热带亚热带土壤频率磁化率与磁性矿物关系及其环境意义

热带亚热带土壤频率磁化率与磁性矿物关系及其环境意义

磁化率作为土壤、沉积物和气候悬浮颗粒登记信息的重要指标，已经广泛认识和应用。该频率磁化率用于湖泊、河流和海洋沉积物的来源、沉积环境的变化以及对大气污染的磁性研究。然而，人们对这个磁体参数并不熟悉。在20世纪90年代初，我们介绍了这一磁体参数。刘秀明等人对黄土-古土壤条件的频率磁化率进行了高分辨率测量。结果表明，随着黄土和古土壤侵蚀的出现，频率磁化率的波谷和波峰对应于变化的波谷。这可以作为反映旧气候变化的稳定指标。最近的湖泊沉积物试验表明，频率磁化率反映了湖泊沉积物记录的环境变化。这是研究历史时期环境变化的重要指标之一。由于磁化学的快速发展、简单的性质和不破坏，它成为研究环境问题的重要手段，并形成了新的交叉环境磁学。本文结合当前亚热带土壤磁化率测定结果，探讨了磁化率与磁性矿粒度的关系及其环境意义，并讨论了磁化率在环境变化、气候变化、土壤学统等领域的应用潜力。1频率磁化率与磁化率磁化率(χ)是指低频弱磁场中(0.1T)样品的磁化强度与磁场强度之比,是反映样品中铁磁性矿物含量的指标,但许多研究表明磁化率也反映磁性矿物的颗粒大小.频率磁化率(Frequencydependentsusceptibility,χfd)则是指在不同频率外磁场下,样品产生的磁化率值的变化程度.天然样品表现为磁化率随测定频率增高而降低的趋势,其原因是随着测定频率增高,大小在超顺磁性(Superparamagneticgrains,SP,粒径<0.02μm)-稳定单畴(Stablesingledomain,SSD,粒径0.02~0.04μm)过渡态范围的磁性颗粒由于磁滞而被阻挡,对高频磁化率没有贡献,因此,高频磁化率是按比例低于低频磁化率数值的.频率磁化率(χfd)定义为:χfd=(χlf−χhf)/χlf×100χfd=(χlf-χhf)/χlf×100其中,χlf为低频(0.47kHz)磁化率,χhf为高频(4.7kHz)磁化率,该参数反映了磁性矿物的粒径及其相对含量.当人们获得一个样品的频率磁化率数值时,便可以了解其中超顺磁性(SP)-稳定单畴(SSD)过渡态颗粒的含量.对多畴(Multidomain,MD,粒径>1μm)粗粒磁性矿物,频率磁化率最大值变动在0.26%以内,已知的最高频率磁化率是土壤和大气尘埃样品.目前,广泛应用的土壤频率磁化率测定仪器为Bartington(英国)公司生产的MS2型双频磁化率仪,低频磁化率和高频磁化率分别在0.47kHz和4.7kHz下测定.频率磁化率与矿物粒度的关系可由图1表示,它是人工合成不同粒径的磁性矿物颗粒,测定其磁学性质获得的.从图可见,磁化率与磁性矿物的粒度密切相关,磁性矿物粒度在0.03~0.01μm和16~125μm各出现χ的峰值,并以0.03~0.01μm的峰值最高.而χfd反映了SSD和SP过渡态磁性矿物的数量,因此,χfd对<0.02μm的磁性颗粒有明确的指示作用.对土壤来说,这种大小的磁性颗粒是风化成土作用的产物,主要受风化成土强度、成土环境等控制;对湖泊、河口沉积物和大气悬浮物其χfd则由物源、沉积动力、沉积环境等因素控制.因此,χfd反映了物源、成土条件和成土环境的变化,具有明确的环境意义.磁性矿物的粒度还可由其它的磁性参数反映,图1可见,粒径0.02~0.04μm的稳定单畴磁性颗粒可用非磁滞剩磁(ARM)指示之,土壤中SSD颗粒也是成土作用的产物,其数量反映成土过程与成土环境的差异,具有明确的指示作用.此外,环境磁学家还应用磁性参数的比值来描述磁性矿物的粒度.图1可见,SP颗粒和MD颗粒有高的SIRM/χ,再用χfd可将它们区分,SIRM/ARM指示0.05~0.5μm的磁性颗粒,ARM/χ和IRM20mT/ARM指示SSD颗粒.2fd与sp磁化率关系频率磁化率作为反映SP-SSD过渡态颗粒含量的指标有比较明确的环境意义.虽然,我们对土壤中磁性矿物的成因还不十分明了,但SP颗粒作为成土风化作用中新形成的次生磁性矿物已得到了广泛的承认和验证,表现为随风化成土作用的进行,成土作用产生的SP磁性颗粒逐渐取代原生残留的磁性矿物.因此,在一个正常的时间依变成土过程中土壤频率磁化率变化的基本模式表现为随成土作用的进行,SP颗粒数量逐渐增多,表现为土壤频率磁化率逐渐增大,其频率磁化率增大的幅度反映了风化成土作用的强度.在母岩中基本不存在SP磁性矿物,即χfd接近零.对热带亚热带地区由各种沉积物母质上发育土壤的χfd统计,土壤的χfd在0~16%之间,随着风化成土作用进行形成的SP和SSD颗粒(土壤成因磁性矿物,pedogenicferrimagneticminerals)逐渐增多,土壤的磁化率逐渐增大.根据171个沉积母质发育土壤的统计,土壤的χ与χfd呈显著指数正相关(图2),与ARM呈显著直线正相关(图3),表明在风化成土过程中随着SP-SSD颗粒的形成,土壤的χ逐渐增大,Fine的土壤年龄土链研究中,证实随着成土年龄的增大,χ和χfd逐渐增大,χ和χfd是研究成土年龄的重要手段.从磁性矿物的化学形态分析,次生的磁性矿物存在于游离氧化铁中,可用连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-重碳酸钠溶液(DCB)提取.据统计,热带亚热带土壤的χfd与游离氧化铁含量呈极显著直线正相关(图4),即风化成土过程中,随着硅酸盐矿物中氧化铁的游离,SP态磁性矿物颗粒逐渐形成,它们存在平行关系,符合土壤χfd变化的基本模式.土壤经DCB处理后残留的磁性氧化铁属于原生矿物,其χfd很低,因而DCB处理损失的磁化率是由SP磁性矿物贡献的,土壤中SP颗粒愈多,χfd值愈高,DCB处理后损失的磁化率愈高.图5是亚热带地区由第四纪红土,石灰岩,花岗岩,玄武岩和泥岩发育的75个土壤样品集中χfd与DCB处理后磁化率损失量的关系图,表明DCB处理的磁化率损失量与土壤χfd呈极显著的指数正相关,根据图5的结果,可以χfd10%为界把土壤分成二部分,χfd<10%的土壤,DCB处理磁化率损失量<20×10-8m3kg-1,且主要集中在χfd<5%的土壤,表明它们基本不存在SP磁性颗粒.χfd>10%,DCB处理的磁化率损失量>20×10-8m3kg-1,表明有相当数量的SP磁性颗粒.因此,可将χfd10%作为土壤中SP磁性颗粒存在与否的临界评价值.Fine在研究中国黄土磁性中认为χfd<5%~6%基本不存在SP磁性颗粒,χfd>10%表明有相当数量的SP颗粒的结论比较一致.因此,可认为DCB处理的磁化率损失量与χfd有相同的环境意义.Fine在土壤年龄土链研究中将它们的数值大小作为土壤成土年龄的依据.Oldfield对土壤和沉积物的测定也认为χfd<2.0%,不存在SP磁性颗粒,χfd2.0%~10.0%,SP颗粒、SSD和MD颗粒共存,χfd>10.0%以上,SP颗粒丰度>75%.土壤频率磁化率变化的第二个模式是土壤剖面变化.其剖面分布模式可分成三种情况,一是由各种残积物发育土壤表现为表土的频率磁化率最大,逐渐向母质层降低,至母质层χfd接近零.二是由沉积岩(红砂岩、砂岩)上发育的幼年土,由于土壤发育程度浅,土壤的χfd剖面分布基本一致,其χfd多在5%以下,多在1%~2%.三是各类水稻土,根据水分条件的变化,χfd剖面分布各异,水成土的χfd剖面分布也属于此类.图6是几个典型土壤剖面的χfd分布模式,火成岩上发育的富铁土呈现为表层土壤的χfd达最大,向下逐渐降低的分布模式,岩成土由于成土作用的年轻性整个剖面的χfd都很低,表明基本不存在SP铁磁性矿物颗粒.因此,频率磁化率记载了土壤形成过程的环境条件,有十分明确的环境指示作用.土壤频率磁化率的变化是环境变化对土壤的影响留下的印记,或是母质的不均一性,成土过程的间断等引起的,反过来可利用频率磁化率去判断土壤记载的环境变化信息.3fd研究的应用意义磁测具有简便、快速和非破坏性等特点,上面的讨论表明频率磁化率具有十分明确的环境指示作用,可将之作为环境变迁、沉积物来源、古气候变化、成土环境等的代用指标,故有必要讨论频率磁化率的环境应用范围和潜力.土壤是环境变化的一面镜子,记载和反映了当时的成土环境.因此,古土壤是重建古地理环境的最好手段之一.利用古土壤的χfd变化来恢复古环境古气候变迁已有许多成功的例子.我国北方黄土在形成古土壤的过程中,有许多SP磁性矿物颗粒形成,不同气候条件下形成的SP磁性矿物的相对含量,则反映了古气候温湿程度的强弱和持续时间的长短,甚至可以根据其曲线比较灵敏地反映古气候弱小波动的特点.由刘秀铭根据磁化率和频率磁化率建立的中国黄土-古土壤序列可靠而完整的古气候事件序列模式,已与深海氧同位素记录一样作为全球古气候事件对比的经典.同时,χfd是鉴别各种环境下古土壤的重要依照.例如,冰碛物环境中的埋藏土,黄土环境中的古土壤,风砂环境中的埋藏土等.在石灰岩发育土壤的成土地球化学过程中,富铁锰阶段和富铝脱硅阶段,表现为明显的表土磁性增强现象,表层的χfd在13%~14%,自下逐渐降低,直至母岩层的χfd为0%,表层χfd增大的幅度反映了成土地球化学阶段,可作为土壤地球化学环境和分类的重要依据.氧化铁化合物是对环境中化学和温度变化最为敏感的矿物,磁性矿物的粒度会因局部环境条件的差异和自然过程或人为活动的影响呈现明显的差异,即记载了环境的“印痕”,是描述土壤剖面性态和成土过程的重要指标.潜育化作用溶解土壤中的SP磁性颗粒而明显降低土壤χfd,在旱地改水田后表层的频率磁化率显著降低,由地带性土壤发育的水稻土χfd剖面多呈表层的极低,底层的频率磁化率略为降低的模式.富铁铝化过程中SP磁性颗粒的形成,可使χfd值明显增大.因此,χfd是研究热带亚热带土壤的成土环境、成土过程和土壤属性的作用手段.此外,土壤χfd在土壤侵蚀泥砂来源判断上具有相当的优越性,不同来源的泥砂记载了源地土壤的磁颗粒特征,通过研究沉积物泥砂的磁颗粒特征可判断其来源,结合径流动态,泥砂的颗粒组成变化建立沉积物来源组成定量分析的磁诊断模型,并已在水库沉积物来源研究中应用.此外,有人将高χfd表层的缺失作为土壤侵蚀的依据.湖