长江入海沉积物中Fe循环过程与环境示踪方法

2023-08-17 理论教育版权反馈

【摘要】：土壤和沉积物中的铁矿物含量一般很低，而且颗粒总体比较细小、结晶度差。漫反射光谱对土壤和沉积物中的铁氧化物矿物十分敏感，被认为是一种识别和估计土壤、沉积物中的铁氧化物矿物的重要手段。Deaton和Balsam同对人工合成矿物和沉积物研究，发现在漫反射光谱曲线一阶导数图谱中，针铁矿和赤铁矿有不同的特征峰。

赤铁矿(Fe2 O3)和针铁矿(α-FeO(OH))是地球表生环境中常见的两种含铁氧化物和氢氧化物。针铁矿和赤铁矿广泛存在于海洋沉积物(Harris和Mix，1999)、黄土-古土壤沉积序列(Liu，1985;Balsam 等，2004;Deng等，2006;Jeong等，2008)，以及土壤(Schwertmann，1971;Davey 等，1975;Kmpf 和Schwertmann，1983;Jeanroy 等，1991;Waychunas等，2005;Torrent等，2006)等沉积体系中。

一般认为，湿润的环境有利于针铁矿的形成，而干燥温暖的环境更利赤铁矿的形成(Schwertmann，1971，1988;Cornell和Schwertmann，2003;Balsam 等，2004)，因此，这两种矿物也常被用来指示气候变化。黄土-古土壤中赤铁矿和针铁矿的比值(Hm/Gt)已经很好地用来表征黄土高原气候干湿变化(Ji等，2002;Balsam 等，2004;Ji等，2004;Balsam 等，2005;Bloemendal等，2008;Jeong等，2008)，并进一步用来推测东亚季风的形成和演化历史。赤铁矿和针铁矿是土壤和沉积物中常见的含铁矿物，它们都是硅酸盐含铁矿物风化的产物，其在土壤中的分布和含量与成土气候环境密切相关(Schwertmann，1971;陈怀满，2005)。针铁矿通常是从水溶液中直接沉淀形成，潮湿环境有利于其发育(Cornell和Schwertmann，1996)，因此，针铁矿广泛地分布于从寒带至热带地区的各类土壤中;而赤铁矿的形成涉及脱水反应，干旱环境(蒸发量大于降雨量)有利于赤铁矿的形成，因此赤铁矿则主要分布在热带和亚热带地区氧化条件较强的土壤中(Kmpf和Schwertmann，1983;黄昌勇，2000)。在土壤中这两个形成过程是相互竞争的，温度和湿度控制着赤铁矿和针铁矿的形成速度，因此，赤铁矿和针铁矿的比例是气候环境变化的良好指示(季峻峰等，2007)。

土壤和沉积物中的铁矿物含量一般很低，而且颗粒总体比较细小、结晶度差(Cornell和Schwertmann，1996)。常规的检测手段，例如X线衍射、化学方法和Mössbauer谱等，很难快速准确地检测出复杂地质样品中的针铁矿和赤铁矿含量。可见光波段(VIS，400～700 nm)对铁矿物含量的变化非常敏感，通过分析可见光波段的颜色分段和导数(一阶导数和二阶导数)，可以定量测定针铁矿和赤铁矿的含量(Deaton和Balsam，1991;Ji等，2002)。漫反射光谱(DRS)对土壤和沉积物中的铁氧化物矿物十分敏感，被认为是一种识别和估计土壤、沉积物中的铁氧化物矿物的重要手段(Deaton和Balsam，1991;Ji等，2002)。

Deaton和Balsam(1991)同对人工合成矿物和沉积物研究，发现在漫反射光谱曲线一阶导数图谱中，针铁矿和赤铁矿有不同的特征峰。例如，赤铁矿在565～575 nm(具体位置根据含量变化)有一个特征峰;而针铁矿则具有典型的双峰，在535 nm 处有一个主峰，在435 nm 处还有一个次级峰。随着矿物含量的增加，一阶导数特征峰的高度变高，峰的位置向长波方向移动。对针铁矿来说，主峰的对其含量的变化更加灵敏，次级峰变化不大。因此，一阶导数特征峰的峰高可以反映出样品中赤铁矿和针铁矿的相对含量。尽管最近研究表明，由于自然样品中由于矿物组成较复杂，某些矿物可能会对漫反射图谱产生干扰(基体效应)，一阶导数图中针铁矿的特征信号可能被赤铁矿和黏土矿物(例如伊利石和绿泥石)所掩盖(Balsam 和Damuth，2000;Ji等，2006)，但漫反射光谱一阶导数特征峰的峰高值仍然具有定性(半定量)估算赤铁矿及针铁矿含量多少的意义。

长江入海沉积物中Fe循环过程与环境示踪方法

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