貴州威寧麻窩山巖溶盆地沉積物中粘土礦物特征及其古氣候指示意義

任增瑩，吳　攀，曹星星

(貴州大學資源與環(huán)境工程學院，貴州　貴陽　550025)

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貴州威寧麻窩山巖溶盆地沉積物中粘土礦物特征及其古氣候指示意義

任增瑩，吳攀，曹星星

(貴州大學資源與環(huán)境工程學院，貴州貴陽550025)

利用X射線衍射等分析方法，對貴州威寧麻窩山巖溶盆地沉積物中粘土礦物進行研究，獲得了粘土礦物的組成、相對含量、結(jié)晶度指數(shù)、化學指數(shù)以及相對含量比值等方面的信息，探討該盆地的沉積環(huán)境演化特征。研究表明，粘土礦物以伊/蒙混層礦物(30%～75%)和綠泥石(10%～45%)為主，高嶺石(5%～20%)和伊利石(10%)次之，基本不含蒙脫石。伊/蒙混層礦物和綠泥石含量呈負相關(guān)性。高嶺石含量在剖面底部較穩(wěn)定，在484cm上部出現(xiàn)較大的波動。伊利石結(jié)晶度和化學指數(shù)與伊/蒙混層礦物含量具有較好的正相關(guān)性，且在第Ⅰ階段相對于其它指標較敏感，出現(xiàn)波動。通過綜合對比分析，將研究區(qū)剖面劃分為4個階段，其是3個冷暖干濕的大循環(huán)和若干個小循環(huán)氣候環(huán)境的物質(zhì)記錄。

古氣候；巖溶盆地；粘土礦物；結(jié)晶度；威寧

湖泊盆地作為相對獨立的封閉體系，沉積速率快，能較完好地保存湖區(qū)在較長的地質(zhì)歷史時期內(nèi)的氣候和環(huán)境演變信息，是研究氣候變化的極佳場所[1-4]。西南喀斯特地區(qū)受太平洋和印度洋兩種季風的共同影響[5]，對氣候響應較敏感，西南地區(qū)巖溶盆地內(nèi)的沉積物對于古氣候的研究具有重要的意義。粘土礦物廣泛分布于各類沉積物中，系地表母巖在表生條件下受風化作用所形成。由于其顆粒細小(<2μm)，成分、結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變化，對氣候環(huán)境的變化特別敏感。所以粘土礦物的形成和演化過程蘊含著豐富的氣候環(huán)境信息[6-8]。目前，巖溶地區(qū)的古氣候研究主要集中在地球化學、化石和磁性地層學等方面[9-12]，涉及利用沉積物中粘土礦物指示古氣候的研究[13]還較少。本文從粘土礦物學的角度，研究貴州威寧麻窩山巖溶盆地剖面中粘土礦物的分布變化特征，重建該區(qū)的古氣候環(huán)境信息。

1　研究區(qū)概況

麻窩山巖溶盆地位于黔西北烏蒙山脈中部(E103°51′～103°55′，N27°05′～27°10′)，盆地匯水面積16.29km2，盆地面積0.74 km2(圖1)。區(qū)內(nèi)最高海拔2818.5m，最低海拔2229.0m，年平均氣溫11.2℃，年降水量850mm，雨季主要集中于6～9月，占全年降雨量的70%，屬亞熱帶季風氣候。研究區(qū)上覆土層為碳酸鹽巖紅土，土層薄、不連續(xù)，基巖出露面積較大，石漠化較嚴重。出露巖層以古生代灰?guī)r為主，東南及北面出露泥盆系上統(tǒng)(D3)白云質(zhì)灰?guī)r，東北和西南主要分別出露石炭系下統(tǒng)巖關(guān)組(C1y)和大塘組(C1d)灰?guī)r。研究區(qū)地表無徑流，可認為是相對封閉的盆地型流域。20世紀60年代末至70年代初，在盆地西南方向人工鑿開一條地下泄流洞，盆地中心現(xiàn)為耕地。盆地上部堆積的紅土與下部湖沼沉積物顏色差異較大，界線明顯。吳攀和謝良勝[14]綜合闡述了盆地近代環(huán)境的大致演化過程。葛佳杰等[15]利用14C方法確定了盆地內(nèi)剖面的大致時間框架。

2　樣品測試

2.1樣品

樣品用傳統(tǒng)式鉆機采集，鉆頭則改為錘擊式薄壁取土器(樣長20cm)，整個過程為干鉆采集，共采集4個剖面，各剖面特征曹振興等[11]文中詳細描述。4個剖面所包含的環(huán)境氣候信息具有較好的一致性[11，15-16]。其中剖面4深度最大(31m)，包含的信息最全，本文以剖面4(MW-4)作為研究對象。

圖1研究區(qū)及剖面采樣點示意圖(據(jù)謝良勝等[16])

Fig.1Sketch to show the sampling sites in the Mawo karst basin in Weining, Guizhou (after Xie Liangsheng et al., 2010)

2.2制樣與分析

粘土礦物的提純和定向薄片制作步驟簡述如下。首先對沉積物樣品進行破碎，用瑪瑙研缽對樣品進行研磨過200目篩；用濃度為10%的醋酸和濃度10%的雙氧水分別去除碳酸鹽和有機質(zhì)，然后加入蒸餾水反復洗滌至樣品溶液產(chǎn)生抗絮凝作用(可加入少量六偏磷酸鈉分散劑)。根據(jù)Stokes沉降原理將上層一定高度的懸浮液吸出，涂布于載玻片上，在空氣中自然風干制成自然干燥試樣；然后，將自然干燥試樣置于干燥皿中，加入適量的乙二醇溶液， 在65℃的條件下飽和6 h，即制成乙二醇飽和粘土礦物試樣[17]。

威寧麻窩山巖溶盆地沉積物粘土礦物的XRD圖譜如圖2所示。根據(jù)兩種不同測試條件下得到的衍射曲線的對比和PDF2002卡片數(shù)據(jù)庫比對查找，定性分析沉積物中粘土礦物的組成。各粘土礦物的相對含量由內(nèi)標法按粘土礦物不同的百分含量配比得到的一組數(shù)據(jù)計算得出，分析結(jié)果誤差小于±5%。粘土礦物的結(jié)晶度和化學指數(shù)計算在乙二醇曲線上進行。伊利石的結(jié)晶度指數(shù)(KI)為1nm處半高寬，伊利石化學指數(shù)(CI)通過(002)/(001)峰面積比計算。

樣品制備、儀器分析和計算在中國地質(zhì)大學(武漢)完成。所用X射線衍射儀為荷蘭Philippe公司生產(chǎn)的Panalytical Zpert，測試條件是CuKα輻射，Ni濾波器，管壓40kV，管流40mA。

3　結(jié)果與討論

3.1粘土礦物組成及來源

盆地內(nèi)剖面沉積物中粘土礦物組成為伊/蒙混層礦物和綠泥石、伊利石、高嶺石，基本不含蒙脫石(只有極少量樣品含有蒙脫石)。其中伊蒙混層礦物和綠泥石相對含量變化較大，分別為30%～75%和10%～45%，平均含量分別為49.25%和26.81%；高嶺石相對含量變化較小，為5%～20%，平均含量為14.13%；而伊利石相對含量保持10%不變；只有MW-4-14和MW-4-15樣品出現(xiàn)蒙脫石，相對含量分別為15%和10%；剖面中KI變化范圍為0.07Δ°/2θ～0.42，平均為0.20Δ°/2θ，CI變化范圍為0.26～0.66，平均值為0.46(表1)。

威寧麻窩山巖溶盆地自燕山運動以后，基本處于構(gòu)造相對穩(wěn)定期；無地表徑流、出露基巖單一，為封閉的巖溶盆地。由于該盆地規(guī)模小，碎屑來源較單一，沉積物混合度小，搬運距離短，所以盆地內(nèi)粘土礦物的形成主要受氣候的影響。在表生環(huán)境下，沒有受到成巖作用影響的粘土礦物才可以作為反映氣候環(huán)境變化的指標。檢驗沉積物中粘土礦物是否受到成巖作用影響可以依據(jù)沉積剖面深度、最老年齡、粘土礦物組合以及伊利石結(jié)晶度縱向變化等特征判斷[8]。研究發(fā)現(xiàn)，MW-4剖面未受到沉積后期成巖作用的影響，盆地內(nèi)沉積物剖面中粘土礦物主要是周圍基巖風化侵蝕形成的。

3.2粘土礦物對氣候的指示意義

粘土礦物是在一定的地質(zhì)環(huán)境和氣候條件下形成的，廣泛分布在第四紀各種沉積環(huán)境中，其形成和轉(zhuǎn)化與氣候，特別是溫度和濕度有十分密切的關(guān)系[13]。氣候條件不同，風化作用強度不同，形成的粘土礦物種類和含量均各不相同。

伊利石是干冷氣候條件下物理風化作用的產(chǎn)物，指示水熱條件差、化學風化強度弱的氣候環(huán)境[8，18-21]。當氣候變?yōu)闈駸?，伊利石晶格中的K+不斷被淋濾帶走逐漸向伊/蒙混層礦物轉(zhuǎn)化，并最終形成蒙脫石。伊/蒙混層礦物和蒙脫石代表氣候逐漸轉(zhuǎn)為潮濕的環(huán)境[22]。綠泥石是在堿性介質(zhì)中形成的，綠泥石和伊利石都是初級的粘土礦物，指示化學風化作用弱、物理風化作用占主導地位的氣候環(huán)境。但是綠泥石對化學風化作用更敏感，其在溫暖潮濕的氣候環(huán)境下容易被破壞，一般只能形成于在化學風化作用受抑制的環(huán)境[4，17]。高嶺石形成于溫暖潮濕的氣候條件下，由長石、云母和輝石在酸性介質(zhì)經(jīng)強烈淋濾形成，是強化學風化的產(chǎn)物，和蒙脫石相比，高嶺石的形成比蒙脫石需要更高的溫度和濕度[18]。伊利石結(jié)晶度(KI)和化學指數(shù)(CI)是氣候變化的靈敏反映指標，可以反映氣候環(huán)境的短期變化。伊利石結(jié)晶度可以反映水熱條件，KI值高代表弱的結(jié)晶度，指示水熱條件好的溫暖潮濕環(huán)境，低值代表高的結(jié)晶度，指示水熱條件不好的干旱寒冷環(huán)境[18，23]。伊利石的化學指數(shù)可以反映礦物在環(huán)境中的水解能力，CI比值小于0.5代表富Fe-Mg的伊利石，為物理風化作用的結(jié)果；比值大于0.5為富A1的伊利石，代表強烈的水解作用[8，24]。

圖2威寧麻窩山剖面代表性樣品X射線衍射圖

a.粘土礦物自然定向片;b.乙二醇飽和粘土礦物

Fig.2X-ray diffraction patterns for the representative samples of clay minerals from the Mawo karst basin in Weining

3.3粘土礦物相對含量及其氣候指示

MW-4沉積剖面伊利石相對含量穩(wěn)定，保持在10%，伊/蒙混層礦物的相對含量(圖3a)整體呈波動增加的趨勢，在剖面底部至1642cm處，伊/蒙混層礦物含量整體偏低，僅在2260～2162cm處伊/蒙混層礦物含量小幅度增加，反映了該階段可能以干燥氣候為主，并出現(xiàn)短暫濕潤期；1642～952cm以及922～560cm伊/蒙混層礦物含量呈現(xiàn)增大的變化趨勢，而952～922cm伊/蒙混層礦物含量驟減至35%，560～434cm伊/蒙混層礦物含量也出現(xiàn)小幅度的降低，因此在1642～434cm伊/蒙混層礦物含量呈現(xiàn)出小—大—小—大—小的變化特征，反映此階段干燥—濕潤—干燥—濕潤—干燥的氣候變化；434～146cm伊/蒙混層礦物含量波動劇烈，且呈小—大—小—大—小變化，對應的氣候變化為干燥—濕潤—干燥—濕潤—干燥；146cm～剖面頂部出現(xiàn)峰值(75%)。

綠泥石相對含量(圖3b)整體上呈波動減小的趨勢，且與伊/蒙混層礦物呈此消彼長的關(guān)系，即在剖面底部至1642cm綠泥石相對含量呈大—小—大變化，但以低值為主，表明該階段的風化強度變化為弱—強—弱，且以物理風化作用為主；1642～434cm綠泥石相對含量呈大—小—大—小—大變化，

表1　威寧麻窩山MW-4剖面粘土礦物XRD分析結(jié)果

對應的化學風化強度變化為弱—強—弱—強—弱；434～146cm綠泥石相對含量波動劇烈，且呈大—小—大—小—小變化，對應的化學風化強度變化為弱—強—弱—強—弱；146cm～剖面頂部變化幅度較小。

高嶺石相對含量(圖3c)變化波動較小，不如綠泥石和伊/蒙混層礦物變化明顯，在剖面底部～484cm以15%為主，基本上沒有變化，僅在952cm位置含量驟增至20%，該位置對應的氣候可能具有較高的溫度和豐富降水量。

3.4伊利石結(jié)晶度指數(shù)和化學指數(shù)對氣候的指示

MW-4剖面的KI和CI的變化曲線均與伊/蒙混層礦物含量曲線具有較好的一致性(圖3d、e)，這是由于相對暖濕的氣候環(huán)境，致使樣品中的伊利石在酸性介質(zhì)中發(fā)生水解生成伊/蒙混層，降低了結(jié)晶度，同時伊利石八面體晶格結(jié)構(gòu)中，Al逐漸替代了Fe-Mg，形成了富A1的伊利石。反之，在寒冷干燥的氣候條件下，物理風化作用占主導地位，樣品中的伊利石礦物的結(jié)晶被保存下來，結(jié)晶度高，F(xiàn)e-Mg逐漸替代了Al，形成了富Fe-Mg的伊利石[8，24]。但在剖面的底部，KI與CI值較粘土礦物含量更敏感，出現(xiàn)較大幅度的波動：3090～2500cm KI與CI值呈現(xiàn)低—高—低—高—低的變化趨勢，反應了此階段的氣候環(huán)境經(jīng)歷了從干冷—暖濕—干冷—暖濕—干冷兩個小周期的演化。434～146cm KI變化范圍為0.12～0.42，CI變化范圍為0.39～0.68，且均呈小—大—小變化，反映該階段冷干—暖濕—冷干的氣候變化特征。

3.4粘土礦物含量比值對古氣候的指示

有時候單一的粘土礦物含量變化曲線不能明顯的指示古氣候變化信息，但是它們的比值可以很好的指示古氣候變化信息[4]。蒙脫石/(伊利石+綠泥石)可以反映區(qū)域化學風化與物理侵蝕的對比值，比值越大化學風化越強，氣候以溫暖潮濕為主導[8]。(蒙脫石+高嶺石)/(伊利石+綠泥石)也可以作為氣候變化的指標，反映氣候溫濕/干冷的變化[4]。

研究區(qū)剖面中只有MW-4-14和MW-4-15樣品出現(xiàn)純蒙脫石，伊/蒙混層礦物卻大量出現(xiàn)，且混層中伊利石晶層含量均<50%，所以本文在粘土礦物比值計算中用純蒙脫石與伊/蒙混層礦物含量之和替代蒙脫石含量。MW-4沉積剖面中(蒙脫石+伊/蒙混層)/(伊利石+綠泥石)、(蒙脫石+伊/蒙混層+高嶺石)/(伊利石+綠泥石)的變化趨勢與伊/蒙混層礦物含量、綠泥石含量、伊利石的結(jié)晶度、伊利石化學指數(shù)具有較好的吻合性，說明它們所反應的氣候環(huán)境信息與階段是一致的(圖3f、g)。

3.5盆地內(nèi)氣候旋回的探討

依據(jù)麻窩山巖溶盆地沉積剖面的粘土礦物與沉積物變化特征，研究區(qū)在過去40ka內(nèi)經(jīng)歷了多次冷暖-干濕的氣候交替變化，主要劃分為4個階段，大概有3個冷暖-干濕大循環(huán)和6個小循環(huán)，這種劃分與利用Rr/Sr和微量元素氣候劃分的研究[11-12]基本一致。剖面底部以寒冷干燥的氣候特點為主；頂部紅土層主要受人為因素的影響等特點是一致的。本研究在前3個階段出現(xiàn)多個氣候亞帶與前人的研究相比更細化，可能是由粘土礦物對氣候的變化更敏感度引起的。

圖3威寧麻窩山剖面古氣候演化階段劃分

a.伊蒙混層礦物；b.綠泥石；c.高嶺石；d.伊利石結(jié)晶度指數(shù)；e.伊利石化學指數(shù)；f.(蒙脫石+伊/蒙混層)/(伊利石+綠泥石)；g.(蒙脫石+伊/蒙混層+高嶺石)/(伊利石+綠泥石)

Fig.3Evolution of the palaeoclimatic conditions in the Mawoshan section in Weining

第Ⅰ階段(3090～1642cm)：伊/蒙混層礦物含量、(蒙脫石+伊/蒙混層)/(伊利石+綠泥石)與(蒙脫石+伊/蒙混層+高嶺石)/(伊利石+綠泥石) 呈小—大—小變化，綠泥石含量呈大—小—大變化，但拐點處出現(xiàn)時間較短(952～922cm)；伊利石KI與CI值在3090～2500cm呈現(xiàn)低—高—低—高—低的變化趨勢，出現(xiàn)氣候亞帶。綜上，此階段整體的氣候變化特點為寒冷干燥—溫暖濕潤—寒冷干燥，且以寒冷干燥為主，并存在兩個干冷—暖濕交替的小循環(huán)。

第Ⅱ階段(1642～434cm)：伊/蒙混層礦物含量、綠泥石含量、伊利石的KI與CI、(蒙脫石+伊/蒙混層)/(伊利石+綠泥石)與(蒙脫石+伊/蒙混層+高嶺石)/(伊利石+綠泥石)在此階段皆變化明顯，出現(xiàn)了兩個冷暖-干濕交替周期。

第Ⅲ階段(434cm ～146cm)：伊利石的KI與CI呈小—大—小變化，伊/蒙混層礦物含量、(蒙脫石+伊/蒙混層)/(伊利石+綠泥石)與(蒙脫石+伊/蒙混層+高嶺石)/(伊利石+綠泥石)呈現(xiàn)高—低—高-低—高的變化趨勢，綠泥石呈相反的變化，反映本階段出現(xiàn)一個冷暖干濕氣候大循環(huán)，其中包含了兩次明顯的冷暖氣候交替變化。

第Ⅳ階段(146～0cm)：剖面頂部的紅土層，旋回變化主要受人為因素影響，20世紀60年代末，70年代初，人工泄流洞鑿開后，流域內(nèi)植被發(fā)生變化，導致水土流失加劇，使紅土層快速堆積至湖積物之上，造成二者突變接觸。

4　結(jié)論

(1)貴州威寧麻窩山巖溶盆地沉積物中粘土礦物以伊/蒙混層礦物為主，伊利石、綠泥石和高嶺石含量較低，基本不含蒙脫石。

(2)剖面沉積物中的粘土礦物主要為來源于周圍基巖的風化侵蝕，粘土礦物多指標綜合分析表明，剖面粘土礦物中的綠泥石、伊蒙混層礦物、高嶺石、伊利石結(jié)晶度和化學指數(shù)以及(蒙脫石+伊/蒙混層)/(伊利石+綠泥石)、(蒙脫石+伊/蒙混層+高嶺石)/(伊利石+綠泥石)反應的氣候環(huán)境變化階段明顯。

(3)通過粘土礦物組成特征可將研究區(qū)剖面劃分為4個階段，其中3個冷暖-干濕氣候大循環(huán)氣候，其中第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段分別包含兩個冷暖-干濕氣候的小循環(huán)環(huán)境的物質(zhì)記錄。

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Clay minerals and their palaeoclimatic indicators in the Mawo karst basin in Weining, Guizhou

REN Zeng-ying， WU Pan， CAO Xing-Xing

(CollegeofResourcesandEnvironmentEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang550025,Guizhou,China)

The present paper deals with the evolution of the palaeoclimatic conditions of the Mawo karst basin in Weining, Guizhou on the basis of composition, content, crystallinity index, chemical index and relative content of the clay minerals by using the X-ray diffraction analysis. The clay minerals in the study area are composed dominantly of mixed illite-montmorillonite layers (30%-75%) and chlorite (10%-45%), and subordinately of gaolinite (5%-20%) and illite (10%) with no montmorillonite, and derived from the weathering of the surrounding bedrocks. Four stages are recognized for the evolution of the palaeoclimatic conditions in the study area, including three major climatic cycles and several minor climatic cycles.

palaeoclimate; karst basin; clay mineral; crystallinity; Weining

1009-3850(2016)01-0070-07

2015-03-25； 改回日期： 2015-10-14

任增瑩(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為環(huán)境地球化學。E-mail：tslxrzy@126.com

吳攀(1973-)，男，教授，博士生導師，主要從事環(huán)境地球化學研究工作。E-mail：pwu@gzu.edu.cn

TE121.3+1

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