碳酸盐岩红色风化壳磁学性质发生机理及其环境意义

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环境物质磁学性质的发生机理，实质上是作为环境物质磁性载体的磁性矿物发生和演化问题，一直受到国内外学者的广泛重视。20世纪80年代中期以来，以《Nature》和《Geology》为代表的一些国际上很有影响的学术期刊陆续发表了一系列有关海洋沉积物、黄土-古土壤和玄武岩发育土壤中磁性矿物成因研究的论文，提出了磁性矿物的大气降尘、生物合成和成土作用的无机或有机合成等成因机理（Peterson et al.，1986；Kukla et al.，1988；Maher and Taylor，1988；Bet and Hankins，1989；Zhou et al.，1990；Fassbinder et al.，1990）。但由于这些学者研究的磁性矿物大多具有多源性和多成因的特点，因此目前人们对地表环境中磁性矿物成因机理的认识仍然是不清楚的。

由于海相碳酸盐岩中一般不含磁性矿物，因此由碳酸盐岩就地风化成土形成的红色风化壳及土壤中的磁性矿物，都是风化成土过程中的新生矿物，特别是成功地从红色风化壳中提取到磁赤铁矿微结核，为红色风化壳中磁性矿物成因机理的研究提供了最直接的证据。研究表明，碳酸盐岩红色风化壳中广泛存在的表层土壤磁性增强现象突出地表现在经历富铝化和发育时间长的红色风化壳表层土壤中，说明作为红色风化壳磁学性质主要贡献因子的亚铁磁性矿物磁赤铁矿的发生和演化与红色风化壳富铝化作用存在着密切的联系。磁赤铁矿作为贵州碳酸盐岩红色风化壳发育土壤中惟一的亚铁磁性矿物，是岩溶环境中碳酸盐岩风化成土作用的产物。贵州碳酸盐岩红色风化壳的形成和演化大致可以划分出脱钙镁富硅铝、富铁锰和脱硅富铝3个风化成土地球化学阶段，而普遍存在的表层土壤磁性增强现象在风化程度高和处于富铝脱硅阶段的红色风化壳表层土壤（如安顺白云岩红色风化壳剖面）中表现得更为明显，磁性增强幅度也更大，说明作为碳酸盐岩红色风化壳磁学性质主要贡献因子的磁赤铁矿的发生和演化与碳酸盐岩风化成土作用——红色风化壳富铝化作用有着直接联系。磁赤铁矿微结核也仅在富铝化程度高的安顺白云岩红色风化壳表层黄红壤［该剖面表层土壤样品3个含量最高的元素氧化物平均含量为Al₂O₃35%，SiO₂31%，Fe₂O₃12%，w（SiO₂）/w（Al₂O₃）0.88］中发现。因此，贵州碳酸盐岩红色风化壳表层土壤中磁赤铁矿主要是在湿热条件下，由高度风化的富铝化红色风化壳表层土壤中的次生氧化铁矿物转化形成的。由透射电镜观察到磁赤铁矿常具有与纤铁矿相似的形貌特征，其形成可能经历了纤铁矿脱水结晶的转化过程。磁赤铁矿在红色风化壳中的形成和转化以及与其他氧化铁矿物的组合关系决定了红色风化壳磁学性质的变化，定量地反映碳酸盐岩风化成土地球化学环境和过程，其环境意义主要表现在以下3个方面：

1）沿红色风化壳剖面纵向上磁学参数的变化与氧化铁矿物磁赤铁矿、针铁矿及赤铁矿共生组合及其矿物学特征的规律变化有直接联系，实际上记录了红色风化壳形成过程所经历的若干干湿交替的周期性气候变化。这种红色风化壳磁学参数反映气候的机制实质上也是古环境中磁性矿物发生机理，即古气候的温湿程度决定了磁性矿物（主要是磁赤铁矿）生成量的多少及其粒径大小程度，温湿程度愈高，生成的磁性矿物愈细小且数量愈多，这两种因素都使得磁学参数Χ、Χ_rd、SIRM和“Soft”增高。而表层土壤是在母质红色风化壳土层上发育形成的，经历的风化成土作用更强，成土时间更长，故造成上述磁学参数在表层土壤中的增长幅度就更大。根据磁学参数沿红色风化壳剖面变化特征和剖面矿物学研究成果可以看出，频率磁化率（Χ_rd）、饱和等温剩磁（SIRM）和“软”剩磁（“Soft”）对环境变化的反映更为敏感，是比过去常用的磁化率更理想的环境变化指标。值得一提的是，贵州碳酸盐岩红色风化壳剖面中磁学参数和磁性矿物特征所反映出的古气候周期性变化特征，与我国黄土-古土壤序列所记录的第四纪以来我国北方环境和气候变化的周期性特征有一定的可比性，这可能预示着第四纪以来我国南方和北方古气候变化之间存在的某种相关性。这无疑将有助于我国南方红土与北方黄土的对比性研究以及全球变化的研究。

2）侵蚀与沉积是具有普遍意义的环境过程。水土流失是当前岩溶地区十分突出的环境问题，也是碳酸盐岩红色风化壳生态脆弱性的表现之一。本文对贵州高原最大人工湖泊红枫湖区域6个红色风化壳剖面系统的磁学参数测定，建立起红枫湖区域红色风化壳剖面较完整的磁学参数数据系统，不仅为红枫湖区域水土流失程度及其速度的研究提供了依据，而且可直接服务于红枫湖区域土壤的监测、生态环境保护和水土保持工程评价。

3）红色风化壳磁学参数沿剖面纵向上的变化与红色风化壳剖面微量元素的变化之间存在一定的联系，特别是与Cu、Pb、Zn、Co、Ni和Cr等重金属元素含量在红色风化壳剖面纵向上的变化有明显的相关性，运用线性回归分析方法可建立红色风化壳中重金属元素Cu、Pb、Zn、Co、Ni和Cr含量与磁学参数之间的定量关量，其回归方程和相关系数如下：

碳酸盐岩风化成土作用及其环境效应

碳酸盐岩风化成土作用及其环境效应

红色风化壳中重金属元素含量与磁学参数的相关关系实质上体现了重金属元素与磁性氧化铁矿物之间在赋存状态和分布规律上的联系。这种联系可能主要基于氧化铁矿物对重金属元素的吸附机制，本文将放在后续章节专门讨论。

根据红色风化壳磁学参数和磁性矿物学特征与红色风化壳中重金属元素含量之间的相关性特征，已初步建立起红色风化壳磁学参数-氧化铁矿物-重金属元素含量的定量关系模型，在一定程度上揭示了红色风化壳中氧化铁矿物和重金属元素的分布特征和污染机理，可直接应用于污染物示踪和环境治理工程，并适合于河流、湖泊沉积物的环境研究。

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