隴東新近紀紅粘土與第四紀黃土地球化學(xué)特征及其物源和風(fēng)化指示意義

綦 琳喬彥松劉宗秀王 燕彭莎莎

1.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081;2.新構(gòu)造運動與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室,北京 100081;3.中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所,廣東 廣州 510640;4.中國地質(zhì)調(diào)查局新構(gòu)造與地殼穩(wěn)定性研究中心,北京 100081

0 引言

在中國北方黃土高原地區(qū)第四紀黃土-古土壤沉積序列之下,普遍發(fā)育了一套第三紀紅色土狀堆積,二者共同構(gòu)成連續(xù)的陸相沉積記錄,較好地記錄了東亞季風(fēng)第三紀以來的演化信息,成為研究古環(huán)境、古氣候變化的理想材料(Ding et al.,1998;Sun et al.,1998; An et al.,2001; Guo et al.,2002)。與第四紀黃土-古土壤序列相比,對第三紀紅粘土的研究起步較晚。從90年代中期開始,第四紀黃土-古土壤序列的研究方法與手段引入紅粘土研究中,使紅粘土的研究得到突飛猛進的發(fā)展(朱日祥等,1996;孫東懷等,1997;顧兆炎等,1999,2000,2006;安芷生等,2000;郝青振等,2000;楊石嶺和丁仲禮,2000;Ding et al.,2001a;彭淑貞和郭正堂,2007),并逐漸成為晚新生代環(huán)境演化研究的熱點。

目前,大多學(xué)者認為第三紀紅粘土與第四紀黃土-古土壤序列一樣,皆為風(fēng)成成因(丁仲禮等,1997,1998;鹿化煜和安芷生,1999;彭淑貞和郭正堂,2000;Ding et al.,2001b),但其物質(zhì)來源是否一致,仍有爭議。楊杰東等(2005)和Wang et al.(2007)基于Nd同位素研究,認為晚第三紀紅粘土和第四紀黃土-古土壤序列具有基本相同的物源系統(tǒng)。梁美艷等對中新世黃土層、上新世三趾馬紅土以及第四紀黃土常量元素、微量元素、稀土元素地球化學(xué)特征對比研究顯示,三者具有相似的地球化學(xué)組成,表明均來源于廣闊的物源區(qū)且具有沙漠黃土的特征(梁美艷等,2006;Liang et al.,2009);中新世黃土層、上新世三趾馬紅土部分元素與第四紀黃土有差異是因為受到粒度和溫濕氣候的影響。Sun(2005)對黃土高原中部陜西涇川剖面Nd同位素組成研究表明,第四紀黃土的143Nd/144Nd比值低于紅粘土,表明風(fēng)塵的來源在2.58 Ma B.P.前后發(fā)生了重大變化。Sun and Zhu(2010)后來進行的Pb同位素和微量元素研究,顯示二者濃度在2.6 Ma B.P.前后表現(xiàn)出明顯的變化,進一步肯定第三紀紅粘土的物質(zhì)來源在一定程度上不同于第四紀黃土,且因晚新生代的構(gòu)造運動造成高海拔山地的冰蝕作用加強,導(dǎo)致較多的年輕的地殼物質(zhì)被搬運到黃土高原地區(qū)沉積下來。李云等(2014)通過碎屑鋯石U-Pb定年研究后也認為第四紀黃土和第三紀紅粘土碎屑鋯石物源在2.6 Ma B.P.和3.6 Ma B.P.前后發(fā)生了明顯變化;第四紀黃土中的碎屑鋯石來源于北部的戈壁沙漠,而紅粘土的鋯石物源受近源基巖的影響較大。

風(fēng)塵堆積的地球化學(xué)特征與其物質(zhì)來源區(qū)域的母巖密切相關(guān), 因而經(jīng)常用來作為追蹤物源區(qū)的指標 (Taylor et al.,1983;Liu et al.,1993)。文章首先對黃土高原靈臺邵寨地區(qū)風(fēng)塵堆積剖面進行系統(tǒng)的磁性地層研究,繼而對該剖面新近紀紅粘土和第四紀黃土的常量、微量、Sm-Nd同位素組成開展對比研究,以揭示這兩個時期風(fēng)塵堆積地球化學(xué)特征的異同,并對其蘊含的物源、風(fēng)化指示意義進行探討。

1 地層劃分、樣品選取及實驗方法

邵寨剖面位于黃土高原中部、甘肅省平?jīng)鍪徐`臺縣東南約20 km的邵寨鎮(zhèn) (34°59′26.1″N;107°45′14.1″E, 1061 m;圖1)。剖面總厚度275.7 m,上部為第四紀黃土-古土壤序列;中部為紅粘土層,發(fā)育大量鈣質(zhì)結(jié)核層,結(jié)核直徑2～10 cm,結(jié)核層厚1～100 cm;底部為流水改造后的沉積物,具水平層理,厚約23.7 m。

圖1 邵寨剖面位置圖Fig.1 Map showing the location of the Shaozhai section in the Chinese Loess Plateau

分別按照50 cm和25 cm間距在第四紀黃土和紅粘土中采集定向樣品用于古地磁測試,共獲得780塊樣品。在中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所古地磁實驗室完成古地磁測試。采用美國ASC公司生產(chǎn)的TD-48型全自動熱退磁儀進行熱退磁,采用美國產(chǎn)2G-755型超導(dǎo)磁力儀測試剩磁。首先測量樣品的天然剩磁,然后對所有樣品進行系統(tǒng)熱退磁,退磁溫度為100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、520℃、550℃、585℃、600℃、620℃、675℃。古地磁研究顯示(圖2),該剖面的典型風(fēng)塵堆積底界與Gilbert反向極性期底界對應(yīng),年齡約為5.23 Ma B.P.,第四紀黃土與紅粘土界線與M/G界線對應(yīng),位于161.1 m處。

按照10 cm間距采集磁化率樣品。在中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所第四紀地質(zhì)與環(huán)境實驗室采用英國產(chǎn)的Bartington MS2磁化率儀完成磁化率測試。野外地層觀察及磁化率研究顯示(圖2),在第四紀黃土中磁化率測試結(jié)果與野外地層劃分具有較好的對應(yīng)關(guān)系,即磁化率的峰值、谷值分別與野外劃分的古土壤層(S層)和黃土層(L層)相對應(yīng),邵寨剖面第四紀黃土-古土壤序列包含了從L2到L33的地層。

以磁性地層研究結(jié)果為基礎(chǔ),自上而下在邵寨剖面第四紀黃土-古土壤序列中選取了3個黃土樣品(L2、L8、L27)和8個古土壤樣品(S4、S5、S10、S11、S18、S24、S29、S32)、在新近紀紅粘土中選取了19個樣品進行常量元素和微量元素測試,并對其中的7個第四紀樣品和14個紅粘土樣品進行Sm-Nd同位素測試。采樣深度及層位示于圖2及表1。

圖2 邵寨剖面巖性地層及磁性地層Fig.2 Lithostratigraphy and magnetostratigraphy of the Shaozhai section

在中國地質(zhì)科學(xué)院國家地質(zhì)實驗測試中心完成常量元素和微量元素測試。已報道的淋溶實驗證明(陳駿等,1996;劉連文等,2002),醋酸溶液可以完全溶解成壤階段產(chǎn)生的碳酸鹽物質(zhì),對硅酸鹽等的影響較小。去除成壤碳酸鹽后的酸不溶組分代表了原始粉塵中的穩(wěn)定組分,具有示蹤源區(qū)的潛力。因此在室溫環(huán)境下將用于常量、微量元素測試的樣品浸泡在1 mol/L醋酸溶液中24小時。將酸不溶物用去離子水洗滌后烘干,研磨至200目以下。采用3038E型光譜儀測定常量元素。MnO和P2O5測試誤差較大(±10%),其他元素測試誤差均＜3%。由于MnO和P2O5測試誤差較大,此次不對其進行分析。使用ICP-MS等離子質(zhì)譜儀測試微量元素,測試誤差＜10%。稱取1 g風(fēng)干樣,置于950℃的馬弗爐中煅燒1小時后再稱量,計算煅燒前、后質(zhì)量差,獲得燒失量(LOI)。

為降低近源粗顆粒物質(zhì)對測試結(jié)果的影響,提取粒徑小于20 μm組分進行Nd同位素測試分析。具體做法是:首先對樣品進行去除有機質(zhì)和鈣質(zhì)處理,然后洗酸;加入六偏磷酸鈉分散劑,放入超聲振蕩器使其分散;過濕篩將大于63 μm的組分去除;將剩余的混合樣品裝入沉降桶;依據(jù)斯托克斯法則利用重力沉降法獲取樣品。在中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所完成Nd同位素測試,使用儀器為Nu Plasma HR型MC-ICP-MS質(zhì)譜儀。使用146Nd/144Nd=0.7219校正同位素的質(zhì)量分餾;用國際標準樣品JMC檢驗實驗流程的分析誤差和測試結(jié)果的準確度,JMC標樣測定值為143Nd/144Nd=0.511123±10(2σ),測試誤差＜10%。

2 地球化學(xué)測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 常量元素

首先對第四紀黃土和新近紀紅粘土樣品進行燒失量校正,然后將其與上地殼平均化學(xué)組成(UCC)(Taylor and Mclennan,1985;McLennan,2001)進行標準化處理(表1,圖3)。第四紀黃土和新近紀紅粘土的常量元素組成均以SiO2、Al2O3和Fe2O3為主,除CaO和Na2O含量明顯低于UCC外,其余常量元素含量與UCC接近。與第四紀黃土相比,新近紀紅粘土中的MgO含量較高,而Na2O含量略低。新近紀紅粘土不同樣品間MgO變異系數(shù)較大,第四紀黃土中的Fe2O3和CaO變異系數(shù)較大。無論在新近紀紅粘土還是在第四紀黃土中,SiO2、Al2O3和TiO2變異系數(shù)較其他元素小。

圖3 邵寨剖面樣品常量元素的UCC標準化值Fig.3 UCC-normalized abundances of major elements for the samples from the Shaozhai section. (a) Data for all studied samples. (b) Average and standard deviation for the Tertiary red clay and Quaternary loess.

表1 邵寨剖面樣品常量元素數(shù)據(jù)表(單位%)Table 1 Major element concentrations (%) of the samples from the Shaozhai section

一般而言,SiO2、Al2O3、TiO2在初級到中等風(fēng)化強度下是抗風(fēng)化的,能夠較好的反映母巖信息(Broecker and Peng,1982;Li,1982;文啟忠,1989)。因此,學(xué)者們常用TiO2/Al2O3、SiO2/TiO2和SiO2/Al2O3進行物源判斷 (Sugitani et al.,1996; Young and Nesbitt, 1998; Sheldon and Tabor,2009;Qi and Qiao,2014;楊帥斌等,2017)。新近紀紅粘土的TiO2/Al2O3、SiO2/Al2O3和SiO2/TiO2與第四紀黃土差異并不明顯(圖4),指示物質(zhì)來源較為一致。

圖4 邵寨剖面樣品不易遷移常量元素比值圖Fig.4 Plots of immobile major element ratios for the samples from the Shaozhai section. (a) SiO2/Al2O3 versus SiO2/TiO2. (b) TiO2/Al2O3 versus SiO2/TiO2. (c) SiO2/Al2O3 versus TiO2/Al2O3

Na2O、K2O和CaO含量容易受風(fēng)化影響而發(fā)生遷移。一般用Na2O/Al2O3與K2O/Al2O3比值反映風(fēng)化過程中Na和K元素的遷移情況(Garrels and Mackenzie,1971)。與第四紀黃土相比,新近紀紅粘土的Na2O/Al2O3比值明顯偏低,K2O/Al2O3比值沒有太大差異,指示第四紀黃土和新近紀紅粘土均處于斜長石風(fēng)化階段,尚未達到鉀長石風(fēng)化階段(圖5)。A-CN-K能較好地反映風(fēng)化作用的階段以及未來發(fā)展趨勢 (Nesbitt et al.,1980)。A-CN-K圖(圖6)顯示,新近紀紅粘土與第四紀黃土樣品風(fēng)化趨勢與A-CN線平行,均處于去除Na和Ca的早期階段,以斜長石分解為特征,產(chǎn)物為伊利石和蒙脫石。新近紀紅粘土樣品更為靠近A-K線,指示經(jīng)歷了較強的風(fēng)化作用。化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)常用來衡量巖石或土壤的風(fēng)化程度(路碩等,2019),其計算公式是:CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO?+K2O+Na2O)]×100,其中CaO?是硅酸鹽中的CaO含量 (Nesbitt and Young,1982)。早期的研究 (Fedo et al.,1995)表明,巖石化學(xué)風(fēng)化會經(jīng)歷從初期(CIA=50～60)到中期(CIA=60～80)再到極端(CIA＞80)風(fēng)化的過程。在文中,新近紀紅粘土CIA的范圍是66.6～71.2(平均值為69.3),第四紀黃土CIA的范圍是63.2～70.2(平均值為66.9),均處于中期風(fēng)化階段,但新近紀紅粘土所經(jīng)歷的化學(xué)風(fēng)化作用更強。

圖5 邵寨剖面樣品的Na2O/Al2O3-K2O/Al2O3圖Fig.5 Na2O/Al2O3 versus K2O/Al2O3 diagram for the samples from the Shaozhai section

圖6 邵寨剖面樣品A-CN-K(Al2O3-CaO+Na2OK2O)圖Fig.6 A-CN-K (Al2O3-CaO+Na2O-K2O) triangular diagram for the samples from the Shaozhai section

2.2 微量元素

新近紀紅粘土與第四紀黃土的微量元素含量如表2和表3所示,經(jīng)UCC標準化后獲得圖7。與UCC相比,新近紀紅粘土與第四紀黃土表現(xiàn)出了相似的分布模式,即相對富集Li、Cs和Bi,明顯虧損Be和Sr。新近紀紅粘土與第四紀黃土的微量元素含量有輕微差異。新近紀紅粘土的Li、Cs和Bi含量略高于第四紀黃土,稀土元素La-Lu、Y含量略低于第四紀黃土。無論是在新近紀紅粘土還是在第四紀黃土中,Be、Ga、Sr、Nb、Ba、Tl和U元素含量變異系數(shù)較小。

圖7 邵寨剖面樣品微量元素的UCC標準化值Fig.7 UCC-normalized abundances of trace elements for the samples from the Shaozhai section. (a) Standard data for all studied samples. (b) Standard average and standard deviation for the Tertiary red clay and Quaternary loess.

常采用化學(xué)性質(zhì)不活潑的元素及其比值進行物源示蹤 (Qiao et al.,2011)。由于Zr、Nb、Ta、Hf、Lu、Ho、Y和Th都是高場元素,其中,Zr和Hf、Nb和Ta、Y和Ho、Lu和Hf分別具有相近的離子半徑和相似的地球化學(xué)行為,是緊密共生的元素對(Bau,1996;Bouvier et al.,2008),它們在風(fēng)化過程中屬于不活潑元素,在風(fēng)化極為強烈的情況下仍然不發(fā)生淋失(Condie,2005),此外,Th元素幾乎不受風(fēng)力分選的影響 (Rollinson,1993;Yang et al.,2003;Ozkan and Ayaz-Bozdag,2011)。這些元素多在抗風(fēng)化的副礦物中富集,其含量和比值在不同巖石類型中差別較大,沉積后受風(fēng)化影響較小,是理想的物源示蹤指標(Marques et al.,2004)。新近紀紅粘土與第四紀黃土的Zr/Hf、Nb/Ta、Lu/Hf、Y/Ho、Th/Nb和Hf/Nb比沒有明顯區(qū)別(圖8),指示了物質(zhì)來源的一致性。

圖8 邵寨剖面樣品不易遷移微量元素比值圖Fig.8 Plots of immobile trace element ratios for the samples from the Shaozhai section

2.3 稀土元素

稀土元素(REE)也是常用的物源示蹤物(McLennan,1989;Yang et al.,2007),它是一個地球化學(xué)性質(zhì)很相似的元素組,隨巖石類型不同元素含量發(fā)生變化,在風(fēng)化、搬運及沉積過程中其組成變化較小,所攜帶物源區(qū)信息一般不會丟失。將樣品與球粒隕石中相應(yīng)的各稀土元素的含量(Taylor and Mclennan,1985;McLennan,2001)進 行對比求值,通過球粒隕石標準化后可以直觀地觀察到樣品對于球粒隕石的分異程度。新近紀紅粘土與第四紀黃土的球粒隕石標準化曲線十分相似,均呈現(xiàn)出輕稀土元素富集、重稀土元素平坦、Eu元素虧損的特點(圖9),但新近紀紅粘土稀土元素含量略低于第四紀黃土。

圖9 邵寨剖面樣品稀土元素球粒隕石標準化分布模式圖Fig.9 Chondrite-normalized abundances of trace elements for the samples from the Shaozhai section. (a) Data for all studied samples. (b) Average data and standard deviation for the Tertiary red clay and Quaternary loess.

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盡管新近紀紅粘土中的稀土元素La-Lu和Y含量略低于第四紀黃土,但其稀土元素總量(ΣREE)、輕稀土與重稀土的分異程度(LREE/HREE)、輕稀土內(nèi)部分異程度(LaN/SmN)、重稀土內(nèi)部分異程度(GdN/YbN)、Ce和Eu的異常程度(Ce/Ce?、Eu/Eu?)與第四紀黃土并無太大差異(圖10),反映出物質(zhì)來源相對一致。

圖10 邵寨剖面樣品的LREE/HREE-∑REE、LaN/SmN-GdN/LuN、Eu/Eu?-Ce/Ce?圖解Fig.10 LREE/HREE versus ∑REE, LaN/SmN versus GdN/LuN and Eu/Eu?versus Ce/Ce?diagrams for the samples from the Shaozhai section

2.4 Sm-Nd同位素

Sm和Nd具有較為相似的化學(xué)性質(zhì),在風(fēng)化、搬運、沉積過程中基本上保持了源巖的信息(Nakai et al.,1993)。Sm和Nd在自然界中分別有7個同位素,除147Sm以106Ga的半衰期α衰變成143Nd外,其他放射性同位素因為半衰期過長,可以作為穩(wěn)定同位素看待。不同成因和時代的巖石,其143Nd/144Nd不相同,因而可以用來進行物源區(qū)的區(qū)分 (Goldstein et al.,1984;Revel et al.,1996;Grousset and Biscaye,2005)。由于自然界中143Nd/144Nd比值變化范圍較小,因而經(jīng)常采用球粒隕石標準化值εNd(0) 來代替,εNd(0) =(143Nd/144Nd樣品/143Nd/144Nd球粒隕石-1) ×104。 新近紀紅粘土與第四紀黃土的143Nd/144Nd和εNd(0)沒有明顯差異性(圖11),表明兩者的物質(zhì)來源基本一致。

表4 邵寨剖面樣品Sm-Nd同位素數(shù)據(jù)表Table 4 Sm-Nd data of the samples from the Shaozhai section

圖11 邵寨剖面樣品εNd(0)變化圖Fig.11 Variations in εNd(0) of the samples from the Shaozhai section

3 地球化學(xué)特征對物源及風(fēng)化的指示意義

新近紀紅粘土與第四紀黃土-古土壤序列的常量元素、微量元素的組成與上地殼平均化學(xué)組成基本相同,在常量元素和微量元素UCC標準化圖中具有相似的分布模式,具有相似的稀土元素球粒隕石標準化曲線,證明它們與上地殼存在著十分密切的成因聯(lián)系,在沉積之前都經(jīng)過了相似的、多次的搬運與沉積,是高度混合的產(chǎn)物,也證明了新近紀紅粘土與第四紀黃土同樣為風(fēng)塵堆積物。

由于利用地球化學(xué)方法示蹤風(fēng)塵堆積物物源的本質(zhì)是看礦物成分的差異,礦物成分不僅受控于巖漿結(jié)晶分異,在礦物形成后還會受到風(fēng)化以及沉積分異的影響。因此,在對風(fēng)塵堆積物進行物源判斷時,需要選擇化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定的地球化學(xué)指標,避免沉積分選和風(fēng)化改造對物源判斷產(chǎn)生的影響。

新近紀紅粘土與第四紀黃土地球化學(xué)特征主要差異,體現(xiàn)在新近紀紅粘土具有較高的MgO、Li、Cs、Bi含量,較低的Na2O,以及略低的稀土元素La-Lu和Y含量。由于MgO、Na2O屬于易遷移元素,而Li、Cs、Bi元素易受到分選作用影響,在細粒級沉積物中富集 (Nesbitt et al.,1980,1996),故一般不作為物源判別指標。

稀土元素由于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,在風(fēng)化搬運沉積時組成變化小,因而是常用的物源示蹤指標(McLennan,1989;Yang et al.,2007)。盡管新近紀紅粘土稀土元素La-Lu、Y含量略低于第四紀黃土,但其他稀土表征參數(shù)與第四紀黃土沒有明顯差異,指示新近紀紅粘土與第四紀黃土物質(zhì)來源相對一致。除了稀土元素表征參數(shù)相似,新近紀紅粘土常量元素比值 (TiO2/Al2O3,SiO2/Al2O3,SiO2/TiO2)、微量元素比值(Zr/Hf、Nb/Ta,Lu/Hf,Y/Ho,Th/Nb和Hf/Nb)、同位素εNd(0) 值,與第四紀黃土所見并無太大差異,進一步說明兩者源巖化學(xué)成分一致,即粉塵的物源來源一致。

盡管稀土元素經(jīng)常被用作物源示蹤指標,但有研究顯示稀土元素容易受到分選作用和風(fēng)化強度的影響。一般研究(吳明清等,1991;李福春等,2002)認為,隨著沉積物的粒度由粗變細,稀土元素含量會隨之增加;但李雙林(2001)則認為粒度對稀土元素總量的影響很復(fù)雜,在不同時期存在著明顯差別。根據(jù)已報道的對渭南黃土剖面以及下蜀土剖面稀土元素研究(刁桂儀和文啟忠,2000;李徐生等,2006)表明,風(fēng)化淋濾作用會導(dǎo)致稀土元素遷移,從而導(dǎo)致古土壤層中的稀土含量略低于黃土層。在文中,新近紀紅粘土的顆粒總體較第四紀黃土細,Na2O/Al2O3和CIA指示新近紀紅粘土所經(jīng)歷的風(fēng)化強度強于第四紀黃土,因而容易吸附鐵鎂質(zhì)礦物以及Li、Cs和Bi元素,淋失Na2O和稀土元素,從而導(dǎo)致MgO、Li、Cs和Bi的相對富集,以及Na2O、稀土元素La-Lu和Y的相對虧損。

4 結(jié)論

通過對隴東邵寨剖面新近紀紅粘土與第四紀黃土-古土壤序列進行地球化學(xué)特征分析,文章得出以下認識。

(1)新近紀紅粘土與第四紀黃土具有相似的常量、微量元素UCC標準化曲線,以及稀土元素球粒隕石標準化曲線,指示二者均來自廣闊的物源區(qū),經(jīng)過了相似的搬運過程,并在搬運中得到了充分混合。

(2)新近紀紅粘土與第四紀黃土在地球化學(xué)特征方面有較多的相似性,常量、微量穩(wěn)定元素比值、稀土元素總量、輕稀土與重稀土的分異程度、輕稀土內(nèi)部分異程度、重稀土內(nèi)部分異程度、Ce和Eu的異常程度、同位素εNd(0) 值與第四紀黃土并無太大差異,指示兩者物質(zhì)來源一致。

(3)新近紀紅粘土比第四紀黃土經(jīng)歷了更為強烈的風(fēng)化過程,二者粒度組分及風(fēng)化程度的差異,可能是導(dǎo)致新近紀紅粘土與第四紀黃土常量、微量元素含量差異的主要原因。