浙江金華紅土網(wǎng)紋成因的磁學(xué)證據(jù)

吳開(kāi)欽 李鳳全 王天陽(yáng) 葉瑋 賈佳 朱麗東 汪玲玲

關(guān)鍵詞 第四紀(jì)紅土；網(wǎng)紋紅土；白網(wǎng)紋；紅網(wǎng)紋；礦物磁性

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，隨著對(duì)北方黃土廣泛并系統(tǒng)的研究，其形成機(jī)理例如物質(zhì)來(lái)源、搬運(yùn)風(fēng)力及黃土區(qū)形成環(huán)境等已經(jīng)取得較為清晰的認(rèn)識(shí)[1?2]，但同樣分布廣泛的南方紅土在是否可用于重建古氣候及網(wǎng)紋成因等方面還存在較大的爭(zhēng)議[3?7]。有研究者認(rèn)為[4，8?9]，與黃土類(lèi)似，第四紀(jì)紅土存在的多個(gè)“沉積—成土”旋回可以反映“冷干—暖濕”的氣候變化，但也有學(xué)者[5，10]提出，黃土—古土壤序列中可作為代用氣候指標(biāo)的磁化率無(wú)法適用于南方第四紀(jì)紅色黏土沉積層內(nèi)。網(wǎng)紋成因也有礫石風(fēng)化作用[11]、植物根系作用[4]、地下水作用[12]和微環(huán)境差異作用[13]等多種觀點(diǎn)。氣候載體與成因涉及網(wǎng)紋紅土發(fā)生的氣候環(huán)境背景和形成機(jī)理，深入研究對(duì)于更好認(rèn)識(shí)南方古地理環(huán)境具有重要意義。常見(jiàn)南方紅土剖面結(jié)構(gòu)自上而下多為黃棕色土層、均質(zhì)紅土層、網(wǎng)紋層和砂礫石層，其中網(wǎng)紋紅土層具有特殊的紅、白網(wǎng)紋交織現(xiàn)象，引起眾多學(xué)者的關(guān)注，并對(duì)其展開(kāi)了年代、色度、粒度、環(huán)境磁學(xué)、礦物學(xué)、地球化學(xué)、土壤微形態(tài)學(xué)、分子化石和數(shù)學(xué)模型等研究[2，6?7，14?25]。土體網(wǎng)紋的形成及醒目的紅、白色調(diào)與鐵的遷移及含有不同致色性氧化鐵礦物密不可分，土壤顏色和氧化鐵礦物具有較好的相關(guān)性[10，26]。

環(huán)境磁學(xué)其在北方黃土研究中有廣泛的應(yīng)用，研究表明磁化率可以反映東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度，較好地反演古氣候[27?30]。紅土作為南方常見(jiàn)的第四紀(jì)土狀堆積[31]，學(xué)者們利用磁學(xué)方法對(duì)紅土層中所含磁性礦物的類(lèi)型、磁學(xué)特性和對(duì)氣候的反演等進(jìn)行了研究。宣城[30]、杭州[32]、泰和、九江、宣州[33]、長(zhǎng)沙、岳陽(yáng)、南昌、新余和金華[34]等多地的磁化率和頻率磁化率表現(xiàn)出隨剖面深度增加而降低的趨勢(shì)，黃棕色土和均質(zhì)紅土的磁性礦物含量遠(yuǎn)高于網(wǎng)紋紅土[35]。通過(guò)紅土的磁學(xué)研究，有研究者[30，35?37]提出，紅土磁化率可以反映成土強(qiáng)度，指示降水和古氣候變化。但也有研究者[5，14，33，38?39]認(rèn)為，網(wǎng)紋紅土的低磁化率是由于鐵遷移導(dǎo)致的，成土作用中的風(fēng)化強(qiáng)度并非磁化率的控制因子，土壤中原生磁鐵礦的殘留量或轉(zhuǎn)化程度決定了磁化率值的大小，無(wú)法反映其成土強(qiáng)度，因此不能明確地指示古氣候變化。以往磁學(xué)研究主要利用全樣進(jìn)行分析，但構(gòu)成網(wǎng)紋紅土全樣的紅網(wǎng)紋和白網(wǎng)紋在形態(tài)、地球化學(xué)性質(zhì)等方面均存在較大差異[19，23，40]，易忽略紅網(wǎng)紋和白網(wǎng)紋不同理化性質(zhì)帶來(lái)的差別影響。通過(guò)環(huán)境磁學(xué)方法可以較好地辨別紅、白網(wǎng)紋中的磁性礦物類(lèi)型、含量和粒度等，進(jìn)而推演古環(huán)境。因此，分離紅網(wǎng)紋和白網(wǎng)紋并研究其磁學(xué)特性顯得尤為必要。本文將通過(guò)多種磁學(xué)參數(shù)并輔助地球化學(xué)指標(biāo)，探討南方紅土各層及網(wǎng)紋層內(nèi)紅網(wǎng)紋和白網(wǎng)紋磁學(xué)特征差異及發(fā)生原因，解析網(wǎng)紋紅土發(fā)育過(guò)程中磁性礦物形成響應(yīng)模式，闡明磁性礦物的類(lèi)型、數(shù)量、磁疇等對(duì)網(wǎng)紋紅土磁學(xué)參數(shù)的貢獻(xiàn)。

1 樣品與方法

1.1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)樣品采集于浙江金華湯溪鎮(zhèn)的丘陵崗地（圖1），地理坐標(biāo)為29°1′55″ N，119°25'27" E。該區(qū)域位于金衢盆地，為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，季節(jié)間的干濕差異明顯，雨熱條件好，年均溫16.3 ℃ ～17.6 ℃，年降水1 300～2 200 mm。剖面出露厚度約3.7 m，由上而下分為3層：1）表土層（0～40 cm），呈棕紅色，土質(zhì)較為松散，有植物根系發(fā)育，與下伏黃棕色土層呈漸變過(guò)渡。2）黃棕色土層（40～50 cm），為表土層和網(wǎng)紋層之間的過(guò)渡層，呈暗黃棕色，較為疏松，下部發(fā)育鐵錳膠膜和結(jié)核。3）網(wǎng)紋紅土層（50～370 cm），相較上層，土質(zhì)更加緊實(shí)，可見(jiàn)鐵錳膠膜，白色網(wǎng)紋，形態(tài)呈條帶狀和圓點(diǎn)狀，條帶狀網(wǎng)紋走向有橫向和縱向，網(wǎng)紋層下部，網(wǎng)紋粗大且界限明顯。

1.2 樣品采集與測(cè)試

在表土層（35 cm）采集樣品1塊，黃棕色土層采集樣品2塊，采樣深度分別為45 cm和50 cm，網(wǎng)紋紅土層則根據(jù)沉積特點(diǎn)進(jìn)行分段采樣，深度50～210 cm間隔10 cm、210～370 cm間隔20 cm采樣，共采集樣品25塊。樣品置于40℃恒溫烘箱烘干后，按紅網(wǎng)紋和白網(wǎng)紋兩類(lèi)對(duì)其進(jìn)行分離，共計(jì)獲得44塊紅、白土樣。分別將表土層、黃棕色土層、膠膜層及網(wǎng)紋紅土的紅網(wǎng)紋和白網(wǎng)紋樣品研磨均勻，稱(chēng)重5 g，裝入2 cm×2 cm×2 cm的小盒中進(jìn)行磁學(xué)參數(shù)測(cè)量；并將上述各樣品研磨壓片，用PHLIPS 公司生產(chǎn)的PW2440型X射線(xiàn)熒光光譜儀進(jìn)行主量元素測(cè)量，分析誤差小于2%。

使用Bartington MS2雙頻磁化率儀在0.1檔測(cè)試低頻（0.47 kHz，χlf）和高頻（4.7 kHz，χhf）磁化率，并計(jì)算頻率磁化率χfd=χlf-χhf及其百分?jǐn)?shù)χfd%=（χlf-χhf）/χlf×100。其他參數(shù)：非磁滯剩磁（ARM）是利用D2000交變退磁儀（交變磁場(chǎng)峰值100 mT，直流磁場(chǎng)0.01 mT）測(cè)得，本文用磁化率形式χARM表示。等溫剩磁（IRM）是使用MMPM10脈沖磁化儀和Minispin旋轉(zhuǎn)磁力儀測(cè)定。并計(jì)算飽和等溫剩磁（SIRM）、硬剩磁（HIRM=SIRM+IRM-300 mT）、退磁參數(shù)S-100（0.5（SIRM-IRM-100 mT）/SIRM）和S-30（0 S-300=0.5（SIRM-IRM-300 mT）/SIRM）以及比值參數(shù)SIRM/χ、χARM/SIRM、SIRM100 mT/SIRM。熱磁曲線(xiàn)使用卡帕喬MFK1-FA磁化率儀測(cè)量，最高溫度為700 ℃。整個(gè)前處理和磁學(xué)、地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)均在浙江師范大學(xué)地理過(guò)程實(shí)驗(yàn)室完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 主量元素組成

如表1 所示，表土層主量元素難溶組分（SiO2、Al2O3、Fe2O3）三者質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和為92.11%，易溶組分（K2O、CaO、Na2O、MgO）質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和為3.17%；化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）、硅鋁鐵率（SiO2/R2O3）和淋溶指數(shù)（ba）分別為83.50％、0.19和0.34。網(wǎng)紋紅土全樣的難溶組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和均值達(dá)到91.44%，易溶組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和均值3.06%；CIA、SiO2/R2O3 和ba的均值分別為85.27％、5.07和0.29。紅、白網(wǎng)紋難溶組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和均值分別為89.62%、94.96%；易溶組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和均值分別為2.85%、3.37%；CIA分別為85.50%和84.26%，ba分別為0.27和0.31。不論是表土還是網(wǎng)紋紅土，MnO和P2O5含量均值均低于0.1%。由表土層和網(wǎng)紋層的主量元素特征對(duì)比及相關(guān)的風(fēng)化指數(shù)可知，網(wǎng)紋層風(fēng)化淋溶更加強(qiáng)烈，且網(wǎng)紋層內(nèi)紅網(wǎng)紋的風(fēng)化強(qiáng)于白網(wǎng)紋。在各主量元素組成中，F(xiàn)e2O3差異最為明顯：網(wǎng)紋層全樣（7.43%）高于表土層（6.11%），紅網(wǎng)紋（9.53%）含量是白網(wǎng)紋（3.21%）近乎3 倍。R2O3 則是白網(wǎng)紋（6.16%）較紅網(wǎng)紋（4.59%）偏高。

2.2 磁性礦物類(lèi)型

磁化率（χ）可以代表土壤中反鐵磁性、順磁性和各種鐵磁性礦物的感應(yīng)磁化強(qiáng)度的貢獻(xiàn)[42]。在正向加1 000 mT直流得到飽和等溫剩磁（SIRM），可指示總磁性礦物含量的多少。當(dāng)晶粒尺寸大于超順磁（SP）/單疇（SD）閾值時(shí)可用作總磁性礦物濃度的近似值，和χ相比其不受超順磁顆粒礦物和反鐵磁性礦物的影響[43]。金華剖面的表土層磁化率85.20×10-8m3·kg-1，明顯大于紅、白網(wǎng)紋均值（15.18×10-8 m3·kg-1、6.12×10-8 m3·kg-1）。就網(wǎng)紋層而言，剖面由上至下紅網(wǎng)紋χ先降低后增大，SIRM逐漸增大；白網(wǎng)紋的χ和SIRM低于紅網(wǎng)紋，垂向變化不明顯（圖2a，b）。從上述紅、白網(wǎng)紋磁學(xué)特征可推斷，紅網(wǎng)紋鐵磁性礦物含量多于白網(wǎng)紋，且這種差異隨著深度增加而增大。

硬剩磁（HIRM）多用于指代弱磁性、高矯頑力的如赤鐵礦和針鐵礦等反鐵磁性礦物含量，可以定量說(shuō)明混合礦物中反鐵磁性礦物的絕對(duì)濃度[44]。金華剖面表土層HIRM值較小5.75×10-5 Am2/kg，黃棕色土層為44.10×10-5 Am2/kg（圖2c）。白網(wǎng)紋HIRM 均值（6.99×10-5 Am2/kg）很小，自上而下幾乎無(wú)波動(dòng)；紅網(wǎng)紋HIRM均值（88.38×10-5 Am2/kg）則很大，且隨著深度增加而增大（圖2c）。到網(wǎng)紋層下部，紅網(wǎng)紋與白網(wǎng)紋的HIRM差值進(jìn)一步拉大。上述各層的HIRM值差異表明：表土層、黃棕色土層及白網(wǎng)紋反鐵磁性礦物含量較少，而紅網(wǎng)紋的反鐵磁性礦物絕對(duì)含量有隨深度下降而增多的趨勢(shì)。

S-rati（o S-100、S-300）提供了高矯頑力剩磁和低矯頑力剩磁相對(duì)含量的度量，其值隨著不完整反鐵磁性礦物含量的增加而下降，值越接近0，表明不完整反鐵磁性礦物濃度越大；越接近1，則亞鐵磁性礦物含量越高[45]。因此，S-ratio可反映混合礦物中反鐵磁性礦物的相對(duì)濃度。金華剖面中S-ratio值表現(xiàn)出與HIRM值相反的趨勢(shì)，表土層和黃棕色土層為剖面最大值，白網(wǎng)紋值大于紅網(wǎng)紋（圖2g）。垂向上，紅網(wǎng)紋S-ratio值自上而下呈降低趨勢(shì)，在260 cm以下有所回升，而白網(wǎng)紋未有明顯變化（圖2g）。這表明表土層、黃棕色土層和白網(wǎng)紋的亞鐵磁性礦物相對(duì)含量較高，而紅網(wǎng)紋的反鐵磁性礦物（赤鐵礦、針鐵礦等）相對(duì)含量較高，且隨著深度增加而增高，與HIRM值反映的結(jié)果一致。另一方面，從紅網(wǎng)紋S-ratio值自260～370 cm增大推測(cè)，該段紅網(wǎng)紋中亞鐵磁性礦物相對(duì)含量也有所增加。

SIRM100 mT/SIRM常被應(yīng)用于指示赤鐵礦含量的相對(duì)含量變化，值越大相對(duì)含量越多[46]。在金華剖面中，表層土、黃棕色土和白網(wǎng)紋的SIRM100 mT/SIRM值均較低，而紅網(wǎng)紋的參數(shù)曲線(xiàn)自上而下呈明顯增加趨勢(shì)（圖2h），指示前面三者赤鐵礦的相對(duì)含量較少，紅網(wǎng)紋中赤鐵礦相對(duì)含量則隨著深度增加而增多，與前面幾個(gè)參數(shù)所反映的結(jié)果一致。

等溫剩磁（IRM）和反方向磁場(chǎng)退磁可以提供有關(guān)矯頑力（Bc）和剩磁矯頑力（Bcr）分布的信息，有助于區(qū)分具有不同矯頑力和剩磁矯頑力磁性礦物[46?47]。

IRM在常溫下可以用于區(qū)分樣品中“軟”、“硬”磁組分。隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，磁鐵礦和磁赤鐵礦等“軟”磁組分礦物容易飽和，甚至在較低場(chǎng)（300 mT）范圍內(nèi)就能達(dá)到飽和；反之，赤鐵礦、針鐵礦等“硬”磁組分礦物在1 T或者更高磁場(chǎng)下都難達(dá)到飽和[35]。本文選取深度為35 cm的表層土和85 cm的網(wǎng)紋紅土，測(cè)得最大強(qiáng)度為1 T的連續(xù)可變強(qiáng)磁場(chǎng)下表層土和白、紅網(wǎng)紋樣品等溫剩磁獲得曲線(xiàn)。如圖3所示，表層土的IRM在100 mT之前磁化強(qiáng)度上升迅速，且其SIRM獲得曲線(xiàn)在外場(chǎng)0.3 T之前達(dá)到90%以上，處于基本飽和狀態(tài)，說(shuō)明磁赤鐵礦和磁鐵礦等低矯頑力的軟磁性礦物為表層土的主要剩磁攜帶者。紅網(wǎng)紋和白網(wǎng)紋的IRM曲線(xiàn)則有所不同，在0.3 T 之前兩者曲線(xiàn)上升速度都低于表層土，但紅網(wǎng)紋這種差異更為明顯。相較而言，白網(wǎng)紋上升速度更快，紅網(wǎng)紋較慢。這一現(xiàn)象證明，白網(wǎng)紋含有一定的軟磁性礦物，而紅網(wǎng)紋則多為高矯頑力的硬磁性礦物。該結(jié)論也得到了剩磁矯頑力數(shù)據(jù)的支持。

剩磁矯頑力（Bcr）是使獲得SIRM的樣品剩磁降低到0所需的反向磁場(chǎng)，可用于了解樣品“軟”“硬”剩磁組分含量和粒度等信息[35]。如圖3所示，表層土和白網(wǎng)紋的剩磁矯頑力較低（0～100 mT），紅網(wǎng)紋的剩磁矯頑力明顯大于白網(wǎng)紋和表層土，超過(guò)400 mT。說(shuō)明紅網(wǎng)紋磁性組分主要為赤鐵礦、針鐵礦等高矯頑力的硬磁性礦物，而表層土則為低矯頑力的軟磁性礦物（如磁赤鐵礦、磁鐵礦等），且相較于紅網(wǎng)紋，白網(wǎng)紋含有一定的低矯頑力磁性礦物。IRM獲得曲線(xiàn)表明表土層和白網(wǎng)紋剩磁特征受亞鐵磁性礦物主導(dǎo)，而紅網(wǎng)紋則主要為反鐵磁性礦物所主導(dǎo)。

熱磁分析（χ-T）可以提供鐵磁性礦物居里溫度，從而判斷磁性礦物種類(lèi)和粒度分布[48]，如580 ℃為磁鐵礦居里溫度，680 ℃為赤鐵礦居里溫度[12]。本文選取表土層、黃棕色土層和網(wǎng)紋層的白、紅網(wǎng)紋樣品各一個(gè)。表層土的χ-T曲線(xiàn)（圖4）從常溫到300 ℃緩慢上升，并在300 ℃附近出現(xiàn)峰，從300 ℃～450 ℃，曲線(xiàn)明顯下滑，之后曲線(xiàn)繼續(xù)上升，500 ℃左右再次出現(xiàn)隆起，隨后在520 ℃～580 ℃迅速降低。前人研究揭示，300 ℃～450 ℃磁化率顯著下降可能是磁赤鐵礦受熱向赤鐵礦轉(zhuǎn)化的結(jié)果[49]。而300 ℃附近的凸起可能由于土樣中SD磁性顆粒解阻[50]或低磁化率礦物受熱轉(zhuǎn)化為磁赤鐵礦等強(qiáng)磁性礦物[51]。500 ℃附近出現(xiàn)的峰值可能為樣品受熱含鐵硅酸鹽礦物或黏土礦物分解形成磁鐵礦[21]。冷卻曲線(xiàn)在400 ℃附近的隆起可能是加熱時(shí)新的強(qiáng)磁化率礦物的生成[35]。金華剖面表土層樣品熱磁曲線(xiàn)580 ℃為磁鐵礦的居里溫度，指示磁鐵礦可能為該層的主要磁性礦物，冷卻曲線(xiàn)的χ在585 ℃快速上升也可證明磁鐵礦的主導(dǎo)作用。黃棕色土的加熱曲線(xiàn)在300 ℃左右也出現(xiàn)峰，并在300 ℃～400 ℃明顯下滑，之后繼續(xù)上升，510 ℃左右再次出現(xiàn)隆起，隨后在580 ℃附近迅速降低，且冷卻曲線(xiàn)χ值顯著大于加熱曲線(xiàn)，可能土樣在受熱中有磁鐵礦的生成。通過(guò)比較不難發(fā)現(xiàn)，黃棕色土和表層土的χ-T曲線(xiàn)特征極為相似，表明兩者的磁性礦物均主要為磁鐵礦和成土成因的細(xì)顆粒磁赤鐵礦。

在網(wǎng)紋紅土中，白網(wǎng)紋的加熱曲線(xiàn)（圖4）在250 ℃～300 ℃有所上升，可能是新生成了少量亞鐵磁性礦物；而300 ℃后出現(xiàn)的下降則是細(xì)粒磁赤鐵礦轉(zhuǎn)變成了赤鐵礦。此外分別在300 ℃和510 ℃左右出現(xiàn)的峰值與表層土的成因類(lèi)似。從室溫到520 ℃加熱曲線(xiàn)較為平坦，只有微弱起伏和部分峰，在520 ℃ ～580 ℃ 忽然下降，說(shuō)明其居里溫度為580 ℃，指示其含有一些較粗的磁鐵礦。白網(wǎng)紋在冷卻到室溫時(shí)，磁化率顯著增大，但紅網(wǎng)紋的磁化率在加熱前后差別不明顯，表明白網(wǎng)紋在加熱過(guò)程中有新的磁性礦物形成，后者則很少。

金華剖面紅網(wǎng)紋的χ-T曲線(xiàn)在300 ℃前的緩慢降低可能由細(xì)粒磁赤鐵礦造成，而280 cm處樣品χ于600 ℃附近快速下降，也顯示了磁赤鐵礦的存在；680 ℃后磁化率才接近0，為赤鐵礦的居里點(diǎn)，指示存在赤鐵礦。結(jié)合IRM獲得曲線(xiàn)，紅網(wǎng)紋樣品的χ-T曲線(xiàn)顯示了鈦磁鐵礦及細(xì)粒赤鐵礦在不同溫度區(qū)間的解阻，證明紅網(wǎng)紋可能含有更多的細(xì)粒赤鐵礦。75 cm處冷卻曲線(xiàn)與加熱曲線(xiàn)相比，峰值更高且溫度更低，表明有細(xì)粒磁鐵礦的生成。此外，部分加熱曲線(xiàn)磁化率存在很多峰值，可能由少量的纖鐵礦、針鐵礦受熱脫水轉(zhuǎn)化成其他磁性礦物（如赤鐵礦或磁赤鐵礦等）或含鐵硅酸鹽礦物轉(zhuǎn)化生成磁鐵礦所致。

綜上，該剖面不同土壤的磁性礦物類(lèi)型存在差異，表土層和黃棕色土層主要為磁鐵礦和磁赤鐵礦，亞鐵磁性礦物多于網(wǎng)紋層；網(wǎng)紋層的紅網(wǎng)紋有亞鐵磁性礦物和反鐵磁性礦物，以反鐵磁性礦物赤鐵礦為主，含量隨著深度下降而增加；白網(wǎng)紋的磁性礦物中存在一定的磁赤鐵礦和磁鐵礦，但含量較低，且剖面中磁性礦物含量變化不大。

2.3 磁性礦物粒度

磁性礦物的粒度對(duì)環(huán)境很敏感，在風(fēng)化成土過(guò)程中產(chǎn)生較多的細(xì)磁性礦物顆粒，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境研究[34，52]。百分比頻率磁化率（χfd%）是SP顆粒對(duì)樣品質(zhì)量歸一化磁化率（χ）貢獻(xiàn)的度量，可以反映成土樣品中SP顆粒的含量[53]。當(dāng)土壤的χfd%小于2%時(shí)，則樣品幾乎不含SP顆粒，含量在10%以下；χfd%為2%～10%時(shí)，則MD、SD、SP顆粒同時(shí)存在；χfd%為10%～14% 時(shí)，則主要為SP 顆粒，含量超過(guò)75%[54]。金華剖面表土層和膠膜層χfd%分別為15.73% 和13.41%，黃棕色土層3.89%（圖2f）。從上述數(shù)據(jù)不難推斷，表土層和膠膜層存在大量SP顆粒，黃棕色土層MD、SD、SP顆粒同時(shí)存在。在網(wǎng)紋層，紅網(wǎng)紋的χfd%（1.53%～15.89%）自上而下有降低的趨勢(shì)，指示隨著深度下降SP顆粒含量減少，上層存在SP顆粒，而下層部分樣品含有較少甚至不含SP顆粒。

SIRM/χ可用于檢測(cè)磁晶粒尺寸的變化，較低值可歸因于SP等小顆粒濃度較高[45]。ARM主要由單疇（SD）和假單疇（PSD）亞鐵磁性顆粒所貢獻(xiàn)，因此χARM可以用于估計(jì)SD和PSD顆粒含量[55]。χARM/SIRM隨著鐵磁性顆粒的增大而減小，該參數(shù)可避免由于SP顆粒帶來(lái)的不確定性，較低的比值反映存在較粗的PSD+MD（假單疇與多疇）組分[56]。金華剖面網(wǎng)紋紅土下層紅網(wǎng)紋的SIRM/χ值（圖2d）明顯升高，指示土體中SP濃度顯著降低，磁性顆粒變粗。從ARM分析，金華剖面紅網(wǎng)紋的χARM/SIRM值（圖2e）在網(wǎng)紋層中隨著深度降低而減小，反映了網(wǎng)紋紅土上層的紅網(wǎng)紋鐵磁性顆粒較細(xì)，下層則為較粗的PSD+MD（假單疇與多疇）顆粒，與χfd%、SIRM/χ 指示結(jié)果一致。

結(jié)合χfd%和χARM/SIRM散點(diǎn)圖（圖5）推斷，表土層以SP顆粒為主，黃棕色土層則是MD、SD、SP顆粒同時(shí)存在。網(wǎng)紋紅土上、下層的紅網(wǎng)紋中磁性礦物粒度存在差異：上層，存在部分SP顆粒；下層，紅網(wǎng)紋中的磁性顆粒則以MD、PSD和SSD為主。而白網(wǎng)紋在圖中散布凌亂，不具指示意義。

綜上，表層土以SP等細(xì)磁性顆粒為主，黃棕色土則SP、PSD+MD等粗、細(xì)磁性顆粒并存。而紅網(wǎng)紋上層主要為SP細(xì)磁性顆粒，下層則MD、PSD等粗顆粒為主。白網(wǎng)紋由于磁性過(guò)弱，磁疇指標(biāo)參數(shù)值多為誤差，無(wú)法較好地反映其磁性顆粒大小，故不展開(kāi)敘述。

3 討論

3.1 氧化鐵對(duì)網(wǎng)紋紅土磁性礦物的影響

網(wǎng)紋形成及紅、白色調(diào)的分異和鐵形態(tài)及遷移密不可分，不同類(lèi)型的氧化鐵礦物使網(wǎng)紋紅土層具有差異性的顏色和磁學(xué)性質(zhì)[39]。同時(shí)，土體中鐵的含量（全鐵）也可較為直觀地反映土壤中鐵富集或缺失，進(jìn)而影響土壤顏色[57]。氧化鐵形態(tài)和氧化鐵風(fēng)化指標(biāo)常被用于表征氧化鐵特性，也因?qū)Φ乩憝h(huán)境變化的強(qiáng)敏感性多用于土壤學(xué)研究[58]。借鑒前人方法[25，59]，本文也選擇金華剖面表層土壤全鐵含量（6.11%）作為背景，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，白網(wǎng)紋全鐵含量（3.21%）明顯低于表土層，指示存在鐵流失；紅網(wǎng)紋（9.53%）則鐵相對(duì)富集（表1），這和李鳳全等[25]關(guān)于白色條紋中的鐵存在網(wǎng)紋層內(nèi)遷移的結(jié)論相符合。

袁雙[57]對(duì)金華湯溪網(wǎng)紋紅土的紅、白網(wǎng)紋鐵形態(tài)做了詳盡的研究，發(fā)現(xiàn)紅網(wǎng)紋游離氧化鐵含量達(dá)80 g/kg，顯著高于白網(wǎng)紋（18 g/kg）；紅網(wǎng)紋的鐵游離度（Fed/Fet）為80%，也明顯大于白網(wǎng)紋（55%）。宣城[12]、九江[60]等地紅、白網(wǎng)紋表現(xiàn)出同樣的特性?；罨龋‵eo/Fed）方面，白網(wǎng)紋（0.14%）高于紅網(wǎng)紋（0.11%）。紅網(wǎng)紋晶質(zhì)氧化鐵含量（70.88 g/kg）顯著大于白網(wǎng)紋（15.50 g/kg）。本文剖面樣品雖未做鐵形態(tài)實(shí)驗(yàn)，但因與袁雙[57]的研究剖面同屬湯溪地區(qū)，相距較近，結(jié)構(gòu)相同，且其對(duì)金衢盆地多個(gè)地點(diǎn)樣品分析發(fā)現(xiàn)，紅、白網(wǎng)紋的鐵形態(tài)都具有較好的相似性。因此，下述分析也建立在袁雙[57]研究的基礎(chǔ)上。游離氧化鐵（Fed）是母巖成土過(guò)程中風(fēng)化后形成的次生氧化物，與游離度（Fed/Fet）可較好地反映土壤的風(fēng)化強(qiáng)度[39，60]。紅網(wǎng)紋的高Fed含量和高Fed/Fet表明其經(jīng)歷了較強(qiáng)風(fēng)化作用，雖然白網(wǎng)紋較高CIA值（圖2i）說(shuō)明其也經(jīng)歷了較強(qiáng)風(fēng)化，但Fed和Fed/Fet值卻相對(duì)較低，結(jié)合白網(wǎng)紋相對(duì)更高絡(luò)合鐵含量指示其更富遷移性。因此，白網(wǎng)紋全鐵的較低值證明了鐵質(zhì)遷出的影響?；罨龋‵eo/Fed）可以衡量土壤中鐵礦物結(jié)晶的相對(duì)優(yōu)劣度[61]，低活化度偏向形成較好結(jié)晶度鐵氧化物[39]。紅網(wǎng)紋活化度低于白網(wǎng)紋表明前者氧化鐵結(jié)晶度要強(qiáng)于后者，指示前者可能多含結(jié)晶度較好的鐵氧化物。針鐵礦和赤鐵礦是常見(jiàn)的晶質(zhì)氧化鐵，而赤鐵礦更是大量存在于高度風(fēng)化的南方紅土中的強(qiáng)致色礦物[39]。借鑒前人的研究結(jié)果推論，金華剖面紅網(wǎng)紋晶質(zhì)氧化鐵含量顯著大于白網(wǎng)紋，而且紅網(wǎng)紋含有較多的赤鐵礦。從紅、白網(wǎng)紋的全鐵及鐵形態(tài)可知，赤鐵礦等晶質(zhì)氧化鐵主要存在于紅網(wǎng)紋中，而白網(wǎng)紋則明顯缺失，這正是導(dǎo)致兩者顏色和磁學(xué)性質(zhì)有所不同的原因。

3.2 金華剖面各土層磁學(xué)特性的成因解析

3.2.1 表土層較高磁化率的影響因素

在溫帶半干旱的黃土研究區(qū)，土壤磁化率和其成壤強(qiáng)度呈正相關(guān)，但磁化率在降水量超過(guò)某個(gè)臨界值（1 200 mm）反而會(huì)下降[28，62]。網(wǎng)紋紅土處于高溫高濕的地理環(huán)境，經(jīng)歷了強(qiáng)淋溶、強(qiáng)風(fēng)化作用，作為成壤作用最強(qiáng)的層位磁化率往往最低[35，63?64]。金華剖面中表土層具有較高的SP顆粒含量，磁性礦物顆粒較細(xì)，類(lèi)型以磁鐵礦和磁赤鐵礦為主，磁化率高于網(wǎng)紋紅土層，且為剖面最大值。在風(fēng)化成土過(guò)程中，母質(zhì)中的鐵通過(guò)釋放形成次生的含鐵礦物，例如各類(lèi)磁性礦物，再經(jīng)溶解、轉(zhuǎn)化和遷移沉淀等過(guò)程使這些礦物在類(lèi)型、含量和粒徑大小等方面發(fā)生改變[65]。南方紅土經(jīng)歷了較強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化，一定的成壤作用使土壤的磁性顆粒變細(xì)[66]，這也是金華剖面表土層磁性顆粒較細(xì)小的原因。另一方面，成土作用會(huì)使亞鐵磁性礦物轉(zhuǎn)化為微晶強(qiáng)磁性的磁鐵礦和磁赤鐵礦，特別是成土過(guò)程中形成的SP和SD磁赤鐵礦會(huì)導(dǎo)致土壤沉積物磁性礦物增強(qiáng)。與下層強(qiáng)風(fēng)化的網(wǎng)紋紅土（CIA為85.27%）相比，表土層（CIA為83.50%）屬中度化學(xué)風(fēng)化（圖2i），脫硅富鋁鐵化使得鐵磁性礦物相對(duì)富集，因風(fēng)化成土作用相對(duì)較弱，來(lái)自原始母質(zhì)的磁鐵礦、磁赤鐵礦等亞鐵磁性礦物得以保留。此外，有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤中次生亞鐵磁性礦物的生成具有促進(jìn)作用[67]，還會(huì)使磁赤鐵礦不易氧化，阻礙其進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成赤鐵礦[68]。在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，該層存在較多的植物根系和土壤動(dòng)物活動(dòng)痕跡。由此可見(jiàn)，成壤作用、中等強(qiáng)度的風(fēng)化以及生物的作用導(dǎo)致了金華剖面表土層的高磁化率。

3.2.2 網(wǎng)紋層低磁化率的影響因素

與前人研究類(lèi)似[35，63]，金華剖面不論是紅網(wǎng)紋還是白網(wǎng)紋，磁化率都顯著低于表土層（圖2a）。表層土的Fe2O3（6.11%）含量小于網(wǎng)紋全樣（7.29%）（表1），但磁化率遠(yuǎn)大于后者，說(shuō)明兩者的磁性礦物種類(lèi)、含量及磁疇大小等方面可能存在差異。從前文分析可知，金華剖面的網(wǎng)紋紅土層以反鐵磁性礦物占主導(dǎo)，亞鐵磁性礦物含量低。與上覆底層相比，網(wǎng)紋紅土具有較高風(fēng)化強(qiáng)度（表1）。前人在其他網(wǎng)紋紅土剖面也發(fā)現(xiàn)Fed 和Fed/Fet 隨深度下降而增加[12，39，69?70]，反映網(wǎng)紋紅土風(fēng)化成土作用愈往下愈強(qiáng)。強(qiáng)風(fēng)化成土作用使磁赤鐵礦向赤鐵礦轉(zhuǎn)化造成網(wǎng)紋層磁性顯著減弱[71]。此外，高溫高濕的土體環(huán)境會(huì)使土壤礦物發(fā)生溶解，赤鐵礦、針鐵礦等反鐵磁性礦物的抗溶解性較強(qiáng)于磁鐵礦、磁赤鐵礦等亞鐵磁性礦物[12，65]。在網(wǎng)紋紅土成土期，南方降水充沛，夏季風(fēng)強(qiáng)盛[16]，亞鐵磁性礦物在外部強(qiáng)降水、內(nèi)部活躍地下水共同作用下發(fā)生溶解，未溶解的磁赤鐵礦等受強(qiáng)風(fēng)化作用向赤鐵礦轉(zhuǎn)化，從而造成亞鐵磁性礦物大量缺失，而赤鐵礦等反鐵磁性礦物成為網(wǎng)紋層的主要磁性礦物，使得網(wǎng)紋層的χ降低。此外，金華剖面網(wǎng)紋層隨深度下降受地下水作用增強(qiáng)且風(fēng)化強(qiáng)度變大，導(dǎo)致赤鐵礦含量有向下增多的趨勢(shì)。

3.2.3 網(wǎng)紋層紅、白網(wǎng)紋的磁學(xué)特性差異及原因

白網(wǎng)紋的χ等磁性微弱且剖面上沒(méi)有明顯的波動(dòng)，而紅網(wǎng)紋磁化率等高于白網(wǎng)紋且垂直變化特征明顯。究其原因，白網(wǎng)紋存在鐵的流失，紅網(wǎng)紋則是富集。剖面下部，紅網(wǎng)紋中鐵的富集程度明顯高于上部（圖2j）。紅、白網(wǎng)紋兩者鐵形態(tài)也差別明顯：紅網(wǎng)紋的晶質(zhì)氧化鐵含量遠(yuǎn)高于白網(wǎng)紋，而后者絡(luò)合鐵卻略高于前者。等溫剩磁曲線(xiàn)和熱磁曲線(xiàn)（圖3，4）均顯示白網(wǎng)紋含有亞鐵磁性礦物，但χ、SIRM、HIRM等值（圖2a～c）很低，說(shuō)明其磁性礦物總量很少。白網(wǎng)紋內(nèi)較低晶質(zhì)氧化鐵和較高絡(luò)合鐵含量不利于鐵氧化物的結(jié)晶但有利于鐵質(zhì)的遷移，低游離鐵和全鐵含量也從地球化學(xué)角度指示了白網(wǎng)紋中鐵質(zhì)的大量流失。此外，在雨季較輕的Fe同位素會(huì)優(yōu)先以Fe2+形式還原溶解到溶液中隨水向下遷移[69]。據(jù)此推測(cè)，金華剖面白網(wǎng)紋中鐵質(zhì)的遷移導(dǎo)致了磁性礦物大量流失，但可能殘留未完全遷移的少量未結(jié)晶亞鐵磁性礦物，使其載磁礦物仍舊為亞鐵磁性礦物，從而導(dǎo)致其磁學(xué)特征很弱且在剖面上無(wú)顯著變化。雖然白網(wǎng)紋CIA（圖2i）也表現(xiàn)出較強(qiáng)風(fēng)化，同樣指示風(fēng)化的Fed/Fet鐵形態(tài)指標(biāo)卻很低，似乎與前者相矛盾，但可側(cè)面反映白網(wǎng)紋鐵質(zhì)的遷出量很大。這種遷移主要受水分作用影響。

紅網(wǎng)紋的磁化率經(jīng)歷了一個(gè)先降低至195 cm而后增高的過(guò)程。上層（195 cm以上）χARM/SIRM、χfd%隨深度下降而較?。▓D2e，f），表明磁性顆粒變粗，可能是受深度下降受地下水作用增強(qiáng)導(dǎo)致SP等細(xì)磁性顆粒淋失；結(jié)合S-ratio值（圖2g），可知亞鐵磁性礦物含量也有所下降，說(shuō)明該層磁化率降低主要是由于磁疇增大和亞鐵磁性礦物相對(duì)含量減少導(dǎo)致。下層（195 cm以下）雖χfd%繼續(xù)減小磁性顆粒變粗，但磁性礦物含量增加導(dǎo)致χ略有增強(qiáng)。亞熱帶地區(qū)的風(fēng)化作用使易遷移元素淋失，不易遷移元素和惰性元素富集從而造成土壤脫硅富鋁鐵化[72]。由熱磁曲線(xiàn)（圖4）可知紅網(wǎng)紋存在一定的亞鐵磁性礦物，其較高Fed/Fet值和CIA隨深度下降而增強(qiáng)均表明其遭受了強(qiáng)風(fēng)化作用，使亞鐵磁性礦物相對(duì)含量隨鐵含量增加（圖2j）而有所增加，深度260 cm以下的S-ratio曲線(xiàn)（圖2g）也反映了這一點(diǎn)，導(dǎo)致χ略有上升。但這種上升遠(yuǎn)不及HIRM明顯（圖2c），這表明赤鐵礦等反鐵磁性礦物含量較亞鐵磁性礦物增加更為顯著。紅網(wǎng)紋較多晶質(zhì)氧化鐵含量和較低活化度指示了赤鐵礦等高結(jié)晶度氧化鐵的富集，等溫剩磁曲線(xiàn)和熱磁曲線(xiàn)（圖3，4）也表明磁性礦物含有赤鐵礦。此外，鐵錳膠膜是雨熱充足條件下Fe、Mn氧化物、黏粒等在土壤裂隙和孔隙表面淀積而成的產(chǎn)物[73]，在野外采樣時(shí)可常見(jiàn)鐵錳膠膜，說(shuō)明土體中鐵錳經(jīng)歷了淋溶淀積和遷移。有研究指出在鐵錳膠膜形成過(guò)程中原始母質(zhì)的亞鐵磁性礦物會(huì)被溶解并產(chǎn)生新的中磁和硬磁性礦物，使得土壤中赤鐵礦等高矯頑力礦物增多[35，74]。除HIRM，有學(xué)者認(rèn)為相較于χ，SIRM對(duì)赤鐵礦含量的增加可以作出較為靈敏的響應(yīng)[75]，紅網(wǎng)紋的SIRM（圖2b）到下層增加幅度明顯大于χ也側(cè)面反映赤鐵礦含量有較為明顯的增多。S-ratio也表現(xiàn)出亞鐵磁性礦物含量總體下降而反鐵磁性礦物增加（圖2g）。結(jié)合前文3.2.2論述可知，紅網(wǎng)紋赤鐵礦富集和磁赤鐵礦等亞鐵磁性礦物大量缺失可能主要受三個(gè)方面的作用：1）地下水作用導(dǎo)致磁赤鐵礦相對(duì)赤鐵礦等反鐵磁性礦物會(huì)被優(yōu)先溶蝕；2）磁赤鐵礦經(jīng)風(fēng)化成土作用轉(zhuǎn)化為赤鐵礦；3）鐵錳膠膜形成過(guò)程產(chǎn)生的硬磁性礦物。因此，SIRM和HIRM向下增大主要受以赤鐵礦為主的反鐵磁性礦物增多的影響。而下層χ回升則主要是由于鐵進(jìn)一步富集使亞鐵磁性礦物相對(duì)含量增加所引起。

3.3 磁學(xué)特性對(duì)網(wǎng)紋化的響應(yīng)

磁鐵礦、磁赤鐵礦等亞鐵磁性礦物和赤鐵礦、針鐵礦等反鐵磁性礦物是土壤中氧化鐵礦物的主要構(gòu)成，是成土作用過(guò)程的產(chǎn)物[76]。隨著環(huán)境的改變，土壤中鐵也會(huì)發(fā)生價(jià)態(tài)與相態(tài)的轉(zhuǎn)變[77]。赤鐵礦常見(jiàn)于熱帶、亞熱帶的高度風(fēng)化及干燥土壤[78]，氣候干熱環(huán)境下會(huì)使非晶態(tài)氧化鐵因脫水作用轉(zhuǎn)化為晶質(zhì)的赤鐵礦[79]。本剖面發(fā)現(xiàn)赤鐵礦多存在于紅網(wǎng)紋且隨深度下降而增加，白網(wǎng)紋則幾乎未有。結(jié)合紅、白網(wǎng)紋的地球化學(xué)指標(biāo)，可以推斷網(wǎng)紋紅土形成經(jīng)歷了濕潤(rùn)—干燥交替的氣候環(huán)境：在濕潤(rùn)期，存在孔隙的局部土壤鐵質(zhì)流失嚴(yán)重并遷移到下層或周邊形成白色網(wǎng)紋，而遷入?yún)^(qū)（或未流失區(qū)）則形成紅色網(wǎng)紋，該過(guò)程伴隨著土壤中磁赤鐵礦等較易溶解礦物的淋失；待氣候轉(zhuǎn)為干燥，紅網(wǎng)紋中的氧化鐵礦物脫水轉(zhuǎn)變形成赤鐵礦。在這種周期變化中，土壤中的赤鐵礦由于難溶性在濕季也會(huì)得以留存，而磁赤鐵礦等易溶磁性礦物則會(huì)進(jìn)一步淋失，未淋失的也會(huì)受強(qiáng)風(fēng)化作用轉(zhuǎn)化為赤鐵礦，最終導(dǎo)致網(wǎng)紋層磁性顯著弱于表土層且紅網(wǎng)紋中赤鐵礦的富集。網(wǎng)紋層內(nèi)，紅、白網(wǎng)紋由于鐵質(zhì)含量差異在磁性上也表現(xiàn)出較大的不同。此外，紅網(wǎng)紋因風(fēng)化及地下水作用強(qiáng)度在深度上的變化，磁性礦物增加使磁性特征于垂向變化也有所差異。

眾所周知，由于CIA計(jì)算未使用構(gòu)成紅、白網(wǎng)紋最主要差異的Fe2O3元素，導(dǎo)致白網(wǎng)紋因鐵質(zhì)大量流失，使其磁學(xué)性質(zhì)不能很好地體現(xiàn)風(fēng)化強(qiáng)度，但紅網(wǎng)紋的磁學(xué)指標(biāo)如SIRM、HIRM能較好地和CIA風(fēng)化指數(shù)相吻合。Liu et al.[80]、Wang et al.[81]也發(fā)現(xiàn)在南方亞熱帶地區(qū)HIRM與風(fēng)化成土強(qiáng)度具有很好相關(guān)性，且這與強(qiáng)風(fēng)化作用下的成土磁赤鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)槌噼F礦有關(guān)。以往多將紅、白網(wǎng)紋作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行分析，紅網(wǎng)紋由于其鐵質(zhì)的高度富集會(huì)遮蓋白網(wǎng)紋的理化特性，特別是由鐵含量差異造成的磁學(xué)性質(zhì)方面的影響，不利于正確地認(rèn)識(shí)網(wǎng)紋紅土的特性。顯然，網(wǎng)紋化作用改變了網(wǎng)紋紅土的理化特征。因此，作為對(duì)網(wǎng)紋化的響應(yīng)，紅網(wǎng)紋相較于白網(wǎng)紋磁性特征在剖面上變化較明顯，能更好地體現(xiàn)網(wǎng)紋紅土受地下水作用及風(fēng)化強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本文從磁學(xué)的角度并結(jié)合地球化學(xué)指標(biāo)，對(duì)浙江金華剖面表土層、黃棕色土層、網(wǎng)紋紅土層的理化特征進(jìn)行深入解析，初步得出以下結(jié)論。

（1） 表土層和黃棕色土層主要為磁鐵礦和磁赤鐵礦等亞鐵磁性礦物，網(wǎng)紋紅土層中赤鐵礦等反鐵磁性礦物含量更高。白網(wǎng)紋中存在極少的磁赤鐵礦等亞鐵磁性礦物，紅網(wǎng)紋則是赤鐵礦等硬磁性礦物占主導(dǎo)，并且含有少量的亞鐵磁性礦物。紅網(wǎng)紋中赤鐵礦等反鐵磁性礦物含量隨深度下降而增加，白網(wǎng)紋磁性礦物含量甚少且沒(méi)有深度上的明顯變化。磁性顆粒方面，表土層以SP等細(xì)磁性顆粒為主，黃棕色土MD、SD、SP顆粒同時(shí)存在，而紅網(wǎng)紋磁性顆粒隨深度下降受地下水淋失逐漸變粗。

（2） 表土層磁化率為剖面最大值，網(wǎng)紋紅土層較表土層磁化率顯著減小。紅網(wǎng)紋磁化率高于白網(wǎng)紋且在剖面上存在一定的波動(dòng)，白網(wǎng)紋磁化率值較低，垂直變化不明顯。紅網(wǎng)紋的SIRM、HIRM與CIA和全鐵含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系好于白網(wǎng)紋。受地下水作用鐵遷移與聚集、亞鐵磁性礦物溶解與磁疇變化、風(fēng)化作用與鐵錳結(jié)核形成過(guò)程引起的磁性礦物轉(zhuǎn)化是表土層和網(wǎng)紋紅土層、紅網(wǎng)紋和白網(wǎng)紋之間磁化率等磁性差異的主要原因。

（3） 紅、白網(wǎng)紋磁學(xué)特征反映了成土過(guò)程。干濕交替氣候環(huán)境引起的地下水運(yùn)動(dòng)和風(fēng)化成土作用，導(dǎo)致其特殊物理形態(tài)及磁學(xué)性質(zhì)不同于上覆地層。