黃土中伊利石結(jié)晶度的測定及其古環(huán)境意義

黃土中伊利石結(jié)晶度的測定及其古環(huán)境意義

長期以來，研究中國黃土中粘土特征及其古代氣候數(shù)據(jù)一直是一個興趣巨大的問題。我國黃土及其伴生的古土壤中最主要的粘土礦物是伊利石。由于伊利石的結(jié)晶度能反映其形成時的地球化學(xué)環(huán)境以及后期變化過程,而被廣泛研究和應(yīng)用。Weaver最先提出用伊利石1nm衍射峰的形態(tài),即1nm和1.05nm處的強(qiáng)度之比(Weaver指數(shù)),來測量伊利石的結(jié)晶度。Kübler則提出利用伊利石1nm衍射峰的半高寬,即Kübler指數(shù),反映伊利石的結(jié)晶度。目前Kübler指數(shù)已被廣泛采用。劉東生等在研究我國黃土和古土壤時,采用伊利石1nm衍射峰的高寬指數(shù)來表征它的結(jié)晶度,并利用它作為研究古環(huán)境變化的有效指標(biāo)。近年來的一系列研究結(jié)果表明,伊利石結(jié)晶度的測定,與各實驗室所用的實驗條件和制樣方法密切相關(guān)。為了使各實驗室測定的伊利石結(jié)晶度值可以比較,IGCP294IC工作小組推薦了測定伊利石結(jié)晶度的方法和條件,并建議使用國際標(biāo)樣。本文采用國外近年來廣泛應(yīng)用的Kübler指數(shù)法,并利用國際標(biāo)樣進(jìn)行表定,來研究我國陜西洛川黃土-古土壤典型剖面中伊利石的結(jié)晶度(IC),獲得了一些新的認(rèn)識。1自然干定向片ad和乙二醇gl結(jié)晶度測定樣品(18塊)均采自洛川黑木溝黃土-古土壤剖面。樣品的制備和測試根據(jù)IGCP294IC小組和Warr等所推薦的方法和條件進(jìn)行。首先把樣品中所含碳酸鹽、鐵膠結(jié)物和有機(jī)質(zhì)除去,然后按常規(guī)方法分散,用移液管吸出<2μm的顆粒,并分成兩組。第一組樣品用于結(jié)晶度的測定,制成厚度大于3mg/cm2的自然風(fēng)干定向片(AD),以消除樣品的厚度對結(jié)晶度測定結(jié)果的影響。每塊樣品測定4次,再經(jīng)乙二醇處理(GL)后測定4次。結(jié)晶度測定結(jié)果的誤差<7%。第二組樣品先經(jīng)3N鹽酸加熱(80℃)1h除去綠泥石后,再制成定向片,用于樣品中伊利石多型含量的確定。樣品采用理學(xué)D/max-rA型X射線衍射儀測定,Cu靶,電壓40kV,電流20mA,步寬0.01°2θ,掃描速度1°/min,掃描范圍分別為2—50°2θ(粘土礦物鑒定)和2—14°2θ(結(jié)晶度測定)。伊利石的結(jié)晶度(IC)是測量伊利石1nm衍射峰的半高寬,單位以°Δ2θ表示。通過測定結(jié)晶度指數(shù)標(biāo)樣(CIS)將實驗結(jié)果換算成Kübler標(biāo)準(zhǔn)(圖1)。結(jié)晶度指數(shù)標(biāo)樣(CIS)由4塊巖石樣品(泥巖及板巖)和1塊白云母晶體組成,由L.N.Warr提供。伊利石的Srodon峰強(qiáng)比是通過計算伊利石的(001)和(003)衍射峰強(qiáng)度而獲得,即:樣品中伊利石的2M1多型含量是據(jù)伊利石0.280nm/0.256nm衍射峰的峰強(qiáng)比獲得。2x射線衍射msq有關(guān)洛川黃土-古土壤剖面中伊利石的結(jié)晶度(IC)、Ir和2M1/1M+2M1)值等列于表1。經(jīng)鹽酸處理后的樣品X射線衍射圖顯示伊利石包含1M和2M1多型(圖2)。這些結(jié)果揭示了洛川黃土-古土壤剖面中黃土的物質(zhì)來源和形成時的古氣候環(huán)境特征。2.1洛川黃土-古土壤剖面中伊利石的結(jié)晶度及多型特征由表1可知,洛川黃土-古土壤剖面中伊利石的結(jié)晶度(IC)值變化在0.24—0.35°Δ2θ(AD)和0.24—0.30°Δ2θ(GL)之間,平均值分別為0.28°Δ2θ(AD)和0.27°△2θ(GL)。已有的研究表明,伊利石結(jié)晶度的高低取決于其生長環(huán)境的溫度、壓力、巖性和鉀含量以及生長時間,其中溫度的作用最為重要。伊利石的結(jié)晶度主要隨溫度的增大而變高,這已為淺變質(zhì)巖區(qū)和現(xiàn)代活動地?zé)釒У恼{(diào)查研究以及一系列的室內(nèi)水熱實驗研究所證實[5,6,7,8,9,10,11,12]。伊利石的結(jié)晶度(Kübler指數(shù))是劃分成巖帶(diagenesis),近變質(zhì)帶(anchizone)和淺變質(zhì)帶(epizone)的主要指標(biāo)。近變質(zhì)帶與淺變質(zhì)帶的界限為IC=0.25°Δ2θ;與成巖帶的界限為IC=0.42°Δ2θ。近變質(zhì)帶溫度范圍一般認(rèn)為是280—360℃。洛川黃土-古土壤剖面中伊利石結(jié)晶度值(0.24—0.35°△2θ)落在近變質(zhì)帶伊利石的結(jié)晶度指數(shù)范圍內(nèi)(0.25—0.42°Δ2θ)。伊利石的多型主要有1M,2M1和3T。Weaver等認(rèn)為在低溫成巖階段(<280℃)無2M1型伊利石形成,皆為1M型伊利石;在近變質(zhì)帶(280—360℃)中,2M1型伊利石的含量隨溫度的增高而增加;而在淺變質(zhì)帶(>360℃)中,伊利石都為2M1型。從表1中可以看出,洛川黃土-古土壤剖面中2M1型伊利石的含量為20%—90%(對全部伊利石而言),也與近變質(zhì)帶中伊利石的多型特征相一致。因此,洛川黃土-古土壤剖面中的伊利石的結(jié)晶度指標(biāo)和多型特征說明伊利石起源于變質(zhì)程度屬近變質(zhì)帶的地質(zhì)環(huán)境或類似的中高溫(>280℃)地質(zhì)環(huán)境,不可能是在黃土中自生的,也不會是在它們的可能源區(qū)沙漠中形成的。由于伊利石是黃土和古土壤中的重要礦物,由此反映了黃土的物質(zhì)來源與近變質(zhì)帶或類似的中高溫(>280℃)地質(zhì)環(huán)境有著密切的成因聯(lián)系。2.2古土壤中伊利石結(jié)晶度的變化表1表明,各黃土樣品中伊利石的結(jié)晶度值非常相近,在0.24—0.25°Δ2θ之間,平均值為0.25°Δ2θ。黃土樣品經(jīng)乙二醇處理后伊利石的結(jié)晶度值沒有發(fā)生變化。而各土壤樣品中伊利石的結(jié)晶度值變化范圍較大,為0.27—0.35°△2θ(AD)和0.27—0.30°Δ2θ(GL),平均值為0.30°△2θ(AD)和0.28°Δ2θ(GL)。古土壤樣品在經(jīng)乙二醇處理后伊利石的結(jié)晶度值變小,說明這些伊利石的結(jié)構(gòu)中含有膨脹層。古土壤樣品中伊利石的結(jié)晶度值明顯較黃土樣品的為大,與劉東生等利用伊利石的高寬指數(shù)研究黃土和古土壤中伊利石的結(jié)晶度而獲得的結(jié)果一致。通常認(rèn)為,這種差別是由于古土壤中伊利石膨脹層的含量較黃土中伊利石的為高而引起的。所謂伊利石的結(jié)晶度,實質(zhì)是反映伊利石的晶疇大小(domainsize)和結(jié)構(gòu)膨脹程度(swelling)。通常認(rèn)為,晶疇大小主要取決于其形成溫度,而結(jié)構(gòu)膨脹程度由其所含膨脹層的多少決定。伊利石中是否含膨脹層可用Srodon提出的Ir值來進(jìn)一步判斷,即如果Ir=1,則不含膨脹層;如果Ir>1,則表明存在膨脹層。從表1中可以發(fā)現(xiàn),黃土樣品中伊利石的Ir值都為1,而古土壤樣品中伊利石的Ir值全部大于1,變化在1.05一1.33之間。從而說明,古土壤中的伊利石含有少量的膨脹層(<3%),而黃土中的伊利石不含有膨脹層。因此,古土壤中伊利石所含有的膨脹層,是在黃土風(fēng)化成土形成古土壤的過程中獲得的,與古氣候環(huán)境的變化有著密切的成因聯(lián)系。大量有關(guān)土壤中伊利石的研究結(jié)果表明,在土壤中,碎屑成因的伊利石由于受淋溶作用,導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)中形成膨脹層,而引起伊利石發(fā)生退變。土壤中伊利石退變的程度隨風(fēng)化淋溶程度的增大而增高,并經(jīng)伊利石/蛭石、伊利石/蒙脫石等混層礦物,最終導(dǎo)致蒙皂石的形成。在干冷的氣候環(huán)境下,由于缺乏水,風(fēng)化作用以物理風(fēng)化作用為主,伊利石保存較好;而在溫濕的氣候條件下,年降水量為50—100cm/a,伊利石由于受到淋溶,而發(fā)生結(jié)晶度降低、膨脹層含量增高,甚至完全轉(zhuǎn)變?yōu)轵问?、蒙皂石等退變現(xiàn)象。因此,黃土和古土壤中伊利石結(jié)晶度和膨脹層等特征的差別系氣候環(huán)境的變化造成的,即黃土是在寒冷-干燥氣候環(huán)境下堆積,伊利石保存較好,沒有發(fā)生退變;而古土壤則是在溫濕的氣候條件下形成的,伊利石受到淋溶而產(chǎn)生退變。古土壤中伊利石的退變程度越高(結(jié)晶度值變大和膨脹層含量增高),表明當(dāng)時的古氣候環(huán)境越較溫暖和潮濕。就本文的古土壤樣品而言,采自S5古土壤層的樣品,Ir值最大,樣品經(jīng)乙二醇處理后結(jié)晶度值變化也最大,表明其膨脹層含量最高,反映了S5古土壤層形成時的古氣候環(huán)境比其它古土壤層較為溫濕的特點。3土壤地質(zhì)環(huán)境特征根據(jù)以上研究,可以初步得出如下幾點認(rèn)識:(1)洛川黃土-古土壤剖面中的伊利石起源于變質(zhì)程度屬近變質(zhì)帶(anchizone)的地質(zhì)環(huán)境或類似的中高溫(>280℃)地質(zhì)環(huán)境。由于伊利石是黃土和古土壤中的主要粘土礦物,由此反映黃土物質(zhì)的起源與上述地質(zhì)環(huán)境有關(guān)。(2)黃土樣品中伊利石結(jié)晶度值(Kübler指數(shù))為0.25°Δ2θ,古土壤樣品中伊利石結(jié)晶度值大于0.27°Δ2θ。黃土和古土壤中伊利石結(jié)晶度值的差別,是由于古土壤中伊利石含少量的膨脹層,而黃