新疆塔城地区黄土剖面的定量地球化学特征及其影响因素

新疆塔城地区黄土剖面的定量地球化学特征及其影响因素

环境因子的变化对表生环境中地球化学元素的迁移和丰富产生了强烈影响。地球化学元素指标已成为恢复古代环境生态历史的重要窗口。表生环境中,稳定性差异会造成地球化学元素不同程度的淋溶和富集,故而可以利用沉积物中元素组成特征对化学风化程度进行示踪。黄土是典型的第四纪风尘沉积物,黄土层及夹杂其中的不同发育程度的埋藏古土壤为化学风化过程的研究提供了得天独厚的条件。在我国黄土高原地区,黄土沉积序列中元素分异特征及其与地层岩性关系的相关研究得到了较快的发展,取得了丰硕的成果。黄土沉积的元素分布规律特征与区域环境演化有着密切的关系,所蕴含的气候变化信息可以与深海氧同位素记录进行很好的对比。新疆是我国黄土分布的重要地区之一,该区黄土沉积是联系黄土高原及中亚黄土沉积区的纽带,独特的区域环境特征以及复杂多样的地形条件使得新疆黄土沉积在结构和组成上具有鲜明的地域性,与季风影响下的黄土高原地区黄土沉积相区别。近年来,新疆地区黄土沉积的地球化学特征的相关研究也取得了一定的进展,且主要集中于新疆北部的伊犁盆地。新疆北部地区与黄土高原黄土沉积物具有基本相似的化学元素组成,但是,地球化学元素在地层中分异状况与黄土高原有着较大的差异,指示北疆黄土沉积时期的环境可能较黄土高原更为干冷。古尔班通古特沙漠西缘的塔城地区黄土沉积古环境研究也得到一些初步的进展,然而该区黄土沉积化学元素方面的相关研究和探讨仍然凤毛麟角。早期集成研究认为,漫长的第四纪期间,黄土沉积源区较为广阔而相对稳定。研究区黄土沉积距离粉尘源区较近,黄土矿物组成可能融合了荒漠粉尘及周围高山碎屑矿物的影响,而以中亚荒漠粉尘物质为主,黄土沉积中成壤作用相对较弱,化学风化淋溶强度对环境变化响应较为敏感。因此,化学风化程度的探讨在本区黄土研究中具有重要的意义。鉴于此,本文选取塔城黄土剖面作为研究对象,分析其中常量地球化学元素的赋存状态,以期明确塔城黄土剖面经历的地球化学分异特征,探讨区域黄土沉积风化淋溶强度及其环境意义。1实验材料与方法研究剖面位于塔城市北部、塔尔巴哈台山南的阿西尔达翰尔族乡奴拉村(46°53′N、83°14′E),采样点位于河流阶地上,海拔860m。剖面为天然断面,未受到人类活动的影响和干扰。野外可以从颜色及结构较好地区分黄土层与古土壤层。依据野外描述结果并结合实验室内粒度参数的分析,将研究剖面大致分为上部土壤层(0~80cm)、黄土层(80~420cm),土壤层(420~730cm)3个主要的地层单元。其中,黄土层中在250cm附近夹杂薄的弱发育古土壤,下部的土壤层中550~630cm之间包含一层颜色偏暗的粉砂层。剖面底部650cm以下偶见磨圆度较低的小砾石,730cm以下与上覆黄土剖面呈现不完全整合接触关系的砾石层。塔城地区黄土沉积主要以条带状分布于盆地北部的塔尔巴哈台山南麓的山前阶地之上。该区属于中温带大陆性干旱半干旱气候,冬季区域明显处于西伯利亚-蒙古高压的控制之下,夏季则受到南亚热低压的影响。气温变化较大,年均温约为7℃,年均降水量为200mm左右。区域降水主要依靠西风环流从北大西洋、北冰洋以及途中一些内陆湖泊输送的水汽进行补给。由于受到区域地形影响,降水分布在不同区域以及不同海拔高度均表现出较大的差异。自剖面顶部以10cm间隔取得地球化学元素分析样品,室内自然风干后,取足够干燥的样品20g进行研磨,使得其粒径处于200目以下。称取4g左右的研磨后的细颗粒样品,采用半自动压力机将其压制成特定规格的外侧以硼酸进行固定的饼状测量圆片,地球化学元素的测量采用荷兰飞利浦公司生产的MagixPW2403X-Ray荧光光谱仪,该仪器对同一样品测量标准差控制在约2%,测量过程中加入标准样品进行测试质量的控制,结果也显示在实验误差范围内。以上实验完成于兰州大学西部环境教育部重点实验室。2结果与分析2.1塔城剖面及伊充河谷黄土沉积序列研究剖面常量化学元素主要以氧化物的形式进行统计。分析结果表明,SiO2在地层中含量最高,为40.3%~58.62%,平均值约为51.43%;Al2O3含量变化于11.94%~14.2%,平均值约13.08%,仅次于SiO2;Fe2O3百分含量平均值约为5.70%,变化于4.61%~6.53%之间;CaO含量全剖面为9.29%~22.86%,在所有已测常量元素中变化幅度最大,平均值约为13.61%。Na2O、K2O、MgO和CO3含量普遍低于10%,在全剖面中分布变化分别为1.6%~2.75%(平均值为2.05%)、3.19%~4.17%(平均值为3.64%)、1.73%~3.03%(平均值为2.50%)、3.3%~10.6%(平均值为7.08%)。塔城剖面常量元素含量与黄土高原地区洛川剖面及新疆伊犁河谷黄土沉积序列对比(表1)表明,常量元素组成基本相似,然而,平均含量依元素的不同表现出一定的差异。SiO2平均含量在表土、黄土层、古土壤层中依次递减,黄土高原洛川剖面及伊犁河谷黄土沉积中其含量表现为递增趋势,并且以黄土层和古土壤层中的相对变化最为明显。3个剖面中,Al2O3平均含量均呈现出古土壤层高于黄土层的特点,塔城剖面的黄土与古土壤中其平均含量差值最小,约为0.13%;洛川剖面中这种差值达到1.95%,而伊犁地区黄土沉积中差值为1.19%,介于洛川剖面和塔城剖面之间。值得注意的是,塔城剖面表土中Al2O3平均百分含量高于下部黄土/古土壤序列,不同于洛川剖面及伊犁黄土剖面的表土样品中Al2O3含量相对亏损的特点。Fe2O3含量平均值在塔城剖面中变化幅度相对较小,黄土和古土壤中差异约为0.32%,与伊犁地区相差不大,但洛川黄土剖面中这种差别高达1.16%。Na2O、K2O、MgO平均含量在各黄土沉积中相对较为稳定,不同地层单元中的平均含量差别也比较小。CaO含量在各剖面中表现出明显分异,区域特征得到一定的彰显。新疆地区的黄土沉积中CaO平均含量显著较高。洛川剖面土壤层中CaO含量远低于黄土层,差值达到6.02%,伊犁古土壤中其值略低于黄土,变化值约为2.04%,然而,塔城剖面中CaO在土壤层中较为富集,相对黄土层,其平均含量高出1.68%,接近伊犁地区黄土/古土壤序列中的相对差值。2.2表土层及地位基层古土壤元素迁移特征地球化学元素在黄土沉积中的分布不仅取决于沉积时源区物质的基础成分,也受控于后期风化成壤过程中的迁移转化。为了更好地分析塔城剖面中常量地球化学元素的分布特征,本文将黄土与古土壤层中各常量元素的平均值与上部陆壳(UCC)对应的化学元素平均含量进行对比。如图2a所示,塔城剖面的主要常量地球化学元素与UCC的平均含量出现一定的分异,但是黄土样品和古土壤样品中其平均含量差值相对于UCC平均含量总体较小。黄土层中接近于UCC平均含量的氧化物包括MgO、K2O、Fe2O3、Al2O3、SiO2。相对UCC平均含量,MgO、K2O、Fe2O3在地层中含量较高;Al2O3、SiO2则呈现为微弱的降低;CaO平均含量不仅在古土壤中高于黄土层,而且黄土/古土壤层的平均含量相对于UCC均表现为明显富集。另外,Na2O相对于UCC平均值呈现较低的含量,这种特征在古土壤层较为突出,类似于黄土高原地区的黄土沉积。黄土和古土壤中常量地球化学元素采用UCC归一化后的差值分析(图2b)显示,CaO差值偏正且幅度最大,表明其在古土壤样品中含量显著较高;Fe2O3、MgO在地层中含量相对稳定,K2O、Al2O3为微弱增加。同时,Na2O、SiO2其归一化差值偏负,古土壤层中呈现相对低值状态。常量元素UCC归一化差值分析(图2b)表明元素在地层中具有不同的盈亏状态。然而,某些活动性元素淋溶迁移以及地层压实作用的存在,可能造成部分稳定性元素富集的表象。因此,在讨论风化过程中元素迁移富集时,各常量元素绝对值存在一定的局限性。而选取地层中相对稳定元素作为参比对象计算其他元素相对变化率可以较好地克服该局限性。根据黄土与古土壤层中常量元素相对UCC归一化值的差异幅度,选取变幅较小的Al元素平均含量作为参照值,计算表土层及埋藏古土壤中其他元素相对黄土层的迁移变化率(△),其具体计算方法如下:其中,Xs、Is分别代表土壤样品中所求元素X和参比元素I(本文中为Al元素)的含量,Xl、Il则分别指示风化母质(本文选取黄土层)中上述两种元素的含量。△<0指示成壤过程中,X元素相对参照元素迁移淋失,△>0则表征了元素X在土壤层中相对富集。分析结果(图3)表明,各元素△值在土壤样品中平均迁移率△值与下层埋藏古土壤中△值的变化较为一致,而古土壤和表土呈现明显的分异特征。表土和古土壤层平均△值中,△Fe(4.01%)、△Ca(8.65%)、△K(1.56%)、△Mg(6.12%)均大于0,总体表现为富集。土壤层中△Si(-4.78%)、△Na(-11.24%)呈现为亏损。这种元素分布特征在埋藏古土壤样品中也一样,△值仅仅在变化幅度上略微有些差别。然而表土层中,△Fe(-3.13)、△Ca(-24.93)、△Mg(-13.31)皆表现为显著亏损状态,△Si(6.97%)在表土中富集,△Na(-5.44%)、△K(4.70%)与平均值及下部埋藏古土壤中迁移状态相同,但是,其富集和淋失程度有着一定差异。这意味着古土壤发育时期的区域环境条件较现在可能存在一定的差异,此特点有别于黄土高原黄土沉积中古土壤层相应元素的地球化学行为。同时,Ca、Mg元素在表土中的显著亏损,表明它们在现代环境下的表层风化过程中发生了显著的迁移转化。这些活动性元素并未富集在下层黄土层中,反而在埋藏古土壤层中显著富集,一方面可能反映了研究区成壤作用较弱,区域风化作用与黄土高原可能存在一定区别。另一方面,表明塔城剖面成壤过程可能主要影响矿物分解作用,淋溶作用次之,导致Ca、Mg元素在古土壤中的相对富集。3讨论3.1土壤元素成分的变化塔城剖面常量地球化学元素随地层变化特征分析(图4)表明,不同元素化合物含量变化与地层具有一定对应关系,含量垂向变化表征了不同层位元素的相对富集或淋失。作为化学性质较为活泼的元素,Na、Ca、Mg在温暖湿润的气候气候条件下容易发生淋溶和迁移,在黄土高原地区,主要表现为在古土壤中含量明显较低。塔城剖面的土壤样品中Na元素含量亦表现为相对较低状况,同时,Ca、Mg元素在表土层中相对黄土层低,埋藏古土壤中却相对黄土层高,暗示现代气候条件与古土壤发育时期具有一定的差别。SiO2主要来源于硅酸盐矿物的分解,其含量主要决定于硅酸盐矿物风化作用。研究剖面中,SiO2与Na2O的百分含量曲线变化趋势较为一致,古土壤中含量较低,表明古土壤样品中硅酸盐矿物风化淋溶作用总体强于黄土层。CaO和CO3百分含量与SiO2百分含量曲线呈现相反的变化趋势,表明成壤作用可能使得碳酸盐类矿物含量在古土壤中相对增加,淋溶作用相对较弱。MgO、K2O、Fe2O3及Al2O3曲线在地层中的垂向变化表现为自上而下逐渐递增,与地层岩性的对应关系不明显,类似特征在伊犁河谷风沙沉积中也有记录。地层中K2O与Na2O含量的变化也可能受到生物过程及黏粒组分吸附的影响,这种影响对于塔城剖面表土及古土壤层中K2O的富集作用似乎更加显著。由于Al、Fe元素化学性质相近且均较为稳定,其含量变化容易受到其他较活泼元素迁移富集的影响。塔城剖面Al2O3、Fe2O3与CaO、CO3及Na2O含量表现为反相位变化趋势,鉴于Al2O3、Fe2O3含量接近上部陆壳UCC(图2a),黄土中含量较低可能反映了风化作用的影响微弱,而Al、Fe元素在下层埋藏古土壤中相对含量较低的现象可能与Ca、Mg元素及碳酸盐含量较高有关,该现象在一定程度上反映了古土壤形成时期的淋溶作用较弱,并未导致类似我国亚洲季风影响地区黄土沉积的古土壤中Ca、Mg元素显著迁移的现象。对于中等活泼元素,塔城剖面弱成壤过程的矿物分解作用对其含量增加可能具有一定的影响。3.2不同沉积特征的化学风化指数co常量地球化学元素综合参数可以克服单一元素对环境响应的不确定性,能够更好地反映沉积物的化学风化强度。本文采用以下比值参数进行化学风化强度及其古环境意义的探讨。Na2O/K2O(百分含量):表生环境中的Na、K元素可溶性盐类的地球化学行为具有一定差异,Na在湿润气候条件下更容易受到淋溶迁移;K元素更容易固定在硅酸盐矿物晶格中,也易被黏土吸附。因此,富含Na元素的斜长石风化速率远高于钾长石,故而Na2O/K2O(百分含量)比值可以用来反映风化强度。塔城剖面Na2O/K2O比值变化较为明显且与地层性状有着很好的对应关系,古土壤层中含量相对较低,指示土壤中的化学风化程度高于黄土层。黄土层内该比值显示出一定的波动,可能反映了黄土沉积时期风力强度的不稳定性。Na2O/CaO(百分含量):Na2O/CaO可以较好地指示干旱区环境的荒漠化程度。作为碱土金属元素,Ca元素活泼性弱于Na元素。故而风化过程中Ca元素的淋溶析出相对滞后于Na元素。在淋溶作用相对较弱的干旱/半干旱地区,Na元素可以作为荒漠草原的标型元素,而Ca元素被用作草原的标型元素。Na2O/CaO的高值指示沉积环境较高的荒漠化程度,低值对应湿润的草原环境。研究剖面中Na2O/CaO比值与地层黄土/古土壤旋回对应关系较好,也与Na2O/K2O变化趋势基本一致,表现为古土壤中比值较低而黄土层及粉砂层中比值较高的特征,暗示古土壤形成时期可能为荒漠化程度较低的草原环境,较黄土沉积时期的植被覆盖状况有明显的改善。化学风化指数CIA[Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O+K2O)]主要用来反映沉积物风化过程中矿物的蚀变程度。石英、云母、长石等是黄土中主要的矿物类型,石英抗风化,长石则较容易受到风化作用的影响,化学风化指数的升高指示矿物化学风化程度增强。塔城剖面化学风化指数(CIA)总体变化于50~60之间,低于伊犁盆地及东亚季风区的黄土沉积[2,7,12,13,14,28,29,30,31],指示研究剖面化学风化作用总体较弱。CIA变化趋势与地层成壤强度基本一致,表现为除1.75m附近的显著高值外,黄土层中CIA值总体较低,而表土层和埋藏古土壤层中相对较高,表明成壤过程中化学风化作用较强,与Na2O/K2O及Na2O/CaO比值指示意义较为一致。残积系数Ki[(Al2O3+Fe2O3)/(CaO+Na2O+MgO)]是利用元素之间活泼性差异进行沉积物淋溶程度的判断。一般干旱气候条件下淋溶较弱的沉积物中残积系数较小,湿度较高的沉积物中残积系数较高。塔城剖面的残积系数Ki表现为上部表土及粉砂层中相对较高,而在古土壤中相对较低,表明粉砂层形成时期可能与现代湿度状况接近,而古土壤形成时期的淋溶作用较弱,期间相对湿度可能较低。退碱系数Bc[(CaO+Na2O)/Al2O3]是利用沉积物中Na2O和CaO相对于Al2O3淋溶程度进行相对湿度状况及风化强度的判断,退碱系数低值对应湿润的沉积环境。塔城剖面中Bc与Ki曲线变化趋势相反,Bc在表土层及下部粉砂层中明显较低,谷值处接近1.0。黄土层中整体波动较小,并且其值均低于下部的埋藏古土壤层,在6.3~7.0m之间的古土壤中明显出现峰值。进一步对CIA、Ki及Bc进行比较分析发现,CIA与Bc在1.75m处均对应出现明显的一个峰值,Ki表现为谷值,可能受到了外源输入物质的干扰。剖面中Ki与Bc相对于CIA参数变化趋势出现相位差别可能是由于CaO含量及碳酸盐类在古土壤层中含量略高引起的。与黄土高原及下蜀黄土沉积相比,塔城剖面中Ki以及Bc在CaO含量影响下并未很好对应成壤强度,该参数一定程度上可能反映了相对湿度较低的成壤环境,使得Ca元素等中等活泼元素的淋溶较为微弱。黄土层中较低的CIA可能源于黄土沉积时期冷湿或凉湿的环境和相对较差的植被条件,淋溶作用强,但是成壤作用及原生物质的风化作用较弱,使得化学风化指数较低。结合以上分析可知,反映低级风化阶段的Na2O/K2O与Na2O/CaO参数以及CIA指数能够较好地反映塔城剖面黄土/古土壤层中的风化强度变化。3.3不同沉积阶段的同源性A-CN-K(Al-CaO+Na2O-K2O)三角模型能够较为直观地判断沉积物的风化程度,并可以预测矿物未来化学风化趋势。该模型图的原理基于风化过程中矿物稳定性、质量平衡以及相关实验数据的分析。在A-CN-K图中,PAAS(陆源页岩)代表典型的上部陆壳(UCC)最初的风化产物,上部陆壳(UCC)趋向陆源页岩(PAAS)方向指示了典型的大陆早期的风化趋势。风化趋势与A-CN连线平行指示了斜长石的初级风化阶段,其风化产物主要为伊利石、蒙脱石、高岭石;而风化趋势抵达A-K线则代表了斜长石的较高级风化阶段;风化趋势线与A-K连线平行时,反映剖面中初级风化产物进一步向富铝型矿物转变。塔城剖面典型黄土与古土壤样品的A-CN-K三角模型图分析结果(图5)显示,无论黄土还是古土壤样品,在三角模型中的分布均与A-CN连线大致平行而方向指向陆源页岩(PAAS),位于UCC风化趋势线上。我国亚洲季风影响地区的黄土沉积中也有类似的记录,可能指示了风化物质的同源性(即都起源于广泛的上部陆壳)。塔城剖面黄土与古土壤样品均位于三角图中斜长石和钾长石连线的下方,远离陆源页岩(PAAS)所处的位置,该特点明显区别于已报道的黄土高原黄土沉积及下蜀黄土剖面,但类似于风化程度较弱的青藏高原周围黄土沉积,表明塔城黄土沉积时期的气候环境总体相对干旱。然而,塔城黄土样品与古土壤样品在风化趋势线上并未出现显著的分异特征,相对黄土样品,部分古土壤的样品更加远离陆源页岩(PAAS)点。这种特点表明,塔城剖面整体风化淋溶程度很低,基本处于脱Ca、Na的初级风化阶段。样品点分布最上端仅位于上部陆壳(UCC)平均风化组分附近。黄土与古土壤样品在三角图中的近乎一致分布与该区黄土沉积中较弱的成壤作用相对应,另一方面可能反映了塔城剖面古土壤中的淋溶作用相对较弱。综上所述,塔城剖面与伊犁河谷的黄土沉积风化强度相似,位于初级风化阶段。地球化学元素及其比值参数与地层特征有着较好的对应关系,古土壤和表土中化学风化作用总体相对较强,但是残积系数及退碱系数一致指示埋藏古土壤层的淋溶作用较低。一般认为成壤时期的源区矿物输入较为稳定,而古土壤的发育是以黄土沉积为母质的,即矿物差异对淋溶程度的影响在塔城剖面极其微弱。那么这种特征可能暗示干旱背景条件下,塔城黄土沉积中古土壤形成时期的水热组合模式与亚洲季风影响下的黄土高原及下蜀黄土沉积有着较大的不同。由于该区域的水汽来源主要依赖于西风环流的输送,深居内陆的区域环境对于历史时期相对湿度的影响可能更倾向于表现为冷湿与暖干的交叠。区域温度的升高有利于草原植被的发育和弱成古土壤的形成,化学风化作用相对增强造成化学元素在黄土层和古土壤层中的分异。然而,温暖时期的蒸发量于干旱的背景下可能相对高于降雨量,相对湿度在该时期降低可能导致了残积系数及退碱系数反映的淋溶作用在古土壤中较弱。鉴于研究剖面距离源区较近而区域地形复杂的特点,物质源区距离的变化及西风带的迁移引起的水汽输入