陳立業(yè)，張珂，傅建利，梁浩，李肖楊，李忠云

（1.中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院∥廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510275；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京100081）

中國(guó)黃土十分發(fā)育[1]，除西北地區(qū)外，在華北平原、黃淮平原甚至長(zhǎng)江中下游地區(qū)，亦有分布[1-4]。黃土沉積蘊(yùn)含信息豐富，前人曾對(duì)多個(gè)典型黃土剖面做了大量研究[1-5]，得到了涵蓋年代[6-8]、氣候變化[1-2，4-5]、沉積規(guī)律[7-15]及物源[1-3，15-16]等較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

中國(guó)黃土堆積表現(xiàn)出較為明顯的空間分布規(guī)律性，即從北向南，厚度逐漸減薄[1，8]，沉積速率逐漸降 低[1，10]，粒度逐漸變細(xì)[1，8-10]。該趨勢(shì)在洛川[1]、西峰[11]和藍(lán)田[12]等地得到了廣泛驗(yàn)證。位于黃河中、下游交界位置的邙山黃土（圖1），中更新世晚期（對(duì)應(yīng)古土壤S2時(shí)期，絕對(duì)年齡在200 ka左右，下同）以來堆積厚度近100 m[14，17-20]，遠(yuǎn)大于洛川[1]、渭南[4]等典型黃土剖面的同期堆積（圖2）。在厚度增加的同時(shí)，沉積速率明顯加快[14，17-20]，粒度也明顯變粗[14，17-18]，這些都與中國(guó)黃土堆積的普遍規(guī)律相悖。前人對(duì)中更新世晚期以來邙山黃土異常的厚度和極高的沉積速率進(jìn)行了磁性地層學(xué)[14，17-18]、沉積學(xué)[14，17-18，20]以及釋光年代學(xué)[18-20]等綜合研究工作，指出S2沉積（以下簡(jiǎn)稱為S2，年齡約200 ka）以來邙山黃土的磁化率、粒度等沉積特征與李家塬（圖1）等典型黃土高原黃土差異明顯[14，18]，認(rèn)為三門峽下游的沖積平原很可能是邙山黃土的主要源區(qū)[14，17-19，21]。然而，上述認(rèn)識(shí)合理性如何？有否其他方面的證據(jù)支持？

黃土的微量和稀土元素地球化學(xué)特征對(duì)源區(qū)特征反映較為敏感，因而常被用做物源示蹤[1-5，16，22]。本文著重分析了 200 ka以來邙山黃土微量元素和稀土元素的地球化學(xué)特征，并與相應(yīng)時(shí)期三門峽地區(qū)、黃土高原[2]、淮南[3]等典型黃土剖面（圖1）進(jìn)行了對(duì)比研究，以嘗試從元素地球化學(xué)的角度探討邙山黃土的物質(zhì)來源問題。

1 材料和方法

邙山位于河南省鄭州市西北25 km的黃河南岸，處于黃河三門峽段下游（見圖1）。黃河北岸為廣闊的沖積平原，南岸為黃土塬，黃河貼近南岸流動(dòng)，形成侵蝕陡崖。邙山黃土塬東西長(zhǎng)約18 km、南北寬約5 km，塬面最高海拔262 m，底部未見基巖出露。

邙山趙下峪剖面（34°58′N，113°22′E）位于河南省滎陽市北邙鄉(xiāng)劉溝村西，出露S10以上的黃土-古土壤序列，可見厚度達(dá)172 m[14，17-18]。通過與洛川[1，8]等黃土剖面對(duì)比，結(jié)合前人的研究[6]和我們的工作，獲得了該剖面S2以來的地層年代學(xué)框架（圖2）。本文選取S2以來不同黃土層位（L1和L2）的10個(gè)黃土樣品進(jìn)行微量元素和稀土元素含量測(cè)試。其中，L1、L2分別采樣5個(gè)。樣品在剖面中的位置如圖2所示。

為探究邙山黃土與其他區(qū)域黃土在空間上的關(guān)聯(lián)性，我們對(duì)三門峽地區(qū)（扣馬、黃底溝、風(fēng)陵渡）S2以來的黃土也進(jìn)行了采樣（圖1），共采集6個(gè)黃土樣品。樣品在剖面中的位置如圖2所示。

圖1 研究區(qū)范圍與邙山黃土剖面位置圖（據(jù)ZHENG等[18]修改）Fig.1 The study area and the location of Mangshan（MS）loess profile（Revised after reference[18]）

圖2 邙山黃土剖面及其他典型黃土剖面對(duì)比Fig.2 The characteristics of Mangshan（MS）loess profile and their comparison with Chinese typical loess profiles in stratigraphy，palaeomagnetics and sedimentology

所有樣品的微量元素與稀土元素測(cè)試均在廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，所有樣品首先被研磨至200目以下，然后采用1 mL HNO3＋1 mL HF混合酸在Teflon高壓密閉坩堝中進(jìn)行樣品溶解。采用ICP-MS測(cè)定，精度為0.002 μg/g。不同元素的檢出限有所不同，以Sc、As為例，Sc的檢出限為0.02μg/g，As的檢出限為0.2 ppm，所有被測(cè)樣品的微量元素和稀土元素含量均顯著大于其檢出限。大部分微量元素和稀土元素的測(cè)試誤差小于10%，分析結(jié)果準(zhǔn)確可信。

2 結(jié) 果

邙山、三門峽地區(qū)黃土樣品的微量元素?cái)?shù)據(jù)見表1，稀土元素?cái)?shù)據(jù)見表2。我們還選取了研究程度較高的黃土高原地區(qū)吳堡等7個(gè)剖面點(diǎn)[2]、淮南顧橋[3]的黃土剖面進(jìn)行區(qū)域?qū)Ρ龋▓D1）。對(duì)微量元素及稀土元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行UCC標(biāo)準(zhǔn)化后繪制成圖3。其中UCC為上部陸殼平均化學(xué)成分[23]（表1和2）。

2.1 微量元素

結(jié)果顯示，邙山、三門峽地區(qū)、黃土高原地區(qū)及淮南黃土樣品的微量元素具有相似的分布模式，大部分元素UCC標(biāo)準(zhǔn)化值在1附近波動(dòng)；相對(duì)于UCC，稀土元素普遍表現(xiàn)出相對(duì)富集（圖3）。4個(gè)地區(qū)的Sr、Y、Ba、U含量接近，但邙山黃土出現(xiàn)了一定程度的Rb、Nb虧損。相比與黃土高原等其他地區(qū)黃土，邙山黃土明顯富集Zr、Hf而虧損Cs、Pb、Th（表1）。

2.2 稀土元素

球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后的邙山、三門峽地區(qū)、黃土高原地區(qū)及淮南黃土樣品的稀土元素具有相似的分布模式（圖4），表現(xiàn)為輕稀土相對(duì)富集，曲線陡峭，重稀土相對(duì)虧損，曲線平緩。4個(gè)地區(qū)黃土都出現(xiàn)了一定程度的Ce負(fù)異常，其中又以邙山黃土最為明顯。相比于黃土高原等其他地區(qū)黃土，邙山黃土的輕稀土出現(xiàn)了一定程度的虧損，尤其是La、Ce等輕稀土元素（表2）。

表1 邙山和三門峽黃土的微量元素Table 1 The trace element concentrations of Mangshan（MS）and Sanmenxia（SMX）loesses μg/g

表2 邙山和三門峽黃土的稀土元素Table 2 The REE element concentrations of Mangshan（MS）and Sanmenxia（SMX）loesses μg/g

圖3 邙山和三門峽黃土微量標(biāo)準(zhǔn)化以及與黃土高原、淮南等典型黃土剖面對(duì)比Fig.3 UCC-normalized trace elements of Mangshan（MS），and Sanmenxia（SMX）loesses in comparison with Chinese typical loesses of Chinese Loess Plateau（CLP）and Huainan（HN）

圖4 邙山與三門峽、黃土高原以及淮南等地黃土的REE元素標(biāo)準(zhǔn)化圖解Fig.4 Chondrite-normalized REE distribution patterns of Mongshan（MS）loess with Sanmenxia（SMX），Chinese Loess Plateau（CLP）and Huainan（HN）samples for comparison

3 討 論

3.1 微量元素對(duì)物源的指示

化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的微量元素（比如Nb、Zr、Hf、Th、Y、REE等）及其比值主要繼承母巖的特征，在風(fēng)化作用過程中具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，廣泛用于黃土的物源示蹤[1-5，16，22-26]。Th多富集在土壤和風(fēng)化巖石的殘留物中，活動(dòng)性較低[1，27]。Nb主要賦存于鈮鐵礦中，沉積后幾乎不受風(fēng)化作用的影響[28-30]。Zr、Hf主要賦存于鋯石中，抗風(fēng)化能力很強(qiáng)[23，29，30]。結(jié)果顯示，相比于黃土高原等其他地區(qū)黃土，邙山黃土的 Zr/Hf、Nb/Th、Y/Th、La/Th等穩(wěn)定微量元素比值顯著偏高（圖5a，b）。穩(wěn)定微量元素抗風(fēng)化能力強(qiáng)，活動(dòng)性低，其比值是區(qū)分黃土物源的有效指標(biāo)[1-5，16，22-26]。邙山黃土偏高的穩(wěn)定微量元素比值，反映其與其他地區(qū)黃土的源區(qū)特征可能存在差異性。

前人研究表明，Th和Cs在風(fēng)化作用過程中易被粘土礦物吸附，主要賦存于黃土的細(xì)顆粒組分中[30，31]，而 Zr和 Hf則主要賦存在粗顆粒部分[1]，因此Zr、Hf、Th、Cs的含量可能是黃土粒度的重要表征。圖3及圖5（c，d）表明，相對(duì)于其他地區(qū)，邙山黃土的Zr、Hf含量偏高，而Th、Cs含量偏低，反映邙山黃土的粒度可能偏粗，這也與前人的相關(guān)研究結(jié)果相符[14，17-18]。前人研究表明，末次冰期以來的淮南黃土與洛川等黃土高原黃土同源[3]。中國(guó)黃土的典型物源區(qū)是西北沙漠[1，15]，淮南黃土地處東南，遠(yuǎn)離西北物源區(qū)，風(fēng)成沉積物的粒度更細(xì)，故其Zr、Hf含量稍低而Th、Cs含量顯著偏高。若邙山黃土與黃土高原等典型黃土同源，則理應(yīng)具有更細(xì)的粒度，即更低的Zr、Hf含量及更高的Th、Cs含量。如此強(qiáng)烈的反差，說明邙山黃土與黃土高原、淮南等地黃土可能并不同源。

La-Th-Sc和Th-Sc-Zr/10是廣泛使用的判別黃土物源的三角圖解[26，33-34]，自從 Bhatia＆Crook[33]于1986年提出后，已被成功用于眾多地區(qū)的黃土物源研究中[3，16]。邙山與其他地區(qū)黃土的La-Th-Sc和Th-Sc-Zr/10圖解（圖5e、f）顯示，黃土高原黃土與淮南黃土的投影區(qū)域高度重合，三門峽地區(qū)黃土與之接近，而邙山黃土的投影區(qū)域則與另外三地黃土差別較大，尤其是在 Th-Sc-Zr/10圖中（圖5f）。邙山黃土與其他典型黃土在黃土物源判別圖解中投影區(qū)域的差異，反映了其Zr、Sc、Th、La等微量元素含量上的差別，表明邙山黃土與黃土高原等其他地區(qū)黃土的物源可能并不一致。

3.2 稀土元素對(duì)物源的指示

稀土元素（REE）主要受控于源區(qū)的巖石學(xué)特征[24]，其總含量（ΣREE）和輕、重稀土比值（LREE/HREE）等主要反映來源物質(zhì)的特性[1]，被廣泛用于黃土的物源研究[1，3，16，23，35-36]。圖 4表明，邙山黃土與其他地區(qū)黃土具有相似的REE分布模式，但對(duì)REE內(nèi)部分餾特征的反映并不明顯。前人研究表明，LREE/HREE可以反映輕、重稀土元素的分餾特征，La/Eu是輕稀土元素內(nèi)部分餾特征的有效指標(biāo)，REE內(nèi)部分餾特征是黃土物源的重要指征[1，23，35]。結(jié)果表明，相比于其他地區(qū)黃土，邙山黃土的 ΣREE、LREE/HREE、La/Eu均偏低（圖6a，b），反映邙山黃土REE總含量較低，REE內(nèi)部分餾程度較低。ΣREE及REE內(nèi)部分餾程度的差異，表明邙山黃土與黃土高原等其他地區(qū)黃土的來源物質(zhì)特征并不相同，反映其與典型黃土可能并不同源。

圖5 邙山與三門峽、黃土高原和淮南等地黃土的微量元素地球化學(xué)特征圖解Fig.5 The trace element characteristics diagrams of Mongshan（MS）loess with Sanmenxia（SMX），Chinese Loess Plateau（CLP）and Huainan（HN）samples for comparison

10*Hf-Ce-Yb和La-Zr/10-Ce三角圖解可以進(jìn)一步反映邙山黃土與其他地區(qū)黃土在稀土元素及微量元素特征上差異。結(jié)果顯示（圖6c，d），黃土高原地區(qū)黃土與淮南黃土在10*Hf-Ce-Yb和La-Zr/10-Ce三角圖解中的投影區(qū)域高度一致，三門峽地區(qū)黃土與之臨近，而邙山黃土的投影區(qū)域則與之有明顯區(qū)別。這表明，邙山黃土與黃土高原等地黃土在Zr、Hf、Ce等元素含量上的差異明顯，反映它們的物源可能并不完全相同。

圖6 邙山與三門峽、黃土高原和淮南等地黃土的稀土元素地球化學(xué)特征圖解Fig.6 The REE characteristics diagrams of Mongshan（MS）loess with Sanmenxia（SMX），Chinese Loess Plateau（CLP）and Huainan（HN）samples for comparison

3.3 邙山黃土的物源

S2以來，從洛川[1]、渭南[4]到風(fēng)陵渡、黃底溝，黃土厚度逐漸減薄，這與中國(guó)黃土厚度的區(qū)域變化規(guī)律相一致（圖2）。若把黃底溝黃土近似看成遠(yuǎn)源降塵的正常厚度，那么，S2以來邙山黃土厚度則是同期黃底溝黃土厚度的近10倍（圖2）。前文指出，邙山黃土在微量元素（圖3、5）及稀土元素（圖4、6）特征上，與黃土高原等其他地區(qū)黃土存在明顯差別，反映它們的物源可能并不一致。邙山黃土較高的Zr、Hf及較低的Th、Cs（圖3、5）表明其粒度偏粗，可能是近源堆積的結(jié)果。上述現(xiàn)象很可能意味著：邙山附近河谷顯著展寬，沉積了來自三門峽及其上游的巨量物質(zhì)；邙山黃土中除了大氣遠(yuǎn)源降塵外，還有風(fēng)力吹揚(yáng)的近源沖積物加入；兩者均與邙山附近沖積物的粒度特征[37-38]及前面的微量元素地球化學(xué)特征分析結(jié)果相吻合。

S2以來，三門峽地區(qū)扣馬黃土堆積較黃土高原等典型黃土明顯偏厚，但薄于邙山黃土，扣馬黃土的多數(shù)微量元素及稀土元素地球化學(xué)特征介于邙山黃土與黃土高原等典型黃土之間（圖5、6）?？垴R臨近三門峽谷谷口，處于峽谷與平原的過渡帶，河谷展寬有限，反映其受近源黃河沖積物的影響較邙山黃土小。

晉豫間的三門峽谷由一系列基巖山地組成，曾是黃河?xùn)|流入海的最后一道屏障[19]。黃河三門峽段河谷狹窄，兩岸陡峭，河床梯度大，水流速度快。黃河流出三門峽后，漸入華北平原，河谷極大拓寬，河水流速下降并發(fā)生堆積，形成廣闊的沖積平原[17-20，39]。強(qiáng)勁的冬季風(fēng)掠過平原，揚(yáng)起的沖積物再次搬運(yùn)并堆積于邙山，形成S2以來邙山黃土巨厚堆積的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

通過對(duì)邙山黃土與三門峽地區(qū)黃土微量元素和稀土元素進(jìn)行測(cè)試分析，并與黃土高原、淮南等地黃土進(jìn)行對(duì)比，得出以下初步認(rèn)識(shí)：

1）與黃土高原等地黃土相比，邙山黃土Zr、Hf偏高Th、Cs偏低，反映邙山黃土中的粗粒組分可能較多。邙山黃土在 Zr/Hf、Nb/Th、Y/Th、La/Th等元素比值以及 La-Th-Sc和 Th-Sc-Zr/10三角圖解上與黃土高原等其他地區(qū)黃土存在明顯差異，反映其與典型黃土的物源可能并不一致。

2）邙山黃土與黃土高原等地黃土的稀土元素分布模式相似，但在ΣREE及表征REE內(nèi)部分餾程度的LREE/HREE、La/Eu上存在明顯不同，10*Hf-Ce-Yb和La-Zr/10-Ce三角圖解中的投影區(qū)域也有顯著差異，反映邙山黃土與黃土高原等典型黃土的物源可能存在差異性。

3）微量元素和稀土元素地球化學(xué)特征揭示，邙山黃土可能含有較多近源沖積物成分。邙山附近的黃河沖積平原，沉積了來自三門峽谷及其上游的巨量物質(zhì)，可能是S2以來邙山黃土巨厚堆積的重要來源。

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