中新世以来中国北方风尘堆积的粘土矿物组成及其古环境意义

In northern China, the loess-soil sequence of the last 2.6 Ma, the Hipparion Red-Earth of eolian origin and recently reported Pliocene-Miocene loess-soil sequence provide a near continuous continental eolian record of climatic history for the past 22.0 Ma. This work aims to investigate the composition and structure of clay minerals contained in deposits, and to explore their implications for environmental evolutions over the last 22.0 Ma. Clay minerals, which were extracted from eolian samples collected at Xifeng (0-6.2 MaBP) and Qinan (6.2-22.0 MaBP) sections, were analyzed qualitatively and semi-quantitatively by using X-ray diffraction (XRD), differential thermal analysis (DTA), thermogravimetric analysis (TG) and chemical analysis. The main conclusions are as follows: Over the last 22.0 Ma, the clay mineral assemblage among Quaternary loess-soils, Hipparion Red-Earth, and Miocene loess-soils shows similar components, mainly consisting of illite (55-80%), kaolinite (7-20%), chlorite (4-13%), smectite (2-23%) as results calculated by comparing major peak areas. There are no obvious differences in both types and amounts of clay minerals between loess and interbedded soils, suggesting that overwhelming part of the clay minerals is derived from the source. According to the components of clay minerals, the whole sequence of eolian deposits in the Loess Plateau can be divided into ten clay mineral assemblage zones over the last 22.0 Ma, whose corresponding ages are: 22.0-21.0 MaBP, 21.0-18.0 MaBP, 18-16.2 MaBP, 16.2-13.0 MaBP, 13.0-10.0 MaBP, 10.0-5.5 MaBP, 5.5-4.4 MaBP, 4.4-2.8 MaBP, 2.8-1.0 MaBP, 1.0-0 MaBP, respectively. This may imply that dust supply changed at least nine times over the past 22.0 Ma. The loess illite has a better crystaliinity, higher value of the FWHM and IC, than the interbedd soils. Previous studies indicated that irregular mixed layer minerals could form under relatively warm and humid conditions (Han, 1982). According to the general distribution of clay minerals of zonal soil (Chamley, 1989), the clay mineral assemblage of eolian deposits in Xifeng and Qinan sections is typical of temperature-humid and warm-subarid environment. Therefore, our results indicate climatic environment in Loess Plateau did not change remarkably since 22.0 Ma, and fluctuated between temperature-humid and warm-subarid climate. 4. The illite generally presents poorer crystaliinity during the period of 22.0 to 2.8 MaBP than in the last 2.8 Ma BP, especially at the intervals of 3.5-4.5 Ma BP, 14.0-17.0 MaBP and 20.0-22.0 Ma BP, which indicates that the weathering intensity was stronger in Neogene than in Quaternary. 5. The relatively low ice volume and high global temperature may be responsible for the strange weathering intensity during the interval of the 3.5-4.5 Ma BP, 14.0-17.0 Ma BP and 20.0-22.0 Ma BP.

花岗岩风化土微观结构及其工程地质特性研究

Saprolite is the residual soil resulted from completely weathered or highly weathered granite and with corestones of parent rock. It is widely distributed in Hong Kong. Slope instability usually happens in this layer of residual soil and thus it is very important to study the engineering geological properties of Saprolite. Due to the relic granitic texture, the deformation and strength characteristics of Saprolite are very different from normal residual soils. In order to investigate the effects of the special microstructure on soil deformation and strength, a series of physical, chemical and mechanical tests were conducted on Saprolite at Kowloon, Hong Kong. The tests include chemical analysis, particle size analysis, mineral composition analysis, mercury injection, consolidation test, direct shear test, triaxial shear test, optical analysis, SEM & TEM analysis, and triaxial shear tests under real-time CT monitoring.Based on the testing results, intensity and degree of weathering were classified, factors affecting and controlling the deformation and strength of Saprolite were identified, and the interaction between those factors were analyzed.The major parameters describing soil microstructure were introduced mainly based on optical thin section analysis results. These parameters are of importance and physical meaning to describe particle shape, particle size distribution (PSD), and for numerical modeling of soil microstructure. A few parameters to depict particle geometry were proposed or improved. These parameters can be used to regenerate the particle shape and its distribution. Fractal dimension of particle shape was proposed to describe irregularity of particle shapes and capacity of space filling quantitatively. And the effect of fractal dimension of particle shape on soil strength was analyzed. At the same time, structural coefficient - a combined parameter which can quantify the overall microstructure of rock or soil was introduced to study Saprolite and the results are very positive. The study emphasized on the fractal characteristics of PSD and pore structure by applying fractal theory and method. With the results from thin section analysis and mercury injection, it was shown that at least two fractal dimensions Dfl(DB) and Df2 (Dw), exist for both PSD and pore structure. The reasons and physical meanings behind multi-fractal dimensions were analyzed. The fractal dimensions were used to calculate the formation depth and weathering rate of granite at Kowloon. As practical applications, correlations and mathematical models for fractal dimensions and engineering properties of soil were established. The correlation between fractal dimensions and mechanical properties of soil shows that the internal friction angle is mainly governed by Dfl 9 corresponding to coarse grain components, while the cohesion depends on Df2 , corresponding to fine grain components. The correlations between the fractal dimension, friction angle and cohesion are positive linear.Fractal models of PSD and pore size distribution were derived theoretically. Fragmentation mechanism of grains was also analyzed from the viewpoint of fractal. A simple function was derived to define the theoretical relationship between the water characteristic curve (WCC) and fractal dimension, based on a number of classical WCC models. This relationship provides a new analytical tool and research method for hydraulic properties in porous media and solute transportation. It also endues fractal dimensions with new physical meanings and facilitates applications of fractal dimensions in water retention characteristics, ground water movement, and environmental engineering.Based on the conclusions from the fractal characteristics of Saprolite, size effect on strength was expressed by fractal dimension. This function is in complete agreement with classical Weibull model and a simple function was derived to represent the relationship between them.In this thesis, the phenomenon of multi-fractal dimensions was theoretically analyzed and verified with WCC and saprolite PSD results, it was then concluded that multi-fractal can describe the characteristics of one object more accurately, compared to single fractal dimension. The multi-fractal of saprolite reflects its structural heterogeneity and changeable stress environment during the evolution history.

东南极格罗夫山土壤研究与古环境分析

Three soil spots were found in Grove Mountains, east Antarctica during 1999-2000, when the Chinare 16th Antarctic expedition teams entered the inland Antarctica. The characteristics of soils in Grove Mountains are desert pavement coating the surface, abundant water soluble salt, negligible organ matter, and severe rubification and salinization, scarces of liquid water, partly with dry permafrost, corresponding with the soils of McMurdo, Transantarctic. The soils age of Grove Mountains is 0.5-3.5Ma. Podzolization and redoximorphism are the main features in coastal Wilks region, in addition, there is strong enrichment of organic matter in many soils of this region. The main soil processes of Fildes Peninsula of King George Island include the intense physical weathering, decalcification and weakly biochemical processes. Peat accumulation is the main processes in Arctic because of humid and cold environment.Based on synthesis of heavy minerals, particle size, quartz grain surface textures, as well as pollen in soils, the soils parent materials of Grove Mountains derived from alluvial sediment of the weathering bedrocks around soils, and formed during the warm period of Pliocene. The detailed information is followed .l)The results of heavy minerals particle size showed the parent minerals derived form the weathering bedrocks around soils. 2)The quartz sand surface textures include glacial crushing and abrasion such as abrasive conchoidal fractures and grain edges, abrasive subparallel linear fractures and angularity, subaqueous environments produce V-shaped and irregular impact pits, polished surface, and chemical textures, such as beehive solution pits, which showed the water is the main force during the sediment of the soil parent minerals. 3)The pollen consist of 40 plant species, of which at least 5 species including Ranunculaceae, Chenopodiaceae, Artemisia, Gramineae, Podocarpus belong to the Neogene vegetation except the species from the old continent. Compared with Neogene vegetation of Transantarctic Mountains, Antarctic, we concluded that they grow in warm Pliocene.

喀斯特流域硫同位素地球化学与碳酸盐岩侵蚀

贵州的乌江流域属典型的喀斯特地貌，也是我国严重的酸雨区之一。酸沉降可以导致土壤中盐基离子的流失并释放出具有植物毒性的元素，对植被和生态造成破坏。即使在酸沉降停止后，土壤的退化也会持续，pH值仍可继续降低。因此，加强乌江流域的酸沉降对土壤及生态系统破坏的研究十分必要。乌江中上游地区广泛分布高硫煤和矿床硫化物，煤中的还原态硫化物（主要是黄铁矿）和矿床硫化物经过氧化风化会产生大量的溶解态金属和H2SO4，在污染环境的同时会大大加速碳酸盐岩的化学侵蚀。 本研究在导师刘丛强研究员主持的中国科学院知识创新工程重要方向重大项目（喀斯特地区（贵州乌江流域）物质的水文地球化学循环及其环境效应，批准号：KZCX2-105；乌江流域典型喀斯特土壤－植被生态系统生源要素生物地球化学研究，批准号：KZCX3-SW-140）课题的支持下，选择贵州喀斯特地区的典型河流为研究对象，利用化学质量平衡、同位素地球化学研究手段，探讨了硫酸风化碳酸盐岩对河水化学组成的影响，溶解硫酸盐的来源及硫同位素组成的时空变化，定量计算了丰水期乌江流域硫酸风化碳酸盐岩的侵蚀速率及其对大气CO2释放的影响，并对土壤总硫和硫酸盐的生物地球化学循环进行了同位素示踪研究。获得的主要结论揭示了水－岩作用和人类活动对硫的生物地球化学循环的控制机理，以及硫循环在碳酸盐岩化学风化中的作用，为了解喀斯特地区硫的循环演化及其环境效应提供了重要的基础科学依据。主要结论如下： 硫酸侵蚀碳酸盐岩对河水化学组成的影响 乌江枯、丰水期河水SO42−平均浓度分别为0.65mmol/L和0.48mmol/L，占阴离子总量的25%以上。干流河水SO42−浓度具有从上游到下游逐渐降低的趋势，支流河水SO42−浓度具有明显的区域性差异特征，枯水期上游和下游地区支流的SO42−平均浓度分别为0.80mmol/L和0.26mmol/L，丰水期河水也有类似的特征。SO42−、NO3−、Cl−与Na+浓度比值的相互关系表明河水SO42−具有人为来源。沅江水系河水SO42−含量远低于乌江河水，枯水期平均浓度0.22mmol/L，丰水期平均0.14mmol/L。 乌江流域不同来源H2SO4参与下的碳酸盐岩风化是影响河水化学组成最主要的因素。舞阳河水中的溶质主要来自H2CO3风化白云岩，不存在硫酸风化碳酸盐岩的迹象。清水江河水离子组成则同时受到H2CO3、H2SO4风化碳酸盐岩和H2CO3风化硅酸盐的影响。由此可见，喀斯特地区不同河流的河水化学组成受H2SO4风化碳酸盐岩的影响是不同的。 水－岩作用模拟表明：乌江枯水期河水的CSI在−0.2 ~ 1之间，绝大多数河水处于对CaCO3过饱和状态，丰水期河水的CSI较枯水期平均高0.3，CaCO3全部过饱和。河水PCO2,river相对大气PCO2,atm一般是过饱和的。因此，喀斯特地区河水即具有沉积性又具有向大气释放CO2的趋势。舞阳河水方解石和白云石在枯、丰水期全部过饱和，DSI平均值在两季均远高于CSI，这与舞阳河流域分布着大量的白云岩有关。而清水江大部分河水的方解石和白云石处于不饱和状态。流域不同的地质背景决定了河水中方解石和白云石的饱和状态，在同一地质背景条件下又取决于河水中的CO2分压。 扣除乌江丰水期河水化学组成中H2SO4溶解碳酸盐岩的贡献之后，部分河水由对方解石和白云石过饱和变为不饱和，溶解沉淀性质发生了根本的改变。由此可见，H2SO4风化碳酸盐岩通过改变河水的化学组成，对河水的化学稳定性也存在很大影响。 河水硫同位素地球化学与碳酸盐岩侵蚀 枯水期乌江河水硫同位素δ34S值的变化范围为−15.7‰ 到18.9‰，宽广的δ34S值范围反映了不同河段汇入的SO42−来源于流经具有不同同位素组成特征地质背景的支流。丰水期δ34S值的变化范围小于枯水期，在−11.5‰ 到8.3‰之间。两个季节河水SO42−的δ34S值均随着SO42−浓度的增加而降低。乌江硫酸盐的硫同位素组成具有明显的季节性变化，丰水期干流河水的δ34S值在−6.7‰ ~ −3.9‰之间，平均值较枯水期低3‰。支流河水的硫同位素组成具有明显的区域性差异。舞阳河河水富集34S，清水江河水富集32S，硫同位素组成的季节变化和支流差异远不如乌江明显。 硫同位素示踪显示：乌江上游河水硫酸盐主要来自煤中黄铁矿的氧化、矿床硫化物氧化及雨水；下游河水硫酸盐的硫同位素组成主要介于雨水和蒸发岩端元之间，煤中黄铁矿氧化的贡献较少。不同端元的硫同位素组成表明：丰水期水量增加时，煤中黄铁矿氧化来源的硫酸盐的贡献增加，导致了乌江河水δ34S值的降低。雨水δ34S值季节性变化对河水硫同位素组成的季节性变化的影响是次要的。 乌江河水向贵州省外输出的SO42−通量为170×1010g/a，丰水期占全年SO42−输出总量的72%，上游地区输出的SO42−占年输出总量的80%。煤中黄铁矿风化、雨水、矿床硫化物风化、蒸发岩溶解对丰水期乌江河水SO42-的贡献分别为45%、27%、24%和4%。硫化物氧化产生H2SO4，而后H2SO4侵蚀碳酸盐岩，这是研究区内两个非常重要的硫循环过程。丰水期H2SO4侵蚀碳酸盐岩的速率为35.1t/ (km2•a)，约合17.5mm/ka。总的CO2释放通量约为8.1 t/ (km2•a)。通过推导丰水期乌江流域碳酸盐岩侵蚀方程可知，丰水期乌江流域碳酸盐岩的侵蚀有52%是由H2SO4风化造成的。 喀斯特流域土壤硫的生物地球化学 黄壤的总硫含量一般小于0.1%，而石灰土的总硫含量全部大于0.1%, 同一剖面同样深度黄壤总硫含量夏季生长期高于冬季休眠期，但是石灰土则恰恰相反。一般情况下，土壤总硫含量首先与土壤类型有关，其次可能受到植被的影响。即使是同一土壤类型，随着剖面深度的增加总硫含量变化趋势也并不一致。 土壤无机硫酸盐的含量与土壤类型密切相关，黄壤SO42−含量明显高于石灰土。黄壤表层土硫酸盐形态硫占总硫的2.4% ~ 6.4%，随着剖面加深土壤硫酸盐形态硫的含量出现先增加后降低的趋势，最高可占总硫的20%以上，这种现象应该是铁、铝氧化物或氢氧化物对硫酸盐的吸附造成的。同样是黄壤，也可能由于上覆植被的不同造成不同剖面土壤硫酸盐在含量上的差异，或同一剖面不同季节含量上的差异。石灰土硫酸盐形态硫在总硫中的百分含量不超过3%，而且易受淋溶而流失，即使在有植被覆盖的情况下也是如此。 所有样品总硫的δ34S值均为正值且总是大于同层SO42−的δ34S值。随着黄壤剖面的加深δ34S值呈逐渐增加的趋势，有机硫循环过程不断富集34S可能是产生这种现象的原因。 硫同位素组成表明黄壤剖面表层土SO42−应来源于大气沉降。夏季表层土SO42−的δ34S值稍高于冬季，明显高于贵阳夏季大气降水的硫同位素组成，可能是大气总沉降的反映，也可能是不同季节土壤有机硫的矿化水平的不同造成的。黄壤剖面无论冬季还是夏季SO42−均随剖面的加深逐渐富集34S。在剖面上层SO42−的δ34S值与SO42−含量正相关，可能是有机硫矿化生成的SO42−加入的结果。下层土壤硫酸盐δ34S值与含量明显反相关，可能是硫酸盐还原菌发生作用导致了较大的同位素分馏。 从乌江上游至下游，石灰土表层土壤SO42−的硫同位素逐渐富集32S。硫同位素组成表明中、下游石灰土SO42−的来源很可能是大气降水，而上游样品还存在矿山硫的来源。 土壤无机硫酸盐对乌江河水硫酸盐的贡献还不明确，但它不应是乌江河水硫酸盐的主要来源。

贵州碳酸盐岩风化壳中次生晶体石英硅、氧同位素特征及其成因探讨

在贵州碳酸盐岩风化壳中发现的晶体石英使风化壳及其所发育的地貌面的定年研究成为可能，对这种石英进行裂变径迹尝试性测年工作，发现它们具有很强的研究潜力，是目前为止在碳酸盐岩风化壳剖面中发现的唯一可作为测年对象的矿物。前期工作中进行的风化壳剖面物源判别及石英表面结构观察表明晶体石英是原位形成的，晶体形态指示它们可能是次生的，其裂变径迹测年结果远小于母岩年龄，从另一方面也证明了它们可能是次生的。然而，上述证据只能对贵州碳酸盐岩风化壳中晶体石英的成因进行初步的判定，即次生形成于剖面中，未能揭示其确切的成因。由于，晶体石英成因的确定是利用它们开展测年工作的前提和基础，所以当前急需对这类石英进行成因判别，以明确裂变径迹年龄值的年代学意义。本文在前人成果的基础上，首次对贵州碳酸盐岩风化壳中的晶体石英进行了较系统的研究，通过晶体形态观察、石英粒度分析、包裹体观察来判断其基本成因，利用硅、氧同位素的组成及与其它地质体的对比揭示晶体石英形成的硅质来源、流体性质、沉淀结晶环境等信息，主要获得了以下几方面的认识： 1、 风化壳中石英颗粒的粒度特征 新蒲和大兴剖面中提取出的石英多分布在粉砂(2 ~ 63 μm)和砂粒(>63 μm)粒级范围内，其中以粉砂粒级为主。石英的粒度分布曲线常呈多峰分布，与黄土-古土壤中石英的单峰分布曲线明显不同，说明剖面中的石英不是风成成因的，继而证明两风化壳剖面不是风尘堆积的产物。两剖面中石英颗粒的分选性较差，不同样品之间，石英的粒度分布曲线存在差异，可能是次生石英、母岩中的碎屑石英和燧石团块中的石英以不同比例混合的结果。鉴于以上可能性，与酸不溶物相比，土层的粒度分布曲线表现出较好的一致性，即在碳酸盐岩风化壳物源研究中，石英的粒度分布并不是理想的示踪手段。 2、风化壳中石英颗粒的包裹体观察及均一温度测量 研究剖面中晶体石英的包裹体呈带状分布，多数为单相包体，小于5 μm，无法进行均一温度的测量。在某些次生加大石英或石英胶结物中包裹体很少或未见可供测温的两相包裹体，可能就是由于形成温度低(小于70 ˚C或地表温度)，生长缓慢造成的。研究剖面中晶体石英的包裹体特征与某些次生加大石英或石英胶结物中的包裹体类似，暗示晶体石英可能为低温条件下缓慢形成的，与其形态特征一致。 3、风化壳中晶体石英的硅同位素特征及其硅质来源探讨 研究剖面中晶体石英的δ30Si值在0.8‰ ~ 1.7‰之间，与火山作用和热液(水)作用产物具有明显不同的硅同位素组成，表明与火山作用或热液(水)作用无直接关系，而与风化作用有关，可能由风化过程中产生的富30Si流体形成。有研究表明风化过程中溶解的二氧化硅通常来自硅酸盐矿物的化学风化而非石英的溶解，研究剖面中晶体石英的硅质来源以硅酸盐矿物风化释放的硅质流体为主。利用Ge/Si值评估植物作用能否为研究剖面中晶体石英的形成提供物质来源，结果表明植物作用对研究剖面的硅质贡献作用相对较小，在表土层中植物作用的影响可能较大。以Ti作为参比元素来评估风化作用能否为晶体石英提供硅质来源，结果表明剖面中存在稳定且可观的硅的迁出，说明剖面中的晶体石英具有稳定且充足的硅质来源。 4、风化壳中晶体石英的氧同位素特征及其形成条件分析 研究剖面中晶体石英的δ18O值与高温成因石英及高、低温混合来源石英的δ18O值明显不同，在低温石英δ18O值范围内，暗示其形成于低温条件，与晶体石英的形态及包裹体的特征吻合。由于化学风化过程中W/R值很高，研究剖面中母岩以及粘土矿物的同位素组成对晶体石英δ18O值的影响可以忽略，即晶体石英的δ18O值可以粗略地反映大气降水的δ18O值，并可能进一步指示古气候信息。 5、风化壳中不同石英的硅、氧同位素特征及其成因指示 石英的硅、氧同位素分析表明，尽管大兴剖面中圆状石英和棱角状石英具有与晶体石英相似的硅、氧同位素组成特征，但它们的硅-氧同位素相关关系不同，可以明显地将晶体石英与圆状石英和棱角状石英区分开，说明它们具有不同的成因。 6、晶体石英的形成与贵州碳酸盐岩风化成土的关系 风化壳中晶体石英的形成与贵州碳酸盐岩风化成土的两阶段过程密切相关，酸不溶物中长石等硅酸盐矿物的风化能够为晶体生长提供硅质来源，碳酸盐岩风化形成的孔洞，则为晶体石英提供有利的生长环境和充分的生长空间。

矿物的微生物风化地球化学研究－－以磷矿石和方解石为例

微生物与矿物间的相互作用是自然界中广泛发生的一种地质作用，微生物直接参与了自然界的物质循环，微生物对矿物风化作用的过程和机理与矿物种类、菌种及环境条件密切相关。目前还缺乏对矿物风化微观过程及风化过程中微生物生理生化特征的研究资料，随着分子生物学理论与技术的快速发展，用地球化学结合微生物学与分子生物学的理论和方法来综合研究微生物的矿物风化过程已成为可能。从分子水平和微观作用过程研究其风化过程与机理，理解微生物与矿物界面之间的相互作用及其反馈机制，是表生作用过程中生物地球化学的重要研究内容。 选用胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）、黑曲霉（Aspergillus niger）和青霉（Penicillium sp.），以磷矿石和方解石为例，探讨实验条件下微生物对矿物的风化作用过程与机理。微生物对矿物风化作用具有能耗低、污染小和流程短等特点，充分利用这些特点是解决土壤中无效磷的有效利用、磷矿资源的开发以及减少环境污染等问题的有效途径，对矿产资源的可持续利用和建立健康的生态环境具有十分重要的意义。采用离子色谱、ICP-OES、XRD、TEM、EDS、2-DE、电子探针和MC-ICP-MS等分析测试手段，研究微生物对矿物的风化过程与机理，得到如下结果： (1) 在黑曲霉对磷矿石风化过程中，由黑曲霉生长引发的生物机械破坏作用和生物化学降解作用是对磷矿石风化的主要趋动力，包括菌丝生长对矿物的穿插作用以及机械剥蚀作用；此外，菌体及生物大分子形成生物膜覆盖在矿物表面形成易于发生生化降解的微环境，有机酸络合Ca生成次生矿物草酸钙促进了磷矿石的风化。磷矿石直接与菌体接触所发生的风化作用强于磷矿石装入透析袋中的间接风化作用。 (2) 在胶质芽孢杆菌对磷矿石的风化过程中，菌体及其胞外多糖类物质在矿粉表面形成生物膜、菌体生长、代谢产物及有机物的机械剥蚀破碎作用等是造成矿物风化的重要原因；磷矿石直接与菌体接触进行的风化作用强于磷矿石装入透析袋中的间接风化作用。 (3) 黑曲霉对磷矿石的风化作用强于胶质芽孢杆菌，两者对磷矿石进行风化时，生物物理风化作用是导致矿物风化的主要因素；胶质芽孢杆菌风化磷矿石的过程中没有草酸钙的产生。 (4) 胶质芽孢杆菌对磷矿石的风化过程中，菌体蛋白质的表达发生变化，蛋白质的量与质的变化与磷矿石的风化密切有关。磷矿石的加入导致菌体生理代谢途径改变以适应环境的变化，并分泌相关的蛋白质导致矿物的风化。 (5) 采用Sr同位素示踪研究黑曲霉与青霉对磷灰石和方解石混合物的风化差异。黑曲霉作用混合矿物的初期，培养液pH值相对较低，对其中方解石有风化作用；中后期由于pH值升高，对磷灰石有较强的风化作用,对磷灰石的风化是由黑曲霉产生的大分子有机物对磷灰石中Ca络合的结果。青霉与混合矿物发生相互作用时，在最初的很短时间内青霉对磷灰石有风化作用，但对方解石的风化作用却表现在整个风化作用时间段，相比而言，青霉对磷灰石的风化作用不明显。这种风化差异与真菌的生物学特性有关，并表现为微生物对矿物风化的选择性。 本项研究对进一步认识土壤植被生态系统中的磷循环规律和循环过程中微生物所起的作用，以及用微生物风化作用的方式促进磷矿资源开发利用具有重要理论和实际意义。

贵州碳酸盐岩风化壳次生石英表面结构、裂变径迹测年及其指示意义

我国西南地区分布有广阔的亚热带潮湿区岩溶，以贵州为中心，总面积达50万km2，是世界上连片分布面积最大的岩溶区。贵州高原地处青藏高原东南缘,云贵高原的东翼，是中国大陆“西高东低”地貌格局中重要的过渡区段，对其新生代地质、地貌演化进行研究无疑具有重要的意义，不仅是对贵州薄弱的新生代地质、地貌研究的补充，而且可以直接通过夷平面展开与青藏高原的对比，探讨青藏高原隆升对贵州高原的直接影响。风化壳作为夷平面的组成部分，在过去没有引起足够的重视，但随着成功实例的不断出现，人们逐渐开始认识到风化壳是夷平面识别和重建的重要依据，也是夷平面环境信息的重要载体。贵州作为碳酸盐岩集中分布区，碳酸盐岩风化壳剖面广泛存在，尤其在黔中、黔北等地区各级夷平面上均发育有红色风化壳，利用碳酸盐岩红色风化壳能为夷平面的识别和形成时代的确立提供可靠的证据，特别是风化壳形成年龄的确定对夷平面时标的建立更具有积极意义。有关贵州地区红色风化壳形成时代的确定，多年来已有一些学者对此展开了研究，但贵州红色风化壳形成时代的确定存在着很大争论。虽然存在其它原因的可能性，但造成这种争论的根本原因在于贵州红色风化壳形成时代是依据其它资料(如夷平面、气候事件等)推断出来的，而不是根据直接测年数据界定的。因此，风化壳直接测年才是解决问题的关键。 本文在前人工作研究的基础之上，利用扫描电镜手段对贵州碳酸盐岩地区上覆风化壳土层中的石英颗粒进行观察、统计、分析，为风化壳成土的物质来源寻找新的证据；同时，经地球化学分析、测试等手段，判断风化壳土层中的晶体石英颗粒为风化壳形成初期的新生矿物——次生石英颗粒，并利用裂变径迹测年法对这种次生石英颗粒进行测年，最终探讨贵州碳酸盐岩地区上覆风化壳土层的形成年代。主要取得了以下几点认识： 一、石英颗粒蚀刻条件的优选 由于石英颗粒裂变径迹的长度和数量与晶格、铀含量、年龄等因素有关，所以不同地区的石英颗粒样品的裂变径迹蚀刻条件也存在差别；目前国际上有关石英颗粒的裂变径迹测年应用的实例较少，还没有统一的有关石英颗粒蚀刻条件的国际标准；现有的石英颗粒蚀刻条件有多种，但是缺乏对这些方法的优缺点进行对比评价。因此，我们要进行反复的条件实验，对比不同石英蚀刻剂的蚀刻效率，找寻适合石英颗粒的最佳蚀刻剂。实验结果表明，40%的HF溶液为最佳蚀刻剂，最佳蚀刻时间：温度在4℃左右（冬季）时为40min；温度在29℃左右（夏季）时为30min。 二、石英的外形、表面机械作用特征及其指示意义 我们利用扫描电镜对石英颗粒外形特征进行观察、统计、分析，结果表明本次研究的石英颗粒形态类型主要有两种：棱状-次棱状石英颗粒以及圆状、次圆状石英颗粒，其中棱状-次棱状石英颗粒包含了一部分晶体形态较为完整的石英颗粒。 根据石英颗粒表面机械作用特征分析结果，结合剖面区域地质特征，可初步判断剖面中的石英颗粒有三种物质来源：碳酸盐岩中的原生碎屑石英，有长时间长距离搬运特征；燧石团块石英，有短距离搬运或原位沉积特征；晶形较完整的次生石英，无搬运特征。三种石英均具有原位特征，前两种类型的石英是直接对基岩的继承，第三种类型的石英是风化壳剖面的次生矿物。 三、石英颗粒表面的化学作用特征及其风化强度指示意义 我们通过对石英颗粒表面化学作用形态的观察，发现大兴剖面、新蒲剖面和官坝剖面的石英颗粒表面化学溶解作用和化学沉淀作用都非常强烈，这表明三个剖面均处于湿、热环境中，均处于强烈的化学风化阶段。而且大兴剖面中石英颗粒表面的化学作用最强烈，气候较其他两个剖面更湿热，剖面的风化强度也最大，即各剖面的风化强度由强到弱排序为：大兴、新蒲、官坝。这一结果与矿物组成分析、化学风化强度、硅铝、铝铁硅风化系数比以及相对风化强度等的地球化学分析指标相一致，这也再次证明了我们采用石英颗粒表面形态特征分析手段的可行性和可靠性。 四、石英颗粒的裂变径迹年龄 三种类型石英颗粒的裂变径迹测年数据表明：a、同一样点石英颗粒裂变径年龄呈现一定的规律：F.T.AGE圆状、次圆状＞F.T.AGE不规则状（棱状、次棱状）＞F.T.AGE标准晶形（次生石英）。b、不同剖面的不规则状石英颗粒形成于同一个时期；不同剖面的圆状、次圆状石英颗粒形成于同一个时期。这两种石英颗粒不适于贵州碳酸盐岩风化壳的测年研究。c、不同剖面的标准晶形石英颗粒形成于不同时期，形成于碳酸盐岩酸不溶物原地堆积过程中，即与风化壳剖面同期形成，可用于贵州碳酸盐岩风化壳的测年研究。这一测量结果与我们对石英颗粒表面形态特征的观察、统计、分析结果相一致。 五、风化壳物源的新证据 贵州碳酸盐岩风化壳中的石英颗粒表面形态的分析结果表明，贵州碳酸盐岩风化壳的物质来源于碳酸盐岩中酸不溶物原地风化残积的产物，与其下伏基岩有着明显的继承性。这一分析结果与王世杰等人的碳酸盐岩酸不溶物的提取实验、地球化学、矿物学、粒度特征及区域地质背景等多方面的分析结果相一致，为贵州碳酸盐岩风化壳的物质来源及成因提供新的、更细致的证据。 六、贵州晚新生代地质-环境研究历史轮廓初建 由于目前对贵州及周边地区的风化-气候研究相对缺乏，数据资料较稀少，还没有形成完整的系统，我们本次研究也是建立在对风化壳中次生英颗粒年代学研究的基础上，研究还不是很透彻，因此只能对地质-环境研究历史轮廓进行初建。本文根据本次研究剖面土层中晶体次生石英颗粒的裂变径迹年龄分布情况，结合前人已有资料，对贵州25Ma以来的地质-环境演化历史的轮廓进行初建。从次生石英裂变径迹年龄值来看，中新世以来贵州主要经历了如下构造-风化期：25-19Ma、16-13Ma、10-6.5Ma、5-2Ma、1.7-1Ma。

碳酸盐岩风化过程中的U－Th不平衡研究－以黔中、黔北为例

为了进一步获得贵州碳酸盐岩风化成土过程的信息，为测定风化成土速率的研究工作奠定基础，本次研究工作通过U－Th的地球化学特征与主量元素、微量元素、稀土元素的地球化学特征的对比研究以及U－Th不平衡来研究贵州两个碳酸盐岩风化剖面的风化成土过程，并得出以下总体认识： 贵州碳酸盐岩风化剖面中的238U－234U－230Th不平衡说明风化剖面中的U－Th不平衡与风化过程密切相关，与风化壳中矿物和铁壳的演化特征密切相关。风化剖面不仅被简单的持续积累或者滤失过程所控制，而且被每一个土层中的复杂的重组过程所影响。U－Th不平衡也说明风化系统的扰动可能与中更新世晚期的气候变化有关。风化剖面中的U－Th不平衡是由母岩碳酸盐岩的风化、风化流体的溶解作用、表土层中的有机质、铁质结核带中的氧化铁矿物以及伊利石、高岭石等粘土矿物对U、Th的吸附作用、α反冲作用以及微生物的还原作用等共同作用的结果。 具体结论如下： （1）两个风化剖面中的U、Th都在半风化层中相对基岩强烈富集，安顺白云岩风化剖面中U、Th在全风化层中下部富集；而遵义石灰岩风化剖面中的U在全风化层中部富集，Th在全风化层上部富集，然后向表土层逐渐减少。 （2）U、Th在半风化层中相对基岩强烈富集，是因为在半风化层中，基岩中的原生矿物发生溶解、蚀变，生成新的次生粘土矿物伊利石，而伊利石对U、Th具有强烈的吸附能力。风化剖面中U、Th的富集主要与地表水的淋滤作用以及铁壳在进一步的风化过程中溶解释放出其中所富集的U、Th，而U、Th向下重新迁移的过程有关。 （3）风化剖面中U、Th的分布特征说明U、Th的含量与风化过程密切相关，与风化壳中的矿物和铁壳的演化特征密切相关。遵义石灰岩风化剖面中U、Th的淋失程度比安顺白云岩风化剖面中U、Th的淋失程度弱也说明了遵义石灰岩风化剖面的风化程度要低于安顺白云岩风化剖面的风化程度。 （4）安顺白云岩风化剖面中，234U/238U在<1和＞1之间交替变化。除在剖面中部，230Th/238U≈1外，230Th/238U基本上都＞1。 （5）安顺白云岩风化剖面中的238U －234U－230Th不平衡表明：安顺白云岩风化剖面中的U－Th不平衡是母岩碳酸盐岩的风化、风化流体的溶解作用、表土层中的有机质、铁质结核带中的氧化铁矿物以及伊利石、高岭石等粘土矿物对234U、230Th的吸附作用、α反冲作用以及微生物的还原作用等共同作用的结果。 （6）遵义石灰岩风化剖面中234U/238U除少数几个点外，大多数采样点的234U/238U都＜1。除了少数几个点外，大部分230Th/238U＞1。 （7）遵义石灰岩风化剖面中的238U －234U－230Th不平衡表明：234U－238U不平衡主要是由地表水和入渗水的溶解作用以及α反冲作用为主要的控制机制。而风化剖面中230Th－238U不平衡主要是由表土层中的有机质、高岭石、氧化铁矿物以及伊利石对230Th吸附作用和α反冲作用共同作用的结果。 （8）将U的迁移模型应用于本研究中的两个碳酸盐岩风化剖面，说明这两个风化剖面都被U的近期积累或者滤失过程所影响，风化系统处于过渡的不稳定状态，并通过U在风化剖面中的重新迁移将系统带回稳定状态。 （9）由等时线定年法计算出的安顺白云岩风化剖面的年龄范围为：87.0±7.8－479.2±47.9ka；遵义石灰岩风化剖面的年龄范围为：62.3±8.7－353.3±31.8ka。 （10）由等时线定年法可知：两个风化系统将在～1.1Ma达到稳定状态。 （11）碳酸盐岩风化剖面应用U的迁移模型得出的U的迁移过程与风化剖面中主量元素和微量元素的迁移特征相吻合，说明模型的选择是正确的。 （12）整个风化剖面的238U－234U－230Th不平衡说明风化剖面中的U－Th不平衡与风化过程密切相关，与风化壳中矿物和铁壳的演化特征密切相关。风化系统的扰动可能与中更新世晚期的气候变化有关。碳酸盐岩风化剖面被U的近期迁移过程所影响，风化剖面中的每一个单元甚至每一个土样都具有复杂的历史。这些单元或者土样是古老的风化历史和近期的重新迁移过程的叠加。

一株岩生真菌对碳酸盐岩的风化作用研究

真菌在矿物和岩石风化过程中起着不可忽视的作用，岩生真菌对岩石的风化作用研究是微生物风化作用研究的热点问题之一。本研究利用从碳酸盐岩表面分离到一株真菌，开展了岩生真菌对碳酸盐岩风化作用的模拟试验，研究了该真菌对不同碳酸盐岩风化作用的过程和效果，分析了真菌代谢产物，发酵液方解石饱和指数以及风化过程中稀土元素的行为，探讨了该真菌对碳酸盐岩风化作用的机理。 对该岩生真菌GZKM01菌株形态学特征和基于ITS序列的分子鉴定结果表明该菌株隶属真菌界(Kingdom fungi)、半知菌亚门(Deuteromycotina)、腔孢纲(Coelomycetes)、球壳孢目(Sphaeropsidales)、鲜壳孢科 (Nectrioidaceae)座壳孢属(Aschersonia)。 实验条件下显示该真菌对碳酸盐岩具有较强的风化作用，可以大大地提高岩石中Ca2+的溶出量，发酵液上清液Ca2+浓度大大高于培养基对照和纯水对照。以加石灰岩矿粉的发酵液(摇床培养)为例，发酵液上清液最高Ca2+浓度分别是死菌对照和纯水对照处理最高Ca2+浓度的3.98倍和13.73倍。 真菌在生长和风化岩石过程中可以产生有机酸、醇类等挥发性代谢产物；真菌矿物相互作用过程中，真菌与矿物形成菌体-矿物复合体或聚集体，真菌胞外分泌物在矿粉表面形成生物膜结构；真菌对碳酸盐岩的风化作用导致发酵液方解石饱和指数SIc不断增大，溶液处于方解石过饱和状态。真菌对碳酸盐岩的风化作用包括有机酸和其他小分子物质的化学降解作用，机械破坏作用，碳酸酐酶的催化作用，真菌的对矿质元素的吸收作用，次生成矿作用等。 真菌作用下，发酵液上清夜稀土元素的含量普遍高于K2HPO4浸泡液中稀土元素的含量, 与K2HPO4浸泡液相比真菌浸出的稀土元素δCe值较大、δEu值较小，富Ce贫Eu，稀土元素分异现象明显；真菌菌体中富Ce贫Eu的特征更加明显，菌体对Ce有强烈的富集作用。代谢产物的络合作用，真菌产生的代谢产物对pH的调节作用，菌体的直接吸收和吸附作用，有机质的吸附作用，氧化还原作用等是造成稀土元素溶出、迁移和富集的主要原因。 分析认为该真菌对碳酸盐岩风化作用包括一系列的生物化学和生物物理过程，这两个过程相互依赖，相互促进，协同作用，岩生真菌在碳酸盐岩的风化成土过程中起着非常重要的作用。该真菌对岩石中稀土元素溶出、迁移和富集同样起着重要作用。通过综合分析风化壳的风化强度、稀土元素分布特征、微生物活动等可以为评估微生物在岩石风化过程中所起的作用提供依据。上述研究加深了对岩生真菌与碳酸盐岩相互作用过程和机理的理解，为进一步研究碳酸盐岩微生物风化作用提供资料。

赣江流域水化学特征与流域风化过程——主成分及锶同位素地球化学研究

对河流地球化学特征的研究可以获得有关流域化学风化以及化学元素在地球表生系统生物地球化学循环的相关信息。同时，流域风化作用是全球长期碳旋回及与其有关的环境效应的一个重要组成部分。我国学者对大流域的碳酸盐岩地区进行了大量研究，但硅酸盐地区的研究相对薄弱，研究指出：中国河流水的离子组成主要受碳酸盐风化作用和蒸发岩溶蚀作用的影响，受铝硅酸盐风化作用的影响不如前两者明显。硅酸盐岩的风化产物在一定程度上控制着地表水系的地球化学组成，因而对硅酸盐岩区河流的地球化学组成变化的研究，有助于我们了解硅酸盐岩地区的化学风化作用与水文地球化学特征的关系，以及控制河流水体地球化学组成变化的多种因素。赣江是长江的主要支流，在江西省国民经济、生态环境保护和社会生活中占有重要的地位。尤为重要的是，赣江流域广泛分布有硅酸岩岩石和土壤，是世界上硅酸岩连片分布的典型地区之一。由赣江水体和悬浮物携带输送的各类物质组分经鄱阳湖输入长江是全球元素地球化学循环的重要组成部分，对全球环境变化研究有重要意义。 本论文利用赣江流域物理化学参数、化学质量平衡和同位素地球化学研究手段，重点讨论赣江流域的水化学特征、主要离子来源，并探讨主要的化学风化反应。定量计算了流域化学风化侵蚀速率及其对大气CO2消耗的影响，探讨了河流水化学特征与人为活动、气候、地形、岩性等因素之间的关系。得出如下主要结论和几点新认识。 赣江流域河流受控于中亚热带湿润季风气候条件下，碳酸盐硅酸盐化学风化和人为活动的共同影响，以快速的碳酸盐和典型硅酸盐的化学风化共同侵蚀作用区别于其他地区河流。枯水期和丰水期样品中，阳离子中Na+和Ca+含量最高，其次是Mg2+，K+含量最低；阴离子中，Cl-，HCO3-占主导地位，SO42-次之，NO3-含量最低；溶解性硅的含量变化范围不大。赣江流域河水的化学组成反映了硅酸盐岩化学风化作用对河水化学组成控制的典型特征。 受赣江流域气候、岩性、地形和人为活动的影响，枯水期丰水期离子成分主要来源于岩石/土壤的化学风化。碳酸盐岩矿物风化与硅酸盐岩矿物相比是普遍而快速的，所以赣江流域风化很大程度上会受碳酸盐所支配。此外，人为输入影响与赣江流域发达的农业、工业生产产生污染相一致。 赣江流域HCO3-与Ca2+、HCO3-与Mg2+、SO42-与Mg2+、Na+与Cl-均存在明显的相关关系。Na+与SO42-、HCO3-与Si、Na+与Si、K+与Si不存在相关性或相关性不明显。赣江流域样品Si/(Na*+K)比值范围低，表明风化作用在表生环境中进行，风化作用中主要是富含阳离子的次生矿物。Si浓度受生物影响很小，主要是岩性的作用。 除了岩石风化溶解作用，赣江流域盆地区域降水量将直接影响地表径流和河流流量。河流流量对各主要离子浓度的影响顺序为HCO3->Ca2+>Mg2+>SO42- >Na+>Cl-，起到稀释作用。所以赣江流域河水特征受岩性和气候条件的共同作用。 赣江流域高的锶同位素比值（87Sr/86Sr）表明了赣江流域Sr来源的硅酸岩风化典型特征，丰水期河流溶解态Sr浓度有所下降。锶同位素为大气降水和岩石风化的混合型，并且辨别出两个碳酸盐硅酸盐是最主要的岩石风化溶解端元组分。 利用SPSS统计软件，对9个离子组分作为变量进行主成分分析（PCA）和因子分析，解析出主要影响因素。分析统计结果表明两类岩石和人为输入对河水溶解质的贡献率分别是：碳酸盐最大，其次是硅酸盐，人为活动输入最小。并定量的计算出碳酸盐、硅酸盐、大气CO2和人类活动对于赣江溶质组成的相对贡献率。根据径流量和流域面积，计算得到每年赣江流域岩石风化作用的大气CO2消耗分别为枯水期520.2×103mol/km2和丰水期383.4×103mol/km2，较强烈的碳酸盐风化溶解和明显的硅酸盐风化特征导致了赣江流域岩石风化作用的CO2消耗率高于世界平均水平。扣除大气CO2和人类活动输入的贡献后，估算得到赣江流域的年均化学风化率为30.3t/km2•a，在影响河流化学风化的众多因素中，地质和气候因素起着主导作用。赣江流域对于全球的大气CO2源汇效应是明显的汇项。

岩溶上覆风化壳的粒度分布特征及其对物源和形成过程的指示意义

以贵州为中心的中国西南岩溶区是世界上连片分布面积最大的岩溶区，其上分布着厚度不一的红色土层。由于碳酸盐岩易溶蚀、酸不溶物含量极低（一般＜5％）、成土慢，同时在风化过程中伴随着巨大的体积缩小变化，原岩结构和半风化带无法保留，岩-土界面呈突变接触关系，缺失过渡层，宏观上缺乏直接的野外地质证据支持二者之间存在着明确的继承关系，因此对于岩溶上覆风化壳的物质来源，长期以来一直存在着争议。对岩溶区风化壳成因存在的不同认识，成为利用风化壳进行一系列科学研究的障碍，因此正确理解岩溶上覆风化壳的物质来源和成因显得十分紧迫和重要。本文在已有成果的基础上，选择灰岩、白云岩与碎屑岩呈镶嵌产出的贵州岩溶台地（包括湘西吉首的一个剖面）作为研究区域，尝试利用粒度分析这一反映沉积若（物）的结构组成的研究手段，通过对20条剖面的精细采样分析．系统地探讨了不同基岩与仁覆风化壳的粒度分布特征，并以此为主线，结合磁化率、pH值、地球化学和矿物学资料，对贵州岩溶上覆风化壳的物质来源和剖面演化过程进行了探讨，取得了以下几点认识：第一，在碳酸盐岩上覆风化壳的成因研究中，粒度分析是一个有效而直观的物源示踪方法。不同沉积背景下形成的沉积岩其粒度分布特征是不同的，而在此基础上发育的风化壳就继承了母岩的粒度分布特征，粒度频率分布曲线表现出和母岩的一致性和渐变过渡性，在风化程度不是特别强烈的条件下（排除如铝土矿化的红土化阶段），风化壳仍保留了“源”的信息。而由碳酸盐岩发育的风化壳就继承了基岩酸不溶物的粒度分布特征。由不同粒度组成的沉积岩发育的风化壳，其粒度组成也存在着明显的浪异。第二，通过对贵州岩溶区不同基岩（包括碎屑岩）及其上覆风化壳的粒度分析表明，各风化剖面的粒度分布特征与下伏基岩有明显的继承性，而各剖面之间的粒度分布存在着明显的差异，说明岩溶区上覆风化壳没有共同的物质来源，碳酸盐岩上覆风化壳是碳酸盐矿物溶蚀、残余酸不溶物长期积累的结果。第三，在非等体积风化过程中，风化前锋即“岩一土界，”是一个重要的地球化学作用场所，在这一狭窄的界面上，不仅碳酸盐矿物充分淋失，而且残余酸不溶物也开始了分解，同时岩一土界面的风化梯度明显强于已成风化剖而后期的演化强度。即从基岩酸不溶物到风化壳底部，风化强度突变性增大，而风化壳的后期演化则是一个缓慢的过程。第四，由于充沛的水热条件，风化壳的淋溶淀积作用普遍存在，粘粒含量在剖面七部由下向上表现为逐渐降低的“倒置”现象。在风化壳发育浅薄的石灰土剖面，淀积层甚至可以直接淀积在剖面底部。第五，石灰土尽管发育程度较低，可以看作碳酸盐岩风化壳演化的早期阶段，但是在形成石灰土的过程中，各风化指标已表现出显著的变化，具有了红色风化壳的发育特征。因此从严格意义上讲，石灰土已不具有从基岩到红色风化壳的“过渡层”身份。第六，石灰土剖面普遍具有典型残积风化的特征，粒度和地球化学指标表现为单调变化的趋势。而红色风化壳的粒度参数在整体上具有风化壳正向演化特征的基础上，在剖面上表现为强烈的波动，地球化学指标及矿物学组成在剖面上也呈现相应的波动。造成这种现象的原因可解释为：一是风化前锋向下拓展过程中风化条件的变化，二是后期古地下水位的波动对风化剖面的改造。石灰土剖面形成时间短，在浅薄的风化壳发育过程中，风化条件和水文状况稳定，风化壳的发育完全是在气下由大气降水形成的风化溶液对一剖面由浅入深的风化作用形成的，未受到后期地下水的改造。而厚层红色风化壳，形成时间长，在其长期的地质演化过程中，风化条件的变化和古地下水位的波动将会频繁的发生。尤其岩一土界面是一个重要的地球化学风化界面，在风化前锋向下拓展过程中，风化条件的变化必然影响到相应层位风化程度的差异性，因此造成剖面上风化指标的波动性。在风化前锋，由风化条件的差异性导致粒度及地球化学指标的波动性，在这一过程中，粒度及地球化学指标的变化是可预测的，即强烈的风化条件可以导致粒度变细，粘粒含量增加，CIA增大，反之亦然，风化过程表现为活动元素的净带出。然而，由古地下水位的波动对风化剖面的改造作用是可变的，不可预测的，既可使剖面的物质被带出，也可以带入一些活动元素，如K、 Na等的交代。同时，地下水对剖面粒度组成的影响也很复杂，物质的带入不一定就会使粒度变粗，粘粒含量降低，而物质的带出也不一定就导致粒度变细，粘粒含量增加。在两种机理的相互叠加影响下，使风化壳的演化趋势更趋复杂化。风化剖面中，粘粒含量和CIA之间既有同步变化的层段，也有呈强烈反相关的层段，还存在没有明显相关肋层段。作为等体积变化的典型剖面-吉首剖面，其风化过程具有碎屑岩的发育特征，“粘粒含量从下向上表现为顺次增大的趋势，如果也存在古地下水对剖面的改造作用，那么说明对粒度的影响是微弱的。第七，对于红色风化壳，不管是碳酸盐岩风化过程中由于风化条件的差异造成的风化指标波动还是受后期地下水的改造作用引起的，剖面整体上仍具有向上风化程度增强的趋势。PH向上逐渐降低、磁化率的增大均表明了风化强度的增强，“这与剖面愈向上经历的风化时间愈长所对应的。第八，碳酸盐岩风化壳和结晶岩风化壳的形成过程相比，前者母岩的风化起点高，即母岩的成熟度高。由于碳酸盐岩风化壳的风化母质是基岩酸不溶物，而酸不溶物本身就是表生风化条件下的产物，因此可以说风化母岩就是风化壳，基本上不含易风化的斜长石类矿物。在A-CN-K风化趋势三角图解上，已表现为风化壳发育的第二演化阶段，即沿着A-K端线向A点逼近。第九，在结晶岩及碎屑岩类风化过程中所证实的守恒元素，在碳酸盐岩非等体积风化过程中其比值发生了显著变化，这是碳酸盐岩风化成土作用过程中的一个特点，可能会引起某些所谓的守恒元素的地球化学分异，但其成因尚不清楚。在风化剖面中守恒元素的比值保持稳定，具有其它岩类风化的特点。

Four-decade responses of soil trace elements to an aggrading old-field forest: B, Mn, Zn, Cu, and Fe.

In the ancient and acidic Ultisol soils of the Southern Piedmont, USA, we studied changes in trace element biogeochemistry over four decades, a period during which formerly cultivated cotton fields were planted with pine seedlings that grew into mature forest stands. In 16 permanent plots, we estimated 40-year accumulations of trace elements in forest biomass and O horizons (between 1957 and 1997), and changes in bioavailable soil fractions indexed by extractions of 0.05 mol/L HCl and 0.2 mol/L acid ammonium oxalate (AAO). Element accumulations in 40-year tree biomass plus O horizons totaled 0.9, 2.9, 4.8, 49.6, and 501.3 kg/ha for Cu, B, Zn, Mn, and Fe, respectively. In response to this forest development, samples of the upper 0.6-m of mineral soil archived in 1962 and 1997 followed one of three patterns. (1) Extractable B and Mn were significantly depleted, by -4.1 and -57.7 kg/ha with AAO, depletions comparable to accumulations in biomass plus O horizons, 2.9 and 49.6 kg/ha, respectively. Tree uptake of B and Mn from mineral soil greatly outpaced resupplies from atmospheric deposition, mineral weathering, and deep-root uptake. (2) Extractable Zn and Cu changed little during forest growth, indicating that nutrient resupplies kept pace with accumulations by the aggrading forest. (3) Oxalate-extractable Fe increased substantially during forest growth, by 275.8 kg/ha, about 10-fold more than accumulations in tree biomass (28.7 kg/ha). The large increases in AAO-extractable Fe in surficial 0.35-m mineral soils were accompanied by substantial accretions of Fe in the forest's O horizon, by 473 kg/ha, amounts that dwarfed inputs via litterfall and canopy throughfall, indicating that forest Fe cycling is qualitatively different from that of other macro- and micronutrients. Bioturbation of surficial forest soil layers cannot account for these fractions and transformations of Fe, and we hypothesize that the secondary forest's large inputs of organic additions over four decades has fundamentally altered soil Fe oxides, potentially altering the bioavailability and retention of macro- and micronutrients, contaminants, and organic matter itself. The wide range of responses among the ecosystem's trace elements illustrates the great dynamics of the soil system over time scales of decades.

Efects of mineral suspension and dissolution on strength and compressibility of soft carbonate rocks

© 2014 Elsevier B.V.Calcarenites are highly porous soft rocks formed of mainly carbonate grains bonded together by calcite bridges. The above characteristics make them prone to water-induced weathering, frequently featuring large caverns and inland natural underground cavities. This study is aimed to determine the main physical processes at the base of the short- and long-term weakening experienced by these rocks when interacting with water. We present the results of microscale experimental investigations performed on calcarenites from four different sites in Southern Italy. SEM, thin sections, X-ray CT observations and related analyses are used for both the interpretation-definition of the structure changes, and the identification-quantification of the degradation mechanisms. Two distinct types of bonding have been identified within the rock: temporary bonding (TB) and persistent bonding (PB). The diverse mechanisms linked to these two types of bonding explain both the observed fast decrease in rock strength when water fills the pores (short-term effect of water), identified with a short-term debonding (STD), and a long-term weakening of the material, when the latter is persistently kept in water-saturated conditions (long-term effect of water), identified with a long-term debonding (LTD). To highlight the micro-hydro-chemo-mechanical processes of formation and annihilation of the TB bonds and their role in the evolution of the mechanical strength of the material, mechanical tests on samples prepared by drying partially saturated calcarenite powder, or a mix of glass ballotini and calcarenite powder were conducted. The long-term debonding processes have also been investigated, using acid solutions in order to accelerate the reaction rates. This paper attempts to identify and quantify differences between the two types of bonds and the relative micro-scale debonding processes leading to the macro-scale material weakening mechanisms.

Comparison of properties of traditional and accelerated carbonated solidified/stabilized contaminated soils

The investigation of the long-term performance of solidified/stabilized (S/S) contaminated soils was carried out in a trial site in southeast UK. The soils were exposed to the maximum natural weathering for four years and sampled at various depths in a controlled manner. The chemical properties (e.g., degree of carbonation (DOC), pH, electrical conductivity (EC)) and physical properties (e.g., moisture content (MC), liquid limit (LL), plastic limit (PL), plasticity index (PI)) of the samples untreated and treated with the traditional and accelerated carbonated S/S processes were analyzed. Their variations on the depths of the soils were also studied. The result showed that the broad geotechnical properties of the soils, manifested in their PIs, were related to the concentration of the water soluble ions and in particular the free calcium ions. The samples treated with the accelerated carbonation technology (ACT), and the untreated samples contained limited number of free calcium ions in solutions and consequently interacted with waters in a similar way. Compared with the traditional cement-based S/S technology, e.g., treatment with ordinary portland cement (OPC) or EnvirOceM, ACT caused the increase of the PI of the treated soil and made it more stable during long-term weathering. The PI values for the four soils ascended according to the order: the EnvirOceM soil, the OPC soil, the ACT soil, and the untreated soil while their pH and EC values descended according to the same order.

Control estructural de agrietamientos poligonales en la Pedriza del Manzanares (Madrid)

Los agrietamientos poligonales representan una forma común de modelado granítico cuyo origen y evolución continúa en fase de estudio, no existiendo una sistematización de estas estructuras diversas. Algunos autores explican su origen por procesos geodinámicos internos, relacionándolo con movimientos de planos de fractura en estados tardíos de consolidación magmática. Otros autores atribuyen su formación y desarrollo a factores externos relacionados con el régimen climático. La gran variedad de agrietamientos poligonales requiere la utilización de un número mayor de variables para definir los distintos orígenes, y las posibles interrelaciones entre los factores externos e internos, así como para explicar la evolución de dichas estructuras y avanzar en la clasificación de los patrones concretos. Este trabajo pretende contribuir a sistematizar los mecanismos que intervienen en el desarrollo de agrietamientos poligonales. Para ello se estudian únicamente agrietamientos poligonales formados sobre planos de fractura verticales o subverticales. En particular se establecen relaciones entre la presencia de agrietamientos poligonales y la red de fracturación, la altura de aparición, la orientación e inclinación de la pared, la morfología de las placas y la profundidad de incisión de las grietas perimetrales. Por otra parte, establece relaciones entre procesos geodinámicos internos y procesos de meteorización externos.