巴基斯坦Bahawalpur黃土巖石磁學(xué)特征及磁化率變化機(jī)制研究

何玲珊， 劉秀銘， 馬明明， 毛學(xué)剛， A.R.Tabrez，呂鑌， 綦昕瑤， 師永輝

1 福建師范大學(xué)濕潤(rùn)亞熱帶山地國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地， 福州 350007 2 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院， 福州 350007 3 福建師范大學(xué)地理研究所， 福州 350007 4 Department of Environment and Geography， Macquarie University， Sydney NSW 2019， Australia 5 COMSATS Institute of Information Technology， Islamabad， Islamic Republic of Pakistan

0 引言

黃土是地球上分布最為廣泛的沉積物之一，其產(chǎn)生、搬運(yùn)、沉積以及堆積后成土過程與地球各圈層間緊密相連，是一份豐富的地質(zhì)檔案記錄了各種古環(huán)境和古氣候信息(孫繼敏, 2020).磁化率被證明是黃土地層研究中指示古環(huán)境與古氣候變化的重要參考指標(biāo)，利用磁化率等磁學(xué)參數(shù)可以將不同地區(qū)的黃土-古土壤序列進(jìn)行對(duì)比(Rutter et al., 2003; Maher, 2016; 任翌成等, 2020)，從而研究過去氣候變化.但不同氣候環(huán)境條件的磁化率與成壤作用的關(guān)系可能不同，研究者也為此提出了多種磁化率變化機(jī)制.如溫帶干旱半干旱的黃土高原地區(qū)磁化率在黃土層中獲低值，古土壤層獲高值(Heller and Liu, 1982; Zhou et al., 1990)，可以用“成壤說”很好地解釋，表明成土過程中生成的細(xì)顆粒磁赤鐵礦是土壤磁性增強(qiáng)的主要原因(Liu et al., 2007)，但此模式有一定的適用范圍.高緯濕冷的阿拉斯加和西伯利亞地區(qū)(Begét and Hawkins, 1989; Zhu et al., 2000)磁化率與成壤強(qiáng)度呈現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系，Begét(1990)將此歸因于“風(fēng)速論”，認(rèn)為磁化率受風(fēng)速作用的影響，冰期風(fēng)力大粗顆粒強(qiáng)磁性礦物多，導(dǎo)致黃土層磁化率增高；Liu等(2008)則用“濕潤(rùn)性成壤模式”來解釋這種反相關(guān)關(guān)系，即過多水分造成的濕潤(rùn)環(huán)境使強(qiáng)磁性礦物轉(zhuǎn)變?yōu)槿醮判缘V物而導(dǎo)致古土壤層磁化率降低.可見，磁化率變化機(jī)制受不同環(huán)境不同氣候的影響，可能存在著巨大的差異.

巴基斯坦的黃土早有報(bào)道，但主要針對(duì)北部山區(qū)，包括波特瓦爾高地(Potwar Plateau)和西部低山區(qū)，涉及磁學(xué)特征(Akram et al., 1998)、粒度特征(Din and Yoshida, 1997)、年代學(xué)(Warwick and Wardlaw, 2007; Rendell and Townsend, 1988)及古環(huán)境變化(Bibi et al., 2020)等方面.磁學(xué)研究表明北部山區(qū)磁化率與成壤強(qiáng)度之間的關(guān)系不明確，上部地層磁化率與成土作用呈反相關(guān)關(guān)系，下部地層則呈正相關(guān)關(guān)系，但未解釋其磁化率變化機(jī)制(Akram et al., 1998).位于巴基斯坦和印度間的印度河—恒河平原一直被認(rèn)為由恒河、印度河長(zhǎng)期沖積而成，最近已有研究報(bào)道了印度恒河平原的風(fēng)成黃土的存在(Liu et al., 2017)，但還未見巴基斯坦印度河流域的報(bào)道.不難發(fā)現(xiàn)巴基斯坦大部分地區(qū)的黃土研究仍較為薄弱，且磁學(xué)特征可能與黃土高原地區(qū)存在差異.因此，本文對(duì)采集于巴基斯坦印度河平原黃土狀沉積物的典型剖面進(jìn)行系統(tǒng)的磁學(xué)參數(shù)研究，并結(jié)合粒度參數(shù)和漫反射光譜(DRS)，探討其磁學(xué)特征及磁化率變化機(jī)制，以期為該地區(qū)的古氣候研究提供新線索.

1 研究區(qū)概況與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 研究區(qū)概況及樣品采集

巴哈瓦爾布爾(Bahawalpur)地區(qū)位于巴基斯坦東北部旁遮普省，屬上印度河平原地區(qū)，境內(nèi)約三分之二的面積被喬利斯坦沙漠(Cholistan Desert)覆蓋.喬利斯坦沙漠是印度大沙漠(Great India Desert，又稱塔爾沙漠)的延伸部分.其氣候類型為亞熱帶沙漠氣候，一年分為4—6月的熱季、7—9月的季風(fēng)季、10—11月的轉(zhuǎn)換季和12—3月的冬季四個(gè)季節(jié).1月平均氣溫為13 ℃，6月最高平均溫可達(dá)40 ℃以上.平均年降水量約為150～300 mm，以夏雨為主，多是暴雨，雨量集中在7—9月的西南季風(fēng)季，占全年降雨量的60%～80%，印度大沙漠降水量在100 mm以下.

研究選取的Bahawalpur剖面(以下簡(jiǎn)稱BH剖面)位于巴哈瓦爾布爾以南約2 km處(29°19′56″N，71°42′65″E，圖1a)，海拔62 m，處于印度河與喬利斯坦沙漠的過渡地帶.剖面厚6.55 m，未見底.地層基本呈穩(wěn)定的水平層狀，古土壤層發(fā)育良好，可見數(shù)層黃土與古土壤交互層(圖1b).根據(jù)沉積物特征，將BH剖面劃分為7層，包括4層黃土層和3層古土壤層，其中PS(paleosol)代表古土壤層，LE(loess)代表黃土層：

①黃土層LE1，厚2.8 m，土黃色，細(xì)砂土，結(jié)構(gòu)疏松，無層理，地表有現(xiàn)代植物根系.

②古土壤層PS1，厚0.5 m，褐黃色-褐棕色，粉砂-亞砂土，表面有銹黃色蟲孔和白色鈣膜.

③黃土層LE2，厚0.7 m，淺黃色-深黃色，亞砂土，質(zhì)地均勻、疏松，無層理.

④古土壤層PS2，厚1.0 m，褐黃色-褐色，黏土，多蟲孔、根跡，表面可見白色鈣膜.

⑤黃土層LE3，厚0.8 m，淺黃色，粉砂土，結(jié)構(gòu)疏松，表面有銹黃色及灰色斑塊.

⑥古土壤層PS3，厚0.65 m，深黃色-褐黃色，黏土，黃色物質(zhì)呈斑狀分布.

⑦黃土層LE4，厚0.1 m，灰黃色，細(xì)砂土，質(zhì)地粗，結(jié)構(gòu)疏松.

本研究的主要地層段為L(zhǎng)E1—PS3段，對(duì)該剖面按5 cm間距進(jìn)行連續(xù)采樣，共獲樣品132個(gè)，并選取6個(gè)與其鄰近的印度大沙漠表土樣品作為對(duì)比.分別在1.8 m、3.9 m、5.5 m系統(tǒng)采集了3個(gè)光釋光樣品，測(cè)得年齡在0.5～42.5 ka之間(表1).根據(jù)前人研究(Akram et al., 1998；Rendell and Townsend, 1988)與地層年代對(duì)應(yīng)，推測(cè)PS1對(duì)應(yīng)于中國(guó)黃土-古土壤序列的S0和MIS 1，PS2對(duì)應(yīng)于L1S和MIS 3，PS3對(duì)應(yīng)于S1和MIS 5.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱取適量研磨后的樣品用保鮮膜包緊后置于磁學(xué)測(cè)試專用聚乙烯樣盒中，低頻(470 Hz)磁化率(lf，如無特別說明，本文的為低頻磁化率)和高頻(4700 Hz)磁化率(hf)采用 Bartington MS2磁化率儀測(cè)量，并由公式：fd%=(lf-hf)/lf×100%計(jì)算得到百分比頻率磁化率(fd%).非磁滯剩余磁化強(qiáng)度(ARM)使用D-2000型交變退磁儀(設(shè)定交變場(chǎng)峰值為100 mT，直流場(chǎng)為100 μT)測(cè)量，之后在Molspin Minispin小旋轉(zhuǎn)磁力儀測(cè)量并由公式：ARM=ARM/100 μT計(jì)算得到非磁滯磁化率(ARM).不同場(chǎng)強(qiáng)的等溫剩磁(IRM)及飽和等溫剩磁(SIRM，SIRM=IRM1T)利用ASC IM-10-30脈沖磁力儀和Molspin Minispin小旋轉(zhuǎn)磁力儀測(cè)量，并由公式：S-ratio=-IRM-300 mT/SIRM×100%計(jì)算出S-ratio以及通過IRM-XmT線性內(nèi)插獲得剩磁矯頑力(Bcr).典型樣品的磁化強(qiáng)度隨溫度變化曲線(M-T曲線)和磁滯回線由VFTB居里秤在空氣環(huán)境中測(cè)得，溫度變化為室溫至700 ℃.

表1 BH剖面OSL年齡Table 1 OSL age of BH section

圖1 研究區(qū)地理位置(a)及剖面圖(b)Fig.1 Location of study area (a) and the photo of the profile (b)

加熱前后的漫反射光譜使用島津UV-2600紫外/可見光分光光度計(jì)測(cè)試，測(cè)試波長(zhǎng)范圍為400～700 nm，掃描間隔為1 nm，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)處理.樣品前處理及實(shí)驗(yàn)流程見呂鑌等(2019).

粒度參數(shù)采用Mastersizer 3000激光粒度儀測(cè)試，測(cè)試范圍為0.02～1000 μm.測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行前處理以去除碳酸鹽和有機(jī)質(zhì)，粒度前處理步驟見馬興悅等(2019).

以上實(shí)驗(yàn)均在福建師范大學(xué)濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 常溫磁學(xué)參數(shù)特征

常溫磁學(xué)參數(shù)及其比值可反映樣品磁性礦物的基本特征.如圖2a所示，BH剖面的磁化率()介于8.06×10-8m3·kg-1至38.42×10-8m3·kg-1之間，平均值為20.86×10-8m3·kg-1，與黃土高原相比偏低(郭雪蓮等, 2012)，但與南亞其他地方相差不大(Dar and Zeeden, 2020).磁化率與地層關(guān)系和中國(guó)黃土高原典型黃土剖面相反，表現(xiàn)在黃土層磁化率高，平均值為24.52×10-8m3·kg-1，古土壤層磁化率低，平均值為13.73×10-8m3·kg-1.且以PS2為界，在此下部磁化率低于上部，PS2為剖面磁化率最低值，說明樣品中亞鐵磁性礦物的含量偏低，尤其是古土壤層.圖2b為飽和等溫剩磁(SIRM)變化曲線，數(shù)值在38.52×10-5Am2·kg-1到352.20×10-5Am2·kg-1之間變化，與磁化率曲線呈現(xiàn)出良好的正相關(guān)關(guān)系，表明磁性礦物含量變化主導(dǎo)了磁化率變化(Thompson and Oldfield, 1986).非磁滯剩磁(ARM)對(duì)單疇(SD)顆粒的變化敏感，ARM均值僅為33.96×10-8m3·kg-1(圖2e)，數(shù)值整體較小，說明SD顆粒亞鐵磁性礦物含量總體不多.百分比頻率磁化率(fd%)能估算超順磁(SP)顆粒的相對(duì)含量(劉青松和鄧成龍, 2009)，當(dāng)fd%<3%時(shí)，基本無SP顆粒存在.如圖2f所示，fd%均值小于2%，表明基本不含有SP顆粒的亞鐵磁性礦物.由于古土壤層磁化率大多低于20×10-8m3·kg-1，古土壤層fd%反映的可能是測(cè)量的誤差，不能用來說明黃土與古土壤之間SP顆粒相對(duì)含量的差異.剩磁矯頑力(Bcr)與S-ratio常用做判斷磁性礦物軟硬程度的指標(biāo).S-ratio平均值為80.22%，其中黃土層平均值為87.08%，古土壤層平均值為66.18%(圖2c).BH剖面Bcr介于32.50～146.52 mT(圖2d)，Bcr在LE1最低，平均值為37.12 mT，在PS2最高，平均值為75.98 mT.S-ratio形態(tài)與Bcr的變化趨勢(shì)表明，古土壤層比黃土層含有更高比例的硬磁性礦物.

圖2 BH黃土剖面常溫磁學(xué)參數(shù)隨深度變化曲線Fig.2 Room temperature magnetic parameter curves plotted against depth of BH section

圖3為BH剖面不同地層典型樣品與印度大沙漠表土樣品的磁滯回線，大部分樣品經(jīng)順磁校正后的曲線在300 mT磁場(chǎng)時(shí)基本閉合，但當(dāng)磁場(chǎng)繼續(xù)增加，曲線形態(tài)波動(dòng)，表明樣品中含有亞鐵磁性礦物，但含量偏少，磁性偏弱.黃土樣品(圖3a、3c、3e)和沙漠樣品(圖3g、3h)的磁滯回線都呈“S”型.上部黃土樣品LE1、LE2和沙漠樣品相似，磁滯回線呈陡直形態(tài)，顯示有較多亞鐵磁性礦物主導(dǎo)其磁性變化，而下部黃土樣品LE3磁滯回線形態(tài)顯示樣品所含鐵磁性礦物甚少，順磁性礦物對(duì)其影響較大.古土壤樣品除PS1(圖3b)有較明顯磁鐵礦特征外，PS2、PS3(圖3d、3f)校正后的磁滯回線基本呈直線，表明古土壤層，尤其是下部古土壤層順磁性礦物含量多，只含有少量的亞鐵磁性礦物.

圖3 BH剖面典型樣品與沙漠樣品磁滯回線(實(shí)線為原始曲線，虛線為順磁校正后曲線)Fig.3 Magnetic hysteresis loops of BH section representative samples and desert samples (solid lines represent original curves, dashed lines represent curves after paramagnetic correction)

2.2 高溫磁學(xué)特征

利用磁化強(qiáng)度隨溫度變化曲線(M-T曲線)可以判斷樣品中磁性礦物的種類(Liu et al., 2005; 敖紅和鄧成龍, 2007).圖4為BH剖面不同地層典型樣品和沙漠表土樣品的M-T曲線.M-T曲線顯示：黃土樣品(圖4a、4c、4e)和古土壤樣品PS1(圖4b)的加熱和冷卻曲線的居里點(diǎn)均為580 ℃，指示了磁鐵礦的存在，PS2、PS3(圖4d、4f)則無明顯的居里點(diǎn)，說明以順磁性礦物為主.LE1和LE2加熱曲線位于冷卻曲線之上，可能與加熱過程中磁赤鐵礦轉(zhuǎn)化為赤鐵礦有關(guān)(Liu et al., 1999).而PS2和PS3冷卻曲線位于加熱曲線之上，說明加熱過程中有弱磁性礦物(如含鐵硅酸鹽)向強(qiáng)磁性礦物轉(zhuǎn)化.黃土樣品LE2、LE3和古土壤樣品PS1、PS2加熱曲線從室溫到120 ℃下降，120～300 ℃升高，可能是由于針鐵礦在加熱過程中轉(zhuǎn)化為磁赤鐵礦造成磁化強(qiáng)度增強(qiáng).沙漠樣品(圖4g、4h)也顯示出580 ℃的居里點(diǎn)，表明存在磁鐵礦，與LE1相差不大，說明LE1階段可以代表現(xiàn)今印度大沙漠邊緣地區(qū)的磁學(xué)信號(hào).所有樣品的磁化強(qiáng)度在溫度達(dá)到磁鐵礦居里點(diǎn)之后仍未降至0，反映出樣品中可能還含有其他硬磁性礦物(如赤鐵礦).

圖4 BH剖面典型樣品與沙漠樣品M-T曲線(黑線表示加熱曲線，灰線表示冷卻曲線)Fig.4 M-T curves of BH section representative samples and desert samples (black lines represent heating curves, grey lines represent cooling curves)

2.3 漫反射光譜特征

熱磁曲線受多種磁性礦物影響，導(dǎo)致針鐵礦、赤鐵礦等弱磁性礦物信號(hào)可能被掩蓋，漫反射光譜的一階導(dǎo)數(shù)可以有效識(shí)別針鐵礦和赤鐵礦并進(jìn)行定量或半定量分析.通常情況下，赤鐵礦一階導(dǎo)數(shù)特征峰位于565～575 nm，針鐵礦則為535 nm的主峰和435 nm的次峰，特征峰隨其含量的增加而升高且向高波長(zhǎng)方向移動(dòng)(周瑋等, 2007; 劉力等, 2020).BH剖面代表性樣品的漫反射光譜一階導(dǎo)數(shù)曲線如圖5所示，黃土和古土壤樣品主要顯示出435 nm和520 nm的針鐵礦特征峰，針鐵礦主峰偏離535 nm，且次峰高于主峰.可能是由于剖面中黏土礦物含量高，其產(chǎn)生的基體效應(yīng)導(dǎo)致針鐵礦主峰向低波長(zhǎng)方向移動(dòng)(季峻峰等, 2007)，同時(shí)黏土礦物440 nm的特征峰也會(huì)對(duì)針鐵礦的次峰產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)，導(dǎo)致次峰高于主峰.為減少黏土礦物對(duì)針鐵礦漫反射光譜的干擾，對(duì)樣品加熱300 ℃后進(jìn)行測(cè)量.加熱后樣品的一階導(dǎo)數(shù)曲線針鐵礦特征峰消失，取而代之的是440 nm的黏土礦物特征峰和565 nm的赤鐵礦特征峰，表明樣品中含有針鐵礦，在加熱過程中轉(zhuǎn)變?yōu)槌噼F礦，并且加熱前435 nm的特征峰也確有黏土礦物的貢獻(xiàn).加熱前古土壤層針鐵礦主峰峰高高于黃土層，與黃土高原相反，峰位也出現(xiàn)在更大的波長(zhǎng)位置，顯示出古土壤層針鐵礦的含量高于黃土層.我們用針鐵礦對(duì)應(yīng)的一階導(dǎo)數(shù)主峰的峰高(h(Hm))來半定量針鐵礦的相對(duì)含量，BH剖面針鐵礦相對(duì)含量與磁化率的比值如圖6所示.比值在古土壤層高，黃土層低，說明針鐵礦在古土壤層對(duì)磁化率的相對(duì)貢獻(xiàn)高.

圖5 BH剖面代表性樣品的漫反射光譜一階導(dǎo)數(shù)曲線(ori代表加熱前樣品，300 ℃代表300 ℃加熱后樣品)Fig.5 First derivative curves of diffuse reflectance spectra of typical samples from BH section (ori represents pre-heating sample, 300 ℃ represents sample heated by 300 ℃)

圖6 BH剖面針鐵礦一階導(dǎo)數(shù)主峰峰高(h(Hm))與磁化率()比值隨深度變化曲線Fig.6 Goethite based on peak height of first derivative (h(Hm)) to magnetic susceptibility () ratio in BH section

2.4 粒度特征

粒度可以用來指示沉積物的搬運(yùn)動(dòng)力、沉積環(huán)境和成壤作用(Li et al., 2018; 楊石嶺和丁仲禮, 2017).如圖7a所示，BH剖面中值粒徑d(0.5)總體介于7.55～104.88 μm之間，平均值為59.92 μm.黃土層與古土壤層的d(0.5)差異大，黃土層顆粒平均值為78.13 μm，整體較粗，而古土壤樣品的平均值為21.06 μm，不到黃土層粒徑的三分之一.古土壤層以粉砂為主，2～63 μm組分平均含量為76.29%，而黃土層以粉砂和極細(xì)砂為主，>63 μm組分平均含量為61.97%(圖7c、7d)，與野外考察發(fā)現(xiàn)黃土層粗顆粒組分含量多較為符合.細(xì)顆粒組分(<2 μm)與粗顆粒組分(>63 μm)表現(xiàn)出明顯的反相關(guān)關(guān)系，反映了BH剖面粒度組分變化趨勢(shì)可能與黃土高原相同，粗顆粒組分和細(xì)顆粒組分分別受風(fēng)力和成壤作用的影響(鹿化煜和安芷生, 1998).BH剖面<2 μm組分含量黃土層(平均為2.54%)明顯少于古土壤層(平均為8.25%)(圖7b)，說明古土壤層顆粒細(xì)，成壤作用強(qiáng).曲線總體趨勢(shì)與黃土-古土壤地層對(duì)應(yīng)良好，古土壤層顆粒相比黃土層顆粒更細(xì).

圖7 BH剖面粒度參數(shù)隨深度變化曲線Fig.7 Particle size parameter curves plotted against depth of BH section

3 討論

3.1 巴基斯坦黃土的沉積環(huán)境

磁性特征與沉積物來源存在著密切的關(guān)系，因此在研究磁學(xué)特征及其變化之前需要對(duì)沉積環(huán)境進(jìn)行分析.BH剖面的粒度參數(shù)與地層對(duì)應(yīng)良好，黃土層粗顆粒含量多，古土壤層細(xì)顆粒含量多(圖8)，與典型黃土剖面一致，暗示了氣候旋回對(duì)黃土沉積和沉積后成壤作用的深刻影響.圖8a、8b分別為巴基斯坦黃土和古土壤樣品的粒度頻率分布曲線，顯示其粒度分布范圍在0～350 μm，眾數(shù)粒徑集中在15～95 μm.分布形態(tài)呈現(xiàn)多峰偏負(fù)態(tài)非對(duì)稱分布，全部樣品都在1～2 μm有一個(gè)小峰，主峰偏向粗顆粒一側(cè)，與西峰樣品(圖8c、8d)相似，指示著BH剖面沉積物的風(fēng)成成因.

圖8 BH剖面(a，b)和西峰剖面(c，d)黃土-古土壤粒度頻率分布曲線Fig.8 Particle-size frequency distribution curves of loess-paleosol from BH section (a, b) and Xifeng section (c,d)

古土壤樣品除PS1含有少量粗顆粒外，其他樣品的主峰出現(xiàn)在10～30 μm，與西峰古土壤樣品相差不大.但與西峰黃土樣品相比，巴基斯坦黃土樣品的粒度偏粗，其LE1、LE2樣品的主峰達(dá)到了100 μm.Vandenberghe(2013)認(rèn)為粗粉砂和細(xì)砂在向沙地或沙丘帶過渡的邊緣黃土地區(qū)占主導(dǎo)地位，例如，在黃土高原北部沙漠邊緣地區(qū)，沉積黃土的主要粒度組分為細(xì)砂(丁峰等, 2017)，與黃土高原南部黃土明顯不同(丁仲禮等, 1998).印度Jaipur附近風(fēng)成黃土的中值粒徑可達(dá)48～68 μm(Liu et al., 2017).Pye(1987)提出>63 μm的砂級(jí)顆粒組分以躍移方式搬運(yùn)，只能在幾厘米到幾米的垂直高度和水平方向上移動(dòng).LE1中>63 μm的組分約占70%，為砂黃土，沉積速率快.LE2粒度較西峰黃土粗以及PS1含有粗顆粒，表明含有更多的近源粗顆粒物質(zhì)，可能是由于采樣地處于印度大沙漠邊緣(圖1a)的緣故.

3.2 巴基斯坦黃土-古土壤磁學(xué)特征差異

BH剖面磁化率值總體低于黃土高原，磁化率最大的LE1均值也僅為28.37×10-8m3·kg-1，與黃土高原西北部最不發(fā)育的黃土層相差不大(劉現(xiàn)彬等, 2012)，但典型剖面如西峰強(qiáng)發(fā)育古土壤層磁化率可達(dá)300×10-8m3·kg-1以上，BH剖面與其相比相差一個(gè)數(shù)量級(jí).對(duì)6個(gè)印度大沙漠表土樣品的磁化率測(cè)量顯示，均值為37.09×10-8m3·kg-1.低于與黃土高原相鄰的騰格里沙漠邊緣表土樣品的磁化率(均值為63.80×10-8m3·kg-1)(李平原等, 2012)，源區(qū)的亞鐵磁性礦物含量較少造成BH剖面黃土沉積物的磁性偏低.但沙漠樣品磁化率與BH剖面黃土層相差不大，說明黃土層基本沒有明顯的成壤作用.與物源的影響相比，黃土高原成壤作用是磁化率增大的重要原因，成壤生成的細(xì)顆粒磁赤鐵礦使得古土壤層磁化率比黃土層增大近十倍.而BH剖面黃土層磁化率出現(xiàn)高值，古土壤層磁化率值低，與黃土高原典型剖面磁化率與地層的關(guān)系相反.

磁性礦物種類和含量方面，對(duì)比黃土與古土壤的磁學(xué)特征，可以發(fā)現(xiàn)黃土層的M-T曲線與沙漠樣品相似，都顯示了580 ℃的居里點(diǎn)，表明以磁鐵礦為主.除此之外，還含有少量磁赤鐵礦.古土壤層除PS1顯示出居里點(diǎn)外，其余都只表現(xiàn)出順磁性礦物的特征，表明樣品中磁鐵礦含量少，或者幾乎不含磁鐵礦.而DRS結(jié)果(圖5、圖6)顯示了古土壤層針鐵礦含量高于黃土層，對(duì)磁化率的相對(duì)貢獻(xiàn)程度也高于黃土層，說明黃土層與古土壤層所含的磁性礦物種類和含量不完全一致，黃土層以磁鐵礦為主，還含有少量磁赤鐵礦和針鐵礦，古土壤層則是以針鐵礦為主，含有順磁性礦物和極少量的磁鐵礦.

圖9 BH剖面黃土樣品和沙漠樣品Dearing圖Fig.9 Dearing plots of BH section loess samples and desert samples

3.3 巴基斯坦黃土-古土壤磁化率變化機(jī)制

目前解釋磁化率與成壤強(qiáng)度呈反相關(guān)關(guān)系的主要機(jī)制有“風(fēng)速論”和“濕潤(rùn)性成壤模式”.“風(fēng)速論”強(qiáng)調(diào)磁化率受風(fēng)速作用的影響，直觀地表現(xiàn)為粒度與磁化率的正相關(guān)關(guān)系(Zeng et al., 2019).BH剖面粒度特征在黃土層粗，在古土壤層細(xì)，似乎符合“風(fēng)速論”模式.然而，“風(fēng)速論”的應(yīng)用前提應(yīng)當(dāng)是以物理風(fēng)化為主，至少?zèng)]有明顯化學(xué)變化的黃土-古土壤剖面.磁性礦物一旦被成土改變，不同于沉積時(shí)受風(fēng)力影響的原始磁性礦物，那么“風(fēng)速論”就失去了應(yīng)用前提(劉秀銘等, 2011).巴基斯坦BH剖面可以直觀地觀察到黃土-古土壤的交互層，且存在根跡、蟲孔、白色鈣膜等古土壤特征，黃土層和古土壤層的磁性礦物種類和含量也不完全一致，說明風(fēng)積物降落后已經(jīng)受到改造.因此，“風(fēng)速論”可能不適合整個(gè)BH剖面磁性特征的解釋.

圖10 BH剖面磁化率與其它磁學(xué)參數(shù)相關(guān)關(guān)系(黑色圓點(diǎn)代表>12.8×10-8m3·kg-1樣品，灰色圓點(diǎn)代表<12.8×10-8m3·kg-1樣品)Fig.10 Relationship between magnetic susceptibility and other magnetic parameters of BH section (black notes represent samples with >12.8×10-8m3·kg-1, grey notes represent samples with <12.8×10-8m3·kg-1)

Liu等(2017)對(duì)印度恒河平原風(fēng)成黃土的研究表明黃土主要是由印度夏季風(fēng)從沙漠搬運(yùn)而來，與中國(guó)及西伯利亞地區(qū)主要由冬季風(fēng)搬運(yùn)而來完全不同，夏季風(fēng)帶來沉積物的同時(shí)也帶來更多的降水.BH剖面位置與之相似，都位于夏季盛行風(fēng)的下風(fēng)向，黃土可能也由西南季風(fēng)搬運(yùn)而來.野外觀察也發(fā)現(xiàn)巴基斯坦的古土壤呈現(xiàn)褐色-褐黃色，不同于黃土高原古土壤的紅褐色，說明與黃土高原的沉積環(huán)境不同.因而，BH剖面黃土-古土壤地層可能蘊(yùn)含著印度西南季風(fēng)的信息，磁化率與黃土-古土壤地層的對(duì)應(yīng)關(guān)系也不能單純的套用已有的各種模式，值得以后進(jìn)一步探究.

4 結(jié)論

本文對(duì)巴基斯坦Bahawalpur黃土-古土壤剖面進(jìn)行系統(tǒng)的環(huán)境磁學(xué)研究，并結(jié)合粒度和漫反射光譜綜合分析，是對(duì)印度河平原風(fēng)成黃土在巴基斯坦境內(nèi)的首次報(bào)道，主要得出以下結(jié)論：

(1)BH剖面黃土層主要的載磁礦物為磁鐵礦，同時(shí)含有少量磁赤鐵礦和針鐵礦，磁性顆粒以原生的MD和PSD顆粒為主.相對(duì)于黃土層，古土壤層則是以針鐵礦為主，含有順磁性礦物和少量磁鐵礦.表明古土壤層經(jīng)歷了明顯的成土改造作用.

(2)黃土-古土壤磁化率的變化趨勢(shì)與中國(guó)黃土高原相反，磁化率的變化可能存在一個(gè)閾值12.8×10-8m3·kg-1，在閾值之上，強(qiáng)磁性礦物(磁鐵礦、磁赤鐵礦)占主導(dǎo)；閾值之下，以弱磁性礦物(主要是針鐵礦)為主，這種磁性礦物的轉(zhuǎn)變可能導(dǎo)致磁化率降低.