中国东部现代成壤粘土的矿物、氢氧同位素和主量元素分布特征及其环境意义

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利用重力沉降和离心分离法从我国东部季风区黑龙江至海南岛(50~18°N)的广大范围内采集的56个表土样品中提取了51个粘土样品。对这些粘土样品分别进行了XRD物相分析、稳定同位素δD和δ18O分析,以及XRF主量元素分析。对这些实验结果进行分析后得出了以下认识:  一、矿物  通过XRD物相分析在这些成壤粘土样品中鉴定出10种主要矿物,其中原生碎屑矿物包括石英、钠微斜长石、钠长石和方解石;次生矿物包括:蒙脱石、伊利石和高岭石等粘土矿物,以及三水铝石、赤铁矿和针铁矿等次生氧化物。  通过基于RIR值的绝热法对每个成壤粘土样品进行了半定量的矿物分析,发现了一些成壤粘土矿物的空间分布规律。自北向南,次生矿物含量逐渐增多,原生矿物含量逐渐减少,且由北向南粘土矿物的类型由2∶1型的蒙脱石和伊利石为主变为以1∶1型的高岭石为主,反映了化学风化作用由北向南逐渐增强。方解石只出现在山东以北,特别是东北地区的成壤粘土样品中,反映了该地区钙淀积作用和碳酸岩母岩的深刻影响。由北向南,长石类矿物中的钠长石比钠微斜长石减少的速度快些,海南岛的成壤粘土样品中只有钠微斜长石,钠长石消失。从福建以南开始出现三水铝石、赤铁矿和针铁矿等次生氧化矿物。  花岗岩上发育的成壤粘土比非花岗岩母岩上发育的成壤粘土中的高岭石含量要明显偏高,而碳酸岩上发育的成壤粘土中高岭石含量明显低于非碳酸岩上发育的成壤粘土,但是其伊利石含量则明显偏高,这些特征反映了母岩类型对成壤粘土矿物构成的深刻影响。  在所有成壤粘土矿物中,高岭石含量和蒙脱石含量的纬度地带性特征比较明显,而高岭石含量的纬度地带性尤为显著。高岭石含量随纬度升高而降低,而蒙脱石含量则随纬度升高而增加,二者的纬度分布呈现出反相关关系。通过与气候因子(多年平均气温和年降水量)的相关分析认为高岭石含量的纬度地带性受制于气候的纬度地带性。其中,玄武岩型成壤粘土中高岭石含量与年均温之间的关系式为:Kaolinite%=1.8947MAT-9.6108(R=0.73309,N=31,P<0.0001)  玄武岩型成壤粘土中高岭石含量与年降水量之间的关系式为:Kaolinite%=0.0323MAP-18.09083(R=0.74759,N=31,P<0.0001)  鉴于高岭石含量对气候变化的敏感性,认为它可以作为一种很好的古气候代用指标,并与其他气候代用指标进行相互验证。  二、氢氧同位素δD和δ18O  对中国东部现代成壤粘土氢氧同位素δD和δ18O的空间分布特征进行分析后发现:成壤粘土的氢同位素δD与纬度之间具有显著的一次线性关系:δD=-0.841098L-79.89647(R=-0.72468,N=51,P<0.0001),若统一母岩为玄武岩后二者的线性关系为:δD=-1.4504L-80.85806(R=-0.69998,N=51,P<0.0001);成壤粘土的氧同位素δ18O值与纬度之间具有二次曲线关系:δ18O=-0.00381L2+0.14459L+14.1506(R2=0.33009,N=51,P<0.0001),若统一母岩为玄武岩后二者的关系式为:δ18O=-0.01431L2+0.33734L+14.14563(R2=0.56417,N=31,P<0.0001)。值得注意的氢同位素δD与纬度之间的线性关系在纬度较高的东北地区波动较大。  对中国东部现代成壤粘土氢氧同位素δD和δ18O与多年平均气温进行线性回归分析后发现线下面的线性关系,且二者受母岩差异的影响较小:δD=1.45921MAT-125.45254(R=0.63842,N=51,P<0.0001)δ18O=0.13737MAT+12.27787(R=0.54602,N=51,P<0.0001)  对中国东部现代成壤粘土氢氧同位素δD和δ18O与降水进行线性回归分析后发现二者受母岩的影响较大,其中玄武岩型成壤粘土的氢氧同位素δD和δ18O与降水之间的线性关系如下:δD=0.02595MAP-133.75974(R=0.66829,N=31,P<0.0001)δ18O=(-5.51061E-6)MAP2+0.01481MAP+6.626471(R2=0.46506N=31,P<0.00016)  三、主量元素  对中国东部现代成壤粘土的化学蚀变指数CIA、硅铝率和硅铁铝率的空间分布特征进行分析后发现:成壤粘土的CIA值、硅铝率和硅铁铝率与纬度之间具有显著的线性关系:CIA=-0.59142L+99.89684(R=-0.84329,N=43,P<0.0001)SiO2/Al2O3=0.02838L+1.0972(R=0.79774,N=44,P<0.0001)SiO2/(Fe2O3+Al2O3)=0.01877L+0.74857(R=0.74226,N=44,P<0.0001)  其中CIA值和硅铝率受母岩差异的影响较小。对这三个风化指标与与气候因子(多年平均气温和降水降水量)进行线性相关分析后发现它们之间具有显著的线性关系,其中成壤粘土风化指标与年均温之间的关系式如下:CIA=1.06201MAT+68.85611(R=0.86224,N=43,P<0.0001)SiO2/Al2O3=-0.050597MAT+2.5905(R=-0.78417,N=44,P<0.0001)SiO2/(Fe2O3+Al2O3)=-0.03301MAT+1.72835(R=-0.71965,N=44,P<0.0001)  成壤粘土风化指标与年降水量之间的关系式如下:CIA=0.01327MAP+69.62376(R=0.79531,N=44,P<0.0001)SiO2/Al2O3=(-6.36257E-4)MAP+2.55682(R=-0.73179,N=44,P<0.0001SiO2/(Fe2O3+Al2O3)=(-3.83035E-4)MAP+1.66488(R=-0.61956,N=44,P<0.0001)  对这三种环境指标之间进行线性相关分析后发现:高岭石的含量与CIA、硅铝率和硅铁铝率之间存在显著的线性关系,高岭石的含量与氢同位素δD值之间存在一定的线性关系。  对这三类环境指标与气候因子(多年平均气温和降水量)进行线性相关分析后发现:成壤粘土的高岭石含量、氢同位素δD、化学蚀变指数CIA、硅铝率和硅铁铝率与气温和降水降水之间具有显著的线性关系,因而可以作为有效的气候变化指标。
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