基于可见光-近红外光谱方法的矿物风化及古气候重建研究

论文摘要

地球表层的土壤沉积物记录了第四纪以来与环境、气候、人类等相关的地球演化信息,是研究地球过去历史的重要载体。成土体系中土壤的诸多特性都与成土期的气候环境信息密切相关,通过地质学研究方法可以将某些特性提取出来作为反演风化强度和古气候变迁的风化指标-古气候替代指标。本文的前半部分着重探讨了元素地球化学指标,粘土矿物指标,磁学性质指标以及非磁性铁矿物指标在反演土壤风化程度以及重建区域古气候方面的能力与稳定性,并以中国北方的洛川剖面（LC）,中部的上白川剖面（SBC）以及南方的胜利剖面（SL）中的土壤样品为例展开说明。在各类传统的风化指标中,元素地球化学风化指标在不同的风化成土体系中一般都有反演古气候的能力,可以作为一种普适性的气候替代指标。然而元素地球化学数据的获得需要耗费较大的人力和财力,对于高精度大范围的数据采集并不现实。以磁化率变化为主体的磁学指标在中纬度风化程度中等的土壤中,土壤中磁性的增加大部分来自于成土作用及风化强度的增加,此时的磁化率会成为良好的古气候替代指标。成土作用次生粘土矿物的形成直接受控于成土期盛行的环境与气候条件,所以其形态结构与含量组成等矿物学特征充分记录了成土期的环境气候信息。另外,成土体系中也会新生成部分铁矿物。次生的铁矿物是反映成土期的湿度条件、温度范围的有效指标,因此对当时的气候演化历史也有很好的指示意义。粘土矿物与铁矿物在一定的条件下都可以作为独立的重建古气候的替代指标,但是在使用时要充分考虑研究区域的物源供给、地质背景、风化条件、气候类型等客观局限对这些风化指标的制约。因此,通常利用多指标结合对比的方法来重建区域内的风化程度及古气候更为可靠,另外对于新型的风化气候的发掘与寻找也十分必要。光谱学方法是一种快速,相对廉价,并且无损的,可以很好地应用于土壤学研究的技术手段。其中可见-近红外光谱学（VNIR,350-2500 nm）因为其光谱域内具有的诊断性吸收峰大多与土壤中与化学风化和气候信息相关的矿物学特性有关,因此其对于分析土壤矿物学信息以及成为新型的古气候替代指标都具有很大的潜能。本次研究的后半部分主要分析VNIR光谱学应用于土壤化学/矿物学和古气候重建分析中的可能性以及对应新型光谱学风化指标的建立。首先,将三个研究剖面光谱原始数据通过主成分分析法进行分析;然后,将光谱学与土壤学信息通过两种方式联系起来,即简单线性相关以及多元线性相关分析。研究区土壤样品VNIR光谱的主成分分析显示,不同区域内土壤以及相同土壤剖面内不同土层的土壤样品的光谱PCA都具有不同的特点。其中,在LC黄土-古土壤剖面中,黄土层与古土壤层的土壤样品点在PCA投图中具有较为清晰的组群划分特征;SBC剖面的样品没有明显的组群划分;在SL红土堆积剖面中,表土层的土壤样品与其下部的粘土层有着差异性较为明显的光谱学特征。另外,红土剖面与其余两个剖面之间的组群差异最为明显,基本没有重叠的土壤样品。而风化趋于中等堆积黄土-古土壤序列的LC剖面与SBC剖面在组群划分上具有更多的相似之处,土壤样品点有很多重叠之处。土壤原始光谱与土壤特性的相关型矩阵分析结果显示,土壤的矿物学特性与光谱学行为（光谱形态特征与吸收率等）有最直接联系,而化学元素特性与光谱学行为也存在间接性的联系,土壤中的矿物学特性（直接联系）与元素组成特性（间接联系）的改变都会强烈影响VNIR光谱域内部分光谱的行为。其中,磁性矿物特性对中等风化作用下的黄土-古土壤的光谱特征具有更大的影响,其相关性最大可达到0.80;粘土矿物含量变化对强风化作用下的红土堆积的光谱特征具有更大的影响,高岭石与伊利石的含量都对SWIR光谱域内的很大一部分光谱具有强烈的影响,而粘土矿物对黄土-古土壤序列的光谱影响就不是那么强烈;非磁性铁矿物对VNIR光谱的强烈影响局限于400-700 nm的区间范围内,这与其在此区间内直接具有鉴定性的特征峰相关;元素特性作为间接性的影响因子,对光谱行为的影响没有特别规律性的特点。Δ4Si与CIA的大小变化都是本次研究中的间接联系特性。而具有间接联系的特性可以影响到光谱的行为可能依赖于其与直接矿物学特性的相关性,因为化学元素的变化与矿物学以及土壤粒度等的变化也具有一定的关系。通过去包络线法得到的部分VNIR光谱学形态参数（例如峰高,峰的对称性等）参数与传统的风化指标（例如粘土指标与铁矿物指标等）具有显著的相关性,其中光谱参数D900更适宜作为指示总铁含量的指标;光谱参数P500与D700/D500的减小可以指示温暖的,季节性干旱的气候以及更强的夏季风阶段;光谱参数AS1400,D2200/D1900,AS2200在一定前提下都可以作为可靠的古气候替代指标,其中AS1400和D2200/D1900更适宜实验室内部的环境,而AS2200则更适宜在野外实施勘测的风化与古气候重建过程。黄土-古土壤以及红土样品中光谱数据与土壤特性的多元统计分析可得,VNIR光谱学在准确预测与气候相关的土壤矿物学特性时具有极大潜能,可以建立预测性较为精确的PLSR与MLRCR模型。总体来说,针对磁性特性的预测模型在两种土壤类型中都表现稳健可靠;粘土矿物与铁矿物特性的模型相对在风化强烈的红土样品中预测结果更准确,而磁性特性的模型在风化中等的黄土-古土壤样品中预测更准确。VNIR光谱学可以在今后基于土壤化学/矿物学的古气候研究中作为一种辅助性的或者替代传统研究（XRF,XRD,DRS等）的新型方法,这可以大量减少研究工作量以及提高古气候研究精度。土壤的类型（粒度,风化程度等）与数据统计模型的选择是控制预测模型表现能力的主要因素,但是土壤样品的本质似乎更加影响最终预测模型的准确性。另外,对于单独的某一土壤特性来说,更高的含量浓度以及波动性都会增加预测模型对其预测的准确性。我们也以此推测土壤特性在超过一定浓度或者一定波动性以后才可能建立起较为可靠准确的光谱学预测模型。综合来讲,VNIR光谱学在分析土壤化学/矿物学中有极大的潜能,其光谱信息中包含了与成土风化和古气候相关的有价值信息,可以较为准确地预测土壤特性变化,其光谱数据可以快速提取并在一定条件下作为可靠的风化指标。通过简单线性相关提取以及多元数据模型框定得到的光谱参数D900,AS1400,D2200/D1900,AS2200等可以作为中等至强烈风化作用下土壤中稳健的风化指标。另外,由于VNIR光谱学法具有在野外实时实地获得数据的优势,使其在建立大型土壤光谱数据库监管土壤特性,以及在大范围区域内古气候重建等研究工作成为可能。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 传统风化指标的应用现状
•     1.1.1 基于离子迁移衍生的风化指标
•     1.1.2 基于次生矿物形成与转化的风化指标
•     1.1.3 新型风化指标的寻找与展望
•   1.2 利用光谱学方法表征风化强度的研究进展
•     1.2.1 土壤中常见矿物的VNIR光谱学特征
•     1.2.2 数据处理与建模
•     1.2.3 简单线性光谱学分析与多元统计分析
•     1.2.4 分析土壤矿物及成土风化的可能性
•   1.3 课题来源与选题依据
•   1.4 研究目的及研究内容
•   1.5 研究方法与主要工作量
• 第二章 研究区地理及气候背景及研究剖面的特征
•   2.1 地理及气候背景
•   2.2 研究剖面
• 第三章 材料与方法
•   3.1 传统分析方法
•     3.1.1 XRD分析
•     3.1.2 主量与微量元素分析
•     3.1.3 DRS分析
•     3.1.4 磁化率分析
•   3.2 光谱学分析方法
•     3.2.1 VNIR光谱测量
•     3.2.2 原始光谱数据的预处理
•     3.2.3 去包络线及光谱参数提取
•     3.2.4 简单线性分析
•     3.2.5 多元统计分析
•     3.2.6 模型的建立,优化与评估
•     3.2.7 重要波段/参数的判定
• 第四章 中国不同纬度带土壤剖面中传统风化指标的探讨
•   4.1 基于化学及矿物学风化指标的气候重建
•     4.1.1 LC黄土-古土壤序列及黄土高原内的气候环境重建
•     4.1.2 SBC黄土-古土壤序列及洛南盆地内的气候环境重建
•     4.1.3 SL红土序列及四川盆地内的气候环境重建
•   4.2 传统风化指标反演古气候时的表征
•     4.2.1 元素迁移
•     4.2.2 磁学特征
•     4.2.3 粘土矿物特性
•     4.2.4 非磁性铁矿物特性
• 第五章 VNIR光谱学对土壤特性的表征
•   5.1 土壤特性概述
•     5.1.1 描述统计学特征
•     5.1.2 相关性分析
•   5.2 VNIR光谱学特征概述
•     5.2.1 原始吸收光谱特征
•     5.2.2 基于主成分分析的原始光谱特征
•     5.2.3 土壤特性差异对光谱特征的影响
•   5.3 光谱的简单线性分析
•     5.3.1 SL剖面光谱的应用性分析及光谱指标的提取
•     5.3.2 SBC光谱指标的提取及验证
•   5.4 光谱的多元统计分析
•     5.4.1 统计学模型的建立
•     5.4.2 优化后的模型分析结果
•     5.4.3 重要光谱参数/光谱域的多元统计模型判定
• 第六章 VNIR光谱学在土壤矿物学及古气候重建中的应用
•   6.1 简单线性分析下的古气候学应用分析
•   6.2 多元统计分析下的古气候学应用分析
• 第七章 结论与展望
•   7.1 研究结论
•   7.2 创新点
•   7.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 博士论文

作者: 赵璐璐

导师: 洪汉烈

关键词: 风化指标,磁化率,光谱学,土壤特性

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学

单位: 中国地质大学

基金: 国家自然科学基金项目,基于矿物晶体化学的粘土矿物风化淋滤与过渡状态结构研究(项目编号:41272053),中国地质大学(武汉)特色学科团队建设专项,土壤矿物学(项目编号:CUG170106)

分类号: P532

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000281

总页数: 144

文件大小: 8705K

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