黄土沉积物中次生细粒强磁性矿物记录的古气候信息

贾 佳，王友郡，夏敦胜，温仰磊，柳加波

（兰州大学 西部环境教育部重点实验室，兰州 730000）

黄土沉积物中次生细粒强磁性矿物记录的古气候信息

贾 佳，王友郡，夏敦胜，温仰磊，柳加波

（兰州大学 西部环境教育部重点实验室，兰州 730000）

伊犁地区位于我国新疆地区西北部，为天山山脉环绕。区内降水自西向东递增，而温度则由于海拔高度的抬升而逐渐降低。上述地理环境有利于分析和探讨温度和降水与黄土沉积物中次生细粒强磁性颗粒数量之间关系。本研究在伊犁河谷西部地区，对不同海拔高度黄土表层沉积物进行样品采集。环境磁学分析结果显示：黄土沉积物中次生细粒强磁性矿物含量与降水量之间存在很好的正相关关系，而与温度之间存在反相关关系。结合黄土高原的研究结果可以发现：温度对黄土沉积物中次生细粒强磁性矿物的数量影响微弱，降水是控制其含量的主要因素；即：在黄土古气候研究中，次生细粒强磁性矿物的磁化率可以作为古降水量的代用指标，但对温度变化不敏感。

黄土沉积物；次生细粒强磁性矿物；伊犁；温度；降水量

中国黄土作为唯一可以与深海氧同位素对比的长序列、高分辨率陆地沉积物而受到古气候工作者的广泛青睐（Heller and Liu，1982，1984； Guo et al，2002；Sun et al，2010）。事实上，黄土古气候学的快速发展开始于黄土磁性地层学和黄土环境磁学研究（Heller and Liu，1982，1984；吕厚远等，1994；Deng et al，2001；Liu et al，2005，2007a，2007b；Bloemendal et al，2008；Jia et al，2011）。上世纪八十年代，Heller和刘东生（Heller and Liu，1982，1984）首先发现黄土地层不但可以忠实地记录地磁场的变化历史，其磁化率与地层的成壤强度还呈现良好的正相关关系。此后，大量环境磁学研究致力于探讨黄土沉积物中古土壤层的磁化率增强模式（Heller and Liu，1984；Deng et al，2001；Liu et al，2005，2007a，2007b；Jia et al，2011）。经过约30年的大量研究，磁化率与古气候之间的密切关系在现代过程研究中已得到环境磁学、地球化学、以及微形态学的有力支持（Deng et al，2001；Chen et al，2005，2010；Liu et al，2005，2007a，2007b；Bloemendal et al，2008；Jia et al，2011）。大量的磁化率增强模型已经建立（Heller and Liu，1984；Liu et al，2007）。磁化率作为常用的古气候代用参数更得到广泛认可（Liu et al，2007）。甚至，一些研究已着力于通过黄土沉积物的磁化率恢复古气候（Heller and Liu，1982；Sun et al，2010）。

事实上，虽然磁化率与黄土成壤过程之间的密切关系已得到认可，但其主要受控于成壤过程中那个气候要素或环境要素（包括温度、降水、有机质含量和类型、氧化还原电位、酸碱度等要素），这个问题并未解决。对于质地均一、矿物组成相似、植被组合类型较为单一的黄土沉积物而言，温度和降水不单是影响成壤过程的重要因素，也是其他要素变化的主要控制者。而在运用磁化率讨论古气候演化时，多数学者也暗示其主要指代的是古温度和（或）古降水，尤其是后者，但无定论。由于对磁化率古气候含义的模糊认识，使得其古气候意义大大降低。这也使得明确磁化率古气候含义的工作变得十分有意义。本文试图就这一点展开讨论。

1 研究方法

探讨磁化率的古气候含义首先需要明确哪些磁性矿物的磁化率与成壤过程具有明确关系，然后将无关部分剔除。黄土沉积物的主要磁性矿物包括磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿和针铁矿四种。由于磁铁矿和磁赤铁矿的单位质量磁化率显著高于赤铁矿和针铁矿，黄土沉积物的磁化率主要反映前两者的含量。磁铁矿和磁赤铁矿的常温磁学特征相似，按磁晶体粒径均可划分为SP（＜ ～30 nm）、SD（～30 —100 nm）、PSD和MD（＞100 nm）等几种（表1）。其中PSD和MD颗粒较粗，主要为物理风化作用形成，与沉积后的成壤过程几乎无关；与此相反，SP和SD颗粒的磁铁矿和磁赤铁矿粒径极细，为次生矿物，且大量研究表明二者的含量与成壤强度具有密切联系（Deng et al，2001；Guo et al，2002；Chen et al，2005，2010；Liu et al，2005，2007a，2007b；Bloemendal et al，2008；Sun et al，2010；Jia et al，2011）。由此本文选取指示SP和SD颗粒磁铁矿和磁赤铁矿含量的磁化率作为研究对象，探讨其与温度和降水量之间的关系。

表1 常用环境磁学参数Table 1 Common environmental magnetism parameters

伊犁地区位于我国新疆省西北部，是南北天山所夹形成的山间盆地，地势东高西低，伊犁河（上游为喀什河和巩乃斯河两个支流）自东向西横贯本区（图1）。区内，地面风场受山谷风控制，高空风场常年盛行西风，受地形和风带的影响，降水主要由偏西风带来，且在盆地和山麓地区降水随着海拔高度增加而增加。由于分布有大面积的高大山脉，地势相对陡峻，区内气候资源的垂直地带性分布很明显，且变化显著；年均温随海拔高度增加而逐渐降低，降水量变化与之相反。与此相对应植被的垂直地带性分布也十分明显，由低海拔向高海拔的过渡依次为：荒漠、荒漠草原、干草原、草原、针阔混交林、针叶林、高山荒漠草原等。本区内分布的大面积黄土沉积物，多集中于巩乃斯河的河流阶地，以及山前低山区，海拔高度700 ～1800 m，对应干草原和草原区。温度和降水在空间上的反相位变化，显著区别于黄土高原所在的东部季风区的整体格局；由此通过本区黄土沉积物的磁学特性变化规律，探讨次生磁性矿物的古气候意义。

图1 研究区和采样点图Fig.1 The study area and sample collecting location

2010年5—6月，本研究小组于伊犁河谷地区西部不同海拔高度采集了12个黄土沉积物的表土样品（图1）。由于本区经济组成主要为牧业和旅游业，人口相对稀少，因此现代工业和农耕污染对黄土沉积物的污染微弱。为进一步减少现代人类活动对样品的污染，采样时将表层2 cm物质剥去，采集深度为2～5 cm处的黄土沉积物。样品装入塑料自封袋密封。在实验室中风干，用玛瑙研钵磨成粉碎的散样，然后称取适量样品装入8 cm3的正方体样品盒中，压实。χlf和χhf使用Bartington公司生产的MS2型磁化率仪测定，计算频率磁化率χfd= χlf– χhf和百分频率磁化率χfd% =（χlf– χhf）/χhf×100。ARM用交变退磁仪（AF demagnetizer）和Molspin Minispin小旋转磁力仪测量，直流场为100 mT，交变场为0.05 mT，并计算χARM。IRM和SIRM用MMPM10磁力仪和Molspin Minispin小旋转磁力仪测量，其中SIRM施加的强磁场为1 T。J–T曲线和loops曲线由VFTB居里称测得。以上实验均在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成。

2 结果

2.1 磁性矿物种类

高温磁学特征是判断样品中磁性矿物组成的有效手段，且在黄土沉积物研究中获得了广泛认可（Thompson and Oldfield，1986；Deng et al，2001）。高温磁学特征可以通过高温磁化率曲线、高温剩余磁化强度曲线和高温磁化强度（J–T）曲线表现。其中J–T曲线的变化不受加热过程中磁性矿物晶体磁畴状态的变化影响，主要与磁性矿物种类相关，其指示意义更为明确，因此本研究选取J–T曲线作为判断样品中磁性矿物种类的工具。J–T曲线施加的外加磁场为110 mT，测量范围为室温到700℃，温度变化间隔为4℃，增温速度为40℃· min−1。为进一步明确样品中磁性矿物的种类，剔除高温过程中矿物转变的影响，本研究对样品进行了分步加热，每次加热的最高温度分别为：150℃、260℃、460℃、510℃、600℃和700℃（图2）。如图2所示，第一次、三次和六次加热循环中加热曲线和冷却曲线并不重合，表明加热过程中有新磁性矿物的产生。三次热磁曲线的转折与黄土高原全新世古土壤的热磁曲线变化特征基本一致。其中～150℃附近样品磁性强度增强仅5%（图2），研究较少，矿物的转变过程还不能很好理解。250～350℃，样品的磁性迅速减弱，而后在350～510℃，又迅速增强（图2）。前者被认为是热不稳定的磁赤铁矿向热稳定的赤铁矿转化导致的样品磁化强度降低，后者被认为是有机质的燃烧使得样品架中大量消耗氧气，产生还原环境，而使得弱磁性矿物转化为强磁性矿物（Deng et al，2001；Liu et al，2007b）。600℃的加热冷却循环中曲线基本重合，而加热至700℃，冷却曲线位于加热曲线下方，表明在600 ～700℃，强磁性矿物（居里点暗示为磁铁矿）转化为了弱磁性矿物（图2）。J–T曲线仅显示一个明显的居里点，位于580℃附近，表明样品中的主要载磁矿物为磁铁矿。

图2 典型黄土样品分布加热J–T曲线图（实线为加热曲线，虚线为冷却曲线）Fig.2 Typical loess samples J–T curve distribution of heat (Solid line as the heating curve, dotted line as the cooling curve)

Loops曲线和IRM获得曲线均在300 mT之前饱和，表明样品的强磁场特征受软磁性的亚铁磁性矿物（磁铁矿和磁赤铁矿）主导（Chen et al，2010）。如图3所示：300 mT以后，Loops曲线依然没有饱和，IRM获得曲线微有上升，表明样品中含有一定数量硬磁性的不完全反铁磁性矿物（例如：赤铁矿和针铁矿等）。由于亚铁磁性矿物单位质量的磁性显著高于不完全反铁磁性矿物，在二者的混合样品中，后者的磁学信号通常被前者掩盖；如J–T曲线中并未发现明显的赤铁矿和针铁矿的磁学信号，仅显示了磁铁矿和磁赤铁矿的特征转变和居里点。因此，在判断混合样品中磁性矿物组成时，要结合多种参数。此外，上述特性同时表明，不可以磁学信号的强弱断定样品中的主要磁性矿物，而只能判断其主要载磁矿物。由高温磁学特性和强磁场特征可以判断，本区黄土沉积物的主要载磁矿物为磁铁矿和一定数量的磁赤铁矿，赤铁矿和针铁矿等弱磁性矿物的磁性贡献微弱；这些特征与黄土高原黄土一致。

2.2 次生磁铁矿和磁赤铁矿含量的变化规律

由于黄土沉积物中主要载磁矿物为磁铁矿和磁赤铁矿，因此常规磁学参数主要反映的是二者的信息。Liu et al（2005）对成壤过程中形成的次生磁铁矿和磁赤铁矿磁晶体颗粒分布曲线模拟发现，曲线的形态具有一致性，与成壤强度无关；曲线分布于SP和SD颗粒范围内，以SP和SD的过渡段为峰值区。事实上，直接表示黄土沉积物中次生磁铁矿和磁赤铁矿总量的磁学参数几乎是不存在的，但Liu et al（2005，2007a）的工作表明可以通过反映部分粒径内磁性矿物的含量而反推其总量的手段是可行的。这就使得测量样品中次生磁铁矿和磁赤铁矿总量的难题变得十分简单。χfd通常由470 Hz频率下测得磁化率与4700 Hz频率下测得磁化率的差值计算获得，其主要反映SP/SD过渡带（～25 —30 nm）磁铁矿和磁赤铁矿的含量。χARM对SSD（30 ～100 nm）磁性颗粒十分敏感，主要用于估算其含量。通过χfd和χARM值可以进一步推算样品中次生磁铁矿和磁赤铁矿的总量。χfd%和χARM/SIRM分别区别于χfd和χARM，主要反映的是SP和SSD颗粒在磁铁矿和磁赤铁矿中所占的相对比重。如图4所示，伊犁河谷表层黄土沉积物样品的χfd和χARM值分别介于0 ～14×10−8m3· kg−1和0 ～700×10−5Am2· kg−1，表明本区不同海拔表土中SP和SSD磁铁矿和磁赤铁矿含量的变化范围很大；样品的χfd%和χARM/SIRM值分别介于1% ～ 9%和10×10−5～ 50×10−5mA−1，表明不同样品间磁性矿物的组成存在明显差异。此外，各参数随着海拔高度增加而增大，且相关系数较高，显示细粒磁铁矿和磁赤铁矿无论在总量上还是在强磁性矿物中的比重均有增加。

图3 典型黄土样品的磁滞回线（左图）和饱和等温剩磁获得曲线（右图）Fig.3 Hysteresis loop of typical loess samples (on the left ) and saturation isothermal remanent magnetization curve (on the right)

图4 磁学参数与海拔高度相关关系散点图Fig.4 Magnetism parameters versus altitude scatter diagram

3 讨论和结论

伊犁地区黄土沉积区的海拔高度与降水量呈正相关关系，而与温度呈现反相关关系；由此可知，黄土沉积物中次生细粒强磁性矿物含量与降水量呈正相关关系，与温度呈反相关关系。伊犁地区的气候特点与黄土高原地区较为相似，降水主要集中于春夏两季，虽不受东亚季风影响但基本保持雨热同期的气候特征。平原地区年均降水量200～500 mm，年均温低于9℃；山地地区降水量随着海拔高度的增加而增加，最大可超过800 mm，气温逐渐降低。由此可见，其气候条件与黄土高原西部地区相近。结合黄土高原地区次生细粒强磁性矿物的含量总体上由东南向西北递减，即与温度和降水均呈正相关关系，可以判断温度的差别对黄土沉积物中细粒强磁性矿物（磁铁矿和磁赤铁矿）含量的影响是不明确的，降水量是主导其含量的决定性因素。事实上，此研究结果在更大研究范围内同样成立。Maher et al（2003）对不同地区表层黄土沉积物环境磁学研究发现，成壤作用造成的土壤磁化率增加广泛存在，其与年均降水量的相关性较高。此外，二者的相关关系散点图中俄罗斯黄土和中国黄土高原黄土样品在所处的位置存在多处重合（图5）；由于俄罗斯纬度高、年均温低，但年均降水量相近，这就暗示温度对土壤磁化率的影响微弱，降水量对黄土地层次生细粒强磁性矿物的形成起着决定性作用。

图5 北半球各黄土沉积区土壤中成壤作用形成的次生磁性矿物的磁化率与现代降水相关关系图（孙东怀，1997）Fig.5 Magnetic susceptibility of pedogenic secondary magnetic mineral in loess deposition area in the northern hemisphere versus modern precipitation diagram (Sun, 1997)

细粒强磁性矿物的生成主要有两个途径：分别为有机质参与的土壤生物化学过程和无有机质参与或直接参与的土壤化学反应过程（孙东怀，1997）。前者主要取决于微生物的含量和活性，后者受二、三价铁离子的含量和比例影响明显。降水量可以通过以下几个途径影响上述两个过程：首先，降水量的增大可以增加区域的生物量和生物活性，进而增强微生物的活动能力；其次，生物量的增加和活性的增强有利于进一步风化矿物，形成丰富的金属离子；再次，降水量的季节性变化有利于土壤氧化–还原条件的交替变化和酸碱度变化，从而使得二、三价铁离子的形成和共存提供有利条件，促进次生磁铁矿的形成（Maher et al，2003）。

降水量与黄土地层中次生细粒强磁性矿物含量是否一直保持良好的正相关关系？对于这个问题，现在的研究结果倾向于给出否定答案。吕厚远等（1994）对我国表土磁化率的研究结果发现当年均降水量在1100 mm以下时，二者呈现正相关关系；当超过1100 mm时，磁化率会随着降水量的增加而降低。这个研究首先涉及到了降水量与磁化率相关关系的阈限值问题，对之后的黄土环境磁学研究具有很好的启发作用。然则，此研究设计的研究对象并非仅包括黄土沉积物，其母质和土壤类型复杂；研究的参数为磁化率，而此参数受控因素复杂；由此大大降低了结果的可信度。随着研究的深入和范围的扩展，Liu et al（2007b）发现随着土壤中有效湿度的增加，黄土中次生细粒强磁性矿物含量变化出现一种类抛物线的规律；即在一定阈值以下二者是正相关关系，超过阈值后，反之。此研究通过确实的地质证据证明降水量（或土壤的有效湿度）与磁化率的正相关关系存在一个阈限值。随着水分含量的增加，土壤呈现还原状态，从而可以有效增加地层中二价铁离子含量、降低三价铁离子含量，减少了二、三价铁离子共存的可能性；此外，还可以将磁铁矿还原为低价态弱磁性的含铁矿物。

由以上讨论可知，黄土中次生细粒强磁性矿物数量对降水量变化，相较于温度更为敏感；但次生细粒强磁性矿物的数量与降水量之间并非一直保持正相关关系。在使用次生细粒强磁性矿物磁化率等参数恢复古降水量时，同样需要其他参数的辅助，鉴定古降水量是否超过其检测阈值。

参考文献

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Thompson R, Oldf eld F. 1986. Environmental Magnetism [M]. London: Allen Unwin, 1−227.

Implication of pedogenic f ne-grained magnetic material in loess sediment

JIA Jia, WANG You-jun, XIA Dun-sheng, WEN Yang-lei, LIU Jia-bo
(Key laboratory of West China's Environmental Systems, Ministry of Education of People's Republic of China, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

Ili region is in the northwestern XinJiang prefecture of China, which is surrounded by Tianshan Mountains. In this area, precipitation is increasing from west to east, contrasting, the temperature is gradually reduced, due to the uplift of the altitude. The superior geographical environment background is very conducive to analysis and probe into how temperature and precipitation influence on quantity of pedogenic fine-grained magnetic particles of the loess sediments. So as to further illustrate what is hierarchical background gave birth to the main control factors of magnetic mineral content. This research is in the western region of Ili river valley, we collected loess surface sediment samples as altitude increasing. According to environmental magnetism analysis the results is pedogenic f ne-grained magnetic mineral of loess sediments have positive correlation with precipitation and inverse correlation with temperature. Contrasting with the investigation results in Chinese Loess Plateau, it can be determined: the precipitation has much closer link with increase magnetic mineral rather than temperature of loess sediments. That is to say: Magnetic susceptibility of pedogenic f ne-grained magnetic particles in loess sediments can be used as the substitute of the precipitation index, but not temperature.

loess sediments; pedogenic f ne-grained mineral; Ili; temperature; precipitation

P318；P532

：A

：1674-9901(2014)02-0049-07

10.7515/JEE201402001

2013-12-18

中央高校基本科研业务费专项项目（lzujbky-2014-115）

贾 佳，E-mail: jiaj@lzu.edu.cn