文章编号:1006-6616(2001)02-0167-09
收稿日期:2001-03-23
基金项目：国家重点基础研究发展规划项目(G1999043400)；国家杰出青年基金(编号:49725307)作者简介：陈
陈
，陈 骏，刘连文
(南京大学地球科学系表生地球化学研究所
内生金属成矿机制研究国家重点实验室，江苏南京210093)
消防快速接头
摘 要：通过对甘肃西峰红粘土样品的地球化学研究，发现其碳酸盐含量较高，而Si 、Al 、Fe 等元素含量相对较低。为消除碳酸盐的影响，样品经酸溶处理后其化学组成十分均一，反映物质来源的一致性。稀土元素以及微量元素分布形式揭示出红粘土与第四纪黄土-古土壤风成成因的相似性。研究表明，红粘土的化学风化尚处于脱Ca 、Na 为主的早期阶段;CIA 值和酸不溶物中的Na K 比及Rb Sr 比参数一致地指示了红粘土化学风化程度高于第四纪的黄土和古土壤，反映出晚第三纪以来黄土高原的气候由相对温暖湿润向第四纪逐渐变干变冷演化的总趋势。关键词：红粘土；化学组成；化学风化中图分类号:P595 文献标识码:A 0 引言
我国北方黄土高原黄土-古土壤序列之下，普遍发育了一套晚第三纪的红粉砂质粘土沉积，称为 红粘土 ，由于含有三趾马化石而备受世人瞩目[1,2]
。长期以来人们对于红粘土
的研究主要集中在地层与成因方面。关于红粘土的成因，主要有 残积说 [3]、 水成说 [4]
和 风成说
[5,6]
。近年来，一些研究者通过对西峰、灵台、佳县、西安等几个典型红粘土剖
面详细的磁化率、粒度、磁性地层及土壤发生学等方面的研究，指出红粘土与其上覆的第四纪黄土一样，是风成堆积的产物[7~13]
，从而将黄土高原风成堆积的底界年龄向前推至
7 2MaBP [9,10]
。红粘土风成成因的确立对于探讨晚新生代以来古气候的演化、东亚古季风的开始与演变，以及青藏高原的隆升、亚洲内陆干旱化和北半球冰量的变化等问题[14~17]
无疑
具有十分重要的意义。
但是，上述研究主要侧重于红粘土的宏观特征(磁性地层、岩石学等)与物理指标(磁化率，粒度等)，对微观意义上的化学组成缺乏探讨。而化学元素的分布、赋存、演化等特
第7卷 第2期2001年6月
地质力学学报
JOURNAL OF GEOMECHANICS
Vol 7 No 2
J un 2001
168地 质 力 学 学 报2001
征对于揭示表生系统物质的来源及其演化规律具有鲜明的指示意义。为此，本文选取甘肃西峰地区，对该区红粘土的元素特征进行了初步研究，并与第四纪风成黄土和古土壤进行对比，以期为探讨红粘土的物质来源和化学风化程度提供证据。
1 采样与分析
样品采自甘肃西峰巴家咀剖面(107 27 E,35 53 N，西峰市以西16km)，其上覆盖第四纪黄土-古土壤序列，下伏晚第三纪河流相细砂岩，与红粘土之间有1 5m的过渡层。剖面总厚66m，未见层理，呈红黄-浅红，团粒结构，土体表面铁锰胶膜发育，中、下部则发育有4~5层厚约0 5m~1m的钙结核层。
对全剖面依不同深度采集9个红粘土样品进行常量元素和稀土元素分析。为排除碳酸盐影响，取其中5个样品用1mol L的醋酸溶液酸溶[18]，提取酸不溶物(AI)做常量元素及微量元素分析。稀土元素分析在南京大学内生成矿作用国家重点实验室进行，仪器为1100+ 2000型电感耦合等离子直读光谱仪(ICP-AES)；常量元素和微量元素测试在南京大学现代分析中心X射线荧光光谱仪(VF-320)上完成。所有测试结果经标样控制和对照实验，得出相对标准偏差为：对稀土元素小于10%，对微量元素和P、Mn小于5%，对其余常量元素小于2%。
2 结果与讨论
2 1 红粘土的元素地球化学特征
表1 西峰红粘土中常量元素的含量(%)
T able1 Contents(wt%)of major elements in the red clay samples from Xifeng 样号WC30WC50WC65WC92WC105WC120WC132WC147WC162深度或层位8 0m16 0m22 0m32 8m38 0m44 0m48 8m54 8m60 8m平均值SiO253 6153 4650 1354 4249 848 7950 4748 1149 0550 87 Al2O312 4212 4911 7912 7511 5611 3611 7311 3511 1511 84 CaO9 269 2711 488 2911 8112 1711 3912 8912 210 97 MgO2 522 733 162 862 953 132 792 753 142 89 K2O2 352 422 242 492 162 152 22 122 072 24 Na2O1 121 241 081 140 940 821 010 90 991 03 Fe2O33 413 983 714 053 673 713
723 643 293 69 FeO0 860 80 820 840 770 720 770 710 960 81 M nO0 080 090 080 090 080 080 080 080 070 08 P2O50 120 240 120 140 120 120 110 10 120 13 TiO20 650 640 60 640 590 570 580 550 570 60 LOI(烧失量)13 1512 5514 9412 4715 416 2614 7916 2815 9414 64总量99 5599 91100 15100 1899 8599 8899 6499 4899 55
表2 西峰红粘土酸不溶物中常量元素(%)与微量元素( 10-6)的含量及
与黄土和古土壤酸不溶物[18]的对比
T able 2 Concentrations of major and trace elements in the acid -insoluble phases of the Xi feng red clay,
compared with loess and paleosols [18]
岩性样号深度或层位红粘土WC308 0m WC6522 0m WC9232 8m WC12044 0m WC16260 8m 黄土
范围平均值古土壤
范围平均值淋溶率(%)
20 5722 0116 5023 1626 819 39~21 1213 430 75~10 704 97SiO 265 6263 0763 1262 0564 8963 83~69 4766 4063 20~67 9765 18Al 2O 314 6215 1715 1615 4814 8113 14~15 0414 2013 96~15 5114 79CaO 0 890 830 870 990 940 87~1 221 020 57~0 950 83MgO 2 542 992 943 202 801 99~2 602 291 86~2 602 21K 2O 3 172 813 093 022 922 62~3 233 012 56~3 353 15Na 2O 1 271 221 190 861 241 32~2 031 661 03~1 791 41Fe 2O *35 085 275 365 625 064 18~5 504 814 66~5 545 12M nO 0 080 080 080 080 070 05~0 090 070 06~0 090 08P 2O 50 140 150 150 160 150 12~0 180 150 09~0 140 11TiO 2
0 800 750 760 730 740 67~0 790 730 72~0 780 75LOI (烧失量)
5 847 50
6 80
7 486 404 43~6 74
5 36
4 43~7 56
6 00
总量100 0599 8499 5299 67100 02CIA 68 2470 9969 9171 7369 3362 93~68 5665 4665 99~69 7167 99U 4 13 43 82 34 90 4~5 72 90 4~5 23 1Rb 123125126125124102~127116112~137123Th 12 514 414 416108 7~18 313 210 0~17 413 7Sr 113119117112116115~14212798~125115Y 25 624 924 725 824 314 4~26 723 922 9~31 426 7Zr 254233236228230230~275247228~273243Nb 16 216 215 91514 412 9~181612~1916Cu 323133343718~312623~3630Ba 449437442339500388~655445409~715465Pb 242426574115~1733714 4~37 025Zn 868992948966~907972~9483Ni 424443464431~443835~4441Co 14 917 518 718 814 512 1~17 514 911 4~18 015 4V 9610811010610778~1069689~111100Cr 725243424715~845119~8258Ca
20 5
20 1
22 3
17 4
18 1
15 9~20 2
18 0
14 6~21 7
18 3
*全铁以Fe 2O 3计
表1列出了红粘土的常量元素分析结果。从表中可以看出，常量元素在不同的红粘土样
169
第2期陈等：甘肃西峰晚第三纪红粘土的化学组成及化学风化特征
170地 质 力 学 学 报2001
品中的含量比较相近，其中SiO2含量在48 11%~54 42%之间,Al2O3含量为11 15%~ 12 75%,CaO含量为8 29%~12 89%,MgO含量为2 52%~3 16%。Si、Al、K、Na和Fe 等元素的含量波动往往与Ca的含量变化相反。在CaO含量比较高的WC147和WC162等样品中,Si、Al等元素的含量较低。烧失量(LOI)与Ca O呈同步变化的趋势，在WC147样品中，烧失量高达16 28%。与第四纪黄土和古土壤样品相比较，红粘土相对含有较高的Ca O、MgO和烧失量，而其它元素的含量相对较低。
红粘土中较高的CaO含量和较大的烧失量，表明红粘土可能含较多的碳酸盐物质。一般碳酸盐矿物在沉积后易发生风化淋失及再淀积作用，含量变化比较大，从而影响其它元素的含量变化。为消除碳酸盐的影响，从中选择了5个样品，采用醋酸酸溶方法去除碳酸盐，再来分析不含碳酸盐的组分即酸不溶物中元素的含量(表2)。表2清楚地显示，去除碳酸盐后，酸不溶物样品中的CaO含量都低于1%，远远低于其在红粘土全岩样品中的含量，表明红粘土中的Ca主要以碳酸盐矿物的形式存在。红粘土的淋溶率(主要反映碳酸盐的含量) (平均为22%)明显高于第四纪古土壤(平均为5%)，也略高于黄土样品(平均为13%)。这与其全岩中CaO含量较高相一致，表明红粘土比第四纪黄土和古土壤含有更多的碳酸盐物质。
去除碳酸盐后，常量和微量元素在不同深度的红粘土中的含量比较接近，这表明其来源物质比较一致。与第四纪的黄土和古土壤相比较，红粘土的酸不溶物中的Al、Fe和K等元素的含量相对较高，而Si、Ca和Na等元素的含量相对较低。
2 2 红粘土来源的地球化学证据
大量的研究证据表明，第四纪黄土起源于亚洲内陆沙漠，粉尘经风力搬运而后沉积到黄土高原[19,20]。作为下伏于黄土的晚第三纪红粘土，与黄土是否有相同的成因模式?红粘土与黄土是否有相同或相近的原岩?近来研究者从磁化率、粒度等物理性质方面，初步确定了红粘土与黄土的风成成因的一致性[8~13]。本文则从元素地球化学方面来进一步阐述红粘土与黄土的成因关系。
表3 西峰红粘土稀土元素特征参数值及与黄土和古土壤[22]的对比
T able3 Parameters of rare earth elements of red clay from Xifeng,compared wi th loess and paleosols[22]
红粘土黄 土古土壤
范 围平均值范 围平均值范 围平均值
RE E 10-6150~166160150~210176190~230214
LR HR7 80~8 208 036 05~9 217 636 39~8 747 51
Eu Sm0 203~0 2100 2050 178~0 2410 2050 186~0 2170 201 Sm Nd0 180~0 1910 1830 134~0 210 1680 153~0 1880 162
Eu0 64~0 670 650 60~0 840 680 65~0 870 68防身戒指
Ce0 91~1 020 950 77~0 990 880 80~1 010 93
稀土元素常作为沉积物的物源示踪剂，通过比较不同沉积物中稀土元素的含量与配分模式，可以对它
们的来源提供比较可信的证据[21]。表3中，红粘土的稀土元素总量( REE)、轻重稀土的比值(LREE HREE), Eu、 Ce、Eu Sm、Sm Nd等特征参数值，与黄土和古土壤[22]十分接近，说明它们可能有相似的物质来源。红粘土的稀土配分模式呈现轻稀土富集、重稀土亏损的负斜率形式(图1)，与第四纪黄土和古土壤的稀土配分模式非常相似，进一
步揭示出红粘土与第四纪黄土-
古土壤在成因上的相似性。
图1 西峰红粘土和第四纪黄土-古土壤稀土元素配分模式Fig 1 Chondrite -normalized RE E distribution pattern for red
clay from Xifeng and Quaternary loess and paleosols
一些微量元素如Th 、Sc 、Co 、Zr 、Hf 、Ti 和Nb 等，在母岩风化、搬运、沉积和后期成
封边机青岛金鼎机械
壤变化中，几乎等量地转移到沉积物中而不发生迁移或流失，因而可用来示踪沉积物的物源。图2给出了红粘土(去除碳酸盐后的酸不溶物)中微量元素参比于上部陆壳[23]
(UCC)的蛛网图。和第四纪黄土和古土壤的对比表明，红粘土中微量元素的分布特征与黄土和古土壤十分相似，且变化范围十分狭窄，反映了红粘土与黄土-古土壤成因上的一致性。稳定元素对比值如Zr Ti 、TiP Al 和NbPZr 等，也是判断不同沉积物其来源是否一致的极好指标。由图3可以看出，红粘土样品中Zr P Ti 、Ti P Al 和NbPZr 比值的变化范围很窄，与第四纪的黄土和古土壤的比值非常接近，进一步证明红粘土与黄土-古土壤具有相同的物质来源。213 红粘土化学风化程度及其古气候指标
化学风化是表生环境中主要的地质作用之一。为了排除碳酸盐影响，在研究沉积物所受的化学风化程度时，常用CIA 值和酸不溶物中的Na PK 比和RbP Sr 比等指标进行判别。其中CI A 值表示为:
CI A=[Al 2O 3P (Al 2O 3+CaO *
+K 2O+Na 2O)]@100
式中均为氧化物摩尔比，其中CaO *
表示在硅酸盐矿物中的含量，不包括碳酸盐和磷酸盐中
的Ca O 含量[24]
。从表2中可以看出，红粘土的CI A 值在68~72之间，略高于第四纪冰川粘土(60~65)，而远低于残积粘土(85~100)，与平均页岩的值相近(70~75)[24]
，表明红粘
土总体风化程度相对较弱，只与页岩相当。然而，与第四纪黄土和古土壤[18]
相比，红粘土的CI A 值则略高，反映了红粘土比黄土和古土壤遭受过相对较强的化学风化。
Na P K 比是衡量样品中斜长石风化程度的指标，同样可用于表征沉积物的化学风化程度。由于斜长石的风化速率远大于钾长石，因此，风化剖面中Na P K 比与其风化程度呈反比[25]
。从图4中可以看出，红粘土Na P K 比的变化与CI A 参数的变化特征相反，且低于黄土和古土壤的Na P K 比值，同样指示了红粘土遭受过较强的化学风化。RbP Sr 比是另一个较常用的指示
171蓄电池防盗
第2期陈等：甘肃西峰晚第三纪红粘土的化学组成及化学风化特征
图2 西峰红粘土和洛川黄土-古土壤[18]
中微量元素的分布特征Fig12 UC C -normalized pattern of trace elements for the red clay
from Xifeng and loess paleosols sa mples from Luochuan
[18]
图3 西峰红粘土和洛川黄土-古土壤
[18]
Zr P Ti 、TiP Al 和NbPZr 比值范围
Fig13 Ranges of Zr P Ti 、TiP Al and NbPZr ratios for the red clay from
电脑切换器Xifeng and loess paleosols samples from Luochuan
[18]
化学风化程度的指标[26~28]
。由于Rb 主要赋存在较稳定的含K 矿物中(如钾长石和伊利石),
而Sr 主要赋存在易风化的含Ca 的矿物中(如斜长石)，因此，随着含Ca 矿物的风化和Sr 的迁出，必然造成风化剖面中Rb PSr 比的升高
[27,28]
。图4中Rb PSr 比变化形式与CI A 值的变化
特征十分吻合，同样反映了红粘土的化学风化程度强于第四纪黄土和古土壤。此外，尽管西峰红粘土和洛川黄土-古土壤的形成时代与地理位置都不相同，但二者Na P K 和RbPSr 参数关于CIA 值的投影点均落在一条趋势线附近，呈极显著的相关关系(相关系数分别为-0191和0179)，也进一步验证了红粘土和黄土-古土壤具有相同的物质来源。
sofa燃烧器
将红粘土酸不溶物分析结果投在A -C N -K 三角图中(图5)，可以看出红粘土的物质组成与陆源页岩的平均化学组成
[24]
十分接近，而与上部陆壳
[23]
明显不同。尽管红粘土化学风化
程度高于第四纪的黄土和古土壤，由其在A -C N -K 三角图中的投影点位置可以看出红粘土经历的化学风化仍处于脱Ca 、Na 为主的早期阶段，还未达到去K 的中级阶段。
172地 质 力 学 学 报
2001
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议