中国南方红土环境磁学

第27卷 第6期2007年11月第 四 纪 研 究QUATERNARY SC I ENCESV o.l 27, N o .6N ove m be r ,2007文章编号 1001-7410(2007)06-1016-07中国南方红土环境磁学*卢 升 高(浙江大学环境与资源学院,杭州 310029)摘要 第四纪红土是中国南方古环境演化与气候变迁的最佳载体之一,记录了南方的古地理、古气候环境变迁信息。

典型红土剖面由现代红壤层、均质层、网纹层、砾石层或基岩层组成,均质红土磁化率值多在80 10-8~250 10-8m 3/kg ,网纹红土磁化率约低一个数量级。

红土的磁化率-温度( -T )曲线、等温剩磁获得曲线、XRD 和TE M 分析认为,成土过程产生的细粒磁性矿物(包括磁铁矿、磁赤铁矿和赤铁矿)是红土磁性的主要载体。

对红土的岩石磁学和矿物学综合分析认为,红土磁性矿物的含量、粒度、类型等可能指示其形成时期的某种环境变化,红土磁性是南方第四纪环境变迁研究的重要手段,但由于红土的物源以及受后期化学风化改造的复杂性,红土的环境磁学研究需要新的思路和方法。

主题词 红土 环境磁学 磁性矿物 古环境中图分类号 S152,P3 文献标识码 A作者简介:卢升高 男 45岁 教授 环境磁学与环境生态学专业 E-m ai:l l u s g @z j u edu cn *国家自然科学基金项目(批准号:49971044)资助 2007-06-28收稿,2007-07-20收修改稿在我国长江以南广泛分布的红土,是湿热气候环境下经强烈风化作用形成的产物,因含较多的氧化铁而呈现明显的红色,又称为 红色风化壳[1~4]。

典型的第四纪红土常由黄棕色粘土层、均质红粘土层、网纹状红粘土层和砾石层构成,由于网纹层深厚醒目,第四纪红土又多被形象地称为 网纹红土 。

红土的分布范围北起南阳-桐柏-淮河一线,经长江中下游地区,南至南岭山地,东界大体沿杭(州)嘉(兴)湖(州)-宜(兴)溧(阳)山地-安庆-淮河中下游,向东转至东南沿海海岸以及向东北延至淮河以北,向西直到成都平原。

红土是第四纪以来中国南方古环境演化与气候变迁的最佳载体之一,记录了南方的古地理、古气候环境变迁信息[1,2]。

随着古全球变化研究的深入,第四纪红土蕴含的古环境演变信息,对于认识我国热带亚热带地区第四纪气候变化过程和全球变化的纬度效应具有重要意义。

在土壤学领域,一般将第四纪红土作为现代土壤的一种成土母质[1,5],因此红土的研究在土壤发生学、土壤理化性质、土壤肥力演变和农业利用方面有重要意义。

关于中国南方第四纪红土的成因、年代学、磁性地层学、古气候学以及红土与全球变化的关系等重要问题已有广泛探讨和研究[6~13]。

环境磁学作为研究古气候和古环境变迁的重要方法,其重要贡献之一就是发现中国黄土-古土壤序列的磁化率变化与深海氧同位素记录具有很好的对比性[14~18],且与古气候的变化有非常明显的相关性,即代表干冷产物的黄土具有较小的磁化率值,而相对温湿条件下形成的古土壤的磁化率则较高。

目前,黄土-古土壤系列的磁化率作为反映古气候波动的物理参数已在中国、中亚、欧洲、北美等地得到广泛应用[15~21]。

在南方红土研究中,环境磁学方法作为表征热带-亚热带地区古气候、古环境变迁的物理参数进行了尝试,作为第四纪红土成因、形成环境以及与全球变化的关系进行探讨[10~13,22,23]。

本文将初步总结中国南方红土的环境磁学研究进展,对红土的磁化率特征和磁性矿物学、红土环境磁学指标反映的第四纪环境变化和适用性进行总结,并提出红土环境磁学研究存在的问题和有待深入研究的内容。

1 红土的磁学特征长江中下游典型的第四纪红土剖面由现代红壤层、均质层、网纹层、砾石层或基岩层组成,其剖面层次的多少、厚度、出露情况等由于地形、新构造运动、侵蚀等原因各地有所不同,其中红白色网纹镶嵌为特征的网纹层,被称为中国新生代重要的地层单元。

6期卢升高:中国南方红土环境磁学图1 第四纪红土的磁化率和频率磁化率剖面(a)磁化率剖面 (b)频率磁化率剖面F i g.1 M agneti c s uscepti b ilit y(a)and frequency-dependent suscepti b ili ty(b)of the Q iyang(Hunan)andH ang z hou(Zhe jiang)secti ons据安徽宣城[10]和浙江杭州[22]等剖面的磁测,第四纪红土的磁化率剖面呈现相同的变化规律,即现代红壤层和均质层磁化率值接近,多在80 10-8~ 250 10-8m3/kg,网纹层的磁化率低于均质层约一个数量级。

如安徽宣城剖面[10]与北方黄土-古土壤序列的磁化率值比较,黄棕色土层磁化率值与黄土较接近,而网纹部分则小近一个数量级。

图1是浙江杭州和湖南祁阳第四纪红土的磁化率( )剖面图。

第四纪红土的频率磁化率( fd= lf- h f; 1f为0 47kH z, h f为4 7k H z)呈现相同的规律(见图1)。

根据我们的磁测数据统计[23],如以频率磁化率百分数( fd%)表示[ fd(%)=(( lf- hf)/ lf) 100],红壤层和均质层的 fd%在10%左右,网纹层 fd%在0~5%之间,若以 fd%值5%~6%作为超顺磁颗粒(SP)存在的临界指标,则网纹红土内基本不存在SP颗粒。

对浙江省不同地区红土环境磁学指标的统计分析[23],磁化率、频率磁化率、非磁滞剩磁(AR M)和饱和等温剩磁(SI R M)等参数与杭州典型剖面的分布一致,表明第四纪红土不同层次的环境磁学参数变化有类似的模式。

各磁学参数的关系分析表明红土的磁化率与频率磁化率和非磁滞剩磁呈线性或指数正相关,表明成土过程产生的细粒的剩磁载体,例如,稳定单畴(SSD)的磁铁矿和磁赤铁矿颗粒,是红土磁性的主要贡献者。

2 红土的磁性矿物学第四纪红土的岩石磁学和矿物学鉴定表明,红土的磁性矿物有亚铁磁性的磁铁矿(Fe3O4)、磁赤铁矿( -Fe2O3)以及反铁磁性的赤铁矿( -Fe2O3)和针铁矿( -Fe OOH)等,其中磁铁矿和磁赤铁矿是最主要的磁性载体。

热磁分析是鉴定土壤和沉积物中磁性矿物类型的有效方法。

代表性红土样品的磁图2 代表性红土样品的磁化率-温度( -T)曲线实线表示加热曲线,虚线表示冷却曲线F ig.2 T e m perature-dependence o f m agnetic sus-ceptibility o f represen tati ve red earth sa m ples.So li d(dashed)li nes represen t heati ng(coo li ng)cycles化率-温度( -T)曲线见图2,结果表明不同深度红土样品的 -T曲线呈现相似性,加热曲线在250~ 300 出现微弱的磁化率峰,随后降低,在410 左右出现低谷,接着磁化率增大,在490~510 出现磁化率的第2个峰,在540 左右出现显著的降低,接近磁铁矿的居里点(T c)。

与黄土-古土壤系列的 -T曲线[15,24]比较,红土的Tc明显降低,这可能是磁铁矿形成过程中多发生离子替换作用,降低T c有关。

热磁分析中磁化率的第1个峰谷是由于加热过程中亚铁磁性的 -Fe2O3向弱磁性的 -Fe2O3转变引起的,这一结果与黄土的[15,24]一致,黄土的热磁曲线通常在300~450 观察到一个明显的磁化率或饱和磁化强度降低,并作为指示黄土成土作用强弱的指标[15,19,20,24];加热曲线在500 左右出现的磁化率峰值(见图2),是含铁硅酸盐矿物或粘土矿物向Fe3O4转变引起的。

研究表明在实验室热处理过程中常常会生成新的磁性矿物(主要是磁铁矿),如在有机质存在的条件下,在高温加热中会形成一个相对还原的局部环境,含铁硅酸盐矿物或粘土矿物1018 第 四 纪 研 究2007年(如绿泥石)、水铁矿、针铁矿等会转化成磁铁矿[15,19,21]。

红土样品的冷却曲线显著高于加热曲线,表明含铁矿物的热转变。

-T 曲线中赤铁矿和针铁矿的贡献往往被强磁性的磁铁矿和磁赤铁矿掩盖,从而难以分离出赤铁矿的磁信息。

网纹红土的 -T 曲线变化很小,说明网纹红土中并不存在结晶态氧化铁。

图3是典型红土样品的等温剩磁获得曲线,其特征表明,亚铁磁性矿物主导了均质红土的剩磁特征,而高矫顽力的磁性矿物(例如,反铁磁性的赤铁矿和针铁矿)主导了网纹红土的剩磁特征。

图3 代表性红土样品的等温剩磁获得曲线F i g.3 A cqu isiti on curves of iso t her m a l re mnant magneti zati on(I RM )for representati ve red earth sa mples图4 代表性红土样品磁选物的XRD 图谱Q 石英 M 磁铁矿/磁赤铁矿 H 赤铁矿 K 高岭石F ig .4 X-ray d iffraction patte rn of m agnetic g ra i n f o r represen tati ve red eart h sa m ples红土经磁选分离富集后的磁性颗粒样品进行X射线衍射(XRD )分析和透射电子显微镜(TE M )观察以进一步确定磁性矿物类型。

代表性红土样品磁选物的XRD 分析见图4,XRD 衍射图谱有较强的0 427nm,0 335nm ,0 296n m,0 256nm,0 209nm,0 161n m 和0 148nm 的衍射峰,其中0 296nm,0 256n m 和0 148nm 是 -Fe 2O 3的特征衍射峰。

代表性红土样品磁选物的TE M 观察见图5,在TE M 下可见结核状、羽毛状的 -Fe 2O 3颗粒,结核状的 -Fe 2O 3颗粒大小10~20nm 。

结核、羽毛状 -Fe 2O 3经XRD 鉴定 -Fe 2O 3微结核由 -Fe 2O 3和石英组成,赤铁矿颗粒2~3 m ,针铁矿呈典型的针状结构,长约1 m,宽度约0 1 m 。

由于磁赤铁矿和磁铁矿都具有反尖晶石结构,许多性质非常相似,难以区分。

另外,成土过程中新生成的磁赤铁矿颗粒较细,主要为超顺磁(SP)、单畴(SD)以及较小的准单畴(PSD)颗粒。

从成土地球化学角度,磁赤铁矿和赤铁矿是热带亚热带土壤中氧化铁转化的最终产物,它们常常共存于土壤中。

关于热带亚热带土壤中磁赤铁矿的存在和形成过程已有许多报道,Schw ert m ann [25]认为土壤中磁赤铁矿主要是氢氧化物或水铁矿[Fe (OH )2,Fe (OH )3或Fe 5HO 2 H 2O]脱水氧化形成;M u llins[26]和T ite等[27]认为磁赤铁矿是通过氧化铁的缓慢氧化、钎铁矿脱水和磁铁矿低温氧化过程产生的;M atsusaka等[28]根据 值、Fe O %含量及X -衍射认为土壤中的磁性矿物是磁赤铁矿,认为在发育度高的红壤中磁赤铁矿是惟一的强磁性矿物。