Features of rare earth elements and paleoenvironment of Wushan Loess in the Three Gorges, Yangtze River
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摘要:研究目的
巫山黄土是位于北亚热带河谷的一处代表性的粉尘堆积，具有重要的区域环境指示意义。
研究方法本文通过系统取样，对巫山黄土的稀土元素组成特征和古气候意义进行了分析和讨论。
研究结果结果表明：(1)巫山黄土各样品的稀土元素含量相差不大，并具有同步变化。同时轻稀土含量远远高于重稀土含量，表现为轻稀土富集，重稀土亏损；(2)巫山黄土具有从老到新∑REE逐渐减小的特点，这可能与黄土风化作用的强度不同有关；(3)剖面中不同深度样品的REE分布模式具有相似性，且特征值δCe、δEu、La/Yb、Gd/Yb和ΣREE也非常相近；(4)所有样品稀土元素配分曲线均具有负斜率，La-Eu曲线较陡，Eu-Lu曲线较平缓的特点，揭示了轻重稀土元素之间具有一定的分异作用；(5)巫山黄土δEu值分布在纵轴的0~1区间，具有明显的Eu负异常。而δCe却分布在1附近，没有表现出明显的Ce异常，表明沉积物遭受的风化作用并不强。
结论巫山黄土并未经受较强的化学风化作用，堆积时该区的气候晚期比早期更为干冷，且在堆积过程中没有发生明显的物源改变。
创新点：基于稀土元素含量揭示了巫山黄土形成过程中的气候特征及其物源的变化。
Abstract:This paper is result of environmental geological survey engineering.
ObjectiveThe representative dust deposit, the Wushan Loess located in China's northern subtropical river valleys, is a significant indication of environment near the Three Gorges region.
MethodsIn this study, we collected samples from the Wushan Loess and analyzed rare earth elementary composition to discuss paleoclimatic significance of Wushan loess.
ResultsOur new data show the four following implications. (1) The REE contents in each sample changes synchronously with little difference. The contents of LREE is much higher than that of HREE in each sample, suggesting the enrichment in LREE and loss in HREE. (2) The increasing of ∑REE with age in Wushan Loess is probably related to the strength of weathering the in Wushan Loess. (3) For samples from various depth, REE distribution patterns, δCe, δEu, La/Yb, Gd/Yb and ΣREE do not change significantly with depth. (4) The REE distribution patterns of all samples display negative slope, steep La-Eu curves and flat Eu-Lu curves, which suggests that certain differentiation between LREE and HREE has occurred. (5) The δEu values of Wushan Loess distributed within the interval of 0-1 on the vertical axis show obvious negative Eu anomalies andstable δCe values around 1. This implies that sediment in the upper Yangtze River did not suffer strong weathering in the period of Wushan Loess.
ConclusionsWushan Loess have not been through intense weathering effect, the climate of its region while accumulation was colder and drier in the later period than it was in the earlier period, and no obvious change has been found in the source of its materials during the accumulation process.
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1. 引言
稀土元素(Rare earth element，REE)对沉积物的物源和沉积环境具有重要的指示意义(Henderson, 1984; 王中刚, 1989; 朱赖民等, 2006; 张天福等, 2016; 白友亮和李博, 2019)。研究表明控制沉积物中稀土元素组成最主要的因素是物源，因为：(1)在河水及海水中溶解态的REE含量极低，REE主要以颗粒态搬运沉积；(2)REE在水体中滞留时间较短；(3)在风化、搬运、沉积及成岩时REE组成变化较小，其携带的物源区源岩信息丢失少，因而REE可以作为一种重要的物源示踪物(Taylor and McLennan, 1985；王金, 1990；杨忠芳和陈岳龙, 1997；杨守业和李从先, 1999；Murray et al., 1991；Gentaneh, 2002；Munksgaard et al., 2003；Yang et al., 2003；Lee et al., 2006；朱赖民等2006；乔淑卿和杨作升, 2007；韩宗珠等, 2010；蓝先洪等, 2010)。同时，稀土元素在不同的地质过程中发生一定的分馏，致使它们的分布状况和配分模式有着不同的特征(Cullers et al., 1987；Murray, 1994；Leleyter et al., 1999；蓝先洪和申顺喜, 2002；陈秀玲等, 2013；张天福等, 2016；白友良和李博, 2019)，因而也被用来研究沉积物的沉积环境变化，特别在黄土研究中得到很好的应用(文启忠等, 1984; Wu et al., 1991；张虎才和张林源, 1991；陈骏等, 1996；张虎才, 1996；张虎才等, 1997；杨元根等, 2000; 彭淑贞和郭正堂, 2000；刁桂仪和文启忠, 2000；曹军骥等, 2001；李福春等, 2004；李徐生等, 2006；叶玮等, 2008)。
巫山黄土是长江上游三峡一带广泛分布的风成黄土堆积，由于黄土中蕴含有丰富的古气候和古环境信息，其对以粗碎屑发育为主的三峡地区的第四纪古气候研究来说是十分重要的。此外，巫山黄土位于中国典型黄土堆积的南缘(李长安等, 2020)，其对中国区域黄土与环境研究具有重要意义。本文在以往研究的基础上(张玉芬等, 2013；李长安等, 2013；吴珂等, 2014；张玉芬等, 2020；李长安等, 2020)，通过系统的样品采集与测试分析，查明了巫山黄土的稀土元素的特征，籍此对巫山黄土的物源和沉积环境特征进行探讨和分析，以便为巫山黄土研究提供新的资料。
2. 样品的采集和测试
研究剖面位于巫山县境内，剖面岩性及地理位置详见文献(张玉芬等, 2010, 2013)。野外对出露厚度约15 m的研究剖面，从上到下，以10 cm间隔连续取样，共采集地球化学样品146组。室内根据岩性变化特征不等间距送测了25件微量元素和稀土元素。样品测试过程：首先将样品在常温下自然风干, 然后将每件约5 g重的样品分别置于玛瑙研钵中研磨。再用200目分析筛筛选后供测试。微量与稀土元素样品测试工作由国土资源部合肥矿产资源监督检测中心完成，使用仪器为等离子体质谱仪和等离子体光谱仪。为了监测测试精度与准确度，进行了国家标样(GSS)、重复样与空白样品分析，根据行业通用规范，稀土元素重复样品检测允许偏差值范围为50以内，本次检测结果相对偏差值低于15，大多数值低于2，表明本次实验结果精度较高，数据准确可靠。
3. 结果与讨论
3.1 巫山黄土稀土元素含量(丰度)特征
表 1为巫山黄土稀土元素含量及与武都和洛川黄土比较结果，图 1为巫山黄土不同样品稀土元素含量比较曲线。由图 1和表 1可见，巫山黄土各样品的稀土元素含量相差不大，并具有同步变化的特点。同时轻稀土(Light rare earth element，LREE)含量远远高于重稀土(Heavy rare earth element，HREE)含量，表现为轻稀土富积，重稀土亏损的特点。
表 1 巫山黄土稀土元素含量(μg/g)Table 1. Rare earth element content (μg/g) of Wushan Loess
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图 1 巫山黄土25个样品稀土元素含量曲线Figure 1. Rare-earth element content curve of 25 samples of Wushan Loess图 2为巫山黄土部分稀土元素含量随深度变化曲线。图 3为巫山黄土∑LREE、∑HREE、∑REE以及常量元素的化学风化指数(CIA)、硅铝比(Si/Al)等参数含量随深度变化曲线。从图 2和图 3可以看出，巫山黄土样品从老到新不仅∑LREE、∑HREE、∑REE及各稀土元素含量均具有逐渐减小的趋势，而且反映化学风化作用强度的化学风化指数(CIA)也具有逐渐减小的趋势，同时退碱系数((CaO+Na2O)/Al2O3)却表现为具有逐渐增大的趋势。上述这些特点均表明巫山黄土稀土元素的变化与该区黄土风化作用的强度有关。前期笔者对常量元素的研究结果(李长安等; 2013; 张玉芬等, 2013)和频率磁化率的研究结果(Zhang et al., 2012)均佐证了上述的结论。分析图 3可知该区气候变化特点如下：在研究剖面14.5~6.5 m堆积时段，∑LREE、∑HREE、∑REE和CIA值都相对比较高，而退碱系数值却比较低，表明气候相对比较温湿。在6.5 m以后气候逐渐朝着干冷方向发展，致使剖面上部黄土的风化成壤作用相对较下部黄土要弱，∑LREE、∑HREE、∑REE和CIA值相对剖面下部变小，退碱系数值反而变大。但在4.0 m以后气候又有所回暖，风化作用有所增强。风化作用使重稀土较轻稀土更易在溶液中形成重碳酸盐和有机络合物，优先被溶解迁移，而轻稀土则被黏土优先吸附，使轻、重稀土发生分异。轻稀土相对富集，重稀土相对亏损，故轻重稀土比值(∑LREE/∑HREE)逐渐增高(图 3)。
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图 2 巫山黄土稀土元素含量随深度变化曲线Figure 2. Depth-varying curve of rare-earth element content of Wushan Loess![]()
图 3 巫山黄土∑LREE、∑HREE、∑REE总量和化学风化参数随深度变化曲线Figure 3. Depth-varying curve of the amount of ∑LREE、∑HREE、∑REE and weathering parameters of Wushan Loess3.2 巫山黄土稀土元素配分曲线(分布模式)特征
为了消除稀土元素奇偶效应的影响，采用球粒陨石中稀土元素平均值为标准，将样品的稀土元素值标准化后，来研究其稀土元素分布模式。由于球粒陨石已被公认为地球的原始物质，其中的稀土元素未发生分馏，因此以其为标准作图后能清楚地看出样品中稀土元素的分馏特征。具体做法是：以被研究样品的稀土元素含量/球粒陨石中稀土元素含量的比值为纵坐标，以La-Lu按原子序数排列为横坐标，即得到球粒陨石标准化的稀土元素配分曲线。
图 4为巫山黄土稀土元素配分曲线。从图中可以看出，巫山黄土位于不同深度的25个样品的REE分布模式十分相似，不同深度样品的稀土分布模式曲线几乎可以重合。总体特征为：曲线为右倾斜，La-Eu曲线较陡，Eu-Lu曲线较平缓，即表现为斜率为负的分布模式；轻稀土元素富集，重稀土元素分馏不明显，揭示了轻重稀土元素之间具有一定的分异作用。重稀土组分曲线波折不大；轻稀土元素特别是La富集，Ce为轻微亏损，Eu处呈“V”型，显示中等程度的Eu负异常(亏损)。由此表明，巫山黄土沉积时没有发生物源的变化，且粉尘物质堆积后风化改造对稀土元素分异作用不十分显著。此外，巫山黄土稀土分布模式同位于秦岭的武都黄土(张虎才，1996)、黄土高原的洛川黄土(陈骏等, 1996)和马兰黄土(吴明清等，1991)及渭南黄土(刁桂仪和文启忠, 2000)的稀土分布模式十分相似，表明巫山黄土的物质来源与它们相同。
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图 4 巫山黄土稀土元素球粒陨石标准化曲线Figure 4. chondrite standardization curve of rare-earth element of Wushan Loess3.3 巫山黄土稀土元素特征值
已有研究表明，稀土元素中δCe、δEu、LaN/YbN、GdN/YbN、EuN/SmN、SmN/NdN、∑REE和∑LREE/∑HREE等特征值可以揭示黄土来源物质的特性以及形成时的沉积环境(文启忠等, 1984; 张虎才等, 1991; 曹军骥等, 2001)。依据下面的计算公式(1)和(2)(张虎才, 1997)
(1) 
(2) 分别计算出了巫山黄土稀土元素δCe、δEu特征值，并计算了LaN/YbN、GdN/YbN、EuN/SmN、SmN/NdN、LaN/SmN、LaN/LuN等特征值(表 2)，同时绘制出了这些特征值随深度变化曲线(图 5)。
表 2 巫山黄土样品球粒陨石标准化后的稀土元素参数值Table 2. Rare earth element parameter values of samples of Wushan Loess after chondrite standardization
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图 5 巫山黄土稀土元素标准化参数特征值随深度变化曲线Figure 5. depth-varying curve of standardization parameter eigenvalue of rare-earth element of Wushan Loess从表 2可以看出，巫山黄土从深(老)到浅(新) 所有样品的δCe、δEu、LaN/YbN、GdN/YbN和ΣREE特征值都非常相近，说明巫山黄土沉积过程中物源的一致性。其中，LaN/YbN平均值为10.13，LaN/LuN平均值为9.64，都远远大于1，反映沉积物明显富集轻稀土元素。LaN/SmN平均值为4.29，明显大于1，表明沉积物中轻稀土元素间有较明显的分馏作用。GdN/YbN平均值为1.85，比1稍大，指示沉积物中重稀土元素间分馏不明显。在球粒陨石标准化情况下计算的沉积物的δEu平均值为0.598(表 2)，显示出明显的负Eu异常。表明相对于球粒陨石，沉积物已经产生了明显的分异，且分异程度接近大陆地壳。从表 2中可以看到：巫山黄土的稀土元素特征值与武都和洛川黄土十分相近或相似，表明巫山黄土的物质可能来源与北方，是黄土高原黄土的外延。
分析图 5可知，巫山黄土具有从老到新Eu异常值逐渐减小的趋势，这一特点可能与Eu2+的淋溶有关。当古气候波动，演变为温暖湿润时期，可能引起Eu2+的淋溶，导致Eu异常值升高(文启忠等，1984)。δEu特征值在剖面中的波动变化与∑LREE、∑HREE、∑REE、各稀土元素含量以及化学风化指数(CIA)等具有相同的规律，均反映出本区气候环境演化规律为，剖面上部(约6m以上)较剖面下部(6~14.35 m)气候变得更加干冷。
4. 结论
通过对巫山黄土稀土元素含量(丰度)特征、稀土元素特征值、稀土元素参数组合特征和稀土元素配分曲线(分布模式)等特征研究和分析，得到如下结果和结论。
(1) 巫山黄土各样品的稀土元素含量相差不大，并具有同步变化的特点。同时轻稀土含量远远高于重稀土含量，表现为轻稀土富积，重稀土亏损的特点。
(2) 巫山黄土从老到新∑REE、CIA及各稀土元素含量均呈现出逐渐减小，而在4.0 m以后轻重稀土比值(∑LREE/∑HREE)却表现为逐渐增高的特点，表明巫山黄土堆积时的气候是逐渐变冷的，但在4.0 m后气候却有所转暖。
(3) 巫山黄土位于不同深度的25个样品的REE分布模式十分接近，特征值δCe、δEu、LaN/YbN、GdN/YbN和ΣREE也非常相近，说明巫山黄土在堆积过程中物源没有发生明显的变化。
(4) 沉积物的稀土元素配分曲线均具有负的斜率，La-Eu曲线较陡，Eu-Lu曲线较平缓的特点。在ΣREE与δCe、δEu的参数组合图中，巫山黄土δEu值分布在纵轴的0~1区间，具有明显的Eu负异常。而δCe却分布在1附近，没有表现出明显的Ce异常。上述特点揭示了轻重稀土元素之间具有一定的分异作用。
(5) 巫山黄土、武都、洛川黄土具有相似或相近的稀土元素特征值，因此推断巫山黄土的物质来自于北方。
致谢: 研究生江华军、罗昊、邵磊、田单等参加了野外样品的采集和室内样品的整理工作，刘引迪、袁胜元等参加了室内数据的分析，在此一并表示感谢！ -
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图 1 巫山黄土25个样品稀土元素含量曲线
Figure 1. Rare-earth element content curve of 25 samples of Wushan Loess
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图 2 巫山黄土稀土元素含量随深度变化曲线
Figure 2. Depth-varying curve of rare-earth element content of Wushan Loess
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图 3 巫山黄土∑LREE、∑HREE、∑REE总量和化学风化参数随深度变化曲线
Figure 3. Depth-varying curve of the amount of ∑LREE、∑HREE、∑REE and weathering parameters of Wushan Loess
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图 4 巫山黄土稀土元素球粒陨石标准化曲线
Figure 4. chondrite standardization curve of rare-earth element of Wushan Loess
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图 5 巫山黄土稀土元素标准化参数特征值随深度变化曲线
Figure 5. depth-varying curve of standardization parameter eigenvalue of rare-earth element of Wushan Loess
表 2 巫山黄土样品球粒陨石标准化后的稀土元素参数值
Table 2 Rare earth element parameter values of samples of Wushan Loess after chondrite standardization
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百度学术
2. 刘俊延，陈林，慈恩，胡瑾. 巫山黄土成因及其发育土壤特征研究. 土壤通报. 2022(02): 262-269 . 百度学术
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