付淑清, 王鈞, 熊海仙, 宮清華, 楊龍, 溫美麗

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南嶺保護區(qū)石坑崆花崗巖風化殼理化特征與環(huán)境分析

付淑清*, 王鈞, 熊海仙, 宮清華, 楊龍, 溫美麗

廣州地理研究所/廣東省地理空間信息技術(shù)與應用公共實驗室, 廣州 510070

為獲取南嶺生態(tài)保護區(qū)花崗巖風化殼的基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 開展了野外實地考察, 并初步選取石坑崆海拔1750 m處的一個剖面采樣, 室內(nèi)進行色度、pH值、礦物和地球化學等分析。結(jié)果表明, 該區(qū)花崗巖風化殼發(fā)育較薄, 風化殘余物質(zhì)地較粗, 礦物組成以石英、正長石等抗風化能力較強的淺色礦物為主, 總體風化程度較低。樣品的亮度(L*)、紅度(a*)和黃度(b*)值分別為69.09—81.14、0.86—9.42和12.1—23.23, 顏色以黃白為主。pH值在4.42—4.74之間, 均為酸性?；瘜W元素含量相對母巖發(fā)生淋失或富集, 如輕稀土明顯富集, 重稀土發(fā)生虧損。從剖面縱向變化看, 多數(shù)元素的豐度呈現(xiàn)頂、底部高, 中間低的特征, 與a*、b*值的變化基本對應; Si等少數(shù)元素與L*的變化對應, 但與其他元素呈完全相反的趨勢; pH值自上而下逐漸增大。綜合分析認為, 當?shù)貨鰸竦臍夂颦h(huán)境、良好的植被覆蓋狀況等, 是導致巖石風化速率慢、成土程度低的主要因素; 特有的自然環(huán)境下, 風化殼中的化學元素一方面隨水介質(zhì)向下遷移, 一方面因較強的生物作用而向上遷移, 同時不同元素對介質(zhì)pH值敏感度也存在差異, 共同作用的結(jié)果致使不同活動性的元素在剖面縱向分布上發(fā)生了分異。

花崗巖風化殼; 理化特征; 石坑崆; 南嶺

1 前言

作為我國多種金屬礦床最為富集的地區(qū)之一, 南嶺歷來為中國地質(zhì)學界所重視; 然而作為我國重要的生態(tài)、地理界線和生物多樣性關(guān)鍵地區(qū), 其生態(tài)地位的重要性在很長一段時間卻并未受到足夠的重視, 只到近年, 南嶺的生物、土壤等生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與保護研究才開始受到越來越多的關(guān)注[1–2]。

南嶺的基巖主要為燕山期花崗巖, 土層主要為花崗巖基巖的風化殘留物。關(guān)于南嶺地區(qū)的地學研究工作, 早期基本圍繞花崗巖巖石成因、成礦特征等開展, 且已取得了許多重要成果[4–8], 而主要針對花崗巖風化殼的研究相對不足。風化殼是構(gòu)成地表關(guān)鍵帶的核心, 不但決定著各級水系的物質(zhì)水平, 更是土壤發(fā)育和植物生長的物質(zhì)基礎(chǔ), 其理化性質(zhì)決定了后期生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)供給。然而, 巖石風化成土是一個漫長的過程, 據(jù)前人研究, 熱帶雨林地區(qū)形成1 m 厚的氧化物質(zhì)需要數(shù)萬年的時間, 也就是說, 熱帶地區(qū)巖石完全紅土化的風化速率尚需以數(shù)萬年尺度計[9–10], 因此, 開展風化殼調(diào)查研究, 保護風化殼可持續(xù)利用非常重要。

地處南嶺腹地的南嶺國家級自然保護區(qū), 位于我國中亞熱帶與南亞熱帶的氣候分界線, 是我國冬季有冰雪的最南端地區(qū)之一, 且霜期和冰期較長。區(qū)內(nèi)因地勢較高而兼有山地垂直分帶變化的氣候特色, 即, 隨著山地高度增加, 氣溫降低, 降水量增加, 日照時數(shù)減少。保護區(qū)內(nèi)出露巖石主要為燕山期大東山花崗巖[11–13], 受區(qū)域地貌與氣候等綜合影響, 花崗巖風化殼總體較薄, 而且隨著地勢高度的增加而逐漸減薄。此外, 保護區(qū)內(nèi)年降雨量多在2000 mm以上, 雨期集中, 山地侵蝕強烈。所以, 在風化成土速率慢且侵蝕嚴重的區(qū)域, 風化殼就更顯彌足珍貴, 保護風化殼與保護生物多樣性同樣重要。

基于以上原因, 本文首先從南嶺自然保護區(qū)石坑崆花崗巖風化殼剖面的初步研究人手, 解析該區(qū)域風化殼的基本理化性質(zhì), 為南嶺生態(tài)保護區(qū)的可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2 材料與方法

海拔1902 m的石坑崆是廣東省的最高峰, 本研究采樣點地理坐標為北緯24°55.535′、東經(jīng)112°59.577′, 位于石坑崆北坡海拔高度1750 m處。該區(qū)域風化殼上覆植被類型為山頂矮林, 林下有以竹為主的灌木層和草本層。石坑崆一帶年均氣溫11.3 ℃, 最高溫24.5 ℃, 最低溫–11.5 ℃, 全年霜日大于100天。降雨充沛, 年均降水達2746 mm, 年均相對濕度84%, 山頂濕度為100%。

采樣剖面位于新修路邊, 頂部為耕植層, 從頂部10 cm開始, 向下部連續(xù)采樣至強風化層(樣品可見原始結(jié)構(gòu), 用手易折碎)。為避免人為污染, 采樣時去除裸露的外表層, 采集新鮮樣品, 每13 cm為一個樣品, 共采集風化層樣品11個, 自上而下編號為MS-1—MS-11。由于風化殼剖面開挖部分并未到基巖, 因此, 另在剖面附近基巖出露處取基巖樣品一塊(MS-12)。所有樣品現(xiàn)場裝入聚乙烯塑料袋內(nèi)密封。

室內(nèi)將樣品自然風干, 壓碎并通過2 mm 篩。取5 g 過2 mm篩的樣品, 用20 mL去離子水攪拌、靜置30分鐘后, 使用pH 計測試其pH值, 測試溫度為26 ℃。另取部分小于2 mm的樣品, 使用瑪瑙研缽球磨機研磨至小于200目, 攤平壓實后, 使用CM700d分光測色計測量其色度, 獲得色度參數(shù)亮度(L*)、紅度(a*)、黃度(b*)值。

小于200目的樣品經(jīng)HF+HNO3混酸消解后, 用于測試其化學成份。其中, Si含量采用動物凝膠重量法測量, 其他主量元素采用ICP-OES法分析, 結(jié)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, 單位均為ppm(mg·kg–1)。測試過程中用標樣及平行樣進行質(zhì)量監(jiān)控, ICP-OES的分析誤差小于2%, ICP-MS的分析誤差一般小于5%, 動物凝膠重量法的測量偏差小于1%。另外還使用X射線衍射法(XRD)測定了全巖粉末樣品的主要礦物組分。礦物和化學分析測試工作由中國科學院海洋研究所和青島斯八達分析測試有限公司完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 風化殼基本理化特征

石坑崆花崗巖風化殼的質(zhì)地總體較粗, 風化作用較弱, 成土作用較低, 礦物分析顯示以石英、正長石等抗風化能力較強的淺色礦物為主。風化殘積物的pH值介于4.42—4.74之間, 呈酸性, 且從剖面頂部向下pH值逐漸增大, 即酸性逐漸減弱。

作為土壤最顯著的外在特征之一, 色度可以反映其物質(zhì)組成和化學性質(zhì), 并能較好地指示成壤程度[14–16]。在CIELAB表色系統(tǒng)中, L*代表亮度, 在白色值(100)和黑色值(0)之間變化; a*代表紅度, 是從紅到綠的變化, 數(shù)值介于60(最紅)— -60(最綠), 值越大說明顏色越發(fā)紅; b*代表黃度, 是從黃到藍的變化, 數(shù)值介于60(最黃)— -60(最藍), 值越大說明顏色越發(fā)黃。相關(guān)研究表明, 引起土壤紅、黃變化的最主要致色礦物分別是赤鐵礦和針鐵礦, 其中赤鐵礦形成的條件是較高的溫度條件或較差的水分條件, 針鐵礦則是水分充足的條件下形成的高度水化的鐵氧化物[17]。石坑崆花崗巖風化殼剖面中, 樣品的亮度L*值變化范圍為69.09—81.14, 在剖面中呈現(xiàn)中部高, 頂?shù)椎偷奶卣? 紅度a*值的變化范圍為0.86—9.42, 平均值3.27; 黃度b*變化范圍為12.1—23.23, 平均值16.80; 紅度a*和黃度b*的值均呈現(xiàn)頂、底高中間低, 與L*值呈現(xiàn)相反的變化特點?？傮w而言, 石坑崆花崗巖風化殼的Lab色度指標與礦物分析結(jié)果(以淺色礦物為主)相一致; 同時, 總體偏低的紅度a*值和相對較高的黃度b* 值, 指示致色礦物以針鐵礦為主, 這也與當?shù)貧夂驐l件相吻合。

3.2 地球化學組成特征

巖石化學風化過程中元素發(fā)生淋失、遷移和富集, 雖然不同元素的活動性有差異, 但多數(shù)元素最終易保留在風化殘留物中, 且其豐度一般隨著風化作用的增強而增大[18–19]。將石坑崆花崗巖風化殼與母巖相比, 元素含量比值大于1, 表明風化殼中元素含量相對母巖發(fā)生富集; 小于1則相對虧損, 結(jié)果如圖1和圖2所示。該風化殼剖面中, 主量元素除Si、Ca(表層除外), 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, 特別是K、Mn、Mg、Na、Co、Ni、Zn、Rb、Mo、Pb等含量顯著高于母巖。其中絕大多數(shù)元素的淋失或遷移富集都符合其在化學風化過程中的遷移特性, 但Na與Ca、Sr等均屬易遷移元素[20], Na在本剖面中的富集, 很可能是受到外部水溶液等帶入影響; 而Ca、Sr等僅在剖面頂部有富集, 應與表層活躍的生物作用有關(guān)。

圖1 石坑崆花崗巖風化殼主量元素含量相對母巖的變化

圖2 石坑崆花崗巖風化殼微量元素含量相對母巖的變化

稀土元素(REE)在風化過程中也相對穩(wěn)定, 一般在風化殘留物中明顯富集[19, 21]。圖3為剖面樣品的球粒隕石標準化稀土配分模式。風化淋濾作用的長期持續(xù), 使得風化產(chǎn)物在繼承母巖稀土配分模式的同時也發(fā)生了一系列分異, 導致輕稀土元素(LREE)明顯富集, 重稀土元素(HREE)則發(fā)生虧損, La/Yb值從母巖的0.66增加到了風化殼的平均值2.19(表1)。風化殼中δEu值為0.02—0.2, 平均值僅為0.1, 顯示強的Eu負異常; δCe值為1.77—3.88, 平均值為2.38, 呈現(xiàn)Ce正異常。母巖的δEu值為0.07, δCe值為1.85; 研究區(qū)域大東山花崗巖基巖的δEu平均值為0.18, δCe均值0.95[11, 13]; 同期采集的南嶺保護區(qū)八寶山保護站表層土同樣呈現(xiàn)強的Eu負異常(δEu=0.21)和較顯著地Ce正異常(δCe=1.35)。綜合表明該風化殼中的稀土元素含量與分布特征, 除與該區(qū)域涼濕的氣候特征等相關(guān)外, 母巖的化學組成仍是其主要控制因素。

圖3 球粒隕石標準化的石坑崆花崗巖風化殼稀土元素配分圖

3.3 理化指標的縱向變化特征

部分元素與pH值、Lab色度值縱向分布見圖4。穩(wěn)定元素, 甚至個別活動性元素, 含量總體上均呈頂(0—40cm)、底(100—155cm)高, 中間部分(40—100cm)相對低的縱向分布特征。一般地, 花崗巖風化作用隨深度增加而減弱, 原巖結(jié)構(gòu)、構(gòu)造由無法辨別過渡到清晰可辨, 力學性質(zhì)隨之增強[22–23]。石坑崆剖面的風化殼雖然較薄, 但也呈現(xiàn)了同樣的特征。在巖石化學風化過程中, 大部分元素的含量隨著風化作用強度的增加而增加, 也就是說, 多數(shù)元素的含量在風化殼剖面中應該是自上而下逐漸減小的, 而如圖4所示, 化學分析呈現(xiàn)的實際結(jié)果并非這么簡單。因為化學元素在風化殼中會隨著地貌和水分循環(huán)條件而發(fā)生遷移變化, 元素在風化殼的上層以垂直運動為主, 當遷移到一定深度, 由于水循環(huán)減慢, 上層元素會逐漸累積[24]。此外, pH值的增加對多種微量元素的沉淀富集也起著至關(guān)重要的作用[25–28], 這應該也是本剖面中許多元素在風化殼下部富集的原因之一。對于部分元素在風化殼表層富集的現(xiàn)象, 有分析認為, 氣候環(huán)境與地質(zhì)條件等外因是主導因素[29], 在本研究區(qū), 風化殼頂部植被覆蓋度高, 生物活動旺盛, 因此, 近地表更為活躍的生物作用應該起到了重要作用。

表1 石坑崆花崗巖風化殼稀土元素數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

注: ①據(jù)張敏等, 2003; ②據(jù)黃會清等, 2008。大東山主體:燕山早期黑云母花崗巖; 大東山補體:燕山三期花崗巖侵入體。

圖4 石坑崆花崗巖風化殼中化學元素的縱向分布

3.4 風化殼發(fā)育環(huán)境分析

風化殼是氣候、構(gòu)造及其他環(huán)境要素共同作用的產(chǎn)物, 因此, 不同的環(huán)境條件下會形成不同類型的風化殼。水熱、生物、地質(zhì)地貌條件及地表化學環(huán)境等都是影響風化殼發(fā)育演變的自然地理環(huán)境因素, 其中, 水熱條件是影響風化殼化學風化強度的最主要因素(熱量是化學反應的動力, 而水則是元素遷移的主要介質(zhì))。如前文所述, 南嶺石坑崆現(xiàn)今具有年均溫低、霜期長、降水量大的特點, 即使在整個第四紀的冰期–間冰期旋回過程中, 該區(qū)也不可能有溫暖濕潤的氣候長期存在過, 因此, 巖石總體風化程度較低, 風化殼發(fā)育較弱, 但上層元素的淋濾作用較強。在風化殼中, 元素除隨水溶液向下遷移外, 向上的生物遷移也很重要, 而且在相同的水熱條件和地質(zhì)地貌條件下, 生物生長越旺盛, 元素的生物遷移就越強烈。石坑崆花崗巖風化殼剖面中, Ca、Sr等作為在化學風化過程中極易被淋失的活動性元素, 能夠在風化殼頂部富集, 與當?shù)亓己玫纳锘顒訔l件, 以及元素自身具有的強生物遷移性密切相關(guān)。因此, 在風化殼發(fā)育過程中, 運移方向剛好相反的生物遷移與水遷移共同作用, 結(jié)果導致不同習性的元素, 在剖面縱向上發(fā)生了不同程度的分異。

當風化殼中元素隨水溶液向下遷移到一定深度時, 水循環(huán)的減弱、介質(zhì)pH值的變化以及氧化還原條件的變化等, 都會促使某些元素發(fā)生沉淀, 并在一定的層位富集。大多數(shù)元素對pH值都很敏感, 當pH值達到一定的范圍時, 元素容易從水介質(zhì)中以化合物的形式沉淀下來[25–28]。又如, U等在氧化環(huán)境中遷移能力強, 而在還原環(huán)境中遷移能力會明顯減弱, 因此, 從氧化到還原條件的轉(zhuǎn)變可使U等元素發(fā)生富集[30]。

研究區(qū)域特定的地形地貌條件下, 長期涼濕的氣候條件和良好的植被覆蓋度, 首先決定了該地花崗巖基巖風化程度較低; 豐富的降水、活躍的生物作用以及風化殼內(nèi)部化學環(huán)境的改變等, 共同決定了風化殼剖面中化學元素的分布特征。

4 結(jié)語

文章通過對南嶺保護區(qū)內(nèi)石坑崆花崗巖風化殼剖面的初步分析, 得到以下基本認識：

(1) 研究區(qū)特有的自然地理條件, 決定了區(qū)內(nèi)花崗巖風化殼發(fā)育較薄, 但典型風化殼剖面所具有的分層結(jié)構(gòu)在該區(qū)同樣可辨。風化產(chǎn)物質(zhì)地較粗, 顏色偏黃白, 礦物組成以石英、正長石等抗風化能力較強的淺色礦物為主。風化殼總體風化作用較弱, 成土作用較低。

(2) 風化殼中多數(shù)元素含量相對母巖發(fā)生了富集; 稀土元素配分模式相對母巖發(fā)生了一系列分異, 導致輕稀土明顯富集, 重稀土發(fā)生虧損。

(3) 多數(shù)元素的豐度在剖面縱向上呈現(xiàn)頂、底高, 中間低的特征, 除與化學元素在風化殼中隨水分循環(huán)條件、化學環(huán)境改變而發(fā)生遷移、淀積有關(guān)之外, 強烈的生物作用也是重要的影響因素。

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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

廣東省自然科學基金重點項目(No.2017A030311020); 廣州市科技計劃項目(No.201707010417); 廣東省科學院項目(No.2016GDASRC-0209; No.2017GDASCX-0101); 國家自然科學基金(No.41671506);

付淑清(1977—), 女, 內(nèi)蒙古人, 博士, 副研究員, 主要從事環(huán)境地學研究, E-mail：fsq519@163.com

通信作者:付淑清

付淑清, 王鈞, 熊海仙, 等. 南嶺保護區(qū)石坑崆花崗巖風化殼理化特征與環(huán)境分析[J]. 生態(tài)科學, 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.