2017, Vol. 35扩展功能
文章信息
- 张文桐, 庞奖励, 黄春长, 周亚利, 查小春, 崔天宇, 王海燕, 杨丹
- ZHANG WenTong, PANG JiangLi, HUANG ChunChang, ZHOU YaLi, ZHA XiaoChun, CUI TianYu, WANG HaiYan, YANG Dan
- 汉江上游庹家湾剖面化学风化特征及其意义
- Chemical Weathering Characteristics of Tuojiawan Profile in the Upper Hanjiang River Valley and Its Environmental Significance
- 沉积学报, 2017, 35(3): 508-515
- ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2017, 35(3): 508-515
- 10.14027/j.cnki.cjxb.2017.03.009
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文章历史
- 收稿日期：2016-03-31
- 收修改稿日期: 2016-06-23
风成黄土的地球化学元素特征清楚的记录了自黄土风成沉积以来的化学风化过程及其反映的气候变化，通过分析黄土中地球化学元素的淋溶迁移和富集状态，可以有效地重建黄土—古土壤的化学风化程度及成壤演变过程[1-10]。前人在黄土高原地区对黄土—古土壤序列的地球化学元素进行深入研究，已获得大量研究成果[7, 11-14]，发现在晚更新世末期曾存在一定的气候波动。经调查研究发现在秦岭南侧同样存在大量风成黄土，不同的研究者采用不同的研究手段对其进行研究[15-19]，但是研究程度不高，尚未发现晚更新世末期气候波动的证据。本文从地球化学元素方面进行分析，试图揭示自晚更新世以来气候变化，找到晚更新世末期气候波动的证据，完善区域环境变化的资料。
1 区域概况 1.1 研究区域汉江位于秦岭南侧，为长江最大的支流，属北亚热带北部湿润季风气候区，年均降水873 mm，降雨集中在5—10月份。汉江流经陕西、湖北两省，由西向东依次经过汉中、安康、十堰、襄阳，于武汉汇入长江。其河谷深切于基岩之中，河道蜿蜒曲折，峡谷与盆地交替出现。沿河两岸发育有四级阶地，其中一级河流阶地最为平坦宽缓，堆积了厚度不等的厚层黄土，受流水侵蚀较弱，保存完整，呈现为面积不等的平坦黄土台地。
1.2 研究材料本文选择庹家湾(TJW)剖面为研究对象，位于湖北郧县观音镇垭子湾村，汉江左岸一级河流阶地上(图 1)。该地点由于当地人为活动，形成了新鲜的垂直断面，一级阶地河流相及其上覆盖层暴露出来，清晰可见厚层黄土覆盖于砾石层上。对其进行详细观察并未发现明显的沉积间断。
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| 图 1 汉江上游谷地采样点分布图 Figure 1 The distribution map of sample points in the upper reaches of Hanjiang valley |
根据野外考察并结合室内实验数据，将TJW剖面从上向下依次划分为：1)0~30 cm，表土(MS)，浊棕色(7.5YR6/3)，黏土粉砂质地，团粒构造，疏松多孔，多植物根系。2)30~66 cm，近代黄土(L0)，浊黄橙色(10YR7/4)，粉砂质地，团块—块状构造，结构均匀，比较疏松，具有明显的成壤特征。3)66~160 cm，古土壤(S0)，亮棕色—红棕色(5YR5/6—5YR5/4)，黏土质地，典型的棱块状构造，致密紧实，比较坚硬，裂隙面有大量暗棕色黏土胶膜沉淀，结构体内部仍为棕色。4)160~178 cm，过渡层(Lt)，浊黄橙色(10YR6/4)，过渡性黄土，粉砂质地，块状构造。5)178~560 cm，马兰黄土(L1)，浊黄橙色(10YR7/4)，粉砂质地，均匀块状构造，十分疏松，典型黄土。在228~260 cm和294~370 cm呈暗红棕色(5YR3/6)，黏土粉砂质地，弱棱块状结构，较紧实和较坚硬，显示明显成壤特征。6)560~818 cm，黄土与砂互层(T1-al2)，黄土层与较薄砂层交互出现，其中黄土层呈浊黄橙色(10YR7/4)，为粉砂—细砂质地，疏松且干净，而砂层呈细砂质地，十分疏松且干净的粒状结构。7)818~838 cm，砾石层(T1-al1)，典型二元结构，纯净砂层(厚度 > 100 cm)，直接覆盖在河流相砾石层。
2 研究方法自剖面顶部向下，以2 cm为间距进行连续采样，其中570 cm以下4 cm连续采样(采至砾石层顶界)，共获得353个样品。样品在室内自然风干后进行相关实验分析。元素测量方法：将自然风干的土样放入磨土机内研磨至200目以内，称取4.0 g土样放入YY60型压力机中，覆盖适量硼酸压成可用圆片，用荷兰Panalytical公司生产的X-Ray荧光光谱仪(PW2403) 进行测量，实验误差 < 5%。磁化率测量方法：用MS-2型磁化率仪(英国Bartington公司生产)进行测量，每个样品重复测3次，取平均值。OSL年龄在陕西师范大学光释光测年实验室完成，样品等效剂量值的测量是在装有90Sr/90Y型β辐射源的释光仪(RISø-TL/OSL-20型)上进行，采用粗颗粒(90~125 μm)石英单片再生剂量法(SAR)获得，且光释光测年数据的可靠性通过等效剂量值的频率分布、样品自然释光信号的离散度和样品第一次再生剂量的释光信号的离散度进行分析，说明数据是可靠的。
3 实验结果与分析 3.1 磁化率特征磁化率的高低反映了气候的干湿状况，对风化强度有良好的指示作用，并得到广泛应用[20-25]。TJW剖面中不同地层单元之间磁化率差异明显，并具有磁化率值与地层同步变化的特点(图 2)。实验数据显示，TJW剖面中磁化率分布在29.4×10-8~207.8×10-8 m3/kg之间，平均值为113×10-8 m3/kg。古土壤(S0)表现为明显的高值区，平均值为166.15×10-8 m3/kg。近代黄土(L0)磁化率值为156.88×10-8 m3/kg，在曲线图上表现为谷值(图 2)，低于表土层(MS)和古土壤(S0)。马兰黄土(L1)的磁化率变化范围为57.4×10-8~115.9×10-8 m3/kg，平均值为75.78×10-8 m3/kg，为明显的低值区。但值得注意的是，在228~260 cm和294~370 cm的深度处，其磁化率值呈现出明显的峰值，分别为136.83×10-8 m3/kg和162.22×10-8 m3/kg，接近于古土壤(S0)的磁化率值，这说明在马兰黄土层中228~260 cm和294~370 cm的深度处铁磁性矿物含量高，出现较强烈的化学风化作用，具有一定的成壤特征。
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| 图 2 庹家湾(TJW)剖面常量元素含量变化曲线图 Figure 2 Constant element curves of the section at TJW profile |
(1) 实验数据显示：在整个剖面中常量元素以SiO2、Al2O3和Fe2O3为主，常量元素的平均含量(g/kg)排序为：Si (355.83) > Al (79.62) > Fe (62.64) > Na (26.07) > K (18.22) > Mg (16.51) > Ca (7.01)。
(2) 各地层单元之间同种常量元素含量差异显著，并与磁化率值呈现同步变化的特点(图 2)。Al2O3和Fe2O3的含量在古土壤(S0)中最高，平均值分别为82.52 g/kg和67.24 g/kg；马兰黄土(L1)则为低值区，分别为78.82 g/kg和61.02 g/kg；过渡层黄土(Lt)中Al2O3和Fe2O3的含量略高于马兰黄土(L1)，为80.47 g/kg和62.32 g/kg；近代黄土(L0)中的含量为79.79 g/kg和62.33 g/kg。CaO和Na2O的含量变化则与Al2O3和Fe2O3的呈相反趋势(图 2)。古土壤(S0)中CaO和Na2O的含量为整个剖面的最低值，平均值分别为5.52 g/kg和23.21 g/kg；在马兰黄土(L1)为高值区，平均值分别为6.08 g/kg和27.86 g/kg；过渡层黄土(Lt)中CaO和Na2O的含量的略低于马兰黄土(L1)，为5.78 g/kg和26.69 g/kg；近代黄土(L0)为6.01 g/kg和26.37 g/kg。K2O、SiO2和MgO的含量变化趋势大致相同(图 2)，在古土壤(S0)中的含量略低，分别为18.05 g/kg、356.17 g/kg和15.83 g/kg；马兰黄土(L1)中的含量略有升高，分别为18.49 g/kg、358.72 g/kg和16.64 g/kg。
(3) 马兰黄土(L1)中Al2O3和Fe2O3的含量虽然处于低值区，但是在228~260 cm和294~370 cm的深度处Al2O3和Fe2O3的含量要远高于马兰黄土(L1)，228~260 cm处的Al2O3和Fe2O3的含量分别为81.39 g/kg和63.24 g/kg，294~370 cm处Al2O3和Fe2O3的含量为81.20 g/kg和65.16 g/kg。马兰黄土(L1)中CaO和Na2O的含量为高值区，但是在228~260 cm和294~370 cm的深度处CaO和Na2O的含量要低于马兰黄土(L1)，228~260 cm处的CaO和Na2O的含量分别为6.00 g/kg和26.31 g/kg，294~370 cm处CaO和Na2O的含量分别为5.74 g/kg和25.20 g/kg。
4 讨论 4.1 TJW剖面常量元素迁移序列为了精确表述沉积物在风化过程中元素淋溶迁移与富集程度，通常选用较稳定元素Al或Ti作为参考系，计算土壤剖面中其他元素在地层中的迁移能力[5-6, 13-14, 26]。以马兰黄土(L1)代表近似的原始母质，选用变异系数较小的Ti来作为参照系。计算古土壤及弱古土壤层中其他元素的迁移率：Δ=[(Mx/MT)/(Nx/NT)-1]×100%。式中：Mx、MT分别代表元素X和Ti的含量，Nx、NT分别代表母质层中元素X和参比元素Ti的含量。若Δ < 0，则反映元素X在该层中相对于参比元素发生迁移，若Δ > 0，则反映元素X在该层中相对于参比元素富集。结果显示(图 3)，相对于稳定元素Ti，古土壤(S0)和弱古土壤(L1~S1和L1~S2)中的K、Si、Mg、Ca、Na元素发生不同程度的淋溶迁移，而Fe和Al元素相对富集，由此可得这些元素在黄土化学风化过程中的活动迁移能力强弱为：Na > Ca > Mg > Si > K > Al > Fe。
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| 图 3 TJW剖面常量元素相对于Ti元素的迁移率 Figure 3 Migration ratio of major elements related to the stable element Ti in the TJW profile |
剖面形成过程中的气候变化可以用元素的淋溶迁移和富集程度来说明，在温暖湿润时期，土壤中活动性元素(K、Si、Mg、Ca、Na)迁移现象明显，活动性弱的元素出现富集现象，而在寒冷干旱的环境下淋溶作用则比较微弱。TJW剖面古土壤层中，Na和Ca元素的强烈淋溶，Fe和Al元素富集作用明显(图 3a)，反映该时期气候温暖湿润，有利于易溶元素的迁移。同样在弱古土壤层(L1~S1和L1~S2)中活动性元素的迁移作用较为明显(图 3b，c)，说明在弱古土壤层(L1~S1和L1~S2)的形成过程中化学风化程度要高于马兰黄土(L1)，成壤作用明显。
4.2 TJW剖面风化成壤程度分析化学蚀变指数(CIA)是反映化学风化程度的常用指标[27-29]，CIA值越大，说明经历的风化作用越强[5-6]，其公式为：CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+K2O+Na2O)]×100%。式中：各项均为氧化物分子摩尔数，CaO*指存在于硅酸盐矿物中的摩尔含量。TJW剖面中CIA波动明显(图 4)，在古土壤(S0)呈现为高值区，为55.25，马兰黄土(L1)中则表现为低值，为50.96；但是在228~260 cm和294~370 cm的深度处的CIA值分别为52.64和53.29(表 1)，高于马兰黄土(L1)。说明古土壤在形成过程中经历了强烈的化学风化作用，而马兰黄土在形成时期的化学风化作用则较为微弱，但不是持续的，在228~260 cm和294~370 cm处化学风化作用则要较为强烈，明显高于马兰黄土(L1)，而又略低于古土壤(S0)。
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| 图 4 TJW剖面地球化学风化参数曲线图 Figure 4 Diagrams showing the curves of geochemical weathering parameters TJW profile |
| 地层 | 化学蚀变指数 | 钾钠比值 | 残积指数 | 淋溶系数 |
| 古土壤(S0) | 55.25 | 0.78 | 1.43 | 0.81 |
| 马兰黄土(L1) | 50.96 | 0.67 | 1.20 | 0.96 |
| 弱古土壤(L1~S1) | 52.64 | 0.70 | 1.27 | 0.90 |
| 弱古土壤(L1~S2) | 53.29 | 0.74 | 1.31 | 0.88 |
钾钠比值(K2O/Na2O)是衡量样品中斜长石风化程度的指标，也可用于反映沉积物的风化程度。由于Na比K易于淋失，因此其钾钠比值与沉积物的风化程度呈正相关[30]。TJW剖面中钾钠比值的变化与CIA参数变化特征相同(图 4)。表现为：马兰黄土为低值区，古土壤(S0)呈现出明显的高值，值得注意的是在228~260 cm和294~370 cm深度处呈现出高值(表 1、图 4)。指示了在古土壤形成时期的风化强度要远高于马兰黄土形成时期，而马兰黄土在形成时期又经历了两段较为短暂的风化程度较强的时期。
残积指数((Al2O3+Fe2O3)/(CaO+MgO+Na2O))作为反映铁铝富集程度的重要参数，可衡量成土母质风化及成壤强度[31]。TJW剖面中残积系数的变化范围为0.72~1.43，此曲线与CIA变化曲线一致(图 4)，最高值出现在古土壤(S0)，为1.43；马兰黄土(L1)为低值区，平均值为1.20；但是在228~260 cm和294~370 cm深度处的残积系数远高于马兰黄土(L1)，分别为1.27和1.31(表 1、图 4)。此现象说明在古土壤(S0)中Ca、Na大量淋失迁移而Fe、Al相对富集，风化淋溶作用强烈；相反马兰黄土(L1)的风化淋溶作用微弱，而228~260 cm和294~370 cm深度处的风化淋溶作用强烈，进一步证实此深度处为两层弱古土壤层(L1~S1和L1~S2)。
淋溶系数反映了活动组分与惰性组分之间的联系，与气候的干湿变化密切相关[32]，其低值反映了暖湿气候特征，风化淋溶作用强烈；高值则反映干旱少雨的气候特征，土壤的风化程度降低[31-32]。TJW剖面的淋溶系数((CaO+K20+Na2O)/Al2O3)曲线与CIA值、钾钠比值、残积系数的变化完全相反(图 4)，在古土壤(S0)为低值区，马兰黄土(L1)为高值区，并且在228~260 cm和294~370 cm深度处低于马兰黄土(L1)(表 1、图 4)，表明228~260 cm和294~370 cm深度处的风化成壤作用明显。
通过对化学蚀变指数、钾钠比值、残积指数和淋溶系数的分析，可以得出古土壤(S0)的化学风化程度明显高于马兰黄土层(L1)，并且马兰黄土层中弱古土壤层(L1~S1和L1~S2)的化学风化程度也要高于马兰黄土层(L1)。
4.3 TJW剖面化学风化强度反映的气候变化通过元素的迁移变化率(Δ)、化学蚀变指数(CIA)、及其他参数(磁化率、K2O/Na2O等)明确指示了自晚更新世以来的化学风化程度和成壤演变过程。磁化率值、常量元素中Fe和Al含量、化学蚀变指数、以及钾钠比这些指标在马兰黄土(L1)都表现为明显的低值区，而Ca和Na元素的含量及硅铝系数在马兰黄土(L1)都表现为明显的高值区(图 2，4)，说明马兰黄土(L1)的淋溶迁移作用十分微弱。古土壤(S0)的磁化率值、常量元素中Fe和Al含量、化学蚀变指数、以及钾钠比高于马兰黄土(L1)，在剖面中表现为高值区，Ca和Na元素的含量及硅铝系数低于马兰黄土(L1)(图 2，4)，说明古土壤(S0)的化学风化程度要远高于马兰黄土(L1)。在马兰黄土层中228~260 cm和294~370 cm深度处的磁化率值、常量元素中Fe和Al含量、化学蚀变指数等要高于马兰黄土(L1)，Ca和Na元素的含量、硅铝系数等低于马兰黄土(L1)(图 2，4)，并且常量元素的迁移率也显示在此深度处Na和Ca元素的淋溶作用明显，Fe和Al元素富集作用明显(图 4)，说明在此深度处的化学风化作用明显且成壤作用较好，高于马兰黄土而又略低于古土壤，应为两层弱古土壤层。而OSL测年数据显示，弱古土壤发生时间在27.5~21.5 ka B.P.期间。此数据与黄土高原地区的可进行良好对比，年龄数据基本一致，是记录气候变化的直接证据[32-34]。
TJW剖面下部马兰黄土(L1)的可溶性元素的淋溶迁移作用十分微弱、风化程度低，说明在此时期气候以干冷为主，环境恶劣，冬季风强盛；但是马兰黄土层中弱古土壤层(L1~S1和L1~S2)的淋溶迁移作用要高于马兰黄土(L1)(图 5)，说明在末次冰期气候并非持续干冷，在此期间(27.5~21.5 ka B.P.)可溶性元素淋溶作用明显，风化成壤作用较强，气候相对温暖湿润，此次气候波动不仅在汉江上游地区庹家湾剖面记录，翟新伟等[32]在甘肃会宁剖面发现在30.04~24.47 ka B.P.期间气候为温暖湿润阶段，陈一萌等[33]在黄土高原西部临夏塬堡剖面同样发现在31~ 25 ka B.P.期间气候存在中等暖湿阶段，并与古里雅冰芯、北极GRIP冰芯进行对比。因此在TJW剖面发现的27.5~21.5 ka B.P.期间气候转暖事件，是对此期间全球性的气候变暖事件的一次响应。
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| 图 5 TJW剖面残积指数与钾钠比值以及退碱指数与淋溶系数相关关系图 Figure 5 Correlation between (Al2O3+Fe2O3)/(CaO+MgO+Na2O) and K2O/Na2O, (Na2O+CaO)/Al2O3 and (CaO+K20+Na2O)/Al2O3 in the TJW profile |
末次冰期结束后，气候向暖湿转变，在古土壤(S0)时期达到最为温暖湿润阶段，在此时期风化成壤作用强烈，可溶性元素淋溶作用强烈；在全新世晚期(3.1 ka B.P.以来)，形成近代黄土(L0)，说明自全新世晚期以来，冬季风又开始逐渐加强，气候暖湿程度开始降低；表土层的元素含量变化与人类活动密切相关。
5 结论(1) 汉江上游TJW剖面的有关地球化学参数，如化学蚀变指数、钾钠比、硅铝系数、淋溶系数、残积系数等，说明古土壤(S0)形成时期的化学风化最为强烈，马兰黄土形成时期的风化作用比较微弱，但是在马兰黄土228~260 cm和294~370 cm深度处的风化作用较强，成壤作用明显，属于弱古土壤层(L1~S1和L1~S2)。
(2) 马兰黄土形成时期(55~11.5 ka B.P.)风化作用微弱，说明区内气候干燥寒冷，冬季风强盛；弱古土壤层(L1~S1和L1~S2)形成时期化学风化作用较强，说明在晚更新世时期气候并非是持续干燥寒冷，在27.5~21.5 ka B.P.期间出现短暂的气候转暖事件，气候温暖湿润，成壤条件较好，并且此次气候事件是对氧同位素3阶段全球性气候变暖事件的一次响应；过渡层黄土(Lt)的存在则说明气候由干冷向暖湿转变；古土壤(S0)的风化程度最强说明在此时期气候最为温暖湿润；近代黄土(L0)的风化强度弱于古土壤指示了在全新世晚期气候由暖湿开始向冷干转变。
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