較粗粒組分含有更多的黏土礦物和有機(jī)質(zhì),在吸附作用下,使元素的分布呈現(xiàn)出粒子效應(yīng),元素的絕對(duì)含量變化往往并不能真實(shí)地反映元素的地球化學(xué)行為,因?yàn)樵诨瘜W(xué)風(fēng)化的過程中,活動(dòng)性元素的淋失會(huì)直接造成樣品中穩(wěn)定性元素的濃度相對(duì)增加(殘留富集),掩蓋了這一過程中元素遷移或者富集的真實(shí)面目,從而也不能準(zhǔn)確地判別物質(zhì)來源。為了平衡或消除多種差異,需要用標(biāo)準(zhǔn)因子或參比元素對(duì)地球化學(xué)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,也就是計(jì)算元素的富集因子。富集因子法是一種雙重歸一化的計(jì)算方法,所以,它比通常用含量(即為絕對(duì)含量)進(jìn)行比較的結(jié)果更為可靠而確切。選擇不同的參比元素可能會(huì)出現(xiàn)不同的評(píng)價(jià)結(jié)果,究竟選擇沉積物中的何種成分作為參比元素目前尚無統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),但基本都選用地殼中普遍存在的而人為污染來源較少、化學(xué)穩(wěn)定性好、分析結(jié)果精確度高的低揮發(fā)性元素。目前,國(guó)際上多用Al、Fe、Mn、Ti、Rb、Li、稀土元素、放射性同位素、總有機(jī)碳(TOC)、粒度等。由于Ti、Sc、Th、Nb這些地球化學(xué)元素性質(zhì)穩(wěn)定,不易受變質(zhì)、蝕變和風(fēng)化作用的影響,因此,選擇上述穩(wěn)定元素作為參比元素來分析其地球化學(xué)元素的富集因子分布狀況,研究不同參比元素條件下大別山北麓黃土-古土壤的物質(zhì)來源。2剖面地質(zhì)特征研究剖面位于大別山北麓河南省信陽地區(qū)境內(nèi),其地理位置為32°06′N,114°40′E(圖1),屬亞熱帶季風(fēng)型濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)氣候,地層沉積層次清晰,保存良好,剖面厚約17m,整個(gè)剖面分為8個(gè)黃土層和8個(gè)古土壤層,并初步推測(cè)黃土形成的地質(zhì)時(shí)代約為800ka前。為了詳細(xì)研究大別山北麓第四紀(jì)黃土的地球化學(xué)元素分布特征、規(guī)律及元素富集因子特點(diǎn),清除剖面表層50cm的現(xiàn)代風(fēng)化層,從下往上按20cm間距進(jìn)行了采樣,共采集粉樣81袋。地球化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由國(guó)土資源部合肥礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心采用X射線熒光光譜分析儀(XRF)進(jìn)行測(cè)定,誤差小于5%。3地球化學(xué)元素的特征3.1環(huán)境特征對(duì)沉積物富集的控制大別山北麓黃土-古土壤的主要化學(xué)元素組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析結(jié)果見表1。整個(gè)剖面沉積物主要由SiO2、Al2O3和Fe2O3組成,約占沉積物總量的86.00%,比洛川黃土剖面相應(yīng)值75.46%要高。在溫暖濕潤(rùn)氣候下,SiO2、Al2O3、Fe2O3相對(duì)富集,因此,這3種組分均屬于濕潤(rùn)性氧化物的特征元素,大別山剖面表現(xiàn)出明顯富硅、鋁、鐵的現(xiàn)象,表明大別山氣候以濕熱為主的特點(diǎn)。Na2O、CaO、MgO、Sr等易溶組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低,CaO和Sr的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.79%和106.85×10-6,明顯低于洛川剖面相應(yīng)值(1.49%和195.00×10-6)。根據(jù)其虧損程度可知元素的遷移順序?yàn)?Ca>Sr>Na>Mg>K>Fe、Al,其中Ca和Sr在化學(xué)風(fēng)化時(shí)非?；钴S,遷移能力最強(qiáng),在大別山中保留很少,說明與大別山地區(qū)較溫濕的氣候條件下易溶化學(xué)元素較強(qiáng)的淋溶遷移有關(guān)。大別山北麓Rb的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為115.77×10-6,最小值為110.10×10-6,最大值為120.70×10-6,變異系數(shù)僅為2.00%,高于洛川黃土剖面平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(97.00×10-6)。研究表明,Rb趨向于賦存在黏土礦物中,從大別山北麓整個(gè)剖面來看,Rb的變化幅度較小,這可能是由Rb的特點(diǎn)決定的,Rb和K的離子半徑十分相似,兩者的地區(qū)化學(xué)性質(zhì)也十分相似,在地表巖石和沉積物中Rb主要分散在含K的礦物中,風(fēng)化成壤作用中,含K的礦物穩(wěn)定性較高,呈相對(duì)富集形式保留在原地,因此,用相對(duì)穩(wěn)定的Rb值反映物源的一致性取得了較好效果。與Rb相反,Sr則主要在砂和粉砂粒級(jí)中富集,相對(duì)于洛川黃土剖面Rb平均值較高而Sr平均值較低,說明大別山具有粒度較細(xì)的特點(diǎn),這也與氣候溫濕而沉積物粒度一般較細(xì)的規(guī)律一致。但從大別山北麓整個(gè)剖面來看,w(Sr)變化較稍大(96.00×10-6～119.90×10-6),標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.73×10-6,w(Ba)(280.00×10-6～619.10×10-6)和w(Mn)(358.70×10-6～1426.00×10-6)變化較大,標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為96.54×10-6和190.10×10-6,變異系數(shù)分別達(dá)到21%和27%。Ba的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)洛川明顯偏小。研究表明,Ba的地球化學(xué)行為同Sr十分相似,較容易以游離Ba的形式隨土壤溶液或地表水進(jìn)行遷移,這就使得在較為溫濕的氣候條件下,Ba在降水相對(duì)豐富的后期成壤過程中發(fā)生較強(qiáng)的淋溶遷移,導(dǎo)致Ba的大量淋失。從側(cè)面說明大別山整體氣候較洛川溫濕。而整個(gè)剖面w(Mn)變化幅度較大,最高值與最低值相差4倍,略高于洛川。研究表明,Mn一般受沉積物粒度的控制,其含量隨細(xì)顆粒沉積物的增加而增加,主要是由于黏土對(duì)Mn的吸附造成的。一方面說明大別山沉積物粒度相對(duì)洛川較細(xì),另一方面,研究剖面沉積物中Ba、Mn、Sr的分布具有較大差異的特征,表明沉積物中元素的分散程度較高,指示該剖面沉積物從下到上在成因環(huán)境上可能差別較大。大別山北麓黃土-古土壤剖面地球化學(xué)元素隨剖面深度的垂直變化規(guī)律見圖2。從圖2中看出,w(Al2O3)和w(Fe2O3)曲線變化基本一致,從下而上其值表現(xiàn)為較高-低-高的趨勢(shì),說明研究剖面以濕熱為主的氣候特征。CaO、Na2O、MgO均屬于干旱型氣候的特征元素,一般說來,w(CaO)、w(Na2O)、w(MgO)越高指示氣候越寒冷,從變化曲線上可以看出,w(CaO)、w(Na2O)、w(MgO)變化趨勢(shì)非常明顯,從下至上有明顯增加的趨勢(shì),說明剖面中下段的氣候條件相對(duì)更為溫濕,上部相對(duì)干冷,也預(yù)示著自中更新世以來,從老至新氣候由溫濕向干冷方向發(fā)展。Sr自下而上增加趨勢(shì)非常明顯。研究表明,w(Sr)變化與原始粉塵的物質(zhì)組成和風(fēng)化成壤程度有關(guān),黃土序列中w(Sr)變化與北半球冰量之間具有相似性,當(dāng)北半球冰蓋擴(kuò)展時(shí),夏季風(fēng)誘導(dǎo)的降雨量隨溫度的降低而降低,因而粉塵源區(qū)與黃土沉積區(qū)的化學(xué)風(fēng)化相對(duì)減弱,引起來自源區(qū)的w(Sr)與黃土沉積物中保留的w(Sr)增高,洛川剖面第四紀(jì)以來w(Sr)均隨時(shí)間由早到晚逐漸增高,大別山剖面相似的變化趨勢(shì)可能是其對(duì)全球氣候的響應(yīng),即從老至新向干冷趨勢(shì)發(fā)展。結(jié)合表1和圖2,整個(gè)剖面古土壤中地球化學(xué)元素SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Mn、Rb平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于其下伏黃土中的相應(yīng)值,而Na2O、CaO、MgO、Ba、Sr平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于其下伏黃土中的相應(yīng)值,主要地球化學(xué)元素變化曲線在中上部出現(xiàn)突變,此后氣候變化幅度減弱趨于平穩(wěn)且氣候特征元素顯示為氣候向干冷趨勢(shì)發(fā)展。而黃土和古土壤中地球化學(xué)元素細(xì)微可辨的差異揭示了沉積環(huán)境的不同,古土壤形成時(shí)氣候相對(duì)溫濕,一些元素在古土壤剖面中發(fā)生了一定的分異和再分配,活動(dòng)性較強(qiáng)的元素Na2O、CaO、MgO、Ba、Sr大量淋溶遷移,導(dǎo)致其質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)減少,從側(cè)面也說明了黃土形成時(shí)相對(duì)干涼。黃土作為風(fēng)積物,具有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的物源區(qū),其元素的分異是風(fēng)塵堆積后環(huán)境變化的直接結(jié)果,地球化學(xué)元素含量隨氣候變化而發(fā)生規(guī)律性變化,從各元素曲線來看,自中更新世以來,研究區(qū)氣候以溫濕為主,從老至新氣候變化幅度減弱并趨于穩(wěn)定,且由溫濕向干冷趨勢(shì)發(fā)展。3.2土壤條件及富集因子選擇4種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的地球化學(xué)元素Ti、Sc、Th、Nb作為參比元素,其富集因子分別記為EF(Ti)、EF(Sc)、EF(Th)、EF(Nb)。大別山北麓黃土-古土壤和洛川黃土的參比元素Ti、Sc、Th、Nb測(cè)試結(jié)果如表2所示。為了更好地探索研究區(qū)剖面物質(zhì)來源,選擇大別山北麓黃土層中地球化學(xué)元素作為與洛川黃土對(duì)比的參數(shù),使結(jié)果更具可靠性,各富集因子值計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3計(jì)算結(jié)果可知,地球化學(xué)元素SiO2、Al2O3、Fe2O3、Ba、Mn、Rb相對(duì)于各參比元素的富集因子EF值均在1.00左右,最大的EF值為1.09,最小值為0.73。其中CaO、Sr、Na2O、MgO、K2O的各參比元素的富集因子較小,這與這些元素易淋溶遷移的地球化學(xué)特性有關(guān),EF值為各元素相對(duì)于各自區(qū)域的某一參比元素的比值的差異,而所選的參比元素均為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性較好的元素,因此,EF值的大小主要受不同區(qū)域氣候條件下各元素淋溶遷移程度控制,氣候干冷,淋溶遷移程度弱,氣候溫濕,淋溶遷移程度強(qiáng),氣候條件的差異導(dǎo)致易活動(dòng)元素平均含量的差異,某元素淋溶遷移程度差別越大,即EF值越小,從側(cè)面說明大別山相對(duì)于洛川氣候較溫暖濕潤(rùn)。從圖3可以明顯看出,各參比元素的富集因子值在0.17～1.20之間,均遠(yuǎn)小于10,從4個(gè)參比元素算出的富集因子值綜合分析,說明大別山剖面黃土與洛川黃土具有相同物源。研究表明,洛川黃土來自于西北風(fēng)塵沉積物,所以,根據(jù)元素富集因子值及其分布模式和前人研究成果,推知大別山北麓黃土-古土壤同樣可能來自于西北的風(fēng)塵堆積。整體來看,盡管大別山地區(qū)黃土中的氣候記錄與洛川剖面黃土有所差異,但它們的富集因子分布模式均具有一定的規(guī)律性,充分說明了它們的物質(zhì)構(gòu)成的同源性,而其中較活潑的易活動(dòng)元素受沉積環(huán)境影響較為敏感,其富集因子的差異明確揭示了兩區(qū)沉積環(huán)境的差異,這也進(jìn)一步證明了富集因子法判斷同類沉積物物源的可靠性和有效性。結(jié)合室內(nèi)粒度分析結(jié)果來看,自800ka以來大別山北麓各不同層位黃土與古土壤的顆粒組成基本一致,物質(zhì)組分以粉砂和黏土為主,未發(fā)現(xiàn)粒徑>250μm的顆粒,>100μm的顆粒體積分?jǐn)?shù)甚微,砂粒(>50μm)平均體積分?jǐn)?shù)較低,為4.23%;粗粉砂(10～50μm)平均體積分?jǐn)?shù)45.28%,為眾數(shù)粒組;細(xì)粉砂(5～10μm)平均體積分?jǐn)?shù)16.59%;黏粒(<5μm)為次眾粒組,平均體積分?jǐn)?shù)為33.9%,此粒度特征與黃土高原黃土非常相似,表現(xiàn)在:風(fēng)塵的基本粒組10～50μm為眾數(shù)粒組,基本不含砂礫,頻率分布曲線多為雙峰型,說明堆積前經(jīng)歷高度分選。但與黃土高原黃土相比,大別山黃土的顆粒組成更細(xì),這一特征符合我國(guó)黃土自西北向東南其顆粒由粗變細(xì)呈帶狀的分布規(guī)律,研究剖面的黃土顆粒比黃土高原等地的黃土更細(xì),應(yīng)當(dāng)主要是西北風(fēng)的風(fēng)力分選及搬運(yùn)能力隨距離增加而下降的結(jié)果。另外,剖面粒徑<20μm和<30μm的顆粒平均體積分?jǐn)?shù)分別高達(dá)68.5%、81.7%,劉東生等對(duì)源自1500km以外中國(guó)北部荒漠的現(xiàn)代大氣降塵的研究揭示,風(fēng)塵中以粒徑<30μm的組分占優(yōu)勢(shì),粒徑<20μm的粉塵以在空氣中長(zhǎng)期懸浮的模式被風(fēng)力搬運(yùn),是遠(yuǎn)源風(fēng)塵物的主要組成部分,根據(jù)前人由粒度研究物源的方法,推斷本區(qū)黃土物質(zhì)來源與黃土高原物源應(yīng)一致,因此,由富集因子法和粒度反映的物源具有較好的一