第四节 “巫山黄土”的研究
三峡地区第四纪时期以间歇性构造隆升为主，地质作用以水系侵蚀作用占主导，除了滑坡等边坡重力堆积外，区内第四系发育较差。本次调查新发现了两处厚度较大、土状堆积剖面——巫山剖面和势大岭剖面，这是迄今为止三峡地区出露最好、厚度较大的第四纪堆积剖面，对三峡地区第四纪研究具有重要意义，故本次工作将其作为研究重点进行了较系统的调研。
黄土是大气环流作用的直接产物，因而是研究过去大气环流演化过程和机理的理想地质材料。位于川东高原三峡地区的“巫山黄土”（刘兴诗，1981），是黄土高原之外的一处重要黄土堆积。由于该黄土处于东亚冬季风和青藏高原季风的风尘物质“外延”区域，具有重要的研究价值，自发现以来一直为我国地学工作者所关注。但由于该黄土位于长江峡谷区，受地形影响呈零星点状分布，厚度常依其地貌位置的不同而差异较大，且受堆积之后强烈的边坡地质作用的改造和掩埋，剖面出露较差。前人所研究的“巫山黄土”剖面大都厚度较小（一般仅数米），且出露不完整。寻找沉积连续、厚度大、出露完整的剖面，一直是我们努力的方向。本次调查在新巫山县城南发现的黄土剖面厚度达15m，顶底清楚，出露完整，被认为是目前发现的最好的“巫山黄土”剖面，是一个重大的发现。本次工作针对“巫山黄土”形成时代与成因进行了系统研究。
一、“巫山黄土”沉积物岩性地层特征研究
1.“巫山黄土”岩性特征
此次新发现的“巫山黄土”剖面位于巫山县客运港附近的长江左岸，该剖面为一建筑工地人工新开挖的露头剖面，厚达15m，剖面不但新鲜，且顶底清楚，出露完整（图5-14）。从出露条件和厚度来看，这是迄今为止“巫山黄土”研究最理想的剖面。剖面的岩性较均一，主要由褐黄色和黄色的粉砂和砂质黏土组成，含有少量的钙质结核；剖面无层理，垂直节理发育，大孔隙明显，未见明显的古土壤层，岩性剖面特征见图5-15。根据研究剖面不同深度物性、成分等差异，将剖面进行了初步分层，剖面厚度约为15.4m，依据野外观察从下至上可以分为四层。
第四层，耕植土层：暗灰色，土质疏松多孔，含较高的腐殖质，其中的根系和虫孔较多，水分含量较高，手搓能够成条状。厚约1m。
图5-14 巫山地区地理及研究剖面位置
第三层，棕黄色黄土层：棕黄色粉砂质黏土。上部2m部分质地均匀、疏松多孔，有少量碳酸盐白色小点分布，偶见植物根系和钙质结核。下部4.5m的颜色较上部要深，含水量少，坚硬，成团块状，其中存在一定量的虫孔。厚约6.5m。
第二层，褐黄色古土壤。亚黏土层，质地坚硬，并呈现出从上往下变硬的趋势，水分含量很少，底部含有一定量的钙质结核。厚约2.6m。
第一层，棕黄色黄土层：亚黏土，质地较为均一，上部3m水分含量较少，土质较为硬实；下部2.3m水分含量较高，颜色较上部深，偏灰色，土质较黏，手搓能够成2cm长的条状。厚约5.3m。
2.“巫山黄土”地层划分与对比
“巫山黄土”共由四层组成。通过区域岩石地层特征对比，“巫山黄土”应为马兰期黄土，其中第2层为黄土高原的L1，第3层为S1，第4层为L2。
根据第四纪气候地层学划分方案，“巫山黄土”基本上属于末次冰期旋回沉积。其中第2层为末次冰期沉积，相当于深海氧同位素阶段2至阶段4；第3层为末次间冰期沉积，相当于深海氧同位素阶段5。
3.“巫山黄土”沉积物年代学特征
为了研究“巫山黄土”的年代特征，对“巫山黄土”进行了OSL年龄样品的采集和测试，在剖面不同位置先后共采集OSL样品13个，具体的采样位置如表5-12和图5-15所示。
表5-12 “巫山黄土”剖面释光年龄数据
注：年龄数据标＊者与真实年龄有出入。
图5-15 “巫山黄土”岩性剖面
OSL年龄样品由中国科学院西安地球环境研究所黄土和第四纪年代学国家重点实验室测试，结果见表5-12，图5-16为不同深度段的年龄插值曲线。通过线性插值得到整个剖面各个样品深度处的相应年龄和沉积速率。1～2.4m沉积速率为0.16m/ka，2.4～2.8m沉积速率为0.8m/ka，2.8～4m沉积速率为0.13m/ka，4～6m沉积速率为0.23m/ka，6～8m沉积速率为0.3m/ka，8～8.5m沉积速率为0.09m/ka，8.5～10m沉积速率为0.06m/ka。
二、“巫山黄土”的粒度特征
黄土的粒度组成对成因分析和古气候恢复具有重要意义，是黄土研究的基础（刘东生等，1985；刘东生，2009）。本次调研以5cm间隔在剖面上连续取样，共采集粒度样品289个。样品预处理好后，使用英国Malvern公司产的Mastersizer 2000激光粒度仪进行测试，得到各粒级百分含量、平均粒径（Mz）、中值粒径（Md）、标准偏差（σ）、峰态（KG）、偏度（SK）等粒度参数。
图5-16 “巫山黄土”剖面年龄插值曲线
（一）“巫山黄土”的粒度组成特征分析
为了了解和分析“巫山黄土”沉积物粒度组成特征，本书采用50μm、10μm和5μm分别作为砂粒/粗粉砂、粗粉砂/细粉砂以及细粉砂/黏粒的分界线。对“巫山黄土”剖面不同粒径沉积物含量进行了计算统计，作出了粒度含量随深度的变化图（图5-17）。从图中可见粒径＞50μm的颗粒含量范围12.4%～22.6%，平均16.9%；10～50μm颗粒含量范围33.6%～48.2%，平均43.1%，该粒组是中国北方典型黄土的众数粒组，为风尘的“基本粒组”；5～10μm颗粒含量范围11.7%～21.2%，平均14.5%；＜5μm颗粒含量范围20.0%～32.2%，平均25.4%，为次众数粒组。从沉积物三因分类法来看，“巫山黄土”剖面的样品全部属于黏土质粉砂（图5-18），与西部典型风尘黄土（刘东生等，1985）和安徽的下蜀土相比，表现出非常相近的组成，都以粉砂级组分为主，黏土级组分次之，砂级组分较少。由于＞50μm的颗粒一般不易被风力作长距离搬运，我国各地黄土＞50μm的含量一般不超过10%（刘东生等，1985），而“巫山黄土”沉积物中砂粒含量比西部黄土多，且跨度较大，这可能与一部分的近源物质混入有关。
（二）“巫山黄土”的粒度参数特征分析
沉积物的粒度参数与形成环境及搬运动力条件具有密切的关系。粒度组成的粒级划分按照Udden-Went worth标准，并根据Folk和Ward的算法公式计算了沉积物各样品的粒度参数（平均粒径、分选系数、偏度和峰度），结果示于图5-19中。下面分别讨论粒度参数特征。
1.中值粒径和平均粒径分布特征
中值粒径（Md）又叫中位数直径，是粒度累积频率曲线上坐标为50%处所表示的颗粒粒径的大小，是反映沉积物颗粒平均大小的一种指标；平均粒径（Mz）采用了累积百分比16%、50%和84%三处的中值粒径，它代表了粒度分布的集中程度，表达了沉积介质的平均动能，反映的是沉积物粒度组成的平均状况。在剖面上系统研究平均值的变化情况，可了解物质来源及沉积环境变化。平均粒径是沉积物最主要的粒度特征之一，这一参数指标常被用来作沉积韵律剖面图或平面等值线图，用以表示沉积物在纵向上或横向上的粒度变化规律。中值粒径（Md）和平均粒径（Mz）都是随着搬运距离的增加而减小，随着沉积动力条件的增减而发生对应的变化，因此，中值粒径（Md）和平均粒径（Mz）能够敏感地反映沉积动力条件的变化。
图5-17 “巫山黄土”剖面粒度含量随深度变化曲线
图5-18 “巫山黄土”、巢湖下蜀土、现代河流沉积物粒度组成三角图
从图5-19可以看出，整个“巫山黄土”剖面沉积物的中值粒径（Md）和平均粒径（Mz）在纵向上波动比较小，这与在野外观察的“巫山黄土”岩性在剖面上变化不大相一致，反映了“巫山黄土”沉积时动力条件变化不是很大。中值粒径（Md）最小值为5.58Φ，最大值为6.64Φ，平均值为5.97Φ；平均粒径（Mz）最小值为6.09Φ，最大值为6.65Φ，平均值为6.38Φ，属于细粉砂粒级，是典型的风尘物质堆积粒级范围。
图5-19 “巫山黄土”沉积物粒度参数随深度变化曲线
注：Φ＝-log2d（d为毫米粒径值）
2.标准偏差（σ）、偏度（SK）、峰态（KG）特征
粒度标准偏差σ是用来表征沉积物颗粒均匀性的参数，是表现频率曲线离散性质的特征数，在粒度分析中又称为分选系数，反映样品粒级的分散和集中的情况，而分选性与沉积环境水动力条件密切相关。依据分选程度的不同，将σ值划分为七个分选等级（表5-13）。
表5-13 分选等级
若粒级少，主要粒级很突出，百分含量高，分选就好，σ的数值就小；反之，粒级分布范围很大，主要粒级不突出，则分选就差，σ的数值就大。运用此参数的重要原因在于：沉积物的分选程度与沉积环境的水动力条件和自然地理条件有密切关系。水动力条件强的环境，沉积物的分选程度就高，反之，分选程度就低。因此，通过计算样品的σ值可以判断沉积环境。
偏度SK用以度量频率曲线的不对称程度，即表示非正态性特征。按频率曲线对称的性质分为五类：极正偏、正偏、近对称、负偏和极负偏（表5-14）。
表5-14 偏度等级
频率曲线的偏度与分选有密切的关系：单峰对称，表明沉积物很纯，且分选很好；双峰对称，表明沉积物中含有两个主要组分且这两组分的百分含量相等，此沉积物分选最差。正偏态与负偏态界于这两种情况之间，表明沉积物以某一粗粒组分或细粒组分为主，分选为中等、差或较差，在频率曲线上表现为除了有一明显的主峰外，还有一个微弱的次峰，居于另一侧的尾部。不同沉积环境形成的沉积物的频率曲线的形态是不同的，而且频率曲线的偏度又与分选有密切的关系，可以与粒度标准偏差σ相互对照，共同判断沉积物的形成环境。
峰态KG又称尖度，是频率曲线尾部展开度与中部展开度之比。可用以说明与正态分布曲线相比时分布曲线峰的宽窄度和尖锐程度。1957年福克和沃德一并订出了峰态等级的数据界限（表5-15）。
表5-15 峰态等级
沉积物中出现极端的峰态值（极高或极低），说明该沉积物中某些组分的早先沉积环境的分选能力很强，后期沉积环境的分选能力很弱。这是因为，该沉积物中的某些组分已经在早先分选能力较强的沉积环境中得到了很好的分选。当环境改变时，如果新环境的水动力条件较弱，则分选效能就下降，那么这两种环境中形成的两组沉积物就会各自保留原来的粒度特点，以致混合沉积物频率曲线呈现明显的双峰性质并具有极端的峰态值。
从“巫山黄土”剖面沉积物粒度数据的粒度分选系数（σ）、偏度（SK）和峰态（KG）统计图表中（表5-16，图5-19）可以看出，分选系数的变化范围是1.83Φ～2.08Φ，平均值为1.97Φ，表现为两个分选等级，其中分选较差的含量为79.86%，分选差的含量为20.14%，这说明其物源距离沉积区较远；偏度的变化范围是-0.09Φ～＋0.31Φ，平均值为0.22Φ，偏度等级分布于三个等级标准，以正偏为主，占94.24%，近对称的占4.68%，极正偏的占1.08%，这表明粒度的平均值基本上都大于粒度的中位数，细粒占优势，这是风积成因的主要特点——由于风力难以搬运粗碎屑物质，因此粗尾比细尾排除得更加彻底；峰态的变化范围是0.79Φ～0.95Φ，平均值为0.86Φ，峰态等级分布得比较窄，仅分布于平坦和中等（正态）两个峰态等级，其中平坦峰态样品占绝大多数，属于宽峰态，占96.04%，中等（正态）等级占3.96%，没有窄峰态的样品，含平坦峰态的样品表明分选差，中等峰态的样品表明分选一般。
表5-16 “巫山黄土”剖面沉积物粒度参数统计
3.粒度参数组合特征
粒度参数一般都具有一定的成因及沉积环境的判别意义，但鉴于沉积环境是非常复杂的，且影响因素也很多，用单一的粒度参数判别沉积环境往往是不确切的，常常需要对各种粒度参数进行综合分析，才能得出比较可靠的结论，为此作出了“巫山黄土”剖面不同粒度参数组合图（图5-20）。
由σ-Mz散点图、SK-Mz散点图、KG-Mz散点图以及SK-σ散点图（图5-20）可以看出，沉积物的分选系数主要分布在1.8Φ～2Φ，平均粒径主要集中分布在6Φ～6.6Φ，偏度的变化范围主要在-0.1Φ～0.3Φ，峰态的变化范围主要集中在0.8Φ～0.95Φ。
图5-20 “巫山黄土”沉积物粒度参数散点
4.粒度频率和累积概率曲线特征
以粒径区间为横坐标、频率为纵坐标，从而作出频率曲线图。频率曲线图可以很好地表示出样品粒度的变化、众数的位置和移动情况。沉积物的频率曲线特征是判断沉积作用形式的重要手段之一。频率曲线的峰态变化常反映沉积作用形式的变化。若单峰高而窄，表示分选好，粒级比较集中；若是单峰矮而宽，说明分选差。单峰的频率曲线一般出现在只有单一的碎屑物来源，且经过较长距离搬运的沉积中，当频率曲线出现双峰或多峰时，其形成的原因可以不同。譬如从具有季节韵律的湖相纹层中采集的样品、从由不同风速堆积成的层状风成砂中采集的样品等都可以形成多峰的频率曲线，另外沉积物在搬运过程中如果有大量新的碎屑物加入也会导致单峰的频率曲线变为双峰。
“巫山黄土”的粒度频率曲线（图5-21）变化不大，多表现为不对称的双峰或多峰态，主峰都以粉砂颗粒为主，且粗粉砂含量最多，多数频率曲线的众数和主峰在4Φ～6Φ，众数粒径向粗粒端减小的速率比向细粒端快。大量资料表明，5Φ～6Φ粒级颗粒在空气中最易浮动，为主要的风力悬浮搬运对象，而随粒径变大，搬运系数变小，在空气中的浮动性能越来越差，小于4Φ粒径的颗粒就基本上不能在空气中悬浮，一般只能以跃移形式搬运（张云翔等，1998）。曲线上所表现的以粉砂粒径含量为主的特点相应地说明了它的风成成因（孙东怀等，2000）。在剖面3～4m、11m附近部分样品细粉砂和黏土的含量明显增加，可能与风力较小或成壤作用有关；剖面6m附近的个别样品在0Φ处出现了一个小峰，可能是因风力较强时近源物质混入引起的。
图5-21 “巫山黄土”沉积物粒度频率曲线
沉积学中常用概率累积曲线来分析碎屑沉积物的形成环境，它可以区分搬运方式和搬运动力，每一种搬运方式所形成的砂质沉积物在概率累积曲线图上均呈一直线。在概率累积频率曲线上，经常存在两三条或者更多的直线段，每条线段的斜率都不同，而且被线段之间明显的转折点分开。每一线段的斜率和线段间的转折点的位置反映不同的沉积作用机制。“巫山黄土”剖面沉积物大多数样品的概率累积曲线图呈三段式（图5-22），小于3Φ粒径的粗颗粒含量很少，一般在2%以下，其曲线的波动趋势更多的是指示出一种单一动力的沉积环境。
图5-22 “巫山黄土”沉积物概率累积曲线
5.粒度像特征
帕塞加选择了一些与沉积搬运有密切关系的粒度参数，如C（代表百分之一含量的粒度）、F（小于125μm组分的重量百分数）、L（小于31μm组分的重量百分数）、A（小于4μm组分的重量百分数）、M（中位数、中值粒径，即50%的粒度）。以C对M、F对M、L对M以及A对M分别地作成C-M图、F-M图、L-M图和A-M图。这些图均以M值为横坐标，单位为微米；C、F、L及A分别为各图的纵坐标，其中C的单位为微米，而F、L及A的单位均为含量百分数。C-M图是在双对数坐标纸上作的图（即横、纵坐标均表示为对数坐标），其他图一般都是在单对数坐标上成图（用M值作的横坐标一般表示为对数坐标，而纵坐标表示为正常的线性坐标）。这个由所有样品的粒度参数所构成的图像即称为沉积物的粒度像。粒度像反映了沉积物粒度分布总体特征，间接地指示了沉积环境。通过对粒度像的分析可了解未知环境沉积物的成因。
Passega曾经对已知环境的现代和古代沉积物进行了大量的研究，总结出了两种最基本的C-M图，即浊流型C-M图与牵引流型C-M图。河流、海流、浅水波属于牵引流；泥石流、含沙量很高的河流及大陆坡上的高密度流属于浊流。C-M图可以有效地区分出浊流和牵引流形成的沉积物。C-M图也被广泛地应用于风成沉积的研究中（郭正堂等，1999；鹿化煜等，1999；郝青振，2001），主要是通过未知样品在C-M图中的投影区域与已知成因样品投影区域的比较来确定未知样品的成因及沉积环境。依据上述原理对“巫山黄土”剖面样品进行了C、F、L及A参数的计算和提取，并绘制出了相应的C-M图、L-M图和A-M图（图5-23）。
从粒度像图（图5-23）可见，“巫山黄土”剖面沉积物粒度主要分布于粒径比较小的区域，表明“巫山黄土”沉积物粒度总体偏细。其中C-M图（图5-23a）上的点集中分布于C（80～2 000μm）与M（9～30μm）的交错区域，A-M图（图5-23b）上的点集中分布于A（15%～30%）与M（0～40μm）的交错区域，L-M图（图5-23c）上的点集中分布于A（50%～80%）与M（0～40μm）的交错区域。在与长江现代河流沉积物进行对比的过程中，“巫山黄土”沉积物与河流沉积物投影的区域分属完全不同的地区，说明了它们的成因是不同的。
图5-23 “巫山黄土”与河流沉积物粒度像特征比较
●“巫山黄土”；Δ长江现代河流沉积物
三、“巫山黄土”沉积物常量元素特征
从剖面顶部开始，以20cm间隔连续取样，共采集73组样品。地球化学样品测试是在国土资源部合肥矿产资源监督检测中心使用X射线荧光光谱仪完成，共测试了12种主量元素（SiO2、Al2O3、TFe2O3、Fe2O3、FeO、K2O、Na2O、CaO、MgO、MnO、TiO2、P2O5）和烧失量（LOI），得出分析的相对偏差除FeO误差大于10%外，其他氧化物误差均小于2.5%。
1.常量元素组成特征
“巫山黄土”沉积物样品常量元素含量随深度变化均有不同程度的波动（图5-24，表5-17）。SiO2质量分数范围在59.62%～70.49%，平均66.20%；Al2O3质量分数范围在11.83%～15.28%，平均为13.35%；TFe2O3质量分数范围4.85%～6.15%，平均为5.29%；FeO质量分数范围0.35%～1.30%，平均为0.69%；Fe2O3质量分数范围3.82%～5.80%，平均为4.60%；Na2O质量分数范围0.84%～1.38%，平均为1.23%；MgO质量分数范围1.37%～1.83%，平均为1.60%；CaO质量分数范围0.93%～12.20%，平均为3.66%；P2O5质量分数范围0.08%～0.20%，平均为0.13%；K2O质量分数范围2.17%～2.40%，平均为2.32%；TiO2质量分数范围0.78%～0.89%，平均为0.84%；MnO质量分数范围0.07%～0.13%，平均为0.09%。
图5-24 氧化物含量（%）随深度变化曲线
2.常量元素标准化曲线
在研究常量元素特征时，人们通常以上陆壳平均值作为标准，将常量元素与上陆壳平均值相比，即所谓的常量元素UCC标准化。图5-25为“巫山黄土”常量元素UCC标准化后结果，由图可见，“巫山黄土”除Na和P以外的常量元素的分布曲线近于平坦线型且靠近UCC分布曲线，表明“巫山黄土”与UCC的化学组成是比较接近的，也说明了“巫山黄土”来源可能很广泛，并经过了充分混合，从而使之趋近于上部陆壳的平均成分。Na和P元素的数据点则显著偏离了上部陆壳的平均组成，与UCC相比表现出较明显的亏损特征，这可能是大陆化学风化的效应。并且在剖面上部（0～5m）和剖面下部（5～14m）“巫山黄土”UCC标准化曲线形态还有些差异，主要是Ca的含量，上部为轻微富集，而下部却表现为有所亏损，说明上部剖面沉积时气候较下部要干冷。“巫山黄土”常量元素UCC标准化后结果与洛川黄土、甘孜黄土及西峰红黏土具较好的相似性，也指示了其具有风积成因的特点。
3.常量元素分子比
在岩石和沉积物常量元素研究中，元素氧化物的分子比常被用来作为风化程度的度量。它们包括常用的退碱系数（Na2O＋CaO）/Al2O3、残积系数（Al＋Fe）/（RO＋R2O）、硅铝率SiO2/Al2O3、硅铝铁率SiO2/（Fe2O3＋Al2O3）、钾钠比K2O/Na2O、钠钙比Na/Ca和化学风化指数CIA等。
表5-17 “巫山黄土”与其他沉积类型常量元素含量（%）对比
图5-25 “巫山黄土”部分样品常量元素UCC标准化曲线
图5-26 “巫山黄土”沉积物部分风化参数随深度变化曲线
图5-26为“巫山黄土”沉积物部分风化参数随深度变化曲线图。根据图中曲线变化，这个剖面的硅铝比都大于2，说明剖面所处的环境属于偏碱性。随着深度变浅，退碱系数表现出来的变化为整体持续增大，局部有小的波动，根据这一特点可以说明剖面渐渐趋于干旱；CIA值表现为持续减小，说明剖面的化学风化强度从底部到顶部呈现一种减弱的趋势；残积系数曲线深部波动比较多，但整体数值变化不大，在深度为8m处此曲线开始出现较大的减小趋势，说明由此时开始气候变得干旱起来。
高、低价铁的消长关系在很大程度上反映了古气候的演化史，一些学者已利用地层中Fe3＋/Fe2＋的比值变化规律来推算第四纪时期古温度的变化（朱诚，1994）。地层中Fe3＋和Fe2＋的增减都与氧有关。在间冰期，气候相对湿热，植物增多，游离氧多，氧化能力强，高价铁增多；而在冰期，生物活动和植物减少，游离氧减少，还原能力强，低价铁增多。因此，地层中Fe3＋/Fe2＋比值可作为相对温度变化的替代性指标，并将其定义为“氧化度”。它的值越高，反映气候越趋于温热，反之则趋于寒冷。由“巫山黄土”剖面的Fe3＋和Fe2＋比值图（图5-26）可知，在剖面深度约6m附近该区气候发生了较大的转变，由早期比较湿热的气候转为较为干冷的气候环境。
CIA指数有效地指示了样品中长石风化成黏土矿物的程度，与样品中黏土矿物/长石比值呈正比，故可以很好地定量表示硅酸盐矿物的化学风化强度。未风化的长石CIA为50，伊利石和蒙脱石为75～85，高岭石和绿泥石则接近100。化学风化越强，则CIA值越大。一般地，CIA值介于50～65，反映寒冷干燥的气候条件下低等的化学风化程度；CIA值介于65～85，反映温暖、湿润条件下中等的化学风化程度；CIA介于85～100，反映炎热、潮湿的热带、亚热带条件下的强烈的化学风化程度（李徐生等，2007）。“巫山黄土”CIA值集中分布于70～77，反映了温暖、湿润条件下中等的化学风化程度。
Na/K比（分子摩尔比）是衡量样品中斜长石风化程度的指标，同样可以用于表征堆积物的化学风化程度。长石特别是斜长石富含Na，而钾长石、伊利石和云母富含K，由于斜长石的风化速率远大于钾长石，因此，风化剖面中的Na/K比值与其风化程度呈反比（陈旸等，2001）。我们将“巫山黄土”和其他地区黄土的CIA值以及Na/K比值投点到坐标系中，结果如图5-27所示，图中UCC平均值反映了基本未受化学风化的状态，相比之下武威黄土处于未受风化进入到初等化学风化的阶段；镇江下蜀土、洛川黄土处于中等化学风化阶段；巫山望天坪处于中等化学风化进入到强烈化学风化阶段；皖南风尘已经完全是强烈化学风化；而我们这次研究的“巫山黄土”剖面散落分布于三个化学风化阶段，主要分布于初等化学风化和中等化学风化阶段，未受化学风化的剖面点很少，且处于剖面上部位置。
图5-27 “巫山黄土”化学风化参数CIA与Na/K关系散点图
4.主量元素对物源的指示
相关性较好、化学性质稳定、主要受物源影响、相对独立于沉积环境和成岩作用，在搬运和沉积过程中其含量基本保持不变的两种特征元素含量比值，可作为物源对比的示踪指标。
Mg、Mn、Al三元素在物源区和沉积区绝对含量变化较大，但Al与Mg、Mg与Mn的含量变化具有较强的一致性，其比值在物源区与沉积区基本保持不变，因此Mg/Mn、Al/Mg可作为良好的物源示踪指标。
Fe、Al、K在化学风化时活动性较小，迁移较少，含量变化不大，Fe/K可以作为物源对比的示踪指标。
图5-28 “巫山黄土”与洛川、甘孜黄土比值比较
Ca和Mg主要富存在碳酸盐矿物和硅酸盐矿物中，其具有相近的淋失和富集规律，因此Mg/Ca可以作为物源对比的示踪指标。
Mg/Al、Al/Na反映了活动组分（碱土和碱金属）与惰性组分Al之间的关系，也可以作为物源示踪指标。
将“巫山黄土”的物源示踪指标与其他风成黄土（王玲等，2010）的指标进行比较（图5-29，表5-18）：“巫山黄土”的物源示踪指标和甘孜黄土的指标相近，而与洛川黄土相差较大。具体体现在洛川黄土的Mg/Mn和Mg/Ca的比值明显较大。因此我们可以大概地判断出“巫山黄土”的物源更接近于西部的甘孜黄土。
综上所述，“巫山黄土”应为晚更新世时期较为干冷气候环境下的沉积产物，其成因类型为风积成因，其物源主要来自西部的川西地区。
表5-18 物源示踪指标对比
四、“巫山黄土”沉积物微量元素特征
在剖面上不等间采集地球化学微量元素样品25件，样品由国土资源部合肥矿产资源监督检测中心使用等离子体质谱仪和等离子体光谱仪测试完成，结果见表5-19。
表5-19 “巫山黄土”剖面沉积物微量元素含量（%）测试结果（单位：×10-6）
从微量元素含量比较曲线来看（图5-29），Ba取值范围为374×10-6～526.6×10-6，平均值为448.36×10-6；Ti取值范围为3 640×10-6～5 063×10-6，平均值为4 490.82×10-6；Cs取值范围为5.36×10-6～7.37×10-6，平均值为6.47×10-6；Rb取值范围为69.78×10-6～112.6×10-6，平均值为92.48×10-6；Sr取值范围为100.7×10-6～138.8×10-6，平均值为120.49×10-6；Y取值范围为25.62×10-6～35.37×10-6，平均值为29.73×10-6；Zr取值范围为313.72×10-6～448.96×10-6，平均值为365.20×10-6；Nb取值范围为15.43×10-6～22.15×10-6，平均值为18.22×10-6；Pb取值范围为18.55×10-6～22.29×10-6，平均值为20.66×10-6；Sc取值范围为9.24×10-6～13.25×10-6，平均值为11.44×10-6；Th取值范围为12.56×10-6～15.91×10-6，平均值为13.82×10-6；U取值范围为2.17×10-6～2.87×10-6，平均值为2.49×10-6；Hf取值范围为8.66×10-6～11.76×10-6，平均值为9.84×10-6；Ta取值范围为1.21×10-6～1.81×10-6，平均值为1.45×10-6。总体上，“巫山黄土”沉积物各样品的微量元素含量相差不大，并具有同步变化的特点。
图5-29 “巫山黄土”微量元素随深度变化曲线（单位：×10-6）
图5-30 “巫山黄土”剖面沉积物微量元素不同元素的比值随深度变化曲线
Rb/Sr是另一个较常用的指示化学风化程度的指示（陈骏等，2001）。在风化成壤过程中，Rb、Sr的地球化学行为不同，Rb/Sr比值大小与风化程度呈明显的正相关关系。由于Rb的离子半径较大，具有较强的被吸附性能，被黏土矿物吸附而保留在原位：相比之下离子半径较小的Sr则主要以游离态形式被地表水或地下水带走，造成风化产物中Rb/Sr比值升高。Rb/Sr大小实际上反映了降水量的变化，指示了成壤作用的强度。降水量的增加会促进植被发育，生物风化作用增强，导致土壤的淋溶作用加强，可溶物质的迁移加剧，Rb/Sr比值升高；反之，降水量的减少会导致地表植物量的降低，可溶物质在土壤中富集，Rb/Sr比值则会降低。由“巫山黄土”剖面沉积物微量元素不同元素的比值随深度变化曲线图可见，整个剖面微量元素比值变化不是很大，但大致以8～9m为界，上部比值较小、变化幅度偏小，下部相对而言比值较大、变化明显（图5-30）。
在研究微量元素特征时，人们通常以上陆壳平均值作为标准，将微量元素与上陆壳平均值相比，即所谓的微量元素UCC标准化。“巫山黄土”微量元素UCC标准化后（图5-31），除Sr和Zr以外的微量元素的分布曲线近于平坦线型且靠近UCC分布曲线，表明“巫山黄土”与UCC的微量元素组成是比较接近的。
图5-31 “巫山黄土”微量元素UCC标准化后结果
将“巫山黄土”以及其他典型风成黄土与上部陆壳（UCC）平均化学成分对比（图5-32）表明，“巫山黄土”中除了Cs、Sr、Zr和Hf以外的微量元素的分布曲线近于平坦线型且靠近UCC分布曲线，表明“巫山黄土”与UCC的化学组成是比较接近的，也表明了“巫山黄土”来源广泛，并经过充分混合，使之趋近上部地壳的平均化学成分。Cs、Zr和Hf的数据点显著偏离了上部陆壳的平均成分，与UCC相比表现出比较明显的富集特征，这可能与大陆风化沉积有关。而Sr数据点与UCC相比则表现出比较明显的亏损特征，这应该是大陆化学风化的效应。与不同地区的风成黄土相比，“巫山黄土”所表现出来的微量元素变化规律大体一致，表明它们具有相似的沉积环境和成因类型，也就是说“巫山黄土”也为风积成因。
图5-32 “巫山黄土”及其他典型风成黄土与上部陆壳（UCC）平均化学成分对比
五、“巫山黄土”沉积物稀土元素特征
由于稀土元素在沉积过程中地球化学行为具有独特性，其含量、分布模式和特征比值等常常被用于沉积环境、物质来源、成因和风化强度等地质问题的研究（叶玮等，2008；杨元根等，2000；李福春等，2004；文启忠等，1984；刁桂仪等，2000；曹军骥等，2001）。本次研究在剖面上以10cm间隔连续采集地球化学样品146组，室内根据岩性变化特征不等间距送测25件微量元素，样品由国土资源部合肥矿产资源监督检测中心使用等离子体质谱仪和等离子体光谱仪测试完成，结果如表5-20，表5-21所示。
“巫山黄土”稀土元素含量比较曲线显示（图5-33），“巫山黄土”沉积物各样品的稀土元素含量相差不大，并具有同步变化的特点。同时轻稀土（LREE）含量远远高于重稀土（HREE）含量，表现为轻稀土富积、重稀土亏损的特点。“巫山黄土”沉积物呈现出从老到新∑REE逐渐减小的趋势，这一特点可能与黄土的风化成壤作用的强度有关。结合常量元素的分析结果可知，11～25号序列（对应剖面深度6～14.35m处）样品对应时期的气候为夏季风较强盛的温暖湿润气候，从10号序列（对应剖面深度0.35～6m处）样品以后朝着干冷方向发展，从而引起下部黄土的风化成壤作用较上部黄土强，因而引起稀土元素含量的增高。同时，在风化成壤过程中，随着黏土化作用的增强，∑REE也有增加的趋势。
由“巫山黄土”沉积物稀土元素配分曲线（图5-34）可以看出，“巫山黄土”沉积物位于不同深度的25个样品的REE分布模式具有相似性：曲线为右倾斜，La-Eu曲线较陡，Eu-Lu曲线较平缓，即表现为斜率为负的分布模式，轻稀土元素富集，重稀土组分变化微小，曲线波折不大；轻稀土元素特别是La富集，Ce为轻微亏损，在Eu处呈“V”形，显示中等程度的Eu负异常（亏损）。沉积物的稀土元素配分曲线说明虽然黄土堆积的时代不同，但是它们有着相同的物质来源。
表5-20 “巫山黄土”剖面沉积物稀土元素（REE）含量（单位：×10-6%）
表5-21 “巫山黄土”沉积物球粒陨石标准化后的稀土元素（REE）参数值
注：a）为晚更新世以来黄土，资料来源于张虎才，1996；b）为晚更新世以来黄土，资料来源于陈骏，1996。
图5-33 “巫山黄土”沉积物稀土元素含量（ppm）随深度变化曲线（单位：×10-6）
图5-34 “巫山黄土”沉积物稀土元素配分曲线与其他黄土的对比
研究表明，稀土元素中δCe、δEu、Eu/Sm、Sm/Nd和∑LREE/∑HREE等值可以揭示黄土来源物质的特性（文启忠等，1984；张虎才等，1991）。从“巫山黄土”沉积物稀土元素特征值（表5-22）及其随深度变化曲线（图5-35）可以看出：“巫山黄土”沉积物样品的δCe、δEu、La/Yb、Gd/Yb和ΣREE特征值非常相近，说明其物源的一致性。其中，La/Yb（CN）平均值为10.13，远远大于1，说明沉积物明显富集轻稀土元素。Gd/Yb（CN）平均值为1.85，比1稍大，说明沉积物中重稀土元素分馏不明显。
表5-22 “巫山黄土”Sr-Nd同位素数据
球粒陨石标准化计算的沉积物δEu平均值为0.598，表现出明显的负Eu异常，表明相对于球粒陨石，沉积物已经产生了明显的分异，且分异程度接近大陆地壳。由于Eu异常的产生常与斜长石和钾长石的结晶有关，说明沉积物的物源区分布有长英质岩石。该地区呈现出从老到新Eu异常值逐渐减小的趋势，这一特点可能与Eu2＋的淋溶有关。当古气候波动，演变为温暖湿润时期，可能引起Eu2＋的淋溶，导致Eu异常值升高（文启忠等，1984）。结合常量元素的分析结果可知，11～25号样品（对应剖面深度6～14.35m处）对应的时期，为夏季风较强盛的温暖湿润气候，从10号样品（对应剖面深度0.35～6m处）以后朝着干冷方向发展，从而引起下部黄土Eu2＋的淋溶强度较上部黄土强，因而呈现出从老到新Eu异常值逐渐减小的趋势。
在球粒陨石标准化情况下计算的沉积物δCe平均值为0.958，没有明显的Ce异常，这说明本区沉积物遭受的风化作用并不强烈，因此其特征可基本代表源区特征。
图5-35 “巫山黄土”沉积物稀土元素参数特征值随深度变化曲线
六、“巫山黄土”Sr-Nd同位素特征
在剖面从上到下以近等间距采集Sr-Nd同位素样品10件。前人研究表明，风尘物质在搬运、堆积及成壤过程中所遭受的粒度分选及风化成壤作用对其Nd同位素组成无明显影响，而对其Sr同位素组成则有较大影响（杨杰东等，2009）。该剖面沉积物粒度组成与黄土高原类似，而本研究着重比较“巫山黄土”与黄土高原同位素组成有无差异，因此未对其分粒级测试。Sr-Nd同位素比值在中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室采用热电离质谱仪（TIMS）分析，测试结果见表5-22。
图5-36 “巫山黄土”Sr-Nd同位素组成变化曲线
“巫山黄土”87Sr/86Sr介于0.717 4和0.719 2之间，平均值为0.718，样品间最大差异为0.001 8。由Sr同位素组成随深度变化曲线可知，“巫山黄土”剖面2～5m及7～9m处87Sr/86Sr值较高（图5-36），其余样品的87Sr/86Sr值均较低且较为稳定。2～5m处高87Sr/86Sr值，可能与该段具有不同的物质来源有关；7～9m处高87Sr/86Sr值，可能与风尘堆积物的粒度组成及沉积物所经历的化学风化作用强度有关。黄土分粒级实验表明，＜2μm组分的87Sr/86Sr值明显高于其他组分，因此可以认为风尘堆积物中＜2μm组分的含量是影响其87Sr/86Sr值的重要因素。“巫山黄土”粒度组成显示，该段堆积物＜2μm组分的含量较高，表明粒度组成可能是该段堆积物Sr同位素组成的重要控制因素。此外，该段风尘堆积物中含较多的铁锰结核，表明其受到较强的化学风化作用。灵台剖面Sr同位素组成变化表明，87Sr/86Sr值是化学风化强度的良好替代指标，且与化学风化强度呈正相关（杨杰东等，2003），这与本研究取得的认识基本一致。
“巫山黄土”143 Nd/144 Nd值介于0.512 037和0.512 119之间，平均值为0.512 071，样品间最大差异为0.000 08。其εNd（0）值介于-10.1和-11.7之间，平均值为-11.1，样品间最大差异为1.6。由Nd同位素组成随深度变化曲线可知，“巫山黄土”Nd同位素组成曲线可明显分为两段，大致以深度5m为界。该界线以上的εNd（0）值介于-10.9和-10.1之间，界线以下的εNd（0）值介于-11.7和-10.8之间，界线以上明显高于界线以下。
将“巫山黄土”Sr-Nd同位素组成与黄土高原马兰黄土比较发现，两者Sr同位素组成较为接近，“巫山黄土”87Sr/86Sr值位于黄土高原马兰黄土87Sr/86Sr值变化范围之内，而其Nd同位素组成则比黄土高原马兰黄土复杂。依据前文描述，“巫山黄土”上部εNd（0）值介于-10.9和-10.1之间，与黄土高原马兰黄土几乎一致；而其下部εNd（0）值介于-11.7和-10.8之间，略低于黄土高原马兰黄土。表明“巫山黄土”物源可能以源自黄土高原为主，界线以下低εNd（0）值可能为近源物质的加入使得源自黄土高原的粉尘所占比例下降所致。
七、磁组构特征
为了探讨“巫山黄土”的成因类型，对新近发现的“巫山黄土”进行了磁组构测试和磁化率主轴特征分析，并与长江现代沉积物以及长江中游一带分布的风积黄土和“砂山”的磁组构特征进行了对比。
1.单个磁组构参数特征
“巫山黄土”样品的磁组构参数量值与长江一带风积成因的“砂山”极为相近，而与长江现代河流沉积物存在着较大的差异（表5-23）。“巫山黄土”样品的κ、P、F、L值分别为361.4（10-6SI）、1.007 3、1.004、1.003 4，分布于长江一带的风成“砂山”（武汉青山）相应的值分别为657（10-6SI）、1.016 4、1.010 7、1.005 7，而长江现代河流沉积物（长江宜昌江段）相应的值却分别为2 009.1（10-6SI）、1.027 6、1.022 5、1.005 1。一般来说，水成沉积物的P值和F值多数大于1.02，E值绝大多数大于1.01，而风成沉积物的P值和F值多数小于1.02，E值小于1.01（张玉芬等，2003；张玉芬等，2008）。本书测试的146个“巫山黄土”样品的P值和F值均小于1.02，E值均小于1.01，且全部样品的平均值仅为1.007 3、1.004和1.000 4左右。它们与长江中游一带风成砂和风成黄土的P、F和E值非常接近（表5-23）。另外，“巫山黄土”的q值（平均值为0.672 1）与长江一带风成沉积物的q值（0.535 6～0.739 7）比较接近，而与长江现代河流沉积物的q值（0.121 9～0.400 1）差异较大，也反映出“巫山黄土”可能为风积成因。
表5-23 不同沉积类型的磁组构参数
注：表中参数κ为平均磁化率（总磁化率），单位为10-6SI；P为各向异性度；F为磁面理；L为磁线理；q为磁基质颗粒度；T为形状因子；E为扁率；Imax和Imin分别为最大、最小主轴的倾角。
2.磁组构参数组合特征
多个磁组构参数比单一参数能更为确切地反映沉积物的动力沉积状况，进而反映其成因类型。从长江中游风成沉积、水成沉积和“巫山黄土”磁组构参数组合关系对比分析图来看（图5-37），在磁组构参数F-L关系图上，“巫山黄土”样品的F、L值都很小，数据点主要集中于坐标原点附近；在P-T组合图上，P以小于1.02为主，T介于-1～1之间；在Fs-q组合图上，Fs值均小于1.02，q值的变化范围都较大（图5-37c）。与长江一带典型的风成沉积物的磁组构组合图（图5-37b）特征类似，表明两者具有相同的沉积类型和沉积环境。而长江现代河流沉积物的数据点主要集中于P、F和T的高值区，L和q的低值区（图5-37a），在F-L组合图上，数据点主要分布于F轴附近（F大于L），在P-T组合图上主要分布于T的正半轴，表现出水成沉积物的F较L发育（沉积层理发育）的特点。与“巫山黄土”相比，明显形成于不同沉积类型和沉积环境。
图5-37 长江中游部分沉积物磁组构参数组合（图中n是样品数）
（a）长江现代河漫滩沉积（张玉芬等，2008）；（b）武汉青山风成黄土（下蜀黄土）；（c）“巫山黄土”
3.磁化率各向异性量值椭球主轴的特点及其成因的指示
磁化率各向异性椭球体三主轴空间分布的等面积赤平投影点能够更直观地反映出沉积物中颗粒的有序分布，可以被用来区别不同环境的沉积物（吴海斌等，1998；吴汉宁等，1997）。从“巫山黄土”样品与长江武汉江段河流沉积物以及武汉青山“砂山”样品的磁化率各向异性量值椭球主轴的赤平投影（图5-38）可见：“巫山黄土”样品的磁化率椭球体轴向分布规律性较差且与武汉青山“砂山”的特征类似，而与长江河流沉积的特征不同。不论是“巫山黄土”，还是武汉青山“砂山”沉积物的κmax、κint和κmin分布都比较散乱，倾角变化也较大，表明它们沉积物颗粒有序性较差，这一特征也正好说明风的搬运能力远小于水的搬运能力，且常伴有气旋涡流导致风向不稳定的特点。
研究表明（张玉芬等，2008），风成沉积较正常的水成沉积而言，不仅具有磁化率最大、主轴偏角的方向比较分散的特点（图5-38），而且具有长轴的倾角偏大，短轴的倾角偏小的特点（表5-23）。由表5-23可见，“巫山黄土”样品的最大主轴的倾角Imax的平均值约为37.34°，最小主轴的倾角Imin的平均值约为38.0°，与长江一带风成沉积比较接近。而与水成沉积的磁化率最大主轴偏角的方向比较稳定，一般长轴的倾角小于10°，短轴的倾角在80°左右的特征差别较大。
图5-38 不同沉积类型的AMS主轴等面积赤平投影
（a）武汉长江河漫滩（n＝305）；（b）武汉青山风成砂（n＝313）；（c）本研究的“巫山黄土”（n＝146）
综上所述，“巫山黄土”样品的测试结果，无论是单个磁组构参数特征，还是磁组构参数组合特征以及磁化率各向异性椭球体主轴特征，均反映出其成因类型为风成。
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