邙山黃土古土壤S2沉積以來的微量和稀土元素地球化學特征及其物源指示意義*

陳立業(yè)，張珂，傅建利，梁浩，李肖楊，李忠云

（1.中山大學地球科學與工程學院∥廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點實驗室，廣東 廣州510275；2.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所，北京100081）

中國黃土十分發(fā)育[1]，除西北地區(qū)外，在華北平原、黃淮平原甚至長江中下游地區(qū)，亦有分布[1-4]。黃土沉積蘊含信息豐富，前人曾對多個典型黃土剖面做了大量研究[1-5]，得到了涵蓋年代[6-8]、氣候變化[1-2，4-5]、沉積規(guī)律[7-15]及物源[1-3，15-16]等較為系統(tǒng)的認識。

中國黃土堆積表現(xiàn)出較為明顯的空間分布規(guī)律性，即從北向南，厚度逐漸減薄[1，8]，沉積速率逐漸降 低[1，10]，粒度逐漸變細[1，8-10]。該趨勢在洛川[1]、西峰[11]和藍田[12]等地得到了廣泛驗證。位于黃河中、下游交界位置的邙山黃土（圖1），中更新世晚期（對應古土壤S2時期，絕對年齡在200 ka左右，下同）以來堆積厚度近100 m[14，17-20]，遠大于洛川[1]、渭南[4]等典型黃土剖面的同期堆積（圖2）。在厚度增加的同時，沉積速率明顯加快[14，17-20]，粒度也明顯變粗[14，17-18]，這些都與中國黃土堆積的普遍規(guī)律相悖。前人對中更新世晚期以來邙山黃土異常的厚度和極高的沉積速率進行了磁性地層學[14，17-18]、沉積學[14，17-18，20]以及釋光年代學[18-20]等綜合研究工作，指出S2沉積（以下簡稱為S2，年齡約200 ka）以來邙山黃土的磁化率、粒度等沉積特征與李家塬（圖1）等典型黃土高原黃土差異明顯[14，18]，認為三門峽下游的沖積平原很可能是邙山黃土的主要源區(qū)[14，17-19，21]。然而，上述認識合理性如何？有否其他方面的證據(jù)支持？

黃土的微量和稀土元素地球化學特征對源區(qū)特征反映較為敏感，因而常被用做物源示蹤[1-5，16，22]。本文著重分析了 200 ka以來邙山黃土微量元素和稀土元素的地球化學特征，并與相應時期三門峽地區(qū)、黃土高原[2]、淮南[3]等典型黃土剖面（圖1）進行了對比研究，以嘗試從元素地球化學的角度探討邙山黃土的物質(zhì)來源問題。

1 材料和方法

邙山位于河南省鄭州市西北25 km的黃河南岸，處于黃河三門峽段下游（見圖1）。黃河北岸為廣闊的沖積平原，南岸為黃土塬，黃河貼近南岸流動，形成侵蝕陡崖。邙山黃土塬東西長約18 km、南北寬約5 km，塬面最高海拔262 m，底部未見基巖出露。

邙山趙下峪剖面（34°58′N，113°22′E）位于河南省滎陽市北邙鄉(xiāng)劉溝村西，出露S10以上的黃土-古土壤序列，可見厚度達172 m[14，17-18]。通過與洛川[1，8]等黃土剖面對比，結(jié)合前人的研究[6]和我們的工作，獲得了該剖面S2以來的地層年代學框架（圖2）。本文選取S2以來不同黃土層位（L1和L2）的10個黃土樣品進行微量元素和稀土元素含量測試。其中，L1、L2分別采樣5個。樣品在剖面中的位置如圖2所示。

為探究邙山黃土與其他區(qū)域黃土在空間上的關(guān)聯(lián)性，我們對三門峽地區(qū)（扣馬、黃底溝、風陵渡）S2以來的黃土也進行了采樣（圖1），共采集6個黃土樣品。樣品在剖面中的位置如圖2所示。

圖1 研究區(qū)范圍與邙山黃土剖面位置圖（據(jù)ZHENG等[18]修改）Fig.1 The study area and the location of Mangshan（MS）loess profile（Revised after reference[18]）

圖2 邙山黃土剖面及其他典型黃土剖面對比Fig.2 The characteristics of Mangshan（MS）loess profile and their comparison with Chinese typical loess profiles in stratigraphy，palaeomagnetics and sedimentology

所有樣品的微量元素與稀土元素測試均在廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點實驗室完成，所有樣品首先被研磨至200目以下，然后采用1 mL HNO3＋1 mL HF混合酸在Teflon高壓密閉坩堝中進行樣品溶解。采用ICP-MS測定，精度為0.002 μg/g。不同元素的檢出限有所不同，以Sc、As為例，Sc的檢出限為0.02μg/g，As的檢出限為0.2 ppm，所有被測樣品的微量元素和稀土元素含量均顯著大于其檢出限。大部分微量元素和稀土元素的測試誤差小于10%，分析結(jié)果準確可信。

2 結(jié) 果

邙山、三門峽地區(qū)黃土樣品的微量元素數(shù)據(jù)見表1，稀土元素數(shù)據(jù)見表2。我們還選取了研究程度較高的黃土高原地區(qū)吳堡等7個剖面點[2]、淮南顧橋[3]的黃土剖面進行區(qū)域?qū)Ρ龋▓D1）。對微量元素及稀土元素數(shù)據(jù)進行UCC標準化后繪制成圖3。其中UCC為上部陸殼平均化學成分[23]（表1和2）。

2.1 微量元素

結(jié)果顯示，邙山、三門峽地區(qū)、黃土高原地區(qū)及淮南黃土樣品的微量元素具有相似的分布模式，大部分元素UCC標準化值在1附近波動；相對于UCC，稀土元素普遍表現(xiàn)出相對富集（圖3）。4個地區(qū)的Sr、Y、Ba、U含量接近，但邙山黃土出現(xiàn)了一定程度的Rb、Nb虧損。相比與黃土高原等其他地區(qū)黃土，邙山黃土明顯富集Zr、Hf而虧損Cs、Pb、Th（表1）。

2.2 稀土元素

球粒隕石標準化后的邙山、三門峽地區(qū)、黃土高原地區(qū)及淮南黃土樣品的稀土元素具有相似的分布模式（圖4），表現(xiàn)為輕稀土相對富集，曲線陡峭，重稀土相對虧損，曲線平緩。4個地區(qū)黃土都出現(xiàn)了一定程度的Ce負異常，其中又以邙山黃土最為明顯。相比于黃土高原等其他地區(qū)黃土，邙山黃土的輕稀土出現(xiàn)了一定程度的虧損，尤其是La、Ce等輕稀土元素（表2）。

表1 邙山和三門峽黃土的微量元素Table 1 The trace element concentrations of Mangshan（MS）and Sanmenxia（SMX）loesses μg/g

表2 邙山和三門峽黃土的稀土元素Table 2 The REE element concentrations of Mangshan（MS）and Sanmenxia（SMX）loesses μg/g

圖3 邙山和三門峽黃土微量標準化以及與黃土高原、淮南等典型黃土剖面對比Fig.3 UCC-normalized trace elements of Mangshan（MS），and Sanmenxia（SMX）loesses in comparison with Chinese typical loesses of Chinese Loess Plateau（CLP）and Huainan（HN）

圖4 邙山與三門峽、黃土高原以及淮南等地黃土的REE元素標準化圖解Fig.4 Chondrite-normalized REE distribution patterns of Mongshan（MS）loess with Sanmenxia（SMX），Chinese Loess Plateau（CLP）and Huainan（HN）samples for comparison

3 討 論

3.1 微量元素對物源的指示

化學性質(zhì)穩(wěn)定的微量元素（比如Nb、Zr、Hf、Th、Y、REE等）及其比值主要繼承母巖的特征，在風化作用過程中具有很強的穩(wěn)定性，廣泛用于黃土的物源示蹤[1-5，16，22-26]。Th多富集在土壤和風化巖石的殘留物中，活動性較低[1，27]。Nb主要賦存于鈮鐵礦中，沉積后幾乎不受風化作用的影響[28-30]。Zr、Hf主要賦存于鋯石中，抗風化能力很強[23，29，30]。結(jié)果顯示，相比于黃土高原等其他地區(qū)黃土，邙山黃土的 Zr/Hf、Nb/Th、Y/Th、La/Th等穩(wěn)定微量元素比值顯著偏高（圖5a，b）。穩(wěn)定微量元素抗風化能力強，活動性低，其比值是區(qū)分黃土物源的有效指標[1-5，16，22-26]。邙山黃土偏高的穩(wěn)定微量元素比值，反映其與其他地區(qū)黃土的源區(qū)特征可能存在差異性。

前人研究表明，Th和Cs在風化作用過程中易被粘土礦物吸附，主要賦存于黃土的細顆粒組分中[30，31]，而 Zr和 Hf則主要賦存在粗顆粒部分[1]，因此Zr、Hf、Th、Cs的含量可能是黃土粒度的重要表征。圖3及圖5（c，d）表明，相對于其他地區(qū)，邙山黃土的Zr、Hf含量偏高，而Th、Cs含量偏低，反映邙山黃土的粒度可能偏粗，這也與前人的相關(guān)研究結(jié)果相符[14，17-18]。前人研究表明，末次冰期以來的淮南黃土與洛川等黃土高原黃土同源[3]。中國黃土的典型物源區(qū)是西北沙漠[1，15]，淮南黃土地處東南，遠離西北物源區(qū)，風成沉積物的粒度更細，故其Zr、Hf含量稍低而Th、Cs含量顯著偏高。若邙山黃土與黃土高原等典型黃土同源，則理應具有更細的粒度，即更低的Zr、Hf含量及更高的Th、Cs含量。如此強烈的反差，說明邙山黃土與黃土高原、淮南等地黃土可能并不同源。

La-Th-Sc和Th-Sc-Zr/10是廣泛使用的判別黃土物源的三角圖解[26，33-34]，自從 Bhatia＆Crook[33]于1986年提出后，已被成功用于眾多地區(qū)的黃土物源研究中[3，16]。邙山與其他地區(qū)黃土的La-Th-Sc和Th-Sc-Zr/10圖解（圖5e、f）顯示，黃土高原黃土與淮南黃土的投影區(qū)域高度重合，三門峽地區(qū)黃土與之接近，而邙山黃土的投影區(qū)域則與另外三地黃土差別較大，尤其是在 Th-Sc-Zr/10圖中（圖5f）。邙山黃土與其他典型黃土在黃土物源判別圖解中投影區(qū)域的差異，反映了其Zr、Sc、Th、La等微量元素含量上的差別，表明邙山黃土與黃土高原等其他地區(qū)黃土的物源可能并不一致。

3.2 稀土元素對物源的指示

稀土元素（REE）主要受控于源區(qū)的巖石學特征[24]，其總含量（ΣREE）和輕、重稀土比值（LREE/HREE）等主要反映來源物質(zhì)的特性[1]，被廣泛用于黃土的物源研究[1，3，16，23，35-36]。圖 4表明，邙山黃土與其他地區(qū)黃土具有相似的REE分布模式，但對REE內(nèi)部分餾特征的反映并不明顯。前人研究表明，LREE/HREE可以反映輕、重稀土元素的分餾特征，La/Eu是輕稀土元素內(nèi)部分餾特征的有效指標，REE內(nèi)部分餾特征是黃土物源的重要指征[1，23，35]。結(jié)果表明，相比于其他地區(qū)黃土，邙山黃土的 ΣREE、LREE/HREE、La/Eu均偏低（圖6a，b），反映邙山黃土REE總含量較低，REE內(nèi)部分餾程度較低。ΣREE及REE內(nèi)部分餾程度的差異，表明邙山黃土與黃土高原等其他地區(qū)黃土的來源物質(zhì)特征并不相同，反映其與典型黃土可能并不同源。

圖5 邙山與三門峽、黃土高原和淮南等地黃土的微量元素地球化學特征圖解Fig.5 The trace element characteristics diagrams of Mongshan（MS）loess with Sanmenxia（SMX），Chinese Loess Plateau（CLP）and Huainan（HN）samples for comparison

10*Hf-Ce-Yb和La-Zr/10-Ce三角圖解可以進一步反映邙山黃土與其他地區(qū)黃土在稀土元素及微量元素特征上差異。結(jié)果顯示（圖6c，d），黃土高原地區(qū)黃土與淮南黃土在10*Hf-Ce-Yb和La-Zr/10-Ce三角圖解中的投影區(qū)域高度一致，三門峽地區(qū)黃土與之臨近，而邙山黃土的投影區(qū)域則與之有明顯區(qū)別。這表明，邙山黃土與黃土高原等地黃土在Zr、Hf、Ce等元素含量上的差異明顯，反映它們的物源可能并不完全相同。

圖6 邙山與三門峽、黃土高原和淮南等地黃土的稀土元素地球化學特征圖解Fig.6 The REE characteristics diagrams of Mongshan（MS）loess with Sanmenxia（SMX），Chinese Loess Plateau（CLP）and Huainan（HN）samples for comparison

3.3 邙山黃土的物源

S2以來，從洛川[1]、渭南[4]到風陵渡、黃底溝，黃土厚度逐漸減薄，這與中國黃土厚度的區(qū)域變化規(guī)律相一致（圖2）。若把黃底溝黃土近似看成遠源降塵的正常厚度，那么，S2以來邙山黃土厚度則是同期黃底溝黃土厚度的近10倍（圖2）。前文指出，邙山黃土在微量元素（圖3、5）及稀土元素（圖4、6）特征上，與黃土高原等其他地區(qū)黃土存在明顯差別，反映它們的物源可能并不一致。邙山黃土較高的Zr、Hf及較低的Th、Cs（圖3、5）表明其粒度偏粗，可能是近源堆積的結(jié)果。上述現(xiàn)象很可能意味著：邙山附近河谷顯著展寬，沉積了來自三門峽及其上游的巨量物質(zhì)；邙山黃土中除了大氣遠源降塵外，還有風力吹揚的近源沖積物加入；兩者均與邙山附近沖積物的粒度特征[37-38]及前面的微量元素地球化學特征分析結(jié)果相吻合。

S2以來，三門峽地區(qū)扣馬黃土堆積較黃土高原等典型黃土明顯偏厚，但薄于邙山黃土，扣馬黃土的多數(shù)微量元素及稀土元素地球化學特征介于邙山黃土與黃土高原等典型黃土之間（圖5、6）。扣馬臨近三門峽谷谷口，處于峽谷與平原的過渡帶，河谷展寬有限，反映其受近源黃河沖積物的影響較邙山黃土小。

晉豫間的三門峽谷由一系列基巖山地組成，曾是黃河東流入海的最后一道屏障[19]。黃河三門峽段河谷狹窄，兩岸陡峭，河床梯度大，水流速度快。黃河流出三門峽后，漸入華北平原，河谷極大拓寬，河水流速下降并發(fā)生堆積，形成廣闊的沖積平原[17-20，39]。強勁的冬季風掠過平原，揚起的沖積物再次搬運并堆積于邙山，形成S2以來邙山黃土巨厚堆積的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

通過對邙山黃土與三門峽地區(qū)黃土微量元素和稀土元素進行測試分析，并與黃土高原、淮南等地黃土進行對比，得出以下初步認識：

1）與黃土高原等地黃土相比，邙山黃土Zr、Hf偏高Th、Cs偏低，反映邙山黃土中的粗粒組分可能較多。邙山黃土在 Zr/Hf、Nb/Th、Y/Th、La/Th等元素比值以及 La-Th-Sc和 Th-Sc-Zr/10三角圖解上與黃土高原等其他地區(qū)黃土存在明顯差異，反映其與典型黃土的物源可能并不一致。

2）邙山黃土與黃土高原等地黃土的稀土元素分布模式相似，但在ΣREE及表征REE內(nèi)部分餾程度的LREE/HREE、La/Eu上存在明顯不同，10*Hf-Ce-Yb和La-Zr/10-Ce三角圖解中的投影區(qū)域也有顯著差異，反映邙山黃土與黃土高原等典型黃土的物源可能存在差異性。

3）微量元素和稀土元素地球化學特征揭示，邙山黃土可能含有較多近源沖積物成分。邙山附近的黃河沖積平原，沉積了來自三門峽谷及其上游的巨量物質(zhì)，可能是S2以來邙山黃土巨厚堆積的重要來源。

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