新疆伊犁地区黄土的物质组成和地球化学特征

新疆伊犁地区黄土的物质组成和地球化学特征

多年来，中国的黄土研究取得了辉煌的成就。然而,中国的黄土研究主要集中在东部季风区的黄土高原及青藏高原。事实上,中国不仅受季风影响,在西北的新疆,特别是天山和准噶尔盆地的西部常年为西风环流控制。地处天山西部的伊犁盆地就是典型的西风区,气候特点明显不同于东部季风区。伊犁地区隶属于独特的干旱内陆中的半干旱区,降水257.6～512.2mm,山地最大降水带大于1000mm,降水季节分配比较均匀,以春季比例略高。区内水资源丰富,在1000～1800m高度上残留着世界稀有的野果林,也是新疆重要的黄土分布区之一,地带性土壤为灰钙土。近年来伊犁地区黄土理化特征、黄土记录的初步研究表明,尽管伊犁黄土具有典型的风成黄土的特征,作为对全球变化的响应,伊犁地区末次冰期以来气候也存在不稳定性,但该区粉尘的物质来源和沉积环境与黄土高原存在差别[1～6]。本文试图通过黄土理化特征的综合分析以及与季风区黄土的对比,来探讨西风环流控制下黄土的形成过程、沉积特征及古地理环境的差异。1克台地区阴山山地黄土业务法伊犁地区地处中国天山西段,是一个西宽东窄向西开敞的山间盆地,在构造上它是一个大型断陷盆地的东半部,其西部位于哈萨克斯坦共和国境内。黄土主要分布在低山、丘陵和高阶地上,其上限大致与所分布区域的森林下限一致(图1)。山区,黄土披覆在不同的基底之上,厚度多小于10m。巩乃斯谷地是黄土集中分布区,黄土分布上限1900m左右,在900～1500m的干草原和荒漠草原地带,出露厚度十至几十米不等,在则克台地区,黄土厚度超过80m。在纵向上,黄土的分布顺谷地方向由东到西呈透镜状,即中间厚而两侧薄。在横向上,从平原至山地,也有类似的分布规律,即以山前黄土分布最集中且厚度最大。伊犁黄土多为淡黄或浅淡黄色(2.5Y8/3～8/4),疏松多孔,无层理,结构均匀,不含砾石。除坡积黄土外,均无砂或砾夹层。黄土中通常含有1～3层古土壤层,普遍含有陆相软体动物华蜗牛化石,有些地段埋藏有草原、森林草原型动物化石。根据光释光测年资料,伊犁地区出露的黄土主要为末次间冰期以来的沉积(图2),仅在伊犁谷地的东端发现有与黄土高原离石黄土相当的风尘沉积,这与文启忠等对伊犁地区坎苏黄土剖面的测年结果比较接近。2不同地区、不同粒度下黄土粒度的对比见表1粒度分析结果表明,伊犁地区的以粉砂(63～4µm)占优势,其含量变化范围为66.3%～85.8%,粘粒含量(<4µm)变化于11.65%～31.79%之间,砂(>63µm)的含量1.05%～9.73%,其中90%样品砂含量小于5%。与黄土高原西部、中部的马兰黄土以及新疆其它地区的黄土相比,伊犁黄土粒度偏细(图3、4),而和黄土高原东南部的洛川黄土粒度组成比较接近。与黄土高原马兰黄土粒度自西北源区向东南逐渐变细的分布规律相似,伊犁地区的黄土粒度组成在平面上由西向东由粗变细,即越靠近源区,颗粒越粗。一方面反映形成黄土物质的风尘特征,也证明位于上风方向的中亚荒漠是该区粉尘的主要物源。因此粉尘的理化特征不仅反映沉积区的气候特点,也能揭示源区的环境特征。3不同层次间冰期土壤中碳酸钙化的变化黄土中的碳酸钙含量和淀积形式对区域气候和环境具有一定的指示作用。黄土高原黄土东南部洛川剖面马兰黄土碳酸钙平均含量为12.92%,离石黄土平均含量9.32%～12.66%,古土壤碳酸钙含量3.36%,西北部含量高达20%左右。而伊犁黄土以碳酸盐含量高而且变化幅度大为特征,其值介于12.0%～33.6%之间,平均含量为18.3%,离石黄土因为古土壤的淋溶作用碳酸钙含量也明显高于黄土高原,最高含量达到28.9%。相反,伊犁地区的末次间冰期古土壤碳酸钙含量平均为17.2%,而离石黄土中的古土壤层碳酸钙含量平均为6.1%,二者之间的差别远远大于黄土高原。从淀积形式来看,伊犁黄土中碳酸钙通常以白色斑点、假菌丝体和薄膜形式出现,有些层段可见到直径0.5～1.0cm的钙结核,特别是在降水较丰富的昭苏盆地,黄土剖面中有多层钙结核分布。赵景波认为,黄土中的碳酸盐聚集是黄土化作用的结果,不同的生物、气候条件下存在差异。当年平均降水小于450mm,黄土中形成非结核形式的碳酸钙;年平均降水500mm左右的森林草原条件下,生物和淋溶作用较明显,下渗饱和淀积的碳酸钙数量多,有5%～10%的碳酸钙来自大气降水。层发育期间,气温高,降水增加,蒸发强烈,碳酸化由此推断,伊犁地区黄土形成时期,年平均降水介于200～500mm之间。末次间冰期以前,古土壤发育时期降水大于500mm,使成土母质中的碳酸钙被淋溶;而黄土堆积时期,碳酸盐化作用强烈,碳酸钙大量淀积。末次间冰期以来,气候干旱,在古土壤和弱成壤作用活跃,因此形成碳酸盐含量高的草原或荒漠草原型土壤,降水的增加一方面使淋溶增强,同时也带来了一定量的碳酸钙。冰期,气温一方面,粉尘源区在温暖期土壤中可能存在强烈的酸盐表聚现象,所提供的粉尘物质较寒冷期碳酸盐含量高。多种因素的综合作用使伊犁地区末次间冰期古土壤和末次冰期弱成壤层中含有丰富的碳酸钙。就磁化率而言,伊犁地区离石黄土古土壤序列磁化率特征与黄土高原相近,黄土磁化率低,古土壤磁化率高,磁化率与碳酸钙含量呈负相关(图5);但末次间冰期以来黄土古土壤序列中,黄土磁化率偏高,有些层段甚至高于古土壤。从上述黄土与古土壤的碳酸钙含量和磁化率的变化规律分析,末次间冰期以前,西风区和季风区古环境差别不及现在和末次冰期大,当时的伊犁地区,黄土堆积期和古土壤发育期环境差异比较大,古土壤发育期气候湿润,淋溶作用强烈,黄土堆积期,气候比较干旱。末次间冰期以来,伊犁地区环境恶化,即使在温暖的间冰期和间冰段,气候也比较干旱,少量增加的降水难以平衡大幅度增长的蒸发力,导致土壤中碳酸钙积聚。4伊、古土壤稀土50个黄土和古土壤样品主要元素、稀土元素和同位素分析结果表明,伊犁黄土不论是主要元素、稀土元素,还是锶同位素的变化都局限在一定范围内,充分体现了该区黄土化学成分的均一性。黄土CIA值变化于51.96～66.84之间,但绝大多数样品集中分布于56～59之间;弱发育古土壤CIA值54.65～58.69;古土壤55.44～58.94。根据Taylor等的研究,未风化的大陆地壳的CIA值为50,黄土55～70。伊犁黄土与古土壤CIA值高于地壳平均值,与世界风成黄土的CIA值接近。伊犁黄土样品稀土元素(REE)丰度介于115.5～170.5ppm之间,平均148.9ppm。除少数样品外,黄土样品稀土含量彼此较为接近;古土壤稀土含量153～179.6ppm,平均166.9ppm;弱发育古土壤稀土含量144.2～166.7ppm,平均154.7ppm。与黄土高原相比,伊犁地区黄土稀土含量偏低,其平均值也低于标准沉积岩平均值(177ppm)。由图6可知,伊犁地区黄土样品的稀土分布模式类似,都呈斜率为负值的分布模式,主要富集Ce族元素(轻稀土)。La-Eu曲线较陡,而Eu-Lu曲线则相对平缓,反映了风成黄土的均一性。伊犁黄土稀土分布模式与黄土高原及世界典型黄土也有较好的相似性。锶、铷含量及锶同位素分析显示,伊犁黄土Rb/Sr、87Sr/86Sr比值(0.16～0.37;0.711565～0.713613)略低于古土壤(0.34～0.87;0.713301～0.713759)。但不论是黄土还是古土壤其比值都较黄土高原为低(黄土高原黄土:0.55,0.7153;黄土高原古土壤:0.73;0.7171),从而反映物源与沉积环境的差异。5不同土壤条件对古土壤的影响伊犁黄土和古土壤物质组成、碳酸盐含量、磁化率和地球化学等特征的综合研究表明,伊犁黄土属于风成沉积。它既有世界黄土所具有的共性,又深深地打上了区域特色的烙印。由于物质来源、搬运和分选动力以及沉积环境的差异,伊犁地区的末次间冰期以来的黄土、古土壤与以黄土高原为代表的季风区同时代黄土和古土壤具有下列不同:(1)黄土粒度组成以细粉砂和粘土含量高为特征,即伊犁黄土较黄土高原黄土为细,反映西风远源输送的重要作用。(2)黄土碳酸盐含量高,钙结核不及黄土高原普遍,反映较为强烈的次生碳酸盐化作用和弱的淋溶作用,也反映粉尘的高碳酸钙含量和源区干旱的环境。(3)古土壤发育程度和碳酸盐含量随时间变化而变化