徐　喬

(西北大學 地質(zhì)學系/大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069)

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淺析黃土
—古土壤磁化率影響因素及對古氣候的指示意義

徐喬

(西北大學 地質(zhì)學系/大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069)

[摘要]簡要論述影響中國黃土磁化率的機制及其影響因素，主要包括源區(qū)(本底值)、成壤作用、有機質(zhì)的含量、和細菌作用等，并綜合分析這些因素對古環(huán)境的指示意義，認為黃土—古土壤磁化率的高低是在氣候條件為主導的作用下多種因素參與的結(jié)果，并且黃土—古土壤序列磁化率與成壤的關(guān)系不一定適用于大空間尺度的其它氣候區(qū)。

[關(guān)鍵詞]黃土—古土壤；磁化率；影響因子；古氣候

我國黃土是由多層黃土與多層古土壤疊覆而形成的, 也稱“黃土古土壤”序列，它能夠反映陸相地層中古氣候的演化。黃土古土壤序列對于認識第四紀地球氣候與環(huán)境變化具有重要的意義，也是其三個重要信息載體之一，目前有大量研究都以黃土古土壤序列作為研究手段，對東亞季風氣候的形成和演化及影響其變化的因素和機制、第四紀歷史中出現(xiàn)的氣候突變事件以及對我國內(nèi)陸干旱化氣候歷史的反演都具有極大的作用[1]。有大量研究顯示土壤磁化率的高低和土壤化的強弱存在聯(lián)系，并由此反演沉積物形成時的氣候情況。近年來，不少研究者將黃土剖面的磁化率曲線與深海沉積物的氧同位素記錄曲線進行對比，該方法在第四紀古氣候研究中應用中取得了較好的效果，但由于磁化率的形成機制較為復雜，對不同類型沉積物磁化率進行的解釋可能存在較為明顯的差異[2-4]，且有多種因素共同影響著磁化率的高低，在使用黃土磁化率作為恢復古氣候的替代指標時應更加慎重。

圖1　磁鐵礦的磁化率(單位重量)與

1黃土磁化率差異形成機制

中國黃土中的大部分礦物質(zhì)都具有一定的磁化率[5],在這些礦物中，鐵磁性礦物的磁化率一般要比其他礦物高出很多個數(shù)量級，而弱磁性礦物對黃土磁化率的影響幾乎是可以忽略不計的。也就是說,磁鐵礦和磁赤鐵礦決定了黃土的磁化率高低，雖然它們的含量很少，但對其磁化率的大小具有決定性的作用[5]。

影響黃土磁化率大小的因素除了磁鐵礦、磁赤鐵礦的含量外，這些礦物粒徑的大小也是很重要的影響因素。從圖1中我們可以看到，磁鐵礦在0.03～0.01 μm和125～16 μm處呈現(xiàn)出兩個峰值,其中前者的峰值明顯高于后者[5],這就說明，在磁鐵礦含量不變的情況下，粒徑變小至0.01～0.03 μm 時就會成為超順磁顆粒，這種顆粒也會導致磁化率成倍增加(見圖1)。

2我國黃土-古土壤磁化率與第四紀

古氣候關(guān)系

在以往的研究中，研究者們普遍認為古土壤與黃土分別代表了兩類不同的氣候環(huán)境，具體表現(xiàn)為：古土壤的磁化率較高，說明其土壤化程度較強，所以代表了較為溫暖潮濕的氣候，而黃土的磁化率較低，所以代表的是較為干燥寒冷的氣候，其機制為溫濕程度較強的地區(qū)的土壤中會生成較多的磁性礦物，且這種磁性礦物的粒徑較小，使得磁化率增高，而干旱的地區(qū)則剛好相反。但是目前的一些研究則表明，土壤中的磁性礦物的含量及粒徑并不僅僅受控于溫度和濕度，還受到了一系列復雜因素的制約，在利用磁化率反演古氣候時應對這些因素都加以考慮[7]。

3中國黃土磁化率影響因素

3.1源區(qū)(本底值)的區(qū)別

發(fā)育于不同類型母巖的風化-成壤成因表層土壤磁學性質(zhì)之間存在顯著差異，各磁化率參數(shù)與氣候條件參數(shù)之間的關(guān)系大不一樣，在大空間尺度進行磁學與氣候條件的關(guān)系研究時，必須充分考慮地質(zhì)背景與母巖類型的差異。雖然沉積巖風化-成壤表層土壤頻率磁化率與年降水量和年均氣溫之間的顯著正相關(guān)關(guān)系與中國黃土高原地區(qū)黃土-古土壤序列的研究結(jié)果基本一致，但發(fā)育于花崗巖和玄武巖的表層土壤磁化率性質(zhì)與降水量和年均溫等氣候參數(shù)之間的關(guān)系則與中國黃土高原地區(qū)黃土-古土壤序列的研究結(jié)果大不相同．發(fā)育于花崗巖的表層土壤非磁滯剩磁磁化率與年降水量和年均溫間呈顯著負相關(guān)關(guān)系；而發(fā)育于玄武巖的表層土壤非磁滯剩磁磁化率與年降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。吉云平等對不同沉積類型的土壤的磁化率也做過研究，其研究結(jié)果表明，湖泊沉積、河流沉積、風沙沉積和南方紅土等的磁化率所受的影響因素也是有很大差異的。湖泊沉積物種磁化率的變化機制是和孢粉等指標相關(guān)的，河流沉積物與水動力條件和地貌條件等有著很密切的關(guān)系，風沙沉積中的沉積物粒度與磁化率相關(guān)，在指示風力和風向時可以有參考價值，而紅土由于形成過程復雜且經(jīng)受了多次的淋濾，其磁化率對古環(huán)境的指示意義是十分有限的。因此，被中國黃土-古土壤序列古土壤層磁化率普遍增強的被廣泛認可的“成壤模式”機制不一定適用于大空間尺度的其他氣候區(qū)域[8]，而應共同考慮多種影響因素做以綜合分析。

3.2成壤作用的影響

1990年，周立平等通過對古土壤中大量超順磁物質(zhì)的研究，發(fā)現(xiàn)磁化率的增強受到了成壤作用的影響[9]，隨后，隨著各類研究的不斷深入，韓家懋等人的研究也證實古土壤中的鐵赤鐵礦等大部分強磁性礦物對古土壤磁化率增強具有重要影響[10]。

在我國中酸性巖地臺區(qū)發(fā)育的黃土，其物質(zhì)成分主要為鐵橄欖石、角閃石、黑云母等含鐵硅酸鹽。含鐵硅酸鹽中二價鐵會在溫暖潮濕的氣候下很容易被三價鐵所置換，其結(jié)果是逐漸形成強磁性礦物，從而對磁化率產(chǎn)生較大影響[1]。在西安的劉坡剖面的研究中可以發(fā)展，其古土壤中所含的全氧化鐵要比黃土高出好幾個等級，這也就說明，一些不穩(wěn)定礦物如含鐵硅酸鹽等會在成壤過程中,逐漸發(fā)生風化分解,二價鐵離子會被氧化成三價鐵離子，這種變化會隨著成壤作用的不斷增強而增強，而且成壤作用越強,磁化率也會隨著該分解轉(zhuǎn)化作用的增強而逐漸升高。

機械風化作用過程中是很難生成超順磁顆粒的，在古土壤中之所以能夠產(chǎn)生大量的超順磁顆粒，主要是歸因于成壤作用對其產(chǎn)生的影響[12]。超順磁顆粒產(chǎn)生的原因是在成壤作用的過程中，一些生物和化學作用會導致一些不穩(wěn)定礦物之間產(chǎn)生相互作用而逐漸發(fā)生分解,形成強磁化礦物，導致磁化率的升高。在本文前面的磁化率機制中說過，磁鐵礦和磁赤鐵礦的含量和粒徑對磁化率大小起決定性因素。在成壤過程中，會在原地形成大量的強磁性以及超順磁性的磁鐵礦物,這些礦物會使得磁化率不斷變大。除此以外由于我國西北地區(qū)的黃土風成機制，導致黃土層中存在由風力輸入的磁源性礦物，這些磁源性礦物的粒徑變化較大，對土壤的磁化率也會產(chǎn)生較大影響。由此我們得出，黃土古土壤的磁化率與成壤作用是成正相關(guān)的。所以在研究磁化率與古氣候的變化時應考慮當?shù)赝寥赖某扇莱潭冗@一因素。

3.3有機質(zhì)的含量

當古土壤處于發(fā)育期時，其溫暖潮濕的氣候會促進植被生長，從而導致土壤中的有機質(zhì)含量增高。而當處于黃土發(fā)育期時，植被的稀少導致有機質(zhì)的含量也相對降低。所以磁化率大小是隨著有機質(zhì)含量的增高而增高，二者存在正相關(guān)性，也就是說有機質(zhì)含量的最高值應該對應于磁化率的“波峰”，相應的，其最高值則對應于磁化率的“波谷”[12]。

胡雪峰等曾對黃土高原的靈臺剖面做過研究，其結(jié)果表明,有機質(zhì)對土壤的磁化率有著較大的影響，它們之間之間存在非常顯著的正相關(guān)性。曹繼秀等[13]在對塬堡的黃土剖面進行研究時，也發(fā)現(xiàn)了這二者表現(xiàn)曲線之間的正相關(guān)性, 他們當時認為這應該是成壤作用的所導致的，后續(xù)研究則認為其可能與土壤中的有機質(zhì)含量有關(guān)。除此以外，還有研究表明，在細胞外的生物誘導作用和細胞內(nèi)的生物控制作用下，將三價鐵離子進行還原后，是可以以生物的形式合成磁鐵礦物的[14]，而且所合成的磁鐵礦物的絕大多數(shù)為超順磁礦物。堯德中等[15]認為, 在土體中所存在的細菌物質(zhì)、部分軟體動物、節(jié)肢動物甚至脊索動物都有可能在其體內(nèi)自發(fā)合成磁鐵礦。除此以外，一些化學因素也會對磁化率產(chǎn)生影響，如在巖石風化并形成土壤的過程中會形成一些無定形鐵，這些無定形鐵在老化為氧化鐵時,如果存在有機質(zhì)，則有可能轉(zhuǎn)化為磁赤鐵礦。但還存在一些有機質(zhì)，它們會阻礙磁性礦物的老化，因為有機質(zhì)會被吸附到無定形水合氧化鐵上，從而使得氧化鐵晶核的生長受到阻礙，導致無定形鐵很難老化為針鐵礦，進而導致針鐵礦、磁赤鐵礦向赤鐵礦的轉(zhuǎn)化。所以在研究磁化率與古氣候的變化時應考慮當?shù)赝寥乐杏袡C質(zhì)含量多少這一因素。

3.4細菌作用

目前的研究表明，存在多種細菌會促進強磁性礦物或者是富鐵性礦物形成。其原理有可能是在細菌的細胞內(nèi)部，存在著一些磁性顆粒，這些磁性顆粒恰好處于超順磁性與0.03 μm的單籌界限附近，從而導致在細菌內(nèi)部生成一些磁鐵礦和膠黃鐵礦，由于這些礦物的磁效率等級較高，這種由細菌所引起的礦化作用也被稱為生控礦化作用。除此以外，在細菌的代謝活動中，一些鐵的化合物被反復的氧化還原，導致這些鐵離子游離到細胞外部，并且在細胞外逐漸形成生物磁小體性的生物。相對于生控礦化作用，這種礦化作用受生物的影響要弱一些，所以也被稱為生導礦化作用。在陜西段家坡黃土-古土壤的研究中，研究者們對趨磁細菌的生物特性和地球化學特性進行了分析，其分析結(jié)果表明，帶有磁小體的趨磁細菌大量的存在與古土壤中，其含量要明顯高于黃土中的含量，這也強有力地證明了生物成因?qū)磐寥来呕实脑鰪姶嬖陲@著的作用[16]。

4結(jié)語

(1)磁化率是環(huán)境磁學研究中較為常用的指標之一，但是其解釋和意義較為復雜，不同的地區(qū)存在明顯的不同。

(2)土壤的磁化率大小主要受磁鐵礦、磁赤鐵礦的含量和粒徑大小等因素的影響，以往的研究對于土壤中磁性礦物性質(zhì)的影響主要歸因為氣候的干濕冷暖變化，但最新的研究表明磁化率還受控于多種復雜因素。

(3)土壤中磁鐵礦、磁赤鐵礦的含量和粒徑大小還受到源區(qū)的區(qū)別、成壤作用、有機質(zhì)含量和細菌作用等的影響。在使用磁化率解釋古氣候演化、指示第四紀地球氣候與環(huán)境變化時應持慎重態(tài)度，且應依據(jù)不同類型的沉積物特征及相應的磁化率指示意義等進行分析。

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[中圖分類號]P642.13+1

[文獻標識碼]B

[文章編號]1004-1184(2016)02-0228-03

[作者簡介]徐喬(1989-)，女，江蘇灌云人，在讀碩士研究生，主攻方向：礦物、巖石研究。

[收稿日期]2015-12-24