从中估算了风尘对玄武岩风化成壤的贡献(图)

【摘要】：在土壤的形成过程中,我们通常假设一个自上而下的发育模式,即土壤是由其下基岩风化而形成的。这个模式并没有考虑到风尘对土壤的贡献,而该贡献却是不可忽视的。延伸达上千公里的中国黄土沉积区域反映了风尘对土壤形成的巨大贡献,但在更多非典型风尘沉积带的土壤,风尘贡献研究却严重不足。由于风尘的矿物和化学组成上与上部大陆地壳平均成分有较高的相似性,这让我们对一般土壤中的风尘识别变得困难。玄武岩与风尘在矿物与化学组成存在巨大的差异,使二者的区分成为可能。本文选择了气候、风尘沉积速率等存在显著差异两个中国东部新生代玄武岩区—五大连池火山喷气蝶和苏皖地区玄武岩台地,采集了玄武岩基岩、风化基岩、表层土和风化剖面等样品,系统分析了样品的主要矿物、粘土矿物、常量与微量元素和Sr、Nd同位素等地球化学组成,从中识别出了风尘的地球化学信号,估算了风尘对玄武岩风化成壤的贡献,并计算了300年来五大连池地区的风尘通量,探讨了两地玄武岩的风化成壤特征。通过上述工作,本文获得如下初步成果:(1)矿物、元素、同位素都证实了风尘在玄武岩风化土壤中普遍存在,在五大连池和苏皖地区玄武岩风化土壤中,三种方法均检测到明显的风尘信号。

在矿物组成上,五大连池和苏皖地区土壤都含有较多的石英颗粒和伊利石等典型非玄武岩风化成因矿物。在元素组成上,五大连池地区土壤样品的Mg/Al,Mg/Ti以及Sr/Nb,Sr/Th等元素或元素比值呈现出风尘与玄武岩的混合特征。苏皖地区由于风化较为剧烈玄武岩强中风华如何界定,常规的元素识别手段很难区分风尘和土壤,但土壤中相对高含量的K、Si等元素远超岩石风化的可能富集程度,Ti、Fe等元素的富集效应也呈现出被风尘稀释的现象。两地风化土壤的稀土元素呈现明显的δEu负异常,区别于玄武岩的正常Eu分布,表现出明显的风尘信号。五大连池喷气蝶土壤的~(87)Sr/~(86)Sr值为:0.-0.,εNd为-3.8至-7.0,显著区别于该地玄武岩的~(87)Sr/~(86)Sr值(0.)和εNd值(-3),苏皖玄武岩台地的~(87)Sr/~(86)Sr值为0.-0.,εNd值为4.5至-10,也有别于下伏的玄武岩,两地的玄武岩土壤的~(87)Sr/~(86)Sr值和εNd值都呈现显著的负相关,表明两地的土壤为玄武岩与风尘的混合。(2)基于Nd同位素两端元混合模式,计算了不同样品中的风尘对土壤的贡献比例以及五大连池地区过去300年来的风尘通量。

计算结果表明,风尘对五大连池喷气碟中土壤的贡献比例范围在21%到近100%,大部分土壤中风尘的贡献超过了40%。不同土壤样品之间的贡献比例差别较大,可能是形成时火山灰物质的不均匀分布导致的。苏皖地区风尘对土壤的贡献比例在不到10%到接近100%,有一定坡度的台地顶部的表土发育较薄,风尘对土壤的贡献仅有10%。而大多数发育稍厚的土壤剖面有近50%的风尘贡献比例,而且随深度深度,风尘的贡献比例变化不大。小溪沉积物与台地周边农田中土壤的风尘贡献率近100%。基于Nd同位素两端元混合模式计算的风尘贡献率与δEu异常有非常好的耦合性,表明计算结果的可靠性。得益于五大连池地区基岩确定的年龄,计算得到了近300年来该地区的平均风尘通量为4.38g/yr·m~2。(3)五大连池喷气蝶土壤中的玄武岩基本未发生风化作用,而苏皖玄武岩风化表现为完全的蒙脱石化,为显著的去Ca、Mg作用,在风尘的加积作用,土壤的Si、K含量得以上升,受相对较大的高程差影响,苏皖玄武岩风化产物和风尘易被降水侵蚀玄武岩强中风华如何界定,造成风化剖面较薄,促使玄武岩风化处于“供应限制”模式。我们的研究为进一步理解风尘在元素地球化学循环中的作用、玄武岩的风化机制提供了新的证据。