辽宁地区古红土粘土矿物特征及其环境学意义.doc
收稿日期2008-03-18 基金项目教育部博士点基金(20040157007)和国家自然科学基金(40671079)资助 作者简介王秋兵(1962-),男,河北邢台人,教授,博士生导师,主要从事土壤地理学、 土地资源管理等方面的教学和科研工作。Emailqiubingwangsy@163.com 辽宁地区古红土粘土矿物特征及其环境学意义 王秋兵,王慧强,韩春兰,刘素花 (沈阳农业大学土地与环境学院,辽宁沈阳,110161) 摘要采用x射线衍射分析方法,对辽宁地区发育于不同母质上的古红土的粘土矿物特性进行了研究,结果表明辽宁各种母质发育的古红土的粘土矿物中都含有伊利石、1.4nm过渡矿物和高岭石,片麻岩和千枚岩发育古红土中还含有较多量的蛭石,第四纪水成沉积物发育的古红土中含有少量的蒙脱石。辽宁古红土粘土矿物的组成反映了不同于现代成土环境的古环境特征,现代的环境条件对古红土的某些性质已经产生了影响。在辽宁各种母质发育的古红土的粘土矿物组成中,1.4nm过渡矿物的地位比较突出,片麻岩发育的古红土的蛭石含量也很突出,有着不同于南方和黄土高原的特点。从土壤发育程度上讲,相似母质发育的辽宁古红土低于南方红壤,同黄土高原古土壤的发育程度基本相当。 关 键 词古红土;古环境;粘土矿物;辽宁地区 中图分类号S151;S153.6 文献标识码A 文章编号0564-3945(2008)04-0924-04 Vol.39,No.4Aug.,2008 土壤通报 ChineseJournalofSoilScience 第39卷第4期2008年8月 土壤是岩石母质经过长期的物理化学风化作用、生物风化作用就地形成,或碎屑物质通过地表水或风的搬运、迁移、沉积或沉降,再次进行风化作用和成土作用的结果。土壤的粘土矿物组成主要受成土母质、成土过程和成土环境的影响,不同的生物、气候条件下发育的土壤,其理化性质及矿物组成必然存在着差异。从土壤发生的角度来理解土壤的组成,原生矿物记载了土壤形成之前原始的母质特征,次生矿物则记载着土壤的形成轨迹。通过对土壤次生矿物特征的研究,可以揭示土壤的发生学特征、呈色机理、成土环境,反映土壤风化发育程度以及肥力水平(供钾能力),所以,土壤次生矿物的研究一直受到国内外土壤和环境工作者的关注。国内土壤次生矿物的研究主要集中于南方红壤分布地区和黄土高原地区,而在东北,尤其是对于东北地区古红土的次生矿物的研究还 比较薄弱。本文拟对辽宁地区古红土的粘土矿物特性加以分析研究。 1 材料与方法 1.1 样区概况 辽宁省零星分布有发育于不同母质上的古红土, 主要分布于山前山麓、山前丘陵、山前冰蚀洼地、夷平面、盆地边缘、高阶地等处,以辽西大凌河中游和大连市郊区最多。辽宁省发育的古红土,并非现代水热环境条件下形成,而是古土壤,是第四纪中更新世及其以前的产物。辽宁古红土的成土母质多样,有发育于第四纪松散沉积物上的,也有发育于古老的沉积岩、岩浆岩和变质岩风化壳上的[1]。本研究选取发育于四种不同母质上古红土的B层或AB层加以分析,采样时间为2005年7月。样点基本情况见表1。 表1样点基本情况 Table1Somebasicmopertiesofthesoilstested 样点号 SampleNo. 朝03葫01葫03东05 采样点位置 Samplinglocation朝阳市荒甸子建昌县药王庙绥中县宽邦镇孤山子宫家屯采样深度(cm) Depth50~11022~4284~10646~58 母质类型 Parentmaterial松散沉积物石灰岩片麻岩千枚岩 pH(H2O)8.257.496.305.49 粘粒(gkg-1)Clay475.2446.4113.3273.8颜色 Color2.5YR5/610R4/67.5YR7/67.5YR5/8 1.2研究方法 1.2.1样品处理和粘粒(<2μm)的提取将去掉粗有 机物和石块的土样在室内风干后过10目筛,用HCl去除CaCO3,用H2O2去除有机质,超声波法分散土样, 沉降分离法提取粘粒。 1.2.2土壤粘粒处理 土壤粘粒经DBC法去铁,分别 进行Mg2+饱和、Mg2+饱和加甘油、K+饱和、K+饱和加热(300℃和550℃)等处理后,制作载玻片晾干放于干燥器中待测。 1.2.3粘粒的X射线衍射分析本次分析由国土资 源部沈阳地质矿产研究所协助完成。分析所用X射线 衍射仪由德国布鲁克公司生产,型号为D8。测试条件 4期 Cu靶,管压40kV,管流40mA,扫描速度(2θ)每分钟为2,扫描范围为3~30 ,固体计数器。2 结果与讨论 2.1古红土的粘土矿物组成[2-10] 2.1.1 松散沉积物发育古红土的粘土矿物组成 图1 是发育于第四纪水成松散沉积物上的古红土的X射图谱。从图中可以看出,Mg饱和处理后1.4nm处的衍射峰很高,但经过加甘油处理后,峰值明显降低,而 1.7~1.8nm处的峰值则明显上升,说明含有蒙脱石;K 饱和处理后,1.4nm处的衍射峰主要收缩到1.0nm,同时,还在1.4~1.0nm间形成了一个宽的、向低角度扩散的峰,当加热到300℃时,1.4nm处的衍射峰全部消失,收缩至1.0nm,说明除了含有蒙脱石外,还含有少量的1.4nm过渡矿物,并说明蒙脱石由云母转变而来; 1.0nm、0.5nm和0.33nm处的衍射峰,各种处理后都依 然表现得很突出,说明有伊利石存在;0.7nm和0.36nm 两个衍射峰在各种饱和处理后基本保持不变,K饱和加热到550℃后消失,说明含有高岭石。所以,辽宁地区水成松散沉积物发育古红土的粘土矿物组成是伊利石-1.4nm过渡矿物-高岭石-蒙脱石型。 2.1.2石灰岩发育古红土的粘土矿物组成图2为 石灰岩发育古红土的粘土矿物的X射线衍射图谱。从图谱中可以看出,1.4nm处衍射峰在经过Mg饱和及甘油处理后,在1.8~2.3nm处出现一个宽散的衍射峰,说明土壤中含有一定量的蒙脱石矿物;根据经过K饱和并加热到550℃时,1.4nm衍射峰全部收缩到1.0nm处,可以判断出该土壤粘粒中不含绿泥石,1.4nm处是蒙脱石和1.4nm过渡矿物的混合;根据0.7nm和 0.35nm处衍射峰的变化情况,可以推知粘土矿物中含 有高岭石;图谱中1.0nm、0.5nm和0.33nm处的衍射峰,各种处理后的表现说明有伊利石存在。所以,辽宁地区石灰岩发育古红土的粘土矿物组成为伊利石- 1.4nm过渡矿物-高岭石型。 2.1.3片麻岩发育古红土的粘土矿物组成图3为片麻岩发育古红土粘粒矿物的X射线衍射图谱。从图谱中可以看出,1.4nm峰值的变化说明土壤中没有蒙 脱石,但含有一定量的蛭石和1.4nm过渡矿物。1.0nm、 0.5nm和0.33nm处的衍射峰,各种处理后的表现说明有伊利石存在;0.7nm和0.36nm两个衍射峰在各种饱和处理后基本保持不变,K饱和加热到550℃后全部 消失,说明含有高岭石。所以,辽宁地区片麻岩发育古红土的粘土矿物组成为蛭石-1.4nm过渡矿物-伊利石-高岭石型。 2.1.4千枚岩发育古红土的粘土矿物组成图4为 千枚岩发育古红土粘土矿物的X射线衍射图谱。从各种处理后1.4nm峰值的变化判断,土壤粘粒中没有蒙脱石和绿泥石,但含有一定量的蛭石和1.4nm过渡矿物;各种处理后,1.0nm、0.5nm和0.33nm处的衍射峰的表现说明有伊利石存在;0.7nm和0.36nm两个衍射峰在各种处理的表现说明含有高岭石。所以,辽宁地区千枚岩发育古红土的粘土矿物组成为伊利石-高岭石-蛭石-1.4nm过渡矿物型。 2.2辽宁古红土粘土矿物特征的环境学意义粘土矿物是在一定的气候环境条件下形成的,气 候环境不同,粘土矿物的种类和组合特征不同,可根据粘土矿物的含量和组合特征推知其形成时期的气候环境[11]。 蒙脱石在温带半湿润地区的土壤中含量比较高,它可以由水化云母去钾或绿泥石去镁形成,或由蛭石 图1第四纪水成散沉积物发育古红土粘粒X射线衍射图谱 Fig.1X-raydiffractionpatternsofsoilclaysmineralofPaleosolderivedfromQuaternaryaqueoglacialdeposition 图2石灰岩发育古红土粘粒矿物X射线衍射图谱 Fig.2X-raydiffractionpatternsofsoilclaysmineralofPaleosolderivedfrom Limestone 王秋兵等辽宁地区古红土粘土矿物特征及其环境学意义925 第39卷 土壤通报转化而来,也可以在水分充足的情况下由原生铝硅酸盐矿物直接分化而来。伊利石通常在干旱、半干旱地区的土壤中含量较高[12-13],主要是由多钾原生铝硅酸盐矿物在强物理风化、弱碱性和弱淋滤作用下风化而成,它比较稳定,风化程度较低,常作为干冷气候的标志[14]。 高岭石是在高温多雨的气候条件下,主要由长石在酸性介质作用下经过淋滤作用形成[11,15-16],也可以由蒙脱石转化而来,为风化程度极高的矿物,其存在反映了湿热的气候特征,可作为热带和亚热带土壤的指示矿物。蛭石大多产生于云母和水云母的进一步脱钾,是在微酸性和其中K、Mg离子淋失的条件下形成的,主要分布在温带、亚热带排水良好的土壤中,也可以由蒙脱石或绿泥石转变而来[12-13]。风化作用不十分强烈的土壤普遍含有蛭石或蛭石与云母或绿泥石形成的混层矿物,蛭石的存在是中等风化强度的一种标志。而混层粘土矿物大多数为转化过程中的中间产物,往往起着一种粘土矿物变化的指示作用。伊利石和绿泥石就可以从不规则混层中形成,吸附K+进入层间形成伊利石,吸附Mg2+进入层间则形成绿泥石。 由上述分析已知,辽宁地区四种母质发育的古红土的粘土矿物都含有伊利石、1.4nm过渡矿物和高岭石,其中,伊利石是一种比较稳定的粘土矿物,其分布地域比较广大,在高、低纬度带都可存在,是原生矿物初级风化的产物,而且在干旱、半干旱地区的土壤中含量较高,它的大量存在符合辽西地区现代的成土环境。高岭石是在高温多湿、少盐基、强酸性条件下形成的,它是华南红壤地带的代表性粘土矿物,中国北方现代的成土环境不具备高岭石的形成条件,因此,它在辽宁古红土中的存在,只能说明是古气候影响的残迹,反映了辽宁曾经有过高温多雨的气候环境。蛭石 是在微酸性和温带、亚热带排水良好的土壤中由绿泥石风化形成的,而1.4nm过渡矿物为蛭石和绿泥石转化过程中的中间产物,其形成条件主要是干湿交替、风化强烈、pH为5的酸性土壤[12],绿泥石去Mg2+形成蛭石。蛭石和1.4nm过渡矿物的存在是古土壤的又一遗留特征。供试的四种土壤的pH值在5.49~8.25之间,其中,片麻岩和千枚岩风化壳上发育的古红土仍然保持着微酸性,而松散沉积物和石灰岩母质上发育的古红土则呈中性至弱碱性,这是现代的干旱气候和被剥蚀掉的晚更新世黄土赋予的特征,是现代环境的影响造成。此外,水成松散沉积物发育古红土的粘土矿物组成中还有一定量的蒙脱石,它是在水分充足的条件下形成的,也是现在干旱条件下不能形成的产物,也是古环境的遗存。 据资料分析,杭州中更新统网纹红土以高岭石为主,其次为伊利石和蛭石,此外还伴有云母和蛭石的混层矿物[17];湘南第四纪红粘土的粘土矿物以高岭石为主,其次是1.4nm过渡矿物和伊利石,含少量蛭石,无绿泥石[7];在黄土高原的古土壤中,粘土矿物主要有伊利石、绿泥石、蒙脱石、高岭石,含有少量的蛭石[18];本研究中辽宁水成松散沉积物发育的古红土粘土矿物以伊利石和1.4nm过渡矿物为主,含有较多量的高岭石和少量的蒙脱石,较杭州中更新统网纹红土和湘南红粘土的发育程度低,与黄土高原上的古土壤发育程度相当,但粘土矿物的种类有一定的差别,主要是辽宁水成红土中含有较多量的1.4nm过渡矿物,不含绿泥石,而黄土高原则与其相反,这可能是由母质的成因类型和母质来源不同所至。南方花岗岩发育的红壤以高岭石为主,其次为伊利石或蒙脱石和1.4nm过渡矿物[7],辽宁片麻岩风化壳上发育的古红土粘土矿物 图3片麻岩发育古红土粘粒矿物X射线衍射图谱 Fig.3X-raydiffractionpatternsofsoilclaysmineralofPaleosolderivedfromGneiss 图4千枚岩发育古红土粘粒矿物X射线衍射图谱 Fig.4X-raydiffractionpatternsofsoilclaysmineralofPaleosolderivedfromPhyllite 926 4期 ClayMineralCharacteristicsofPaleosolaswellasEnvironmental SignificanceinLiaoning WANGQiu-bing,WANGHui-qiang,HANChun-lan,LIUSu-hua (LandandEnvironmentcollege,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,110161,China) AbstractTheclaymineralcharacteristicsofPaleosolderivedfromQuaternaryaqueoglacialdeposition,Limestone,GneissandPhyllitewerestudiedthroughtheX-raydiffractionmethod.TheresultsshowedthatclaymineralcompositionofPaleosolderivedfromdifferentparentmaterialsallcontainedllite,1.4nmtransitionalmineralsandChlorite,butPaleosolderivedfromGneissandPhyllitealsocontainedsomeVermiculite.PaleosolderivedfromQuaternaryaqueoglacialdepositionalsocontainedsomeSmectite.ClaymineralcompositionofPaleosolinLiaoningreflectedthePaleoenvironmentalcharacteristicsdifferedwiththemoderntime,butthemodernenvironmenthasimpactedsomenatureofPaleosol.Therearemore1.4nmtransitionalmineralsinPaleosolofLiaoning,andPaleosolderivedfromGneissalsohasmoreVermiculite,whichisdifferentfromSouthandLoessPlateau.Asfarasthesoildevelopmentdegreeofthesimilarparentmaterial,PaleosolinLiaoningwaslowerthanthatintheSouth,butissimilartoLoessPlateau. KeywordsPaleosol;Paleoenvironmental;Claymineral;Liaoning 中含有蛭石、1.4nm过渡矿物、伊利石和高岭石,虽然各成分含量有别,但相差不大,高岭石的含量较低,蛭石的含量较高。所以,该土壤的发育程度较南方花岗岩红壤低,土壤的发育处于中等强度的硅铝发育阶段。 3结论 (1)辽宁各种母质发育的古红土的粘土矿物中都含 有伊利石、1.4nm过渡矿物和高岭石,片麻岩和千枚岩发育的古红土中还含有较多量的蛭石,第四纪水成沉积物发育的古红土中含有少量的蒙脱石。各种粘土矿物的相对含量在不同母质发育的古红土中有所差异。 (2)辽宁古红土粘土矿物的组成反映了不同于现代成土环境的古环境特征,现代的环境条件对古红土的某些性质已经产生了影响。 (3)辽宁各种母质发育的古红土的粘土矿物组成中,1.4nm过渡矿物的含量都比较突出,片麻岩发育的古红土中,蛭石含量也很突出,与南方红壤和黄土高原的古土壤相比,有其自己的特点。从土壤发育程度上讲,相似母质发育的辽宁古红土低于南方红壤,同黄土高原古土壤的发育程度基本相当。参考文献 [1]韩春兰,王秋兵,孙福军,等.中国北方红色土壤分类问题的探讨[J].土 壤通报,2006,37(3)572-575. [2]章明奎,MJWILSON,何振立,等.浙江省三种红、 紫色砂页岩发育土壤的矿物学研究[J].土壤学报,1999,36(3)308-317. [3]孙向阳.北京西山古土壤母质上发育的土壤之粘粒矿物与表面化学 特性[J].北京林业大学学报,2002,24(5/6)35-38. [4]樊明辉,孙传敏,何政伟,等.中国南方红壤演化的矿物学特征[J].成 都理工学院院报,1999,26(3)313-316. [5]徐昶,林乐枝,杨波.青海湖沉积物中的粘土矿物[J].地质科学, 1989(4)348-354. [6]章明奎.亚热带小流域不同沉积区土壤粘粒矿物的演变[J].土壤通 报,2001.6,32(3)97-99. [7]陈铭,刘更另.不同农业利用方式下湘南第四纪红壤的粘粒矿物 学组成与表面电荷特性[J].热带亚热带土壤科学,1997,6(2)88-93. [8]黄成敏,等.海南岛北部玄武岩发育而成的土壤粘土矿物研究[J].西 南农业学报,2001,14(增刊)1-4. [9]尚彦军,岳中琦,王思敬,等.全风化花岗岩化学及矿物成份在全土和 粘粒中的不同表征[J].地质科学,2005.1,40(1)95-104. [10]张荣科,范光.粘土矿物X射线衍射相定量分析方法与实验[J].地 质铀矿,2003,19(3)180-185. [11]隆 浩,王晨华,刘勇平,等.粘土矿物在过去环境变化研究中的应用 [J].盐湖研究,2007,l5(2)21-25. [12]陆景冈.土壤地质学[M].地质出版社,199714-28. [13]姚合法,林承焰,侯建国,等.苏北盆地粘土矿物转化模式与古温度 [J].沉积学报,2004,22(1)29-35. [14]JAINM,ANDONSK.Quaternaryalluvialstratigraphyandpalaeocli- maticreconstructionattheTharmargin[J].Curr.Sci.India.,2003,84(8)1048-1055. [15]鲁春霞.粘土矿物在古环境研究中的指示作用[J].中国沙漠,1997,17 (4)456-460. [16]汤艳杰,贾建业,谢先德.粘土矿物的环境意义[J].地学前缘,2002,9(2) 337-344. [17]章明奎.杭州市之江组网纹红土的矿物学特性[J].浙江大学学报(农 业与生命科学版),2000,26(1)22-24. [18]彭淑贞,郭正堂.风成三趾马红土与第四纪黄土的粘土矿物组成异 同及其环境意义[J].第四纪研究,2007,27(2)277-285. 王秋兵等辽宁地区古红土粘土矿物特征及其环境学意义 927