淳化黃土—古土壤序列黏土礦物分布特征及古環(huán)境意義*

張青青 黃菁華 姚 軍 胡斐南 霍 娜 尚應(yīng)妮 常聞謙趙世偉?

（1 中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）

（2 西北農(nóng)林科技大學(xué)，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）

（3 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

（4 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100）

黃土高原完整的黃土-古土壤序列是記錄第四紀(jì)生物氣候環(huán)境變化的良好信息載體之一，常用來探討黃土高原第四紀(jì)季風(fēng)氣候與成壤環(huán)境的變化規(guī)律，揭示該地區(qū)古氣候環(huán)境的演化模式［1-2］。目前，科學(xué)工作者已通過分析黃土-古土壤地層中的粒度、磁化率、分子化石、顏色、氮穩(wěn)定同位素等的分布特征，對黃土-古土壤序列中蘊含的古氣候環(huán)境信息進行了一系列研究［3-7］。而近年來，有關(guān)黏土礦物在沉積物中的分布特征及其對古環(huán)境氣候的指示意義也得到了日益廣泛的關(guān)注。黏土礦物作為地表風(fēng)化作用中的產(chǎn)物，廣泛存在于第四紀(jì)沉積物中，且其形成和轉(zhuǎn)化與氣候條件等因素密切相關(guān)［8］。氣候（主要是溫度和降雨量）對黏土礦物的類型與含量起決定性作用。在不同氣候條件下，由于風(fēng)化作用的類型和強度不同，從而沉積物的發(fā)育程度不同，進而導(dǎo)致形成的黏土礦物類型及結(jié)構(gòu)特征也有所差異［9］。與其他古氣候替代指標(biāo)，例如孢粉等相比，黏土礦物不僅可以指示較長時間尺度氣候環(huán)境的演變，也可作為短時間尺度（幾十年）的氣候變化指標(biāo)［10］，并因其可以剔除后期沉積、成壤的影響，以及其亞結(jié)構(gòu)對環(huán)境變化非常敏感等優(yōu)點，已被廣泛地應(yīng)用于古氣候方面的研究［11］。

已有研究發(fā)現(xiàn)我國不同氣候帶黃土中的黏土礦物組合具有明顯的地帶性特征［12］。黃土中的黏土礦物組合特征及其含量不僅可反映物源的古環(huán)境信息，也可指示黃土堆積期后的生物氣候環(huán)境。殷科等［13］通過研究臨夏地區(qū)黃土-古土壤沉積物的黏土礦物相對含量變化特征，推測出末次間冰期以來臨夏地區(qū)可能經(jīng)歷相對暖濕－冷干－相對暖濕－冷干的氣候轉(zhuǎn)變。孫仲秀［14］對東北風(fēng)成黃土-古土壤黏土礦物的變化特征進行分析，研究表明：夏季風(fēng)強烈時期古土壤層的伊利石的含量、I/C值較高，冬季風(fēng)強烈時期黃土層的伊利石的含量、I/C值較低，且黏土礦物所反映的氣候變化特征與古氣候指標(biāo)深海氧同位素曲線反映的冰期－間冰期的交替特征相一致。因此研究黃土沉積物中黏土礦物的組成、含量及晶型結(jié)構(gòu)特征，對于推測黃土形成時期不同地區(qū)的氣候環(huán)境具有重要意義。但目前有關(guān)黃土-古土壤中黏土礦物與第四紀(jì)氣候環(huán)境的研究區(qū)仍以黃土高原的中部以及北部為主，對水熱條件相對較好的黃土高原南緣區(qū)域研究較少。已有少數(shù)關(guān)于黃土高原南部地區(qū)黃土沉積物的研究，包括地磁學(xué)、古生物學(xué)等方面特征的研究，也多集中于探索全新世時期古氣候的演變規(guī)律［15-16］，而較少有關(guān)于更新世時期古氣候環(huán)境的報道。

因此，本文以黃土高原南緣的陜西淳化黃土-古土壤剖面為研究對象，通過分析剖面上不同黃土層與古土壤層中黏土礦物的含量與組合類型、伊利石與綠泥石的比值（I/C值）以及伊利石結(jié)晶度（IC值）的變化，探討不同土層黏土礦物特征所對應(yīng)的氣候變化規(guī)律，揭示早更新世至中更新世淳化黃土-古土壤序列形成與該地區(qū)古氣候環(huán)境演變的對應(yīng)關(guān)系，為全面認(rèn)識更新世黃土高原不同地區(qū)的氣候環(huán)境演變提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣品采集

供試土壤采自淳化黃土-古土壤剖面，該剖面位于陜西咸陽北部的淳化縣秦莊溝（34°48′07″N，108°41′28″ E），屬于黃土高原南部地區(qū)（圖1）。剖面總厚度約82 m，自下而上包括：早更新世午城黃土、中更新世離石黃土、晚更新世馬蘭黃土以及全新世黃土（即WL-3～S0），屬于發(fā)育連續(xù)且完整的黃土-古土壤地層序列。該區(qū)主要受東亞季風(fēng)影響，屬于暖溫帶半濕潤氣候，年平均氣溫10.4℃，年均降水量為610 mm，降雨多集中在7—9月份且多以暴雨形式出現(xiàn)。

本研究選取淳化剖面形成于早更新世早期至中更新世的黃土與古土壤層的土壤樣品（WL-3～S1）進行分析。其中復(fù)合古土壤層S5依據(jù)土層特征劃分為上、中、下三層采樣，分別標(biāo)記為S5-1、S5-2、S5-3，除S9與L10每層采集6個樣品外，其余土層均按厚度每層均勻采集3個樣品作為重復(fù)，共采集土樣114個。將采集到的土壤樣品自然風(fēng)干，去除根系和石礫過2 mm孔篩，磨細待用。

本研究剖面所取樣各層的特征自上而下描述如下：

（1）離石黃土上部：

S1：10YR 5/6，棱柱狀結(jié)構(gòu)，黏粒膠膜和次生碳酸鹽隨裂隙和生物孔隙發(fā)育，厚0.91 m。

L2：7.5YR 7/4，疏松，多孔，碳酸鹽呈白色小點分布，厚6.50 m。

S2：7.5YR 6/4，黏化層團粒結(jié)構(gòu)明顯，碳酸鹽呈白色斑點，底部鈣結(jié)核稀疏分布，厚2.00 m。

L3：10YR 6.5/4，疏松，多孔，有少量碳酸鈣小結(jié)核，厚3.92 m。

S3：7.5YR 6/6，底部鈣結(jié)核稀疏分布，厚1.90 m。

L4：10YR 7/4，多蟲孔，碳酸鈣結(jié)核分布于頂部，底部有少量的蝸牛化石，厚3.30 m。

圖1 淳化黃土-古土壤剖面地理位置及照片F(xiàn)ig. 1 Location and photographs o f the Chunhua loess-paleosol profile

S4：10YR 5.5/6，可見蚯蚓孔道和昆蟲形成的丸粒，零星分布有菌絲狀和管狀碳酸鹽，厚2.30 m。

L5：7.5YR 7/4，頂部有淺白色滲透狀的鈣結(jié)核，底部含疏松的碳酸鹽滲透物，厚4.20 m。

離石黃土下部：

S5-1：S5復(fù)合古土壤層第一層，10YR 5.5/6，紅黑色鐵錳膠膜沿節(jié)理、裂隙分布，厚2.33 m。

S5-2：S5復(fù)合古土壤層第二層，10YR 6/6，有鐵錳物質(zhì)分布，厚2.08 m。

S5-3：S5復(fù)合古土壤層第三層，7.5YR 6/6，未見白色碳酸鈣分布，厚1.97 m。

L6：7.5YR 7/4，有黑色鐵錳質(zhì)斑點分布，厚4.50 m。

S6：7.5YR 6/6，黏粒膠膜較少，底部有少量鈣質(zhì)結(jié)核，厚1.05 m。

L7：7.5YR 7/3，致密結(jié)實，碳酸鹽呈斑狀或沿孔分布，厚1.93 m。

S7：7.5YR 6/4，白色鈣膜呈網(wǎng)脈和薄膜狀分布，未見黏粒膠膜，厚1.08 m。

L8：7.5YR 7/4，白色碳酸鹽呈細網(wǎng)狀分布，厚1.94 m。

S8：7.5YR 6/6，白色碳酸鹽沿裂隙、孔洞分布，厚1.50 m。

L9：上砂質(zhì)黃土層，10YR 7/3，具有少量大孔和大量黑褐色小斑點，底部有紅色黏質(zhì)丸粒，少量鈣質(zhì)小結(jié)核零星分布，厚5.75 m。

S9：7.5YR 6/6，有大孔、根孔和蟲孔分布，厚1.55 m。

L10：7.5YR 6.5/4，有少量斑狀白色碳酸鹽、菌絲及零星小結(jié)核，厚1.15 m。

S10：7.5YR 6/6，根孔、蟲孔發(fā)育，碳酸鹽沿根孔或呈白點狀分布，厚1.55 m。

L11：7.5YR 7/4，白色碳酸鹽沿根孔分布，含少量黑褐色錳質(zhì)斑點，厚4.00 m。

S11：7.5YR 6/4，少量碳酸鹽沿根孔分布，厚0.70 m。L12：10YR 7/4，有碳酸鹽菌絲分布，厚1.25 m。S12：7.5YR 7/4，碳酸鹽以假菌絲狀分布，厚0.80 m。

L13：7.5YR 7/4，底部近古土壤處有紅色黏土質(zhì)摻雜，厚1.10 m。

S13：7.5YR 6/6，有花瓣結(jié)構(gòu)，厚0.70 m。

L14：7.5YR 7/4，有紅色黏土質(zhì)混雜現(xiàn)象，厚1.50 m。

S14：7.5YR 6/6，碳酸鹽呈菌絲狀分布，厚0.80 m。

L15：下砂質(zhì)黃土層，7.5YR 7/4，具有大量黑色小點，碳酸鹽呈斑點和菌絲狀分布，含零星小結(jié)核，厚7.60 m。

（2）午城黃土：

WS-1：7.5YR 6/6，厚0.60 m。WL-1：7.5YR 7/4，厚1.00 m。WS-2：7.5YR 7/4，厚0.70 m。WL-2：7.5YR 7/4，厚1.90 m。WS-3：7.5YR 6/6，厚0.70 m。WL-3：7.5YR 7/3，厚1.40 m。

1.2 實驗與測試方法

取10 g過2 mm孔篩的土壤樣品，分別用0.2 mol·L-1的稀鹽酸和10%的雙氧水去除碳酸鹽和有機質(zhì)，用0.5 mol·L-1氫氧化鈉調(diào)節(jié)土壤懸液pH為7.3，經(jīng)過超聲波分散，根據(jù)Stokes自由沉降法提取小于2μm黏粒。將黏粒分別制成鎂飽和甘油定向片（Mg-glycerol）、鉀飽和定向片（K-25℃），以及鉀飽和定向片加熱300℃和500℃（2h）（K-300℃、K-500℃）共四種處理進行分析。黏土礦物的分析測試均在中國科學(xué)院南京土壤研究所進行，應(yīng)用日本理學(xué)Ultima IV射線衍射儀進行測試分析，儀器參數(shù)設(shè)置為X光管：Cu靶，管壓40 kV，管流40 mA，濾波：石墨單色器，掃描步長0.02°，掃描速度2°· min-1。

分析土壤樣品的四種處理的 X 射線衍射圖譜特征峰，根據(jù)所得的衍射數(shù)據(jù)（晶面間距d值和相對強度）與礦物的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)（國際衍射數(shù)據(jù)中心ICDD，粉末衍射文件PDF）進行對比鑒定礦物種類，并通過分析Mg-glycerol處理樣品中礦物的最強衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)礦物最強衍射峰比值求得各礦物的相對百分含量。

伊利石結(jié)晶度用Kübler指數(shù)來表征，即用Mg-glycerol圖譜1.0 nm衍射峰處的半高寬表征［17］（IC，單位為°?2θ）。根據(jù)Diekmann等［18］分類標(biāo)準(zhǔn)，IC ＜ 0.4°?2θ，表示伊利石結(jié)晶度非常好，0.4°?2θ ＜ IC ＜ 0.6°?2θ，表示伊利石結(jié)晶度好，0.6°?2θ ＜ IC ＜ 0.8°?2θ，表示伊利石結(jié)晶度中等，IC ＞ 0.8°?2θ，表示伊利石結(jié)晶度差。

2 結(jié) 果

2.1 黏土礦物定性特征

本研究中，依據(jù)土壤樣品X衍射圖譜衍射峰的位置變化來對黏土礦物進行定性分析。結(jié)果表明，淳化黃土-古土壤剖面不同土層間的黏土礦物種類較為相似，除S3和WL-1土層中不存在蒙脫石或含有極少量檢測不出來的蒙脫石，其余黃土與古土壤層均含有伊利石、蒙脫石、高嶺石、綠泥石、蛭石。本文以古土壤S3和黃土L4為例描述黏土礦物的定性分析結(jié)果（圖2）。在這兩個土層的四種圖譜中均存在1.0 nm、0.5 nm、0.33 nm的衍射峰，且位置未發(fā)生變動，表明黏土礦物中伊利石的存在。在圖2b中，Mg-glycerol圖譜1.8 nm處有弱的寬峰及較高的背景基臺值，K-25℃飽和處理后的1.8 nm衍射峰收縮至1.0 nm，這說明黃土層L4中含有少量的弱晶型蒙脫石和(或)伊/蒙混層礦物［19］。而在圖2a中，Mg-glycerol圖譜中1.8 nm衍射峰不存在，表明S3不含或含有極少量檢測不出來的蒙脫石。相對于Mg-glycerol圖譜，K-25℃圖譜中1.4 nm峰的峰強減弱，并向低d值偏移，使得1.0 nm峰峰強相對增強，K-300℃圖譜中1.0 nm處出現(xiàn)了一個強峰，這說明該土層同時含有蛭石類礦物和綠泥石，在K-500℃圖譜中仍有1.4 nm峰的存在表明黏土礦物中含有綠泥石。Mg-glycerol圖譜中0.71 nm的峰在K-500℃處理的圖譜中消失，這意味著存在一定量的高嶺石。0.425 nm處微弱峰的存在說明含有少量的石英。

2.2 黏土礦物的相對含量分布特征

圖2 淳化剖面代表性土壤樣品黏土礦物X射線衍射圖Fig. 2 XRD patterns of the clay minerals in representative soil samples of the Chunhua profile

淳化黃土-古土壤剖面不同土層黏土礦物半定量的分析結(jié)果（圖3）表明，剖面不同土層的黏土礦物組合類型和數(shù)量存在差異。在整個黃土-古土壤剖面上，黏土礦物以伊利石為主（26%～63%），其次是蒙脫石（0～39%），綠泥石（2%～21%）與高嶺石（1%～19%）含量相近，蛭石含量相對較少。總體上，古土壤層中的蒙脫石和綠泥石含量低于下伏黃土層，而伊利石、蛭石含量高于下伏黃土層，高嶺石含量雖在古土壤層中含量略高，但總體差別不明顯。整個剖面從下往上蒙脫石含量總體呈減少趨勢，伊利石含量經(jīng)歷了由小（WL-3～L11）－大（S10～S5-1）－小（L5～S1）的變化，蛭石含量則表現(xiàn)出相反的趨勢：由大（WL-3～L11）－小（S10～S6）－大（L6～S1）。高嶺石含量在剖面不同土層中隨時間尺度的變化趨勢與綠泥石基本相同，呈增高趨勢。根據(jù)剖面垂向黏土礦物含量變化特征，可將剖面上所有土層分為3個階段進行分析：

階段Ⅰ：WL-3～L11，形成于早更新世至中更新世早期，此時各黏土礦物的相對含量波動幅度較小，特別是綠泥石、高嶺石和蛭石。伊利石的變化范圍為26%～46%，平均含量為37.3%；蒙脫石的變化范圍為0～39%，平均為25.7%；綠泥石的變化范圍為11%～18%，平均值為12.9%；高嶺石的變化范圍為10%～17%，平均為11.3%；蛭石的變化范圍為7%～10%，平均為8.3%。總體上，階段I的黏土礦物組合類型為伊利石－蒙脫石－綠泥石－高嶺石－蛭石。

階段Ⅱ：S10～S5-1，形成于中更新世的中期，此時各黏土礦物的相對含量波動幅度仍較小，黏土礦物組合類型仍為伊利石－蒙脫石－綠泥石－高嶺石－蛭石，相較于階段I，伊利石的含量變高，蒙脫石、綠泥石、高嶺石以及蛭石的含量降低。主要表現(xiàn)為：伊利石相對含量變化范圍為40%～63%，蒙脫石為12%～34%，綠泥石為2%～12%，高嶺石為1%～16%，蛭石為2%～11%。

階段Ⅲ：L5～S1，形成于中更新世的晚期，各黏土礦物的相對含量在不同土層間波動強烈。該階段土壤中黏土礦物仍以伊利石為主，相對含量變化范圍為35%～56%。蒙脫石為0～29%，綠泥石為11%～21%，高嶺石為9%～19%，蛭石為5%～24%。相較于階段Ⅰ和階段Ⅱ，此階段的綠泥石、高嶺石以及蛭石含量增加，蒙脫石含量降低。至于伊利石，其含量介于階段Ⅰ和階段Ⅱ之間。此時的黏土礦物組合類型為伊利石－綠泥石－蛭石－高嶺石－蒙脫石。

2.3 伊利石/綠泥石（I/C）的分布特征

圖4表明，淳化黃土-古土壤剖面上古土壤層伊利石/綠泥石（I/C值）在1.55～7.29之間，黃土層變化幅度則更為顯著，為1.86～31.50。在整體趨勢上，古土壤層的I/C值高于其下伏黃土層。同黏土礦物的相對含量劃分階段一樣，I/C值在剖面上的變化也可以劃分為同樣的3個階段：在I階段，I/C值波動不大，介于1.86～3.73之間；在II階段I/C波動幅度較大，介于3.64～35.10之間，相對I階段I/C值有所增加且在L7時期，I/C達到了最大；在III階段 I/C逐漸降低，介于1.55～5.09之間，波動幅度介于I階段和II階段之間。

圖3 淳化黃土-古土壤黏土礦物相對含量變化曲線Fig. 3 Variation curves of relative contents of the clay mineral in the Chunhua loess-paleosol profile

圖4 淳化黃土-古土壤伊利石/綠泥石（I/C）及伊利石結(jié)晶度特征（IC值）與其他氣候指標(biāo)的對比Fig. 4 Comparison of I/C ratios and IC value in the Chunhua loess-paleosol profile with other climate indexes

2.4 伊利石結(jié)晶度的分布特征

圖4表明，淳化剖面古土壤層的I C值在 0.3 7°? 2 θ ～ 0.5 8°?2 θ 之 間 ， 黃 土 層 為0.36°?2θ～0.54°?2θ，且古土壤層的伊利石結(jié)晶度IC值明顯低于其下伏黃土層。淳化剖面黃土及古土壤層的伊利石結(jié)晶度均屬于非常好與好之間的過渡類型。與黏土礦物的相對含量以及I/C值相似，在整個剖面上IC值也劃分為同樣的3個階段。在I階段，IC值較低，且波動幅度較小，介于0.37°?2θ～0.45°?2θ之間；在II階段，IC值逐漸變大，且波動幅度變大，介于0.37°?2θ～0.58°?2θ之間；至III階段，IC值又開始變小，介于0.36°?2θ～0.48°?2θ之間，且平均值低于階段I。

3 討 論

3.1 淳化剖面黏土礦物相對含量分布特征及其古環(huán)境意義

黏土礦物廣泛存在于第四紀(jì)沉積物中，在沉積和埋藏作用過程中可發(fā)生轉(zhuǎn)變，其形成和轉(zhuǎn)化與所處環(huán)境變化密切相關(guān)。近年來，黏土礦物已成為研究古環(huán)境變化的一類重要指標(biāo)，科研工作者通過調(diào)查沉積物中黏土礦物的成分、組合特征、含量變化以及結(jié)晶度來研究古氣候環(huán)境，取得了一系列成果［23-24］。在黏土礦物中，伊利石是一種較穩(wěn)定的礦物，由母質(zhì)中硅酸鹽礦物在弱堿性、氣溫較低及少雨的環(huán)境條件下風(fēng)化形成，因此，氣候寒冷干燥、淋濾作用弱有利于伊利石的形成和保存［25］。而如果氣候轉(zhuǎn)為濕熱，伊利石晶格混層中的K+不斷淋失時可導(dǎo)致其向蛭石及蒙脫石發(fā)生轉(zhuǎn)化。如果濕熱氣候進一步持續(xù)或加劇，化學(xué)風(fēng)化將進行的更加徹底，層間堿金屬(主要為K+)繼續(xù)流失，伊利石可進一步轉(zhuǎn)變?yōu)楦邘X石。蒙脫石形成于富鹽基、堿性介質(zhì)條件下，由云母類礦物脫鉀或由輝石、角閃石轉(zhuǎn)化而成，氣候溫涼有利于蒙脫石的積累［26］，但相比伊利石的累積環(huán)境則要溫暖濕潤一些。綠泥石的形成環(huán)境與伊利石相似，在風(fēng)化作用過程中，水鎂片內(nèi)的二價鐵易被氧化，因此綠泥石只在化學(xué)風(fēng)化作用受到抑制的地區(qū)（如冰川或干旱的地表）保存下來［27］。綠泥石同伊利石一樣指示寒冷干旱的氣候環(huán)境。高嶺石是由長石、云母和輝石在潮濕氣候環(huán)境和酸性介質(zhì)中強烈淋濾而成，常指示高溫多雨、強烈風(fēng)化的環(huán)境，其主要分布于熱帶和亞熱帶土壤［28］。蛭石是在微酸性環(huán)境中淋濾而形成的，大多產(chǎn)生于云母和水云母的進一步脫鉀，也可以由蒙脫石或綠泥石轉(zhuǎn)變而來，屬于中等風(fēng)化強度的產(chǎn)物，主要分布于溫帶和亞熱帶地區(qū)土壤中［29］。

本研究發(fā)現(xiàn)，淳化黃土-古土壤剖面上不同土層黏土礦物類型相似，但礦物相對含量變化特征在三個階段差異顯著，這也指示了黃土高原淳化地區(qū)從早更新世以來古氣候的階段性變化。在階段I，黏土礦物以伊利石和蒙脫石為主，綠泥石和高嶺石為輔，反映了淳化早更新世到中更新世早期持續(xù)性的溫涼的氣候。階段II，黏土礦物仍以伊利石和蒙脫石為主，綠泥石與高嶺石相差不大。但與I階段相比，階段II含有較少的蒙脫石與綠泥石，較高的伊利石，表明降雨量增加，化學(xué)淋濾作用增強［30］，淳化在中更新世的中期氣候相對早更新世階段更為溫濕。階段III黏土礦物以伊利石和綠泥石為主，與階段I相比，所受的化學(xué)風(fēng)化程度較弱，表明淳化在中更新世的晚期氣候相對早更新世及中更新世早期更趨于干冷。總體上，黏土礦物的組合影響因素較多，這一定程度上影響其對古氣候事件的分辨率，因此，在分析黏土礦物類型與相對含量基礎(chǔ)上，需進一步分析伊利石與綠泥石的比值（I/C值）和伊利石結(jié)晶度IC值。

3.2 淳化剖面伊利石/綠泥石（I/C值）的古環(huán)境意義

除了可以通過分析黏土礦物含量及組合類型來判斷土壤風(fēng)化程度外，各黏土礦物含量比值也可作為判斷氣候環(huán)境變化的指標(biāo)。Zhao等［31］根據(jù)在風(fēng)化成土過程的早期階段，綠泥石易被風(fēng)化為蛭石、蒙脫石、蛭石/綠泥石混層礦物等黏土礦物，而伊利石由于抗風(fēng)化程度較高容易被保存下來，且綠泥石的風(fēng)化速率大于伊利石，故用伊利石/綠泥石（I/C）判別黏土礦物的風(fēng)化強度及成壤環(huán)境。I/C越大，則氣候溫暖濕潤。本研究結(jié)果表明，在淳化剖面上黏土礦物的I/C值從階段I到階段III，經(jīng)歷了由小到大再到小的過程，且階段I的I/C值小于階段III。在I階段I/C值波動不大，說明此階段風(fēng)化作用較弱，降雨量少，氣溫較低，氣候較為溫涼；而在II階段I/C波動幅度變大，說明此階段風(fēng)化作用增強，降雨量增加，氣溫升高，氣候相對溫濕；而在III階段 I/C逐漸降低，風(fēng)化作用強度變?nèi)酰瑲夂蛳啾入A段I更為干冷。這與黏土礦物的相對含量變化所反映的氣候狀況相一致。

3.3 淳化剖面伊利石結(jié)晶度的古環(huán)境意義

伊利石結(jié)晶度（IC）主要反映了伊利石晶體的大小、膨脹晶層礦物的多少，并指示黏土礦物在沉積過程中的水解能力［32］。當(dāng)環(huán)境處于高溫和強降雨量的狀態(tài)，伊利石晶層中的K+淋失，K+淋失程度越強，結(jié)晶度越差；而在化學(xué)風(fēng)化程度低的干冷氣候條件下，伊利石易于保存、其結(jié)晶度較高［33］。故較高的伊利石結(jié)晶度指示低溫、干燥的氣候環(huán)境，而較低的結(jié)晶度值反映沉積物中的伊利石形成于高溫和強降雨量的濕熱氣候條件下。賈偉麗等［34］采用X射線衍射法分析了環(huán)縣、長武和渭南3個剖面末次間冰期以來黃土-古土壤樣品中黏粒(＜2μm)的伊利石結(jié)晶度，結(jié)果表明黃土高原中南部的長武與渭南剖面能很好地反映冰期與間冰期旋回特征，且伊利石結(jié)晶度能記錄黃土高原東亞夏季風(fēng)環(huán)流演化信息。彭淑貞和郭正堂［35］分析比較西峰趙家川第四紀(jì)黃土與古土壤樣品的伊利石結(jié)晶度，表明黃土中的伊利石結(jié)晶度IC值低于古土壤，并驗證了黃土沉積物中的伊利石結(jié)晶度變化能很好地反映氣候環(huán)境差異。在本研究中，從階段I到階段III，IC值經(jīng)歷了由小到大再到小的過程，且階段I的IC值小于階段III。根據(jù)IC值越低，伊利石結(jié)晶度越高，氣候越為干冷的規(guī)律，可以推斷出自早更新世至中更新世晚期，淳化地區(qū)經(jīng)歷了溫涼－溫濕－干冷的氣候變化。這仍同黏土礦物的含量變化以及I/C值所反映的氣候條件一致。

綜上所述，淳化剖面各土層黏土礦物的相對含量、I/C值以及伊利石結(jié)晶度IC值均反映了從早更新世至中更新世晚期氣候總體干冷化，并經(jīng)歷了溫涼－溫濕－干冷的氣候變化。通過與洛川剖面250萬年以來磁化率的變化［20］進行對比（圖4c），發(fā)現(xiàn)淳化剖面伊利石結(jié)晶度與洛川剖面磁化率的變化趨勢相一致，均表現(xiàn)為在古土壤層的峰值較高，在黃土層的峰值較低，反映了黃土-古土壤序列的形成經(jīng)歷了多次冷暖干濕交替的氣候變化，且指示了更新世時期古氣候的階段性變化。趙璐璐等［36］對成都盆地紅土的黏土礦物進行測定，結(jié)果表明自早更新世中晚期以來經(jīng)歷了濕熱（1.2Ma～1.0Ma）－溫涼（1.0Ma～0.7Ma）－溫濕（0.7Ma～0.4Ma）－干冷（0.4Ma B.P.）的變化過程。朱麗東等［21］根據(jù)廬山JL剖面紅土磁化率的高低變化（圖4d），將早更新世以來的氣候劃分為以下幾個階段：2.1Ma～0.9Ma氣候溫暖濕潤，0.9Ma～0.59Ma時期夏季風(fēng)異常強烈，0.59Ma～0.4Ma氣候干濕交替明顯，而0.4Ma～0.24Ma期間氣候逐漸趨于干冷。Kawagata等［22］通過對北印度洋722鉆孔處海水溫度變化的研究，其深海氧同位素含量指示了在距今1.6Ma以來海水變冷的趨勢（圖4e）。這些研究結(jié)果均與淳化剖面黏土礦物相對含量變化、I/C值和伊利石結(jié)晶度IC值所反映的早更新世到中更新世晚期的氣候變化規(guī)律相一致。

再對比分析黃土高原中北部的蘭州、洛川等黃土-古土壤剖面黏土礦物的相對含量及類型組合［12］，不難發(fā)現(xiàn)：蘭州剖面的黏土礦物組合類型與淳化剖面在中更新世晚期相一致，而洛川剖面的黏土礦物類型與淳化剖面早更新世至中更新世的中期相一致，但由蘭州剖面到洛川剖面，再至淳化剖面，伊利石以及綠泥石的含量逐漸降低，而蒙脫石、高嶺石與蛭石的含量均增加。季俊峰等［37］對洛川剖面的伊利石結(jié)晶度進行測定，結(jié)果表明黃土樣品的IC值相差不大，在0.24°?2θ～0.25°?2θ之間，平均為0.25°?2θ，而古土壤樣品的IC值大于0.27°?2θ。與此相比，淳化剖面無論黃土層還是古土壤層，其伊利石結(jié)晶度IC值均大于洛川剖面。根據(jù)黏土礦物的相對含量、組合類型與IC值對氣候的指示性，可以判斷出早更新世至中更新世時期，從黃土高原北部至南部黃土沉積物遭受的風(fēng)化成土作用逐漸增強，黏土礦物均發(fā)生不同程度的轉(zhuǎn)變，總體上，黃土高原南部淳化剖面黏土礦物特征所反映的氣候相較黃土高原中北部，更為溫暖，降雨量更多。

4 結(jié) 論

淳化剖面黏土礦物的相對含量、I/C值以及伊利石結(jié)晶度IC值在反演古氣候方面具有較好的指示性。淳化剖面在WL-3～S5階段，即早更新世至中更新世的中期，其沉積物中黏土礦物組成類型為伊利石－蒙脫石－綠泥石－高嶺石－蛭石，但相比WL-3～L11階段，S10～S5階段具有較高的伊利石和較少的綠泥石與蒙脫石；而在L5～S1階段，即中更新世的晚期，沉積物的黏土礦物組合類型發(fā)生改變，表現(xiàn)為：伊利石－綠泥石－蛭石－高嶺石－蒙脫石。這些黏土礦物含量的變化揭示了從早更新世至中更新世以來，淳化地區(qū)氣候總體干冷化，并經(jīng)歷了溫涼－溫濕－干冷的氣候環(huán)境。I/C值同IC值一致，在剖面上從下到上均經(jīng)歷了由小到大再到小的過程，這與黏土礦物的含量變化所反映的氣候環(huán)境演變規(guī)律相一致。