末次冰期以来鄱阳湖东北缘下蜀黄土常量元素地球化学特征及其物源指示①

龙 进 贾玉连，2 张 智 彭学敏 凌超豪 王朋岭

(1．江西师范大学地理与环境学院 南昌 330022;2．鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室 南昌 330022;3．中国气象局气候研究开放实验室国家气候中心 北京 100081)

长江中游的赣北鄱阳湖地区，发育一系列丘岗状的砂质沉积—沙山［1-3］，同时，在其冬季风下风方向上发育着厚度不等的下蜀黄土［4-5］。目前，普遍认为沙山是风成堆积，系古长江及其支流赣江的河床砂，经强风短距离搬运，在近岸堆积而成［1，2，6］。对下蜀黄土，尚存较大争议。有学者认为与宁镇地区的下蜀黄土具有同时或(和)同源属性，并与晚第四纪黄土南侵有关［5］。李吉均等［7］将星子神灵湖叶家垄剖面中上部粉砂黏土为主的下蜀土归为粉尘堆积，认为是第四纪黄土南侵的证据，但对其具体来源没有明确意见。李徐生等［8］研究了西南厚田沙山以南的下蜀黄土，认为粒度具有沿东北—西南方向逐渐变细的特点，是厚田沙山在冬季风下风方向上的衍生堆积;Jia et al.［3］比较了彭泽定山沙山及其下伏的黄土堆积的元素地球化学组成，认为它们具有同源性，确证黄土物源来自于古长江。Hao et al．［9］通过对比南、北方黄土元素特征的异同，认为长江中下游黄土主要物源为邻近的长江下游冲积平原，而非黄土高原。这些研究初步揭示，在鄱阳湖周边的赣北地区，冰期时可能存在众多风沙—粉尘堆积系统。胡亚萍等、张智等［10-11］分析了鄱阳湖东北缘沙山与下蜀黄土地层的粒度序列，认为从湖口—彭泽一线与怀玉山地之间，末次冰期以来就存在一个区域性风沙—粉尘堆积体系。

进一步的野外调查发现，末次冰期鄱阳湖东北缘的区域粉尘堆积体系，可能跨越怀玉山地(图1)。本文将D-D断面［11-12］向南延伸到鄱阳湖滨，增置了5个剖面(图1)，彭学敏等［12］已分析了其粒度变化特征，认为它们属于同一风沙—粉尘体系;本文主要分析其常量元素地球化学特征，揭示完整的区域粉尘堆积的特征，并将其与现代长江河谷漫滩、黄土高原马兰黄土、南京下蜀黄土进行了比较，为粉尘堆积物源示踪研究提供一些思路和建议。

1 材料与方法

1．1 剖面描述与样品

鄱阳湖东北缘、长江南岸二级阶地上串珠状分布的沙山(图1)，西起湖口，东至彭泽，以湖口柘机—沙湾和彭泽红光—芙蓉附近分布最广、沙层最厚［13］。其南侧的下蜀黄土，灰黄色—浅棕黄色、均质、质地为粉砂或含黏土粉砂，由北而南碎屑颗粒明显变细，地层厚度也逐渐变薄;在怀玉山前异常增厚，进入怀玉山地，突然减薄、颜色显著加深，到鄱阳湖滨的左桥(D-D-09)和周溪(D-D-10)剖面接近棕红色［13］(图1)。就地层接触关系而言，沙山南翼的下蜀黄土，部分往往被沙山所覆盖;向南，多以帽覆式披于低山、丘陵的均质红土或网纹红土之上，与九江附近的下蜀黄土地貌分布相似，表现出明显的风成堆积特点［12-14］。

彭学敏等对本断面的研究共涉及12个剖面［12］，本文涉及其中11个，即去除七里桥剖面，并将沙港砂山剖面(F-Z-01)作为独立剖面，命名为HG-C，以便探讨D-D断面沙山砂、下蜀黄土区分以及与现代长江河漫滩沉积的元素化学特征。剖面描述详见彭学敏(2014)。每个剖面下蜀黄土层均以等间距采集6～12个样品，共118个。同时，在黄土高原渭南丰原、南京燕子矶(YZJ)剖面、彭泽芙蓉现代长江河漫滩(HR)，分别采集10个黄土样品(马兰黄土)、15个下蜀黄土和10个长江河漫滩沉积样品，做对比分析。

图1 断面位置分布及高程示意图Fig．1 Location and altitude of profile in the study area

1．2 实验方法

取适量样品，经去离子水浸泡12 h，加入过量30%双氧水，去除有机质，运用湿筛法过800目(20 μm)网筛，取网筛下部样品烘干，经玛瑙研钵后，过200目网筛，取研磨后的样品约4 g压制成直径40 mm，厚约5 mm的圆片，上机进行XRF元素测试分析。每10个样品加一个平行样，以检验测试结果的稳定性。实验在江西师范大学物理与化学实验中心完成，所用仪器为德国S4PIONEER X射线荧光光谱仪。此仪器对Na、Ca元素的检测误差为5%、1%左右，对 Zr、Fe、K、Si、Al、Mg、Ti的误差均小于 1%。

2 结果与分析

测试结果显示，Na、Ca元素在试样与平行样之间的相对误差分别为5．5% ～5．0%、1．2% ～0．8%，而Zr、Fe、K、Si、Al、Mg、Ti等的相对误差均不足 1%，达到了测试技术要求。

结果表明，D-D断面下蜀黄土＜20 μm的粒级组份，主要元素成分为 SiO2、Al2O3、Fe2O3，三者质量百分含量总量达80% ～90%，平均为85．3%。南京燕子矶下蜀黄土SiO2+Al2O3+Fe2O3为80% ～83%，平均为81．3%。二者显著高于长江河漫滩(77．2%)，渭南黄土(70．9%)，西峰黄土(79．1%);但低于风化较强烈的安徽宣城网纹黄土(95．1%)［9］。

SiO2质量百分比含量，D-D断面介于56．9% ～66．7%之间，平均为 65．2%，与西峰黄土相近(63．1%)与南京燕子矶下蜀黄土(60．18%);长江河漫滩，介于50．4% ～58．5%之间，平均为54．7%，与渭南(52．5%)较为接近;均低于上地壳平均含量(66．6%)［15］。

表1 风成体系各剖面常量元素氧化物平均含量(wt%)Table 1 Some constant oxide content of D-D section(%)

Al2O3质量百分比含量，D-D断面介于11．5% ～17．9%之间，平均为14．0%;南京燕子矶下蜀黄土，介于15．1% ～16．5%之间，平均为15．7%;长江河漫滩介于12．1% ～18．2%之间，平均为15．8%。均介于西峰(18．4%)和渭南(13．1%)(表1)之间。Fe2O3则表现出大致与Al2O3相似的变化特征。

总体而言，相对于上陆壳(UCC)，D-D断面铁、铝与硅均略低;长江河漫滩、南京燕子矶具有富铁铝、贫硅;渭南黄土具有富铁、贫铝硅特点。也就是说，铁铝并不富集而硅具有一定程度的亏损。

由Base/K比值与CIA值所表示的D-D断面化学风化［16-17］，由北而南逐渐增强，D-D-01～D-D-05(怀玉山地以北)五个剖面，均经历了中等强度的风化，与南京燕子矶下蜀黄土相仿;怀玉山地及其以南的剖面，均经历了更强烈的化学风化淋溶，CIA达到88～92，均比沙山和长江河漫滩沉积物要高。

A-CN-K图解是反映化学风化趋势以及化学风化过程中主要矿物与元素成分变化的常用方法［18-19］。D-D 断面、长江河漫滩 (HR)与沙山(HG)［3］样品排列成基本上与A-CN的风化趋势线平行的一条线上;这一方面反映了上述区域物质组成的高度均一性，另一方面也证明了粉尘物质具有物质成分的相似性。燕子矶(YZJ)与渭南(WN)黄土同样分布在这条线上。这一现象反映其母质正处在以斜长石的脱Ca和Na为主的化学风化淋溶过程，在靠近A-K连线时，以燕子矶下蜀黄土和D-D断面为主的样品连线向左倾斜，而意味着钾长石的脱K过程已经开始。据此，我们认为D-D断面的化学风化已基本完成早期阶段的去Ca，Na风化过程，并初步进入中期的去K风化阶段［18］。

图2 CIA(%)与Base/K2O度散点图、A-CN-K化学风化程三角图图中:A=Al2O3;CN=CaO*+Na2O;K=K2O;Base=CaO+MgO+Na2O+K2OFig．2 Scatter diagram of CIA vs．Base/K2O molar ratio andA-CN-K ternary diagram of the D-D section in north Poyang Lake region loess(arrows indicating weathering trend)

D-D断面元素成分与距离长江的关系活动性元素(如 Na2O、CaO、K2O、MnO2、SrO2、Rb2O 等)呈负对数变化，而稳定、次稳定元素(如 SiO2、A12O3、Fe2O3、TiO2、ZrO2等)呈正对数变化。这种对数关系变化揭示，距离物源地长江河谷5～20 km是个特征距离，在这个范围内，元素成分以及剖面厚度变化剧烈，随后便基本趋于稳定(图3)。

D-D断面这种元素成分随距离的变化模式，与北美大河流域区域性风沙—风尘堆积的变化模式基本一致［20-21］。在北美的密西西比河及其支流密苏里河流域，在末次冰期环境下，存在区域性风沙—粉尘堆积体系。Muhs et al．［20-21］揭示，从物源地(现代河谷)到下风方向上，区域性风沙—粉尘堆积体系中的各种类型的参数(包括粒度、堆积物厚度、元素含量等)均具有随着距离的变化呈现对数变化特点。这与D-D断面所揭示的区域风沙—粉尘体系的特点是相同的。这进一步揭示，在赣北地区，确实存在区域性风沙—粉尘堆积体系。

不过，与处在41°N的纬度上环境寒冷干燥的北美体系相比，处在30°N的气候温暖湿润东亚季风区的赣北体系还是表现出少许不同，这主要体现在一些次稳定元素，例如K2O和Rb2O。在北美体系中，K2O和Rb2O呈正对数函数关系，而在赣北体系中，它们呈负对数关系(图3)。

图3 D-D断面各剖面常量元素(wt%)及其距离相关性图Fig．3 Correlation diagram of major element(wt%)vs．distance south of Yangtze River in D-D section注:S为与长江的距离，H为剖面厚度，CIA(%)计算参照文献［17］

3 讨论

在表生过程中，不同的矿物具有不同的抗风化能力，譬如普通辉石((Ca，Mg，Fe)2［Si2O6］)、普通角闪石{Ca2(Mg，Fe2+)4(Al，Fe3+)［Si7，Al)22］(OH)2}、斜长石(Na［AlSi3O8］～ Ca［Al2Si2O8］)及黑云母(K(Mg，Fe2+)3(Al，Fe3+)Si3O10(F，OH)2)等抗风化能力较弱，白云母(KAl2［Si3AlO10］(OH，F)2)、钾长石(K2［Al2Si6O1］)等抗风化能力较强。这种差异性风化表现在:①初级化学风化，Ca、Mg、Fe、Na等首先游离出来，随水淋失;②中等化学风化，随着钾长石风化，K被游离出来，但它往往被黏土矿物吸附，滞留在风化壳中。Fe被氧化成Fe2O3(赤铁矿)，也很难被淋失;Al存在于蒙脱石、水云母、高岭土等黏土矿物甚至铝土矿中，同样滞留于风化壳中，相对富集［22］;③石英、金红石(TiO2)和锆石(ZrO2)等矿物，性质极其稳定，基本上不参与一般程度的风化过程。因此，滞留在原地的碎屑颗粒中的K、Al、Ti、Zr与石英等相对富集，其配比能够较好地反映母岩及其源区的元素组成特征［15，23-26］，这是利用地球化学方法进行物源示踪的基本思路。

但是源区地球化学元素被流水搬运或者被风吹蚀搬运到一定距离上，在多大程度上能反映源区的元素地球化学组成?学界并没有对这一问题进行过详细的定量论述。

D-D断面，由于这些相对稳定的元素呈现随着距离源区的远近而有规律的函数变化关系，因此各元素对(图4)及各元素比值之间的散点图(图5)，同样表现出有规律的系统性的逐渐变化。从近源区的D-D-01到远离源区的D-D-10，其相互之间的“元素地球化学距离”还是较大的。也就是说，这种区域粉尘体系，物质在搬运过程中，元素物质还是经过了一定程度的“分选”。

将长江河漫滩(HR)、渭南黄土(WN)、南京燕子矶下蜀黄土(YZJ)投影到图4与图5中，得到图6与图7。我们发现，它们与D-D-02～D-D-05样品具有更为密切的联系，而与D-D-06～D-D-10保持一定的距离。众所周知，渭南黄土与南京燕子矶下蜀黄土，分别只是黄土高原和宁镇地区粉尘堆积系统的一个环节［27-28］。在它们各自的粉尘体系里，地球化学元素组成在不同的粉尘搬运距离上，具有系统性的是变化的，就像D-D体系一样。对黄土高原的黄土地球化学的研究，刘东生、徐树建等曾就此展开过论述［27-28］。

图4 D-D断面下蜀黄土常量元素散点图(wt%)Fig．4 Scatter diagrams of major elements for D-D section

由于粉尘堆积来自于岩性较为单一的铝硅酸盐上陆壳，如果这些物质经历了长距离的搬运(例如经过长江、黄河这种大河的搬运到中下游，或经西风带从中亚内陆造山带长距离搬运到黄土高原)，其化学成分经历了高度混合，若再经风成搬运与分选，其地球化学元素组成也会产生分化与分异。其风成体系中近源区的粉尘堆积(20 km范围之内)，颗粒组成，就像我们经常所指的粉砂物质占优势的黄土堆积［11-12］，这在北美的相对简单的风沙—粉尘体系中也是如此［19-20］。它的常量元素地球化学组成是相似的，对它的示踪，可能经常会得出无效结论。

图5 D-D断面相对稳定元素比值散点图(wt%)Fig．5 Scatter diagrams of ratio of immobile elements for D-D section

图6 D-D断面相对稳定元素散点图(wt%)Fig．6 Scatter diagrams of immobile elements for D-D section

因此，尽管渭南与南京、与赣北相距遥远，即使在末次冰期环境下，粉尘堆积物质也不可能有密切的联系，这种情况 Hao et al．［9］曾有过论述。但是渭南黄土与燕子矶下蜀土常量稳定元素示踪，却发现它们与D-D断面的许多剖面具有密切关系，原因可能就在于它们处在不同区域粉尘堆积体系的基本相同或相似的位置。故利用地球化学元素进行元素示踪，需要谨慎从事。

图7 D-D断面相对稳定元素比值散点图(wt%)Fig．7 Scatter diagrams of immobile elements for D-D section

4 结论

基于D-D断面风沙—风尘堆积体系元素地球化学特征研究，以及与长江河漫滩沉积物(HR)，北方渭南黄土(WN)、南京下蜀土(YZJ)的对比分析，可以得出以下初步认识:

(1)末次冰期以来，鄱阳湖东北缘存在完整的风沙—风尘体系。自北而南，D-D断面沙山砂、下蜀黄土的地球化学元素组份具有高度均一性，粉尘物质成分相似;剖面厚度总体呈递减趋势，但在平原向丘陵山地过渡带(距离长江河谷约20 km)剧烈波动，体现出风尘堆积受地形影响较大的特征，有力地指示了D-D断面的风成特点。

(2)自北而南，元素含量具有系统性对数模式变化特征。SrO、Na2O、CaO、K2O、MnO、CaO 呈负对数函数关系，SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2及化学蚀变指数(CIA)呈正对数变化;也就是在距离长江河谷5～20 km的范围内，变化最为剧烈，随后趋于平稳。这使稳定元素—稳定元素、次稳定元素—稳定元素、活动元素—稳定元素对散点图同样具有系统的变化特点，表明粉尘物质在搬运过程中，地球化学元素有一定程度的“分选”。显示D-D断面沙山砂、下蜀黄土具有高度同源性。这些特征进一步揭示它们属于同一粉尘堆积体系。

(3)现代长江河漫滩沉积物、渭南黄土、南京下蜀黄土与D-D断面北端剖面D-D-02～D-D-05稳定元素组成极其相似，与D-D-06～D-D-10剖面则差异较大。这揭示了长江碎屑物质和风尘堆积一样具有广泛的来源及高度混合性。渭南黄土和南京下蜀土也仅仅是不同区域风尘堆积的一个组成部分，它们只是与D-D断面的某些沉积常量元素组成比较相似。本研究表明，利用常量元素地球化学方法进行粉尘物源示踪需要谨慎。

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