（环境工程专业论文）南方网纹红土粒度分布特征及古环境指示意义.pdf

上海大学硕士论文 摘要 本研究对安徽宣城和江西九江、泰和、赣州四个地区网纹红土的粒度分布特 征进行了系统的研究，结果表明：( 1 ) 安徽宣城、江西九江网纹红土粒度细小而 均匀，粗颗粒含量低。宣城网纹红土砂粒( 6 3 i t m ) 组分变化范围在0 5 5 1 ， 平均仅为0 3 5 ；九江网纹红土砂粒组分变化范围在o 4 6 1 之间，平均仅为 1 5 9 。两地网纹红土粗粉砂( 1 0 5 0 扯m ) 明显富集，宣城剖面粗粉砂含量变 化范围在2 9 1 5 4 4 8 8 之间，平均达3 5 0 6 ；九江剖面粗粉砂含量变化范围 在3 2 5 8 - - 4 6 9 9 ，平均值达3 7 5 5 。各层粒度组成均匀，无明显突变现象。以 上粒度特征，反映了两地红土明显的风成特性。( 2 ) 江西泰和、赣州地区网纹红 土普遍含有砾石，粗颗粒含量高，各粒度组分在层次间变化明显。泰和p t l 、p t 2 、 p t 3 静j 面砂粒( 6 3l am ) 平均含量分别为4 7 4 ，2 7 9 8 ，1 1 7 8 ；赣，h p g l 和p g 2 音u 面砂粒平均含量分别为3 3 7 4 ，2 4 0 1 。泰和p t l 、p t 2 、p t 3 粘粒( q um ) 平均含量分别为3 7 5 2 ，3 1 7 2 ，3 2 6 6 ：赣州p g l 和p g 2 粘粒含量分别 为2 0 8 4 和3 0 9 2 ，反映了强风化特性。泰和、赣州两地网纹红土的粒度特征， 反映了其明显的冲、洪积相特征。( 3 ) 风成特性红土的存在为南方第四纪冰期风 尘堆积提供了实物证据。九江、宣城地区是深受第四纪冰期风尘堆积影响的区域； 泰和、赣州未发现类似风成红土，说明受第四纪风尘影响不显著。( 4 ) 粒度研究 无法为宣城、九江网纹红土存在多个“沉积成土”过程旋回提供证据。( 5 ) 网 纹红土石英颗粒粒度特征能更准确地指示其原始物质的性状。宣城网纹红土的石 英颗粒粒度特征能更清晰地指示其具有的风成特性。石英粒度分布同样未显示宣 城剖面包含多旋回变化的古气候信息。 关键词网纹红土粒度分布风成特性第四纪石英 v 上海大学硕士论文 a b s t r a c t g a i n - s i z ed i s t r i b u t i o no f t h er e t i c u l a t er e dc l a yi nx u a n c h e n g ，a n h u ip r o v i n c e ，a n dj i u j i a n g ， t a i h ea n dg a n z h o u 。j i a n g x ip r o v i n c ew a ss y s t e m a t i c a l l ym e a s u r e d t h er e s u l t sa r e 船f o l l o w s ：( 1 ) g r a i n - s i z ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er e t i c u l a t er e dc l a yi nx u a n c h e n ga n dj i u j i a n ga r eg e n e r a l l yf i n e a n du n i f o r m w i t hl o wc o n t e n to fc o a r s eg r a i n t h ec o n t e n to fs a n df r a c t i o n ( 6 3 “m ) i nt h e r e t i c u l a t er e dc l a yi nx u a n c h e n gr a n g e sf r o m0 t o5 5 1 。w i t ht h ea v e r a g eo f 0 _ 3 5 ；t h a ti n j i u j i a n gf r o mo t o4 6 1 w i t ht h ea v e r a g eo f1 , 5 9 ，c o a r s es i l tf r a c t i o n ( 1 0 - 5 0 n ) o f t h e r e t i c u l a t er e dc l a yi nt h et w oa r e a si sa p p a r e n t l ya c c u m u l a t e d ，t h ec o n t e n to fw h i c hr a n g e sf r o m 2 9 1 5 t o4 4 8 8 i nx u a n c h e n g w i t ht h ea v e r a g eo f 3 5 0 6 a n df r o m3 2 5 8 t o4 6 9 9 i n j i u j i a n g w i t ht h ea v e r a g eo f 3 75 5 g r a i n - s i z ed i s t r i b u t i o ni nt h ep r o f i l e sa r eu n i f o r m ，w i t hn o a p p a r e n t l y a b r u p tv a r i a t i o n s t h e f e a t u r e sa b o v ei n d i c a t et h ea e o l i a nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e r e t i c u l a t er e dc l a yi nt h et w oa r e a s ( 2 ) t h er e t i c u l a t er e dc l a yi nt a i h ea n dg a n z h o ui sm u c h c o a r s e rt h a nt h a ti nx u a n c h e n ga n dj i u j i a n g , w h i c hc o m m o n l yc o n t a i n sg r a v e l ，w i t hh i 曲c o n t e n t o fc o a r s eg r a i na n da p p a r e n tv a r i a t i o n si ng r a i n - s i z ed i s t r i b u t i o ni nt h ep r o f i l e s t h ea v e r a g e c o n t e n t so fs a n df r a c t i o no f p t l ，p t 2 ，p t 3 ，p g ia n dp g 2 0 j 04 7 4 ，2 7 ，9 8 ，1 1 7 8 ，3 3 7 4 a n d2 4 o l r e s p e c t i v e l y ；t h o s eo fc l a yf r a c t i o na r e3 7 5 2 ，3 1 7 2 ，3 2 6 6 ，2 0 8 4 a n d 3 0 9 2 ，r e s p e c t i v e l y t h el a t t e rr e f l e c t st h es t r o n g l yw e a t h e r i n gd e g r e eo ft h e r e dc l a y t h e g r a i n - s i z ed i s t r i b u t i o n so ft h er e t i c u l a t er e dc l a yi nt a i h ea n dg a n z h o ui n d i c a t et h e i ra l l u v i a lo r d i l u v i a lc h a r a c t e r i s t i c s ( 3 ) t h ee x i s t e n c eo ft h er e t i c u l a t er e dc l a yw i t ha e o l i a nc h a r a c t e r i s t i c s b r i n g sf o r t ho b j e c t i v ee v i d e n c ef o r t h eo c c u r r e n c eo fl a r g e - s c a l ed u s td e p o s i t i o ni ns o u t h e mc h i n a d u r i n gt h eq u a t e r n a r yg l a c i a lp e r i o d s a c c o r d i n gt ot h es t u d y , i ti s b e l i e v e dt h a tt 1 1 ea r e a so f x u a n c h e n ga n dj i u j i a n ga r ea f f e c t e db yl a r g e - s c a l ed u s td e p o s i t i nt h eq u a t e m a r yp e r i o d ，b u tt h e a r e a so f h ea n dg , m z h o um a yn o tb ed e e p l ya f f e c t e da st h er e t i c u l a t er e dc l a yw i t ha e o l i a n c h a r a c t e r i s t i c si sn o tf o u n di nt h o s ea r e a s ( 4 ) t h eg r a i n - s i z ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er e t i c u l a t er e d c l a yi nx u a n c h e n ga n dj i u j i a n gc o u l dn o tp r o v i d et h ee v i d e n c ef o r t h em u l t i p l ec y c l e so f d e p o s i t i o na n dp e d o g e n e s i si nt h e m ( 5 ) t h eg r a i n s i z ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eq u a r t zs e p a r a t e df r o m t h er e dc l a yc a ni n d i c a t ei t so r i g i n a lf e a t u r e sm o r ee f f e c t i v e l y t h eg r a i n s i z ed i s t r i b u t i o no ft h e v i 上海大学硕士论文 q u a r t zf r o mt h e r e dc l a yi nx u a n c h e n gm o r ec l e a r l yr e f l e c t si t sa e o l i a nc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hd o e s n o tp r o v i d et h ei n f o r m a t i o no f m u l t i p l ec y c l e so f p a i e o - c l i m a t i cc h a n g e se i t h e r k e yw o r d s ：r e t i c u l a t er e dc l a y , g r a i n - s i z ed i s t r i b u t i o n ，a e o l i a nc h a r a c t e r i s t i c s ，q u a t e r n a r y p e r i o d s ，q u a r t z 上海大学硕士论文 图形目录 图2 一l 研究区域位置分布图1 3 图2 2 衍射数据2 4 图3 - i 使用方法a 对p j 一2 7 0 样品进行前处理的粒度频率分布血线2 9 图3 - 2 使用方法b 对p j - 2 7 0 样品进行前处理的粒度频率分布曲线一3 0 图3 3 使用方法c 对p j 一2 7 0 样品进行前处理的粒度频率分布曲线。3 1 图3 - 4 使用方法d 对p j 一2 7 0 样品进行前处理的粒度频率分布曲线3 2 图3 - 5 使用方法a 对g l 一2 4 0 样品进行前处理的粒度频率分布曲线3 4 图3 - 6 使用方法a 对g 卜3 4 5 样品进行前处理的粒度频率分布曲线一3 5 图3 7 使用方法b 对g i - 2 4 0 进行前处理的粒度频率分布曲线图一3 6 图3 8 使用方法b 对g l 一3 4 5 进行前处理的粒度频率分布曲线图。3 7 图4 - ip x 剖面原样粒度分布特征4 0 图4 2p j 剖面原样粒度分布特征4 i 图4 - 3p x 剖面典型层次粒度频率分布曲线，4 2 图4 - 4v j 剖面典型层次粒度频率分布曲线4 3 图4 - 5 洛川黄土粒度频率分布曲线4 4 图4 - 6p t i 剖面粒度分布特征4 6 图4 7p t 2 剖面粒度分布特征4 7 图4 - 8p t 3 剖面粒度分布特征4 8 图4 - 9p g i 剖面粒度分布特征4 9 图4 1 0p g 2 剖面粒度分布特征5 0 图4 - 1 1 泰和网纹红土粒度频率分布曲线5 l 图4 一1 2 赣州网纹红土粒度频率分布曲线5 2 图5 - 1p x 剖面典型层次原样和石英粒度频率分布曲线图5 7 图5 2p x 剖面石英粒度分布特征5 9 1 1 1 上海大学硕士论文 表格目录 表2 一l 宣城p x 剖面形态描述1 4 表2 - 2 九江p j 剖面形态特征描述1 5 表2 - 3 赣州p g l 剖面形态特征描述1 6 表2 _ 4 赣州p g 2 剖面形态特征描述1 7 表2 5 泰和p t i 剖面形态特征描述1 8 表2 - 6 泰和p t 2 剖面形态特征描述1 9 表2 7 泰和p t 3 剖面形态特征描述2 0 表4 - 1p x 和p j 红土粒度与洛川黄土的对照。4 4 表5 - 1 原样及对应石英样的粒度分析结果( ) 对比5 8 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。 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) 潞一铆繇唧舛期：一 上海大学硕士论文 第1 章绪论 众所周知，最近几十年来世界各地频繁发生各种大的自然灾害，使得各国政 府越来越重视研究全球的环境。全球环境气候的改变对人类的生存和发展都会产 生巨大的影响。为了尽量避免地球环境的变化对人类产生的不利的后果，我们需 要了解全球环境气候的变化规律，需要知道全球环境气候的成因机制，并对全球 环境变化做出准确的预测。研究过去才能预测未来，对全球过去气候的研究已成 为热点。而对于距今最近的第四纪冰川时期的研究则受到各地科学家的重视。人 们期待从中发现全球气候变化的规律以及全球气候的成因机制，从而准确预测全 球气候的变化，以及它对人类的生产活动的影响。 对于我国北方“黄土一古土壤”序列的研究，第四纪学者已做出很大的努力， 取得一定的成果，成功地揭示了第四纪气候的多旋回变化，使得“黄土古土 壤”序列成为可与深海沉积相媲美的揭示第四纪气候环境变化的陆相载体 1 - $ i o 红土的北进和黄土的南侵是第四纪时期的重要事件，而南方网纹红土的形成几乎 跨越了整个第四纪，第四纪气候的多次冰期与间冰期的循环变化也可能存在于我 国南方网纹红土序列中。近几年来，第四纪学者开始注意到我国长江以南的网纹 红土，希望能在中国南部找到类似黄土高原“黄土一古土壤”的第四纪沉积材料， 以便与之互相对照”1 ”。 1 1 南方网纹红土的介绍 在我国的江西、湖南、广东、广西、安徽、湖北等长江中下游地区广泛分布 着第四纪红色粘土。由于这一地区的第四纪红色粘土层中夹杂有呈网纹状的灰白 或浅色调的条带，因而，它们又被称为网纹红土。它属于酸性红色风化壳，风化 强烈，富铝化程度高，可以说是长期湿热气候下风化作用的产物 1 2 1 亦可以说 是亚热带热带季风这一特定气候环境的产物。 典型的网纹红土常由黄棕色粘土层、均质红粘土层、网纹状红粘土层和砾石 层构成1 1 2 1 。网纹红土的灰白或浅色部分是相续相连的圆形孔管。网纹迂回卷曲， 上海大学硕士论文 多呈网状、蠕虫状、树枝状或条带状。而且，通常来说，网纹红土层下，有网纹 化的砂砾石层，砾石也具有明显的风化特征。通常认为，红土是由于湿热气候环 境条件下，化学风化作用强盛，母质中的活泼元素发生迁移或是淋失，a l 。0 3 和 f e ：0 。相对富集而形成，红色认为是f e “的表现 1 2 - 1 3 1 。网纹红土是红土在还原环 境中铁部分迁移，残留部分显示为灰白色蠕虫状条带而呈网纹状，迁移出来的铁 在下部层位积聚成铁质层。所以，可以说中国南方的红土是晚新生代以来重要的 堆积物，而我国南方的网纹红土更是特定气候环境的表现物，蕴含着丰富的环境 演化信息，它作为中国南方典型的陆相堆积物无疑是南方第四纪环境研究的较好 信息载体。 1 2 粒度分布特征的古环境意义 粒度组成又称机械成分或颗粒及配，是指不同粒径的颗粒在沉积物中所占的 比例，通常用重量百分数表示哺1 。粒度组成对研究沉积物的物质来源，搬运介质 和沉积环境以及它们的变化都有重要意义。粒度组成基本代表该地区的原始沉积 特征，具有指示成因的意义。 1 2 1 粒度分布对第四纪环境的指示意义 土壤粒度分析的粒级通常分为 6 3um 的砂粒( s a n d ) 、 2 1 0 儿m 的细粉砂( f i n es i l t ) 以及1 0 5 0 pm 的粗粉砂( c o a r s es i i t ) 。同 时还有平均粒径和中值粒径这两个值可以描述各个样品的粒度组成特征。 黄土样品的粒度组成在一定程度上可作为冬季风变化强弱的替代性指标 1 1 4 - 1 9 。平均粒径越小或粘粒组分( 2 i jm ) 含量越高，标志着经受了较显著的风 化成土作用，从而反映了较为温湿的气候状况。反之，粗粉砂( 1 0 5 0 um ) 含 量高，粘粒含量低，标志着较干冷的气候状况与较强盛的搬运风力。可用粗粉砂 含量与粘粒含量比值k d 作为一种间接气候指标。k d = 粗粉砂粒组( o 0 5 一o 0 1 毫米) 含量粘粒组( o 0 0 5 毫米组) 含量。可以设想，在其他条件相同或相似 的情况下，非常干冷的环境可能更有利于粉尘的产生和被扬起，而不利于粘粒的 产生；相反，较温湿的环境却可能有利于粘粒的产生，而不利于粉尘产生和扬起。 从这个意义上来说k d 值大可视为干冷和比较干冷环境的指示t 8 1 。石英样就是从 卜海大学硕士论文 多呈网状、蠕虫状、树枝状或条带状。而且，通常来说。网纹红土层下，有网纹 化的砂砾石层，砾石也具有明显的风化特征。通常认为红土是由于湿热气候环 境条件下，化学风化作用强盛，母质中的活泼元素发生迁移或是淋失a l 。0 3 和 f e 。0 。相对富集而形成，红色认为是f e “的表现 1 2 - 1 3 1 。网纹红土是红土在还原环 境中铁部分迁移，残留部分显示为灰白色蠕虫状条带而呈网纹状，迁移出来的铁 在下部层位积聚成铁质层。所以，可虬说中国南方的红土是晚瓤生代以来重要的 堆积物，而我国南方的网纹红土更是特定气候环境的表现物，蕴含着丰富的环境 演化信息，它作为中国南方典型的陆相堆积物无疑是南方第四纪环境研究的较好 信息载体。 1 2 粒度分布特征的古环境意义 粒度组成又称机械成分或颗粒及配，是指不同粒径的颗粒在沉积物中所占的 比例，通常用重量百分数表示。粒度组成对研究沉积物的物质来源，搬运介质 和沉积环境以及它们的变化都有重要意义。粒度组成基本代表该地区的原始沉积 特征，具有指示成因的意义。 1 2 1 粒度分布对第四纪环境的指示意义 土壤粒度分析的粒级通常分为 6 3 u m 的砂粒( s a n d ) 、 2 1 0 n l 的细粉砂( f i n es i i t ) 以及1 0 - 5 0u m 的粗粉砂( c o a r s es l i t ) 。同 时还有平均粒径和中值粒径这两个值可以描述各个样品的粒度组成特征。 黄土样品的粒度组成在一定程度上可作为冬季风变化强弱的替代性指标 1 4 - 1 9 。平均粒径越小或粘粒组分( 2 um ) 含量越高，标志着经受了较显著的风 化成土作用，从而反映了较为温湿的气候状况。反之，粗粉砂( 1 0 5 0 um ) 含 量高，粘粒含量低，标志着较干冷的气候状况与较强盛的搬运风力。可用粗粉砂 含量与粘粒含量比值k d 作为一种间接气候指标。k d = 粗粉砂粒组( 0 0 5 0 0 l 毫米) 含量粘粒组( o 0 0 5 毫米组) 含量。可以设想，在其他条件相同或相似 的情况下，非常干冷的环境可能更有利于粉尘的产生和被扬起，而不利于粘粒的 产生；相反，较温湿的环境却可能有利于粘粒的产生，而不利于粉尘产生和扬起。 从这个意义上来说k d 值大可视为干冷和比较干冷环境的指示“1 。石英样就是从 从这个意义上来说k d 值大可视为干冷和比较干冷环境的指示“1 。石英样就是从 上海大学硕士论文 原样中提取出的石英单矿物。由于石英稳定的物理、化学性质、在搬运、沉积和 后期成壤作用过程中受到的改造较小，其粒度组成最大限度地保留了原初物质的 粒度特征，因此石英样的粒度组成被认为是较好的冬季风强度替代性指标 1 2 , 1 6 , 2 们。 粒度旋回是指黄土剖面中粒度组成呈现出按一定顺序有规则地由粗到细或 由细到粗的波动。粒度旋回实际上是沉积旋回，它反映了每个旋回开始时具有较 快的沉积速率，堆积较粗的风尘堆积物，随后沉积速率逐渐变小，以致沉积几乎 停顿，代之进行风化成壤作用略1 。粒度旋回实际上也指示了第四纪时期气候在冰 期和间冰期的旋回变化。在冰期，气候干冷，有利于粉尘的产生和被扬起，而不 利于粘粒的产生，因此在冰期具有较快的沉积速率，堆积较粗的风尘堆积物。而 在间冰期，气候温湿，有利于粘粒的产生，而不利于粉尘产生和扬起，从而导致 沉积速率逐渐变小，以致沉积几乎停顿，代之进行风化成壤作用。 1 2 2 粒度分布对土壤成因的指示意义 前人的研究已经表明f 2 ”，粒径大于0 3 毫米的颗粒不能在空气中悬浮搬运， 只能在地面跳跃迁移；粒径在0 3 枷0 7 毫米的颗粒也很少被空气悬浮搬运；粒径 小于0 0 0 5 毫米的粘粒在没有粗颗粒参杂下，不能被风扬起。1 0 5 0i xm 粒级易浮 动，易分散，称为风尘的“基本粒组”，即风尘粒级1 2 2 1 。如果在某一区域土壤的 粒度分布中1 0 - 5 0 i xm 粒级明显富集，而且粒径细小，分布均匀，那么这一区域的 一一 ；攮提直亘宣竖查墨壁生堡：o 。 l 1 3 网纹红土成因研究进展 在我国南方，网纹红土分布十分广泛。网纹红土属富铝红色沉积物，呈强酸 性，高度风化。网纹红土的成因应该包括网纹红土原初物质的来源、外动力作用 类型和网纹成因等多种因素。而对于网纹红土的成因，许多学者都有不同的见解。 早期的学者认为部分第四纪红土是在冰碛物上发育而来的，因沉积时常有冰 块夹杂，使冰块附近的土壤受低温渍水作用时间较长，铁质产生分异，从而形成 红白交织的网纹 1 9 , 2 3 , 2 4 1 0 近几年来，又有学者提出旺5 1 网纹红土是水成的，是由 高处古土壤和古风化壳被流水冲刷而下在河谷和低平处沉积而成。最近学者对于 安徽宣城和江西九江地区的网纹红土的成因都有一致的认识，认为安徽宣州一带 上海大学硕士论文 的第四纪红土系风力搬运而成，与下蜀黄土是同源物质，可称为下蜀红土1 2 , 2 6 , 3 6 1 。 江西九江的网纹红土也具明显的风成特性吨睨8 1 但对于泰和、赣州地区的网纹红土的成因还有许多分歧。x i o n g 等认为泰和、 赣州网纹红土与宣城等地的网纹红土在成因上较一致，都与第四纪风尘沉积有关 2 7 1 。但有学者2 扪却指出位于吉泰古盆地的泰和地区的第四纪红土，具明显的 冲积相特征，应为河流冲积成因，与宣城和九江的网纹红土有根本的区别；并进 一步认为我国艇江中下游一带潮红黄土交接带中的第四纪红土可能都为风积成 因；而交接带以南的山问盆地中的第四纪红土的形成可能与水动力的搬运作用有 差：墨查壁塑。 厅正? ( ) 1 4 网纹红土的古环境意义研究进展 目前第四纪学者已经成功地研究了黄土高原“黄土一古土壤”序列的古气候 意义。“黄土一古土壤”序列里存在多个“沉积一成土”过程的旋回，它使得“黄土 一古土壤”序列成为可与深海沉积相媲美的揭示第四纪多旋回气候变化的陆相载 体。但对于地处红黄土交接带的宣城地区的网纹红土剖面中是否存在类似“黄土 一古土壤”序列的多个“沉积一成土”过程的旋回，许多学者都有不同的见解。 杨达源眈1 以向阳剖面沉积特征、粒度组成和旧石器埋藏特征等为依据，认 为该剖面大部分系风积成因，而且存在多个“鎏塑二= 旦婪”过程旋回，可与北方z 同时代的“黄土一古土壤”序列相比较。此后的许多学者b 刁, 2 9 1 ，也均认为宣城 剖面存在8 个“沉积一成土”过程的旋回，而且可与北方s 8 以上的“黄土一古土 壤”相对照。 但有学者却对此提出异议。刘良梧，龚子同b 0 1 等根据宣城第四纪红色粘土 剖面构型、形态特征、理化特征和磁学特征等的初步探讨，认为宣城剖面是否存 在明显的“沉积层”和“古土壤层”，以及自中更新世以来是否存在多次沉积成 土作用旋回等一系列问题都需要商榷和进一步研究。最近有学者口又从不同的 角度对此做了深入的研究。他们认为向阳剖面是典型的南方网纹红土，整个剖面 风化程度强烈，属富铝红色风化壳除了剖面顶部黄棕色层风化程度偏低，其余 各层红色调深浅的变化，与风化强度无必然的联系。色调的变化主要与铁的含量 和次生氧化铁矿物的形态一主要是赤铁矿和针铁矿的相对含量的变化有关因而 上海大学硕士论文 仅以剖面内部不同层次间颜色的变化来判定存在“沉积一成土”序列，是不充分 的。向阳剖面顶部的黄棕色层风化程度偏低，但磁化率明显偏高；均质红土层磁 化率也较高；但风化程度较高的网纹层，大部分s p 和s s d 被淋失或破坏，磁化 率值低于均质红黏土近一个数量级因而网纹红土的磁化率曲线无明确的气候意 义向阳剖面有机质多0 ”c 曲线说明研究地区自第四纪晚期以来，森林缩减， g 植物增加，气候有变干的趋势；但无法证实该剖面存在多个“沉积一成土” 过程的旋回与北方黄土高原相比，南方第四纪冰期风尘堆积通量低，间冰期水 热活动又十分强烈问冰期的生物气候条件可破坏绝大部分前冰期，乃至上一个 间冰期留下的沉积印记正如陆景冈3 2 1 等指出的：“一期成土作用未完，受蚀 又有新一期成土作用进行，其间有大量重叠剖面”。因而对网纹红土是否存在类 似“黄土古土壤”序列的古气候材料，应作深入而谨慎的论证，不能仅以红色 调的变化来认定。 1 5 石英单矿物的提取 石英单矿物的提取的研究，目前主要集中于黄土中石英的提取。黄土中主 要矿物成分为石英、长石和方解石，其中石英含量( 质量分数，w 1 04 ) 高达 4 8 6 5 。x i a o 1 6 1 等首先用焦硫酸钠熔融一氟硅酸溶解法，论证了分离黄土中石 英单矿物的可行性，并获得了石英颗粒中值粒径指示的冬季风强度变化。目前提 取石英大都用此方法。 1 5 1 反应原理 提取石英的关键在于分解样品中的云母、长石及其他层状硅酸盐矿物。焦 硫酸盐在高温条件下分解出作为强氧化剂的s 0 3 气体，可以脱云母的羟基和破坏 层状硅酸盐的铝硅氧八面体结构，从而达到分解样品的目的，但s 0 3 气体的强氧 化性却很难破坏架状或岛状硅酸盐矿物。经分析纯石英净化后的氟硅酸，在溶液 中离解成弱氢氟酸和四氟化硅气体，其中氢氟酸中的氟离子极易同长石晶体结构 中的铝硅氧四面体( a 1 ，s i 0 4 ) 中的铝离子结合形成络合物( a 1 f 6 r 一) 而石英由于 其牢固的硅氧四面体结构理论上在经纯化处理后的氟硅酸中几乎不溶解。 化学反应式为： 上海大学硕士论文 h 2 s i f 6 = 2 h + + 2 f - + s i f 4 。 a l ，s i 0 4 - + 6 f = a 1 f 6 3 。+ s i 0 4 4 1 5 2 主要步骤 首先取风干样品，用双氧水进行前处理，可除去碳酸盐、铁氧化物和部分粘 土。石英单矿物的提纯用焦硫酸钾( 钠) 熔融一氟硅酸溶解法，除去云母、粘土 矿物、层状硅酸盐和部分长石。最后将离心清洗后的样品用纯化后3 0 的h , s i f 。 浸泡并不断搅动，离心清洗后可获得纯度较高的石英单矿物。 1 5 3 熔剂对石英分离的影响 在石英提取过程中熔剂的选取对最终提取的石英的纯度有很大影响，目前最 常用的熔剂就是用焦硫酸钾和焦硫酸钠。孙有斌3 3 1 得出了用焦硫酸钾和焦硫酸 钠焙融后样品的x 射线衍射对比图，半定量分析结果表明者熔解样品后石英的相 对含量比后者高4 8 。这主要是由于焦硫酸钾在高温分解过程中释放气体的速 度较焦硫酸钠缓慢而稳定t 3 4 1 有利于样品充分熔解。 1 5 4 溶剂对石英分离的影响 熔融后的熔块中由于含有大量硅酸根离子，过去用稀h e l 溶解时容易形成大 量非晶态硅，而用弱碱溶解则容易侵蚀石英颗粒9 卯当选择去离子水作为溶剂 时，在常温下浸取熔块既不会产生非晶态硅，又不会对石英颖拉产生侵蚀【3 6 】。 1 6 激光粒度分析仪 1 6 1 概述 由于传统的颗粒粒度分析方法存在耗费大量人力、时间以及操作复杂的种种 弊端，因而经过科学家们的不断研究和实践，运用光的散射和衍射理论，研制出 了激光粒度分析仪这一新新的粒度分析仪器。1 9 7 0 年英国国防实验室研制出世界 上第一台激光粒度分析仪，随后成立了马尔文仪器有限公司，所以他是激光粒度 上海大学硕士论文 分析仪的发明者。在那以后，又出现了一批专业制造此类仪器的企业以及一大批 激光粒度分析仪器。经过几十年的发展，目前此项技术已经发展的较为成熟，并 且中国的一些专业仪器制造企业也加入了这一阵线，同样能制造出先进的仪器。 其中国内的典型产品有：重庆大学光电精密仪器系研制的w l 系列激光粒度仪；天 津大学精密仪器系研制的l s p i i 型激光粒度仪，而国外的产品更是不计其数。如 英国m a l v e r n ( 马尔文) 公司的m a s t e r s i z e r 2 0 0 0 系列、m a s t e r s i z e rs 系列、 m a s t e r s i z e rm i c r o 系列以及s e ri e s 2 6 0 0 c 型激光粒度仪等；日本清新公司的s k l 2 7 0 0 0 型激光粒度分析仪；美国贝克曼库尔特公司的l s 系列全自动激光粒度仪 等。进入2 1 世纪，产品叉在不断更新换带，出现t j l 9 2 0 便携式激光粒度分析仪。 最近人们将夫朗和费衍射改进为利用菲涅耳衍射也可实现激光粒度测量。我们可 以预见，随着科学技术的不断开拓与发展，激光技术必将得到更加完善的发展与 运用，其可供利用的领域也会前所未有的扩大，届时人们又将大量节省人力、物 力以及财力，而且能达到与投入成级数增长的回报。 1 6 2 激光粒度分析仪的测量原理 1 6 2 1 几个重要的定义及理论 1 粒度 要对颗粒粒度进行分析就要了解什么是粒度。用一个尺度表示颗粒的大小即 称为颗粒粒度，单体颗粒的粒度又称颗粒粒径。对于球形颗粒，毫无疑问，球体 直径即颗粒粒径，但是对于实际颗粒，球形的很少，规则的立方体也需3 个数字： 长、宽、高表示其大小，何况颗粒形状非常复杂，要用个数据描述任意形状的 颗粒只有一个办法：采用等效粒径的概念。“等效”可以有很多方法：体积等效、 横截面积等效、沉降等效、光学等效等等，可以认为有一种测量方法就有一种等 效的意义【3 8 1 。 2 光的散射、衍射经典理论 1 ) 光的散射 所谓光的散射是指：由于介质中存在的气体、液体或固体的微小粒子对光束 的影响，使光波偏离原来的传播方向，而向不同方向传播的现象。在光的传播过 上海大学硕士论文 程中，如果微粒小于入射光波长，则发生光的散射，这时观察到的是光波环绕微 粒而向其四周放射的光，称为散射光或乳光1 3 9 1 。 一般按散射粒子的大小将散射分成两类： 瑞利散射散射粒子的线度在1 5 1 1 0 的波长以下的散射1 4 0 1 。 米氏散射散射粒子的线度与光波波长同数量级。 米氏散射理论是从麦克斯韦电磁波方程组在一定的边界条件下经过严格的数学 推导得到的关于颗粒散射的精确解，它是激光粒度测量的重要理论依据。 其数学表达式为： 鲁小e x p ( _ 笙4 脒) 其中：i 。一入射光的强度： r 5 _ 由散射光引起的反射光的强度，即漫反射强度； n 一单位体积中独立散射粒子的数量： d 一粒子直径； l 一衰减光束的有效覆盖层厚度； 卜有效散射的横截面积 4 l l 。 2 ) 光的衍射 光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，先将偏离直线传播的路径绕到障碍 物后面去的现象称为光的衍射。衍射的实质其实还是一种干涉。如果光的波长与 障碍物尺寸相当，甚至障碍物的尺寸比光的波长还要小，那么衍射现象最为明显 【4 2 】。 常见的光的衍射现象有： ( 1 ) 光通过狭缝的衍射 单色光通过很窄的狭缝时，在屏上出现明暗相间的条纹，中央为亮条纹，中 央条纹较宽，其余亮条纹变窄，自光通过狭缝时在屏上出现彩色条纹，中央为白 条纹。 f 2 ) 光通过小孔的衍射 光通过小孔( 小到一定程度) 在屏上会出现明暗相间的圆环，这些圆环达到的 范围远远超过根据光的直线传播所应照明的面积，中间很亮。 上海大学硕士论文 ( 3 ) 光照到小圆板的衍射 光照到不透明的小圆板上，在屏上圆板的阴影中心，有一个亮斑，这个亮斑 取名叫泊松亮斑。 衍射分成两种：菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射。 3 ) 傅立叶光学原理 激光衍射粒度分析装置的通用光路是夫琅和费衍射光路，但研究证明衍射谱 就是物平面透过率的二维傅立叶变换。这个结论不仅给我们提供了一种计算夫琅 和费衍射谱分布的新方法，而且提示我们从傅立叶变换的角度可阻更深刻地理解 和揭示激光衍射粒度分析仪的若干神秘的特性。因而有必要对傅立叶原理作一番 了解。 ( 1 ) 激光粒度分析装置的基本傅立叶光学原理 巴比涅互补原理互补屏的衍射谱具有相反的位相和相同的能量分布。 此结论对于颗粒的粒度分析具有重要的意义。根据此原理，对于圆孔衍射的结论 可以同样用于相同直径的圆形颗粒( 降了频谱的中心以外) 。 测定颗粒大小的博立叶光学原理贝塞尔一傅立叶变换公式： b g r ( a r ) ：去g 0 ( 旦) 日一日 表明颗粒尺寸放大a 倍，颗粒的频谱的特性尺寸将缩小到原来的1 a ，频谱的 结构保持相似性。换一种说法就是颗粒的大小与颗粒的频谱成反比。就激光衍射 粒度分析装置来讲，物空间与谱空间直接的数值对应关系就是我们测定颗粒大小 的理论基础。 测定粒径分布的博立叶光学原理两个函数线性迭加的谱等于各函数 的谱的线性迭加。任何线性系统都必须满足以上条件。因此激光粒度仪通过衍射 谱的检测，不仅可以确定各种颗粒的大小，而且可以确定各种大小颗粒的数量或 体积，这正是颗粒的粒度分布。 测定动态颗粒粒度分布的博立叶光学原理当颗粒在物平面平移时，颗粒的 频谱结构不变，只是引起频谱的一个线性相移，采用平方律探测器检测频谱，那 么相移将不被探测。以上性质对于运动颗粒的探测具有非同寻常的重要意义，因 为迄今尚无一种对运动颗粒的粒度分布进行动态跟踪测试的有效手段。激光粒度 上海大学硕士论文 仪的出现将改变额粒测试的现状，为在线粒度测试与粉末产品的生产自动化提供 一种有效的手段 4 2 1 。 1 6 2 。2 激光粒度仪的测量原理 激光粒度分析仪的原理正是基于上述的光的散射或衍射理论的。衍射和散射 经典理论已经指出，光在传播过程中，波前受到于波长尺度相当的孔隙或颗粒的 限制，以受限波前处各源波为源的发射在空间干涉而产生衍射和散射。衍射和散 射的光能的空间( 角度) 分布于光波波长和孔隙或颗粒的尺度有关。用激光作光 源，光为波长一定的单色光后，衍射和散射的光能的空间( 角度) 分布就只与粒 径有关1 4 3 1 。对颗粒群的衍射，各颗粒级的多少决定了对应个特定角处获得的光 能的大小。各特定角光能在总光能量中的比例应反映了各颗粒级的分布丰度。按 照这一思路，可以建立表征粒度级丰度与各特定角处获得的光能量的数学物理模 型，进而研制出仪器测量光能，由特定的角度测得的光能与总光能的比较推出颗 粒群的相应颗粒级的风度比例量。基于这些光学理论，利用颗粒对光的衍射及散 射作用，颗粒的大小就可直接通过散射或衍射角的大小表现出来。小颗粒对激光 的散射角大，大颗粒对激光的散射角小，通过对颗粒角向散射光强的测量( 不同颗 粒散射的叠加) ，再运用矩阵向散射光强反演分解角，即可获得样品的粒度分布。 不同尺寸范围的颗粒对激光所产生的散射模式也不同，散射的模式由颗粒尺寸和 入射光的波长定： ( 1 ) 当d x ( 通常d ( 通常d l o 九) 时，属于f r a u n h o f e r 衍射范围，可用f r a u n h o f e r 衍射 测量前向小角区域的散射光强度分布来确定颗粒粒度 4 4 1 。 由此可见对大多数颗粒而言，粒度分析的结果取决于所测颗粒尺寸的范围或 入射光线( 单色光) 的波长。 来自h e - n e 激光器中的一束窄光束经扩束系统扩束后。平行地照射在颗粒槽 中的被测颗粒群上，由颗粒群产生的衍射光经聚焦透镜会聚后在其焦平面上形成 衍射图，利用位于焦平面上的一种特制的环形光电探测器进行信号的光电变换， 然后将来自光电检测器中的信号放大、a d 变换、数据采集送入到计算机中， 采用预先编制的优化程序对计算值与实测值相比较，即可快速地反推出颗粒群的 尺寸分布【4 5 】。 1 7 研究内容和意义 本论文拟主要探讨以下几个方面的内容：f 1 ) n 纹红土粒度测试时，不同的 前处理方法对粒度测量结果的影响，并选择确定网纹红土粒度测试的较好前处理 方法。( 2 ) 安徽宣城和江西九江、泰和、赣州四个地区网纹红土的粒度分布特征 及反映的古环境意义。( 3 ) 从宣城网纹红土中分离石英单矿物，并研究石英单矿 物的粒度分布特征及古环境意义 目前，对我国南方网纹红土的成因及包含的古气候信息的研究，仍存在很多 争议。本文从网纹红土的粒度分布特征出发，结合前人的研究，详细探讨了南方 网纹红土的成因及它所反映出来的古环境意义。这对深入研究南方第四纪古地理 和古环境有重要意义。 上海大学硕士论文 第2 章研究地区和研究方法 2 1 研究地区概况 本文的研究地区包括安徽宣城，江西的九江、泰和和赣卅l 。网纹红士在这 四个地区广泛分布。研究区域以及采样点的分布见图2 1 。 宣州市地处安徽省东南部，为皖南山区与沿江平原的过渡带，北纬3 0 0 1 7 3 l o l 9 ，东经1 1 70 5 8 1 1 94 0 ，地处中亚热带北缘。年平均气温在1