沉积学报杂志投稿格式参考范文：砂岩网纹化元素地球化学微区分析及指示意义

　　0 引言

　　中国南方网纹红土的发育不受成土母质的约束，是特殊气候条件下形成的产物，它记录了第四纪环境演变的重要信息，对指示古环境具有重要意义。南方网纹红土类型较为多样，其中加积型网纹红土广泛分布于中亚热带地势平缓的丘陵盆地，具有堆积与风化同时进行的特征，典型的地层结构自下而上一般可分为基岩、砾石层、网纹红土层、均质红土和黄棕色土等。其中，网纹红土层以棕红色或褐红色土为基质，夹杂有灰蠕虫状、斑点状、网状或条带状等形态各异的白、灰黄或灰褐色网纹。网纹发育引起了广泛关注，相关研究主要是通过理化性质和网纹形态等方法来揭示网纹年代、成因、物源及环境意义，如红白网纹化学元素分异与网纹化机制、风化特征，主要磁性矿物、磁性特征及其环境信息，粒度指标变化特征及端元分析，色度指标变化特征及环境意义，网纹形态的定量研究及环境指示意义等，一般认为网纹发育可能指示了成土期的气候变化。开展网纹研究有助于提取网纹记录的信息，进一步厘清网纹的形成过程，对重建和全面认识第四纪气候变化过程有重要意义。

　　当前有关网纹的研究较为关注网纹红土层，实际上在砾石层之下的基岩或基岩风化物中也往往会有网纹化作用发生。相对于网纹红土层研究而言，至今有关砂岩网纹化的研究较少，对其网纹内部化学元素含量分布特征的认识显得更为薄弱。微区 XRF 分析技术是通过 X 荧光光束对固体样品的一个微小区域样品直接进行成分分析技术，它能够通过扫描样品来获取化学元素的时序信息，具有原位、准确、速度快和灵敏度高等优点，广泛应用于地学领域，为获取关键区域内各种元素含量分布及变化特征提供了技术支持。为此，本文利用微区 XRF 分析方法对安徽郎溪剖面砂岩层和网纹红土层中的网纹开展二维微区分析，阐明砂岩网纹内部化学元素的空间分布特征及迁移特点，进一步丰富和加深对网纹化作用与过程的认知。

　　1 材料与方法

　　1.1 样品采集

　　采样点位于安徽郎溪十字镇宣州农产品加工园(30°58′33″N，119°0′37″E)附近，后续简称为郎溪剖面，海拔约 24m。该地区为北亚热带季风湿润气候区，年均温 15.4℃~15.9℃，年降水量 1143~1503mm。郎溪剖面属于较为典型的加积型网纹红土剖面，剖面高度为 5.5m，剖面结构较为完整，自下而上依次可分为基岩(红色砂岩)、风化砾石层、网纹红土层、均质红土和黄棕色土等沉积地层，砂岩层与上覆地层不整合接触。网纹红土层和砂岩层的质地不同，前者的质地紧实黏重、不含砾，后者的质地相对松散，发育有较为粗大的白色条纹，中心多见植物根系或根孔。为开展二维微区分析，在该剖面的网纹红土层和砂岩层(基岩)中，选择白色网纹发育较显著的区域，对表土清理后，使用地质锤、铲刀等工具在不改变红、白网纹原始分布状态前提下，将 PVC 管(直径 33mm，厚度 20mm)覆盖原位采样。网纹红土层和砂岩层中各采集了一个白色网纹微区样品。

　　1.2 研究方法

　　采用原位微区 XRF 分析技术，对微区样品中主量元素的氧化物质量分数和部分微量元素含量进行分析。在开展元素测试前，首先用砂纸将所采集的样品表面进行粗磨合精磨，以保证待测样品表面光滑且没有缝隙;然后将打磨好的样品放置在 60℃烘箱内进行烘干，最后将烘干好的样品放入日本理学公司生产的 Rigaku ZSX PrimusⅡ 型长色散 X 射线荧光光谱仪中进行元素分析，测试精度为 10⁻⁶级别，测试含量范围为 10⁻⁶~100%，测试过程中采用中国国家标准土壤样品 GSS-3 和 GSS-6 进行监控，使用微型计算机进行程序控制、谱图识别、背景扣除、干扰矫正及数据处理等，主量元素的分析误差控制在 ±2%，结果较为准确可靠。为获取微区内地球化学元素含量的空间分布特征，在砂岩层微区样品中(16mm×14mm)设置了 121 个样点，在网纹红土层的微区样品中(17mm×15mm)设置了 176 个样点。测试元素主要包括：SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、K₂O 和 Na₂O 等常量元素氧化物，以及 Mn、Ti 和 Zr 等部分微量元素。

　　通过迁移率的计算揭示元素迁出富集情况，该方法一般以某种稳定性元素作为参照来获取其他元素的变化率，如 Ti 或 Al 等，计算公式为：

　　δ(%)=[(Xs/Is)/(Xp/Ip)−1]×100%

　　式中：Xs 与 Is 分别代表了样品中元素 X 和参比元素 I 的含量，Xp 和 Ip 则分别为原始母质中元素 X 和参比元素 I 的含量。若 δ>0，则表示元素 X 相对参比元素富集;若 δ<0，则表明元素相对迁出。

　　利用 ArcGIS 软件中的 Kriging 插值法揭示地球化学元素含量的空间分布特征，以及元素迁移率的空间变化特征;计算了两个微区样品的 CIA 和硅铝系数等常用地球化学风化指数，以便分析化学风化特征;利用 R 语言进行了 R 型因子分析，其可通过少量的综合因子将复杂的变量相互关系呈现出来，是研究元素共生组合与内在的成因联系的有效手段;两步聚类作为新型的分层聚类算法，可同时处理连续变量和分类变量，使聚类结果更准确，本文选取该方法对所有样点的 Ti/Zr 和 Ti/Al₂O₃进行分析，对比网纹红土层和砂岩层的物源信息。

　　2 研究结果

　　2.1 微区内元素含量的分布特征

　　化学元素含量的测试结果分别见表 1 和表 2。砂岩层网纹和网纹红土层网纹的地球化学元素含量均以 SiO₂、Al₂O₃和 Fe₂O₃等为主，其次为 K₂O、CaO、Na₂O、Ti 和 Mn 等元素。砂岩层难溶组分(SiO₂、Al₂O₃和 Fe₂O₃)含量的平均值分别为 40.9%、12.97%、4.95%，变异系数分别为 6.68%、7.21%、63.69%;易溶组分(K₂O、CaO、Na₂O)含量的平均值分别为 1.06%、0.92%、0.23%，变异系数分别为 12.55%、11.24%、2.39%;而 Mn、Co、Ni 等铁族元素的变异系数分别为 76.84%、77.45%、83.98%。在网纹红土层的网纹中，难溶组分(SiO₂、Al₂O₃和 Fe₂O₃)含量的平均值分别为 53.06%、11.73%、6.01%，变异系数 CV 值则分别为 9.42%、6.27%、52.06%;易溶组分(K₂O、CaO、Na₂O 等)含量的平均值分别为 1.21%、0.6%、0.2%，变异系数分别为 13.14%、38.9% 和 4.58%;Mn、Co 和 Ni 等铁族元素的变异系数分别为 71.01%、69.2%、78.11%。变异系数越大则说明数据的离散性和变异性越强并表现出显著的空间差异性。因此砂岩层网纹与网纹红土层网纹的化学元素含量均存在一定空间分异。其中，砂岩层网纹中铁和铁族元素的变异系数介于 63.69%~83.98%，明显要高于其他元素的变异系数，同时也要略高于网纹红土层中网纹相应元素的变异系数。

　　统计结果显示，砂岩层网纹和网纹红土层网纹内部元素含量的空间分布趋势较为相似，主要存在两种不同的分布模式。铁族元素以及 Cu、Zn 等元素含量的空间分布趋势均呈现出自网纹中心向外围区域逐渐增加的趋势，而 SiO₂、Al₂O₃、K₂O、CaO、Rb、Ti 和 Zr 等元素含量则主要表现为自网纹中心向外围区域逐渐降低的空间分布特征。

　　2.2 稳定元素比值

　　网纹红土层中网纹 Ti/Zr 比值介于 12.82~21.84，Ti/Al₂O₃比值则介于 0.044~0.062;而砂岩层中网纹 Ti/Zr 值则主要介于 7.23~12.89，Ti/Al₂O₃值介于 0.013~0.018。Al 和 Ti 元素在风化过程中较难发生迁移，Zr 元素主要赋存于锆石中，在风化淋溶作用强烈的红土环境中仍可保持稳定。上述元素的化学性质相对稳定，抗风化能力也较强，Ti/Zr 和 Ti/Al₂O₃比值一般不受沉积分选的影响，常用于追踪沉积物的物源。若剖面的物源相对稳定，则不同层位样品的稳定性元素比值一般不会发生较大变化。郎溪剖面的网纹红土层网纹和砂岩层网纹的 Ti/Zr 和 Ti/Al₂O₃比值的散点之间具有较为清晰的界限，砂岩层网纹的稳定元素比值要远低于网纹红土层网纹。聚类分析结果则进一步表明，所有样点的比值大致上可分为两个群组，指示了网纹红土层和砂岩层中发育的网纹具有不同的物质来源。

　　2.3 微区内元素的风化淋溶迁移

　　砂岩层白色网纹的 CIA、SA 和 SAF 均值分别为 87.18%、5.35、4.34，网纹红土层的 CIA、SA 和 SAF 均值分别为 85.54%、7.66、5.89，二者均经历了较强的化学风化淋溶作用。土体中元素的含量较难反映其真实的地球化学行为，一般采用元素变化率来判定元素的迁移或相对富集情况。鉴于钛元素的化学性质较为稳定，选取 Ti 作为参比元素计算迁移率，其含量最低的网格点代表了微区内物质淋出最弱的空间位置。由于郎溪剖面的原始母质尚存在争议，本文以钛含量最低的网格点替代公式中的原始母质，用来计算白色网纹微区内相较于该参照点的相对迁移率。无论是网纹红土层还是砂岩层，元素均主要表现为具有一定迁出的特点。其中砂岩层的 SiO₂、Al₂O₃、Na₂O 和 CaO 等元素均是相对迁出的，其迁出率的均值分别为 23.05%、17.3%、38.31% 和 17.96%，迁出率相对略低;铁族元素具有较高的相对迁出率，Fe₂O₃迁出率的均值达 73.91%，Co、Mn、Ni 等迁出率的均值分别为 75.98%、76.69%、78.1%。网纹红土层元素迁出特征总体上与砂岩层相似并无明显差异。砂岩层网纹元素相对迁移率的空间分布特征与网纹红土层的分布趋势大致相同，均主要呈现出网纹中心迁出程度剧烈，外围淋失程度较弱的空间趋势。

　　2.4 R 型因子分析结果

　　R 型因子分析要求原变量之间存在较强的相关性。网纹红土层和砂岩层网纹的 KMO 分别为 0.89 和 0.90，Bartlett 球形检验显著性均为 P<0.005，适合开展因子分析。按特征值大于 1 的原则，在网纹红土层和砂岩层中分别提取了主因子。其中，砂岩层主因子方差贡献率为 77.92%，网纹红土层主因子方差贡献率为 74.26%，所提取的主因子均可以体现微区元素地球化学含量的空间分异情况。砂岩层因子 1 载荷的基本特征为 SiO₂、Al₂O₃、K₂O 等常量元素和稳定元素 Zr、Ti 具有较高的负载荷，而 Fe₂O₃和 Mn、Co、Ni 等铁族元素具有较高的正载荷，Cu、Zn 等元素同样具有较高的正载荷。网纹红土层的因子载荷特征与砂岩层因子载荷特征基本一致。

　　3 讨论

　　3.1 网纹元素的空间分异

　　因子分析常用于推测变量共生组合与内在的成因联系，在砂岩层网纹的因子 1 中，Fe、Mn 和 Co 等铁族元素具有较高的正载荷，而 Al₂O₃、SiO₂、K₂O 等常量元素以及 Zr 和 Ti 等稳定元素则具有较高的负载荷，结合元素含量的微区分布特征，因子 1 指示了砂岩层网纹化主要表现为铁族元素的淋溶迁出，以及因其所导致的 Al₂O₃、SiO₂、K₂O 和 Zr 等其他元素的相对富集过程。然而上述结果实际上是基于元素含量信息获取的，可能会掩盖风化成土过程中元素自身真实的地球化学行为，为此有必要结合元素迁出率开展综合分析。元素迁出结果表明砂岩层网纹化以铁族元素的迁出为主，其他元素虽然一般也存在淋失，但其迁出率相对较低。因此砂岩层网纹化表征为铁族元素存在较为明显的淋出，Al₂O₃、SiO₂、K₂O 和 Zr 等元素因自身淋失程度弱于铁族元素最终表现为含量上的相对聚集。网纹红土层的网纹化也与此类似。

　　变异系数是衡量元素分布均匀程度的一个重要指标，砂岩层 SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等常量元素，以及 Co 和 Cu 等微量元素的变异系数介于 2.4%~84%，均存在一定程度的变异，指示了砂岩层网纹内部的物质组成并非空间均质的，且主要呈现出 Fe₂O₃、Mn 和 Co 等自网纹中心向外增加的空间趋势，而 SiO₂、Al₂O₃等其他常量元素及 Ti、Zr 等稳定元素的空间趋势则与之相异。元素迁出率的计算结果则进一步表明网纹内部物质的淋溶迁出程度在空间上也并非均质的，且一般具有网纹中心强而外围弱的特点。综合考虑元素含量与相对迁出率的结果，实际上 SiO₂、Al₂O₃等常量元素以及 Ti、Zr 等稳定元素含量所呈现出的空间分布特征为网纹化过程中元素自身的淋出程度弱于铁元素淋溶程度的结果，上述元素含量的分布特征掩盖了这些元素的实际行为。因此砂岩层网纹发育是一个自网纹中心向外围逐渐扩展的空间过程，在该过程中网纹内部的物质经历了由空间均质向空间非均质的演变，网纹红土层的网纹发育与此类似。该结果丰富了对网纹发育的空间过程以及元素行为的认识。

　　3.2 网纹化机制

　　从郎溪剖面网纹红土层与砂岩层的 Ti/Zr、Ti/Al₂O₃可辨识出两个截然不同的群组，意味着二者的物源存在差异。长江流域北纬 29°~31° 区域的第四纪红土具有风积成因特性，其物源与下蜀黄土相似，且具有堆积与风化同时进行的特征。另外郎溪剖面的砂岩层与其上覆地层呈不整合接触关系。因此网纹红土层是与砂岩层无继承关系的覆盖沉积物风化的产物，网纹红土层是与砂岩层发育的物质基础不同，为相对独立风化成土过程的结果。

　　砂岩层网纹中偶见的红色残留指示了白色网纹为铁迁出并脱色的结果，在适宜的气候背景下，土体当满足水饱和、氧耗竭、有机物赋存以及微生物利用除 O₂之外的电子受体等环境条件时，在有机物来源周围通常会产生铁迁出。砂岩层网纹中心发育常见有根组织或根孔，可为网纹形成提供了所需的有机物来源，在土体饱水期间根系周围易形成局部还原环境，从而促进了铁淋出的发生和网纹发育。砂岩层网纹内部铁元素含量的中心低而外围高，相对迁移率中心高而外围低的分布特征与上述机制非常吻合，可视为对该网纹化过程的空间响应。

　　网纹是一定气候条件下的产物，其发育受气候的干湿、冷暖控制，湿热促进网纹发育，网纹红土层甚至被视为夏季风异常强盛期的产物。网纹形态与气候变化趋势之存在一定对应性，砂岩层网纹较网纹红土层网纹相对粗大，二者的化学风化淋溶程度相近，且铁元素乃至较为稳定的铝元素存在一定淋出，至少说明砂岩层网纹发育期的气候是较为湿热的。然而，网纹发育会受到物质基础等因素的影响，由于砂岩层与网纹红土层的物质基础不同，不宜直接依据网纹尺寸推测砂岩层网纹发育时期的气候更为湿热。

　　4 结论

　　(1)网纹内部的物质组成具有空间非均质性，铁族元素的空间变异度高于易溶组分(K₂O、Na₂O、CaO)和 Ti、Zr 等稳定元素。网纹内元素含量主要存在两种分布模式：铁族元素呈现自白色网纹中心向边缘增加的趋势，其他常量元素及 Ti、Zr 等稳定元素的分布趋势一般与之相异。

　　(2)砂岩层网纹发育期经历了较为湿热的气候，其网纹化主要表现为铁族元素迁出较为强烈，SiO₂、Al₂O₃等常量元素以及部分微量元素的迁出较弱，但该过程并非仅是铁淋出而其他元素相对富集的过程。网纹发育是一个自网纹中心向外围逐渐扩展的空间过程，淋溶程度一般呈现出网纹中心淋溶强烈而外围淋溶弱的空间特征。

　　(3)砂岩层网纹和网纹红土层网纹的物质基础不同，其会影响二者的网纹发育及铁元素的空间变异程度。

郭忠雪;王天阳;李凤全;蒋旭霞;朱丽东;叶玮,浙江师范大学地理与环境科学学院,202408