阿拉善沙漠全新世钙质根管形成机制及其古环境指示意义

摘要

钙质根管是陆生高等植物在生物沉积作用下形成的次生碳酸盐结壳，在干旱和半干旱地区具有广泛的分布，有望成为新的古环境信息载体。但不同地区的钙质根管在形成过程和形成机制方面可能存在一定的差异，限制了钙质根管在古环境重建研究中的应用。因此，明晰钙质根管的形成机制及其古环境指示意义，可以为古环境重建研究提供新的信息载体。进一步提取钙质根管的古环境信号并进行区域环境重建工作，既可以重新认识已有环境重建结果的可靠性和代表性，又拓展该区域全新世环境演化的研究领域，为该区域全新世环境演化研究提供新的证据。
　　阿拉善沙漠位于中国北方干旱区，对气候变化的响应非常敏感，是古环境研究的重点区域。在其沙漠腹地广泛分布着全新世时期的钙质根管，但对其形成机制及其是否具有明确的环境指示意义尚存在争论。为了确定该区域全新世钙质根管的形成机制及其古环境指示意义，本研究以巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和乌兰布和沙漠的32组全新世钙质根管样品和23个表层风积砂样品为研究对象，在已有14C测年结果的基础上，通过（1）扫描电镜（SEM）分析了钙质根管的微观结构及特征；（2）X射线荧光光谱法测定钙质根管和表层风积砂样品的元素组成，并通过聚类分析探讨影响钙质根管中元素差异的原因；（3）X衍射法分析钙质根管和风积砂样品的矿物组成。以此探讨阿拉善沙漠全新世钙质根管的形成机制及其环境指示意义。
　　SEM结果显示阿拉善沙漠全新世钙质根管可以分为绕根结核和钙质根套两个子类。绕根结核和钙质根套微观结构差异明显，绕根结核内侧次生碳酸盐胶结质地统一，外侧的硬质结壳胶结紧密；钙质根套内侧次生碳酸盐胶结形态受外侧石英砂颗粒影响，外侧硬质结壳表面溶蚀坑密布。两者均分布有大量的由植物根系活动和根围微生物活动形成的方解石结晶垫、钙化细丝和M型针状钙化、MB型针状钙化以及由土壤溶液溶解和沉淀作用形成的P型针状钙化等微观结构。
　　元素分析结果显示阿拉善沙漠全新世钙质根管和表层风积砂样品中常量元素主要有Fe2O3、Al2O3、SiO2、K2O、Na2O、MgO和CaO，微量元素主要有Cl、S、P、Ba、Bi、Ce、Co、Cr、Cu、Hf、La、Mn、Nb、Nd、Ni、Rb、Sr、Ti、V、W、Y、Zn和Zr。其中，钙质根管常量元素中CaO、SiO2含量最高，微量元素中S、Ti和S r含量最高。阿拉善沙漠钙质根管与表层风积砂元素含量差异明显， S、CaO、Sr在钙质根管中富集程度较高，Cl、MgO、P、Mn、Ni、Cu在钙质根管中富集程度较低或不富集，Ti、Fe2O3、Al2O3和SiO2在钙质根管中不富集。通过对阿拉善沙漠钙质根管元素聚类分析，可将钙质根管分为5大类，其分类结果受控于成土母质和气候因素。
　　X衍射结果显示，阿拉善沙漠钙质根管以硅酸盐矿物和碳酸盐矿物为主。与阿拉善沙漠表层风积砂相比，碳酸盐矿物在钙质根管中富集程度较高，硅酸盐矿物则不富集或富集程度低。钙质根管的碳酸盐矿物含量与Sr、CaO、S等元素含量显著正相关，与Al2O3、P、Ba、Bi、Ce、Hf、La、Nb、Rb、Ti、W、Y、Zr等显著负相关。钙质根管硅酸盐矿物含量与Bi、Ce、Hf、Nb、Rb、Ti、W、Y、Zr等显著正相关，与MgO、Ni、Cl不相关，与Sr、CaO、S显著负相关。
　　钙质根管内侧次生碳酸盐胶结层可以保存高分辨率的古环境信息。通过腾格里沙漠全新世钙质根管Sr/Ca比值重建了该区域千年尺度的有效湿度变化并将其与腾格里沙漠猪野泽地区和石羊河中游红水河地区中的气候代用指标进行了对比，二者具有较好的一致性：8 cal ka B.P.之前气候相对干旱，8~5 cal ka B.P.气候相对湿润，5~2 cal ka B.P.气候由相对湿润转向相对干旱。
　　由以上结果分析可知：（1）阿拉善沙漠钙质根管是由根围钙化机制和土壤溶液蒸发作用共同作用形成的，其形成过程受到根系活动、根围微生物活动和土壤溶液蒸发作用共同影响。阿拉善沙漠全新世钙质根管的形成过程可以分为植物根系完全腐烂之前和之后两个阶段：前者主要是由根系活动和根围微生物活动引起的次生碳酸盐在植物根围中快速沉淀和固结；后者主要是由成岩作用将石英砂胶结物或碳酸盐胶结物固结成岩。
　　（2）绕根结核和钙质根套的形成机制的差别可以在钙质根管的两个形成阶段上体现。在植物根系完全腐烂之前，绕根结核形成区域或土壤水分含量高，或根系活动和微生物活动强，或土壤可溶性碳酸盐含量高，反之则易形成钙质根套。在植物根系完全腐烂之后，绕根结核经历的成岩作用强或风化作用弱，反之则易形成钙质根套。
　　（3）阿拉善沙漠钙质根管的形成可以指示相对湿润的气候时期。此外，钙质根管中的Sr/Ca比值可以指示区域有效湿度的变化。因此，可以从阿拉善沙漠钙质根管中提取可靠的古环境信号并重建区域有效湿度变化，并将其应用于古环境重建研究中，拓展干旱区古气候变化的研究领域。
　　综上，本研究明确了阿拉善沙漠钙质根管的形成机制，拓展了该区域全新世环境演化的研究领域，为该区域全新世环境演化研究提供了新的证据。

目录

声明

第一章 绪论

1.1. 钙质根管形成机制存在争论

1.2. 钙质根管古环境指示意义研究有待加强

1.3. 研究内容

1.4. 技术路线

第二章 研究区概况

2.1. 地理位置

2.2. 地质地貌

2.3. 气候水文

2.4. 土壤植被

第三章 研究方法

3.1 样品采集

3.2 实验分析

3.3 聚类分析

第四章 阿拉善沙漠全新世钙质根管微观结构特征

4.1. 方解石结晶垫

4.2. 钙化细丝

4.3. 针状钙化

4.4. 绕根结核和钙质根套微观结构特征

4.5. 小结

第五章 阿拉善沙漠全新世钙质根管和表层风积砂的元素与矿物含量

5.1. 阿拉善沙漠全新世钙质根管与表层风积砂的元素含量

5.2. 阿拉善沙漠全新世钙质根管元素迁移程度

5.3. 阿拉善沙漠全新世钙质根管元素聚类分析

5.4. 阿拉善沙漠全新世钙质根管与表层风积砂矿物含量

5.5. 阿拉善沙漠全新世钙质根管元素与矿物相关分析

5.6. 小结

第六章 阿拉善沙漠全新世钙质根管形成机制

6.1. 阿拉善沙漠全新世钙质根管形成过程影响因素

6.2. 阿拉善沙漠全新世钙质根管形成过程

6.3. 绕根结核和钙质根套形成机制的差异

6.4 小结

第七章 阿拉善沙漠全新世钙质根管环境指示意义和古环境代用指标的提取

7.1. 阿拉善沙漠钙质根管的环境指示意义

7.2. 阿拉善沙漠全新世钙质根管古环境代用指标的提取

7.3. 小结

第八章 结论与展望

8.1. 结论

8.2. 创新点

8.3. 不足与展望

参考文献

附录1

在学期间研究成果

致谢