不同水热条件下玄武质火山屑发育特征比较研究

不同水热条件下玄武质火山屑发育特征比较研究

岩浆岩风化形成的母质和土壤形成应经过一个漫长的过程。岩石材料的组成和结构的影响会导致土壤形成和发育时间。玄武岩的主要矿物为基性斜长石和辉石，含有少量橄榄石、角闪石和黑云母等矿物，这些矿物抗风化能力较弱，易于风化形成土壤。玄武质火山碴除具有此矿物组成外，还具有隐晶质或玻璃质结构，多气孔状构造等特点。在表生条件下，玄武质火山碴因组成矿物易于风化、玻璃质结构不稳定、气孔状构造增加了岩石或矿物表面与表生环境接触面积，利于土壤形成，因此是研究土壤发生发育过程的良好材料火山碴的微观研究包括对火山碴的粒度分析和对火山碴颗粒表面形态特征的研究。近二、三十年以来，火山地质学者对火山碴开展了大量的微观研究工作。于红梅等对土壤黏土矿物进行研究，也能有效地揭示土壤的发生发育规律。黄成敏等辽宁宽甸盆地属于湿润气候，保存有完好的火山地质遗迹；内蒙古达里诺尔和山西大同属于半干旱气候，也分布着多座火山。但对于火山，特别是干旱气候区的火山，前人只从火山地质学、元素地球化学等方面开展过一定程度的研究1材料和方法1.1土壤样品采集达里诺尔、大同和宽甸火山群均由玄武质火山碴锥组成。本研究在每个火山群各选取1个火山锥顶部土壤剖面，按照发生层次采集土壤样本。土壤样品在野外过2cm孔径筛，对大于2cm的部分在野外进行描述并称重，小于2cm的部分称重后带回实验室用于分析化验。供试土壤剖面成土的环境条件见表1。1.2体视显微观察土壤样品风干、挑出植物根系后，用干筛法过5mm和2mm孔径筛，过筛后<2mm的细土部分用湿筛法过0.5mm、0.25mm、0.1mm孔径筛，得到20～5mm、5～2mm、2～0.5mm、0.5～0.25mm、0.25～0.1mm和<0.1mm6个粒级的土样。<0.1mm粒级的土样再用静水沉降法进一步分组。2～0.1mm粒级颗粒的形态学特征采用体视显微镜观察。黏土矿物鉴定采用静水沉降法提取黏粒，经连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-碳酸氢钠（DBC）法去铁，分别进行Mg2结果与分析2.1土壤质地和粒径分布特征供试剖面的宏观形态描述和石砾含量见表2和表3。达里诺尔剖面（15-502）土壤中的石砾碴块含量在650gkg对比三个剖面A和B层细土部分（<2mm）的土壤质地可以发现，达里诺尔剖面为砂质壤土；大同剖面2A层及以下是壤质砂土和砂土（表层A是黄土）；宽甸剖面多为壤土。三个剖面从表层向下均呈现为质地由细变粗的规律。土壤粒径的分布可以指示土壤的风化程度。土壤中的黏粒含量随土壤剖面深度的增加而减少，同时土壤中的砂粒和石砾含量随土壤剖面深度的增加而增加。达里诺尔和大同剖面中的石砾含量远远高于宽甸剖面，细土部分的质地也比宽甸偏砂，说明达里诺尔和大同土壤风化程度弱于宽甸，但达里诺尔和大同两个剖面的差距不明显。2.2土壤的微观形状和石英的出现2.2.1砂粒级砂粒岩石学特征各层2～0.5mm粒级砂粒均风化成褐红色，部分表面为黄色。Ah层呈次棱角状，棱角较明显，其上有很多气孔（图1a);Bk层和CBk层呈棱角状，比A层尖锐，其上的气孔更清晰（图1d、g）。0.5～0.25mm粒级砂粒多为褐红色和黄色，有少部分表现为新鲜玄武岩本身的黑灰色。Ah层呈次棱角-棱角状，其上气孔较小，且不明显（图1b);Bk层和CBk层呈棱角状，比Ah层尖锐（图1e、h）。0.25～0.1mm粒级砂粒表现为褐红、黄、黑灰三色，黑灰色砂粒明显增多。Ah层呈次棱角-次圆状，Bk层呈次棱角-棱角状，CBk层呈棱角状（图1c、f、i）。Ah层和Bk层2～0.5mm粒级没有石英，但0.5～0.25mm粒级中出现了石英（图1b、e、h），含量<10%;0.25～0.1mm粒级中的石英含量比0.5～0.25mm粒级更多，约为10%～30%。说明玄武质火山玻璃已经发生了脱玻化作用2.2.2砂粒的形态观察2～0.5mm粒级砂粒主要为褐红色，带气孔；2Ahk层还有灰色无气孔砂粒。Ahk层呈次棱角状，其上气孔明显（图2a);2Ahk层呈次棱角-棱角状，其上气孔较少（图2d);2BCk1层和2BCk2层呈棱角状，气孔清晰，砂粒上的气孔有多有少（图2g、h）。0.5～0.25mm粒级砂粒呈褐红色和灰色，少量黑灰色。Ahk层和2Ahk层形状近似，为次棱角-棱角状，其上气孔较少（图2b、e）。0.25～0.1mm粒级砂粒Ahk层以黑灰色为主，少量褐红和灰色，棱角状，其上气孔少（图2c);2Ahk层以灰色为主，少量褐红和黑灰色，棱角状，其上气孔少（图2f）。因2CBk1层和2CBk2层<0.5的砂粒太少，所以，未进行0.5～0.25mm和0.5～0.25mm粒级的形态观察。Ahk层0.5～0.25mm粒级没有石英，但0.25～0.1mm粒级中出现了石英（图1c），含量<10%;2Ahk层0.5～0.25mm和0.25～0.1mm粒级中均出现了石英（图1e、f），含量<5%。2.2.3异形件层，表面科学表型宽甸剖面的微观形态与上述两个剖面有很大区别。各粒级砂粒多呈褐红色，少量黑灰色和白（或无）色，其上不见气孔；各层均出现了石英，表层较多，向下递减。2～0.5mm粒级中，Ah层和AB层呈次圆-次棱角状，Bw层呈次棱角状，BC层以次棱角状为主，有少量棱角状（图3a、d、g、j);0.5～0.25mm粒级中，Ah层和AB层呈次棱角状，Bw层呈次棱角-棱角状，BC层以棱角状为主，有少量次棱角状（图3b、e、h、k);0.25～0.1mm粒级中，各层均呈次棱角状-棱角状（图3c、f、i、l）。2.2.4砂粒的形状、砂粒达里诺尔和大同0.5～2mm的砂粒多棱角、少气孔，不含石英。宽甸0.5～2mm的砂粒通体风化程度高，无明显的棱角和气孔状构造，含较多石英。达里诺尔和大同0.25～0.5mm的砂粒棱角突出，磨圆度差，多气孔，含少量石英。宽甸0.25～0.5mm的砂粒呈次圆状，无气孔，石英含量较多。在0.1～0.25mm砂粒中，宽甸的风化程度高于达里诺尔和大同，石英含量也多于达里诺尔和大同。2.3宽岩剖面衍射峰的变化大同剖面由火山碴发育的土壤，基本上无黏粒，不含黏土矿物。达里诺尔剖面（图4）的自然片在1.00nm、0.50nm和0.33nm处形成3个强度不同的衍射峰，经过Mg饱和、甘油饱和、K饱和及加热处理后，衍射峰强度均不发生变化，说明含有伊利石；自然片在0.7nm和0.36nm处形成衍射峰，经阳离子饱和、甘油饱和、K饱和片加热至300℃处理2h后，衍射峰仍然存在，但经550℃处理2h后，峰值消失，说明含有高岭石。宽甸剖面（图5）在1.4nm处有衍射峰，甘油饱和后衍射峰未发生膨胀，Mg饱和处理后衍射峰增强，K饱和后的衍射峰强度较Mg饱和片降低，说明样品中含有蛭石；K饱和片加热至300℃后，1.4nm衍射峰向1.0nm处移动，加热至550℃后，在1.4nm和1.0nm之间形成低矮且较宽的衍射峰，说明样品中含有羟基铝蛭石；自然片在1.00nm、0.50nm和0.33nm处形成3个强度不同的衍射峰，经过Mg饱和、甘油饱和、K饱和及加热处理后，衍射峰强度不发生变化，说明含有伊利石；自然片在0.7nm和0.36nm处形成衍射峰，经阳离子饱和、甘油饱和、K饱和片加热至300℃处理2h后，衍射峰仍然存在，但经550℃处理2h后，峰值消失，说明含有高岭石；自然片在0.45nm处有衍射峰，经甘油饱和、阳离子饱和、K饱和加热300℃处理后，峰值不变，加热至550℃后，峰值减弱，说明含有埃洛石。3土壤黏粒定向片衍射分析Torrent等未风化的玄武质火山碎屑物（主要为玻璃质结构）中不含石英，由于玻璃质不稳定，随着地质时代的增长，玻璃质将逐渐转化为结晶物质，即产生脱玻化作用从黏粒定向片衍射谱图的分析来看，宽甸剖面黏土矿物类型最多，达里诺尔剖面有少量黏土矿物，大同剖面无黏土矿物。综上，土壤的发育程度表现为：宽甸剖面>达里诺尔剖面>大同剖面。说明湿润地区的土壤成土作用强于半干旱地区。至于同为半干旱地区的达里诺尔和大同，由于大同较达里诺尔的年均温高、蒸发量大，导致土壤中的水分含量低于达里诺尔，影响土壤的形成。也说明，在高纬度的半干旱地区，土壤水分含量对土壤形成的影响大于温度。4土壤的成土作用(1）半干旱地区土体内的石砾碴块含量大于湿润地区。土壤细土部分，半干旱地区的砂粒风化程度低于湿润地区，砂粒的棱角突出、气孔明显。半干旱地区土壤质地为砂质壤土和砂土，湿润地区多为壤土。(2）玄武质火山玻璃产生了脱玻化作用，导致土壤中含有一