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地质地球所揭示铁氧化物的鉴别和定量对成土过程的制约

归档日期:09-14       文本归类:磁赤铁矿      文章编辑:爱尚语录

  中国黄土-古土壤所记录的周期性磁性增强是利用黄土沉积物反演全球古气候环境变化的基础。虽然大多数学者认为,成土过程中次生磁性矿物的生成是古土壤磁性增强的主要机制,但对其具体的生成路径却存在较大争议。究其原因主要有三:一是无法区分成土和物源这两种不同来源的磁性矿物;二是忽略了对成土过程最终产物——赤铁矿和针铁矿的研究;三是缺乏对成土过程这一动态过程进行追踪研究的方法,进而无法得到关于成土路径的直接证据。

  针对以上问题,中科院地质与地球物理研究所特提斯研究中心博士研究生胡鹏翔及其导师刘青松研究员和其他合作者创新性地采用动态溶解分离技术,结合详细的岩石磁学和漫反射光谱学研究,对经典的洛川黄土-古土壤剖面中的铁氧化物进行了精细的鉴别和定量研究。该研究成功地鉴别出不同来源和性质的铁氧化物,包括成土亚铁磁性矿物、物源亚铁磁性矿物、成土赤铁矿、物源赤铁矿、易溶解针铁矿和难溶解针铁矿。其中最为重要的是,该研究首次给出了成土赤铁矿的磁学、光谱学性质和溶解行为。结果显示,与物源赤铁矿不同,成土赤铁矿主要富集在古土壤层位,中心剩磁矫顽力约130mT (图1a),易溶解(图1b),铝替代量较高。

  根据这些独特的性质,该研究进一步为成土赤铁矿建立了剩磁(PHIRM)和含量(PHBcr)两种量化指标,并与成土亚铁磁性矿物的量化指标(χFD)进行综合对比(图2)。结果证实,成土赤铁矿形成于成土亚铁磁性矿物之后,初始生成状态主要为SD颗粒。这一结论为近年来提出的水铁矿—亚铁磁性水铁矿(类磁赤铁矿)—赤铁矿的铁氧化物成土路径提供了迄今为止最为直接的实验证据。此外,该研究还利用动态溶解方法给出了不同磁性矿物的溶解能力,即成土赤铁矿成土亚铁磁性矿物物源磁铁矿,并发现还原条件下各磁性矿物的溶解行为主要依赖于粒径,服从SP-SD-PSD的溶解顺序,为研究自然界还原条件下磁性矿物的溶解和保存提供了理论依据。

  图1(a)典型古土壤样品的矫顽力谱;(b)黄土(蓝色)和古土壤(红色)样品中赤铁矿随铁溶解的溶解行为;在溶解第一阶段,古土壤中大量赤铁矿溶解而黄土中赤铁矿几乎不溶解,这部分易溶赤铁矿与图(a)中低矫顽力、窄分布的组分相对应,代表了成土赤铁矿

  图2(a)成土赤铁矿含量指标与成土亚铁磁性矿物之间的对比关系,正的X轴截距代表前者生成的滞后;(b)成土赤铁矿的含量指标与成土赤铁矿剩磁指标的对比,虚线指示初始生成大量SP颗粒的情况

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