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本文作者：陳駿作者單位：表生地球化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

環(huán)境變化的風(fēng)塵沉積物替代性指標(biāo)

黃土的風(fēng)成成因已經(jīng)得到證實(shí)［1］，而黃土地層以下的紅粘土的成因也隨著研究的深入獲得比較一致的認(rèn)識(shí)，即紅粘土為風(fēng)成成因［24～27］。在黃土環(huán)境研究的常用指標(biāo)中，有的在運(yùn)用到紅粘土中得到較好的效果，如游離鐵／總鐵比值［28］、粘土礦物等，但也有指示意義不明確的指標(biāo)，最典型的就是紅粘土中的磁化率。因此，在以后紅粘土的研究中，還需進(jìn)一步提取環(huán)境意義明確的指標(biāo)，這部分的工作目前正在進(jìn)行。在此，我們把在黃土和紅粘土研究中的一些較新的代用指標(biāo)作一評(píng)述。主要包括物理參數(shù)指標(biāo)、礦物指標(biāo)、元素地球化學(xué)指標(biāo)、有機(jī)地球化學(xué)指標(biāo)和同位素地球化學(xué)指標(biāo)。

1物理指標(biāo)

1)粒度

粒度較早運(yùn)用到黃土環(huán)境研究中，平均粒徑的變化指示了冬季風(fēng)強(qiáng)弱。隨著研究的深入，研究者都指出了粒度指標(biāo)應(yīng)用于環(huán)境研究中的不足，但這也促使了對(duì)粒度指標(biāo)進(jìn)一步的研究。較早的研究中，發(fā)現(xiàn)了不同粒級(jí)組分有不同的古氣候意義，洛川剖面S2上的粒度分析顯示，8μm，30μm和74μm是重要的分界線，大于30μm顆粒含量是東亞冬季風(fēng)變化的較好的代用指標(biāo)［29］。通過(guò)對(duì)黃土高原西北－東南斷面上3個(gè)黃土剖面的粒度測(cè)量［30］，結(jié)果表明不同粒級(jí)組分的古氣候意義不同，各粒級(jí)組分界限隨研究地區(qū)不同而發(fā)生變化，從黃土粒度組成中可以分離出具有全球和區(qū)域古氣候意義的顆粒組分，較粗顆粒含量與東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度變化呈正相關(guān)，具有全球意義。對(duì)黃土粒度分布研究［31］表明，黃土粒度分布由分布峰度較高、分選較好的粗粒組分和分布峰度較低、分選較差的細(xì)粒組分疊加組成；粗粒組分代表了冬季風(fēng)近距離低空搬運(yùn)的粉塵，其粒度指示了東亞冬季風(fēng)近地面氣流的強(qiáng)度，在全樣中的含量反映了冬季風(fēng)粉塵的沉積通量；細(xì)粒組分為常態(tài)存在的、由高空氣流搬運(yùn)的遠(yuǎn)源粉塵，代表黃土高原原始粉塵的本底，粒度特征與北太平洋粉塵一致，指示由西風(fēng)帶控制的高空氣流的強(qiáng)度。而對(duì)黃土－古土壤中的超細(xì)顆粒（平均0．4μm）研究［32］表明，超細(xì)粒組分的形成與成壤作用有關(guān)。由于石英不受后期成壤作用影響，對(duì)黃土中石英粒度的研究表明［33］，其反映了原始風(fēng)塵的粒度組成，因而石英的粒度組成反映冬季風(fēng)的強(qiáng)度。而丁仲禮等［34］對(duì)沙漠邊緣黃土剖面的研究，發(fā)現(xiàn)沙漠進(jìn)退是控制黃土沉積中砂粒含量變化的一個(gè)重要因素，因而提出用沙漠－黃土過(guò)渡帶風(fēng)塵沉積中砂粒百分含量變化作為指示沙漠進(jìn)退的一個(gè)指標(biāo)。運(yùn)用此指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)了3．6Ma以來(lái)毛烏素沙地在2．6、1．1和0．6Ma前后三次擴(kuò)張［35］。還有研究定義了風(fēng)化指數(shù)Gw［36］，即不同成壤強(qiáng)度樣品的全巖－石英粒度中值粒徑差值，此值越大，風(fēng)化強(qiáng)度愈強(qiáng)。

2)顏色

不同氣候帶的土壤具有不同的顏色，基于此，有研究嘗試用黃土的顏色變化來(lái)反映溫度的變化。研究發(fā)現(xiàn)，紅光亮度與反射光亮度比值的變化與磁化率和粒度的變化有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系：值越高，樣品的顏色越紅，說(shuō)明紅光／反射光比值是一個(gè)反映溫度變化的代用指標(biāo)［37］。之后，有研究建立了紅土亮度指標(biāo)［38］，亮度值的計(jì)算公式為：Y＝0．1770R＋0．8124G＋0．0106B。式中R、G和B分別為紅色、綠色和藍(lán)色激發(fā)值。應(yīng)用此指標(biāo)反映了西峰趙家川剖面氣候條件和地下水作用的狀況。白度參數(shù)也較好反映了黃土的古氣候變化，其機(jī)制是風(fēng)化成壤作用導(dǎo)致細(xì)粒級(jí)鐵氧化物含量的增高，使得白度值降低［39］。

2礦物組成指標(biāo)

1)粘土礦物

作為黃土中重要的礦物之一，粘土礦物的研究并未停滯。伊利石的結(jié)晶度反映出黃土的物質(zhì)來(lái)源，并揭示了古環(huán)境的演變［40，41］；后續(xù)對(duì)三趾馬紅土的粘土礦物研究結(jié)果［42］，支持了伊利石結(jié)晶度作為風(fēng)化成壤強(qiáng)度指標(biāo)的結(jié)論。云母／綠泥石比值在黃土和古土壤中隨粒級(jí)的減小而增大，成為判斷夏季風(fēng)強(qiáng)度的代用指標(biāo)［40］。而w（綠泥石＋高嶺石）／w（伊利石）比值也是夏季風(fēng)變化的代用指標(biāo)，與磁化率變化十分相近，其原因在于綠泥石受到化學(xué)風(fēng)化，鐵釋放出來(lái)，形成納米級(jí)的鐵氧化物，導(dǎo)致磁化率值升高，透射電鏡（TEM）分析提供了綠泥石風(fēng)化和強(qiáng)磁性礦物形成之間的成因證據(jù)［43］。還有對(duì)少見(jiàn)的粘土礦物坡縷石的研究［44］，在3．6Ma以前靈臺(tái)紅粘土中存有的大量自生坡縷石指示了強(qiáng)蒸發(fā)的干旱環(huán)境。

2)鐵氧化物礦物

在元素地球化學(xué)指標(biāo)中，游離鐵／總鐵是一個(gè)反映風(fēng)化成壤作用強(qiáng)度的指標(biāo)，但隨著成壤強(qiáng)度的變化，其中鐵氧化物礦物的相變?nèi)绾芜M(jìn)行，即具體得到不同鐵氧化物礦物的含量較為困難。通過(guò)漫反射光譜法（DRS）來(lái)研究黃土中的赤鐵礦和針鐵礦，建立反映赤鐵礦和針鐵礦含量的校準(zhǔn)方程，可以得到赤鐵礦和針鐵礦的含量［45］。赤鐵礦／針鐵礦比值可作為東亞季風(fēng)干／濕變化的敏感指標(biāo)，高值反映了干燥環(huán)境，低值指示濕潤(rùn)環(huán)境。采用此比值對(duì)南京下蜀黃土的研究［46］，結(jié)合其它多指標(biāo)很好地反映了50萬(wàn)年來(lái)長(zhǎng)江下游地區(qū)環(huán)境的演化。最近對(duì)熱帶地區(qū)溫度相對(duì)恒定、降水變化明顯的連續(xù)剖面的測(cè)試表明［47］，隨著降水量的增加，赤鐵礦含量和磁化率的值均降低，而針鐵礦含量增加，其機(jī)理在于降水量增加促使赤鐵礦和磁赤鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)獒樿F礦。這些結(jié)果為應(yīng)用鐵氧化物礦物研究風(fēng)塵環(huán)境變化提供了依據(jù)。除以上礦物指標(biāo)外，還有應(yīng)用鹽類礦物對(duì)風(fēng)塵沉積物的研究［48］。因此，不論是礦物含量的變化，還是礦物的相變，都能較好反映風(fēng)塵物質(zhì)堆積區(qū)的環(huán)境演化。

3元素地球化學(xué)指標(biāo)

事實(shí)上，黃土中的元素地球化學(xué)指標(biāo)非常多，但引起元素變化的因素復(fù)雜，應(yīng)用時(shí)需謹(jǐn)慎。對(duì)黃土樣品的連續(xù)提取實(shí)驗(yàn)［49］為應(yīng)用元素地球化學(xué)指標(biāo)重建環(huán)境變化提供了新的技術(shù)方法，連續(xù)提取將元素分為水可溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)，不同元素存在的相態(tài)明顯不同，如：K和Rb等元素，主要賦存于殘留態(tài)中，而Ca、Sr等元素主要賦存于碳酸鹽結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)中，Rb／Sr值指示了黃土和古土壤遭受的淋溶程度，是夏季風(fēng)強(qiáng)度變化的替代性指標(biāo)。早期的研究［50］表明Rb／Sr比值為揭示夏季風(fēng)變遷的替代指標(biāo)。黃土中Rb、Sr含量在不同粒級(jí)和不同相態(tài)中分布的進(jìn)一步研究，表明Rb／Sr值變化在軌道時(shí)間尺度上反映了互為消長(zhǎng)的冬季風(fēng)和夏季風(fēng)變化，洛川剖面2．6Ma以來(lái)Sr含量演化趨勢(shì)證實(shí)了高緯度冰蓋生長(zhǎng)與東亞季風(fēng)強(qiáng)度之間的耦合關(guān)系，而Rb含量反映成壤作用對(duì)磁化率升高有貢獻(xiàn)［51］。酸溶實(shí)驗(yàn)［52］證明1mol／L的醋酸溶液能夠很好溶解黃土－古土壤中的碳酸鹽，而對(duì)硅酸鹽礦物基本不溶解。淋溶液中的Ca、Mg、Sr、Mn含量能和磁化率曲線很好對(duì)應(yīng)，表明它們是良好的代用指標(biāo)。在尋找一個(gè)不受風(fēng)力分選作用影響的化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)時(shí)，發(fā)現(xiàn)黃土中酸不溶物的Fe／Mg比值直接可以指示風(fēng)化成壤強(qiáng)度，風(fēng)力分選作用使Fe、Mg含量趨向于在細(xì)粒級(jí)中富集，而在夏季風(fēng)控制的風(fēng)化成壤作用中，F(xiàn)e和Mg發(fā)生分離，F(xiàn)e在風(fēng)化剖面中殘留，而Mg卻被淋失，因而Fe／Mg比值可以指示成壤強(qiáng)度［53］。專門針對(duì)黃土中酸不溶物的元素的研究［54］，表明（CaO＋MgO＋Na2O）／TiO2比值對(duì)氣候條件變化具有相對(duì)較高的敏感性，且受沉積速率的影響較小，在源區(qū)風(fēng)化狀況相對(duì)穩(wěn)定的前提下，（CaO＋MgO＋Na2O）／TiO2比值能很好反映夏季風(fēng)的變化。通過(guò)對(duì)分粒級(jí)的元素含量測(cè)試［55］，發(fā)現(xiàn)在小于50μm的各粒級(jí)樣品SiO2／Al2O3值與粒度呈明顯正相關(guān)，累積含量占全巖98％以上，全巖樣品SiO2／Al2O3值無(wú)論在黃土中還是在古土壤中基本上反映了原始風(fēng)塵顆粒大小，因此，SiO2／Al2O3值為很好的冬季風(fēng)強(qiáng)度替代指標(biāo)。國(guó)內(nèi)較早應(yīng)用電子順磁共振（EPR）法對(duì)黃土進(jìn)行研究［56］，發(fā)現(xiàn)黃土中Mn2＋的EPR信號(hào)可能是一種反映東亞夏季風(fēng)變化的代用指標(biāo)。Mn2＋主要賦存于碳酸鹽礦物中，黃土中有Mn2＋信號(hào)，而古土壤中沒(méi)有Mn2＋，表明黃土－古土壤是處于還原－氧化交替的環(huán)境中，EPR波譜信號(hào)可以用來(lái)反演古環(huán)境［57］。在蝸牛殼中應(yīng)用EPR波譜信號(hào)［58］，發(fā)現(xiàn)黃土層中蝸牛殼的信號(hào)強(qiáng)度大于古土壤，即黃土中蝸牛殼所含的Mn2＋遠(yuǎn)大于古土壤中的蝸牛殼的Mn2＋的含量，反映出前者在比較還原的條件，而后者處于氧化性較高的環(huán)境。蝸牛殼中Mn2＋的含量反映其生長(zhǎng)環(huán)境中Mn2＋的含量和氧化還原條件，指示古氣候環(huán)境。

4有機(jī)地球化學(xué)指標(biāo)

近十余年的黃土有機(jī)地球化學(xué)研究發(fā)展較快，除了對(duì)生物化石有機(jī)碳、氧同位素研究外，新開(kāi)拓了有機(jī)分子地球化學(xué)、氮同位素以及有機(jī)元素地球化學(xué)方面的研究。

1)生物化石

植物硅酸體是黃土環(huán)境研究中的一個(gè)重要的指標(biāo)［59～61］。主要是基于植硅體的類型組合與植被的關(guān)系，進(jìn)而反演氣候環(huán)境［62］。最近對(duì)不同科屬植硅體的形態(tài)特征研究將植硅體指標(biāo)的應(yīng)用推向深入［63，64］。蝸牛化石較早在黃土環(huán)境研究中得到運(yùn)用。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，對(duì)蝸?；难芯砍炕较虬l(fā)展，包括特征種屬的出現(xiàn)、分布、豐度及最佳生存條件等。在紅粘土中這些蝸?；癁樵锶郝?，反映了當(dāng)時(shí)沉積的環(huán)境，蝸?；慕M成（生物群落）和蝸?；纳锪浚▊€(gè)體總數(shù)），都是古環(huán)境演化的代用指標(biāo)［65，66］。而秦安中新世黃土－古土壤序列中的蝸?；煞譃槔涓珊蜏貪駜蓚€(gè)生態(tài)類群，其中Metodonitia類和athaica類的種類演化為環(huán)境變化的敏感指標(biāo)［67］。此外，由于蝸?；跬凰胤逐s的因素，使得蝸?；跬凰乜赡軕?yīng)用于夏季風(fēng)強(qiáng)度變化的研究中［68，69］。

2)有機(jī)分子化石

在國(guó)內(nèi)，早期通過(guò)蘭州九洲臺(tái)黃土剖面的分子化石中烷烴指標(biāo)的研究表明［70］原地源的正構(gòu)烷烴分布反映出末次間冰期以來(lái)發(fā)育的是草原植被景觀，全新世最暖期可能有一定的木本植物，末次冰期可能出現(xiàn)了荒漠（草原）植被，這個(gè)結(jié)果與較早植物硅酸體證據(jù)相吻合［61］。研究還顯示，溫度變化在黃土高原的C4植物演化中起到重要作用［71］。由于植物葉蠟正構(gòu)烷烴組分能在地質(zhì)體中長(zhǎng)久保存，并能記錄歷史時(shí)期植被變化特征，對(duì)古土壤中的正構(gòu)烷烴進(jìn)行了分析［72，73］，結(jié)果顯示黃土高原植被的植物葉蠟組分變化響應(yīng)于氣候環(huán)境的變化，正構(gòu)烷烴顯示3．3Ma木本植物減少，草本植物增加，可能指示了晚新生代3．5Ma左右的中國(guó)內(nèi)陸的干旱化。對(duì)分子化石中的α－正構(gòu)脂肪酮的研究顯示，α－正構(gòu)脂肪酮雖遠(yuǎn)不如其它脂肪族化合物普遍，但其廣泛分布于地質(zhì)體中，是在成巖／成土過(guò)程中形成［74］。α－正構(gòu)脂肪酮的碳優(yōu)勢(shì)指數(shù)（CPI值）能夠反映出中國(guó)南方紅土層中的旋回性變化，亦即隨著成土作用的增強(qiáng)，CPI值呈現(xiàn)降低。因此，古土壤脂肪酮CPI值可揭示受氣候驅(qū)動(dòng)的微生物作用，進(jìn)而反映古氣候的變化。通過(guò)對(duì)洛川剖面S4古土壤及相鄰L5，L4部分黃土樣品的分子化石的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了正構(gòu)烷烴平均碳鏈長(zhǎng)度（ACL）與磁化率和粒度之間存在良好的正相關(guān)性，土壤形成期間ACL值較大，在黃土堆積階段，ACL值較小，因此通過(guò)ACL可反映古環(huán)境的變化［75］。

3)有機(jī)氮同位素

黃土高原中西部不同環(huán)境下現(xiàn)代植物和相應(yīng)土壤氮同位素的研究表明，土壤與植物有相近的變化趨勢(shì)，但土壤的氮同位素組成較植物根的氮同位素要偏正，即植物分解過(guò)程中氮同位素存在分餾；氮同位素對(duì)降水和溫度變化有明顯的響應(yīng)，在沿西北到東南方向，年平均降水每增加100mm可能導(dǎo)致土壤氮同位素組成偏負(fù)約1．31‰，隨溫度的增加，土壤氮同位素也趨向偏負(fù)；在降水和溫度共同增加的影響下，植物根系、植物殘?bào)w和土壤的氮同位素偏負(fù)，認(rèn)為降水是該地區(qū)植物－土壤氮同位素變化的主要控制因素［76］。

4)有機(jī)元素地球化學(xué)

將TOC、TN、C／N指標(biāo)應(yīng)用到黃土研究中，結(jié)果表明黃土中TOC、TN和C／N比值與磁化率良好對(duì)應(yīng)，古土壤層的TOC和TN含量及C／N比值相對(duì)黃土層偏高，而TN含量值波動(dòng)很小，認(rèn)為C／N比值在黃土高原地區(qū)主要反映上覆植被TOC的輸入，即指示上覆植物生物量的大?。?7］。除了以上有機(jī)地球化學(xué)方面的研究外，黃土中植物碳屑的研究也取得了進(jìn)展。通過(guò)23種現(xiàn)代植物碳屑的觀察、測(cè)量［78］，發(fā)現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)代植物碳屑形態(tài)的長(zhǎng)寬比（L／W）和形態(tài)特征可分為3個(gè)類型，草本型碳屑，L／W最大，平均10．2±1．3；木本型碳屑（灌木＋喬木），L／W較小，平均3．1±0．2；闊葉類植物葉片碳屑，L／W最小，平均1．7±0．1。通過(guò)黃土高原渭南剖面S1以來(lái)12個(gè)地層樣品的碳屑形態(tài)的分析，表明碳屑形態(tài)是古生態(tài)類型的良好指標(biāo)。此外，關(guān)于C4植物的擴(kuò)長(zhǎng)和收縮的原因一直是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)，通過(guò)對(duì)黃土高原最后兩次冰期－間冰期轉(zhuǎn)換期間正構(gòu)烷烴碳同位素的測(cè)試研究表明δ13C偏負(fù)［72］（C4植物豐度的降低）。盡管當(dāng)時(shí)黃土高原pCO2較低和干旱度增加，但溫度降低是主要因素。當(dāng)然，濕度在黃土高原北部的C4植物豐度變化中有時(shí)也起到重要作用［79］。

5同位素地球化學(xué)指標(biāo)

相比地球化學(xué)元素，同位素有更好的示蹤效果，其氣候環(huán)境意義也較為明確。

1)碳氧同位素

碳酸鹽作為黃土的重要組成部分，一直為研究者孜孜不倦的研究對(duì)象，碳酸鹽中碳、氧穩(wěn)定同位素，也一直為研究者感興趣。早期建立了次生碳酸鹽δ18O值與古土壤形成時(shí)的古溫度的線性關(guān)系，利用土壤碳酸鹽碳同位素值估算了土壤C3和C4植物相對(duì)生物量，土壤碳酸鹽δ13C值與土壤形成時(shí)干燥度具有數(shù)量關(guān)系［15，80］。對(duì)現(xiàn)代植物和表層土壤中植物硅酸體碳同位素的研究發(fā)現(xiàn)C3、C4植物硅酸體的碳同位素值與C3，C4植物的碳同位素值具很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，植物硅酸體的碳同位素可以明確區(qū)分出植物的光合作用途徑，這表明植物硅酸體的碳同位素同樣具有指示氣候環(huán)境的意義［81］。最近通過(guò)對(duì)中國(guó)典型干旱區(qū)表土分粒級(jí)樣品的碳氧同位素測(cè)試［82］，發(fā)現(xiàn)隨著粒級(jí)的減小，氧同位素逐漸偏正，碳同位素逐漸偏負(fù)，認(rèn)為細(xì)粒組分中次生碳酸鹽相對(duì)比例大，粗粒組分中原生碳酸鹽相對(duì)占優(yōu)勢(shì)，次生碳酸鹽氧同位素可能受蒸發(fā)的控制，碳同位素更多受植被的影響，因此，干旱區(qū)表土細(xì)粒組分碳酸鹽能更好反映成壤過(guò)程中次生碳酸鹽形成時(shí)期的氣候環(huán)境信息。

2)鍶同位素

對(duì)黃土中的Sr同位素有較深入研究，通過(guò)酸溶的對(duì)比實(shí)驗(yàn)［83］，提取出了黃土中碳酸鹽組分，得到黃土中碳酸鹽組分Sr同位素的變化，在黃土碳酸鹽－弱成壤碳酸鹽－古土壤碳酸鹽－純次生碳酸鹽中87Sr／86Sr依次升高。而對(duì)黃土酸不溶物中的87Sr／86Sr比值的測(cè)試發(fā)現(xiàn)在洛川剖面中古土壤中酸不溶物的87Sr／86Sr值高于黃土層［84］。酸溶的碳酸鹽及酸不溶物中的87Sr／86Sr比值變化的機(jī)理為：黃土層碳酸鹽大多為原生碎屑成因，為海相碳酸鹽，其87Sr／86Sr值較低，弱成壤至古土壤層碳酸鹽逐步轉(zhuǎn)為次生，經(jīng)過(guò)淋溶作用硅酸鹽組分高87Sr／86Sr值轉(zhuǎn)移到次生碳酸鹽中，導(dǎo)致形成的次生碳酸鹽87Sr／86Sr值升高；而酸不溶物中隨著成壤作用的加強(qiáng)，碳酸鹽組分的淋失，其87Sr／86Sr值也逐步升高。所以無(wú)論是碳酸鹽組分，還是酸不溶物中的87Sr／86Sr值變化，都反映了風(fēng)化成壤作用強(qiáng)度的變化，可成為風(fēng)塵沉積的環(huán)境替代性指標(biāo)。

風(fēng)塵沉積物源的示蹤

對(duì)風(fēng)塵沉積物源示蹤可以揭示風(fēng)成沉積物產(chǎn)生和搬運(yùn)的機(jī)制，預(yù)測(cè)風(fēng)塵的環(huán)境效應(yīng)，指導(dǎo)當(dāng)今的沙塵治理。在目前的風(fēng)塵物源研究中，黃土高原黃土的物源確認(rèn)、長(zhǎng)距離亞洲風(fēng)塵的傳輸搬運(yùn)過(guò)程、物源區(qū)物質(zhì)的變化與氣候長(zhǎng)期變化、青藏高原隆升，以及現(xiàn)代風(fēng)塵物質(zhì)來(lái)源的準(zhǔn)確判斷，都是熱點(diǎn)問(wèn)題。比如：黃土高原的黃土很可能來(lái)自于祁連山和戈壁阿爾泰山之間的干旱區(qū)［85～87］；北太平洋沉積物和格陵蘭冰芯中有亞洲風(fēng)塵物質(zhì)的輸入［88，89］；北京現(xiàn)代風(fēng)塵物源與地質(zhì)時(shí)期有較大的差別［90］等。目前，風(fēng)塵物源示蹤中，運(yùn)用到的地球化學(xué)指標(biāo)包括礦物特征、元素、同位素和單礦物地球化學(xué)等。

1礦物特征

基于黃土中粘土礦物伊利石類型和結(jié)晶度的研究［40］，得到黃土高原黃土伊利石來(lái)源于青藏高原北緣低變質(zhì)巖體系的認(rèn)識(shí)。不同研究者對(duì)碳酸鹽礦物的研究發(fā)現(xiàn)，潛在源區(qū)沉積物和現(xiàn)代沙塵中的碳酸鹽含量變化很大，可以作為潛在物源示蹤的指標(biāo)［91～93］。雖然碳酸鹽礦物在分粒級(jí)過(guò)程中易粉碎細(xì)化，但基于全粒級(jí)的含量分析可以根據(jù)粒度效應(yīng)進(jìn)行估算。研究人員利用XRD得到的礦物相對(duì)含量，建立了最強(qiáng)衍射峰方解石／石英、白云石／石英比值來(lái)示蹤物源［85］，源區(qū)方解石／石英最強(qiáng)峰比值大于0．05，白云石／石英最強(qiáng)峰比值大于0．02，滿足黃土高原黃土碳酸鹽礦物含量特征，基于此得到塔里木、祁連山山麓和阿拉善干旱區(qū)的物質(zhì)是黃土高原黃土潛在物源的認(rèn)識(shí)。此外，還有研究采用伊利石／高嶺石和高嶺石／綠泥石比值研究中國(guó)北方大氣懸浮物的物源，取得了較好的結(jié)果［94］。

2元素地球化學(xué)

地表物質(zhì)被剝蝕后，通過(guò)搬運(yùn)、傳輸，最終在適合的區(qū)域沉積下來(lái)，之后經(jīng)過(guò)表生的地球化學(xué)作用。在這一系列過(guò)程中，不同元素表現(xiàn)各自的地球化學(xué)行為，盡管如此，研究者還是尋找到能示蹤物源的元素特征。通過(guò)對(duì)佳縣紅粘土的主量、微量和稀土元素的分析表明其與晚更新世的黃土物質(zhì)組成一致，指出紅粘土為風(fēng)成成因，紅粘土和黃土在沉積之前都經(jīng)過(guò)了多次的混合，而紅粘土與黃土在L1－S1地層元素組成的相似性，表明在5．0Ma以前的物源區(qū)的環(huán)境基本穩(wěn)定［25］。基于礦物、同位素和元素比值（Eu／Yb，Eu／Eu＊）等的研究，認(rèn)為西北三大盆地（準(zhǔn)噶爾、塔里木和柴達(dá)木盆地）不是黃土高原黃土的物源區(qū)，蒙古國(guó)南部和緊鄰的戈壁、沙漠，包括巴丹吉林、騰格里、烏蘭布和、庫(kù)布齊和毛烏素沙漠是黃土的主要物源區(qū)，且這些戈壁和沙漠只是粉塵和粉砂的中轉(zhuǎn)地，并非物源產(chǎn)生地，戈壁阿爾泰山和祁連山的高山過(guò)程產(chǎn)生的物質(zhì)才是黃土的物源［87］。通過(guò)對(duì)黃土和沙漠樣品元素特征的深入研究［95］，選定一些能反映源區(qū)特征的元素對(duì)比值，包括Ti／Al，Ti／Nb，Zr／Hf，Ti／Zr，Al／Na，Ba／Sr，K／Na，Rb／Sr，Th／Pb，Nb／Zr，Th／Co和Mg／Ca，認(rèn)為在末次冰期旋回中，來(lái)自黃土高原不同剖面與黃土高原西北巴丹吉林沙漠剖面的樣品的特征元素比值存在明顯的不同，基于現(xiàn)代沙塵暴研究的結(jié)果，認(rèn)為黃土高原的黃土物質(zhì)來(lái)源于祁連山南麓富集粉砂質(zhì)的山前沖積扇。采自2004年7月至2006年4月帕米爾高原慕士塔格山上的氣溶膠樣品的主量元素的比值Ca／Al（～0．7）和Fe／Al（～0．7）與其它地方樣品的不同，因而可能作為源區(qū)示蹤指標(biāo)［96］。La／Th（平均2．30～2．36）和Th／U（平均2．75～3．11）為典型的風(fēng)塵沉積物，具有富輕稀土，貧重稀土，負(fù)銪異常。采集的樣品元素比值高度的均一性表明區(qū)域粉塵得到了充分混合，而與同屬西風(fēng)影響的中天山采集的樣品元素比值差別明顯，表明二者物源不同。此結(jié)果揭示在亞洲內(nèi)陸干旱區(qū)粉塵的物源存在不同地點(diǎn)至區(qū)域的差別，為基于亞洲風(fēng)塵的觀察建立氣候模型提供了限制條件。

3同位素

在物源示蹤研究中，同位素由于其穩(wěn)定性，一般不易在表生地球化學(xué)作用過(guò)程中發(fā)生改變，因而成為良好的示蹤指標(biāo)。應(yīng)用到風(fēng)塵系統(tǒng)中的同位素包括Nd、Sr、Pb、Hf和Os等同位素，目前應(yīng)用最廣的是Nd－Sr同位素，Pb、Hf、Os等正在嘗試中。

1)Nd－Sr同位素

Liu等［97，98］較早在國(guó)內(nèi)運(yùn)用Nd－Sr同位素探討黃土的物源，其結(jié)果認(rèn)為塔克拉瑪干沙漠是黃土的重要源區(qū)。之后，運(yùn)用Nd－Sr同位素研究8Ma以來(lái)紅粘土－黃土的Nd、Sr同位素的變化，發(fā)現(xiàn)在2．58Ma前Nd和Sr同位素均發(fā)生明顯的降低，指示當(dāng)時(shí)氣候變冷，晚新生代的構(gòu)造抬升及冰川對(duì)年輕造山帶的磨蝕，導(dǎo)致物源的變化［99］。對(duì)靈臺(tái)剖面～7Ma以來(lái)的Nd－Sr同位素研究表明，εNd（0）在7Ma以來(lái)保持穩(wěn)定，指示紅粘土和黃土的物源一致，酸不溶物Sr同位素揭示冬季風(fēng)在百萬(wàn)年時(shí)間尺度上的變化［100］。對(duì)更多的Sr－Nd同位素?cái)?shù)據(jù)分析后認(rèn)為，塔里木盆地、內(nèi)蒙古中西部沙漠、青藏高原是黃土的主要源區(qū)［101］。研究者系統(tǒng)采集了中國(guó)10個(gè)主要沙漠或沙地樣品［102］，以及在黃土高原西峰、環(huán)縣和洛川剖面采集了馬蘭黃土樣品，通過(guò)選擇合適的粒級(jí)和樣品處理方法，對(duì)樣品酸不溶物進(jìn)行了Nd和Sr同位素組成的測(cè)定，結(jié)果表明，中國(guó)沙漠的Nd同位素組成εNd（0）可分為A1：古爾班通古特沙漠、呼倫貝爾沙地（－1．2～－4．0）；A2：渾善達(dá)克沙地、科爾沁沙地（－4．4～－7．0）；B：塔克拉瑪干沙漠、柴達(dá)木沙漠、阿拉善高原（巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠）；（－7．4～－11．7）；以及C：鄂爾多斯高原（毛烏素沙漠和庫(kù)布齊沙漠）（－11．8～－17．2）；基于此，認(rèn)為黃土高原黃土物質(zhì)可能最終來(lái)源于青藏高原東北緣。有研究把潛在源區(qū)樣品分為小于75μm和小于5μm兩個(gè)粒級(jí)［85］，粒度效應(yīng)主要體現(xiàn)在小于2μm粒級(jí)，其87Sr／86Sr比值比全粒級(jí)高出一般不超過(guò)0．006，其余粒級(jí)Sr同位素組成與全巖相當(dāng)．黃土小于2μm組分含量小于15％，Sr含量是其它粒級(jí)的2／3左右。在極端情況下，小于2μm含量變化范圍為0～15％，粒度變化對(duì)黃土硅酸鹽組分87Sr／86Sr比值的影響小于0．001，遠(yuǎn)小于潛在源區(qū)物質(zhì)Sr同位素的變化范圍，因而對(duì)Sr同位素物源示蹤影響不大。通過(guò)對(duì)黃土高原中西部和東部的Sr－Nd同位素的測(cè)定［103］，認(rèn)為黃土高原內(nèi)部?jī)蓚€(gè)區(qū)域的物質(zhì)來(lái)源存在差異。最近對(duì)黃土高原黃土、河西走廊和青藏高原東北部黃土、河床沙和湖泥樣的Nd－Sr同位素測(cè)試［104］，表明青藏高原東北部、巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠可能是黃土高原黃土的源區(qū)，而黃土高原黃土、巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠里沙漠物質(zhì)可能最終都來(lái)源于青藏高原東北部。進(jìn)一步對(duì)中國(guó)各地黃土進(jìn)行的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)中國(guó)北方從西到東9個(gè)剖面黃土的Nd－Sr同位素組成在冰期－間冰期尺度上相對(duì)穩(wěn)定，中國(guó)北方黃土Nd－Sr同位素組成區(qū)域特征明顯［86，105］，這一點(diǎn)也與已有的結(jié)果一致［102］。黃土與潛在源區(qū)Nd－Sr同位素對(duì)比［85，86］指示中國(guó)黃土均來(lái)自其上風(fēng)向臨近干旱區(qū)，具有近源性，與黃土含大量粉砂粒級(jí)相一致，所揭示的風(fēng)塵搬運(yùn)路線與地面盛行風(fēng)向一致。伊犁黃土與天山剝蝕物類似；塔里木盆地和準(zhǔn)格爾盆地南緣黃土分別來(lái)自塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠；青藏高原三江源黃土來(lái)自本地沙區(qū)；祁連東南緣黃土來(lái)自柴達(dá)木和祁連山南麓；河西走廊黃土與祁連山北麓沖積物一致；陜甘黃土高原黃土來(lái)自其西北上風(fēng)向祁連山與戈壁阿爾泰山之間的廣袤干旱區(qū)；山西黃土物源與陜甘黃土接近，并在搬運(yùn)過(guò)程中疊加了鄰近上風(fēng)向鄂爾多斯干旱區(qū)少量物質(zhì)；東北黃土與渾善達(dá)克沙地和科爾沁沙地物質(zhì)特征接近；北京黃土處于山西黃土和東北黃土之間，物源為此兩處黃土物源的混合。

2)其它同位素

除Nd－Sr同位素外，Pb同位素應(yīng)用于物源研究中的報(bào)道較多，Hf同位素的應(yīng)用在國(guó)外有報(bào)道［106，107］，而國(guó)內(nèi)還沒(méi)有。Os同位素的應(yīng)用情況和Hf一樣，在國(guó)外有應(yīng)用。此外，也有應(yīng)用碳酸鹽穩(wěn)定碳氧同位素進(jìn)行風(fēng)塵物源示蹤的研究［92］。對(duì)中國(guó)北方沙塵源區(qū)風(fēng)成沙的Pb同位素的研究表明，中國(guó)北方沙塵源區(qū)風(fēng)成沙Pb同位素的空間分布具有明顯的區(qū)域差異［108］，毛烏素沙地具有最低的206Pb／204Pb、207Pb／204Pb和208Pb／204Pb值，塔克拉瑪干沙漠具有最大的206Pb／204Pb、207Pb／204Pb和208Pb／204Pb值，其它地區(qū)介于兩者之間。Pb同位素在中國(guó)北方黃土、格陵蘭冰芯粉塵和北太平洋深海沉積物源區(qū)示蹤方面具有較好的應(yīng)用。對(duì)黃土高原涇川剖面風(fēng)塵物硅酸鹽組分Pb同位素的測(cè)試表明，新近紀(jì)紅粘土和第四紀(jì)風(fēng)塵沉積物有差別［109］，再次證實(shí)了運(yùn)用Nd－Sr同位素得到的結(jié)果，即2．6Ma前后的物源發(fā)生了變化。此外，對(duì)渾善達(dá)克沙地末次盛冰期以來(lái)的樣品進(jìn)行測(cè)試時(shí)，應(yīng)用了Hf同位素進(jìn)行示蹤［110］（具體內(nèi)容詳見(jiàn)后面的單礦物地球化學(xué)中）。

3)單礦物地球化學(xué)

近年來(lái)，單顆粒鋯石U－Pb定年技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用到各類沉積物的物源示蹤。鋯石在表生循環(huán)中非常穩(wěn)定，U－Pb同位素體系較為封閉，物源指示意義明確。單顆粒鋯石U－Pb定年示蹤技術(shù)主要通過(guò)測(cè)試和對(duì)比沉積物與潛在源區(qū)物質(zhì)鋯石顆粒的年齡分布譜，從而圈定源區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)北方數(shù)個(gè)沙漠之間鋯石年齡譜差異明顯，具有區(qū)分各潛在風(fēng)塵源區(qū)的能力［110］。通過(guò)對(duì)渾善達(dá)克沙地末次冰盛期（LGM）以來(lái)沙樣的碎屑鋯石原位U－Pb年齡和Hf同位素組成的分析，并與周圍可能源區(qū)的巖石年齡和Hf同位素組成進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)渾善達(dá)克沙樣的U－Pb年齡主要可以分為3組（2．6～2．3Ga，2．2～1．6Ga和顯生宙100～500Ma）。其中較老的兩組和具有負(fù)εHf（t）值的顯生宙鋯石可能來(lái)源于華北克拉通北部的燕山褶皺帶，而具有正εHf（t）值的顯生宙鋯石可能來(lái)源于中亞造山帶東部。碳酸鹽礦物中的元素組成也具有示蹤物源的功能。通過(guò)電子探針測(cè)試［86］表明，黃土和潛在源區(qū)碎屑方解石中Mn含量很高，碎屑碳酸鹽風(fēng)化溶解釋放出的Mn2＋在氧化條件下迅速沉淀，導(dǎo)致次生碳酸鹽中幾乎不含Mn，Mg與Mn的情況類似。黃土原生碳酸鹽Mg／Ca和Mn／Ca比值較高，次生碳酸鹽Mg／Ca和Mn／Ca比值趨近于零，Mg／Ca和Mn／Ca的高比值指向原始風(fēng)塵成分，而只有祁連山麓和阿拉善高原干旱區(qū)的碳酸鹽Mg／Ca和Mn／Ca比值能達(dá)到黃土原生碳酸鹽中Mg／Ca和Mn／Ca比值。對(duì)中國(guó)北方沙漠中石英的δ18O值的研究表明，其值存在明顯差異，有變質(zhì)成因，有巖漿成因［111］。石英的δ18O值的區(qū)域差異是由于不同沙源造成，因而具有示蹤功能。對(duì)中國(guó)北方和蒙古南部的9個(gè)戈壁、沙漠石英進(jìn)行了電子自旋信號(hào)強(qiáng)度和結(jié)晶度的研究，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)指標(biāo)能有效區(qū)分不同戈壁、沙漠的石英樣品，是物源示蹤的良好指標(biāo)［112］。兩個(gè)指標(biāo)揭示出塔克拉瑪干、古爾班通古特、巴丹吉林、騰格里沙漠和蒙古南部戈壁的細(xì)粒碎屑物質(zhì)來(lái)源于附近構(gòu)造抬升風(fēng)化和冰川磨蝕的高山過(guò)程；毛烏素沙漠細(xì)粒物質(zhì)來(lái)源于下伏鄂爾多斯高原剝蝕的物質(zhì)；庫(kù)布齊沙漠細(xì)粒物質(zhì)則來(lái)源于黃河中游河床物質(zhì)；渾善達(dá)克和科爾沁沙地的細(xì)粒物質(zhì)來(lái)源于遠(yuǎn)源沙漠和（或）臨近的大興安嶺剝蝕物質(zhì)的混合。利用黃土中白云石的碳氧同位素組成也能很好示蹤物源［85］。前述已提及，通過(guò)碳酸鹽含量，特別是白云石含量可進(jìn)行黃土高原的物源限定，而通過(guò)白云石碳氧同位素可進(jìn)一步縮小黃土高原黃土的物源區(qū)，結(jié)果顯示，黃土高原黃土的物源區(qū)限定為塔里木、祁連山山麓和阿拉善干旱區(qū)。

展望

前述總結(jié)了新世紀(jì)以來(lái)亞洲風(fēng)塵系統(tǒng)地球化學(xué)研究的進(jìn)展。總體上，從風(fēng)塵沉積揭示的古環(huán)境演化方面有很多新發(fā)現(xiàn)，對(duì)礦物在表生循環(huán)中的變化有新的認(rèn)識(shí)，揭示了各種礦物中元素的地球化學(xué)行為；對(duì)特定的礦物研究，如鐵氧化物的研究，也有新的認(rèn)識(shí)；有機(jī)地球化學(xué)展示出新的活力，無(wú)論是從有機(jī)碳、氮同位素的研究，還是從生物化石、分子化石的研究，顯示出很大的潛力。在風(fēng)塵物源示蹤方面，新方法、成果不斷涌現(xiàn)，各種認(rèn)識(shí)、觀點(diǎn)不斷碰撞，呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。展望未來(lái)，揭示風(fēng)塵沉積的古環(huán)境變化研究需要地球化學(xué)強(qiáng)有力的支持。地球化學(xué)氣候指標(biāo)的環(huán)境指示意義需要從礦物學(xué)、元素地球化學(xué)、生物活動(dòng)影響等方面進(jìn)行深入的研究，找到各種影響因素，評(píng)價(jià)主導(dǎo)因素，并盡可能建立定量化的關(guān)系。在這方面，分子化石方向的研究值得期待。從目前發(fā)展來(lái)看，找到新的環(huán)境變化替代指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前研究的需要，建立各種指標(biāo)與氣候參數(shù)，如降水、氣溫、干燥度、風(fēng)力強(qiáng)度等的定量關(guān)系成為發(fā)展趨勢(shì)。紅粘土的研究是風(fēng)塵研究中的重要內(nèi)容，紅粘土雖然也為風(fēng)塵沉積，但其性質(zhì)與黃土有一定差別，目前的研究得到了一些新的代用指標(biāo)，但這仍顯不夠，因此，針對(duì)紅粘土的代用指標(biāo)有待深入。此外，對(duì)紅粘土的物質(zhì)來(lái)源，紅粘土沉積時(shí)大氣環(huán)流狀況，不同氣候系統(tǒng)的發(fā)育演變情況，都需要展開(kāi)更廣泛的研究。事實(shí)上，亞洲風(fēng)塵系統(tǒng)包括了中亞、蒙古、西亞乃至北亞區(qū)域分布的荒漠區(qū)域的地表物質(zhì)，因此，對(duì)亞洲風(fēng)塵的沉積必須從國(guó)內(nèi)走向國(guó)外，這需要展開(kāi)國(guó)際合作，完成對(duì)中亞風(fēng)塵的深度研究。在風(fēng)塵物源示蹤方面已使用了很多地球化學(xué)方法，但深入系統(tǒng)的工作還較少，在研究方法上還需從大氣環(huán)流、地貌證據(jù)，礦物特征等方面綜合分析。在風(fēng)塵物質(zhì)產(chǎn)生過(guò)程方面，需要調(diào)查風(fēng)塵沉積、現(xiàn)代風(fēng)塵和所有潛在源區(qū)物質(zhì)的特征，仔細(xì)分辨選用的地球化學(xué)指標(biāo)蘊(yùn)含的地質(zhì)意義及多解性，謹(jǐn)慎分析風(fēng)力分選、沉積成壤作用，以及樣品處理過(guò)程中可能的不確定性因素。從研究的趨勢(shì)看，樣品前處理中已從全巖組分轉(zhuǎn)變到特定組分（如硅酸鹽組分）和特定的粒級(jí)組分，再到單礦物的地球化學(xué)階段。需要指出，碎屑單礦物，特別是石英等主要造巖礦物的地球化學(xué)組成的物源指示明確，基本不受風(fēng)力分選和成壤作用的影響，是物源示蹤的良好指標(biāo)，但單礦物示蹤指標(biāo)的基本原理和研究程度還有待進(jìn)一步的加強(qiáng)。在干旱區(qū)，由于不同荒漠物質(zhì)粒度組成差異明顯，因此在潛在源區(qū)的研究中，應(yīng)選用細(xì)粒級(jí)組分?，F(xiàn)代風(fēng)塵研究表明，沙塵事件的起源區(qū)和傳播路徑具有復(fù)雜性，同一次沙塵過(guò)程影響不同地點(diǎn)，其Sr－Nd同位素值也有明顯差異，與源區(qū)的不均一性和風(fēng)塵傳播過(guò)程中其它物質(zhì)的混染有關(guān)。因此，現(xiàn)代沙塵的研究需要長(zhǎng)期的觀測(cè)和分析，基于不同觀測(cè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)分析，建立沙塵輸送的模型。