西風(fēng)區(qū)黃土–古土壤的碳酸鹽含量對磁化率影響研究

張文翔，史正濤,，劉 勇，蘇 懷，明慶忠

（1. 云南師范大學(xué) 云南省高原地理過程與環(huán)境變化重點實驗室，昆明650500；2. 中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710075）

西風(fēng)區(qū)黃土–古土壤的碳酸鹽含量對磁化率影響研究

張文翔1，史正濤1,2，劉 勇1，蘇 懷1，明慶忠1

（1. 云南師范大學(xué) 云南省高原地理過程與環(huán)境變化重點實驗室，昆明650500；2. 中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710075）

本文選擇伊犁盆地塔勒德黃土–古土壤序列，系統(tǒng)地開展了沉積物碳酸鹽和磁化率等指標(biāo)研究，初步探討了伊犁黃土碳酸鹽含量對磁化率增減的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，塔勒德古土壤中低頻磁化率值中明顯低于黃土層，且較黃土高原古土壤值小，頻率磁化率也遠(yuǎn)小于黃土高原；碳酸鹽含量在S1層中含量明顯高于黃土，且較黃土高原古土壤高，與剖面磁化率負(fù)相關(guān)，在古土壤中相關(guān)度更顯著。去除碳酸鹽的設(shè)計實驗顯示加入蒸餾水后沉積物磁化率值變化在10%以內(nèi)；加入醋酸（HAc）后樣品磁化率值均增加，其最大增幅達(dá)12.89%（黃土），古土壤的磁化率增加9%以上；加入稀鹽酸后影響程度不一，在黃土中約在15%，而對古土壤影響較大，最大可達(dá)35%，表明沉積物中碳酸鹽含量對磁化率的影響不僅是簡單的稀釋作用，還與干旱氣候環(huán)境下碳酸鹽化、次生碳酸鹽化作用相關(guān)。

磁化率；碳酸鹽含量；塔勒德；黃土–古土壤序列

亞洲中緯度干旱區(qū)是當(dāng)今世界上最嚴(yán)重和最廣闊的干旱區(qū)之一，其粉塵物質(zhì)真實地記錄了亞洲內(nèi)陸粉塵源區(qū)的干旱化過程（劉東生，1985；An et al，1990，1991，2000，2001；Guo et al，2002）。中亞黃土分布主要位于中亞干旱帶核心區(qū)，與世界上最主要的三大黃土分布區(qū)(歐洲黃土區(qū)、西伯利亞黃土區(qū)、中國黃土高原)相鄰，區(qū)域內(nèi)的黃土沉積是聯(lián)系黃土高原及中亞黃土沉積區(qū)的紐帶（劉東生，1985；Song et al，2012；Rao et al，2013；陳秀玲等，2013）。獨(dú)特的區(qū)域環(huán)境特征以及復(fù)雜多樣的地形條件使得新疆黃土沉積在結(jié)構(gòu)和組成上具有鮮明的地域性，與季風(fēng)影響下的黃土高原地區(qū)黃土沉積相區(qū)別（葉瑋，2001；Song et al，2010，2014）。

黃土記錄的低頻磁化率碳酸鹽含量廣泛應(yīng)用于古環(huán)境研究，黃土磁性礦物來源包括原生風(fēng)成輸入與后期成壤改造兩方面（Maher et al，1998），而沉積物中碳酸鹽常被認(rèn)為對磁化率起到減弱作用。然而，在中國西北的伊犁盆地卻發(fā)現(xiàn)黃土磁化率與成壤程度呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系（葉瑋，2001；史正濤等，2007；夏敦勝等，2010；Jia et al，2010；李傳想等，2011），特別是在S0之外的古土壤層某些層位磁化率變化劇減，在S1層中碳酸鹽含量明顯高于黃土，且較黃土高原古土壤高。眾多學(xué)者通過對其磁學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)伊犁盆地黃土、古土壤沉積物中磁性礦物的總含量低于黃土高原，但類型與黃土高原黃土基本類似。其主要載磁礦物為磁鐵礦，還含有少量的纖鐵礦，黃土中還含有一定量的赤鐵礦，黃土、古土壤中磁性礦物的粒度要比黃土高原粗, 以準(zhǔn)單疇（PSD）和多疇（MD）為主。成壤作用產(chǎn)生的細(xì)粒超順磁體對磁化率的貢獻(xiàn)非常有限。粒徑為PSD和MD的磁鐵礦和磁赤鐵礦為伊犁黃土磁化率的主要貢獻(xiàn)者（Song et al，2010；Chen et al，2012；Liu et al，2012），但較少涉及S1中碳酸鹽含量異常及期對磁化率影響的分析（李傳想等，2013）。

本文以塔勒德剖面為例，通過去除碳酸鈣實驗來研究西風(fēng)區(qū)塔勒德黃土–古土壤中碳酸鈣含量對磁化率的影響，以探討沉積物中伊犁黃土的磁性增減規(guī)律，為利用磁化率研究西風(fēng)環(huán)流演變及亞洲內(nèi)陸氣候環(huán)境特征等第四紀(jì)區(qū)域和全球環(huán)境變化提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)伊犁盆地位于亞洲中部，常年受西風(fēng)環(huán)流控制，水熱不同期。其多年平均降水量257～512 mm，春季降水所占比例略高（Zhang et al，2013）。年均降雨量分布不均，盆地東部較西部多。年均降雨量與海拔高度線性相關(guān)。年均溫為2.6～9.2℃，以7月氣溫最高。 伊犁盆地的地帶性植被與土壤為荒漠草原與灰鈣土（Song et al，2010）。伊犁盆地黃土主要分布在鞏留縣到新源縣的鞏乃斯河階地上，共發(fā)育有8 級階地，其北岸以則克臺一帶黃土厚度最大，南岸以塔勒德一帶最厚，厚度最大可達(dá)百米（圖1）。和黃土高原相比，伊犁黃土分布受地形影響顯著，其沉積結(jié)構(gòu)松散、黃土與古土壤區(qū)分不明顯（史正濤，2005）。本次研究的探井是在第七級階地（海拔1044 m）上人工開挖的。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

為獲得可靠的、高分辨率黃土–古土壤樣品，在七級階地中部開挖了超過20 m的探井，并對探井上部17 m按5 cm間隔進(jìn)行樣品采集，共獲得樣品340個。探井剖面黃土–古土壤按其沉積特征共可分為7層（史正濤，2005）。同時在相關(guān)層位對其年代進(jìn)行了測定。

2.2 實驗方法

碳酸鹽分析使用氣體方法測定（即先測定加入鹽酸后產(chǎn)生的CO2氣體的量，然后轉(zhuǎn)化成CaCO3含量），其重復(fù)測量的誤差小于0.5%。磁化率分析使用Bartington MS2B型磁化率儀測定，分別測量樣品的低頻（0.47 kHz）和高頻（4.7 kHz）磁化率值，并計算其質(zhì)量磁化率，獲得低頻磁化率（χlf）和高頻磁化率（χhf），并通過（χlf– χhf）/χlf×100%計算樣品的頻率磁化率（χfd）。實驗分析中對所有樣品均采用相同的處理方法，每個樣品做3次重復(fù)測試，以保證其準(zhǔn)確性。

同時，為探討碳酸鹽對磁化率的影響程度，并考慮到強(qiáng)酸可能會對磁鐵礦顆粒的影響，設(shè)計了相關(guān)的實驗（圖2）。首先用蒸餾水清洗樣品，然后用醋酸和稀鹽酸分別清洗樣品，比較其磁化率變化。因樣品中細(xì)小的磁性礦物會懸浮在水中，故對清洗溶液也進(jìn)行了收集，蒸干水分，進(jìn)行磁性及礦物測定。本次實驗選擇了古土壤S1中4個樣品、黃土L1中6個樣品，在相同條件下進(jìn)行對比實驗。所有實驗是在室溫下進(jìn)行，樣品烘干也控制在40℃以下。全部樣品的制備和測試在中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室和蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點實驗室完成。

圖1 塔勒德黃土–古土壤位置Fig.1 Location Talede loess-paleosol sequences in Central Asia

3 結(jié)果與分析

3.1 塔勒德探井磁化率與碳酸鹽變化特征

研究塔勒德探井黃土–古土壤序列中磁化率、碳酸鹽、有機(jī)質(zhì)含量的變化特征（圖3），可以看出：χlf的變化范圍是46×10?8～ 98×10?8m3·kg?1，平均含量為73×10?8m3·kg?1。其中古土壤S1層的磁化率呈明顯的雙峰，且低于黃土層，在磁化率曲線中表現(xiàn)為在黃土中均為峰，而在古土壤中為谷，即古土壤層的低頻磁化率值明顯低于黃土層，較黃土高原古土壤值小1～2倍。如古土壤S1層中的磁化率平均值為59×10?8m3·kg?1，遠(yuǎn)低于黃土L1層的75×10?8m3·kg?1。χhf則與χlf表現(xiàn)出相同的變化特征。同時，頻率磁化率χfd% 在整個序列中均較低（為0 ～ 3.87%），平均值為1.22%，遠(yuǎn)小于黃土高原黃土–古土壤序列的頻率磁化率的均值7%（Zhou et al，1990；劉秀銘等，1993）。而在黃土–古土壤序列中碳酸鈣含量則與磁化率相反，其在古土壤中（S0和S1）較高，表現(xiàn)為十分明顯的峰，為6.72% ～14.85%，平均值為11.23%，其特征與黃土高原相反。有機(jī)質(zhì)含量則在整個剖面中含量較低，為0.09% ～ 2.25%，平均值僅為0.30%，因而其對磁化率變化基本影響不大。而通過χlf/(1 – CaCO3% –TOC%)×100%計算得到的χlf*與χlf相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.995，說明碳酸鹽含量不能直接的反應(yīng)其對磁化率的影響。

圖3 塔勒德黃土–古土壤序列磁化率、碳酸鹽、有機(jī)質(zhì)變化特征Fig. 3 Characteristics of magnetic susceptibility, CaCO3and TOC of Talede section

同時，碳酸鹽與磁化率各指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性，特別是在古土壤S0（圖4A）和S1（圖4B）中具有較高的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)–0.789和–0.645，在黃土L1（圖4C）和L2（圖4D）中相關(guān)系數(shù)僅為–0.446和–0.154。

3.2 沉積物中碳酸鹽含量對磁化率的影響

一般認(rèn)為，碳酸鈣和有機(jī)質(zhì)含量的增加會對沉積物中的磁化率值起到稀釋作用，同時古土壤中碳酸鹽淋失和壓實作用會使其磁性增強(qiáng)（Heller et al，1982），并且碳酸鹽最多能使磁化率增加25%（韓家懋等，1991；劉東生，1997；鄧成龍等，2000；旺羅等，2000）。

因此，我們研究了塔勒德黃土–古土壤序列中碳酸鹽含量對磁化率值變化的定量關(guān)系（表1），研究結(jié)果表明：碳酸鹽含量的多少與實驗結(jié)果間無明顯規(guī)律性。在加入蒸餾水后，塔勒德沉積物磁化率值變化都在10%以內(nèi)，樣品中磁化率值減小的最大為10.06%，其余磁化率增大的樣品其增幅較小，最大僅為6.30%，說明塔勒德黃土、古土壤結(jié)果改變對磁化率值影響不大。在加入1 mol·L–1HAc后，所有樣品磁化率值均增加，其最大增幅達(dá)12.89%（黃土），古土壤的磁化率增加9%以上，增加值與樣品中碳酸鹽的含量基本相當(dāng)，說明碳酸鈣可以降低黃土、古土壤的磁化率值約15%左右。而再加入1 mol·L–1HCl后，樣品總體變化在–2.09% ～8.10%，僅有部分樣品磁化率發(fā)生明顯變化，其中有兩個黃土樣品磁化率值分別變化約13%，而一個古土壤的磁化率值卻增大了35%。

通過設(shè)計實驗表明，塔勒德黃土–古土壤序列中碳酸鈣對磁化率總體具有影響，但在黃土、古土壤中影響程度不一，其中黃土約在15%，而對古土壤影響較大，可達(dá)到35%。此研究結(jié)果中，黃土的碳酸鹽影響與碳酸鹽最多能使磁化率增加25%的前人研究結(jié)果一致，但古土壤中碳酸鹽對磁化率的影響更大。

圖4 塔勒德黃土–古土壤層CaCO3與χlf相關(guān)性Fig.4 The correlation of CaCO3and χlfin paleosol (S0, S1) and loess (L1, L2)

表1 碳酸鹽含量影響磁化率實驗結(jié)果Table 1 Results of magnetic susceptibility inf uenced by CaCO3

3.3 塔勒德磁化率特征及影響分析

一般認(rèn)為磁化率變化主要受控于物源及氣候環(huán)境的影響，而在氣候環(huán)境因素中降水對黃土磁學(xué)性質(zhì)有關(guān)鍵性影響（Maher et al，1994， 2003），而氣溫可能對黃土的磁化率成壤增強(qiáng)不起重要作用（Nie et al， 2009）。因此，在物源較為穩(wěn)定的情況下，引起塔勒德古土壤S1層磁化率值小于黃土的原因應(yīng)與氣候環(huán)境密切相關(guān)。在較為干旱的氣候環(huán)境下，塔勒德古土壤和黃土中的碳酸鈣淋濾作用均較弱（史正濤等， 2006），土壤中富含碳酸鹽的水份沿毛細(xì)管向地表運(yùn)動，隨著水份的失去，鹽份在地表被富集，導(dǎo)致土壤碳酸鹽含量增多，加之間冰期溫度較冰期高，蒸發(fā)作用更為強(qiáng)烈，從而表現(xiàn)出古土壤層碳酸鹽含量顯著高于黃土。在間冰期，干旱環(huán)境下塔勒德古土壤在堿性環(huán)境中發(fā)育，使得土壤磁化率沒有得到增強(qiáng)，而且在積鹽的這種堿性環(huán)境中，粉塵中的部分強(qiáng)磁性礦物磁鐵礦、磁赤鐵礦等在生物地球化學(xué)作用下被氧化成了弱磁性礦物赤鐵礦、褐鐵礦等，因而古土壤的磁化率值不但低于剖面中的黃土，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于黃土高原古土壤。其變化機(jī)制可以用阿拉斯加的“風(fēng)速論”來解釋。

同時，通過設(shè)計實驗分析可知塔勒德沉積物中含有易溶礦物，其對磁化率具有一定的影響。稀HAc在實驗中未改變沉積物中大部分磁性礦物的結(jié)構(gòu)與特征，其改變值與碳酸鹽含量基本一致，此結(jié)論也得到了伊犁盆地黃土、古土壤沉積物磁學(xué)研究的證明，即沉積物主要載磁礦物為磁鐵礦，幾乎不含超細(xì)粒超順磁顆粒物，且顆粒整體較粗（Liu et al，2012）。但改變值與碳酸鹽含量間較小的差異也說明碳酸鹽作為反磁性物質(zhì)，其在土壤成壤過程中存在抑制磁化率增強(qiáng)的作用。因氯離子的強(qiáng)配位作用，HCl不僅能溶解沉積物中的次生碳酸鹽物質(zhì)，而且對含鐵的硅酸鹽礦物也有較大的分解作用，從而使得沉積物磁化率變化存在去碳酸鹽的增大和磁性礦物分解的削弱的相互競爭過程，塔勒德剖面各沉積物磁化率值在加入HCl后表現(xiàn)出增大或減小的趨勢。而更好了解伊犁黃土的磁性增減規(guī)律，沉積物中各組分對磁化率的影響還需要對樣品做進(jìn)一步分析研究。

4 結(jié)論

通過對西風(fēng)區(qū)塔勒德黃土–古土壤沉積物磁化率變化特征及影響分析，本文得出以下基本認(rèn)識：塔勒德黃土–古土壤序列中低頻磁化率值在古土壤層（S0除外）中明顯低于黃土層，且較黃土高原古土壤值小1～2倍。頻率磁化率也遠(yuǎn)小于黃土高原，其特征與伊犁盆地其他剖面研究結(jié)果一致。碳酸鈣含量在S1層中含量明顯高于黃土，且較黃土高原古土壤高，且與剖面磁化率負(fù)相關(guān)，在古土壤中相關(guān)度更顯著。間冰期的干旱氣候環(huán)境是形成其磁化率、碳酸鹽分布特征的主要原因。通過設(shè)計實驗表明，塔勒德沉積物中碳酸鈣對磁化率的影響程度不一，在黃土中約在15%，而對古土壤影響較大，最大可達(dá)35%。HAc的添加未改變沉積物中大部分磁性礦物的結(jié)構(gòu)與特征，這與沉積物中載磁礦物為磁鐵礦，不含超細(xì)粒超順磁顆粒物，且顆粒整體較粗研究一致。而HCl對沉積物磁化率的去碳酸鹽的增大和磁性礦物分解的削弱作用的相互競爭過程，使得沉積物磁化率值表現(xiàn)出增大或減小的趨勢。而更好了解伊犁黃土的磁性增減規(guī)律，沉積物中各組分對磁化率的影響還需要對樣品做進(jìn)一步分析研究。

致謝：在分析研究過程中得到了南京師范大學(xué)楊勝利、蘭州大學(xué)高紅山和李瓊的幫助與支持，在此特致謝意!

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Study on the inf uence of carbonate content on magnetic susceptibility of Talede loess-paleosol sequences in westerly area of China

ZHANG Wen-xiang1, SHI Zheng-tao1,2, LIU Yong1, SU Huai1, MING Qing-zhong1
(1. Yunnan Provincial Key Laboratory of Plateau Geographical Process and Environmental Change, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China; 2. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710075, China)

Based on the analysis of carbonate content and magnetic susceptibility of Talede loess-paleosol sequences, the inf uence mechanism of carbonate content on magnetic susceptibility variation of Ili basin was discussed primarily. The results show that low frequency magnetic susceptibility in paleosol was signif cantly lower than the value in loess of section and the Loess Plateau (LP). The frequency magnetic susceptibility of the section is far less than its in LP. In contrast, carbonate content in the paleosol S1was higher than the content of loess of Talede section and the same layer of LP obviously. It is negatively related to magnetic susceptibility, especially in the paleosol. The design experiment of remove carbonate interpreted that magnetic susceptibility varies within 10% after adding distilled water. The magnetic susceptibility values of all samples increased added HAc, and the increment reaches as high as 12.89%, the magnetic susceptibility of paleosol increase more than 9%. The effects of carbonate content on magnetic susceptibility of the section were different after adding HCl. The change rate of loess samples is about 15%, while it is larger inf uence on the paleosol samples, up to 35%. These indicate that carbonate content is not only the dilution effect on the magnetic susceptibility, also associated thecarbonation and secondary carbonatization under the arid climate environment.

magnetic susceptibility; carbonate content; Talede; loess-paleosol sequences

P318；P532

：A

：1674-9901(2014)02-0155-08

10.7515/JEE201402013

2014-02-18

國家自然科學(xué)基金項目（40871018）；黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室開放基金項目（SKLLQG0812）

史正濤，E-mail: shizhengtao@163.com