漢江上游黃土剖面環(huán)境演變的地球化學(xué)特征

漢江上游黃土剖面環(huán)境演變的地球化學(xué)特征

1元素遷移特征揭示地球歷史環(huán)境變化的特點、發(fā)生機(jī)制和原因是以往全球變化研究的基本任務(wù)。自新世末以來，氣候穩(wěn)定性的研究一直是重點。黃土—古土壤序列作為研究古季風(fēng)氣候演變的主要感應(yīng)體,其中黃土與古土壤間的風(fēng)化成壤強(qiáng)度差異實質(zhì)是元素重新組合及遷移特征存在差異。與此同時,化學(xué)參數(shù)變化及元素特征還可指示物質(zhì)來源、定量分析風(fēng)化成壤強(qiáng)度、反映成壤環(huán)境演變。諸多學(xué)者對黃土高原、長江中下游、新疆及川西地區(qū)黃土的化學(xué)元素特征進(jìn)行了深入研究,但針對漢江上游一級階地上覆黃土的元素化學(xué)研究尚屬空白。據(jù)研究表明,漢江上游谷地一級階地上覆黃土為風(fēng)成堆積產(chǎn)物且與渭河谷地黃土同源,但漢江流域地處北亞熱帶北緣且與渭河谷地氣候條件有所差異,兩區(qū)域的黃土—古土壤序列的化學(xué)風(fēng)化成壤強(qiáng)度是否存在差異,是反映秦嶺南北兩側(cè)古氣候是否存在差異的重要證據(jù)。因此本文分別以堯禾村(YHC)剖面、彌陀寺(MTS)剖面作為渭河谷地及漢江上游谷地黃土的典型剖面,探究秦嶺南北兩側(cè)的黃土化學(xué)風(fēng)化程度、元素遷移、富集規(guī)律,及其對區(qū)域古氣候響應(yīng)特征的差異及共性。2yhc、mts、pb剖面堯禾村(YHC)剖面位于秦嶺北側(cè)渭河谷地的黃土臺塬面,而彌陀寺村(MTS)剖面為上覆于漢江上游谷地一級階地(T1)之上的厚層風(fēng)成黃土,其底端清晰可見河漫灘二元沉積結(jié)構(gòu),推斷其為晚更新世后T1形成之后,大量風(fēng)塵在T1上持續(xù)堆積的產(chǎn)物。兩剖面選取地點皆平坦且寬闊,較少受水土流失和人為活動干擾;兩區(qū)域成土母質(zhì)基本相同,但由于秦嶺的屏障作用,兩剖面現(xiàn)所屬的氣候帶不同。YHC剖面處于暖溫帶,年均溫為6℃-14℃,多年平均降水量為577.8mm,年均塵暴天數(shù)約為45d;而MTS剖面屬于北亞熱帶,年均溫為14℃-18℃,多年平均降水量為873mm,年均塵暴天數(shù)約為30d。因此區(qū)域植被和主要土壤類型均存在差異,渭河谷地廣泛分布褐土而漢江上游谷地多為黃褐土。3實驗材料與方法2009年10月、2012年5月分別對渭河谷地及漢江上游谷地進(jìn)行野外考察。在保證采樣點地形特征、排水條件、母質(zhì)類似的前提下,選取地層序列特征一致的MTS和YHC剖面(表1)。MTS與YHC剖面的顏色、質(zhì)地、土壤發(fā)育狀況比較,兩剖面黃土層(L0、Lt、L1)顏色、質(zhì)地相近,而MTS古土壤層(S0)顏色深于YHC,且多發(fā)育棱塊結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)面存在明亮的棕色粘土膠膜。野外觀察指示MTS的S0成壤強(qiáng)度強(qiáng)于渭河谷地,仍需有實驗數(shù)據(jù)進(jìn)一步支持該觀點。對YHC、MTS剖面均自上而下進(jìn)行高密度采樣(密度為2cm),樣品數(shù)量分別為150個和300個。本文所涉及的實驗均在陜西師范大學(xué)實驗室完成,操作時間分別為2011年5月及2012年5月。其中磁化率采用英國Bartington公司生產(chǎn)的MS-2B型磁化率儀測量?；瘜W(xué)元素采用荷蘭Panalytical公司生產(chǎn)的X-Ray熒光光譜儀(PW2403)測量,實驗中加入標(biāo)準(zhǔn)樣品(GSS-1),誤差控制在5%內(nèi)。OSL測年采用單片再生劑量法,用丹麥生產(chǎn)的RISTL/OSL2DA215儀器測量,釋光信號通過9235QB15光電倍增管檢測,濾光片為U340。4結(jié)果分析4.1土壤條件特征結(jié)果比較MTS和YHC剖面的常量化學(xué)元素組成特征(表2、圖1):(1)MTS與YHC剖面主要物質(zhì)組成均以Si、Fe、Al為主,三者含量之和分別占兩剖面元素總量的83.24%、77.41%。常量元素含量的排序特征為:Si>Al>Fe>K≈Mg>Na>Ca;除Ca元素外,其它常量元素含量的垂向變異系數(shù)(CV)均小于11%,說明秦嶺南北兩側(cè)的黃土—古土壤序列的物質(zhì)組成從上至下高度一致且混合性強(qiáng),具備風(fēng)成黃土組成均一的特征,兩剖面的常量元素含量相近則支撐了秦嶺南北兩側(cè)黃土母質(zhì)一致的觀點。(2)性質(zhì)相對穩(wěn)定的Fe2O3、Al2O3、K2O含量在MTS剖面各地層的含量均高于YHC,而性質(zhì)活潑的MgO、Na2O、CaO含量在MTS剖面均低于YHC,該特征暗示了漢江上游谷地黃土剖面的易溶性元素相對于渭河谷地的黃土剖面有所淋溶,而化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定的Fe、Al、K,由于活性元素的淋溶,則含量相對增高,該特征表明:母質(zhì)和成因一致的黃土在不同區(qū)域其元素含量會對區(qū)域環(huán)境發(fā)生相應(yīng)的響應(yīng)作用。將常量元素含量與成壤強(qiáng)度指標(biāo)—磁化率進(jìn)行相關(guān)性分析(圖1、表2),發(fā)現(xiàn)常量元素含量與磁化率存在相關(guān)關(guān)系,其中穩(wěn)定性元素Fe、Al、K含量與磁化率呈正相關(guān)關(guān)系,而易溶性元素含量與穩(wěn)定性元素Fe含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖1a-c,MTS剖面,Fe2O3、Al2O3、K2O與磁化率的相關(guān)性系數(shù)分別為0.75、0.62、0.85;YHC剖面中,Fe2O3、Al2O3、K2O與磁化率的相關(guān)性系數(shù)分別為0.53、0.80、0.70;圖1d-f,MTS剖面Fe2O3與Na2O、MgO、CaO的相關(guān)性系數(shù)為-0.90、-0.42、-0.48;YHC剖面Fe2O3與Na2O、MgO、CaO的相關(guān)性系數(shù)為-0.86、-0.10、-0.10)。據(jù)圖1a-c知,Fe、Al、K含量隨著地層成壤強(qiáng)度變化而呈規(guī)律性變化,其中古土壤層(S0)成壤強(qiáng)度較高(MTS剖面的磁化率值可達(dá)271.6×10-8m3/kg),Fe、Al、K元素伴隨著易溶元素(Na2O、MgO、CaO)的淋溶,含量相應(yīng)增加,而易溶性元素含量降低。黃土堆積層(L0、L1、Lt)化學(xué)風(fēng)化作用及成壤作用微弱,活性元素較少被淋溶,Fe、Al、K元素含量也相對降低。據(jù)圖1d-f表明,Fe元素含量與活動性元素Na、Mg、Ca含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,暗示Fe元素含量變化與活動性元素遷移及淋溶量存在關(guān)系,其機(jī)理應(yīng)為易溶性元素淋溶越多,Fe元素含量相應(yīng)增加。據(jù)Fe元素含量與磁化率及易溶元素含量的相關(guān)性知,在漢江上游谷地及渭河谷地,Fe含量在同一風(fēng)成黃土剖面中的增減,可指示剖面內(nèi)成壤強(qiáng)度及可溶性元素淋溶程度的變化。將MTS、YHC剖面的常量元素組分與上部陸殼(UCC)平均化學(xué)成分比較(圖2),發(fā)現(xiàn):除Ca和Na外,成分分布曲線均呈平坦線型且靠近UCC平均含量,該特征指示兩剖面馬蘭黃土(L1)及古土壤(S0)的常量元素含量與UCC化學(xué)含量較為一致,指示渭河谷地及漢江上游谷地的黃土均來源廣泛并經(jīng)過充分混合,因此趨近上部陸殼平均化學(xué)成分。而Na和Ca元素偏離上部地殼平均組成,可能是易溶性元素在不同環(huán)境影響下的風(fēng)化程度區(qū)別。其中,YHC剖面Ca含量相對UCC富集,而MTS剖面Ca與UCC相比呈虧損狀態(tài),該區(qū)別可能由于漢江上游谷地濕熱的古氣候狀況,導(dǎo)致Ca被大量淋失,而相對冷干的渭河谷地CaCO3呈相對富集;YHC剖面馬蘭黃土層(L1)的Ca元素含量高于古土壤層(S0),是由于S0層成壤過程中Ca元素遭受劇烈的淋溶,而L1層的成壤作用較弱,接近于母質(zhì)。此外,MTS與YHC剖面的L0及S0層的Na元素均低于UCC,且虧損程度一致,可能是兩剖面的Na元素在源區(qū)就發(fā)生了淋失,后期改造作用較小所致。4.2cts和yhc分析斜長石、鉀長石占地殼礦物總體積含量的41%和21%。長石作為化學(xué)風(fēng)化反應(yīng)的主要礦物,而長石風(fēng)化過程中,Na、K、Ca在硅酸鹽中大量被淋溶后,將產(chǎn)生富Al的黏土礦物,使Al2O3與CaO*+Na2O+K2O的比值(CIA)增加。但由于K元素性質(zhì)相對穩(wěn)定存在富集情況,因此Harnois為此提出化學(xué)風(fēng)化指數(shù)CIW,CIW與CIA表達(dá)式相似,分別為:式中:均為氧化物分子摩爾數(shù);CaO*指存在于硅酸鹽礦物中的CaO。當(dāng)CaO的摩爾數(shù)大于Na2O時,可以認(rèn)為mCaO*=mNa2O;而小于或等于Na2O時,則mCaO*=mCaO。CIA和CIW均有效地指示樣品中長石風(fēng)化成粘土礦物的程度,兩風(fēng)化強(qiáng)度指標(biāo)越大,風(fēng)化程度越高。據(jù)馮連君研究,CIA在50~65間,反映寒冷干燥環(huán)環(huán)境下發(fā)生的低等的化學(xué)風(fēng)化;當(dāng)CIA值在65~85間,反映溫暖、濕潤的環(huán)境發(fā)生的中等風(fēng)化程度;CIA值在85~100之間,反映在炎熱、潮濕的環(huán)境條件下的強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化。據(jù)表1,MTS與YHC剖面除馬蘭黃土層(L1)外,其他地層均為中等風(fēng)化強(qiáng)度,遠(yuǎn)高于UCC的CIA值47.92,各地層CIA排序特征均為:馬蘭黃土層(L1)<過渡層(Lt)<近代黃土(L0)<古土壤(S0)。MTS各地層的CIA均值雖然略大于YHC剖面,但差距不大,可能是由于K元素富集造成,故選擇CIW指標(biāo)對兩區(qū)域風(fēng)化強(qiáng)度對比,補(bǔ)充論證。YHC剖面CIW均值為74.88,顯著低于MTS剖面CIW均值為77.95,其YHC各地層的CIW值也顯著高于MTS的對應(yīng)地層(表1),兩區(qū)域古土壤層(S0)的CIW值的差值可達(dá)3.54,過渡層(Lt)、近代黃土層(L0)、馬蘭黃土層(L1)的差值依次減小,表明同母質(zhì)黃土在漢江谷地經(jīng)歷的風(fēng)化成壤強(qiáng)度強(qiáng)于渭河谷地,其中S0形成期的風(fēng)化程度差異最大。4.3不同立地條件下下人工古土壤層元素遷移變化元素絕對含量并不能揭示真實的地球化學(xué)行為,因為化學(xué)風(fēng)化過程中,元素的淋溶和遷移直接影響元素的遷移和富集的實際情況。以穩(wěn)定性元素含量作為參照,用遷移變化率(△)反映元素在地層中的遷移能力更為真實有效。本文以風(fēng)化最弱的馬蘭黃土層(L1)代表原始母質(zhì),選用元素含量變異系數(shù)(CV)較小的K作為參照標(biāo)準(zhǔn),計算渭河谷地與漢江上游谷地S0層的各常量元素相對于L1的遷移變化率:式中:Xs、Ks分別代表古土壤層中元素X和K的含量;Xp、Kp分別代表馬蘭黃土(L1)中X和K的含量;若△<0,則反映元素X在古土壤層相對K遷出;若△>0,則說明元素X相對富集。結(jié)果顯示(圖4),YHC及MTS剖面內(nèi)S0層Fe的△>0,相對于K元素富集,說明Fe元素非常穩(wěn)定,是典型不活動性元素,以淀積和富集為主,而Fe元素性質(zhì)穩(wěn)定很少發(fā)生遷移,只是易溶性元素遷移,Fe元素相對含量增加,其中的Fe2+也只是從FeO轉(zhuǎn)化成為Fe3O4,Al、Si、Mg、Na、Ca元素均遷出狀態(tài)。根據(jù)△值知,漢江上游谷地MTS剖面的古土壤層(S0)各常量元素遷移能力排序特征為:Fe<K<Al<Si<Ca<Mg<Na;渭河谷地YHC的古土壤層(S0)常量元素活動性順序為:Fe<K<Al<Si<Mg<Na<Ca。將YHC和MTS剖面的遷移變化率比較,MTS的Na、Mg、Si的遷出率均高于YHC。由于MTS剖面內(nèi)馬蘭黃土層(L1)相當(dāng)于母質(zhì)層,CaCO3含量較低,而CaO不能遷移,故遷出率較低,而YHC剖面L1層的CaCO3含量顯著高于MTS,其遷移率較高,從而造成兩剖面的Ca元素遷移程度的差異。總體而言,漢江上游黃土活性元素遷出率均顯著高于渭河谷地黃土,即漢江上游黃土活性元素所遭受的淋溶、風(fēng)化作用更強(qiáng)烈。在YHC和MTS剖面中選擇2個代表性元素,分別為穩(wěn)定性元素Fe及強(qiáng)活動性元素Na,分析渭河谷地、漢江上游谷地元素遷移變化特征異同(圖5)。其中,Na元素化學(xué)性質(zhì)活潑,在暖濕條件下易被遷出和淋失,在MTS和YHC剖面中,Na元素在全剖面中總體呈現(xiàn)遷移淋溶特征,各地層遷出率排序均為:古土壤層(S0)>過渡層(Lt)>近代黃土層(L0)>馬蘭黃土(L1),表明古土壤層(S0)形成期,Na大量遷移、淋失,而馬蘭黃土層(L1)最接近原始母質(zhì),Na元素較少被淋失,表現(xiàn)為相對富集。比較MTS與YHC剖面的Na元素遷出率,發(fā)現(xiàn)MTS剖面Na元素全剖面的遷出率均值顯著大于YHC剖面,兩者遷移率分別為-11.9%和-5.9%,該特征暗示漢江上游谷地一級階地抬升以來的黃土—古土壤序列所經(jīng)歷的化學(xué)風(fēng)化及淋溶作用總體強(qiáng)于渭河谷地。Fe元素遷移率變化曲線總體與Na元素遷移率變化曲線相位相反,指示Fe不同于活性元素Na的淋失狀態(tài),在MTS和YHC剖面中呈富集狀態(tài),但穩(wěn)定性質(zhì)的Fe元素△值變化范圍遠(yuǎn)小于活性元素Na(圖5)。MTS及YHC剖面各地層Fe元素遷移率排序特征為:古土壤層(S0)<過渡層(Lt)/近代黃土層(L0)<馬蘭黃土(L1),表明古土壤層(S0)形成期,活動性元素大量分解、淋失,使穩(wěn)定性元素Fe含量相對增加,該特征與剖面顏色及質(zhì)地變化特征相吻合,兩剖面古土壤層(S0)顏色明顯深于黃土層,S0層質(zhì)地致密堅硬,MTS剖面的S0層更伴有棱狀塊結(jié)構(gòu)及大量紅棕色鐵錳膠粘膜裂隙面,這些特征均顯著不同于均質(zhì)且疏松的濁黃橙色的粉砂質(zhì)的黃土層(L0/L1/Lt),且證實S0層所經(jīng)歷的風(fēng)化、成壤作用更強(qiáng)。兩剖面Fe元素在S0層的相對富集程度接近,并在MTS剖面170~190cm及YHC剖面120~140cm的Fe元素遷移率均出現(xiàn)“谷值”,說明兩剖面S0層中均存在一段弱成壤層,依據(jù)MTS剖面OSL測年及對YHC剖面內(nèi)插年齡(通過地層對比知,S0層形成年齡為3100-8500aB.P),判斷其形成時間的起訖時間約為6000-5000aB.P。4.4對成壤氣候的影響根據(jù)MTS、YHC剖面的化學(xué)組成均一、成分類似、馬蘭黃土層(L1)CIA值相近等證據(jù),指示漢江上游谷地與渭河谷地的母巖成分基本相同,此外野外選取剖面過程中避免了地形、排水條件、水土流失的影響,但兩谷地黃土—古土壤序列的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度卻存在差異,可推測氣候因素為影響區(qū)域黃土—古土壤風(fēng)化速度、強(qiáng)度及遷移率的主要制約因素。依據(jù)元素分布特征、化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度及元素遷移特征等指標(biāo)知,漢江上游谷地黃土—古土壤序列的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度明顯強(qiáng)于渭河谷地。以將今論古原則比較漢江谷地與渭河谷地的環(huán)境特征,發(fā)現(xiàn)秦嶺南側(cè)溫度和降水量均顯著高于暖溫帶的渭河谷地,這可能正是兩剖面成壤強(qiáng)度差異的主要原因。Na、Fe元素遷移率剖面演變特征指示漢江上游谷地與渭河谷地經(jīng)歷了相同氣候演變過程,即古土壤層(S0)形成期(3100-8500aBP),Na淋溶作用強(qiáng)烈,而穩(wěn)定元素Fe含量相對增加,指示該階段氣候溫暖濕潤;近代黃土層(L0)形成期(3100-1500aBP)、過渡層(Lt)形成期(11500-8500aBP)、馬蘭黃土(L1)堆積期的Na元素富集、Fe元素含量相對降低,指示這三個階段氣候干燥、寒冷,塵暴頻繁且強(qiáng)烈。此外,MTS剖面170~190cm深度及YHC剖面120~140cm深度的Fe元素含量相對低值帶及Na元素低遷出率帶,指示漢江上游谷地及渭河谷地共同經(jīng)歷了6000-5000aBP的氣候惡化事件,該事件也被其他地區(qū)記錄,如內(nèi)蒙古大青山冰緣活動事件,洛川、千河流域靈化村、岐山、戶縣、渭南、廟底等多剖面全新世古土壤(S0)內(nèi)黃土夾層(Lx)所記錄的氣候干冷事件。5不同地層間的土壤條件及遷移順序分析通過比較渭河谷地及漢江上游谷地典型黃土—古土壤序列的常量元素組成特征、化學(xué)風(fēng)化程度、元素遷移特征,揭示秦嶺南北兩側(cè)的黃土—古土壤序列成壤強(qiáng)度及所指示環(huán)境演變特征如下:(1)秦嶺南北兩側(cè)典型剖面的化學(xué)成分均趨近于上部陸殼(UCC)化學(xué)成分,以SiO2、CaO、Al2O3為主,元素組成均一且高度混合,表明渭河谷地及漢江上游谷地的黃土來源廣泛,母質(zhì)類型一致,均為風(fēng)成所致。通過分析CIA、CIW值、Ca+Na丟失率、Fe、Na元素遷移率的地層間差異,判定自全新世以來,兩剖面均經(jīng)歷了中等強(qiáng)度的化學(xué)風(fēng)化作用,古土壤層的化學(xué)風(fēng)化指數(shù)及Ca、Na丟失率最高,常量元素活動性及遷移順序均表現(xiàn)為:Fe<K<Al<Si<Mg<