中亞熱帶加積型黏土的成因及形成機(jī)制

長江中下游低山丘陵地區(qū)生長著紅茶，通常包括紅樹皮、網(wǎng)格紅土層、砂礫紅土層和碎石紅土層。這些層段的物質(zhì)組成、質(zhì)地不完全相同,其中特別引起學(xué)者關(guān)注的是在中亞熱帶地區(qū)分布廣泛,厚度幾至幾十米不等的網(wǎng)紋紅土層,該層可稱之為加積型網(wǎng)紋紅土。本文所有分析樣品均采自該層段。雖然關(guān)于網(wǎng)紋紅土的前人研究成果非常豐碩,但到目前為止其形成環(huán)境仍然存在爭論。有學(xué)者提出,以安徽宣城剖面為代表的中國南方紅土是干、涼/冷環(huán)境下的風(fēng)成堆積;但大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為濕熱的氣候、平坦的地形、頻繁的地下水活動是網(wǎng)紋紅土形成的必要條件。從前人研究成果不難看出,由于環(huán)境信息提取和精確測年的困難,限制了網(wǎng)紋紅土沉積記錄研究的深入,甚至目前還停留在成因爭論的初級階段。更重要的是,紅土研究的系統(tǒng)性、綜合性遠(yuǎn)不如黃土,研究區(qū)域也不夠廣闊。本文在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上,利用Marvern2000激光粒度分析儀、X衍射;X熒光光譜儀、電感耦合等離子質(zhì)譜儀(簡稱ICP-MS)和TIMS分別對采自江西九威大道、沙河鎮(zhèn)、星子、浙江安吉、金華和湖南株洲等地的130個(gè)網(wǎng)紋紅土層的紅土樣品進(jìn)行了粒度、地球化學(xué)分析,并對代表樣品進(jìn)行了Sr、Nd同位素分析。粒度和地球化學(xué)分析樣品主要使用的是網(wǎng)紋紅土全樣,并且對部分樣品進(jìn)行網(wǎng)紋的紅色部分和白色部分分離和分別測試。本文試圖通過理化特征分析,探討加積型網(wǎng)紋紅土及其起始物質(zhì)的形成環(huán)境。1谷物特征和粘土礦物1.1基層網(wǎng)紅土粒級和粒度頻率曲線如表1所示,網(wǎng)紋紅土與午城黃土中古土壤的粒度組成十分接近。網(wǎng)紋紅土以粉砂和黏粒占優(yōu)勢,并且隨位置的空間變化,由西北向東南不同粒組呈現(xiàn)有規(guī)律的增減。與北方風(fēng)塵沉積物類似,網(wǎng)紋紅土>50μm組分含量較低(0.24%~4.18%),平均2.64%;50~5μm組分含量41.20%~69.22%,平均53.56%;<5μm黏粒含量26.91%~55.75%,平均42.13%。從位置偏西北的江西到東南的湖南等地,網(wǎng)紋紅土粗粉砂含量從42.52%減少至24.78%,黏粒含量從33.76%增加至57.53%。在黃土研究中,10~50μm粒級組分被認(rèn)為是風(fēng)塵的“基本粒組”,5~10μm粒級被看作遠(yuǎn)源組分。不同剖面網(wǎng)紋紅土的“基本粒組”平均含量24.78%~45.52%,較黃土低,但5~10μm組分含量高于午城和離石黃土。網(wǎng)紋紅土的粒度頻率曲線表現(xiàn)為雙峰和多峰,并且和粒度組成一樣具有空間分異。位置偏東南的金華和湖南株洲的網(wǎng)紋紅土第一眾數(shù)出現(xiàn)在黏粒中,第二眾數(shù)出現(xiàn)在粉砂中;相反,位置偏西北的九江、安吉等地的網(wǎng)紋紅土第一眾數(shù)出現(xiàn)在粉砂中,第二眾數(shù)出現(xiàn)在黏粒中。網(wǎng)紋紅土粒度頻率曲線和粒度組成這種空間分異與前人研究結(jié)果相吻合,反映網(wǎng)紋紅土粒度組成可能具有風(fēng)成特性。1.2多晶硅系礦物根據(jù)日本上越大學(xué)大場教授進(jìn)行的X衍射分析結(jié)果,網(wǎng)紋紅土黏粒中(<4μm)含有較多的石英、云母和高嶺石,其次為長石、赤鐵礦和針鐵礦,部分樣品含有綠泥石、伊利石和蒙托石混層礦物(表2)。通常在典型的濕熱氣候條件下,風(fēng)化作用強(qiáng)烈,長石、云母之類鋁硅酸鹽礦物大量風(fēng)化而釋放出Sr和Ca之類陽離子,風(fēng)化可達(dá)到脫硅富鋁的高級階段。所研究的網(wǎng)紋紅土的黏土礦物中較高的石英、云母和長石含量反映其形成環(huán)境并不如同想像的那么濕熱。2地球化學(xué)特征2.1配方參數(shù)及構(gòu)造特征表3網(wǎng)紋紅土燒失量4.5%~8.11%,平均5.77%;常量元素含量由大到小依次為:Si、Al、Fe、K、Ti、Mg、Ca、Na、P、Mn。SiO2含量59.57%~75.04%,平均高達(dá)68.29%,這與黏土礦物中高的石英含量一致;Al2O3和Fe2O3的平均含量分別為14.79%和6.95%;TiO2與MnO2的含量分別為1.07%和0.06%。由于易溶組分的淋失,CIA值(CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O+K2O)]×100,式中CaO指硅酸鹽中CaO含量)介于81.97~90.54,平均為86.13,高于北方風(fēng)成沉積物,但網(wǎng)紋紅土全巖的硅鋁率(平均7.96)和硅鐵鋁率(平均6.11)和風(fēng)塵沉積物差別并不顯著。有人認(rèn)為,南方紅土CIA與硅鋁率和硅鐵鋁率的不協(xié)調(diào)是土壤對硅吸附的結(jié)果,并且與pH有關(guān);也有人提出,在剖面上Fe、Al氧化物的下滲和淋失作用及其對硅的相對富集是引起中國南方紅土表層出現(xiàn)Si/Al率和SiO2/R2O3率升高的主要原因。考慮所研究網(wǎng)紋紅土的沉積特征以及黏土礦物組成,作者認(rèn)為網(wǎng)紋紅土形成環(huán)境與現(xiàn)代典型紅壤不完全相同。在中亞熱帶地區(qū)紅壤形成的主要過程是脫硅富鋁過程。本文所研究的加積型網(wǎng)紋紅土較高的CIA反映易溶組分的淋失,代表其化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)度較黃土強(qiáng)烈,而較高的硅鋁率和硅鐵鋁率則表明其化學(xué)風(fēng)化尚未達(dá)到明顯的脫硅富鋁階段。代表樣品黏粒的常量元素分析也顯示,網(wǎng)紋紅土黏粒的硅鋁率和硅鐵鋁率的平均值分別為3.0和2.3,小于紅壤。2.2不同沉積介質(zhì)的ph值對網(wǎng)130個(gè)樣品分析結(jié)果顯示,網(wǎng)紋紅土稀土豐度界于87.3~695.9mgkg-1之間,算術(shù)平均179.6mgkg-1,與地殼平均值(178mgkg-1)、北京郊區(qū)1998年12月大氣粉塵稀土總量(178.0mgkg-1)以及中國黃土標(biāo)樣CJ1和CJ2的平均值(178.2mgkg-1)非常接近。與楊元根等南方紅土以及李富春等對下蜀黃土分析結(jié)果的比較,網(wǎng)紋紅土的稀土豐度略高于紅壤剖面中的淋溶層,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基巖平均值,但明顯低于下蜀黃土和古土壤平均值。楊元根等在研究紅土?xí)r發(fā)現(xiàn),剖面上稀土元素總量與pH值有顯著的正相關(guān)性,酸性條件下稀土元素活動性較強(qiáng),易于淋失,而在堿性條件下則發(fā)生淀積。因此,加積型網(wǎng)紋紅土的稀土元素豐度可反映沉積過程中酸堿度的變化。故推測,網(wǎng)紋紅土中稀土元素的富集可能與沉積介質(zhì)的pH值有關(guān)。根據(jù)測定,網(wǎng)紋紅土的pH值最高為5.7,最低4.3,平均值為5.1。2.3稀土重質(zhì)低效型圖1為球粒狀隕石歸一化稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化曲線(圖1),很明顯網(wǎng)紋紅土樣品和北方風(fēng)塵沉積的稀土分布模式十分相似,二者均呈斜率為負(fù)值的分布模式。輕稀土富集,重稀土分餾。網(wǎng)紋紅土的∑LEE/∑HREE值平均大于10,最高達(dá)到15.18。將網(wǎng)紋紅土的紅色基質(zhì)和白色或黃色斑紋進(jìn)行分離并分析,結(jié)果顯示紅色基質(zhì)和白色斑紋的稀土分布模式基本一致,但稀土元素含量存在差別,白色斑紋稀土豐度高于紅色基質(zhì),反映紅色基質(zhì)和白色斑紋的母質(zhì)同源性以及風(fēng)化淋溶程度的差異。2.4網(wǎng)絡(luò)地理指標(biāo)df為進(jìn)一步確定所研究網(wǎng)紋紅土與風(fēng)塵沉積的相似性,本文使用判別函數(shù)進(jìn)行不同類型沉積物稀土元素的判別分析。判別函數(shù)DF的表達(dá)式如下:DF=|(C1R/C2R)/(C1L/C2L)-1|式中C1R/C2R表示網(wǎng)紋紅土中兩種元素的比值;C1L/C2L表示黃土中兩種元素的比值。如果DF的絕對值小于0.5,即認(rèn)為兩種沉積物化學(xué)性質(zhì)接近。為使這一判斷能更有效地反映沉積物之間的接近程度,構(gòu)成比值的元素對應(yīng)盡可能選取化學(xué)性質(zhì)相近的元素。稀土元素是一組化學(xué)性質(zhì)極為相近的元素,符合判別條件。本文以黃土標(biāo)樣CJ1和CJ2作為風(fēng)成沉積物代表,以長江河漫灘沉積物作為水成沉積物代表,選用Ce與其他稀土元素的比值求得網(wǎng)紋紅土與黃土和長江河漫灘沉積物的DF值。如圖2所示,網(wǎng)紋紅土與長江河漫灘沉積物的DF值要大于其與黃土標(biāo)樣CJ1、CJ2的DF值,表明網(wǎng)紋紅土與黃土的相似性好于沖積物。3基層動物源區(qū)種巖源區(qū)的流變學(xué)特征研究區(qū)域的網(wǎng)紋紅土的87Sr/86Sr值界于0.722001~0.727741之間,多數(shù)樣品該值大于0.725000(表3)。楊杰東等研究表明,與全巖樣品相比,黏粒的87Sr/86Sr值高。周彬等系統(tǒng)研究了黃土高原Sr同位素隨緯度的變化,提出黃土中弱酸不溶相87Sr/86Sr比值主要受粒度粗細(xì)變化和源區(qū)風(fēng)化程度的控制。網(wǎng)紋紅土全巖樣品的87Sr/86Sr值與北方佳縣上新世紅黏土(全巖)、靈臺剖面沉積物黏粒的87Sr/86Sr值接近,一方面反映網(wǎng)紋紅土黏粒含量高,另一方面則說明網(wǎng)紋紅土母質(zhì)在源區(qū)的風(fēng)化強(qiáng)度與風(fēng)成沉積相似。黃土物質(zhì)被認(rèn)為起源于大面積陸殼巖石的風(fēng)化,其地球化學(xué)組成具有上部地殼物質(zhì)的普遍代表性。一般認(rèn)為,Sr和Nd同位素是研究沉積物源區(qū)的有效方法之一。黃土高原黃土和古土壤的研究表明,風(fēng)化和成壤作用對Nd同位素組成沒有影響,而黃土和古土壤樣品(無論是全巖樣品或酸不溶物)的Sr同位素組成卻明顯受到風(fēng)化或成壤作用的影響,顯示出與東亞季風(fēng)強(qiáng)度變化有一定相關(guān)性。因此,Nd同位素是研究黃土高原風(fēng)塵的源區(qū)的可靠方法。計(jì)算表明,網(wǎng)紋紅土143Nd/144N比值0.511989~0.512098,εNd(0)介于-10.54~-12.66之間,平均值為-11.51,這表明網(wǎng)紋紅土的物質(zhì)源區(qū)是基本穩(wěn)定的。4土壤理化性質(zhì)特征地球化學(xué)特征表明,中國網(wǎng)紋紅土與北方風(fēng)塵沉積具有一定的風(fēng)塵相似性。1)網(wǎng)紋紅土粒度組成以5~50μm粉砂占優(yōu)勢,>50μm含量小于5%,5~50μm組分41.19%~61.50%,<5μm黏粒26.91%~55.75%;而且沿著冬季風(fēng)方向,由西北到東南,網(wǎng)紋紅土粉砂含量減少,黏粒增加,第一眾數(shù)由粉砂粒組遷移到黏粒粒組,表現(xiàn)出一定的風(fēng)成沉積特征。2)黏土礦物組成中石英、云母和高嶺石含量占優(yōu)勢,與現(xiàn)代紅壤以高嶺石為主的黏土礦物組成存在差異。3)常量元素以硅、鋁和鐵含量之和占絕對優(yōu)勢,平均含量達(dá)90%左右,全巖和黏粒的硅鋁率(7.96,3.0)和硅鋁鐵率(6.11,2.3)高于紅壤,CIA值介于81.97~90.54,平均86.13,高于北方風(fēng)成沉積,反映網(wǎng)紋紅土所經(jīng)歷的較為強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用,但尚未達(dá)到脫硅富鋁階段。4)稀土豐度平均值179.6mgkg-1,與地殼平均值(178mgkg-1)、北京郊區(qū)1998年12月大氣粉塵稀土總量(178.0mgkg-1)以及中國黃土標(biāo)樣CJ1和CJ2的平均值(178.2mgkg-1)非常接近。稀土元素組成以輕