衡陽地區(qū)紅土剖面微量元素Rb、Sr地球化學(xué)特征及其環(huán)境意義

郝麗婷，熊平生

(衡陽師范學(xué)院地理與旅游學(xué)院，湖南衡陽 421002)

0 引言

土壤中微量元素主要來源于成土母巖或經(jīng)外動力搬運(yùn)來的沉積物，盡管在土壤含量中較少，但成壤過程中微量元素地球化學(xué)行為記錄的環(huán)境信息，能夠反映不同光熱組合環(huán)境下不同程度的淋溶遷移規(guī)律，對于研究巖石風(fēng)化、土壤發(fā)育、第四紀(jì)地質(zhì)、古氣候環(huán)境具有重要的指示意義[1].目前微量元素在黃土-古土壤序列[2-3]、紅土堆積[4-5]、泥炭記錄[6-7]以及湖泊沉積[8-9]等古環(huán)境及古氣候的重建中已被廣泛應(yīng)用.我國南方第四紀(jì)紅土是發(fā)育較為廣泛的土狀松散堆積物，作為與北方黃土相對應(yīng)的陸相沉積物，是地表微量元素運(yùn)移的主要宿體，其蘊(yùn)含著豐富的環(huán)境演化信息，對重建我國南方第四紀(jì)古環(huán)境與古氣候亦具有顯著意義[10-11].迄今為止，已有不少學(xué)者基于年代測度、物源探析、環(huán)境記錄與網(wǎng)紋化機(jī)制等研究對第四紀(jì)紅土進(jìn)行了討論與探索[12-15]，如徐傳奇等[1]對網(wǎng)紋紅土元素研究認(rèn)為，網(wǎng)紋和基質(zhì)氧化還原差異，是造成Zr、SiO2及輕稀土等在網(wǎng)紋中的相對富集、在基質(zhì)中“稀釋”而呈現(xiàn)虧損的主要原因；李文慧、余繼峰、張碩等[16-18]研究了剖面元素特征，以此反映紅土在堆積過程中的古氣候變化；牛東風(fēng)等[19]通過對網(wǎng)紋紅土的主量元素含量進(jìn)行研究，認(rèn)為MIS5a時(shí)的西樵山及其鄰近地區(qū)為熱帶氣候環(huán)境，為中國南方紅土響應(yīng)全球變化提供了很好的材料.然而在紅土微量元素方面的研究則較為匱乏，鑒于此，本研究以Rb和Sr作為古氣候代用指標(biāo),綜合運(yùn)用微量元素地球化學(xué)分析、磁化率分析和粒度分析等方法，探討微量元素Rb、Sr的地球化學(xué)特征及其對環(huán)境變化的指示意義，為探索南方紅土沉積環(huán)境替代性指標(biāo)提供研究基礎(chǔ).

1 研究區(qū)地理概況

衡陽市區(qū)地處衡陽盆地中心，屬于湘中盆地群板塊，其地理位置大致為112°31′40″E～112°42′08″E，26°46′30″N～26°55′40″N，區(qū)域內(nèi)紅壤廣泛發(fā)育，地勢平坦，平均海拔約115 m，其中紅巖盆地地貌為主要地貌類型.衡陽市區(qū)段湘江流域長47 km，湘江自南向北呈S字形貫穿市區(qū)，兩條一級支流——蒸水和耒水在這里匯合，河床最低矮的地方約海拔87 m，河流兩岸多為沖積平原和二、三級階地.該區(qū)地質(zhì)狀況與新華夏的布局基本一致，渾圓平頂?shù)牡颓鸱植计溟g，區(qū)內(nèi)巖層平緩，斜角為5°～15°的白堊系與第三系紅色層，且第四系地層出露明顯.由市區(qū)四周向中心并自南向北物質(zhì)粒度細(xì)化，區(qū)域中心位置形似條形孤島狀的石牛峰呈現(xiàn)出自南向北突起態(tài)勢.該區(qū)經(jīng)歷了從晚三疊紀(jì)至早第三紀(jì)末期之間近2億年的演化歷程，隨后在喜馬拉雅運(yùn)動影響下而逐漸抬升，經(jīng)過長期的風(fēng)化和水蝕作用，形成高150～200 m，相對高度約60～100 m的多呈波狀丘陵，周圍有各種高約300～100 m的斷續(xù)山脊，主要由各類古老巖層及花崗巖體組成.氣候上屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，冬冷夏熱、干濕交替成為最主要的氣候特點(diǎn)，冬季與夏季分別盛行偏北風(fēng)和偏南風(fēng)，因此季節(jié)性和區(qū)域性成為該區(qū)降水的主要特征，衡陽市區(qū)紅土剖面地質(zhì)圖見圖1.

圖1 衡陽市區(qū)地質(zhì)圖

2 研究剖面和測試方法

研究樣品采集于高興剖面(以下簡稱GX剖面)，位于衡陽市雁峰區(qū)高興村后山坡，地理坐標(biāo)為26°51′N，112°36′E.紅土厚約360 cm，紅土段巖石以花崗巖為主，屬湘江三級階地.平均海拔高度約為88 m，為人工露頭，從上往下依次為紅壤層、均質(zhì)紅土層、褐黃土層.在取樣過程中，將剖面的表土刮掉，并向剖面內(nèi)挖3 cm深的垂直豎槽，在截面下方以4 cm為間隔連續(xù)采集現(xiàn)場樣品，共采集土樣86件，每個(gè)樣品取土約200 g，分別進(jìn)行粒度、低頻磁化率與元素地球化學(xué)測試.將實(shí)驗(yàn)樣品取回后在實(shí)驗(yàn)室自然晾干，磁學(xué)測試樣品處理時(shí)需將樣品過2 mm土篩，將土樣填實(shí)磁力盒后進(jìn)行體積磁化率測試，將其測試數(shù)據(jù)通過體積密度公式計(jì)算出質(zhì)量磁化率值.除此之外，從土樣中選取20 g土樣研磨，過200目土篩，樣品包裝好后送往南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院地理實(shí)驗(yàn)中心測試，測試儀器為X射線熒光光譜儀，常量元素含量以氧化物形式給出，測試誤差小于5 %.將少量的原狀晾干土品，先用過氧化氫去除樣品的有機(jī)質(zhì)，然后用稀鹽酸去除樣品酸鹽，再加入一定濃度的六偏磷酸鈉.粒度測試與磁化率測試工作在衡陽師范學(xué)院城市與旅游學(xué)院第四紀(jì)實(shí)驗(yàn)室完成.所使用的儀器是英國馬文Mastrizer-3000型激光粒度儀，測定范圍為0.02～3 500 μm，反復(fù)測量3次，并測定完成后計(jì)算其平均值，重復(fù)測量誤差不到1%.

3 結(jié)果與分析

3.1 紅土地層中Rb和Sr分布特征

高興剖面紅土地層元素含量、粒度組分、低頻磁化率測試與分析結(jié)果見表1.微量元素Rb、Sr平均含量分別為0.92×10-4、2.26×10-4，變化范圍分別為0.49×10-4～1.56×10-4、0.59×10-4～7.85×10-4，Rb、Sr在不同地層中平均含量依次為：紅壤層>均值紅土層>“褐黃土”層.CaO和K2O平均含量分別為0.08%、1.92%，其中CaO在不同地層含量差異不明顯，K2O平均含量大小依次為：紅壤層>均值紅土層>褐黃土層.粘粒、粉沙平均含量值分別為7.25%、74.67%，粘粒、粉沙平均含量大小依次：紅壤層<均值紅土層<褐黃土層；沙粒組分均值為18.08%，分布范圍4.1%～42.07%，不同地層平均值大小依次為：紅壤層>均值紅土層>褐黃土層.紅土剖面的化學(xué)蝕變系數(shù)CIA均值為86.75，分布范圍81.1～89.3，不同地層CIA均值大小依次為：紅壤層<均值紅土層<褐黃土層；低頻磁化率均值為74.83×10-8m3/kg，分布范圍8.1×10-8～243.8×10-8m3/kg.CIA均值、低頻磁化率均值在紅土地層中大小順序依次為：紅壤層<均值紅土層<褐黃土層.

表1 紅土剖面元素含量、粒度組分和磁化率值

3.2 Rb、Sr分別與K2O、CaO的關(guān)系

Rb含量與K2O含量的線性分析(見圖2)表明，Rb元素含量與K2O含量呈顯著正相關(guān)(R=0.943 4).其線性擬合度很好(R2=0.888 6).Rb是自然界中一種具有代表性的分散稀有堿金屬元素，且因其親石特性在自然界中通常附存于其他礦物中，難以形成單一礦物.由于Rb+半徑147 pm和K+半徑123 pm，Rb和K離子半徑非常相似，其地球化學(xué)活動也相對相似.紅土沉積物中Rb集中分散于含K的礦物中，南方紅土沉積環(huán)境長期相對溫暖濕潤，在風(fēng)化成土過程中鉀元素流失嚴(yán)重，因此，Rb在風(fēng)化成土過程中也會流失.對Sr含量與CaO含量進(jìn)行線性分析發(fā)現(xiàn)，Sr含量與CaO含量成較弱的負(fù)相關(guān)性(R=-0.347 8)，其線性擬合度較差(R2=0.110 53).盡管Ca元素和Sr元素地球化學(xué)性質(zhì)相接近，絕大多數(shù)CaO結(jié)合在碳酸鹽礦物中，在南方濕熱的氣候環(huán)境條件下，CaO元素隨著風(fēng)化作用而被大量淋失掉，Sr存在于硅酸鹽礦物中，硅酸鹽相對較難風(fēng)化，因此，Sr元素和Ca元素的相關(guān)性較弱.

圖2 紅土Rb、Sr元素含量與K2O、CaO含量的擬合關(guān)系

3.3 Rb、Sr與粒度組分的關(guān)系

為了研究紅土地層Rb、Sr含量與粒度組分的關(guān)系，對它們進(jìn)行了線性擬合分析(圖3).分析結(jié)果表明，紅土樣品中的Rb、Sr含量與不同粒度組分相關(guān)性密切.Rb含量與沙粒組分(>63 μm)成顯著正相關(guān)性(R=0.888 9)其線性擬合度良好(R2=0.787 06).Rb含量分別與粉沙組分、粘粒組分成顯著負(fù)相關(guān)性(R=-0.877 1；R=-0.667)，其線性擬合度良好(R2=0.766 5)，與粘粒組分的線性擬合度較好(R2=0.432 7).Sr含量與沙粒組分(>63 μm)成顯著正相關(guān)性(R=0.912 5)，其線性擬合度很好(R2=0.830 66).Sr含量分別與粉沙組分、粘粒組分成顯著負(fù)相關(guān)性(R=-0.895 7；R=-0.695 9)，Sr含量與粉沙組分線性擬合度良好(R2=0.800 9)，與粘粒組分的線性擬合度較好(R2=0.478 2).南方紅土沉積主要處于濕熱的氣候環(huán)境條件完成，當(dāng)化學(xué)風(fēng)化作用增強(qiáng)，粘粒、粉沙粒組分增多，微量元素Rb、Sr遷移淋失增強(qiáng)，Rb、Sr含量降低.當(dāng)化學(xué)風(fēng)化作用減弱，沙粒組分增多，微量元素Rb、Sr遷移淋失減少，Rb、Sr含量增高.

圖3 紅土Rb、Sr元素含量與粘粒、粉沙、沙粒含量的擬合關(guān)系

3.4 Rb、Sr與化學(xué)蝕變系數(shù)(CIA)的關(guān)系

CIA是衡量長石淋溶的強(qiáng)度指標(biāo)，被稱為夏季風(fēng)指數(shù)，常用來指示化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的指標(biāo).為研究紅土地層Rb、Sr含量與CIA的關(guān)系，對它們進(jìn)行了線性擬合分析(圖4)，結(jié)果表明，Rb、Sr含量分別與對應(yīng)CIA值成顯著的負(fù)相關(guān)性(R=-0.856 0；R=-0.967 5).Rb、Sr含量分別與對應(yīng)CIA值線性擬合度很好，(R2=0.730 45；R2=0.935 22).Rb、Sr含量與CIA值擬合關(guān)系表明，紅土沉積環(huán)境濕熱程度增大的時(shí)候，化學(xué)風(fēng)化成壤作用增強(qiáng)，CIA值變大，紅土剖面Rb、Sr遷移淋失量增大，紅土Rb、Sr含量減少.紅土沉積環(huán)境濕熱程度降低的時(shí)候，化學(xué)風(fēng)化成壤作用減弱，CIA值變小，紅土剖面Rb、Sr遷移淋失量減少，紅土Rb、Sr含量增大.

圖4 紅土Rb、Sr元素含量與CIA值的擬合關(guān)系

3.5 Rb、Sr與低頻磁化率的關(guān)系

對Rb、Sr含量與低頻磁化率進(jìn)行線性擬合分析(圖5)，結(jié)果表明，Rb、Sr含量分別與對應(yīng)低頻磁化率成顯著的負(fù)相關(guān)性(R=-0.802 7；R=-0.733 1).Rb、Sr含量分別與對應(yīng)低頻磁化率線性擬合關(guān)系較好(R2=0.638 21；R2=0.522 02).擬合關(guān)系表明，紅土地層中Rb、Sr含量增高時(shí)，低頻磁化率值降低，反之，當(dāng)Rb、Sr含降低時(shí)，低頻磁化率值升高，反映了紅土中微量元素Rb、Sr含量與低頻磁化率大小成反相變化關(guān)系.

圖5 紅土Rb、Sr元素含量與磁化率的擬合關(guān)系

4 討論

以下主要探討微量元素Rb、Sr對古環(huán)境變化的記錄.Dasch[20]對母巖型風(fēng)化殼微量元素Sr、Rb的遷移特征的研究發(fā)現(xiàn)，Rb/Sr比值能反映母巖風(fēng)化作用的強(qiáng)度.國內(nèi)一些學(xué)者[21-22]結(jié)合對黃土典型剖面的Rb，Sr和Rb/Sr比值的研究發(fā)現(xiàn)，它們能準(zhǔn)確地反映古環(huán)境的變化，是氣候變化研究中理想的環(huán)境替代性指標(biāo).圖6 顯示了高興剖面CIA值、Rb、Sr含量與低頻磁化率的變化曲線.CIA值與低頻磁化率曲線波動趨勢十分相似，兩者成較顯著正相關(guān)性(R=0.693 2).低頻磁化率曲線與Rb、Sr含量曲線變化趨勢相反，Rb、Sr含量分別與低頻磁化率成顯著的負(fù)相關(guān)性(R=-0.802 7；R=-0.733 1).CIA值曲線與Rb、Sr含量曲線變化趨勢相反，Rb、Sr含量分別與CIA值成顯著的負(fù)相關(guān)性(R=-0.856 0；R=-0.967 5).綜合推測，紅土沉積環(huán)境濕熱程度加強(qiáng)時(shí)，化學(xué)風(fēng)化成壤作用增強(qiáng)，CIA值變大，Rb、Sr 的淋溶遷移程度增強(qiáng)，低頻磁化率增大，反之，當(dāng)紅土沉積環(huán)境濕熱程度減弱時(shí)，化學(xué)風(fēng)化成壤作用減弱，CIA值變小，Rb、Sr 的淋溶丟失程度減少，低頻磁化率降低.

圖6 紅土剖面CIA值、Rb、Sr含量和磁化率的垂向變化

5 結(jié)論

(1)紅土微量元素Rb、Sr平均含量分別為0.92×10-4、2.26×10-4，變化范圍分別為0.49×10-4～1.56×10-4、0.59×10-4～7.85×10-4，Rb、Sr在不同地層中平均含量依次為：紅壤層>均值紅土層>褐黃土層.Rb元素含量與K2O含量成顯著正相關(guān)性(R=0.943 4)，線性擬合度很好.Sr元素含量與CaO相關(guān)性較弱，擬合度較差.

(2)紅土Rb、Sr含量與不同粒度組分相關(guān)性密切.Rb、Sr含量皆與沙粒組分成顯著正相關(guān)性，與粉沙組分成顯著負(fù)相關(guān)性，與粘粒組分相關(guān)性較好.當(dāng)化學(xué)風(fēng)化作用增強(qiáng)，粘粒、粉沙粒組分增多，微量元素Rb、Sr遷移淋失增強(qiáng)，Rb、Sr含量降低.當(dāng)化學(xué)風(fēng)化作用減弱，沙粒組分增多，微量元素Rb、Sr遷移淋失減少，Rb、Sr含量增高.

(3)對比分析了高興剖面CIA值、Rb、Sr含量與低頻磁化率的變化曲線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)紅土沉積環(huán)境濕熱程度增強(qiáng)時(shí)，化學(xué)風(fēng)化成壤作用增強(qiáng)，CIA值變大，Rb、Sr 的淋溶遷移程度增強(qiáng)，低頻磁化率增大，反之，當(dāng)紅土沉積環(huán)境濕熱程度減弱時(shí)，化學(xué)風(fēng)化成壤作用減弱，CIA值變小，Rb、Sr 的淋溶丟失程度減少，低頻磁化率降低.因此，Rb、Sr地球化學(xué)特征對紅土沉積的環(huán)境具有指示意義.