黄土-红粘土化学风化强度的区域变化

黄土-红粘土化学风化强度的区域变化

1黄土地球化学特征黄土（lois）作为地质体，代表了独特的地质历史阶段的独特陆地相沉积层系统。这个在170多年前让CharlesLyell感到困惑的沉积物,在过去近半个世纪却成为揭示最近地质历史时期气候和环境变化信息的最重要材料之一[2~7]。黄土颗粒的地球化学组成是黄土沉积(包括古土壤和红粘土)包涵的重要信息,对于理解黄土沉积的古气候意义、探索与黄土物源、侵蚀、搬运、沉积和风化等相关的地质循环特征、机制具有关键的价值。过去20多年来,有关黄土-红粘土沉积的地球化学研究持续展开,并取得了丰富的成果。概括起来,对于黄土(包括红粘土)地球化学,目前已经形成了以下几方面的基本认识:(1)组成的均一性。研究显示,黄土在主要元素、微量元素和稀土元素组成上高度均一,区域和典型黄土层间的差异不大。黄土化学组成的均一性显示,黄土(黄土高原)的物源相同,黄土颗粒在沉积之前经过高度混合,可作估计UCC(UpperContinentalCrust)组成的重要材料。近期的研究开始注意到,黄土和其物源区(沙漠)化学成分的区域差异,通过合适的指标,比如固体同位素与锆石年龄谱等,可以对不同区域黄土沉积的物源区进行有效辨别。(2)成土的影响。黄土、古土壤的成土强度明显不同,黄土剖面上黄土-古土壤的化学成分(及其表达的化学风化强度)应该出现系统差异,据此研究者期待从黄土化学组成和各种化学参数里寻找出古气候替代指标。过去20多年来,研究者对此进行了持续不断的尝试,提出了多种指标。总的说来,这些指标在一定程度上反映了黄土、古土壤以及红粘土的化学风化变化,但是,各种指标得出的结论往往并不一致。这可能与下述因素有关:不同指标对气候变化的敏感性和响应程度不同;粒度的影响;物源等因素对风化指标的复杂化。黄土-古土壤在沉积成土过程中,到底发生了多大程度的化学风化,目前还存在评估的困难和矛盾。(3)长期变化特征。黄土(及红粘土)化学成分的长期变化一直受到研究者的关注。通过研究黄土地球化学的剖面变化,可以得到几百万年来黄土化学风化的时间序列和演化特征。但是,目前的研究也显示,运用不同化学风化指标,得到的认识或解释存在矛盾。黄土-红粘土作为晚中新世-上新世以来连续的、大范围的粉尘沉积,记录了相当范围的地表物质循环和化学风化过程,而且黄土-红粘土地层有比较明确的年代意义,从全球范围来看都是恢复晚新生代大陆风化历史、探讨气候变化过程不可多得的材料。但是,如何通过黄土地球化学研究揭示黄土-红粘土记录的构造尺度气候变化特征,如何从记录中揭示或分解出气候-构造-沉积的影响份额,仍然需要对一些关键问题进行深入探索。黄土地球化学研究中的一个重要问题是黄土化学成分的粒度效应问题。由于一些矿物具有一定的粒度关联性,使得黄土中相当多的元素在剖面变化上与粒度高度相关,模糊了风化作用对元素迁移的影响,影响了对风化指标和剖面风化特征的解释。针对这个问题,寻找独立于粒度的风化指标是一种探索;分离粒径,对相同粒级范围颗粒化学风化的剖面变化进行分析,对不同粒级颗粒的化学风化特征进行对比,进而加深对影响风化强度的不同过程的理解,是另一种探索。在此,我们通过分离粒径,对白水剖面6Ma以来黄土-红粘土3组粒级(<5μm,5~20μm和20~63μm)颗粒分别进行了化学成分的分析,对全样和不同粒级颗粒的剖面化学风化特征进行了研究,明确揭示了剖面化学风化强度变化的粒度因素,为加深对黄土-红粘土化学风化特征、剖面变化及其构造-气候意义的理解提供了新的材料。2研究条件与方法白水剖面(35°24′10″N,106°54′43″E)位于黄土高原的西北部,距甘肃省平凉市约30km。这个剖面由214m的黄土-古土壤和约80m的红粘土构成,上部包含了从S0(多被侵蚀)、L1以及S1到S32和L33的完整的黄土-古土壤序列,几个标志层(S5,L9,L15,L24,S26,L27和L33等)非常突出,其中S5发育较强,包含了3层古土壤,另外L9,L15,L24,L27和L33表现为粗颗粒的黄土单元,厚度较大,可作为区域对比的标志地层。从黄土-古土壤发育的地层结构上看,类似于黄土高原中部典型的黄土-红粘土剖面,但相应层位的土壤发育强度显著弱于灵台剖面。与灵台剖面不同的是,白水剖面红粘土中钙层不明显,其中的土壤发育层间差异不很明显。从沉积速率看,其黄土-古土壤平均沉积速率高于位于其东南方向的灵台和泾川剖面,而其红粘土的平均沉积速率则低于灵台、泾川剖面。鉴于白水剖面与灵台、泾川剖面的地层结构完全相同,我们在以往的研究中已通过地层对比和磁化率对比,建立了白水剖面的时间标尺,其顶、底年龄分别为0.01Ma和6.2Ma,本研究采用了这一时间标尺。本研究以约1m间隔对全剖面约300多个样品进行了全样主量元素化学分析,以约2m间隔对其中一半样品进行了分粒级(<5μm,5~20μm和20~63μm)的主量元素化学分析。粒级分离采用沉降法。全样和分粒级样品均通过1M醋酸溶液进行酸洗,以去除碳酸盐矿物。制备好的样品经Ⅹ射线荧光光谱仪(XRF-1500)测定主量元素的含量。测量过程中,选取了4个标准样(GSS土样)测量,以保证仪器的稳定性,同时选取若干平行样品,以检验测量结果的重复性。样品分析误差为±5%,其中MnO和P2O5误差范围可达10%。3结果3.1不同基因型及化学风化特征白水剖面黄土-红粘土全样化学分析结果表明(图1),在主要元素(以氧化物表示)含量上,黄土与红粘土存在系统差异,尤其是SiO2,Al2O3,TiO2,FeOT(全氧化铁),MgO和Na2O等,如SiO2含量黄土大于红粘土,Al2O3含量则相反,TiO2和FeOT也在红粘土部分出现富集。从分析结果看,主要元素含量在黄土-古土壤层间的变化也很明显。与UCC组成相比较,SiO2含量除了剖面上部和粒度较粗的黄土层,剖面多数层位都呈现亏缺,Al2O3含量则几乎整个剖面都低于UCC,而TiO2,FeOT和K2O则在多数层位上呈现富集状态。在A-CN-K三角图上(图2),黄土-红粘土样品均处在去Na和Ca的同一风化路径上,显示其物源相同,红粘土风化强度明显高于黄土,对应的CIA(ChemicalIndexofAlteration)在61~71之间,表明黄土-红粘土还处在化学风化的初级阶段。过去几十年,为了反映化学风化强度,研究者提出了多种化学风化指数[25~31](表1)。对于黄土-红粘土剖面,不同化学风化指数得到的化学风化剖面模式是不同的(图3)。大体上,CIA,CIW和WI显示的风化模式相似,呈现从剖面下部向上风化指数逐步变小(风化强度转弱)、波动变大的趋势,而R则呈现与中值粒径曲线相似的模式。V,WR和MWPI则呈现不同的变化,白水剖面上部约1.2Ma以来指数变化与CIA等相似,而在红粘土部分风化指数表征的风化强度弱于上部的古土壤,与黄土层的风化强度相似甚至弱于黄土,这显然与野外观察到的土壤发育特征存在矛盾,说明V,WR和MWPI在表达黄土-红粘土整个剖面的风化强度方面有一定的局限性。从各种指标对比看,CIA和CIW与深海氧同位素记录变化模式最为接近(见图3)。各种风化指标与黄土-红粘土剖面磁化率没有很好的对比性,除了Ⅴ和WR外,多数风化指数都与粒度(图4)有密切的关联,如CIA与中值粒径就存在显著的相关关系,这说明多数风化指数可能在相当程度上受到粒度的影响或控制。3.2粒级之间元素含量的垂直关系分粒级化学分析结果显示,黄土-红粘土中3个粒级(<5μm,5~20μm和20~63μm)颗粒主要元素的含量和化学风化强度存在系统的差异(图5和图6)。在A-CN-K三角图上(见图5),不同粒级的颗粒组成一条渐次变化的风化路径,<5μm颗粒风化强度明显高于5~20μm和20~63μm颗粒。在分粒级元素含量剖面变化图上(见图6),可以看到,不同元素在各粒级的赋存状况是不同的。SiO2含量在粗粒级中高于细粒级,Al2O3则相反,在细粒级中的含量高于粗粒级。TiO2含量在中间粒级(5~20μm)中略高于粗、细粒级,而FeOT,MgO和K2O含量均是在细粒级中最高。Na2O在粗粒级中含量高于细粒级,但在5~20μm和20~63μm两个粒级之间的含量差异则不大。与Na2O相似,CaO含量在不同粒级之间的差异也不大,在粗粒级中略高于细粒级。3.3不同粒级及古土壤层的剖面分布特征从不同粒级的化学风化强度(CIA)对比(图7)可以看到,细粒级的CIA显著高于粗粒级,大体上,<5μm粒级的CIA值高过5~20μm粒级12,高过20~63μm粒级近20。从剖面变化看,粗粒级部分(5~20μm和20~63μm)的风化序列比较相似,从剖面下部往上,呈现阶段性大波动的特征,大约在6~5Ma,2.7~1.5Ma和约1.2~1.0Ma以来3个时段CIA指数出现明显降低(风化强度减弱)的趋势。细粒级部分(<5μm)CIA的剖面变化则呈现不同的特征,从6Ma到约1Ma,除了一些时段的小幅变化,CIA基本在77.5上下波动,从1Ma开始,CIA波动增大,整体降低,表现为黄土层和古土壤层对应的风化强度从下到上分别呈现逐步减弱的趋势。由于黄土-红粘土处于化学风化的初级阶段,因此Mg,Ca,Na和K等元素的剖面变化特征尤其值得关注。从图6看到,不同粒级的Mg,Ca,Na和K等元素含量的剖面变化不完全相同,考虑到细粒级颗粒易被侵蚀、搬运,而且比粗粒级颗粒混合更均匀,我们选取细粒级部分(<5μm)的这些易迁移元素与难迁移的Al进行比较,观察其剖面变化特征。从图8可以看到,MgO/Al2O3,CaO/Al2O3,Na2O/Al2O3和K2O/Al2O3等的比率在剖面上的变化呈现各自不同的特点,其中,Na2O/Al2O3和K2O/Al2O3比率在5.5~4.5Ma出现低值,从4.5Ma开始,这两者就开始持续加大,变幅加大,Na2O/Al2O3比还在约1Ma前后出现加速增大的现象。CaO/Al2O3比率在红粘土部分有向上减少的趋势,从约2.5Ma开始,这一比率开始出现发散式变化,黄土层的比率逐步加大,而古土壤层的比率则逐步变小,使得CaO/Al2O3的变幅出现显著加大的现象。MgO/Al2O3比率在红粘土-黄土的大部是向上递减的,但从1Ma开始,这一比率开始逐步增大。由此,我们看到,黄土化学成分演化存在一个不同组分递次变化的“序列模式”(见图8),Na2O/Al2O3和K2O/Al2O3比率变化的转折(变大)时间最早,在4.5Ma前后;CaO/Al2O3比率变化的转折稍晚,在2.5Ma;而MgO/Al2O3比率变化出现转折的时间最晚,在0.6Ma。这一黄土化学成分的“序列模式”可能具有重要的物源变化指示意义。4讨论4.1风化强度的变化白水剖面全样化学分析结果表明,剖面化学风化强度(以CIA代表)从红粘土到黄土-古土壤逐步变弱,波动增大,总体趋势与深海氧同位素代表的冰量变化对比良好(见图3)。进一步的分粒级组分化学分析结果显示,黄土-红粘土主要元素迁移和风化强度与粒度强烈相关,CIA和CIW,WI及R等指数表征的化学风化强度变化在相当程度上存在粒度效应(见图3和图4),而Ⅴ,WR和MWRI作为风化强度指数运用到整个黄土-红粘土剖面显然有其局限性。那么,黄土-红粘土化学风化到底有什么剖面特征?分粒级(<5μm,5~20μm和20~63μm)颗粒的化学风化特征显然与全样分析结果存在差异。细粒级的CIA显著而且系统地高于粗粒级,不同粒级组分风化强度的剖面变化趋势也不相同,表明不同粒级组分在从基岩剥蚀、搬运、源区混合及以粉尘方式被风力搬运、沉积和成土过程中,风化路径差异逐步显现。从剖面变化看,粗粒级部分(5~20μm和20~63μm)的风化强度从剖面下部往上,呈阶段性大波动,在6~5Ma,2.7~1.5Ma和约1.2~1.0Ma以来的3个时段,CIA指数趋于明显降低,细粒级部分(<5μm)CIA的剖面变化则从6Ma到约1Ma,波动于77.5上下,1Ma以来,波动增大,并呈整体降低趋势。这其中粗细颗粒的风化强度变化在1Ma之前明显不同步。看来,可以肯定的是,1Ma之后,全样和各个粒级的风化指数都显示,颗粒的风化强度逐步减弱。2.7Ma左右出现的风化强度降低现象,在粗粒级表现很明显,在细粒级的变幅则不大。在5.5~4.0Ma,粗粒级(5~20μm和20~63μm)的CIA指数明显偏低,而在细粒级部分,这一阶段风化强度却相对较高,但变幅不大。从风化指数的绝对值来看(见图7),20~63μm的CIA仅仅比冰碛物平均高5,但基本在西藏高原坡积和冰碛物和腾格里沙漠砂的CIA变化范围内,而5~20μm的CIA比冰碛物平均高10,但仍然处于冰积粘土、毛乌素沙漠砂的CIA范围,表明黄土的粗颗粒部分在从最初的基岩风化剥蚀之后,受到的后期风化影响很弱,而其中黄土-古土壤层的风化强度差异虽然明显,幅度却不大(CIA多为5以下),表明在成土过程中的改造也不强烈,风化强度的总体变化主要反映了物源区颗粒的物源变化和风化状况。<5μm颗粒的CIA指数在伊利石的范围,显示细颗粒的风化强度总体上也不高,而且从层间变幅看,细颗粒在成土阶段改造也不强烈,CIA变幅多数小于2,剖面上部在5~7之间。由于<5μm颗粒CIA指数平均高于冰积粘土15,说明<5μm颗粒在物源区混合了相当数量的强风化粘土,如高岭石等。对黄土-红粘土的粘土矿物研究显示,高岭石在黄土-红粘土粘粒中的含量可达10%~20%,高者甚至超过30%,而与此同时,却出现了约2%~3%的绿泥石。由于绿泥石极易为成土作用所破坏,高岭石和绿泥石同时出现表明,黄土-红粘土的总体风化强度不高,因为不可能同时形成大量的指示强风化环境的高岭石,又不破坏易风化的绿泥石。这显示黄土-红粘土中存在相当数量的碎屑成因的强风化粘土。考虑到在黄土粉尘的物源地广泛存在侏罗纪、白垩纪及第三纪盆地沉积,当时的高温环境下形成的强风化粘土矿物在以后的构造抬升过程中接受剥蚀,完全可能成为黄土-红粘土粉尘的物源。由此可以推测,细颗粒的剖面风化强度变化是新鲜碎屑(如冰积粘土)、物源区残留的强风化粘土以及成土作用共同影响的结果,而其中物源区的(物源及混合过程)变化起了主导作用。4.2不同组分的“序列模式”本质上,黄土-红粘土也是一种碎屑沉积,除了受到沉积后的改造(成土作用)外,其成分更主要的是受到原岩成分、在源区的风化剥蚀和搬运、输送过程中的沉积分选等的影响。通过对样品进行分粒级的处理,能够缩小(和判别)沉积分选对成分的影响。在对不同粒级组分的化学分析后,我们判断,黄土-红粘土沉积所处风化过程还是初级阶段,成土作用对成分的影响有限,并可以从相邻黄土-古土壤层对比加以评估,黄土-红粘土化学成分的趋势性变化主要反映了物源的新加入和混合过程的影响。由于每一次运移过程中,都会发生颗粒分选和粒级分异的现象,细颗粒易于侵蚀、搬运,在源区的混合均匀度更高,因而可能更能反映粉尘源区物源的即时变化。从细粒级部分(<5μm)的易迁移元素与难迁移的Al进行比较我们看到,黄土化学成分演化呈现一个不同组分递次变化的“序列模式”(见图8),从红粘土下部(约4.5Ma)到黄土上部(约0.6Ma),K2O/Al2O3和Na2O/Al2O3,CaO/Al2O3及MgO/Al2O3比率的变化依次出现转折,转折之后的背景比值(对应黄土层或红粘土中的弱风化层)呈增高趋势。黄土-红粘土中的主要矿物是石英、长石、黑云母和白云母等,K2O/Al2O3,Na2O/Al2O3,CaO/Al2O3及MgO/Al2O3比率的变化主要反映K-长石、Na-长石和Mg-Ca硅酸盐矿物及其风化产物的相对变化。黄土化学成分的序列变化表明,在剖面下部约4.5Ma开始,源区的K-长石Na-长石(及其风化矿物伊利石等)就持续加入到粉尘源区。此时,Ca-硅酸盐矿物(如钙长石)在剖面下部持续降低,这可能是受其他新加入组分的稀释以及混合停留过程中风化作用的影响。到约2.5Ma开始,黄土层CaO/Al2O3出现回升,说明此时开始有新鲜的Ca-硅酸盐矿物加入。由于含钙硅酸盐矿物易于风化,我们看到,2.5Ma之后,CaO/Al2O3比值呈现发散变化,也就是古土壤层这一比值持续降低(风化加强),而黄土层这一比值持续升高,并且相对含量不断加大。由于黄土-红粘土中含有一定量的绿泥石,MgO/Al2O3比率主要反映绿泥石的变化,受其他矿物持续加入的稀释作用,0.6Ma之前绿泥石比率是持续降低的,而0.6Ma之后,MgO/Al2O3比率不降反升,说明有新的Mg-硅酸盐矿物(及其风化产物)的加入。有趣的是,上述“序列变化”与“Bowen反应系列”刚好相反。在岩浆冷却过程中,Mg-Ca硅酸盐矿物是较早析出的,而Na-长石和K-长石则是较晚析出的矿物黄土-红粘土细颗粒(<5μm)组分的化学成分演化可能表示,在黄土-红粘土沉积过程中,物源区的碎屑来源从4.5Ma开始出现了持续的变化,新鲜的或风化较