陳建生,王文鳳

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)大禹學(xué)院,江蘇南京 210098)

深循環(huán)地下水作用下紅土與黃土成因研究

陳建生1,王文鳳2

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)大禹學(xué)院,江蘇南京 210098)

通過研究阿拉善自流井區(qū)出現(xiàn)的紅化地層,發(fā)現(xiàn)富含F(xiàn)e2+的井水涌出地表后形成了Fe2O3膠膜,鐵質(zhì)膠膜吸附在土顆粒的表面形成了紅土層,表明土壤紅化作用可以與氣候無關(guān)。在上地幔高導(dǎo)低速層中可能存在地下水的導(dǎo)水通道,玄武巖中的FeO、Mg O中的Fe2+、Mg2+等被超臨界水(supercritical water,SCW)萃取帶出。深循環(huán)地下水維系了黃土高原風(fēng)塵物的連續(xù)堆積,早期滲漏進(jìn)入上地幔導(dǎo)水通道的地下水被加熱成為SCW,被萃取帶出地表的Fe2+與空氣中的O2發(fā)生氧化反應(yīng)生成Fe2O3膠膜,鐵質(zhì)膠膜吸附在風(fēng)塵顆粒的表面形成紅土。2.5 Ma以來,玄武巖導(dǎo)水通道溫度降低到臨界點(diǎn)以下,地下水的萃取作用大幅度減弱,風(fēng)積土顯示為黃色,表明黃土高原顏色的轉(zhuǎn)變與氣候變化無關(guān)。由于深海沉積物δ18O與全球冰量呈正相關(guān),冰量與全球降水量呈負(fù)相關(guān),而深循環(huán)地下水量與全球降水量呈正相關(guān),由此可知,鄂爾多斯黃土沉積層碳酸鹽與全氧化鐵含量與深海δ18O呈高度負(fù)相關(guān)。

土壤紅化;超臨界水;深循環(huán)地下水;Fe2O3膠膜;白云巖

1 紅土研究現(xiàn)狀

中國紅土分布廣泛,在上新世(2.6 M~5.3 Ma)時(shí)期,北部紅土分布范圍多集中在黃河周圍,隨著時(shí)間的變遷,紅土分布區(qū)域不斷南移,到晚更新世間冰期及亞間冰期,紅土基本分布在北京——蘭州一線以南地區(qū)[1]。北方紅土年代早于南方紅土,被認(rèn)為是與青藏高原的隆升有關(guān)[2]。李吉均等[3]認(rèn)為,上新世青藏高原的高度只有1 000 m,印度季風(fēng)可以到達(dá)鄂爾多斯等北方大部分地區(qū),氣候?yàn)榕瘽?早更新世(0.73 M~2.43 Ma)青藏高原的高度上升達(dá)到2 000 m,印度季風(fēng)被阻擋而不能達(dá)到鄂爾多斯等北方地區(qū),北方的氣候轉(zhuǎn)為冷干。但是,Rowley等[4]通過盆地沉積物氧同位素分析認(rèn)為,40 Ma之前,青藏高原南部隆升高度已經(jīng)達(dá)到了4 000 m。顯然,通過青藏高原隆升關(guān)系解釋北方紅土成因受氣候控制的觀點(diǎn)存在爭(zhēng)議。

黃土高原是由上部的黃土與下伏的紅黏土兩部分組成,通過顆粒對(duì)比分析,確認(rèn)2.6 M~7 Ma紅黏土的成因與黃土一樣,同屬于風(fēng)成堆積[5]。連續(xù)的黃土覆蓋在紅黏土之上,最早的紅黏土形成的年代可追溯到22 Ma,位于六盤山以南的秦安縣[6]。在鄂爾多斯黃土高原,黃土與紅黏土的分界面大約在2.6 Ma,風(fēng)塵堆積由紅土轉(zhuǎn)為黃土被認(rèn)為是由氣候原因造成的,是暖濕變?yōu)槔涓傻霓D(zhuǎn)折點(diǎn)[7],黃土源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化呈逐步減弱的趨勢(shì),并與同一時(shí)期全球冰量逐步增長的趨勢(shì)相吻合,Chen等[8]認(rèn)為第四紀(jì)以來亞洲內(nèi)陸地區(qū)的干旱化現(xiàn)象可能是全球氣候變化的區(qū)域響應(yīng)的結(jié)果。一些學(xué)者認(rèn)為紅黏土表示東南向夏季風(fēng)盛行,而黃土表示冬季風(fēng)強(qiáng)勁[7]。紅黏土與黃土的差別在于,紅黏土顆粒的表面吸附著一些鐵質(zhì)黏粒膠膜,在斜照光下泛紅色[9]。研究發(fā)現(xiàn),靈臺(tái)剖面紅黏土與黃土的平均總鐵含量分別為6.0%和5.5%,雖然紅黏土中鐵含量比黃土中僅高出約0.5%,但是由于紅黏土中多出的Fe2+基本上都以Fe2O3膠膜的形式存在,鐵質(zhì)或鐵錳膠膜吸附在風(fēng)塵顆粒表面,這是土壤呈現(xiàn)紅色的根本原因。紅黏土中的鐵錳膠膜含量與粒徑有關(guān),例如,在延長和伊川剖面全氧化鐵含量范圍為4.5%~5.7%,而在渭南段變化范圍為5%~6.5%,意味著總鐵含量明顯受到了黃土粒徑的控制,粒徑越小,紅土中的鐵含量越高[10]。鐵質(zhì)膠膜的來源一般認(rèn)為與土壤的淋溶有關(guān),土壤中Ca、Na、Sr、Si等被降水淋溶流失[11],氧化鐵被還原成為Fe2+溶入水中,水中的Fe2+與空氣中的O2發(fā)生氧化反應(yīng)生成Fe2O3膠膜沉淀[2]。但是,在黃土與紅黏土堆積層中并沒有找到水流運(yùn)動(dòng)的證據(jù),相反,蝸牛種類的分布表明,黃土與紅黏土中沒有發(fā)生過水流的垂向流動(dòng),在黃土與紅土中發(fā)現(xiàn)的蝸牛種類相似,表明氣候環(huán)境相同[12]。

雖然關(guān)于紅土成因已經(jīng)研究了多年,但學(xué)術(shù)界至今未得出一致結(jié)論,紅土成因仍存在爭(zhēng)議。關(guān)于鄂爾多斯高原紅土的成因存在3種不同的觀點(diǎn):①晚第三紀(jì)的氣候?yàn)榕瘽?而第四紀(jì)為冷干[7],紅土表面吸附的鐵錳物質(zhì)來自土壤的淋溶,紅土是暖濕氣候的產(chǎn)物[1];②紅黏土序列物質(zhì)主要來源于風(fēng)力攜帶的粉塵,以“覆蓋式”披蓋在原始地貌上,粉塵在風(fēng)力和水流作用下被搬運(yùn)堆積[13];③紅土的形成與氣候變化無關(guān),吸附在紅土顆粒表面的Fe2+、Mn2+等離子來自玄武巖等巖漿巖,超臨界態(tài)的深循環(huán)地下水通過“氣孔”進(jìn)入到玄武巖中,將“氣孔”周邊玄武巖中Fe、Mg、Mn、Ca等元素萃取,于是,帶有“氣孔”的玄武巖被超臨界水萃取成為孔洞型玄武巖。被萃取出的Fe、Mg、Mn、Ca等隨著熱液涌出地表形成礦物沉積,紅土與黃土中保留的磁化率、碳酸鹽等古氣候信息反映的應(yīng)該是深循環(huán)地下水補(bǔ)給源區(qū)的水溫與水量等信息[14]。

黃土高原物質(zhì)來源與風(fēng)積土的觀點(diǎn)已經(jīng)得到了地學(xué)界的普遍認(rèn)同,但是,黃土高原沉積物中有3% ~10%的CaCO3不是來自風(fēng)塵物質(zhì),而是來自降水或地下水[15]。陳建生等[16]通過CaCO3平衡關(guān)系,確定黃土高原多出的CaCO3來自地下水,深循環(huán)地下水中溶解的CaCO3濃度高,地下水在溢出地表的過程中由于壓力降低引起了CaCO3飽和濃度的降低,從而形成了CaCO3沉積,深循環(huán)地下水維系了風(fēng)塵顆粒的連續(xù)堆積,最終形成了黃土高原。中國地質(zhì)調(diào)查局經(jīng)過大規(guī)模抽水試驗(yàn)證實(shí),鄂爾多斯是個(gè)大水盆,地下水的年補(bǔ)給量達(dá)到1.05× 1010m3[17]。通過降水入滲試驗(yàn)與同位素分析等研究確認(rèn),補(bǔ)給鄂爾多斯盆地的地下水來自外源水[18-19],西藏高原的河流與湖泊存在滲漏[20],納木錯(cuò)湖泊的滲漏量達(dá)到120~190 m3/s[21];重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)表明, 2003—2009年期間,西藏高原地下水的增加量達(dá)到1.86×1010m3/a[22]。由于鄂爾多斯等地下水的排泄區(qū)中沉積了Fe(紅土)、Mg(白云巖)等礦物,表明深循環(huán)地下水曾經(jīng)為高溫,Fe、Mg等元素來自地幔,而且地幔導(dǎo)水通道一直延續(xù)至今,地下水維系了風(fēng)塵顆粒的連續(xù)堆積,早期的熱水形成了紅土[14,23]。

2 阿拉善自流井水紅化地層分析

巴丹吉林沙漠位于內(nèi)蒙古西部,總面積4.7× 104km2,降水量小于100 mm,但沙漠中仍然保留著100多個(gè)湖泊以及世界上最高的沙山群,通過原位植物化石研究證實(shí),幾千年以來沙山群與湖泊很穩(wěn)定,沒有發(fā)生過位移,地下水維系了沙山與湖泊景觀[24]。根據(jù)地下水深循環(huán)理論,在南部沙漠邊緣沙山覆蓋的火山口周邊的盆地中找到了優(yōu)質(zhì)的飲用水源地,8口井的總流量接近1.0×104m3/d,其中鍶含量達(dá)到了礦泉水標(biāo)準(zhǔn)[25]。在巴丹吉林沙漠北部發(fā)現(xiàn)了第四紀(jì)火山噴發(fā)遺跡,孔洞型玄武巖出露地表,火山口附近分布著紅土與碳酸鹽(白云巖)地層(圖1)。紅化地層主要分布在圓帽山(圖1(a)),在圓帽山的頂部及四周分布著較厚的碳酸鹽層,圓帽山周邊盆地并沒有紅化地層與碳酸鹽層,所以,紅土不可能來自風(fēng)塵或沖洪積。

2015年8月在巴丹吉林沙漠北部地區(qū)鉆了一口自流井,位置41°47'60″N,104°1'33″E,自流井與火山玄武巖噴發(fā)區(qū)距離約85 km,自流井位置見圖1(b)。自流井最初的涌水量為100 m3/h,2個(gè)月以后涌水量衰減到60 m3/h。一般地下水中的Fe質(zhì)量濃度都小于0.1 mg/L,但自流井中Fe2+質(zhì)量濃度達(dá)到1.6 mg/L,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出了均值。自流井水中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等陽離子含量也偏高, HCO-3的質(zhì)量濃度達(dá)到968 mg/L,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出一般地下水,因?yàn)樗刑妓猁}的飽和濃度與壓力呈正相關(guān),水中大量的HCO-3表明地下水來自深部地層,淺層地下水碳酸鹽的飽和濃度低,不可能有這么高的含量,這表明地下水經(jīng)歷了深循環(huán)過程。

自流井深150 m,井水溫度始終保持為21℃,通過水化學(xué)分析確定地下水經(jīng)歷了深循環(huán)。自流井位于巴丹吉林沙漠北部的極干旱區(qū),鉆井位于丘陵地區(qū),山盆之間的最大高差只有幾十米。自流井水的δD和δ18O值分別為-78.9‰和-10.8‰,2013—2015年阿拉善右旗與雅布賴降水中δD和δ18O的加權(quán)平均值分別為(-25.48‰、-4.72‰)和(-19.8‰、-3.34‰)。自流井水的同位素比當(dāng)?shù)亟邓黠@貧化,自流井水顯然不是來源于當(dāng)?shù)氐慕邓?。自流井不但具有穩(wěn)定的補(bǔ)給源,而且補(bǔ)給源區(qū)應(yīng)該在海拔較高的高原地區(qū),根據(jù)降水同位素特征可以確定自流井可能的補(bǔ)給源區(qū)在青藏高原北緣一帶。自流井位于火山活動(dòng)形成的丘陵地區(qū),周邊的沙漠區(qū)在第四紀(jì)發(fā)生過玄武巖噴發(fā),在源區(qū)與排泄區(qū)之間應(yīng)該存在滲透系數(shù)較大的導(dǎo)水構(gòu)造,導(dǎo)水層富含Ca、Mg、Si、Fe等元素,由此推斷,深循環(huán)地下水的導(dǎo)水構(gòu)造可能是孔洞型玄武巖。

圖1 巴丹吉林沙漠孔洞玄武巖/紅土/碳酸鹽(白云巖)及自流井

自流井水涌出井口后匯聚在了井口周圍的洼地中,2015年10月,自流井涌水2個(gè)月之后,發(fā)現(xiàn)洼地中土壤的顏色已經(jīng)變成了暗紅色(圖1(e)、(f)),化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn),土壤中發(fā)現(xiàn)了CaCO3沉積,在土顆粒的表層吸附了一層Fe2O3膠膜,這是土壤紅化的根本原因。由于地下水在含水層流動(dòng)過程中受到了介質(zhì)的摩擦阻力,動(dòng)水壓力水頭損失較大,長距離傳輸?shù)牡叵滤诳紫痘蛄严督橘|(zhì)中水頭損失較大,自流井的衰減系數(shù)較大,不可能維持很長的時(shí)間。水力學(xué)與地球化學(xué)分析結(jié)果都表明,地下水所經(jīng)過的介質(zhì)可能是滲透性很強(qiáng)的孔洞型玄武巖,由于玄武巖由SiO2、Si2O3、FeO、CaO、MgO、K2O、Na2O等組成,自流井水中的Fe2+可能來自玄武巖。這個(gè)事例表明,紅土或紅層中的鐵質(zhì)薄膜可能是來自地下水,地下水中的Fe2+與空氣中的O2發(fā)生了氧化反應(yīng),形成了Fe2O3膠膜,鐵質(zhì)膠膜吸附在土顆粒的表面,如果鐵質(zhì)膠膜量很大,地層將被染成紅色。

3 紅土-黃土高原沉積原因分析

阿拉善自流井周邊地層被地下水紅化的事實(shí)表明,北方的紅土堆積可能并非是氣候原因。鄂爾多斯盆地的地下水來自外源水補(bǔ)給,鄂爾多斯盆地內(nèi)部存在自流井群,陜西府谷一口自流井的流量達(dá)到5×104m3/d,每天的排泄量相當(dāng)于一個(gè)中型水源地。研究表明,鄂爾多斯地下水的補(bǔ)給源區(qū)在西藏內(nèi)流區(qū),河流與湖泊的滲漏水通過深循環(huán)形式補(bǔ)給黃土及沙漠地區(qū)[18-19,23]。鄂爾多斯盆地上涌的地下水形成了淺水湖泊,來自北方的風(fēng)塵顆粒沉積在淺水湖泊,湖泊被填充后,地下水以土壤薄膜水的形式繼續(xù)向地表排泄,風(fēng)塵顆粒被地下水黏滯成團(tuán)簇結(jié)構(gòu),抵抗風(fēng)蝕的能力大幅度增強(qiáng),地下水維系了風(fēng)塵顆粒的連續(xù)堆積從而形成了黃土高原[16]。

研究發(fā)現(xiàn),長白山天池及周邊的地下水來源于西藏羌塘河流的滲漏水,上地幔的高導(dǎo)低速層被認(rèn)為是深循環(huán)地下水的導(dǎo)水通道[14,26]。在西藏高原與鄂爾多斯上地幔存在連續(xù)的高導(dǎo)低速結(jié)構(gòu)[27],高導(dǎo)低速結(jié)構(gòu)經(jīng)過了鄂爾多斯巖石圈底部后在鄂爾多斯與華北地塊交界的山西裂谷處上隆彎曲,中地殼的高導(dǎo)低速結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了上隆[28]。如果深循環(huán)地下水的導(dǎo)水通道是在上地幔的高導(dǎo)低速層中,那么早期在高導(dǎo)低速層中流動(dòng)的地下水應(yīng)該被加熱成為超臨界水(supercritical water,SCW),SCW對(duì)玄武巖等巖漿巖具有超強(qiáng)的萃取作用,所以,早期上涌地下水中Fe2+質(zhì)量濃度很高,Fe2+與O2發(fā)生的氧化反應(yīng)生成的鐵質(zhì)膠膜吸附在風(fēng)積顆粒的表面,土壤被染成紅色。

雖然目前對(duì)于上地幔導(dǎo)水通道的形成機(jī)制尚不是很清楚,但是,早期在上地幔中循環(huán)的地下水必然被巖漿巖加熱為SCW。由于水在超臨界態(tài)時(shí)的電離度與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)不同,當(dāng)SCW的溫度在1 000℃以上,其密度可達(dá)到2 g/m L,此時(shí)的SCW變成了一種導(dǎo)電性很強(qiáng)的離子性流體,具有了幾乎是無堅(jiān)不摧的強(qiáng)腐蝕性[29],水的電離度是常溫水的1 000倍, H+和OH-的濃度均升高了1 000倍,具有極強(qiáng)的腐蝕性[30]。萃取在臨界溫度附近最為嚴(yán)重,且多是孔蝕與晶界溶蝕,有時(shí)也會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂[31]。

在上地幔中SiO2、FeO與MgO的豐度分別為42.62%、14%與30.54%,這3種化合物占到地幔總量的87.16%[32],屬于相對(duì)容易腐蝕的化合物。而地幔中Al2O3(豐度為5.54%)等化合物屬于耐腐蝕的化合物[33]。由于萃取程度上的差異,地幔巖石圈導(dǎo)水通道中大量的Si、Mg、Fe等元素被SCW萃取,形成一些孔蝕,萃取后的巖漿巖成了導(dǎo)水的孔洞構(gòu)造,這種孔洞構(gòu)造的巖漿巖應(yīng)該就是在火山巖地區(qū)看到的“氣孔”玄武巖,但是,這些“氣孔”已經(jīng)不是由H2O、CO2等“氣體”所留下來的,而是經(jīng)歷了超臨界水的萃取作用。

從理論上講,上地幔中如果存在著導(dǎo)水通道,那么導(dǎo)水通道形成后該通道上覆的巖石圈將被冷卻,該地區(qū)的地溫梯度必將大幅度降低。事實(shí)上, 13.5Ma以來,羌塘及其周邊地區(qū)的確發(fā)生了一系列快速冷卻事件[34],在9M~13 Ma青藏高原東南邊界的川滇高原發(fā)生了快速冷卻事件[35];在8 M~9 Ma羌塘盆地兩條斷裂帶發(fā)生了冷卻事件[36];8 Ma西藏念青唐古東南發(fā)生了突然冷卻事件[37];積石山在8 Ma前后達(dá)到最高溫度,隨后發(fā)生冷卻[38];六盤山在7.3 M~8.2 Ma地溫梯度從43℃/km突然降低到16℃/km[39];山西沁水盆地中新世以來地溫梯度由每100 m4.2℃演變到接近現(xiàn)代地溫場(chǎng)的每100 m3℃左右[40];鄂爾多斯盆地中新世末期以來溫度快速降至常溫20℃左右[41]。鄂爾多斯黃土高原最初大規(guī)模風(fēng)塵堆積的時(shí)間為8.35 Ma[16],鄂爾多斯地溫梯度下降的時(shí)間與黃土高原堆積的時(shí)間是相吻合的,巖石圈降溫的時(shí)間正好是深循環(huán)地下水溢出的時(shí)間。鄂爾多斯河流源區(qū)的地溫梯度普遍偏低,例如渭河(每100 m1℃)、涇河(每100 m1.01℃)、洛河(每100 m1.3℃)、桑干河(每100 m7.1℃)等的地溫梯度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于每100 m3℃的均值[23],符合外源水經(jīng)過深部巖石圈循環(huán)的地溫梯度特征。

8 Ma以來,鄂爾多斯的地溫梯度經(jīng)歷了下降過程,在降溫的同時(shí)發(fā)生了風(fēng)塵的連續(xù)堆積,風(fēng)塵堆積的原因是由于深循環(huán)地下水上涌至地表,FeO與MgO被SCW萃取后還原為Fe2+與Mg2+,Fe2+、Mg2+等離子溢出到地表后發(fā)生了3種物理化學(xué)作用:①溢出地表的地下水黏滯了風(fēng)塵顆粒,形成了連續(xù)的堆積;②Fe2+溢出地表后形成了鐵質(zhì)膠膜,將風(fēng)塵顆粒染成了紅色,形成了紅土高原;③Mg2+與Ca2+、CO32-發(fā)生白云巖化,生成白云石。由于地幔導(dǎo)水通道在深循環(huán)地下水的冷卻作用下溫度不斷降低,當(dāng)溫度低于臨界點(diǎn),深循環(huán)地下水對(duì)巖石的萃取能力大幅度降低,地下水中Fe2+、Mg2+等離子的含量也大幅度降低,鐵質(zhì)膠膜大幅度減少,風(fēng)塵演變?yōu)辄S土堆積。由此可知,黃土高原2.5Ma黃土與紅土的分界面并非是氣候變化的產(chǎn)物。

4 黃土沉積全氧化鐵與深海氧同位素相關(guān)性

Heller等[42]指出,黃土高原洛川2.4 Ma以來黃土剖面的磁化率與深海氧同位素具有很高的相關(guān)性,黃土的磁化率反映了古氣候變化。但是Kent[43]指出,深海沉積物的天然剩余磁化強(qiáng)度(natural remanent magnetization,NRM)的變化是受CaCO3含量的變化以及初始磁化率所顯示的沉積物的磁學(xué)性質(zhì)變化的影響,地球磁場(chǎng)強(qiáng)度變化與氣候變化之間并無相關(guān)性。由黃土高原磁化率與深海氧同位素高度相關(guān)可知,黃土高原的磁化率與全球降水量高度相關(guān);但是,這種相關(guān)性僅限于黃土高原,美國阿拉斯加與西伯利亞的黃土中的磁化率與降水量之間并不存在相關(guān)性[16]。

圖2 西安、寶雞黃土中的全氧化鐵、CaCO3與深海δ18O的對(duì)應(yīng)關(guān)系

地下水深循環(huán)理論可以更合理解釋黃土高原2.4 Ma以來磁化率變化與全球降水量高度相關(guān)的原因。通過對(duì)比黃土高原沉積地層中的全氧化鐵、CaCO3與深海δ18O發(fā)現(xiàn),它們之間存在著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這是由于沉積在黃土中的CaCO3與吸附在風(fēng)塵顆粒表面的Fe2+等離子都來自深循環(huán)地下水,黃土高原的地下水補(bǔ)給源來自西藏高原[18-19,44]。由于全球的冰量與溫度呈負(fù)相關(guān),深海氧同位素與全球冰量呈正相關(guān),降水量與全球冰量呈負(fù)相關(guān)。從巖石中萃取出來的離子含量與水量呈正相關(guān),由此可知,黃土高原沉積層中的CaCO3、鐵質(zhì)膠膜與深海δ18O呈負(fù)相關(guān)(圖2)[45-47]。

但是,鐵質(zhì)膠膜層都位于CaCO3層的上部(圖2),這是由于CaCO3的溶解度與壓力呈正相關(guān),深循環(huán)地下水中CaCO3的溶解度較大,地下水上涌到地表附近,壓力降低造成CaCO3的溶解度下降,從而在地表以下形成了CaCO3沉積。而深循環(huán)地下水中的Fe2+必須達(dá)到地表后才能與空氣中的O2發(fā)生氧化反應(yīng)形成Fe2O3沉積,所以,鐵質(zhì)膠膜一定位于CaCO3層的上部。

由于地下水深循環(huán)與新生代火山玄武巖噴發(fā)有關(guān),地下水深循環(huán)初期階段大量的Fe、Mg、Mn等元素被萃取,在地表形成了白云巖、紅土或紅色地層。新生代火山巖噴發(fā)地區(qū)及一些巖漿流經(jīng)過地區(qū)的地表紅層可能是深循環(huán)的SCW上溢的結(jié)果,不是氣候變化的產(chǎn)物。據(jù)此推斷,南方的紅土年代晚于北方的原因是由于這些地區(qū)出現(xiàn)地下水深循環(huán)的年代晚于鄂爾多斯,出現(xiàn)在第四紀(jì)。

鄂爾多斯、內(nèi)蒙古高原、華北平原及長白山等地區(qū)地下水中的氘氧同位素具有貧化特征,地下水接受西藏高原河流或湖泊滲漏水的補(bǔ)給[14,23,48]。羌塘中部地區(qū)則廣泛分布了低速物質(zhì),羌塘中部的低速體可延伸到400 km深度以下,大范圍的Sn波缺失,電阻在10~30Ω之間[49-50];羌塘盆地150 km以下的巖石圈中存在連續(xù)的高導(dǎo)低速層并延伸到東部地區(qū),上地幔第一高導(dǎo)低速層經(jīng)過了鄂爾多斯地塊并繼續(xù)向東部延伸[51],該低速結(jié)構(gòu)經(jīng)過鄂爾多斯巖石圈底部后,在鄂爾多斯與華北地塊交界的山西裂谷處上隆彎曲,上地幔與中地殼的高導(dǎo)低速結(jié)構(gòu)在裂谷下部都出現(xiàn)了上隆[27]?？紤]到上地幔中富含F(xiàn)e、Mg等金屬元素,通過分析鄂爾多斯瀝青包裹體中的釤-釹同位素得出,深部物質(zhì)可能與大陸高原玄武巖有關(guān)[52],據(jù)此推斷上地幔高導(dǎo)低速層可能是由孔洞玄武巖組成,正是深循環(huán)地下水的導(dǎo)水通道。

5 結(jié) 論

a.地下水存在一種深循環(huán)形式,上地幔中的高導(dǎo)低速層中可能存在導(dǎo)水通道,西藏高原等地的河流與湖泊通過火山裂谷、斷裂帶等滲漏到不同的地幔導(dǎo)水通道中,分別在鄂爾多斯、華北平原、內(nèi)蒙古高原、長白山等地區(qū)排泄。

b.阿拉善自流井水來自外源區(qū),井水周邊的土壤被涌出水中的鐵離子染成紅色,表明北方地區(qū)的紅土或紅色地層可能與深循環(huán)地下水有關(guān),吸附在土顆粒表面的鐵錳膠膜可能來自地下水而不是土壤淋溶的產(chǎn)物,紅土的形成不是氣候原因。

c.深循環(huán)地下水通過斷裂帶在鄂爾多斯盆地排泄是形成黃土高原的根本原因,地下水維系了風(fēng)塵顆粒的連續(xù)堆積,早期溢出地表的深循環(huán)水為SCW,被SCW萃取出的Mg2+、Fe2+等離子形成了碳酸鹽(白云石)與紅(色)土;大約在2.5 Ma,深循環(huán)導(dǎo)水通道的溫度降低到超臨界態(tài)以下,玄武巖等被萃取的程度大幅度降低,Fe2+大幅度減少后風(fēng)塵堆積呈現(xiàn)為黃(色)土。

d.深海沉積物氧同位素δ18O變化反映了全球冰量的變化,δ18O偏負(fù)表明全球的溫度與降水量偏高;液態(tài)的深循環(huán)地下水量越大,從巖石中萃取出的碳酸鹽與鐵離子的含量越高,所以,黃土高原沉積層中碳酸鹽、全氧化鐵與深海δ18O呈高度負(fù)相關(guān)。

[1]黃鎮(zhèn)國,張偉強(qiáng),陳俊鴻.中國紅土與自然地帶變遷[J].地理學(xué)報(bào),1999,54(3):193-203.(HUANG Zhenguo, ZHANG Weiqiang,CHEN Junhong.The change of natural zones and the evolution of red earth in China [J].Acta Geographica Sinica,1999,54(3):193-203.(in Chinese))

[2]黃鎮(zhèn)國.中國南方紅色風(fēng)化殼[M].北京:海洋出版社, 1996.

[3]李吉均,文世宣,張青松,等.青藏高原隆起的時(shí)代、幅度和形式的探討[J].中國科學(xué),1979(6):608-616.(LI Jijun,WEN Shixuan,ZHANG Qingsong,et al. Discussion on the time,amplitude and form of the uplift of the Qinghai Tibet Plateau[J].Scientia Sinica,1979 (6):608-616.(in Chinese))

[4]ROWLEY D B,CURRIE B S.Palaeo-altimetry of the late Eocene to Miocene Lunpola basin,central Tibet[J]. Nature,2006,439(7077):677-681.

[5]丁仲禮,楊石嶺,孫繼敏.2.6Ma前后中國北方大氣環(huán)流格局的重組:黃土-紅黏土序列的粒度證據(jù)[C]//陳颙,王水,秦蘊(yùn)珊,等.寸丹集:慶賀劉光鼎院士工作50周年學(xué)術(shù)論文集.北京:科學(xué)出版社,1998:884-897.

[6]GUO Z T,RUDDIMAN W F,HAO Q Z,et al.Onset of Asian desertification by 22 Myr ago inferred from loess deposits in China[J].Nature,2002,416(6877):159-163.

[7]丁仲禮,孫繼敏,朱日祥,等.黃土高原紅黏土成因及上新世北方干旱化問題[J].第四紀(jì)研究,1997,17(2): 147-157.(DING Zhongli,SUN Jimin,ZHU Rixiang,et al.Eolian origin of the red clay depositsin the Loess Plateau and implications for Pliocene climatic changes [J].Quaternary Sciences,1997,17(2):147-157.(in Chinese))

[8]CHEN J,LIU L,JUNFENG J I,et al.Variations in chemical compositions of the eolian dust in Chinese Loess Plateau over the past 2.5 Ma and chemical weathering in the Asian inland[J].Science China Earth Sciences,2001,44(5):403-413.

[9]安芷生,魏蘭英.淀積鐵質(zhì)黏粒膠膜及其成因意義[J].科學(xué)通報(bào),1979,24(8):356-359.(AN Zhisheng,WEI Lanying.Deposition of iron clay film and its genetic significance[J].Chinese Science Bulletin,1979,24(8): 356-359.(in Chinese))

[10]DING Z L,YANG S L,SUN J M,et al.Iron geochemistry of loess and red clay deposits in the Chinese Loess Plateau and implications for long-term Asian monsoon evolution in the last 7.0 Ma[J].Earth and Planetary Science Letters,2001,185:99-109.

[11]劉英俊,曹勵(lì)明,李兆麟,等.元素地球化學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1984:50-112.

[12]裴云鵬,吳乃琴,李豐江.晚第三紀(jì)紅黏土成因和沉積環(huán)境的生物學(xué)證據(jù):蝸牛化石記錄[J].科學(xué)通報(bào),2004,49 (13):1294-1298.(PEI Yunpeng,WU Naiqin,LI Fengjiang.Late tertiary red clay formation and the sedimentary environment of biological evidence:snail fossil record[J].Chinese Science Bulletin,2004,49(13): 1294-1298.(in Chinese))

[13]YUE L P,LI J X,ZHENG G Z,et al.Evolution of the Ordos Plateau and environmental effects[J].Science China Earth Sciences,2007,50(2):19-26.

[14]陳建生,江巧寧.地下水深循環(huán)研究進(jìn)展[J].水資源保護(hù),2015,31(6):8-17.(CHEN Jiansheng,JIANG Qiaoning.Research progress of ground water deepcirculation[J].Water Resources Protection,2015,31 (6):8-17.(in Chinese))

[15]劉東生.黃土與環(huán)境[M].北京:中國科學(xué)出版社,1985.

[16]陳建生,劉震,劉曉艷,等.深循環(huán)地下水維系黃土高原風(fēng)塵顆粒連續(xù)沉積[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2013,87(2):278-287. (CHEN Jiansheng,LIU Zhen,LIU Xiaoyan,et al.Deepcirculation groundwater maintains continuous deposition of dusty particles in Loess Plateau[J].Acta Geologica Sinica,2013,87(2):278-287.(in Chinese))

[17]侯光才,張茂省,王永和,等.鄂爾多斯盆地地下水資源與開發(fā)利用[J].西北地質(zhì),2007,40(1):7-34.(HOU Guangcai,ZHANG Maosheng,WANG Yonghe,et al. Groundwater resources of the Ordos Basin and its development and utilization[J].Northwestern Geology, 2007,40(1):7-34.(in Chinese))

[18]CHEN J,LIU X,WANG C,et al.Isotopic constraints on the origin of groundwater in the Ordos Basin of northern China[J].Environmental Earth Sciences, 2012,66(2):505-517.

[19]GE J,CHEN J,GE L,et al.Isotopic and hydrochemical evidence of groundwater recharge in the Hopq Desert, NW China[J].Journal of Radioanalytical&Nuclear Chemistry,2016,310(2):761-775.

[20]陳傳友,關(guān)志華.羌塘高原水資源及其開發(fā)利用[J].自然資源學(xué)報(bào),1989,4(4):8-14.(CHEN Chuanyou, GUAN Zhihua.The water resources of the Qiang-Tang Plateau and their development and use[J].Journal of Natural Resources,1989,4(4):8-14.(in Chinese))

[21]ZHOU S,KANG S,CHEN F,et al.Water balance observations reveal significant subsurface water seepage from Lake Nam Co,south-central Tibetan Plateau[J]. Journal of Hydrology,2013,491:89-99.

[22]XIANG L,WANG H,STEFFEN H,et al.Groundwater storage changes in the Tibetan Plateau and adjacent areas revealed from GRACE satellite gravity data[J]. Earth&Planetary Science Letters,2016,449:228-239.

[23]陳建生,王慶慶.北方干旱區(qū)地下水補(bǔ)給源問題討論[J].水資源保護(hù),2012,28(3):1-8.(CHEN Jiansheng, WANG Qingqing.A discussion of groundwater recharge sources in arid areas of North China[J].Water Resources Protection,2012,28(3):1-8.(in Chinese))

[24]CHEN J S,LI L,WANG J Y,et al.Water resources: groundwater maintains dune landscape[J].Nature, 2004,432(7016):459-60.

[25]鄭晉鳴.河海大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在沙漠中找到礦泉水[N].光明日?qǐng)?bào),2015-01-02(7).

[26]江巧寧,陳建生.深循環(huán)地下水補(bǔ)給長白山天池的水量平衡分析[J].水資源保護(hù),2015,31(5):7-13.(JIANG Qiaoning,CHEN Jiansheng.Analysison water balance of deepcycle groundwater supplying Tianchi Lake of Changbai Mountain[J].Water Resources Protection, 2015,31(5):7-13.(in Chinese))

[27]徐常芳.中國大陸地殼上地幔電性結(jié)構(gòu)及地震分布規(guī)律(一)[J].地震學(xué)報(bào),1996(2):254-261.(XU Changfang.The electrical structure of crust and upper mantle and its distribution in China[J].Acta Seismologica Sinica,1996(2):254-261.(in Chinese))

[28]李立.大地電磁測(cè)深(MTS)用于研究地殼上地幔的初步成果.物探與化探[J],1997,21(6):460-467.(LI Li. The preliminary achievements of magnetotelluric sounding in thestudy of the crust and upper mantle[J]. Geophysical&Geochemical Exploration,1997,21(6): 460-467.(in Chinese))

[29]梁京梅,李復(fù)興.超臨界水:一種新的化學(xué)介質(zhì)[J].化學(xué)教育,2001,22(6):7-9.(LIANG Jingmei,LI Fuxing. Supercritical water:a new chemical medium[J].Chinese Journal of Chemical Education,2001,22(6):7-9.(in Chinese))

[30]宋心琦.神奇的超臨界態(tài)水[J].百科知識(shí),2011(2):3-5. (SONG Xinqi.Magic supercritical water[J]. Encyciopedic Knowledge,2011(2):3-5.(in Chinese))

[31]BOUKIS N,CLAUSSEN N,EBERT K,et al.Corrosion screening tests of high-performance ceramics in supercritical water containing oxygen and hydrochloric acid[J].Journal of the European Ceramic Society,1997, 17(1):71-76.

[32]黎彤,袁懷雨.大洋巖石圈和大陸巖石圈的元素豐度[J].地球化學(xué),2011,40(1):1-5.(LI Tong,YUAN Huaiyu.Element abundance in the oceanic and the continental lithospheres[J].Geochimica,2011,40(1):1-5.(in Chinese))

[33]BOUKIS N,KRITZER P.Corrosion phenomena on alloy 625 in aqueous solutions containing hydrochloric acid and oxygen under subcritical and supercritical conditions[J].Nace International Houston Tx,1997.

[34]BLISNIUK P M,HACKER B R,GLODNY J,et al. Normal faulting in central Tibet since at least 13.5 Myr ago[J].Nature,2001,412:628-632.

[35]CLARK M K,SCHOENBOHM L M,ROYDEN L H, et al.Surface uplift,tectonics,and erosion of Eastern Tibet from large-scale drainage patterns[J].Tectonics, 2004,23:TC1006,doi:10.1029/2002TC001402.

[36]MOLNAR P.Mio-Pliocene growth of the Tibetan Plateau and evolution of East Asian climate[J]. Palaeontologia Electronica,2005,8(1):1-23.

[37]HARRISON T M,COPELAND P,KIDD W S F,et al. Activation of the Nyainqentanghla shear zone: implications for uplift of the southern Tibetan Plateau [J].Tectonics,1995,14:658-676.

[38]鄭德文,張培震,萬景林,等.構(gòu)造、氣候與礫巖:以積石山和臨夏盆地為例[J].第四紀(jì)研究,2006,26(1):63-69. (ZHENG Dewen,ZHANG Peizhen,WAN Jinglin,et al. Tectonic events,Climate andCongelomerate:example from Jishishan Mountain and Linxia basin[J].Quaternary Sciences,2006,26(1):63-69.(in Chinese))

[39]鄭德文,張培震,萬景林,等.六盤山盆地?zé)釟v史的裂變徑跡證據(jù)[J].地球物理學(xué)報(bào),2005,48(1):157-164.(ZHENG Dewen,ZHANG Peizhen,WAN Jinglin,et al.Apatite fission track evidence for the thermal history of the Liupanshan basin[J].Chinese Journal of Geophysics,2005,48(1):157-164.(in Chinese))

[40]承金,汪新文,王小牛.山西沁水盆地?zé)崾费莼卣鱗J].現(xiàn)代地質(zhì),2009,23(6):1093-1099.(CHENG Jin,WANG Xinwen,WANG Xiaoniu.The theimal history of the Qinshui Basin in Shanxi Province[J].Geoscience,2009,23(6):1093-1099.(in Chinese))

[41]劉武生,秦明寬,漆富成,等.運(yùn)用磷灰石裂變徑跡分析鄂爾多斯盆地周緣中新生代沉降隆升史[J].鈾礦地質(zhì),2008,24 (4):221-232.(LIU Wusheng,QIN Mingkuan,QI Fucheng,et al.Analysis on the Meso-Neozoic subsidence and uplift history of theperiphery of Ordos basin using apatite fission track[J].UraniumGeology,2008,24(4):221-232.(in Chinese))

[42]HELLER F,LIU T.Magnetostratigraphical dating of loess deposits in China[J].Nature,1982,300(5891):431-433.

[43]KENT D V.Apparent correlation of palaeomagnetic intensity and climatic records in deep-sea sediments[J].Nature,1982, 299(5883):538-539

[44]陳建生,王婷,陳茜茜,等.鄂爾多斯自流盆地地下水來源爭(zhēng)議問題討論[J].地質(zhì)論評(píng),2013,59(5):900-908.(CHEN Jiansheng,WANG Ting,CHEN Qianqian,et al.Discussion on the origin of groundwater in the Orods basin[J].Geological Review,2013,59(5):900-908.(in Chinese))

[45]SHACKLETON N J,OPDYKE N D.Oxygen isotope and palaeomagnetic stratigraphy of pacific core V28-239 late pliocenetocene geol[J].Geol Soc Amer Men,1976,145,449-464.

[46]趙景波.淀積理論與黃土高原環(huán)境演變[M].北京:科學(xué)出版社,2002:19.

[47]孫建中,趙景波.黃土高原第四紀(jì)[M].北京:科學(xué)出版社, 1991:122.

[48]陳建生,陳茜茜,王婷.阿拉善沙漠濕沙層水分來源同位素示蹤[J].水科學(xué)進(jìn)展,2014,25(2):196-206.(CHEN Jiansheng,CHEN Qianqian,WANG Ting.Isotopes tracer research of wet sand layer water sources in Alxa Desert[J]. Advances in Water Science,2014,25(2):196-206.(in Chinese))

[49]TAPPONNIER P,ZHIQIN X,ROGER F,et al.Oblique stepwise rise and growth of the Tibet Plateau[J].Science, 2001,294:1671-1677.

[50]WEI Wenbo,UNSWORTH M,JONES A G,et al.Detection of widespred fluids in the Tibetan crust by magnetotelluric studies[J].Science,2001,292:716-718.

[51]LIU M,CUI X,LIU F.Cenozoic rifting and volcanism in eastern China:a mantle dynamic link to the Indo-Asian collision?[J].Tectonophysics,2004,393(1/2/3/4):29-42.

[52]潘愛芳,赫英.鄂爾多斯盆地石油的稀土元素地球化學(xué)特征[J].中國稀土學(xué)報(bào),2008,26(3):374-380.(PAN Aifang,HE Ying.Rare earth element geochemical characteristics of oil in the Ordos basin[J].Journal of the Chinese Rare Earth Society,2008,26(3):374-380.(in Chinese))

Study on formation mechanism of laterite and loess soils under action of deep groundwater circulation

CHEN Jiansheng1,WANG Wenfeng2
(1.School of Earth Sciences and Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.Dayu College,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In the study of the red stratum surrounding artesian wells in the Alashan region,it was found that the well water rich in Fe2+gushed out of the surface and the Fe2O3film was formed,and then the ferriferous film adsorbed on the surface of soil particles to generate the red soil stratum,indicating that soil reddening could be unrelated to climate change.In the upper mantle,there may be some groundwater channels in the high-conductivity and low-velocity layers.Fe2+,Mg2+,and other ions from FeO and Mg O in the basalt were extracted by supercritical water(SCW)and flowed upward to the surface.The deep groundwater circulation maintained the aeolian dusts continuous deposits on the Loess Plateau. Groundwater that infiltrated into the upper mantle lithospheric channels in an early period was heated to generate SCW,and Fe2+was extracted from magmatic rock and flowed out of the ground.Oxidation reaction occurred between Fe2+and oxygen in the air,and the Fe2O3film was formed.The ferriferous film adsorbed on the particles to generate the red soil stratum.Over the 2.5 million years,the temperature of groundwater channels was lower than the supercritical water point,the extraction effect was greatly weakened,and the aeolian soil became yellow,indicating that there was no relationship between climate change and the change of color of the Loess plateau.In addition,the global ice volume was positively correlated withδ18O in deep sea sediments and negatively correlated with global precipitation,and thevolume of deep groundwater circulation was positively correlated with global precipitation.Therefore,the contents of carbonate and total iron oxide in the loess deposits in Ordos had significantly negative correlation withδ18O in deep sea sediments.

soil reddening;supercritical water;deep groundwater circulation;Fe2O3film;dolomite

P641

A

1004-6933(2017)03-0001-07

2017- 0221 編輯:徐 娟)

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.03.001

國家自然科學(xué)基金(51578212);科技部國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2012CB417005)

陳建生(1955—),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事地下水深循環(huán)方面的研究。E-mail:jschen@hhu.edu.cn