临夏黄土沉积物的粘土矿物学特征及其古气候指示作用

临夏黄土沉积物的粘土矿物学特征及其古气候指示作用

0临夏塬堡古土壤资源环境地质研究临夏盆地位于青藏高原东北缘。是高原东北部雷积山、秦岭以北、祁山以北、东马街山、青藏高原东山堡山群的四座山港山。在地理位置上,临夏盆地处于东部季风区、西北干旱区及青藏高原旱区三大自然带的交汇地带,因此对气候变化非常敏感。这里已成为研究第四纪以来的环境演化、青藏高原隆升和环境变化的最重要地区之一。黄土作为全球变化研究中的重要载体之一,是中国第四纪最典型的陆相沉积。近年来,我国学者对黄土—古土壤系列开展了深入而细致的工作,其中洛川、西峰、宝鸡、渭南和兰州等剖面的研究较为深入,并取得了突破性的进展。临夏地区第四纪黄土分布广泛,早更新世大塬顶剖面、中更新世重台源剖面、晚更新世北塬剖面和全新世洒勒山剖面即是第四纪不同时期堆积的厚层黄土剖面,其古地磁年代分别为1.72～1.1MaB.P.、1.1～0.8MaB.P.、0.8～0.01MaB.P.和0.01～0MaB.P.,这3个黄土剖面共同构成临夏地区完整的黄土地层序列。此外,陈发虎、陈一萌等将临夏塬堡村马兰黄土剖面划分为L1L1、L1S1、L1L23个阶段,其中L1L1与L1L2为早、晚马兰黄土堆积,L1S1为马兰黄土中部间冰段古土壤,指出气候经历了冷干→温湿→冷干的演化过程,马兰黄土下部古土壤为离石黄土S1古土壤,属末次间冰期古土壤;曹继秀等通过对临夏塬堡黄土剖面15万a以来黄土磁化率的研究进行了古气候环境恢复;何勇等对临夏塬堡全新世黄土剖面古土壤有机质碳同位素的研究表明,温暖湿润气候期间,δ13C表现为高值,而在干燥寒冷期间,δ13C表现为低值;吕连清等研究了青藏高原东北缘合作盆地的黄土粒度记录的末次冰期千年尺度气候变化。这些研究主要集中在古近纪渐新世—早更新世—中更新世,并且多进行了低分辨率气候环境指标的研究,而对于晚更新世以来的古气候环境变化的研究相对薄弱,对于晚更新世湖相沉积物的研究也较为缺乏。此外,前人关于黄土的研究,主要集中在磁性地层学、地球化学和植物化石等方面,而对粘土矿物及其古气候指示的研究较少。粘土矿物是黄土的重要组成部分,由于它们的晶体结构和颗粒小使得它们对地质环境的变化特别敏感,粘土矿物的类型及其组合与沉积环境、沉积物源、古气候、成岩作用和构造背景等有密切关系。本文从粘土矿物学的角度,研究了临夏盆地晚更新世黄土剖面粘土矿物的变化特征及其对气候的指示意义。1不同结构黄土、浅褐灰色土壤层结构及沉积相研究剖面位于甘肃省临洮县塔湾乡,312国道临洮—定西段公路旁,其GPS坐标为X=405575.24,Y=3915555.52(图1),为一天然垂直黄土剖面。剖面下部为新近纪甘肃群(NGS)桔红色含砾泥岩,上部为晚更新世风成黄土。根据黄土—古土壤的剖面分布特征,可以进一步划分成22个岩性层,自上而下描述如下:22.灰黄色块状风成黄土,质地均匀,颗粒较粗大,具明显滑感,结构疏松,厚2.40m。21.浅褐灰色古土壤与风成黄土过渡层,土质较坚硬,厚1.20m。20.浅褐黄色风成黄土,质地均一疏松,颗粒较粗大,具滑感,底部土质较硬,厚1.20m。19.褐灰色土壤层,质地均匀,颗粒细小,结构紧密,较坚硬,厚1.90m。18.褐黄色风成黄土,质地均一,结构致密,但较松软,厚1.30m。17.浅褐灰色土壤层,颗粒细小,质地均匀,较为坚硬,厚1.60m。16.褐黄色块状风成黄土,质地均匀,结构疏松,孔隙较多,厚4.50m。15.褐灰色土壤层,土质均匀,较致密坚硬,其中含有星点状灰白色膏盐粉末,厚1.50m。14.褐黄色风成黄土,土质均匀,颗粒较粗,结构松散,含有较多孔隙,厚2.40m。13.褐灰色古土壤层,质地较为松软,切面粗糙,富含孔隙,厚0.70m。12.褐黄色风成黄土,质地均匀,结构松散,含有较多孔隙,厚0.50m。11.黄褐色风成黄土,质地均匀,较为致密,厚0.80m。10.灰黄色风成黄土,土质均匀疏松,具明显滑感,厚4.40m。9.褐灰色古土壤层,质地较坚硬、均一,厚0.40m。8.褐黄色风成黄土,土质均匀,颗粒细小,具明显滑感,可见细小裂纹,裂纹中充填有钙质结核或细脉,厚2.30m。7.褐灰色古土壤层,结构紧密,质地较坚硬,含星点状钙质结核,厚0.40m。6.浅褐黄色黄土,质地均匀,颗粒较粗大,较为疏松,厚3.00m。5.褐灰色古土壤层,下部颜色较浅,向上颜色逐渐加深,土质结构紧密,粘结较好,较为坚硬,局部可见星点状或细脉状白色钙质结核,厚1.20m。4.褐黄色黄土层,颗粒细小,质地松软均一,具明显滑感,厚0.40m。3.浅褐灰色土壤层,土质均匀,结构紧密,较坚硬,含少量白色钙质结核,结核大致呈星点状排列,厚4.15m。2.褐黄色风成黄土,质地均一,较为疏松,组成颗粒较粗,厚0.65m。1.褐黄色土壤层,土质均匀,较坚硬,含有星点状白色钙质结核,与下伏桔红色泥岩呈角度不整合接触,厚1.10m。根据黄土—古土壤的剖面分布特征,该黄土剖面可以进一步划分成4段:即第1段包括层位1～5;第2段包括层位6～14;第3段由15～19组成;第4段由黄土沉积层位20～22组成。根据古地磁分析和光释光年龄测定结果,并根据沉积速率进行外推估算和区域的地层对比分析,沉积物的时代属于晚更新世。如图2所示,临洮塔湾黄土剖面中1～5层相当于离石黄土上部S1古土壤层,6至14层相当于马兰黄土下部L1L2黄土层;15至19层相当于马兰黄土中部L1S1古土壤层;20至22层相当于马兰黄土上部L1L1黄土层。2实验方法2.1代表性样品的采集根据岩性、结构的差异特征,在黄土剖面的22个岩性层中,分别采集新鲜的代表性样品。粘土矿物样品采用沉降法提取,将黄土样品研磨成颗粒细小的粉末,置于烧杯中加水搅拌分散2h,静置24h后,倒出上层溶液并用离心机分离,获得提纯的粘土矿物样品。2.2x-射线衍射分析xrd黄土样品矿物组成的测定采用全岩样品,直接将样品置于玛瑙研钵中,研磨成微米级粒径的细小颗粒,然后置于样品架的凹槽中,采用背压法制备试样。粘土矿物的衍射分析则采用定向试样,将粘土矿物样品涂布于玻璃片上,待干燥固结后即可进行X射线衍射分析。将涂布于玻璃片上的粘土矿物定向试样,置于干燥皿中,加入适量的乙二醇溶液,在70℃的条件下饱和约3h制备出乙二醇饱和处理样品。测量工作在日本理学Dmax-ⅢA型X射线衍射仪上进行,入射光源为CuKα辐射,Ni片滤波,X光管工作电压为35kV,电流为30mA;光阑系统为DS=SS=1°,RS=0.3mm。使用连续扫描方式,扫描速度为4°/min,2θ分辨率为0.02°。伊利石结晶度采用Kübler指数,即其(001)衍射峰的半高宽(Δ2θ)来表示。2.3扫描探针成分分析微区从收集的样品中,选取小块状的试样进行表面喷铂导电处理,即可进行扫描电子显微分析。实验在JSM-5610型扫描电子显微镜上进行,加速电压为20kV,束流大小在1～3nA。扫描电子显微镜配备有能谱分析附件,可以对分析微区进行扫描探针成分分析。在对微细矿物颗粒进行观察时,能谱分析可以提供矿物颗粒的化学成分依据,便于矿物颗粒的分析鉴定;在进行样品元素化学成分分析时,进行ZAF校正,电子束斑大小约为1μm。3结果讨论3.1晚更新世黄土根据样品的X射线衍射分析结果,本区晚更新世黄土沉积物,无论是风成黄土层还是古土壤层,其矿物组合类型基本相同,主要有石英、方解石、长石、角闪石、白云石以及粘土矿物等,如图3(a)所示。从粘土矿物及其乙二醇饱和样品的X射线衍射结果(图3(b)、(c))可以看出,粘土矿物主要有伊利石、绿泥石、伊利石/蒙脱石混层粘土矿物、高岭石和坡缕石等。一般以伊利石和绿泥石为主,伊/蒙混层粘土矿物、高岭石和坡缕石的含量较低。伊利石的结晶度的测量结果如图4所示,反映不同的岩性层中伊利石的结晶度有明显的差别。在扫描电子显微镜下,沉积物主要由片状的粘土矿物和碎屑颗粒组成。如图5(a)所示,片状的粘土矿物多发育不规则的、残缺的边缘,有的为明显的港湾状或浑圆状。粘土矿物晶片的(001)基面不平整,有较为发育的裂隙或凹坑;粘土矿物晶体的侧向较不发育,晶粒厚度很小,这些表面晶体形态特征,反映了粘土矿物经历了风力搬运过程中的撞击和剥蚀,与其地质特征相一致。在本区晚更新世黄土沉积物中,石英、长石、角闪石等是主要的碎屑矿物成分,这些矿物均是抗风化能力很强的矿物组分,而粘土矿物则主要为绿泥石和伊利石,说明沉积物源地区处于干旱的气候环境。高岭石是酸性火山岩或者变质岩在温暖、潮湿的气候条件下风化而成的产物,它是最常见的土壤矿物之一,因此,高岭石的发育表明母岩区经历了热带气候条件下的强烈化学风化过程,大量的降水促使离子的迁移和产生成壤作用。而当气候转为干燥时,高岭石形成的气候信息特征将很可能被保存下来。而碎屑高岭石则指示邻区的多雨热带气候。伊利石/蒙脱石混层粘土矿物一般形成于中等程度化学风化的地表环境,代表气候逐渐转为潮湿的环境。伊利石一般形成于干冷的气候环境条件,当其晶格混层中K+不断淋失,可向蒙脱石演化。如果气候变得湿热,化学风化彻底,碱金属(主要是K+)被带走,伊利石将进一步分解形成高岭石。因此,气候干燥、淋滤作用弱对伊利石的形成和保存有利。而绿泥石是绿片岩相变质岩中的一种常见矿物,也是沉积物中的常见矿物,可由重复的风化剥蚀而富集,绿泥石一般只能在化学风化作用受抑制的地区(如冰川或干旱的地表)保存下来。因此,绿泥石和伊利石矿物组合代表一种干旱的气候条件。本区晚更新世的黄土沉积物具有风力沉积(风成黄土)或表生风化改造(古土壤)的成因特征。然而,在黄土剖面中,均可见高岭石和伊利石/蒙脱石混层粘土矿物发育,说明这些化学风化粘土矿物高岭石和伊利石/蒙脱石可能也来源于风力搬运的物源区,而土壤中含有高岭石、伊利石和绿泥石,指示经历了气候从湿润变为冷干的转变。3.2气候变化的机制伊利石结晶度是气候变化的灵敏反映指标,它可以反映出气候环境的短期变化,粘土矿物结晶度是确定古气候环境的有力证据。本区晚更新世的黄土沉积剖面各岩性层中,伊利石(001)衍射峰的半高宽(Δ2θ)在0.23°～0.86°之间,但从这些半高宽数值大小的分布可以看出分别出现两半高宽较大的峰值区,如图4所示。由于伊利石结晶度可以反映矿物在环境中的水解能力,因此,高温和大的降雨量被认为可以导致矿物的强水解作用,以致结晶程度差;反之,在低温和干燥的条件下,矿物的结晶被保存下来。因此,较高的结晶度值指示低温和干燥的气候条件,而低的结晶度值则指示它们形成于高降雨量(潮湿)和高温的气候条件。Chamley研究了地中海海相沉积物中伊利石结晶度,证实结晶度高的伊利石形成于干燥寒冷的气候,而结晶度差的伊利石形式于温暖、湿潮的气候条件。黄土沉积物中伊利石结晶度的变化反映了古土壤形成与黄土堆积时的气候条件的差异,古土壤形成于降水较多且相对湿润的条件之下,而黄土则形成在气候比较干燥的时期。因此,从本区黄土剖面各层伊利石的结晶度变化图解可以看到,临夏地区晚更新世的气候变化经历了从湿润→冷干→湿润→冷干的两个周期性的演化,而且晚期与早期相比更加湿润同时又更为冷干。路玉林根据孢粉组合分析以及磁化率测量结果,指出末次间冰期以来,临夏地区经历了从温湿到干冷的两次周期性变化,与粘土矿物学特征所反映的气候演化过程十分吻合。3.3细网状坡原石的形成环境坡缕石形成于干旱、半干旱的沙漠气候环境条件下,是干旱、半干旱地区泥灰岩风化以及风成沙漠尘土沉积物的特征矿物,也常见于钙结层或富钙土壤中,并与高Mg活度的环境有关。因此,土壤中坡缕石是干旱或半干旱环境的良好指示矿物,与沉积物的主要矿物组合特征是一致的。电子显微镜下观察表明,沉积物中的坡缕石可明显分成两类,即自生成因坡缕石和碎屑成因坡缕石。如图5(b)所示,坡缕石晶体呈细棒状集合体分布在其他颗粒的间隙中,晶体发育较好,晶粒长度一般为1～4μm,宽度为0.05～0.2μm,常呈束状排列,不同排列方向的晶体颗粒相互缠绕、交织,呈现出坡缕石特征的交织状结构。电子能谱分析结果表明,细短棒状集合体的化学组成主要为Si、Al、Mg、Fe,含少量的K、Ca,与坡缕石的化学组成一致,如图5(b)所示。细棒状坡缕石往往沿片状粘土矿物颗粒的边缘交代、生长,交代强烈的晶片则基本由坡缕石晶体组成,但坡缕石晶体集合体仍然保留着片状颗粒的外形,而部分颗粒则可见逐渐向坡缕石转化(图5(b))。向坡缕石晶体转化的这类粘土矿物晶片往往发育不平整的毛发状形态,根据其晶体形态的特征可以判断,这类粘土矿物颗粒即为伊利石/蒙脱石混层粘土矿物。从坡缕石晶体交代粘土矿物颗粒的现象以及呈细棒状坡缕石集合体的完整形态可以看出,这类坡缕石即为自生成因的坡缕石。此外,从剖面中普遍发育白云石的现象看,临夏地区晚更新世的土壤环境是一个高Mg活度的环境,有利于坡缕石的形成。从晶体形态特征上看,黄土沉积物中形成的坡缕石呈细短棒状,可见明显的交代早期沉积的片状矿物的现象,而从溶液中结晶沉积的坡缕石往往呈细长的丝状集合体,或呈明显的竹节状,说明临夏地区晚更新世黄土沉积物中坡缕石的形成并非从溶液中结晶沉积。扫描电镜观察结果(图5(c))还表明,沉积物中可见碎屑成因的坡缕石。这些坡缕石晶体一般呈较短的、平直的棒状,晶形破碎,多以单颗粒形式产出,与其他细小的矿物颗粒混杂充填在较大颗粒的空隙中,或附着在大片状粘土矿物颗粒的表面;晶粒长度一般小于1μm,宽度0.05～0.20μm,具有明显的碎屑成因特征,说明这一类坡缕石是由于风力搬运而沉积,反映物源区的干旱、半干旱气候条件。在干旱、半干旱气候条件下,pH值约等于8的碱性环境,高Si、Mg活度以及一定量的Al存在的条件有利于坡缕石的形成和稳定。然而,在土壤环境中,坡缕石往往变得不稳定,它可以因风化分解而形成蒙脱石。Paquet和Millot的研究表明,当年均降