黄土是第四纪环境变化研究的重要载体，元素地球化学是其中的主要替代性指标。风尘堆积物中元素的地球化学行为及其组合特征较完整地记录了沉积物形成演变过程中的气候环境变化(刘东生，1985；文启忠，1989；陈骏和李高军，2011；张玉柱等，2012；郭媛媛等，2013；Song et al.，2014；Tang et al.，2015)，通过研究黄土序列中元素迁移、富集程度与过程，可深入理解黄土沉积的古气候意义，有效揭示黄土-古土壤化学风化强度及古气候环境演变过程(程燕等，2003；宋友桂和史正涛，2010；汪海斌等，2011)。

地球化学指标在洛川黄土-古土壤(陈骏等，1997，2001)、西峰红黏土(陈旸等，2001)、西宁黄土、西峰黄土、吉县黄土(Jahn et al.，2001)、灵台黄土(Yang et al.，2006)、镇江下蜀土(李徐生等，1999；Chen et al.，2008)、巫山黄土(张玉芬等，2014)、辽南周家沟黄土(张威等，2013)的研究中取得了丰富的结果。众多学者从粒度、磁化率、古地磁、黏土矿物、碳酸钙等物理指标(曹家欣等，1987；张祖陆等，2004；Xu and Wang，2011；Peng et al.，2011；Zhang et al.，2012)方面对山东地区的黄土进行了研究，而元素地球化学方面的研究虽有一些初步工作，但有待进一步深入研究。

不同气候条件与地质营力下存在着与之相应的沉积物，这些沉积物与它所处环境之间的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，因此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，这是利用元素地球化学的研究来探讨气候变化历史的理论基础(李徐生等，1999；Chen et al.，2008)。沉积物中主要的造岩元素Si、Al、Fe、Ca等主要以氧化物形式存在。根据这些氧化物的表生地球化学性质，研究其百分含量在剖面中的变化规律，可以对古环境进行指示(李长安等，2013)。常量元素分析的基础是沉积物对母岩的主元素组合和重矿物组合的继承性。一般在短距离搬运和化学风化很弱的条件下，二者具有较好的可比性。在进行元素组合分析时，要考虑到搬运过程中的稀释作用，即应注意相对含量而非绝对含量。基于地球化学组成在不同粒级的差异，广泛深入研究不同地区的风尘物质对于揭示黄土物源以及环境变迁具有重要意义(Xiong et al.，2010；Feng et al.，2011；谢远云等，2012；Liang et al.，2013)。山东地区的风尘堆积受海洋和大陆的双重控制，既有典型黄土的一般特征，又有独特的区域特点，其物质来源广泛，岩性特征与其他地区黄土有明显区别。本文重点对山东地区平阴黄土的粒度和常量元素地球化学特征进行研究，并与中国典型风成堆积物样品进行对比，以此探讨山东平阴黄土的常量元素地球化学特征及其与典型风成堆积物样品的异同以及这些特征对物质来源及其气候环境演化的指示意义。

研究对象是位于山东省济南市平阴县龙桥村的龙桥剖面(36°17′33.6″N，116°21′28.8″E，海拔约76.6 m)(图 1)。该剖面位于鲁中南山地丘陵的西北麓，属于温带大陆性季风气候，年平均气温为13.6℃，年平均降水量在500～900 mm。平阴黄土直接覆盖在黄河济南平阴段的二级阶地上，出露良好，自山麓向上逐渐变薄，沉积连续稳定，层序清楚。剖面上部厚700 cm，黄色粉砂，岩性均一，无层理和流水作用痕迹，垂直节理发育；下部为发育很好的钙结核层，结核直径为2～50 mm，质地坚硬，厚度150 cm左右，未见底。

图 1

图 1 山东平阴黄土剖面的地理位置 Fig. 1 Location of the Pingyin loess profile， Shangdong Province

野外样品采集从剖面下往上，以5 cm间隔连续取样，共采集样品141个。样品粒度在 Mastersizer 2000激光粒度仪上测量，仪器测量范围0.02～2000 μm，重复检测相对误差小于1％。元素含量由Panalytical Magix PW2403型X荧光光谱仪测得，以10 cm为间隔共分析70个样品。首先将自然风干样品研磨至200目(75 μm)以下，称取4.0 g样品加压制饼，然后上机测量，共获得28种元素和7种氧化物，重复测量误差在2%左右。粒度测试在山东省水土保持与环境保育重点实验室完成，元素测试在兰州大学西部环境教育部重点实验室进行。

平阴龙桥剖面共采集7个光释光年代样品，在青岛海洋地质研究所完成。

测量结果(图 2)表明，平阴黄土主要为末次冰期时期沉积的黄土，与黄土高原马兰期黄土相对应。

图 2

图 2 平阴黄土剖面光释光年代 Fig. 2 OSL dating results of the Pingyin loess profile

对于常量元素，XRF仪以氧化物形式给出，未测定元素以CO₃给出。龙桥剖面CO₃含量为1.17％～27.02%，平均为7.97%。含量校正公式为：

E_校正值=E_测量值/(1-CO₃/100)

校正后，样品中含量在1%以上的氧化物有SiO₂、Al₂O₃、CaO、Fe₂O₃、MgO、K₂O、Na₂O。其中SiO₂含量最高，为42.92％～78.15%，平均69.28%；Al₂O₃含量为9.59％～13.57%，平均11.94%；CaO为1.38％～37.02%，平均7.76%；Fe₂O₃为3.34％～4.83%，平均4.00%；K₂O为1.93％～2.84%，平均2.68%；Na₂O为1.46％～3.43%，平均2.27%；MgO为0.95％～1.87%，平均1.44%。氧化物含量平均值的大小顺序为：SiO₂＞Al₂O₃＞CaO＞Fe₂O₃＞K₂O＞Na₂O＞MgO，其中SiO₂、Al₂O₃、CaO为最主要化学成分，元素含量总和平均为88.98%。样品中含量在0.1％～1%之间的氧化物有TiO₂、P₂O₅和MnO。

表 1和图 3显示，平阴龙桥黄土剖面中SiO₂含量与UCC较接近，CaO的含量相对UCC显著富集，Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO、K₂O相对UCC亏损；Na₂O则相对UCC(Taylor and McLennan，1985)显著亏损。化学风化过程中碱金属元素易淋溶迁移，稳定元素相对富集(乔彦松等，2010)。平阴黄土的常量元素特征与中国典型风成沉积物相似，但仍然存在一定的差异。平阴黄土Fe₂O₃含量与辽南黄土的马兰黄土、洛川黄土及伊犁黄土相似，相对UCC亏损，远小于宣城风成红土。CaO含量与伊犁黄土相似，比上陆壳及其他典型黄土沉积物明显偏高，这是因为测量时未进行醋酸前处理，样品中含有较多碳酸盐矿物。碳酸盐矿物易发生风化淋失再淀积(曹家欣等，1987)，平阴龙桥剖面下部CaO含量较低，表明黄土堆积期，降雨量丰富，碳酸盐矿物淋溶迁移，在剖面底部形成坚硬钙结核层。Na₂O含量与其他风成沉积物相似，明显低于UCC，但其含量明显高于洛川黄土(Xu and Wang，2011)及其他典型风成沉积物，表明其形成于较干冷的气候条件，成土作用弱，Na淋失较弱。以硅酸盐形式存在的CaO与Na₂O化学性质相似，所以硅酸盐中的CaO也存在明显的亏损(曹家欣等，1987)。

表 1

表 1 平阴黄土剖面常量元素含量及其与其他典型沉积物的对比 Table 1 Major element compositions of the Pingyin loess and other deposits (％) 地点 样品数 SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO Na2O K2O 数据来源 龙桥 70 最大值 78.15 13.57 4.83 1.87 37.02 3.43 2.84 最小值 42.92 9.59 3.34 0.95 1.38 1.46 1.93 平均值 69.28 11.94 4.00 1.44 7.76 2.27 2.68 变异系数 9.02 5.49 8.77 16.15 78.92 20.28 4.98 镇江下蜀土 54 平均值 68.07 13.32 5.30 1.61 1.00 0.92 2.35 Chen et al.，2008 宣城风成红土 64 平均值 68.77 13.71 6.52 0.54 0.11 0.14 1.38 Yang et al.，2006 辽南黄土 42 平均值 67.29 14.81 5.19 1.47 1.44 1.37 2.86 张威等，2013 洛川黄土 12 平均值 66.40 14.20 4.81 2.29 1.02 1.66 3.01 陈骏等，2001 洛川古土壤 13 平均值 65.18 14.79 5.12 2.21 0.83 1.41 3.15 西峰红黏土 5 平均值 63.75 15.05 5.28 2.89 0.90 1.16 3.00 陈旸等，2001 伊犁黄土 140 平均值 51.56 11.99 4.73 2.98 9.90 2.08 2.62 上陆壳UCC 66.00 15.20 5.0 2.20 4.20 3.90 3.40 Taylor and McLennan，1985 陆源页岩CAS 62.80 18.90 7.22 2.20 1.30 1.20 3.70

表 1 平阴黄土剖面常量元素含量及其与其他典型沉积物的对比 Table 1 Major element compositions of the Pingyin loess and other deposits

图 3

图 3 平阴黄土剖面与中国各地风尘堆积常量元素及UCC比较 Fig. 3 Comparison among major element contents of the Pingyin loess， other aeolian deposits， and the UCC

结合镇江下蜀土(Chen et al.，2008)、宣城风成红土(李徐生等，1999)、辽南周家沟黄土等中国东部黄土分布区黄土发现SiO₂含量明显比洛川黄土、UCC含量高，这与中国东部黄土分布区黄土粒度较粗，形成过程中近物质来源的加入有关；与SiO₂相反，MgO、K₂O、Al₂O₃含量比洛川黄土低，这与SiO₂、Na₂O在粗粒级中富集，MgO、K₂O、Al₂O₃在细粒级中富集的粒度效应(陈骏等，1997；陈旸等，2001；Jahn et al.，2001；Yang et al.，2006；Chen et al.，2008)相吻合。因此，Na₂O含量较高原因除气候干冷外，可能还与平阴龙桥剖面粒度较粗有关。常量元素含量的粒度效应对于中国东部黄土分布区黄土近物质来源有一定的指示意义。

常量元素氧化物含量在剖面中的变化记录了成壤过程中元素的迁移、富集情况(乔彦松等，2010)。在整个沉积序列中，CaO元素的变化较大；其他元素的变异系数较小。这是由于Ca离子半径较小，容易随土壤溶液或地表水迁移而发生淋溶与淀积。同时CaO较大的含量变化，对其他元素起到明显的稀释或富集作用(曹家欣等，1987)，这种影响比元素本身的变化还有显著，因此单个元素绝对含量变化不能真实反映地层的化学风化程度。

元素含量变化是探讨古气候变化的理想指标(Buggle et al.，2011)。由于元素淋滤迁移再淀积等因素的影响，单个元素绝对含量变化不能真实反映化学风化强度的演化特征，常采用元素含量或元素比值来衡量沉积物形成时的化学风化程度。

化学蚀变指数(CIA)可以指示长石风化成黏土矿物的程度，是衡量沉积物来源物质的风化作用和沉积后风化作用的代用指标(Nesbitt and Young，1982；张玉柱等，2012；郭媛媛等，2013；Song et al.，2014)，计算公式为：

CIA=[Al₂O₃/(Al₂O₃+CaO^*+Na₂O+K₂O)]×100

研究表明(图 4)，典型风成沉积物及UCC的CIA值为：上陆壳(Taylor and McLennan，1985)UCC平均值47.92，处于基本未受化学风化的阶段；伊犁盆地黄土(Song et al.，2014)平均值53.84(46～61)，西宁(Jahn et al.，2001)黄土平均值59.39(58～61)，西峰黄土(Jahn et al.，2001)平均值61.45(60～62)，吉县(Jahn et al.，2001)黄土平均值62.11(60～65)，洛川黄土(陈骏等，2001)平均值63.73(62～66)，处于寒冷干燥气候条件下低等化学风化阶段；辽南周家沟黄土(张威等，2013)平均值66.09(60～80)，灵台黄土(Yang et al.，2006)平均值66.56(60～70)，洛川古土壤(陈骏等，2001)平均值67.36(65～69)，西峰红黏土(陈旸等，2001)平均值69.11(67～72)，陆源页岩CAS(Taylor and McLennan，1985)平均值70.36，镇江下蜀土(Chen et al.，2008)70.45(66～76)，九江风成红土(Hong et al.，2013)84.85(75～89)，处于温暖、湿润条件下中等的化学风化阶段；宣城风成红土(Hong et al.，2013)88.78(85～90)，处于炎热、潮湿气候条件下强烈的高等化学风化阶段。各地区风成沉积物的化学风化程度变化幅度不大，基本随着温度升高降水增多呈增大趋势。

图 4

图 4 平阴黄土剖面与其他黄土剖面化学风化参数CIA与Na/K关系散点图 Fig. 4 The diagram of CIA values vs. Na/K molar ratios of the Pingyin loess and other aeolian deposits

平阴黄土CIA值为42.94～63.26，处于未受化学风化-初等化学风化阶段，变幅较大，这与伊犁盆地黄土46～61、辽南周家沟黄土60～80、九江风成红土75～89相似。平阴黄土CIA平均值(53.67)比UCC略高，接近伊犁黄土，低于洛川黄土、辽南周家沟黄土、宣城风成红土。UCC、平阴龙桥、伊犁盆地黄土、洛川黄土、辽南周家沟黄土、洛川古土壤、陆源页岩、镇江下蜀黄土、九江风成红土和宣城风成红土，CIA值依次升高，化学风化强度逐渐加强。

Na/K值可以衡量风化剖面中斜长石的分解程度(张玉柱等，2012；郭媛媛等，2013)。平阴黄土样品Na/K值与CIA指数呈明显负相关(相关系数R=-0.95，n=70)，UCC、平阴龙桥、伊犁盆地黄土、洛川黄土、周家沟黄土、洛川古土壤、陆源页岩、镇江下蜀黄土、九江风成红土、宣城风成红土，Na/K值依次逐渐减小，化学风化作用强度逐渐加强。Na/K比所反映的化学风化程度与CIA结果相吻合。从 图 4可以看出，不同风化程度的Na/K值趋势不同。同时随着CIA数值的增大，Na/K值减小趋势逐渐变缓，一方面说明斜长石数量减少，一方面说明钾长石开始风化。

Nesbitt和Young(1982)提出了大陆化学风化趋势预测的A-CN-K(即Al₂O₃-CaO^*+Na₂O-K₂O)三角模型图，用来反映沉积物化学风化趋势及主矿物成分变化(McLennan，1993；Buggle et al.，2011)。

平阴黄土与洛川黄土、镇江下蜀土、辽南周家沟黄土等典型风尘堆积物的数据点分布于去Na、Ca的同一风化路径，与典型大陆风化趋势一致，说明平阴黄土风尘物质同样起源于广泛的上部陆壳，在风力搬运沉积过程中经过高度混合。平阴黄土数据点大致与CN-A连线平行，Na、Ca含量减少，K及Al含量基本不变，说明斜长石开始风化分解，Ca、Na淋溶迁移，钾长石含量相对稳定。与其他典型风尘堆积物相比，平阴黄土明显远离CAS，更靠近UCC，说明其化学风化强度远比其他典型沉积物及CAS要弱，处于脱Ca、Na的低等化学风化阶段。值得注意的是，平阴黄土化学风化强度最大的数据点与洛川黄土、辽南周家沟马兰期黄土极为相似，其化学风化程度相似，表明平阴黄土化学风化强度最强时与洛川黄土、辽南周家沟马兰期黄土想当。

从 图 4、 图 5可见，有3个数据点的CIA值明显比上陆壳UCC低，其CaO含量在25％以上，表明碳酸盐矿物含量较高可能会影响CIA、Na/K和A-CN-K三角模型图数据点的分布，偏离样品实际情况。

图 5

图 5 平阴黄土的A-CN-K三角图解 Fig. 5 Triangle diagram of A-CN-K of the Pingyin loess

残积系数反映沉积物成壤强度的大小变化，风化淋溶系数主要反映盐基的淋溶状况(张玉芬等，2014)。随着气候温湿程度加剧、风化程度加深，化学风化作用加强，CaO、Na₂O、K₂O淋溶迁移，含量减少，而Al₂O₃、Fe₂O₃含量相对稳定，故残积系数增大，化学风化淋溶系数减小。从 图 6可以看出，淋溶系数与Na/K值随着深度同步变化，呈现良好的相关性，与化学蚀变指数呈明显的反相关；残积系数与化学蚀变指数CIA呈现出高度的正相关。

图 6

图 6 平阴龙桥黄土的地球化学特征 Fig. 6 Geochemical characteristics of the Pingyin loess

剖面底部CIA值较高，残积系数较大，化学风化淋溶系数较小，说明风尘沉积物堆积初期，气候较湿润，化学风化强度较强，碳酸盐矿物被大量淋溶。与剖面CaO含量较低相吻合。剖面自下至上CIA值、残积系数呈现一种减弱的趋势，Na/K、退碱系数、淋溶系数呈现增加的趋势，表明气候逐渐变冷、源区化学风化强度逐渐减弱，这与末次冰期气候总体上变冷的大方向相吻合。

从 图 4、 图 5可见，CIA值越大，化学风化越强。从整体来看，中国黄土的化学风化强度基本上自西向东逐渐增加，同时由纬度引起的温度降雨量的增加，使得化学风化程度由北向南逐渐增强。

山东地区黄土位于中国黄土分布区的东部边缘，北连辽南黄土、河北与北京地区黄土，西邻内陆黄土高原，南有长江下游地区的下蜀黄土与之相对应(张祖陆等，2004)。然而山东平阴黄土的化学蚀变指数CIA平均值(53.67)远比辽南周家沟黄土(66.19)、洛川黄土(63.73)、镇江下蜀土(70.56)要低，同时平阴马兰黄土比辽南周家沟黄土、洛川黄土、镇江下蜀土同期马兰黄土变化范围要大。气候(特别是降雨量)是影响化学风化程度的主导因子(乔彦松等，2010)，平阴黄土属于温带大陆性季风气候，与属于北亚热带季风气候的镇江下蜀土相比温度较低，降雨量较少，化学风化程度要低。然而与属于暖温带大陆性季风气候的洛川相比，平阴黄土降水量多，化学风化强度却比洛川黄土弱，这主要是因为近源物质颗粒较粗的粒度效应的结果。辽南地区黄土与平阴黄土同属于温带大陆性季风气候，在末次冰期时期气候条件相似，而两者化学风化程度相差较大，可能是因为末次冰期时期莱州湾裸露地层和黄泛平原提供了更多的近源物质的缘故。这与常量元素的粒度效应结论相吻合。

平阴黄土序列早期化学风化强度较高，与洛川黄土、辽南周家沟黄土重叠，说明末次冰期以前平阴黄土与洛川黄土、辽南周家沟黄土化学风化强度近似，受到近源物质的影响较小，其物质来源主要西北气流携带来的内陆粉尘物质，化学风化强度较高；随着末次冰期气候变冷，降雨量减少，风力加强，莱州湾裸露地层及黄泛平原松散沉积物为平阴地区提供了丰富的近物质来源，黄土砂粒含量明显增加，粒度变粗，化学风化强度减弱。7.7万年以来CIA指数逐渐下降，造成这种现象的原因除了末次冰期干冷的气候原因外，更主要的可能与大量近物质来源的加入有关。平阴黄土序列经历了较弱的化学风化，成土变化的影响远小于沉积分选和源区变化，CIA指数明显受到粒度变化的影响，不能有效指示剖面元素迁移富集规律及化学风化强度。

(1)平阴黄土以SiO₂、Al₂O₃、CaO为主，常量元素含量呈现出SiO₂＞Al₂O₃＞CaO＞Fe₂O₃＞Na₂O＞K₂O＞MgO的变化特征。

(2)山东平阴黄土风化程度较弱，处于未受化学风化-初等化学风化阶段。CIA指数、残积系数和风化淋溶系数表明从剖面底部往上随着时间的推移化学风化强度逐步变弱。

(3)随着末次冰期气候变冷，风力加强，降雨量减少，近源松散沉积物为平阴地区提供了丰富的近物质来源，黄土砂粒含量明显增加，粒度变粗，化学风化强度减弱。

(4)CIA黄土序列的常量元素含量及化学风化强度明显受到粒度变化的控制。对于中山东地区的黄土，常量元素含量及CIA不能有效指示剖面元素迁移富集规律及化学风化强度。