中国南方红土环境磁学
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2T 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 Tc 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 γ2Fe2 O3 向弱磁性的 α2Fe2 O3 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
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- 8m3 / kg,网纹红土磁化率约低一个数量级 。红土的磁化率 - 温度 ( 2T )曲线 、等温剩磁获得曲线 、XRD 和 TEM 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
Fig. 1 M agnetic suscep tibility ( a ) and frequency2 dependent suscep tibility ( b) of the Q iyang (Hunan) and H a ngzhou ( Zhejiang) sections
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 - hf ; 1f为 0147kHz, hf为 417kHz)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 (ARM )和饱和等温剩磁 ( SIRM )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 。
图 2 代表性红土样品的磁化率 - 温度 ( 2T)曲线 实线表示加热曲线 ,虚线表示冷却曲线
Fig. 2 Temperature2dependence of magnetic sus2 cep tibility of rep resentative red earth samp les. Solid ( da sh ed ) l ine s rep resent heating ( cooling) cycles
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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 。 2T 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
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 , Schwertm 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 Fe5 HO2 ·H2 O ]脱水氧化形成 ; M ullins[ 26 ]和 Tite 等 [ 27 ]认为磁赤铁矿是通过氧化铁的缓慢氧化 、钎铁
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 ( Fe3 O4 ) 、磁赤
铁矿 (γ2Fe2 O3 ) 以及反铁磁性的赤铁矿 (α2Fe2 O3 ) 和针铁矿 (α2FeOOH )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 化率 - 温度 ( 2T)曲线见图 2, 结果表明不同深度 红土样品的 2T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 ( Tc ) 。与黄土 - 古土壤系列的
2T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 Fig. 3 Acquisition curves of isothermal remnant magnetization ( IRM ) for rep resentative red earth samp les
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 。
作者简介 :卢升高 男 45岁 教授 环境磁学与环境生态学专业 E2mail: lusg@ zju1edu1cn 3 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
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 ( TEM )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 01427nm , 01335nm , 01296nm , 01256nm , 01209nm ,
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 。
第200277年卷
第 11月
6期
第 四 纪 研 究 QUA TERNARY SC IENCES
文章编号 1001 - 7410 (2007) 06 - 1016 - 07
Vol. 27, No. 6 November, 2007
中国南方红土环境磁学 3
卢 升 高
(浙江大学环境与资源学院 ,杭州 310029)
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
6期
卢升高 :中国南方红土环境磁学
1017
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
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 。
01161nm 和 01148nm 的 衍 射 峰 , 其 中 01296nm , 01256nm 和 01148nm 是 γ2Fe2O3 的特征衍射峰 。代 表性红土样品磁选物的 TEM 观察见图 5,在 TEM 下 可见 结 核 状 、羽 毛 状 的 γ2Fe2O3 颗 粒 , 结 核 状 的 γ2Fe2O3 颗粒大小 10～20nm。结核 、羽毛状γ2Fe2 O3 经 XRD 鉴定 γ2Fe2 O3 微结核由 α2Fe2 O3 和石英组 成 ,赤铁矿颗粒 2～3μm , 针铁矿呈典型的针状结 构 ,长约 1μm ,宽度约 011μm。
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- 8m3 / kg,网纹红土磁化率约低一个数量级 。红土的磁化率 - 温度 ( 2T )曲线 、等温剩磁获得曲线 、XRD 和 TEM 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
Fig. 1 M agnetic suscep tibility ( a ) and frequency2 dependent suscep tibility ( b) of the Q iyang (Hunan) and H a ngzhou ( Zhejiang) sections
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 - hf ; 1f为 0147kHz, hf为 417kHz)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 (ARM )和饱和等温剩磁 ( SIRM )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 。
图 2 代表性红土样品的磁化率 - 温度 ( 2T)曲线 实线表示加热曲线 ,虚线表示冷却曲线
Fig. 2 Temperature2dependence of magnetic sus2 cep tibility of rep resentative red earth samp les. Solid ( da sh ed ) l ine s rep resent heating ( cooling) cycles
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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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 。 2T 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
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 , Schwertm 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 Fe5 HO2 ·H2 O ]脱水氧化形成 ; M ullins[ 26 ]和 Tite 等 [ 27 ]认为磁赤铁矿是通过氧化铁的缓慢氧化 、钎铁
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 ( Fe3 O4 ) 、磁赤
铁矿 (γ2Fe2 O3 ) 以及反铁磁性的赤铁矿 (α2Fe2 O3 ) 和针铁矿 (α2FeOOH )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 化率 - 温度 ( 2T)曲线见图 2, 结果表明不同深度 红土样品的 2T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 ( Tc ) 。与黄土 - 古土壤系列的
2T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 Fig. 3 Acquisition curves of isothermal remnant magnetization ( IRM ) for rep resentative red earth samp les
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 。
作者简介 :卢升高 男 45岁 教授 环境磁学与环境生态学专业 E2mail: lusg@ zju1edu1cn 3 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
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 ( TEM )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 01427nm , 01335nm , 01296nm , 01256nm , 01209nm ,
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 。
第200277年卷
第 11月
6期
第 四 纪 研 究 QUA TERNARY SC IENCES
文章编号 1001 - 7410 (2007) 06 - 1016 - 07
Vol. 27, No. 6 November, 2007
中国南方红土环境磁学 3
卢 升 高
(浙江大学环境与资源学院 ,杭州 310029)
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6期
卢升高 :中国南方红土环境磁学
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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
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 。
01161nm 和 01148nm 的 衍 射 峰 , 其 中 01296nm , 01256nm 和 01148nm 是 γ2Fe2O3 的特征衍射峰 。代 表性红土样品磁选物的 TEM 观察见图 5,在 TEM 下 可见 结 核 状 、羽 毛 状 的 γ2Fe2O3 颗 粒 , 结 核 状 的 γ2Fe2O3 颗粒大小 10～20nm。结核 、羽毛状γ2Fe2 O3 经 XRD 鉴定 γ2Fe2 O3 微结核由 α2Fe2 O3 和石英组 成 ,赤铁矿颗粒 2～3μm , 针铁矿呈典型的针状结 构 ,长约 1μm ,宽度约 011μm。