秦安黄土古土壤组织特征分析

秦安黄土古土壤组织特征分析

1中新世黄土-古土壤序列地球化学特征中国北方的黄土分布是东亚和全球环境变化的重要信息载体。第四纪黄土-古土壤序列、风成三趾马红土和中新世黄土-古土壤序列较完整地记录了新近纪初期以来的季风环境演化和亚洲内陆干旱化历史。迄今为止,对第四纪黄土[1,2,13,14,15,16,17]和三趾马红土[18,19,20,21,22,23]的地球化学特征已有较深入的研究;而中新世黄土-古土壤序列由于发现较晚,其地球化学特征虽有一些初步工作,但有待进一步深入。本文重点对西部黄土高原秦安中新世黄土-古土壤序列QA-I的常量、微量和稀土元素地球化学特征进行研究,并与东部黄土高原的西峰第四纪黄土和晚中新世-上新世的三趾马红土样品进行对比,以探讨两个问题:1)中新世黄土-古土壤序列的地球化学特征及其与第四纪和上新世风尘堆积的异同;2)这些特征对物质来源、搬运过程和成因等的指示意义。2分析方法和样品本文研究的中新世黄土-古土壤序列QA-I剖面(105°27′E,35°02′N)位于甘肃省秦安县境内,剖面厚度253.1m,时间跨度约为22.0~6.2MaB.P.,其中包含230多层褐红色的肉眼可识别的古土壤层。在整个剖面共选取18个典型层位的样品进行常量元素分析,并将其中6个样品进行了微量和稀土元素分析。西峰的第四纪黄土-古土壤序列和晚中新世-上新世三趾马红土是东部黄土高原风尘堆积研究的重要剖面。作为对比研究,从西峰6.2~2.6MaB.P.的三趾马红土选取7个样品进行常量元素分析,其中3个样品进行微量和稀土元素分析;从西峰2.6MaB.P.以来的黄土-古土壤序列选取5个样品进行常量、微量和稀土元素分析。在粉尘沉降后的风化成壤过程中,碳酸盐的淋溶和淀积使其在整个剖面的含量变化幅度较大。为了消除成土过程中碳酸盐迁移对其他元素相对含量的影响,对西峰剖面(古土壤S1,S5,S12,S13和黄土L4,L5各1样,三趾马红土取3个样)和秦安剖面(黄土层和古土壤层各3样)共15个样品分别进行了1mol/L醋酸溶液去除碳酸盐前后的化学分析。醋酸溶液可以完全溶解碳酸盐物质,而对硅酸盐等非碳酸盐物质组成的影响很小。去除碳酸盐后的酸不溶组分代表了原始粉尘中的稳定组分,具有示踪源区的潜力。常量元素测定在中国科学院地质与地球物理研究所日本岛津公司生产的SHIMADZUXRF-1500顺序式X射线荧光光谱仪上完成。除MnO和P2O5因含量低而分析误差达到±10%外,其他元素分析误差≤±2%。微量和稀土元素在中国科学院地质与地球物理研究所FinniganMAT型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)上测试。样品采用高压密闭(Bomb)法溶样,分析误差小于10%。将样品置于1000℃的马福炉中煅烧1小时后称量获得样品的烧失量。采用双球管灼烧重量法获得条件实验酸溶处理样品的化合水含量。3结果与讨论3.1不同粒度及元素地球化学图1a给出了酸处理前后的15个样品常量元素(经烧失量校正)平均值经上地壳(UCC)平均化学成分标准化后的差值结果。可以看出,酸溶处理前后,CaO和MnO含量变化较明显。研究表明,能溶于醋酸的Mn2+主要来自于碳酸盐矿物,在碳酸盐淋溶与重新淀积过程中,Mn2+因氧化为Mn3+或Mn4+不再进入碳酸盐。本文的结果支持这种解释,因为酸溶处理后,碳酸盐淋溶较强的秦安样品的MnO含量高于西峰样品。常量元素的上述对比实验表明,酸不溶物可视为去除碳酸盐后的残余物,近似代表原始粉尘的稳定组分。秦安和西峰样品的烧失量在4%~8%之间变化。由于酸溶消除了碳酸盐的影响,烧失量主要反映了含水相(主要为粘土矿物)和有机质的含量变化。秦安样品化合水含量平均为4.97%,西峰黄土样品为3.36%,三趾马红土样品为3.77%。秦安剖面的烧失量(平均6.84%)高于西峰剖面(西峰黄土4.25%,三趾马红土5.05%),显然与秦安黄土粒度偏细,粘土矿物含量较多有关。西峰黄土、三趾马红土和秦安黄土酸不溶物中的常量元素含量(本文常量、微量和稀土元素均经烧失量校正)组成基本相似(图1b和1c),并都与上地壳各元素平均含量相近。这种不同地点、不同时代风尘堆积元素组成的一致性,表明中新世以来秦安黄土与西峰红土和黄土可能具有相似的物源或搬运沉积过程。但某些常量元素在丰度上仍具有一些差别,如秦安样品较低的SiO2(秦安、西峰、三趾马红土平均分别为66.31%,69.87%,69.8%)和Na2O(平均分别为1.25%,1.94%,1.41%)含量,较高的Al2O3(平均分别为16.79%,14.48%,15.07%),Fe2O3(平均分别为6.81%,5.59%,5.93%),MgO(平均分别为3.20%,2.52%,2.77%)和K2O(平均分别为3.17%,2.84%,2.95%)。各元素(除CaO,MnO在酸处理前后变化较大外)经上地壳平均化学成分标准化后的平均值(图1d)与上地壳平均成分相比,西峰黄土、三趾马红土和秦安黄土均显示了Ti的富集和Na的亏损。与西峰黄土和三趾马红土相比,秦安黄土略富集K,Fe,Mg和轻微亏损Na元素,这一方面可能与三者粒度的不同有关,另一方面可能说明中新世风化程度较强造成更多Na元素的淋失而其他元素相对富集。我们的证据更支持是由于粉尘粒度的变化造成的。研究表明,分选作用使铁、镁质矿物在粉砂、泥等细粒级中富集。对秦安黄土、三趾马红土和西峰黄土的中值粒径分析显示,三者分别为7~12μm,6~9μm和15~22μm。秦安黄土略富集K,Fe,Mg和轻微亏损Na元素的现象,可能是由于风力分选作用使粒度不同造成的。Nesbitt等根据元素活动性顺序将化学风化过程分为早期脱Na和Ca、中期脱K和晚期脱Si阶段。Ca主要赋存于易风化的斜长石和暗色矿物辉石中,因此在化学风化的初始阶段就会遭受强烈的淋滤。Na赋存在长石(主要为斜长石)、云母等矿物中,在风化过程中伴随这些矿物的分解而淋失。Ti抗风化、抗淋滤能力最强,且通常赋存于不易风化的锐钛矿、板钛矿、金红石等矿物中,因而在风尘堆积中含量偏高。K为钾长石、云母和伊利石等所含的主要碱金属元素,当钾长石和云母风化成粘土矿物伊利石时,K几乎不发生淋失,且易被粘土矿物吸附。Mg尽管在风化过程中属于易淋溶元素,但黄土中的Mg在化学风化过程中相对于Al没有发生分异,基本保持稳定。风尘物质的A-CN-K三角模式图常被用来估测大陆化学风化趋势,本文的数据(图2a)指示了秦安和西峰黄土均处于风化的早期阶段,说明我国北方在中新世时的气候虽然与第四纪不同,但已属于半干旱-半湿润的气候条件。两剖面样品的组成点都集中分布在UCC的风化趋势线上。这一特征一方面反映了两地样品物质组成的高度均一性,另一方面证明了秦安黄土物质来源广泛,并经过充分物质循环混合,使之趋近上地壳平均化学成分。3.2相似微量元素微量元素一般指岩石中重量百分比小于0.1%的元素,在探讨地质体的成因类型和沉积环境方面均有重要意义。对西峰和秦安风尘沉积酸溶样品的20种微量元素进行了分析结果显示,西峰黄土、三趾马红土和秦安黄土的微量元素组成大致相似(图2b和2c),并与上地壳平均成分相近。经UCC平均化学成分标准化后的平均值见图2d,三者基本显示了相似的微量元素分布模式。与上地壳平均成分相比,西峰黄土、三趾马红土和秦安黄土均显示Li,Ni,Cs,Bi的富集和Sr,Nb,Ta的亏损。此外,秦安黄土相对亏损Zr(秦安、西峰、三趾马红土平均分别为210.44μg/g,249.48μg/g,247.65μg/g)和Hf(平均分别为6.24μg/g,7.49μg/g,7.33μg/g),而富集Cs(平均分别为12.44μg/g,10.47μg/g,10.28μg/g)元素。Cs在结晶化学性质上与K相似,常因类质同象赋存在一些含K矿物(如云母、长石等)中,在风化过程中因不易淋失和易被吸附的特性而在细粒组分中富集。Zr和Hf化学性质相似,多以元素对形式存在于抗风化矿物如锆石、榍石中,在风化作用下易富集在砂粒级中。与世界上一些小范围分布的黄土相比,中国黄土具有相对富集Cs、亏损Zr和Hf的特征,这与我国黄土远距离风力搬运有关,是沙漠黄土的特点。秦安样品相对富集Cs、亏损Zr和Hf元素的特征表明秦安黄土亦为沙漠黄土。3.3与上地壳土壤矿物成分的关系稀土元素化学性质彼此相似,常共生在一起。碎屑岩的稀土元素含量主要受控于物源区的岩石成分,故常被用来探讨物质的来源及成因。醋酸处理前后样品相似的稀土元素配分模式(图3a和3b)表明,稀土元素分布基本未受到碳酸盐淋溶的改变。秦安黄土稀土元素组成与西峰黄土、三趾马红土的差别不大,总稀土含量分别为140~203μg/g(平均170μg/g),133~193μg/g(平均170μg/g)和135~170μg/g(平均156μg/g);La的球粒陨石标准化值(LaN)分别为90~127(平均111),92~123(平均110)和88~110(平均101);Yb的球粒陨石标准化值(YbN)分别为11.1~13.9(平均12.7),10.9~14.7(平均12.3)和10.1~13.5(平均12.5)。所有结果都与上地壳平均成分(总稀土含量为146μg/g,LaN为96.8,YbN为10.5)接近。稀土元素球粒陨石标准化图(见图3b)显示,两地稀土元素配分模式相似,都表现为轻稀土元素高度富集、重稀土元素相对亏损、LaN/YbN(7~10)很小的变化范围和元素Eu的显著异常,与前人对上地壳平均成分的研究结果相似。在风化和沉积过程中Eu元素很少发生分馏。斜长石(Eu的重要寄主矿物)的风化分解和粘土矿物的交换吸附是Eu/Eu*(Eu*为Eu的理论含量,Eu*=SmN+GdN2,式中SmN和GdN为球粒陨石标准化值)波动变化的主要因素。不同地域的黄土有各自特征的Eu/Eu*,如斯匹次卑尔根群岛地区黄土约为0.7,欧洲黄土为0.53~0.67,阿根廷黄土为0.74~0.83。西峰和秦安样品的Eu/Eu*都在0.6~0.7之间,也反映了它们物源的相似性。西峰黄土、三趾马红土和秦安黄土相同的稀土元素配分模式表明它们均来自广阔的、包含各种矿物成分的物源区,经过物质循环和远距离搬运,并在搬运过程中各种矿物成分高度混合。这些特征是风尘物质的典型特征,为中新世黄土的风成成因提供了一方面的必要证据。3.4不同沉积特征的la/th和mclima风化成壤过程中活动性元素的淋失、淀积等会造成各元素含量的相对变化,故单一元素的绝对含量变化不能真实反映各元素在剖面中的分布,黄土研究中常采用元素比值进行讨论。化学风化是表生环境中主要的地质作用之一。CIA=Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)×100(各氧化物单位为mol分子数,其中的CaO*为醋酸处理后的含量)是常用的化学风化程度指标,可以用来估算长石风化成粘土矿物的程度。秦安黄土的CIA(平均68.9)和西峰(西峰黄土平均63.1,三趾马红土平均67.7)都高于上地壳(平均50)。作为对比,页岩通常有较高的CIA值(70~75),现代土壤和主要河流的细粒组分有较大的CIA变化范围。秦安剖面样品相对较低和变化范围窄的CIA表明中新世黄土同第四纪黄土一样,来源物质经历了多次的风化、沉积、分选作用,具有中等程度的风化。火成岩向沉积岩转变过程中伴随Na的淋滤和元素K在页岩中的富集,Na2O/Al2O3相对于K2O/Al2O3变化图(图3c)显示了西峰和秦安样品的沉积特征。与上地壳平均成分相比,西峰黄土、三趾马红土和秦安黄土均表现出Na元素显著淋失。与Na的化学行为相似,U在U/Pb相对于Th/Pb变化图(图3d)中亦显示了亏损。Na和U元素相对于上地壳平均成分均表现出亏损的现象,说明秦安黄土、西峰黄土和三趾马红土在源区已经过多次风化沉积分异作用,这与CIA显示的特征是吻合的。Taylor和McLennan用沉积物中La/Th(2.8)比值来研究沉积物组成与上地壳平均物质成分的异同。黄土全岩和不同粒级的La/Th差别很小,表明该比值在沉积过程中不受分选作用影响。本文采用该方法的研究显示,西峰黄土、三趾马红土和秦安黄土La/Th比值基本一致(图3e),都接近上地壳平均组分的比值,也表明它们来源广泛,经过多次搬运-沉积、高度混合;同时表明中新世黄土亦可作为上地壳平均组成的代表。4风成堆积证据本文通过对中新世黄土的地球化学分析及与东部黄土高原风尘堆积的对比表明,中新世黄土具有与西峰第四纪黄土和三趾马红土相似的常量、微量、稀土元素组成,且都