大别山北麓黄土古土壤环境及物质来源分析

大别山北麓黄土古土壤环境及物质来源分析

通过对元素和地球化学的研究，我们可以探索气候变化的历史，并对旧气候进行了解和研究。不同气候条件下存在着一定的与之相适应的沉积物,这些沉积物与它所处环境之间的平衡关系是通过沉积矿物及元素组成的迁移或富集及元素重新组合产生新矿物来实现的,因而它们不但具有原岩的组成特征,而且记录着它们形成时的气候环境。研究沉积物中环境指示元素的地球化学特征,揭示它们在环境演变过程中的地球化学行为,可为重建第四纪以来的古气候演化序列和环境演变动态过程提供重要依据。地球化学元素作为一种常用的物源判别指标,在对沉积物物质来源的研究中,取得了丰硕的成果。但是,大多数地球化学元素均受成岩作用的影响,导致物源判别的差异性或多解性,因而,必须寻找更可靠的判别指标,以有效地避免沉积物在风化剥蚀、搬运、沉积、成岩过程中的影响,使其在物源区和沉积区具有一定的可比性。富集因子(enrichmentfactor,简称EF)是1974年Zoller等为了研究南极上空大气颗粒物中的化学元素是源于地壳还是海洋而首次提出来的。富集因子可以较准确地反映元素富集程度并鉴别物质来源,目前,富集因子法由最初研究大气颗粒物成分延伸到其他领域,如土壤、植物、水系沉积物、湖泊底泥、河流悬浮物、雪样等环境介质,近年来,我国许多学者利用富集因子进行海底沉积物、滨海平原地区沉积物及海域表层沉积物物源判别取得了较好效果,但用元素富集因子进行黄土-古土壤物源判别在国内报道较少。由于大别山是中国南北地理格局和暖湿带与亚热带的分界线,因此,研究其地球化学元素在剖面中的变化规律,对大别山北麓黄土-古土壤成因、特征、物源等展开系统的研究对中国中东部古气候环境演变的研究具有重要意义。现以大别山北麓黄土-古土壤地球化学元素为对象,研究其特征及变化规律,并尝试运用地球化学元素富集因子分析方法进行物源研究,从而获得对大别山北麓黄土-古土壤沉积环境及物质来源的初步认识。1元素富集因子法元素富集因子法又称富集因子法,是用以表示元素的富集程度、判断和评价元素来源的方法。富集因子法是选择满足一定条件的元素作为参比元素(或称标准化元素),将样品中的元素质量分数(或浓度)和参考元素质量分数(或浓度)的比值与参照区中二者质量分数(或浓度)比值的比率即称为富集因子,它可将所研究的元素进行标准化,用以消除由于矿物和粒度变化等因素所产生的影响,从而达到准确判断沉积物物源的目的。某一元素相对于参照区元素的富集因子可定义为:EF=w样品/w参照区w′样品/w′参照区EF=w样品/w参照区w′样品/w′参照区式中:EF为某元素的富集因子系数;w样品,w参照区为某元素在测试区和参照区质量分数;w′样品,w′参照区为参比元素在测试区和参照区质量分数。当富集因子EF≈1时,认为元素来源于参照区,当EF>10时,该元素被认为是非参照区物源。黄土沉积物中的地球化学元素包括大部分常量元素和部分微量元素,多数金属元素在黄土中的分布受环境作用和人类活动的综合影响。在自然环境作用过程中,会发生元素和矿物的物理化学迁移转化、元素吸附和解吸附、还原氧化等地球化学作用,其结果使金属元素在一定的物理化学条件下呈特定的化学形态并形成特定的矿物组分。微量元素的自然分布受黄土粒度、有机质质量分数、铁锰氧化物、黏土矿物等因素的影响,其中最重要的影响因素是粒度。因为细粒组分较粗粒组分含有更多的黏土矿物和有机质,在吸附作用下,使元素的分布呈现出粒子效应,元素的绝对含量变化往往并不能真实地反映元素的地球化学行为,因为在化学风化的过程中,活动性元素的淋失会直接造成样品中稳定性元素的浓度相对增加(残留富集),掩盖了这一过程中元素迁移或者富集的真实面目,从而也不能准确地判别物质来源。为了平衡或消除多种差异,需要用标准因子或参比元素对地球化学元素的质量分数进行标准化,也就是计算元素的富集因子。富集因子法是一种双重归一化的计算方法,所以,它比通常用含量(即为绝对含量)进行比较的结果更为可靠而确切。选择不同的参比元素可能会出现不同的评价结果,究竟选择沉积物中的何种成分作为参比元素目前尚无统一的认识,但基本都选用地壳中普遍存在的而人为污染来源较少、化学稳定性好、分析结果精确度高的低挥发性元素。目前,国际上多用Al、Fe、Mn、Ti、Rb、Li、稀土元素、放射性同位素、总有机碳(TOC)、粒度等。由于Ti、Sc、Th、Nb这些地球化学元素性质稳定,不易受变质、蚀变和风化作用的影响,因此,选择上述稳定元素作为参比元素来分析其地球化学元素的富集因子分布状况,研究不同参比元素条件下大别山北麓黄土-古土壤的物质来源。2剖面地质特征研究剖面位于大别山北麓河南省信阳地区境内,其地理位置为32°06′N,114°40′E(图1),属亚热带季风型湿润、半湿润气候,地层沉积层次清晰,保存良好,剖面厚约17m,整个剖面分为8个黄土层和8个古土壤层,并初步推测黄土形成的地质时代约为800ka前。为了详细研究大别山北麓第四纪黄土的地球化学元素分布特征、规律及元素富集因子特点,清除剖面表层50cm的现代风化层,从下往上按20cm间距进行了采样,共采集粉样81袋。地球化学元素质量分数由国土资源部合肥矿产资源监督检测中心采用X射线荧光光谱分析仪(XRF)进行测定,误差小于5%。3地球化学元素的特征3.1环境特征对沉积物富集的控制大别山北麓黄土-古土壤的主要化学元素组分质量分数分析结果见表1。整个剖面沉积物主要由SiO2、Al2O3和Fe2O3组成,约占沉积物总量的86.00%,比洛川黄土剖面相应值75.46%要高。在温暖湿润气候下,SiO2、Al2O3、Fe2O3相对富集,因此,这3种组分均属于湿润性氧化物的特征元素,大别山剖面表现出明显富硅、铝、铁的现象,表明大别山气候以湿热为主的特点。Na2O、CaO、MgO、Sr等易溶组分质量分数很低,CaO和Sr的平均质量分数分别为0.79%和106.85×10-6,明显低于洛川剖面相应值(1.49%和195.00×10-6)。根据其亏损程度可知元素的迁移顺序为:Ca>Sr>Na>Mg>K>Fe、Al,其中Ca和Sr在化学风化时非常活跃,迁移能力最强,在大别山中保留很少,说明与大别山地区较温湿的气候条件下易溶化学元素较强的淋溶迁移有关。大别山北麓Rb的平均质量分数为115.77×10-6,最小值为110.10×10-6,最大值为120.70×10-6,变异系数仅为2.00%,高于洛川黄土剖面平均质量分数(97.00×10-6)。研究表明,Rb趋向于赋存在黏土矿物中,从大别山北麓整个剖面来看,Rb的变化幅度较小,这可能是由Rb的特点决定的,Rb和K的离子半径十分相似,两者的地区化学性质也十分相似,在地表岩石和沉积物中Rb主要分散在含K的矿物中,风化成壤作用中,含K的矿物稳定性较高,呈相对富集形式保留在原地,因此,用相对稳定的Rb值反映物源的一致性取得了较好效果。与Rb相反,Sr则主要在砂和粉砂粒级中富集,相对于洛川黄土剖面Rb平均值较高而Sr平均值较低,说明大别山具有粒度较细的特点,这也与气候温湿而沉积物粒度一般较细的规律一致。但从大别山北麓整个剖面来看,w(Sr)变化较稍大(96.00×10-6～119.90×10-6),标准偏差为6.73×10-6,w(Ba)(280.00×10-6～619.10×10-6)和w(Mn)(358.70×10-6～1426.00×10-6)变化较大,标准偏差分别为96.54×10-6和190.10×10-6,变异系数分别达到21%和27%。Ba的平均质量分数相对洛川明显偏小。研究表明,Ba的地球化学行为同Sr十分相似,较容易以游离Ba的形式随土壤溶液或地表水进行迁移,这就使得在较为温湿的气候条件下,Ba在降水相对丰富的后期成壤过程中发生较强的淋溶迁移,导致Ba的大量淋失。从侧面说明大别山整体气候较洛川温湿。而整个剖面w(Mn)变化幅度较大,最高值与最低值相差4倍,略高于洛川。研究表明,Mn一般受沉积物粒度的控制,其含量随细颗粒沉积物的增加而增加,主要是由于黏土对Mn的吸附造成的。一方面说明大别山沉积物粒度相对洛川较细,另一方面,研究剖面沉积物中Ba、Mn、Sr的分布具有较大差异的特征,表明沉积物中元素的分散程度较高,指示该剖面沉积物从下到上在成因环境上可能差别较大。大别山北麓黄土-古土壤剖面地球化学元素随剖面深度的垂直变化规律见图2。从图2中看出,w(Al2O3)和w(Fe2O3)曲线变化基本一致,从下而上其值表现为较高-低-高的趋势,说明研究剖面以湿热为主的气候特征。CaO、Na2O、MgO均属于干旱型气候的特征元素,一般说来,w(CaO)、w(Na2O)、w(MgO)越高指示气候越寒冷,从变化曲线上可以看出,w(CaO)、w(Na2O)、w(MgO)变化趋势非常明显,从下至上有明显增加的趋势,说明剖面中下段的气候条件相对更为温湿,上部相对干冷,也预示着自中更新世以来,从老至新气候由温湿向干冷方向发展。Sr自下而上增加趋势非常明显。研究表明,w(Sr)变化与原始粉尘的物质组成和风化成壤程度有关,黄土序列中w(Sr)变化与北半球冰量之间具有相似性,当北半球冰盖扩展时,夏季风诱导的降雨量随温度的降低而降低,因而粉尘源区与黄土沉积区的化学风化相对减弱,引起来自源区的w(Sr)与黄土沉积物中保留的w(Sr)增高,洛川剖面第四纪以来w(Sr)均随时间由早到晚逐渐增高,大别山剖面相似的变化趋势可能是其对全球气候的响应,即从老至新向干冷趋势发展。结合表1和图2,整个剖面古土壤中地球化学元素SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Mn、Rb平均质量分数大于其下伏黄土中的相应值,而Na2O、CaO、MgO、Ba、Sr平均质量分数小于其下伏黄土中的相应值,主要地球化学元素变化曲线在中上部出现突变,此后气候变化幅度减弱趋于平稳且气候特征元素显示为气候向干冷趋势发展。而黄土和古土壤中地球化学元素细微可辨的差异揭示了沉积环境的不同,古土壤形成时气候相对温湿,一些元素在古土壤剖面中发生了一定的分异和再分配,活动性较强的元素Na2O、CaO、MgO、Ba、Sr大量淋溶迁移,导致其质量分数相对减少,从侧面也说明了黄土形成时相对干凉。黄土作为风积物,具有一个相对稳定的物源区,其元素的分异是风尘堆积后环境变化的直接结果,地球化学元素含量随气候变化而发生规律性变化,从各元素曲线来看,自中更新世以来,研究区气候以温湿为主,从老至新气候变化幅度减弱并趋于稳定,且由温湿向干冷趋势发展。3.2土壤条件及富集因子选择4种化学性质稳定的地球化学元素Ti、Sc、Th、Nb作为参比元素,其富集因子分别记为EF(Ti)、EF(Sc)、EF(Th)、EF(Nb)。大别山北麓黄土-古土壤和洛川黄土的参比元素Ti、Sc、Th、Nb测试结果如表2所示。为了更好地探索研究区剖面物质来源,选择大别山北麓黄土层中地球化学元素作为与洛川黄土对比的参数,使结果更具可靠性,各富集因子值计算结果如表3所示。由表3计算结果可知,地球化学元素SiO2、Al2O3、Fe2O3、Ba、Mn、Rb相对于各参比元素的富集因子EF值均在1.00左右,最大的EF值为1.09,最小值为0.73。其中CaO、Sr、Na2O、MgO、K2O的各参比元素的富集因子较小,这与这些元素易淋溶迁移的地球化学特性有关,EF值为各元素相对于各自区域的某一参比元素的比值的差异,而所选的参比元素均为化学性质稳定性较好的元素,因此,EF值的大小主要受不同区域气候条件下各元素淋溶迁移程度控制,气候干冷,淋溶迁移程度弱,气候温湿,淋溶迁移程度强,气候条件的差异导致易活动元素平均含量的差异,某元素淋溶迁移程度差别越大,即EF值越小,从侧面说明大别山相对于洛川气候较温暖湿润。从图3可以明显看出,各参比元素的富集因子值在0.17～1.20之间,均远小于10,从4个参比元素算出的富集因子值综合分析,说明大别山剖面黄土与洛川黄土具有相同物源。研究表明,洛川黄土来自于西北风尘沉积物,所以,根据元素富集因子值及其分布模式和前人研究成果,推知大别山北麓黄土-古土壤同样可能来自于西北的风尘堆积。整体来看,尽管大别山地区黄土中的气候记录与洛川剖面黄土有所差异,但它们的富集因子分布模式均具有一定的规律性,充分说明了它们的物质构成的同源性,而其中较活泼的易活动元素受沉积环境影响较为敏感,其富集因子的差异明确揭示了两区沉积环境的差异,这也进一步证明了富集因子法判断同类沉积物物源的可靠性和有效性。结合室内粒度分析结果来看,自800ka以来大别山北麓各不同层位黄土与古土壤的颗粒组成基本一致,物质组分以粉砂和黏土为主,未发现粒径>250μm的颗粒,>100μm的颗粒体积分数甚微,砂粒(>50μm)平均体积分数较低,为4.23%;粗粉砂(10～50μm)平均体积分数45.28%,为众数粒组;细粉砂(5～10μm)平均体积分数16.59%;黏粒(<5μm)为次众粒组,平均体积分数为33.9%,此粒度特征与黄土高原黄土非常相似,表现在:风尘的基本粒组10～50μm为众数粒组,基本不含砂砾,频率分布曲线多为双峰型,说明堆积前经历高度分选。但与黄土高原黄土相比,大别山黄土的颗粒组成更细,这一特征符合我国黄土自西北向东南其颗粒由粗变细呈带状的分布规律,研究剖面的黄土颗粒比黄土高原等地的黄土更细,应当主要是西北风的风力分选及搬运能力随距离增加而下降的结果。另外,剖面粒径<20μm和<30μm的颗粒平均体积分数分别高达68.5%、81.7%,刘东生等对源自1500km以外中国北部荒漠的现代大气降尘的研究揭示,风尘中以粒径<30μm的组分占优势,粒径<20μm的粉尘以在空气中长期悬浮的模式被风力搬运,是远源风尘物的主要组成部分,根据前人由粒度研究物源的方法,推断本区黄土物质来源与黄土高原物源应一致,因此,由富集因子法和粒度反映的物源具有较好的一