衡阳地区红土剖面微量元素Rb、Sr地球化学特征及其环境意义

郝丽婷，熊平生

(衡阳师范学院地理与旅游学院，湖南衡阳 421002)

0 引言

土壤中微量元素主要来源于成土母岩或经外动力搬运来的沉积物，尽管在土壤含量中较少，但成壤过程中微量元素地球化学行为记录的环境信息，能够反映不同光热组合环境下不同程度的淋溶迁移规律，对于研究岩石风化、土壤发育、第四纪地质、古气候环境具有重要的指示意义[1].目前微量元素在黄土-古土壤序列[2-3]、红土堆积[4-5]、泥炭记录[6-7]以及湖泊沉积[8-9]等古环境及古气候的重建中已被广泛应用.我国南方第四纪红土是发育较为广泛的土状松散堆积物，作为与北方黄土相对应的陆相沉积物，是地表微量元素运移的主要宿体，其蕴含着丰富的环境演化信息，对重建我国南方第四纪古环境与古气候亦具有显著意义[10-11].迄今为止，已有不少学者基于年代测度、物源探析、环境记录与网纹化机制等研究对第四纪红土进行了讨论与探索[12-15]，如徐传奇等[1]对网纹红土元素研究认为，网纹和基质氧化还原差异，是造成Zr、SiO2及轻稀土等在网纹中的相对富集、在基质中“稀释”而呈现亏损的主要原因；李文慧、余继峰、张硕等[16-18]研究了剖面元素特征，以此反映红土在堆积过程中的古气候变化；牛东风等[19]通过对网纹红土的主量元素含量进行研究，认为MIS5a时的西樵山及其邻近地区为热带气候环境，为中国南方红土响应全球变化提供了很好的材料.然而在红土微量元素方面的研究则较为匮乏，鉴于此，本研究以Rb和Sr作为古气候代用指标,综合运用微量元素地球化学分析、磁化率分析和粒度分析等方法，探讨微量元素Rb、Sr的地球化学特征及其对环境变化的指示意义，为探索南方红土沉积环境替代性指标提供研究基础.

1 研究区地理概况

衡阳市区地处衡阳盆地中心，属于湘中盆地群板块，其地理位置大致为112°31′40″E～112°42′08″E，26°46′30″N～26°55′40″N，区域内红壤广泛发育，地势平坦，平均海拔约115 m，其中红岩盆地地貌为主要地貌类型.衡阳市区段湘江流域长47 km，湘江自南向北呈S字形贯穿市区，两条一级支流——蒸水和耒水在这里汇合，河床最低矮的地方约海拔87 m，河流两岸多为冲积平原和二、三级阶地.该区地质状况与新华夏的布局基本一致，浑圆平顶的低丘分布其间，区内岩层平缓，斜角为5°～15°的白垩系与第三系红色层，且第四系地层出露明显.由市区四周向中心并自南向北物质粒度细化，区域中心位置形似条形孤岛状的石牛峰呈现出自南向北突起态势.该区经历了从晚三叠纪至早第三纪末期之间近2亿年的演化历程，随后在喜马拉雅运动影响下而逐渐抬升，经过长期的风化和水蚀作用，形成高150～200 m，相对高度约60～100 m的多呈波状丘陵，周围有各种高约300～100 m的断续山脊，主要由各类古老岩层及花岗岩体组成.气候上属于中亚热带季风气候，冬冷夏热、干湿交替成为最主要的气候特点，冬季与夏季分别盛行偏北风和偏南风，因此季节性和区域性成为该区降水的主要特征，衡阳市区红土剖面地质图见图1.

图1 衡阳市区地质图

2 研究剖面和测试方法

研究样品采集于高兴剖面(以下简称GX剖面)，位于衡阳市雁峰区高兴村后山坡，地理坐标为26°51′N，112°36′E.红土厚约360 cm，红土段岩石以花岗岩为主，属湘江三级阶地.平均海拔高度约为88 m，为人工露头，从上往下依次为红壤层、均质红土层、褐黄土层.在取样过程中，将剖面的表土刮掉，并向剖面内挖3 cm深的垂直竖槽，在截面下方以4 cm为间隔连续采集现场样品，共采集土样86件，每个样品取土约200 g，分别进行粒度、低频磁化率与元素地球化学测试.将实验样品取回后在实验室自然晾干，磁学测试样品处理时需将样品过2 mm土筛，将土样填实磁力盒后进行体积磁化率测试，将其测试数据通过体积密度公式计算出质量磁化率值.除此之外，从土样中选取20 g土样研磨，过200目土筛，样品包装好后送往南京师范大学地理科学学院地理实验中心测试，测试仪器为X射线荧光光谱仪，常量元素含量以氧化物形式给出，测试误差小于5 %.将少量的原状晾干土品，先用过氧化氢去除样品的有机质，然后用稀盐酸去除样品酸盐，再加入一定浓度的六偏磷酸钠.粒度测试与磁化率测试工作在衡阳师范学院城市与旅游学院第四纪实验室完成.所使用的仪器是英国马文Mastrizer-3000型激光粒度仪，测定范围为0.02～3 500 μm，反复测量3次，并测定完成后计算其平均值，重复测量误差不到1%.

3 结果与分析

3.1 红土地层中Rb和Sr分布特征

高兴剖面红土地层元素含量、粒度组分、低频磁化率测试与分析结果见表1.微量元素Rb、Sr平均含量分别为0.92×10-4、2.26×10-4，变化范围分别为0.49×10-4～1.56×10-4、0.59×10-4～7.85×10-4，Rb、Sr在不同地层中平均含量依次为：红壤层>均值红土层>“褐黄土”层.CaO和K2O平均含量分别为0.08%、1.92%，其中CaO在不同地层含量差异不明显，K2O平均含量大小依次为：红壤层>均值红土层>褐黄土层.粘粒、粉沙平均含量值分别为7.25%、74.67%，粘粒、粉沙平均含量大小依次：红壤层<均值红土层<褐黄土层；沙粒组分均值为18.08%，分布范围4.1%～42.07%，不同地层平均值大小依次为：红壤层>均值红土层>褐黄土层.红土剖面的化学蚀变系数CIA均值为86.75，分布范围81.1～89.3，不同地层CIA均值大小依次为：红壤层<均值红土层<褐黄土层；低频磁化率均值为74.83×10-8m3/kg，分布范围8.1×10-8～243.8×10-8m3/kg.CIA均值、低频磁化率均值在红土地层中大小顺序依次为：红壤层<均值红土层<褐黄土层.

表1 红土剖面元素含量、粒度组分和磁化率值

3.2 Rb、Sr分别与K2O、CaO的关系

Rb含量与K2O含量的线性分析(见图2)表明，Rb元素含量与K2O含量呈显著正相关(R=0.943 4).其线性拟合度很好(R2=0.888 6).Rb是自然界中一种具有代表性的分散稀有碱金属元素，且因其亲石特性在自然界中通常附存于其他矿物中，难以形成单一矿物.由于Rb+半径147 pm和K+半径123 pm，Rb和K离子半径非常相似，其地球化学活动也相对相似.红土沉积物中Rb集中分散于含K的矿物中，南方红土沉积环境长期相对温暖湿润，在风化成土过程中钾元素流失严重，因此，Rb在风化成土过程中也会流失.对Sr含量与CaO含量进行线性分析发现，Sr含量与CaO含量成较弱的负相关性(R=-0.347 8)，其线性拟合度较差(R2=0.110 53).尽管Ca元素和Sr元素地球化学性质相接近，绝大多数CaO结合在碳酸盐矿物中，在南方湿热的气候环境条件下，CaO元素随着风化作用而被大量淋失掉，Sr存在于硅酸盐矿物中，硅酸盐相对较难风化，因此，Sr元素和Ca元素的相关性较弱.

图2 红土Rb、Sr元素含量与K2O、CaO含量的拟合关系

3.3 Rb、Sr与粒度组分的关系

为了研究红土地层Rb、Sr含量与粒度组分的关系，对它们进行了线性拟合分析(图3).分析结果表明，红土样品中的Rb、Sr含量与不同粒度组分相关性密切.Rb含量与沙粒组分(>63 μm)成显著正相关性(R=0.888 9)其线性拟合度良好(R2=0.787 06).Rb含量分别与粉沙组分、粘粒组分成显著负相关性(R=-0.877 1；R=-0.667)，其线性拟合度良好(R2=0.766 5)，与粘粒组分的线性拟合度较好(R2=0.432 7).Sr含量与沙粒组分(>63 μm)成显著正相关性(R=0.912 5)，其线性拟合度很好(R2=0.830 66).Sr含量分别与粉沙组分、粘粒组分成显著负相关性(R=-0.895 7；R=-0.695 9)，Sr含量与粉沙组分线性拟合度良好(R2=0.800 9)，与粘粒组分的线性拟合度较好(R2=0.478 2).南方红土沉积主要处于湿热的气候环境条件完成，当化学风化作用增强，粘粒、粉沙粒组分增多，微量元素Rb、Sr迁移淋失增强，Rb、Sr含量降低.当化学风化作用减弱，沙粒组分增多，微量元素Rb、Sr迁移淋失减少，Rb、Sr含量增高.

图3 红土Rb、Sr元素含量与粘粒、粉沙、沙粒含量的拟合关系

3.4 Rb、Sr与化学蚀变系数(CIA)的关系

CIA是衡量长石淋溶的强度指标，被称为夏季风指数，常用来指示化学风化强度的指标.为研究红土地层Rb、Sr含量与CIA的关系，对它们进行了线性拟合分析(图4)，结果表明，Rb、Sr含量分别与对应CIA值成显著的负相关性(R=-0.856 0；R=-0.967 5).Rb、Sr含量分别与对应CIA值线性拟合度很好，(R2=0.730 45；R2=0.935 22).Rb、Sr含量与CIA值拟合关系表明，红土沉积环境湿热程度增大的时候，化学风化成壤作用增强，CIA值变大，红土剖面Rb、Sr迁移淋失量增大，红土Rb、Sr含量减少.红土沉积环境湿热程度降低的时候，化学风化成壤作用减弱，CIA值变小，红土剖面Rb、Sr迁移淋失量减少，红土Rb、Sr含量增大.

图4 红土Rb、Sr元素含量与CIA值的拟合关系

3.5 Rb、Sr与低频磁化率的关系

对Rb、Sr含量与低频磁化率进行线性拟合分析(图5)，结果表明，Rb、Sr含量分别与对应低频磁化率成显著的负相关性(R=-0.802 7；R=-0.733 1).Rb、Sr含量分别与对应低频磁化率线性拟合关系较好(R2=0.638 21；R2=0.522 02).拟合关系表明，红土地层中Rb、Sr含量增高时，低频磁化率值降低，反之，当Rb、Sr含降低时，低频磁化率值升高，反映了红土中微量元素Rb、Sr含量与低频磁化率大小成反相变化关系.

图5 红土Rb、Sr元素含量与磁化率的拟合关系

4 讨论

以下主要探讨微量元素Rb、Sr对古环境变化的记录.Dasch[20]对母岩型风化壳微量元素Sr、Rb的迁移特征的研究发现，Rb/Sr比值能反映母岩风化作用的强度.国内一些学者[21-22]结合对黄土典型剖面的Rb，Sr和Rb/Sr比值的研究发现，它们能准确地反映古环境的变化，是气候变化研究中理想的环境替代性指标.图6 显示了高兴剖面CIA值、Rb、Sr含量与低频磁化率的变化曲线.CIA值与低频磁化率曲线波动趋势十分相似，两者成较显著正相关性(R=0.693 2).低频磁化率曲线与Rb、Sr含量曲线变化趋势相反，Rb、Sr含量分别与低频磁化率成显著的负相关性(R=-0.802 7；R=-0.733 1).CIA值曲线与Rb、Sr含量曲线变化趋势相反，Rb、Sr含量分别与CIA值成显著的负相关性(R=-0.856 0；R=-0.967 5).综合推测，红土沉积环境湿热程度加强时，化学风化成壤作用增强，CIA值变大，Rb、Sr 的淋溶迁移程度增强，低频磁化率增大，反之，当红土沉积环境湿热程度减弱时，化学风化成壤作用减弱，CIA值变小，Rb、Sr 的淋溶丢失程度减少，低频磁化率降低.

图6 红土剖面CIA值、Rb、Sr含量和磁化率的垂向变化

5 结论

(1)红土微量元素Rb、Sr平均含量分别为0.92×10-4、2.26×10-4，变化范围分别为0.49×10-4～1.56×10-4、0.59×10-4～7.85×10-4，Rb、Sr在不同地层中平均含量依次为：红壤层>均值红土层>褐黄土层.Rb元素含量与K2O含量成显著正相关性(R=0.943 4)，线性拟合度很好.Sr元素含量与CaO相关性较弱，拟合度较差.

(2)红土Rb、Sr含量与不同粒度组分相关性密切.Rb、Sr含量皆与沙粒组分成显著正相关性，与粉沙组分成显著负相关性，与粘粒组分相关性较好.当化学风化作用增强，粘粒、粉沙粒组分增多，微量元素Rb、Sr迁移淋失增强，Rb、Sr含量降低.当化学风化作用减弱，沙粒组分增多，微量元素Rb、Sr迁移淋失减少，Rb、Sr含量增高.

(3)对比分析了高兴剖面CIA值、Rb、Sr含量与低频磁化率的变化曲线发现，当红土沉积环境湿热程度增强时，化学风化成壤作用增强，CIA值变大，Rb、Sr 的淋溶迁移程度增强，低频磁化率增大，反之，当红土沉积环境湿热程度减弱时，化学风化成壤作用减弱，CIA值变小，Rb、Sr 的淋溶丢失程度减少，低频磁化率降低.因此，Rb、Sr地球化学特征对红土沉积的环境具有指示意义.