西班牙河流阶地土壤时序序列的环境磁学研究获进展

2010-7-22 00:00 来源: 地质与地球物理研究所
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图1  西班牙河流阶地土壤时序序列的环境磁学结果与饱和磁化强度(Ms­)的相关图

  土壤在形成过程中会发生一系列的物理化学变化,其中所含的磁性矿物对于深入理解这些变化至关重要。由于成土作用,一般情况下,土壤的A和B层会发生磁性增强的现象。研究这些磁性矿物的演化过程及土壤磁性增强的机制,是进一步揭示土壤的发生机理和相关的环境过程的前提。

  关于土壤磁性增强的机制,目前有两种主流观点:1)在磁细菌的参与下,生成纳米磁铁矿(magnetite),而后由于低温氧化作用,最终形成磁赤铁矿( Maghemite);2)粘土中的铁离子析出后,首先形成水合氧化铁(Ferrihydrite),之后再微氧环境下逐渐老化,形成强磁性的磁赤铁矿。当磁性矿物的粒径超过一定限度后,最终会转化为赤铁矿(Hematite)。在这个过程中,针铁矿(Goethite)并不参与。这两种机制虽然都能生成磁赤铁矿,但是其演化路径和所反映的地质环境完全不同。其中的关键问题就是定量化这些纳米磁性矿物的粒径以及不同磁性矿物(主要是磁赤铁矿和赤铁矿)之间的关系。

  地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室的刘青松研究员及其研究小组,最近详细研究了西班牙西北部的一个土壤时序系列(soil choronosequence)的磁学性质。与中国黄土高原沉积的黄土-古土壤序列不同,西班牙的土壤序列一直处于动态的环境之中,从而有机会追踪到磁性矿物转化过程的中间产物。研究发现:1)成土作用过程中,磁性增强分为两个阶段。在初始阶段,磁性矿物的粒径逐渐增大;之后,当颗粒的平均粒径达到~25nm(超顺磁和单畴颗粒的临界点)后,平均粒径保持稳定,磁性矿物含量的增加是磁性增强的主导因素;2)磁赤铁矿的含量和赤铁矿的含量线性相关。上述证据更加支持第二种磁性增强的机制。

  该研究的意义在于,在自然土壤中,追踪到了磁性矿物转化的过程,确定了最可能的转化机制,这样可以更直接地与实验室模拟的磁性矿物过程对比,开辟了该领域的研究新思路。

  该成果近期发表在国际权威刊物Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology(《古地理学、古气候学、古生态学》)(Liu et al. Environmental magnetic study of a Xeralf chronosequence in northwestern Spain: Indications for pedogenesis. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2010, 293: 144-156)。