九江紅土的磁學(xué)特征及其環(huán)境意義

劉 磊 ，殷 科，朱宗敏，木呷古布，段正綱, 楊云淇，劉振東，王朝文，洪漢烈

(1. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院， 河南 鄭州 450054； 2. 中國地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074； 3. 中國地質(zhì)大學(xué) 珠寶學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

古土壤是地質(zhì)歷史時期表生風(fēng)化成土作用形成的陸地沉積物，直接記錄了成土?xí)r期的氣候環(huán)境信息(席承藩, 1990; Catt, 1991; Vogtetal., 2010)。近年來，隨著全球變化研究的興起，陸地第四紀(jì)氣候變化的研究引起了地質(zhì)學(xué)家的廣泛關(guān)注，而利用古土壤作為載體來研究全球變化問題，已成為當(dāng)前地球科學(xué)研究的熱點(diǎn)課題(Costantinietal., 2009; May and Veit, 2009)。環(huán)境磁學(xué)作為揭示陸地沉積物氣候信息的經(jīng)典方法，有效揭示了中國北方黃土沉積物成土過程與環(huán)境變遷的關(guān)系(劉東生, 1985; 安芷生等, 2006; 鄧成龍等, 2007)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，黃土沉積物的低磁化率值對應(yīng)干冷期，而高磁化率值對應(yīng)相對暖濕期(劉東生, 1985)。基于上述磁化率氣候?qū)W意義所揭示的古氣候變化信息與深海氧同位素研究結(jié)果的絕佳對比性，使得黃土沉積物成為可與深海沉積物和極地冰芯相媲美的三大氣候載體之一(鄧成龍等, 2007; 盧升高, 2007)。

在中國南方，廣泛發(fā)育與黃土沉積物類似的紅土沉積物，為熱帶、亞熱帶地區(qū)濕熱氣候下多期成土改造的陸地沉積物，同樣也記錄了第四紀(jì)以來對全球氣候變化響應(yīng)的信息(席承藩, 1990; 盧升高, 2007)。前期的Sm-Nd同位素對比研究表明，長江中下游地區(qū)的紅土源自近源長江沉積物的風(fēng)化改造(Hongetal., 2013b)。然而，與中國北方的黃土沉積物相比，南方紅土沉積物磁化率不僅受更為濕熱的熱帶-亞熱帶氣候條件的影響，還與成土后期地下水的淋濾作用、微生物改造作用等密切相關(guān)(Huetal., 2009; Hongetal., 2016)。因此，環(huán)境磁學(xué)在中國南方紅土沉積物的古氣候信息解譯中，引起了極大的爭議(楊浩等, 1995; 黃鎮(zhèn)國, 1996; Huetal., 2003; 劉育燕等, 2003)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，南方紅土跟北方黃土-古土壤沉積物一樣，在成土過程中會形成強(qiáng)的磁性礦物，其磁化率的波動能有效揭示成土過程中的氣候旋回(楊浩等, 1995; 劉育燕等, 2003)。如楊浩等通過對長江中下游宣城紅土剖面的磁化率研究，認(rèn)為紅土磁化率的變化特征與北方黃土-古土壤沉積物的磁化率特征及深海氧同位素具有很好的對比性(楊浩等, 1995)。而另外一種觀點(diǎn)認(rèn)為，南方紅土形成于更為溫暖潮濕的氣候條件，高溫多雨的氣候環(huán)境導(dǎo)致強(qiáng)磁性礦物向弱磁性礦物轉(zhuǎn)化，尤其網(wǎng)紋紅土成土期后的地下水波動可以導(dǎo)致強(qiáng)磁性礦物的溶解或轉(zhuǎn)化(Huetal., 2003， 2009; 盧升高, 2007)，認(rèn)為磁化率不能作為記錄第四紀(jì)紅土形成時期的氣候代用指標(biāo)(黃鎮(zhèn)國, 1996; Huetal., 2003)。目前南方紅土沉積物的環(huán)境磁學(xué)研究方法及思路都是借鑒黃土沉積物磁學(xué)的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，忽視了紅土沉積物與黃土沉積物形成環(huán)境及物質(zhì)來源的差異性，限制了環(huán)境磁學(xué)在南方紅土沉積物中的應(yīng)用(盧升高, 2007)。

基于以上原因，本次研究將通過土壤磁學(xué)與礦物學(xué)及地球化學(xué)相結(jié)合的分析方法，對中國南方典型紅土剖面磁性變化的礦物學(xué)機(jī)理進(jìn)行深入研究，并查明紅土磁性變化與風(fēng)化成土作用及氣候變化的關(guān)系。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

九江紅土剖面位于江西九江南湖新村(29°42′40.27″N，116°00′13.7″E)，總厚度約為14.0 m，為一垂直天然剖面(圖1)。該地區(qū)地形以低山丘為主，上覆常青灌木類植物，第四紀(jì)紅土沉積物通常出現(xiàn)在第三紀(jì)侵蝕平原及河流階地上(Hongetal., 2013a)。九江剖面位于長江的二級階地上，海拔約為41 m。根據(jù)紅土沉積物顏色及結(jié)構(gòu)特征可將九江剖面分為2段：上部為灰黃、褐黃色及(淺)紅色亞砂土層，蟲管及植物根系較為發(fā)育，局部可見黑色Fe-Mn質(zhì)薄膜及結(jié)核，偶見細(xì)礫石，厚約3.9 m(0～3.9 m)；下部為紅色-棕紅及棕紅-絳紫色亞粘土層，局部出現(xiàn)Mn質(zhì)薄膜和結(jié)核，發(fā)育灰黃色、灰白色網(wǎng)紋，從下往上網(wǎng)紋寬度逐漸變小且稀疏，厚約10.1 m(3.9～14.0 m)(圖1)。關(guān)于紅土中網(wǎng)紋的成因目前還存在爭議，目前主要存在微生物成因說(與植物根系有關(guān))和地下水活動說之爭(Huetal., 2009; Hongetal., 2016)，具體成因還待進(jìn)一步研究。九江剖面主要可分為3個巖性段，即上部下蜀黃土(0～2.3 m)、中部均質(zhì)紅土(2.3～3.9 m)及下部網(wǎng)狀紅土(3.9～14.0 m)。根據(jù)顏色及網(wǎng)紋特征，進(jìn)一步可分為12個層位，現(xiàn)將12個層位巖性特征從上至下詳述如下：

第1層： 灰黃色亞砂土層，根系豐富，表層見白色物質(zhì)結(jié)晶，柱狀結(jié)構(gòu)局部夾灰褐色團(tuán)塊，厚約55 cm (0～55 cm)。

圖 1 九江紅土剖面照片F(xiàn)ig. 1 Photo of Jiujiang sectiona—九江剖面全貌圖； b—紅土中的稀疏網(wǎng)紋(引自Hong et al., 2013)； c—紅土中的密集網(wǎng)紋(引自Hong et al., 2013)a—an overall view of Jiujiang section; b—sparse net-like veins in red earth (from Hong et al., 2013); c—dense net-like veins in red earth (from Hong et al., 2013)

第2層： 褐黃色亞砂土層，柱狀結(jié)構(gòu)，可見根系和蟲管，厚約90 cm (55～145 cm)。

第3層： 褐黃色亞砂土層，可見棱角狀小礫石，大小約5 mm×4 mm×3 mm，磨圓度較差，蟲管發(fā)育，土表見黑色Fe-Mn質(zhì)薄膜，可見Mn結(jié)核，厚約90 cm (145～235 cm)。

第4層： 灰紅色亞砂土層，粒狀結(jié)構(gòu)，土體表面可見黑色Fe-Mn質(zhì)薄膜和灰白色蟲管和根系(20%)，厚約80 cm (235～315 cm)。

第5層： 淺紅色亞砂土層，柱狀結(jié)構(gòu)，土質(zhì)表面見黑色鉆質(zhì)薄膜，可見少量白色蟲管和根系，含少許Mn結(jié)核(5%)，偶見1%細(xì)礫石(石英質(zhì))，厚約75 cm (315～390 cm)。

很多人都奇怪，為什么自己在別人的打呼聲中睡不著，卻聽不到自己在打呼呢？這是因?yàn)椋梭w神經(jīng)中樞在向肌肉傳遞動作信號時還會產(chǎn)生一份信號拷貝，并將其與感覺系統(tǒng)的信號進(jìn)行比較。如果信號一致，你就對自己的動作將產(chǎn)生的變化有了“防備”，從而減少對自發(fā)動作的反應(yīng)。

第6層： 紅色-淺紅色亞粘土層，含稀疏灰黃色網(wǎng)紋(20%～30%)，呈樹枝狀，土體表面可見Mn質(zhì)薄膜和結(jié)核，局部可見灰白色蟲管和根系，網(wǎng)紋長1～20 cm，寬為1～2 cm，厚約50 cm (390～440 cm)。

第7層： 棕紅色亞粘土層，發(fā)育垂向稀疏粗大網(wǎng)紋，長10～25 cm，寬約1～2 cm，含量約20%，局部見灰白色網(wǎng)紋，網(wǎng)紋中心可見植物根系，厚約80 cm (440～520 cm)。

第8層： 棕紅色亞粘土層，塊狀結(jié)構(gòu)，發(fā)育灰黃色、灰白色網(wǎng)紋(40%～50%)，網(wǎng)紋產(chǎn)狀垂向?yàn)橹鳎L10 cm，寬1～1.5 cm，厚約100 cm (520～620 cm)。

第9層： 棕紅-絳紫色亞粘土層，發(fā)育灰黃、灰白色粗大網(wǎng)紋(40%～50%)，產(chǎn)狀亂，長8～12 cm，寬2～4 cm，局部可見蟲管構(gòu)造，厚約70 cm (620～690 cm)。

第10層： 棕紅-絳紫色亞粘土層，發(fā)育較稀疏(20%～30%)，灰白色網(wǎng)紋，產(chǎn)狀較亂，接近700 cm處多見垂向網(wǎng)紋，長10 cm，寬0.5～1.5 cm不等。局部灰白色網(wǎng)紋中可見蟲管構(gòu)造，偶夾灰黃色團(tuán)塊，厚約110 cm (690～800 cm)。

第11層： 棕紅-絳紫色亞粘土層，含20%左右白色網(wǎng)紋，網(wǎng)紋產(chǎn)狀較亂，9m附近以水平方向?yàn)橹鳎植亢?%左右的礫石，礫石次圓狀，大小不等(2 mm×5 mm～2 cm×3 cm)，厚約300 cm (800～1 100 cm)。

第12層： 棕紅-絳紫色亞粘土層，含20%左右白色網(wǎng)紋，網(wǎng)紋產(chǎn)狀較亂，9 m附近以水平方向?yàn)橹鳎植亢?%左右的礫石，礫石次圓狀，大小不等(2 mm×5 mm～2 cm×3 cm)，厚約300 cm (1 100～1 400 cm)。

1.2 測試方法

將待測紅土樣品在室溫下烘干，手動輕磨成適宜粒徑即可用于磁化率的測試。紅土磁化率的測定在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)巖石磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成，測試儀器為MFK1-FA型磁化率儀，低頻磁化率(χlf)和高頻磁化率(χhf)均為質(zhì)量磁化率，頻率磁化率(χfd/%)采用計(jì)算公式χfd=(χlf-χhf)/χlf×100%計(jì)算。測試條件： 室溫，磁場強(qiáng)度為200 A/m，低頻磁化率和高頻磁化率的測試頻率分別為976 Hz和15 616 Hz。

強(qiáng)磁性礦物的微觀形貌分析首先采用磁鐵(1T)磁選獲得磁性粉末樣品，然后用Quanta200型環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)分析。對磁性粉末樣品采取噴碳導(dǎo)電處理，采用背散射模式拍照，加速電壓為20 kV，束流大小在1～2 nA。

將代表性紅土樣品研磨成微米粒級粉末進(jìn)行主量元素的測試，實(shí)驗(yàn)在中國地質(zhì)大學(xué)( 武漢) 生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的XRF-1800型X熒光光譜儀(XRF)上完成，X 光管電壓60 kV，電流30 mA，分析精度和檢測限分別為<1%和0.01%。首先，將樣品在105℃下加熱烘烤2 h，用于燒失量(LOI)的測定。然后，混合 Li2B4O7+LiBO2+LiF 混合熔劑、NH4NO3和 LiBr在高頻熔融爐1 000℃下熔融，制成熔片后直接上機(jī)測試。

2 測試結(jié)果

2.1 磁化率分析

磁化率分析結(jié)果表明，九江剖面紅土的χlf在3.15×10-8～1.32×10-6m3/kg間變動，平均值為2.21×10-7m3/kg；χhf在2.78×10-8～1.12×10-6m3/kg間變動，平均值為1.87×10-7m3/kg；χfd在11%～18%間變動，平均值為15%。上部黃色砂土的χlf在1.01×10-7～1.32×10-6m3/kg間變動，平均值為4.77×10-7m3/kg；χhf在8.82×10-8～1.12×10-6m3/kg間變動，平均值為4.02×10-7m3/kg；χfd%在12%～17%間變動，平均值為15%。下部網(wǎng)紋紅土的χlf在3.15×10-8～2.7×10-7m3/kg間變動，平均值為1.19×10-7m3/kg；χhf在2.78×10-8～2.23×10-7m3/kg間變動，平均值為1.02×10-7m3/kg；χfd在12%～18%間變動，平均值為14%(圖2)。

圖 2 九江紅土磁化率的變化特征Fig. 2 The variation of the magnetic susceptibility of Jiujiang red earth

χlf、χhf和χfd等在黃色砂土中變化波動比較明顯，而χlf和χhf在網(wǎng)紋紅土中比較穩(wěn)定，χfd在網(wǎng)紋紅土中存在輕微的波動變化。χlf、χhf和χfd等沿著剖面向上均呈現(xiàn)明顯的增大趨勢，其中，χlf和χhf變化波動趨勢基本相同(圖2)。相關(guān)性分析表明，整個剖面的χlf和χfd的相關(guān)性較差(R2=0.223 4)，相關(guān)性較差的樣品均來自砂土層(0～3.9 m)(圖3a)。然而，將整個剖面分為0～1.3 m、1.3～3.9 m、3.9～14.0 m等3個深度范圍，這3個深度范圍內(nèi)樣品的χlf和χfd的相關(guān)性較高(R2=0.673 1、R2=0.529 5、R2=0.606 2)(圖3b、3c、3d)。3個深度范圍內(nèi)的χlf和χfd呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)，表明整個紅土剖面磁性的增強(qiáng)與超順磁性顆粒(SP顆粒)含量的增加密切相關(guān)。由圖3明顯可以看出，在χfd大小相同時，來自砂土層樣品的χlf明顯高于網(wǎng)紋紅土的樣品(圖3a)，表明砂土層中的磁性礦物種屬及含量可能與網(wǎng)紋紅土存在較大的差異。

2.2 微觀形貌分析

由于鐵礦物中核心元素的原子序數(shù)高于硅酸鹽，因此，在掃描電子顯微鏡的背散射模式下，鐵礦物的亮度明顯高于硅酸鹽(圖4a～4i)。掃描電子顯微鏡下，大部分鐵礦物發(fā)育殘缺的外觀(圖4c、4g、4i)，少數(shù)發(fā)育特征的八面體或五角十二面體晶形(圖4b、4d、4f)，粒徑多在1～30 μm之間，在磁學(xué)中屬于多疇顆粒。樣品中出現(xiàn)具有明顯八面體或五角十二面體晶形的鐵礦物，這種晶形特征說明該鐵礦物應(yīng)為磁鐵礦。大部分發(fā)育殘缺外觀的鐵礦物亮度跟磁鐵礦基本相同，說明這種鐵礦物也可能為磁鐵礦。其他呈現(xiàn)深灰色的粒狀或片狀外觀的礦物，可能為石英、長石、針鐵礦、赤鐵礦等礦物。由圖4明顯可以看出，從上部砂土層到下部網(wǎng)紋紅土層，磁鐵礦的含量依次降低，并且磁鐵礦的粒徑逐漸減小(圖4a、4e、4h)。晶形完整的磁鐵礦僅出現(xiàn)在上部砂土層中，而在網(wǎng)紋紅土層中未發(fā)現(xiàn)晶形完整的磁鐵礦，并且磁鐵礦含量較低。在掃描電子顯微鏡下，代表性樣品中磁化率強(qiáng)度與磁鐵礦含量表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)，說明紅土磁化率的強(qiáng)度與多疇磁鐵礦的含量密切相關(guān)(圖4a、4e、4h)。值得注意的是，磁性樣品中大顆粒的磁鐵礦都是以單獨(dú)的形式存在，而小顆粒的磁鐵礦被包裹于硅酸鹽礦物中(圖4b～4d、4f、4g、4i)。

圖 3 九江紅土低頻磁化率和頻率磁化率的相關(guān)分析圖Fig.3 The correlation analysis of the low frequency magnetic susceptibility and frequency magnetic susceptibility of Jiujiang red earth

2.3 主量元素分析

主量元素分析結(jié)果表明，九江紅土的化學(xué)組成以SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、MgO、Na2O、TiO2和CaO為主，并含有少量的MnO和P2O5(表1)。由表1明顯可以看出，上部砂土層中的K2O、MgO、Na2O、CaO、MnO和P2O5的含量明顯高于網(wǎng)紋紅土，而TiO2的含量低于網(wǎng)紋紅土。SiO2、Al2O3、Fe2O3等在剖面中呈現(xiàn)波動性的變化，無明顯的上升或下降趨勢(表1)。化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)能反映難遷移元素Al2O3的相對富集和易遷移元素K2O、Na2O和CaO等的虧損，可以指示土壤剖面的風(fēng)化強(qiáng)度(Nesbitt and Young, 1982; Nedachietal., 2005)。九江紅土的CIA值在74.8%～88.6%間變動，平均值為84.8%，指示了熱帶-亞熱帶濕熱地區(qū)中-強(qiáng)的風(fēng)化條件(Fengetal., 2003; Chenetal., 2008)。然而， 在上部砂土層中CIA值均小于85%，而在網(wǎng)紋紅土的CIA值基本都大于85%，說明網(wǎng)紋紅土層形成時期的風(fēng)化強(qiáng)度高于砂土層。從下部強(qiáng)網(wǎng)紋紅土到上部黃色砂土，CIA值呈現(xiàn)明顯逐漸減小的趨勢，說明中更新世到晚更新世九江紅土的成土作用逐漸減弱。九江紅土中CIA值的這種變化特征與安徽宣城紅土(Hongetal., 2009)極為相似，說明這兩個地區(qū)的紅土經(jīng)歷了相同的成土過程。TiO2和Al2O3通常被認(rèn)為是風(fēng)化過程中常見的難遷移組分，在原地風(fēng)化的剖面中，TiO2/Al2O3值在不同風(fēng)化程度的層位中保持不變(Nesbitt and Young, 1982)。在九江紅土剖面中，TiO2/Al2O3值在0.064%～0.108%間變化(平均值為0.082%)，并且TiO2含量變化幅度較小(0.90%～1.22%)(表1)，表明九江紅土各層位可能具有相同的物質(zhì)來源，與前人關(guān)于南方紅土物源的研究結(jié)果十分一致(Hu and Gong, 1999; Huetal., 2005, 2008)。

圖 4 磁選強(qiáng)磁性樣品中磁鐵礦的微觀形貌圖Fig. 4 Morphology of magnetite in magnetic samplesa～d—樣品JJ-011， 來自黃色砂土層的樣品(～0.85 m)， χlf=1.50×10-6 m3/kg； e～g—樣品JJ-067， 來自紅色砂土層的樣品(～3.65 m)，χlf=5.14×10-7m3/kg； h～i—樣品JJ-145，來自強(qiáng)網(wǎng)紋層的樣品(～7.55 m)， χlf=1.17×10-7m3/kga～d—sample JJ-011 from yellow sandy clay with χlf=1.50×10-6m3/kg(～0.85 m); e～g—sample JJ-067 from red sandy clay with χlf=5.14×10-6m3/kg (～3.65 m); h～i—sample JJ-145 from net-like red earth with χlf=1.17×10-7m3/kg (～7.55 m)

3 討論及結(jié)果

磁化率可有效揭示中國北方黃土-古土壤沉積區(qū)的氣候變化(Anetal., 1991; Zhuetal., 1995; Sunetal., 2006; Liuetal., 2010)，其研究結(jié)果與深海氧同位素具有很好的相關(guān)性(Heller and Liu, 1982)。黃土-古土壤中的磁性礦物主要是磁鐵礦和磁赤鐵礦，黃土層中以碎屑的多疇磁鐵礦為主，而古土壤層由于經(jīng)受較強(qiáng)的風(fēng)化成土作用，導(dǎo)致碎屑的多疇磁鐵礦向超順磁性磁赤鐵礦轉(zhuǎn)化，使古土壤層的磁化率高于黃土(陳天虎等, 2003)。因此，在黃土-古土壤沉積物中高的磁化率值指示溫暖潮濕的氣候條件，而低的磁化率值反映相對干燥寒冷的氣候環(huán)境。基于北方黃土中磁化率與氣候環(huán)境的這種關(guān)系，磁化率被廣泛用于黃土-古土壤沉積物的古氣候?qū)W研究中，并取得了一系列突破性的成果(Anetal., 1991; Zhuetal., 1995; Sunetal., 2006; Liuetal., 2010)。近年來眾多研究者發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)黃土-古土壤沉積物的磁化率與成土強(qiáng)度存在著截然的差別，如在高緯高寒地區(qū)的阿拉斯加和西伯利亞黃土-古土壤沉積物中，指示成土作用較弱的黃土層中出現(xiàn)磁化率高值，而在成土作用較強(qiáng)的古土壤層中出現(xiàn)磁化率低值(Liuetal., 1999; Matasovaetal., 2001; 劉秀銘等, 2007; 劉青松等, 2009)；新西蘭和阿根廷黃土-古土壤的磁化率與成土作用強(qiáng)度沒有明顯的相關(guān)性(Jretal., 2010)；而新疆伊犁地區(qū)不同的黃土剖面，其磁化率與成土強(qiáng)度表現(xiàn)出不同的相關(guān)性(夏敦勝等, 2010)。劉秀銘等(2012)通過塞爾維亞地區(qū)黃土的磁學(xué)研究表明，磁化率與成土強(qiáng)度的關(guān)系與濕度、氧化還原環(huán)境密切相關(guān)，二者在不同氣候區(qū)關(guān)系有所不同。因此，中國南方紅土磁性特征與成土強(qiáng)度的關(guān)系，不能完全照搬傳統(tǒng)黃土-古土壤沉積物的理論，需要采用多指標(biāo)相互印證的方法對南方紅土的磁性特征與成土強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行深入研究，繼而揭示南方紅土磁化率特征與成土期氣候環(huán)境變化的關(guān)系。

從圖2的磁化率曲線可以明顯看出，九江紅土中低頻磁化率(χlf)和高頻磁化率(χhf)波動變化趨勢基本相同。兩者在砂土層中呈現(xiàn)明顯的波動性，但在網(wǎng)紋紅土層中沒有明顯的波動性，也未顯示中更新世以來的8次氣候旋回(楊浩等, 1995)。從剖面下部往上，χlf和χhf曲線呈現(xiàn)明顯逐漸增大的趨勢。按照傳統(tǒng)黃土磁化率值與成土強(qiáng)度的理論，這種現(xiàn)象表明九江紅土從中更新世到晚更新世成土作用逐漸增強(qiáng)，氣候向溫暖潮濕轉(zhuǎn)變。然而，這種氣候演化規(guī)律與前人關(guān)于紅土氣候?qū)W的研究結(jié)論相矛盾(胡雪峰等, 1999; Hongetal., 2009; Zhaoetal., 2017)。以上分析表明，九江紅土磁化率變化與成土作用及氣候變化的關(guān)系，與中國北方黃土可能有所不同。在代表性紅土樣品CIA和χlf的相關(guān)分析圖(圖5a)中，CIA與χlf呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)(R2=0.615 3)，說明紅土的成土作用越強(qiáng)磁化率值越低。然而，上部砂土的CIA值與χlf相關(guān)性較差(R2=0.233 2)(圖5b)，表明上部砂土中磁性礦物的形成與成土作用關(guān)系不大，其主要磁性礦物可能來自原始母質(zhì)，在弱風(fēng)化成土作用中得以保留。因此，上部砂土層的磁性強(qiáng)度，可能反映的是紅土母質(zhì)中原生殘余磁性礦物的含量，磁化率越大，說明紅土中原生磁性礦物含量越多，反之含量越低。掃描電子顯微鏡下磁鐵礦較為完整的八面體和五角十二面體晶形(圖4b、4d)也說明上部砂土層經(jīng)歷的風(fēng)化作用較弱，與其較低的CIA值也十分吻合(表1)。網(wǎng)紋紅土樣品的CIA與χlf的相關(guān)性較強(qiáng)(R2=0.763 0)(圖5c)，說明網(wǎng)紋紅土的磁性變化受風(fēng)化成土作用影響較大。在掃描電子顯微鏡下，網(wǎng)紋紅土中磁鐵礦均發(fā)育殘缺的外觀(圖4i)，也說明網(wǎng)紋紅土經(jīng)歷了較強(qiáng)的風(fēng)化成土作用，與其較高的CIA值特征是一致的(表1)。從九江紅土主量元素的分布特征來看，上部砂土層與下部網(wǎng)紋層Fe2O3的含量相差不大(表1)，但上部砂土層的磁化率值明顯高于下部網(wǎng)紋紅土層(圖2)，說明砂土層和網(wǎng)紋紅土層中主要的磁性礦物種屬、含量可能存在差別，與上述χfd和的χlf相關(guān)性分析所揭示的結(jié)果及掃描電子顯微鏡的觀察結(jié)果十分吻合(圖3a、圖4a～4i)。

圖 5 九江紅土中低頻磁化率與化學(xué)蝕變指數(shù)的相關(guān)分析圖Fig. 5 Correlation analysis of magnetic susceptibility and chemical alteration index of Jiujiang red earth

湖南祁陽紅土的磁學(xué)研究表明，上部砂土層的主要磁性礦物為磁赤鐵礦和磁鐵礦，而下部網(wǎng)紋紅土層的主要磁性礦物為赤鐵礦和針鐵礦；在較強(qiáng)的風(fēng)化成土作用下，磁赤鐵礦向赤鐵礦的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致網(wǎng)紋紅土層磁性的降低(王思源, 2014)。本次研究的九江紅土剖面CIA變化特征也表明，下部網(wǎng)紋紅土層的風(fēng)化成土強(qiáng)度明顯高于上部砂土層(表1)。掃描電子顯微鏡分析結(jié)果表明，九江紅土剖面中的主要磁性礦物為磁鐵礦，從上部砂土層到下部網(wǎng)紋層，其含量逐漸減少，并且晶體形態(tài)逐漸變差(圖4a～4i)。前期采用漫反射光譜對九江剖面中的致色鐵礦物進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)下部網(wǎng)紋紅土層中的赤鐵礦含量高于砂土層，而針鐵礦含量低于砂土層(Yinetal., 2018)。因此，九江地區(qū)網(wǎng)紋紅土層中磁化率的明顯降低現(xiàn)象(圖2)，可能主要與其形成期較強(qiáng)風(fēng)化條件下磁鐵礦向赤鐵礦的轉(zhuǎn)化密切相關(guān)。同時發(fā)現(xiàn)一個比較有意思的現(xiàn)象：當(dāng)磁鐵礦含量較高時，χlf-χfd相關(guān)分析趨勢線的斜率較高；而當(dāng)磁鐵礦含量逐漸降低時，其趨勢線的斜率隨之降低(圖3b、3c、3d)。因此，χlf-χfd相關(guān)分析趨勢線斜率的不同，可能指示對土壤磁性有貢獻(xiàn)的磁性礦物種屬或含量有所不同。中國北方黃土-古土壤磁性的增強(qiáng)主要跟成土過程中形成的磁鐵礦或次赤鐵礦有關(guān)，二者為風(fēng)化成土過程中形成的自生礦物，所以黃土-古土壤的磁性變化特征可以反映其形成時期的氣候環(huán)境變化(鄧成龍等, 2007)。而形成于熱帶-亞熱地區(qū)的紅土沉積物，濕熱氣候主導(dǎo)的強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化導(dǎo)致強(qiáng)磁性礦物向弱磁性礦物轉(zhuǎn)化，其磁性變化機(jī)理不同于北方的黃土-古土壤。主導(dǎo)紅土磁性的是原生磁鐵礦，磁化率的高低指示原生磁鐵礦的殘留量或轉(zhuǎn)化程度，不能反映紅土成土作用的強(qiáng)度。因此，后續(xù)工作需要對紅土中的磁性礦物進(jìn)行富集，獲取紅土剖面不同層位中磁性礦物的種屬及含量變化，并對風(fēng)化成土過程中磁性礦物的轉(zhuǎn)化過程及機(jī)理進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)論

九江紅土剖面的磁化率從下往上呈現(xiàn)明顯的增大趨勢，χlf和χfd在0～1.3 m、1.3～3.9 m、3.9～14.0 m等3個深度范圍分別呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)，表明整個紅土剖面磁性的增強(qiáng)與超順磁性顆粒含量的增加密切相關(guān)。掃描電子顯微分析表明，九江紅土剖面中的多疇級別磁鐵礦從下往上逐漸增多，并且晶形逐漸變好，含量越來越高，表明剖面從下往上的磁性增強(qiáng)與多疇級別磁鐵礦的含量也密切相關(guān)。因此，超順磁顆粒和多疇磁鐵礦的同步增加，是九江紅土磁性增強(qiáng)的主要原因。九江紅土磁性強(qiáng)度與化學(xué)風(fēng)化指數(shù)(CIA)呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)性，表明紅土中的磁性顆粒并不是形成于風(fēng)化成土過程中的自生礦物，可能源自紅土母質(zhì)的風(fēng)化殘留。因此，磁化率并不能作為反映紅土成土過程中氣候變化的有效指標(biāo)。當(dāng)風(fēng)化強(qiáng)度加劇，將會導(dǎo)致紅土中強(qiáng)磁性礦物向弱磁性礦物轉(zhuǎn)化，致使紅土磁性強(qiáng)度降低，這也是網(wǎng)紋紅土磁性強(qiáng)度低于砂土的主要原因。