峰山黃土主要化學(xué)成分的地球化學(xué)特征

峰山黃土主要化學(xué)成分的地球化學(xué)特征

黃土是研究第四紀(jì)環(huán)境變化的重要支撐。元素地球化學(xué)是1的主要代謝指標(biāo)。位于川東高原三峽地區(qū)的“巫山黃土”［2］,是黃土高原之外的一處重要的黃土堆積,具有十分重要的研究價(jià)值,早已引起學(xué)者們的關(guān)注,其中研究最多的是其成因問題［2～9］,這也是揭示其科學(xué)意義的基礎(chǔ)。目前,關(guān)于其成因尚存異議。就以往研究看,“巫山黃土”研究有必要加強(qiáng)以下兩方面的工作。一是尋找理想的研究剖面?！拔咨近S土”分布于云陽—秭歸的長江三峽河谷區(qū)。受地形影響常呈零星點(diǎn)狀分布,厚度常依其地貌位置的不同而差異較大,且堆積之后受強(qiáng)烈的邊坡地質(zhì)作用改造。前人所研究的“巫山黃土”剖面大都厚度較小,出露不完整。因此,尋找沉積連續(xù)、厚度大、出露完整的剖面,對(duì)“巫山黃土”的研究至關(guān)重要。二是需要從更多方面,采用更多手段進(jìn)行研究。這是因?yàn)椤拔咨近S土”地處夏季風(fēng)控制區(qū),黃土地質(zhì)、地貌特征不及黃土高原典型。近年,隨著三峽庫區(qū)移民搬遷和新城建設(shè),暴露出一些新的黃土剖面。筆者等最近在三峽地區(qū)進(jìn)行第四紀(jì)地質(zhì)調(diào)查時(shí),在新巫山縣城南和奉節(jié)紫陽城各發(fā)現(xiàn)一處出露良好的黃土剖面。特別是巫山縣城南剖面,厚度達(dá)15m,頂?shù)浊宄?出露完整［9］。本文在前期研究基礎(chǔ)上,依據(jù)黃土的元素地球化學(xué)特征和比值特征分析結(jié)果,結(jié)合前人對(duì)黃土高原、川西高原和長江中下游等黃土元素地球化學(xué)研究結(jié)果,運(yùn)用類比分析和物源判識(shí)的方法,對(duì)“巫山黃土”的成因和物源問題進(jìn)行了探討。1露頭剖面地質(zhì)特征本文研究的“巫山黃土”剖面位于巫山縣客運(yùn)港附近的長江左岸。該剖面為一建筑工地人工開挖的露頭剖面,剖面高約15m左右,是迄今為止巫山地區(qū)出露最好、厚度較大的“巫山黃土”剖面。剖面巖性主要以褐黃色和黃色的砂、粉砂和砂質(zhì)黏土組成,含有少量的鈣質(zhì)結(jié)核。剖面巖性均一,無層理,垂直節(jié)理發(fā)育,大孔隙明顯(圖1)。剖面具體特征詳見文獻(xiàn)。2樣品的采集和測試2.1地球化學(xué)樣品的采集采樣時(shí)剝?nèi)テ拭嫔媳韺油?向剖面內(nèi)挖0.15m深的豎槽,從剖面頂部開始,在槽內(nèi)壁自上而下以10cm間隔連續(xù)取樣,共采集地球化學(xué)樣品146件。室內(nèi)根據(jù)巖性變化特征不等間距送測了73件常量元素。2.2主量元素測試地球化學(xué)樣品測試是在國土資源部合肥礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成的,使用儀器為X射線熒光光譜儀。首先將樣品在常溫下自然風(fēng)干,然后將每件約5g重的樣品置于瑪瑙研缽中研磨,再用200目分析篩篩選后供測試。共測試了12種主量元素(氧化物形式,如:Si02、A12O3、TFe2O3、Fe2O3、FeO、K2O、Na2O、CaO、MgO、MnO、TiO2、P2O5)和燒失量(LOI)。根據(jù)多個(gè)空白樣、重復(fù)樣及國家標(biāo)準(zhǔn)樣(GSS)的分析來監(jiān)控測試精度與準(zhǔn)確度,得出分析的相對(duì)偏差除FeO誤差>10%外,其它氧化物誤差均小于2.5%。3分析與討論的結(jié)果3.1常量元素的特征和原因3.1.1典型風(fēng)成黃土物質(zhì)元素組成特征表1為“巫山黃土”與不同沉積類型地質(zhì)體氧化物平均組成含量比較結(jié)果［10～17］,由表1可見:“巫山黃土”的73件樣品中XO(XO=SiO2+A12O3+Fe2O3)平均含量達(dá)84.15%,變化于75.27~91.58%范圍,其中又以SiO2為主,平均占66.20%(59.62%~70.49%),Al2O3平均含量為13.35%(11.83%~15.28%),Fe2O3平均占4.6%(3.82%~5.80%)。CaO平均占3.66%(0.93%~12.2%),FeO、MgO、K2O、Na2O分別平均僅占0.69%、1.60%、2.32%和1.23%。另外,自下而上“巫山黃土”化學(xué)成分的組成變化不大,表明其具有較好的均一性,這與剖面粒度組成特征是一致的［8］。將“巫山黃土”與表1中列出的不同地區(qū)典型風(fēng)成黃土氧化物的平均組成含量進(jìn)行比較。結(jié)果表明,“巫山黃土”的化學(xué)成分與我國不同地區(qū)的典型風(fēng)成沉積物具有較好的相似性。同時(shí),剖面中各元素含量的變化范圍都比較小,表明其常量元素的組成具有高度的一致性,這應(yīng)該是“巫山黃土”風(fēng)積成因的重要證據(jù)之一。主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3和TFe2O3(TFe2O3=Fe2O3+FeO),三者的平均含量之和達(dá)84.84%,與上部陸殼(UCC)(86.2%)、洛川黃土(75.41%)洛川古土壤(84.09%)、鎮(zhèn)江下蜀土(86.76%)均非常接近。表明“巫山黃土”應(yīng)該與上述的黃土一樣也為風(fēng)積成因。圖2為“巫山黃土”的質(zhì)量百分含量與我國其他地區(qū)典型風(fēng)成黃土比較結(jié)果［10，11，13，14］,由圖可以看出:“巫山黃土”與洛川、甘孜黃土和西峰紅黏土的均比較接近,顯示了具有相同或相近的沉積環(huán)境和沉積類型。3.1.2風(fēng)積沉積物與其他黃土的相似性圖3為“巫山黃土”及其它典型風(fēng)成黃土部分常量元素UCC標(biāo)準(zhǔn)化后結(jié)果［11，13，14］,由圖3可知,UCC標(biāo)準(zhǔn)化后的“巫山黃土”與其他風(fēng)成黃土具有較好的相似性,顯示了其風(fēng)積成因的特點(diǎn)。但與不同地區(qū)黃土的相似程度又不是完全相同的,其中“巫山黃土”與洛川黃土、洛川古土壤、甘孜黃土以及紅黏土之間的相似程度要高于與宣城風(fēng)成紅土之間的相似程度,而宣城紅土則顯示了更顯著的Na、Ca、K、Mg、Mn以及P的虧損,鎮(zhèn)江下蜀土相對(duì)來說Ca和Na虧損。上述特點(diǎn)說明:不同地區(qū)的風(fēng)成沉積物雖然在常量元素分布模式、元素含量等方面特征具有一些共性,顯示出風(fēng)積沉積物所具有的一些典型特征。但由于它們所處的地理位置、物質(zhì)來源和后期所經(jīng)歷的地球化學(xué)風(fēng)化作用不同,往往又會(huì)表現(xiàn)出相對(duì)的差異性。而不同地區(qū)風(fēng)成黃土的這些差異性變化特點(diǎn),正是進(jìn)行局部區(qū)域氣候環(huán)境演變研究的非常有用的信息。3.1.3“臨床”沉積的風(fēng)積成因圖4為“巫山黃土”與我國主要典型風(fēng)積沉積物［10～12，14，18］不同分子比值散點(diǎn)圖。從圖中可以看到“巫山黃土”沉積物的TiO2/Al2O3—K2O/Al2O3和Fe2O3/Al2O3—K2O/Al2O3的數(shù)據(jù)點(diǎn)主要分布區(qū)域與鎮(zhèn)江下蜀土、川西的甘孜黃土都很接近,這不僅說明了“巫山黃土”具有風(fēng)積成因的特點(diǎn)。同時(shí)也反映了“巫山黃土”與甘孜黃土和鎮(zhèn)江下蜀土具有更相近的后期化學(xué)風(fēng)化環(huán)境和過程,這可能與它們同處于夏季風(fēng)控制區(qū)有關(guān)。3.1.4“臨床”沉積學(xué)特征結(jié)果關(guān)于“巫山黃土”的成因,有人認(rèn)為有兩種［6］:一是沖積成因,為多期次的洪水期沉積物;二是殘積成因,由基巖溶蝕、風(fēng)化作用形成的粉質(zhì)黏土,后期雨水面流(泥流)等作用搬運(yùn)富集堆積于低洼、坡腳、緩坡部位并經(jīng)風(fēng)化形成的。從上述常量元素的含量、分布模式及參數(shù)比值特征及與典型的風(fēng)成黃土剖面比較,可明顯的看出“巫山黃土”的成因應(yīng)為風(fēng)成。這與該黃土的粒度分析［8］和磁化率分析［9］所得結(jié)論是一致的?！拔咨近S土”的沉積學(xué)特征(圖1):巖性均一、無層理、垂直節(jié)理和大孔隙發(fā)育等來看明顯為非沖積成因,常量元素特征也與長江洪水期沉積物有明顯的區(qū)別(表1)。至于風(fēng)化殘積的可能性則更小,三峽地區(qū)大面積出露的基巖為碳酸鹽類,其溶蝕殘余物為紅色黏土,其他類型基巖的殘積物也未見有類黃土物質(zhì)。而散布于坡腳、緩坡部位黃土,從野外觀察看,分布于邊坡上部的多是風(fēng)積而成,分布于邊坡下部多為邊坡上部的風(fēng)積黃土的流水侵蝕的再沉積。因此,“巫山黃土”的成因?yàn)轱L(fēng)積。3.2特征元素比值法利用特征元素比值分布模式,通過選取多個(gè)可靠的特征元素含量比值作為物源示蹤指標(biāo),繪制特征元素比值分布模式圖,根據(jù)沉積區(qū)與物源區(qū)特征元素比值分布模式的相似程度,判斷沉積物的物源［19］。3.2.1物權(quán)相對(duì)富集規(guī)律和示蹤指標(biāo)選取物源判斷結(jié)果的好壞和可信度主要取決于用于沉積物物源示蹤指標(biāo)的選取,一般來說可有兩種選擇:一是選擇主要受物源影響,并且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,在搬運(yùn)和沉積過程中其含量基本保持不變,具有較好的相關(guān)性的兩種特征元素含量比值;二是雖然某些特征元素在搬運(yùn)、沉積和成巖過程中絕對(duì)含量可能會(huì)發(fā)生變化,但是這些元素的化學(xué)性質(zhì)具有一致的富集規(guī)律,即它們的相對(duì)含量基本保持不變［19］。依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)本文選取如下元素比值作為巫山黃土物源判別的指標(biāo):1Mg/Mn、Al/Mg比值作為物源指標(biāo)的選取。一般來說元素Mg、Mn、Al在物源區(qū)和沉積區(qū)絕對(duì)含量變化是比較大的,但考慮到Mg/Mn、Al/Mg的含量變化具有較好的一致性,且具有比值在物源區(qū)與沉積(堆積)區(qū)基本保持不變的特點(diǎn)。因此,Mg/Mn、Al/Mg可作為良好的物源示蹤指標(biāo)。2Fe/K比值作為物源示蹤指標(biāo)的選取。元素Fe、Al、K在化學(xué)風(fēng)化時(shí)其活動(dòng)性和遷移均較少,含量變化也不大,故Fe/K可以作為物源對(duì)比的示蹤指標(biāo)。3Mg/Ca比值作為物源示蹤指標(biāo)的選取。一般來說元素Ca和Mg主要富存在碳酸鹽礦物和硅酸鹽礦物中,兩者具有相近的淋失和富集規(guī)律,其比值在物源區(qū)與沉積(堆積)區(qū)同樣具有基本保持不變的特點(diǎn)。4Mg/Al、Al/Na比值作為物源示蹤指標(biāo)的選取。該比值反映了活動(dòng)組分(堿土和堿金屬M(fèi)g,Na)與惰性組分(Al)之間的關(guān)系,常被作為物源示蹤的指標(biāo)之一。3.2.2近源物質(zhì)來源本文研究的“巫山黃土”剖面位于長江上游四川境內(nèi)的巫山地區(qū),從“巫山黃土”的區(qū)域地理位置來看,其物源有3種可能:1來自黃土高原,與秦嶺黃土同源;2來自青藏高原,與川西黃土同源;3長江及附近“山地過程”的近源物質(zhì)的吹揚(yáng)堆積。從已有的粒度組成和粒度參數(shù)特征分析研究結(jié)果來看,第三種來源存在但所占比例極少［7，8］。故本文選取洛川黃土作為北方風(fēng)成黃土的代表,甘孜黃土作為川西高原風(fēng)成黃土的代表［1，2］,對(duì)“巫山黃土”的物質(zhì)來源進(jìn)行判別分析。3.2.3“臨床品”與“甘孜黃土、洛川黃土”的比較圖5為“巫山黃土”與洛川和甘孜風(fēng)成黃土［10，11，18］的元素指標(biāo)比較結(jié)果。由此可見“巫山黃土”與甘孜黃土、洛川黃土均十分相近,其中在Mg/Mn、Al/Mg、Fe/K方面“巫山黃土”與甘孜黃土更為接近,而在Mg/Ca、Si/Al方面“巫山黃土”與洛川黃土更為一致。黃土物源研究是一個(gè)十分復(fù)雜的科學(xué)問題,常量元素分析僅是一個(gè)方面的證據(jù),有待穩(wěn)定同位素等大量的研究工作。4“臨床”土壤元素地球化學(xué)特征通過將“巫山黃土”的氧化物含量、元素比值與我國主要典型的風(fēng)成黃土進(jìn)行比較,得到如下結(jié)論。(1)“巫山黃土”主要化學(xué)成分以SiO2、Al2O3和TFe2O3(TFe2O3=Fe2O3+FeO)為主,三者的平均含量之和為84.84%,與上部陸殼(UCC)(86.2%)、洛川黃土(75.41%)、洛川古土壤(84.09%)、鎮(zhèn)江下蜀土(86.76%)均非常接近。(2)“巫山黃土”的常量元素組合、經(jīng)UCC標(biāo)準(zhǔn)化后的“巫山黃土”分布曲線元素比值散點(diǎn)圖等特征均