2020, Vol.40
网纹红土常见于长江中下游及其以南地区的海拔500 m以下的高阶地、岗地、盆地边缘的低缓丘陵和山麓地带。网纹红土属于南方第四纪红土的重要组成部分，通常出现在第四纪红土剖面中下部，其上覆有均质红土或黄棕色土，网纹层常被看作中更新世标准地层[1~3]，北亚热带地区称柏山组，长江中下游地区称之江组，华南一带则对应于雷琼地区湛江组。解译网纹红土形成环境，是中国南方红土区古环境研究的重要内容。
网纹红土的醒目地质特征是暖色调的红紫色粘土中镶嵌大量呈斑点、蠕虫、枝杈、条管等形态的不规则浅色斑纹，显白、灰白、灰黄等色(图 1)，被称为网纹构造。广泛调查表明，网纹可以直接发育在基岩或基岩风化物中，形成残积型网纹红土；也可以发育在各类沉积物上，形成沉积型网纹红土。根据沉积相及其母质特征可将沉积型网纹红土分为风积、冲洪积、坡积、泥流堆积等类型[4~7]，或属均质型，或属非均质型[8]。有关网纹成因学术界有多种说法：如地下水位上下移动、植物根系穿插、局部酸度差异、差别风化等[9~13]，但机理及形成环境尚不清晰。进一步开展网纹层红基质与白网纹的物质组成及理化性质异同分析，在此基础上探讨网纹化机理及网纹红土形成环境显得十分必要。赣北九江地区是第四纪红土的主要沉积区，前人围绕九江红土的成因、物质来源、地层序列及形成年代、风化特征及古环境记录开展了大量研究，如赣北红土在粒度组成、石英颗粒表面形态、Sm-Nd同位素和稳定元素地球化学示踪等方面一致显示风成特性[4, 14~18]，早期一些研究认为赣北红土与北方黄土之间存在物质继承关系[19~21]，但物源研究的最新进展揭示，九江红土的物源主要来自长江、赣江、鄱阳湖区的河湖沉积物[16~17]。典型剖面的地层序列、年代学框架、古环境记录研究则表明，九江地区网纹红土的形成年代早于1.23 Ma B. P.，均质红土形成0.4~0.1 Ma B. P.，黄棕色土形成0.1 Ma B. P.以来[22~24]；植硅体[22, 25]、孢粉[25]、地球化学[15~17, 26~27]、粘土矿物组成[27~29]沿剖面自下而上的变化也一致表明该地区中更新世以来古气候逐渐由湿热转向干凉。特别是网纹红土形成环境的讨论备受关注，普遍认为网纹红土形成于夏季风异常强盛的湿热环境[13, 30]。然而网纹形成机理的讨论尚有不足。本文以庐山北麓JL剖面网纹红土层段为例，对采集的样品进行红、白网纹分离，并在此基础上开展理化特征对比，探讨网纹化过程及网纹红土形成环境。为便于讨论，下文中将红紫色调的粘土称为红基质，将镶嵌其中的浅色斑纹称为白网纹。
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图 1 网纹红土及不规则网纹形态 Fig. 1 Reticular red soil and irregular white clay |
JL剖面位于江西省九江市庐山北麓(图 2a)，地理坐标29°42′N，116°02′E，垂直厚度18.46 m。剖面质地均一，未见流水作用痕迹。中下部(4.46~18.46 m)为厚达14 m的网纹红土，上覆4.46 m厚(0~4.46 m)的黄棕色土。共分8个岩性单元，其中①~⑤层段为网纹红土(图 2b)。基于前人对该剖面的ESR测年结果和年代框架(见图 2b)，网纹红土的形成始于早更新世，弱网纹黄棕色土和黄棕色土则形成于中更新世中晚期[20]。
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图 2 JL剖面地理位置、地层单元(a)及ESR测年结果(b)[16] Fig. 2 The location, lithostratigraphy(a)and ESR dating results(b)in JL profile[16] |
剖面上部⑥~⑧层段(0~4.46 m)为黄棕色土，其中第⑧层(0~1.20 m)为黄土，亮黄棕(10YR 6/ 6或10YR 6/ 8)至浊黄橙(10YR 6/ 4或10YR 7/ 4)，质地均一，粉质土，较疏松，含现代植物根系；第⑦层(1.20~3.16 m)为古土壤，亮黄棕(10YR 6/ 8或10YR 7/ 6)至橙(7.5YR 6/ 6或7.5YR 6/ 8)，粉质亚粘土，层内发育黑色胶膜，并见0.5~1.5 mm粒径的黑褐色球状铁锰结核；第⑥层(3.16~4.46 m)为黄棕色土，亮黄棕(10YR 6/ 6或10YR 6/ 8)至浊黄橙(10YR 7/ 4或10YR 7/ 6)，质地均一，粉质土，垂直裂隙发育，含黑色锰胶膜，底部见黄褐色不规则铁锰结核，颗粒长轴多2~4 mm。
剖面中下部①~⑤层段(4.46~18.46 m)为网纹红土，基质色为红棕、紫红、紫褐等暖色调，斑纹色呈白、灰白、灰黄等浅色调，质地均一，粉质粘土。层段内基质色、斑纹色、网纹形态等存在一定差异。其中第⑤层(4.46~6.98 m)橙色(7.5YR 6/ 6或7.5YR 6/ 8)，基质棕红色，斑纹黄白或浅黄色，呈斑点或细管状，土体棱块状，含片状、微层状黑色胶膜，4.58~4.70 m处铁锰结核富集，黑褐色，球状，粒径1~4 mm；第④层(6.98~7.48 m)橙色(7.5YR 6/ 8或5YR 6/ 8)，基质紫红色，粘重紧实，斑纹白或浅黄色，呈密集斑点状，层内见大量黑色胶膜；第③层(7.48~9.18 m)橙色(5YR 6/ 8或2.5YR 6/ 8)，基质棕红色，粘重紧实，斑纹黄白，稍稀，层内仍发育黑色胶膜；第②层(9.18~10.4 m)亮红棕(5YR 5/ 8或2.5YR 5/ 8)，基质绛紫色，粘重紧实，斑纹白色，密集斑点或树枝状，棱块状土体之间充填黑色胶膜；第①层(10.4~18.46 m)亮红棕(2.5YR 5/ 8或5YR 5/ 8)或橙色(2.5YR 6/ 8，5YR 6/ 8或5YR 7/ 6，5YR 7/ 8)，基质棕红色，斑纹白色或灰白色，密集，层内亮红色铁质胶膜发育，该层上段网纹相对略稀，白色条形夹杂黄色小斑点，该层中段，白或浅黄条形网纹水平状延伸，该层下段，白色蠕虫状网纹，分布密集。
JL剖面是九江地区第四纪加积型红土的代表性剖面，前期已有大量研究成果。朱丽东[20]系统研究了该剖面红土的成因、沉积特征、风化特征、年代学和更新世以来九江地区古气候变化的阶段性；姜永见等[31]、赵西西等[32]基于粒度的分维特征和敏感粒级，探讨了该剖面经历的多次成壤环境的强弱变化；张明强等[33]揭示出该剖面记录的“中更新世转型”事件；胡忠行等[34]通过环境磁学参数的变化，认识到网纹红土强风化成土作用下不完全反铁磁性矿物的富集特征；黄颖等[16]利用JL剖面粉砂粒级元素地球化学组成探讨加积型红土物源。还有大量学者[6, 9, 25~29, 35]利用沉积学、矿物学、地球化学等手段对该地区网纹红土展开了一系列研究。这些成果为本文进一步开展网纹化过程研究奠定了基础。
1.2 研究方法选择JL剖面第①~⑤层段网纹红土全岩样品及部分红基质、白网纹样品，进行粒度、磁学参数、主微量元素、pH值、铁形态和XRD衍射等理化分析。
主量元素和部分微量元素采用X射线荧光光谱法(XRF)完成，分析仪器为PHLIPS公司生产的PW2440型X射线荧光光谱仪，主量元素分析误差 < 2 %，微量元素分析误差 < 10 %。稀土元素测定采用HCl-HNO3-HF-HClO4溶矿法溶样，20 %的王水提取，6 %的酸性介质上机测定，分析仪器为X-7ICP- MS型等离子质谱仪，分析误差 < 5 %，个别元素分析误差± 15 %。粒度测试采用英国马尔文仪器有限公司生产的Mastersize 2000激光粒度仪，测试量程0.02~2000 μm，重复测量误差 < 2 %。磁化率测试采用英国产Bartington MS2磁化率仪，非磁滞剩磁(ARM)和等温剩磁(IRM)利用D2000交变退磁仪、MMPM 10脉冲磁化仪和Minispin旋转磁力仪完成。游离铁用DCB法提取，比色法定铁。络合铁及无定型铁分别采用碱性焦磷酸钠浸提-比色法、Tamm氏法完成。< 2 μm组分的粘土矿物采用XRD粉晶衍射法完成，粘粒提取按沉降法获得。实验分析分别完成于浙江师范大学地理过程实验室、浙江师范大学物理化学研究所、江苏省地质调查院分析测试中心和泰山学院旅游学院地理实验室。
2 红基质与白网纹理化特征比较 2.1 粒度组成表 1是JL剖面4.46~18.46 m之间700个网纹红土全样、7个红基质、7个白网纹样品的粒度测试结果。就全样看，粉砂(4~63 μm)百分含量最高，达53.32 % ~77.51 %，均值为68.69 %，尤其富集10~50 μm组分，含量均值43.92 %；粘粒(< 4 μm)含量次之，介于21.47 % ~44.99 %之间，均值为30.53 %；砂(> 63 μm)含量低，平均含量0.78 %。分离出的红基质、白网纹样品粒度组成均与全样相似，且两者间差异不大，相比之下白网纹粉砂含量均值(72.56 %)略高于全样(68.69 %)，红基质粘粒含量均值(31.22 %)略高于全样(30.53 %)，即红基质样品的平均粒径(Mz)(7.13)略细于全样(7.07)，白网纹(6.89)则略粗于全样。此外，分选系数(σI)、偏态(SkI)、峰态(KG)等粒度参数也很相似，表明三类样品的颗粒分选性和混合度等高度一致，这有理由让我们相信加积型网纹红土中的网纹并非岩性或物质差异造成。
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表 1 JL剖面网纹红土层段粒度特征 Table 1 Grain size characteristics of reticular red soil in JL profile |
表 2和3是JL剖面4.46~18.46 m层段72个网纹红土全样、7个红基质、7个白网纹样品的主量元素和部分微量元素化学组成。
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表 2 JL剖面网纹红土层段主量元素组成(%)及风化参数 * Table 2 Composition of major elements(%)and weathering parameters of reticular red soil in JL profile |
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表 3 JL剖面网纹红土层段部分微量元素(μg/g)及元素比值 Table 3 Some trace elements(μg/g)and their ratios of reticular red soil in JL profile |
主量元素组成(表 2)显示，网纹红土全样以SiO2、Al2O3和Fe2O3为主，三者质量分数之和介于88.93 % ~92.68 %之间，均值90.43 %，K2O、CaO、Na2O、MgO等易溶组分含量很低，合计质量分数变化于1.61 % ~3.25 %之间，均值2.33 %，MnO和P2O5含量均值均低于0.1 %，显示了很强的淋溶风化作用，化学蚀变指数(CIA)、硅铝铁率(SiO2/R2O3)和淋溶指数(ba)均值分别为86.48 %、6.31和0.25。红基质与白网纹主量元素组成均与全样相似，SiO2、Al2O3和Fe2O3三者质量分数和分别变化于89.16 % ~91.89 %和89.70 % ~91.37 %之间，均值分别为90.41 %和90.53 %；K2O、CaO、Na2O、MgO等易溶组分含量分别介于1.68 % ~2.57 %和2.10 % ~2.76 %，均值分别为2.22 %和2.47 %；MnO和P2O5含量均值也都低于0.1 %，显示与全样一致的强风化高淋溶特征，淋溶指数分别为0.24和0.25，风化指数分别达87.22 %和85.84 %。对比红基质与白网纹主量元素组成，发现两者Fe2O3含量有较大差异，前者变化于7.06 % ~10.99 %之间，均值8.63 %，后者Fe2O3含量只有3.37 % ~6.49 %，平均含量4.30 %，前者明显高于后者，是后者的2倍；其次SiO2含量略有差异，后者均值(71.56 %)略高于全样(69.19 %)，前者均值(67.38 %)则略低于全样，从而两者的SiO2/R2O3值以白网纹偏高。然而，按UCC标准化后主量元素分布模式仍然是相似的(图 3a和3b)。所以，主元素组成上的种种差异并不指示两者物质组成或岩性上的差异，应该是同源物质经历化学风化过程中元素分馏的结果。
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图 3 网纹红土红基质与白网纹主量元素UCC标准化图 (a)红基质(red clay samples)；(b)白网纹(white clay samples) Fig. 3 UCC standardization diagram of red clay and white clay |
表 3为网纹红土Cr、Cu、Rb、Sr、Zn、Zr、B、Mo等微量元素组成。表生地球化学过程中Ti、Zr、Cr等元素相对稳定，含量较高，网纹红土全样中三者平均含量分别为6431.92 μg/g、367.88 μg/g和113.90 μg/g，白网纹Ti、Zr含量略高于全样，红基质Cr含量略高于全样，Ti/Zr比值常指示物源信息[38]，红基质、白网纹Ti/Zr比值(33.76和34.52)与网纹红土全样(33.38)差异不大，进一步表明它们物质的同源性；Rb常与K共生，化学性质与K相似，但比K活泼；Sr常与钙共生，化学性质与Ca相似，水分越多，淋失越彻底，因而Rb/Sr比值可指示风化特性及风化过程中水分的状况[39]，网纹红土三类样品的Rb/Sr比值非常接近，全样均值2.22，红基质均值2.25，白网纹均值2.19，表明网纹红土母质经历的化学风化过程和水分淋滤作用大体相似，但从红基质与白网纹间Rb、Sr含量及其Rb/Sr比值略有差异可归结为网纹红土中局部淋滤环境存在差异。B是亲石、亲生物元素，含量与母质有关，其有效态(水溶态)还与植物生长状况密切相关[40]，白网纹B含量(123.86 μg/g)较全样(94.73 μg/g)略高，红基质B含量(90.29 μg/g)则略低于全样，这似乎可以解释白网纹中常常被植物根系穿插并留有类似根孔的中柱(图 4a和4b)。有效态B易存于酸性环境，且随土壤pH值增大而减少[41]，部分红基质和白网纹样品的pH值测定表明，后者pH值(4.85)较前者(4.87)略低，因而白网纹样品中B含量更高。土壤中Mo量主要受岩性、质地、风化程度、有机质丰度、pH值等因素影响，研究发现，Mo在酸性环境中迁移率很小，pH值越低，Mo含量越少；铁氧化物、铝化合物、粘土矿物对Mo的吸附能力有差异，通常铁氧化物>铝化合物>偏埃洛石>蒙脱石>高岭土>伊利石，腐殖质也可吸附和固定Mo[42]。网纹红土为酸性环境，Mo迁移率小，白网纹Mo含量(0.83 μg/g)较全样(1.28 μg/g)略低，红基质(1.54 μg/g)则较全样略高，可能与它们铁氧化物含量的差异有关，所以，Mo含量的高低可能指示铁氧化物和偏埃洛石、蒙脱石、高岭土、伊利石等粘土矿物的配比关系。
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图 4 沿白网纹纹路穿插的植物根系(a)和白网纹中类似根孔的中柱(b) Fig. 4 The root system of the plant along the white clay (a) and the central column similar to the root pore in the white clay (b) |
表 4是网纹红土稀土元素(rare earth elements，简称REE)的测试结果。72个网纹红土全样、7个红基质、7个白网纹样品的ΣREE分别为163.57 μg/g、148.10 μg/g和182.41 μg/g，白网纹高于全样，红基质则低于全样。三者轻稀土(LREE，La-Eu)含量分别为149.89 μg/g、135.13 μg/g和169.52 μg/g，以白网纹略为富集，重稀土(HREE，Gd-Lu)含量则差异不大，分别为13.69 μg/g、12.98 μg/g和12.89 μg/g。从稀土配分模式看，三类样品均以富集轻稀土，淋失重稀土，Eu呈负异常，Ce为正异常，La-Eu线段陡且呈负斜率，Eu-Lu线段平缓为特征(图 5a、5b和5c)。但红基质与白网纹的轻重稀土分馏效应略有差异，如轻重稀土比值(LREE/HREE)白网纹(13.15)高于全样(10.95)，红基质(10.41)低于全样；轻、中、重稀土结构比(La-Pr)：(Nd-Er)：(Tm-Lu)，全样为70.81：27.10：2.09，红基质与白网纹分别为69：28.82：2.18和74.24：24：1.76，分馏效应白网纹略强；特别是红基质与白网纹的Ce分异效应不一致，红基质多数样品Ce含量相对于UCC偏低，白网纹多数样品Ce含量高于UCC值(图 5a和5b)。通常，Eu亏损主要是内生条件下Eu2+与矿物中Ca2+发生置换的结果，故Eu/Eu *比值往往由物源区原岩类型决定[40, 43]。Ce元素则因表生条件下气候与环境介质发生变化而异常，即后期化学风化造成Ce分馏[44]。红基质、白网纹的Eu/Eu *比值非常一致(0.67和0.63)，而Ce/Ce *比值存在一定差异(0.89和1.22)，这表明两者物质同源，是后期风化造成了稀土分馏效应的局部差异。
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表 4 JL剖面网纹红土层段稀土元素含量(μg/g) Table 4 Rare earth elements content (μg/g) of reticular red soil in JL profile |
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图 5 JL剖面网纹红土稀土分布模式 (a)全样(bulk samples)；(b)红基质(red clay samples)；(c)白网纹(white clay samples) Fig. 5 Rare earth elements distribution pattern of reticular red soil in JL profile |
鉴于“网纹”是后期风化的产物而非原生构造，本文选择6对红基质与白网纹样品的粘粒组分(＜2 μm)进行XRD衍射分析。分析结果显示，红基质与白网纹粘土矿物组合相似，均以高岭石为主，并含有少量蛭石和伊利石(图 6a和6b)，这与尹秋珍和郭正堂[13]研究结果一致。与红基质相比，白网纹样品的14.1 Å(蛭石)和7.2 Å(高岭石)衍射峰相对明显，半定量化分析结果显示，白网纹蛭石、高岭石含量约为20.24 %和45.08 %，而红基质蛭石、高岭石含量则分别为11.45 %和41.82 %。白网纹中蛭石和高岭石含量均略高于红基质。
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图 6
XRD衍射图谱
(a)为JL-035红基质XRD衍射图谱；(b)为JL-035白网纹XRD衍射图谱；(c)为JL-035红基质与白网纹衍射图谱对比 图 6c中红线代表红基质，蓝线代表白网纹 Fig. 6 X-ray diffraction curves. (a)and (b) represent the XRD diffraction curves of JL-035 red clay and JL-035 white clay respectively, (c)comparison of XRD diffraction curves from JL-035 red clay and JL-035 white clay. In Fig. 6c, red line represents red clay and blue line represents white clay |
另外，在2.52 Å(赤铁矿d110峰)、2.71 Å(赤铁矿d104峰)、1.84 Å(赤铁矿d024峰)等衍射峰[45]处，白网纹与红基质的表现不一致(图 6c)，白网纹基本不含2.52 Å、2.71 Å和1.84 Å衍射峰，而红基质的2.52 Å、2.71 Å两个衍射峰较明显，且在1.84 Å附近存在弱衍射峰，以上足以说明红基质中含有较多的赤铁矿，而白网纹中赤铁矿含量极少。细致解读图谱还可以发现，红基质在2.19 Å和4.18 Å处均有很弱的衍射峰，分别是针铁矿d(140)和针铁矿d(110)衍射峰，而白网纹中基本也没有，也就是说红基质含有少量针铁矿，而白网纹基本不含。
2.5 磁学特征JL剖面①~⑤层700个网纹红土全岩样品的磁化率均值变化于15.07×10-8~ 41.39×10-8 m3/kg之间(表 5)，显示低磁性。然而样品频率磁化率均值(10.07 % ~12.99 %)却表明SP(超顺磁)磁性颗粒对网纹红土磁性仍有一定贡献，这可能意味着部分磁性矿物发生了转化。有学者认为网纹红土是夏季风异常强盛时期的产物[13]，长期湿热风化过程中磁性矿物发生了转化[34, 46~49]，根据红土中铁锰结核发育环境的研究成果[50~51]推测，网纹红土中具备潜育化或假潜育化过程，局部渍水或积水破坏了次生亚铁磁性矿物的富集。所以，当气温高于15 ℃，降水超过1200 mm时，成土过程反而不利于磁性矿物富集[47]，可能意味着磁性矿物的转化。
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表 5 JL剖面网纹红土层段磁化率与频率磁化率(均值) Table 5 Susceptibility and frequency susceptibility (mean value) of reticular red soil in JL profile |
χlf、SIRM、χfd、χARM等参数主要与磁性矿物含量有关。5对红基质、白网纹样品的进一步比较(表 6)发现，白网纹磁化率χlf和频率磁化率χfd % (2.66×10-8 m3/kg，5.09 %)较红基质(16.87×10-8 m3/kg，13.82 %)偏低，饱和等温剩磁SIRM(251.64×10-6 Am2/kg)和χARM(27.96×10-8 m3/kg)也明显低于红基质(4605.39×10-6 Am2/kg，137.34×10-8 m3/kg)，如果磁化率主要反映样品中亚铁磁性矿物的富集程度，那么白网纹更不利于亚铁磁性矿物富集。依据对第四纪红土中铁锰结核发育环境的研究[50~51]，网纹红土中具备潜育化或假潜育化过程，地下水位的波动、降水季节性分配、植物根系穿插均可影响土壤孔隙局部持水能力的变化，干湿季交替的环境既可因土壤季节性渍水破坏次生亚铁磁性矿物富集，又可在由湿变干的过程中致使铁锰氧化物富集。S比值(IRM- 100 mT/SIRM)对磁性矿物类型比较敏感，S < - 0.7通常以亚铁磁性矿物如磁铁矿、磁赤铁矿、磁黄铁矿等为主导，S>- 0.3则指示赤铁矿、针铁矿等不完整反铁磁性物质的主导[52~53]，红基质与白网纹的S比值均>- 0.3，磁性矿物应该以赤铁矿或针铁矿为主。SIRM/χlf值有多解性，数值增大可能意味单畴(SD)铁磁晶粒平均粒径的减小、超顺磁和顺磁物质的减少[54]或不完全反铁磁性矿物相对于亚铁磁性矿物含量的增加[55]。红基质SIRM/χlf值明显高于白网纹，结合土体颜色和S比值推断，红基质不完全反铁磁性矿物相对亚铁磁性矿物含量的增加更为显著。可见，网纹化过程中，磁性矿物发生了转化，白网纹部分的赤铁矿、针铁矿含量很少。
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表 6 代表性红基质与白网纹样品磁性参数比较 Table 6 Comparison of magnetic parameters of red clay samples and white clay samples |
综上所述，加积型网纹红土质地均一，红基质与白网纹在物质组成方面同源，通常母质先经历强烈化学风化而显著红化，之后铁及部分微量元素差异分馏，尤其以铁的差异最为显著，从而导致红色粘土中局部镶嵌浅色斑纹，即白网纹。
3 加积型网纹红土形成环境 3.1 铁量、铁形态与网纹发育前文表明，JL剖面网纹红土母质在经历强风化高淋滤的地球化学过程中，同源物质间全铁(Fe2O3)含量发生了分异。这一点应该是红土网纹化过程的基础。同时，铁为变价元素，成土过程中还存在游离铁、无定形铁、晶质氧化铁、络合铁等多种铁形态，细致解读铁量、铁的价态及铁形态组合结构的变化[46]，有利于认识铁在网纹化过程中的作用和网纹红土形成环境。
表 7是JL剖面网纹层段7对红基质与白网纹样品的铁及铁形态含量的测试结果。首先，白网纹中铁氧化物明显淋失。如全铁含量红基质是白网纹的2倍；游离铁量红基质是白网纹的10.9倍；无定形铁量红基质是白网纹的4.4倍；晶质铁量红基质是白网纹的11.5倍；络合铁量红基质是白网纹的2倍。其次，网纹红土脱硅富铝铁化化学风化过程中，高(低)价态铁氧化物的富集程度在红基质与白网纹间产生了分异。用容量法测得的全样氧化亚铁(FeO)均值0.85 g/kg，红基质均值0.85 g/kg，白网纹均值1.03 g/kg，分别占全铁量的1.2 %、1.0 %和2.4 %，以白网纹样品中亚铁含量略高，Fe3+/Fe2+比值，红基质(平均90.95)明显高于白网纹(平均40.66)，高价铁氧化物与低价铁氧化物比值，红基质(平均101.1)高于白网纹(平均45.2)，价态铁结构的变化意味着网纹红土形成过程中存在局部的氧化还原作用。第三，网纹红土中铁的游离度和活化度产生分异。不属于层状硅酸盐组成的氧化铁及其水合物为游离铁(Fed)，游离铁占全铁的百分比称铁游离度，通常指示成土过程的特点并被用作风化程度的度量指标，风化越强，铁游离度越高。比较而言，红基质游离铁量及游离度(76.21 g/kg，77.52 %)较白网纹(7.01 g/kg，32.96 %)高得多，但两者的CIA值和ba值却比较接近；相反，白网纹的铁活化度(无定形铁Feo与游离铁Fed的百分比)和晶胶率(无定形铁Feo与晶质铁Fed-Feo的百分比)均明显高于红基质，白网纹铁活化度和晶胶率分别为25.31 %和37.77 %，红基质则仅为8.77 %和9.69 %。正是以上差异导致了网纹化。
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表 7 JL剖面网纹红土红基质与白网纹铁氧化物类型及含量 * (g/kg) Table 7 Iron oxide types and their contents(g/kg)of red clay and white clay in JL profile |
基于质量平衡原理及红基质与白网纹之间铁量差异，网纹形成与铁迁移有关。朱丽东等[56]曾以金华汤溪(TX)剖面为研究对象，视均质红土为背景，稳定元素Zr作参比元素，计算了网纹红土成土协变系数εZr和以Zr为参比的单位体积元素迁移系数δj，w。结果显示，网纹红土εZr < 0，相对于均质红土物质淋失量更多；白网纹与红基质比较，元素迁出更显著(εZr-白 < εZr-红 < 0)。从铁的迁移量看，红基质与白网纹之间出现分异，红色基质部分铁的平均净加入量为0.014 g/cm3，但白网纹部分铁却明显流失，平均迁出量0.036 g/cm3。李凤全等[57]构建了网纹红土的铁迁移质量平衡模型，以均质红土层为参照物，发现汤溪网纹红土白网纹与红基质中由Al、Ti和Fe含量均值得到的铁迁移比为0.65 %。由此推测网纹红土风化成壤过程中水分条件优越，白网纹可能是局部滞水环境下的产物，在这种环境背景下，铁的活化度高，晶胶率高，迁出量明显。
当然，还有一个重要的过程与铁有关，那就是白网纹的脱色问题。关于铁的着色机理，有研究认为土壤的红色程度与赤铁矿含量存在密切正相关，与活化度呈反相关，与土壤游离铁、无定形铁的含量不相关[58]。所以红基质中赤铁矿多，白网纹因铁的活化度高，无定形铁更多。这在磁学参数的测定结果中能得到相应的证明，加积型网纹红土显示低磁性，JL剖面网纹层段磁化率均值为15.07×10-8~ 41.39×10-8 m3/kg，频率磁化率均值为10.07 % ~12.99 %，表明成土风化过程中产生的SP磁性颗粒对网纹红土磁性仍有一定贡献；但红基质与白网纹相比，磁化率均值白网纹(2.66×10-8 m3/kg)更低于红基质(16.87×10-8 m3/kg)，频率磁化率均值白网纹(5.09 %)亦低于红基质(13.82 %)，热磁曲线(图 7)显示，红基质与白网纹载磁矿物类型较为一致，均为赤铁矿和磁铁矿，不同的是红基质还含有一定的磁赤铁矿，而白网纹则不含。
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图 7 JL剖面网纹红土典型样品热退磁曲线 粗线为升温曲线，细线为热退磁曲线 Fig. 7 Thermal demagnetization curves of typical sample in JL profile. The thick line is the heating curve and the thin line is the thermal demagnetization curve |
通过对红基质与白网纹粒度、磁学、地球化学及粘粒组分矿物组成分析发现，两者岩性并无差异，物质组成也基本相似，只是在风化过程中铁元素产生了局部的迁移。那么怎样的环境可以导致铁元素的迁移呢？
从铁的赋存形式看，铁在风化物或土壤中主要以赤铁矿、褐铁矿、针铁矿、菱铁矿、硫化铁等形式存在，富氧环境中呈Fe2O3，在还原条件下可呈现FeO、FeS、FeCO3等形式[59]。表生条件下Fe2+易于氧化成Fe3+，以难溶的Fe(OH)3和Fe2O3残留在风化物中，所以铁元素相对于K、Na、Ca、Mg等易溶元素就显得比较稳定，风化程度越强，易溶元素的淋失越彻底，铁的相对积累量就会增加。网纹红土中铁含量明显高于UCC均值，加之Al2O3、TiO2含量也相对富集，表明网纹红土是温暖湿润气候条件下中强程度化学风化的结果，这就是网纹红土的红化过程。吴正的研究表明，Fe2O3含量达到0.4 %时，土壤就开始显现红色，网纹红土Fe2O3含量达10.99 %，呈现高红化强度[60]。
然而，如果存在还原环境，铁的稳定性就会降低，并以Fe2+的形式发生迁移，有研究表明可溶二价铁的形成需在酸性和还原的条件下经过微生物的还原作用形成，因此网纹化的过程需要具备铁迁移的还原条件，而裂隙滞水是局部还原条件产生的基础。土壤裂隙是土壤水分渗流的主要通道，红粘土粘性强，土体裂隙发育，裂隙附近水分条件和易溶元素诱导植物根系穿插及生长(图 4a和图 4b)，裂隙渐渐被扩大，然而随着盐基离子的不断淋失及植物根系周围酸分泌物的增多，裂隙附近土壤的酸性局部增强，裂隙及植物根系周围的脱铁过程得以加剧。当植物根系遭受酸性环境胁迫时，根系就不再生长和延伸，根系中柱周围可继而被多层的胶膜充填，形成多层片状胶膜的淀积(土壤微型态的观察结果，另文探讨)，孔道周边渗水能力相对减弱，而持水能力相对增强，促进局部还原条件下的脱铁脱色过程。被还原的二价铁可能以胶体铁的形式发生迁移，二价铁伴随着粘粒从白网纹中迁出，部分流出土体进入地下水，另一部分可能在土层内完成。如果土体的透水性强，向土体以外迁移的铁量就会增加，土层内滞留的铁量就相应减少，但透水性相对较弱的土体，水分就可以在土体中延长滞留时间，一些裂隙及植物根系孔道的周围易于形成局部滞水的还原环境，发生在土体内部的可溶二价铁的迁移量可能就会增加，还会被粘粒胶膜吸附，网纹红土铁迁移相当一部分发生在土层内，这与前人铁迁移模型计算结果较为一致[56~57]，因而红基质区域则成为铁迁入区，使得红基质的铁含量超过白网纹，但二价铁很不稳定，在脱水变干的过程中生成铁锰结核或转变为高价铁。网纹红土红基质与白网纹中二价铁的含量都不高，表明很大一部分二价铁在迁移过程中发生了转变，实验表明红基质中的赤铁矿明显高于白网纹，而赤铁矿是土壤显红色的主要矿物，赤铁矿是Fe2+与O2相遇而沉淀，Fe(OH)3胶体再转化为褐铁矿，褐铁矿再脱水而成[61]。由此可见，网纹红土的形成还必须有氧化干旱的过程。
综上所述，网纹红土总体上形成于温暖湿润的环境，在中强程度化学风化的基础上先红化再网纹化。铁氧化物富集并红化的时期温度偏高，水分偏少；网纹化时期夏季风增强，降水增多，季节性干湿变化加大。雨季，土壤水分增加，土体裂隙部位形成局部滞水环境并因诱导植物根系的穿插生长而扩大为孔道，三价铁转化为二价铁，裂隙较多的区域发生铁迁出，物质脱色为黄白色或灰白色等浅色。无裂隙处不具备滞水条件，铁很少淋出，相反还接受了来自周边的二价铁的加入，二价铁老化形成褐铁矿。相反，干季时降水减少，土壤紧实部分的褐铁矿脱水重新氧化形成赤铁矿。黄土研究表明，0.85 Ma以后，黄土沉积厚度增大，但古土壤的发育程度也增强，说明冬夏季风都有明显加强[62]。这种气候条件有利于红土网纹化。年代学研究也表明，JL剖面网纹红土主要形成于中更新世，对应于北方黄土S4~S5时期[13, 20]。
4 结论本文基于JL剖面网纹红土红基质与白网纹的理化性质对比研究，探讨网纹化机制及网纹红土形成环境，初步得到以下主要结论：
(1) 红基质与白网纹具有物质同源性。两者粒度组成均以粉砂(4~63 μm)为优势粒级，粘粒(＜4 μm)含量次之，砂(＞63 μm)较少；相比之下白网纹粉砂含量均值(72.56 %)略高于全样(68.69 %)，红色基质粘粒含量均值(31.22 %)略高于全样(30.53 %)；元素分析表明，红基质与白网纹除铁含量有较大差异，其他化学组成整体相似，均以SiO2、Al2O3、Fe2O3为主，均值分别为90.41 %和90.53 %；红基质、白网纹Ti/Zr比值(33.76和34.52)以及Eu/Eu *比值非常一致(0.67和0.63)，这表明两者物质同源，是后期风化造成了元素分馏效应的局部差异。
(2) 红基质与白网纹铁量、铁氧化物类型及铁矿物类型存在明显的差异。全铁含量红基质是白网纹的2倍；游离铁量红基质是白网纹的10.9倍；无定形铁量红基质是白网纹的4.4倍；晶质铁量红基质是白网纹的11.5倍；络合铁量红基质是白网纹的2倍；白网纹与红基质相比，铁含量均值(4.30 %)低于红基质(8.63 %)；Fe3+/Fe2+比值(均值40.66)低于红基质(均值90.95)；游离铁量及游离度(7.01 g/kg，32.96 %)低于红基质(76.21 g/kg，77.52 %)；铁活化度和晶胶率(25.31 %，37.77 %)高于红基质(8.77 %，9.69 %)。因此，同源物质之间铁的差异是网纹化过程的基础。
(3) 白网纹局部脱色机制主要受控于赤铁矿及其转化。对比研究表明，红基质主导矿物为赤铁矿，并含有一定的磁赤铁矿和针铁矿，而白网纹则不含磁赤铁矿，赤铁矿含量也极少。白网纹中有铁迁出，红基质中存在铁迁入；网纹红土整体形成于温暖湿润的环境，经历了先红化再网纹化的过程，网纹化时期冬夏季气候反差增强且干湿变化加剧。
致谢: 衷心感谢审稿专家和编辑部杨美芳老师对本文的悉心审阅，使本文得以完善。
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Abstract
In South China, the land is mainly covered by red soil. In turn, the area is so called "red earth". The red clay develops from multi-type parent materials, including:granite, basalt, fluvial deposits, lake sediments, aeolian deposits, and so on. Among them, aeolian deposit, commonly called by aggradation red earth, is a good geological recorder due to which can record the quasi-continuous Pleistocene climate evolution history by soil sequences, similarly with the famous Chinese loess. The standard stratigraphy of aggradation red earth includes three typical soil units which are yellowish brown soil unit, homogeneous red soil unit, and reticular red soil unit. The reticular red soil unit is characterized by reticular structure, with red clay spotted by white clay. It is clearly to understand the climatic implication of reticular structure is very important for Quaternary climate reconstruct in the area. However, the question is still in debate. In this study, we collected a representative profile of aggradation red earth to systemically investigate the mechanism of reticular structure formation. The profile is labelled by JL (29°42'N, 116°02'E), and locating in the north slope of Lushan Mountains in Jiangxi Province, China. It is 18.46 m in thickness, including 4.46 m yellowish brown soil in the top and 14 m reticular red soil in the bottom. The physical and chemical characteristics had been compared between white clay and red clay, separating from the selected reticular red soil samples. Conclusions are as follow:(1) According to the analysis of grain size and element composition, the main difference between the red clay and the white clay lies in the enrichment of element Fe rather than their compositions or lithologic characters, result from element fractionization of homologous substance throughout the weathering process. (2) The content and valence state of element Fe existing in red clay obviously differ from those in white clay in accordance with geochemical analysis, magnetic analysis and clay mineral analysis. In contrast, the white clay is characterized by high leaching state, evidenced by lower Fe content, lower ratio of Fe3+/Fe2+, lower content of dissociative iron oxide, lower freeness, high activation grade Fe, and high ratio between Feo and Fed-Feo. (3) The partial decolourization of white clay is mainly controlled by the content of hematite. The predominant minerals of red clay are hematite, goethite and maghemite, however, white clay are not, except very little hematite. Besides, the content of kaolinite, to some extent, exerts an effect on decolourization of white clay in terms of higher vermiculite (20.24%) and kaolinite (45.08%) in white clay than those in red clay (11.45% and 41.82%). (4) The characteristics of enrichment of hematite and partial migration of Fe indicate high temperature, moderate chemical weathering and seasonal change of wetness, which goes to a further step and illustrate that it be high temperature and rainy, together with more distinct seasonal change.