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.     

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.     

小冰期弱化学风化的湖泊沉积记录

封闭湖泊沉积物的低Sr含量、低磁化率和高Rb/Sr比记录了单一湖泊流域在以冷干为特征的小冰期气候环境下经历的弱化学风化过程. 由于Rb, Sr在表生环境下不同的地球化学行为, 内陆湖泊沉积物中Rb/Sr比值是沉积记录中具有明确气候意义的有效指标. 与热带气候和现代温湿环境下化学风化受降水控制不同, 湖泊沉积岩芯的磁化率、Sr含量与冰芯δ18O一致的变化趋势揭示了小冰期最盛期极弱的化学风化过程是受气温控制的. 而随着气温的升高, 化学风化强度逐渐受降水的制约.     

白云岩风化剖面的元素地球化学特征及其对上陆壳平均化学组成的意义--以黔北新蒲剖面为例

选择黔北岩溶山地垄岗之上的一个白云岩风化剖面 ,通过元素在剖面演化中的地球化学行为研究 ,建议白云岩就位风化作用可分为两个阶段 :白云岩淋溶残积过程和残积土的演化过程 ;以Al为参比元素 ,获得剖面微量元素中以Ni,Cr,Mo ,W ,Ti为最不活化元素 ;稀土元素在白云岩风化中的地球化学行为与它在别的岩类的化学风化过程中的行为相似 ,同时发现稀土元素之间存在着分异 ;发现了两个稀土元素及其微量元素的富集层 ,推断是由于剖面演化中的环境变化 ,导致风化前缘的下移 ,从而形成两个富集层叠置 .认为白云岩风化剖面中风化程度较强的上部样品的元素含量可代表白云岩形成时区域上陆壳组成的活化元素 ;而不活化元素可用风化程度较低的下部样品的元素含量表示 .同时认为化学沉积的碳酸盐岩中的“不溶物” ,与冰碛物 ,黄土等沉积物一样 ,可提供上陆壳的平均化学组成成分 .     

塔吉克斯坦黄土的化学风化历史及古气候意义

对塔吉克斯坦南部Chashmanigar黄土剖面进行了主量元素和部分微量元素的含量测定, 并计算了各层古土壤相对于下伏黄土层的元素淋失状况和样品的风化强度. 根据一些对气候变化较为敏感的元素比值曲线, 我们发现Chashmanigar剖面中的各古土壤层均接受了程度不同的化学风化作用, 且风化强度高于黄土层, 从而表明塔吉克南部同中国黄土一样, 古土壤发育于相对温湿的间冰期. 此外, 塔吉克南部黄土0.9 Ma以前的总体风化强度高于0.9 Ma以后, 这可能意味着0.9 Ma以后的干旱化程度的进一步加强.     

马来半岛和婆罗洲北部的化学风化作用:来自河流表层沉积物的黏土矿物和元素地球化学记录

硅酸盐岩的风化产物通常可以有效地用于研究陆地表面发生的化学风化作用及其控制因素.选择位于东南亚热带地区的马来半岛和婆罗洲北部,通过分析其主要流域表层沉积物的黏土矿物和主要元素地球化学组成,开展热带地区化学风化及其控制因素的现代过程研究.结果显示,马来半岛的黏土矿物组合以高岭石(平均80%)为主,其次为伊利石(17%),...     

青海湖沉积碳酸盐矿物之间氧同位素分馏的评估及其环境意义

青海湖沉积岩芯的矿物学和稳定同位素研究结果显示自生碳酸盐矿物以单种或多种矿物形式保存在沉积物中;不同碳酸盐样品的δ18O值的变化范围为5.47‰至-1.04‰,差值最高达6.5‰;δ18O值与总碳酸盐含量呈正相关关系,与碳酸盐矿物种类的改变则无明显关联.结果表明,造成δ18O显著变化的主导因素是湖水氧同位素组成,自然条件下生成的不同碳酸盐之间的氧同位素分馏不明显.说明δ18O是指示闭流湖泊降水蒸发水量平衡变化的敏感指标之一.     

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.     

双组份裂缝岩石非线性有效应力模型研究

为认识黏土矿物和裂缝对岩石有效应力的影响,提出了双组份裂缝岩石椭圆模型.同时,将双组份裂缝岩石椭圆模型等效为共聚焦的椭圆岩石环与椭圆黏土环的叠加;基于复变函数和保角变换,分别得到了黏土环内椭圆长半轴和短半轴与压力间的关系式.进而结合椭圆孔渗透率计算式和岩石有效应力表达式,计算与分析了岩石孔隙度、黏土矿物含量、硬度比以及椭圆孔截面纵横比等参数对有效应力系数的影响.结果表明,当岩石中不含黏土矿物时,有效应力系数随纵横比的减小而增大,且小于1.0,这与Bernabé的观点一致.当岩石中含有易于压缩的黏土矿物,且纵横比为1.0（孔隙截面为圆形）时,有效应力系数随硬度比和黏土矿物含量的增大而增大,甚至远大于1.0,这与Al-Wardy等的研究结论一致;当纵横比小于1.0时,有效应力系数表现出了明显的非线性特征,随硬度比的增大而增大——甚至远大于1.0,而随黏土矿物含量的增大而减小,纵横比对有效应力系数的影响受黏土矿物含量大小的影响.易于压缩组分和裂缝的存在使得岩石有效应力系数变化特征更为复杂.     

不同气候条件下现代浅海沉积物钾同位素组成特征及其意义

钾(K)同位素是研究化学风化过程的一种新型示踪工具.前人已对特定气候区域条件下的风化剖面开展K同位素研究,但不同气候背景下的硅酸盐风化作用对K同位素的影响尚不清楚.此外,当前学界对现代浅海陆源碎屑沉积物的K同位素特征知之甚少.本文报道了中国东部沿海(ECC)陆架以及海南岛近海表层沉积物的K同位素组成.研究结果显示,ECC沉积物的δ⁴¹K值分馏范围相对较小,介于(-0.40±0.01)‰～(-0.57±0.04)‰,平均值为(-0.51±0.09)‰.相比之下,海南岛近海沉积物的δ⁴¹K值变化较大,范围为(-0.28±0.07)‰～(-0.67±0.02)‰.海南岛近海沉积物的δ⁴¹K值与化学蚀变指数(CIA)、Al/K比值、Ti/K比值和总铁(Fe T)含量呈现负相关,表明其K同位素组成主要受化学风化作用的控制.我们对这些样品开展了Mg同位素分析,值得一提的是,所有ECC和海南岛近海沉积物的δ²⁶Mg值变化较小(约0.24‰),且与化学风化指标无明显相关性.本研究揭示了沉积物K同位素变化与气候条件(...     

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.     

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.     

最近800ka洛川黄土剖面中Rb/Sr分布和古季风变迁

对洛川剖面中Rb和Sr分布规律的研究表明不同时代的黄土和古土壤中Rb和Sr分布特征存在明显差别 ,按Rb/Sr比值可以清晰地区别出剖面中的黄土层和古土壤层 ;在风化成壤过程中Rb是稳定组分 ,Sr是活动性组分 ,Rb/Sr比值的变化反映了风化成壤作用的强度 ,因而实际上记录了夏季风环流强度的大小 ;剖面中最近 80 0kaRb/Sr比值时间序列与SPECMAP十分吻合 ,揭示了全球冰量大小可能是控制夏季风环流强度变化的主要动力学因素 .     

西安东郊S5土壤中AgSO4等矿物的发现与研究

根据西安东郊任家坡黄土剖面中第5层古土壤样品的电子显微镜观察和能谱分析,在该层古土壤中发现了极少见的能够指示典型干旱气候环境的AgSO4矿物和钼矿物等.次生银矿物一般呈现椭球形结晶粒状形态,具有孔洞和裂隙化学沉淀结晶的特点,钼矿物具有胶体物质的特点.次生银矿物有两种类型,一是AgSO4矿物,二是氧化银矿物.次生银、钼和钴矿物与新生粘土矿物及Fe2O3和Al2O3的明显迁移指示该层土壤发育时经历了较为强烈的化学风化和矿物分解作用,银、钼和钴能够从原生矿物中释放出来,当时西安地区降水量丰富,达到了酸性化学风化阶段.在西安地区S5下部分层古土壤发育末期,出现了由温暖湿润季风气候向非季风干旱气候的大变化.在比CaSO4还易于溶解的AgSO4形成时期,关中平原为非季风干旱气候,强烈的蒸发造成了土壤水溶液中SO42的富集和AgSO4的形成.当时东亚夏季风活动极弱,一般不能越过秦岭到关中平原地区,那时西安地区年降水量为300mm以下,比现今兰州地区的气候还要冷干.     

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.     

塔里木盆地南缘8.5 ka以来的黄土岩石磁学特征及其磁化率变化机制

黄土岩石磁学参数是古气候研究中的重要指标,其中磁化率应用最为广泛,并在黄土高原地区取得重大进展,其受控于成壤作用的变化机制也被普遍接受.然而在黄土高原外缘的新疆地区,磁化率的变化机制仍不明确,导致磁化率的古气候意义在该区存在较大争议.本文选取塔里木盆地南缘具有精确年代控制的典型黄土剖面（羊场剖面）开展岩石磁学和高分辨率磁化率研究,利用交叉小波分析方法并结合剖面粒度、矿物及元素特征对该地区磁化率变化机制进行初步探讨.结果显示,羊场剖面的岩石磁学性质主要由粗颗粒软磁性矿物所控制,同时也表现出一定的顺磁性特征.根据载磁矿物和磁化率变化特征可将剖面进一步划分为两个阶段：阶段Ⅰ（8.5~2.5 ka）,载磁矿物以亚铁磁性的磁铁矿为主,磁化率值整体较高;阶段Ⅱ（2.5~0.2 ka）,亚铁磁性矿物依然占据主导地位,但硬磁性矿物和以黄铁矿为代表的顺磁性矿物相对增多,磁化率值显著降低.相关性研究和交叉小波分析表明：阶段Ⅰ磁化率与粗颗粒组分的变化具有一致性,符合"风速论"模式;阶段Ⅱ磁化率不仅与粗颗粒组分具有明显的正相关关系,而且与指示成壤作用强度的频率磁化率百分含量呈现出显著的负相关关系,暗示了阶段Ⅱ的磁化率变化可能受到"风速论"和"还原性成壤"模式的共同影响.本文拓宽了对新疆地区黄土岩石磁学特征及其磁化率变化机制的深入理解,也为利用磁化率恢复新疆及中亚地区全新世以来的古气候变化历史提供了新的线索.     

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.     

黄土风化过程的硼同位素地球化学研究

采用低硼高杂质离子样品硼同位素分析方法测定了黄土、古土壤样品中酸溶相硼含量及硼同位素组成. 洛川黄土S₀~S₂剖面酸溶相硼含量变化范围为(0.8 ~ 2.7)×10^-6, 其δ¹¹B值在-1.8 ~ +18.6‰之间变化, 多集中在0 ~ +10‰之间. 古土壤层的硼含量及δ¹¹B高于黄土层, 尤以S₁表现最显著. 引起剖面上酸溶相硼含量及δ¹¹B值变化的主要原因是化学风化作用和粘土吸附作用强度的变化. 气候条件变化所引起的风化作用强度的变化可能是酸溶相硼含量及δ¹¹B值发生变化的原因.     

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.     

毛乌素沙地风沙沉积物磁学特征及其古环境意义

在沙漠沉积环境中,成土作用对磁化率的贡献较小,往往被原生磁信号掩盖,因此分离两种磁组分对气候和粉尘代用指标的提取至关重要.本研究选取位于毛乌素沙地东缘的锦界风沙沉积剖面为研究对象,利用多变量一元线性回归中的"平均值概念"进行磁化率的原生碎屑组分0和次生成土组分Xpedo的分离,并探讨磁学参数所承载的气候和环境意义.结果显示,磁学比值参数(如Xpedo/X0、Xfd/HIRM、Xfd%和XARM/SIRM)彼此之间存在显著线性或指数/对数相关关系,它们对成土强度指示明确,可以在一定程度上减小或避免磁性矿物背景值差异所产生的误差,与磁化率相比更适宜用于该区的古降水量重建.HIRM主要由碎屑赤铁矿含量控制,HIRM与X0存在明显正相关关系,表明碎屑赤铁矿随原生磁性矿物总体含量的增加(减少)而增加(减少),在粉尘成因磁性矿物中所占比例大致稳定,从而HIRM可以指示源区粉尘通量的变化.锦界剖面的原生和次生磁性矿物浓度均明显低于黄土高原黄土,不同地层X0和Xpedo在磁化率中所占的比例存在较大差异,因此磁化率的环境意义比较复杂,在使用其恢复古气候古环境时需慎重.