熱帶亞熱帶土壤頻率磁化率與磁性礦物關(guān)系及其環(huán)境意義

熱帶亞熱帶土壤頻率磁化率與磁性礦物關(guān)系及其環(huán)境意義

磁化率作為土壤、沉積物和氣候懸浮顆粒登記信息的重要指標(biāo)，已經(jīng)廣泛認(rèn)識(shí)和應(yīng)用。該頻率磁化率用于湖泊、河流和海洋沉積物的來(lái)源、沉積環(huán)境的變化以及對(duì)大氣污染的磁性研究。然而，人們對(duì)這個(gè)磁體參數(shù)并不熟悉。在20世紀(jì)90年代初，我們介紹了這一磁體參數(shù)。劉秀明等人對(duì)黃土-古土壤條件的頻率磁化率進(jìn)行了高分辨率測(cè)量。結(jié)果表明，隨著黃土和古土壤侵蝕的出現(xiàn)，頻率磁化率的波谷和波峰對(duì)應(yīng)于變化的波谷。這可以作為反映舊氣候變化的穩(wěn)定指標(biāo)。最近的湖泊沉積物試驗(yàn)表明，頻率磁化率反映了湖泊沉積物記錄的環(huán)境變化。這是研究歷史時(shí)期環(huán)境變化的重要指標(biāo)之一。由于磁化學(xué)的快速發(fā)展、簡(jiǎn)單的性質(zhì)和不破壞，它成為研究環(huán)境問(wèn)題的重要手段，并形成了新的交叉環(huán)境磁學(xué)。本文結(jié)合當(dāng)前亞熱帶土壤磁化率測(cè)定結(jié)果，探討了磁化率與磁性礦粒度的關(guān)系及其環(huán)境意義，并討論了磁化率在環(huán)境變化、氣候變化、土壤學(xué)統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。1頻率磁化率與磁化率磁化率(χ)是指低頻弱磁場(chǎng)中(0.1T)樣品的磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之比,是反映樣品中鐵磁性礦物含量的指標(biāo),但許多研究表明磁化率也反映磁性礦物的顆粒大小.頻率磁化率(Frequencydependentsusceptibility,χfd)則是指在不同頻率外磁場(chǎng)下,樣品產(chǎn)生的磁化率值的變化程度.天然樣品表現(xiàn)為磁化率隨測(cè)定頻率增高而降低的趨勢(shì),其原因是隨著測(cè)定頻率增高,大小在超順磁性(Superparamagneticgrains,SP,粒徑<0.02μm)-穩(wěn)定單疇(Stablesingledomain,SSD,粒徑0.02~0.04μm)過(guò)渡態(tài)范圍的磁性顆粒由于磁滯而被阻擋,對(duì)高頻磁化率沒(méi)有貢獻(xiàn),因此,高頻磁化率是按比例低于低頻磁化率數(shù)值的.頻率磁化率(χfd)定義為:χfd=(χlf?χhf)/χlf×100χfd=(χlf-χhf)/χlf×100其中,χlf為低頻(0.47kHz)磁化率,χhf為高頻(4.7kHz)磁化率,該參數(shù)反映了磁性礦物的粒徑及其相對(duì)含量.當(dāng)人們獲得一個(gè)樣品的頻率磁化率數(shù)值時(shí),便可以了解其中超順磁性(SP)-穩(wěn)定單疇(SSD)過(guò)渡態(tài)顆粒的含量.對(duì)多疇(Multidomain,MD,粒徑>1μm)粗粒磁性礦物,頻率磁化率最大值變動(dòng)在0.26%以內(nèi),已知的最高頻率磁化率是土壤和大氣塵埃樣品.目前,廣泛應(yīng)用的土壤頻率磁化率測(cè)定儀器為Bartington(英國(guó))公司生產(chǎn)的MS2型雙頻磁化率儀,低頻磁化率和高頻磁化率分別在0.47kHz和4.7kHz下測(cè)定.頻率磁化率與礦物粒度的關(guān)系可由圖1表示,它是人工合成不同粒徑的磁性礦物顆粒,測(cè)定其磁學(xué)性質(zhì)獲得的.從圖可見(jiàn),磁化率與磁性礦物的粒度密切相關(guān),磁性礦物粒度在0.03~0.01μm和16~125μm各出現(xiàn)χ的峰值,并以0.03~0.01μm的峰值最高.而χfd反映了SSD和SP過(guò)渡態(tài)磁性礦物的數(shù)量,因此,χfd對(duì)<0.02μm的磁性顆粒有明確的指示作用.對(duì)土壤來(lái)說(shuō),這種大小的磁性顆粒是風(fēng)化成土作用的產(chǎn)物,主要受風(fēng)化成土強(qiáng)度、成土環(huán)境等控制;對(duì)湖泊、河口沉積物和大氣懸浮物其χfd則由物源、沉積動(dòng)力、沉積環(huán)境等因素控制.因此,χfd反映了物源、成土條件和成土環(huán)境的變化,具有明確的環(huán)境意義.磁性礦物的粒度還可由其它的磁性參數(shù)反映,圖1可見(jiàn),粒徑0.02~0.04μm的穩(wěn)定單疇磁性顆粒可用非磁滯剩磁(ARM)指示之,土壤中SSD顆粒也是成土作用的產(chǎn)物,其數(shù)量反映成土過(guò)程與成土環(huán)境的差異,具有明確的指示作用.此外,環(huán)境磁學(xué)家還應(yīng)用磁性參數(shù)的比值來(lái)描述磁性礦物的粒度.圖1可見(jiàn),SP顆粒和MD顆粒有高的SIRM/χ,再用χfd可將它們區(qū)分,SIRM/ARM指示0.05~0.5μm的磁性顆粒,ARM/χ和IRM20mT/ARM指示SSD顆粒.2fd與sp磁化率關(guān)系頻率磁化率作為反映SP-SSD過(guò)渡態(tài)顆粒含量的指標(biāo)有比較明確的環(huán)境意義.雖然,我們對(duì)土壤中磁性礦物的成因還不十分明了,但SP顆粒作為成土風(fēng)化作用中新形成的次生磁性礦物已得到了廣泛的承認(rèn)和驗(yàn)證,表現(xiàn)為隨風(fēng)化成土作用的進(jìn)行,成土作用產(chǎn)生的SP磁性顆粒逐漸取代原生殘留的磁性礦物.因此,在一個(gè)正常的時(shí)間依變成土過(guò)程中土壤頻率磁化率變化的基本模式表現(xiàn)為隨成土作用的進(jìn)行,SP顆粒數(shù)量逐漸增多,表現(xiàn)為土壤頻率磁化率逐漸增大,其頻率磁化率增大的幅度反映了風(fēng)化成土作用的強(qiáng)度.在母巖中基本不存在SP磁性礦物,即χfd接近零.對(duì)熱帶亞熱帶地區(qū)由各種沉積物母質(zhì)上發(fā)育土壤的χfd統(tǒng)計(jì),土壤的χfd在0~16%之間,隨著風(fēng)化成土作用進(jìn)行形成的SP和SSD顆粒(土壤成因磁性礦物,pedogenicferrimagneticminerals)逐漸增多,土壤的磁化率逐漸增大.根據(jù)171個(gè)沉積母質(zhì)發(fā)育土壤的統(tǒng)計(jì),土壤的χ與χfd呈顯著指數(shù)正相關(guān)(圖2),與ARM呈顯著直線正相關(guān)(圖3),表明在風(fēng)化成土過(guò)程中隨著SP-SSD顆粒的形成,土壤的χ逐漸增大,Fine的土壤年齡土鏈研究中,證實(shí)隨著成土年齡的增大,χ和χfd逐漸增大,χ和χfd是研究成土年齡的重要手段.從磁性礦物的化學(xué)形態(tài)分析,次生的磁性礦物存在于游離氧化鐵中,可用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉溶液(DCB)提取.據(jù)統(tǒng)計(jì),熱帶亞熱帶土壤的χfd與游離氧化鐵含量呈極顯著直線正相關(guān)(圖4),即風(fēng)化成土過(guò)程中,隨著硅酸鹽礦物中氧化鐵的游離,SP態(tài)磁性礦物顆粒逐漸形成,它們存在平行關(guān)系,符合土壤χfd變化的基本模式.土壤經(jīng)DCB處理后殘留的磁性氧化鐵屬于原生礦物,其χfd很低,因而DCB處理?yè)p失的磁化率是由SP磁性礦物貢獻(xiàn)的,土壤中SP顆粒愈多,χfd值愈高,DCB處理后損失的磁化率愈高.圖5是亞熱帶地區(qū)由第四紀(jì)紅土,石灰?guī)r,花崗巖,玄武巖和泥巖發(fā)育的75個(gè)土壤樣品集中χfd與DCB處理后磁化率損失量的關(guān)系圖,表明DCB處理的磁化率損失量與土壤χfd呈極顯著的指數(shù)正相關(guān),根據(jù)圖5的結(jié)果,可以χfd10%為界把土壤分成二部分,χfd<10%的土壤,DCB處理磁化率損失量<20×10-8m3kg-1,且主要集中在χfd<5%的土壤,表明它們基本不存在SP磁性顆粒.χfd>10%,DCB處理的磁化率損失量>20×10-8m3kg-1,表明有相當(dāng)數(shù)量的SP磁性顆粒.因此,可將χfd10%作為土壤中SP磁性顆粒存在與否的臨界評(píng)價(jià)值.Fine在研究中國(guó)黃土磁性中認(rèn)為χfd<5%~6%基本不存在SP磁性顆粒,χfd>10%表明有相當(dāng)數(shù)量的SP顆粒的結(jié)論比較一致.因此,可認(rèn)為DCB處理的磁化率損失量與χfd有相同的環(huán)境意義.Fine在土壤年齡土鏈研究中將它們的數(shù)值大小作為土壤成土年齡的依據(jù).Oldfield對(duì)土壤和沉積物的測(cè)定也認(rèn)為χfd<2.0%,不存在SP磁性顆粒,χfd2.0%~10.0%,SP顆粒、SSD和MD顆粒共存,χfd>10.0%以上,SP顆粒豐度>75%.土壤頻率磁化率變化的第二個(gè)模式是土壤剖面變化.其剖面分布模式可分成三種情況,一是由各種殘積物發(fā)育土壤表現(xiàn)為表土的頻率磁化率最大,逐漸向母質(zhì)層降低,至母質(zhì)層χfd接近零.二是由沉積巖(紅砂巖、砂巖)上發(fā)育的幼年土,由于土壤發(fā)育程度淺,土壤的χfd剖面分布基本一致,其χfd多在5%以下,多在1%~2%.三是各類水稻土,根據(jù)水分條件的變化,χfd剖面分布各異,水成土的χfd剖面分布也屬于此類.圖6是幾個(gè)典型土壤剖面的χfd分布模式,火成巖上發(fā)育的富鐵土呈現(xiàn)為表層土壤的χfd達(dá)最大,向下逐漸降低的分布模式,巖成土由于成土作用的年輕性整個(gè)剖面的χfd都很低,表明基本不存在SP鐵磁性礦物顆粒.因此,頻率磁化率記載了土壤形成過(guò)程的環(huán)境條件,有十分明確的環(huán)境指示作用.土壤頻率磁化率的變化是環(huán)境變化對(duì)土壤的影響留下的印記,或是母質(zhì)的不均一性,成土過(guò)程的間斷等引起的,反過(guò)來(lái)可利用頻率磁化率去判斷土壤記載的環(huán)境變化信息.3fd研究的應(yīng)用意義磁測(cè)具有簡(jiǎn)便、快速和非破壞性等特點(diǎn),上面的討論表明頻率磁化率具有十分明確的環(huán)境指示作用,可將之作為環(huán)境變遷、沉積物來(lái)源、古氣候變化、成土環(huán)境等的代用指標(biāo),故有必要討論頻率磁化率的環(huán)境應(yīng)用范圍和潛力.土壤是環(huán)境變化的一面鏡子,記載和反映了當(dāng)時(shí)的成土環(huán)境.因此,古土壤是重建古地理環(huán)境的最好手段之一.利用古土壤的χfd變化來(lái)恢復(fù)古環(huán)境古氣候變遷已有許多成功的例子.我國(guó)北方黃土在形成古土壤的過(guò)程中,有許多SP磁性礦物顆粒形成,不同氣候條件下形成的SP磁性礦物的相對(duì)含量,則反映了古氣候溫濕程度的強(qiáng)弱和持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短,甚至可以根據(jù)其曲線比較靈敏地反映古氣候弱小波動(dòng)的特點(diǎn).由劉秀銘根據(jù)磁化率和頻率磁化率建立的中國(guó)黃土-古土壤序列可靠而完整的古氣候事件序列模式,已與深海氧同位素記錄一樣作為全球古氣候事件對(duì)比的經(jīng)典.同時(shí),χfd是鑒別各種環(huán)境下古土壤的重要依照.例如,冰磧物環(huán)境中的埋藏土,黃土環(huán)境中的古土壤,風(fēng)砂環(huán)境中的埋藏土等.在石灰?guī)r發(fā)育土壤的成土地球化學(xué)過(guò)程中,富鐵錳階段和富鋁脫硅階段,表現(xiàn)為明顯的表土磁性增強(qiáng)現(xiàn)象,表層的χfd在13%~14%,自下逐漸降低,直至母巖層的χfd為0%,表層χfd增大的幅度反映了成土地球化學(xué)階段,可作為土壤地球化學(xué)環(huán)境和分類的重要依據(jù).氧化鐵化合物是對(duì)環(huán)境中化學(xué)和溫度變化最為敏感的礦物,磁性礦物的粒度會(huì)因局部環(huán)境條件的差異和自然過(guò)程或人為活動(dòng)的影響呈現(xiàn)明顯的差異,即記載了環(huán)境的“印痕”,是描述土壤剖面性態(tài)和成土過(guò)程的重要指標(biāo).潛育化作用溶解土壤中的SP磁性顆粒而明顯降低土壤χfd,在旱地改水田后表層的頻率磁化率顯著降低,由地帶性土壤發(fā)育的水稻土χfd剖面多呈表層的極低,底層的頻率磁化率略為降低的模式.富鐵鋁化過(guò)程中SP磁性顆粒的形成,可使χfd值明顯增大.因此,χfd是研究熱帶亞熱帶土壤的成土環(huán)境、成土過(guò)程和土壤屬性的作用手段.此外,土壤χfd在土壤侵蝕泥砂來(lái)源判斷上具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性,不同來(lái)源的泥砂記載了源地土壤的磁顆粒特征,通過(guò)研究沉積物泥砂的磁顆粒特征可判斷其來(lái)源,結(jié)合徑流動(dòng)態(tài),泥砂的顆粒組成變化建立沉積物來(lái)源組成定量分析的磁診斷模型,并已在水庫(kù)沉積物來(lái)源研究中應(yīng)用.此外,有人將高χfd表層的缺失作為土壤侵蝕的依據(jù).湖