中国东部花岗岩地区剥蚀速率：宇宙成因核素10Be、26Al的研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 崔丽峰 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2014 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 刘丛强 |
| 关键词 | 地表侵蚀 水土流失 地貌演化 碳循环 宇宙核素 |
| 学位专业 | 地球化学 |
| 中文摘要 | 陆地硅酸盐矿物化学风化与成土过程消耗大气和土壤中的CO2，并不断释放植物所需Si等营养元素，维持着陆地生态和水生生态系统的运行，最终导致全球大气CO2通量和碳循环的变化。大陆岩石风化的产物一部分以溶解态或颗粒态被河流搬运进入海洋，在地质演化时间尺度上影响海水物质组成，并构成地球物质演化过程的一个关键环节。同时风化产物中的大部分将在原地堆积形成土壤，为全球生物圈的健康发育和人类社会发展提供必须的物质基础。风化作用是全球物质和能量循环的重要方式和环节，也是地表关键带研究中亟需了解的基础过程。在宏观时间尺度内，硅酸盐矿物风化产生净碳汇，而花岗岩是主要的硅酸盐矿物来源之一。剥蚀速率是物理侵蚀和化学风化的总和。因此，明确各种内外部因素对风化过程的影响，定量研究不同气候条件下花岗岩风化壳的剥蚀速率可以为评价气候对地表侵蚀，水土流失的影响提供背景参考值，为估算风化过程对气候变化贡献量提供基础数据。对长期碳循环和全球气候变化以及现代农业、水文管理具有重要的指示意义。从地球系统科学角度来看，定量研究地表侵蚀速率也是理解地质过程的关键，是地球系统科学研究的的重要内容。 我国幅员辽阔，南北跨50多个纬度，东西越60多个经度，加之地形复杂，高差悬殊。我国具有多种多样的气候类型。对比不同气候带花岗岩风化壳的风化速率可以更进一步直接认识气候对风化作用的影响。自上世纪80年代以来，加速器质谱分析技术的发展使宇宙成因核素在地表过程研究中的得到广泛应用。宇宙成因核素产生于宇宙射线粒子与地表岩石或土壤中原子的核反应。常见有3He、10Be、14C、26Al和36Cl等。作为最常用的核素对，石英中26Al和10Be适合于定量研究地表剥蚀速率和暴露年龄。宇宙成因核素生成率随深度呈指数衰减，其浓度是暴露时间t和剥蚀速率ε的函数。10Be和26Al反映的是长时间尺度(103?105 a)的剥蚀速率。 本文以花岗岩风化壳为主要研究对象，从2011年7月年到2013年4月从北到南选取受季风影响5个气候带(寒温带、中温带、暖温带、亚热带、热带)的6个地区典型的花岗岩风化壳进行采样。然后，在我们实验室建立了宇宙成因核素10Be、26Al的前处理流程。条件实验表明该流程可以满足加速器质谱仪对样品测试的要求。整个前处理流程本底值很低，达到10-15。在石英提纯步骤中，样品按照不同性质有选择性的进行磁选和重液提取；然后进行氢氟酸刻蚀，去掉样品中的长石以及石英矿物表面大气宇宙成因核素；化学萃取流程在借鉴苏格兰大学环境研究中心宇宙成因核素实验室的基础上进行优化，并在课题组超净室中操作完成。根据海拔高度和纬度计算出不同剖面宇宙成因核素10Be、26Al地表生成率，通过测定剖面上不同深度样品中石英的宇宙成因核素26Al和10Be的含量并利用卡方最优拟合使理论值与测试结果最相近。还测定基岩和土壤中相关不溶元素的含量来区分物理侵华和化学风化在剥蚀速率中所占的比例。在对宏观时间尺度上花岗岩风化壳剥蚀速率、暴露年龄和影响风化过程的各项因素进行综合的研究后。得到以下主要结论： (1) 在内蒙古、秦皇岛、江西龙南S1剖面上，尤其是坡度大的剖面上(如江西龙南S1剖面)，土壤层的生物扰动或土壤蠕滑造成的宇宙成因核素浓度的均匀化使剖面表层原位宇宙成因核素的浓度偏低，可能使河流沉积物10Be法计算所得的地表剥蚀速率的结果偏高。土壤扰动的深度可能与地表植被、生物量以及地形地貌有关。另外，风化壳剖面上半风化层密度的不确定性可能会为研究结果带来较大的误差。而大于3 m的样品，由于核素浓度偏低和介子捕获对核素的产率影响增大可能会增加研究结果的不确定性。 (2) 所有样品的石英中10Be/9Be、26Al/27Al分布范围分别为0.40?6.59×10-13、1.20?20.65×10-13。实验本底值均在10-15。石英样品中10Be、26Al浓度、26Al/10Be值的分布范围分别为2.27?42.1×104 atoms/g、13.2?281.75×104atoms/g、6.06?7.50。假定剖面均达到稳定状态，将样品中核素实际测定值与理论计算值进行卡方最优拟合。结果表明：内蒙古鄂伦春剖面剥蚀速率为31 ±3 m/Ma；吉林长白山剖面剥蚀速率为33±3 m/Ma；秦皇岛剖面剥蚀速率为14±2 m/Ma；山东莱州剖面剥蚀速率为58±6 m/Ma；山东蒙阴剖面剥蚀速率为25±3 m/Ma；江西龙南剖面剥蚀速率分别为S1(坡底)19±3 m/Ma；S2(坡脊)41±4 m/Ma；S3(坡脊)47±4 m/Ma；S4(坡顶)22±3 m/Ma；海南乐东剖面剥蚀速率为59±5 m/Ma；从北到南，除莱州剖面外，不同气候带各研究剖面的剥蚀速率大致呈上升趋势。 (3) 对各剖面暴露时间进行研究，结果表明：内蒙古鄂伦春剖面暴露时间为~0.3 Ma；吉林长白山剖面暴露时间大于0.2 Ma；秦皇岛剖面暴露时间为~0.5 Ma；山东莱州剖面暴露时间为~0.25 Ma；山东蒙阴剖面暴露时间为~0.04 Ma；江西龙南剖面暴露时间为~0.3 Ma；海南乐东剖面暴露时间大于0.5 Ma。 (4) 山东蒙阴剖面暴露基岩剥蚀速率为19±1 m/Ma。低于同区域的风化壳剖面的剥蚀速率25 ±3 m/Ma。由于水在风化过程中具有重要作用，暴露基岩表面水分的快速损失可能是导致其风化速率较低的原因。山东青岛崂山区小流域沉积物石英矿物中10Be的含量相近；乌衣巷12.0±0.37×104 atoms/g、书院水库14.7±0.34×104 atoms/g、上水峪12.6±0.39×104 atoms/g。剥蚀速率分别为47 ±3 m/Ma；40±3 m/Ma；50±4 m/Ma。流域之间差异可能是由于流域面积，平均坡度和人为活动共同影响造成的。 (5) 经过与其他研究结果和研究方法的对比分析，宇宙成因核素深度剖面法在对长期剥蚀速率研究中具有可定量研究的优势。对比所有剖面的外部影响因素表明：在长时间尺度内(104?106a)，温度和降雨量作为主要的外部影响因素对花岗岩风化壳长期的剥蚀速率影响不明显；地形和构造可能是控制花岗岩风化壳剥蚀特征的主要因素。作为地形和构造对剥蚀作用的直接体现的参数，坡度与剥蚀速率的相关性较高；另外，经过与短期的物理侵蚀和风化速率的研究对比，人类活动可能已经成为最主要的外部影响因素，加速了地表的剥蚀过程。 在将来的研究，多学科 (生态学、土壤学、水文学、地球化学、遥感等) 交叉和渗透、多种研究方法(宇宙成因核素沉积物、基岩、深度剖面法与铀系不平衡、碳酸盐36Cl法、同位素比值法、模型研究等)相结合对流域风化过程综合研究将是地表关键带研究的趋势。这些学科和方法各有所长，经过相互验证，相互补充可以从多时间尺度更深刻全面的认识和理解风化过程与大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈和生物圈等各圈层之间的物质循环和相互作用。 |
| 学科主题 | 环境地球化学 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2016-12-28 |
| 源URL | [http://ir.gyig.ac.cn:8080/handle/352002/5926]  |
| 专题 | 地球化学研究所_研究生_研究生_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 崔丽峰. 中国东部花岗岩地区剥蚀速率：宇宙成因核素10Be、26Al的研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2014. |
入库方式： OAI收割
来源：地球化学研究所
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