深时镁同位素风化指标的验证与新解释

沉积岩碎屑组分镁同位素被广泛应用于恢复深时大陆风化强度.现有深时镁同位素风化指标基于风化残余物镁同位素随化学风化强度提高的一阶段风化模式.但是,近期实验与现代风化剖面研究发现了优先利用轻镁同位素的次生黏土矿物,挑战了深时镁同位素指标的理论基础.本研究测试了华南地区晚古生代沉积岩与中国南海沉积物样品的矿物、元素与镁同位素组成.通过对比深时镁同位素风化指标与化学蚀变指数(CIA)、镁损失量和矿物组成等风化指标来验证深时镁同位素风化指标.结果表明,在较高风化强度下镁同位素随风化强度提高而降低,而在较低风化强度下镁同位素随风化强度的提高而增加.该结果表明在不同风化强度下存在不同的镁同位素行为,以往的一阶段镁同位素风化模式无法准确追踪大陆风化强度的变化.结合深时样品数据、现今风化剖面与实验研究,我们建立了三阶段的镁含量-镁同位素风化模型.在风化初期,原生矿物的溶解与次生黏土矿物的形成造成镁含量的快速降低与镁同位素轻微提高.转换阶段土壤底层绿泥石、蛭石等富镁黏土矿物大量生成造成镁含量和镁同位素的跃升.在进阶风化阶段中,具有较重镁同位素的富镁黏土矿物优先风化,造成镁含量与镁同位素的同步降低.     

中始新世晚期以来东亚气候变化的渭河盆地黏土矿物记录

获得新生代连续的东亚气候变化记录,是认识东亚气候变化和季风起源、演化及其驱动机制的关键.文章基于渭河盆地连续的新生代河湖相沉积序列,开展黏土矿物含量及晶体参数研究,重建了中始新世晚期以来东亚气候变化过程.结果表明,蒙皂石、伊利石是渭河盆地河湖相沉积物中的主要黏土矿物;伊利石结晶度、伊利石化学指数、蒙皂石与伊利石和绿泥石比例的阶段性降低,指示了在半干旱半湿润的气候背景下,中始新世晚期以来渭河流域化学风化阶段性减弱的特征.坡缕石的形成可能受到成岩作用影响,相应时期流域风化导致的蒙皂石含量和伊利石结晶度实际可能更高.以上结果表明,中始新世晚期到上新世渭河盆地可能处于一个相对暖湿的气候条件.随着新生代全球温度降低和渭河盆地沉积物的不断加积,渭河盆地的化学风化强度阶段性减弱,东亚季风气候阶段性演化并在第四纪变干.黏土矿物的证据还表明,渭河盆地晚始新世到渐新世气候变干,可能是对全球变冷事件(EOT转型)的响应.     

风化过程中铼和硒的活动性及其对化石有机碳风化的指示

化石有机碳风化是地质时间尺度上重要的碳源,对全球碳循环和气候变化具有重要影响,但如何量化一直是个挑战.河水铼(Re)含量的变化被认为具有示踪流域化石有机碳风化强度的潜力,然而Re的来源及其与化石有机碳风化之间的关系还知之甚少.为了更好地认识这一指标的有效性,本文选择重庆市城口县下寒武统水井沱组页岩风化剖面为研究对象,通过元素含量、逐级提取实验等分析,探讨页岩风化序列中Re和硒(Se)的活动性及其与化石有机碳风化的关系.结果表明,化学蚀变指数(CIA)从基岩到风化层逐步升高,指示增强的风化强度.根据逐级提取实验和质量迁移系数(τ)的变化发现,页岩中的Re和Se主要赋存于有机质相,风化过程中与化石有机碳同步流失,而与页岩中的硫化物矿物氧化无明显相关;风化过程中Re和Se不同的地球化学行为导致其与化石有机碳非等量流失.本研究支持Re作为示踪化石有机碳风化的指标,而Se是示踪化石有机碳风化的潜在指标.未来需要不同类型沉积岩剖面与流域相结合的研究,明确河水Re和Se的来源及其与流域化石有机碳风化之间的关系.     

土壤-微生物-植物系统中矿物风化与元素循环

土壤是地球关键带的重要组成部分,土壤-植物系统是连接岩石圈、生物圈、大气圈和水圈的纽带.土壤作为地球上生物多样性最丰富的生境之一,在地球表层生物地球化学过程中担负重要的作用.本文主要从地球生物学的角度来探讨土壤生物在地球表层(风化壳)岩石矿物风化、物质转化与运输中的作用及其相关机制,包括土壤微生物对岩石矿物的风化,以及土壤-根系的相互作用和土壤-微生物-根系相互作用对岩石矿物风化的影响.     

锂同位素定量提取河流碎屑沉积物中大陆风化信号

化学风化调控全球表生物质循环及气候长期演化,但受沉积物粒径和再旋回等因素干扰,基于沉积物全岩地球化学组成的风化指标存在多解性,影响化学风化信号提取以及对风化过程和机制的深入理解.本研究分析长江入海悬浮物和表层沉积物的元素及锂同位素(δ7Li)组成,应用质量平衡模型定量提取当前大陆风化信号.研究揭示,长江口沉积物主要来自于流域基岩的侵蚀(比例60%),当前风化产物不超过40%;粗粒表层沉积物中未风化火成岩碎屑含量占63～84%,当前风化产物仅占4～18%;而细粒悬浮物主要源自流域剥蚀的页岩(占52～66%),当前风化产物约占21～40%.对比沉积物不同组分比例与化学蚀变指数(CIA)和δ7Li值发现,大河流域的表生风化信号传递过程复杂,未风化火成岩岩屑含量越高,沉积物风化程度越低;受继承性风化产物(如页岩)的影响, CIA值越高或δ7Li值越低并不代表沉积物中当前风化产物越多,但细粒沉积物更适合用来示踪流域风化过程.本研究深化了对沉积物化学风化指标包括Li同位素组成的解读,对大河流域的风化过程和物质循环研究有借鉴意义.     

花岗岩化学风化过程中的Sr同位素演化——矿物相对风化速率的影响

对江西南部黑云母花岗岩和花岗斑岩风化剖面中Sr同位素体系的研究结果显示,花岗岩化学风化过程中,Rb,Sr之间发生明显分异,风化早期释放出的Sr/Si,Sr/Ca比值大于母岩值,Sr的淋失速率大于Si,Ca,K,Rb等营养离子.主要含Sr(和Rb)矿物相对风化速率的动态变化,导致花岗岩风化壳及其释放出Sr的87Sr/86Sr比值随时间波动变化黑云母、斜长石和钾长石的先后风化,导致风化残余物的87Sr/86Sr比值历经下降-升高-下降的波动变化,最终趋于稳定.这进一步说明,当用锶同位素示踪流域和全球范围的生物地球化学过程时,必须慎重考虑Sr从溶解固相中的优先释放以及含Sr矿物相对风化速率的变化导致的87Sr/86Sr比值的波动.     

泥质沉积物和泥岩中有机质的赋存形式与富集机制

运用多学科的、系统的分析方法, 研究泥质沉积物和泥岩中有机质赋存形式与富集机制的差异性. 黏土粒级的有机碳和氯仿沥青A含量明显高于其他粒级, 说明黏土矿物对富集有机质具重要作用; 其中氯仿沥青A含量增加尤为显著, 表明黏土矿物富集的主要是可溶有机质. 热重(TG)和差热分析(DTA)结果显示, 有机质富集和赋存形式具明显的多样性, 除在黏土粒级中主要富集可溶有机质外, 在其他粒级中见大量的生物碎屑和无定形有机质的存在, 在DTA曲线上表现为多个放热峰的出现. 泥岩样经不同方法预处理后, 进行X射线衍射(XRD)和DTA分析. 在XRD曲线上黏土矿物层间距随温度变化, DTA曲线上的有机质放热峰也随温度变化. 在350℃附近黏土矿物层间距与有机质放热峰的变化具有一致性, 且极其稳定, 这是有机质进入黏土矿物层间形成有机黏土复合体的显著特征. 由此可见, 有机质与黏土矿物结合并不完全是简单的表面吸附, 部分有机质进入到黏土矿物的层间, 形成非常稳定的有机质黏土复合体. 有机质在沉积物和泥岩中的保存形式和富集机制的研究对于深入理解全球碳循环过程和通量, 以及评价有机质的生烃过程具有重要意义.     

2002年春季北京特大沙尘暴颗粒的矿物组成分析

应用X射线衍射(XRD)和带能谱的场发射扫描电镜(FESEM-EDX)对在北京2002年3月20日收集的一次特大亚洲沙尘暴样品进行了分析, 获得了矿物组成及粒度分布信息. 结果表明, 此次沙尘暴颗粒中矿物颗粒达94%. XRD半定量分析显示, 沙尘暴颗粒的矿物组成主要有黏土(40.3%)和石英(19.5%), 其次有方解石、斜长石、钾长石、赤铁矿、黄铁矿、角闪石和石膏, 但其含量都小于10%. 分离出的黏土组分中伊/蒙混层矿物占78%、伊利石9%、高岭石6%、绿泥石7%. FESEM-EDX分析除了检测到那些主要类型矿物外, 还检测出痕量的白云石、黄铁矿、盐类矿物芒硝、重矿物、金红石、钛铁矿和磷灰石等矿物. 此次亚洲沙尘暴颗粒和非洲撒哈拉大沙漠的沙尘羽颗粒的矿物类型相似, 但是黏土矿物组成有很大的差别, 前者以伊/蒙混层矿物为主, 后者以伊利石为主.     

植物根系控制黄土土层风化淋溶机制的初步研究

植物群落根系对土壤元素迁移和矿物的风化淋溶具有显著影响. 从描述黄土土层地球化学环境场分异的特征出发, 用原状土柱淋滤实验装置、根系大型挖掘剖面壁法及多元统计学方法, 对陕北黄土丘陵沟壑区植物根系改善土壤环境场效应与土壤风化淋溶速率强化值的关系进行了综合定量研究. 研究结果表明, 植物根系对土壤环境的改善效应主要受有效根(≤1 mm)密度和根量控制, 主成分分析结果表明植物根系对土壤物理性质改善效应大于对土壤化学性质改善效应, 根系控制土壤风化淋溶的主导因素依次是: 根系提高土壤渗透力、增加土壤生物活性物质及稳定土层结构的动力学性质. 在对不同植物根系影响土壤中化学元素迁移和矿物风化速率主导因素综合定量研究的基础上建立了数学模型, 此数学模型将有助于阐明林草群落根系控制土壤风化淋溶作用的生物动力机制, 也可用于林草地对有关变量进行定量评价.     

广西平果上二叠统合山组关键金属锂和铌的超常富集与成因

广西平果上二叠统合山组关键金属锂和铌超常富集的现象被首次发现,底部铝土矿层Nb_2O_5=0.02～0.04wt.%(平均0.035wt.%),上覆黏土岩层Li_2O=0.06～1.05wt.%(平均0.44wt.%),均超过独立锂矿和铌矿的边界品位,找矿潜力巨大.本文初步探讨其成因,以期对其他地区黏土型和沉积型锂、铌资源的研究、评价与找矿预测提供参考.研究获得以下认识:(1)铝土矿中含大量锐钛矿且与全岩TiO_2和Nb含量呈显著正相关关系,指示Nb主要赋存于锐钛矿中;(2)黏土岩中锂绿泥石的大量存在及与全岩Li含量呈显著正相关关系指示锂绿泥石是Li的主要载体矿物,且锂绿泥石可能为成岩过程中由叶腊石、伊利石等黏土矿物与富Li、Mg滨海浅层地下卤水或孔隙水/地下水反应形成;(3)不活动元素Al、Ti、Nb、Ta、Zr、Hf及REE物源示踪研究显示富Nb铝土矿及上覆富Li黏土岩的物源发生了突变,铝土矿及Nb的物源主要来自ELIP相关碱性长英质岩类,而黏土岩则主要来自古特提斯二叠纪岩浆弧相关过铝质或中等分异酸性岩.     

太行东麓Z区页岩黏土矿物和石英含量预测方法研究

为了做好太行东麓Z区页岩气储层测井评价工作,针对页岩主要矿物成分含量计算需求,本文在文献调研基础上,梳理了页岩主要矿物成分含量的一般计算方法,针对研究区常规测井资料实际开展了测井资料归一化工作,遵循岩心刻度测井的原则开展了岩心矿物含量测试数据与测井曲线敏感性分析,选择敏感测井曲线开展岩心主要矿物含量测井预测模型建模,进而利用所建模型在研究区开展了黏土矿物及石英含量预测.研究表明,页岩矿物含量计算一般包括"三孔隙度"测井、自然伽马能谱测井法、元素俘获能谱测井法等,其计算精度依次提高;煤田测井资料"归一化"预处理可以有效解决测井资料一致性问题;本区山西组自然电位、自然伽马、侧向电阻率对泥页岩黏土矿物含量敏感性好,声波时差、自然电位、侧向电阻率对石英含量敏感性好;基于多元回归分析建立了Z区山西组泥页岩黏土矿物及石英含量计算模型,其计算结果与X-衍射实验分数据对比表明,黏土矿物含量计算结果标准误差小于7.8%,石英含量计算结果误差小于9.6%,证明该计算方法对于研究区黏土矿物及石英含量计算效果明显.此外,研究结果表明,Z区石英含量从研究区西北部向东南部逐渐增加,黏土矿物含量从东南部向西北部增加,局部存在差异.     

闽西晚白垩世红层的古环境探究

中国东南地区白垩纪红层通常被认为是陆相红色碎屑沉积物,是河流湖泊相沉积,但其古环境存在争论.本文以闽西晚白垩世红层为研究对象,利用环境磁学、粒度、地球化学、古土壤分析等方法,选取连城(LC)和冠豸山(GZS)两个剖面,分析探讨红层的古环境.结果显示:(1)闽西红层主要以细的粉砂颗粒为主,黏土和砂含量较少,表现为粉砂和砂互层,夹有薄层细粒砂砾层;样品磁化率偏低,主要载磁矿物为硬磁性矿物赤铁矿.(2)闽西红层有较高的风化程度,是暖湿气候下的中等风化程度;轻重稀土元素分异明显,Ce元素富集,Eu元素相对亏损,与上地壳(UCC)的分配模式相似,表明沉积物经历了充分混合,物质为混合沉积产物.(3)闽西红层虽然发育了一定的古土壤,但是成壤程度不强,没有明显的古土壤粘化层(Bt)和钙积层(Bk).由此推断,闽西红层沉积物在沉积前已在源区经过相当程度的风化过程,之后经过混合动力搬运沉积在盆地,沉积后风化成壤弱.可见,红层本身并不能直接反映沉积区环境,需结合古土壤发育特征判断沉积环境特征和变化.(4)闽西晚白垩世红层表现为相对干旱半干旱的古环境,红层中主要的着色矿物赤铁矿主要形成于源区,反映了地表透水性良好的干燥氧化条件,而不是"水成"环境.本文可为白垩纪红层古环境研究提供新的思路.     

粤东五华河流域的化学风化与CO2吸收

基于对粤东五华河干流和支流水体的物理、化学组成测试数据,应用质量平衡法和相关分析法探讨湿热山地丘陵地区岩石化学风化过程对大气CO₂的吸收.结果表明:五华河水体的总溶解性固体含量(77.11 mg/L)接近于世界河流的平均值(65 mg/L);离子组成以Ca²⁺、Na⁺和HCO₃^-为主,可溶性Si次之.五华河流域化学径流组成主要源自硅酸盐矿物化学风化过程的贡献,碳酸盐矿物的贡献较少;大气和土壤CO₂是流域内岩石化学风化的主要侵蚀介质.与同一气候带其他河流相比较,五华河流域岩石化学风化过程对大气CO₂的吸收通量(2.14×105mol/(km²·a))较低,这主要是由于流域内缺乏碳酸盐岩所导致.     

珠江三角洲沉积物的岩石磁学性质及其环境意义

选取珠江三角洲区域位于广州番禺的PD钻孔进行沉积物岩石磁学和环境磁学记录的研究. 岩石磁学实验表明钻孔大部分沉积物以低矫顽力的磁铁矿类矿物为主要控磁矿物, 但仍存在少量铁硫化物. 在有机质丰富的灰黑色黏土沉积中, 铁硫化物含量增加, 成为影响沉积物磁性特征的主要矿物, 标志着海退后富含有机质而缺氧的沼泽环境. 以赤铁矿和针铁矿类矿物为主要控磁矿物的花斑黏土, 表明了一个较长时期的暴露风化过程, 代表着沉积间断. 在以磁铁矿类矿物作为主要载磁矿物的沉积物中, 磁铁矿浓度及粒度的变化主导磁化率(κ)、饱和等温剩磁(SIRM)等环境磁学参数的变化, SIRM/κ 和χ_arm/SIRM的大小旋回响应于海平面的升-降过程, 它们的高值反映了磁性矿物粒度变细、海平面上升. 在沉积学分析的基础上, 根据环境磁学参数截然不同的变化规律, 结合微体古生物数据, 将珠江三角洲沉积物代表的环境分为两次显著的海平面上升－下降旋回, 晚更新世和全新世的海侵又包含若干个比较明显的次级海平面波动过程.     

陕西洛川黄土化学风化程度的地球化学研究

通过对陕西洛川黄土-古土壤剖面中常量元素、微量元素和REE的分析,采用以Al为标准的变化率参数计算方法对黄土高原化学风化程度进行了初步研究.结果表明在风化成壤过程中,黄土中绝大多数元素都保持稳定,活动性元素仅有Ca,Sr,P,Mg和Na;化学风化处在去Ca,Na风化阶段;化学风化的主要方式是碳酸盐溶解.黄土弱化学风化特征是黄土高原第四纪以来长期受干冷型气候控制的反映.     

黏性土中结合水测定及影响因素分析

土中结合水是形成黏性土的物理、化学、力学等性质的重要因素。通过对一系列人工混合黏性土和2种天然红黏土进行比表面积测试和等温吸附试验,确定各类黏性土的比表面积和土中不同结合水类型及含量,在此基础上探讨黏性土中结合水与矿物成分、比表面积等影响因素之间的定量关系。研究结果表明：(1)黏性土的比表面积与黏土矿物含量线性正相关;(2)等温吸附法中,相对湿度RH=0.90和0.98分别为黏性土中强结合水、弱结合水、自由水的界限划分点;(3)相同矿物成分的混合黏性土吸附结合水含量随蒙脱土含量、比表面积的增加而递增,大致呈线性关系;(4)天然红黏土的吸附结合水含量与其矿物成分总量、比表面积具有正相关关系,黏土矿物含量是最根本的影响因素。     

泸沽湖近代沉积环境时空变化特征及原因分析

通过对泸沽湖沉积岩芯粒度、磁化率(χ_(lf))、化学蚀变指数(CIA)等沉积指标的分析,结合~(210)Pb和~(137)Cs定年结果以及区域降水和人类活动等资料,研究了近150年来泸沽湖沉积环境的时空变化特征与主要影响因素.泸沽湖沉积物粒度组成以黏土与细粉砂为主(80%),细颗粒组分(如黏土)含量与χ_(lf)、CIA之间具有显著相关性.各岩芯沉积指标垂向变化规律相似,1920s之前,沉积指标较为稳定,为人类活动影响较弱的准自然沉积阶段;1920s以来,χ_(lf)、CIA值与黏土含量逐渐升高,反映了风化与成壤作用较强的细颗粒表土物质侵蚀开始加强,可能与流域农业发展及森林砍伐等人类活动影响有关;约1970年以来,χ_(lf)、CIA值与黏土含量进一步升高,指示了流域内表土侵蚀与上述人类活动影响的进一步增强,与文献记录的1970s—1980s两次大规模的森林砍伐吻合;约2002年以来,χ_(lf)、CIA值与黏土含量降低,反映了表土侵蚀减弱,与近年来流域植被逐渐恢复及降水减少有关.与器测资料对比研究表明,降水等气候因素对近代泸沽湖沉积环境演变的影响相对较弱.空间上,各沉积指标表现出一定的异质性.黏土含量在南部和北部湖区两侧靠近洪积扇及冲积平原的湖区沉积物中较高;近50年以来,各沉积岩芯所反映的平均沉积通量为0.020~0.043 g/(cm~2·a),南部湖区高于北部湖区,主要受入湖水系分布及流域南部地区高强度人类活动导致的土壤侵蚀的影响.     

龙门山灌县—安县断裂带断层泥低磁化率的矿物、化学响应和蠕滑作用环境

断层带内的流体不仅可以通过水岩反应改变断裂岩的矿物组成和化学成分,从而导致化学性质和物理性质的变化,而且可以影响或控制断裂带的变形行为.断裂带中岩石磁学特征是由特定化学环境下磁性矿物的种类和含量所决定的,因此,从矿物学和地球化学角度探讨断裂岩的磁性变化,对揭示断层的变形行为和环境具有一定的指示作用.本文以汶川科钻WFSD-3P钻孔中龙门山灌县—安县断裂带断裂岩为研究对象,运用高分辨率磁化率测试、XRD矿物成分半定量分析、XRF元素扫描以及不同价态Fe元素含量分析等多种方法开展断层磁学变化和变形环境的研究.磁化率测试结果表明灌县—安县断裂带断层泥的磁化率值普遍低于对应的围岩磁化率平均值.结合前人研究成果表明造成该断层泥低磁化率异常的原因是在间震期的长期流体作用下,铁磁性矿物（例如磁铁矿）转变成顺磁性矿物（铁硫化物、菱铁矿或含铁的黏土矿物）.新生铁硫化物和含铁黏土矿物是在间震期缓慢形成的,而黏土矿物含量的增加弱化了断层强度,促进断层蠕滑,这说明断层泥低磁化率异常可能指示了该断裂在间震期长期缓慢活动,即为蠕滑变形.断层泥中黄铁矿的发育和高Fe²⁺和S元素、低Fe³⁺的特征显示灌县—安县断裂作用环境通常是在低温、还原环境中进行的.这些结果与低磁化率值的相关性暗示断层泥低磁化率异常可能对活动断层的低温还原环境具有指示意义.     

西宁盆地始新世河湖相沉积序列黏土矿物组合特征及其古环境意义

始新世是全球气候从"温室"转化为"冰室"的一个重要时期,亚洲内陆在该时期发生了青藏高原隆升、副特提斯海海退等重大地质事件.位于青藏高原东北缘的西宁盆地具有连续完整的始新世河湖相沉积地层,以红色泥岩夹石膏层为主,记录了该时期的气候变化.本研究采用X射线衍射仪(XRD)对西宁盆地西箕沟剖面始新世河湖相沉积样品进行全岩及黏土矿物定性、半定量分析,以获取青藏高原东北缘及亚洲内陆地区始新世时期的古气候变化特征.为了有效解决目前通用的黏土矿物提取方法难以从石膏层中提取足量黏土的问题,引入一种新的黏土矿物提取方法.结果表明,西宁盆地始新世样品中主要矿物为石英、长石、方解石、白云石以及石膏;黏土矿物为伊利石、绿泥石及蒙脱石(含伊蒙混层矿物(I/S)).黏土矿物相对含量变化表明,始新世时期西宁盆地古气候在较为干旱的背景下经历了三次相对湿润的时段:52～50、41.5～39、35～34Ma.通过与同时期的深海氧同位素记录、副特提斯海海侵-海退事件以及青藏高原隆升等进行对比分析发现,西宁盆地始新世古气候主要受控于全球气候变化.     

致密储层岩石应力各向异性与材料各向异性的实验研究

本文在实验室中对四组来自不同地区的致密砂岩和页岩的波速和波速各向异性开展了研究.结合扫描电镜分析和波速应力敏感性测试,分析了引起致密砂岩和页岩各向异性的主要影响因素及规律.研究结果:(1)层理和微裂隙是引起致密砂岩各向异性的主要影响因素,而页岩的各向异性主要由定向发育的矿物成分导致,本研究中所用的致密砂岩各向异性强于页岩的各向异性.(2)平行地层方向的岩石波速高于垂直地层方向的岩石波速,超声波速随着应力增加而增加(3)波速各向异性随应力的变化分为两阶段,第一阶段随应力增加而减弱的应力各向异性,与定向排列的微裂隙相关.第二阶段随应力不再发生变化的材料各向异性,与基质中的矿物成分相关.(4)利用体积应变获得的裂隙孔隙度,以及矿物成分含量验证了这两类各向异性,应力各向异性与裂隙密度成正比,材料各向异性与黏土矿物含量线性相关.(5)根据波速各向异性随应力变化的两阶段,可以定量区分裂隙和基质(矿物)对岩石各向异性的影响,研究结果对体积压裂的裂缝扩展具有重要的意义.