安徽宣城市剖面结构的高分辨率粒度特征分析

安徽宣城市剖面结构的高分辨率粒度特征分析

1竖向剖面粒度组成特征的重新界定中国洛杉矶高原黄土-古土壤序列的研究成功地揭示了第四纪气候的多旋转变。第四纪气候大幅度多旋回的变化,显然不可能只局限于中国北方的某个小区域。在中国北方第四纪古气候多次冰期与间冰期循环变化的同时,中国广大南方地区的气候有何种程度和规模的响应?早引起人们的浓厚兴趣。许多学者希望能在南方找到类似黄土高原黄土-古土壤序列的第四纪沉积材料,以深入研究南方第四纪气候的变化规律,从而实现第四纪气候历史的南北对照。网纹红土,又称第四纪红色粘土,在我国南方丘陵地区分布广泛,因在剖面中、下部含有大量网纹状结构而得名。与黄土-古土壤序列相比,网纹红土剖面厚度较小,一般只有约20m左右,但网纹红土剖面中、下部的形成年代很古老,全剖面的形成历史可追溯到第四纪早中期。网纹红土中是否可能包含南方第四纪多旋回变化的古气候信息?成为许多研究者关注的焦点。目前,研究得较多而争论也较大的是安徽宣城的向阳剖面。前期研究者认为,向阳剖面大部分系风积成因,且存在8个“沉积—成土”作用的旋回,而且可以与黄土高原黄土-古土壤序列S8以上的地层相对照。不少后续研究者对向阳剖面网纹红土的风成特性持肯定态度,但对该剖面中是否包含多旋回变化的古气候信息则有疑问和分歧。为了深入探究这一问题,笔者对向阳剖面重新进行了高分辨率采样,并对剖面各层的颜色、风化强度、磁学参数、稳定碳同位素等指标重新进行了分析测定,结果认为没有足够的证据证明向阳剖面内部存在可指示古气候多旋回变化的多个“沉积—成土”过程的旋回。但这项新近的研究,未涉及到向阳剖面网纹红土的粒度分布特征。其实在这之前,有关向阳剖面的粒度组成特征已有过两次独立的报道:李徐生等认为该剖面粒度组成特征支持“多旋回‘沉积—成土’过程说”;Xiong等认为向阳剖面的粒度组成特征,反映了该地网纹红土的风积成因。尽管后者没有详细列出全剖面不同粒级颗粒的含量,但值得注意的是,前者公布的平均粒径图谱和后者的中值粒径图谱在变化趋势上存在明显差异。因此,本文对向阳剖面的粒度组成特征重新进行了测定,主要目的有:1)进一步验证向阳剖面红土粒度组成的真实面貌;2)粒度组成特征是否能支持该地网纹红土的风成说?3)粒度组成特征是否能支持多个“沉积—成土”过程旋回说?2样品的采集和处理向阳剖面位于安徽宣城向阳镇夏村砖瓦厂附近(30°52′24″N,118°51′55″E),前人对该剖面已有诸多描述。本文对该剖面层次的认识和划分,仍按照最近研究中提出的方案。在向阳剖面,以4cm的间距采样,采至952cm深处。采得的样品在室内风干后,过2mm孔径的筛子,进行粒度分析。剖面100cm以上的样品有机质含量较高,需先用H2O2去有机质。称取0.08g左右的样品于50ml高型烧杯中,加15ml左右的去离子水,滴加0.5NNaOH两滴,浸泡过夜,再用超声震荡机震荡30分钟。样品分散液用手动洗入仪器的进样槽中。所用仪器为美国LS13320型激光粒度仪,在华东师范大学地理系测试,测试精度为0.04～2000μm。3结果与讨论3.1粒度测试结果用激光粒度仪进行粒度分析时,样品的前处理十分关键,其目的是把样品散成单颗粒。在黄土粒度测试中,由于存在碳酸钙的胶结及盐基离子絮凝等作用,前处理方法不当会对黄土粒度的测试结果产生重大影响。网纹红土的粒度测试,正确的前处理手段同样十分重要,所不同的是,网纹红土呈强酸性——向阳剖面各层pH值为4.4～5.9,无游离碳酸盐,因而无需加盐酸作脱钙处理。剖面顶部由于受现代成土作用的影响,有机质含量较高,需用H2O2去有机质;其余各层有机质含量很低,此步也可省略。红土粘粒含量很高,且含有大量具强烈胶结作用的次生氧化铁矿物,如何使红土单颗粒充分分散是粒度测试成功的关键。曾有人建议在测试红土粒度前,用DCB(Dithionite-Citrate-Bicarbonate)法除去其中的游离态氧化铁(Fed),以消除由于次生氧化铁的胶结作用对粒度测试的影响。但考虑到次生氧化铁是风化成土过程中的主要产物之一,且含量较高——向阳剖面Fed的平均含量为32.14mg/g,最高达48.57mg/g(以Fe计),若除去这一组分测得的粒度特征恐难以反映其实际情况。笔者在红土粒度测试过程中发现,前处理时用NaOH作为分散剂优于NaPO3,显然是由于前者能更好地中和红土的酸性;样品分散时间也会对测试结果产生影响,一般加NaOH后浸泡过夜效果较好;超声分散十分关键,本次测试中样品超声震荡时间都在30分钟以上。红土粒度测试中,样品的分散效果会显著地影响粒度测试结果。向阳剖面496cm处同一样品的两次测量的结果出现较大差异:首次测试呈多峰特征,曲线不平滑,与上、下相邻层次的频率分布曲线无可比性;第2次测试呈双峰特征,曲线平滑,且与上下层次的图谱十分相近。首次测得的粘粒含量23.86%,砂粒含量14.03%;而第2次测试分别为29.91%和0.79%。显然是首次测试存在问题,主要原因是样品单颗粒分散不完全,细颗粒胶结成粗颗粒,使得粘粒含量偏小,粗颗粒含量增加。向阳剖面粒度分布的测试结果见图1。为了便于比较和研究,分别得出了粘粒(<2μm)、2～10μm、10～50μm、>30μm和砂粒(>63μm)的含量,并经运算求得平均粒径、中值粒径及Kd值(10～50μm颗粒含量/<5μm颗粒含量)等粒度参数。向阳剖面各粒级组成有如下特征:1)所有样品中未发现粒径>2mm的砾石,最大粒径均未超过200μm,>100μm颗粒的含量也微不足道。砂粒组分(>63μm)变化范围为0～5.51%之间,平均仅为0.35%。若不考虑剖面底部粒级增粗的因素,砂粒的变幅为0～1.82%,平均含量仅为0.19%。2)剖面10～50μm粒级的含量较高,变化在29.15%～44.88%之间,平均达35.06%。该粒组是风尘的“基本粒组”。在剖面中、上部属众数粒组。3)向阳剖面粘粒(<2μm)含量较高,变化范围为21.77%～34.67%,平均29.56%,是次众粒级。与本文结果相比,前人的粒度数据明显偏粗。前人在前处理时加盐酸,又用弱碱性的NaPO3作为分散剂,使得分散液呈中性或酸性而影响细颗粒分散,可能是粒度测试结果偏粗的一个重要原因。本次测试得出的中值粒径曲线与Xiong等的结果有一定可比性。根据粒度分布特征,可把向阳剖面分成4个层次:顶部层(0～16cm)粘粒含量平均为22.54%,10～50μm粒组含量平均为45.00%,砂粒含量平均为1.57%;中部层(约16～348cm)粘粒含量平均为27.17%,10～50μm粒组含量平均为38.78%,砂粒含量平均为0.19%;下部层(348～880cm)粘粒含量平均为31.38%,10～50μm粒组含量平均为32.70%,砂粒含量平均为0.15%;底部(880～952cm)这3种粒级的平均含量分别为29.33%,32.06%和2.36%。底部砂粒含量明显增加,粘粒相对于下部层略有下降。顶部层其实就是文献所称的黄棕色土层;中部层对应于均质红土层和弱发育网纹层;下部和底部层段为典型网纹红土层。从粒度特征判断,典型网纹红土的风化程度高于均质红土和弱发育网纹层,黄棕色层的风化程度最弱。这一结果与文献的研究完全相符。3.2表面质量及粒度分布特征南方网纹红土属富铝红色沉积物,呈强酸性,高度风化。毋庸置疑,网纹红土的形成经历了长期湿热的气候条件。所谓网纹红土的成因,应包括网纹红土原初物质的来源、沉积过程中外动力作用类型和网纹成因等多种因素。早期学者大多认为网纹红土为冲、洪积成因,但不排除局部地区的冰川、生物和砾石风化成因。杨达源通过对向阳剖面的深入研究,认为该地网纹红土大部分系风积成因,与下蜀黄土的成因较为一致,可称为下蜀红土。Hu等在对宣城网纹红土和下蜀黄土比较后,认为宣城网纹红土具有明显的风成特征;在对江西九江和泰和网纹红土的比较后认为,九江网纹红土也有明显的风成特性,而泰和网纹红土则有明显的冲积成因特征。最近,Xiong等也认为宣城等地的网纹红土系风积成因。本文对向阳剖面的粒度进行重新测定,以在前人的基础上,进一步验证此问题。从图1可知,除底部粗颗粒含量有增加外,总体上看,各粒级的含量和粒度系数在剖面中分布十分均匀。粒径细小,中值粒径平均只有5.53μm,除底部外,绝大部分层次砂粒(>63μm)的含量<1%;粘粒(<2μm)和10～50μm粒级的平均含量分别为29.56%和35.06%,明显富集。在黄土研究中,10～50μm粒级称为“风尘基本粒组”。向阳剖面粒径细小,分布均匀,10～50μm粒级富集,都是其具风成特性的有力证据。图2表明:向阳剖面各层粒度频率分布曲线具明显的双峰特征,与北方典型黄土粒度分布的双峰式特征有很好的可比性。且前者的众数粒径约为15～30μm,与后者也十分吻合。说明向阳剖面物质成因与典型风成黄土有一定可比性。剖面顶部黄棕色土的粒度频率分布曲线与剖面中、下部的均质红土和网纹层上部的曲线有很好的可比性;网纹层下部的红土粒度频率曲线成三峰结构,而且细颗粒峰明显增强,但其图谱形状与上部各层仍有一定的继承性和可比性。这说明向阳剖面各层物质来源具一定亲缘关系。由于剖面顶部的黄棕色土一般认为就是风成下蜀黄土,因此可以认为剖面中、下部的网纹红土也同样具有风成特性。总之,向阳剖面粒度分布特征和频率分布曲线均反映出明显的风成特性。但这里仍有诸多疑问:向阳剖面网纹红土层内的粘粒平均含量高达31.13%,如此高的粘粒含量主要是以“附加粒级”的方式,随风尘从源区搬运来的?还是风尘物质沉积后,风化成土过程中产生的?网纹层红土内Fed的平均含量高达35.02mg/g(以Fe计),若都由风从源区搬运而来,那么源区红色沉积物中次生氧化铁的含量应更高。但事实上次生氧化铁具强烈的胶结性,主要又赋存于粘粒级,大量随风搬运而来的可能性不大。向阳网纹红土中的粘粒和次生氧化铁主要应该是就地强烈风化成因的。向阳剖面具明显的风成特性,但同时又遭受过强烈的风化作用。有一点可以肯定,那就是向阳网纹红土不单单由风力作用搬运而成,强烈的风化作用对其性状的改造不容忽视。笔者认为应该很好地区分“风成特性”和“风积成因”这两个概念。向阳网纹红土具明显的风成特性,这一点毋庸置疑,但若认为该地网纹红土是与北方典型黄土成因相似的风积成因,则似乎忽视了其受湿热气候强烈影响的事实。若肯定向阳网纹红土的原初物质来自风力的搬运,那么随后的风化作用对原初物质的性状到底有多大改变?风化作用算不算向阳网纹红土形成的另一种外动力?这些问题还值得深入探讨。总之,笔者认为应肯定向阳网纹红土的风成特性,但不能简单地称之为风积成因。3.3磁化率与土壤粒级的关系在中国黄土高原黄土-古土壤序列中,磁化率(χIf)曲线能很好地指示古气候的多旋回变化。由于古土壤磁性增强与成土过程中形成超细磁性矿物有关,因此,磁化率值常与黄土的粒级有密切关系。如,在洛川剖面L9以上黄土-古土壤序列中,磁化率与粘粒(<2μm)含量呈显著正相关性。但向阳剖面磁化率与粘粒不呈显著正相关性,而且磁化率曲线与粒度分布曲线无任何可比性(见图1)。这充分印证了前期研究所得出的结论:向阳剖面磁化率与红土的风化强度无必然联系,没有明确的古气候意义。3.4粒度分布特征与粒度参数特征的关系向阳剖面内部是否包含多旋回变化的古气候信息,成为学术界争论的焦点[4,5,6,7,8,9,10,14,15,16]。最近的研究认为,向阳剖面顶部黄棕色土层风化程度偏低,剖面中、下部风化强度明显增强,但并不存在类似黄土高原黄土-古土壤序列的“沉积—成土”过程的旋回。说明向阳剖面充其量只能反映南方地区气候在第四纪晚期有变干冷的趋势,但并不能提供古气候多旋回变化的证据。而前人的研究认为,向阳剖面的粒度分布特征,支持古气候的“多旋回”说。在黄土与古气候研究中,黄土的粒度分布特征是一项重要的古气候指标。在干冷的冰期气候条件下,风动力增强,黄土粒径变粗;在暖湿的间冰期气候条件,风力减弱,成土作用增强,黄土粘粒含量增加,粒径变细。在黄土-古土壤序列中,细颗粒(<1μm或<2μm)、粗颗粒(>30μm)含量,以及中值粒径、平均粒径、Kd值等粒度参数是指示古气候的良好指标。向阳剖面若存在类似黄土高原黄土-古土壤的沉积旋回,必定能在粒度组成和粒度参数上得到反映。但向阳剖面粒度组成和粒度参数在各层分布较均匀,没有明显的旋回变化轨迹(见图1)。相比之下,顶部黄棕色土层粗颗粒含量略高,粘粒含量略低;中、下部网纹红土粘粒含量明显增加,砂粒减少。同样表明典型网纹红土的风化程度高于均质红土和弱发育网纹层,黄棕色层的风化程度最弱,反映了南方第四纪晚期气候存在变干冷的趋势,与前期研究有很好的可比性。但粒度分布特征同样无法提供该剖面存在多个“沉积—成土”过程旋回的证据。在向阳网纹红土的形成过程中,可能也曾经历过多次“风成沉积”和“强烈风化”的交替,但由于沉积厚度小和间冰期风化强烈等因素,早期的多个旋回可能早已叠合成一体,无法分辨了。向阳网纹红土对第四纪多旋回变化古气候的反映,更多地体现在剖面各个层次具有风成特性和强度风化的双重特性。前者反映的是较为干冷的冰期气候,后者指示的却是非常湿热的间冰期气候。4阳性剖面粒度组成特征存在的原因综合前人及本文在宣城向阳剖面研究的成果,可以得到如下几点结论:(1)网纹红土的粒度测试时,由于次生氧化铁的强烈胶结作用,样品的分散效果将会显著地影响粒度测试结果。向阳剖面不含>2mm的砾石,砂粒(>63μm)的含量也很低,粘粒(<2μm)和风尘粒级(