“巫山黃土”元素地球化學(xué)特征及成因和物源意義①

張玉芬 邵 磊 熊德強(qiáng)

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院 武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 武漢 430074)

黃土是第四紀(jì)環(huán)境變化研究的重要載體，元素地球化學(xué)是其中的主要替代性指標(biāo)［1］。位于川東高原三峽地區(qū)的“巫山黃土”［2］，是黃土高原之外的一處重要的黃土堆積，具有十分重要的研究價(jià)值，早已引起學(xué)者們的關(guān)注，其中研究最多的是其成因問題［2～9］，這也是揭示其科學(xué)意義的基礎(chǔ)。目前，關(guān)于其成因尚存異議。就以往研究看，“巫山黃土”研究有必要加強(qiáng)以下兩方面的工作。一是尋找理想的研究剖面?！拔咨近S土”分布于云陽—秭歸的長江三峽河谷區(qū)。受地形影響常呈零星點(diǎn)狀分布，厚度常依其地貌位置的不同而差異較大，且堆積之后受強(qiáng)烈的邊坡地質(zhì)作用改造。前人所研究的“巫山黃土”剖面大都厚度較小，出露不完整。因此，尋找沉積連續(xù)、厚度大、出露完整的剖面，對“巫山黃土”的研究至關(guān)重要。二是需要從更多方面，采用更多手段進(jìn)行研究。這是因?yàn)椤拔咨近S土”地處夏季風(fēng)控制區(qū)，黃土地質(zhì)、地貌特征不及黃土高原典型。近年，隨著三峽庫區(qū)移民搬遷和新城建設(shè)，暴露出一些新的黃土剖面。筆者等最近在三峽地區(qū)進(jìn)行第四紀(jì)地質(zhì)調(diào)查時(shí)，在新巫山縣城南和奉節(jié)紫陽城各發(fā)現(xiàn)一處出露良好的黃土剖面。特別是巫山縣城南剖面，厚度達(dá)15 m，頂?shù)浊宄雎锻暾?］。本文在前期研究基礎(chǔ)上，依據(jù)黃土的元素地球化學(xué)特征和比值特征分析結(jié)果，結(jié)合前人對黃土高原、川西高原和長江中下游等黃土元素地球化學(xué)研究結(jié)果，運(yùn)用類比分析和物源判識(shí)的方法，對“巫山黃土”的成因和物源問題進(jìn)行了探討。

1 研究剖面及特征

本文研究的“巫山黃土”剖面位于巫山縣客運(yùn)港附近的長江左岸。該剖面為一建筑工地人工開挖的露頭剖面，剖面高約15 m左右，是迄今為止巫山地區(qū)出露最好、厚度較大的“巫山黃土”剖面。剖面巖性主要以褐黃色和黃色的砂、粉砂和砂質(zhì)黏土組成，含有少量的鈣質(zhì)結(jié)核。剖面巖性均一，無層理，垂直節(jié)理發(fā)育，大孔隙明顯(圖1)。剖面具體特征詳見文獻(xiàn)［9］。

2 實(shí)驗(yàn)樣品的采集和測試

2.1 樣品的采集

采樣時(shí)剝?nèi)テ拭嫔媳韺油粒蚱拭鎯?nèi)挖0.15 m深的豎槽，從剖面頂部開始，在槽內(nèi)壁自上而下以10 cm間隔連續(xù)取樣，共采集地球化學(xué)樣品146件。室內(nèi)根據(jù)巖性變化特征不等間距送測了73件常量元素。

2.2 樣品的測試

圖1 “巫山黃土”照片F(xiàn)ig.1 Wushan loess photos

地球化學(xué)樣品測試是在國土資源部合肥礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成的，使用儀器為X射線熒光光譜儀。首先將樣品在常溫下自然風(fēng)干，然后將每件約5 g重的樣品置于瑪瑙研缽中研磨，再用200目分析篩篩選后供測試。共測試了12種主量元素(氧化物形式，如:Si02、A12O3、TFe2O3、Fe2O3、FeO、K2O、Na2O、CaO、MgO、MnO、TiO2、P2O5)和燒失量(LOI)。根據(jù)多個(gè)空白樣、重復(fù)樣及國家標(biāo)準(zhǔn)樣(GSS)的分析來監(jiān)控測試精度與準(zhǔn)確度，得出分析的相對偏差除FeO誤差＞10%外，其它氧化物誤差均小于2.5%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和討論

3.1 常量元素特征與成因

3.1.1 常量元素含量特征對成因的指示

表1為“巫山黃土”與不同沉積類型地質(zhì)體氧化物平均組成含量比較結(jié)果［10～17］，由表1可見:“巫山黃土”的73件樣品中 XO(XO=SiO2+A12O3+Fe2O3)平均含量達(dá)84.15%，變化于75.27～91.58%范圍，其中又以SiO2為主，平均占66.20%(59.62% ～70.49%)，Al2O3平均含量為 13.35%(11.83% ～15.28%)，F(xiàn)e2O3平均占 4.6%(3.82% ～ 5.80%)。CaO 平均占 3.66%(0.93% ～12.2%)，F(xiàn)eO、MgO、K2O、Na2O分別平均僅占0.69%、1.60%、2.32%和1.23%。另外，自下而上“巫山黃土”化學(xué)成分的組成變化不大，表明其具有較好的均一性，這與剖面粒度組成特征是一致的［8］。

將“巫山黃土”與表1中列出的不同地區(qū)典型風(fēng)成黃土氧化物的平均組成含量進(jìn)行比較。結(jié)果表明，“巫山黃土”的化學(xué)成分與我國不同地區(qū)的典型風(fēng)成沉積物具有較好的相似性。同時(shí)，剖面中各元素含量的變化范圍都比較小，表明其常量元素的組成具有高度的一致性，這應(yīng)該是“巫山黃土”風(fēng)積成因的重要證據(jù)之一。主要化學(xué)成分為 SiO2、Al2O3和TFe2O3(TFe2O3=Fe2O3+FeO)，三者的平均含量之和達(dá)84.84%，與上部陸殼(UCC)(86.2%)、洛川黃土(75.41%)洛川古土壤(84.09%)、鎮(zhèn)江下蜀土(86.76%)均非常接近。表明“巫山黃土”應(yīng)該與上述的黃土一樣也為風(fēng)積成因。

圖2為“巫山黃土”的質(zhì)量百分含量與我國其他地區(qū)典型風(fēng)成黃土比較結(jié)果［10，11，13，14］，由圖可以看出:“巫山黃土”與洛川、甘孜黃土和西峰紅黏土的均比較接近，顯示了具有相同或相近的沉積環(huán)境和沉積類型。

3.1.2 常量元素分布模式特征

圖2 “巫山黃土”和洛川黃土、宣城風(fēng)成紅土、甘孜黃土、西峰紅黏土的常量元素組成的比較(注:圖中數(shù)據(jù)來源同表1)Fig.2 The major element contents(%)of the Wushan Loess compared with the Luochuan loess，Xuancheng red clay，Ganzi loess and Xifeng red clay

表1 “巫山黃土”常量元素含量(%)及其與其他沉積類型的比較Table 1 The major element contents(%)of the Wushan Loess and their comparison with that of other deposits

圖3 不同地區(qū)黃土常量元素UCC標(biāo)準(zhǔn)化曲線Fig.3 UCC normalized curves of major elements for loess from different areas of the world

圖3為“巫山黃土”及其它典型風(fēng)成黃土部分常量元素 UCC 標(biāo)準(zhǔn)化后結(jié)果［11，13，14］，由圖3 可知，UCC標(biāo)準(zhǔn)化后的“巫山黃土”與其他風(fēng)成黃土具有較好的相似性，顯示了其風(fēng)積成因的特點(diǎn)。但與不同地區(qū)黃土的相似程度又不是完全相同的，其中“巫山黃土”與洛川黃土、洛川古土壤、甘孜黃土以及紅黏土之間的相似程度要高于與宣城風(fēng)成紅土之間的相似程度，而宣城紅土則顯示了更顯著的 Na、Ca、K、Mg、Mn以及P的虧損，鎮(zhèn)江下蜀土相對來說Ca和Na虧損。上述特點(diǎn)說明:不同地區(qū)的風(fēng)成沉積物雖然在常量元素分布模式、元素含量等方面特征具有一些共性，顯示出風(fēng)積沉積物所具有的一些典型特征。但由于它們所處的地理位置、物質(zhì)來源和后期所經(jīng)歷的地球化學(xué)風(fēng)化作用不同，往往又會(huì)表現(xiàn)出相對的差異性。而不同地區(qū)風(fēng)成黃土的這些差異性變化特點(diǎn)，正是進(jìn)行局部區(qū)域氣候環(huán)境演變研究的非常有用的信息。

3.1.3 常量元素參數(shù)比值特征

圖4為“巫山黃土”與我國主要典型風(fēng)積沉積物［10～12，14，18］不同分子比值散點(diǎn)圖。從圖中可以看到“巫山黃土”沉積物的 TiO2/Al2O3—K2O/Al2O3和Fe2O3/Al2O3—K2O/Al2O3的數(shù)據(jù)點(diǎn)主要分布區(qū)域與鎮(zhèn)江下蜀土、川西的甘孜黃土都很接近，這不僅說明了“巫山黃土”具有風(fēng)積成因的特點(diǎn)。同時(shí)也反映了“巫山黃土”與甘孜黃土和鎮(zhèn)江下蜀土具有更相近的后期化學(xué)風(fēng)化環(huán)境和過程，這可能與它們同處于夏季風(fēng)控制區(qū)有關(guān)。

3.1.4 常量元素對成因的指示

關(guān)于“巫山黃土”的成因，有人認(rèn)為有兩種［6］:一是沖積成因，為多期次的洪水期沉積物;二是殘積成因，由基巖溶蝕、風(fēng)化作用形成的粉質(zhì)黏土，后期雨水面流(泥流)等作用搬運(yùn)富集堆積于低洼、坡腳、緩坡部位并經(jīng)風(fēng)化形成的。從上述常量元素的含量、分布模式及參數(shù)比值特征及與典型的風(fēng)成黃土剖面比較，可明顯的看出“巫山黃土”的成因應(yīng)為風(fēng)成。這與該黃土的粒度分析［8］和磁化率分析［9］所得結(jié)論是一致的?！拔咨近S土”的沉積學(xué)特征(圖1):巖性均一、無層理、垂直節(jié)理和大孔隙發(fā)育等來看明顯為非沖積成因，常量元素特征也與長江洪水期沉積物有明顯的區(qū)別(表1)。至于風(fēng)化殘積的可能性則更小，三峽地區(qū)大面積出露的基巖為碳酸鹽類，其溶蝕殘余物為紅色黏土，其他類型基巖的殘積物也未見有類黃土物質(zhì)。而散布于坡腳、緩坡部位黃土，從野外觀察看，分布于邊坡上部的多是風(fēng)積而成，分布于邊坡下部多為邊坡上部的風(fēng)積黃土的流水侵蝕的再沉積。因此，“巫山黃土”的成因?yàn)轱L(fēng)積。

圖4 “巫山黃土”與我國主要典型風(fēng)積沉積物不同分子比值散點(diǎn)圖(注:圖4數(shù)據(jù)來源同表1)Fig.4 The scatter diagrams of major elements for the Wushan loess and type loess sediment from different areas of China

3.2 “巫山黃土”物源判別分析

利用特征元素比值分布模式，通過選取多個(gè)可靠的特征元素含量比值作為物源示蹤指標(biāo)，繪制特征元素比值分布模式圖，根據(jù)沉積區(qū)與物源區(qū)特征元素比值分布模式的相似程度，判斷沉積物的物源［19］。

3.2.1 物源判別指標(biāo)的選取

物源判斷結(jié)果的好壞和可信度主要取決于用于沉積物物源示蹤指標(biāo)的選取，一般來說可有兩種選擇:一是選擇主要受物源影響，并且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在搬運(yùn)和沉積過程中其含量基本保持不變，具有較好的相關(guān)性的兩種特征元素含量比值;二是雖然某些特征元素在搬運(yùn)、沉積和成巖過程中絕對含量可能會(huì)發(fā)生變化，但是這些元素的化學(xué)性質(zhì)具有一致的富集規(guī)律，即它們的相對含量基本保持不變［19］。依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)本文選取如下元素比值作為巫山黃土物源判別的指標(biāo):

① Mg/Mn、Al/Mg比值作為物源指標(biāo)的選取。一般來說元素Mg、Mn、Al在物源區(qū)和沉積區(qū)絕對含量變化是比較大的，但考慮到Mg/Mn、Al/Mg的含量變化具有較好的一致性，且具有比值在物源區(qū)與沉積(堆積)區(qū)基本保持不變的特點(diǎn)。因此，Mg/Mn、Al/Mg可作為良好的物源示蹤指標(biāo)。

②Fe/K比值作為物源示蹤指標(biāo)的選取。元素Fe、Al、K在化學(xué)風(fēng)化時(shí)其活動(dòng)性和遷移均較少，含量變化也不大，故Fe/K可以作為物源對比的示蹤指標(biāo)。

③Mg/Ca比值作為物源示蹤指標(biāo)的選取。一般來說元素Ca和Mg主要富存在碳酸鹽礦物和硅酸鹽礦物中，兩者具有相近的淋失和富集規(guī)律，其比值在物源區(qū)與沉積(堆積)區(qū)同樣具有基本保持不變的特點(diǎn)。

④ Mg/Al、Al/Na比值作為物源示蹤指標(biāo)的選取。該比值反映了活動(dòng)組分(堿土和堿金屬M(fèi)g，Na)與惰性組分(Al)之間的關(guān)系，常被作為物源示蹤的指標(biāo)之一。

3.2.2 物源判斷端元目標(biāo)的選取

本文研究的“巫山黃土”剖面位于長江上游四川境內(nèi)的巫山地區(qū)，從“巫山黃土”的區(qū)域地理位置來看，其物源有3種可能:①來自黃土高原，與秦嶺黃土同源;②來自青藏高原，與川西黃土同源;③長江及附近“山地過程”的近源物質(zhì)的吹揚(yáng)堆積。從已有的粒度組成和粒度參數(shù)特征分析研究結(jié)果來看，第三種來源存在但所占比例極少［7，8］。故本文選取洛川黃土作為北方風(fēng)成黃土的代表，甘孜黃土作為川西高原風(fēng)成黃土的代表［1，2］，對“巫山黃土”的物質(zhì)來源進(jìn)行判別分析。

3.2.3 物源判別結(jié)果

圖5為“巫山黃土”與洛川和甘孜風(fēng)成黃土［10，11，18］的元素指標(biāo)比較結(jié)果。由此可見“巫山黃土”與甘孜黃土、洛川黃土均十分相近，其中在Mg/Mn、Al/Mg、Fe/K方面“巫山黃土”與甘孜黃土更為接近，而在Mg/Ca、Si/Al方面“巫山黃土”與洛川黃土更為一致。黃土物源研究是一個(gè)十分復(fù)雜的科學(xué)問題，常量元素分析僅是一個(gè)方面的證據(jù)，有待穩(wěn)定同位素等大量的研究工作。

圖5 “巫山黃土”與洛川、甘孜黃土元素比值比較圖Fig.5 The comparison of the element ratios between Wushan loess and Luochuan，Ganzi loess

4 結(jié)論

通過將“巫山黃土”的氧化物含量、元素比值與我國主要典型的風(fēng)成黃土進(jìn)行比較，得到如下結(jié)論。

(1)“巫山黃土”主要化學(xué)成分以SiO2、Al2O3和TFe2O3(TFe2O3=Fe2O3+FeO)為主，三者的平均含量之和為84.84%，與上部陸殼(UCC)(86.2%)、洛川黃土(75.41%)、洛川古土壤(84.09%)、鎮(zhèn)江下蜀土(86.76%)均非常接近。

(2)“巫山黃土”的常量元素組合、經(jīng)UCC標(biāo)準(zhǔn)化后的“巫山黃土”分布曲線元素比值散點(diǎn)圖等特征均與典型風(fēng)成黃土有較好的相似性，而不同于長江河流沉積物。從而說明“巫山黃土”系風(fēng)積成因。這與“巫山黃土”的巖性特征、剖面沉積學(xué)特征以及粒度組成特征［8］是一致的。

(3)元素比值分析顯示“巫山黃土”與甘孜黃土、洛川黃土均十分相近，在Mg/Mn、Al/Mg、Fe/K方面與甘孜黃土更為接近，而在Mg/Ca、Si/Al方面與洛川黃土更為一致?？赡芘c兩處黃土同源。黃土物源研究是一個(gè)十分復(fù)雜的科學(xué)問題，本文僅是依據(jù)常量元素與已知的物源判別分析，關(guān)于物源示蹤還有待穩(wěn)定同位素等的深入研究。

致謝 研究生王節(jié)濤、孫習(xí)林、羅昊、江華軍、田單、趙舉興等參與了野外樣品的采集，劉引迪、許應(yīng)石、高夢秋、何禹、周稠、周耀等參與了樣品的整理，在此一并表示感謝。

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