陕西师范大学学报

陕西师范大学学报 JOURNAL OF SHAANXI NORMAL UNIVERSITY 1999年 第27卷 第3期 Vo1.27 No.3 1999 黄土地层化学成分迁移深度与含量研究 赵景波 摘 要:研究了黄土地层化学成分的迁移深度与含量(根据黄土高原第四纪土壤的广泛调查，发现了CaCO等化学成分的多种特殊淀积现3 象，结合化学成分含量，确立了研究古环境的迁移深度指标;并将黄土地层CaCO分为碎屑CaCO，淀积CaCO，同期淋溶残余CaCO，后期3333淋溶残余CaCO和聚CaCO 5种，提出了用CaCO含量恢复环境的新标333 准( 关键词:黄土地层; 化学成分; 迁移深度; CaCO含量; 环境指标 3 中图分类号:P534.63 文献标识码:A 文章编号: 1001-3857(1999)03-0103-05 Migration depth and content of chemical composition in loess strata ZHAO Jing-bo (College of Tourism and Environment Science, Shaanxi Normal University, 710062 Xi′an, Shaanxi, PRC) Abstract:On the basis of extensive investigation on Quaternary paleosols in Loess Plateau, many special illuvial layers of CaCO have been 3found. In the light of the material from field survey and chemical analysis, the index in migration depth of chemical composition used to reconstruct paleoenvironment is deter-mined. CaCO in loess strata can be divided into 3 five types, namely, fragment CaCO, illuvial CaCO, contemporaneous 33 remnant CaCO, deuterogenic residual CaCO and evaporated CaCO, and 333new CaCO content standard indicating paleoenvironment is raised. 3 Key words:loess strata; chemical composition; migration depth; CaCO 3 content; environmental index ,1， 在黄土地层环境研究中，人们广泛应用的是化学成分的含量2,(虽然含量分析对解决黄土与古土壤研究中的问题是重要的，但也存在许多不足之处(为弥补含量分析存在的不足和揭示古环境演变规律，寻找新的环境指标和确立新理论是很必要的(本文根据实地调查和化学分析，提出了研究环境的淀积深度指标和用CaCO含量恢复环境的新标3 准( 1 CaCO迁移深度类型 3 关于CaCO迁移深度类型或淀积深度类型，在国内外有关专著及杂3 ,3,8,志中均未见明确论述(作者多年研究调查发现自然界确实存在多种淀积类型，并作为确立环境指标的依据( 1.1 CaCO连续淀积和不连续淀积 3 连续淀积是CaCO迁移深度较小而发生的淀积，迁移深度一般小于3 1.5 m，CaCO淀积层紧接在粘化层底部或有机质层的底部(图1(A，B)(这3 种CaCO淀积层是土壤剖面的构成部分，是碱性土壤的重要特征(表征3 当时降水较少，CaCO没有迁出土壤层(而随降水量增加，连续淀积层分3 布深度加大(不连续淀积是CaCO迁移到较深处而发生的淀积，迁移深3 度大于1.5 m，CaCO淀积层不是紧接在粘化层底部，而是位于粘化层底3 部之下一定深处的黄土中(图1(D)，即在粘化层与CaCO淀积层之间有3黄土母质相隔(这样的淀积层表明当时降水较多，CaCO已迁出土壤层(这3 类淀积层不属于土壤剖面的组成部分，是中酸性土壤的特征(因为连续与不连续淀积具有指示不同性质土壤与降水量的作用，所以将两者分开十分必要(当淋溶深度超过了土壤厚度时，土壤就会向风化壳转变(因此，不连续淀积可作为识别风化壳的依据( 图1 古土壤CaCO淀积类型 3 1.古土壤粘化层;2.有机质层;3.CaCO结核淀积层;4.CaCO33薄膜、斑点淀积层;5.含铁质胶膜的淋滤黄土;6.不含铁质胶膜的淋滤黄土;7.黄土母质;A.陕西长武县城东第2层古土壤;B.兰州焦家湾灰钙土;C.西安刘家坡第8层古土壤;D.西安仁家坡第5层古土壤 1.2 CaCO地多层淀积 3 CaCO的多层淀积是出现两层以上的淀积现象，这类淀积层是在现代3 土壤中见不到的独特淀积现象，对指示古环境和古土壤多元发生特征有重要作用(调查得知，CaCO的多层淀积是古土壤发育过程中气候条件发3 生变化的情况下形成的(由于淋溶条件不同，导致同种成分的迁移与淀积深度存在差异，从而形成了多层淀积(土壤发育过程中出现几次明显的气候变化，就会形成几层淀积层(多层淀积可分为以下两种类型( 第一种类型是CaCO淀积层之间不存在明显间隔的特殊厚层淀积现3 象(这种淀积层在形式上表现为一层(图1.C)，但厚度异常大，实际上是几个不同时期CaCO淀积层的叠加(CaCO淀积层厚度可达2 m左右，33 比正常0.5 m厚的淀积层厚度大1.5 m左右(从整体上看，CaCO淀积层3紧接在粘化层底部，似乎都是连续淀积，但实际上中、下部已是不连续淀积(因此，对这类厚度异常大的CaCO淀积层只能把其上部划归土壤3 组成部分，中、下部已不属于土壤剖面组成部分(分析资料显示具这种淀积层的古土壤粘化较强，铁铝氧化物有一定迁移，这显然与CaCO的3连续淀积存在矛盾(如果考虑到中、下部CaCO的不连续淀积，这种矛3 盾也就不存在了(这样的淀积层代表土壤发育过程中气候变化较大，在降水较少的时期形成上部的CaCO淀积层，在降水量多的时期形成中、3 下部的淀积层(这种淀积层之所以没有出现明显的分层是存在过度气候的结果(观测显示，古土壤CaCO淀积层厚度通常小于0.5 m，所以当3 CaCO淀积层厚度为1.0 m左右或更大时，就可以确定当时气候发生的变3 化( 第二种多层淀积是由明显的3层或更多的CaCO结核淀积层构成的3 (图1(D)，常是多层连续叠覆的古土壤在降水量较丰富的条件下形成的(每一层古土壤发育时形成一层CaCO结核，而且每一层古土壤的CaCO33淀积层都位于最下部一层古土壤底部之下的母质中(图1D)(一般说来，有多少层连续叠覆的古土壤，就会有多少CaCO淀积层(根据CaCO淀积33层的分布能够确定下部的古土壤受到了中、上部古土壤发育时淋滤作用的影响，淋滤、粘化作用得到了加强，常具有风化壳的剖面特征和多元发生性;下部古土壤经历了3个淋滤阶段，中部和上部的古土壤分别经历了2个和1个淋滤阶段( 2 黄土地层中的CaCO含量 3 ,9, 黄土地层CaCO含量与变化规律已基本查明，但过去没有区分不3 同成因的CaCO与气候的关系，妨碍了对CaCO与气候关系的认识(研究33 CaCO与气候的关系，考虑CaCO的迁移和淀积是关键(通过对西安刘家33 坡黄土地层418块样品的CaCO分析得知，古土壤下部钙板层或结核层3 中CaCO含量最高，在35%以上;黄土层居中，平均为8.8%;古土壤粘3 化层中最低，平均为1.5%;从早更就世到晚更新世，古土壤粘化层CaCO3含量逐渐减少(表1)( * 表1 西安东郊刘家坡剖面CaCO含量% 3 层位 L S L S S L S S L S L S L S L S L 11223445667981091410 含量 14.5 1.1 7.2 1.5 0.8 0.6 1.5 0.4 4.5 0.5 6.7 0.5 18.2 1.5 6.5 1.4 9.5 层位 S L S L L S L S L S L L S S S S S 1511161213201521162317181J2J3J4J5J 含量 1.3 10.3 1.4 10.6 10.5 3.7 5.0 1.1 5.2 3.0 6.2 10.7 79.0 68.2 73.4 38.0 76.6 *L，S和S分别代表第1层黄土、第1层古土壤和第1层古土壤之下结核层，其余类111J 推( 一般认为，CaCO含量高代表冷干气候，含量低代表温湿气候，3 实际上并非如此(要弄清两者之间关系，必须对CaCO进行分类(按CaCO33形成方式与气候间的关系，作者将黄土地层中的CaCO分为原生碎屑3 CaCO、淀积CaCO、同期淋溶残余CaCO、后期淋溶残余CaCO和表聚CaCO533333种(图2)， 它们与气候间的关系如下: (1) 原生碎屑CaCO含量多， 反3映淋溶作用弱，气候干旱((2) 淀积CaCO是淋溶后聚集形成的，含量3 在5%以上，黄土与古土壤中的CaCO主要是这一类(它与气候的关系比3 较复杂，大致规律是:含量较低者反映相对温湿气候，含量较高者反映相对干旱气候，但当其大量聚集时又指示较温湿气候(淀积CaCO是从3上部土层中迁移下来的，现测含量不代表原始层位含量，代表的是其上一定高度土层CaCO含量((3) 同期淋溶残余CaCO是在土层发育过程中33 受淋溶残余的部分(,5%)，其含量越少，表示气候越温湿(古壤粘化层中的CaCO属于这一类((4) 后期淋溶残余CaCO是受上覆土层发育时的33 淋滤影响而残留下来的(,5%)，它不反映土层发育时的气候(黄土高原东南部的黄土常含有这类CaCO(图1.B)(淋溶残余CaCO和淀积CaCO333以5%为界，它们的含量与气候均呈过渡关系，与自然界实际情况相符((5) 表聚CaCO是在强烈蒸发过程中，CaCO向表层迁移产生的次生33 CaCO，其含量特征是上层多于下层(图1.D)(不论表聚CaCO含量高低，33均代表年均降水量为100 mm以下的荒漠气候(由上可见，次生CaCO与3气候的关系相当复杂，含量高的层位不一定代表冷干气候，含量低的层位也不一定代表温湿气候(特别是淀积CaCO，对气候的反映远不如其它3 4种可靠(对于淀积CaCO，结合淀积深度或迁移深度来恢复气候更为可3 靠(目前在黄土高原东南部所测CaCO含量比实际含量要低，这是由于3 未考虑黄土层内以结核形式存在的淀积CaCO含量(如果考虑这一点，3 就会加深对CaCO与气候之间关系的认识(根据以上CaCO含量与气候的335种关系和西安刘家坡剖面CaCO测定结果可知，剖面CaCO含量在35%33以上的结核、钙板层和残余CaCO含量在5%以下的粘化层，表明古土壤3 发育时为温湿气候;CaCO含量为8%左右的黄土层反映其上一定高度土3 层形成时的冷干气候;由早更新世到晚更新世，古土壤粘化层中残余CaCO含量不断减少，指示气候不断向温湿发展(该剖面第4和第5层黄3 土中7个样品的CaCO含量均不足1.2%(图1.B)(经分析得知，这两层3 黄土之上的古土壤淀积层均出现在下伏黄土的中下部，表明古土壤发育时淋溶作用强，不但古土壤中的CaCO被淋滤，而且下伏黄土中的CaCO33也受到了淋滤(因此，第4和第5层黄土中的CaCO为后期淋溶残余类3 型，它们形成时的气候不是温湿，仍是冷干( 图2 不同种类CaCO在土壤剖面中的分布 3 A.陕西洛川第6层黄土中的淀积CaCO;B.西安刘家坡第5层黄3 土中的同期淋溶残余CaCO;C.西安刘家坡第8层古土壤中的同期淋溶残3 余CaCO(实线部分)和大量聚集的淀积CaCO(虚线部分);D.新疆库鲁塔33 克棕漠土中的表聚CaCO;1.离石黄土;2.古土壤;3.风化淋溶黄土;4.3 石灰质结核;5.棕漠土 3 FeO迁移与淀积 23 关于FeO在古土壤与环境研究中的应用，过去应用的方式有两23 ,10，11,种(一是根据其含量分析来确定其富集量，从而判定土壤发育强弱和类型(由于FeO富集量受母质、淋溶时间等多种因素影响，其含量的23 应用对解决许多问题不能令人满意(二是根据红色铁质胶膜的结构特征 ,12,14,来研究土壤与环境(这方面的应用较为有效(虽然过去对FeO研23究很多，但很少见将其迁移深度作为研究的指标(通过对西安地区黄土地层的调查得知，在发育好的第1,5层古土壤下部常见红色粘土胶膜发 育，它们呈斑点状、片状分布于裂隙和孔洞表面(这5层古土壤之下粘土胶膜的化学分析表明，胶膜中FeO含量为12.83%,14.83%，SiO含量232为46.17%,53.26%，AlO含量为18.12%,23.16%(与土体相比，红色23 胶膜中FeO含量明显增多，SiO含量明显减少(因此，红色粘土胶膜是232 富含FeO的铁质胶膜(它的迁移也就代表了FeO的迁移(FeO的迁移232323发生在酸性条件下(它比在碱性条件下就可发生迁移的CaCO对土壤性3质具有更可靠的指示作用，是值得重视和推广应用的环境指标( FeO是以胶体形成向下迁移的，这决定了其迁移速度缓慢(胶体物23 质易粘附在土体表面，所以从FeO淀积的下界一直到古土壤层底部都有23 红色铁质胶膜发育(图1.D)(铁质胶膜未聚集成为稳定薄层，考虑到其迁移的下界深度是当时当地处于稳定状态的深度，这一深度也就是应当测定的深度(虽然FeO迁移深度对研究土壤性质和环境是很重要的指23 标，但在FeO迁移不明显的情况下，其迁移深度的应用就受到了限制(在23 这种情况下，宜用多种化学成分含量指标进行分析( 4 结论 综上所述，可得出如下5点结论: (1) CaCO迁移深度可作为研究黄土地层发育时降水量的重要指标，3 迁移深度大反映降水量多，迁移深度小反映降水量少( (2) CaCO迁移深度能指示土壤的性质，迁移深度大或迁出土壤层的3 CaCO指示古土壤为中酸性淋溶型，迁移深度小的CaCO一般指示古土壤33为碱性非淋溶型( (3) 黄土地层中的CaCO可分为碎屑型、淀积型、同期淋溶残余型、3 后期淋溶残余型和表聚型5种(不同种类的CaCO含量与气候的关系不3 同，要用它们的含量恢复气候，区分不同种类的CaCO是关键( 3 (4) FeO迁移深度对气候环境有重要指示作用，它的迁移和在土壤23 层之下的淀积指示明显的酸性介质和湿润气候( (5) 多层淀积和厚度很大的淀积层是多个成壤期表现(指示了古土 壤具多元发生特征( 基金项目:国际地质对比项目(IGCP379);国土资源部九五重点科技项目(9501104);国土资源部岩溶动力学开放实验室项目(9801) 作者简介:赵景波，男，45岁，教授 作者单位:赵景波(陕西师范大学旅游与环境学院，陕西 西安 710062) 参考文献: ,1, 南京大学地质系(地球化学,M,(北京:科学出版社，1979(316,327( ,2, 张虎才(元素表生地球化学特征及理论基础,M,(兰州:兰州大学出版社，1997(270,277( ,3, 刘东生(黄土与环境,M,(北京:科学出版社，1985(238,250( ,4, Kukla G J. Pleistocene land-sea correlation,J,( Earth Science Review, 1977, 13:307,374. ,5, Whalley W B, Marshall J R, Smith B J. Origin of desert loess from some experimental observation,J,( Nature, 1982, 300: 433,435. ,6, 田均良，彭祥林(黄土高原土壤地球化学,M,(北京:科学出版社，1994(110,150( ,7, 卢演俦(黄土地层CaCO含量与更新世气候旋回,J,(地质科学，3 1981，(2):122,131( ,8, 王永焱(中国黄土区第四纪古气候变化,J,(中国科学，1987，B辑(10):1100,1106( ,9, 赵景波(黄土中古土壤CaCO淀积层与大气降水入渗形式研究3 ,J,(地理科学，1995，15(4):344,350( ,10, 中国科学院南京土壤研究所(中国土壤,M,(北京:科学出版社，1980(524,530( ,11, 甘肃土壤普查办公室(甘肃土壤,M,(北京:农业出版社，1993(174,215. ,12, 赵景波(西安刘家坡第1和第5层古土壤研究,J,(地理研究，1991，10(4):51,58( ,13, 赵景波(黄土中风化壳的确定与研究,J,(地质论评，1991，37(2):117,124( ,14, 赵景波(陕西旬阳溶蚀残余红土研究,J,(地质论评，1999，45(1):66,70(