新疆伊犁波馬剖面黃土-古土壤序列地球化學(xué)特征及其古環(huán)境意義

新疆伊犁波馬剖面黃土-古土壤序列地球化學(xué)特征及其古環(huán)境意義

近年來，對洛杉磯高原黃土古土壤元素的地球化學(xué)研究明確了化學(xué)成分與地層變化的關(guān)系，并初步認(rèn)識(shí)了元素地球化學(xué)變化過程與環(huán)境變化的關(guān)系。在中國洛杉磯高原和歐洲黃土區(qū)之間，由于長期監(jiān)測西部降水，黃土被廣泛分布。對研究亞洲的干燥性、北半球顆粒的產(chǎn)生、運(yùn)移、沉積和轉(zhuǎn)化、西部風(fēng)候變化具有重要意義。許多科學(xué)家在粒度、磁化率、物質(zhì)組成等方面對新疆伊普拉中部的黃土進(jìn)行了大量的探索，但相關(guān)元素地球化學(xué)的研究相對較少。其中蘊(yùn)含的古環(huán)境信息需要進(jìn)一步研究。了解伊普拉斯古土壤古壤組成的規(guī)律，對了解中國西北干旱地區(qū)的環(huán)境變化過程具有重要意義。本文在伊普拉盆地昭蘇區(qū)波馬剖面上的黃土-古土壤古土壤結(jié)構(gòu)成分及相關(guān)參數(shù)的分析方面探討了黃砂古生代環(huán)境的重要性。1氣候條件分析伊犁盆地東部地處我國新疆天山山脈西段,西部位于哈薩克斯坦共和國境內(nèi),在地貌輪廓上是一個(gè)開口向西的喇叭形山間谷地,地勢東高西低.伊犁河自東向西貫穿整個(gè)谷地,河流下游分布著大面積荒漠(圖1).研究區(qū)冬季受蒙古高壓控制,夏季受印度熱低壓影響.雖地處亞歐大陸中心地帶,遠(yuǎn)離海洋,受地形影響,來自北冰洋和大西洋及地中海的水汽可直接從伊犁谷地西口進(jìn)入本區(qū),受北、東、南三面環(huán)山阻擋,在山麓地帶形成豐沛降水,具濕潤大陸性中溫帶氣候特征.由于逆溫和地形阻隔作用,年平均氣溫為2.6℃~10.4℃,冬季不像北疆其它地區(qū)那樣嚴(yán)寒,秋季溫度變化與北疆相似,區(qū)內(nèi)溫差較小.谷地的年均溫自東向西逐漸升高,而年均降水量逐漸減少,且雨熱不同期.該區(qū)現(xiàn)代氣候既不同于水熱同期的東部季風(fēng)區(qū),又有別于冬雨型地中海地區(qū).地表植被主要為荒漠草原、干草原和草原,地帶性土壤主要為灰鈣土、栗鈣土和黑鈣土.2樣品與分析方法伊犁盆地黃土分布廣泛,呈條帶狀,主要分布于各級(jí)河流階地、低山丘陵區(qū)、山麓地帶,厚度從數(shù)米到近百米不等.伊犁波馬剖面(BMP)(80.25°E,42.69°N,1875m)位于伊犁盆地南緣,天山北坡特克斯河階地上.波馬黃土剖面厚6.9m,到S1頂部,據(jù)光釋光年齡外推其黃土底部年代為0.08Ma.據(jù)野外土壤顏色、結(jié)構(gòu)和組成、蝸牛及鈣結(jié)核分布特征,同時(shí)結(jié)合室內(nèi)色度分析,剖面可劃分為S0、L1L1、L1S1、L1L2和S1等共5個(gè)土壤層發(fā)育單元,剖面底部為河流礫石層,含礫石、卵石、砂和黃土,與黃土層呈不整合接觸關(guān)系.元素分析樣品以15cm間距進(jìn)行采樣,地層過渡段進(jìn)行加密采樣,共分析元素樣品57個(gè).碳酸鹽分析樣品以5cm為間隔,共采樣137個(gè).元素分析方法把樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干,每個(gè)樣品取5g在瑪瑙研缽中研至200目以下,用YY60型壓力機(jī)壓成用于測量圓片.所用X射線熒光光譜(XRF)儀為荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的PW4400型熒光光譜儀.實(shí)驗(yàn)過程中加入標(biāo)準(zhǔn)樣品(GSS-5),并對部分樣品進(jìn)行重復(fù)測量,使分析結(jié)果在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi).本文實(shí)驗(yàn)樣品中碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)以w(CaCO3)替代,采用化學(xué)滴定法測定,誤差小于0.5%.3結(jié)果與分析3.1氣候條件對伊波馬黃土-古土壤元素cao和caco3的影響伊犁波馬剖面黃土-古土壤序列中常量元素分析結(jié)果顯示(圖2),樣品中主要氧化物總含量為82.73%~99.15%,平均92.63%,其中以SiO2含量為主,約占54.22%(49.76%~56.71%),Al2O3平均含量12.46%(11.33%~13.03%),CaO占10.26%(6.13%~13.51%),Fe2O3、MgO、K2O、Na2O分別僅占4.81%、3.00%、2.45%和1.99%.通過對各地層單元氧化物含量分析及與黃土高原對比發(fā)現(xiàn)(表1),伊犁黃土和古土壤氧化物含量均表現(xiàn)為SiO2>Al2O3>CaO>Fe2O3>MgO>K2O>Na2O的變化特征,不同于黃土高原古土壤的SiO2>Al2O3>Fe2O3>K2O>CaO>MgO>Na2O和黃土SiO2>Al2O3>CaO>Fe2O3>K2O>MgO>Na2O的變化特征.從黃土層(L1L1、L1L2)、弱古土壤層(L1S1)到古土壤層(S0、S1)中不同元素含量變化,與黃土、古土壤相互交替疊置不具對應(yīng)性,區(qū)別于黃土高原常量元素在黃土-古土壤序列中具較好分布規(guī)律.常量元素在剖面序列中垂直方向上含量變化,反映了黃土和古土壤形成過程中各元素組分遷移與聚集.一般情況下,Al2O3、Fe2O3、K2O在黃土中偏低,古土壤中高;CaO、Na2O、MgO等低價(jià)氧化物在黃土中為高值,古土壤中為低值,說明古土壤是黃土在溫濕氣候條件下經(jīng)風(fēng)化成土作用后形成的.氣候越溫濕,成土作用越強(qiáng),成土母質(zhì)中鹽基遭淋失,鐵、鋁等高價(jià)氧化物相對聚集.因此,剖面中氧化物含量的變化間接地表征了古氣候變化.伊犁波馬剖面各層CaO含量很高,各層含量變化較小,在黃土和古土壤富集程度分別較黃土高原洛川剖面高41%和4倍多(圖2,表1).理論上講,元素Ca在黃土風(fēng)化過程中遷移能力最強(qiáng),間冰期及冰期都表現(xiàn)出較大遷移能力,伊犁黃土中CaO含量較高且在剖面序列中變化較小.研究表明,洛川黃土風(fēng)化作用處于干冷氣候條件下低等化學(xué)風(fēng)化階段,洛川古土壤則基本進(jìn)入中等化學(xué)風(fēng)化階段,可能暗示伊犁黃土和古土壤形成時(shí)干冷程度高于黃土高原黃土和古土壤,且兩者分異作用不明顯.與此同時(shí),從各個(gè)層位CaO含量看,S0與L1L1、L1S1和L1L2相當(dāng),稍高于S1,說明古土壤S0形成環(huán)境與L1一樣較干旱,S1形成環(huán)境稍好.SiO2含量雖在整個(gè)剖面序列中波動(dòng)相對其它氧化物較明顯,高值和低值段并不一定與黃土和古土壤相對應(yīng),有時(shí)甚至相反.SiO2含量在古土壤S0層中出現(xiàn)剖面一個(gè)明顯谷值,且達(dá)到剖面最低值.此外,伊犁黃土碳酸鹽累積作用較強(qiáng),除部分遭受較強(qiáng)淋溶作用外,黃土、弱發(fā)育古土壤和古土壤中碳酸鹽含量均較高(圖4),一般變化于10.6%~23.4%,平均18.2%,其中S0、L1L1、L1S1、L1L2、S1各層平均含量分別為19.1%、17.5%、18.4%、19.5%、16.2%.碳酸鹽含量在S0層達(dá)到剖面最大值23.4%,各地層單元SiO2和CaCO3平均含量呈中等負(fù)相關(guān)性(R2=0.51),可能由于不同地層單元碳酸鹽含量差異在一定程度上導(dǎo)致剖面SiO2含量波動(dòng).另一方面CaCO3含量在各層位變化暗示著伊犁地區(qū)有些間冰期降水量較少,氣候可能較干旱,碳酸鹽出現(xiàn)聚集,使古土壤中碳酸鹽含量較高,有些冰期降水可能較多,氣候較濕潤,碳酸鹽出現(xiàn)淋溶,使黃土中碳酸鹽含量低于古土壤.黃土中Al2O3形成主要是由于鋁硅酸鹽礦物發(fā)生分解,鋁和硅分離并隨水遷移,鋁在原地堆積形成.只有在較濕熱條件下Al2O3明顯富集才能表現(xiàn)出來.不論是干旱和半干旱伊犁地區(qū)還是雨熱同期的黃土高原,即使在間冰期水熱條件很難達(dá)到熱帶、亞熱帶程度,因此兩地黃土-古土壤中Al2O3分異作用均不太明顯.由于黃土高原水熱組合條件相對較好,Al2O3含量稍高于伊犁黃土.Fe2O3淀積主要發(fā)生在氧化和堿性條件下,伊犁波馬剖面黃土和古土壤Fe2O3含量均相對較高且差異較小,由此推論伊犁地區(qū)黃土和古土壤形成于較干旱、pH較高的氧化環(huán)境中.此外,伊犁黃土和古土壤w(SiO2)/w(Al2O3)值為4.0%~4.6%,平均4.4%.研究表明,硅鋁比值變化可粗略地作為淋洗強(qiáng)度指標(biāo),當(dāng)w(SiO2)/w(Al2O3)>2時(shí),pH值較大,反映偏堿性環(huán)境,也可印證這一點(diǎn).黃土高原的黃土中Al2O3和Fe2O3含量較低,古土壤中較高,但在伊犁波馬黃土-古土壤序列中,分異作用不明顯,無明顯對應(yīng)關(guān)系,甚至在S0中表現(xiàn)出相反特征,可能由于S0形成時(shí)氣候相對較干冷所致.元素Na是表生地球化學(xué)中活動(dòng)性強(qiáng)的元素,在黃土風(fēng)化過程中Na,Mg都是主要活動(dòng)元素,僅次于遷移能力最強(qiáng)的元素Ca.但在伊犁黃土和古土壤中Na2O和MgO含量均稍高于黃土高原,可能由于在其形成時(shí)期,氣候條件均較干旱,土壤水分偏堿性,性質(zhì)活潑化學(xué)元素不易被淋失,造成Na和Mg富集.K分布于硅酸鹽礦物中,被風(fēng)化后,易受粘粒吸附,表現(xiàn)為相對富集.一般而言,K在地層中含量增高反映氣候濕潤,降水多;反之,表明降水相對減少,氣候相對干燥.伊犁波馬剖面S1以來的黃土-古土壤中小于4μm粘土組分平均含量19.2%,稍高于黃土高原的18.3%.但伊犁黃土和古土壤中K2O含量稍低于黃土高原,可能由于黃土高原黃土和古土壤粘土組分含水量稍高于伊犁,在風(fēng)化和成土過程中,粘粒組分吸附能力相對較大,使黃土高原黃土和古土壤中K元素在土壤中殘留較多.從伊犁波馬剖面常量元素分布來看(表1),黃土和古土壤層中各元素分異作用不及黃土高原明顯.除S0外,其它各層主要元素變化幅度不明顯.在S0古土壤層頂部0~0.1m間SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O含量相對較高,CaO、MgO含量較低,說明此階段降水相對較多.0.1~0.9m間SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O含量相對較低,CaO、MgO含量較高,說明此階段氣候較為干旱.3.2土壤元素和微量元素特征理論上講,風(fēng)化成壤過程中植物生長會(huì)造成某些元素在土壤表層發(fā)生一定程度集聚.一般情況下,植被越茂盛,生物地球化學(xué)和風(fēng)化成壤作用越強(qiáng),Pb,Cu,Zn在土壤層相對富集程度就越高;反之,這些元素在土壤表層相對富集程度越低.從波馬剖面來看,Pb,Cu,Zn元素變化趨勢基本一致(圖3),在S0古土壤頂層0~0.1m間含量相對較高,0.1~0.9m之間的地層含量較低,但在L1S1和S1(弱)古土壤層中Cu,Pb,Zn的含量相對較高,且L1S1層含量要高于S1和S0古土壤層,可能說明S0頂部形成時(shí)為植被發(fā)育狀況較好的濕潤氣候環(huán)境,其余時(shí)間氣候濕潤程度和植被覆蓋度不及L1S1、S1和S0頂部.同時(shí)Cu,Pb,Zn元素在黃土層中的含量不一定較低,L1L1下部高于S0,L1L2上部整體高于S0和S1.可能暗示黃土發(fā)育時(shí)期降水和植被覆蓋度不一定比古土壤發(fā)育時(shí)期差,與CaCO3含量所指示環(huán)境意義基本一致.另一方面可能暗示S0不同地層單元在形成過程中水熱組合模式不同.伊犁黃土成分的均一性及其表土粒度自西向東逐漸變細(xì)的空間分異性等特征表明,黃土是一種風(fēng)成沉積.當(dāng)風(fēng)成砂從源區(qū)遷移到沉積區(qū)時(shí),Ti元素相對穩(wěn)定,因此能反映其源區(qū)特征.如圖4所示,Ti在整個(gè)剖面上的含量變化范圍較小,Ti元素含量變化于3.5×10-3~4.1×10-3之間,平均值為3.9×10-3,變異系數(shù)為3.4%.此外,元素Rb含量剖面最小為8.6×10-5,最大1.0×10-4,平均值9.6×10-5,標(biāo)準(zhǔn)差3.6×10-6,變異系數(shù)僅為3.7%.證明Rb在風(fēng)化成壤過程中幾乎是不可移動(dòng)的,因此其含量變化主要是粉塵中Rb初始含量貢獻(xiàn).伊犁黃土S1以來Ti和Rb含量相對穩(wěn)定,可能暗示著末次冰期以來伊犁黃土的物質(zhì)來源基本相同.此外,在風(fēng)化過程中,由于Rb離子半徑較大,易被粘土礦物吸附而保留在原地或近距離遷移,相比之下,離子半徑較小的Sr極易以游離態(tài)形式被遷移.有研究證實(shí)在風(fēng)化成壤淋濾過程中,黃土中Rb較Sr穩(wěn)定.因此黃土和古土壤中Rb/Sr比的大小主要取決于Sr的淋濾程度.成壤作用使古土壤Rb/Sr比值在原來較高的基礎(chǔ)上進(jìn)一步升高.波馬剖面Rb/Sr與Sr含量之間負(fù)相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.93,證明了Rb保持基本穩(wěn)定而Sr被淋濾的特點(diǎn).S1以來伊犁波馬剖面黃土和古土壤Rb/Sr比值(0.32和0.35)均低于洛川剖面(0.53和0.75),說明末次冰期以來伊犁波馬剖面黃土和古土壤風(fēng)化淋溶強(qiáng)度較黃土高原黃土弱,更不及古土壤,且黃土和古土壤風(fēng)化淋溶分異程度較黃土高原差.4不同層位的化學(xué)風(fēng)化地球化學(xué)變化一般來說,氣候越濕潤,成土作用就越強(qiáng)烈,成土母質(zhì)成分遭受淋失、氧化,使SiO2、Al2O3、Fe2O3等高價(jià)氧化物相對富集.因此,剖面中氧化物比值變化可間接表征古氣候變化.化學(xué)元素綜合參數(shù)被廣泛應(yīng)用于古氣候研究中,這里主要選擇以下幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析(圖4).即Ki值,殘積系數(shù)數(shù)值減少,說明風(fēng)化淋溶作用較弱、氣候干旱,反之,說明Al、Fe殘積較多,氣候暖濕.退堿系數(shù)(Na2O+CaO)/Al2O3因Al2O3在風(fēng)化過程中淋失較少、相對穩(wěn)定,但Na2O、CaO的化學(xué)性質(zhì)較活潑,易發(fā)生淋溶遷移.當(dāng)該值增大時(shí),表明沉積氣候處于干旱階段.反之,氣候較暖濕.Ba值大小表明在氣候環(huán)境影響下黃土中活動(dòng)組分與惰性組分間的消長關(guān)系,反映土壤淋溶作用強(qiáng)弱及氣候干濕變化.Ba值愈小,表示淋溶愈強(qiáng),氣候愈濕潤;反之,Ba值愈大,淋溶作用愈弱,氣候愈干旱.化學(xué)風(fēng)化指數(shù)(CIA=Al2O3/(Al2O3+Na2O+K2O+CaO*)×100)式中均為氧化物分子摩爾數(shù),其中CaO*為硅酸鹽礦物中摩爾含量,不包括碳酸鹽和磷酸鹽中CaO含量.由于硅酸鹽中的CaO與Na2O通常以1∶1的比例存在,所以S.M.McLennan認(rèn)為,當(dāng)CaO摩爾數(shù)大于Na2O時(shí),可認(rèn)為mCaO*=mNa2O,而小于Na2O時(shí)則mCaO*=mCaO.從(弱)古土壤層來看,在S0層,0~0.1m間Ki值相對較高,退堿系數(shù)、Ba值較低,說明此時(shí)風(fēng)化淋溶作用較強(qiáng),CaCO3含量低,Rb/Sr比值較高,印證了這一階段氣候較濕潤.古土壤層中大于63μm含量相對較高,表明此時(shí)氣候較寒冷,因此,風(fēng)化成壤作用相對較弱,CIA值較低.0.1~0.9m間Ki值相對較低,退堿系數(shù)、Ba值較高,CaCO3含量較高,達(dá)到剖面最大值,Rb/Sr比值較低,說明風(fēng)化淋溶作用較弱,氣候較干旱,此時(shí),大于63μm含量相對較高,接近剖面最大值,意味著此時(shí)氣候較寒冷,因此,風(fēng)化作用相對較弱,CIA值較低.由此可見,S0古土壤形成時(shí)期氣候上層0~0.1m以冷濕為主,下部0.1~0.9m以干冷為特征.在S1層,Ki值相對較高,退堿系數(shù)、Ba值均處于相對較低的水平,三者變化趨勢基本一致,CaCO3含量相對較低,底部接近剖面最低值,Rb/Sr比值相對較高,說明風(fēng)化淋溶作用相對較強(qiáng),氣候較為濕潤,大于63μm含量達(dá)到剖面最大值,意味著此時(shí)氣候寒冷,因此,風(fēng)化作用作用非常弱,CIA為剖面的最低值.由此可見,氣候條件通過溫度和降水對化學(xué)風(fēng)化起重要影響,水熱組合模式(降水、溫度和蒸發(fā)量等)在化學(xué)風(fēng)化過程中可能起重要制約作用.從黃土層來看,在L1L1層,Ki值、退堿系數(shù)、Ba值三者具一致變化趨勢,CaCO3含量相對較低,Rb/Sr比值波動(dòng)不明顯,由于大于63μm含量變化幅度較大,化學(xué)風(fēng)化CIA值變化趨勢不明顯.在L1L2層,Ki值具小幅波動(dòng)降低趨勢,退堿系數(shù)、Ba值具相應(yīng)幅度增加趨勢,Rb/Sr比值波動(dòng)減少,表明此時(shí)降水有所減少,大于63μm含量具明顯波動(dòng)減少趨勢,氣候逐漸變暖,CIA值具波動(dòng)增加趨勢.從剖面Ki值、退堿系數(shù)、Ba值曲線看,除S0層外,總體在均值上下,變化幅度較小,表明剖面降水