云南高原紅壤南北磁性特征分析*

李峰銳，李海俠，劉大祥，任二慧，李剛強(qiáng)，陳宇東，張子豪

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 引言

隨著磁測技術(shù)的發(fā)展，可通過測量環(huán)境樣品中含鐵磁性礦物的種類、含量、磁疇狀態(tài)等信息來分析環(huán)境變化，由此便產(chǎn)生了一門新的學(xué)科——環(huán)境磁學(xué)[1]。土壤磁性參數(shù)能夠記錄土壤成土過程、土壤性質(zhì)、環(huán)境變化和植被更替等多種信息，可用于土壤侵蝕檢測[2]、為古氣候重建和恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)[3-7]、評估空氣中顆粒物污染程度等[8-10]，還可作為評判重金屬污染程度的代用指標(biāo)[11]，反映鐵氧化物的形成過程[12]以及與磁性礦物形成有關(guān)的成土過程[13-15]。目前對云南高原地區(qū)的紅壤磁性礦物的類型缺少定量化研究，基于此，本文以云南省南北兩個樣地的紅壤為研究對象，探索紅壤垂直剖面磁性變化規(guī)律，為該地區(qū)土壤磁性研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

在云南省南北地區(qū)設(shè)置2個研究樣地，分別位于昭通市大關(guān)縣(樣地一)和西雙版納州大渡崗鄉(xiāng)(樣地二)。其中，樣地一坐標(biāo)為東經(jīng)103°53′～103°54′，北緯27°45′～27°45′，海拔高度約為1 400 m，屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，氣溫垂直分帶明顯，年均氣溫14.5 ℃，年均日照時數(shù)966.3 h，年均降水量991.3 mm，年均降雪8 d，年均無霜期308 d；樣地二位于北回歸線以南，坐標(biāo)為東經(jīng)100°55′50.94″～100°56′12.57″，北緯22°21′20.13″～22°21′35.24″，海拔高度約為1 351 m。氣候垂直變化顯著，季節(jié)變化不明顯，夏熱多雨潮濕，冬暖少雨干燥，年均氣溫17.5 ℃，年均降雨量1 600～1 900 mm，年均日照時數(shù)1 382.5 h。2個樣地均為第四紀(jì)紅黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤類型。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

每個樣地設(shè)置未受人為因素過多擾動的常綠闊葉森林土壤剖面各3條。土壤樣品分別編號為DF1、DF2、DF3(樣地一)，F(xiàn)1、F2、F3(樣地二)。在樣品采集過程中，為了避免金屬采樣工具對土壤磁化率的影響，采樣過程中均使用木制采樣工具進(jìn)行取樣。在取樣之前，刮去土壤表層的枯落物。用鋤頭挖成深150 cm、寬60 cm、長100 cm的土坑，以便人員進(jìn)入采樣。土壤樣品沿垂直剖面采集，每條剖面盡可能向下挖至140 cm深度，0～80 cm 深度每 10 cm 取1個樣品，80～140 cm 深度每 20 cm 取1個樣品，1條剖面共取土壤樣品11個。本文共取得6條森林土壤剖面。樣品用聚乙烯袋包裝，風(fēng)干后用瑪瑙研磨，通過2 mm的不銹鋼篩子。研究樣地位置示意圖見圖1。

圖1 研究樣地位置示意圖

2.2 磁性參數(shù)測量

磁化率χ測量采用捷克 Agico 公司生產(chǎn)的MFK1-FA多頻磁化率儀，精度為2×10-8SI，所采集的土壤樣品分別在低頻(976 Hz)和高頻(15 616 Hz)磁場中測量磁化率，測量磁場強(qiáng)度200 A/m，每個樣品重復(fù)測定3次，取其平均值。頻率磁化率χfd=χlf-χhf(χlf和χhf分別是指在MFK1-FA多頻磁化率儀976 Hz和15 616 Hz頻率下所測得的磁化率)。根據(jù)HROUDA[16]給出的公式，將χfd代入Bartington儀器使用的頻率比1∶10∶χfd=χmfdln10/[ln(fmhf)-ln(fmlf)]計算，其中，χmfd是由其他儀器測量得到的值，fmhf和fmlf是在其他儀器中使用的高頻和低頻，χfd值以百分比表示。非磁滯剩磁(ARM)測量使用捷克生產(chǎn)的AGICO JR6A雙速自動旋轉(zhuǎn)磁力儀，所加直流場磁感應(yīng)強(qiáng)度為50 μT。磁滯回線測量使用MicroMag TM 3900 VSM Magnetometer儀器。利用MFK1-FA型多頻磁化率儀將樣品從室溫開始加熱，最高加熱至700 ℃,再慢慢停止加熱并冷卻至室溫，記錄所測樣品加熱和冷卻過程中的磁化率變化，得到χ-T曲線。本文所有磁參數(shù)測量均在中國地震局北京國家地球觀象臺測試完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 磁化率垂直分布特征

磁化率是指物質(zhì)可以被磁化的程度[17]，被定義為物質(zhì)在外磁場中受感應(yīng)產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度M與外加磁場強(qiáng)度H的比值[18]。測量得到的樣地土壤磁性范圍見表1。由表1可知，位于北亞熱帶季風(fēng)氣候的樣地一的土壤磁化率為7.10×10-8～38.46×10-8m3/kg，平均值為18.20×10-8m3/kg；而位于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候的樣地二的土壤磁化率為6.33×10-8～185.06×10-8m3/kg，平均值為74.07×10-8m3/kg。

表1 土壤磁性范圍統(tǒng)計

南北樣地的紅壤磁性特征垂直剖面圖見圖2(圖中的κ表示體積磁化率)。由圖2可知：樣地一的土壤磁化率垂直剖面總體特征表現(xiàn)為表層的土壤磁化率明顯高于下部的磁化率，DF1、DF2、DF3剖面的最大值均在土壤表層出現(xiàn)，隨著深度的增加，其磁化率逐漸減小；其中DF3剖面40～50 cm深度處的磁化率明顯減小，對該條剖面進(jìn)行有機(jī)碳測定發(fā)現(xiàn)，在40～50 cm深度處有機(jī)碳含量明顯低于該層土壤的上下層，根據(jù)有機(jī)碳與磁化率的相關(guān)性，推測可能是該層有機(jī)碳含量異常所致。樣地二低頻質(zhì)量磁化率的總體趨勢基本一致，均表現(xiàn)為土壤低頻質(zhì)量磁化率先增大，在20～30 cm深度處達(dá)到峰值后再減小，在底層出現(xiàn)最小值，為30×10-8～50×10-8m3/kg。樣地二屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，土壤表層氧化還原條件好，從而導(dǎo)致一些Fe2+被氧化為更加穩(wěn)定的Fe3+，形成一些細(xì)小的磁赤鐵礦及磁鐵礦。土壤的淋濾作用導(dǎo)致磁性顆粒在垂直方向有所遷移，這可能是該區(qū)域各樣點剖面變化的重要原因。

圖2 南北紅壤磁性特征垂直剖面圖

3.2 頻率磁化率分布特征

百分比頻率磁化率χfd可用來表示樣品中SP與SD邊界附近的黏滯磁性顆粒含量[19-20]。OLDFIELD等[21]對土壤和沉積物的測定結(jié)果表明：當(dāng)χfd<2.0%時,不存在SP磁性顆粒；χfd在2.0%～10.0%時, SP、SD和MD顆粒可能共存；而當(dāng)χfd> 10.0%時，SP顆粒豐度>75%。但需要注意的是，當(dāng)所測得的χfd數(shù)據(jù)接近于0時，并非意味著SP顆粒不存在，出現(xiàn)這種情況的原因也可能是磁性礦物顆粒分布很寬所致[22]。

樣地的頻率磁化率分布見圖3。由圖3可知：樣地一的3條土壤剖面DF1、DF2和DF3的百分比頻率磁化率基本都小于10.0%，根據(jù)前人的研究，可以判斷樣地一的3條土壤剖面的磁疇狀態(tài)可能是SP、SD和MD顆粒共存；樣地二F1、F2和F3的百分比頻率磁化率在1.56%～13.66%，平均值為10.65%，其最大值均在土壤表層出現(xiàn)，最小值均在剖面底部出現(xiàn)。由此可知，表層主要以SP顆粒為主，底部主要表現(xiàn)為SP、SD和MD顆粒共存。

圖3 百分比頻率磁化率分布

3.3 熱磁曲線

熱磁曲線是指磁化率在加熱和降溫過程中隨溫度變化的曲線，通過熱磁曲線可以獲得磁性礦物的居里溫度(尼爾溫度)和化學(xué)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變等信息，指示樣品中磁性礦物類型，獲得有關(guān)磁性顆粒大小分布的信息[23-25]。

圖4為研究樣地部分樣品的熱磁曲線。由圖4可知，土壤剖面DF2-A和DF2-D的熱磁曲線特征基本一致，升溫過程中在280 ℃左右時磁化率達(dá)到第一次峰值，隨后下降，然后在500 ℃附近達(dá)到第二次峰值，其居里溫度點均在580 ℃附近出現(xiàn)，表明土壤樣品中含有磁鐵礦。升溫曲線在280 ℃和510 ℃附近出現(xiàn)2個主要峰，其原因是強(qiáng)磁性但熱不穩(wěn)定的磁赤鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)槿醮判猿噼F礦[26-31]。由DF2-K熱磁曲線可以看到，在250 ℃時磁化率急劇升高，并且在320 ℃左右達(dá)到峰值，隨后急劇下降，320 ℃時的磁化率峰值可能來自新形成的少量亞鐵磁相，如磁鐵礦。同時可以看到，DF2-K和F1-K的熱磁曲線形態(tài)也反映了其底部存在反鐵磁性礦物。

圖4 典型土壤樣品熱磁曲線

樣地二的 F1-A、F1-B熱磁曲線在200 ℃左右時磁化率出現(xiàn)峰值，隨后下降，然后在280 ℃再次出現(xiàn)小峰，隨后在500 ℃再次出現(xiàn)峰值，在500～600 ℃急劇下降，居里溫度點在580 ℃附近。200 ℃時出現(xiàn)峰值的原因可能是土壤樣品中亞鐵磁性礦物氧化，或者纖鐵礦脫水生成磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)[32]，而280 ℃時出現(xiàn)的小峰值可能是磁性顆粒內(nèi)部應(yīng)力釋放形成超順磁顆粒，從而使得磁化率升高。而400～500 ℃范圍內(nèi)，磁化率的顯著升高反映了加熱時會形成新的強(qiáng)磁性相，合成這種相的可能來源是在黏土礦物脫羥基過程中遷移出的Fe離子[33]。在500 ℃左右出現(xiàn)峰值的原因可能是：①由于富鐵黏土礦物熱變質(zhì)導(dǎo)致新的磁鐵礦形成[34]；②磁鐵礦轉(zhuǎn)化的反相產(chǎn)物赤鐵礦還原形成磁鐵礦[35]；③纖鐵礦(γ-FeOOH)轉(zhuǎn)變?yōu)榇懦噼F礦[36-37]。在500～600 ℃磁化率急劇下降，一般認(rèn)為是由于在加熱過程中，磁鐵礦的化學(xué)結(jié)構(gòu)受到影響，轉(zhuǎn)變?yōu)榇懦噼F礦，從而導(dǎo)致磁化率急劇下降，指示了磁鐵礦的存在；而冷卻曲線F1-A、F1-B土壤樣品在580 ℃時，土壤的磁化率急劇升高，這是土壤中的赤鐵礦向磁鐵礦和磁赤鐵礦轉(zhuǎn)化所致，同時也證實了磁鐵礦的存在。而F1-K土壤樣品在280 ℃左右時磁化率達(dá)到峰值，加熱到680 ℃左右時磁化率基本為0，熱磁曲線的形態(tài)反映了F1剖面底部土壤樣品中存在針鐵礦。

4 結(jié)論

a.云南高原紅壤南北樣地土壤低頻磁化率χlf和百分比頻率磁化率χfd在垂直剖面的趨勢基本一致，均隨著深度的增加而減小。樣地一土壤磁性明顯低于樣地二紅壤磁性。

b.樣地一的百分比頻率磁化率χfd基本都小于10.0%，說明了該區(qū)域土壤磁性顆粒以SP為主；樣地二的χfd總體上在1.56%～13.66%，表現(xiàn)為表層主要以SP顆粒為主，底部主要表現(xiàn)為SP、SD和MD顆粒共存，且風(fēng)化成土作用較強(qiáng)。

c.熱磁曲線表明南北樣地表層土壤均以亞鐵磁性礦物為主，如磁鐵礦和磁赤鐵礦。并且隨著土壤深度的增加，反鐵磁性礦物的含量相應(yīng)增大，如赤鐵礦和針鐵礦。