付淑清, 王钧, 熊海仙, 宫清华, 杨龙, 温美丽



南岭保护区石坑崆花岗岩风化壳理化特征与环境分析

付淑清*, 王钧, 熊海仙, 宫清华, 杨龙, 温美丽

广州地理研究所/广东省地理空间信息技术与应用公共实验室, 广州 510070

为获取南岭生态保护区花岗岩风化壳的基础数据, 开展了野外实地考察, 并初步选取石坑崆海拔1750 m处的一个剖面采样, 室内进行色度、pH值、矿物和地球化学等分析。结果表明, 该区花岗岩风化壳发育较薄, 风化残余物质地较粗, 矿物组成以石英、正长石等抗风化能力较强的浅色矿物为主, 总体风化程度较低。样品的亮度(L*)、红度(a*)和黄度(b*)值分别为69.09—81.14、0.86—9.42和12.1—23.23, 颜色以黄白为主。pH值在4.42—4.74之间, 均为酸性。化学元素含量相对母岩发生淋失或富集, 如轻稀土明显富集, 重稀土发生亏损。从剖面纵向变化看, 多数元素的丰度呈现顶、底部高, 中间低的特征, 与a*、b*值的变化基本对应; Si等少数元素与L*的变化对应, 但与其他元素呈完全相反的趋势; pH值自上而下逐渐增大。综合分析认为, 当地凉湿的气候环境、良好的植被覆盖状况等, 是导致岩石风化速率慢、成土程度低的主要因素; 特有的自然环境下, 风化壳中的化学元素一方面随水介质向下迁移, 一方面因较强的生物作用而向上迁移, 同时不同元素对介质pH值敏感度也存在差异, 共同作用的结果致使不同活动性的元素在剖面纵向分布上发生了分异。

花岗岩风化壳; 理化特征; 石坑崆; 南岭

1 前言

作为我国多种金属矿床最为富集的地区之一, 南岭历来为中国地质学界所重视; 然而作为我国重要的生态、地理界线和生物多样性关键地区, 其生态地位的重要性在很长一段时间却并未受到足够的重视, 只到近年, 南岭的生物、土壤等生态环境监测与保护研究才开始受到越来越多的关注[1–2]。

南岭的基岩主要为燕山期花岗岩, 土层主要为花岗岩基岩的风化残留物。关于南岭地区的地学研究工作, 早期基本围绕花岗岩岩石成因、成矿特征等开展, 且已取得了许多重要成果[4–8], 而主要针对花岗岩风化壳的研究相对不足。风化壳是构成地表关键带的核心, 不但决定着各级水系的物质水平, 更是土壤发育和植物生长的物质基础, 其理化性质决定了后期生态系统的营养供给。然而, 岩石风化成土是一个漫长的过程, 据前人研究, 热带雨林地区形成1 m 厚的氧化物质需要数万年的时间, 也就是说, 热带地区岩石完全红土化的风化速率尚需以数万年尺度计[9–10], 因此, 开展风化壳调查研究, 保护风化壳可持续利用非常重要。

地处南岭腹地的南岭国家级自然保护区, 位于我国中亚热带与南亚热带的气候分界线, 是我国冬季有冰雪的最南端地区之一, 且霜期和冰期较长。区内因地势较高而兼有山地垂直分带变化的气候特色, 即, 随着山地高度增加, 气温降低, 降水量增加, 日照时数减少。保护区内出露岩石主要为燕山期大东山花岗岩[11–13], 受区域地貌与气候等综合影响, 花岗岩风化壳总体较薄, 而且随着地势高度的增加而逐渐减薄。此外, 保护区内年降雨量多在2000 mm以上, 雨期集中, 山地侵蚀强烈。所以, 在风化成土速率慢且侵蚀严重的区域, 风化壳就更显弥足珍贵, 保护风化壳与保护生物多样性同样重要。

基于以上原因, 本文首先从南岭自然保护区石坑崆花岗岩风化壳剖面的初步研究人手, 解析该区域风化壳的基本理化性质, 为南岭生态保护区的可持续发展规划提供基础依据。

2 材料与方法

海拔1902 m的石坑崆是广东省的最高峰, 本研究采样点地理坐标为北纬24°55.535′、东经112°59.577′, 位于石坑崆北坡海拔高度1750 m处。该区域风化壳上覆植被类型为山顶矮林, 林下有以竹为主的灌木层和草本层。石坑崆一带年均气温11.3 ℃, 最高温24.5 ℃, 最低温–11.5 ℃, 全年霜日大于100天。降雨充沛, 年均降水达2746 mm, 年均相对湿度84%, 山顶湿度为100%。

采样剖面位于新修路边, 顶部为耕植层, 从顶部10 cm开始, 向下部连续采样至强风化层(样品可见原始结构, 用手易折碎)。为避免人为污染, 采样时去除裸露的外表层, 采集新鲜样品, 每13 cm为一个样品, 共采集风化层样品11个, 自上而下编号为MS-1—MS-11。由于风化壳剖面开挖部分并未到基岩, 因此, 另在剖面附近基岩出露处取基岩样品一块(MS-12)。所有样品现场装入聚乙烯塑料袋内密封。

室内将样品自然风干, 压碎并通过2 mm 筛。取5 g 过2 mm筛的样品, 用20 mL去离子水搅拌、静置30分钟后, 使用pH 计测试其pH值, 测试温度为26 ℃。另取部分小于2 mm的样品, 使用玛瑙研钵球磨机研磨至小于200目, 摊平压实后, 使用CM700d分光测色计测量其色度, 获得色度参数亮度(L*)、红度(a*)、黄度(b*)值。

小于200目的样品经HF+HNO3混酸消解后, 用于测试其化学成份。其中, Si含量采用动物凝胶重量法测量, 其他主量元素采用ICP-OES法分析, 结果均以氧化物的百分比含量表示; 微量元素和稀土元素采用ICP-MS法分析, 单位均为ppm(mg·kg–1)。测试过程中用标样及平行样进行质量监控, ICP-OES的分析误差小于2%, ICP-MS的分析误差一般小于5%, 动物凝胶重量法的测量偏差小于1%。另外还使用X射线衍射法(XRD)测定了全岩粉末样品的主要矿物组分。矿物和化学分析测试工作由中国科学院海洋研究所和青岛斯八达分析测试有限公司完成。

3 结果与分析

3.1 风化壳基本理化特征

石坑崆花岗岩风化壳的质地总体较粗, 风化作用较弱, 成土作用较低, 矿物分析显示以石英、正长石等抗风化能力较强的浅色矿物为主。风化残积物的pH值介于4.42—4.74之间, 呈酸性, 且从剖面顶部向下pH值逐渐增大, 即酸性逐渐减弱。

作为土壤最显著的外在特征之一, 色度可以反映其物质组成和化学性质, 并能较好地指示成壤程度[14–16]。在CIELAB表色系统中, L*代表亮度, 在白色值(100)和黑色值(0)之间变化; a*代表红度, 是从红到绿的变化, 数值介于60(最红)— -60(最绿), 值越大说明颜色越发红; b*代表黄度, 是从黄到蓝的变化, 数值介于60(最黄)— -60(最蓝), 值越大说明颜色越发黄。相关研究表明, 引起土壤红、黄变化的最主要致色矿物分别是赤铁矿和针铁矿, 其中赤铁矿形成的条件是较高的温度条件或较差的水分条件, 针铁矿则是水分充足的条件下形成的高度水化的铁氧化物[17]。石坑崆花岗岩风化壳剖面中, 样品的亮度L*值变化范围为69.09—81.14, 在剖面中呈现中部高, 顶底低的特征; 红度a*值的变化范围为0.86—9.42, 平均值3.27; 黄度b*变化范围为12.1—23.23, 平均值16.80; 红度a*和黄度b*的值均呈现顶、底高中间低, 与L*值呈现相反的变化特点。总体而言, 石坑崆花岗岩风化壳的Lab色度指标与矿物分析结果(以浅色矿物为主)相一致; 同时, 总体偏低的红度a*值和相对较高的黄度b* 值, 指示致色矿物以针铁矿为主, 这也与当地气候条件相吻合。

3.2 地球化学组成特征

岩石化学风化过程中元素发生淋失、迁移和富集, 虽然不同元素的活动性有差异, 但多数元素最终易保留在风化残留物中, 且其丰度一般随着风化作用的增强而增大[18–19]。将石坑崆花岗岩风化壳与母岩相比, 元素含量比值大于1, 表明风化壳中元素含量相对母岩发生富集; 小于1则相对亏损, 结果如图1和图2所示。该风化壳剖面中, 主量元素除Si、Ca(表层除外), 微量元素除Li、Sr、Y、Bi、As、W之外, 其他元素均有或多或少的富集, 特别是K、Mn、Mg、Na、Co、Ni、Zn、Rb、Mo、Pb等含量显著高于母岩。其中绝大多数元素的淋失或迁移富集都符合其在化学风化过程中的迁移特性, 但Na与Ca、Sr等均属易迁移元素[20], Na在本剖面中的富集, 很可能是受到外部水溶液等带入影响; 而Ca、Sr等仅在剖面顶部有富集, 应与表层活跃的生物作用有关。

图1 石坑崆花岗岩风化壳主量元素含量相对母岩的变化

图2 石坑崆花岗岩风化壳微量元素含量相对母岩的变化

稀土元素(REE)在风化过程中也相对稳定, 一般在风化残留物中明显富集[19, 21]。图3为剖面样品的球粒陨石标准化稀土配分模式。风化淋滤作用的长期持续, 使得风化产物在继承母岩稀土配分模式的同时也发生了一系列分异, 导致轻稀土元素(LREE)明显富集, 重稀土元素(HREE)则发生亏损, La/Yb值从母岩的0.66增加到了风化壳的平均值2.19(表1)。风化壳中δEu值为0.02—0.2, 平均值仅为0.1, 显示强的Eu负异常; δCe值为1.77—3.88, 平均值为2.38, 呈现Ce正异常。母岩的δEu值为0.07, δCe值为1.85; 研究区域大东山花岗岩基岩的δEu平均值为0.18, δCe均值0.95[11, 13]; 同期采集的南岭保护区八宝山保护站表层土同样呈现强的Eu负异常(δEu=0.21)和较显著地Ce正异常(δCe=1.35)。综合表明该风化壳中的稀土元素含量与分布特征, 除与该区域凉湿的气候特征等相关外, 母岩的化学组成仍是其主要控制因素。

图3 球粒陨石标准化的石坑崆花岗岩风化壳稀土元素配分图

3.3 理化指标的纵向变化特征

部分元素与pH值、Lab色度值纵向分布见图4。稳定元素, 甚至个别活动性元素, 含量总体上均呈顶(0—40cm)、底(100—155cm)高, 中间部分(40—100cm)相对低的纵向分布特征。一般地, 花岗岩风化作用随深度增加而减弱, 原岩结构、构造由无法辨别过渡到清晰可辨, 力学性质随之增强[22–23]。石坑崆剖面的风化壳虽然较薄, 但也呈现了同样的特征。在岩石化学风化过程中, 大部分元素的含量随着风化作用强度的增加而增加, 也就是说, 多数元素的含量在风化壳剖面中应该是自上而下逐渐减小的, 而如图4所示, 化学分析呈现的实际结果并非这么简单。因为化学元素在风化壳中会随着地貌和水分循环条件而发生迁移变化, 元素在风化壳的上层以垂直运动为主, 当迁移到一定深度, 由于水循环减慢, 上层元素会逐渐累积[24]。此外, pH值的增加对多种微量元素的沉淀富集也起着至关重要的作用[25–28], 这应该也是本剖面中许多元素在风化壳下部富集的原因之一。对于部分元素在风化壳表层富集的现象, 有分析认为, 气候环境与地质条件等外因是主导因素[29], 在本研究区, 风化壳顶部植被覆盖度高, 生物活动旺盛, 因此, 近地表更为活跃的生物作用应该起到了重要作用。

表1 石坑崆花岗岩风化壳稀土元素数据统计表

注: ①据张敏等, 2003; ②据黄会清等, 2008。大东山主体:燕山早期黑云母花岗岩; 大东山补体:燕山三期花岗岩侵入体。

图4 石坑崆花岗岩风化壳中化学元素的纵向分布

3.4 风化壳发育环境分析

风化壳是气候、构造及其他环境要素共同作用的产物, 因此, 不同的环境条件下会形成不同类型的风化壳。水热、生物、地质地貌条件及地表化学环境等都是影响风化壳发育演变的自然地理环境因素, 其中, 水热条件是影响风化壳化学风化强度的最主要因素(热量是化学反应的动力, 而水则是元素迁移的主要介质)。如前文所述, 南岭石坑崆现今具有年均温低、霜期长、降水量大的特点, 即使在整个第四纪的冰期–间冰期旋回过程中, 该区也不可能有温暖湿润的气候长期存在过, 因此, 岩石总体风化程度较低, 风化壳发育较弱, 但上层元素的淋滤作用较强。在风化壳中, 元素除随水溶液向下迁移外, 向上的生物迁移也很重要, 而且在相同的水热条件和地质地貌条件下, 生物生长越旺盛, 元素的生物迁移就越强烈。石坑崆花岗岩风化壳剖面中, Ca、Sr等作为在化学风化过程中极易被淋失的活动性元素, 能够在风化壳顶部富集, 与当地良好的生物活动条件, 以及元素自身具有的强生物迁移性密切相关。因此, 在风化壳发育过程中, 运移方向刚好相反的生物迁移与水迁移共同作用, 结果导致不同习性的元素, 在剖面纵向上发生了不同程度的分异。

当风化壳中元素随水溶液向下迁移到一定深度时, 水循环的减弱、介质pH值的变化以及氧化还原条件的变化等, 都会促使某些元素发生沉淀, 并在一定的层位富集。大多数元素对pH值都很敏感, 当pH值达到一定的范围时, 元素容易从水介质中以化合物的形式沉淀下来[25–28]。又如, U等在氧化环境中迁移能力强, 而在还原环境中迁移能力会明显减弱, 因此, 从氧化到还原条件的转变可使U等元素发生富集[30]。

研究区域特定的地形地貌条件下, 长期凉湿的气候条件和良好的植被覆盖度, 首先决定了该地花岗岩基岩风化程度较低; 丰富的降水、活跃的生物作用以及风化壳内部化学环境的改变等, 共同决定了风化壳剖面中化学元素的分布特征。

4 结语

文章通过对南岭保护区内石坑崆花岗岩风化壳剖面的初步分析, 得到以下基本认识：

(1) 研究区特有的自然地理条件, 决定了区内花岗岩风化壳发育较薄, 但典型风化壳剖面所具有的分层结构在该区同样可辨。风化产物质地较粗, 颜色偏黄白, 矿物组成以石英、正长石等抗风化能力较强的浅色矿物为主。风化壳总体风化作用较弱, 成土作用较低。

(2) 风化壳中多数元素含量相对母岩发生了富集; 稀土元素配分模式相对母岩发生了一系列分异, 导致轻稀土明显富集, 重稀土发生亏损。

(3) 多数元素的丰度在剖面纵向上呈现顶、底高, 中间低的特征, 除与化学元素在风化壳中随水分循环条件、化学环境改变而发生迁移、淀积有关之外, 强烈的生物作用也是重要的影响因素。

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Physical, chemical characteristics of shikengkong granite weathered crust and potential environments analysis in Nanling area

FU Shuqing*, WANG Jun, XIONG Haixian, GONG Qinghua, YANG Long, WEN Meili

Guangdong Open Laboratory of Geospatial Information Technology and Application, Guangzhou Institute of Geography, Guangzhou 510070, China

In order to obtain the basic data of the granite weathered crust in Nanling ecological reserve, field investigation was conducted and samples of the Shikengkong profile were selected to analyze the chromaticity, pH value, mineralogy and geochemistry in the laboratory. The results show that the granite weathered crust in this area is relatively thin and coarse in texture. The mineral composition is dominated by light-colored minerals with strong anti-weathering ability, such as quartz and orthoclase. The overall weathering degree is low. The color of weathered residue is mainly yellowish white with high L* values (69.09-81.14), medium b* values (12.1-23.23) and low a* values (0.86-9.42). And all the residual materials are acidic with pH values varying between 4.42 and 4.74. Geochemical data show weathered crust enrichment or leaching in chemical elements relative to the parent rock, for example, light rare earth elements (LREE) significantly enrich, while, heavy rare earth elements (HREE) leach. As for the vertical variations in the profile, most elements show relatively higher abundance at the top and bottom part and lower abundance in the middle part, which correspond basically to the changes of a* and b* values. However, some elements, including Si, and L* values show the opposite trend. The pH values gradually increase from top to bottom. Based on comprehensive analysis, the local cool and humid climate, good vegetation coverage, etc., are the main factors that cause slow rock weathering and weak soil formation. Under the unique natural environment, the chemical elements in the weathering crust shift downwards with the water medium on the one hand, and migrate upwards due to strong biological effects on the other hand. At the same time, different elements have different sensitivity to the medium's pH value. Finally, the joint action results in the differentiation of different active elements in the longitudinal distribution of the profile.

granite weathered crust; physical and chemical characteristics; Shikengkong; Nanling area

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.05.023

P951

A

1008-8873(2018)05-174-06

2018-04-27;

2018-07-20

广东省自然科学基金重点项目(No.2017A030311020); 广州市科技计划项目(No.201707010417); 广东省科学院项目(No.2016GDASRC-0209; No.2017GDASCX-0101); 国家自然科学基金(No.41671506);

付淑清(1977—), 女, 内蒙古人, 博士, 副研究员, 主要从事环境地学研究, E-mail：fsq519@163.com

通信作者:付淑清

付淑清, 王钧, 熊海仙, 等. 南岭保护区石坑崆花岗岩风化壳理化特征与环境分析[J]. 生态科学, 2018, 37(5): 174-179.

FU Shuqing, WANG Jun, XIONG Haixian, et al. Physical, chemical characteristics of shikengkong granite weathered crust and potential environments analysis in Nanling area[J]. Ecological Science, 2018, 37(5): 174-179.