澧阳平原黑褐色土壤剖面常量元素地球化学特征
第28卷 第5期2009年 9月
环 境 化 学
ENV I RONME NT AL CHE M I ST RY
Vol . 28, No . 5
Sep te mber 2009
澧阳平原黑褐色土壤剖面常量元素地球化学特征
毛龙江
1, 2
3
莫多闻 周昆叔 郭伟民 贾耀锋
2345
(1 南京信息工程大学大气科学学院, 南京, 210044; 2 北京大学城市与环境学院, 北京, 100871; 3 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京, 100029; 4 湖南省文物考古研究所, 长沙, 410008;
5 北方民族大学管理学院, 银川, 750021)
摘 要 对澧阳平原典型土壤剖面———玉成(YC ) 剖面进行常量元素地球化学分析, 结果表明, YC 剖面沉积物中Si O 2, A l 2O 3和TFe 2O 3(包括Fe 2O 3和Fe O ) 三者的含量总和达到80%—85%, 其中Si O 2的含量占
60%—65%, A l 2O 3含量在12%—15%之间, 而TFe 2O 3的含量占515%—7%; 其它常量元素的含量相对较
低, 表现为K 2O (215%—218%) >Ti O 2(112%—115%) >Mg O (017%—112%) >Ca O (015%—018%) >
Na 2O (014%—016%) >M n O (011%—015%) >P 2O 5(011%—0115%) . 黑褐色土壤剖面C I A 值(74182) 远
高于上地壳(UCC ) 的平均值47196, 明显高于黄土高原黄土(63173) 和古土壤(67136) , 略高于镇江下蜀黄土(70145) . 表明黑褐色土壤剖面经历了比黄土高原黄土和古土壤更强烈的化学风化. C I 表明黑褐色土壤剖面经历了风化相对较弱、风化相对较强、、个阶段. 关键词 澧阳平原, 黑褐色土, 常量元素, 风尘堆积.
, 、西、南三面环山, 仅仅东面与洞庭湖, 海拔高度40—50m , 比其周边高出5—10m , . 岗地剖面的基本沉积序列是黑褐色土层上部、下部均为黄土层, 剖面无任何水流作用的痕迹. 黑褐色土层下覆的黄土层和网纹红土层已有一些研究, 并且初步认为是风力堆积形成
[1, 2]
. 但是目前对黑褐色土层的关注极少
[3]
.
本文以澧阳平原为研究区域, 选取典型的黑褐色土壤剖面———玉成(YC ) 剖面, 进行系统采样和室内常量元素地球化学分析, 以期探讨黑褐色土壤剖面的常量元素特征, 揭示其风化成壤环境. 1 样品的采集和分析
在野外勘察基础上, 选取了湖南澧阳平原大坪乡玉成村玉成(YC ) 剖面, 经过修理, 露出一个新鲜剖面, 剖面中部一层为黑褐色土层发育, 按照野外观察记录, 可将剖面地层从上往下作以下划分, ①0—20c m , 棕黄色土层, 粘土质粉砂, 深度10—12c m 对应的AMS 年代为8700a BP, 为全新世早期黄土, 记为L 0; ②20—88c m , 黑褐色土层, 粘土质粉砂, 此层在澧阳平原广泛发育, 其年代对应
[4]
于末次冰期末期(23180ka BP —10160ka BP ) , 用S 03表示; ③88—114c m 为铁锰结核层, 见大量
14
铁锰结核和铁锰斑块, 用L t 3表示; ④114—160c m 为黄土层, 棕黄色, 粘土质粉砂, 未见底, 其年代对应于末次冰期早中期(56100ka BP —31180ka BP ) , 相当于黄土高原的马兰黄土, 用L 1表示, 上述测定年代均未校正. 对YC 剖面进行系统的采样, 自地表往下以2c m 间隔连续采样, 底部黄土层以5c m 间隔取样, 共采集样品66个. 从中取15块样品进行常量元素地球化学分析.
常量元素分析采用玻璃熔融片法, 用玛瑙研钵将阴干后的样品进行粉碎至粒度小于200目以下. 从中取4g 粉末样品, 用四硼酸锂(L i 2B 4O 7) 、偏硼酸锂(L i B O 2) 作熔融剂, L i B r 做脱离剂, 在95%Pt 25%Au的专用铂金坩埚里, 用1000—1200℃熔融, 将样品彻底熔化, 最后与溶剂共同形成透明的
“玻璃”片, 由北京大学化学分析中心用X 荧光光谱仪(XRF, 瑞士ARL 公司) 进行测量, Si O 2的绝对误差为±015%, A l 2O 3的绝对误差为±012%, 其它常量绝对误差均小于2%.主要进行了各种氧化物
2008年9月10日收稿.
3国家科技支撑计划项目课题(2006BAK21B02) 、国家重点基础研究发展计划项目(2003CB415201) 、国家自然科学基金
(40671016) 资助项目.
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A l 2O 3, Ca O , Fe 2O 3, K 2O, Mg O, MnO , Na 2O, P 2O 5, S O 3, Si O 2, Ti O 2等的测量. 2 黑褐色土剖面常量元素含量和特征
澧阳平原YC 剖面沉积物中常量元素质量分数见表1. 从表1中可以看出, YC 剖面沉积物中常量元素含量主要为Si O 2, A l 2O 3和TFe 2O 3(包括Fe 2O 3和Fe O ) , 三者的含量总和达到80%—85%, 其中Si O 2的含量占60%—65%, 其次是A l 2O 3含量分布在12%—15%之间, 而TFe 2O 3的含量占515%—7%; 其它常量元素的含量相对较低, 表现为K 2O (215%—218%) >Ti O 2(112%—115%) >Mg O (017%—112%) >Ca O (015%—018%) >Na 2O (014%—016%) >Mn O (011%—015%) >P 2O 5(011%—0115%) (表1)
表1 澧阳平原YC 剖面沉积物常量元素含量(%)
Table 1 The maj or element contents of sedi m ents at YC p r ofile in the L iyang p lain (%)
样品号
YC003YC008YC013YC018YC023YC028YC033YC038YC043YC047YC051YC055YC058YC062YC0660—20c m 均值20—88c m 均值88—114c m 均值114—160c m 均值
深度/cm
4—614—1624—2634—3644—4654—5664—6676100—102108—110114—120135—140155—160
Si O [***********][***********][***********][***********][***********][**************]7
A l 2O [***********][***********][***********][***********][***********][**************]
TFe 2O [***********][***********][***********][***********][**************]30
K 2O [***********][***********][***********][***********]0131152135
Na 2O [***********][***********][***********][***********][1**********]2
Ca O [***********][***********][***********][***********][1**********]0
Mg O [***********][***********][***********][***********][1**********]61
MnO [***********][***********][***********][***********][1**********]09
Ti O [***********][***********][***********][***********][1**********]181
P 2O [***********][***********][***********][***********][***********]0118
C I A [***********][***********][***********][***********][***********][***********]670145
————————
剖面总平均黄土高原黄土[5]黄土高原古土壤[5]镇江下蜀黄土[6]
为了更好地了解元素的迁移特征, 与基本未风化的上部地壳(UCC ) 平均化学成分进行对比, 比较结果见图1a . 澧阳平原YC 剖面各层的常量元素Na, Ca, Mg, P 明显偏离, 与UCC 相比表现为较明显的亏损特征, 这可能反映了化学风化的作用, 但其中的上部黄土层(0—20c m ) 元素的迁移比其它层更明显, 并发生K 的亏损, 这反映了全新世早期气候开始变暖变湿, 风化作用明显加强. 与黄土高
[4][5]
原黄土(L 1—6均值) 2古土壤(S 0—5均值) 、镇江下蜀黄土均值比较来看, YC 剖面沉积物显示了较强的化学风化作用, 发生了Na, Ca, Mg, P 元素的亏损, 而K 也有轻微的亏损(图1b ) . 研究表明, 在岩石风化过程中, 比较活跃的K, Na, Ca, Mg 等碱金属和碱土金属元素很容易被淋溶出来, 而Si, A l, Ti 等稳定元素则在残留相中富集, 被淋溶出来的K 和Mg 又很容易被产生的粘土矿物吸附起来,
而Na 和Ca 元素比较容易流失而在风化产物中的含量很低
[6]
. 陈骏等
[4]
对洛川黄土剖面进行风化程
度的地球化学研究后认为, 洛川黄土经历了早期初级的化学风化, 按地球化学标志判断应处在脱Ca
736环 境 化 学28卷
和Na 风化阶段, 但尚未进入去K 风化阶段, 反映了黄土高原第四纪可能长期处于比较干冷的气候环
[5]
境. 李徐生等对镇江大港下蜀黄土剖面的研究认为下蜀土的化学风化过程既发生了显著脱Ca 和Na 的分异变化, 又出现了中等程度的K 元素迁移淋失. 从YC 剖面沉积物与黄土高原黄土和下蜀黄土的比较来看, YC 剖面沉积物出现更强烈的Ca 和Na 淋失, 并发生明显的K 和Mg 元素迁移(图1b ) . 从YC 剖面的各层位来看, 全新世早期黄土L 0层的化学风化更强烈, 出现更强烈的K 和Mg 元素迁移(图1a ) , 这反映了全新世早期的气候转暖, 温度升高, 降水增加
.
图1 澧阳平原YC 剖面各层沉积物常量元素UCC 高原黄土2古土壤、镇江下蜀黄土UCC F i g 11 UCC 2nor malized patterns of maj or ele ments in m iyang p lain,
and comparis on with UCC 2nor of m bet w een
l ol l in Zhenjiang
3 化学蚀变指数C I A ) 作为判断化学风化程度的地球化学指标已经被广泛应用. C I A 值计算公式:
3
C I A =[Al 2O 3/(A l 2O 3+Ca O +K 2O +Na2O ) ]×100
式中, 均为氧化物分子摩尔数, 其中Ca O 为硅酸盐矿物中的摩尔含量, 不包括碳酸盐和磷酸盐中的
Ca O 含量. 由于硅酸盐中的Ca O 与Na 2O 通常以1∶1的比例存在, 所以Mc Lennan 认为当Ca O 的摩尔数大于Na 2O 时, 可认为m Ca O
3
3
3
=m Na 2O , 而小于Na 2O 时则m Ca O
3
=m Ca O
[8]
. 澧阳平原YC 剖面沉积物中
所有m Ca O 值的计算即据此方法获得. C I A 指数能够有效地指示样品中长石风化成粘土矿物的程度,
[5]
C I A 与样品中粘土矿物/长石比值呈正比, 化学风化越强, 则化学蚀变指数(C I A ) 值越大. 澧阳平原YC 剖面的15个样品C I A 值在72—84之间, 平均值为74182, 其中, 上部黄土层L 0的C I A 指数最高, 为78196, 以黑褐色土层S 03层最低, 其值为72182, 铁锰层L t 3和下部黄土层L 1居中, 其值分别为73157和73189(图2) . 总体来看, 其值远高于上地壳(UCC ) 的平均值47196, 明显
高于黄土高原黄土(63173) 和古土壤(67136) , 略高于镇江下蜀黄土(70145) (表1) , 风化强度变化顺序为:上陆壳UCC
[7—10]
介于85—100之间, 反映炎热、潮湿的热带、亚热带条件下的强烈的化学风化程度. 与UCC 相比(图1) , 镇江下蜀黄土C I A 反映比黄土高原古土壤更强的风化过程, 而澧阳平原YC 剖面沉积则表现为比镇江下蜀黄土更强烈的化学风化过程. 从黑褐色土壤剖面的C I A 指数的不同层位比较来看, 其风化强度大致可以分为4个阶段, 分别为风化相对较弱(对应下部黄土层, 深度160—114c m ) 、风化相对较强(对应于铁锰层, 深度114—88c m ) 、风化相对较弱(对应于黑褐色层, 深度为88—20c m ) 、风化相对较强(上部黄土层, 20—0c m ) (图2) .
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图2 澧阳平原YC 剖面沉积物常量元素含量、化学蚀变指数(C I A ) 和平均粒径变化曲线
F i g 12 The C I A curve of the sedi m ents and mean grain 2size at YC p r ofile in L iyang p lain
4 化学风化的控制因素分析
澧阳平原岗地剖面属于典型的风成剖面, 剖面沉积物稀土分布模式与黄土高原黄土、镇江下蜀黄
土、洞庭盆地风成红土等典型风成沉积物的分布模式具有一致性, 而与河流沉积物、湖泊沉积物和基岩风化红土在稀土的分布模式上具有明显差别. , , 沉积剖面无任何水流作用痕迹等证据表明澧阳平原岗地剖面为风成剖面. 尘沉积所致, , [5]
的影响差异不会太大. (C I A ) 随深度变化的对应关系, 从图2. 因此也表明风成沉积物的颗粒变化对风2, 平均粒径
[5]
1066mm . 湖南澧阳平原属于中、北亚热带季风气候, 年平均温度为1615℃, 年降水量1262mm. 图3绘出了洛川、镇江和澧阳平原3个地点化学蚀变指数(C I A ) 与年均温度和年均降水量的相关性. 从图3可以看出, 随着年均降水量的增加(洛川2镇江2澧阳平原) , 化学蚀变指数(C I A ) 表现为快速增大, 同样, 随着温度的增大, 化学蚀变指数(C I A ) 也表现为快速增大(图3) . 因此, 年均温度和年均降水量对区域化学风化程度起着决定性的作用
.
图3 化学蚀变指数(C I A ) 与年均降水量、年均温度的相关关系
F i g 13 Relati onshi p bet w een C I A value and the mean p reci p itati on and the mean te mperature
综上所述, 澧阳平原黑褐色土壤剖面常量元素含量主要以Si O 2, A l 2O 3和TFe 2O 3(包括Fe 2O 3和Fe O ) , 三者的含量总和达到80%—85%, 其含量大小顺序Si O 2>A l 2O 3>TFe 2O 3>K 2O >Ti O 2>Mg O >Ca O >Na2O >Mn O >P 2O 5. 风化强度变化顺序为:上陆壳UCC
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致谢:北京大学城市与环境学院邓辉副教授、史辰羲和贾敬禹同学一起参加野外考察和采样, 在此表示感谢.
参 考 文 献
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M AJO R 2EL E M ENTAL I BROW N SO I L
IN L I O F YANGTZE R I VER
MAO L ong 21, D uo 2w en ZHOU Kun 2shu G UO W ei 2m in J I A Yao 2feng
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(1 College of A t m os pheric Science, Nanjing University of I nf or mati on Science &Technol ogy, Nanjing, 210044, China;
2 College of U rban and Envir onmental Sciences, Peking University, Beijing, 100871, China;
3 I nstitute of Geol ogy and Geophysics, CAS, Beijing, 100029, China;
4 Hunan Pr ovincial I nstitute of Cultural Relies and A rchaeol ogy, Changsha, 410008, China; 5 School of Manage ment, North University for Nati onalities, Yinchuan, 750021, China )
ABSTRACT
Based on the field investigati on, sa mp ling and maj or 2ele mental analysis at the YC p r ofile in the L iyang p lain, discussed the maj or 2ele mental geoche m istry characteristics of dark br own s oil, and revealed envir on 2mental significance 1The results sho w that the content of maj or ele ments is mainly made of Si O 2, A l 2O 3and TFe 2O 31The t otal content of Si O 2, A l 2O 3and TFe 2O 3is more than 80%.a mong the m , the content of Si O 2varies bet w een 60%and 65%1The contents of other maj or ele ments indicate the sequence, in decreasing or 2der, foll ows:Si O 2(60%—65%) >Al 2O 3(12%—15%) >TFe 2O 3(515%—7%) >K 2O (215%—218%) >Ti O 2(112%—115%) >Mg O (017%—112%) >Ca O (015%—018%) >Na 2O (014%—016%) >MnO (011%—015%) >P 2O 5(011%—0115%) .
The C I A index of dark br own s oil p r ofile (74182) is much
higher than it of UCC (47196) , and higher than l oess (63173) and paleos ol (67136) in Loess Plateau 1Those show the sedi m ents have experi m ented more intensive weathering p r ocess than those in the l oess and pal 2eos ol in Loess Plateau 1The vertical change of C I A index indicates f our stages of relatively str onger weathering, relatively weaker weathering, relatively str onger weathering and relatively weaker weathering 1
Keywords:L iyang p lain, black bl own s oil, maj or ele ments, eolian depositi on .