新疆伊犁盆地黄土和古土壤主要理化性质研究

新疆伊犁盆地黄土和古土壤主要理化性质研究

1多态性表面元素根据热释光年，位于中国西部地区的伊普拉盆地的黄土主要是冰期末的尘土，相当于洛杉矶高原的乌兰黄土。只有少数中更新世黄土和古土壤。利用日本理化学所的VF-320AX荧光分析仪,伊犁盆地的48块黄土与古土壤样品进行了常量元素分析,分析误差小于2%。样品烧失量的测定采用了将定量样品置于马福炉中、在980℃温度下煅烧1h后再称重并计算的方法。2研究结果2.1土壤烧失量伊犁黄土的烧失量为8.49%~16.48%,古土壤的烧失量为5.21%~10.8%,现代土壤烧失量11.9%~16.83%。相关分析表明,不论是黄土、古土壤还是现代土壤,烧失量与样品的碳酸盐含量密切相关,二者为正相关关系,相关系数R2=0.9548(图1)。2.2土壤理化性质与微量元素的关系黄土与古土壤样品中的SiO2含量分别变化于54.73%~63.85%和59.21%~64.57%之间,平均值分别为60.4%和61.9%。弱发育古土壤层SiO2含量变化于60.0%~62.3%范围内,平均值61.2%。显然,黄土与古土壤以及弱发育古土壤层风化程度相差不大。与弱发育古土壤层相比,黄土与古土壤SiO2含量波动幅度相对较大。在自然界中,硅以氧化物和和硅酸盐形式赋存于各种硅酸盐矿物中。根据风化过程中的行为,硅酸盐被分为易溶解、不易溶解和轻度溶解三种不同类型。易溶解的硅酸盐,如橄榄石、辉石和角闪石等,在风化过程中将首先被分解,但在各类第四纪沉积物中,该类矿物含量很低,因此它们的分解与否对土体SiO2含量影响并不显著。第二类如长石和云母等矿物,虽然不易分解,却易转变为粘土矿物。由于长石和云母为重要的造岩矿物,在第四纪沉积物中占有相当的比重,所以该类矿物的风化对土体SiO2含量具有一定的影响。第三类以石英为代表,该类矿物是第四纪沉积物的主要组成部分,但因为石英溶解度极低,分解得极其缓慢,除非在极端湿热的风化条件下,通常是土体中SiO2的主要组成部分。矿物学研究证明,以粉砂为主、结构均匀的黄土中,石英含量40%~80%,长石和各类粘土矿物含量为5%~20%,碳酸盐1%~20%。而粘土矿物和碳酸盐含量又和沉积环境、成壤强度等有关。伊犁地区地处干旱内陆,虽然古土壤形成期间成壤作用较黄土堆积期强烈,但由于温度和湿度远远达不到亚热带和热带的水平,所以,黄土与古土壤SiO2含量差别不大。然而,在干旱的气候条件下,土壤形成过程中碳酸盐化过程占主导地位,与半干旱和半湿润的东部季风区相比,新疆西风区的碳酸盐累积作用十分强烈,而且表聚现象十分明显。除部分遭受较强淋溶作用的中更新世古土壤外,黄土、弱发育古土壤层和古土壤中都含有丰富的碳酸盐,从而影响土体SiO2含量。碳酸盐含量高,SiO2含量相对降低。也就是说,黄土碳酸盐含量的区域差异,导致了样品SiO2的波动。黄土与古土壤中Al2O3变化幅度较小(12.42%~15.64%),尽管如此,古土壤还是能以稍高的Al2O3含量而区别于黄土。伊犁地区的黄土Al2O3含量为12.42%~13.69%,而古土壤Al2O3含量为13.75%~15.64%,其平均值分别达到13.18%和14.38%。与古土壤相比,弱发育古土壤层Al2O3含量则与黄土十分接近,二者之间无明显差别(平均值为13.18%和13.42%)。这是铝的表生地球化学性质所决定的。自然界各种铝硅酸盐矿物分布十分广泛,它们在风化条件下都可以转变为粘土矿物,如伊利石、蒙托石和高岭石等。只有在热带、亚热带湿润且炎热的气候条件下,经风化作用形成的粘土矿物才能进一步发生红土化作用,使粘土矿物再分解,硅与铝分离并随水发生迁移,铝则在原地堆积形成风化最终产物铝土矿。在黄土广泛分布的新疆西风区,即使在间冰期,化学风化也很难达到热带和亚热带的水准,因此Al2O3的分异不明显。但从伊犁古土壤分析结果来看,在末次间冰期古土壤形成期间,少量粘土矿物发生分解,是导致古土壤样品Al2O3含量的微细变化的主要原因。除Al2O3外,全铁、MnO和K2O也发生一定的分异。黄土和弱成壤层中全铁含量为4.22%~4.91%,平均含量分别为4.7和4.8%;古土壤全铁含量5.1%~6.31%,平均含量为5.4%。MnO含量在黄土和弱发育古土壤层中均达到0.07%~0.10%,平均含量为0.09%;古土壤0.10%~0.14%,平均0.11%。K2O含量在黄土和弱发育古土壤层中变化于2.4%~2.79%之间,平均分别为2.65和2.68%;古土壤变化于2.86%~3.35%之间,平均为2.95%。通常,在干热气候条件下,氧化作用强烈,二价铁在原岩尚未完全分解之前,在硅铝酸盐矿物晶格中就被氧化成三价,从而使矿物晶格松弛,导致铝硅酸盐矿物发生风化。一般在还原和酸性条件下,铁的还原作用增强,呈二价被溶解并发生迁移;而在氧化和碱性环境中,铁的氧化作用增强,二价铁被氧化为三价发生淀积。由于未做二价与三价铁的分离,很难从全铁含量去判断沉积物的形成环境,但从全铁含量的变化推测,在古土壤形成过程中,铁有一定的积累,由此推论伊犁地区古土壤形成于pH值高的氧化环境中。与铁类同,锰在表生作用中的地球化学行为也取决于价态的改变。伊犁古土壤中较高的锰含量也从另一方面证明古土壤可能形成于碱性的氧化环境中。钾在元素周期表中的位置决定了它属于易溶元素,易随矿物的风化而发生迁移。但由于钾的离子半径较大,易于被土壤吸附,所以钾在土壤中的富集能力大于钠。从上述钾的含量分析不难看出,伊犁古土壤中较黄土吸附了更多的钾,无疑这与古土壤层较高的粘土含量有关。2.3土壤理化性质与go特征的关系在岩石和沉积物常量元素研究中,元素氧化物的分子比常被用来作为风化程度的度量。它们包括常用的硅铝率(SiO2/Al2O3)、硅铝铁率(SiO2/Fe2O3+Al2O3)、CaO/MgO、K2O/Na2O、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3和变化化学指数CIA等。其中CIA定义为:CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)]×100式中的各值均为分分子比,CaO*定义为岩石硅酸盐碎屑中氧化钙的含量。由于样品测试结果中包括了碳酸钙在内,因此Nesbitt建议用一定的方法加以修正,以在碳酸钙含量未知的情况下求取CIA计算中所需要的CaO*。本文采用了本多·将俊在计算塔里木盆地沙丘砂及黄土CIA值时所推荐的方法1。如表1所示,伊犁地区黄土硅铝率和硅铝铁率分别变化于7.18~8.73和5.78~7.17之间,弱发育古土壤变化于7.60~7.94和6.17~6.48之间,而古土壤变化于7.01~7.53和5.57~6.09范围内。不难看出,黄土硅铝率、硅铝铁率大于古土壤,而弱发育古土壤则位于其间,反映了成壤强度的差异,尽管这种差异并不十分明显。从碱土金属Ca与Mg的分异程度来看,除少数样品外,黄土与古土壤之CaO、MgO比值分别于2.0~3.0之间,反映黄土沉积和古土壤成壤过程中Ca与Mg的分异不明显,但在中更新世古土壤形成期间,钙的淋溶和镁的积累作用显著,黄土的钙、镁比值为4.72,而古土壤为0.47。前人已经证明,K2O与Na2O比值,与矿物成分和粒度组分有关,由于黄土的矿物成分总体类似,则其比值主要与粒度组分有关,反映了粘化作用程度,通常古土壤钾钠比值高于黄土。从伊犁黄土与古土壤钾、钠比值来看,关系较为复杂。如比值高者并未都对应于古土壤或弱发育古土壤,相反,有些黄土层呈现较高的钾、钠比,而且与碳酸盐的淀积密切相关,即碳酸盐含量高,钾、钠比也高。其原因有待深入研究。(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3反映了活动组分与惰性组分之间的关系,与气候条件密切相关。伊犁黄土与弱发育古土壤其值分别位于1.89~3.36和1.97~2.14之间,显然黄土较弱发育古土壤(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值波动幅度大。古土壤其值均小于等于2.0,表明与黄土和弱发育古土壤相比,在古土壤形成过程中活动组分曾发生迁移,但迁移量因气候、环境而异。古土壤中该比值最小为0.73,反映古土壤发育时水热条件优越;最高可达2.08,说明成壤作用相对微弱。有关研究揭示,地壳上部物质大约由21%的石英、41%的钙长石和21%的钾长石组成。在地壳风化过程中,长石风化形成粘土矿物,Ca、Na和K通常随长石的风化而发生迁移,风化产物中Al含量增加。另一方面,沉积物在搬运和沉积过程中的分选作用将导致矿物的分馏,从而使CIA发生变化,故CIA是岩石或沉积物风化程度的最好度量。未蚀变的钠、钙和钾长石CIA值为50,而透辉石为0,新鲜的玄武岩为30~45,花岗岩和花岗片麻岩为45~55,白云母为75,伊利石、蒙托石和拜来石为75~85,高岭石和绿泥石其值接近100。页岩70~75。而根据Taylor等的研究结果,未风化的大陆地壳的CIA值为50,黄土55~70。伊犁黄土的CIA值分布于51.96~66.84之间,但绝大多数样品集中分布于56~59之间,反映黄土成分的高度一致性。弱发育古土壤CIA值54.65~58.69,古土壤55.44~58.94。由此可见,不论是黄土,还是古土壤,CIA值都集中分布在55~60之间,正好位于Taylor等的黄土区间中。Gallet等在研究了欧洲、美洲和中国黄土高原的黄土后也发现,除密西西比黄土外,其他地区的黄土都具有较上地壳平均组成为高的CIA值,而且尽管黄土的源区不同,但CIA值相近,反映黄土沉积大致类似的变化历史。将新疆不同区域黄土CIA进行对比可以得出与Gallet类似的结论,即虽然分布于新疆不同黄土亚区的黄土可能具有不同的物质来源,其形成气候条件和沉积环境也存在差别,但它们的CIA值相近。据本多·将俊对塔里木盆地和准噶尔盆地沙丘沙和黄土的研究结果,塔克拉玛干沙漠沙的CIA值50~55,但随沙丘沙粒度的变化,CIA值也发生变化,粒度愈细,CIA值愈高。粒径150~300μm粒度的碎屑,CIA值52~55,而小于45μm粒级碎屑的CIA值为56~59。塔里木黄土的CIA值56~60,与小于45μm风沙碎屑的CIA值相一致。准噶尔盆地黄土样品CIA值为60。根据中国科学院贵阳地化所的常量元素分析资料计算可知,塔里木盆地南缘普鲁、皮山至叶城一带,黄土的CIA值为59.07~63.05,平均61.84;和田地区大气降尘的CIA为62.63;准噶尔盆地马兰黄土的CIA值55.62~61.72,平均59.49;古土壤CIA值55.94~61.81,平均59.21。新疆不同黄土亚区黄土、古土壤CIA值的这种相似性,也为世界风成黄土的高度均一性提供了证据,揭示黄土在沉积之前经历了多次的地质循环和充分混合。2.4不同散点图的分析为了直观地反映黄土与古土壤常量元素的变化特征,常以SiO2和Al2O3为横坐标,利用其它各元素为纵坐标作散点图。如图2所示,各类不同的散点图中伊犁地区黄土样品与古土壤发生分离,弱发育古土壤则位于二者之间。与黄土相比,古土壤样品更接近于地壳平均丰度。2.5不同地区黄土的构造及微量元素特征地球化学工作者们在研究常量元素特征时,为便于和上地壳平均值进行比较,通常将常量元素与地壳平均值相比,即所谓的常量元素UCC标准化。由图3可知,UCC标准化后的伊犁黄土同样显示了较好的均匀性,黄土与古土壤就总体而言差别也不大。黄土(图3(A))相对地壳平均组成富含钛、锰、镁和钙,而贫钠和钾。古土壤与黄土类似,除富含钛、锰、镁和钙外,铁和铝含量也稍高于地壳平均值[图3(B)]。将伊犁黄土与黄土高原及世界其它地区的黄土相比,伊犁黄土则曾现出明显的区域特色。在新疆三个不同的黄土分布亚区,黄土的基本特征是一致的。与地壳平均值相比,不论是塔里木盆地、准噶尔盆地还是伊犁地区,黄土均富锰、镁和钙,贫钠和钾,但伊犁黄土较其它亚区更加富含镁和钙[图4(A)]。与准噶尔盆地黄土相比,塔里木盆地黄土与伊犁黄土常量元素分布特征更为接近,除钙和镁外,伊犁黄土较塔里木盆地黄土稍富钛、锰,而准噶尔盆地黄土较伊犁地区富铁。与黄土高原黄土相比,伊犁地区末次冰期黄土富锰、镁和钙[图4(B),(C)],末次间冰期古土壤富钛、铁、锰、镁和钙(个别样品除外),而黄土高原S1较伊犁古土壤更加贫钠和钾,并且以钙的大量淋溶为特征。相对于伊犁黄土,法国黄土富钛,贫镁、锰和钙;阿根廷黄土除贫镁和钙外,其它元素特征都与伊犁黄土相近[图4(D)];美国堪萨斯黄土SiO2和TiO2稍高于地壳平均值,其它常量元素相对地壳平均值均呈负距平。不难推测,正是由于世界各地黄土物质来源不同,导致了黄土常量元素区域特征的差异。3土壤成壤作用综上所述,中国西风区新疆伊犁盆地黄土与古土壤样品的常量元素具有明显的区域特点。其烧失量和SiO2含量与样品的碳酸盐含量正相关。黄土与古土壤SiO2含量没有明显差别,但Al、、Fe、Mn和K在古土壤中发生一定的分异,反映了古土壤形成期间相对强的成壤作用。与黄土高原相比,伊犁盆地末次间冰期古土壤富钛、铁、锰、镁和