西峰巴家咀剖面晚新生代风沙沉积的稀土和古土壤环境

西峰巴家咀剖面晚新生代风沙沉积的稀土和古土壤环境

晚代风候变迁的历史是世界上最活跃的变化之一。近年来，以红粘土-黄土为主体的陆地撒布风条件变化的研究正在流行起来。已有的磁性地层学研究表明,我国北方连续的风成沉积从约7.2MaBP就开始发育形成。除磁性地层学研究外,红粘土的物质来源和成因探讨是当前红粘土研究的焦点。对红粘土物质来源的认识差异主要集中在红粘土是季风环流搬运还是西风环流搬运,对红粘土成因的代表性认识有两种,“残积说”和“风成说”。本文选择西峰巴家咀剖面,对该红粘土剖面6.5~2.5MaBP的红粘土、黄土、古土壤的稀土元素特征进行研究,并与晚第三纪红色沙漠风成砂、河流相细砂岩、第四纪沙漠风成砂、现代尘暴粉尘、中国黄土以及青藏高原远源西风粉尘进行对比,深入认识西峰红粘土物质来源、成因及其记录的古气候变化。1样品的采集和测试研究剖面位于甘肃省西峰市以西16km的巴家咀(35°33′N、107°27′E),红粘土伏于第四纪黄土-古土壤序列之下,覆于晚第三纪河流相细砂岩之上。全剖面红粘土共厚66m,呈红黄—浅红色,成壤程度较低。据孙东怀等研究,该剖面下限年龄约为6.6MaBP。对该剖面采集红粘土样品22个,黄土样品9个,古土壤样品24个,下伏的细砂岩样品2个。为对比红粘土与其可能的物源的联系,在青铜峡选择一个晚第三纪红色沙漠剖面,采集样品3个,同时采集晚第四纪沙漠——毛乌素、腾格里、塔克拉玛干沙漠样品6个,以及1998年4月18、19日在西安采集的尘暴样品2个,所有样品均为全岩样品。样品先在玛瑙乳钵中碾磨,过200目筛。然后在105℃左右的烘箱中烘干3h,称取样品置入白金皿中,加入HF、HNO3、HClO4混合酸,在电炉上高温溶解样品。所有样品的测试在中国科学院地球环境研究所粉尘地球化学实验室SOLAICP-MS上完成。测定结果经国家土壤及岩石标准参考物质GSS-2平行样品验证,精密度(变异系数<10%)及准确度(变异系数<20%)良好。2结果与讨论2.1巴家咀剖面稀土元素总量为讨论方便,将巴家咀剖面的红粘土、黄土和古土壤样品分别以RC(RedClay)、RL(RedLoess)和RS(RedSoil)表示。第三纪河流相细砂岩以FS(FluvialSandstone)表示,第三纪红色沙漠样品以TD(TertiaryDesert)表示,第四纪沙漠样品以QD(QuaternaryDesert)表示,现代尘暴样品以DS(DustStorm)表示,中国黄土样品以CL(ChinaLoess)表示。首先对上述8类样品的稀土元素含量(ΣREE)进行对比(见图1,表1)。由图1可以看出,RC、RL、RS和DS、CL样品的平均ΣREE值非常接近,且变化范围相差不大(DS样品只有2个,故变化范围较大)。TD和QD样品的ΣRΕΕ接近,变化范围也接近。以上样品的ΣREE明显高于FS的ΣREE,且ΣREE含量变化范围都大于FS的变化范围。稀土元素总量的分布表明,RC、RL、RS和典型的风尘物质——MD、CL有相似的物质来源和形成过程,与FS的差别明显说明红粘土的物源与下伏基岩的物源不同,这为红粘土的“风成说”而非“残积说”提供了明确的佐证。由表1的分析结果可知,巴家咀剖面不同时代的RC、RL和RS的稀土元素以轻稀土为主,平均可达总量的91%,为146μg/g左右,重稀土元素所占比例不大。RC、RL和RS各元素之间差别很小,意味着不同时代红粘土堆积物质来源的同源性。与中国黄土、古土壤相比,巴家咀剖面的RC、RL和RS的ΣREE和各元素含量相差不大,表明晚第三纪时期粉尘物质搬运至沉积区后经受的后期改造作用不如第四纪时期的古土壤明显,这也暗示着晚第三纪时期古气候波动的变幅不如第四纪时期变幅大。在8类样品中,DS的ΣREE值最大,高达197μg/g,这可能与现今人类活动引起的生物活动性增强导致稀土元素含量增高有关。RC、RL和RS的ΣREE值(162μg/g)小于中国黄土的平均值(171μg/g),可能是由于粉尘源区晚第三纪红色沙漠TD样品的ΣREE值明显低于现代沙漠QD的ΣREE值,导致粉尘堆积后的红粘土稀土元素总量仍低于黄土的稀土总量。2.2红粘土稀土元素来源的初步认识稀土组成主要反映来源物质的特征,但在沉积作用过程中,某些稀土元素地球化学特征值(LREE/HREE、Ce/Ce*、Eu/Eu*)可以反映沉积环境的变化。因此,可以根据稀土元素含量及其特征值探讨红粘土物源异同与后期变化以及其指示的沉积环境状况。图2是8类样品的稀土元素分布模式图。RC、RL和RS的稀土分布模式十分相似,均属轻稀土适度富集,缓右倾斜型Eu呈负异常分布模式,表明巴家咀剖面中RC、RL和RS具有相同的物质来源和成因机理,且粉尘物质堆积后风化改造对稀土元素分异作用不十分显著。与该剖面底部砂岩相比,砂岩La-Nd较为贫缺且轻稀土倾斜更为平缓,这表明基底砂岩不是红粘土的主要物质来源。RC、RL和RS的LREE/HREE几乎相等(9.74、9.75、9.77),Ce/Ce*(1.00、0.97、0.99)、Eu/Eu*(0.72、0.66、0.63)比值相近,这进一步证明了它们物质来源一致,都基本继承了原始物质的特征,反映了红粘土堆积时可能处于弱碱性介质和干旱、半干旱的生物气候环境。相比而言,RS的Eu/Eu*比RC和RL都低,反映了古土壤可能经历的风化作用相对较强,但红粘土成壤作用中并没有产生稀土元素的明显分馏。因此,红粘土中古土壤尽管是在暖湿条件下发育的,但远未达到南方红壤发育时出现明显的Eu负异常时的温度。RC、RL、RS和DS、CL相比,它们的稀土元素分布模式十分相似,且LREE/HREE、Ce/Ce*、Eu/Eu*比值相近,这再次证明红粘土与典型的风尘物质具有相同的物质来源和形成机理。现代尘暴和中国黄土是典型的东亚季风产物,红粘土与其具有相似的稀土分配模式和特征值,可能暗示着红粘土的堆积主要是受东亚季风的控制。为进一步论证红粘土的物质来源,我们对比了现代西风粉尘的稀土元素特征,青藏高原远源西风粉尘的稀土元素总量是14.4ng/m3,其中轻稀土元素总量为13.8ng/m3,重稀土元素总量为0.6ng/m3,LREE/HREE、Ce/Ce*、Eu/Eu*比值分别为23.4、1.02、1.11。西风粉尘的稀土分配模式与红粘土的稀土分配模式有较大差异,且特征值差别颇大,证明了晚第三纪红粘土堆积由西风环流搬运的粉尘物质贡献很小,其主要是受季风环流搬运的粉尘物质控制。因此,从红粘土与季风粉尘和西风粉尘的稀土元素分布模式与特征值的对比中可以看出,晚第三纪红粘土主要由季风环流搬运的粉尘物质堆积形成。RC、RL、RS和TD相比,它们的稀土元素分布模式和特征值也很相似,这显示出晚第三纪红色沙漠产生的粉尘物质是红粘土堆积的原始物质,红粘土仍保留了原始粉尘的稀土元素特征。RC、RL、RS的Eu/Eu*比值比TD相对小一些,暗示着红粘土粉尘物质从红色沙漠源区搬运到沉积区后都经历了一定的风化作用。综上所述,巴家咀剖面红粘土稀土元素主要继承了来源区粉尘物质的基本特征,红粘土与中国黄土物质有相似的沙漠物源区,经过漫长的地质历史过程(4Ma)堆积形成,且搬运方式与黄土相同,主要是受东亚季风环流控制。2.3稀土元素地球化学为进一步认识红粘土的稀土元素分馏特征,将RC、RL和RS的稀土元素划分为轻稀土(ΣLa-Nd)、中稀土(ΣSm-Ho)和重稀土(ΣEr-Lu)与其它沉积物(FS、TD、QD、DS、CL以及西风粉尘)进行对比。图3是各类沉积物的稀土元素成分三角图。由图可知,RC、RL、RS与TD、QD、DS、CL分布在图中相对富ΣLa-Nd区域,相互差别很小;而第三纪河流相细砂岩的ΣSm-Ho含量相对高一些,与其它样品有明显区别;西风粉尘样品则分布在相对富ΣLa-Nd而ΣEr-Lu几乎为零的区域,与其它样品也有明显差别。各类样品的稀土元素成分三角图进一步表明,晚第三纪红粘土的物质来源与季风黄土和现代季风粉尘相同,都来自北方沙漠区域的粉尘排放,与下伏的基岩有明显差异,也与西风粉尘明显不同。3从物质来源看,红粘土基因特征具有性状(1)RC、RL、RS与DS、CL、TD、QD、FS的稀土元素总量和轻、中、重稀土成分分布的对比表明,晚第三纪红粘土和典型的风尘物质——现代尘暴粉尘和中国黄土有相似的物质来源和形成过程,与FS明显不同,为红粘土的“风成说”而非“残积说”提供了明确的证据。(2)RC、RL、RS都属轻稀土适度富集、缓右倾斜型Eu呈负异常的REE分布模式,其特征值十分相近,表明它们物质来源一致,都基本继承了原始物质的特征,反映了红粘土堆积时可能处于弱碱性介质和干旱、半干旱的生物气候环境。RC、RL、RS与TD的REE分布模式