黄土高原晚新生代红粘土中白云石的分布、成因及其环境指示意义

黄土高原晚新生代红粘土剖面是东亚季风气候的产物，富含碳酸盐矿物。碳酸盐是风尘沉积的重要古环境指标，方解石和白云石是其最常见的两种矿物类型，但是以往人们主要研究方解石，而很少关注白云石。近年来我们在黄土高原多个红粘土剖面中发现白云石的存在，但与上覆黄土中的碎屑白云石明显不同，为微米级有序度较差的原白云石（proto-dolomite）。针对红粘土中碳酸盐矿物白云石研究不足这个薄弱环节，本项目拟通过对黄土高原多个红粘土剖面白云石等碳酸盐矿物的研究，定量测定红粘土剖面中白云石的含量；探明白云石含量变化的时空特点；阐明红粘土中白云石及共生高Mg矿物的成因过程和环境指示意义，以深入认识红粘土形成的表生地质过程以及Mg、Ca和C的地球化学循环，并进一步揭示晚新生代红粘土发育时期的气候环境特征。由于白云石为沉积物和沉积岩中的常见环境指示矿物，因此本项目的开展对沉积学和环境科学等研究也有一定的借鉴意义。

本项目围绕“黄土高原晚新生代红粘土中白云石的分布、成因及其环境指示意义”，主要采用X射线衍射、漫反射红外光谱（FTIR）、场发射扫描电镜（FE-SEM）和稳定同位素质谱仪（MAT）等手段，分析了黄土高原自南向北四条红粘土剖面（段家坡、灵台、巴家嘴、佳县）中碳酸盐的矿物学特征和成因，建立了碳酸盐矿物的定量分析方法，获得了各剖面中碳酸盐矿物（原白云石、方解石）的含量时间变化序列；探讨了红粘土碳酸盐碳氧同位素变化特征及其与亚洲内陆干旱化和全球气候变化之间的联系。研究成果的主要创新点包括：1）研究发现红粘土原白云石微晶体与凹凸棒石和方解石共生，生长于土壤孔隙中，具有自形菱面体结构，晶体大小在1–20 μm之间，碳氧同位素偏负，为次生成壤成因特征。2）四条红粘土剖面中原白云石含量平均值为3%-6%，黄土高原南部剖面明显高于北部；其丰度和频率随地层由老到新呈现出逐渐降低的趋势，是对晚中新世以来全球温度逐渐降低的响应。3）晚中新世-上新世红粘土中碳酸盐淋滤-淀积旋回与第四纪冰期黄土-间冰期古土壤旋回相类似，其中淋滤层磁化率高，Rb/Sr比值高，Zr/Rb比值低；而淀积层磁化率低，Rb/Sr比值低，Zr/Rb比值高。4) 红粘土中存在类似于第四纪的夏季风、冬季风轮替旋回，并且夏季风由强转弱转变，对应于深海氧同位素由轻变重转变，表明晚中新世-上新世东亚季风受全球温度变化的控制；上新世暖期时期黄土高原出现多次季风强烈变化事件，不支持“持续性厄尔尼诺”假说。5）红粘土钙结核碳氧同位素值在空间上显示自南向北逐渐偏正的特征，这与现代黄土高原气候南湿北干的特征相一致，说明气候分带格局在红粘土时期就已形成；在时间上，晚中新世至上新世碳氧同位素值逐渐偏正可能反映了全球变冷过程中亚洲内陆逐渐干旱化。6）首次利用单颗粒矿物自动化定量分析系统（MLA）对第三纪红粘土和第四纪黄土进行了单颗粒矿物鉴定和定量测试试验。