兰州山口山口地区黄土古土壤层的地球化学特征

兰州山口山口地区黄土古土壤层的地球化学特征

一、冲积黄土风成黄土兰州九州台黄土段是洛杉矶高原（洛杉矶高原）六经以西的典型段，也是目前研究的系统段之一。剖面位于兰州市黄河铁桥(白塔山公园附近)西北方向约5公里处。巨厚的黄土剖面座落于兰州段黄河第六级阶地砾石层之上。剖面厚318m,其中下部21m为冲积黄土,其上297m为风成黄土。到目前为止,已发现古土壤30余层。根据古地磁、热释光(TL)、14C、裂变径迹(FT)等手段测年并考虑黄土容重变化进行推算,九州台冲积黄土开始形成于140—150×104a以前,其中风成黄土形成于130×104a以来(ZhangandChen,1989)。据现代兰州市区年均气温9.1℃、年降水328mm推算,现在九州台的水热条件是:年均气温5.9℃,年降水量357mm。二、元素含量变化的一般规律从该表可以看出,兰州九州台黄土、古土壤中仅有微弱的化学元素分异现象。从老到新,元素Al、Fe、Mg的含量相对有所减少,而元素K、Na、Ca含量则有所增加(亦即K+Na+Ca/Al+Fe+Mg比率增大);元素Mn、Ba、Sr、Cr、Th、U有减少的趋势。通过与洛川黄土、古土壤分析结果对比(表2)看出,对于元素Fe、Al来讲,兰州九州台马兰黄土小于洛川剖面黑垆土(So)、小于九州台剖面古土壤平均值,小于洛川黄土平均值、小于洛川剖面碳酸盐褐土中的含量。元素Ca含量变化为九州台马兰黄土大于洛川So、大于九州台古土壤平均含量、大于洛川古土壤平均值,同时也大于洛川剖面中碳酸盐褐土平均含量。而Mg、K、Na含量变化总体来说较为复杂,不具明显的规律性。从表1中还可以看到,九州台剖面中元素Th、U的含量均较世界土壤平均含量高(九州台为Th=13.0,U=3.9;世界土壤平均为Th=9,U=2),而Th/U比率却小于世界土壤平均含量(九州台为Th/U=3.33;世界土壤平均值为Th/U=4.5)。同时,它们分别与页岩中Th、U含量及Th/U值非常近似(页岩中Th=12ppm;U=3.7ppm;Th/U=3.3,引自Faure;1977);活泼元素Cs含量平均达8.88ppm,远大于地壳上部平均含量(Cs=3.7ppm,TaylorandMcLennan,1981)。微量元素中,九州台剖面中Ti、Co、Ni、Sr、Ba等含量均小于洛川剖面中的含量。化学元素分配的上述变化趋势,一方面可能受到原岩化学成分的影响外,很大程度上取决于黄土、古土壤物质风化程度及当时的植被状况。图1表示了兰州九州台剖面与洛川剖面中元素Fe、AI及Ca的关系。从图可以直观地看到,在这两个剖面的黄土、古土壤中,Fe+Al与元素Ca含量变化具有明显的负相关性。随着成土作用的加强,亦即气候条件及植被状况的好转,Fe+Al含量随之增加,而Ca含量则相应的减少。这种相关性进一步证明,九州台剖面中发育最好的古土壤S4,其性质及类型介于洛川剖面的黑垆土与碳酸盐褐土之间,进而推估其当时的气候条件可能为:年均温8—9.5℃,年降水量为350—450mm,较现今年平均温度高2—1.5℃;年降水量相差不大,不高于100mm。从以上一般常量元素及微量元素在九州台剖面中的分布情况并通过与洛川剖面的对比分析,可以得出,在兰州九州台黄土及古土壤形成过程中,气候条件较为干燥,植被状况很差,风化作用不强,Fe、Al等元素未能大量富集,Ca元素尚未淋滤失去;Mg、K、Na元素在剖面中未发生明显分异。同时,Ti、Co、Ni、Cr、Ba等微量元素的含量也较低;易溶解并易被带走的活泼元素Cs在这种条件下得以保存,造成了其含量的正异常,并导致了元素Th、U含量的明显增高。三、土壤成土作用九州台黄土剖面稀土元素分析结果及有关计算值分别列入表3、表4。从表4可以得到,兰州九州台剖面中ΣREE值介于159.95—184.90之间,平均值为171.94;ΣLREE/ΣHREE值介于5.16—6.96之间,平均值为6.18(其中不包括Y值);Eu/Sm比率介于0.17—0.27范围内,平均值为0.19;δEu(Eu/Eu*)值介于0.58—0.78之间,平均值为0.65;δCe(Ce/Ce*)值为0.80—1.06之间,平均值为0.97。其中未由仪器直接给出的元素含量值是根据元素相对丰度估计的;δEu、δCe值是通过计算求得的(赵振华,1987)。兰州九州台剖面中S1S4、S5、S6、S9古土壤稀土元素分布模式如图2所示。由该图并参照表3可知,九州台剖面中不同时代黄土及古土壤稀土元素含量十分接近,其分布模式也非常类似:均呈斜率为负值的分布模式,且其中La—Eu曲线较为平缓,富集Ce族元素。这种REE含量变化及分布特征揭示九州台黄土剖面中不同时期的古土壤是黄土物质沉积过程中气候环境变化事件的产物,而非其物质来源的不同;黄土、古土壤物质成分的相似性表明,不同时期的黄土、古土壤具有相同的物质来源。图3表明,兰州九州台黄土剖面的REE含量与洛川剖面十分接近,但洛川剖面仅从进行对比的S1、S5、S8古土壤来看明显的富集Ce组元素而相对的亏损Y组元素。这种现象与洛川剖面中古土壤成土作用较强有关。随着成土作用的加强,古土壤中粘土矿物含量相对增加,易发生水解但难以迁移的Cc组元素以阳离子的形式被这些粘土矿物所吸附,造成了它们在古土壤中含量的增高;另一方面,随着气候的转暖和降水量的增加,土壤中水分增多。这种过程导致了易迁移的Y组元素的相对损失,而造成其含量的降低。据研究,黄土、古土壤中REE含量、ΣLREE/ΣHREE值、Eu/Sm及Ce/Ce*值等,虽然可能受到不同程度的风化、沉积和成岩作用的影响,但也从一个方面反映了黄土来源物质的特性(文启忠等,1984)。兰州九州台黄土、古土壤ΣREE值变化在159.95—184.90之间,接近洛川黄土ΣREE含量(161—184ppm),但小于洛川古土壤中ΣREE含量(190—210ppm);而ΣLREE/ΣHREE值变化于5.16—6.96之间,小于洛川黄土ΣLREE/ΣHREE值(7.5—8.2)。这说明,九州台黄土、占土壤中稀土元素的分异作用较洛川黄土中的要弱,反映了兰州九州台黄土、古土壤形成过程中干燥的气候特征。不同成因的沉积物中,Eu/Sm值是不同的,它从一个方面揭示了稀土元素之间的分馏作用。九州台黄土、古土壤中Eu/Sm值平均为0.19,接近洛川黄土中Eu/Sm平均值(0.194),且接近沉积岩平均值(0.20)。δEu值平均为0.65(变化于0.58—0.78之间),小于洛川黄土值(平均0.706,介于0.64—0.77之间)。这在某种程度上继承了原岩Eu负异常的特点,或与兰州九州台黄土风化成土作用较洛川的弱有关;δCe平均值为0.97(变化于0.80—1.06之间),这比洛川黄土中δCe值(平均值为0.837,变化于0.780—0.942之间)要高。这可能与兰州地区气候条件更为干燥及距物源区较近有关。据实验研究结果,Ce在表生作用过程中具有特殊的性质,即易于被由Ce3+氧化为Ce4+;在酸性淋滤作用下,Ce4+易水解而在原地保留下来,而此时其他元素则继续迁移,导致了Ce与其他元素的分离。在风化剖面中,出现上部富集Ce元素的现象。当位于源区的这些富含Ce的物质首先被风力搬运并在距源区较近的地方沉积并形成黄土或古土壤时,它们便可能继承原来富Ce的特点,造成δCe的增高,沉积区干燥的气候条件使得这个特点被保存下来了。四、土壤条件与气候条件的关系通过对兰州九州台剖面马兰黄土及古土壤元素地球化学分析研究,并与洛川黄土剖面进行对比,可以得出如下初步结论:1.九州台剖面中,没有明显的元素分异现象,意味着极弱的淋滤作用。由老到新,黄土、古土壤中(K+Na+Ca)/(Fe+Al+Mg)比率有逐渐增大的趋势;微量元素Mn、Ba、Sr、Cr、Th、U含量则相对减少。2.兰州九州台剖面中古土壤发育程度极弱,其中发育最好的古土壤S4的土壤性状也仅相当于洛川剖面中黑垆土(S0)和碳酸盐褐土之间。对于不同类型古土壤及黄土中Fe、Al、Ca元素分析结果表明,随着古土壤发育程度的不同,土壤中(Fe+Al)和Ca元素含量变化呈负相关,即随着土壤发育程度的增高,Fe+Al含量相对增加而元素Ca含量则相对降低。3.兰州九州台不同时代形成的黄土、古土壤具有相同的物源。同时与洛川黄土物源一致。4.兰州九州台黄土形成于干旱-半干旱气候条件下,从九州台剖面中古土壤发育的层数及程度不难得出兰州地区在过去百万年时间尺度内气候变化具有频率高,但强度较弱的特点。进而可以推知,九州台剖面中S4形成时期