2020, Vol.40
2 枣庄学院旅游与资源环境学院, 山东 枣庄 277160;
3 中国科学院南京地理与湖泊研究所, 湖泊与环境国家重点实验室, 江苏 南京 210008;
4 中国科学院大学, 北京 100049)
黄土物源示踪，寻找黄土粉尘的物质来源，对于阐述粉尘的形成与释放、运移路径，重建古风场强度、古大气环流格局及与此有关的造山运动、全球气候变化，甚至对于研究季风的起源等，均具有重大科学意义，是黄土研究的焦点和难点之一[1]。当前的研究主要关注的是复杂风成沉积体系，如干旱、半干旱副热带沙漠区、西风、冬季风，甚至是极地风场中的大区域甚至半球规模上的风沙-粉尘堆积体系，其涉及范围大、物源广，物源地成因与粉尘物质来源复杂，混合程度高，这使其地球化学元素的示踪指示具有复杂性、多解性[2~5]。对于这种体系，元素地球化学示踪有时无法真正明确指定粉尘物质的物源地“是”或者“不是”[4]，只能通过描述粉尘的地球化学特点与潜在的粉尘源区的地球化学特点之间的异同，给出一个合乎逻辑的定性判断[1]。
理论上，任何一个黄土粉尘堆积剖面，仅仅是其风沙-粉尘堆积体系的一个节点，距离物源地远近不同，各元素含量(元素比值)也存在差异[6~8]，其地球化学信息仅仅体现了物源地的部分信息。因此，用这种体系内的一个或几个剖面，不考虑这些剖面对于源区地球化学特点的代表性，而基于其元素地球化学的分析寻找粉尘源区的做法在理论上是有一定缺陷的。
在赣北长江南岸一带，从湖口到彭泽，散布着一系列风成沙山[9~10]，与洞庭湖的君山、武汉的青山、南昌的厚田与鄱阳湖星子、都昌的沙山成因一致，均为冬季风近地面气流的近源搬运堆积产物[9, 11]，是区域风沙-粉尘堆积的一个端元[12~16]。已有年代数据显示，沙山是深海氧同位素(MIS)5d阶段晚期到全新世早期(90~10 ka B.P.)的产物[14]，这与区域黄土沉积的年代序列基本一致[13, 17~19]，揭示黄土堆积是沙山下风方向细颗粒衍生物[10]。虽然有研究认为，这些传统上可被称为下蜀黄土[20~21]的堆积，可能与晚第四纪黄土南侵有关[21]。但从沙山下风方向逐渐向南，在100 km的地理范围内沙黄土-黄土-粘黄土的渐次演替，揭示这是末次冰期区域风沙-粉尘堆积体系的产物，物源地为长江、赣江和鄱阳湖的河谷漫滩[14~15]；并基于地貌、地层及粒度、常量元素等已经证实沿江湖口-彭泽一线到都昌一带末次冰期前后风沙-粉尘堆积体系的存在[13~16]。这类物源、风向均较为单一的区域风沙-风尘堆积体系，在北美的局部区域也有过报道[6~7]，对于揭示区域古风场变化，具有重要意义。本研究基于已论证的赣北鄱阳湖从芙蓉到周溪的风沙-粉尘堆积体系(图 1)，大致沿冬季风方向设置一断面，沿此断面从北而南采集9个黄土粉尘堆积剖面，分别进行了常量、微量元素地球化学统计分析，多维度地阐述了该风沙-粉尘堆积体系元素地球化学的分选、分异特征，据此分析了传统上基于元素地球化学的黄土粉尘示踪可能存在的弱点和缺陷，尝试提出了一种基于元素地球化学的黄土物源示踪的新思路。
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图 1 中国黄土分布(a)和本文研究区及采样断面地理位置(b) Fig. 1 Map of Chinese loess(a) and locations(b) of study areas and Furong-Zhouxi(D-D)transection in this text |
本研究涉及的芙蓉-周溪的风沙-粉尘堆积体系位于赣北鄱阳湖东北缘(图 1)。该区位于扬子板块中部、秦岭-大别山造山带东南部，基岩以元古宇变质岩和白垩纪砂岩、砂砾岩为主[22]。北部紧邻长江，为较为宽阔的长江河谷平原，南部为怀玉山脉西北缘，以岗地丘陵地貌为主，再往南则进入鄱阳湖濒湖平原。该区地处中亚热带，受东亚季风环流的影响，季风气候显著，冬半年(10月到次年3月)盛行偏北风，强风暴天气时有发生，风力在东亚同纬度是最高的[23]；多年均温在12.4~16.0 ℃之间，降水量为1340~1800 mm/a，现代植被以常绿阔叶林为主。
从最北端的长江南岸芙蓉镇到鄱阳湖湖滨的周溪镇(简称D-D断面)布置的9个剖面(图 1b)，分别命名为D-D-01~09(图 1b)。本断面延伸方向大致与区域冬季风风向一致。每个剖面的黄土层颜色大致从长江河滨的灰黄色(7.5YR6/ 4)到鄱阳湖滨的黄棕色(10YR7/ 4)，最南端的两个剖面D-D-08、D-D-09具有偏红棕色特点，但与下伏红土(或网纹红土)层具有显著的区别[15]。所有样品在采样过程中均根据剖面实际厚度大致等间距采集，共采集样品41个，各剖面详细情况如下[15]：
D-D-01剖面(29°50′29.6″N，116°24′53.43″E)，位于芙蓉王家湾村东侧100 m处的岗丘上，剖面厚约15 m，黄土层厚14.5 m，采集样品5个。0~0.5 m为中细砂，植物根系发育，为现代土壤层；0.5~1.2 m，为灰黄色砂质粉砂；1.2~15.0 m，灰色-灰黄、浅黄色含粘土或粘土质粉砂；4 m以下的地层偶见发育铁锰胶膜，团块状结构。
D-D-02剖面(29°48′47.86″N，116°25′04.00″E)，位于定山立新村西100 m处道边土丘上，距现代长江约10.3 km，剖面厚约7 m，黄土层厚5 m，采集样品5个。0~0.2 m，为现代土壤层，植物根系较发育；0.20~2.25 m为灰色粘土质粉砂；2.25~5.00 m为灰色、浅灰棕色粘土质粉砂，含少量铁锰胶膜；之下为红土，可见稀疏网纹，网纹为白色或黄白色。
D-D-03剖面(29°43′29.6″N，116°24′53.43″E)，位于定山王新村南150 m处马路旁，距现代长江约18.2 km，剖面厚6.3 m，黄土层厚6.0 m，采集样品5个。0~0.3 m，为现代土壤层，灰褐色；0.3~2.2 m，为灰黄-浅棕色粘土质粉砂，偶见铁锰胶膜，质地粘重，垂直节理发育；2.2 m以下，为浅棕、浅黄棕色粘土质粉砂，垂直节理发育，棱块状，质地粘重，铁锰胶膜较为发育。
D-D-04剖面(29°38′00.47″N，116°25′16.02″E)，位于天虹镇大港周村村西的山丘上，距现代长江约28.1 km，剖面出露约22.5 m，黄土层厚16 m，采集样品6个。顶部0~10.8 m为3层棕红色粘土质粉砂夹2层浅黄棕色、灰黄色粘土质粉砂，前者似为古土壤层；其下为浅黄棕色、浅灰黄色粉砂质粘土或粘土质粉砂，质地均一，垂直节理较发育。整个剖面，顶部3~4 m较为疏松，中、下部较为致密、粘重，局部含较丰富的铁锰胶膜，中部以下均可见灰白、灰黄色网纹发育。底部为网纹红土，网纹粗大而密集。
D-D-05剖面(29°35′05.93″N，116°26′11.88″E)，位于大港镇王弛里村南侧道边，距现代长江约36.3 km，为公路修建开挖而成；剖面出露约4.1 m，黄土层厚3.8 m，采集样品4个。0~0.4 m为人工扰动层；之下为浅黄棕色、浅灰黄色粘土质粉砂，偶见铁锰胶膜。
D-D-06剖面(29°30′42.73″N，116°29′14.52″E)，位于大港镇潘家村土塘水河二级阶地上，距现代长江约43.3 km。剖面出露约3.8 m，黄土层厚2.5 m，采集样品4个。0~0.3 m为现代土壤，植物根系发达；0.3~2.8 m为浅黄棕、黄色粉砂粘土，上部较为疏松，中下部铁锰胶膜较发育，垂直节理发育，棱块状；2.8 m以下为弱网纹红土和网纹红土。
D-D-07剖面(29°25′48.34″N，116°31′43.94″E)，位于土塘镇镇西砖厂，距现代长江约53.1 km；剖面出露约7.6 m，黄土层厚2.5 m，采集样品3个。0~0.25 m为现代土壤层；0.25~1.30 m为黄棕色粉砂粘土，较为疏松；1.3~2.5 m为黄棕色-棕色粉砂粘土，铁锰胶膜发育；2.5 m以下为网纹红土。
D-D-08剖面(29°18′14.42″N，116°24′44.28″E)，位于三汊港镇珠光村南200 m处的路边，距现代长江约65 km；剖面出露约2.1 m，黄土层厚1.0 m，采集样品3个。顶部0.2 m为现代土壤；0.2~0.6 m为棕色粉砂质粘土；0.6~1.2 m为棕黄色粉砂质粘土，之下为网纹红土层。
D-D-09剖面(29°15′42.47″N，116°24′27.42″E)，位于周溪镇下湖村南侧道边，距现代长江约76 km；剖面出露约2.4 m，黄土层厚1.0 m，采集样品6个。0~0.3 m为现代土壤层；0.3~1.3 m为黄棕色粉砂粘土；1.3~2.4 m为红色砂砾质粘土，坡积物；其下为紫红色砂质页岩。
总体而言，本断面的黄土是现代土壤的母质，它覆盖在红土(包括网纹红土)之上[15~16]，呈并现出北部较厚(4.0~16.0 m)、南部较薄(1.0~2.5 m)的分布趋势[16]。
2.2 元素测试所有样品均选择＜20 μm碎屑颗粒进行常量和微量元素测试[24~26]。利用该组分进行黄土元素地球化学的分析，一是可以较为有效地降低元素的粒度效应；二是考虑到也只有这个组分的黄土粉尘才有可能做长距离搬运[3, 5, 27~28]，如果有远源组分，可以尝试识别；另外，考虑到未来可能的区域或全球风沙-粉尘堆积体系的对比，本文选择黄土研究中较为广泛采用的＜20 μm碎屑颗粒进行元素地球化学分析。＜20 μm碎屑颗粒由沉降法提取，样品提取后，用1 mol/L的稀盐酸酸洗4 h，以去除碳酸盐[27]。
样品常量元素测试在江西师范大学理化测试中心完成，所用仪器为德国S4PINOEER X射线荧光光谱仪，测试输出结果运用Evaluation程序评估并归一化；前处理过程详见龙进等[16]。仪器重复测试的结果，除Mn(相对误差6 %)之外相对误差均小于5 % [13]。微量元素测试在中国科学院青藏高原研究所完成，所用仪器为ICP- MS(ThermoX-7 series)质谱仪。消解遵循Zhang等[29]改进的Liang等[30]的高温酸解程序。
不论是常量元素还是微量元素测试，实验过程中，每20个样品，加一标样(国家标准物质：GBW 07426)、平行样和空白样(只对微量元素而言)，分成两组，用以检验实验本底的高低、实验的稳定性和测试精度。所用试剂均为优级纯，所用容器均经过10 %的HNO3溶液、5 ‰的EDTA溶液于60 ℃水浴煮3 h以上清洗后使用。
3 研究结果常量元素测试结果显示，归一化后，Na、Ca元素的相对误差平均值分别为5.2 %和1.0 %，Fe、K、Si、Al、Mg等元素误差均小于2 %，重复测试误差基本小于3 %，标样的实测值与理论值的相对误差，介于5 % ~10 %。微量元素测试，Be、V、Y及部分重稀土元素(Tb-Tm)误差在10 % ~15 %之间，其他元素则介于0 ~8 %；与平行样对比，相对误差均小于5 %；标样的各元素相对误差均小于8 %，空白样测试值一般是正常样品测试值的3 % ~5 %，甚至为零值。
3.1 元素的富集与淋溶特点相对于上陆壳(UCC[31])，D-D断面的9个剖面常量元素表现出较为一致的配分特征(图 2a)。其中SiO2 (64.2 % ~66.05 %)、Al2O3 (13.4 % ~17.0 %)、Fe2O3 (4.2 % ~5.8 %)与UCC接近[31]，MgO(0.5 % ~1.4 %)、CaO(0.02 % ~1.02 %)、K2O(1.5 % ~2.5 %)、P2O5 (0.05 % ~0.24 %)、Na2O(0.09 % ~1.37 %)相对于UCC亏损，而TiO2 (0.8 % ~1.1 %)、MnO(0.04 % ~0.10 %)则相对富集。MgO、CaO、K2O、Na2O等4种碱金属、碱土金属亏损，表明芙蓉-周溪断面的黄土经历了中度脱盐基作用，化学风化中等偏强[16]，这与其平均化学蚀变指数(CIA=Al2O3/(Al2O3+Na2O+K2O+CaO *)×100，其中CaO *为非碳酸盐CaO含量)为77.8的结果一致。另外，从D-D-01到D-D-09，这4种碱金属和碱土金属(Na2O、K2O、CaO和MgO)亏损程度逐渐增大，而相对富集的TiO2、Al2O3、Fe2O3等元素，其富集程度逐渐增强。
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图 2 芙蓉-周溪(D-D)断面黄土＜20 μm颗粒粒级常量元素、微量元素UCC标准化模式图 Fig. 2 The UCC normalized curve of major and trace elements in the < 20 μm fraction of loess from Furong-Zhouxi(D-D)transect |
与常量元素相似，微量元素在断面上也同样表现出一致的配分特征(图 2b)。相对于上陆壳(UCC)[31]，Be(0.83~1.45 mg/kg)、Co(0.58~2.15 mg/kg)、Sr(35.31~126.65 mg/kg)、Tl(0.41~0.50 mg/kg)、Pb(3.94~7.75 mg/kg)、Bi(0.01~0.05 mg/kg)显著亏损；Sc(8.12~10.65 mg/kg)、V(66.22~77.77 mg/kg)、Ga(9.33~15.45 mg/kg)、Rb(82.36~108.65 mg/kg)、Ba(292.28~510.63 mg/kg)、轻稀土元素(La-Eu)(69.56~110.76 mg/kg)、Th(7.09~9.16 mg/kg)轻度亏损；而Zr(389.67~506.85 mg/kg)、Nb(19.27~26.43 mg/kg)、Hf(9.28~12.08 mg/kg)、Ta(1.41~1.86 mg/kg)及Li(18.16~45.05 mg/kg)明显富集；Y(23.40~29.94 mg/kg)与重稀土元素(Dy~Lu)轻微富集；Tb(0.54~0.61 mg/kg)、U(2.70~3.52 mg/kg)与上陆壳(UCC)近似[31]。总体而言，相对于UCC亏损的元素，从D-D-01剖面到D-D-09剖面(由北而南)，亏损程度会逐渐加剧，而相对于UCC富集的元素，富集程度则逐渐增强。
由于鄱阳湖地区处在中亚热带，降水多、温度高，化学风化较为强烈，表生过程中活动性较强的化学元素，淋失较为强烈[16]。从北而南，本研究断面延伸距离虽然仅为80 km，降水和温度没有明显差异。但由于本断面属于物源地为长江的末次冰期粉尘堆积体系，在这个体系中，黄土粉尘堆积从北向南，沉积速率逐渐减小，沉积厚度逐渐变薄[15]。较高的粉尘沉积速率可使沉积过程中土壤的风化淋溶速度降低[6]，同时加厚的上层土壤，有利于下层土壤脱离风化壳，从而可有效降低下层土壤的风化速率[32]；这两种因素，均可使芙蓉-周溪断面南端的黄土经历的风化淋溶程度高于北端的黄土。这种差异性风化，也许是表生过程中相对活泼的元素，如Na、Sr、Ca、Mg等亏损，而表生过程中相对稳定的元素，如Al、Ti、Zr、Nb、Lu、Hf、Ta等则因活泼元素物质淋失而相对浓缩富集的部分原因。
另外，风力搬运过程中造成的对矿屑和岩屑的分选，也会间接影响元素在断面上的分布差异。这种影响，通过风洞试验已经得到了初步的验证[33]。Wang等[33]的风洞试验认为，在风的搬运过程中，元素Cu、As、Pb、Mn、Zn、Al、Ca、Fe、Ga、K、Mg、P、Rb、Co、Cr、Na、Nb、Si、Zr等均表现出显著的分选特点；在相同采样点位上，元素Cr、Ga、Sr、Ca、Y、Nd、Zr、Nb、Ba和Al，以及Zr/Al、Zr/Rb、K/Ca、Sr/Ca、Rb/Sr、Ca/Al比值与风速均存在显著相关。Muhs和Bettis[6]曾将风沙-粉尘堆积体系内从上风向到下风向的元素(例如Al和Fe)变化归因于粘土矿物的增加，因为粘土矿物具有较强的吸附能力，其含量的高低决定某些元素的含量高低。风沙-粉尘堆积体系内从上风向到下风向粘土含量逐渐增高是普遍的现象[6, 34~35]，芙蓉-周溪体系也表现出这种特点。而另外一些元素，在断面上的分布差异，可能还是因为粒度效应所引起的，例如Zr和Ti，前者在粗粉砂(20~50 μm)中较为富集，后者在细粉砂(2~20 μm)较为富集；粉尘堆积体系中，从上风向到下风向，粗粉砂逐渐减少，而粘土和细粉砂则逐渐增加，这无疑会影响相应元素的分布[6]。除此之外，是不是还有其他的原因影响元素的系统分布特征，尚待进一步探究[36]。
本文基于各剖面常量元素、微量元素与上陆壳(UCC)地球化学元素之间富集和亏损程度，将涉及的元素大致归为三类：稳定元素、次稳定元素和不稳定元素。稳定元素包括Al、Fe、Ti、Mn、Li、Y、Zr、Nb、重稀土元素(Dy-Lu)、Hf、Ta、U，它们在风化过程中出现较为强烈的富集，丰度一般接近或大于上陆壳(UCC)(其中，Al、Ti、Zr、Nb、Lu、Hf、Ta等最为典型，且常作为元素地球化学物源示踪指示[27, 37])；不稳定元素包括Mg、Ca、Na、P、Be、Co、Sr、Tl、Pb与Bi，在断面上强烈淋失，丰度往往不及UCC的一半；介于二者之间的，可称为次稳定元素，包括K、Sc、V、Ga、Rb、Ba、轻稀土元素(La-Tb)及Th。下文按照这个分类，对元素在断面上的变化展开进一步论述。
3.2 元素含量及其比值随距离长江河谷远近的变化为考察断面上黄土沉积与潜在物源区(长江河谷)之间的关系，本文沿断面方向量算了各个剖面与长江河谷(现代长江主航道)之间的距离，拟合了各剖面元素含量及相关元素对与距离长江河谷的函数关系。以拟合系数(R2)(拟合函数的信息解释量)的大小为依据，选取最佳拟合函数，结果如图 3所示：稳定元素，不论是常量元素(图 3f和3m)还是微量元素(图 3e和3n)，随着与长江河谷距离的增加而增加，为线性变化；不稳定元素，不论是常量元素(图 3b)还是微量元素(图 3a)，往往随着与长江河谷距离的增加而减少，大多数为线性变化，少数为指数或对数变化；而次稳定元素(图 3c和3d)，介于稳定与不稳定元素之间，变化形式较为复杂，既有增加也有减小，有线性也有指数或对数形式。相关的元素对，不稳定元素/次稳定元素(图 3g和3h)、不稳定元素/稳定元素(图 3i和3j)、次稳定元素/稳定元素(图 3k和3l)，主要表现为远离长江河谷而降低的特征(但也存在例外，如Co/Ga(图 3h))。稳定元素对(图 3o~3r)(以最为典型的Al2O3、 TiO2、ZrO2、Nb、Lu、Hf、Ta稳定元素为例)包括了Al2O3/TiO2、Ti/Zr、Ti/Nb、Ti/Lu、Ti/Hf、Ti/Ta、Zr/Nb、Zr/Lu、Zr/Hf、Zr/Ta、Nb/Lu、Nb/Hf、Nb/Ta、Lu/Hf、Lu/Ta、Hf/Ta，有的是线性变化，有的为指数或对数形式变化，且或增或减，变化多样(图 3)。
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图 3 D-D断面 < 20 μm碎屑颗粒组分元素含量及其与长江河谷距离(km)之间关系图 常量元素(如Mg、K、Ti、Al等)计量单位均为wt %，微量元素为mg/kg Fig. 3 Elements content of < 20 μm fraction of loess deposit of D-D transection as a function of distance south of Yangtze River valley(noting: the unit of measurement of macroelements(such as Mg, K, Ti and Al)is wt %, microelement mg/kg) |
由上文分析可知，从上风向到下风向，不稳定元素含量的逐渐减小，不稳定元素/次稳定元素、次稳定元素/稳定元素比值的逐渐减小趋势，应与相应元素在表生过程中的差异性淋溶及由北而南逐渐增强的风化程度有关。而随着风化淋溶的增强，易淋溶的元素的淋失，滞留在原地的稳定元素浓度会相对增加。这是风化淋溶对本断面元素分布的影响，对不稳定元素和次稳定元素是直接的，对稳定元素是间接的。
稳定元素，遭受风化后，其矿质形态可能发生了变化，但基本上滞留在原地不被淋失出风化壳，它们指示了黄土母质原始化学组成的某些特点，特别是相关元素对，保留了原岩组成的大部分特点[32, 38~39]，基本上不受风化淋溶的影响，广泛地应用于物源示踪[39~43]。它们在芙蓉-周溪体系中的变化，从上风向到下风向，或增或减，或线性或对数形式的变化，中间虽有波动，但总体体现了某种趋势性的增或减的特点，是单调变化，指示了风沙-粉尘堆积体系稳定矿质元素分布的特点。
3.3 稳定元素对散点图变化特征对上述16个稳定元素对进行无差别组合(一般是常量元素-常量元素，微量元素-微量元素)，得到若干二维和三维散点图(图 4和5)。在散点图中，以各剖面相对长江河谷的位置为依据，大致勾画了各剖面各种元素对投影点远离长江河谷的变化特征：为一条有趋势(或方向)的平滑直线或者曲线。图 4和5指示，由于稳定元素对呈现远离潜在物源区长江河谷的线性或对数型式的逐渐减小或增大的趋势，皆是单调变化，其二维和三维散点图，也呈规律性的趋势变化：随着远离潜在物源地长江河谷，各剖面散点投影具有依次变化的特点，从而使整个断面的散点投影，呈现单向变化；所拟合的线型，有的是直线也有曲线，不论是直线还是曲线，都是稳定的单向延伸。而不论是在二维还是三维图中，曲线线型反映某些元素比值具有在远离长江河谷方向上(从北而南)的某种程度的收敛(也就是指数或对数变化)，分异程度逐渐降低；直线则相反，指示了元素的分异没有变化。这体现了上文所说的在远离潜在物源地长江河谷的过程中，元素表现出的不同的分选、分异特点与规律。
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图 4 典型稳定元素对二维散点图变化特征 图中箭头指向远离长江河谷的方向，箭头线为拟合线 Fig. 4 Two-dimensional scatter plots of stable elements ratios. The fitted lines with arrow represent the direction away from the Yangtze River Valley |
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图 5 典型稳定元素对三维散点图变化特征 图中箭头线指向远离长江河谷的方向线，并不是拟合线 Fig. 5 Three-dimensional scatter plots of stable elements ratios. The arrow represents the direction away from the Yangtze River Valley |
基于地球化学元素进行物源示踪，是物源示踪最普遍也是最通用的方法之一，尤其对黄土粉尘物源示踪，有许多卓有成效的研究成果[1, 3~5, 27~28, 40~41]。这项工作的思路，通常是基于全元素谱、二维或者三维散点图中各端元投影[27~28]，通过分析待定物源地(即潜在物源地)和几个待定来源的黄土剖面的地球化学的相近或者相似程度(也就是投影区域的相对远近)，给出一个合乎逻辑的定性判断[27, 37, 43]。
芙蓉-周溪带这个风沙-粉尘堆积体系中小于20 μm的碎屑颗粒中稳定元素含量或(和)元素对分布特征表明，粉尘堆积的地球化学元素从上风向到下风向的每个节点剖面上都是逐渐变化的，且变化幅度比较大。以元素对(元素比值)为例，Zr/Nb、Zr/Ta、Nb/Hf和Al2O3/ZrO2等在体系内9个剖面之间的变化幅度，最大可达42 %、32 %、38 %和31 %。这样大的变化幅度，使我们难以确定究竟哪个节点剖面最能代表粉尘源区地球化学信息？地球化学元素在粉尘堆积体系中从上风向到下风向的节点剖面上的逐渐变化，这个特点揭示，一个粉尘堆积体系元素地球化学的二维或者三维的散点投影，是一条有方向的曲线、直线或者一个有方向的带状区域，如图 6中E所示。
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图 6 风沙-粉尘堆积体系及其潜在源区元素地球化学散点投影特点及物源示踪简单图解 A、B处在体系的带状轨迹上，虽然相距较远，但属于同一风沙-粉尘堆积体系，潜在物源区一致；而C不在体系的带状轨迹上，A、C虽然相距较近，但潜在物源地不一致；E为物源地，与A、B相距较远，但是它们处于粉尘堆积体系的带状轨迹上，E为A、B的潜在物源地；D不在体系的带状轨迹上，虽然与E较为接近，但E不是的D潜在物源地 Fig. 6 Simple diagram of element geochemistry provenance tracing of loess deposits based on the plotting relationship of sand-dust accumulation cell and its potential source area: area A and area B lying at the zone of cell plotting, though far apart, belong to the same sand-dust accumulation cell, so their potential source area is consistent; on the contrary, though area A and area C are closer to each other, area C is just right off the zone of cell plotting, their potential content sources are different; area E which is the potential source of the sand-dust accumulation cell is far away from A and B, but they all lying at the plotting belt track of the accumulation cell and E is the potential source of A and B; area D also right off the zone of cell plotting, although closer to E, E is not the potential source area of D |
风沙-粉尘堆积体系中元素地球化学的这种变化特点，在以前的一些研究中其实已经有所涉及。Muhs等[6~8, 34, 44]在北美的大河流域、Eden等[24]中国的黄土高原均曾揭示过这种特点与现象，但也许受材料所限或者针对的是其他研究目的，没有对粉尘堆积体系中的这种元素分布特点的意义做进一步探究。
本文认为，比照粉尘堆积体系中元素地球化学的上述变化特点，传统上黄土粉尘示踪研究中那些由投影点所勾勒的不规则的区域(或近似圆形/椭圆形或其他不规则形状)，可能仅仅是风沙-粉尘堆积体系带状轨迹局部放大的结果。在这个带状区域中，每一个节点剖面的投影，都勾勒出一个小区域，如果它们处在同一粉尘堆积体系中不同位置(上风向或下风向)上，且距离较远，它们的散点投影，相互之间的距离就较远，如图 6中的A与B，反之则较近。不论是远还是近，它们均处于体系的带状轨迹上，结合它们的地理、地貌分布与可能的风场信息，就可对它们物源的一致性做出合乎逻辑的判断。相反，如果仅仅是依照投影区域距离的相对远近，可能会得出完全不同的结论。
通过考察Muhs等[6~8, 34, 44~45]在北美所做的区域粉尘堆积的一些工作中关于区域粉尘堆积体系及其潜在物源区的元素地球化学信息，结合本文的研究结果，我们认为，粉尘堆积体系中的任何一个节点剖面的元素地球化学特征，都是对源区地球化学信息分选、分异的结果，仅仅是源区地球化学信息的一个组成部分，而不是源区地球化学的真实反映；不难推知，粉尘堆积体系及其潜在物源区的元素地球化学的投影关系大致如图 6所示：潜在源区E应该是粉尘堆积体系散点投影带状区域或者其附近的一个局部区域。它与上风向(如A所示)和下风向(如B所示)上黄土粉尘的端元投影区域距离相对较远，如果按照传统上距离的远近进行判断，二者的源区与所涉及的潜在源区就不是一个区域。这可能是传统上通过考察元素地球化学散点投影而进行黄土粉尘物源示踪研究存在诸多不确定的原因之一。
因此，基于风沙-粉尘堆积体系元素地球化学特点及其与其潜在物源区的关系而言，传统上基于元素地球化学进行散点投影，通过比较投影区的距离的相对远近关系，而开展黄土物源示踪，理论上可能是有缺陷的。
在芙蓉-周溪体系中，7种常用的示踪元素(Al2O3、Ti2 O3(Ti)、ZrO2(Zr)、Nb、Lu、Hf、Ta)及其元素对(Al2O3/TiO2、Ti/Zr、Ti/Nb、Ti/Lu、Ti/Hf、Ti/Ta、Zr/Nb、Zr/Lu、Zr/Hf、Zr/Ta、Nb/Lu、Nb/Hf、Nb/Ta、Lu/Hf、Lu/Ta、Hf/Ta)从多种维度上均表现出显著的系统性变化特征(图 3~5)，也就是能拟合出众多有方向的直线或曲线，是对源区地球化学的分选、分异的直接指示。本文基于赣北芙蓉-周溪一带的风沙-粉尘堆积体系揭示了粉尘堆积体系的这种特点，其他粉尘堆积体系的元素分选与分异，是不是具有同样的特征，或者它们具有自身的特征，或者具有某些共性，有待进一步探讨。但它初步揭示，黄土粉尘堆积具有体系性特征；在黄土粉尘的物源示踪中，如果能通过系统采样获得待示踪粉尘堆积的元素分选、分异特征，针对粉尘堆积体系元素地球化学分选、分异的体系特征进行研究，开展黄土物源示踪，是基于元素地球化学进行黄土粉尘示踪研究一个可能的新思路，值得进一步探索和验证。
5 结论对形成于末次冰期的赣北芙蓉-周溪一带的风沙-粉尘堆积体系中近南北向的D-D断面上9个剖面的黄土沉积物 < 20 μm的碎屑颗粒中的地球化学元素统计分析表明，同一粉尘堆积体系的不同部位(上风区或下风区)，其元素地球化学组成是变化的。表生作用过程中，不稳定元素和次稳定元素的变化，可能受控于粉尘堆积速率的大小和粉尘堆积的厚薄所引起的差异性风化，而稳定元素尤其是其元素对的变化，则可能与从上风向到下风向粘土和细粉砂颗粒的含量增加(也就是颗粒效应)有关。稳定元素对从上风向到下风向，或增或减，其变化幅度可达31 % ~42 %；其变化型式，或为对数型或为线型，单均为单调变化；这指示，在二维或三维散点投影中风沙—粉尘堆积体系的稳定元素对投影轨迹，是一个有方向的线状或者带状区域。
这揭示传统上基于元素地球化学的黄土粉尘物源示踪，通过判断投影区域的远近而进行示踪分析，在理论上有一定缺陷。研究基于风沙-粉尘堆积体系的稳定元素对投影轨迹的特点及其与推算的潜在物源区的元素地球化学投影特点，初步提出了基于元素地球化学进行黄土物源示踪新的可能思路，即通过风沙-粉尘堆积体系的投影特点及方向来判断各投影区的关系，而非基于各投影区的远近；这种思路和方法，需要在未来的研究中进一步验证和探究。
致谢: 衷心感谢审稿专家和编辑部老师对本文的细心审阅和提出的宝贵修改意见；构思写作中得到了中国科学院南京地理与湖泊研究所姚书春副研究员的帮助和指导。
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Zhang Zhi1,
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2 College of Tourism, Environmental Resource, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160, Shandong;
3 State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Science, Nanjing 210008, Jiangsu;
4 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049)
Abstract
Enrichment states of elements in various size particles are different. Therefore, theoretically, the process of entrainment transportation and accumulation of aeolian particles in which lithic and ore fragments of different particles are sorted by wind and settled successively at various landforms is the sorting and separating process of geochemical elements to some extent. Therefore, the element geochemistry research of loess provenance tracing by comparing element geochemistry of few loess sections which does not have a strict representation of loess source remains much uncertainty.Furong-Zhouxi aeolian sand-dust deposital cell formed during the last glacial period (90~10 ka B.P.) in the Poyang Lake area in the central subtropical region of East Asia presents a thining loess stratigraphy of distance south of the Yangtze River from 4~16 m thick in Furong Town upwind to 1.0~2.5 m thick in Zhouxi Town downward. Nine sections were sampled along Furong-Zhouxi transection, 41 loess samples were obtained to measure geochemistry elements by XRF (major elements) and ICP-MS (minor elements) methods.Based on multi-dimensional statistical analysis of the major and minor elements of this deposital cell, it is found that the geochemical elements and their pairs have systematic sorting and differentiation characteristics. Undoubtedly, at pedogenic process weathering and leaching of mobile elements including Mg, Ca, Na, P, Be, Co, Sr, Tl, Pb and Bi, and unstable elements K, Sc, V, Ga, Rb, Ba, Th and light rare earth elements (La-Tb) significantly impacted their geochemistry composition and distribution at this cell, whereas stable elements including Al, Fe, Ti, Mn, Li, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, U and heavy rare earth elements (Dy-Lu) probably mainly indicated the systematic sorting and differentiating characteristics of lithic and ore fragments particles at this cell.Stable elements, such as Al, Ti, Zr, Nb, Lu, Hf, Ta and their pairs show linear, exponential, logarithmic function of distance south of the potential source area-the Yangtze River channel with relative variation of 31%~42% in this cell; and the projected track of loess samples in two-dimensional or three-dimensional scatter diagrams is a directional line or belt. This kind of monotonous changing of the element geochemistry in this aeolian deposital cell suggests that the traditional method of provenance tracing based on element geochemistry exhibit certain theoretical defects by judging the distance of plotting areas. This paper preliminarily advises that the method of single section as element tracer would necessarily be avoided in future work, and systematic sampling should be carried out according to the geographical distribution of aeolian accumulational cell, then by revealing the systematic characteristics of element geochemistry of aeolian accumulational cell to implement provenance tracing on geochemical elements.