汉江上游黄土剖面环境演变的地球化学特征

汉江上游黄土剖面环境演变的地球化学特征

1元素迁移特征揭示地球历史环境变化的特点、发生机制和原因是以往全球变化研究的基本任务。自新世末以来，气候稳定性的研究一直是重点。黄土—古土壤序列作为研究古季风气候演变的主要感应体,其中黄土与古土壤间的风化成壤强度差异实质是元素重新组合及迁移特征存在差异。与此同时,化学参数变化及元素特征还可指示物质来源、定量分析风化成壤强度、反映成壤环境演变。诸多学者对黄土高原、长江中下游、新疆及川西地区黄土的化学元素特征进行了深入研究,但针对汉江上游一级阶地上覆黄土的元素化学研究尚属空白。据研究表明,汉江上游谷地一级阶地上覆黄土为风成堆积产物且与渭河谷地黄土同源,但汉江流域地处北亚热带北缘且与渭河谷地气候条件有所差异,两区域的黄土—古土壤序列的化学风化成壤强度是否存在差异,是反映秦岭南北两侧古气候是否存在差异的重要证据。因此本文分别以尧禾村(YHC)剖面、弥陀寺(MTS)剖面作为渭河谷地及汉江上游谷地黄土的典型剖面,探究秦岭南北两侧的黄土化学风化程度、元素迁移、富集规律,及其对区域古气候响应特征的差异及共性。2yhc、mts、pb剖面尧禾村(YHC)剖面位于秦岭北侧渭河谷地的黄土台塬面,而弥陀寺村(MTS)剖面为上覆于汉江上游谷地一级阶地(T1)之上的厚层风成黄土,其底端清晰可见河漫滩二元沉积结构,推断其为晚更新世后T1形成之后,大量风尘在T1上持续堆积的产物。两剖面选取地点皆平坦且宽阔,较少受水土流失和人为活动干扰;两区域成土母质基本相同,但由于秦岭的屏障作用,两剖面现所属的气候带不同。YHC剖面处于暖温带,年均温为6℃-14℃,多年平均降水量为577.8mm,年均尘暴天数约为45d;而MTS剖面属于北亚热带,年均温为14℃-18℃,多年平均降水量为873mm,年均尘暴天数约为30d。因此区域植被和主要土壤类型均存在差异,渭河谷地广泛分布褐土而汉江上游谷地多为黄褐土。3实验材料与方法2009年10月、2012年5月分别对渭河谷地及汉江上游谷地进行野外考察。在保证采样点地形特征、排水条件、母质类似的前提下,选取地层序列特征一致的MTS和YHC剖面(表1)。MTS与YHC剖面的颜色、质地、土壤发育状况比较,两剖面黄土层(L0、Lt、L1)颜色、质地相近,而MTS古土壤层(S0)颜色深于YHC,且多发育棱块结构,结构面存在明亮的棕色粘土胶膜。野外观察指示MTS的S0成壤强度强于渭河谷地,仍需有实验数据进一步支持该观点。对YHC、MTS剖面均自上而下进行高密度采样(密度为2cm),样品数量分别为150个和300个。本文所涉及的实验均在陕西师范大学实验室完成,操作时间分别为2011年5月及2012年5月。其中磁化率采用英国Bartington公司生产的MS-2B型磁化率仪测量。化学元素采用荷兰Panalytical公司生产的X-Ray荧光光谱仪(PW2403)测量,实验中加入标准样品(GSS-1),误差控制在5%内。OSL测年采用单片再生剂量法,用丹麦生产的RISTL/OSL2DA215仪器测量,释光信号通过9235QB15光电倍增管检测,滤光片为U340。4结果分析4.1土壤条件特征结果比较MTS和YHC剖面的常量化学元素组成特征(表2、图1):(1)MTS与YHC剖面主要物质组成均以Si、Fe、Al为主,三者含量之和分别占两剖面元素总量的83.24%、77.41%。常量元素含量的排序特征为:Si>Al>Fe>K≈Mg>Na>Ca;除Ca元素外,其它常量元素含量的垂向变异系数(CV)均小于11%,说明秦岭南北两侧的黄土—古土壤序列的物质组成从上至下高度一致且混合性强,具备风成黄土组成均一的特征,两剖面的常量元素含量相近则支撑了秦岭南北两侧黄土母质一致的观点。(2)性质相对稳定的Fe2O3、Al2O3、K2O含量在MTS剖面各地层的含量均高于YHC,而性质活泼的MgO、Na2O、CaO含量在MTS剖面均低于YHC,该特征暗示了汉江上游谷地黄土剖面的易溶性元素相对于渭河谷地的黄土剖面有所淋溶,而化学性质相对稳定的Fe、Al、K,由于活性元素的淋溶,则含量相对增高,该特征表明:母质和成因一致的黄土在不同区域其元素含量会对区域环境发生相应的响应作用。将常量元素含量与成壤强度指标—磁化率进行相关性分析(图1、表2),发现常量元素含量与磁化率存在相关关系,其中稳定性元素Fe、Al、K含量与磁化率呈正相关关系,而易溶性元素含量与稳定性元素Fe含量呈负相关关系(图1a-c,MTS剖面,Fe2O3、Al2O3、K2O与磁化率的相关性系数分别为0.75、0.62、0.85;YHC剖面中,Fe2O3、Al2O3、K2O与磁化率的相关性系数分别为0.53、0.80、0.70;图1d-f,MTS剖面Fe2O3与Na2O、MgO、CaO的相关性系数为-0.90、-0.42、-0.48;YHC剖面Fe2O3与Na2O、MgO、CaO的相关性系数为-0.86、-0.10、-0.10)。据图1a-c知,Fe、Al、K含量随着地层成壤强度变化而呈规律性变化,其中古土壤层(S0)成壤强度较高(MTS剖面的磁化率值可达271.6×10-8m3/kg),Fe、Al、K元素伴随着易溶元素(Na2O、MgO、CaO)的淋溶,含量相应增加,而易溶性元素含量降低。黄土堆积层(L0、L1、Lt)化学风化作用及成壤作用微弱,活性元素较少被淋溶,Fe、Al、K元素含量也相对降低。据图1d-f表明,Fe元素含量与活动性元素Na、Mg、Ca含量呈负相关关系,暗示Fe元素含量变化与活动性元素迁移及淋溶量存在关系,其机理应为易溶性元素淋溶越多,Fe元素含量相应增加。据Fe元素含量与磁化率及易溶元素含量的相关性知,在汉江上游谷地及渭河谷地,Fe含量在同一风成黄土剖面中的增减,可指示剖面内成壤强度及可溶性元素淋溶程度的变化。将MTS、YHC剖面的常量元素组分与上部陆壳(UCC)平均化学成分比较(图2),发现:除Ca和Na外,成分分布曲线均呈平坦线型且靠近UCC平均含量,该特征指示两剖面马兰黄土(L1)及古土壤(S0)的常量元素含量与UCC化学含量较为一致,指示渭河谷地及汉江上游谷地的黄土均来源广泛并经过充分混合,因此趋近上部陆壳平均化学成分。而Na和Ca元素偏离上部地壳平均组成,可能是易溶性元素在不同环境影响下的风化程度区别。其中,YHC剖面Ca含量相对UCC富集,而MTS剖面Ca与UCC相比呈亏损状态,该区别可能由于汉江上游谷地湿热的古气候状况,导致Ca被大量淋失,而相对冷干的渭河谷地CaCO3呈相对富集;YHC剖面马兰黄土层(L1)的Ca元素含量高于古土壤层(S0),是由于S0层成壤过程中Ca元素遭受剧烈的淋溶,而L1层的成壤作用较弱,接近于母质。此外,MTS与YHC剖面的L0及S0层的Na元素均低于UCC,且亏损程度一致,可能是两剖面的Na元素在源区就发生了淋失,后期改造作用较小所致。4.2cts和yhc分析斜长石、钾长石占地壳矿物总体积含量的41%和21%。长石作为化学风化反应的主要矿物,而长石风化过程中,Na、K、Ca在硅酸盐中大量被淋溶后,将产生富Al的黏土矿物,使Al2O3与CaO*+Na2O+K2O的比值(CIA)增加。但由于K元素性质相对稳定存在富集情况,因此Harnois为此提出化学风化指数CIW,CIW与CIA表达式相似,分别为:式中:均为氧化物分子摩尔数;CaO*指存在于硅酸盐矿物中的CaO。当CaO的摩尔数大于Na2O时,可以认为mCaO*=mNa2O;而小于或等于Na2O时,则mCaO*=mCaO。CIA和CIW均有效地指示样品中长石风化成粘土矿物的程度,两风化强度指标越大,风化程度越高。据冯连君研究,CIA在50~65间,反映寒冷干燥环环境下发生的低等的化学风化;当CIA值在65~85间,反映温暖、湿润的环境发生的中等风化程度;CIA值在85~100之间,反映在炎热、潮湿的环境条件下的强烈化学风化。据表1,MTS与YHC剖面除马兰黄土层(L1)外,其他地层均为中等风化强度,远高于UCC的CIA值47.92,各地层CIA排序特征均为:马兰黄土层(L1)<过渡层(Lt)<近代黄土(L0)<古土壤(S0)。MTS各地层的CIA均值虽然略大于YHC剖面,但差距不大,可能是由于K元素富集造成,故选择CIW指标对两区域风化强度对比,补充论证。YHC剖面CIW均值为74.88,显著低于MTS剖面CIW均值为77.95,其YHC各地层的CIW值也显著高于MTS的对应地层(表1),两区域古土壤层(S0)的CIW值的差值可达3.54,过渡层(Lt)、近代黄土层(L0)、马兰黄土层(L1)的差值依次减小,表明同母质黄土在汉江谷地经历的风化成壤强度强于渭河谷地,其中S0形成期的风化程度差异最大。4.3不同立地条件下下人工古土壤层元素迁移变化元素绝对含量并不能揭示真实的地球化学行为,因为化学风化过程中,元素的淋溶和迁移直接影响元素的迁移和富集的实际情况。以稳定性元素含量作为参照,用迁移变化率(△)反映元素在地层中的迁移能力更为真实有效。本文以风化最弱的马兰黄土层(L1)代表原始母质,选用元素含量变异系数(CV)较小的K作为参照标准,计算渭河谷地与汉江上游谷地S0层的各常量元素相对于L1的迁移变化率:式中:Xs、Ks分别代表古土壤层中元素X和K的含量;Xp、Kp分别代表马兰黄土(L1)中X和K的含量;若△<0,则反映元素X在古土壤层相对K迁出;若△>0,则说明元素X相对富集。结果显示(图4),YHC及MTS剖面内S0层Fe的△>0,相对于K元素富集,说明Fe元素非常稳定,是典型不活动性元素,以淀积和富集为主,而Fe元素性质稳定很少发生迁移,只是易溶性元素迁移,Fe元素相对含量增加,其中的Fe2+也只是从FeO转化成为Fe3O4,Al、Si、Mg、Na、Ca元素均迁出状态。根据△值知,汉江上游谷地MTS剖面的古土壤层(S0)各常量元素迁移能力排序特征为:Fe<K<Al<Si<Ca<Mg<Na;渭河谷地YHC的古土壤层(S0)常量元素活动性顺序为:Fe<K<Al<Si<Mg<Na<Ca。将YHC和MTS剖面的迁移变化率比较,MTS的Na、Mg、Si的迁出率均高于YHC。由于MTS剖面内马兰黄土层(L1)相当于母质层,CaCO3含量较低,而CaO不能迁移,故迁出率较低,而YHC剖面L1层的CaCO3含量显著高于MTS,其迁移率较高,从而造成两剖面的Ca元素迁移程度的差异。总体而言,汉江上游黄土活性元素迁出率均显著高于渭河谷地黄土,即汉江上游黄土活性元素所遭受的淋溶、风化作用更强烈。在YHC和MTS剖面中选择2个代表性元素,分别为稳定性元素Fe及强活动性元素Na,分析渭河谷地、汉江上游谷地元素迁移变化特征异同(图5)。其中,Na元素化学性质活泼,在暖湿条件下易被迁出和淋失,在MTS和YHC剖面中,Na元素在全剖面中总体呈现迁移淋溶特征,各地层迁出率排序均为:古土壤层(S0)>过渡层(Lt)>近代黄土层(L0)>马兰黄土(L1),表明古土壤层(S0)形成期,Na大量迁移、淋失,而马兰黄土层(L1)最接近原始母质,Na元素较少被淋失,表现为相对富集。比较MTS与YHC剖面的Na元素迁出率,发现MTS剖面Na元素全剖面的迁出率均值显著大于YHC剖面,两者迁移率分别为-11.9%和-5.9%,该特征暗示汉江上游谷地一级阶地抬升以来的黄土—古土壤序列所经历的化学风化及淋溶作用总体强于渭河谷地。Fe元素迁移率变化曲线总体与Na元素迁移率变化曲线相位相反,指示Fe不同于活性元素Na的淋失状态,在MTS和YHC剖面中呈富集状态,但稳定性质的Fe元素△值变化范围远小于活性元素Na(图5)。MTS及YHC剖面各地层Fe元素迁移率排序特征为:古土壤层(S0)<过渡层(Lt)/近代黄土层(L0)<马兰黄土(L1),表明古土壤层(S0)形成期,活动性元素大量分解、淋失,使稳定性元素Fe含量相对增加,该特征与剖面颜色及质地变化特征相吻合,两剖面古土壤层(S0)颜色明显深于黄土层,S0层质地致密坚硬,MTS剖面的S0层更伴有棱状块结构及大量红棕色铁锰胶粘膜裂隙面,这些特征均显著不同于均质且疏松的浊黄橙色的粉砂质的黄土层(L0/L1/Lt),且证实S0层所经历的风化、成壤作用更强。两剖面Fe元素在S0层的相对富集程度接近,并在MTS剖面170~190cm及YHC剖面120~140cm的Fe元素迁移率均出现“谷值”,说明两剖面S0层中均存在一段弱成壤层,依据MTS剖面OSL测年及对YHC剖面内插年龄(通过地层对比知,S0层形成年龄为3100-8500aB.P),判断其形成时间的起讫时间约为6000-5000aB.P。4.4对成壤气候的影响根据MTS、YHC剖面的化学组成均一、成分类似、马兰黄土层(L1)CIA值相近等证据,指示汉江上游谷地与渭河谷地的母岩成分基本相同,此外野外选取剖面过程中避免了地形、排水条件、水土流失的影响,但两谷地黄土—古土壤序列的化学风化强度却存在差异,可推测气候因素为影响区域黄土—古土壤风化速度、强度及迁移率的主要制约因素。依据元素分布特征、化学风化强度及元素迁移特征等指标知,汉江上游谷地黄土—古土壤序列的化学风化强度明显强于渭河谷地。以将今论古原则比较汉江谷地与渭河谷地的环境特征,发现秦岭南侧温度和降水量均显著高于暖温带的渭河谷地,这可能正是两剖面成壤强度差异的主要原因。Na、Fe元素迁移率剖面演变特征指示汉江上游谷地与渭河谷地经历了相同气候演变过程,即古土壤层(S0)形成期(3100-8500aBP),Na淋溶作用强烈,而稳定元素Fe含量相对增加,指示该阶段气候温暖湿润;近代黄土层(L0)形成期(3100-1500aBP)、过渡层(Lt)形成期(11500-8500aBP)、马兰黄土(L1)堆积期的Na元素富集、Fe元素含量相对降低,指示这三个阶段气候干燥、寒冷,尘暴频繁且强烈。此外,MTS剖面170~190cm深度及YHC剖面120~140cm深度的Fe元素含量相对低值带及Na元素低迁出率带,指示汉江上游谷地及渭河谷地共同经历了6000-5000aBP的气候恶化事件,该事件也被其他地区记录,如内蒙古大青山冰缘活动事件,洛川、千河流域灵化村、岐山、户县、渭南、庙底等多剖面全新世古土壤(S0)内黄土夹层(Lx)所记录的气候干冷事件。5不同地层间的土壤条件及迁移顺序分析通过比较渭河谷地及汉江上游谷地典型黄土—古土壤序列的常量元素组成特征、化学风化程度、元素迁移特征,揭示秦岭南北两侧的黄土—古土壤序列成壤强度及所指示环境演变特征如下:(1)秦岭南北两侧典型剖面的化学成分均趋近于上部陆壳(UCC)化学成分,以SiO2、CaO、Al2O3为主,元素组成均一且高度混合,表明渭河谷地及汉江上游谷地的黄土来源广泛,母质类型一致,均为风成所致。通过分析CIA、CIW值、Ca+Na丢失率、Fe、Na元素迁移率的地层间差异,判定自全新世以来,两剖面均经历了中等强度的化学风化作用,古土壤层的化学风化指数及Ca、Na丢失率最高,常量元素活动性及迁移顺序均表现为:Fe<K<Al<Si<Mg<