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赣南地区网纹红土的形成及其环境变化研究

熊平生  
【摘要】:我国南方红土分布范围大致北起长江南岸,南到南海诸岛,东至台湾列岛,西抵川贵高原,集中分布在江西、湖南、浙江、福建、安徽、湖北、广东、海南等省,总面积约为200多万km2。随着全球变化研究的深入,有关红土的风化速率、发育年龄、成土过程、环境指示意义、磁化率意义、构造意义、区域对比等等一系列重要问题取得了重要进展。长期以来,红土科技工作者对南方网纹红土作了大量的研究,也取得了丰硕的成果,但是,因为南方气候湿热、雨水多,土壤侵蚀严重,加上红土相关研究技术不够成熟。迄今对网纹红土的沉积方式、发育年龄、发生层、是否能记录古气候变化等关键性科学问题还未统一认识。本文通过综合运用粒度分析、矿物成分分析、化学成分分析、磁化率分析、孢粉分析等手段,揭示赣南地区第四纪红土的沉积方式以及红土的成土过程。对比3个第四纪红土剖面ESR测年结果,推测赣南地区第四纪红土发育时期,结合硅迁移强度和时间关系数学模型,推测花岗岩红色风化壳的发育年龄。综合对比红土剖面孢粉环境指示、粒度环境指示、磁化率环境指示,揭示赣南地区第四纪红土沉积时期的环境变化。 在野外调查过程中,我们发现,赣南地区第四纪红土为非连续成片的堆积体,厚度多为4米左右,少数厚度为5米以上,不具备北方黄土成片堆积的分布特征。对比了2个红土剖面的化学成分分析结果,北方黄土和赣南地区第四纪红土在关键性的化学成分含量(CaO和Si02)相差很远。通过对三个第四纪红土剖面样品的粒度分析,结果表明,粗粉砂(10-50μm)平均含量分别为29.14%,30.80%,38.15%,风尘粒级组含量不突出(黄土一般大于50%)。综上三个方面,我们认为,赣南第四纪红土非风尘堆积。 运用粒度分析技术,对比分析了赣南地区第四纪红土和花岗岩红土,发现他们在粒度组合、粒度参数、频率曲线等方面有一定的差距。此外,运用X衍射技术对黄金(HJ)剖面第四纪红土和下覆砂页岩样品分别进行测试,发现第四纪红土样品与下覆砂页岩样品的图谱相差较远,矿物成分含量也不相同。我们认为,赣南第四纪红土非下覆母岩风化残积而成。 通过对赣南地区三个红士剖面的粒度分析显示,黄金(HJ)、沙河(SH)和当塘(DT)第四纪红土剖面砂粒(63gm)的平均含量分别为:19.78%,21.84%,12.16%;细粉砂(2-10μm)平均含量分别为29.43%,32.23%,30.59%。红土剖面粗颗粒含量较多,全剖面皆含大于2mmm的砾石颗粒,表现出冲积、洪积相特征。粒度参数判别式计算结果显示,三个剖面为流水沉积环境而成。三个第四纪红土剖面样品在粒度参数特征上表现出较好的一致性,推测他们具有相对一致的沉积环境和动力条件。此外,对黄金(HJ)第四纪红土剖面的孢粉分析发现,该红土剖面样品中发现了一些水生草本花粉和喜湿润环境的蕨类孢子。基于野外调研的基础上,我们发现,赣州市第四纪红土集中分布在章江、贡江和赣江河流两侧第二或第三级阶地上。综上分析,我们推测,赣南第四纪网纹红土系高处古土壤和古风化壳被流水冲刷而下在地势低洼处沉积而成,后来由于地壳抬升、河流下切,至今沿着河流分布在100-200m左右的红土坡岗丘陵上。 综合运用化学成分分析、磁化率分析等技术手段,对黄金(HJ)剖面、沙河(SH)剖面和田村(TC)剖面间隔20cm取样分析,研究表明,田村红土剖面常量常量元素Si、K、Ca、 Mg和Na在整个剖面基本上表现为淋溶迁移的特征,由下部往上表现出迁移程度逐渐增强的趋势。微量元素V、Cr和Mn的累积率多数处于0.2-0.5之间,属于中度累积,并且由下往上呈现逐渐增强的趋势。这些都说明了赣南地区红土在当前气候条件下仍进行着明显的脱硅和富铝化作用。研究发现,三个剖面红土层位的低频质量磁化率大小关系:红壤层均质红土层网纹红土层,第四纪红土低频质量磁化率平均值低于花岗岩红土。接近地表的样品同时出现了低频质量磁化率值反而较低,可能与赣南地区长期高温多雨的气候环境有关。研究还发现,三个剖面硅铝系数值、铝铁系数值由底部往上呈现逐渐递减的趋势,而铝铁硅系数曲线值由底部往上呈现递增的趋势,此外,(1μm)的粘粒百分含量曲线也有这样的变化趋势,综合反映了三个剖面风化程度由下往上逐渐增强的趋势,剖面曲线变化曲线锯齿状波动,说明风化程度也不是完全按照由底部往上正向递增的变化。 基于ESR测年技术,分别在黄金(HJ)、沙河(SH)和当塘(DT)红土剖面底部和顶部各取土样1个,测试结果显示,三个红土剖面测年数据相近似,大致处于80~120Ka.B.P.之间,属于晚更新世早期沉积物。基于赵其国院士硅迁移强度与时间关系数学模型,结合对赣南田村(TC)花岗岩红色风化壳剖面硅质迁移强度的计算,我们得出了红土发育年龄范围为80-360Ka.B.P.。剖面下部样品T45-T23发育年龄界于270~370Ka.B.P.之间,属于中更新世晚期(Q22)-中更新世早期(Q21)发育的红色风化壳,剖面上部样品T22-T1发育年龄处于80~220Ka.B.P.范围,除了样品TC-16属于中更新世晚期(Q22)发育外,其余样品年龄皆为晚更新世早期(Q31)。 运用孢粉分析技术,分析赣南地区花岗岩上覆红土表土样品3个、第四纪红土表土样3个和砂页岩上覆红土表土2个样。共鉴定出孢粉131种,统计有效孢粉2694粒。研究发现,研究区孢粉组合为乔木、灌木植物、草本植物、蕨类孢子,植被结构表现为乔木植物和蕨类植物的组合特点。孢粉组合中马尾松、罗汉松、青冈栎、里白蕨、圆羊齿和凤尾蕨等喜酸性、耐瘠薄性植物的孢粉含量较多,尤其是松科马尾松和蕨类植物的里白蕨对红土环境具有独特的适应能力。此外,研究区表土孢粉组合显示,现生植物中的绝大多数植物在孢粉组合中均有发现,其不同类型孢粉的比例关系与该区域内的现生植物情况大致相同,基本能反映出该区现生植物群落的特征。 我们对黄金(HJ)红土剖面网纹层每间隔20cm采样,经过孢粉测试分析,结合对比了该剖面的低频磁化率和Kd值曲线变化特征,我们发现,黄金剖面(HJ)网纹红土沉积时期经历了四个阶段的古气候变化:温暖偏湿—温暖湿润—温暖偏干—暖热偏湿,与全球变化大气候事件上的研究较为一致。对比了赣南地区网纹红土剖面孢粉和表土孢粉的组合情况,研究发现,黄金剖面木本花粉和草本花粉平均含量比表土孢粉略高,而蕨类孢子略低,此外,黄金剖面孢粉组合中含量较多喜湿润环境的蕨类花粉,而表土中相对较少。我们推断,网纹红土层沉积时期的气候比现代气候要略暖略热。


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