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报告正文

参照以下提纲撰写，要求内容翔实、清晰，层次分明，标题突出。

请勿删除或改动下述提纲标题及括号中的文字。

（一）立项依据与研究内容（建议8000字以内）：

1．项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。

附主要参考文献目录）；

在古气候演变重建过程中，环境替代指标的认识是其中重要的研究内容之

一。

目前记录海洋、湖泊、冰川、黄土等环境信息载体的古环境指标主要有地

球化学、地球生态、地球物理等，其中沉积物的粘土矿物特征是应用较广的指

标之一。

粘土矿物的沉积分异、组合特征、含量、结晶度、元素、同位素及微

形貌特征与沉积环境、沉积物源、古气候、成岩作用和构造背景等有密切关系，

从不同方面记录了环境变化的信息，使粘土矿物成为环境变化信息的载体1-6。

最常见的粘土矿物主要分为伊利石、蒙皂石、绿泥石和高岭石等四大类，他

们各自形成的环境特点如下：

伊利石是在干冷、弱碱性条件下，由长石、云母等铝硅酸盐矿物在风化脱钾

+

的情况下形成。

当气候变为湿热时，碱金属离子（主要是K）被带走，伊利石

分解为高岭石7；在干湿交替环境下，晶格混层中的K+因淋失而向伊/蒙混层矿

物转化，并最终形成蒙皂石。

因此，气候干燥、淋滤作用弱利于伊利石的形成和保存8。

此外，伊利石结晶度是气候变化的灵敏指标，可反映气候环境的短期

变化：

高温和大量降雨可导致伊利石的强水解，使结晶度变差；而在低温干燥条件下，伊利石的结晶度则较高9。

蒙皂石形成于干湿交替的气候环境中，随着温度的升高，在K+、Al3+的参与

下，蒙皂石可向伊/蒙（I/S）混层矿物转化。

伊/蒙混层矿物的形成代表气候逐

渐转为潮湿的环境：

在偏碱性介质条件下，可形成无序I/S混层（R=0）；在酸

性介质影响下，形成有序I/S混层（R≥1）。

在半干早地区随着季节性降雨的新

生作用比较重要，此时形成的蒙皂石具有较高的结晶度，结晶程度比较好，指示了一种的干早环境4,10；低的结晶度即差的结晶度形成于湿润温暖的气候条件

10。

绿泥石形成于淋滤作用不强的碱性环境，在风化作用时其水镁石层内的二价

铁容易氧化，因此绿泥石主要存在于化学风化作用受抑制的地区，例如冰川或

干旱的地区。

所以它的含量增加代表逐渐变为干旱的气候条件11,12。

高岭石是在潮湿气候、酸性介质中由长石、云母和辉石经强烈淋滤作用形成

的2,4。

高岭石在酸性介质条件下稳定存在为风化程度极高的矿物，其存在反映了湿热的气候特征。

坡缕石：

坡缕石一般在高碱度（pH=8）、适当的盐度、一定温度及介质SiO2、Al2O3和MgO三组分比例适当的环境下形成13。

Singer（1980）1指出坡缕石是干旱-

半干旱土壤的典型代表，是粘土矿物中几个有用的古气候代用指标之一，含坡

缕石粘土矿物的土壤可以是现代土壤、古土壤，为钙质的和弱碱性的，而且是

高盐度的，共生矿物除粘土矿物－蒙皂石、伊利石、伊/蒙混层矿物外，还常见有石膏、方解石和白云石14。

而且内陆咸水湖盆常有产出，例如塔里木盆地15，

柴达木盆地16等。

郑绵平等（1987）在西藏个别盐湖中，通过电镜分析证实了这种矿物的存在17。

最重要的是粘土矿物的相对含量、种类组合、结晶度以及微形态等指标的变化都可以反映母源区气候冷/暖、干/湿交替的周期性变化，因此利用粘土矿物反演古气候已经广泛地运用于各种环境中，包括湖泊、河流、海洋及黄土沉积

物中2,18。

如在对SiberiaBaikal湖泊沉积物粘土矿物的研究中，沉积物中粘

土矿物组合主要为伊利石、伊/蒙混层，及少量的高岭石和绿泥石，然而它们的

组合特征、伊利石结晶度和混层比值参数显示出冰期－间冰期变化特征；间冰

期相比冰期具有更髙的“开形伊利石”以及低蒙皂石层含量的伊

/蒙混层含量

19。

南海

ODP1146站第四纪粘土矿物学分析表明，伊利石、绿泥石和高岭石含量

在冰期增高，而蒙皂石含量在间冰期增高。

蒙皂石

/（

伊利石+绿泥石）比率和蒙

皂石丰度可以作为东亚夏季风演化的矿物学标志

20。

在大陆内部，北美

North

Dakota州陆相沉积物中出现强烈的风化层，其高岭石的升高也被认为指示了较

湿润的气候特征21。

在对西峰三趾马样品粘土矿物研究的过程中，黄土和古土壤

中具有明显的伊利石结晶度变化22。

在对中国南方红土的研究过程中，利用粘土

矿物组合及含量比值、粒度分析和高分辨率透射电镜分析，认为粘土矿物组合

在不同时期发生变化，指示不同气候环境下的风化产物23。

在黄土高原南部两个

剖面中伊利石/绿泥石与磁化率一致，也成为了指示夏季风强度的代用指标

24。

根据成因不同，湖泊沉积物中粘土矿物可以分为3种：

①原生粘土矿物，流

域母质中的碎屑矿物经搬运而在湖盆沉积，以物理风化为主，反映源区的信息。

例如在化学风化较弱而难以区分基岩物质成分差异造成影响的气候条件下（如

较高纬度高海拔地区），湖泊沉积物中粘土矿物主要反映流域物源的岩性，严格

地讲，大多数剥蚀成因的沉积物并不是直接来自基岩，而是来自形成在基岩之

上的土壤。

正如海表沉积物中，高岭石集中分布在赤道地区，而绿泥石明显集

中分布在南北纬高纬度地区，与同纬度的土壤中粘土矿物的含量有很好的一致

性25；②化学风化形成的粘土矿物，一种粘土矿物在一定的气候条件下可以转变

为另一种粘土矿物，其种类受母岩、水介质、气候等因素制约，在湿润温暖的

热带－亚热带气候环境下，由于岩石受淋滤和化学风化作用较强，碱金属、碱

土金属流失后形成阳离子为Si、Al的高岭石，因此高岭石是低纬度地区湖泊沉

积物中主要的粘土矿物，它是弱酸性、强化学风化和淋滤作用的环境指示矿物；

而在高纬度的干冷气候条件下，由于淋滤和化学风化作用较弱，碱金属、碱土

金属被活化后形成阳离子为Si、Al、Fe、Mg或K的绿泥石、伊利石、蒙皂石及

伊/蒙混层矿物。

特别是绿泥石、蒙皂石，它们一般是高纬度地区（如冰川或干旱区）弱化学风化产物；③自生粘土矿物，在湖泊沉积过程中各种元素重新结

合而成，主要发生在盐湖中，例如湖盆里产出的坡缕石就形成于干旱-半干旱富

Mg的半咸水湖中，可能是由蒙皂石转化而来，结晶度较差。

其他类型湖泊中几

乎不存在自生的粘土矿物10。

水介质的pH、Eh、盐度等因素也对粘土矿物种类、

形态和晶体结构产生影响。

盐湖卤水中某些化学组分控制成盐阶段中粘土矿物

化学组分的一些特征。

粘土矿物具有巨大的活性表面，盐湖卤水的化学成分可

能与粘土矿物发生表面化学作用，甚至由表面逐渐深入内部，相当于局部的类质同象取代作用26。

而且扫描电镜配合能谱分析和高分辨率透射电镜的应用有利于分析粘土矿

物形貌和物相，可以非常容易地把碎屑成因粘土矿物与化学风化、自生粘土矿物分离开来27。

例如，粘土矿物微形态显示出发育较差的板状和港湾状边缘，表明这些矿物在风化过程中经历了强烈的溶解作用28。

而粘土矿物形貌转化为平直

的更加厚的板状，光滑的001面和圆滑的边缘时，这些特征指示主要以物理风化为主29。

明显变化的粘土矿物形貌指示了它们经历了不同的风化过程。

自生蒙

皂石呈片状集合体形态生长于碎屑颗粒表面，集合体呈现蜂窝状，自生坡缕石呈丝状或纤维状29。

碎屑的伊利石、绿泥石呈板状、毛发状、港湾状或者浑圆状30。

港湾状形貌特征指示其可能受强烈的化学风化作用，浑圆状形貌特征指示可

能受物理风化为主31。

碎屑高岭石多成碎片板状，有时仍保留假六方片状形貌，但不显示书册状集合体特征31。

碎屑蒙皂石多为不平整001面的片状或者球状集

合体。

Qiu等（2014）32通过对中国东部表土粘土矿物元素的调查研究，发现气候是对表土粘土矿物中元素化学风化起主要控制作用，并且粘土矿物中元素化学风化指数的空间分布显示出明显的纬度效应。

徐昶通过对察尔汗盐湖、艾丁湖、

查干诺尔湖剖面中粘土的Al2O3/MgO与沉积环境关系进行了讨论，盐湖粘土

Al2O3/MgO的变化反映了盐湖沉积环境的盐度及湖区气候的湿润度26。

另外，单

一粘土矿物的微细结构也可以进一步得到盐湖沉积环境方面的信息，如对伊利

石结晶度、蒙皂石属性、绿泥石类型、混层矿物膨胀度等方面的研究。

伊利石

的结晶度与湖水中K+含量密切相关，而蒙皂石属性则反映湖水pH值、盐度及晶

层间吸附的标型离子的差异。

此外，大量研究表明，粘土中硼元素的含量可以

指示其形成时水介质的古盐度值33。

溶液中的硼一旦为粘土矿物固定后，无论其

呈现吸附状态存在或是进入粘土矿物晶格，都不因后期水体硼浓度的下降而解

吸，因而样品的分析结果可作为其最初沉积时的水体盐度标志34,35。

到目前为止，

基于粘土矿物中的硼含量来重建古盐度变化已经被广泛应用到了各种时间尺度上的沉积物当中36,37。

而且粘土沉积物中的硼同位素组成已被用在海洋中硼同位

素循环

38、盐湖硼同位素特征

39及长江流域河流硼同位素地球化学

40研究中。

ShirodkarandXiao

（1997）39

对青海柴达木盆地盐湖粘土沉积物的硼同位素

组成进行了研究，柴达木盆地盐湖粘土沉积物的δ11B值变化范围为-25.2-26.1‰,这种宽的变化范围与卤水中硼同位素组成有关。

Xiao等（1992）

41测定的大柴旦盐湖卤水与其粘土沉积物间的硼同位素分馏系数为0.988，轻同位素10B富集在沉积物中。

WangandXiao（2001）42对卤水pH值和温度对盐湖卤水和粘土沉积物间硼同位素分馏的影响进行了详细的实验研究，结果发现温

度的影响并不明显，但卤水pH值的影响却十分显著，特别是在高pH值下出现了反分馏，即11B富集在沉积物中。

与Xiao等（1992）41对大柴旦盐湖的研究工作相比，Wei等（2014）43发现，硅酸盐粘土相的硼同位素变化反映了湖盆体系内硅酸岩的风化情况，即风化强度越大，湖相沉积物中细粒粘土矿物沉积越多，

10B越富集，δ11B值越小。

而且张艳灵等（2016）44采用三步离子交换法提取粘

土沉积物中硼的回收率高于90%，未观察到明显的硼同位素分馏，可满足粘土沉

积物酸溶相中硼同位素组成高精度测定的需要。

虽然粘土矿物指标已经大量地应用到了各种沉积介质中的古气候古环境重

建，但是对于表层沉积物粘土矿物与现代气候环境信息的相关性研究较少，我们利用ItoandWagai（2017）6分析的全球表土粘土矿物分布数据与中国年降

水量等值线对比（图1），发现从西北向东南，随着降水量的增加，伊利石的含量

逐渐减小，而高岭石出现相反的现象，即随着降水量的增加而增加，支持了“当

气候逐渐变暖湿时，碱金属逐渐被风化掉，伊利石转变成高岭石”的结论。

所

以中国表土中的粘土矿物分布与气候带的分布具有较好的吻合性，显示出气候是影响表土粘土矿物形成的主要因素6,45。

图1.中国表土粘土矿物相对含量分布与年降水量等值线对比图（修改于ItoandWagai

（2017）6）

现在关于湖泊表层粘土矿物相关研究存在的问题是：

对于湖泊表层沉积物粘

土矿物与现代气候关系的研究相对较少，大部分研