山西寿阳地区离石黄土中完型...结核矿物成分及结晶特征研究_季春旭.pdf

第 42 卷第 2 期2023 年 3 月Vol.42No.2Mar.2023JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE）河南理工大学学报（自然科学版）山西寿阳地区离石黄土中完型钙质结核矿物成分及结晶特征研究季春旭，李彦荣（太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）摘要：为探究离石黄土中完型钙质结核矿物成分与结晶特征，以山西寿阳地区离石黄土中具有代表性的完型钙质结核为研究对象，利用 X 射线衍射（XRD）分析完型钙质结核中矿物质量分数，运用扫描电子显微镜（SEM）观察矿物颗粒分布、形状和结晶程度，根据能谱图元素质量分数确定结核内部致密程度、矿物分布、矿物形态和接触关系。结果表明：结核矿物成分为方解石、石英、黏土、斜长石和钾长石等，方解石明显向中心迁移；由外层向中心，方解石质量分数增加了16%，其他矿物减少了34%47%；结核内部碳酸盐均为次生微晶方解石，说明结核形成时温度较低。研究结果可为类似条件下黄土中钙质结核的形成与气候演化提供理论依据和工程参考。关键词：完型钙质结核；矿物含量；结晶特征；气候环境演化中图分类号：P595文献标志码：A文章编号：1673-9787（2023）2-71-6Study on mineral contents and crystallization characteristics of calcareous nodules in loess of Shouyang area，Shanxi ProvinceJI Chunxu，LI Yanrong（College of Mining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，Shanxi，China）Abstract：In order to explore the mineral composition and crystallization characteristics，the typical gestalt calcareous nodules in Lishi loess in Shouyang area of Shanxi Province were taken as the research object.The mineral mass fraction in complete calcareous nodules were analyzed by X-ray diffraction（XRD），the distribution，shape and crystallization degree of mineral particles were observed by scanning electron microscope（SEM），and the internal density，mineral distribution，mineral morphology and contact relationship of nodules were determined according to the element mass fraction of energy spectrum.The results showed that the mineral composition of nodules was calcite，quartz，clay，plagioclase and potassium feldspar，and calcite migrated to the center obviously.From the outer layer to the center，the volume fraction of calcite increased by 16%，while other minerals decreased by 34%47%.The carbonates inside the nodules were all secondary microcrystalline calcite，which indicated that the temperature was low when the nodule was formed.The research results could provide theoretical basis and engineering reference for the formation and 季春旭，李彦荣.山西寿阳地区离石黄土中完型钙质结核矿物成分及结晶特征研究 J.河南理工大学学报（自然科学版），2023，42（2）：71-76.doi：10.16186/ki.1673-9787.2021010075JI C X，LI Y R.Study on mineral contents and crystallization characteristics of calcareous nodules in loess of Shouyang area，Shanxi Province J .Journal of Henan Polytechnic University（Natural Science），2023，42（2）：71-76.doi：10.16186/ki.1673-9787.2021010075收稿日期：2021-01-18；修回日期：2021-03-03基金项目：国家自然科学基金资助项目（41877276）第一作者简介：季春旭（1983），女，辽宁朝阳人，博士生，主要从事黄土地质与地表过程研究。Email：O S I D2023 年第 42 卷河南理工大学学报（自然科学版）climate evolution of calcareous nodules in loess under similar conditions.Key words：calcareous nodule；mineral content；crystallization characteristic；climate evolution0引言黄土为风尘沉积-成壤过程产物，是一部承载大陆气候与环境演化的巨著1-2。富含碳酸盐（质量分数高达 10%左右2）是中国黄土最重要的特征之一1。次生碳酸盐是原生碳酸盐在黄土演化和古土壤形成过程中溶解再结晶的产物3-4。碳酸盐质量分数变化是黄土形成与演化的主要记录和表现形式。钙质结核（俗称姜结石）广泛分布于黄土地层中，多达 45 层，属于尺寸较大的次生碳酸盐存在形式5，是黄土演化过程中的后生产物，其结构与质量分数变化可代表温湿与干冷交替环境下黄土形成的气候旋回6-7，因而受到国内外学者的广泛关注8，在分布规律、物质成分9、形态结构、形成年代与孢粉组合10等地质成因方面已有大量研究成果。由于钙质结核分布广泛、大小不一、形态多变、结构复杂，其形成过程至今尚不明确10。矿物成分与结晶特征是结核形成与演化的基础，可反映矿物的迁移过程与程度，避免变量过多带来结构分析的不确定性，为黄土演化过程提供准确的定量数据。前人研究表明，钙质结核化学组分、矿物组分与质量分数呈很好的一致性11，但各氧化物质量分数变化幅度较大12。CaCO3最初是否围绕一个核心开始富集，土壤溶液中悬浮的细颗粒、矿物颗粒、原生碳酸盐颗粒13-14、有机残积物15等是否可在某些特殊位置成为特殊的沉积中心是值得思考的。Y.Kuzyakov 团队近十几年致力于利用14C 标记实验揭示土壤碳酸盐再结晶过程，建立了碳酸钙重结晶模型16。该模型利用人工标记14CO2，记录黄土原生碳酸盐与小麦根际呼吸14C 之间的同位素交换，使用线性和指数方法，建立剩余未重结晶 CaCO3的计算公式。在含有碳酸盐的黄土沉积物 中，完 全 重 结 晶 形 成 土 壤 最 上 层 7 cm 厚 的CaCO3至少需要 100 a，也可能需要 4002 000 a。真实土壤中，诸多因素共同决定碳酸盐再结晶速率，难以量化和插入到模型中进行计算。该模型用于几个土壤剖面最上层 7 cm 厚碳酸盐放射性碳年龄计算时，数量级与经验数据一致，证明了14C标记方法在研究土壤碳酸盐（土壤成因和岩石成因）方面的潜力，显示了它们与地质年代学和古环境研究的相关性。结核形态多变、结构复杂，参考国内外文献与野外调查资料，结合结核发育模式与形态特征，将钙质结核分为 3类：雏形结核（长轴 15 cm）、钙板状结核（厚1050 cm）和完型结核（长轴1040 cm）。其中，完型结核分布最广泛17-18。因此，本文选取离石黄土中完型结核样品，分析其矿物成分与结晶特征，初步探索其结构与形成环境的关系。1样品采集样品采自寿阳县城南约7 km的景尚村（图1），海拔 1 144 m。剖面位于寿阳盆地，区内晚新生代地层极为发育且出露较齐全，常见厚达数百米的晚新生代地层，多呈陡壁状或陡坎状。该盆地月平均气温8.121.8，年均降雨量 467.8 mm，属于半干旱大陆性气候。剖面上覆马兰黄土为灰黄色亚砂土，质地均匀，疏松易碎，具有大孔隙和垂直节理，厚度一般为 510 m；下部离石黄土为棕黄色亚黏土，钙质多，相对致密坚硬，夹 26 层棕红色古土壤条带，含数层灰色、灰白色和灰褐色钙质结核或密集或稀疏呈层排列（图 2），个体一般发育良好，不规则块状、薯状，锤击易断或酥碎成小块，断口多不平整，带有针孔、虫状孔洞或放射状裂口。根据断口颜色和结构特征，选取内部分层结构明显的结核，将其分为外层、内层和中心（图 3）。外层为浅黄白色，未见裂隙；中心为黄褐色，周围裂隙发育，结构致密；内层结构复杂，可为一层、多图 1研究区位置与采样点分布Fig.1Position of the study area and sampling locations72第 2 期季春旭，等：山西寿阳地区离石黄土中完型钙质结核矿物成分及结晶特征研究层，也可缺失。2矿物成分用电动切割机切割钙质结核，从中选取 9 个具有明显分层结构的结核，对其外层和中心进行研磨取样。利用玛瑙研钵将 9个试验结核的外层和中心取样磨至 200 目，105 下持续烘干 24 h，选用 D/MAX 2500型 X射线衍射仪进行测试。由图 4 可知，钙质结核外层和中心矿物组成相同，主要矿物为方解石、石英、钾长石、斜长石和黏土矿物等，其中方解石质量分数最高，其次为石英。方解石质量分数呈中心高、外层低的特征，其他矿物质量分数为外层高、中心低。结核中主要迁移物质为敏感矿物方解石，溶液溶解迁移物质的能力与风化程度有关，方解石质量分数高表明结核风化程度较弱。利用 Jade 软件对 XRD 谱图进行分析（图 5），外层石英质量分数为 5.8%21.5%，平均 14.0%，中心石英质量分数为 4.9%15.7%，平均 9.1%；外 层 黏 土 矿 物 质 量 分 数 为 5.5%15.0%，平 均9.7%，中心黏土矿物质量分数为 4.1%10.5%，平均 6.4%。显然，石英与黏土矿物质量分数曲线变化趋势一致。外 层 方 解 石 质 量 分 数 为 69.9%，中 心 高 达81.1%。由外层向中心矿物质量分数变化幅度差异较大：方解石增加了 16%；石英、黏土、钾长石、斜长石分别减少了 35%，34%，44%，47%。中心石英、黏土、斜长石和钾长石质量分数均明显低于外层的，表明在结核形成过程中，只有方解石发生了大幅度迁移，这与结核形成时的气候环境有关。3结晶特征钙质结核形成过程以溶解作用、重结晶作用和胶结作用为主14。重结晶作用指沉积物在压力、温度影响下重新结晶，使非结晶物质变为结晶物质，细粒结晶物质变成粗粒结晶物质。碳酸盐易溶解、重结晶。沉积物结晶后，孔隙减少，密度增大。重结晶作用是各类（化学和生物）沉积物成岩作用的主要方式。胶结作用指钙质、硅质和黏土质矿物将分散的颗粒物质黏结起来的过程。钙质结核中晶体结晶情况还与沉淀方式有关。晶核生