（环境科学专业论文）北方红粘土元素地球化学的环境信息辨识研究.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h eg r e a t e rt h i c k n e s sa n dc o n t i n u o u sd e p o s i t i o no ft h el o e s s - r e dc l a y s e d i m e n t a r ys e q u e n c e si nt h en o r t h e r nc h i n a , w h i c hi so n eo ft h et h r e ep i l l a r so ft h e g l o b a lp a s tc l i m a t ec h a n g e ss t u d y , a sw e l la st h el o e s s - r e dc l a ys e d i m e n t a r ys e q u e n c e s b e t t e rr e c o r dt h ei n f o r m a t i o ns u c ha st h ew e s t e r l yw i n dc i r c u l a t i o n , a s i a nm o n s o o n ， r e g i o ns t r u c t u r a lc h a n g e s ，t h ee v o l u t i o no ft h ep o l a ri c ec a p sa n ds oo n ，i tb e c o m e st h e i d e a li n f o r m a t i o nc a r r i e ro nt h ea n c i e n te n v i r o n m e n ta n dc l i m a t ec h a n g e ss i n c et h e t e r t i a r y t h u sm a n ys c h o l a r ss t u d yt h eg l o b a lp a s tc l i m a t ec h a n g e su s i n gi t h o w e v e r , c o m p a r e dw i t ht h em a t u r eq u a t e r n a r yl o e s sr e s e a r c h ，t h er e dc l a yn e e df u r t h e r r e s e a r c hi nm a n ya s p e c t s t h i sp a p e rp r e l i m i n a r i l yd i s c u s s e st h ec h a n g eo fe l e m e n t g e o c h e m i c a l e n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o nb a s e do nt h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h e r e m o v a lo ff e - m n c o a t i n g sa n dt h en o n - r e m o v a lo ff e - m nc o a t i n g si nt h er e dc l a y b a s e do nt h eu n d e r s t a n d i n ga b o u tt h ef o r m a t i o np r i n c i p l e ，s t r u c t u r ea n d c h a r a c t e ro ff e - m nc o a t i n g s ，t h ea u t h o rp r o p o s e st h eb e s tw a ya b o u tr e m o v a lo f f e - m nc o a t i n g s t h a ti st h r e es t e p s ：f i r s tr e m o v ec a r b o n a t e ，t h e nr e m o v eo r g a n i c m a t t e ra n df i n a l l yr e m o v ei r o na n dm a n g a n e s em i n e r a l s f e m nc o a t i n g sh a v eag r e a t e ri m p a c to ns o m es o - c a l l e ds t a b l ee l e m e n t st h a n r e e ( s u c ha sc o ) ，s ot h a tt h e s es t a b l et r a c ee l e m e n t sd on o ta p p l yt ot h es o u r c es t u d y o nt h er e dc l a y h o w e v e r , t h er e ed i s t r i b u t i o np a t t e r n sa f t e rr e m o v a lo ff e - m n c o a t i n g sd on o tc h a n g em u c h t h i sm e a n st h a tt h er e ed i s t r i b u t i o np a t t e r n sa le s u i t a b l ef o rt h es o u r c es t u d yo nt h er e dc l a y a n da f t e rr e m o v a lo ff e m nc o a t i n g s ， h r e eh a v em o r eo b v i o u sc h a n g e st h a n l r e e ，r e s u l t i n gi nt h ec h a n g e so fr e l e v a n t h r e e p a r a m e t e r s k e y w o r d s ：r e dc l a y ；f e m nc o a t i n g s ；e n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o n ；t r a c ee l e m e n t s ；r e e v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：兰鲤查：e l 期：! 丕：2 ：! ! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 日期： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 中国黄土高原上广泛发育着厚度为1 3 0 3 0 0 m 不等的黄土红粘土序列，其 中不仅存在丰富的生物遗存，同时也是晚第三纪以来陆相保留最完整的生物环境 变迁、新构造运动、人类演化和过去全球气候变化的综合信息载体，它与深海沉 积物、极地冰芯并列为过去全球变化研究m g e s ) 的三大支柱【l 】。因此，研究北 方晚第三纪红粘土有可能解决诸如北半球干旱化的发展、两极冰盖的形成和扩 张、青藏高原的隆升、亚洲季风的形成等一些重大地质、气候事件。 近年来，许多学者将第四纪黄土一古土壤的研究手段应用到红粘土研究中， 并得到一系列丰富的环境演化信息【2 5 】。尽管如此，红粘土研究在许多方面仍存 有较大争议，比如铁锰胶膜的存在对红粘土元素地球化学研究的影响等问题，所 以详细深入的系统研究还有待进一步开展。本次论文主要从元素地球化学角度出 发，提出红粘土中普遍存在的铁锰胶膜暗示了f e 、m n 的淋失，且铁锰胶膜在形 成过程中也会对剖面内某些微量元素和稀土元素造成影响，基于铁锰胶膜的多种 环境信息效应，本次论文进行了铁锰胶膜去除前后微量元素和稀土元素的对比研 究。 1 1 北方红粘土分布特征 中国北方第四纪黄土古土壤序列之下，普遍发育了一套晚第三纪的红色粉 砂质粘土沉积，即通常所谓的北方红粘土。该套地层分布范围较广 6 1 ，几乎遍及 整个黄土高原，可分为未出露区和出露区( 见图1 1 ) 。未出露区连续分布，呈碗形， 其西界由于受到青藏运动的强烈改造而比较复杂，大致以乌稍岭为界：南界为秦 岭北缘断裂带；北界大致与长城一致；东界大致位于山西境内的岢岚离石临汾 一带。而出露区呈线性走向，从山西忻州境内，途经太原、介休、洛阳，一直到 宝鸡、西安等地。 目前研究较多的红粘土剖面主要集中于六盘山东西两侧，在六盘山以东的陇 东地区，红粘土主要出露于沟谷内部，在宝鸡北部的千阳、陇县一带的六盘山古 地堑中，由于后期侵蚀或剥蚀，仅局部地方残留有红粘土地层；六盘山以西的陇 西地区红粘土主要分布于汇水盆地内部及沟谷内部。总体上六盘山地区的晚第三 r 海大学硕学位论文 纪红枯土土要不整合于前第三系z 上，如早白垩世六盘山群或晚三叠世延长群之 l ，向上弓第四系不整合接触。 幽11 中国北方红枯 分布( 施炜，2 0 0 6 1 7 1 ) 尽管我国北方红粘土分布范围较广，但不同地区的红半占土沉积厚度比较稳 定，一般在5 0 7 0 m 之间，豫西一带略薄一些，仅陇东个别地点厚度超过l o o m 。 常见红粘土剖面厚度如下：甘肃灵台剖面1 2 0 m 、甘肃西峰巴家咀6 3 m 和赵家川 剖面5 5 m 、西安段家坡剖面5 8 m 、陕北佳县6 5 m 、山西保德红土6 0 m 口i 。灵台剖 面之所以偏厚，与其地处沟谷地带有关州。由此可见，红粘土沉积并没有显示出 类似第四纪黄土一古十壤堆积厚度的空间分异特征。 北方红粘土地层具有一致的地层结构，整个红粘上序列一般由数个红色黄土 组合和与之相间的古土壤组台，每一组合由厚度o3 06 m 的沉积成土壤地层单 元组成。南部剖面f 如西安段家坡、灵台等悔个沉积一成壤地层单元清晰可辨，而 中部剖面r 如西峰和洛川1 很难辨别每一个小层，但大的古土壤和红色黄土组合是 很清楚的。常见剖面分层如下：西安段家坡剖面可辨出7 个红粘土层，旬邑 剖面从土壤微形态特征考虑分成4 段】，朝那剖面分为5 段i ” ，泾川剖面分为6 段”3 i 。尽管分层各异，但红粘土剖面结构面上多有黑色淀积铁锰质胶膜。比如 上海大学硕士学位论文 巴家咀、段家坡等剖面共有6 个层位含有铁锰胶膜( 图1 2 ) ，所以富含铁锰胶膜 是北方晚第三纪红粘土的重要特征之一。此外，晚第三纪红粘土成壤强度自北向 南逐渐增加，例如南部的西安段家坡剖面和甘肃灵台剖面成壤强度显著强于北部 的甘肃西峰和陕北红粘土堆积，这是因为东亚季风系统的基本建立和季风降水主 要来自东南【l 】，剖面内铁质粘粒胶膜含量自北向南也逐渐增加，尤其在发育较好 的层位均出现大量铁锰胶膜。一般而言，红粘土颜色显著红于上覆古土壤层，其 成壤程度普遍较强，粘粒含量较高并部分有明显的定向性，结构面上多覆有铁锰 质薄膜，暗示了红粘土经受了强烈的风化【1 4 1 。总之，大量铁锰胶膜的存在是中 国北方晚第三纪红粘土区别于上覆第四纪黄土的一个显著特点。 段家坡朝那 r c 2 r c 3 r c 4 r c 5 r c 6 l l l l 黜膜e 龇聩区铁戤 r c l 骼2 r 烈：4 r c 5 图1 2 北方红粘土剖面铁锰胶膜分布 以赵家川剖面为例，红粘土厚5 5 m ，具体描述如下【l 】： r c l ：淡黄橙色亮红棕色粘土，团粒结构，局部可见假菌丝体发育，包括2 层厚度约8 0 e r a 的淡黄橙色黄土层，含大量蜗牛化石； r c 2 ：亮红棕色红色粘土结核互层，团粒结构明显，粘粒胶膜和f e 、m n 胶膜发育，多见白色假菌丝体分布，球粒状钙质结核不仅似成层分布而且散布于 与其互层的红粘土中，在该复合层的中下部，成壤作用尤为显著。该复合层包含 有8 个红粘土钙质结核互层； 3 1 2 3 4 5 8 7 吡 昭 盼 嬲 舳 口目h目 1 2 3 4 5 6 7 棚 撇 盼 瞄 瞄 瞄 咐 霉刨h h 削h h ， 2 3 4 5 6 7 雕 眦 瞄 瞄 晒 瞄 阱兰- _ k 墨e n 上海大学硕士学位论文 r c 3 ：亮红棕色淡黄橙色粘土与结核互层，微团粒结构，粘粒胶膜和f e 、 m n 胶膜不太发育，可见白色斑点状和网状分布的假菌丝体和少量的有机质斑膜， 层内包含有4 个厚度约1 0 c m - 4 0 c m 不等的钙质结核层； r c 4 ：暗红棕色淡黄橙色粘土层，微团粒一团粒结构，团粒被有机质膜包裹， 粘粒胶膜和f e 、m n 胶膜发育，虫孔和孔隙发育，可见白色斑点状假菌丝体和 少量点线状有机质斑膜，红粘土层内有零星分布的球粒小结核，并与3 层淡黄 橙色含大量钙结核的土壤层互层； r c 5 ：浊橙色暗红棕色粘土层，团粒结构明显，粘粒胶膜和f e 、m n 胶膜 发育，虫孔和孔隙发育，多被有机质斑膜充填，层内有大量零星分布的钙质结核， 下部含有大量的蜗牛化石，共有7 层黄橙色钙质结核水平成层分布； r c 6 ：浅黄橙色亮红棕色粘土层，团粒结构明显，粘粒胶膜和f e 、m n 胶 膜发育，虫孔和孔隙发育多被有机质斑膜充填，层内有大量零星分布的钙质结核， 少见白色假菌丝体，共有4 层浅黄橙色钙结核层水平断续分布，而有机质膜则 充填于结核中的虫孔和孔隙中： r c 7 ：橙黄色亮红棕色粘土层，团粒结构，少见粘粒胶膜和f e 、m n 胶膜， 有机质膜分布于点、孔状孔隙中，钙膜和钙质颗粒发育，夹有1 5 层橙白色钙结 核层，呈小球粒、不规则状分布，结核内可见点状有机质膜和少量的假菌丝体。 底部与河流相灰黄色冲积沙层呈整合接触，沙层厚约5 m ，下伏坚硬的钙质胶结 层。 1 2 北方红粘土研究概况 我国北方红粘土的研究可以划分为两个阶段：八十年代前主要是关于红粘土 地层的简单划分。早在上世纪二十年代，就有外籍探险者来到中国，重点为采集 化石和研究黄土成因，这里的黄土事实上就包括了现今的第四纪黄土古土壤与 晚第三纪含三趾马动物群的红粘土【1 5 】。a n d e r s o n e l 6 1 于1 9 2 3 年在我国河南、陕西 一带考察时，发现在原先黄土底部的红粘土中具有三趾马等动物化石，定其时代 为第三纪上新统。其后，德日进和杨钟健【1 7 】将其命名为“红色土系，并根据“静 乐红土”化石的性质，将其沉积时代定为“静乐期 ，归属于“上新统 ，随后的 研究也主要是关于地层的划分。八十年代以后，随着古地磁测年等技术、方法的 4 上海大学硕士学位论文 应用，红粘土的研究提高到一个新的发展阶段。许多学者纷纷将粒度、磁化率、 地球化学等分析测试手段运用到古环境信息的研究中，并将这些测试数据作为代 用指标，同粉尘动力学、青藏高原隆升、北极冰盖的发展、亚洲季风的形成等影 响地形、地貌、气候变化的全球环境演变相联系，对其开展了磁性地层学、沉积 学、地球化学、土壤学、环境磁学等研究，下面我们主要从红粘土成因、年代、 古环境三大方面来回顾红粘土研究所取得的成果。 1 2 1 成因 关于中国北方广泛发育的晚第三纪红粘土成因主要有“残积说 、“水成 说 与“风成说 三种观点【1 8 】。“残积说 认为红粘土是岩石就地剥蚀、风化 堆积而成的红色风化壳【1 9 】；“水成说”则根据野外的岩性及古生物等证据，主 张红粘土是岩石风化剥蚀后经流水搬运至低洼处或河湖两岸堆积的河湖相或冲 积相沉积物【2 0 1 ；“风成说”则强调红粘土与其上覆第四纪黄土一样都是风尘沉 积产物。 “残积说 已被大多数学者否定，因为红粘土不符合残积作用的一般特点。 如果红粘土是残积作用形成的，那么土壤化的特点应仅出现在红粘土剖面的表 层，表层之下应为不具土壤结构的残积红粘土。此外，残积作用形成的产物在剖 面上应有明显分层的现象，表现为上层风化强烈，向下逐渐减弱，最后向母岩过 渡。红粘土不但不具有残积剖面的特点，而且出现了相反的现象，即有时可见下 部土层比上部土层风化更强烈。残积作用形成的红粘土也不可能出现数十层钙质 结核层，结核层应集中在一个相对稳定的层位上【2 l 】。 而“风成说”和“水成说 却一直争论不休。大多数学者认同红粘土风成成 因，分别从地球化学、矿物学、沉积学、生物学等方面得到论证【2 2 2 5 1 ，但也有 学者对此提出质疑【2 6 2 7 1 ，有迹象表明水成成因也可能存在。研究表呀2 8 1 ，西峰赵 家川红粘土底部( 6 2 7 7 m a b p ) 是经流水再堆积而成，且中部( 3 6 - - , 6 2 m ab p ) 也受到地下水的作用。所以目前仍不能完全否定“水成说，两者同时起作用也 不是没有可能。因此，对红粘土的成因还需要继续作进一步的系统研究。 就“水成说 而言其搬运营力并无异议，主要是经水流搬运后再沉积，而“风 成说 却在物源和搬运营力方面都存在分歧。 多数学者认为，北方红粘土主要来源于我国西北部的戈壁和荒漠地斟2 1 1 ； 5 上海大学硕士学位论文 也有人认为红粘土与黄土来源并不相同3 2 ，3 3 1 ，并提出古风化壳可能也是红粘土的 重要来源之一【蚓；也有研究表明红粘土来源在3 8 m a 前后曾发生过转变( 由亚洲 内陆变为邻近的沙漠或戈壁阅) ；甚至有人提出红粘土中粗粒与细粒来源也不相 同【4 1 1 。以上分歧充分说明红粘土的起源仍是一个值得研究的问题。 红粘土的搬运营力是来自北半球的高空西风环流还是干冷的自北向南的东 亚冬季风，仍未达成一致。丁仲礼等人【2 1 , 2 5 , 3 6 发现红粘土颗粒没有南北分异，提 出红粘土搬运营力主要是自西向东的高空西风环流。而以安芷生为代表的学者 2 9 , 3 7 , 3 8 2 认为东亚冬季风才是红粘土的主要搬运动力，他们认为早在8 m a 东亚冬 季风就己形成，而青藏高原的隆升是其主要驱动力【3 9 1 ，通过对比了黄土高原几 个典型的红粘土剖面发现颗粒存在南北分异，而且也有粗颗粒的出现，从而否定 了西风环流的说法。针对以上分歧，许多学者着重探讨了东亚季风与西风环流的 变化规律【删，提出中新世上新世时期冬季风与西风同步消长，对比于第四纪冬 夏季风的交替【4 l 】。最新研究表明 3 5 】红粘土的细颗粒主要由西风环流搬运，较粗 颗粒由东亚季风搬运，在3 8 m a 以后( 2 6 m a 3 8 m a ) 东亚季风逐渐取代西风环流 占主导，从而将西风环流与东亚季风较好地统一起来。 如今，问题的焦点更多集中于“青藏高原的隆升及其环境效应 2 2 , 3 0 , 3 9 】。 换言之，到底是何种驱动力导致了中国北方晚第三纪以来大面积的红层沉积，这 不仅对认识红粘土的成因，而且对晚第三纪以来亚洲内陆以至全球大气候环流的 重构、亚洲季风系统的演化与构造演化都将有一个更新的认识。 1 2 2 年代 沉积物时代的确认不仅是区域对比的基础，而且也是区域乃至全球构造演 化、地貌发育、古气候变化研究的基础。尤其是对红粘土发生时代的研究对于研 究亚洲季风系统的起源与发展、内陆干旱化及青藏高原的隆升时代都有着重要意 义。目前，红粘土年代学证据一方面来自古生物化石群，另一方面则由磁性地层 学的研究成果提供。 已有的古生物化石群研究成果表明【4 2 训1 ，红粘土中含丰富的哺乳动物化石， 尤其以第三纪晚期三趾马动物群最具代表性。陇东、陇西两地的红粘土中均发现 有三趾马动物群化石，可以推断出这些地区的红粘土主要发育于晚第三纪【4 2 】。 张云翔等 4 5 】根据三趾马动物群化石结合古地磁年龄对陕西蓝田地区红粘土地层 6 上海大学硕士学位论文 进行划分。最近，甘肃临夏盆地又发现鸵鸟类化石【铜，这表明红粘土最早发育 于中新世。 事实上，红粘土所含的哺乳动物化石仅能指示红粘土发育时期，而通过磁性 地层学的研究则可以获得红粘土的精细年龄。首先，对样品进行古地磁测定，建 立剖面磁性地层，再与c a n d e 标准极性柱进行对比，对地磁极性界限点之间的样 品点进行线性内插来获得年龄，最后再根据沉积速率和剖面厚度计算剖面顶面、 底面年代【3 9 1 。国内学者普遍采用m g 界线( 约为2 5m ab p ，一般位于l 3 3 左右) 作为中国北方第四纪黄土与第三纪红粘土的分界【4 7 1 ，此界线以上为典型的黄土 古土壤序列，以下则为红粘土，即m g 界线为红粘土堆积上限。由此认为，在 2 5 m a 前后黄土高原的古环流发生了重大转型，并可与深海氧同位素曲线进行良 好的对比【4 引。而对于红粘土堆积的下限，随研究地点不同而不一致( 见表1 1 ) 。 到目前为止，中国北方红粘土磁性地层研究主要集中在陕西北部的榆林一带( 其 中佳县剖面成为中国黄土高原北部最老的红粘土堆积序列，底界年龄约为 8 3 5 m a 4 9 1 ) 和六盘山两侧的陇东、陇西地区 5 0 1 。研究表明【1 2 , s l - s 4 ，六盘山以东( 灵 台、西峰、泾川等剖面) 的红粘土堆积底界年龄主要在6 8 2 m a 之间，而六盘山 以西的陇西地区红粘土底界年龄约为1 8 5 m a 5 5 1 、2 2 m a 2 7 1 ，从而将中国风尘堆积 年龄前推至中新世。同时也有学者证明早在1 4 m a 西宁地区就出现风成堆积物 【5 6 1 ，北太平洋深海钻探研烈5 7 1 也表明中国西北内陆风成堆积至少在早第三纪己 具有相当规模，从而佐证了陇西地区红粘土沉积的确早于陇东地区。 综上可以看出，中国北方晚第三纪红粘土堆积底界年龄多数在7 8m ab p 之间，说明青藏高原在8m a 左右有一次显著的隆升，标志着亚洲内陆干旱化的 开始。此时的气候变干在南亚、喜马拉雅、孟加拉湾、北祁连山、昆仑山均有表 现，表明8m a 的气候变化是全球性的。但甘肃省秦安红粘- i - 音u 面的研究表呀2 7 】， 喜马拉雅山及青藏高原在2 2m ab p 的中新世早期已经达到有意义的高度，这一 发现对主张青藏高原隆升较晚的学者来说，无疑是重大的挑战。 表1 1 部分红粘土剖面底界年龄 7 上海大学硕士学位论文 最近，顾兆炎、郭正堂等人【5 8 】提出1 0 b e 定年在红粘土年代序列确定方面具 有一定的潜力。因为1 0 b e 的半衰期较长为1 5 m a ，而且在风化过程中1 0 b e 较为 稳定，主要吸附于粘土矿物【5 9 1 ，因此可用作古环境变化的示踪剂。 1 2 3 古环境信息 作为三大信息库之一的中国黄土序列，沉积速率高、连续性好1 4 7 1 ，蕴含着 丰富的古气候信息，而中国黄土下伏的晚第三纪红粘土序列由于与黄土序列连续 沉积分布，从而将中国北方风成沉积历史前推至上新世甚至中新世。刘东生先生 说过“研究过去只是为了未来”，红粘土的发现给人类带来了更为久远的环境演 化历史，人们通过多方面、多角度来研究红粘土，其实也是为了更好地掌握环境 变化规律以便更准确地预测将来。目前在红粘土古环境方面取得的成果主要集中 在磁学、粒度、古生物学、矿物学及元素地球化学等几个方面。 1 2 3 1 磁学性质 由于第四纪黄土的磁化率变化良好地记录了古气候变化历史 删，研究者也 尝试将其借鉴到红粘土的研究中，以了解晚第三纪红粘土的磁学特征及其与环境 变化之间的关系。那么，在黄土研究中得到广泛应用的磁化率到底能否适用于红 粘土的研究? 它们的形成机制是否一致? 这是一个疑问。大量研究表i 明 3 3 , 6 1 , 6 2 】， 红粘土与第四纪黄土古土壤的磁性矿石是一致的，主要是磁铁矿、磁赤铁矿和 赤铁矿，可能还有少量针铁矿，这一观点基本得到公认。但是磁化率是否能像第 四纪黄土一样指示红粘土的成壤作用强度以及夏季风变化强度却存在争议。杨石 岭、丁仲礼等人【1 3 】研究发现红粘土磁化率整体偏低，甚至接近于第四纪黄土， 尤其是发育最好的红粘土地层磁化率也很低，所以他们认为磁化率不足以表征红 粘土发育程度，并且提出造成这种反常现象的可能原因是晚第三纪较强的风化作 用使f e 2 0 3 矿石转变成胶体氢氧化物( 潜育化作用) ，从而使磁化率降低【6 3 】；而安 芷生等人的研究表吲5 ，3 5 4 8 ，6 1 ，6 4 1 ，几种红粘土剖面的磁化率曲线均显示红粘土上 部大于下部，成壤作用从上到下逐渐减弱，所以他们认为磁化率完全可以指示晚 第三纪夏季风强度；刘秀铭等 4 8 】通过r b r 与磁化率的良好正相关进一步确认了 磁化率可作为红粘土气候代用指标；考虑到碳酸盐的不稳定造成剖面元素含量的 变化可能会影响到磁化率，陈宝群、安芷生等【1 0 】又对比了原样与去除碳酸盐后 的磁化率，指出碳酸盐含量变化对磁化率的影响不大。综上所述，大部分学者赞 上海大学硕士学位论文 同红粘土磁化率变化与第四纪黄土中的古土壤一样，经历了较强的风化成壤作 用，可以指示夏季风的强弱变化。事实上，不同的沉积环境，甚至是不同的物源、 搬运方式都可能导致红粘土的磁化率表现出差异性的特点 5 0 1 。黄土与红粘土分 别是在第四纪和晚第三纪两种不同气候环境下的产物，磁化率的古气候意义是否 等同，值得怀疑 6 5 】。 1 2 3 2 粒度 沉积物的粒度组成特征是碎屑沉积物分类和命名的基础，对于查明沉积物的 物质来源，搬运介质和动力，沉积环境有着重要意义。在第四纪黄土古土壤研 究中粒度经常用作反映粉尘源区干旱程度和( 或) 搬运风动力强弱的替代性指标。 粗颗粒由于基本不受沉积后成壤作用的影响，因而可以指示东亚冬季风强度变化 6 6 , 6 7 】，风成堆积物粒度越大，代表源区越干旱、搬运风力越强，沉积速率也越大 【6 引，相应的粘粒用来指示夏季风强度。同样，根据粒度大小推断古季风强度在 红粘土中也同样适用2 9 ，3 1 ，6 m 。六盘山两侧的几个典型剖面均显示其粒级组成总 体偏细，区别于第四纪黄土，以粉土粒级( 5 - - 5 0 9 m ) 为主，粘土级颗粒次之( 小于 2 t m a ) ，是易被风扬起和搬运的颗粒组分 4 3 】。总之，红粘土的粒度总体要比黄土 偏细很多【5 】，这被认为是晚第三纪气候条件要比第四纪时温暖湿润得多，且变幅 较小，成岩与成壤作用较强所致【7 2 】。孙有斌等人对比了石英粒度以及直接去 除碳酸盐、有机质后的粒度，表明石英可以用作冬季风强度指标，还可以用来指 示物源；近年来部分学者通过粒度分析来研究古气候以及古构造运动，尤其是研 究青藏高原的隆升对亚洲内陆造成的影响，根据粒度分布的曲线特征( 纵向剖面 粒度变化较小) 推断出晚第三纪的气候总体而言较为稳定，区别于第四纪【6 1 , 6 3 , 6 6 】； 方小敏等【2 9 】通过对8 0 0 多万年前的朝那黄土红粘土进行高分辨率粒度分析，并 与北大西洋深海氧同位素曲线对比，提出亚洲冬季风形成于8 1 m a 以前，青藏高 原在约8 、3 6 和2 6 m a b p 及其后的阶段性隆升可能是导致亚洲冬季风阶段性 演化的驱动力；在利用粒度指标探讨红粘土的成因研究上鹿化煜等做了更为细致 的工作，通过对洛川、西峰、平凉、西安四地的红粘土粒度分析，针对各种粒度 参数、粒度象特征、粒度指数特征和判别分析等对黄土、红粘土与河流沉积物进 行对比，结果显示红粘土与黄土有极为相似的特征，从而指出红粘土可能亦为风 成成因 硎；也有学者考虑到粒度的多解性而对粒度指标提出质疑【7 5 1 ，他们考察 9 上海大学硕士学位论文 了晚第三纪时陇西盆地河湖相沉积的粒度分布，发现其与红粘土分布相似，从而 否定了粒度指标的可靠性，显然这是对粒度指标提出一个极大的挑战。从粒度这 一替代性指标的分析来看，大都认为红粘土的粒度特征与其上覆的黄土古土壤序 列是非常相似的，故红粘土更可能是粉尘经风力搬运再沉积，并经受了后期强烈 的风化成壤作用而形成的。但是也应指出，沉积物的粒度特性不仅受到源岩性质 的影响，还与后期一系列的物理、生物地球化学等因素的影响有关，它们之间并 非简单的相似。因此，单靠粒度指标来确认红粘土的成因是值得商榷的。 1 2 3 3 古生物学化石 由于沉积地层中的动植物化石具有鲜明的环境指示意义，某些标志性的化石 也是地层时代判定的重要依据。红粘土中保存了大量的动植物化石，蕴含了丰富 的古环境信息，所以大量学者根据红粘土中古植被以及生物化石来研究第三纪气 候。裴云鹏等人 7 6 1 研究了甘肃西峰红粘土地层中蜗牛化石，指出6 2 - 2 4 m a b p - 期间蜗牛化石可以反映古气候波动周期；李杰等人【7 7 】发现孢粉组合特征在4 5 m a 发生了明显转变，根据6 2 2 4m a 间植被进化，得出这期间主要是持续干 旱气候( 草原环境) ，他们认为青藏高原在4 5m a 发生的隆升可能是亚洲内陆干 旱化的主要驱动因素 7 8 】；也有根据红粘土中大量三趾马动物群化石可以推断出 温暖湿润的森林气候；而最近张勇等人【7 5 】提出某些古生物所揭示的环境信息可 能与红粘土的风成说相悖。 1 2 3 4 矿物学 矿物成分可以反映环境变化，每种矿物对应于某一c i a 值，通过x r d 分析 矿物组成，根据不同矿物c i a 值可以推断风化强度。罗静兰等人【7 9 】研究了陕西 府谷老高川三趾马红粘土的矿物组成，提出红粘土形成过程中主要为干旱、半干 旱半湿润气候的草原疏林环境，也有湿润气候的森林环境出现；陈骏等人 s 0 】根 据自生坡缕石的剖面分布得出在3 6 - 3 2m a 前后东亚古气候格局发生改变，古 气候环境由干暖向干冷转化；季峻峰等人【8 1 】通过研究西峰红粘土剖面铁矿组成， 发现红粘土中出现赤铁矿、针铁矿且赤铁矿以及赤铁矿针铁矿含量远高于黄土 古土壤序列，从而推断早上新世较更新世更为暖、干；与西峰剖面相比，陕西段 家坡黄土剖面第五层古土壤中较多针铁矿的出现暗示了含水矿物较多，说明段家 坡剖面较西峰剖面湿润【8 2 】。 l o 上海大学硕士学位论文 1 2 3 5 元素地球化学 研究第四纪黄土古土壤时，常常采用元素对比值来探讨风化强度以及指示 东亚季风强度变化，元素对的比值主要是为排除碳酸盐对元素的影响【8 3 1 ，研究 表明8 4 1 ，在晚第三纪红粘土中同样适用。n a k 是衡量样品中斜长石风化程度的 指标( 斜长石的风化速率远大于钾长石) ，同样可用于表征沉积物的化学风化程 度，风化越强，n a k 比值越小；r b s r 比是另一个较常用的指示化学风化程度 的指标【8 5 1 。由于r b 主要赋存在较稳定的含k 矿物中( 如钾长石和伊利石) ，而 s r 主要赋存在云母、长石、粘土矿物和碳酸盐中，因此风化程度越高，风化剖 面中r b s r 比也越高，完全可以指示第三纪红粘土风化程度。陈骏，刘连文等人 【8 4 】对甘肃西峰红粘土样品进行了元素地球化学研究，表明红粘土的化学风化尚 处于脱c a 、n a 为主的早期阶段。c i a 值和酸不溶物中的n a k 比及r b s r 比参 数一致地指示了红粘土化学风化程度高于第四纪的黄土和古土壤，反映出晚第三 纪以来黄土高原的气候由相对温暖湿润向第四纪逐渐变干变冷演化的总趋势。 也有根据c 、o 、s r 等元素稳定同位素特征来揭示晚第三纪环境变化8 6 , 8 7 ； 也可以根据f e 2 w e 3 + 和f ed f et 来反映红粘土的风化程度【3 0 , 5 1 】；还有利用碳酸盐 校正后的元素含量变化探索第三纪古环境信剧8 3 1 。 陈丹玲，岳乐平等人【8 6 】通过陕西府谷王大夫梁三趾马红粘土剖面中碳酸盐 碳、氧稳定同位素分析及其变化曲线，推断出三趾马红粘土形成于半干旱到半湿 润气候。 杨杰东，陈骏等人【8 8 】测定了7 m a 以来灵台剖面红粘土和黄土古土壤序列的 酸不溶物s r 和n d 同位素组成，考虑到风化和成壤作用对n d 同位素组成没有影 响，但是s r 同位素组成却明显受到影响，提出酸不溶物8 7 s r 8 6 s r 比值可以用作 冬季风强度变化的指标。样品酸不溶物8 7 s t 8 6 s r 变化可明显分为两个阶段。第一 个阶段，从7 m a 到2 5 m a ，为红粘土层，酸不溶物8 7 s r 8 6 s r 稳定位于高值，反 映了东亚冬季风处于相对平稳的弱势。第二个阶段，从2 5 m a 到现在，酸不溶 物8 7 s t 8 6 s r 呈下降趋势，波动加强，反映了东亚冬季风不断增强，并且冬季风和 夏季风交替变化加强。 1 2 3 6 其他方面 还有学者另辟蹊径，从红粘土的微形态及亮度等方面进行古环境研究f 1 1 , 8 9 】。 上海大学硕士学位论文 薛祥煦，赵景波等人【1 1 】根据土壤微形态特征来判断古气候演化。块状粘土胶膜形 成于湿润森林气候；无块状而呈流胶状粘土胶膜形成于湿润、半湿润气候；仅呈 细小斑点状粘土胶膜，则考虑为半干旱、半湿润气候所成。 综上可以看出，红粘土的研究从早期的简单地层划分发展到目前运用多种手 段、从多个角度进行综合研究，并与亚洲中部干旱化、青藏高原隆升、北极冰盖 形成与扩张、大气环流格局的重组等环境事件联系起来。但是，亚洲内陆环境演 变是否能单纯归因于青藏高原的隆升，北极冰盖等其它全球性事件到底对此有没 有贡献【3 】，青藏高原什么时候开始隆升且隆升幅度多大等等，这些问题都需要以 后进一步研究。总之，红粘土的研究尚不成熟，在很多方面尚未达成一致，仍有 很长的路要走。 1 3 问题探讨 本文着重探讨了铁锰胶膜对红粘土中元素地球化学的影响。沉积物中化学元 素的含量主要受控于源岩的性质及其沉积后的一系列物理化学过程，它们的分 布、赋存、演化等特征对于揭示物质来源及其演化具有鲜明的指示意义【洲。所 以，红粘土元素地球化学研究对于揭示红粘土的形成环境具有重要价值。 1 3 1 常用的元素地球化学手段 目前，应用于沉积物研究中的元素地球化学手段主要体现在以下几个方面： 1 ) 全岩含量。直接对全岩进行元素测定来判别沉积物物质来源及揭示古环境变 化 9 0 9 6 】； 2 ) 元素粒级效应。主要是通过提取某一粒级进行元素含量测定。刘宝柱，李从 先等【9 7 1 提取长江三角洲地区晚第四纪古土壤 2 “m 的部分进行了常量元素测定， 进一步揭示古气候变化；杨守业等人【9 8 1 对长江下游下蜀黄土 6 3 岬的颗粒分析 了元素含量，提出下蜀黄土风化强于西北黄土，同样分析j 6 3 1 t m 部分中常量、 微量元素含量来示踪长江黄河沉积物；考虑到r e e 在矿物中发生分馏，学者们 认为根据粘粒级中r e e 来示踪源区会更准确 9 9 1 删；杨守业掣1 0 1 】选用 1 ，曲线为右倾斜，富集轻稀土，如酸性岩类。l a n y b n i ， 曲线为水平，属球粒陨石型分布，如大洋拉斑玄武岩、科马提岩等。l a n y b n i ， 则为亏损型，如橄榄质科马提岩。 5 2 2 结果讨论 研究表明，处理过的样品和未处理的原样8 e u 分别为o 6 1 0 6 7 、o 6 2 0 7 0 ： 8 c e 分别为0 8 8 1 0 2 、1 0 1 1 0 9 ；s m n d 分别为0 1 8 5 0 2 0 0 、0 1 9 3 0 2 0 2 ( 见 8 ) ，与其它研究较为一致【1 1 3 , 1 2 3 1 。显然处理后对上述稀土元素特征参数影响较小。 但是，处理后的8 c e 比处理前低，并且多数样品均小于1 ，更加接近于弱负异常， 符合中国风尘沉积c e 弱负异常的规律，可能揭示了处理后c e 可以更好反映源 区信息。 处理前后y r e e 分别为1 2 5 1 - - , 1 9 1 4 、1 3 2 4 - , 1 5 3 1 ( 见表5 2 ) ，处理后的e r e e 明显减少，主要是因为铁锰胶膜吸附少量稀土元素，随着胶膜的去除，y r e e 必 定减少，但是由于r e e 常常共生，基本不发生元素分馏，所以其配分模式并不 发生大的改变，但处理后的e r e e 平均值( 1 4 5 ) 更接近上地壳( 1 4 6 ) ；l r e e h r e e 和l a ) q y b n 在处理后变大，处理前后分别为7 9 7 8 5 8 、9 2 1 1 0 5 6 和7 7 7 , - , 9 1 3 、 1 0 8 8 1 4 2 8 ( 见表5 2 ) 。造成这种原因可能是由于处理过的样品次生赤铁矿等重 矿物含量显著减少，而重矿物主要富集h r e e 或者说重矿物对h r e e 的影响大 于l r e e 1 3 5 1 ，从而造成处理后的样品l r e e h r e e 和l a n y b n 偏高；处理前l a n 、 m 平均值分别为1 0 8 8 、1 2 9 6 ，处理后为1 0 1 3 、8 0 ，与上地壳( l a n 、分 上海大学硕士学位论文 别为9 6 8 、1 0 5 ) 相比，处理后的) n 明显偏小，进一步说明铁锰胶膜对h r e e 影响大于l r e e 。 综上所述，铁锰胶膜的去除并不改变r e e 基本配分模式，但会引起h r e e 减少，使得涉及到h r e e 的特征参数( 如e r e e 、l r e e h r e e 、l a n y b n 等) 均发 生变化，而铁锰胶膜的去除对l r e e 影响较小。 6 1 上海大学硕士学位论文 表5 2 处理前后样品稀土元素特征参数对比 处理前处理后 y r e e 1 2 5 1 1 9 1 41 3 2 4 , - - 1 5 3 1 l r e e h r e e7 9 7 8 5 89 2 1 1 0 5 6 l a n y b n s m n d 6 e u 6 c e 7 7 7 9 1 3 1 0 8 8 1 4 2 8 0 19 3 0 2 0 20 18 5 0 2 0 0 0 6 2 0 7 0o 6 l o 6 7 1 0 1 1 0 90 。8 8 1 0 2 6 2 上海大学硕士学位论文 第六章结论与展望 通过去除铁锰胶膜等次生产物后，对甘肃朝那红粘土剖面的微量元素、稀土 元素地球化学研究，得到如下几点认识： ( 1 ) 对红粘土的研究不能一味照搬第四纪黄土，铁锰胶膜的存在会造成某些稳定 元素发生迁移淋失，即在第四纪黄土研究当中所认为的“稳定元素 可能在红粘 土中并不在稳定，从而影响到一些元素地球化学指标在红粘土物源方面研究的应 用； ( 2 ) 碳酸盐、有机质、铁锰胶膜等次生产物的形成，对红粘土剖面的稀土元素分 布影响较小，去除次生产物后稀土元素分布更加密集，能够更好地反映红粘土剖 面上下物源的一致性，且去除铁锰胶膜后h r e e 减少，使得有关h r e e 的特征 参数发生变化，而铁锰胶膜对l r e e 影响较小。 此外，铁锰胶膜本身也反映出一定的古气候信息，可作为夏季风强度指标。 铁锰胶膜越多，说明风化强度越大；而胶膜中铁锰相间层越多，说明气候变化越 频繁。 铁锰胶膜可能在红粘土粒度分布、磁化率变化等方面同样有着重要影响。由 于铁锰胶膜强烈的胶结性，在粒度分析时应该加以去除，这样粒度分散效果可能 会更好，而不应该单纯模仿第四纪黄土。同样红粘土的磁化率变化与铁锰胶膜的 形成也可能有一定关系。铁锰胶膜的形成造成f e 元素的淋失以及铁矿物之间的 相互转化，随着铁矿物种类的变化，磁化率一定也发生变化。总之，有关这方面 的研究有待以后进一步开展。 上海大学硕士学位论文 参考文献 孙有斌，强小科，孙东怀，等新近纪以来中国黄土高原的风尘沉积叨，地层学杂志， 2 0 0 1 ，2 5 ( 2 ) ：9 4 - 1 0 1 刘东生，郑绵平，郭正堂，亚洲季风系统的起源和发展及其与两极冰盖和区域构造 运动的时代耦合性阴，第四纪研究，1 9 9 8 ，1 8 ( 3 ) ：1 9 4 - 2 0 4 郭正堂，彭淑贞，郝青振，等晚第三纪中国西北于旱化的发展及其与北极冰盖形成 演化和青藏高原隆升的关系【j 】，第四纪研究，1 9 9 9 ，1 9 ( 6 ) ：5 5 6 5 6 7 q i a n gxkl izx ，p o w e l lcm ，e ta 1 ，m a g n e t i c s t r a t i g r a p h i cr e c o r do ft h el a t em i o c e n e o n s e to ft h ee a s ta s i a nm o n s o o n ，a n dp l i o c e n eu p l i f to fn o r t h e r nt i b e t j ，e a r t ha n d p l a n e t a r ys c i e n c el e t t e r s ，2 0 01 ，18 7 ( 1 ，2 ) ：8 3 9 3 安芷生，刘晓东，东亚季风气候的历史与变率 j 】，科学通报，2 0 0 0 , 4 5 ( 3 ) ：2 3 8 2 4 9 彭华，吴志才，关于红层特点及分布规律的初步探讨( j 】，中山大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 3 ，4 2 ( 3 ) ：1 0 9 1 1 3 施炜，鄂尔多斯高原东西两侧构造地貌特征分析及新构造意义 d 】，优秀博士论文， 2 0 0 6 赵景波，西安、山西保德第三纪晚期红土的研究m ，沉积学报，1 9 8 9 ，7 ( 3 ) ：1 1 3 1 2 0 孙东怀，晚新生代黄土高原风尘序列的磁性地层与古气候记录 d 】，优秀博士论文， 2 0 0 l 陈宝群，孙东怀，安