Question

（三）主要成果和认识

Answer 1

1.第四纪红土的地球化学特征反映了区域气候环境、流域物源特征和红土化作用强度的变化，对生态地球化学环境恢复有重要意义

（1）红土元素的区域地球化学分布具一定的分带性

第四纪红土是湿热气候环境下风化壳进一步红土化的产物，它的物质组成与其地球化学过程有密切的关系。洞庭湖区第四纪红土与中国红壤在化学成分上相似，与北方黄土相比则为低碱性高酸性元素，总体以富Si、Al、Fe、Ti，低Ca、Mg、Na、K、Mn、P、N、C为特征。但在不同区域的红土中，成分上有差异，湘江流域红土脱Si，富Al、Fe 程度高，Ge、S、Sn、Zn，Cu、F、B、Se、I、As、Cd、Hg、Pb、Sb、Tl、U、Bi、Br、Ce、Cl、Ga、La、Li、Rb、Se、Th、W、Zr等显著偏高；而沅江流域红土富Si、Mo、Se、Ag、Li、Nb、Se、Sr、Ti、Y、Zr；澧水流域红土富Fe、Mg、Ti、Co、F、I、V、Cu、Zn、Be、Cr、Ni、U，其常量组分与母质中砂砾石含量、红土化强度有关，微量元素则与区域地球化学背景关系更密切。不同流域红土元素组合不同，湘江流域红土以 Cd、Ag、Bi、Zn、Pb、TOC、TC、Hg、Au、W、N、Cu、As、磁化率、Sn、F、Mn、Ni的组合为主，是有色金属矿成矿带所致；次为Ga、Sc、Ge、V、Ti、Cr、Fe、Ni、Al及与其负相关的Si、pH的组合，系红土化作用所致。沅水流域红土的主要组合为Rb、Th、Nb、Ga、B、Sc、Al、Sr、Ti、Zr、K、Tl、Ge、N、Sn、F、Y、Ba、Mg、W、La、Ni、Li、Bi和与之负相关的Ag、Si，为富铝红土化的粘土吸附作用所致，体现了表生作用中脱硅富铝所形成的相互关系；次为富铁红土化作用的Cu、Fe、Be、U、P、As、磁化率、Sb、–Si、V、Mo、Zn、Cd、Br、Se、Cr组合；此外，尚有Hg、Pb、Se、Mo和V的组合，与流域内著名的汞矿带有关联。

（2）红土元素的区域地球化学分布具一定的阶段性

不同母质发育成的红土在剖面上的元素组成变化趋势说明湿热的气候环境对各类型母质母岩的改造作用使得形成的红土具有趋同性，以Zr为参照，协变分析不同母质母岩风化、红土化等体积过程的元素迁移累积结果表明母质母岩常量元素在红土化过程中更多的是活性元素迁移，稳定元素富集；紫红色碎屑岩变化不大。但不同类型不同红土化程度红土以及不同时代红土的元素含量及组合亦不同，并有一定规律性变化的趋势。

在不同类型红土中，或随红土化作用增强，红土化作用由富铁红土化向铁铝分离的富铝红土化方向演化，有机吸附作用减弱，大多数微量元素淋失，元素组合有由复杂变为简单的趋势。富铁红土化的特征元素组合为Fe、Cu、U、Be、P、Mo、V、As、Se、Zn、Cr等；富铝红土化的组合为为Rb、Li、K、F、Tl、Nb、Ti、Ni、Mg、Ga、Sc、B、Th、Ge、Al、Ba、Y，以大离子亲石元素为主。网纹红土贫碱（土）金属，脱Si富Al、Fe的红土化程度最强，为典型的红土，相对于均质红土或褐黄土，除Cr等少量难风化迁移的元素外，易溶元素多为贫乏。均质红土是生物作用参与下对网纹红土的后期改造的结果。在表层红土或全新统红土中，Mn、P、N、TC和TOC含量最高，Cd、As、Hg、U等富集，与生物及人类活动作用强有关。

不同时代红土亦表现出元素分布的阶段性特征：

更新世早期的汨罗组（Qp₁m）易溶的碱（土）金属与铝等酸性难溶的残余富集的元素共存，表明元素复杂且分异不明显，可能与有机质吸附有关。

更新世中期早时的新开铺组（Qp₂x）时期，环境可能变得较稳定，植被繁茂，有机碳富集，地层中保存有一些易溶的盐类组分Cl、B等，在随后的风化、红土化过程中，随脱硅富铝铁作用的进行，V、Cr、Se、As、Br、Ge、Hg、Bi、I、Ga、Sc、Ti、P、Nb、Na、Sb、U与Al和Fe共残余富集，La与Si等淋失，而大部分元素因有机物及粘土矿物的吸附而形成最重要的特征元素组合。

更新世中期中时的白沙井组（Qp₂b）有两种同等重要的元素组合：一种 F、Rb、Be、K、Ba、Ca、Ni、Zn、Mg、Tl、Li、Nb等，另一为Br、I、TOC、Na、TC、Mn、磁化率、N、Co等及负相关的Al；红土化作用表现富铁铝和富铁两种。

更新世中期晚时的马王堆组（Qp₂mw）也有强的红土化，脱硅富铁铝过程中伴随强烈的元素贫化富集作用比前面各期强烈，显著富集的元素有 Sn、Cl、Bi、Mo、W、Th、Se、As、S、Br、Sc、Ga、Rb，多为易被粘土吸附的元素；显著贫化的元素为 Sr、Y、Co、Mn、Ag、Be、Mg、Ba、Na、B、Nb、Zn、Li、Ca、Cd、N及pH值。

更新世晚期白水江组（Qp₃bs）主要的元素组合为沉积物形成时的Sc、Mg、Cu、F、N、Cr、Ni、V、Sb、Al、Se、Zn、I组合，后期红土化作用不强，表征信息度的方差贡献率为19.91%；有较弱的富铁红土化（方差贡献率仅为14.65%），元素组合为As、Ce、Nb、Fe、Th、P、La、W、Sn、U、Mn等的富集与 Si、Zr、Mo 的贫化；值得关注的是 Cd、Hg、Au、Bi、TOC、TC、Cl、Ag、Pb、W、Sb、Zn等，重金属与有机碳共生，说明其富集与生物作用有关。

全新世（Qh）有61%的信息表现为脱硅富铝作用，并且与大部分重金属元素与有机质正相关，说明风化淋溶成壤作用占主导，人类及生物活动对重金属元素的富集有影响。

（3）红土的元素含量及其比值是地层对比、古气候恢复、环境变化研究的有效指标

红土的元素含量及其相对含量或比值是环境变化的结果，如硅-铁-铝三组分图可作为红土地球化学分类的指标；随着红土化作用的增强，Ca/Sr、Ca/Mg、Sr/Ba、K/Rb、B/Ga、Co/V、Mn/Cr、Ca/Cd等比值逐步减小，Fe/Mn、Rb/Sr、Cl/Br、K/Na、V/Ti、Zn/Cu、Zn/Cd、Ce/Y、Cr/Th、Ti/Nb、Zr/Nb、Al/Zr等比值增大，其变化反映了区域生态地球化学环境的变化过程，可以将红土的元素含量及其比值进行地层对比、古气候恢复和环境变化研究，红土可作为生态地球化学环境变化研究的有效介质。

2.平原区沉积层元素含量等的规律变化是对物源及沉积区生态地球化学环境的综合反映

（1）地球化学与孢粉指标的综合可较好表征区域生态地球化学环境特征

洞庭湖平原区沉积物的地球化学指标与各种冷暖干湿类孢粉间的相关性显著，如孢粉总量与TOC、Ca/Sr正相关，水生植物类与Br/I负相关，指示干旱环境的蒿/藜比值与Al/Zr、Rb/Sr等正相关，说明本区气候条件或植物（孢粉）类型等与元素的地球化学分布关系密切，据其不仅可帮助查明元素及其比值组合的气候环境意义，而且其各种组合可相互补充和印证，可综合表征地球化学环境和气候环境，为本区的生态地球化学环境分区及演化研究提供依据。

（2）沉积物的磁化率是对区域生态地球化学环境的综合反映

洞庭湖区沉积物的磁化率在空间上大致有从盆地四周向中心逐渐升高的趋势，与物质来源、搬运、沉积过程及人类活动有关，湘江源沉积物磁化率值较低，反映物质来源于南华地槽年轻的沉积岩——酸性岩类；西北部澧水、长江源沉积物磁化率较高，与来源于扬子地台较古老的变质岩——偏基性岩类有关。时间上，地层时代变老，磁化率有渐降的趋势。磁化率与常量组分Ca、Mg、Na、Fe，及TOC、pH值、粘粒、常绿与落叶植物孢粉比值等呈显著正相关，与Si呈显著负相关，其与 Cr、V、Ti、Ni、Sr、Sc、Nb、F、Cu、Co、La、Y、Ce、Zn、Zr、Ba、Li、Ga、N、Br、P、Mn、U等铁族、亲碎屑微量元素等的组合（方差贡献为40 %）是铁磁性颗粒富集所表征的特征微量元素组合；其与Ga、Th、Cl的负相关是铁磁性颗粒贫化、顺磁性和抗磁性物质富集的元素组合。可见沉积物的磁化率记录可作为区域生态地球化学环境变化可靠的综合性因子。

（3）不同流域、不同时代沉积物元素组成规律变化反映了物源及沉积区生态地球化学环境变化

从沉积物元素分布得知其含量变化受沉积时物源及气候环境的影响明显，后期的改造使元素丰度发生改变不是很显著。

不同时代沉积物中Si由老到新呈逐渐降低的趋势，全新世晚期为最低；Al含量变化不明显；Fe从中更新世以后为相对高值；K总的变化不大；Na、Ca、Mg、N、C均显示从老到新由低到高的变化，与气候环境变化关系密切。在各时期SiO₂/Al₂O₃-K₂O/Na₂O-CaO/MgO三角图上不同流域样品聚集一起且表现出演化性趋势，说明该3组组分的相对含量可作为成因分析和地层对比的指标。

不同区沉积物的元素含量及其组合的规律变化反映了地质背景区、物源区、沉积区的气候环境、水动力环境、物理化学环境的不同。如长江物质分流进入洞庭湖沉积引起地球化学组分发生较大的变化，可由其在钻孔中出现的部位确定其进入洞庭湖的时间，不同区沉积物的元素组合可以作为区分主导作用、地质背景及物源的标志。从全孔样品的元素组合来看，长江物源区为Hg、Se、Sb，湘江尾闾区为Au、Sn、W，澧水下游区为Cu、Co、Sb、W、Sn、Zn、Hg，东洞庭湖湖区为Au、W、Co。从同一时段不同区域的元素组合来看，如从全新世晚期沉积物地球化学参数的对比可知，四水物源微量元素最丰富，长江物源次之，湖区微量元素较贫乏；湖区及长江物源的Ca/Cd、Cr/Th、C/N比值普遍高，四水物源比值则较低，可以其作为区分物源的标志。

3.文化层赋存了古代自然和人文环境信息，其地球化学记录是解读人地关系的钥匙

（1）文化层常量元素更多反映了自然环境状况，新石器中期以后的文化层微量元素则多反映人类活动特征

澧阳平原农耕文化区不同文化层常量元素由老至新的变化与丘岗区红土由老至新脱硅富铝化减弱的规律一致，说明文化层亦受表生地质作用控制；但文化层比其下生土层略富硅及碱（土）金属，较贫铝铁，亦别于表土层，说明文化层是在古风化壳上堆积而成的，其元素组合特征可表征文化堆积形成时的环境状况。

澧阳平原农耕文化区不同时期文化层微量元素地球化学分布控制因素差异明显：

旧石器不同时期的微量元素组合既有继承性（相似），又有演化性（相异），亲石元素较富，亲硫（或说亲生物）元素较缺，且愈老（往旧石器早期）愈明显，亦反映气候由温暖到干凉的转换。

新石器早期气候相对寒冷至中期逐渐变为暖湿，汤家岗至石家河时期微量元素丰度普遍较高，特别是大溪和石家河两时均出现峰值，元素多以与人类关系密切的重金属为主，说明人类制陶、烧土等活动对金属元素的富集有影响。

历史时期以来微量元素的丰度变化与铜、铁器冶炼等金属利用有更大的关系。春秋以Au、Hg和Mo等及TOC为特征，重金属Cd等普遍较低。战国文化及其以后重金属元素有增加的趋势，如Cd在唐代文化层出现高峰。

（2）农耕与城市不同文化属性文化层的元素组合不同

澧阳平原农耕文化层有多种元素组合，主要组合为Cr、V、Ga、Bi、Fe、Al等富集及Si的缺乏，代表了文化层的自然成土作用；次为P、Ca等“磷灰石型”的元素组合特征，可作为人文景观的指标；再次为TOC、TC、N、Cu、Hg等，与植物和有机物丰富、气候湿润有关，代表气候温润宜农宜人；第4组合为Mg、K及负相关的Ti、Si、Nb，反映了文化层堆积中的粘土类矿物特点，表明当时的气候相对较干热，雨水较少，掩埋古人生活器物的泥沙为较细的物质。

城市文化层元素主要反映人类的“工业”活动和城市功能进化，与气候关系不是很明显。长沙城市文化层的亲铁、亲硫元素、磁化率等、及负相关的易溶的碱（土）金属组合主要在唐代文化层为高值，说明铁族等与亚铁磁性矿物有关的元素有一定的富集作用；Au、Pb、Sn、Ag、Hg、Mo、As、Cu、Se、Sb、Zn、F的组合可能系人类“冶炼”等活动的元素组合，主要在北宋时为高，清文化层较高，说明冶炼等人类活动在此两阶段为最；Cl、I、Br、U、Ca、Ce、Sc、N、TC、TOC、Se、Sr、P的组合，以表生条件下易溶、易氧化分解的元素为主，主要在明清过渡的含煤堆积层和西周文化第三层高，前者系含煤堆积层，故该组合可作为含煤层或有机污染的标志元素；而既有表生条件下易溶，又有相对难溶的元素组合则代表了一种未经强烈表生作用改造、人为混杂堆积的元素组合特征，其在明代“废渣”状文化层高；以S、N、TOC、TC、Ce、V等亲生物元素为主的组合反映了人类城市生活排污特征，主要在汉代古井、次在明清文化层为高；Cd、P、Mn、Zn、CaO、Tl、Ni、Br的组合，可与澧阳平原农耕文化区的“磷灰石型”元素组合类比，主要在西周文化层第三层高，次在唐代文化层高，可能反映的是一种人类生活垃圾如动物骨骼的堆积；Al、Ga、F、Sc的组合，为表生条件下趋向残余富集的元素，代表了自然地质背景作用明显，主要在西周文化层之下的生土层为高。

对文化层的“少人类影响”和“人类影响”两类样品元素分布规律研究表明，Au、Ag、Pb、Sn、Cd、Hg、Zn、Cu、TOC、P等“人为源”元素，及La、Ge、Th、Tl、Sc、Co、Sr、Ni、Ga、V、Cr、Al、F、Ca、Mg、B、K、Fe、Br、I等“自然源”元素在两类文化层中均有显著差异。“自然源”元素的差异是物源区地质背景不同造成的。在少人类影响的文化层样品组中，散点图上的“人为源”元素与“自然源”元素可拟合出一呈显著相关的回归线；时间序列图上Cr/Ti、Ni/Ti比值同步呈周期性变化；Cd、Hg、Zn等元素与Cu组合；Cd和P同步变化，等等，证明大溪文化以前，人类活动较弱时期，文化层样品中影响这些“人为源”与“自然源”元素分布的地球化学过程主要为自然过程，元素含量变化受元素的地球化学性质控制，各元素的相对含量比例比较稳定，元素间的相关性明显。而将人类影响明显的（大溪文化以后）文化层样品投影到上述散点图上，则多不服从回归方程，并且镉锌与铜汞、镉与磷的分离，证明这些“人为源”元素的含量受自然与人类活动双重因素的影响。以La、Ni、Ge、V、Sc、Sr、Co、Tl等元素为参比元素，可以扣除自然作用的影响，估算“人为分量”的大小。计算结果表明“人为源”元素含量的人为分量在春秋以前是非常低的，随着生产力的提高，人类活动影响份额越来越大。据“人为源”元素的“人为分量”可将区域文化演化划分为狩猎文化、农耕文化和原始的“工业”（城市）文化3个历史阶段。在生产力低下的狩猎及初始农耕文化阶段以人类活动特征元素的“人为分量”低，Cd和P含量同步变化，Cd、Hg、Zn等与Cu组合在一起为特征；原始工业（城市）文化阶段的冶炼、铸造等人类活动造成文化层金属元素含量增高，原始的自然地球化学平衡被打破，以Ag、Au、Pb、Sn、Cd、Cu、Hg、P、TOC等元素含量高，Cd和P分离为特征。

（3）文化层的地球化学分类可实现对文化和环境的同一性认识

文化层地球化学指标的最优分割及因子分析所划分的“文化大层”（或类型）能将不同文化之间隐含的相同的自然环境信息及人类活动留在文化遗存中的踪迹紧密聚合在一起，揭示了文化发展（人类文明演化）与环境演化的阶段性、统一性本质。

（4）重金属富集是与人类原始工业活动同生的另一“文化遗产”

将长沙各文化层的元素含量与生土层比较，说明长沙地区早在西周时期就有了重金属富集问题，“秦汉古城”在给长沙留下丰富文化遗产的同时，也留下了人类影响环境的痕迹。农耕与城市文化区文化层相比，元素Ag、Au、Cd、Cu、Hg、N、P、Sn、Zn、TOC等含量及磁化率在城市文化区文化层中显著高于农耕区文化层；Hg/Sr、P/Co、Ag/La、Au/Ni、Cd/V、TOC/La、Sn/Ge、Cu/Ge等比值亦在城市高于农耕区，且在城市文化区中明显有随时代前进而增加的趋势，这些比值可作为区分古代城市与农耕区人类活动的有效指标。

4.生态地球化学环境指标在空间上的数值及涵义分异，沉积区地球化学环境指标的时间序列模型揭示了区域生态地球化学环境的演变规律

（1）同一地球化学指标在风化剥蚀区与沉积区可能有不同的古气候古环境意义

在综合考虑风化剥蚀区的基岩类型、元素分布、气候环境、地形条件，以及洞庭湖沉积区的岩相古地理、气候环境、构造运动、湖泊开放封闭条件及时间因素等的基础上，参考孢粉分析结果，通过地球化学原理分析，认为反映本区生态地球化学环境的30 余对元素对比值指标有两大类：

一是剥蚀区与沉积区生态地球化学环境涵义相同者：TOC/N、Zn/Cu、Ti/Si、C值、Fe/Mn及磁化率等，其高值代表湿热（或热、或湿）气候；Ca/Cd、U/Th、F/Cl、Zn/Pb、Sa值、Saf值等，其高值代表干冷（或干、或冷）气候。

另一为剥蚀区与沉积区生态地球化学环境涵义相异者：Ce/La、Ti/Nb、Al/Zr、K/Ca、K/Na、Rb/Sr、Zn/Cd、Ce/Y、Zr/Nb，其在剥蚀区高值代表湿热（或热、或湿）气候环境，而在沉积区相反，代表干冷（或干、或冷）气候环境；B/Ga、Ca/Mg、Ca/Sr、K/Rb、Sr/Ba、Li/Si、Br/I、TC/N、Cl/Br，与上相反，其在剥蚀区值高代表干冷，在沉积区代表湿热气候环境。

虽然这些地球化学参数指示古气候的特征主要是在与本区较成熟的古气候指示剂——孢粉标志的相关关系规律之上建立的，它们仅为具有区域局部意义的参数，是否具有普遍性有待进一步探讨，但从文章的初步分析中可见古气候对这些参数的影响，不失为今后该区或其他区的研究提供了线索。

（2）沉积区18个地球化学环境指标的时间序列模型综合揭示了区域生态地球化学环境的演变规律

对沉积区全部钻孔样品按年龄排序（元素含量用Al标定），将4种重金属元素、4个环境参数（TFe₂O₃、TOC、磁化率和 C 值）、5 对元素比值（Rb/Sr、TOC/N、Al/Zr、Cd/Ca 和 Zn/Cd）、5 个因子（分别代表湿热、干凉、热、湿热和湿热气候环境的 F₁、F₂、F₃、F₄和“综合”）共18个指标建立的ARIMA模型结果表明，从整个第四纪2.6 Ma来看，可划分为21个生态地球化学环境演化旋回，重金属含量在0.12 Ma以来变化较小，而TOC和磁化率随时间演变而显著增高；地球化学“综合”因子的预测值显示气候环境将向湿热方向转变，约过30 a左右，有一转折点，与许多学者预测的公元2030年全球平均气温将上升0.5～2.5℃的结论吻合。对未来生态地球化学环境趋势的预测说明本区环境的变化总体上受非局部性因素控制，这对于正确把握环境趋势、指导资源合理利用意义重大。

5.洞庭湖区第四纪环境地球化学变化是对区域地质环境演化及全球环境变化的响应

（1）本区生态地球化学环境变化是全球环境变化的响应

将本区红土剖面与安徽宣城的红土剖面进行对比，发现本区红土剖面与宣城剖面反映的气候环境的变迁旋回具有明显的可比性，元素及其比值、磁化率、全氧化铁、有机质谷峰的振荡，证明了本区与我国南方红土地区从更新世早期晚时以来，发生了多次冷暖气候变化的旋回，与宣城的古土壤与古风化壳所反映的气候变迁的规律相近。证明本区红土与我国南方红土一样，存在着大量反映气候环境变迁的信息，可为全球变化研究作出新的贡献。

将本区沉积层与北方黄土的灵台剖面比较，说明本区钻孔沉积物0.7 Ma以来Rb/Sr等地球化学指标亦可相应划分5个以上旋回，年龄相当，两者具有明显的可比性。说明本区的气候环境和地球化学环境变化是与全球环境变化紧密相联的。

将本区沉积层的TFe₂O₃、TOC、磁化率、Rb/Sr、Al/Zr及上述5 个因子等环境地球化学指标与深海氧同位素进行对比，表明在过去的0.8 Ma期间，与全球气候波动划分出的20个同位素阶段对应，本区沉积物的TFe₂O₃及“综合因子”等环境地球化学指标亦呈大致相似的趋势变化，与深海氧同位素的奇数阶段对应，指示温度升高，表明是暖期；而Rb/Sr、Al/Zr等与偶数的阶段对应，指示温度降低，是冷期。

由于纬度不同，尤其秦岭和喜马拉雅山脉的分隔，本区与北方黄土区及第四纪以来的海洋区域相比属于迥然不同的气候带，沉积物类型的重大差异就是证据，但它们又同时对全球性变化有所响应，关键是要确定这种反映全球变化标志的独特因素和参数。仔细分析深海沉积、黄土、冰盖和记录全球变化的共同标志或参数，发现主要为氧、碳同位素及Rb/Sr等少数几种比值。本书采用的多参数不仅突出了本气候带中物质成分的差异，而且其综合表达的趋势与深海氧同位素变化具某种相似性，说明经Al标定的参数明显是从区域或局部环境记录中抽取了的全球变化信息，是可以确定局部区域环境对全球变化的响应的。

（2）洞庭湖区生态地球化学环境与区域地质环境演化的关系

根据更新世早期沉积与第四纪以前老地层的接触关系，全区主要钻孔及阶地区所见剖面分析，早期盆地形成是区域地壳构造沉降差异形成湖泊的雏形，第四纪早期沉积物砂砾石以快速搬运沉积至湖盆地中心，形成较厚的砂砾石层，砾石成分以硬质岩石为主，砾度变化较大，圆度较差，多以次棱角状到次圆状为主，与基底岩层有显著的地球化学差异。

更新世早、中期沉积物之间为典型的不整合界面，周边阶地区地层剖面显示明显，如长沙、赤山等地就是以中期沉积物砂、砂砾石不整合覆盖于早期沉积的砂及砂砾石沉积表部，界面线上下凸凹不平，层理显示有一定的角度差，同时更新世中期沉积底部出现底砾层砾石大小混杂的结构。上下层沉积物ESR年龄差可达0.2 Ma。在地球化学成分上反映上下层也有较大的差异。钻孔剖面中磁极性倒转变化，其下早期为松山正极性世，其上中期为布容正极性世。显示其为全球地壳运动在本地区的反应。

全新世中期距今5000 a左右，长江南移江水向洞庭湖区分流明显增强。在本区北东部几个钻孔中沉积物的地球化学组分发生显著的变化，代表长江物源的物质大量进入洞庭湖区，洞庭湖成为典型的过水型湖泊，地球化学成分分析显示长江物源有更多的碱（土）元素，SiO₂降低，Al₂O₃、Fe₂O₃增高，同时Cd、As、Hg、Sb、Pb、S、Se、Ge 等的降低均形成一个突变的界面，说明了长江之水大量进入洞庭湖这一重大事件的发生。