淺析黃土
—古土壤磁化率影響因素及對(duì)古氣候的指示意義

徐　喬

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

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淺析黃土
—古土壤磁化率影響因素及對(duì)古氣候的指示意義

徐喬

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

[摘要]簡(jiǎn)要論述影響中國(guó)黃土磁化率的機(jī)制及其影響因素，主要包括源區(qū)(本底值)、成壤作用、有機(jī)質(zhì)的含量、和細(xì)菌作用等，并綜合分析這些因素對(duì)古環(huán)境的指示意義，認(rèn)為黃土—古土壤磁化率的高低是在氣候條件為主導(dǎo)的作用下多種因素參與的結(jié)果，并且黃土—古土壤序列磁化率與成壤的關(guān)系不一定適用于大空間尺度的其它氣候區(qū)。

[關(guān)鍵詞]黃土—古土壤；磁化率；影響因子；古氣候

我國(guó)黃土是由多層黃土與多層古土壤疊覆而形成的, 也稱(chēng)“黃土古土壤”序列，它能夠反映陸相地層中古氣候的演化。黃土古土壤序列對(duì)于認(rèn)識(shí)第四紀(jì)地球氣候與環(huán)境變化具有重要的意義，也是其三個(gè)重要信息載體之一，目前有大量研究都以黃土古土壤序列作為研究手段，對(duì)東亞季風(fēng)氣候的形成和演化及影響其變化的因素和機(jī)制、第四紀(jì)歷史中出現(xiàn)的氣候突變事件以及對(duì)我國(guó)內(nèi)陸干旱化氣候歷史的反演都具有極大的作用[1]。有大量研究顯示土壤磁化率的高低和土壤化的強(qiáng)弱存在聯(lián)系，并由此反演沉積物形成時(shí)的氣候情況。近年來(lái)，不少研究者將黃土剖面的磁化率曲線(xiàn)與深海沉積物的氧同位素記錄曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，該方法在第四紀(jì)古氣候研究中應(yīng)用中取得了較好的效果，但由于磁化率的形成機(jī)制較為復(fù)雜，對(duì)不同類(lèi)型沉積物磁化率進(jìn)行的解釋可能存在較為明顯的差異[2-4]，且有多種因素共同影響著磁化率的高低，在使用黃土磁化率作為恢復(fù)古氣候的替代指標(biāo)時(shí)應(yīng)更加慎重。

圖1　磁鐵礦的磁化率(單位重量)與

1黃土磁化率差異形成機(jī)制

中國(guó)黃土中的大部分礦物質(zhì)都具有一定的磁化率[5],在這些礦物中，鐵磁性礦物的磁化率一般要比其他礦物高出很多個(gè)數(shù)量級(jí)，而弱磁性礦物對(duì)黃土磁化率的影響幾乎是可以忽略不計(jì)的。也就是說(shuō),磁鐵礦和磁赤鐵礦決定了黃土的磁化率高低，雖然它們的含量很少，但對(duì)其磁化率的大小具有決定性的作用[5]。

影響黃土磁化率大小的因素除了磁鐵礦、磁赤鐵礦的含量外，這些礦物粒徑的大小也是很重要的影響因素。從圖1中我們可以看到，磁鐵礦在0.03～0.01 μm和125～16 μm處呈現(xiàn)出兩個(gè)峰值,其中前者的峰值明顯高于后者[5],這就說(shuō)明，在磁鐵礦含量不變的情況下，粒徑變小至0.01～0.03 μm 時(shí)就會(huì)成為超順磁顆粒，這種顆粒也會(huì)導(dǎo)致磁化率成倍增加(見(jiàn)圖1)。

2我國(guó)黃土-古土壤磁化率與第四紀(jì)

古氣候關(guān)系

在以往的研究中，研究者們普遍認(rèn)為古土壤與黃土分別代表了兩類(lèi)不同的氣候環(huán)境，具體表現(xiàn)為：古土壤的磁化率較高，說(shuō)明其土壤化程度較強(qiáng)，所以代表了較為溫暖潮濕的氣候，而黃土的磁化率較低，所以代表的是較為干燥寒冷的氣候，其機(jī)制為溫濕程度較強(qiáng)的地區(qū)的土壤中會(huì)生成較多的磁性礦物，且這種磁性礦物的粒徑較小，使得磁化率增高，而干旱的地區(qū)則剛好相反。但是目前的一些研究則表明，土壤中的磁性礦物的含量及粒徑并不僅僅受控于溫度和濕度，還受到了一系列復(fù)雜因素的制約，在利用磁化率反演古氣候時(shí)應(yīng)對(duì)這些因素都加以考慮[7]。

3中國(guó)黃土磁化率影響因素

3.1源區(qū)(本底值)的區(qū)別

發(fā)育于不同類(lèi)型母巖的風(fēng)化-成壤成因表層土壤磁學(xué)性質(zhì)之間存在顯著差異，各磁化率參數(shù)與氣候條件參數(shù)之間的關(guān)系大不一樣，在大空間尺度進(jìn)行磁學(xué)與氣候條件的關(guān)系研究時(shí)，必須充分考慮地質(zhì)背景與母巖類(lèi)型的差異。雖然沉積巖風(fēng)化-成壤表層土壤頻率磁化率與年降水量和年均氣溫之間的顯著正相關(guān)關(guān)系與中國(guó)黃土高原地區(qū)黃土-古土壤序列的研究結(jié)果基本一致，但發(fā)育于花崗巖和玄武巖的表層土壤磁化率性質(zhì)與降水量和年均溫等氣候參數(shù)之間的關(guān)系則與中國(guó)黃土高原地區(qū)黃土-古土壤序列的研究結(jié)果大不相同．發(fā)育于花崗巖的表層土壤非磁滯剩磁磁化率與年降水量和年均溫間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；而發(fā)育于玄武巖的表層土壤非磁滯剩磁磁化率與年降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。吉云平等對(duì)不同沉積類(lèi)型的土壤的磁化率也做過(guò)研究，其研究結(jié)果表明，湖泊沉積、河流沉積、風(fēng)沙沉積和南方紅土等的磁化率所受的影響因素也是有很大差異的。湖泊沉積物種磁化率的變化機(jī)制是和孢粉等指標(biāo)相關(guān)的，河流沉積物與水動(dòng)力條件和地貌條件等有著很密切的關(guān)系，風(fēng)沙沉積中的沉積物粒度與磁化率相關(guān)，在指示風(fēng)力和風(fēng)向時(shí)可以有參考價(jià)值，而紅土由于形成過(guò)程復(fù)雜且經(jīng)受了多次的淋濾，其磁化率對(duì)古環(huán)境的指示意義是十分有限的。因此，被中國(guó)黃土-古土壤序列古土壤層磁化率普遍增強(qiáng)的被廣泛認(rèn)可的“成壤模式”機(jī)制不一定適用于大空間尺度的其他氣候區(qū)域[8]，而應(yīng)共同考慮多種影響因素做以綜合分析。

3.2成壤作用的影響

1990年，周立平等通過(guò)對(duì)古土壤中大量超順磁物質(zhì)的研究，發(fā)現(xiàn)磁化率的增強(qiáng)受到了成壤作用的影響[9]，隨后，隨著各類(lèi)研究的不斷深入，韓家懋等人的研究也證實(shí)古土壤中的鐵赤鐵礦等大部分強(qiáng)磁性礦物對(duì)古土壤磁化率增強(qiáng)具有重要影響[10]。

在我國(guó)中酸性巖地臺(tái)區(qū)發(fā)育的黃土，其物質(zhì)成分主要為鐵橄欖石、角閃石、黑云母等含鐵硅酸鹽。含鐵硅酸鹽中二價(jià)鐵會(huì)在溫暖潮濕的氣候下很容易被三價(jià)鐵所置換，其結(jié)果是逐漸形成強(qiáng)磁性礦物，從而對(duì)磁化率產(chǎn)生較大影響[1]。在西安的劉坡剖面的研究中可以發(fā)展，其古土壤中所含的全氧化鐵要比黃土高出好幾個(gè)等級(jí)，這也就說(shuō)明，一些不穩(wěn)定礦物如含鐵硅酸鹽等會(huì)在成壤過(guò)程中,逐漸發(fā)生風(fēng)化分解,二價(jià)鐵離子會(huì)被氧化成三價(jià)鐵離子，這種變化會(huì)隨著成壤作用的不斷增強(qiáng)而增強(qiáng)，而且成壤作用越強(qiáng),磁化率也會(huì)隨著該分解轉(zhuǎn)化作用的增強(qiáng)而逐漸升高。

機(jī)械風(fēng)化作用過(guò)程中是很難生成超順磁顆粒的，在古土壤中之所以能夠產(chǎn)生大量的超順磁顆粒，主要是歸因于成壤作用對(duì)其產(chǎn)生的影響[12]。超順磁顆粒產(chǎn)生的原因是在成壤作用的過(guò)程中，一些生物和化學(xué)作用會(huì)導(dǎo)致一些不穩(wěn)定礦物之間產(chǎn)生相互作用而逐漸發(fā)生分解,形成強(qiáng)磁化礦物，導(dǎo)致磁化率的升高。在本文前面的磁化率機(jī)制中說(shuō)過(guò)，磁鐵礦和磁赤鐵礦的含量和粒徑對(duì)磁化率大小起決定性因素。在成壤過(guò)程中，會(huì)在原地形成大量的強(qiáng)磁性以及超順磁性的磁鐵礦物,這些礦物會(huì)使得磁化率不斷變大。除此以外由于我國(guó)西北地區(qū)的黃土風(fēng)成機(jī)制，導(dǎo)致黃土層中存在由風(fēng)力輸入的磁源性礦物，這些磁源性礦物的粒徑變化較大，對(duì)土壤的磁化率也會(huì)產(chǎn)生較大影響。由此我們得出，黃土古土壤的磁化率與成壤作用是成正相關(guān)的。所以在研究磁化率與古氣候的變化時(shí)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)赝寥赖某扇莱潭冗@一因素。

3.3有機(jī)質(zhì)的含量

當(dāng)古土壤處于發(fā)育期時(shí)，其溫暖潮濕的氣候會(huì)促進(jìn)植被生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致土壤中的有機(jī)質(zhì)含量增高。而當(dāng)處于黃土發(fā)育期時(shí)，植被的稀少導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的含量也相對(duì)降低。所以磁化率大小是隨著有機(jī)質(zhì)含量的增高而增高，二者存在正相關(guān)性，也就是說(shuō)有機(jī)質(zhì)含量的最高值應(yīng)該對(duì)應(yīng)于磁化率的“波峰”，相應(yīng)的，其最高值則對(duì)應(yīng)于磁化率的“波谷”[12]。

胡雪峰等曾對(duì)黃土高原的靈臺(tái)剖面做過(guò)研究，其結(jié)果表明,有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤的磁化率有著較大的影響，它們之間之間存在非常顯著的正相關(guān)性。曹繼秀等[13]在對(duì)塬堡的黃土剖面進(jìn)行研究時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了這二者表現(xiàn)曲線(xiàn)之間的正相關(guān)性, 他們當(dāng)時(shí)認(rèn)為這應(yīng)該是成壤作用的所導(dǎo)致的，后續(xù)研究則認(rèn)為其可能與土壤中的有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。除此以外，還有研究表明，在細(xì)胞外的生物誘導(dǎo)作用和細(xì)胞內(nèi)的生物控制作用下，將三價(jià)鐵離子進(jìn)行還原后，是可以以生物的形式合成磁鐵礦物的[14]，而且所合成的磁鐵礦物的絕大多數(shù)為超順磁礦物。堯德中等[15]認(rèn)為, 在土體中所存在的細(xì)菌物質(zhì)、部分軟體動(dòng)物、節(jié)肢動(dòng)物甚至脊索動(dòng)物都有可能在其體內(nèi)自發(fā)合成磁鐵礦。除此以外，一些化學(xué)因素也會(huì)對(duì)磁化率產(chǎn)生影響，如在巖石風(fēng)化并形成土壤的過(guò)程中會(huì)形成一些無(wú)定形鐵，這些無(wú)定形鐵在老化為氧化鐵時(shí),如果存在有機(jī)質(zhì)，則有可能轉(zhuǎn)化為磁赤鐵礦。但還存在一些有機(jī)質(zhì)，它們會(huì)阻礙磁性礦物的老化，因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)會(huì)被吸附到無(wú)定形水合氧化鐵上，從而使得氧化鐵晶核的生長(zhǎng)受到阻礙，導(dǎo)致無(wú)定形鐵很難老化為針鐵礦，進(jìn)而導(dǎo)致針鐵礦、磁赤鐵礦向赤鐵礦的轉(zhuǎn)化。所以在研究磁化率與古氣候的變化時(shí)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)赝寥乐杏袡C(jī)質(zhì)含量多少這一因素。

3.4細(xì)菌作用

目前的研究表明，存在多種細(xì)菌會(huì)促進(jìn)強(qiáng)磁性礦物或者是富鐵性礦物形成。其原理有可能是在細(xì)菌的細(xì)胞內(nèi)部，存在著一些磁性顆粒，這些磁性顆粒恰好處于超順磁性與0.03 μm的單籌界限附近，從而導(dǎo)致在細(xì)菌內(nèi)部生成一些磁鐵礦和膠黃鐵礦，由于這些礦物的磁效率等級(jí)較高，這種由細(xì)菌所引起的礦化作用也被稱(chēng)為生控礦化作用。除此以外，在細(xì)菌的代謝活動(dòng)中，一些鐵的化合物被反復(fù)的氧化還原，導(dǎo)致這些鐵離子游離到細(xì)胞外部，并且在細(xì)胞外逐漸形成生物磁小體性的生物。相對(duì)于生控礦化作用，這種礦化作用受生物的影響要弱一些，所以也被稱(chēng)為生導(dǎo)礦化作用。在陜西段家坡黃土-古土壤的研究中，研究者們對(duì)趨磁細(xì)菌的生物特性和地球化學(xué)特性進(jìn)行了分析，其分析結(jié)果表明，帶有磁小體的趨磁細(xì)菌大量的存在與古土壤中，其含量要明顯高于黃土中的含量，這也強(qiáng)有力地證明了生物成因?qū)磐寥来呕实脑鰪?qiáng)存在顯著的作用[16]。

4結(jié)語(yǔ)

(1)磁化率是環(huán)境磁學(xué)研究中較為常用的指標(biāo)之一，但是其解釋和意義較為復(fù)雜，不同的地區(qū)存在明顯的不同。

(2)土壤的磁化率大小主要受磁鐵礦、磁赤鐵礦的含量和粒徑大小等因素的影響，以往的研究對(duì)于土壤中磁性礦物性質(zhì)的影響主要?dú)w因?yàn)闅夂虻母蓾窭渑兓?，但最新的研究表明磁化率還受控于多種復(fù)雜因素。

(3)土壤中磁鐵礦、磁赤鐵礦的含量和粒徑大小還受到源區(qū)的區(qū)別、成壤作用、有機(jī)質(zhì)含量和細(xì)菌作用等的影響。在使用磁化率解釋古氣候演化、指示第四紀(jì)地球氣候與環(huán)境變化時(shí)應(yīng)持慎重態(tài)度，且應(yīng)依據(jù)不同類(lèi)型的沉積物特征及相應(yīng)的磁化率指示意義等進(jìn)行分析。

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[中圖分類(lèi)號(hào)]P642.13+1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)02-0228-03

[作者簡(jiǎn)介]徐喬(1989-)，女，江蘇灌云人，在讀碩士研究生，主攻方向：礦物、巖石研究。

[收稿日期]2015-12-24