衡陽地區紅土剖面微量元素Rb、Sr地球化學特征及其環境意義

郝麗婷，熊平生

(衡陽師范學院地理與旅游學院，湖南衡陽 421002)

0 引言

土壤中微量元素主要來源于成土母巖或經外動力搬運來的沉積物，盡管在土壤含量中較少，但成壤過程中微量元素地球化學行為記錄的環境信息，能夠反映不同光熱組合環境下不同程度的淋溶遷移規律，對于研究巖石風化、土壤發育、第四紀地質、古氣候環境具有重要的指示意義[1].目前微量元素在黃土-古土壤序列[2-3]、紅土堆積[4-5]、泥炭記錄[6-7]以及湖泊沉積[8-9]等古環境及古氣候的重建中已被廣泛應用.我國南方第四紀紅土是發育較為廣泛的土狀松散堆積物，作為與北方黃土相對應的陸相沉積物，是地表微量元素運移的主要宿體，其蘊含著豐富的環境演化信息，對重建我國南方第四紀古環境與古氣候亦具有顯著意義[10-11].迄今為止，已有不少學者基于年代測度、物源探析、環境記錄與網紋化機制等研究對第四紀紅土進行了討論與探索[12-15]，如徐傳奇等[1]對網紋紅土元素研究認為，網紋和基質氧化還原差異，是造成Zr、SiO2及輕稀土等在網紋中的相對富集、在基質中“稀釋”而呈現虧損的主要原因；李文慧、余繼峰、張碩等[16-18]研究了剖面元素特征，以此反映紅土在堆積過程中的古氣候變化；牛東風等[19]通過對網紋紅土的主量元素含量進行研究，認為MIS5a時的西樵山及其鄰近地區為熱帶氣候環境，為中國南方紅土響應全球變化提供了很好的材料.然而在紅土微量元素方面的研究則較為匱乏，鑒于此，本研究以Rb和Sr作為古氣候代用指標,綜合運用微量元素地球化學分析、磁化率分析和粒度分析等方法，探討微量元素Rb、Sr的地球化學特征及其對環境變化的指示意義，為探索南方紅土沉積環境替代性指標提供研究基礎.

1 研究區地理概況

衡陽市區地處衡陽盆地中心，屬于湘中盆地群板塊，其地理位置大致為112°31′40″E～112°42′08″E，26°46′30″N～26°55′40″N，區域內紅壤廣泛發育，地勢平坦，平均海拔約115 m，其中紅巖盆地地貌為主要地貌類型.衡陽市區段湘江流域長47 km，湘江自南向北呈S字形貫穿市區，兩條一級支流——蒸水和耒水在這里匯合，河床最低矮的地方約海拔87 m，河流兩岸多為沖積平原和二、三級階地.該區地質狀況與新華夏的布局基本一致，渾圓平頂的低丘分布其間，區內巖層平緩，斜角為5°～15°的白堊系與第三系紅色層，且第四系地層出露明顯.由市區四周向中心并自南向北物質粒度細化，區域中心位置形似條形孤島狀的石牛峰呈現出自南向北突起態勢.該區經歷了從晚三疊紀至早第三紀末期之間近2億年的演化歷程，隨后在喜馬拉雅運動影響下而逐漸抬升，經過長期的風化和水蝕作用，形成高150～200 m，相對高度約60～100 m的多呈波狀丘陵，周圍有各種高約300～100 m的斷續山脊，主要由各類古老巖層及花崗巖體組成.氣候上屬于中亞熱帶季風氣候，冬冷夏熱、干濕交替成為最主要的氣候特點，冬季與夏季分別盛行偏北風和偏南風，因此季節性和區域性成為該區降水的主要特征，衡陽市區紅土剖面地質圖見圖1.

圖1 衡陽市區地質圖

2 研究剖面和測試方法

研究樣品采集于高興剖面(以下簡稱GX剖面)，位于衡陽市雁峰區高興村后山坡，地理坐標為26°51′N，112°36′E.紅土厚約360 cm，紅土段巖石以花崗巖為主，屬湘江三級階地.平均海拔高度約為88 m，為人工露頭，從上往下依次為紅壤層、均質紅土層、褐黃土層.在取樣過程中，將剖面的表土刮掉，并向剖面內挖3 cm深的垂直豎槽，在截面下方以4 cm為間隔連續采集現場樣品，共采集土樣86件，每個樣品取土約200 g，分別進行粒度、低頻磁化率與元素地球化學測試.將實驗樣品取回后在實驗室自然晾干，磁學測試樣品處理時需將樣品過2 mm土篩，將土樣填實磁力盒后進行體積磁化率測試，將其測試數據通過體積密度公式計算出質量磁化率值.除此之外，從土樣中選取20 g土樣研磨，過200目土篩，樣品包裝好后送往南京師范大學地理科學學院地理實驗中心測試，測試儀器為X射線熒光光譜儀，常量元素含量以氧化物形式給出，測試誤差小于5 %.將少量的原狀晾干土品，先用過氧化氫去除樣品的有機質，然后用稀鹽酸去除樣品酸鹽，再加入一定濃度的六偏磷酸鈉.粒度測試與磁化率測試工作在衡陽師范學院城市與旅游學院第四紀實驗室完成.所使用的儀器是英國馬文Mastrizer-3000型激光粒度儀，測定范圍為0.02～3 500 μm，反復測量3次，并測定完成后計算其平均值，重復測量誤差不到1%.

3 結果與分析

3.1 紅土地層中Rb和Sr分布特征

高興剖面紅土地層元素含量、粒度組分、低頻磁化率測試與分析結果見表1.微量元素Rb、Sr平均含量分別為0.92×10-4、2.26×10-4，變化范圍分別為0.49×10-4～1.56×10-4、0.59×10-4～7.85×10-4，Rb、Sr在不同地層中平均含量依次為：紅壤層>均值紅土層>“褐黃土”層.CaO和K2O平均含量分別為0.08%、1.92%，其中CaO在不同地層含量差異不明顯，K2O平均含量大小依次為：紅壤層>均值紅土層>褐黃土層.粘粒、粉沙平均含量值分別為7.25%、74.67%，粘粒、粉沙平均含量大小依次：紅壤層<均值紅土層<褐黃土層；沙粒組分均值為18.08%，分布范圍4.1%～42.07%，不同地層平均值大小依次為：紅壤層>均值紅土層>褐黃土層.紅土剖面的化學蝕變系數CIA均值為86.75，分布范圍81.1～89.3，不同地層CIA均值大小依次為：紅壤層<均值紅土層<褐黃土層；低頻磁化率均值為74.83×10-8m3/kg，分布范圍8.1×10-8～243.8×10-8m3/kg.CIA均值、低頻磁化率均值在紅土地層中大小順序依次為：紅壤層<均值紅土層<褐黃土層.

表1 紅土剖面元素含量、粒度組分和磁化率值

3.2 Rb、Sr分別與K2O、CaO的關系

Rb含量與K2O含量的線性分析(見圖2)表明，Rb元素含量與K2O含量呈顯著正相關(R=0.943 4).其線性擬合度很好(R2=0.888 6).Rb是自然界中一種具有代表性的分散稀有堿金屬元素，且因其親石特性在自然界中通常附存于其他礦物中，難以形成單一礦物.由于Rb+半徑147 pm和K+半徑123 pm，Rb和K離子半徑非常相似，其地球化學活動也相對相似.紅土沉積物中Rb集中分散于含K的礦物中，南方紅土沉積環境長期相對溫暖濕潤，在風化成土過程中鉀元素流失嚴重，因此，Rb在風化成土過程中也會流失.對Sr含量與CaO含量進行線性分析發現，Sr含量與CaO含量成較弱的負相關性(R=-0.347 8)，其線性擬合度較差(R2=0.110 53).盡管Ca元素和Sr元素地球化學性質相接近，絕大多數CaO結合在碳酸鹽礦物中，在南方濕熱的氣候環境條件下，CaO元素隨著風化作用而被大量淋失掉，Sr存在于硅酸鹽礦物中，硅酸鹽相對較難風化，因此，Sr元素和Ca元素的相關性較弱.

圖2 紅土Rb、Sr元素含量與K2O、CaO含量的擬合關系

3.3 Rb、Sr與粒度組分的關系

為了研究紅土地層Rb、Sr含量與粒度組分的關系，對它們進行了線性擬合分析(圖3).分析結果表明，紅土樣品中的Rb、Sr含量與不同粒度組分相關性密切.Rb含量與沙粒組分(>63 μm)成顯著正相關性(R=0.888 9)其線性擬合度良好(R2=0.787 06).Rb含量分別與粉沙組分、粘粒組分成顯著負相關性(R=-0.877 1；R=-0.667)，其線性擬合度良好(R2=0.766 5)，與粘粒組分的線性擬合度較好(R2=0.432 7).Sr含量與沙粒組分(>63 μm)成顯著正相關性(R=0.912 5)，其線性擬合度很好(R2=0.830 66).Sr含量分別與粉沙組分、粘粒組分成顯著負相關性(R=-0.895 7；R=-0.695 9)，Sr含量與粉沙組分線性擬合度良好(R2=0.800 9)，與粘粒組分的線性擬合度較好(R2=0.478 2).南方紅土沉積主要處于濕熱的氣候環境條件完成，當化學風化作用增強，粘粒、粉沙粒組分增多，微量元素Rb、Sr遷移淋失增強，Rb、Sr含量降低.當化學風化作用減弱，沙粒組分增多，微量元素Rb、Sr遷移淋失減少，Rb、Sr含量增高.

圖3 紅土Rb、Sr元素含量與粘粒、粉沙、沙粒含量的擬合關系

3.4 Rb、Sr與化學蝕變系數(CIA)的關系

CIA是衡量長石淋溶的強度指標，被稱為夏季風指數，常用來指示化學風化強度的指標.為研究紅土地層Rb、Sr含量與CIA的關系，對它們進行了線性擬合分析(圖4)，結果表明，Rb、Sr含量分別與對應CIA值成顯著的負相關性(R=-0.856 0；R=-0.967 5).Rb、Sr含量分別與對應CIA值線性擬合度很好，(R2=0.730 45；R2=0.935 22).Rb、Sr含量與CIA值擬合關系表明，紅土沉積環境濕熱程度增大的時候，化學風化成壤作用增強，CIA值變大，紅土剖面Rb、Sr遷移淋失量增大，紅土Rb、Sr含量減少.紅土沉積環境濕熱程度降低的時候，化學風化成壤作用減弱，CIA值變小，紅土剖面Rb、Sr遷移淋失量減少，紅土Rb、Sr含量增大.

圖4 紅土Rb、Sr元素含量與CIA值的擬合關系

3.5 Rb、Sr與低頻磁化率的關系

對Rb、Sr含量與低頻磁化率進行線性擬合分析(圖5)，結果表明，Rb、Sr含量分別與對應低頻磁化率成顯著的負相關性(R=-0.802 7；R=-0.733 1).Rb、Sr含量分別與對應低頻磁化率線性擬合關系較好(R2=0.638 21；R2=0.522 02).擬合關系表明，紅土地層中Rb、Sr含量增高時，低頻磁化率值降低，反之，當Rb、Sr含降低時，低頻磁化率值升高，反映了紅土中微量元素Rb、Sr含量與低頻磁化率大小成反相變化關系.

圖5 紅土Rb、Sr元素含量與磁化率的擬合關系

4 討論

以下主要探討微量元素Rb、Sr對古環境變化的記錄.Dasch[20]對母巖型風化殼微量元素Sr、Rb的遷移特征的研究發現，Rb/Sr比值能反映母巖風化作用的強度.國內一些學者[21-22]結合對黃土典型剖面的Rb，Sr和Rb/Sr比值的研究發現，它們能準確地反映古環境的變化，是氣候變化研究中理想的環境替代性指標.圖6 顯示了高興剖面CIA值、Rb、Sr含量與低頻磁化率的變化曲線.CIA值與低頻磁化率曲線波動趨勢十分相似，兩者成較顯著正相關性(R=0.693 2).低頻磁化率曲線與Rb、Sr含量曲線變化趨勢相反，Rb、Sr含量分別與低頻磁化率成顯著的負相關性(R=-0.802 7；R=-0.733 1).CIA值曲線與Rb、Sr含量曲線變化趨勢相反，Rb、Sr含量分別與CIA值成顯著的負相關性(R=-0.856 0；R=-0.967 5).綜合推測，紅土沉積環境濕熱程度加強時，化學風化成壤作用增強，CIA值變大，Rb、Sr 的淋溶遷移程度增強，低頻磁化率增大，反之，當紅土沉積環境濕熱程度減弱時，化學風化成壤作用減弱，CIA值變小，Rb、Sr 的淋溶丟失程度減少，低頻磁化率降低.

圖6 紅土剖面CIA值、Rb、Sr含量和磁化率的垂向變化

5 結論

(1)紅土微量元素Rb、Sr平均含量分別為0.92×10-4、2.26×10-4，變化范圍分別為0.49×10-4～1.56×10-4、0.59×10-4～7.85×10-4，Rb、Sr在不同地層中平均含量依次為：紅壤層>均值紅土層>褐黃土層.Rb元素含量與K2O含量成顯著正相關性(R=0.943 4)，線性擬合度很好.Sr元素含量與CaO相關性較弱，擬合度較差.

(2)紅土Rb、Sr含量與不同粒度組分相關性密切.Rb、Sr含量皆與沙粒組分成顯著正相關性，與粉沙組分成顯著負相關性，與粘粒組分相關性較好.當化學風化作用增強，粘粒、粉沙粒組分增多，微量元素Rb、Sr遷移淋失增強，Rb、Sr含量降低.當化學風化作用減弱，沙粒組分增多，微量元素Rb、Sr遷移淋失減少，Rb、Sr含量增高.

(3)對比分析了高興剖面CIA值、Rb、Sr含量與低頻磁化率的變化曲線發現，當紅土沉積環境濕熱程度增強時，化學風化成壤作用增強，CIA值變大，Rb、Sr 的淋溶遷移程度增強，低頻磁化率增大，反之，當紅土沉積環境濕熱程度減弱時，化學風化成壤作用減弱，CIA值變小，Rb、Sr 的淋溶丟失程度減少，低頻磁化率降低.因此，Rb、Sr地球化學特征對紅土沉積的環境具有指示意義.