徐　乔

(西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)



浅析黄土
—古土壤磁化率影响因素及对古气候的指示意义

徐乔

(西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

[摘要]简要论述影响中国黄土磁化率的机制及其影响因素，主要包括源区(本底值)、成壤作用、有机质的含量、和细菌作用等，并综合分析这些因素对古环境的指示意义，认为黄土—古土壤磁化率的高低是在气候条件为主导的作用下多种因素参与的结果，并且黄土—古土壤序列磁化率与成壤的关系不一定适用于大空间尺度的其它气候区。

[关键词]黄土—古土壤；磁化率；影响因子；古气候

我国黄土是由多层黄土与多层古土壤叠覆而形成的, 也称“黄土古土壤”序列，它能够反映陆相地层中古气候的演化。黄土古土壤序列对于认识第四纪地球气候与环境变化具有重要的意义，也是其三个重要信息载体之一，目前有大量研究都以黄土古土壤序列作为研究手段，对东亚季风气候的形成和演化及影响其变化的因素和机制、第四纪历史中出现的气候突变事件以及对我国内陆干旱化气候历史的反演都具有极大的作用[1]。有大量研究显示土壤磁化率的高低和土壤化的强弱存在联系，并由此反演沉积物形成时的气候情况。近年来，不少研究者将黄土剖面的磁化率曲线与深海沉积物的氧同位素记录曲线进行对比，该方法在第四纪古气候研究中应用中取得了较好的效果，但由于磁化率的形成机制较为复杂，对不同类型沉积物磁化率进行的解释可能存在较为明显的差异[2-4]，且有多种因素共同影响着磁化率的高低，在使用黄土磁化率作为恢复古气候的替代指标时应更加慎重。

图1　磁铁矿的磁化率(单位重量)与

1黄土磁化率差异形成机制

中国黄土中的大部分矿物质都具有一定的磁化率[5],在这些矿物中，铁磁性矿物的磁化率一般要比其他矿物高出很多个数量级，而弱磁性矿物对黄土磁化率的影响几乎是可以忽略不计的。也就是说,磁铁矿和磁赤铁矿决定了黄土的磁化率高低，虽然它们的含量很少，但对其磁化率的大小具有决定性的作用[5]。

影响黄土磁化率大小的因素除了磁铁矿、磁赤铁矿的含量外，这些矿物粒径的大小也是很重要的影响因素。从图1中我们可以看到，磁铁矿在0.03～0.01 μm和125～16 μm处呈现出两个峰值,其中前者的峰值明显高于后者[5],这就说明，在磁铁矿含量不变的情况下，粒径变小至0.01～0.03 μm 时就会成为超顺磁颗粒，这种颗粒也会导致磁化率成倍增加(见图1)。

2我国黄土-古土壤磁化率与第四纪

古气候关系

在以往的研究中，研究者们普遍认为古土壤与黄土分别代表了两类不同的气候环境，具体表现为：古土壤的磁化率较高，说明其土壤化程度较强，所以代表了较为温暖潮湿的气候，而黄土的磁化率较低，所以代表的是较为干燥寒冷的气候，其机制为温湿程度较强的地区的土壤中会生成较多的磁性矿物，且这种磁性矿物的粒径较小，使得磁化率增高，而干旱的地区则刚好相反。但是目前的一些研究则表明，土壤中的磁性矿物的含量及粒径并不仅仅受控于温度和湿度，还受到了一系列复杂因素的制约，在利用磁化率反演古气候时应对这些因素都加以考虑[7]。

3中国黄土磁化率影响因素

3.1源区(本底值)的区别

发育于不同类型母岩的风化-成壤成因表层土壤磁学性质之间存在显著差异，各磁化率参数与气候条件参数之间的关系大不一样，在大空间尺度进行磁学与气候条件的关系研究时，必须充分考虑地质背景与母岩类型的差异。虽然沉积岩风化-成壤表层土壤频率磁化率与年降水量和年均气温之间的显著正相关关系与中国黄土高原地区黄土-古土壤序列的研究结果基本一致，但发育于花岗岩和玄武岩的表层土壤磁化率性质与降水量和年均温等气候参数之间的关系则与中国黄土高原地区黄土-古土壤序列的研究结果大不相同．发育于花岗岩的表层土壤非磁滞剩磁磁化率与年降水量和年均温间呈显著负相关关系；而发育于玄武岩的表层土壤非磁滞剩磁磁化率与年降水量呈显著正相关关系。吉云平等对不同沉积类型的土壤的磁化率也做过研究，其研究结果表明，湖泊沉积、河流沉积、风沙沉积和南方红土等的磁化率所受的影响因素也是有很大差异的。湖泊沉积物种磁化率的变化机制是和孢粉等指标相关的，河流沉积物与水动力条件和地貌条件等有着很密切的关系，风沙沉积中的沉积物粒度与磁化率相关，在指示风力和风向时可以有参考价值，而红土由于形成过程复杂且经受了多次的淋滤，其磁化率对古环境的指示意义是十分有限的。因此，被中国黄土-古土壤序列古土壤层磁化率普遍增强的被广泛认可的“成壤模式”机制不一定适用于大空间尺度的其他气候区域[8]，而应共同考虑多种影响因素做以综合分析。

3.2成壤作用的影响

1990年，周立平等通过对古土壤中大量超顺磁物质的研究，发现磁化率的增强受到了成壤作用的影响[9]，随后，随着各类研究的不断深入，韩家懋等人的研究也证实古土壤中的铁赤铁矿等大部分强磁性矿物对古土壤磁化率增强具有重要影响[10]。

在我国中酸性岩地台区发育的黄土，其物质成分主要为铁橄榄石、角闪石、黑云母等含铁硅酸盐。含铁硅酸盐中二价铁会在温暖潮湿的气候下很容易被三价铁所置换，其结果是逐渐形成强磁性矿物，从而对磁化率产生较大影响[1]。在西安的刘坡剖面的研究中可以发展，其古土壤中所含的全氧化铁要比黄土高出好几个等级，这也就说明，一些不稳定矿物如含铁硅酸盐等会在成壤过程中,逐渐发生风化分解,二价铁离子会被氧化成三价铁离子，这种变化会随着成壤作用的不断增强而增强，而且成壤作用越强,磁化率也会随着该分解转化作用的增强而逐渐升高。

机械风化作用过程中是很难生成超顺磁颗粒的，在古土壤中之所以能够产生大量的超顺磁颗粒，主要是归因于成壤作用对其产生的影响[12]。超顺磁颗粒产生的原因是在成壤作用的过程中，一些生物和化学作用会导致一些不稳定矿物之间产生相互作用而逐渐发生分解,形成强磁化矿物，导致磁化率的升高。在本文前面的磁化率机制中说过，磁铁矿和磁赤铁矿的含量和粒径对磁化率大小起决定性因素。在成壤过程中，会在原地形成大量的强磁性以及超顺磁性的磁铁矿物,这些矿物会使得磁化率不断变大。除此以外由于我国西北地区的黄土风成机制，导致黄土层中存在由风力输入的磁源性矿物，这些磁源性矿物的粒径变化较大，对土壤的磁化率也会产生较大影响。由此我们得出，黄土古土壤的磁化率与成壤作用是成正相关的。所以在研究磁化率与古气候的变化时应考虑当地土壤的成壤程度这一因素。

3.3有机质的含量

当古土壤处于发育期时，其温暖潮湿的气候会促进植被生长，从而导致土壤中的有机质含量增高。而当处于黄土发育期时，植被的稀少导致有机质的含量也相对降低。所以磁化率大小是随着有机质含量的增高而增高，二者存在正相关性，也就是说有机质含量的最高值应该对应于磁化率的“波峰”，相应的，其最高值则对应于磁化率的“波谷”[12]。

胡雪峰等曾对黄土高原的灵台剖面做过研究，其结果表明,有机质对土壤的磁化率有着较大的影响，它们之间之间存在非常显著的正相关性。曹继秀等[13]在对塬堡的黄土剖面进行研究时，也发现了这二者表现曲线之间的正相关性, 他们当时认为这应该是成壤作用的所导致的，后续研究则认为其可能与土壤中的有机质含量有关。除此以外，还有研究表明，在细胞外的生物诱导作用和细胞内的生物控制作用下，将三价铁离子进行还原后，是可以以生物的形式合成磁铁矿物的[14]，而且所合成的磁铁矿物的绝大多数为超顺磁矿物。尧德中等[15]认为, 在土体中所存在的细菌物质、部分软体动物、节肢动物甚至脊索动物都有可能在其体内自发合成磁铁矿。除此以外，一些化学因素也会对磁化率产生影响，如在岩石风化并形成土壤的过程中会形成一些无定形铁，这些无定形铁在老化为氧化铁时,如果存在有机质，则有可能转化为磁赤铁矿。但还存在一些有机质，它们会阻碍磁性矿物的老化，因为有机质会被吸附到无定形水合氧化铁上，从而使得氧化铁晶核的生长受到阻碍，导致无定形铁很难老化为针铁矿，进而导致针铁矿、磁赤铁矿向赤铁矿的转化。所以在研究磁化率与古气候的变化时应考虑当地土壤中有机质含量多少这一因素。

3.4细菌作用

目前的研究表明，存在多种细菌会促进强磁性矿物或者是富铁性矿物形成。其原理有可能是在细菌的细胞内部，存在着一些磁性颗粒，这些磁性颗粒恰好处于超顺磁性与0.03 μm的单筹界限附近，从而导致在细菌内部生成一些磁铁矿和胶黄铁矿，由于这些矿物的磁效率等级较高，这种由细菌所引起的矿化作用也被称为生控矿化作用。除此以外，在细菌的代谢活动中，一些铁的化合物被反复的氧化还原，导致这些铁离子游离到细胞外部，并且在细胞外逐渐形成生物磁小体性的生物。相对于生控矿化作用，这种矿化作用受生物的影响要弱一些，所以也被称为生导矿化作用。在陕西段家坡黄土-古土壤的研究中，研究者们对趋磁细菌的生物特性和地球化学特性进行了分析，其分析结果表明，带有磁小体的趋磁细菌大量的存在与古土壤中，其含量要明显高于黄土中的含量，这也强有力地证明了生物成因对古土壤磁化率的增强存在显著的作用[16]。

4结语

(1)磁化率是环境磁学研究中较为常用的指标之一，但是其解释和意义较为复杂，不同的地区存在明显的不同。

(2)土壤的磁化率大小主要受磁铁矿、磁赤铁矿的含量和粒径大小等因素的影响，以往的研究对于土壤中磁性矿物性质的影响主要归因为气候的干湿冷暖变化，但最新的研究表明磁化率还受控于多种复杂因素。

(3)土壤中磁铁矿、磁赤铁矿的含量和粒径大小还受到源区的区别、成壤作用、有机质含量和细菌作用等的影响。在使用磁化率解释古气候演化、指示第四纪地球气候与环境变化时应持慎重态度，且应依据不同类型的沉积物特征及相应的磁化率指示意义等进行分析。

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[中图分类号]P642.13+1

[文献标识码]B

[文章编号]1004-1184(2016)02-0228-03

[作者简介]徐乔(1989-)，女，江苏灌云人，在读硕士研究生，主攻方向：矿物、岩石研究。

[收稿日期]2015-12-24