华南沿海黄色粉土沉积的激光粒度分析及其成因讨论

在华南沿海地区的低矮丘陵及台地上，广泛发育一套黄色粉土堆积。对该区7个典型剖面进行系统的激光粒度分析，并与典型黄土以及研究区常见的海、河相沉积进行对比。结果表明，华南沿海各黄色粉土剖面均以10～50 μm的粗粉砂为众数粒组，<5 μm的粘粒为次众粒组，分别对应风成黄土的“基本粒组”和“挟持粒组”，岩性均属于粘土质粉砂。样品的粒度参数、粒度散点图、频率分布曲线、粒度指数特征均显示为典型的风成成因。粒度判别分析结果为负值，同样证实了黄色粉土的风成特性。华南沿海黄色粉土的各项粒度特征指标及其所反映的沉积类型、沉积环境均与我国典型黄土具有较好的可比性，而与研究区的海、河相沉积截然不同。     

基于激光粒度测试法的闽粤沿海花斑粘土成因研究

近年来主流的激光粒度分析是一种集激光、光电以及计算机技术对颗粒的粒度进行测试的方法。其原理是：不同粒径的颗粒对入射激光会产生不同角度的散射光,通过测量不同角度散射光的强度,可计算样品的粒度分布。由于操作简便、测试快速、精度高,在沉积学中有着重要的应用。闽粤沿海第四纪盆地的上更新统与全新统之间,普遍发育一层“花斑粘土”,其多被认为是晚更新世末期的河、海相沉积,在末次盛冰期,顶部暴露地表风化而成。而初步研究显示,花斑粘土与下伏沉积在颜色、结构、成分等方面存在显著差异,两者相交截然,不具备典型的风化成因关系;花斑粘土具粉砂感,干燥后易随风飞扬,沉积特征与风成黄土具有较好的可比性。粒度分布是判断沉积物的沉积环境及成因的重要指标,为了探明花斑粘土的沉积属性及形成机制,选取珠江三角洲三个代表性第四纪钻孔,采用激光粒度方法,对花斑粘土的粒度特征进行研究。结果显示,花斑粘土以10～50 μm的粗粉砂为众数粒组,<5 μm的粘粒为次众粒组,分别对应黄土的“基本粒组”和“挟持粒组”,是风成沉积的典型粒组构成;各项粒度参数均符合风成沉积的范围;粒度参数散点集中,粒度指数展布范围统一,均与典型黄土一致,而与下伏沉积差异截然;判别结果显示,花斑粘土属风成沉积;粒度相分析表明,花斑粘土与典型黄土投点范围重合,而与其下伏沉积显著不同。最终提出,广布闽粤沿海第四纪地层中的花斑粘土与其下伏沉积层在沉积特征及成因上并无关联,花斑粘土并非原地风化的产物,而属末次盛冰期外来的风成堆积。该结论对今后闽粤沿海地区晚第四纪古气候环境的重建有着重要的科学意义。可见,基于光学散射原理的激光粒度方法为判断沉积物的沉积环境及成因提供了有效的科学证据。     

漫反射光谱测定云南元谋盆地古红土铁氧化物

铁氧化物矿物是现代土壤和古土壤的重要组成,其数量和形态是反映土壤成土条件和土壤风化发育程度的重要指标。鉴于其粒度细小、结晶度差、含量低、与粘土矿物密切共生, 加之基体效应的影响,难以快速准确测定其含量;鉴于某些测试方法自身的限制,能用于铁氧化物矿物定量分析的方法也很少。在分析目前常用测量方法的基础上,选择漫反射光谱法（DRS）对云南元谋盆地所采古红土样品中的铁氧化物进行定量研究,结果表明：漫反射光谱法测得土壤样品在400~2 500 nm之间,间隔2 nm共1 061个波段的光谱反射率最高45%左右,各样品反射率特征较为一致;漫反射光谱一阶导数显示,光谱主峰位于575 nm处,为赤铁矿的指示波谱段,次级峰位于435 nm处,为针铁矿的指示波谱段;确定云南元谋古红土存在赤铁矿和针铁矿,其含量范围3~5和5~10 g·kg-1,此结果获得XRD方法分析方法的佐证。     

漫反射光谱在“老挝石”颜色成因上的应用

近来,一种产自老挝的新型印章石(俗称“老挝石”)涌进国内市场,对我国印章石市场造成一定影响,“老挝石”的研究尚处于起步阶段,对其颜色成因的研究更为缺乏。采用漫反射光谱(DRS)结合X射线粉晶衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、X射线荧光光谱(EDXRF)等测试对红色“老挝石”的矿物成分和致色机理进行深入研究。结果显示,“老挝石”的主要矿物成分为地开石,并含有少量高岭石,化学成分中的Fe含量和“老挝石”红色色调呈正相关关系,即颜色越深Fe的含量越高。铁质矿物呈微晶集合体浸染分布于地开石的颗粒间,由于其含量低、粒度细小,常规的微区测试方法无法确认其种属。相比之下,漫反射光谱对微晶铁矿物的鉴定十分有效,对可见光波段漫反射光谱处理得到导数等,在土壤沉积物中已经被用来定量测定针铁矿和赤铁矿。该研究中“老挝石”基体与土壤沉积物均为粘土矿物,可以用漫反射光谱来判定“老挝石”中铁矿物种属。漫反射光谱一阶导数法显示,其谱峰位于565～570 nm,由此确认铁矿物的种属为赤铁矿。微晶赤铁矿分布于“老挝石”矿物颗粒间,使样品产生红色,赤铁矿含量越高,红色调越深。     

不同气候带风成沉积中赤铁矿和针铁矿含量对比——基于漫反射光谱和色度方法

赤铁矿（α-Fe₂O₃）和针铁矿（α-FeOOH）是风成沉积物和土壤中常见的两种致色矿物,具有重要的环境指示意义。赤铁矿指示干热环境条件,针铁矿指示湿冷环境条件。两者同存于沉积物或土壤中,相互竞争。在实际研究中,通过应用两者的比例来指示环境条件的变化。由于天然样品中赤铁矿和针铁矿含量低、磁性弱,传统的X射线衍射方法、化学分析法以及岩石磁学方法都难以准确、便捷地检测出二者的含量。基于两者光学特征,近年来越来越多的研究者使用漫反射光谱和色度方法尝试进行天然样品中赤铁矿和针铁矿的定量研究。然而,这两种方法也存在着一些问题。漫反射光谱中赤铁矿和针铁矿特征峰强度受基底效应、晶格离子替代等因素影响;色度参数的红度同样受晶格离子替代影响,黄度影响因素更为复杂。因此,两种方法的相关参数不能简单地等同于赤铁矿或针铁矿含量。两种方法的对比研究显得尤为重要。采用漫反射光谱和色度两种方法分别对干旱区的新疆博乐、半湿润区的四川金川和湿润区的广东徐闻三个风成沉积剖面进行实验,分析不同参数对于赤铁矿和针铁矿的指示意义及其适用范围。在此基础上,探讨针铁矿与赤铁矿比值的环境指示意义。研究结果表明：（1）漫反射方法与色度方法是识别风成沉积物中针铁矿和赤铁矿信号的有效方法,但由于影响因素复杂,在大范围空间内仅能作为半定量指标;（2）a*能够较好地指示赤铁矿含量,Gt/Hm与b*/a*能够较好地反映针铁矿与赤铁矿之间的比值,但Gt与b*不能很好地指示针铁矿的含量;（3）大气水热条件不能完全等同于土体水热条件。大气降水并非完全进入土体,温度通过蒸发作用影响土壤中水分含量,土体水热状况受多因素影响。大范围地理空间尺度上,温度决定化学反应速率,对于赤铁矿和针铁矿的生成与保存作用大于降水量。     

漫反射光谱法对闽粤沿海花斑粘土沉积环境及成因的指示

赤铁矿和针铁矿是自然界最常见的两种铁氧化物,广泛分布于沉积物中,其相对含量关系不仅可以反映沉积环境,同时也为成因判别提供依据。由于传统测试方法操作复杂、效率低下,因此难以快速而准确的测定铁氧化物的种属及含量。近年来,基于紫外-可见光-近红外分光光度计的漫反射光谱分析法因操作简单、测试速度快、检测限低等优势,被广泛地应用于沉积物的研究中。在我国闽粤沿海的晚第四纪盆地中,广泛发育一套末次盛冰期的黄色粉土层,有时混杂红、灰色,也被称为“花斑粘土”。对于该套花斑粘土层,前人多将其归因于海进期的水下沉积物在全球低海面时期,顶部因暴露地表风化所致。而研究发现,大部分花斑粘土与下伏沉积在岩性上没有过渡,截然相交,“风化”难以解释该现象;花斑粘土中也并无发现其下伏沉积层所富含的海相生物化石,表明两者在沉积环境及物源上存在较大差异。为了进一步判定花斑粘土的沉积环境及成因,在以往研究的基础上,使用漫反射光谱分析法,从铁矿物特征的角度对珠江三角洲第四纪钻孔进行研究。结果表明,花斑粘土的赤铁矿特征峰峰高>针铁矿特征峰峰高,而其下伏沉积层的赤铁矿特征峰峰高<针铁矿特征峰峰高。赤铁矿是干燥温暖、陆上氧...     

船运铁矿粉污染海冰反射光谱特征研究

国际防止船舶造成污染公约（MARPOL）中关于防止船舶垃圾污染的附则V规定,对含有海洋环境有害的物质（HME）的干燥残留物必须在适当的港口接收设施中排放,但因费用等因素影响,很多船只将废弃物直接抛弃于海洋中。散落于海冰表面的船运铁矿粉会污染海冰品质,并加速海冰融化,对海洋环境造成一定的污染。对铁矿粉污染海冰的光谱反射率特征的研究,能够为利用光学遥感影像进行海冰品质监测提供数据基础。通过现场测量覆盖不同面积比例铁矿粉颗粒的海冰和清洁海冰之间光谱特征差异,为港口附近铁矿粉污染的范围以及沉降量的估算提供参考和依据。该研究是在渤海海域天然海冰条件下进行的,获取并分析了不同污染程度的海冰光谱特征,探讨这些光谱特征与铁矿粉颗粒几何截面积比例的相关性。为了反演海冰表面铁矿粉面积比例,利用光谱矢量角余弦值和光谱吸收指数阈值法进行了海冰、铁矿粉端元提取,根据混合像元线性解混模型理论,建立基于特征光谱波段反射率值的海冰表面铁矿粉面积比例反演模型。所研究海冰表面铁矿粉面积比例分为0 （洁净海冰）,25.8%,37.2%,46.1%,52.1%,65.1%,72.5%,82.3%,92.3%,93.1%和100%（纯铁矿粉）等,数据采集波长范围350～2 500 nm。结果表明,利用1 460 nm波段处的吸收指数（SAI）进行海冰和铁矿粉端元提取效果最佳,反射率与铁矿粉面积在918～1 400,1 500～1 780和2 250～2 300 nm波段,相关系数都大于0.90,86%以上波段范围的反射率与铁矿粉面积的相关系数在0.90以上,91.75%以上的波段范围相关系数在0.80以上。选取1 610～1 630 nm波段的平均反射率估算铁矿粉面积比例,几何截面积较小的误差一般大于几何截面积较大的,在克服海冰背景反射率的影响下,比较精确地估算了海冰-铁矿粉像元中铁矿粉颗粒的几何截面积比例,平均反演精度达到94.23%。     

漫反射光谱技术对文物保护及相关问题的研究

应用自行研制的光导纤维反射分光光度计,研究了漫反射光谱技术在文物保护研究中的应用。主要工作包括： (1)通过比较待测颜料和标准颜料反射光谱曲线的形状和特征反射峰或一阶导数峰的位置,实现对彩绘文物颜料的分析鉴定。(2)用漫反射光谱技术监测金属表面状态的变化。文中通过对铜及其锈蚀产物漫反射光谱的研究得到了铜表面的一些信息,可见漫反射光谱技术对金属表面状态的研究具有特殊的功能。(3)通过研究文物保护修复材料的反射光谱特性,指导人们选择适宜的材料。作者的研究证实了漫反射光谱法是一种新的文物保护研究技术,具有简便、快捷和不损坏文物的特点,该工作使漫反射光谱技术成为文物保护研究的一种新的检测手段,同时也为漫反射光谱分析开辟了新的研究应用领域。     

南海IODP 349航次U1434站位海相红层成因——来自漫反射光谱与X荧光光谱的制约

提出IODP349航次首次在南海发现的大洋红层,与ODP124 航次苏禄海、苏拉威西海大洋红层以及三水盆地陆相红层相似,都具有直接覆盖于大规模岩浆岩之上的特征,对于揭示红层与岩浆热事件的关系具有重要意义。自上而下采集U1434站位灰绿色-红棕色海相沉积序列进行测试分析,并设计实验模拟沉积-成岩过程中氧逸度和地热温度对红层色素形成的控制作用,通过红色与非红色沉积、实测与实验样品的对比分析,探讨红层成因机制及其地质意义。采用漫反射光谱、荧光光谱分析以及二价铁滴定测试,量化分析了海相沉积与实验样品的颜色红度值、针铁矿、赤铁矿与不同价位铁元素的含量,得到以下新认识：U1434站位红色-非红色海相沉积均形成于较高的氧逸度条件,水体氧化还原环境的差异并不是控制红色与非红色沉积的主要因素;U1434站位大洋红层直接覆盖大洋玄武岩,起源于沉积-成岩阶段的高地温作用;陆相红层和白垩纪海相红层均分布于相应时期的构造-岩浆活动带,暗示了红层对地质热事件具有重要的指示意义。     

基于漫反射光谱的红层色素实验研究

大陆红层的红色色素主要来自其内的微粒赤铁矿。地质方面的最新研究成果表明,红层的色素起源于成岩阶段而非沉积阶段,是成岩过程中的高地温导致沉积物中铁的含水化合物脱水所致。本文采用对现代黑色淤泥沉积物进行不同方式的加热实验,并使用Perkin-Elmer Lambda 950紫外-可见-近红外分光光度计,用漫反射光谱法测定实验样品针铁矿和赤铁矿特征峰的变化,同时计算样品的红度值,以定量实验样品的染色程度等方法,模拟沉积物变红、亦即红层色素生成的过程。实验结果表明,现代淤泥沉积物中的铁主要以铁的水化物(针铁矿)形式出现;针铁矿脱水转化为赤铁矿的初始温度约为150 ℃,温度升高或加热时间延长,均可造成针铁矿含量减少和赤铁矿含量增加,样品的红度值与赤铁矿特征峰高度呈正相关关系。实验结果为红层色素热起源的认识提供了重要支持。     

Yellow stimulated luminescence from potassium feldspar: Observations on its suitability for dating

Yellow stimulated luminescence (Y-OSL) is the light detected from potassium-rich feldspars at 410 nm under stimulation by a yellow light source emitting 590 nm. The investigation of this study aimed at understanding basic luminescence physics of Y-OSL in order to assess the suitability of the technique for dating. The Y-OSL signal properties tested were signal intensity, thermal assistance, thermal stability, sensitivity to daylight and the suitability of a single aliquot regenerative (SAR) protocol to be employed for equivalent dose (D_e) estimation. D_e measurements were conducted on samples of Holocene, last glacial and Tertiary age. The tests were undertaken on sedimentary feldspar separates extracted from aeolian, fluvial and coastal deposits.Results from experiments show that the signal intensity increases by measuring Y-OSL at elevated temperature suggesting thermal assistance characteristics similar to infrared stimulated luminescence (IRSL). The yellow stimulated signal remains unaffected by preheat temperatures up to ～200 °C suggesting higher thermal stability than the IRSL signal. The Y-OSL signal is less light sensitive than the IRSL signal and D_e residuals obtained from modern samples are up to 7 Gy indicating suitability of the technique for ‘older’ and well-bleached sediments. The dose recovery tests successfully recovered the given dose if the specific light sensitivity of Y-OSL is taken into account. For every sample Y-OSL D_e values obtained by a single aliquot regenerative dose protocol (SAR) are higher than those obtained by an IRSL SAR approach. From these results we infer high thermal stability and a minimal anomalous fading of the Y-OSL signal. We conclude that Y-OSL has a high potential to date Quaternary sediments that were sufficiently bleached in nature.     

Remote sensing of sediment characteristics by optimized echo-envelope matching

A sediment geoacoustic parameter estimation technique is described which compares bottom returns, measured by a calibrated monostatic sonar oriented within 15 degrees of vertical and having a 10 degree-21 degree beamwidth, with an echo envelope model based on high-frequency (10-100 kHz) incoherent backscatter theory and sediment properties such as: mean grain size, strength, and exponent of the power law characterizing the interface roughness energy density spectrum, and volume scattering coefficient. An average echo envelope matching procedure iterates on the reflection coefficient to match the peak echo amplitude and separate coarse from fine-grain sediments, followed by a global optimization using a combination of simulated annealing and downhill simplex searches over mean grain size, interface roughness spectral strength, and sediment volume scattering coefficient. Error analyses using Monte Carlo simulations validate this optimization procedure. Moderate frequencies (33 kHz) and orientations normal with the interface are best suited for this application. Distinction between sands and fine-grain sediments is demonstrated based on acoustic estimation of mean grain size alone. The creation of feature vectors from estimates of mean grain size and interface roughness spectral strength shows promise for intraclass separation of silt and clay. The correlation between estimated parameters is consistent with what is observed in situ.     

四川平通512地震地表破裂带土壤近红外光谱分析及意义

在四川省平武县平通镇的512地震地表破裂带中采集黄色土壤样品,采用现代近红外光谱分析技术进行分析测试。通过对土壤中的矿物微粒特征吸收峰的快速鉴别,表明土壤样品主要由方解石、白云石、白云母、绢云母、伊利石、蒙脱石、滑石、透闪石、阳起石、绿泥石等矿物组成,其矿物成分与四川地区分布的黄壤成分基本一致。分析对比发现,土壤中的部分矿物与破裂带下部岩体的矿物组成特征相符合,说明该破裂带中的部分土壤矿物的演化与该地区岩石的矿物组成密切相关;地表破裂带土壤中的粘土矿物组成与北方的马兰黄土相似,推测这两种土壤中的粘土矿物可能具有相似的成因。研究结果说明近红外土壤矿物的分析技术可以有效分析土壤中的矿物微粒、指示成土环境,从而论证了将近红外光谱分析技术应用于土壤矿物的快速分析、地质研究的可行性。同时研究结果可以成为该地区土壤矿物分析的基础,为以后的土壤矿物以及地震破裂带的研究提供新的思路和方法。     

The dust emission law in the wind erosion process on soil surface

The dust emission models to date cannot describe the relation between the transport rate of different sized grains and their grain size composition in soil surface, so Aeolian grain transport on a soil-like bed composed of fine sand and silt powder was measured in a wind tunnel. Six types of soil-like beds with different silt fractions have been tested in this experiment. The mass flux profiles of silt dust and sand grains are much different due to their different motion modes. Analysis of the vertical distribution of the powder and sand grains reveals that for a given soil bed, the ratio of the horizontal dust flux to the horizontal sand flux is directly proportional to their mass ratio in the bed. The dust flux is closely linked to the sand flux by the bombardment mechanism. For a given wind velocity and grain size of the bed, the slopes of the vertical mass flux profiles of sand grains larger than 100 μm are nearly equal in a log-linear plot and the ratio between the fraction of transport rate of each size group to the whole transport rate and the mass fraction of each size group in the bed is a constant only dependent on grain size. With this law, the transport rate of dust and different sized grains can be related with the grain size composition in the soil surface. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50706031) and the Natural Science Foundation of Shanxi Province of China (Grant No. 2008021005)     

西北旱作农田黄土指纹图谱的光谱学鉴定

采用扫描电子显微镜(SEM)、 X射线荧光光谱(XRF)、 X射线衍射(XRD)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR) 等手段对西北典型旱作农田黄土样品进行表征,Tessier连续提取法分析黄土Pb的赋存形态及含量。结果发现：黄土样品比表面积较大 (291 m2·g-1),粉粒土壤占到80.87%的比例。黄土表面轮廓清晰,可见颗粒聚集形成叠片状结构,晶片厚约3～5 μm。黄土矿物相主要为石英和钾云母,同时含有少量钾长石和蛇纹石等。FTIR图谱表明高岭石和方解石也是构成黄土样品的重要组分,但有机质的特征峰不明显,说明土样中有机质含量较低。Tessier连续提取法表明：土样中Pb全量比陕西省和全国土壤Pb的平均含量要高,其中残渣态Pb占Pb全量的64.04%。黄土指纹图谱的鉴定可以为后续污染土壤修复研究提供参考。