2011, Vol. 54
2. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062
2. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China
对我国黄土高原黄土-古土壤序列的研究表明，黄土地层磁化率与深海氧同位素具有很好的对比关系[1, 2]，北方黄土磁化率已被视为东亚夏季风强度的替代指标之一[3~5].有关北方黄土磁性特征的研究揭示，总体而言，间冰期温暖湿润的成土条件下，导致古土壤层中细颗粒的超顺磁和单畴亚铁磁性矿物生成，使得磁化率增强；而冰期堆积的黄土中的亚铁磁性矿物主要来自源区，且含量较低、颗粒较粗，因而黄土层具有较低的磁化率[6~9].但随着研究的深入，不少工作揭示北方黄土-古土壤磁化率与物源、气候、成土作用的关系较为复杂，单一的磁化率作为夏季风强度的定量代用指标存在局限性[10~11].尽管如此，对黄土进行多参数的的磁性特征分析，仍可以发挥岩石磁学、环境磁学在古气候和古环境重建中的作用[12~14].
在我国南方长江中下游地区，分布有风尘成因的第四纪红土，蕴含了该区域环境演化信息，不少研究从不同角度对红土的古气候意义进行了探讨[15~21].但有关红土磁性的研究主要集中在磁化率上，且对磁化率的古气候意义存在不同看法[18]，如最近的研究揭示，南方红土磁化率不具有古气候指示意义[22, 23].由于磁化率仅是反映土壤或沉积物磁学参数中的一个指标，因此，很有必要对南方红土开展多参数的磁学研究.本文以采自江西九江庐山北麓的九庐公路红土剖面(以下简称九江JL(Jiu-Lu)红土剖面)为例，拟通过详细的环境磁学研究，探讨磁性特征在揭示红土蕴含的古气候和古环境信息方面的价值.
2 剖面概况与样品测试 2.1 九江jL红土剖面概况JL 红土剖面位于江西省九江市庐山北麓的坡麓地带的九庐公路边，地理坐标29°42.034′N，116°01.702′E，剖面底部海拔82 m，属中亚热带季风气候，年均温16.7℃，年降水量约1300mm.该剖面厚度18.46m，自下而上存在易于辨别的8 个地层，其中，地层1、3、5 为棕红色网纹红土，地层2、4为紫红/紫褐色网纹红土，地层6、8为棕黄色土，地层7为浅红色古土壤，其中地层6~8 属于下蜀黄土[19, 24, 25](图 1).前人对该区域的古地磁测年结果表明，红土堆积于距今0.9~1.0 Ma左右[26, 27]，为更新世堆积.我们前期对该剖面开展了粒度、色度、地球化学等方面研究[19, 24, 25]，表明下部的网纹红土比上部下蜀黄土经历了更强的化学风化作用.
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图 1 九江JL红土剖面取样位置及其分层 Fig. 1 Location of red clay section JL at Jiujiang and its stratigraphic units |
九江JL 红土剖面按照20cm 间隔选取样品用于磁学测试，局部磁性变化剧烈的层次进行样品加密测试，共测量样品154个.
磁学测试在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室完成.低频(0.47kHz)磁化率(ΧΧlf)和高频(4.7kHz)磁化率(ΧΧhf)利用Bartington公司生产的MS-2型双频磁化率仪测定.非磁滞剩磁(ΧARM)和等温剩磁(IRM)利用D2000交变退磁仪、MMPM10脉冲磁化仪和Minispin旋转磁力仪完成.根据测量结果计算了质量磁化率(Χ)、频率磁化率(ΧΧfd，Χfd%=( Χlf- Χhf)/Χlf ×100)、饱和等温剩磁(SIRM =IRM1000mT)、硬剩磁(HIRM=(SIRM+IRM-300mT)/2)、非磁滞剩磁磁化率( ΧARM )等参数，以及比值ΧARM/Χ、ΧARM/ΧSIRM、SIRM/Χ，退磁参数S-100(S-100=IRM-100mT/SIRM )和S-300 (S-300 = IRM-300mT/SIRM).选取了典型样品，利用MMVFTB 进行了磁滞回线和热磁曲线分析.
Χ、SIRM、Χfd、ΧARM 等参数主要与磁性矿物含量有关. Χ一般被认为反映沉积物中磁性矿物含量[25]，饱和等温剩磁(SIRM)也是磁性矿物含量的度量，与磁化率不同的是，不受顺磁性和抗磁性矿物的影响. Χfd指示超顺磁(SP)与单畴(SD)颗粒界限附近的细黏滞性超顺磁颗粒(约0.02μm)对磁化率的贡献，HIRM 通常反映了样品不完整反铁磁性矿物的含量[28]，ΧARM/SIRM 常被用作指示磁性矿物颗粒的大小[29]，高值反映较细的单畴颗粒，低值指示较粗的多畴颗粒.S-100 和S-300 通常反映不完整反铁磁性矿物(如赤铁矿、针铁矿)和亚铁磁性矿物(如磁铁矿)的相对比例，它们的值随着不完整反铁磁性矿物比例的增加而下降[9].SIRM/Χ影响因素较为复杂，其中不完整反铁磁性矿物相对亚铁磁性矿物具有较高的比值，而SP 颗粒的存在则会导致SIRM/Χ的下降[30].
3 结果和讨论 3.1 磁性特征的垂向变化根据磁性特征的变化，自上而下，可将JL 红土剖面分为三段(图 2中的①②③)：第一段，0~5.18m，大体上对应于棕黄色土、古土壤(地层8~6)，属于下蜀黄土；第二段，5.18~15.20 m，对应于网纹红土中上部(5~l-2地层);第三段，15.20 m 至底部，对应网纹红土下部(l-3地层)(图 1).这一分段，与前期研究的各环境指标沿剖面变化划分出的三个大段相吻合[19].各段磁性特征如下：
第一段：Χ、SIRM、Χfd、和ΧARM 四个磁性特征参数具有基本一致的变化趋势，这是整个剖面中磁性最强的层次，但波动较大，存在两个显著的峰值层，磁化率最高值达146×10-8m3·kg-1，比邻近的低值(23×10-8m3·kg-1)高出约7 倍.即使如此，本段磁化率低值也普遍高于剖面其余部分的高值.Χ与Χfd和ΧARM 呈现显著的正相关(图 3(a~b))，说明SP和SD 颗粒是磁化率的主要载体，二者的相关性(图 3c)说明两种颗粒大小的亚铁磁性颗粒具有共生关系.HIRM 值在该段变化不大.S-100和S-300均处于高值，且变化趋势比较接近.S-300 普遍达到90%以上，说明磁性特征以亚铁磁性矿物为主导，且高低变化与磁化率的峰谷变化相似，即磁性增强的层次，亚铁磁性矿物的贡献较大.磁滞回线和热磁曲线表明磁铁矿为主要的亚铁磁性矿物(图 4(a~b)，图 5(a~b))，其中磁化率大的样品具有较低的矫顽力(图 4b)和明显的磁铁矿居里温度(图 5b)，而磁化率低的样品矫顽力较大(图 4a)，热磁曲线除了磁铁矿的居里温度外，还反映了高矫顽力组分存在的特征(图 5a). ΧARM/Χ、ΧARM/SIRM 也呈现磁化率高的层次具有较高的比值，反映磁性强的层次亚铁性矿物颗粒较细.SIRM/Χ的高低变化与磁化率的变化相反，可能反映了SP 颗粒的存在导致SIRM/Χ的减小.
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图 2 九江JL红土剖面磁性特征的垂向变化 Fig. 2 Magnetic properties of section JL at Jiujiang |
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图 3 九江JL红土剖面磁性参数之间的关系 Fig. 3 Relationships between magnetic parameters of section JL at Jiujiang |
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图 4 九江JL红土剖面典型样品的磁滞回线 Fig. 4 Magnetic hysteresis of selected samples from section JL at Jiujiang |
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图 5 九江JL红土剖面典型样品的热磁曲线，空气中加热，磁场为34mT，粗线为加热曲线，细线为冷却曲线 Fig. 5 Thermomagnetic curves of selected samples from section JL at Jiujiang. The samples are heated in air of 34 mT, with bold and thin lines representing heating and cooling curves, respectively |
第二段：所有参数呈现一定的波动但幅度较小.Χ、SIRM、Χfd和ΧARM 四个参数值较第一段相应参数值小，的最高值为33×10-8m3·kg-1，最低值为7×10-8m3·kg-1，平均值为20×10-8m3·kg-1 ，说明亚铁磁性颗粒含量显著减少.HIRM 和第一段较为接近. ΧARM/Χ、ΧARM/SIRM、S-100和S-300比第一段有所下降，说明磁性矿物颗粒变粗，亚铁磁性矿物的相对贡献下降.磁滞回线呈现较为显著的蜂腰型(图 4c)，热磁曲线显示了600 ℃左右的居里温度(图 5c).
第三段：本段沉积物Χ、SIRM、Χfd、和ΧARM 是整个剖面最低的层次，的最高值为15×10-8m3·kg-1，最低值为7×10-8m3·kg-1，平均值为11×10-8m3·kg-1.Χfd和ΧARM 为全剖面最低，但SIRM 和HIRM 具有较为相似的变化趋势，在本段中部取得最大值，特别是HIRM 明显比上部红土增强，说明反铁磁性矿物含量大幅上升，并导致SIRM 相应增强，由此导致SIRM/Χ显著增加，以及S比值的明显降低.磁滞回线显示了高矫顽力矿物的特征(图 4d)，JL060样品矫顽力达到50.9mT，剩磁矫顽力高达291mT.热磁曲线表明，本段磁性矿物的居里温度约为620℃(图 5d)，很可能反映了赤铁矿的存在，这一温度低于赤铁矿的奈耳温度，可能是同晶替代降低了奈耳温度所致.这一温度也与磁赤铁矿的居里温度变化区间吻合[31].九江红土的颜色，以及前人对我国南方红土的工作，都证实红土中赤铁矿和磁赤铁矿的存在[18, 26, 32].由于细颗粒亚铁磁性矿物含量很低，本段ΧARM/Χ、ΧARM/SIRM 也是剖面最低.
3.2 磁性特征的变化因素许多研究都证实九江地区的红土主要为风尘堆积[18, 24, 33, 34]，对于其物源，存在一定争议，一种观点认为是近源物质，如源于长江河漫滩[33]，另外一种观点认为是远源物质[24, 34].我们对九江红土的研究表明，红土粒度组成均一，且常量元素、稀土元素等地球化学组成变化不大，与我国北方黄土的成分较为相似，主要为远源物质堆积.不同层次颜色、结构和易迁移元素含量的变化，主要反映了风化成土作用的差异[18, 23~24, 32].因此，磁性特征的垂向变化主要不是由于物源变化造成的.
对北方黄土和下蜀黄土的研究表明，Χ，Χfd，ΧARM ，ΧARM/SIRM 峰值段以及SIRM/Χ低值段反映了样品中细颗粒(超顺磁和单畴)亚铁磁性矿物含量较高，并导致磁化率增强，代表成壤作用较强阶段，而谷值段对应亚铁磁性颗粒较粗的风尘黄土堆积，代表弱成壤作用阶段[32].九江JL 红土剖面第一段中至少存在两个磁化率的峰值层，且具有较高的SP和SD 颗粒含量，磁性特征为亚铁磁性矿物所主导，而相邻的低磁化率层次则是不完整反铁磁性矿物的贡献较大，磁性矿物颗粒较粗.因此其高磁化率层次反映了其间的相对较强的成壤阶段，与北方黄土和下蜀黄土上部地层的结果相似，其中图 4b的强磁性样品热磁曲线与下蜀黄土极为相似[26].这也从磁学角度证实了红土剖面上部的黄棕色土层与下蜀黄土的同源性.
对九江地区红土的已有研究表明，整个剖面由底部向上，风化强度呈现下降趋势，反映了中更新世以来气候总体向干、冷方向发展的大趋势[24, 34].但是风化最强的底部网纹红土具有最小的磁化率，相反风化最弱的上部棕黄色层中却具有高磁化率，说明磁化率不能反映整个剖面的风化作用强弱，北方黄土-古土壤序列揭示的高磁化率对应于温暖湿润气候的现象只适用于九江红土上部风化相对较弱的棕黄色土层.
北方黄土-古土壤以及现代表土的研究成果揭示，随着风化作用的增强，产生的SP 和SD 亚铁磁性颗粒增多，导致磁化率增强；但土壤磁性增强和气候并非简单的线性关系，当风化强度达到一定强度后，磁化率反而下降[35, 36].镇江大港下蜀黄土剖面底部风化最强的层次也有类似的现象[35].已有研究认为，网纹红土层磁化率的降低是由于滞水条件下磁铁矿或磁赤铁矿的溶解，磁化率变化反映了地下水波动的程度，而非成土作用的反映[22].但仅是地下水的波动尚不能解释网纹红土层极高的HIRM值.根据Liu等(2007)[37]定义的L-ratio，当L-ratio与HIRM 不存在相关性时，可认为后者反映了样品中赤铁矿、针铁矿的含量.我们利用HIRM300mT/HIRM100mT作为L-ratio的替代，可以看出JL 红土剖面中L-ratio 与HIRM 总体上存在一定的相关性(图 6);但就该剖面划分的三个磁性特征层次而言，上述相关性不显著，特别是网纹红土最发育的第三段.然而该段中HIRM 的变化至少反映了赤铁矿等含量的高低.根据对该剖面前期的游离氧化铁分析以及其他红土剖面的工作[22, 24, 34]，我们认为网纹红土层中HIRM 的高值，说明赤铁矿含量相比其他层次要高，尽管白色斑块指示了网纹红土铁的流失和转化过程，但铁的富集作用更为显著.这说明网纹红土是极端湿润气候的产物，当时降水充沛，排水良好，成土作用强烈，具有典型红壤的富铁特征[36, 38].在这样的条件下，前期成土过程中形成的亚铁磁性矿物，无论是磁铁矿，还是磁赤铁矿，在高温、通气的土壤条件下，最终都会形成赤铁矿这一稳定的氧化铁矿物[39~40].而高温和季节性干燥的土壤环境尤为适合赤铁矿的形成[41]，其中细小的SP 和SD 颗粒则更易转化.因此网纹红土的低磁化率和高HIRM值代表了风化成土的最强阶段.从图 4d可以看出，当Χ<20×10-8m3·kg-1时，S-300仍存在显著的波动，说明磁化率已不能反映成土作用的差异；反之，当Χ>40×10-8m3·kg-1时，由于亚铁磁性矿物的主导，尽管S-300波动较小，但磁化率的高低变化仍可以反映成土作用的差异.九江红土剖面的磁性特征变化说明，自底部的网纹红土向上部的下蜀黄土转变，磁性特征由赤铁矿主导向磁铁矿主导发生转变，反映了气候向干冷的转变，与基于地球化学等研究对南方红土得到的结论一致[16, 21, 24, 34].针对九江红土不同地层所经历的气候状况不同，应选用不同的磁性参数来揭示其蕴含的气候信息.
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图 6 九江 JL 红土剖面 HIRM 与 HIRM300mt/HIRM100mt (L-ratio[31]的替代）比值关系 Fig. 6 Relationship between HIRM and moditied L-ratio (HIRM300mt/HIRM100mt)[31] of section JL at Jiujiang |
通过对九江JL 红土剖面的研究可以看出，在红土剖面风化较弱的上段黄棕色层(相当于下蜀黄土)，磁化率随着成土作用的增强而增强，反映了成土过程中SP和SD 亚铁磁性颗粒导致的磁化率增加；但随着均质和网纹红土的发育，也即更为温暖湿润条件的强风化情况下，成土过程中次生氧化铁主要为不完整反铁磁性的赤铁矿，表现为磁化率下降，但硬剩磁显著增加和退磁参数S比值下降，这表明多个磁参数的综合测试，仍能提供南方红土风化成土作用的古环境信息.
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