不同水熱條件下玄武質(zhì)火山屑發(fā)育特征比較研究

不同水熱條件下玄武質(zhì)火山屑發(fā)育特征比較研究

巖漿巖風(fēng)化形成的母質(zhì)和土壤形成應(yīng)經(jīng)過一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。巖石材料的組成和結(jié)構(gòu)的影響會(huì)導(dǎo)致土壤形成和發(fā)育時(shí)間。玄武巖的主要礦物為基性斜長(zhǎng)石和輝石，含有少量橄欖石、角閃石和黑云母等礦物，這些礦物抗風(fēng)化能力較弱，易于風(fēng)化形成土壤。玄武質(zhì)火山碴除具有此礦物組成外，還具有隱晶質(zhì)或玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)，多氣孔狀構(gòu)造等特點(diǎn)。在表生條件下，玄武質(zhì)火山碴因組成礦物易于風(fēng)化、玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、氣孔狀構(gòu)造增加了巖石或礦物表面與表生環(huán)境接觸面積，利于土壤形成，因此是研究土壤發(fā)生發(fā)育過程的良好材料火山碴的微觀研究包括對(duì)火山碴的粒度分析和對(duì)火山碴顆粒表面形態(tài)特征的研究。近二、三十年以來，火山地質(zhì)學(xué)者對(duì)火山碴開展了大量的微觀研究工作。于紅梅等對(duì)土壤黏土礦物進(jìn)行研究，也能有效地揭示土壤的發(fā)生發(fā)育規(guī)律。黃成敏等遼寧寬甸盆地屬于濕潤(rùn)氣候，保存有完好的火山地質(zhì)遺跡；內(nèi)蒙古達(dá)里諾爾和山西大同屬于半干旱氣候，也分布著多座火山。但對(duì)于火山，特別是干旱氣候區(qū)的火山，前人只從火山地質(zhì)學(xué)、元素地球化學(xué)等方面開展過一定程度的研究1材料和方法1.1土壤樣品采集達(dá)里諾爾、大同和寬甸火山群均由玄武質(zhì)火山碴錐組成。本研究在每個(gè)火山群各選取1個(gè)火山錐頂部土壤剖面，按照發(fā)生層次采集土壤樣本。土壤樣品在野外過2cm孔徑篩，對(duì)大于2cm的部分在野外進(jìn)行描述并稱重，小于2cm的部分稱重后帶回實(shí)驗(yàn)室用于分析化驗(yàn)。供試土壤剖面成土的環(huán)境條件見表1。1.2體視顯微觀察土壤樣品風(fēng)干、挑出植物根系后，用干篩法過5mm和2mm孔徑篩，過篩后<2mm的細(xì)土部分用濕篩法過0.5mm、0.25mm、0.1mm孔徑篩，得到20～5mm、5～2mm、2～0.5mm、0.5～0.25mm、0.25～0.1mm和<0.1mm6個(gè)粒級(jí)的土樣。<0.1mm粒級(jí)的土樣再用靜水沉降法進(jìn)一步分組。2～0.1mm粒級(jí)顆粒的形態(tài)學(xué)特征采用體視顯微鏡觀察。黏土礦物鑒定采用靜水沉降法提取黏粒，經(jīng)連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-碳酸氫鈉（DBC）法去鐵，分別進(jìn)行Mg2結(jié)果與分析2.1土壤質(zhì)地和粒徑分布特征供試剖面的宏觀形態(tài)描述和石礫含量見表2和表3。達(dá)里諾爾剖面（15-502）土壤中的石礫碴塊含量在650gkg對(duì)比三個(gè)剖面A和B層細(xì)土部分（<2mm）的土壤質(zhì)地可以發(fā)現(xiàn)，達(dá)里諾爾剖面為砂質(zhì)壤土；大同剖面2A層及以下是壤質(zhì)砂土和砂土（表層A是黃土）；寬甸剖面多為壤土。三個(gè)剖面從表層向下均呈現(xiàn)為質(zhì)地由細(xì)變粗的規(guī)律。土壤粒徑的分布可以指示土壤的風(fēng)化程度。土壤中的黏粒含量隨土壤剖面深度的增加而減少，同時(shí)土壤中的砂粒和石礫含量隨土壤剖面深度的增加而增加。達(dá)里諾爾和大同剖面中的石礫含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于寬甸剖面，細(xì)土部分的質(zhì)地也比寬甸偏砂，說明達(dá)里諾爾和大同土壤風(fēng)化程度弱于寬甸，但達(dá)里諾爾和大同兩個(gè)剖面的差距不明顯。2.2土壤的微觀形狀和石英的出現(xiàn)2.2.1砂粒級(jí)砂粒巖石學(xué)特征各層2～0.5mm粒級(jí)砂粒均風(fēng)化成褐紅色，部分表面為黃色。Ah層呈次棱角狀，棱角較明顯，其上有很多氣孔（圖1a);Bk層和CBk層呈棱角狀，比A層尖銳，其上的氣孔更清晰（圖1d、g）。0.5～0.25mm粒級(jí)砂粒多為褐紅色和黃色，有少部分表現(xiàn)為新鮮玄武巖本身的黑灰色。Ah層呈次棱角-棱角狀，其上氣孔較小，且不明顯（圖1b);Bk層和CBk層呈棱角狀，比Ah層尖銳（圖1e、h）。0.25～0.1mm粒級(jí)砂粒表現(xiàn)為褐紅、黃、黑灰三色，黑灰色砂粒明顯增多。Ah層呈次棱角-次圓狀，Bk層呈次棱角-棱角狀，CBk層呈棱角狀（圖1c、f、i）。Ah層和Bk層2～0.5mm粒級(jí)沒有石英，但0.5～0.25mm粒級(jí)中出現(xiàn)了石英（圖1b、e、h），含量<10%;0.25～0.1mm粒級(jí)中的石英含量比0.5～0.25mm粒級(jí)更多，約為10%～30%。說明玄武質(zhì)火山玻璃已經(jīng)發(fā)生了脫玻化作用2.2.2砂粒的形態(tài)觀察2～0.5mm粒級(jí)砂粒主要為褐紅色，帶氣孔；2Ahk層還有灰色無氣孔砂粒。Ahk層呈次棱角狀，其上氣孔明顯（圖2a);2Ahk層呈次棱角-棱角狀，其上氣孔較少（圖2d);2BCk1層和2BCk2層呈棱角狀，氣孔清晰，砂粒上的氣孔有多有少（圖2g、h）。0.5～0.25mm粒級(jí)砂粒呈褐紅色和灰色，少量黑灰色。Ahk層和2Ahk層形狀近似，為次棱角-棱角狀，其上氣孔較少（圖2b、e）。0.25～0.1mm粒級(jí)砂粒Ahk層以黑灰色為主，少量褐紅和灰色，棱角狀，其上氣孔少（圖2c);2Ahk層以灰色為主，少量褐紅和黑灰色，棱角狀，其上氣孔少（圖2f）。因2CBk1層和2CBk2層<0.5的砂粒太少，所以，未進(jìn)行0.5～0.25mm和0.5～0.25mm粒級(jí)的形態(tài)觀察。Ahk層0.5～0.25mm粒級(jí)沒有石英，但0.25～0.1mm粒級(jí)中出現(xiàn)了石英（圖1c），含量<10%;2Ahk層0.5～0.25mm和0.25～0.1mm粒級(jí)中均出現(xiàn)了石英（圖1e、f），含量<5%。2.2.3異形件層，表面科學(xué)表型寬甸剖面的微觀形態(tài)與上述兩個(gè)剖面有很大區(qū)別。各粒級(jí)砂粒多呈褐紅色，少量黑灰色和白（或無）色，其上不見氣孔；各層均出現(xiàn)了石英，表層較多，向下遞減。2～0.5mm粒級(jí)中，Ah層和AB層呈次圓-次棱角狀，Bw層呈次棱角狀，BC層以次棱角狀為主，有少量棱角狀（圖3a、d、g、j);0.5～0.25mm粒級(jí)中，Ah層和AB層呈次棱角狀，Bw層呈次棱角-棱角狀，BC層以棱角狀為主，有少量次棱角狀（圖3b、e、h、k);0.25～0.1mm粒級(jí)中，各層均呈次棱角狀-棱角狀（圖3c、f、i、l）。2.2.4砂粒的形狀、砂粒達(dá)里諾爾和大同0.5～2mm的砂粒多棱角、少氣孔，不含石英。寬甸0.5～2mm的砂粒通體風(fēng)化程度高，無明顯的棱角和氣孔狀構(gòu)造，含較多石英。達(dá)里諾爾和大同0.25～0.5mm的砂粒棱角突出，磨圓度差，多氣孔，含少量石英。寬甸0.25～0.5mm的砂粒呈次圓狀，無氣孔，石英含量較多。在0.1～0.25mm砂粒中，寬甸的風(fēng)化程度高于達(dá)里諾爾和大同，石英含量也多于達(dá)里諾爾和大同。2.3寬巖剖面衍射峰的變化大同剖面由火山碴發(fā)育的土壤，基本上無黏粒，不含黏土礦物。達(dá)里諾爾剖面（圖4）的自然片在1.00nm、0.50nm和0.33nm處形成3個(gè)強(qiáng)度不同的衍射峰，經(jīng)過Mg飽和、甘油飽和、K飽和及加熱處理后，衍射峰強(qiáng)度均不發(fā)生變化，說明含有伊利石；自然片在0.7nm和0.36nm處形成衍射峰，經(jīng)陽(yáng)離子飽和、甘油飽和、K飽和片加熱至300℃處理2h后，衍射峰仍然存在，但經(jīng)550℃處理2h后，峰值消失，說明含有高嶺石。寬甸剖面（圖5）在1.4nm處有衍射峰，甘油飽和后衍射峰未發(fā)生膨脹，Mg飽和處理后衍射峰增強(qiáng)，K飽和后的衍射峰強(qiáng)度較Mg飽和片降低，說明樣品中含有蛭石；K飽和片加熱至300℃后，1.4nm衍射峰向1.0nm處移動(dòng)，加熱至550℃后，在1.4nm和1.0nm之間形成低矮且較寬的衍射峰，說明樣品中含有羥基鋁蛭石；自然片在1.00nm、0.50nm和0.33nm處形成3個(gè)強(qiáng)度不同的衍射峰，經(jīng)過Mg飽和、甘油飽和、K飽和及加熱處理后，衍射峰強(qiáng)度不發(fā)生變化，說明含有伊利石；自然片在0.7nm和0.36nm處形成衍射峰，經(jīng)陽(yáng)離子飽和、甘油飽和、K飽和片加熱至300℃處理2h后，衍射峰仍然存在，但經(jīng)550℃處理2h后，峰值消失，說明含有高嶺石；自然片在0.45nm處有衍射峰，經(jīng)甘油飽和、陽(yáng)離子飽和、K飽和加熱300℃處理后，峰值不變，加熱至550℃后，峰值減弱，說明含有埃洛石。3土壤黏粒定向片衍射分析Torrent等未風(fēng)化的玄武質(zhì)火山碎屑物（主要為玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)）中不含石英，由于玻璃質(zhì)不穩(wěn)定，隨著地質(zhì)時(shí)代的增長(zhǎng)，玻璃質(zhì)將逐漸轉(zhuǎn)化為結(jié)晶物質(zhì)，即產(chǎn)生脫玻化作用從黏粒定向片衍射譜圖的分析來看，寬甸剖面黏土礦物類型最多，達(dá)里諾爾剖面有少量黏土礦物，大同剖面無黏土礦物。綜上，土壤的發(fā)育程度表現(xiàn)為：寬甸剖面>達(dá)里諾爾剖面>大同剖面。說明濕潤(rùn)地區(qū)的土壤成土作用強(qiáng)于半干旱地區(qū)。至于同為半干旱地區(qū)的達(dá)里諾爾和大同，由于大同較達(dá)里諾爾的年均溫高、蒸發(fā)量大，導(dǎo)致土壤中的水分含量低于達(dá)里諾爾，影響土壤的形成。也說明，在高緯度的半干旱地區(qū)，土壤水分含量對(duì)土壤形成的影響大于溫度。4土壤的成土作用(1）半干旱地區(qū)土體內(nèi)的石礫碴塊含量大于濕潤(rùn)地區(qū)。土壤細(xì)土部分，半干旱地區(qū)的砂粒風(fēng)化程度低于濕潤(rùn)地區(qū)，砂粒的棱角突出、氣孔明顯。半干旱地區(qū)土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土和砂土，濕潤(rùn)地區(qū)多為壤土。(2）玄武質(zhì)火山玻璃產(chǎn)生了脫?；饔?，導(dǎo)致土壤中含有一