成土体系中新生的矿物学风化指标探析

        摘要：地球表层的土壤沉积物记录了第四纪以来与气候、环境、人类等有关的地球演化信息, 是重要的研究过去历史的载体.成土体系中土壤的诸多特性都与成土期的气候环境信息息息相关, 通过地质学研究方法可以提取某些特性并作为反演风化强度以及古气候的风化指标, 即古气候替代指标.重点讨论了成土体系中新生的矿物学风化指标——粘土矿物与铁矿物的表征意义、研究方法与实例分析, 并评述了其在反演气候方面的优势与局限性.成土作用中新生的粘土矿物直接受成土期盛行的环境与气候条件的影响, 所以其组成、粒度、含量、结晶度等矿物学特征充分记录了成土期的气候与环境信息.另外, 成土体系中也会新生成部分铁矿物.自生的铁矿物是反映成土期的湿度条件、温度范围的有效指标, 因此对当时的气候演化历史也有很好的指示意义.粘土矿物与铁矿物在一定的条件下都可以作为独立的重建古气候的替代指标, 但是在使用时要充分考虑研究区域的地质背景、物源供给、气候类型、风化条件等客观局限对这些风化指标的制约.另外, 对于区域内风化程度及古气候的重建, 通常多指标结合对比的方法更为可靠.

　　关键词：成土作用; 化学风化; 粘土矿物; 铁矿物; 第四纪气候; 矿物学;：

　　引言

　　硅酸盐的化学风化过程直接影响着成土作用并控制着地表的演化过程 (Gislason et al., 2009;Dixon et al., 2016) , 而长尺度的碳循环与全球气候变化也处于成土作用中的剥蚀与风化过程的潜在调控中 (Eiriksdottir et al., 2013) .因此, 评估控制成土风化过程中的因素对于更好地理解地球演化进程至关重要.复杂的成土过程受控于气候主导下的温度与降水变化, 经过漫长的地质时间积累后, 会在地表广泛堆积成土作用的最终产物———土壤 (Dixon et al., 2009) .不同区域、气候特点下的土壤具有相异的特性:不同的颜色、粒度、矿物组成等, 这些因素往往可以提取并作为反演风化强度与气候改变的替代指标 (Sheldon and Tabor, 2009) .

　　目前我们在地表所见的土壤堆积基本属于第四纪以来成土作用的产物, 这些土壤中提出来的指标可以反映第四纪的相关信息, 例如气候演化、季风环流、环境变迁、构造隆升、古人类繁盛等诸多第四纪以来地球表面的生命脉动过程 (Sun et al., 2015a;Wang et al., 2015) .第四纪是地球演化最新的阶段, 也是改变全球面貌最重要的阶段.冰川数度盛衰, 构造趋于活跃, 人类与文明的诞生都发生在第四纪, 对第四纪气候演化的研究对于评估未来气候走势与环境发展有着极为重要的意义, 因此, 对成土体系中风化指标的提取与研究也同样重要.

　　成土体系中常见的可以刻画风化强度的指标有地球化学指标、粒度指标、矿物学指标等 (Buggle et al., 2011;Stuut et al., 2014;Hong et al., 2015) .其中成土体系中新生的矿物学指标是此次研究评述的重点.本文详细阐述了成土体系中的自生矿物在表征气候中所扮演的角色, 系统总结了其在古气候重建中的研究方法、应用及意义.另外, 本文还详细探讨了自生矿物作为古气候替代指标的局限性, 并展望了光谱学分析自生矿物特征和应用于风化重建中的可能.

　　1 成土作用

　　土壤是由多种风化过程相互作用下形成的复杂的系统, 是存在于大气圈、生物圈、水圈与岩石圈连接处的多元化界面 (Dixon et al., 2009) .在此界面发生的母岩降解与土壤生成的作用称为成土作用, 成土作用发生的关键区域近年来受到更多的关注, 被称为“关键带”, 是岩石、空气、水与生命交汇的地方 (Brantley et al., 2007) .在此处, 物理、化学与生物风化相互作用, 互为影响, 形成能量源源不断的引擎将关键带的基岩不断地转换成土壤, 改造着地球表面的面貌, 此过程可以通过图1简单概括 (Anderson et al., 2004;Brantley et al., 2007;曾方明等, 2014;曾方明, 2016) .

　　1.1 风化条件下的成土过程

　　在缓慢的成土过程中, 地表母岩在不断的风化过程积累下, 组成岩石的矿物会逐渐降解, 不同的矿物风化降解的本质与速率首先是由矿物本身决定的.Goldich (1938) 在1938年就指出, 地表主要造岩矿物的风化敏感性与岩浆结晶顺序 (鲍文序列) 有直接的关系.所以橄榄石、辉石、角闪石等在岩浆冷却过程中先结晶形成的矿物在风化开始后会更易于崩解蚀变.另外, 在近几十年的研究中发现, 矿物的抗风化能力与其晶体结构与化学构成有直接的关系, 矿物晶体结构中的位错与缺陷, 以及矿物在微区化学成分上的不均一性等, 都为风化作用提供了绝佳的起始位置 (Blumet al., 1990;White and Brantley, 2003;Wilson, 2004) .

　　随着母岩矿物的不断降解, 成土体系内的元素组成也会随之改变 (图1) .可溶和易迁移的元素不断流失耗尽, 难溶和不易迁移的元素逐渐富集.因此, 土壤中的Na, K, Ca等离子会不断从成土体系中淋滤析出, 而较难溶的Mg, Fe, Al 等残余组分会相对富集 (Buggle et al., 2011;Jiang et al., 2016) .与此同时, 成土作用会进入矿物蚀变与新矿物生成的阶段.这个阶段内成土体系中颗粒粒度会不断减小, 并生成大量的粘土矿物、三水铝矿、铁矿物等次生矿物 (Chadwick and Chorover, 2001) , 此类新矿物的不断积累增加代表了成土作用进入了土壤生成的最终阶段.

　　1.2 气候条件对成土体系中矿物学的影响

　　风化过程作用下的成土作用受到很多因素的影响, 包括母岩、时间、地形、有机质和气候等 (Brady and Weil, 2004;Stockmann et al., 2011;图1) .其中气候变化起主要作用, 各个因素之间相互关联, 形成复杂的体系 (Jahn et al., 2001) .气候变化通过以下方面直接地影响土壤的生成: (1) 控制成土期繁盛的动植物群, 使土壤发生物理迁移与混合, 并改变土壤的酸度; (2) 通过控制土壤温度与含水量影响化学风化速率 (Dixon et al., 2009) .气候通过温度与降水影响成土过程的原理可阐述如下:首先, 温度主要通过改变风化速率来影响风化程度, 随着温度的上升, 风化程度会随之加强 (Sun et al., 2016a) .其次, 成土作用包含一系列的降解过程, 包括淋滤与淀积等迁移过程, 上述过程也可以被描述为流失/富集过程以及转变过程 (Simonson, 1959;Huggett, 1998) .淋滤-淀积过程的动力来自于降水频率与强度对岩石/土壤溶解力大小的影响, 不断增加的淋滤过程增加了硅的活性并加剧了风化程度.

　　图1 成土作用的影响因素、产物以及土壤形成的过程简图Fig.1 The influence factors and products of pedogenesis and the process of the soil development

　　据Brantley et al. (2007) 修改

　　在气候较为干燥寒冷, 年降水量较低的地区, 例如高纬度的极地地区, 化学与生物风化不明显, 通常以物理风化为主, 此时成土作用处于岩石崩解的最初阶段, 其产物通常为岩石碎片以及风成堆积等外来堆积物 (Lee et al., 2004) .此时的成土体系中以原岩的矿物为主, 次生矿物极少或者没有.但是在极其微弱的风化条件的不断积累下, 原始成土体系中的橄榄石、辉石、角闪石等暗色矿物部分崩解殆尽, 并产生微量新生的粘土矿物、铁矿物等, 原始岩层会出现数厘米的风化层 (Chevrier et al., 2006) .在气候适宜, 降水量增多的中纬度温带地区, 物理风化、化学风化与生物风化相互制约平衡, 成土作用进入由纯粹的物理岩石崩解到化学性的元素迁移并逐渐形成新生矿物的阶段 (Zhao et al., 2005) .成土体系中的颗粒开始变细, 暗色矿物基本瓦解消失, 矿物组成以伊利石、绿泥石等繁盛于弱化学风化条件下的粘土矿物以及石英、长石为主, 并开始出现部分磁赤铁矿等磁性矿物.而在亚热带及热带, 气候湿润炎热, 年降水量充沛的中低纬度地区, 成土作用强烈且广泛, 风化壳的厚度可以到几米至二十几米 (Liu et al., 2017;Zhao et al., 2017) .高温以及潮湿的环境极大地促进了化学风化以及生物风化的进行, 这个时候的成土体系中的颗粒不断变得更细, 长石等原岩中的矿物基本消失, 仅剩少量粒度极细的石英.粘土矿物组合由以伊利石、绿泥石为主转变为以蒙脱石及高岭石族矿物为主, 并且粘土矿物的结晶度会变差 (Sheldon and Tabor, 2009) .铁矿物组合中以磁赤铁矿为代表的磁性矿物逐渐减少, 而赤铁矿占据了更大的比重 (Liu et al., 2017;Zhao et al., 2017) .另外, 在终年炎热多雨的地区, 成土体系中会出现大量三水铝矿, 也是化学风化到达最终的产物 (Lu et al., 2015) .