中国南方红土磁学特征、起源及其与成土过程关系研究

摘要

中国南方红土是热带、亚热带地区第四纪以来季风气候环境下的产物，是古环境演变与气候变迁的重要陆相沉积载体，蕴含着丰富的环境演替信息。目前关于红土的研究主要表现在对南方红土的物质来源、地层学特征、地球化学特征、磁学特征的研究，对红土的成因、年代学、古气候学进行了深入系统的研究。但在我国南方红土的物质来源，成土机制，红土磁化率与古气候变迁的研究方面仍存在一些分歧。本研究在此背景下以长江流域第四纪网纹红土及云南高原古红土为研究对象，从南方红土磁性矿物成土过程与环境响应、红土纳米氧化铁矿物的起源及其环境响应机制、红土中氧化铁矿物与成土过程和元素地球化学过程三方面对我国南方红土的成土过程及其环境变迁进行深入研究。以此来阐述我国南方热带亚热带地区红土的成土机制及其蕴含的古环境信息，已取得如下一些进展。 1、我国南方热带亚热带红土中磁性矿物主要载体为成土作用过程中形成的磁赤铁矿和磁铁矿。长江中下游网纹红土均质层磁性载体主要以SP和SSD粒级的磁赤铁矿和磁铁矿形态存在，网纹层存在较高含量的反铁磁性矿物，以SSD颗粒为主。云南高原红土磁性载体以SP粒径的亚铁磁性矿物（磁赤铁矿和磁铁矿）为主，同时含有一定的量针铁矿和赤铁矿。 2、网纹红土地球化学分析结果表明网纹红土的网纹层较均质层经历了较强的风化成土作用。磁学及矿物学研究结果表明，网纹红土网纹层磁性的损耗是网纹层强烈的成土作用促进了强磁性的磁赤铁矿转化为弱磁性的赤铁矿所致。 3、网纹红土岩石磁学及其氧化铁矿物分析结果表明我国长江中下游第四纪网纹红土形成时期的气候条件为干热交替并伴随短时期强降雨。即当网纹层开始形成时，成土环境较为温暖湿润，有利于磁赤铁矿的形成。后期高温及季节性干旱气候盛行，这种气候条件有利于土壤中的磁赤铁矿转变为赤铁矿。网纹红土成土作用所引起的磁学参数（HIRM和SIRM/x）随成土作用增强而增强，这主要是亚铁磁性矿物转变为赤铁矿所致。因此磁学参数(HIRM和SIRM/x)所反映的磁性矿物之间的转变有助于我们重建网纹红土成土时期古气候的演变。 4、云南高原红土热磁曲线结果表明云南高原红土中存在少量磁铁矿和针铁矿，这些磁铁矿和针铁矿中存在较高的铝替代作用。其地球化学分析结果表明云南高原红土中Ti含量与Fe含量呈显著相关关系，相关系数在0.83以上。其纳米颗粒透射电镜图片也表明云南高原红土中存在一定含量的Ti，常与土壤中的Fe相结合，以钛磁铁矿和钛磁赤铁矿形态存在于土壤中。强磁性红土地球化学分析结果进一步表明这些钛磁铁矿或钛的同晶替代产物在红土中主要以钛磁铁矿和钛磁赤铁矿等原生矿物形态存在于红土的磁性颗粒中。 5、磁测数据结果表明云南高原地表上发育的红土含有较高含量的赤铁矿、磁赤铁矿和少量的磁铁矿，成土风化作用过程中形成了较高含量的超顺磁磁性矿物，表现出表土磁性增强机制，其表土磁性增强机制是我国南方热带亚热带湿热气候条件下红土强烈风化作用的产物。我们推测这种强磁性的古红土不可能形成于2000 m海拔以上区域，应该是在其形成后经历了新构造的板块抬升。以现代红土海拔为对比，初步估计云南高原红土在其形成后板块抬升了至少1600 m，最高一次的抬升发生在更新世中期而不是早期。因此云南高原古红土的强磁性证明云南高原在第四纪中后期经历了较强的新构造板块抬升运动。 6、云南高原红土DCB处理前后磁化率及其损失量结果表明云南高原红土中亚铁磁性矿物主要是由成土作用产生的超细颗粒的SP/SSD颗粒组成。不同区域红土磁性和高分辨电镜研究结果也表明，成土作用形成的纳米级别的磁铁矿和磁赤铁矿是导致红土磁化率升高的主要原因，红土成土作用产生的SP/SSD磁性颗粒是红土成土作用强度的指示因子。因此，云南高原红土中氧化铁矿物含量及组成为气候因子作用下土壤形成过程中氧化铁矿物的形成机制提供了有效信息，有利于古气候重建。 7、不同气候区域强磁性红土磁学参数结果表明，长江中下游网纹红土磁化率及游离氧化铁含量显著低于云南高原红土。主要是由于云南地区靠近赤道，常年高温多雨，温差较小，风化作用较强，红土中的可溶性元素K、Na、Ca、Mg等大量淋溶，Fe、 Al元素大量富集，进而形成了以高岭石、石英、三水铝石、赤铁矿、磁赤铁矿和磁铁矿为主的矿物类型。 8、场发射扫描电镜(FESEM)结果表明强磁性红土中磁性矿物主要以棒状、条状、球状、层状、片状、八面体及四边形状存在。其中条状、棒状、球状磁性矿物铁含量较高，可断定为纯的氧化铁矿物;条状氧化铁矿物表面粘附有少量硅铝氧化物;层状、片状氧化铁矿物中含有较高含量的Ti，八面体及四边形状氧化铁矿物中Ti含量较低。通过能量色散X射线光谱仪(EDS)对磁性矿物中Fe、Ti原子比例进行分析，结果表明层状，片状氧化铁矿为钛磁铁矿;八面体及四边形状氧化铁矿物为钛磁赤铁矿。 9、强磁性红土中的磁性矿物对绝大多数重金属及微量元素(包括Ba、Cd、Co、Cr、Ga、La、Mn、Mo、Pb、Sn、Zn、Ti)均具有较强的富集作用。其中Co、Ga、Mn、Sn、Ti五种元素主要富集在原生磁性矿物中，其余元素主要富集在成土作用形成的次生游离氧化铁矿物中。红土对常见重金属元素如:Zn、Cd、Cr、Pb具有较强的富集作用，富集强度依次为对Cd＞ Zn＞ Cr＞ Pb。

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论文说明

图名目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 中国南方红土概况

1．1．1 中国南方红土分布

1．1．2 中国南方红土基本特征及其成因

1．2 中国南方红土研究背景

1．2．1 中国南方红土起源及其古环境变迁

1．2．2 中国南方红土中磁性矿物的研究

1．2．3 红土中的纳米尺度矿物

1．2．4 磁性矿物及纳米矿物对重金属及微量元素的富集

1．3 选题目的和意义

第二章 技术路线及研究方法

2．1 研究思路和方法

2．2 研究内容

2．3 技术路线

2．4 本研究的创新点

2．5 研究方法

2．5．1 土壤基本理化性质测定

2．5．2 土壤风化指数的测定

2．5．3 红土中粘土矿物的鉴定

2．5．4 红土中磁学参数的测定及其指示意义

2．5．5 红土中磁性颗粒的提取及其表征

2．5．6 红土中纳米颗粒的提取及其表征

第三章 长江中下游网纹红土磁学特征、起源及其古环境意义

3．1 网纹红土采样剖面及地质概况

3．2 长江中下游网纹红土磁学特性

3．3 长江中下游网纹红土中富含的磁性矿物

3．3．1 长江中下游网纹红土的热磁曲线

3．3．2 长江中下游网纹红土的磁滞回线

3．3．3 长江中下游网纹红土的XRD鉴定

3．3．4 长江中下游网纹红土的热重／差热分析(TG／DTA)

3．4 长江中下游网纹红土的风化特征

3．4．1 网纹红土富含的氧化铁矿物

3．4．2 网纹红土地球化学特征

3．5 讨论

3．5．1 长江中下游网纹红土中的磁性矿物

3．5．2 网纹红土网纹层的弱磁性

3．5．3 网纹红土的磁化系数能否反映古气候变化

3．6 结论

第四章 云南高原红土磁性特征、成土过程及其古环境意义

4．1 云南高原地貌概况及其采样剖面

4．2 云南高原红土基本理化性质

4．3 云南高原红土磁学特征

4．4 云南高原红土富含的磁性矿物

4．4．1 云南高原红土的热磁曲线

4．4．2 云南高原红土的磁滞回线

4．4．3 云南高原红土的XRD分析

4．5 云南高原红土中不同形态铁含量分析

4．6 云南高原红土的风化成土作用

4．6．1 云南高原红土的磁学特征及其风化作用

4．6．2 云南高原红土风化特征

4．7 云南高原红土中纳米颗粒的表征

4．8 讨论

4．8．1 云南高原红土中的磁性矿物

4．8．2 云南高原红土磁性增强的成土作用机制

4．8．3 云南高原红土磁化率作为云南高原隆起的指示因子

4．9 结论

第五章 强磁性土壤的成土作用机制及其地球化学作用

5．1 强磁性样品的采集及其基本理化性质

5．1．1 强磁性土壤的采集

5．1．2 强磁性土壤的基本理化性质

5．2 强磁性土壤的磁学特征

5．3 强磁性土壤中氧化铁矿物的组成

5．4 强磁性土壤中磁性矿物的元素地球化学过程

5．4．1 强磁性土壤中游离氧化铁对重金属及微量元素的富集

5．4．2 强磁性土壤中磁性矿物对重金属及微量元素的富集

5．5 强磁性土壤的矿物组成

5．6 强磁性样品中磁性颗粒的形貌及其组成

5．7 讨论

5．7．1 强磁性土壤的风化成土作用

5．7．2 强磁性土壤中磁性颗粒的主要类型及形貌

5．7．3 强磁性土壤磁性矿物的元素富集作用

5．8 结论

第六章 总结

6．1 结论

6．2 不足与展望

参考文献

附录 专业术语中英文对照及缩略语

攻读博士期间主要研究成果

致谢