新疆伊犁盆地黃土和古土壤主要理化性質(zhì)研究

新疆伊犁盆地黃土和古土壤主要理化性質(zhì)研究

1多態(tài)性表面元素根據(jù)熱釋光年，位于中國西部地區(qū)的伊普拉盆地的黃土主要是冰期末的塵土，相當于洛杉磯高原的烏蘭黃土。只有少數(shù)中更新世黃土和古土壤。利用日本理化學所的VF-320AX熒光分析儀,伊犁盆地的48塊黃土與古土壤樣品進行了常量元素分析,分析誤差小于2%。樣品燒失量的測定采用了將定量樣品置于馬福爐中、在980℃溫度下煅燒1h后再稱重并計算的方法。2研究結(jié)果2.1土壤燒失量伊犁黃土的燒失量為8.49%~16.48%,古土壤的燒失量為5.21%~10.8%,現(xiàn)代土壤燒失量11.9%~16.83%。相關(guān)分析表明,不論是黃土、古土壤還是現(xiàn)代土壤,燒失量與樣品的碳酸鹽含量密切相關(guān),二者為正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2=0.9548(圖1)。2.2土壤理化性質(zhì)與微量元素的關(guān)系黃土與古土壤樣品中的SiO2含量分別變化于54.73%~63.85%和59.21%~64.57%之間,平均值分別為60.4%和61.9%。弱發(fā)育古土壤層SiO2含量變化于60.0%~62.3%范圍內(nèi),平均值61.2%。顯然,黃土與古土壤以及弱發(fā)育古土壤層風化程度相差不大。與弱發(fā)育古土壤層相比,黃土與古土壤SiO2含量波動幅度相對較大。在自然界中,硅以氧化物和和硅酸鹽形式賦存于各種硅酸鹽礦物中。根據(jù)風化過程中的行為,硅酸鹽被分為易溶解、不易溶解和輕度溶解三種不同類型。易溶解的硅酸鹽,如橄欖石、輝石和角閃石等,在風化過程中將首先被分解,但在各類第四紀沉積物中,該類礦物含量很低,因此它們的分解與否對土體SiO2含量影響并不顯著。第二類如長石和云母等礦物,雖然不易分解,卻易轉(zhuǎn)變?yōu)檎惩恋V物。由于長石和云母為重要的造巖礦物,在第四紀沉積物中占有相當?shù)谋戎?所以該類礦物的風化對土體SiO2含量具有一定的影響。第三類以石英為代表,該類礦物是第四紀沉積物的主要組成部分,但因為石英溶解度極低,分解得極其緩慢,除非在極端濕熱的風化條件下,通常是土體中SiO2的主要組成部分。礦物學研究證明,以粉砂為主、結(jié)構(gòu)均勻的黃土中,石英含量40%~80%,長石和各類粘土礦物含量為5%~20%,碳酸鹽1%~20%。而粘土礦物和碳酸鹽含量又和沉積環(huán)境、成壤強度等有關(guān)。伊犁地區(qū)地處干旱內(nèi)陸,雖然古土壤形成期間成壤作用較黃土堆積期強烈,但由于溫度和濕度遠遠達不到亞熱帶和熱帶的水平,所以,黃土與古土壤SiO2含量差別不大。然而,在干旱的氣候條件下,土壤形成過程中碳酸鹽化過程占主導地位,與半干旱和半濕潤的東部季風區(qū)相比,新疆西風區(qū)的碳酸鹽累積作用十分強烈,而且表聚現(xiàn)象十分明顯。除部分遭受較強淋溶作用的中更新世古土壤外,黃土、弱發(fā)育古土壤層和古土壤中都含有豐富的碳酸鹽,從而影響土體SiO2含量。碳酸鹽含量高,SiO2含量相對降低。也就是說,黃土碳酸鹽含量的區(qū)域差異,導致了樣品SiO2的波動。黃土與古土壤中Al2O3變化幅度較小(12.42%~15.64%),盡管如此,古土壤還是能以稍高的Al2O3含量而區(qū)別于黃土。伊犁地區(qū)的黃土Al2O3含量為12.42%~13.69%,而古土壤Al2O3含量為13.75%~15.64%,其平均值分別達到13.18%和14.38%。與古土壤相比,弱發(fā)育古土壤層Al2O3含量則與黃土十分接近,二者之間無明顯差別(平均值為13.18%和13.42%)。這是鋁的表生地球化學性質(zhì)所決定的。自然界各種鋁硅酸鹽礦物分布十分廣泛,它們在風化條件下都可以轉(zhuǎn)變?yōu)檎惩恋V物,如伊利石、蒙托石和高嶺石等。只有在熱帶、亞熱帶濕潤且炎熱的氣候條件下,經(jīng)風化作用形成的粘土礦物才能進一步發(fā)生紅土化作用,使粘土礦物再分解,硅與鋁分離并隨水發(fā)生遷移,鋁則在原地堆積形成風化最終產(chǎn)物鋁土礦。在黃土廣泛分布的新疆西風區(qū),即使在間冰期,化學風化也很難達到熱帶和亞熱帶的水準,因此Al2O3的分異不明顯。但從伊犁古土壤分析結(jié)果來看,在末次間冰期古土壤形成期間,少量粘土礦物發(fā)生分解,是導致古土壤樣品Al2O3含量的微細變化的主要原因。除Al2O3外,全鐵、MnO和K2O也發(fā)生一定的分異。黃土和弱成壤層中全鐵含量為4.22%~4.91%,平均含量分別為4.7和4.8%;古土壤全鐵含量5.1%~6.31%,平均含量為5.4%。MnO含量在黃土和弱發(fā)育古土壤層中均達到0.07%~0.10%,平均含量為0.09%;古土壤0.10%~0.14%,平均0.11%。K2O含量在黃土和弱發(fā)育古土壤層中變化于2.4%~2.79%之間,平均分別為2.65和2.68%;古土壤變化于2.86%~3.35%之間,平均為2.95%。通常,在干熱氣候條件下,氧化作用強烈,二價鐵在原巖尚未完全分解之前,在硅鋁酸鹽礦物晶格中就被氧化成三價,從而使礦物晶格松弛,導致鋁硅酸鹽礦物發(fā)生風化。一般在還原和酸性條件下,鐵的還原作用增強,呈二價被溶解并發(fā)生遷移;而在氧化和堿性環(huán)境中,鐵的氧化作用增強,二價鐵被氧化為三價發(fā)生淀積。由于未做二價與三價鐵的分離,很難從全鐵含量去判斷沉積物的形成環(huán)境,但從全鐵含量的變化推測,在古土壤形成過程中,鐵有一定的積累,由此推論伊犁地區(qū)古土壤形成于pH值高的氧化環(huán)境中。與鐵類同,錳在表生作用中的地球化學行為也取決于價態(tài)的改變。伊犁古土壤中較高的錳含量也從另一方面證明古土壤可能形成于堿性的氧化環(huán)境中。鉀在元素周期表中的位置決定了它屬于易溶元素,易隨礦物的風化而發(fā)生遷移。但由于鉀的離子半徑較大,易于被土壤吸附,所以鉀在土壤中的富集能力大于鈉。從上述鉀的含量分析不難看出,伊犁古土壤中較黃土吸附了更多的鉀,無疑這與古土壤層較高的粘土含量有關(guān)。2.3土壤理化性質(zhì)與go特征的關(guān)系在巖石和沉積物常量元素研究中,元素氧化物的分子比常被用來作為風化程度的度量。它們包括常用的硅鋁率(SiO2/Al2O3)、硅鋁鐵率(SiO2/Fe2O3+Al2O3)、CaO/MgO、K2O/Na2O、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3和變化化學指數(shù)CIA等。其中CIA定義為:CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)]×100式中的各值均為分分子比,CaO*定義為巖石硅酸鹽碎屑中氧化鈣的含量。由于樣品測試結(jié)果中包括了碳酸鈣在內(nèi),因此Nesbitt建議用一定的方法加以修正,以在碳酸鈣含量未知的情況下求取CIA計算中所需要的CaO*。本文采用了本多·將俊在計算塔里木盆地沙丘砂及黃土CIA值時所推薦的方法1。如表1所示,伊犁地區(qū)黃土硅鋁率和硅鋁鐵率分別變化于7.18~8.73和5.78~7.17之間,弱發(fā)育古土壤變化于7.60~7.94和6.17~6.48之間,而古土壤變化于7.01~7.53和5.57~6.09范圍內(nèi)。不難看出,黃土硅鋁率、硅鋁鐵率大于古土壤,而弱發(fā)育古土壤則位于其間,反映了成壤強度的差異,盡管這種差異并不十分明顯。從堿土金屬Ca與Mg的分異程度來看,除少數(shù)樣品外,黃土與古土壤之CaO、MgO比值分別于2.0~3.0之間,反映黃土沉積和古土壤成壤過程中Ca與Mg的分異不明顯,但在中更新世古土壤形成期間,鈣的淋溶和鎂的積累作用顯著,黃土的鈣、鎂比值為4.72,而古土壤為0.47。前人已經(jīng)證明,K2O與Na2O比值,與礦物成分和粒度組分有關(guān),由于黃土的礦物成分總體類似,則其比值主要與粒度組分有關(guān),反映了粘化作用程度,通常古土壤鉀鈉比值高于黃土。從伊犁黃土與古土壤鉀、鈉比值來看,關(guān)系較為復雜。如比值高者并未都對應于古土壤或弱發(fā)育古土壤,相反,有些黃土層呈現(xiàn)較高的鉀、鈉比,而且與碳酸鹽的淀積密切相關(guān),即碳酸鹽含量高,鉀、鈉比也高。其原因有待深入研究。(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3反映了活動組分與惰性組分之間的關(guān)系,與氣候條件密切相關(guān)。伊犁黃土與弱發(fā)育古土壤其值分別位于1.89~3.36和1.97~2.14之間,顯然黃土較弱發(fā)育古土壤(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值波動幅度大。古土壤其值均小于等于2.0,表明與黃土和弱發(fā)育古土壤相比,在古土壤形成過程中活動組分曾發(fā)生遷移,但遷移量因氣候、環(huán)境而異。古土壤中該比值最小為0.73,反映古土壤發(fā)育時水熱條件優(yōu)越;最高可達2.08,說明成壤作用相對微弱。有關(guān)研究揭示,地殼上部物質(zhì)大約由21%的石英、41%的鈣長石和21%的鉀長石組成。在地殼風化過程中,長石風化形成粘土礦物,Ca、Na和K通常隨長石的風化而發(fā)生遷移,風化產(chǎn)物中Al含量增加。另一方面,沉積物在搬運和沉積過程中的分選作用將導致礦物的分餾,從而使CIA發(fā)生變化,故CIA是巖石或沉積物風化程度的最好度量。未蝕變的鈉、鈣和鉀長石CIA值為50,而透輝石為0,新鮮的玄武巖為30~45,花崗巖和花崗片麻巖為45~55,白云母為75,伊利石、蒙托石和拜來石為75~85,高嶺石和綠泥石其值接近100。頁巖70~75。而根據(jù)Taylor等的研究結(jié)果,未風化的大陸地殼的CIA值為50,黃土55~70。伊犁黃土的CIA值分布于51.96~66.84之間,但絕大多數(shù)樣品集中分布于56~59之間,反映黃土成分的高度一致性。弱發(fā)育古土壤CIA值54.65~58.69,古土壤55.44~58.94。由此可見,不論是黃土,還是古土壤,CIA值都集中分布在55~60之間,正好位于Taylor等的黃土區(qū)間中。Gallet等在研究了歐洲、美洲和中國黃土高原的黃土后也發(fā)現(xiàn),除密西西比黃土外,其他地區(qū)的黃土都具有較上地殼平均組成為高的CIA值,而且盡管黃土的源區(qū)不同,但CIA值相近,反映黃土沉積大致類似的變化歷史。將新疆不同區(qū)域黃土CIA進行對比可以得出與Gallet類似的結(jié)論,即雖然分布于新疆不同黃土亞區(qū)的黃土可能具有不同的物質(zhì)來源,其形成氣候條件和沉積環(huán)境也存在差別,但它們的CIA值相近。據(jù)本多·將俊對塔里木盆地和準噶爾盆地沙丘沙和黃土的研究結(jié)果,塔克拉瑪干沙漠沙的CIA值50~55,但隨沙丘沙粒度的變化,CIA值也發(fā)生變化,粒度愈細,CIA值愈高。粒徑150~300μm粒度的碎屑,CIA值52~55,而小于45μm粒級碎屑的CIA值為56~59。塔里木黃土的CIA值56~60,與小于45μm風沙碎屑的CIA值相一致。準噶爾盆地黃土樣品CIA值為60。根據(jù)中國科學院貴陽地化所的常量元素分析資料計算可知,塔里木盆地南緣普魯、皮山至葉城一帶,黃土的CIA值為59.07~63.05,平均61.84;和田地區(qū)大氣降塵的CIA為62.63;準噶爾盆地馬蘭黃土的CIA值55.62~61.72,平均59.49;古土壤CIA值55.94~61.81,平均59.21。新疆不同黃土亞區(qū)黃土、古土壤CIA值的這種相似性,也為世界風成黃土的高度均一性提供了證據(jù),揭示黃土在沉積之前經(jīng)歷了多次的地質(zhì)循環(huán)和充分混合。2.4不同散點圖的分析為了直觀地反映黃土與古土壤常量元素的變化特征,常以SiO2和Al2O3為橫坐標,利用其它各元素為縱坐標作散點圖。如圖2所示,各類不同的散點圖中伊犁地區(qū)黃土樣品與古土壤發(fā)生分離,弱發(fā)育古土壤則位于二者之間。與黃土相比,古土壤樣品更接近于地殼平均豐度。2.5不同地區(qū)黃土的構(gòu)造及微量元素特征地球化學工作者們在研究常量元素特征時,為便于和上地殼平均值進行比較,通常將常量元素與地殼平均值相比,即所謂的常量元素UCC標準化。由圖3可知,UCC標準化后的伊犁黃土同樣顯示了較好的均勻性,黃土與古土壤就總體而言差別也不大。黃土(圖3(A))相對地殼平均組成富含鈦、錳、鎂和鈣,而貧鈉和鉀。古土壤與黃土類似,除富含鈦、錳、鎂和鈣外,鐵和鋁含量也稍高于地殼平均值[圖3(B)]。將伊犁黃土與黃土高原及世界其它地區(qū)的黃土相比,伊犁黃土則曾現(xiàn)出明顯的區(qū)域特色。在新疆三個不同的黃土分布亞區(qū),黃土的基本特征是一致的。與地殼平均值相比,不論是塔里木盆地、準噶爾盆地還是伊犁地區(qū),黃土均富錳、鎂和鈣,貧鈉和鉀,但伊犁黃土較其它亞區(qū)更加富含鎂和鈣[圖4(A)]。與準噶爾盆地黃土相比,塔里木盆地黃土與伊犁黃土常量元素分布特征更為接近,除鈣和鎂外,伊犁黃土較塔里木盆地黃土稍富鈦、錳,而準噶爾盆地黃土較伊犁地區(qū)富鐵。與黃土高原黃土相比,伊犁地區(qū)末次冰期黃土富錳、鎂和鈣[圖4(B),(C)],末次間冰期古土壤富鈦、鐵、錳、鎂和鈣(個別樣品除外),而黃土高原S1較伊犁古土壤更加貧鈉和鉀,并且以鈣的大量淋溶為特征。相對于伊犁黃土,法國黃土富鈦,貧鎂、錳和鈣;阿根廷黃土除貧鎂和鈣外,其它元素特征都與伊犁黃土相近[圖4(D)];美國堪薩斯黃土SiO2和TiO2稍高于地殼平均值,其它常量元素相對地殼平均值均呈負距平。不難推測,正是由于世界各地黃土物質(zhì)來源不同,導致了黃土常量元素區(qū)域特征的差異。3土壤成壤作用綜上所述,中國西風區(qū)新疆伊犁盆地黃土與古土壤樣品的常量元素具有明顯的區(qū)域特點。其燒失量和SiO2含量與樣品的碳酸鹽含量正相關(guān)。黃土與古土壤SiO2含量沒有明顯差別,但Al、、Fe、Mn和K在古土壤中發(fā)生一定的分異,反映了古土壤形成期間相對強的成壤作用。與黃土高原相比,伊犁盆地末次間冰期古土壤富鈦、鐵、錳、鎂和