（环境科学专业论文）黄土化学组成的古环境信息研究.pdf

s t u d yo ne n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o nf r o mc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fl o e s s i np a s te n v i r o n m e n t a b s t r a c t d u r i n g s u r f i c i a l p r o c e s s e s ，t h em i g r a t i o n a n de n r i c h m e n to fc h e m i c a l e l e m e n ta r er e s p o n s et oe n v i r o n m e n t a lc h a n g e s t h er u l eo ft h e mi sd i f f e r e n tw i t h d i f f e r e n tf o r m a t i o ns t y l eo ft h ed u s td e p o s i t e d t h el o e s s - p a l e o s o ls e q u e n c eo ft h e c h i n e s el o e s sp l a t e a ui sf o r m e do i lt h ec o n d i t i o no fd r ya n dc o l dc l i m a t et ow a r m a n dh u m i dc l i m a t ea l t e n a t e l y , d u r i n gd u s td e p o s i t i n ga n ds o i l f o r m i n gp r o c e s si n t h eg l a c i e r i n t e r g l a c i e rc y c l ei nq u a t e r n a r y t h ee s s e n c eo fs o i lf o r m a t i o ni st h e c o m p o s i t i n ga n dm i g r a t i n gr e n e w e d l yo fa l ls o r t so fe l e m e n t g e o c h e m i c a la n a l y s eh a v eb e e nc a r r i e do u to nt h es a m p l e st a k e nf r o mt h e l a s t8 0 0k al o e s s p a l e o s o ls e q u e n c e sa tp e n g y a n g t h er e s u l t ss h o wt h a t ：d u r i n g l o e s sp e d o g e n e s i s ，t h ec o n s t i t u e n t sc a c 0 3 ，m g o ，k 2 0 ，a n dn a 2 0t e n dt om i g r a t e ， b u ta 1 2 0 3 ，f e 2 0 3 ，t i 0 2a n dm n ot od e p o s i t v i o l e n tl e a c h i n go fc a r b o n a t e si n p a l e o s o ll a y e r sw o u l ds t r o n g l ya f f e c ti h ed i s t r i b u t i o n so fo t h e rc o n s t i t u e n t si nt h e s e c t i o n ，w h i c hr e s u l t e di nt h er e l a t i v ee n r i c h m e n to fs o m ee l e m e n t s i nt h e p a l e o s 0 1 a l t h o u g hl o e s sg e o c h e m i c a li n d e xi s a ni m p o r t a n ti n d i c a t o ro fe x p l a i n i n g c l i m a t ec m n g e sd u r i n gq u a t e r n a r y ，t h ec l i m a t er u l e st os o m ei n d e x e sa r en o td o n e w e l le n o u g h ，l a c k e df o rc o r r e c to fo t h e ri n d e x e s i nt h i sp a p e r ，m o r ei n d e x e sa r e s e l e c t e dt ov a l i d a t ee a c ho t h e r ，s u c ha st h eb u r n i n gl o s sp e r c e n t a g e ，c h r o m a ( i n c l u d i n gl 十、a + 、b + ) ，c a c 0 3 ，m i c r o m o r p h o l o g yo fs o i l se t c a tl a s t ，a ns u g g e s t i o ni sm a d et h a tr e n e w i n gl o e s se n v i r o n m e n ti nt h ep a s t n e e d sm o r et h a na na p p r o a c ha n dm o r es c i e n c ei nt h es a r r et i m e l i x i a o ju a n ( e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ) d i r e c t e db ys u i y u z h u ( a s s o c i a t ep r o f e s s o r ) k e yw o r d s ：l o e s s p a l e o s o ls e q u e n c e c h e m i c a lc o m p o s i t i o n e n v i r o n m e n t a li n d e xe n v i r o n m e n t a lc h a n g e s 1 1 1 青岛大学硕士学位论文 引言 随着全球变化科学( g l o b a lc h a n g es c i e n c e ) 的兴起，自上世纪末以来， 数以万计的科学家投入这一领域，组建了以全球环境问题为对象的四大国际科 学计划：国际地圈、生物圈计划( i g b p ) 、世界气候研究计划( w c r p ) 、国际 全球变化中的人为因素计划( i h d p ) 和生物多样性计划( d i v r r s i t a s ) 。而 过去全球变化( p a g e s ) 是i g b p 的核心计划之一，其目的是通过过去地球表 面环境变化规律和机制的研究，弥补现代环境、气候变化观察记录的不足，获 得现代环境和气候变化规律和机制的理解，从而为未来环境变化预测服务。该 研究的关键是要具备这类富存环境变化信息的介质并对其做出正确解释【1 1 。位 于我国中、西部的黄土风尘沉积序列长、面积广，其中历经2 5 m a 沉积形成的 各种各样的古土壤类型，就像一部环境“史书”，记载了中国乃至全球第四纪 以来的环境变迁史。我国从黄土中提取古环境变化信息的工作也以2 0 0 2 年我 国著名黄土学者刘东生院士荣获世界泰勒环境大奖，2 0 0 4 年2 月荣获2 0 0 3 年 度国家最高科技奖等为重要标志，在过去全球变化中已经占据了非常重要的地 位。 目前我们已经知道：气候的变化致使粉尘沉积物经受了不同程度的化学淋 滤和风化成壤作用，在干冷的冰期条件下形成黄土，而在温湿的问冰期则发育 成土壤【2j 。最近在兰州、西峰之间的六盘山附近的彭阳县城阳乡杨塬 ( 3 5 。4 6 1 8 ”n ，1 0 6 。4 3 4 0 ”e ) 发现了一个厚达1 0 8 米的剖面，该剖面与其它剖 面相比，成土强度差异大，不仅具有其它剖面所具有的“黄土”古土壤序列， 而且有风成砂系列。为此，我们选彭阳剖面为研究剖面，通过对彭阳剖面黄土 古土壤系列中元素的分布特征和影响因素，及其在古土壤发生过程中迁移富集 规律的研究，建立了它们在黄土中的迁移序列，并进一步讨论化学成分与其反 映的环境信息的关系。这些都可为环境演变中环境示踪指标的选择提供必需基 础。 从一般意义上讲，环境变化指标是衡量环境变化及其幅度的标尺和根基 引言 1 1 。作为本应用以反映区域差异、时序变化的标准不应该过多地受到地域和时 间的限制；作为环境变化的根基和中心，环境变化指标的形成机制也必须经得 起多学科验证口j 。在我国黄土的研究中，化学成分与环境变迁是最重要的基本 研究内容之一，这是化学成分具有多方面的应用价值和黄土地层的形成受环境 控制决定的。在母质均一和地形、地貌相同的条件下，土壤的化学风化程度主 要取决于气候，因此，衡量土壤风化程度的化学指标可视为气候、环境变化的 指标。黄土化学成分是黄土物质成分迁移、富集的表现，它能够指示气候的演 变、古土壤的类型和风化成壤作用的强弱，还能指示地下水入渗形式和分带以 及土壤在农业生产上的应用等价值【4 1 。 本论文的主要工作是：测定所选剖面( 彭阳剖面) 黄土古土壤层的化学元 素含量。根据元素的分布特征和影响因素，以及在古土壤发生过程中迁移富集 规律的研究，建立它们在黄土中的迁移序列。根据元素含量和迁移规律，结合 化学分析，图谱对比等方法，进一步探讨其指示的环境变化，特别是古环境变 化。探讨元素含量与其所反映的气候关系。探讨如何用古土壤化学成分的含量 多少判断土壤类型和黄土发育条件。尝试着分析和观察土壤微行态特征，最后 重点讨论黄土烧失率与磁化率、粒度、色度等其它环境指标在解释古环境信息 方面的对比。已有研究证明，运用多指标对比印证的方法探讨黄土一古土壤， 对深刻揭示黄土古土壤序列蕴藏的古气候和古环境信息具有重要意义。 2 青岛大学硕士学位论文 1 1 研究区简介 第一章绪论 彭阳县位于六盘山脉东麓黄土高原西部，介于东经1 0 6 。3 2 1 0 6 05 8 ，北纬 3 5 。4 1 一3 6 。l7 ；境内海拔1 2 4 8 2 4 1 6 米；全县面积2 5 3 2 3 k m 2 ；人口2 4 5 万；被 红、茹、浦三河及其沟壑切割成许多碎片，形成北部黄土丘陵区，中部河谷残 源区和西南部土石质山区；地形由西北向东南成坡状降斜；土地类型复杂多样， 呈现川、台、源、沟、坡等镶嵌分布( 图1 2 ) ，以山坡地占主导地位；属温带 半干旱区，年均温6 8 5 ，年日照时数2 5 18 小时，年均降水量4 5 0 m m ，7 - 9 月 份降水量占全年的6 0 ，3 - 6 月份易发生干旱；土地类型为黑沪土，新积土，山 地灰褐土和山地粗骨土。研究区的位置和基本形势如下图1 1 。 图1 1 彭阳削面地理位置图 第一章绪论 1 2 研究现状 图1 2 彭阳剖面外景 黄土作为一个地质单元为早期来华工作的西方地质学家所注意，始自1 9 世纪【5 】。庞培利可能是外国地质学家中提到黄土的第一人，他观察了我国北 方的黄土，追究其成因，认为黄土是湖泊沉积物。继此之后李希霍芬提出了 黄土风成学说，并为捍卫自己的黄土风成学说，写了一篇论战性文章，刊登 在英国地质杂志( g e o l o g i c a lm a g a z i n e ) 上。奥勃鲁契夫把黄土分为冷黄土和 热黄土，1 9 5 5 年，刘东生曾接到他来信讨论红色黄土的问题他认为红色土 是黄土。梭颇最早认出了黄土中的古土壤层，这是第四纪地质学基础理论中 的一个重要问题古气候信息的全球可对比性。德日进和杨钟建第一次把 我国黄土高原厚达3 0 0 余米的黄土划分为马兰黄土，红色土a 、b 、c 等四层。 后来，大量的工作表明，我国学者对黄土的划分和德、杨的划分基本是一致 的1 6 1 。 我国学者对黄土地层中的化学成分和环境进行了大量研究，取得了许多非 4 青岛大学硕士学位论文 常重要的成果。刘东生先生等在1 9 6 6 年和1 9 8 5 年先后出版了黄土物质成分与 结构和黄土与环境等多部与化学成分和环境演变有关的专著。安芷生、 朱显谟、张宗祜、孙建中、文启忠教授等也出版或发表了许多研究黄土化学成 分与环境的重要论著。根据化学成分并结合其他指标分析，现已认识到黄土中 发育有棕壤土、棕褐土、淋溶褐土、典型褐土及黑垆土( 安芷生等，19 8 0 ；唐 克丽，1 9 8 1 ) 。认识到了我国黄土所反映的气候变化可与深海沉积气候对比， 基本查明了气候变化的规律和周期性，获得了高分辨率的气候划分方岸。15 万1 万年间环境研究的分辨率已达到千年级，l 万年来环境变化分辨率已达百 年级。认识到黄土中存在新仙女木( y o u n g e r ) 与赫里奇( h e r i n r i c h ) 突变事 件( 郭正堂等，1 9 9 6 年) ，以及气候的不稳定性( 方小敏等，1 9 9 9 ) 。注意到了 全球气候变化对东亚季风气候的影响，并对冰期与问冰期冬、夏季风活动的强 度、影响范围和变化规律等开展了深入研究。郭正堂利用甘肃西峰镇和陕西长 武黄土源区的剖面黄土与古土壤中的析出铁f e o 年d 全铁f e 2 0 3 代表的风化强度 比值作为夏季风的代用指标，这一指标具有全球意义。赵景波根据黄土地层化 学成分迁移与淀积类型的研究，建立了黄土化学成分的淀积理论，并以此为指 导，结合化学分析和其他方法，研究了黄土高原黄土发育以来的环境变化。 早期的黄土元素地球化学研究工作主要集中于黄土地层、物质组成与物质 来源的研究【7 】。黄土古土壤序列的化学成分不仅取决于来源物质的化学组分， 而且与风尘沉积后的化学风化程度有关。以往的研究表明【8j 黄土颗粒在源区已 经历了中等程度的化学风化，搬运至黄土高原后，沉积物化学元素的分布主要 受到当时沉积环境的影响1 9 】。已有的研究表明2 。l ，各种古气候变化的代用指 标是恢复古气候变化和了解过去气候变化机制和变迁过程的有效方法。 最近黄土元素地球化学的研究【1 0 2 3 1 主要集中在化学风化、气候和环境指 标的元素地球化学分析以及对黄土来源物质的进一步调查。 粉尘沉积物风化作用的研究对黄土古土壤序列的风化程度有了初步的了 解和认识。陈骏【加一1 l 等对黄土化学风化过程的实验分析发现，黄土中仅c a 、 s r 、p 、m g 和n a 元素在化学风化过程中为主要活动元素，这些元素相对于 a j 在古土壤中都亏损。据此，他们认为黄土的化学风化处于初级阶段，即脱 5 第一章绪论 c a 去n a 阶段。顾兆炎等【1 2 1 运用1 0 b e 作为示踪剂对粉尘沉积物的淋滤常数进 行了计算，并对黄土中古土壤的风化淋滤程度进行估计，获得了硅酸盐中c a 、 n a 、m g 、u 、k 和s i 在当地风化过程平均淋溶损失分别为4 3 ，2 5 、18 ， 1 7 ，约2 和约4 的结论。这两项研究从不同途径得到了相同的黄土化学风 化特征，即黄土的化学风化为去除易溶碱性元素的过程。 气候、环境指标的元素地球化学分析为提取黄土古土壤序列中蕴藏的古 气候和古环境信息提供了新的途径。刘东生等”】根据t i 在风化过程中不移动 性及抗化学风化的石英矿物在粉尘粗粒级富集的特征，首次将s i 0 2 t i 0 2 值作 为指示冬季风强度的大气粉尘粒度的替代指标，用来解释0 15 m a 以来黄土高 原冬季风变化。郭正堂【2 4 1 等( 1 9 9 6 ) 注意到成壤过程中元素的迁移特征以及 风化产物的组分，将化学成分变化指标c l a ( ) = a 1 2 0 3 ( a 1 2 0 3 + c a o + k 2 0 + n a 2 0 ) x 1 0 0 ( 摩尔比) 及游离铁全铁比值作为与古夏季 风强度有关的黄土一古土壤序列风化强度的替代性指标，揭示了末次冰期黄土 高原夏季风的不稳定性。陈骏 15 - 1 7 1 等( 1 9 9 8 ，1 9 9 9 ) 在考察若干微量元素的 基础上通过与广泛运用的气候替代指标磁化率的对比，认为r b s r 比值具有明 显的气候意义，在黄土一古土壤序列中r b s r 比值可以作为衡量东亚夏季风强 度的替代性指标。 开展黄土粉尘来源物质的研究对进一步理解粉尘的产生过程，以及将沙漠 一黄土作为一个统一的气候和环境系统研究具有重要意义。顾兆炎等”1 通过研 究黄土u t h 系列同位素指出，黄土粉尘物质沉积前约1 0 s a 内曾经历了化学风 化作用，使粉尘沉积时2 3 8 u 2 3 0 t i t 放射性活度不平衡，并结合1 0 b e 的研究对粉 尘母质的化学成分和粉尘在源区的风化程度进行了合理的估计。s g a l l e t 等 d 8 - 19 1 对世界黄土和中国洛川o 8 m a 以来黄土一古土壤序列主要元素、微量元素 和同位素做了系统研究：稀土元素分析表明，黄土物质在源区与母质分离后， 大多曾受到流水的搬运进入沉积体系，而后才被搬运到堆积区：n a 2 0 a 1 2 0 3 值相当于k 2 0 a 1 2 0 3 值的变化，暗示粉尘颗粒至少经历了一次，而更多的情况 下是多次的沉积分异过程；根据黄土沉积物的化学变异系数同样认为黄土颗粒 在源区就遭受了中等程度的化学风化。另外，大气粉尘化学分析和研究m 2 1 】 6 青岛大学硕士学位论文 为揭示现代粉尘的产生、源区、传输、沉降及其与气候的关系具显著效果。 经过越来越多的地球化学工作，逐渐对大气粉尘沉积物的物质组成和地球 化学特征有比较深刻了解和认识。最近的黄土古土壤序列之下的红粘土序列 稀土元素的分析【2 2 1 对理解红粘土的成因起到了一定的作用。长达7 m a 粉尘沉 积物序列的地球化学分析【2 3 揭示了粉尘化学组成在长时间尺度( 1 0 6 ) 上变化 的特征，这种变化可能暗示了中国北方数百万年来构造气候的演化。 综观既往黄土研究，虽然取得举世瞩目的研究成果，但研究领域主要集中 于第四纪地层学。大多数学者把黄土视为风力沉积层，在p a g e s 研究中也只 是把黄土作为反映风力大小的介质。由于学科的限制，其主要环境替代指标、 断代定年及变化周期机制等方面仍有“难圆”之处。许多研究成果之间相互矛盾 的情况时有发生，造成了黄土研究难以深化的现状。 1 3 研究方法 本文采用实验测试和多指标对比的分析方法。 ( 1 ) 实验分析：本论文实验所用黄土一古土壤样品取自彭阳剖面 ( 3 5 0 4 6 18 ”n ，1 0 6 0 4 3 4 0 ”e ) ，该剖面厚达1 0 8 1 米。地面以下1 米以上为人 类活动层，土层遭破坏，故从地面以下1 米处开始至剖面1 0 8 1 米之间，每隔 1 0 c m 依次采集样品。样品的全分析实验共测试了n a 、k 、m g 、c a 、a 1 、f e 、 t i 、m n 、p 等九种元素的百分含量，第二章对全分析实验有专门介绍，故在此 不详细叙述。引用古地磁定年实验资料，对研究剖面断代定年。另外，野外对 黄土一古土壤的宏观成壤强度参照土壤地理研究法的野外土壤形态描述方 法进行详细的观察和描述，土壤微形态按不同发生层取样，在偏光显微镜下观 测，并对部分样品拍照。高温烧失率在青岛大学环境实验室参照文献测试，所 需仪器仅为常用的瓷坩埚、高温电炉、电子称、干燥器，无需任何试剂和复杂 的前处理，仅耗少量电能。为与常用环境变化代用指标进行对比，在兰州大学 西部环境教育部重点实验室进行了磁化率、色度、c a c 0 3 等指标的测试分析。 磁化率采用b a r t i n g t o nm s 2 一磁化率仪测量：c a c 0 3 分析采用气量法；色度用 美能达公司m i n o l t ac m 5 0 8 i 和s p a d 2 5 0 土色仪测量( 它们都是基于c i e 标 7 第一章绪论 准制造，是目前最流行的分光测色仪之) 。 ( 2 ) 多指标对比分析：这种方法是目前环境变化研究中普遍采用的方法。 主要是根据不同的环境代用指标互相印证各自在指示环境意义方面的一致 性，从而为环境变化提供更可靠的信息。由于各指标测试方法，手段、精度、 总采样时间序列长度等因素影响，局部细节处有不致的地方，但经校正后总 体趋势都是一致的，所以多指标相互印证是很有效的方法。 8 青岛大学硕士学位论文 第二章样品采集与实验 2 1 样品采集与准备 样品的采集地点选定在彭阳县。把彭阳剖面分为九层( 每层又可继续向 、 下分) 。把彭阳剖面古土壤序列划分为s 0 到s 8 。具体为1 0 - 2 8 米、9 8 1 5 0 米、1 6 2 2 7 0 米、3 1 8 4 2 5 米、5 6 0 6 5 8 米、6 8 0 7 2 1 米、7 7 8 8 5 5 米、8 9 6 9 5 2 米和9 6 6 - 9 8 8 米。从深度1 米到1 0 8 1 米以1 0 厘米为间隔采集样品，采样间 距选为1 0 e r a ，基本代表了大约0 8 x 1 0 3 k a 尺度的时间分辨率。选取有代表性样 品1 0 0 个进行9 种化学元素的含量测定。对所有样品进行烧失率、磁化率和碳 酸盐含量的测定。 采集古地磁样品前对剖面表土进行了揭露，探槽深2 - 8 米。古地磁样品皆 按常规加工成边长2 2 5 c m 的立方体，放入边长为2 5 e m 的塑料盒内，每组样 品加工三个标本。全剖面以l 米间隔采样，共采集1 0 5 组。 2 2 全分析实验 2 2 1 实验方法 ( 1 )实验设备及主要工作参数的选择 本实验使用的仪器为：美国珀金埃尔默( 简称p e ) 公司o p t i m a 3 0 0 0 型全 谱直度等离子体原子发射光谱仪：r f 发生器频率为( 4 0 m h z ) ；交叉型雾化器； 三层同心可拆卸式石英炬管：三通道蠕动泵；d e c 4 3 3 d x 微机。 在不同功率、不同载气量和观测高度的测试条件下分别进行实验，发现大 部分元素在功率为1 3 k w 、载气流量为o 8 l m i n 、观察高度在1 5 r a m 处有较好 的谱线强度。因此，确定多元素同时分析时最佳测试条件下的工作参数选择如 下： 正向射频功率 1 3 k w 冷却气流量1 5l m i n 辅助气流量 0 5l m i n 9 第二章样品采集与实验 载气流量o 8 l m i n 观测高度 1 5 m m 积分时间1 1 0 s 重复读数次数3 次 ( 2 ) 前处理技术 将选取的样品放在玛瑙研钵中手工磨细，并用2 0 0 目的尼龙网筛筛样，过 筛后的样品在8 0 。c 下烘约4 小时，烘干备用。准确称取0 1 0 0 0 9 样品于聚四氟 乙烯坩埚中，加少量水湿润，并依次加入1 0 m l h f ，5 m l h n 0 3 ，2 m l h c l 0 4 ； 在电热板上加热( 2 1 0 ) ，直至白烟冒尽，放置、冷却。再加入2 m l h c l 0 4 ， 继续在2 1 0 。c 下加热至白烟冒尽，取下坩埚，冷却；加入1 0 m l h c l ，加热，使 盐类溶解，取下，冷却，用蒸馏水定容于5 0 m l 容量瓶。此为待测液。 前处理所用试剂均为优级纯，实验用水为1 8 2 兆欧的纯净水。 ( 3 ) 测样与校准 测量四个平行标准样品和空白样品，结果表明标准样品平行性良好，选用 一个标准样( 7 3 15 一1 ) 。在测试过程中，每隔1 0 个样测量一次标准样品( 7 3 1 5 1 ) ， 以确任仪器准确性和校准测量值，选用的校准公式为： 测试结果= 测样值+ 测样值+ 校正系数 校正系数= ( 标准值一测试标准值) n 试标准值 2 2 2 分析方法 9 9 以上的地壳物质由化学成分全分析所含盖的1 0 种元素的氧化物所组 成，因此化学全分析能够揭示绝大多数岩石、沉积物以及土壤等地质样品的化 学组成特征24 1 。本文工作的重点之一就是黄土和古土壤的化学全分析。样品 的化学分析在国家海洋局海洋沉积与环境地质重点实验室进行。因s i 被强酸 氧化，高温加热时随烟气带走，且其分子量与载气分子量相近，故全谱直度等 离子体原子发射光谱仪不能测定s i 的含量，所以本实验只测定n a 、k 、m g 、 c a 、a l 、f e 、t i 、m n 、p 等九种元素的氧化物含量。实验数据见附录1 。 1 0 青岛大学硕士学位论文 2 3 古地磁定年实验 2 3 1 实验过程 古地磁定年分别在兰州大学西部环境教育部重点实验室j r 一5 a 旋转磁力 仪、中科院地球环境研究所环境磁学实验室z g u c h a n n e l s 超导磁力仪上经l3 步热退磁、1 1 步交变退磁完成。 首先，测量了天然剩磁，然后以5 0o e 步长作系统交变退磁直到5 0 0o e ， 样品在退到3 0 0o e 时基本可以退掉次生剩磁，获得稳定的原生剩磁。在t d 4 8 大容量热退磁仪进行热退磁处理，样品剩磁强度在j r - 5 a 高精度旋转磁力仪 上进行测定。热退磁仪样品出口和旋转磁力仪样品测定部位均置于大型霍尔姆 兹地磁屏蔽架中央( 2 0 e r a 半径区域内抵消磁场小于2 0 毫高斯) ，以最大限度 消除地磁场的影响。退磁过程为选择黄土、古土壤代表性样品在2 5 6 8 5 范 围内进行l8 步系统热退磁，大多数样品均表现出基本一致的变化趋势，即在约 2 0 0 c 剩磁矢量强度和角度发生了较大的转折，代表了粘滞剩磁的去除。3 0 0 。c 后剩磁方向随温度升高表现出稳定的原点走向，视为原生剩磁。因此，其余样 品以3 0 0 5 5 0 退磁温度进行3 - 4 步退磁分析，然后经主成分分析得出特征剩 磁方向。 为确保测试结果的可靠性，又把另一套样品在中科院地球环境研究所环境 磁学实验室z g u c h a n n e l s 超导磁力仪上进行了1 1 步交变退磁测试。两处测试 结果完全一致。 2 32 结果与讨论 我们利用实验所得数据，绘成图，结果显示于图2 1 。图2 1 表明深 度1 0 3 米以上磁极性基本上都为正磁极，仅在深度6 5 米处有一个短暂的倒转 事件，1 0 3 米以下磁极性基本为倒转的负磁极。因此，我们将1 0 3 米以上部分 视为布容正极性世，以下视为松山反极性世。 第二章样品采集与实验 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 宝 喜 皇 k k 一 * p = = = 卜 9 02 7 04 5 0 - 9 009 c 深度( m )磁偏角( 度)磁倾角( 度) b m 图2 1彭阳黄土剖面和古地磁极性变化 f i g 2 - 1l o e s ss e c t i o na n dp a l e o g e o m a g n e t i s mp o l a r i t yi np e n g y a n g 以地表和b m 界线( o 7 8 m a ) 为控制点，运用磁化率在古地磁转换 界限之间内插定年( 见公式2 - ( 1 ) ) ，得出本剖面各层时间序列。如表2 1 。 _ = i + f 善d + 量 旺一耳r 主d ， 一 _ 2 i + l 酗b 一严一耳u q 吣，j t m ，欲测定的某一层位年龄 1 2 2 ( 1 ) 青岛大学硕士学位论文 t 1 ，已标定的较年轻年龄 t 2 ，已标定的较老的n 层的年龄，而且是被分析序列中最老的层位 a ，每一土壤磁化率测量面所代表的厚度间隔 s ，磁化率。 1 3 第二章样品采集与实验 表2 1 彭阳剖面各层时间序列表 深度年代 深度 年代深度 年代深度 年代 ( 1 1 1 )( k a )( i n )( k a )( m )( k a )( m )( k a ) 106 8 8 0 52 82 0 1 8 8 9 65 53 9 3 7 6 2 98 26 0 3 0 3 1 6 27 6 4 4 6 32 92 0 7 8 7 8 75 64 0 1 7 7 18 36 1 0 2 2 4 1 4 3 1 48 0 3 9 2 3 02 1 3 9 9 35 74 1 2 5 3 9 18 46 1 7 4 8 5 2 42 2 0 4 2 6 2 3 l2 2 0 2 5 8 45 84 2 3 7 7 5 8 18 56 2 4 3 2 2 52 9 3 3 8 0 33 22 2 7 4 4 61 5 94 3 2 0 0 3 3 48 66 3 1 6 6 7 9 1 63 6 6 9 9 6 4 3 32 3 4 2 7 8 7 6 0 4 4 i 2 0 3 48 76 3 8 5 2 3 9 4 7 4 3 9 4 2 6 63 42 4 1 5 1 0 36 14 5 0 7 2 2 7 58 86 4 5 2 4 l l5 85 0 6 8 2 2 83 52 4 8 8 5 1 26 24 5 9 ，3 0 7 5 58 96 5 2 3 2 2 3 3 95 6 7 8 2 5 93 62 5 6 0 8 4 66 34 6 7 1 5 9 5 39 06 6 0 2 8 3 0 7 1 06 3 4 2 2 6 63 72 6 3 o l8 86 44 7 3 7 2 09 16 6 9 3 2 6 2 4 1 1 7 2 18 0 6 83 82 7 0 0 6 6 96 54 8 0 5 4 819 26 7 8 7 0 6 3 3 1 2 8 0 8 7 0 8 43 92 7 7 3 4 81 6 6 4 8 8 5 8 5 29 36 8 7 9 0 4 8 8 1 38 7 7 5 184 02 8 4 6 6 0 36 74 9 6 2 7 7 6 29 46 9 7 2 9 6 3 9 1 49 5 6 3 9 8 3 4 1 2 9 1 9 5 3 56 85 0 2 8 5 5 3 39 57 0 6 4 5 5 6 1 1 51 0 3 8 3 2 14 22 9 9 6 0 7 76 95 0 9 6 1 6 59 67 15 ，2 7 3 4 5 1 61 1 0 8 1 2 34 33 0 7 1 2 0 37 05 1 6 8 0 7 7 89 77 2 3 7 0 6 4 1 7l l8 5 6 0 94 43 1 4 1 0 2 57 15 2 3 7 9 9 1 89 87 3 3 1 4 1 6 3 181 2 6 1 2 9 34 53 2 1 2 0 7 97 25 3 0 7 2 5 5 29 97 4 2 8 0 4 4 5 1 91 3 3 7 5 5 54 63 2 7 6 1 7 67 35 3 7 4 6 0 4 51 0 07 5 1 9 3 1 9 8 2 01 4 1 3 1 1 74 73 3 3 9 3 2 37 45 4 4 3 4 4 1 81 0 i7 6 1 1 0 7 0 6 2 l1 4 8 3 7 8 6 4 83 4 0 2 4 4 97 5 5 5 1 2 8 5 5 91 0 27 7 0 1 9 13 1 2 215 5 3 0 9 94 9 3 4 7 9 4 1 7 7 65 5 8 2 4 6 71 0 37 7 8 5 5 8 2 6 2 316 2 3 7 4 8 5 03 5 5 6 8 5 67 7 5 6 5 2 8 1 4 1 0 47 8 4 6 9 4 6 4 2 41 6 9 6 1 2 l 5 13 6 3 4 9 0 57 8 5 7 2 9 0 11 1 0 5 7 9 0 5 5 8 4 1 2 5l7 7 6 4 2 4 5 2 3 7 0 7 57 95 8 0 9 4 9 91 0 67 9 7 0 2 5 7 7 2 61 8 5 7 l3 85 33 7 7 5 7 0l8 05 8 8 5 8 1 61 0 78 0 4 3 6 2 5 9 2 719 3 9 6 8 65 43 8 5 5 9 8 98 15 9 5 8 7 6 31 0 88 l3 5 5 7 7 9 1 4 青岛大学硕士学位论文 第三章黄土一古土壤序列化学组成的特征和分布 3 1 黄土一古土壤序列中化学组成的分布特征 黄土中的常量元素主要是以氧化物形式表示。剖面氧化物含量的变化，除 古土壤中氧化物含量有别于黄土之外，各不同时代黄土中氧化物含量的变化并 不明显。通过对彭阳剖面样品化学全分析以及碳酸盐含量测量，获得了本剖面 黄土一古土壤序列物质变化的地球化学记录。图3 1 显示，主要化学成分不仅在 地层序列上有明显的变化特征，而且同一层黄土和古土壤主要化学成分在空间 上也存在明显的变化。 根据附录l 的实验数据，以取样深度为纵坐标，各元素氧化物含量为横坐 标，作图3 1 。 深度叮t i 0 ： m 9 0c a c 仉 g e ，0 ， 图3 1 彭阳剖面化学组成图谱 1 5 第三章黄土一古土壤序列化学组成的特征雨i 分布 由图3 1 可以看出，从上往下，各元素的氧化物含量在黄土古土壤中由高 到低或由低到高交替出现，到底部峰值略有减少。p 增加和减少幅度很大，在 曲线上表现为峰值突起较多，甚至在同一层古土壤序列s 1 和s 4 中，p 含量变化 也很明显，从上到下，s 1 中逐渐增加，而在s 4 中，先突然增加后逐渐减小。 在地面以下8 3 5 米( 距今6 1 0k a ) 处，p 氧化物含量达到最大值0 2 4 ，在其 所处的整个古土壤层s 6 中，p 氧化物含量比较稳定，且均为高值，范围为 o 2 0 0 2 4 。在地面以下8 4 米( 距今5 3 k a ) 处，p 氧化物含量最小，仅为0 1 1 ， 在这一黄土层序列中，p 均偏低，只有地面以下4 8 米处可高达0 1 6 ，其余处 都不超过0 1 4 ，可见p 在这一黄土层序列中比较稳定。p 含量变化的主要表现 为在古土壤层中高，在黄土层中低，前者大概是后者的1 5 2 倍。p 含量的多少 反应了成壤强度的强弱，p 较多的古土壤层，成壤强度较强，形成时气候较湿 润。 n a 与m g 的氧化物百分含量曲线相关性较好，高值区与峰值对应状况很好， 均在地面以下1 6 5 米处，有一个峰值，这一层虽大部分属古土壤序列，但最高 峰值不在本区，而是在地面以下1 5 8 米处，n a 为2 5 5 ，m g 为3 4 6 ， n a 与 m g 在黄土层中含量较高。在古土壤层s 4 e o ，n a 与m g 含量均比上一层黄土层中 含量低，图谱上显示明显波谷。总之，除在古土壤s 2 外，n a 与m g 在其余古土 壤层中基本是低值，在黄土中显示高值。 c a o 的含量从上往下逐渐减小，减至地面以下5 6 米处时突然减小，在地面 以下5 7 6 米s 4 古土壤顶端处，c a o 的百分含量仅为0 9 8 ，接近于1 ，而在6 6 6 米处的黄土中的含量迅速达到15 6 6 。这表明，c a 元素迁移能力很大，从上 部往下部迁移，在底部积聚，表现为在古土壤层中从上到下含量增加；同时说 明自4 9 3 万年前至4 2 万年前这一期间，碳酸盐遭到的淋滤作用很小，而淀积较 强，所以c a 表现为富集，百分含量也高。这一期间经历了一个由温暖逐渐变 干冷的气候，降雨量逐渐减少。在地面以下6 7 米处至9 4 8 米处，减小趋势较小， 从1 0 1 4 缓慢减至7 0 3 ，表明白7 0 5 万年前至1 1 4 9 6 年前，c a 迁移活动减缓， 没有遭受太大的淋滤作用，同时在此期间，气候变化不激烈，较温暖，降雨适 中。在地面以下9 4 9 米至剖面底部1 0 8 米处，c a o 含量变化不大，除地面以下 1 6 青岛大学硕士学位论文 1 0 2 3 米处和地面以下1 0 7 4 米处，低于5 夕t - ，其余处基本在5 2 6 8 范围内。 这期间c a 也发生了迁移，只是活动性不及4 9 3 万年前至4 2 万年前强烈。 k 与a l 的氧化物含量曲线变化趋势较一致，从上往下，表现出在黄土中比 在古土壤中百分含量低。但在地面以下1 5 8 米黄土层处，k 2 0 含量却达到最高 值，为3 2 3 ，a 1 2 0 3 为1 6 5 8 ，此时正值1 0 9 万年前，出现了个冷暖期交替 处，气候变化非常激烈，化学组成含量表现异常，不符合其在古土壤中含量高， 而在黄土层中含量低的规律。从整个剖面来看，k 的含量变化不及a j 变化大， 前者最最小值为1 5 3 ，后者为7 ，3 3 。在间冰期形成的古土壤中有较低的钾 含量，未风化的类石英一长石质黄土中有高的钾量。钾的这种记录与风化程度 有关，而且还与母岩的差别有关。钾在剖面中的分布较好显示出：钾的低值对 应暖期，而古土壤正是在相对暖湿的气候条件下形成的；高值对应冷期，黄土 在干冷的冰期形成。 t i 0 2 和m n 0 2 比较稳定，且含量较少。t i 0 2 最高含量不到1 ，出现在古土 壤s 1 中；m n 0 2 含量更少，最高值仅0 1 2 ，出现在s 1 和s 2 中。在地面以下3 8 米处往下，除个别峰值外，二者百分含量基本上变化不大。f e 2 0 3 与t i 0 2 、m n 0 2 相关性最好，在地面以下1 3 7 米处( 距今约9 3 k a ) ，含量最高，为6 3 7 ，而在 地面以下8 4 米( 距今约5 3 k a ) 处，含量最少，仅为2 7 8 。可见在距今9 3 k a 5 3 k a 问，有一个气温逐渐降低的暖期，在地面以下2 6 米至1 0 2 5 米之间，除5 7 6 5 8 米外，f e 2 0 3 含量变化不大，基本稳定。可见，在距今4 1 9 4 2 万年间，曾有一 个激烈的气候变化。 彭阳黄土古土壤剖面中c a c 0 3 含量由下而上总的趋势是略微增加，说明 第四纪以来气候逐渐干旱。这与本文随后所讨论烧失率、色度、土壤微形态等 所得的结果一致。但丛c a c 0 3 含量总的升高趋势中，还可看出曲线上周期性的 起伏变化。除古土壤中的粘化层中c a c 0 3 含量显著减少外，在每一层黄土中也 有l 一2 个含量高、低值的峰谷显示，说明在黄土堆积过程中曾有过若干次较小 的干冷和温湿的气候波动。同时c a c 0 3 含量的变化还具有周期性，似也反映了 黄土堆积以来气候变迁的周期性。 1 7 第三章黄土古土壤序列化学组成的特征和分布 3 2 风化成土过程中元素的迁移序列 彭阳黄土剖面中各主要化学组分的含量范围和平均含量列于表3 1 。由表 3 1 可见，a 1 2 0 3 的平均值为1 1 4 0 7 ，c a o 的平均值为7 9 9 2 ，仅次于a 1 2 0 3 。黄土中 的c a 0 主要以c a c 0 3 的形式存在，从而使黄土具有富含碳酸盐的典型特征。因 此，在探讨元素的迁移序列前，有必要先讨论一 6 c a c 0 3 的变化。 表3 1 彭阳剖面黄土一古土壤主要化学组分分析结果( ) t a b l e 3 1m a j o rc h e m i c a lc o m p o s i t i o n so ft h ep e n g y a n gl o e s s - p a l e o s o ll a y e r s ( ) 测定值用c a c o 。含量校正后+ 组分 样品数范围值平均值范围值平均值 a 1 2 0 3 1 0 07 3 2 8 1 6 5 8 31 1 4 0 77 3 7 0 2 4 1 1813 4 7 5 f e 2 0 3 1 0 02 7 7 8 6 3 74 3 7 92 7 9 4 9 2 6 55 1 7 4 c a o1 0 00 9 8 3 15 6 67 ，9 9 2 0 9 8 9 2 2 7 7 6 94 4 1 m g o 1 0 0 1 5 4 7 3 4 6 5 2 0 1 4 1 5 5 6 5 0 3 9 2 3 7 9 k 2 0 1 0 01 5 3 0 3 2 3 02 2 4 31 5 3 9 4 6 9 82 6 5 0 n a 2 0 1 0 01 0 4 8 2 5 5 21 5 9 51 0 5 4 - 3 7 1 21 8 8 4 t i 0 2 1 0 00 ，4 1 5 o 8 9 7o6 0 80 4 1 7 1 3 0 50 7 18 m n o1 0 00 0 5 4 0 1 1 70 0 8 4 0 0 5 4 - 0 17 0 0 0 9 9 p 2 0 s 1 0 0 0 10 7 0 2 6 8o 18 4o 10 8 o 3 9 0o 2 18 c a c 0 3 1 0 0 0 5 7 4 31 2 4 3l5 3 5 1 注：校正值= 测定值( 卜c a c 0 3 含量) 1 0 0 各黄土层和古土壤层化学组成的平均含量见表3 2 。分析表3 2 中的数据， 可以把这些组分在剖面上的分布特征分为两类；一类是k 2 0 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、 t i 0 2 、m n o 、p 2 0 5 等，它们在古土壤层中的含量比黄土层高：另一类是n a 2 0 、 m g o 、c a c 0 3 等，是古