邙山黄土古土壤S2沉积以来的微量和稀土元素地球化学特征及其物源指示意义*

陈立业，张珂，傅建利，梁浩，李肖杨，李忠云

（1.中山大学地球科学与工程学院∥广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室，广东 广州510275；2.中国地质科学院地质力学研究所，北京100081）

中国黄土十分发育[1]，除西北地区外，在华北平原、黄淮平原甚至长江中下游地区，亦有分布[1-4]。黄土沉积蕴含信息丰富，前人曾对多个典型黄土剖面做了大量研究[1-5]，得到了涵盖年代[6-8]、气候变化[1-2，4-5]、沉积规律[7-15]及物源[1-3，15-16]等较为系统的认识。

中国黄土堆积表现出较为明显的空间分布规律性，即从北向南，厚度逐渐减薄[1，8]，沉积速率逐渐降 低[1，10]，粒度逐渐变细[1，8-10]。该趋势在洛川[1]、西峰[11]和蓝田[12]等地得到了广泛验证。位于黄河中、下游交界位置的邙山黄土（图1），中更新世晚期（对应古土壤S2时期，绝对年龄在200 ka左右，下同）以来堆积厚度近100 m[14，17-20]，远大于洛川[1]、渭南[4]等典型黄土剖面的同期堆积（图2）。在厚度增加的同时，沉积速率明显加快[14，17-20]，粒度也明显变粗[14，17-18]，这些都与中国黄土堆积的普遍规律相悖。前人对中更新世晚期以来邙山黄土异常的厚度和极高的沉积速率进行了磁性地层学[14，17-18]、沉积学[14，17-18，20]以及释光年代学[18-20]等综合研究工作，指出S2沉积（以下简称为S2，年龄约200 ka）以来邙山黄土的磁化率、粒度等沉积特征与李家塬（图1）等典型黄土高原黄土差异明显[14，18]，认为三门峡下游的冲积平原很可能是邙山黄土的主要源区[14，17-19，21]。然而，上述认识合理性如何？有否其他方面的证据支持？

黄土的微量和稀土元素地球化学特征对源区特征反映较为敏感，因而常被用做物源示踪[1-5，16，22]。本文着重分析了 200 ka以来邙山黄土微量元素和稀土元素的地球化学特征，并与相应时期三门峡地区、黄土高原[2]、淮南[3]等典型黄土剖面（图1）进行了对比研究，以尝试从元素地球化学的角度探讨邙山黄土的物质来源问题。

1 材料和方法

邙山位于河南省郑州市西北25 km的黄河南岸，处于黄河三门峡段下游（见图1）。黄河北岸为广阔的冲积平原，南岸为黄土塬，黄河贴近南岸流动，形成侵蚀陡崖。邙山黄土塬东西长约18 km、南北宽约5 km，塬面最高海拔262 m，底部未见基岩出露。

邙山赵下峪剖面（34°58′N，113°22′E）位于河南省荥阳市北邙乡刘沟村西，出露S10以上的黄土-古土壤序列，可见厚度达172 m[14，17-18]。通过与洛川[1，8]等黄土剖面对比，结合前人的研究[6]和我们的工作，获得了该剖面S2以来的地层年代学框架（图2）。本文选取S2以来不同黄土层位（L1和L2）的10个黄土样品进行微量元素和稀土元素含量测试。其中，L1、L2分别采样5个。样品在剖面中的位置如图2所示。

为探究邙山黄土与其他区域黄土在空间上的关联性，我们对三门峡地区（扣马、黄底沟、风陵渡）S2以来的黄土也进行了采样（图1），共采集6个黄土样品。样品在剖面中的位置如图2所示。

图1 研究区范围与邙山黄土剖面位置图（据ZHENG等[18]修改）Fig.1 The study area and the location of Mangshan（MS）loess profile（Revised after reference[18]）

图2 邙山黄土剖面及其他典型黄土剖面对比Fig.2 The characteristics of Mangshan（MS）loess profile and their comparison with Chinese typical loess profiles in stratigraphy，palaeomagnetics and sedimentology

所有样品的微量元素与稀土元素测试均在广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室完成，所有样品首先被研磨至200目以下，然后采用1 mL HNO3＋1 mL HF混合酸在Teflon高压密闭坩埚中进行样品溶解。采用ICP-MS测定，精度为0.002 μg/g。不同元素的检出限有所不同，以Sc、As为例，Sc的检出限为0.02μg/g，As的检出限为0.2 ppm，所有被测样品的微量元素和稀土元素含量均显著大于其检出限。大部分微量元素和稀土元素的测试误差小于10%，分析结果准确可信。

2 结 果

邙山、三门峡地区黄土样品的微量元素数据见表1，稀土元素数据见表2。我们还选取了研究程度较高的黄土高原地区吴堡等7个剖面点[2]、淮南顾桥[3]的黄土剖面进行区域对比（图1）。对微量元素及稀土元素数据进行UCC标准化后绘制成图3。其中UCC为上部陆壳平均化学成分[23]（表1和2）。

2.1 微量元素

结果显示，邙山、三门峡地区、黄土高原地区及淮南黄土样品的微量元素具有相似的分布模式，大部分元素UCC标准化值在1附近波动；相对于UCC，稀土元素普遍表现出相对富集（图3）。4个地区的Sr、Y、Ba、U含量接近，但邙山黄土出现了一定程度的Rb、Nb亏损。相比与黄土高原等其他地区黄土，邙山黄土明显富集Zr、Hf而亏损Cs、Pb、Th（表1）。

2.2 稀土元素

球粒陨石标准化后的邙山、三门峡地区、黄土高原地区及淮南黄土样品的稀土元素具有相似的分布模式（图4），表现为轻稀土相对富集，曲线陡峭，重稀土相对亏损，曲线平缓。4个地区黄土都出现了一定程度的Ce负异常，其中又以邙山黄土最为明显。相比于黄土高原等其他地区黄土，邙山黄土的轻稀土出现了一定程度的亏损，尤其是La、Ce等轻稀土元素（表2）。

表1 邙山和三门峡黄土的微量元素Table 1 The trace element concentrations of Mangshan（MS）and Sanmenxia（SMX）loesses μg/g

表2 邙山和三门峡黄土的稀土元素Table 2 The REE element concentrations of Mangshan（MS）and Sanmenxia（SMX）loesses μg/g

图3 邙山和三门峡黄土微量标准化以及与黄土高原、淮南等典型黄土剖面对比Fig.3 UCC-normalized trace elements of Mangshan（MS），and Sanmenxia（SMX）loesses in comparison with Chinese typical loesses of Chinese Loess Plateau（CLP）and Huainan（HN）

图4 邙山与三门峡、黄土高原以及淮南等地黄土的REE元素标准化图解Fig.4 Chondrite-normalized REE distribution patterns of Mongshan（MS）loess with Sanmenxia（SMX），Chinese Loess Plateau（CLP）and Huainan（HN）samples for comparison

3 讨 论

3.1 微量元素对物源的指示

化学性质稳定的微量元素（比如Nb、Zr、Hf、Th、Y、REE等）及其比值主要继承母岩的特征，在风化作用过程中具有很强的稳定性，广泛用于黄土的物源示踪[1-5，16，22-26]。Th多富集在土壤和风化岩石的残留物中，活动性较低[1，27]。Nb主要赋存于铌铁矿中，沉积后几乎不受风化作用的影响[28-30]。Zr、Hf主要赋存于锆石中，抗风化能力很强[23，29，30]。结果显示，相比于黄土高原等其他地区黄土，邙山黄土的 Zr/Hf、Nb/Th、Y/Th、La/Th等稳定微量元素比值显著偏高（图5a，b）。稳定微量元素抗风化能力强，活动性低，其比值是区分黄土物源的有效指标[1-5，16，22-26]。邙山黄土偏高的稳定微量元素比值，反映其与其他地区黄土的源区特征可能存在差异性。

前人研究表明，Th和Cs在风化作用过程中易被粘土矿物吸附，主要赋存于黄土的细颗粒组分中[30，31]，而 Zr和 Hf则主要赋存在粗颗粒部分[1]，因此Zr、Hf、Th、Cs的含量可能是黄土粒度的重要表征。图3及图5（c，d）表明，相对于其他地区，邙山黄土的Zr、Hf含量偏高，而Th、Cs含量偏低，反映邙山黄土的粒度可能偏粗，这也与前人的相关研究结果相符[14，17-18]。前人研究表明，末次冰期以来的淮南黄土与洛川等黄土高原黄土同源[3]。中国黄土的典型物源区是西北沙漠[1，15]，淮南黄土地处东南，远离西北物源区，风成沉积物的粒度更细，故其Zr、Hf含量稍低而Th、Cs含量显著偏高。若邙山黄土与黄土高原等典型黄土同源，则理应具有更细的粒度，即更低的Zr、Hf含量及更高的Th、Cs含量。如此强烈的反差，说明邙山黄土与黄土高原、淮南等地黄土可能并不同源。

La-Th-Sc和Th-Sc-Zr/10是广泛使用的判别黄土物源的三角图解[26，33-34]，自从 Bhatia＆Crook[33]于1986年提出后，已被成功用于众多地区的黄土物源研究中[3，16]。邙山与其他地区黄土的La-Th-Sc和Th-Sc-Zr/10图解（图5e、f）显示，黄土高原黄土与淮南黄土的投影区域高度重合，三门峡地区黄土与之接近，而邙山黄土的投影区域则与另外三地黄土差别较大，尤其是在 Th-Sc-Zr/10图中（图5f）。邙山黄土与其他典型黄土在黄土物源判别图解中投影区域的差异，反映了其Zr、Sc、Th、La等微量元素含量上的差别，表明邙山黄土与黄土高原等其他地区黄土的物源可能并不一致。

3.2 稀土元素对物源的指示

稀土元素（REE）主要受控于源区的岩石学特征[24]，其总含量（ΣREE）和轻、重稀土比值（LREE/HREE）等主要反映来源物质的特性[1]，被广泛用于黄土的物源研究[1，3，16，23，35-36]。图 4表明，邙山黄土与其他地区黄土具有相似的REE分布模式，但对REE内部分馏特征的反映并不明显。前人研究表明，LREE/HREE可以反映轻、重稀土元素的分馏特征，La/Eu是轻稀土元素内部分馏特征的有效指标，REE内部分馏特征是黄土物源的重要指征[1，23，35]。结果表明，相比于其他地区黄土，邙山黄土的 ΣREE、LREE/HREE、La/Eu均偏低（图6a，b），反映邙山黄土REE总含量较低，REE内部分馏程度较低。ΣREE及REE内部分馏程度的差异，表明邙山黄土与黄土高原等其他地区黄土的来源物质特征并不相同，反映其与典型黄土可能并不同源。

图5 邙山与三门峡、黄土高原和淮南等地黄土的微量元素地球化学特征图解Fig.5 The trace element characteristics diagrams of Mongshan（MS）loess with Sanmenxia（SMX），Chinese Loess Plateau（CLP）and Huainan（HN）samples for comparison

10*Hf-Ce-Yb和La-Zr/10-Ce三角图解可以进一步反映邙山黄土与其他地区黄土在稀土元素及微量元素特征上差异。结果显示（图6c，d），黄土高原地区黄土与淮南黄土在10*Hf-Ce-Yb和La-Zr/10-Ce三角图解中的投影区域高度一致，三门峡地区黄土与之临近，而邙山黄土的投影区域则与之有明显区别。这表明，邙山黄土与黄土高原等地黄土在Zr、Hf、Ce等元素含量上的差异明显，反映它们的物源可能并不完全相同。

图6 邙山与三门峡、黄土高原和淮南等地黄土的稀土元素地球化学特征图解Fig.6 The REE characteristics diagrams of Mongshan（MS）loess with Sanmenxia（SMX），Chinese Loess Plateau（CLP）and Huainan（HN）samples for comparison

3.3 邙山黄土的物源

S2以来，从洛川[1]、渭南[4]到风陵渡、黄底沟，黄土厚度逐渐减薄，这与中国黄土厚度的区域变化规律相一致（图2）。若把黄底沟黄土近似看成远源降尘的正常厚度，那么，S2以来邙山黄土厚度则是同期黄底沟黄土厚度的近10倍（图2）。前文指出，邙山黄土在微量元素（图3、5）及稀土元素（图4、6）特征上，与黄土高原等其他地区黄土存在明显差别，反映它们的物源可能并不一致。邙山黄土较高的Zr、Hf及较低的Th、Cs（图3、5）表明其粒度偏粗，可能是近源堆积的结果。上述现象很可能意味着：邙山附近河谷显著展宽，沉积了来自三门峡及其上游的巨量物质；邙山黄土中除了大气远源降尘外，还有风力吹扬的近源冲积物加入；两者均与邙山附近冲积物的粒度特征[37-38]及前面的微量元素地球化学特征分析结果相吻合。

S2以来，三门峡地区扣马黄土堆积较黄土高原等典型黄土明显偏厚，但薄于邙山黄土，扣马黄土的多数微量元素及稀土元素地球化学特征介于邙山黄土与黄土高原等典型黄土之间（图5、6）。扣马临近三门峡谷谷口，处于峡谷与平原的过渡带，河谷展宽有限，反映其受近源黄河冲积物的影响较邙山黄土小。

晋豫间的三门峡谷由一系列基岩山地组成，曾是黄河东流入海的最后一道屏障[19]。黄河三门峡段河谷狭窄，两岸陡峭，河床梯度大，水流速度快。黄河流出三门峡后，渐入华北平原，河谷极大拓宽，河水流速下降并发生堆积，形成广阔的冲积平原[17-20，39]。强劲的冬季风掠过平原，扬起的冲积物再次搬运并堆积于邙山，形成S2以来邙山黄土巨厚堆积的现象。

4 结 论

通过对邙山黄土与三门峡地区黄土微量元素和稀土元素进行测试分析，并与黄土高原、淮南等地黄土进行对比，得出以下初步认识：

1）与黄土高原等地黄土相比，邙山黄土Zr、Hf偏高Th、Cs偏低，反映邙山黄土中的粗粒组分可能较多。邙山黄土在 Zr/Hf、Nb/Th、Y/Th、La/Th等元素比值以及 La-Th-Sc和 Th-Sc-Zr/10三角图解上与黄土高原等其他地区黄土存在明显差异，反映其与典型黄土的物源可能并不一致。

2）邙山黄土与黄土高原等地黄土的稀土元素分布模式相似，但在ΣREE及表征REE内部分馏程度的LREE/HREE、La/Eu上存在明显不同，10*Hf-Ce-Yb和La-Zr/10-Ce三角图解中的投影区域也有显著差异，反映邙山黄土与黄土高原等典型黄土的物源可能存在差异性。

3）微量元素和稀土元素地球化学特征揭示，邙山黄土可能含有较多近源冲积物成分。邙山附近的黄河冲积平原，沉积了来自三门峡谷及其上游的巨量物质，可能是S2以来邙山黄土巨厚堆积的重要来源。

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