九江土塘剖面位于赣北鄱阳湖地区, 地理坐标为29° 29'7″N, 116° 23'33″E, 地处东南季风区中亚热带北部(图 1), 年均气温16~17 ℃, 年降水量1300~1600 mm(朱丽东等, 2007)。受狭管效应影响, 冬季风强于同纬度其他地区(李徐生等, 2006; 庄检平等, 2007)。植被为原生的马尾松和茅草, 剖面地层从上往下依次为现代土壤层— 下蜀黄土层— 均质红土层— 微网纹红土层— 弱网纹红土层— 强网纹红土层。地层连续过渡, 无沉积间断。剖面均质、无层理、多孔隙, 质地为粉砂或含黏土粉砂, 各地层描述和年代详见图2。全剖面以3 cm等间距采样242个, 并系统选取样品进行粒度和元素测试, 初步探索赣北鄱阳湖地区九江土塘剖面各地层单元间关联性及其蕴含的古气候信息。

图1

Fig.1

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	图1 九江土塘剖面位置图Fig.1 Location of Tutang section in Jiujiang

图2

Fig.2

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	图2 九江土塘剖面综合柱状图Fig.2 Comprehensive column section of Tutang section in Jiujiang

粒度结果显示土塘剖面由上而下平均粒径Mz(φ )变化范围在6.49~7.13之间, 粒度组分比较均一, 不同地层单元没有明显的粗细变化, 粒度参数变化幅度小, 指示出单一的搬运营力(图 2)。常量元素质量百分比含量表明:土塘剖面主要的化学成分如SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃含量总和都稳定在80%~90%之间, 与北方的洛川黄土(85.41%)、长江下游燕子矶下蜀黄土(81.21%)较为相近, 而与长江河漫滩沉积物(75.83%)相差较大; 与上陆壳相比, 除SiO₂、Al₂O₃ 、MnO含量相近外, 有富TiO₂、Fe₂O₃(全铁), 贫Na₂O、MgO、CaO、K₂O的特征(表 1)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 九江土塘剖面及典型剖面常量元素含量(wt%) Table 1 Major elements average content(wt%)of Tutang section in Jiujiang and other sections

表1 九江土塘剖面及典型剖面常量元素含量(wt%) Table 1 Major elements average content(wt%)of Tutang section in Jiujiang and other sections

土塘剖面各地层常量元素含量大致相近, 但仍存一定差异(图 3, 表1)。SiO₂含量在下蜀黄土层(65.33%)、均质红土层(63.91%)和微网纹红土(64.80%)中相近, 网纹层上部弱网纹红土(68.02%)和底部强网纹红土(68.35%)含量接近。总体上SiO₂随着深度的增加有震荡递增趋势。同样, TiO₂随深度的加深呈震荡递增趋势。Al₂O₃在现在土壤层中含量(10.86%)明显偏低, 在下蜀黄土层(15.59%)以及均质红土层(16.61%)和微网纹红土(16.48%)中相近, 但高于弱网纹红土层(14.87%)和强网纹红土层(14.48%)。Fe₂O₃含量在现代土壤层(3.45%)中明显偏低, 在下蜀黄土层(5.27%)以及均质红土层(5.70%)和微网纹红土(5.95%)中相近, 微网纹红土向网纹红土层上部(5.21%)过渡时, Fe₂O₃含量呈递减趋势, 但网纹红土层上部(5.21%)弱网纹层向底部(5.76%)强网纹层过渡Fe₂O₃含量递增。总体上Al₂O₃、Fe₂O₃含量先趋于稳定, 在网纹红土层先减小后递增。网纹红土中K₂O、Na₂O、CaO和MgO等易淋溶组分含量很低, 除K₂O含量略高于1%外, 其余组分均不足1%。K₂O、 Na₂O、MgO 等易淋溶的元素, 随着深度的变化, 质量百分比明显递减。

图3

Fig.3

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	图3 九江土塘剖面主要常量元素含量(wt%)随深度变化Fig.3 Variation of major element content (wt%) at Tutang section in Jiujiang

在化学风化过程中, 活泼性元素易淋溶迁移出去, 造成稳定性元素相对残留富集。故元素绝对含量的变化不能有效真实地反映风化成壤过程中相关元素的地球化学行为, 掩盖了元素迁移或富集的真实情况。元素的变化率可以用来获知元素的迁移或富集程度(陈骏等, 1997; 李徐生等, 2007), 计算公式为:

δ(%)=[(XS/IS)(XP/IP)-1]* 100%

式中: X_S、I_S分别为样品中元素X和参比元素I的含量; X_P、I_P分别为上述元素在原始母质中的含量。如果δ < 0, 则元素X相对参比元素迁出; 反之, 则元素相对富集(陈骏等, 1997)。在土塘剖面原始母质未明情况下, 可用剖面中化学风化最弱的地层近似代表母质(李徐生等, 2007)。实验数据显示下蜀黄土层顶部TTb-007样品 CIA值最小(85.97), BA值最大(0.16), 即风化程度最弱, 可近似代表原始母质。作者选取Al作为参比元素, 计算各单元土壤层元素的迁移或富集程度。

计算结果表明, 土塘剖面绝大部分常量元素相对于Al元素在化学风化过程中发生了迁移淋失, 其中 Na₂O、MnO₂、CaO、P₂O₅、MgO、K₂O迁移率δ < 0, 且|δ |> 10%, δ (Na)最大, 达到50.69, δ (K₂O)也有17.11%, 表现为明显剧烈的迁移淋失; δ (SiO₂)为2.91%(图8), 表明Si相对于Al元素也发生了一定的迁移, 但差异不明显。这也从一定程度说明土塘剖面化学风化已完成中期的去K阶段, 进入晚期去Si(Nesbitt and Young, 1984)。常量元素中δ (TiO₂)、δ (Fe₂O₃)分别为0.91%, 8.45%(图8), 表明Fe₂O₃、TiO₂相对于Al元素有轻微富集的特征, 相对稳定, 以残留富集为主。Fe₂O₃常残留富集在铁质胶膜中, 土塘剖面常见富含铁质胶膜的地层。根据δ (%)值的大小顺序可以大致确定九江土塘剖面常量元素迁移能力如下:Na₂O> MnO₂> CaO> P₂O₅> MgO> > K₂O> SiO₂> Al₂O₃> TiO₂> Fe₂O₃。

图8

Fig.8

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	图8 九江土塘剖面常量元素迁移率Fig.8 Migration ratio of major elements of Tutang section in Jiujiang

不同的气候条件造就与之相适应的沉积物, 沉积物中的化学元素在表生环境下的地球化学行为特征, 可作为古气候、古环境的替代性指标(张虎才等, 1997; 李徐生等, 2007; 赵倩等, 2012)。土塘剖面网纹红土— 微网纹红土— 均质红土— 下蜀黄土连续无间断, 完整记录着该区域气候变化的信息。每一次土壤单元层的转型, 都伴随着粒径的突变, 同时CIA、BA、硅铝铁率、硅铝率、铝铁率等地球化学指标的变化也反应着古气候的变迁。

网纹红土常作为中更新世堆积(蒋复初等, 1997), 在土塘剖面底部的强网纹红土层先是CIA增大, BA值减小。即化学风化强度先增强, 并达到最大值, 可能佐证中更新世中期, 气候由干冷逐渐趋向暖湿。它指示九江地区在中更新世有段时期全年降雨丰沛, 夏季风强盛, 强网纹红土发育。这与尹秋珍和郭正堂等的研究结果一致(尹秋珍等, 2006)。随后又出现CIA值减小, BA值增大, 小于2, μ m颗粒组分增多, 2~63, μ m颗粒组分突减, 考虑到土塘剖面为风尘堆积(蒋复初等, 1997; 熊尚发等, 1998; 胡雪峰和龚子同, 2001), 并且搬运营力单一。可能的解释是冬季风增强, 气候由暖湿转向干冷, 造成化学风化程度减弱, 在土塘剖面堆积的组分颗粒较细。这可能间接佐证土塘剖面物源较为稳定, 搬运营力风向较为固定单一, 即可能的物源是裸露的古长江河漫滩。

到了弱网纹红土层, 尽管BA值仍递增、CIA值仍递减、波动幅度减小, 但波动次数明显增多, 表明气候仍由暖湿向干冷转变, 干湿变化程度减弱, 但干湿旋回次数增加。在一定程度上佐证了中更新世晚期气候仍由暖湿向干冷转变, 转变次数增多但转变幅度较减小。

图7分析表明微网纹红土层、均质红土层、下蜀黄土层整体上气候还是由暖湿向干冷转变, 但在微网纹红土层出现1次大于63, μ m粗颗粒明显突增, 敏感颗粒组分2~63, μ m明显突减, 与之对应的CIA值突减、BA值、硅铝铁率值突增现象。这可能指示冬季风达到最大, 干冷气候最为强盛。均质红土对应末次间冰期暖湿气候, 在均质红土向下蜀黄土过渡区间出现1次敏感颗粒组分2~63, μ m明显突增, 小于2, μ m颗粒组分突增, 与之对应的CIA值突增、BA值、硅铝铁率值突减现象。这可能表明晚更新世末次间冰期向末次冰期转变的过程中出现过气候暖湿程度最盛时期, 化学风化程度高。随后进入末次冰期, 气候变为干冷, 均质红土停止发育, 下蜀黄土开始发育。

为探索土塘剖面各个地层单元间元素迁移的情况, 选取Fe₂O₃、SiO₂、Na₂O、MgO、K₂O这5种代表性氧化物(李徐生等, 2007)进行分析讨论。其相对于Al元素的迁移率如图9所示。其中Fe₂O₃在下蜀黄土层和均质红土层迁移率变化微弱, 基本维持在0%附近, 在微网纹红土层δ (Fe₂O₃)维持在4%~12%之间, 迁移率变化幅度略有增加, 在网纹红土层δ (Fe₂O₃)出现大幅度波动, 并在整体上表现出富集特征。δ (Fe₂O₃)在弱网纹层(4.4~6 m)维持在-6%~10%之间波动, 而在强网纹层(6~8 m)一直向底部呈递增趋势。总体上δ (Fe₂O₃)随着深度的增加, 先是趋于稳定, 后震荡式微弱递增, 最后大幅波动增加。这种变化现象一方面说明土塘剖面下部地层单元化学风化要强于上部; 化学风化强度由小到大为下蜀黄土层— 均质红土— 微网纹红土— 弱网纹红土— 强网纹红土。佐证了强烈的淋溶作用, 是蠕虫状网纹红土形成的主要原因(尹秋珍和郭正堂, 2006)。另一方面, 从 δ (Fe₂O₃)波动幅度微弱— 大幅— 剧烈的变化趋势可以看出, 中更新世以来九江地区在整体暖湿的背景下, 伴随明显的干湿变化特征, 并且这种干湿变化差异在缩减, 即强网纹红土— 弱网纹红土— 微网纹红土— 均质红土— 下蜀黄土层成壤时期的干湿变化程度在递减。这变化规律佐证了强烈的淋溶与土壤的干湿交替作用是网纹发育的重要动力(Sombroek, 2000; Yaro et al., 2006; 尹秋珍等, 2006)。随着干湿变化程度减弱, 网纹从强网纹红土转为弱网纹红土, 再转为微网纹红土, 当干湿变化程度减弱到一定范围后, 网纹不再发育。

δ (SiO₂)在网纹层以上表现出淋溶迁移的特征, 在网纹层表现为残留富集。在微网纹红土层既有淋失也有富集, 可能为网纹向均质红土转变的过渡层。蒋复初等(1997)测试这一地层年代为90~112, ka。对应深海氧同位素曲线5期。活动性依次增强的K、Mg和Na元素在整个剖面中基本上均表现为淋溶迁移的特征(图 9), 且剖面下段的迁移程度较剖面上段更强, 波动的幅度也更大, 这与Fe元素揭示的情况以及剖面地层的岩性变化也是相一致的。同时, 从Si、Mg和Na的迁移程度来看, 剖面下段自下而上活动性元素的迁移程度有逐渐减弱的趋势, 揭示气候的湿热程度也逐渐减弱。

图9

Fig.9

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	图9 九江土塘剖面Fe、Si、Na、Mg、K迁移率变化Fig.9 Migration ratio variations of elements Fe, Si, Mg, Na variation in Tutang section in Jinjiang

δ (Na₂O)在下蜀黄土层、均质红土层淋溶迁移, |δ (Na₂O)|都在17%以上, 波动幅度很大, 在到达微网纹红土层后基本维持在-50%~-63%之间, 震荡幅度变小。δ (MgO)在下蜀黄土层基本维持在0%附近, 在均质红土层|δ |值才大幅波动着递增, 在微网纹红土层以及网纹层就基本维持于-17%~29%之间, 且波动幅度较小。|δ (K₂O)|在下蜀黄土层也维持在0%附近, 迁移淋溶少, 到达均质红土层大幅波动递增。Na主要赋存于斜长石、云母等易风化的矿物中, K主要赋存在钾长石中, Mg主要存在原生碳酸盐矿物、云母、长石以及黏土矿物中(翟秋敏和郭志永, 2002)。据表生环境中矿物的风化由易到难顺序:基性斜长石— 辉石— 角闪石— 酸性斜长石— 钾长石— 白云母— 石英。下蜀黄土层Na迁移率|δ |> 10%, 而Mg、K迁移率维持在0%附近, 表明下蜀黄土层化学风化程度只是进入了初期的去Na、Ca阶段; 均质红土层Na元素迁移率|δ |> 10%, |δ (K₂O)|在1.6%~15%之间波动, 表明均质红土层化学风化程度已经开始进入中期去K阶段; 微网纹红土层|δ (K₂O)|平均值为10.9%, 化学风化程度完全进入去K阶段并向去Si阶段过渡; 弱网纹层|δ (K₂O)|平均值为20.06%, 强网纹红土层|δ (K₂O)|、 |δ (SiO₂)|平均值为32.11%、10.03%, 表明网纹红土层完全进入化学风化晚期去Si阶段。

1)土塘剖面从上而下发育下蜀黄土层— 均质红土层— 微网纹红土层— 弱网纹红土层— 强网纹红土层, 其中微网纹红土层是网纹层向均质红土层转变的过渡层。各地层单元粒度组分比较均一, 不同地层单元没有明显的粗细变化, 粒度参数变化幅度小, 指示出单一的搬运营力。各地层常量元素虽存在一定差异, 但总体含量大致相近。理化性质指示剖面的风成属性, 且物源相对稳定。

2)上陆壳标准化曲线、CIA 、A-CN-K图解、BA值、硅铝铁率、硅铝率、铝铁率等地球元素化学特征揭示土塘剖面经历了强烈的风化淋溶, 与其他典型剖面相比, 风化程度由强到弱大致顺序如下:九江土塘剖面> 南京燕子矶下蜀土> 长江河漫滩沉积物> 洛川黄土。并且九江土塘剖面各地层间的化学风化强度依次是下蜀黄土层< 均质红土层< 微网纹红土层< 弱网纹红土层< 强网纹红土层, 其中下蜀黄土层化学风化程度只是进入了初期的去Na、Ca阶段; 均质红土层化学风化程度已经开始进入中期的去K阶段; 微网纹红土层化学风化程度由去K阶段向去Si阶段过渡; 网纹红土层就完全进入去晚期Si阶段。

3)土塘剖面风化过程中, 绝大部分常量元素如Na₂O、MnO₂、CaO、P₂O₅、MgO、K₂O、SiO₂等的地球化学行为相对于Al₂O₃均表现为迁移淋失, Fe和Ti 则呈轻微富集特征, 确定九江土塘剖面常量元素迁移能力如下:Na₂O> MnO₂> CaO> P₂O₅> MgO> K₂O> SiO₂> Al₂O₃> TiO₂> Fe₂O₃。

4)土塘剖面各项理化指标系统性的变化表明中更新世以来赣北鄱阳湖地区区域气候整体相对于北方地区暖湿, 气候由暖湿趋于干冷。同时伴随明显的多个干湿旋回, 并且这种干湿变化差异在缩减, 即强网纹红土— 弱网纹红土— 微网纹红土— 均质红土— 下蜀黄土层成壤时期的干湿变化程度在相对递减。这变化规律证明了强烈的淋溶与土壤的干湿交替作用是网纹发育的重要动力。随着干湿变化程度减弱, 网纹从强网纹红土转为弱网纹红土, 再转为微网纹红土, 当干湿变化程度减弱到一定范围后, 网纹不再发育。