干旱區(qū)高山泥炭磁學(xué)特性研究

張俊輝，夏敦勝，2，張 英，劉宇航

1蘭州大學(xué)西部環(huán)境與氣候變化研究院，蘭州 730000

2中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

1 引 言

環(huán)境磁學(xué)廣泛用于海洋、湖泊和黃土堆積序列的沉積過(guò)程、環(huán)境變化和區(qū)域地層對(duì)比研究中，取得了重要的成果［1－4］.然而，不同類型、不同環(huán)境條件下的沉積物、磁性礦物往往會(huì)經(jīng)歷不同形式、不同程度的成巖改造或溶解作用，其原生的一些信息會(huì)在一定程度上被改變甚至完全掩蓋［5－10］.因此，全面識(shí)別不同沉積物中磁性礦物的特征，了解磁性礦物的來(lái)源和磁學(xué)參數(shù)的意義，明確磁學(xué)特征與環(huán)境條件的關(guān)系，理解磁性礦物沉積與保存過(guò)程，探明磁性礦物的變化機(jī)理是開展進(jìn)一步研究工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵.

泥炭作為過(guò)去大氣降塵、人類活動(dòng)和氣候變化的良好信息載體［11］，在全球碳循環(huán)和生態(tài)發(fā)展等方面扮演著重要角色［12－14］.與黃土、湖泊、海洋等其它類型沉積物相比，泥炭是在氧氣不足條件下由厭氧微生物緩慢分解后累積而成的，受大量的有機(jī)質(zhì)、氧化還原條件、生物作用和水動(dòng)力等多種復(fù)雜環(huán)境因素的影響，使得認(rèn)識(shí)泥炭中的磁性礦物具有一定的難度.前人運(yùn)用泥炭的磁學(xué)參數(shù)開展了大氣污染［15－16］、人類活動(dòng)［17］以及氣候變化［18－19］等方面的 研究工作，這些工作都是基于泥炭中的磁性礦物在沉積后沒有發(fā)生變化或者鐵磁性礦物溶解很慢能夠被有效的保存下來(lái)為基礎(chǔ)的.然而，Williams［20］對(duì)運(yùn)用泥炭沉積物的磁性參數(shù)重建歷史時(shí)期的工業(yè)污染提出了質(zhì)疑，認(rèn)為泥炭中的磁鐵礦在滯水的環(huán)境中會(huì)很快發(fā)生溶解、消失.相反，另外的研究結(jié)果則認(rèn)為，泥炭沉積物中至少包含六種磁性礦物，除了順磁性的礦物和抗磁性的有機(jī)成分，還有赤鐵礦和（或）針鐵礦，亞鐵磁性的軟磁成分以及磁性細(xì)菌的存在［18］.目前，對(duì)泥炭沉積的磁學(xué)特性及變化雖然有了初步的認(rèn)識(shí)，但是相關(guān)工作開展的還較少，而且沒有徹底弄清楚，仍亟需深入討論.

濕地和沼澤地區(qū)豐富的植被能有效捕捉粉塵，尤其在干旱環(huán)境中，大氣降塵的濃度相對(duì)較高［21］，更有利于磁學(xué)工作的開展.本文選取位于干旱區(qū)的新疆阿爾泰山ATM10－C7鉆孔連續(xù)的泥炭沉積序列樣品作為研究對(duì)象，通過(guò)詳細(xì)系統(tǒng)的磁學(xué)分析，結(jié)合泥炭沉積環(huán)境，探討泥炭沉積物中磁性礦物的磁學(xué)特征，如磁性礦物含量，類型以及粒徑大小等，探討在富含大量有機(jī)質(zhì)的氧化還原條件下磁性礦物的保存與變化機(jī)理，為進(jìn)一步運(yùn)用泥炭沉積物的磁學(xué)參數(shù)作為大氣降塵及古氣候重建的代用指標(biāo)具有重要意義和科學(xué)價(jià)值.

2 研究區(qū)與實(shí)驗(yàn)樣品

阿爾泰山位于新疆的北部地區(qū)，屬于寒溫帶干旱氣候，夏季短冬季漫長(zhǎng)，采樣點(diǎn)（48°7′13.5″N，88°21′26.4″E）位于哈拉沙子濕地阿爾泰山的中部（圖1），阿勒泰市克蘭河上游，屬于山間盆地沖積—洪積扇中下部，海拔2380m，泥炭發(fā)育面積約為200km2，屬于典型的高寒草甸沼澤濕地，主要的水分補(bǔ)給有大氣降水，冰雪融水以及地下水，年平均氣溫3.9℃，平均年降水量為180.8mm，現(xiàn)代主要的植物建群種為阿爾泰山苔草，伴生泥炭蘚.

采用泥炭手鉆采集到的ATM10－C7巖芯長(zhǎng)度為742cm，其中0～722cm為連續(xù)的泥炭沉積，723～742cm為灰綠色粘土沉積物.為了避免氧化及污染，采集到的巖芯被分裝在50cm長(zhǎng)的PVC管之后，迅速用保鮮膜包裹，確保在低溫及不受擾動(dòng)的前提下運(yùn)回實(shí)驗(yàn).在實(shí)驗(yàn)室按照1cm的厚度分割并在－45℃冷干.本文選取的代表性樣品分別來(lái)自剖面的不同沉積層，并根據(jù)磁化率，非磁滯剩磁磁化率和飽和等溫剩磁等磁學(xué)參數(shù)的變化分為磁性的高值和低值（表1），磁性礦物濃度的高／低值相對(duì)于該剖面中的平均值而言.

3 實(shí)驗(yàn)方法

磁滯參數(shù)包括飽和磁化強(qiáng)度（Ms）、飽和剩余磁化強(qiáng)度（Mrs）、矯頑力（Bc）、剩磁矯頑力（Bcr）以及FORC圖均用美國(guó)Princeton Measurements公司生產(chǎn)的MicroMag 3900型變梯度磁力儀測(cè)量.低溫實(shí)驗(yàn)在MPMS XP－5型低溫磁性質(zhì)測(cè)試系統(tǒng)上完成，具體實(shí)驗(yàn)步驟為：（1）樣品在零場(chǎng)狀態(tài)下從室溫（300K）冷卻到20K，然后施加5T的磁場(chǎng)使樣品在低溫狀態(tài)下獲得飽和等溫剩磁（LSIRM）；在零場(chǎng)狀態(tài)下測(cè)量LSIRM的升溫曲線（20～300K）；（2）樣品在有場(chǎng)（5T）狀態(tài)下從室溫冷卻到20K，重復(fù)（1）的LSIRM的升溫曲線測(cè)量.以上實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁與年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試完成.

圖1 鉆孔及表土樣品的示意圖Fig.1 Location of the core and surface soil samples

表1 巖芯以及代表樣品的磁學(xué)參數(shù)Table 1 Magnetic parameters and lithologies of representative samples

4 結(jié)果分析

4.1 等溫剩磁曲線

如圖2所示，所有代表性樣品在100mT外加磁場(chǎng)狀態(tài)下可達(dá)飽和值的70%～80%，在300mT可達(dá)90%以上，在1000mT時(shí)已基本達(dá)到飽和（圖2a），并且剩磁矯頑力均小于50mT（表1），表明軟磁性的亞鐵磁性礦物主導(dǎo)了泥炭樣品的剩磁特征［1］.泥炭樣品的SIRM與總體上呈較好的線性相關(guān)（圖2b），擬合曲線指向原點(diǎn)，但同時(shí)有少量樣品表現(xiàn)出分散的特征，這表明除亞鐵磁性礦物外還有少量順磁性礦物的貢獻(xiàn)［1］.

圖2 代表性樣品的IRM曲線（歸一化處理）（a），鉆孔剖面所有樣品的SIRM和χlf相關(guān)性分析（b）Fig.2 Isothermal remanent magnetization acquisition curves for selected samples（a），IRM are normalized to their 1Tvalues.Correlations between SIRM andχlffor all the samples（b）

4.2 κ－T曲線

沉積物的磁化率隨溫度變化（κ－T）曲線，尤其是逐步加熱的κ－T曲線，可以指示磁性礦物在加熱過(guò)程中物理化學(xué)變化［22］.所有代表性樣品，無(wú)論是磁性高值還是低值，磁化率的加熱和冷卻曲線都在580℃左右發(fā)生急劇的轉(zhuǎn)折，表明了磁鐵礦的存在（圖3a—e），而且，在580～680℃之間磁化率仍表現(xiàn)出繼續(xù)下降的趨勢(shì)，表明樣品中含有高濃度的赤鐵礦.然而，κ－T曲線中反映出的磁鐵礦既可能是樣品中原生的也可能是由加熱過(guò)程中新產(chǎn)生［22］.對(duì)于C7－001和C7－732樣品來(lái)說(shuō)（圖3a，e），冷卻曲線明顯高于加熱曲線，磁化率都大幅升高，尤其是表層的C7－001樣品，升高幅度超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)，表明在加熱過(guò)程中有大量新的強(qiáng)磁性礦物生成，并顯示了磁鐵礦的特征，進(jìn)一步表明新生成的亞鐵磁性礦物主要是磁鐵礦.C7－149和C7－709（圖3b，d）冷卻曲線略微低于加熱曲線，相差不大，C7－209（圖3c）冷卻曲線與加熱曲線基本完全重合，反映了樣品在加熱過(guò)程中磁性礦物沒有發(fā)生較大的化學(xué)變化，表明原樣品中含有磁鐵礦.

逐步加熱的κ－T曲線表明（圖3f—l），在300℃以前，加熱和冷卻曲線基本重合，表明加熱過(guò)程中礦物成分、晶粒結(jié)構(gòu)及磁疇等基本沒有發(fā)生改變.C7－001樣品（圖3f—h），在400、600、700℃三個(gè)溫度段磁化率的冷卻曲線均高于加熱曲線，且變幅逐步增大，表明樣品在加熱過(guò)程中可能有越來(lái)越多的強(qiáng)磁性礦物生成，而且580℃的拐點(diǎn)指示這種強(qiáng)磁性的磁性礦物為磁鐵礦.弱磁性的C7－209（圖3i—l）樣品與強(qiáng)磁性的C7－001樣品的κ－T曲線表現(xiàn)并不相同，分段分別加熱到600、700℃后，磁化率的加熱曲線均高于冷卻曲線，表明沒有新的強(qiáng)磁性礦物生成，而580℃的明顯轉(zhuǎn)折指示原樣品中含有磁鐵礦.

4.3 低溫磁性特征

對(duì)于高溫?zé)岵环€(wěn)定礦物，低溫實(shí)驗(yàn)常常是理想的選擇.磁性礦物除了在加熱過(guò)程中出現(xiàn)礦物轉(zhuǎn)變現(xiàn)象和居里溫度外，某些磁性礦物在低溫下還具有額外的轉(zhuǎn)換點(diǎn)（如磁鐵礦的Verwey轉(zhuǎn)變，赤鐵礦的Morin轉(zhuǎn)變和磁黃鐵礦的34K轉(zhuǎn)變等）.單疇和多疇磁鐵礦在110～120K時(shí)都存在Verwey轉(zhuǎn)變，晶體結(jié)構(gòu)由立方體對(duì)稱的反尖晶石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱屋S對(duì)稱的單斜晶相結(jié)構(gòu)，據(jù)此能夠準(zhǔn)確的鑒別礦物中的磁鐵礦［23－24］.C7－001和C7－709樣品低溫零場(chǎng)狀態(tài)下的SIRM曲線較平滑（圖4a），未見明顯的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，在20～50K升溫過(guò)程中，60%的等溫剩磁被迅速退去，然而從50～300K，隨著溫度的升高退磁變得緩慢，到300K時(shí)，剩磁分別大約退到初始值8%和15%.但是對(duì)于C7－149樣品來(lái)說(shuō)（圖4b），其低溫零場(chǎng)狀態(tài)下的SIRM曲線上則是在120K溫度點(diǎn)附近SIRM快速降低，而且一階反導(dǎo)曲線在113K出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，這是磁鐵礦存在的顯著標(biāo)志［23－24］.C7－732樣品（圖4c）低溫SIRM曲線表現(xiàn)出與C7－001和C7－709基本相似的變化特征，在20～50K升溫過(guò)程中，60%的等溫剩磁被迅速退去，然而從50～300K，隨著溫度的升高退磁變得緩慢，到300K時(shí)，僅有10%左右的等溫剩磁存在.

圖3 代表性樣品的κ－T曲線，一次性直接加熱到700℃（a—e），C7－001（磁性高值）和C7－209（磁性低值）分段加熱曲線（f—h，i—l）Fig.3 κ－Tcurves of representative samples，directly heated to 700℃（a—e），respectively.The C7－001sample（high magnetic unit）and C7－209sample（low magnetic unit）are stepwise heated to 700℃（f—h，i—l）

4.4 FORC圖和Day圖

FORC圖不但可以幫助區(qū)分磁性礦物的種類和磁疇狀態(tài)，而且還可以確定磁性礦物矯頑力的分布以及磁性礦物顆粒之間磁相互作用的強(qiáng)弱［25－27］.C7－001、C7－709和C7－732三個(gè)樣品FORC圖具有明顯閉合的單峰特征（圖5a，c，d），等值線分布中心對(duì)應(yīng)的矯頑力在10mT，而且等值線沿著縱軸展布，表現(xiàn)出一定的磁相互作用力，因此，C7－001和C7－709的FORC圖譜近似符合具有一定相互作用的磁鐵礦SD顆粒行為［28］.C7－149（圖5b）等值線沿著縱軸具有大開口的特征，且其中心矯頑力小于10mT，表明C7－149樣品中磁性礦物主要為MD磁鐵礦顆粒［25－26］.將經(jīng)過(guò)順磁校正的樣品磁滯參數(shù)均投影到Day氏圖中（圖5e），C7－001、C7－709和C7－732三個(gè)樣品均投影在PSD顆粒區(qū)域內(nèi)，而C7－149樣品分布在MD顆粒區(qū)域內(nèi)，這與FORC圖譜分析結(jié)果一致.

圖4 代表性樣品（磁性高值）低溫零場(chǎng)狀態(tài)下飽和磁化強(qiáng)度隨溫度的變化（歸一化處理）C7－149樣品的一階反導(dǎo)曲線（圖b）Fig.4 Low－temperatutre magnetic measurements for the high magnetic unit samplesThermal warming of IRM from 20to 300Kafter cooling in zero field（ZFC）and after cooling in a 5Tfield（FC）from 300Krespectively；the first derivatives dM／dT（line）for the C7－149sample（b）

圖5 代表性樣品（磁性高值）的FORC圖（磁性濃度低取7點(diǎn)平滑）（a—d）和Day圖（12個(gè)樣品）（e）Fig.5 FORC diagrams for the representative samples from the high magnetic units（a—d）derived with a smoothing factor of 7because of low magnetic concentrations.Hysteresis ratios for more selected samples from ATM10－C7cores plotted on a Day plot（e）

5 討 論

5.1 礦物的磁性特征

ATM10－C7鉆孔剖面典型樣品的SIRM曲線，κ－T曲線以及FORC圖都表明泥炭沉積物中有亞鐵磁性礦物的存在，而且低矯頑力的磁鐵礦是樣品剩磁的主要載體，同時(shí)表明樣品中含有高濃度的高矯頑力的磁性礦物赤鐵礦.另外根據(jù)κ－T曲線分析表明，C7－001，C7－732冷卻曲線均高于加熱曲線，表明在加熱過(guò)程中有含鐵粘土礦物分解，生成了強(qiáng)磁性的磁鐵礦，而阿爾泰山ATM10－C5鉆孔泥炭表層樣品研究結(jié)果證實(shí)樣品中有含鐵礦物綠泥石等順磁性的礦物［30］.由于泥炭沉積中含有大量有機(jī)質(zhì)，一般泥炭沉積物的有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)50%以上，有機(jī)質(zhì)屬于抗磁性的礦物.

巴西的泥炭研究表明，泥炭沉積物中包含磁性細(xì)菌［18］.磁性細(xì)菌一般分布在有氧－厭氧過(guò)渡帶上，在淡水、池塘、河流、海洋沉積物表層中都分離到各種形態(tài)的趨磁細(xì)菌，巖石磁學(xué)的研究表明，磁小體鏈具有顯著的形狀各向異性，其磁學(xué)行為等效為一個(gè)理想的單軸單磁疇顆粒（USD顆粒）.研究者提出了一系列巖石磁學(xué)方法和多個(gè)磁學(xué)參數(shù)來(lái)快速識(shí)別磁性細(xì)菌的存在［31］：（1）Rdf≈0.5（R代表顆粒間相互作用程度；df指直流退磁場(chǎng)）；（2）Raf＞0.5（af指交變退磁場(chǎng)）；（3）ARM／SIRM＝0.15～0.25；（4）δFC／δZFC＞2（ZFC，零場(chǎng)冷卻；FC，2.5T有場(chǎng)冷卻；δ＝（J80K－J150K）／J80K，J80K和J150K分別是在80K和150K時(shí)測(cè)量的剩磁強(qiáng)度）.在ATM10－C7鉆孔中選取的典型樣品中，磁鐵礦的磁疇并沒有表現(xiàn)出非常明顯 的 單 疇 特 征，C7－001、C7－149、C7－209、C7－709和C7－732五個(gè)樣品的ARM／SIRM比值，分別為0.30、0.12、0.53、0.66和0.12，均不在趨磁細(xì)菌的比值即0.15～0.25范圍之內(nèi)，其中C7－001、C7－209和C7－709三個(gè)樣品的比值均大于0.25，說(shuō)明細(xì)顆粒的磁鐵礦占主導(dǎo)成分［3］.磁小體的鏈狀排列使得樣品產(chǎn)生較高δFC／δZFC，被認(rèn)為是識(shí)別化石磁小體最有效的巖石磁學(xué)判別標(biāo)準(zhǔn).樣品中僅有C7－149在低溫退磁過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的Verwey轉(zhuǎn)換特征，其δFC／δZFC的比值為0.95，這與δ比值小于1.5含有混合鏈的無(wú)機(jī)磁鐵礦相一致［32］，因此，進(jìn)一步證實(shí)C7－149樣品為原生的磁鐵礦.由于沉積物中的趨磁細(xì)菌和趨磁細(xì)菌化石磁小體生長(zhǎng)和保存的環(huán)境異常復(fù)雜，因此還有待于對(duì)泥炭的沉積過(guò)程與環(huán)境條件做進(jìn)一步的調(diào)查和研究.

將樣品的磁滯參數(shù)投影到Day圖中，除C7－149樣品屬于MD磁性礦物顆粒之外，其它均落在了PSD區(qū)域內(nèi)，然而，PSD磁性礦物顆粒有可能是SD和MD的混合或者SD和SP的混合物［33－34］.室溫的頻率磁化率接近于0，揭示出沉積物中磁疇近似于SP顆粒的磁性顆粒貢獻(xiàn)非常小，但是ARM／SIRM比值表明細(xì)顆粒的磁鐵礦占主導(dǎo)成分.FORC圖中C7－149樣品屬于投影在MD粒徑范疇的磁鐵礦，這符合Day圖中的粒徑分布以及與低溫退磁曲線在113K附近出現(xiàn)的明顯的Verwey轉(zhuǎn)換相一致.

C7－001、C7－709和C7－732樣品在低溫條件下的IRM退磁曲線并沒有表現(xiàn)出Verwey轉(zhuǎn)換，而且剩磁在20～50K表現(xiàn)出快速的下降，分別失去剩磁的40%，50%和42%左右.ATM10－C7鉆孔泥炭亞鐵磁性礦物濃度很低，磁性礦物以細(xì)顆粒為主，而磁鐵礦的Verwey轉(zhuǎn)換程度與樣品中磁鐵礦的含量以及粒徑緊密相關(guān)，含量越低，粒徑越小，轉(zhuǎn)換越不明顯［35－36］.另外磁鐵礦顆粒表面氧化反應(yīng)程度也會(huì)對(duì)Verwey轉(zhuǎn)變起到一定的抑制作用［37］.細(xì)顆粒磁鐵礦的氧化表面相對(duì)于其較小純磁鐵礦內(nèi)核而言影響Verwey轉(zhuǎn)變的程度比較大，被氧化的精細(xì)磁鐵礦顆粒表面殼體容易破裂形成超精細(xì)的顆粒，這種超精細(xì)顆粒有著非常低的SIRM解阻溫度，引起磁鐵礦顆粒所載剩磁在5K至40K的升溫過(guò)程中顯著減少，這種超順磁效應(yīng)的存在影響著Verwey轉(zhuǎn)變的觀察，因此細(xì)顆粒表面發(fā)生氧化會(huì)使得Verwey轉(zhuǎn)變幾乎觀察不到［38］.純磁鐵礦和被氧化的磁鐵礦經(jīng)過(guò)低溫循環(huán)后的磁記憶比率都隨著顆粒度的減小而增大［39］，據(jù)此可以推斷，C7－001礦物顆粒的粒徑要比C7－709的粒徑更小.

5.2 磁性礦物的變化

磁性礦物的變化一般有幾個(gè)方面的原因：（1）物源輸入的變化；（2）沉積后的改造作用；物源的磁性礦物的種類和磁疇大小等影響和決定著沉積物的磁學(xué)特性.在阿爾泰山地區(qū)采集了56個(gè)代表性的現(xiàn)代表土樣品（圖1），樣品來(lái)源范圍廣泛，緯度從44°9′35.1″到48°49′40.5″N，經(jīng)度從86°55′26.9″到90°52′25.2″E，海拔高度從500到2700多米，幾乎涵蓋了干旱區(qū)所有的植被景觀，荒漠、高山草原、灌叢、森林、湖泊和濕地.阿爾泰山表土中的磁性礦物主要以粗顆粒的PSD＋MD和粗粒徑的SSD為主（圖6），這與魏海濤等［40］對(duì)北疆的表土和夏敦勝等［41－42］對(duì)中國(guó)北方降塵磁學(xué)性質(zhì)的研究結(jié)果一致.

ATM10－C7鉆孔沉積物的磁性特征在泥炭表層發(fā)生了重要變化：（1）與表土和大氣降塵相比，整個(gè)泥炭剖面的和SIRM數(shù)值都很低（圖7c，d），最大值基本都位于表層位置，埋藏之后的磁學(xué)參數(shù)都較表層數(shù)值低，不同沉積深度表現(xiàn)出一定的波動(dòng)變化，但是這種變化幅度并不是非常強(qiáng)烈，表明在不同的沉積層亞鐵磁性礦物的富集程度都較低，而這不可能僅僅是由高濃度的有機(jī)質(zhì)的稀釋作用所引起，表明在泥炭表層沉積物中磁性礦物濃度已經(jīng)發(fā)生了較大程度的溶解和改造作用；（2）泥炭剖面中的磁性礦物的粒徑以細(xì)顆粒為主，同時(shí)伴有粗顆粒的磁性礦物存在，然而對(duì)表土和大氣降塵研究的結(jié)果都證實(shí)磁性礦物顆粒以粗顆粒的為主導(dǎo)，先前的研究證明沉積物中細(xì)顆粒的磁性礦物首先被溶解，進(jìn)而粗顆粒的PSD和MD才可能被進(jìn)一步破壞［43－44］.因此，在濕地表層亞氧的沉積環(huán)境中，PSD和MD顆粒的磁鐵礦則被改造.由于沉積物的類型不同，溶解的方式以及環(huán)境的差異造成溶解的過(guò)程、速率及結(jié)果也各相庭徑.磁性礦物后期的沉積改造作用與有機(jī)質(zhì)的濃度、沉積速率以及底部的水的氧化性和沉積物的作用力等有密切關(guān)系［45］.

圖6 阿爾泰地區(qū)表土的Dearing圖Fig.6 Dearing plot of the surface soils in Altay regions

圖7 ATM10－C7剖面巖芯、沉積環(huán)境（a）以及有機(jī)質(zhì)（b）、χlf（c）和SIRM（d）隨深度的變化曲線Fig.7 Lithology and sedimental environment of ATM10－C7peat core（a）；the curves of organic matter（b），χlf（c）and SIRM（d）with the depth

有機(jī)質(zhì)在堆積埋藏過(guò)程中發(fā)生的成巖作用會(huì)改變沉積物中磁性礦物和磁疇狀態(tài)，使得磁顆粒變得不穩(wěn)定［3，46］.根據(jù)其pH值和EH值的變化可以將ATM10－C7孔泥炭沉積物的堆積劃分為不同的氧化還原帶（圖7a）.泥炭沉積表層為弱氧化帶，游離氧隨著深度的增加含量減少甚至缺失，同時(shí)大量有機(jī)質(zhì)殘?bào)w的賦存使得沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原環(huán)境.在弱氧化帶，赤鐵礦和磁鐵礦等磁性礦物可能與有機(jī)質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致沉積物中磁性礦物含量降低.隨著深度增加，磁鐵礦等磁性礦物受地球化學(xué)條件的還原作用增強(qiáng)，可能會(huì)發(fā)生礦物轉(zhuǎn)變.當(dāng)沉積物中有大量硫化物存在時(shí)，硫酸鹽被有機(jī)質(zhì)還原為硫離子，使得磁鐵礦開始溶解，當(dāng)溶解的硫化物含量很高的情況下，磁鐵礦會(huì)完全溶解，硫化，最終形成黃鐵礦，然而，另一方面，如果硫化氫含量很少或者沉積速率較高時(shí)，磁鐵礦很可能在沉積物中保存下來(lái)［3，46］.ATM10－C7鉆孔中有機(jī)質(zhì)的含量達(dá)到75%以上（圖7b），有機(jī)質(zhì)的大量輸入和缺氧環(huán)境形成，為磁鐵礦的保存提供了一定的環(huán)境條件.

泥炭表層是一個(gè)酸性弱氧化的滯水環(huán)境，沉積物中的磁鐵礦的溶解和改造可能會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，磁鐵礦被埋藏之后，在還原環(huán)境中可能很少發(fā)生變化從而被保存下來(lái)：（1）ATM10－C7泥炭沉積剖面中，磁性礦物的濃度和粒徑在不同的沉積層中并沒有表現(xiàn)出強(qiáng)烈的變化（圖7c，d）.和SIRM的最大值僅是平均值的1～2倍，同時(shí)，在不同的沉積層，磁鐵礦的粒徑發(fā)生變化，整個(gè)剖面以細(xì)顆粒為主，但是同時(shí)存在粗顆粒，而且粗粒徑的磁鐵礦出現(xiàn)在剖面的中間層位.通過(guò)掃描電鏡的方法也同樣證實(shí)愛爾蘭的泥炭剖面下部層位存在粗顆粒的磁鐵礦［11］.因此，埋藏之后可能發(fā)生的成巖改造作用很弱，使得這些不同粒徑的磁鐵礦在還原環(huán)境中才得以保存.（2）鐵爾沙汗?jié)竦乇韺铀膒H＝5.2（圖7a），表明酸性環(huán)境，隨著深度的增加，泥炭中水的pH值會(huì)逐漸增加到中性甚至堿性［11］，人類活動(dòng)所產(chǎn)生的磁鐵礦在還原條件下很容易被溶解，這主要是由于受到溶解的硫的影響［20］，然而，最新的研究結(jié)果認(rèn)為，隨著沉積深度的增加，孔隙水中所含的硫離子會(huì)逐漸缺失［10］.Hodder等［11，47］認(rèn)為泥炭中缺氧環(huán)境存在阻止了鐵的氫氧化物的形成，這也保護(hù)了磁性礦物進(jìn)一步發(fā)生風(fēng)化，從厭氧的環(huán)境中挑出一個(gè)泥炭樣品并暴露在空氣中，泥炭中的晶體會(huì)很快在酸性泥巖水中溶解，當(dāng)給溶液中添加NaOH溶液，磁性礦物晶體很容易被保存下來(lái).這些結(jié)果都表明磁鐵礦的變化與pH值以及氧化還原條件是密不可分的.（3）濕地中遍布的孔隙水，大量的有機(jī)質(zhì)對(duì)磁性礦物的組成以及粒徑的改變等方面都起到了重要作用.泥炭表層水動(dòng)力微弱，隨著深度的增加，不但含水量越來(lái)越少而且水動(dòng)力更加微弱甚至停滯，因此對(duì)磁性礦物的影響也就越來(lái)越弱.由于大量有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)生，高分子的腐殖化度會(huì)阻止磁性礦物晶體的溶解［48］，而且有機(jī)質(zhì)分子可以在磁性礦物表層形成一種有效的保護(hù)膜阻止原生的磁性礦物被溶解［49］.另外，不同離子間相互競(jìng)爭(zhēng)也使得有機(jī)質(zhì)阻止了纖鐵礦的還原溶解［50］.最近的研究成果認(rèn)為有機(jī)質(zhì)的沉淀析出強(qiáng)有力地抑制鐵的氧（氫氧）化物的還原結(jié)晶作用［51］.因此，ATM10－C7泥炭鉆孔高濃度的有機(jī)質(zhì)產(chǎn)量和沉積速率也可能會(huì)使得泥炭沉積中不同粒徑的磁鐵礦在埋藏后的還原條件中被保存下來(lái).

6 結(jié) 論

本文以系統(tǒng)的環(huán)境磁學(xué)為主，結(jié)合泥炭的沉積環(huán)境，對(duì)位于干旱區(qū)高山—新疆阿爾泰山ATM10－C7鉆孔剖面連續(xù)的泥炭沉積物進(jìn)行了詳細(xì)研究.結(jié)果表明沉積物中亞鐵磁性礦物富集程度低，磁性較弱.主要有磁鐵礦、赤鐵礦、順磁性礦物以及大量的抗磁性礦物組分，并且證實(shí)泥炭沉積物中不可能含有生物成因的趨磁細(xì)菌.沉積物的磁性顆粒主要以細(xì)顆粒為主，但同時(shí)還存在粗顆粒成分.研究結(jié)果指示在泥炭表層酸性的亞氧環(huán)境中，亞鐵磁性礦物在較短的時(shí)間內(nèi)伴隨著部分溶解和改造，導(dǎo)致沉積物磁性濃度的降低和粒徑的減小，快速的沉積和埋藏之后，長(zhǎng)期處于缺氧的堿性還原環(huán)境下，磁鐵礦發(fā)生的變化很小或基本不會(huì)再次被改造.

致 謝 感謝劉青松研究員、鄧成龍研究員在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中給予的有益建議，感謝匿名審稿人對(duì)本文修改提出的寶貴意見，對(duì)野外采樣及實(shí)驗(yàn)工作的所有參與者提供的幫助在此一并表示謝意.

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