黄土高原风尘沉积中碎屑白云石的分布和来源及环境意义

Carbonate minerals are essential compositions in eolian dust deposits on Chinese Loess Plateau (CLP). The dust deposits recorded information about how paleo East Asian monsoon had formed and evolved. Among the carbonate mineral group, calcite and dolomite are two most prime types. In the past, calcite was widely stuided, however, the detrital dolomite lacks enough scientific knowledge so far. This project is about to employ mineralogical, geochemical and Quaternary geologic methods to decipher the information about the source and subsequent weathering of detrital dolomite at multy-dust deposit sequences. We are planning to quantify detrital dolomite in eolian dust deposits and illustrate what factors controlled its concentration, temporal and spatial distribution and to establish long term eolian sequences describing leaching/preservation of detrital dolomite on CLP for deepening our knowledge on the chemical weathering process of dust deposits and the East Asian summer monsoon evolution. The project will make comparison of the geochemical features of detrital dolomite from typical loess and deserts to trace the sources of Asian eolian dusts. Dolomite is commonly present in sediments on the earth surface. This study will provide valuable references to multy-deciplines as pedology, sedimentology and environmental sciences.

碳酸盐矿物是黄土高原风尘沉积中的重要物质组成，蕴藏丰富的有关东亚古季风形成、演变以及风尘来源的信息。方解石和白云石是其最常见的两种矿物类型，以往人们主要关注方解石，而作为风尘沉积中原生碳酸盐矿物的白云石却缺乏研究。针对这个薄弱环节，本项目拟采用矿物学、地球化学和第四纪地质学方法对黄土高原多个黄土-古土壤剖面中碎屑白云石的化学风化作用和来源进行系统研究。计划开展风尘沉积中白云石的定量分析研究，阐明白云石含量变化的控制因素、时空特点和气候环境指示意义，深入认识风尘风化过程的地球化学特征，建立晚第三纪以来黄土高原白云石风化淋滤程度演化的高分辨率时间序列，以进一步揭示东亚夏季风变迁规律；并通过典型黄土和沙漠样品中白云石的地球化学特征对比研究，探讨亚洲风尘的来源特征。由于白云石等为表生沉积和土壤中的常见组分，因此本项目的开展对土壤学、沉积学和环境科学等研究也有借鉴意义。

本项目围绕“黄土高原风尘沉积中碎屑白云石的分布和来源及环境意义”，采用X射线衍射、漫反射红外光谱、矿物分析仪和稳定同位素质谱仪等手段，获得了黄土高原现代表土、自南向北八条黄土-古土壤剖面和中国北方主要沙漠沙地表层沙中（约10000个样品）白云石和方解石含量及地球化学特征；探索了黄土剖面中碳酸盐矿物的含量变化与季风降雨、全球温度和ENSO的联系。研究成果的主要创新点包括： 1）创建了傅里叶变换红外光谱（FTIR）联合醋酸溶解法快速测定黄土痕量白云石和方解石的方法，检测限均低于0.22%；2）基于场发扫描电镜、矿物分析仪和稳定同位素质谱仪对风尘沉积中碎屑白云石的微形貌、主量元素和碳氧同位素成分进行分析，揭示了黄土中白云石的类型、成因和来源特征；3）查明了黄土高原现代表土及八个经典剖面末次间冰期以来的碎屑白云石和方解石的分布特征，并创建了白云石和方解石溶解的四阶段模型，可用于定量指示古季风降雨量范围；4）建立了四条2.6Ma以来黄土高原风尘沉积白云石和方解石含量变化高分辨率时间序列（宝鸡、灵台、洛川和赵家川黄土剖面），并基于碳酸盐溶解四阶段模型重建了过去间冰期季风降雨变化，发现在暖的早更新世（2.6 - 1.65 Ma）季风降雨较弱，之后逐渐增强，不支持温度越高季风越强的假说；研究提出早更新世季风较弱可能与小的东西赤道太平洋海表温度温差（ΔSST）有关；5）测定了中国北方主要沙漠沙地全样和<63微米组分的白云石和方解石含量，发现只有塔克拉玛干沙漠全岩和<63微米粒级样品中白云石和方解石含量高于黄土高原黄土，柴达木沙漠则接近于黄土，其它沙漠几乎不含或者含有低含量的白云石和方解石，论证了塔克拉玛干沙漠细颗粒组分是黄土高原黄土的重要物源；6）基于黄土碳酸盐溶解-淀积研究，探索了运用黄土碳酸盐淀积层（钙结核）恢复早更新世大气CO2浓度变化。此外，在成果应用方面，已将本项目所建立的痕量白云石和方解石快速定量方法，推广应用到土壤环境地球化学调查中，为土壤酸化预测预警提供了新技术。