末次冰期以來鄱陽湖東北緣下蜀黃土常量元素地球化學(xué)特征及其物源指示①

龍 進(jìn) 賈玉連，2 張 智 彭學(xué)敏 凌超豪 王朋嶺

(1．江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院 南昌 330022;2．鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南昌 330022;3．中國氣象局氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室國家氣候中心 北京 100081)

長(zhǎng)江中游的贛北鄱陽湖地區(qū)，發(fā)育一系列丘崗狀的砂質(zhì)沉積—沙山［1-3］，同時(shí)，在其冬季風(fēng)下風(fēng)方向上發(fā)育著厚度不等的下蜀黃土［4-5］。目前，普遍認(rèn)為沙山是風(fēng)成堆積，系古長(zhǎng)江及其支流贛江的河床砂，經(jīng)強(qiáng)風(fēng)短距離搬運(yùn)，在近岸堆積而成［1，2，6］。對(duì)下蜀黃土，尚存較大爭(zhēng)議。有學(xué)者認(rèn)為與寧鎮(zhèn)地區(qū)的下蜀黃土具有同時(shí)或(和)同源屬性，并與晚第四紀(jì)黃土南侵有關(guān)［5］。李吉均等［7］將星子神靈湖葉家壟剖面中上部粉砂黏土為主的下蜀土歸為粉塵堆積，認(rèn)為是第四紀(jì)黃土南侵的證據(jù)，但對(duì)其具體來源沒有明確意見。李徐生等［8］研究了西南厚田沙山以南的下蜀黃土，認(rèn)為粒度具有沿東北—西南方向逐漸變細(xì)的特點(diǎn)，是厚田沙山在冬季風(fēng)下風(fēng)方向上的衍生堆積;Jia et al.［3］比較了彭澤定山沙山及其下伏的黃土堆積的元素地球化學(xué)組成，認(rèn)為它們具有同源性，確證黃土物源來自于古長(zhǎng)江。Hao et al．［9］通過對(duì)比南、北方黃土元素特征的異同，認(rèn)為長(zhǎng)江中下游黃土主要物源為鄰近的長(zhǎng)江下游沖積平原，而非黃土高原。這些研究初步揭示，在鄱陽湖周邊的贛北地區(qū)，冰期時(shí)可能存在眾多風(fēng)沙—粉塵堆積系統(tǒng)。胡亞萍等、張智等［10-11］分析了鄱陽湖東北緣沙山與下蜀黃土地層的粒度序列，認(rèn)為從湖口—彭澤一線與懷玉山地之間，末次冰期以來就存在一個(gè)區(qū)域性風(fēng)沙—粉塵堆積體系。

進(jìn)一步的野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，末次冰期鄱陽湖東北緣的區(qū)域粉塵堆積體系，可能跨越懷玉山地(圖1)。本文將D-D斷面［11-12］向南延伸到鄱陽湖濱，增置了5個(gè)剖面(圖1)，彭學(xué)敏等［12］已分析了其粒度變化特征，認(rèn)為它們屬于同一風(fēng)沙—粉塵體系;本文主要分析其常量元素地球化學(xué)特征，揭示完整的區(qū)域粉塵堆積的特征，并將其與現(xiàn)代長(zhǎng)江河谷漫灘、黃土高原馬蘭黃土、南京下蜀黃土進(jìn)行了比較，為粉塵堆積物源示蹤研究提供一些思路和建議。

1 材料與方法

1．1 剖面描述與樣品

鄱陽湖東北緣、長(zhǎng)江南岸二級(jí)階地上串珠狀分布的沙山(圖1)，西起湖口，東至彭澤，以湖口柘機(jī)—沙灣和彭澤紅光—芙蓉附近分布最廣、沙層最厚［13］。其南側(cè)的下蜀黃土，灰黃色—淺棕黃色、均質(zhì)、質(zhì)地為粉砂或含黏土粉砂，由北而南碎屑顆粒明顯變細(xì)，地層厚度也逐漸變薄;在懷玉山前異常增厚，進(jìn)入懷玉山地，突然減薄、顏色顯著加深，到鄱陽湖濱的左橋(D-D-09)和周溪(D-D-10)剖面接近棕紅色［13］(圖1)。就地層接觸關(guān)系而言，沙山南翼的下蜀黃土，部分往往被沙山所覆蓋;向南，多以帽覆式披于低山、丘陵的均質(zhì)紅土或網(wǎng)紋紅土之上，與九江附近的下蜀黃土地貌分布相似，表現(xiàn)出明顯的風(fēng)成堆積特點(diǎn)［12-14］。

彭學(xué)敏等對(duì)本斷面的研究共涉及12個(gè)剖面［12］，本文涉及其中11個(gè)，即去除七里橋剖面，并將沙港砂山剖面(F-Z-01)作為獨(dú)立剖面，命名為HG-C，以便探討D-D斷面沙山砂、下蜀黃土區(qū)分以及與現(xiàn)代長(zhǎng)江河漫灘沉積的元素化學(xué)特征。剖面描述詳見彭學(xué)敏(2014)。每個(gè)剖面下蜀黃土層均以等間距采集6～12個(gè)樣品，共118個(gè)。同時(shí)，在黃土高原渭南豐原、南京燕子磯(YZJ)剖面、彭澤芙蓉現(xiàn)代長(zhǎng)江河漫灘(HR)，分別采集10個(gè)黃土樣品(馬蘭黃土)、15個(gè)下蜀黃土和10個(gè)長(zhǎng)江河漫灘沉積樣品，做對(duì)比分析。

圖1 斷面位置分布及高程示意圖Fig．1 Location and altitude of profile in the study area

1．2 實(shí)驗(yàn)方法

取適量樣品，經(jīng)去離子水浸泡12 h，加入過量30%雙氧水，去除有機(jī)質(zhì)，運(yùn)用濕篩法過800目(20 μm)網(wǎng)篩，取網(wǎng)篩下部樣品烘干，經(jīng)瑪瑙研缽后，過200目網(wǎng)篩，取研磨后的樣品約4 g壓制成直徑40 mm，厚約5 mm的圓片，上機(jī)進(jìn)行XRF元素測(cè)試分析。每10個(gè)樣品加一個(gè)平行樣，以檢驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)在江西師范大學(xué)物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心完成，所用儀器為德國S4PIONEER X射線熒光光譜儀。此儀器對(duì)Na、Ca元素的檢測(cè)誤差為5%、1%左右，對(duì) Zr、Fe、K、Si、Al、Mg、Ti的誤差均小于 1%。

2 結(jié)果與分析

測(cè)試結(jié)果顯示，Na、Ca元素在試樣與平行樣之間的相對(duì)誤差分別為5．5% ～5．0%、1．2% ～0．8%，而Zr、Fe、K、Si、Al、Mg、Ti等的相對(duì)誤差均不足 1%，達(dá)到了測(cè)試技術(shù)要求。

結(jié)果表明，D-D斷面下蜀黃土＜20 μm的粒級(jí)組份，主要元素成分為 SiO2、Al2O3、Fe2O3，三者質(zhì)量百分含量總量達(dá)80% ～90%，平均為85．3%。南京燕子磯下蜀黃土SiO2+Al2O3+Fe2O3為80% ～83%，平均為81．3%。二者顯著高于長(zhǎng)江河漫灘(77．2%)，渭南黃土(70．9%)，西峰黃土(79．1%);但低于風(fēng)化較強(qiáng)烈的安徽宣城網(wǎng)紋黃土(95．1%)［9］。

SiO2質(zhì)量百分比含量，D-D斷面介于56．9% ～66．7%之間，平均為 65．2%，與西峰黃土相近(63．1%)與南京燕子磯下蜀黃土(60．18%);長(zhǎng)江河漫灘，介于50．4% ～58．5%之間，平均為54．7%，與渭南(52．5%)較為接近;均低于上地殼平均含量(66．6%)［15］。

表1 風(fēng)成體系各剖面常量元素氧化物平均含量(wt%)Table 1 Some constant oxide content of D-D section(%)

Al2O3質(zhì)量百分比含量，D-D斷面介于11．5% ～17．9%之間，平均為14．0%;南京燕子磯下蜀黃土，介于15．1% ～16．5%之間，平均為15．7%;長(zhǎng)江河漫灘介于12．1% ～18．2%之間，平均為15．8%。均介于西峰(18．4%)和渭南(13．1%)(表1)之間。Fe2O3則表現(xiàn)出大致與Al2O3相似的變化特征。

總體而言，相對(duì)于上陸殼(UCC)，D-D斷面鐵、鋁與硅均略低;長(zhǎng)江河漫灘、南京燕子磯具有富鐵鋁、貧硅;渭南黃土具有富鐵、貧鋁硅特點(diǎn)。也就是說，鐵鋁并不富集而硅具有一定程度的虧損。

由Base/K比值與CIA值所表示的D-D斷面化學(xué)風(fēng)化［16-17］，由北而南逐漸增強(qiáng)，D-D-01～D-D-05(懷玉山地以北)五個(gè)剖面，均經(jīng)歷了中等強(qiáng)度的風(fēng)化，與南京燕子磯下蜀黃土相仿;懷玉山地及其以南的剖面，均經(jīng)歷了更強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化淋溶，CIA達(dá)到88～92，均比沙山和長(zhǎng)江河漫灘沉積物要高。

A-CN-K圖解是反映化學(xué)風(fēng)化趨勢(shì)以及化學(xué)風(fēng)化過程中主要礦物與元素成分變化的常用方法［18-19］。D-D 斷面、長(zhǎng)江河漫灘 (HR)與沙山(HG)［3］樣品排列成基本上與A-CN的風(fēng)化趨勢(shì)線平行的一條線上;這一方面反映了上述區(qū)域物質(zhì)組成的高度均一性，另一方面也證明了粉塵物質(zhì)具有物質(zhì)成分的相似性。燕子磯(YZJ)與渭南(WN)黃土同樣分布在這條線上。這一現(xiàn)象反映其母質(zhì)正處在以斜長(zhǎng)石的脫Ca和Na為主的化學(xué)風(fēng)化淋溶過程，在靠近A-K連線時(shí)，以燕子磯下蜀黃土和D-D斷面為主的樣品連線向左傾斜，而意味著鉀長(zhǎng)石的脫K過程已經(jīng)開始。據(jù)此，我們認(rèn)為D-D斷面的化學(xué)風(fēng)化已基本完成早期階段的去Ca，Na風(fēng)化過程，并初步進(jìn)入中期的去K風(fēng)化階段［18］。

圖2 CIA(%)與Base/K2O度散點(diǎn)圖、A-CN-K化學(xué)風(fēng)化程三角圖圖中:A=Al2O3;CN=CaO*+Na2O;K=K2O;Base=CaO+MgO+Na2O+K2OFig．2 Scatter diagram of CIA vs．Base/K2O molar ratio andA-CN-K ternary diagram of the D-D section in north Poyang Lake region loess(arrows indicating weathering trend)

D-D斷面元素成分與距離長(zhǎng)江的關(guān)系活動(dòng)性元素(如 Na2O、CaO、K2O、MnO2、SrO2、Rb2O 等)呈負(fù)對(duì)數(shù)變化，而穩(wěn)定、次穩(wěn)定元素(如 SiO2、A12O3、Fe2O3、TiO2、ZrO2等)呈正對(duì)數(shù)變化。這種對(duì)數(shù)關(guān)系變化揭示，距離物源地長(zhǎng)江河谷5～20 km是個(gè)特征距離，在這個(gè)范圍內(nèi)，元素成分以及剖面厚度變化劇烈，隨后便基本趨于穩(wěn)定(圖3)。

D-D斷面這種元素成分隨距離的變化模式，與北美大河流域區(qū)域性風(fēng)沙—風(fēng)塵堆積的變化模式基本一致［20-21］。在北美的密西西比河及其支流密蘇里河流域，在末次冰期環(huán)境下，存在區(qū)域性風(fēng)沙—粉塵堆積體系。Muhs et al．［20-21］揭示，從物源地(現(xiàn)代河谷)到下風(fēng)方向上，區(qū)域性風(fēng)沙—粉塵堆積體系中的各種類型的參數(shù)(包括粒度、堆積物厚度、元素含量等)均具有隨著距離的變化呈現(xiàn)對(duì)數(shù)變化特點(diǎn)。這與D-D斷面所揭示的區(qū)域風(fēng)沙—粉塵體系的特點(diǎn)是相同的。這進(jìn)一步揭示，在贛北地區(qū)，確實(shí)存在區(qū)域性風(fēng)沙—粉塵堆積體系。

不過，與處在41°N的緯度上環(huán)境寒冷干燥的北美體系相比，處在30°N的氣候溫暖濕潤東亞季風(fēng)區(qū)的贛北體系還是表現(xiàn)出少許不同，這主要體現(xiàn)在一些次穩(wěn)定元素，例如K2O和Rb2O。在北美體系中，K2O和Rb2O呈正對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，而在贛北體系中，它們呈負(fù)對(duì)數(shù)關(guān)系(圖3)。

圖3 D-D斷面各剖面常量元素(wt%)及其距離相關(guān)性圖Fig．3 Correlation diagram of major element(wt%)vs．distance south of Yangtze River in D-D section注:S為與長(zhǎng)江的距離，H為剖面厚度，CIA(%)計(jì)算參照文獻(xiàn)［17］

3 討論

在表生過程中，不同的礦物具有不同的抗風(fēng)化能力，譬如普通輝石((Ca，Mg，F(xiàn)e)2［Si2O6］)、普通角閃石{Ca2(Mg，F(xiàn)e2+)4(Al，F(xiàn)e3+)［Si7，Al)22］(OH)2}、斜長(zhǎng)石(Na［AlSi3O8］～ Ca［Al2Si2O8］)及黑云母(K(Mg，F(xiàn)e2+)3(Al，F(xiàn)e3+)Si3O10(F，OH)2)等抗風(fēng)化能力較弱，白云母(KAl2［Si3AlO10］(OH，F(xiàn))2)、鉀長(zhǎng)石(K2［Al2Si6O1］)等抗風(fēng)化能力較強(qiáng)。這種差異性風(fēng)化表現(xiàn)在:①初級(jí)化學(xué)風(fēng)化，Ca、Mg、Fe、Na等首先游離出來，隨水淋失;②中等化學(xué)風(fēng)化，隨著鉀長(zhǎng)石風(fēng)化，K被游離出來，但它往往被黏土礦物吸附，滯留在風(fēng)化殼中。Fe被氧化成Fe2O3(赤鐵礦)，也很難被淋失;Al存在于蒙脫石、水云母、高嶺土等黏土礦物甚至鋁土礦中，同樣滯留于風(fēng)化殼中，相對(duì)富集［22］;③石英、金紅石(TiO2)和鋯石(ZrO2)等礦物，性質(zhì)極其穩(wěn)定，基本上不參與一般程度的風(fēng)化過程。因此，滯留在原地的碎屑顆粒中的K、Al、Ti、Zr與石英等相對(duì)富集，其配比能夠較好地反映母巖及其源區(qū)的元素組成特征［15，23-26］，這是利用地球化學(xué)方法進(jìn)行物源示蹤的基本思路。

但是源區(qū)地球化學(xué)元素被流水搬運(yùn)或者被風(fēng)吹蝕搬運(yùn)到一定距離上，在多大程度上能反映源區(qū)的元素地球化學(xué)組成?學(xué)界并沒有對(duì)這一問題進(jìn)行過詳細(xì)的定量論述。

D-D斷面，由于這些相對(duì)穩(wěn)定的元素呈現(xiàn)隨著距離源區(qū)的遠(yuǎn)近而有規(guī)律的函數(shù)變化關(guān)系，因此各元素對(duì)(圖4)及各元素比值之間的散點(diǎn)圖(圖5)，同樣表現(xiàn)出有規(guī)律的系統(tǒng)性的逐漸變化。從近源區(qū)的D-D-01到遠(yuǎn)離源區(qū)的D-D-10，其相互之間的“元素地球化學(xué)距離”還是較大的。也就是說，這種區(qū)域粉塵體系，物質(zhì)在搬運(yùn)過程中，元素物質(zhì)還是經(jīng)過了一定程度的“分選”。

將長(zhǎng)江河漫灘(HR)、渭南黃土(WN)、南京燕子磯下蜀黃土(YZJ)投影到圖4與圖5中，得到圖6與圖7。我們發(fā)現(xiàn)，它們與D-D-02～D-D-05樣品具有更為密切的聯(lián)系，而與D-D-06～D-D-10保持一定的距離。眾所周知，渭南黃土與南京燕子磯下蜀黃土，分別只是黃土高原和寧鎮(zhèn)地區(qū)粉塵堆積系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)［27-28］。在它們各自的粉塵體系里，地球化學(xué)元素組成在不同的粉塵搬運(yùn)距離上，具有系統(tǒng)性的是變化的，就像D-D體系一樣。對(duì)黃土高原的黃土地球化學(xué)的研究，劉東生、徐樹建等曾就此展開過論述［27-28］。

圖4 D-D斷面下蜀黃土常量元素散點(diǎn)圖(wt%)Fig．4 Scatter diagrams of major elements for D-D section

由于粉塵堆積來自于巖性較為單一的鋁硅酸鹽上陸殼，如果這些物質(zhì)經(jīng)歷了長(zhǎng)距離的搬運(yùn)(例如經(jīng)過長(zhǎng)江、黃河這種大河的搬運(yùn)到中下游，或經(jīng)西風(fēng)帶從中亞內(nèi)陸造山帶長(zhǎng)距離搬運(yùn)到黃土高原)，其化學(xué)成分經(jīng)歷了高度混合，若再經(jīng)風(fēng)成搬運(yùn)與分選，其地球化學(xué)元素組成也會(huì)產(chǎn)生分化與分異。其風(fēng)成體系中近源區(qū)的粉塵堆積(20 km范圍之內(nèi))，顆粒組成，就像我們經(jīng)常所指的粉砂物質(zhì)占優(yōu)勢(shì)的黃土堆積［11-12］，這在北美的相對(duì)簡(jiǎn)單的風(fēng)沙—粉塵體系中也是如此［19-20］。它的常量元素地球化學(xué)組成是相似的，對(duì)它的示蹤，可能經(jīng)常會(huì)得出無效結(jié)論。

圖5 D-D斷面相對(duì)穩(wěn)定元素比值散點(diǎn)圖(wt%)Fig．5 Scatter diagrams of ratio of immobile elements for D-D section

圖6 D-D斷面相對(duì)穩(wěn)定元素散點(diǎn)圖(wt%)Fig．6 Scatter diagrams of immobile elements for D-D section

因此，盡管渭南與南京、與贛北相距遙遠(yuǎn)，即使在末次冰期環(huán)境下，粉塵堆積物質(zhì)也不可能有密切的聯(lián)系，這種情況 Hao et al．［9］曾有過論述。但是渭南黃土與燕子磯下蜀土常量穩(wěn)定元素示蹤，卻發(fā)現(xiàn)它們與D-D斷面的許多剖面具有密切關(guān)系，原因可能就在于它們處在不同區(qū)域粉塵堆積體系的基本相同或相似的位置。故利用地球化學(xué)元素進(jìn)行元素示蹤，需要謹(jǐn)慎從事。

圖7 D-D斷面相對(duì)穩(wěn)定元素比值散點(diǎn)圖(wt%)Fig．7 Scatter diagrams of immobile elements for D-D section

4 結(jié)論

基于D-D斷面風(fēng)沙—風(fēng)塵堆積體系元素地球化學(xué)特征研究，以及與長(zhǎng)江河漫灘沉積物(HR)，北方渭南黃土(WN)、南京下蜀土(YZJ)的對(duì)比分析，可以得出以下初步認(rèn)識(shí):

(1)末次冰期以來，鄱陽湖東北緣存在完整的風(fēng)沙—風(fēng)塵體系。自北而南，D-D斷面沙山砂、下蜀黃土的地球化學(xué)元素組份具有高度均一性，粉塵物質(zhì)成分相似;剖面厚度總體呈遞減趨勢(shì)，但在平原向丘陵山地過渡帶(距離長(zhǎng)江河谷約20 km)劇烈波動(dòng)，體現(xiàn)出風(fēng)塵堆積受地形影響較大的特征，有力地指示了D-D斷面的風(fēng)成特點(diǎn)。

(2)自北而南，元素含量具有系統(tǒng)性對(duì)數(shù)模式變化特征。SrO、Na2O、CaO、K2O、MnO、CaO 呈負(fù)對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2及化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)呈正對(duì)數(shù)變化;也就是在距離長(zhǎng)江河谷5～20 km的范圍內(nèi)，變化最為劇烈，隨后趨于平穩(wěn)。這使穩(wěn)定元素—穩(wěn)定元素、次穩(wěn)定元素—穩(wěn)定元素、活動(dòng)元素—穩(wěn)定元素對(duì)散點(diǎn)圖同樣具有系統(tǒng)的變化特點(diǎn)，表明粉塵物質(zhì)在搬運(yùn)過程中，地球化學(xué)元素有一定程度的“分選”。顯示D-D斷面沙山砂、下蜀黃土具有高度同源性。這些特征進(jìn)一步揭示它們屬于同一粉塵堆積體系。

(3)現(xiàn)代長(zhǎng)江河漫灘沉積物、渭南黃土、南京下蜀黃土與D-D斷面北端剖面D-D-02～D-D-05穩(wěn)定元素組成極其相似，與D-D-06～D-D-10剖面則差異較大。這揭示了長(zhǎng)江碎屑物質(zhì)和風(fēng)塵堆積一樣具有廣泛的來源及高度混合性。渭南黃土和南京下蜀土也僅僅是不同區(qū)域風(fēng)塵堆積的一個(gè)組成部分，它們只是與D-D斷面的某些沉積常量元素組成比較相似。本研究表明，利用常量元素地球化學(xué)方法進(jìn)行粉塵物源示蹤需要謹(jǐn)慎。

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