散飛雪, 凌文黎, 胡艷華, 謝淑云

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 研究生院, 湖北 武漢 430074; 2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430074; 3. 浙江省地質(zhì)調(diào)查院, 浙江 杭州 311203)

0 引 言

巖石風(fēng)化作用是巖石在太陽(yáng)輻射、大氣、水和生物作用等因素共同作用下, 形成巖石破碎、疏松及礦物成分次生變化的現(xiàn)象。它是元素表生地球化學(xué)循環(huán)的重要環(huán)節(jié), 不僅影響了來(lái)源于固體巖石中不同元素在地殼表層中的重新分配, 而且由于其發(fā)生在與人類(lèi)活動(dòng)環(huán)境直接接觸的地表, 可以用來(lái)指示風(fēng)化區(qū)域的氣候條件等, 因此與人類(lèi)生存和生活環(huán)境有著重要的聯(lián)系。長(zhǎng)期以來(lái), 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石風(fēng)化成土過(guò)程中元素的變化規(guī)律進(jìn)行了大量研究[1?12]。

湖北省宜昌市峽東地區(qū), 廣泛出露了多種類(lèi)型巖漿巖和沉積巖層。這些巖石位于典型的亞熱帶氣候區(qū), 受到風(fēng)化作用的影響, 地表露頭不同程度地發(fā)育了風(fēng)化層, 因此是研究地表?xiàng)l件下元素遷移行為的理想地區(qū)。對(duì)峽東地區(qū)風(fēng)化剖面開(kāi)展表生條件下的元素和同位素地球化學(xué)研究, 不僅在理論上促進(jìn)對(duì)閃長(zhǎng)巖在化學(xué)風(fēng)化作用過(guò)程中元素地球化學(xué)行為的認(rèn)識(shí), 并應(yīng)用現(xiàn)代區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、水文和工程領(lǐng)域, 同時(shí)也將促進(jìn)對(duì)與風(fēng)化作用過(guò)程有關(guān)的峽東地區(qū)土壤和基巖性質(zhì)的了解, 進(jìn)而為合理開(kāi)發(fā)自然資源, 保護(hù)自然環(huán)境等關(guān)系人們生產(chǎn)和生活的重大問(wèn)題提供決策的科學(xué)依據(jù)。峽東地區(qū)也是三峽大壩的庫(kù)容區(qū), 地表巖石發(fā)生的風(fēng)化作用對(duì)該地區(qū)基巖化學(xué)穩(wěn)定性有明顯的影響, 了解本地區(qū)不同巖石化學(xué)風(fēng)化的特點(diǎn), 對(duì)預(yù)防和降低由于地表巖石穩(wěn)定性變化產(chǎn)生滑坡和泥石流等自然災(zāi)害具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。此外, 了解基巖經(jīng)風(fēng)化作用后形成土壤的化學(xué)組成特征, 對(duì)于指導(dǎo)三峽庫(kù)區(qū)發(fā)展具有區(qū)域特色的農(nóng)林業(yè)也同樣具有重要作用。

湖北省宜昌市峽東地區(qū)位于揚(yáng)子克拉通核部,是侵入華南太古宙陸核區(qū)新元古代侵入雜巖體出露區(qū)。本次研究以峽東地區(qū)三斗坪巖套閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面為研究對(duì)象, 對(duì)從基巖至不同風(fēng)化程度的剖面層進(jìn)行了系統(tǒng)的樣品采集, 擬通過(guò)對(duì)基巖及剖面樣品主元素、微量元素分析以及Sr-Nd同位素的分析, 討論風(fēng)化作用過(guò)程中元素和同位素地球化學(xué)行為, 并探討其地球化學(xué)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)

位于揚(yáng)子克拉通核部的峽東地區(qū)出露了華南陸塊較完整的各時(shí)代地層。研究區(qū)主要出露的地層由老到新依次為崆嶺雜巖, 南華紀(jì)蓮沱組(Z1l)(圖 1)、南沱組(Z1n), 震旦紀(jì)陡山沱組(Z2d)、燈影組(Z2dn)和寒武紀(jì)水井沱組(?1n)(圖 1)、石牌組(?1sh)[13](表1)。黃陵地區(qū)的崆嶺變質(zhì)雜巖主要由太古宙高級(jí)變質(zhì)巖系組成, 出露于黃陵背斜核部的侵入雜巖體中, 與巖體之間為侵入接觸關(guān)系。新元古代黃陵侵入雜巖體位于揚(yáng)子陸塊核部的鄂西宜昌地區(qū)中北部, 巖體侵入太古宙-古元古代結(jié)晶基底并受到華南震旦紀(jì)基巖覆蓋。按侵入接觸關(guān)系由早至晚, 黃陵雜巖體可劃分為三斗坪、黃陵廟、大老嶺和曉峰四個(gè)巖套。三斗坪巖套主要巖性為中粒角閃黑云英云閃長(zhǎng)巖, 少數(shù)為花崗巖, 普遍發(fā)育基性巖包體。巖體中常分布不同寬度的晚期花崗巖質(zhì)或正長(zhǎng)巖脈, 沿巖體的節(jié)理裂隙分布, 同時(shí)在花崗巖體的節(jié)理面上發(fā)育后期熱液蝕變作用形成的綠簾石[13]。本次研究樣品采自三斗坪閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面, 采樣位置示于圖 2。

2 樣品采集、分析與結(jié)果

2.1 樣品采集

我國(guó)南方廣大地區(qū)氣候溫暖潮濕, 是副熱帶與溫帶之間的過(guò)渡地帶, 冬季氣溫相當(dāng)?shù)? 最冷月平均氣溫?8～0 , ℃夏季氣溫相當(dāng)高(候平均氣溫≥25 ), ℃巖石易于發(fā)生化學(xué)風(fēng)化。本次樣品采自峽東地區(qū)宜昌秭歸縣客運(yùn)碼頭附近的公路切面。閃長(zhǎng)巖風(fēng)化殼的厚度可達(dá) 40～60 m, 剖面具有分層性, 各層物質(zhì)組成連續(xù)變化。一般分為四層, 主要有淋溶層 A、淀積層 B、半風(fēng)化層 C和基巖 D。根據(jù)巖性, 分別對(duì)基巖及不同程度的風(fēng)化層進(jìn)行樣品采集。

本次研究選擇了三個(gè)風(fēng)化剖面, 分別為剖面1(圖3a)、剖面2(圖 3b)和剖面3(圖3c)。其中剖面 1的地理坐標(biāo)為北緯 30°50.337′, 東經(jīng) 110°58.029′, 高程 224 m; 剖面 2 為北緯 30°52.323′, 東經(jīng) 110°57.939′,高程 272 m; 剖面 3 為北緯 30°50.280′, 東經(jīng)110°57.958′, 高程25 m。在各剖面按淋溶層A、淀積層B、半風(fēng)化層C和基巖D層分別進(jìn)行樣品采集。

圖1 寒武系水井沱組(a)和南華系蓮沱組(b)野外露頭照片F(xiàn)ig.1 Field photos of Cambrian Shuijingtuo group (a) and Simian Liantuo group (b)

表1 峽東地區(qū)地層表[13]Table 1 Strata of the eastern Three Gorges [13]

圖2 峽東地區(qū)地層分布簡(jiǎn)圖及采樣位置Fig.2 Diagram of stratum distribution and sampling location of the eastern Three Gorges底圖據(jù)湖北省地質(zhì)局內(nèi)部資料

圖3 峽東地區(qū)閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面Fig.3 Profiles of weathered dioritic rocks in the eastern Three Gorges

A層為淋溶層, 厚度 20 cm, 土褐色, 細(xì)粒, 粒度大多為 2～0.2 mm, 疏松, 部分結(jié)合緊密, 多呈良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu), 其上層有豐富的有機(jī)質(zhì)層覆蓋,下層夾雜少量植物碎片。一般由于腐殖質(zhì)累積, 腐殖質(zhì)和礦質(zhì)養(yǎng)料含量豐富。可見(jiàn)一些片狀物質(zhì), 有明顯的光澤, 為云母。B層為淀積層, 厚度 30 cm,土黃色, 含有從上層淋溶層下滲的有機(jī)物和礦物。C層為半風(fēng)化層, 厚度 8～15 m, 褐色, 有部分風(fēng)化現(xiàn)象, 顆粒大小不一, 有大塊基巖殘余, 也有細(xì)粒礦物, 礦物周?chē)患?xì)粒土粘合在一起。可見(jiàn)較好的斜長(zhǎng)石和明顯的片狀物質(zhì)云母。D層為閃長(zhǎng)巖基巖(圖4a), 均為閃長(zhǎng)巖。巖石呈灰黑色, 屬全晶質(zhì)中性深成巖。巖體局部可見(jiàn)暗色包體(圖4b)。各剖面閃長(zhǎng)巖的巖性相似, 但仍有一定程度的變化。閃長(zhǎng)巖總體特征表現(xiàn)為礦物結(jié)晶顆粒較大, 中粗粒等粒結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造。組成的淺色礦物和暗色礦物的比例變化于70%∶30% ～ 55%∶45%。其中剖面1淺色礦物含量約為 70%, 暗色礦物含量約為 25%; 剖面 2淺色礦物含量約為 55%, 暗色礦物含量約為 40%;剖面3淺色礦物含量約為65%, 暗色礦物含量約為30%。淺色礦物主要為斜長(zhǎng)石和少量石英, 斜長(zhǎng)石晶形一般較好, 呈板柱狀。暗色礦物為角閃石和黑云母, 以角閃石為主, 呈長(zhǎng)柱狀。副礦物主要為磁鐵礦。

剖面1D層基巖手標(biāo)本(圖5a)為灰白色, 中粒半自形近等粒狀結(jié)構(gòu), 礦物顆粒粒徑多為2～4 mm; 剖面2D層基巖手標(biāo)本(圖5b)為暗灰色, 細(xì)粒半自形粒狀結(jié)構(gòu), 礦物顆粒粒徑多為 0.2～2 mm; 剖面 3D層基巖手標(biāo)本(圖 5c)為暗灰色, 細(xì)粒半自形粒狀結(jié)構(gòu),礦物顆粒粒徑多為 0.2～2 mm。三者均為塊狀構(gòu)造,主要礦物為角閃石、黑云母、斜長(zhǎng)石和石英。分布都很均勻, 巖石很新鮮, 少見(jiàn)次生變化。角閃石呈長(zhǎng)柱狀, 綠黑色, 1D層粒徑多為1～2 mm, 含量約20%;2D層和3D層粒徑多為0.5～2 mm, 含量約30%。黑云母呈片狀, 黑褐色, 1D層粒徑多為2～4 mm, 含量約15%; 2D層和3D層粒徑多為0.5～2 mm, 含量約10%。斜長(zhǎng)石呈板狀, 灰白色, 1D層含量約50%; 2D層和3D層粒徑多為0.5～1 mm, 含量約45%。1D層石英含量約10%, 其他礦物含量約5%; 2D層和3D層石英含量均約5%。

對(duì)應(yīng)1D基巖手標(biāo)本的薄片1(圖6a, 圖6b)鏡下可見(jiàn)為中粒半自形粒狀結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造。主要礦物為角閃石、黑云母、斜長(zhǎng)石和石英, 次為磁鐵礦。角閃石呈長(zhǎng)柱狀, 暗綠色, 具有兩組完全解理, 有少數(shù)雙晶, 大小一般在 0.5～2 mm 之間, 含量約20%。黑云母呈片狀, 具有一組極完全解理, 平行消光, 可見(jiàn)鳥(niǎo)眼消光, Ng'為黑褐色, Np'為淡黃色, 大小一般在1.5～3 mm之間, 含量約15%。斜長(zhǎng)石呈板狀, 無(wú)色透明, 大小約 0.5～3 mm, 含量約 50%, 具有聚片雙晶。石英為無(wú)色透明, 波狀消光, 含量約10%, 呈不規(guī)則粒狀。不透明礦物多為磁鐵礦, 呈細(xì)粒狀, 含量約5%。對(duì)應(yīng)2D基巖手標(biāo)本的薄片2(圖6c, 圖 6d)鏡下可見(jiàn)細(xì)粒半自形粒狀結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造。主要礦物為角閃石、黑云母、斜長(zhǎng)石和石英, 次為磁鐵礦。角閃石呈長(zhǎng)柱狀, 暗綠色, 具有兩組完全解理, 有少數(shù)雙晶, 大小一般在 0.2～1.5 mm 之間,含量約 35%。黑云母呈片狀, 具有一組極完全解理,平行消光, 可見(jiàn)鳥(niǎo)眼消光, Ng'為黑褐色, Np'為淡黃色, 大小一般在0.5～2 mm之間, 含量約10%。斜長(zhǎng)石, 板狀, 無(wú)色透明, 大小約 0.5～1 mm, 含量約45%, 具有聚片雙晶, 礦物表面比較臟, 大多已發(fā)生次生變化。石英為無(wú)色透明, 波狀消光, 含量約8%,呈不規(guī)則粒狀。不透明礦物多為磁鐵礦, 呈細(xì)粒狀,含量約2%。對(duì)應(yīng)3D基巖手標(biāo)本的薄片3(圖6e, 圖6f)鏡下可見(jiàn)細(xì)粒半自形粒狀結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造。主要礦物為角閃石、黑云母、斜長(zhǎng)石和石英, 次為磁鐵礦。角閃石呈長(zhǎng)柱狀, 暗綠色, 具有兩組完全解理,有少數(shù)雙晶, 大小一般在0.2～1.5 mm之間, 含量約35%。黑云母呈片狀, 具有一組極完全解理, 平行消光, 可見(jiàn)鳥(niǎo)眼消光, Ng'為黑褐色, Np'為淡黃色, 大小一般在0.5～2 mm之間, 含量約8%。斜長(zhǎng)石呈板狀, 無(wú)色透明, 大小約 0.5～1 mm, 含量約 45%, 具有聚片雙晶, 礦物表面比較臟, 大多已發(fā)生次生變化。石英為無(wú)色透明, 波狀消光, 含量約 7%, 呈不規(guī)則粒狀。不透明礦物多為磁鐵礦, 呈細(xì)粒狀, 含量約5%。

圖4 基巖與包體Fig.4 Bedrock and xenolith

圖5 峽東地區(qū)閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面基巖樣品Fig.5 Bedrock samples associated with profiles of weathered dioritic rocks in the eastern Three Gorges

圖6 基巖薄片單偏光和正交偏光鏡下對(duì)比照片F(xiàn)ig.6 Comparsing photos of bedrock thin sections between under single polarizer and crossed nicols

2.2 樣品分析

原始樣品經(jīng)105 ℃預(yù)干燥2～4 h, 置于干燥器冷卻至室溫后用剛玉粗碎機(jī)粉碎至1～2 mm后過(guò)20目篩, 然后用瑪瑙研缽磨至 200目以下后, 樣品粉末用于進(jìn)行主元素、微量元素和 Sr-Nd同位素分析測(cè)試。主元素、微量元素和同位素分析在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。主元素用XRF-1800型X射線熒光光譜儀進(jìn)行測(cè)試[14]。數(shù)據(jù)質(zhì)量用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07105和GBW07109進(jìn)行監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明相對(duì)誤差(RE)優(yōu)于4%, 多次測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)優(yōu)于6%。微量元素用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)進(jìn)行測(cè)定[15]。樣品經(jīng)AGV-1、BHVO-1、BHVO-2和 BCR-2國(guó)際標(biāo)樣監(jiān)控[16], 分析相對(duì)誤差(RE)優(yōu)于 10%, 多次測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)優(yōu)于 5%。Sr-Nd同位素分析的143Nd/144Nd比值用MC-ICP-MS(Agilent 7500a)測(cè)試[17],87Sr/86Sr比值測(cè)量用 TIMS(Triton Ti)測(cè)試[18]。Sr、Nd同位素分析的準(zhǔn)確度分別用標(biāo)樣 NBS987和Jndi-1進(jìn)行監(jiān)測(cè)。Sr同位素質(zhì)量分餾用88Sr/86Sr=8.375209校正, 標(biāo)樣NBS987的88Sr/86Sr測(cè)量結(jié)果為0.710242±5(2σ)。Nd 同位素質(zhì)量分餾用146Nd/144Nd=0.721900校正, 標(biāo)樣Jndi-1的146Nd/144Nd測(cè)試結(jié)果為 0.512110±2(2σ)。

2.3 結(jié) 果

峽東閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面主元素和微量元素分析結(jié)果見(jiàn)表2, Sr-Nd同位素分析結(jié)果見(jiàn)表3, Sr-Nd同位素計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4。

3 風(fēng)化過(guò)程元素含量變化的計(jì)算方法

3.1 風(fēng)化過(guò)程中元素遷移量定量計(jì)算方法

在基巖出露于地表發(fā)生化學(xué)風(fēng)化作用的過(guò)程中,將伴隨組成巖石的礦物發(fā)生不同程度的分解, 導(dǎo)致部分礦物溶解進(jìn)入地表水系, 部分礦物蝕變形成與環(huán)境平衡的新礦物以及部分外來(lái)組成被吸附或進(jìn)入新生礦物等。不同風(fēng)化階段元素含量會(huì)不同程度地改變, 即元素發(fā)生相對(duì)遷出或帶入, 這些過(guò)程將引起風(fēng)化后新體系相對(duì)于原巖發(fā)生質(zhì)量和體積的變化。因此, 直接對(duì)比原巖與土壤樣品間元素含量的變化并不能準(zhǔn)確反映基巖風(fēng)化過(guò)程中元素的地球化學(xué)行為, 即是否發(fā)生了凈帶出或凈帶入部分元素, 而需要建立可比較的參照指標(biāo)。常用的定量計(jì)算方法有等體積計(jì)算法、等陰離子計(jì)算法和穩(wěn)定元素法[19]。

等體積計(jì)算法是假設(shè)風(fēng)化前后巖石體積沒(méi)有發(fā)生明顯變化, 但由于巖石風(fēng)化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)發(fā)生疏松,準(zhǔn)確測(cè)定元素遷移量誤差相對(duì)較大。等陰離子計(jì)算法是假設(shè)風(fēng)化前后體系中氧原子數(shù)沒(méi)有變化, 但由于如鐵等金屬元素氧化后價(jià)態(tài)改變, 其從硅酸鹽礦物轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸飼r(shí)顯然將引起與之結(jié)合的氧離子數(shù)的變化, 故該方法誤差大小具有不確定性。

而穩(wěn)定元素法是假設(shè)風(fēng)化前后某元素沒(méi)有發(fā)生明顯變化, 即該元素的絕對(duì)含量保持相對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)比體系變化前后該元素相對(duì)含量的變化, 確定出校正因子, 進(jìn)而對(duì)其他元素的含量進(jìn)行校正。這類(lèi)元素有Ti[20](或其他HFSE)、Cr和V等。這種方法在實(shí)際應(yīng)用中可操作性較強(qiáng)。根據(jù)風(fēng)化前后體系中這些元素相對(duì)含量的變化, 可計(jì)算出體系發(fā)生的相對(duì)質(zhì)量及相對(duì)體積的變化。以此為基礎(chǔ), 計(jì)算出土壤樣品中其他元素相對(duì)于原巖質(zhì)量及體積的相對(duì)含量。通過(guò)對(duì)比元素的原巖相對(duì)含量和土壤相對(duì)含量之間的變化, 分析其在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中地球化學(xué)行為[4]。

3.2 Ti與Cr元素法對(duì)比

3.2.1 Ti元素法

研究表明, Ti在風(fēng)化蝕變過(guò)程中能保持相對(duì)穩(wěn)定[21], 故可選擇Ti作為計(jì)算參照元素。

對(duì)于不同風(fēng)化程度的土壤(或半風(fēng)化巖石)樣品,其元素含量改變量的計(jì)算公式為:

表2 峽東閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面主元素(%)和微量元素組成(μg/g)Table 2 Major elements? composition (%) and trace elements? composition (μg/g) profiles of weathered dioritic rocks in the eastern Three Gorges

表3 峽東閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面Sr-Nd同位素組成Table 3 Sr-Nd isotopic composition profiles of weathered dioritic rocks in the eastern Three Gorges

式中:AjC 和OjC 分別為元素 j在風(fēng)化土壤和基巖中的含量,ARefC 和ORefC 分別為風(fēng)化過(guò)程中相對(duì)穩(wěn)定的參考元素, 即Ti元素在風(fēng)化土壤和基巖中的含量。當(dāng)μ＞0時(shí), 表示元素發(fā)生富集作用, 存在外來(lái)元素的凈加入; 當(dāng)μ＜0時(shí), 表示元素凈遷出, 即發(fā)生虧損作用; 當(dāng) μ≈0時(shí), 表示元素在風(fēng)化作用過(guò)程中其凈含量沒(méi)有明顯的改變。

3.2.2 Cr元素法

由晶體場(chǎng)理論可知, 作為第一過(guò)渡族元素的 Cr在巖石的風(fēng)化作用過(guò)程中可保持相對(duì)穩(wěn)定。類(lèi)似地,對(duì)于不同風(fēng)化階段的土壤(或半風(fēng)化巖石), 元素含量改變量的計(jì)算公式為:

式中:和分別為元素j在風(fēng)化土壤和基巖中的含量,和分別為風(fēng)化過(guò)程中相對(duì)穩(wěn)定的參考元素, 即Cr元素在風(fēng)化土壤和基巖中的含量。

3.2.3 Ti元素法和Cr元素法的比較

圖7對(duì)比了兩元素標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)不同性質(zhì)元素活動(dòng)性的計(jì)算結(jié)果。由剖面1和2的蛛網(wǎng)圖(圖7a—圖7d)可見(jiàn), Cr元素法中各微量元素比Ti元素法中各微量元素呈現(xiàn)更明顯的富集或虧損趨勢(shì), 并且剖面 2 Cr元素法中微量元素都呈現(xiàn)富集狀態(tài), 這顯然不合理。由剖面 3的蛛網(wǎng)圖(圖7e—圖 7f)可見(jiàn), Cr元素法中各微量元素比Ti元素法中各微量元素呈現(xiàn)更明顯的貧化趨勢(shì), 而Cr元素法中微量元素幾乎都呈貧化狀態(tài), 這同樣不合理。本文認(rèn)為, 導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能并不是指示 Cr本身在風(fēng)化過(guò)程中具有明顯的活動(dòng)性, 而是ICP-MS的測(cè)量過(guò)程中, Cr的測(cè)量誤差較大, 通?？纱笥?10%[22], 故不適合作參照元素。反之, 作為常量元素的Ti具有較高的分析精度,是進(jìn)行元素活動(dòng)性計(jì)算的理想?yún)⒖荚亍?/p>

表4 峽東閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面Sr-Nd同位素計(jì)算參數(shù)Table 4 Sr-Nd isotopic parameter of weathered dioritic rock profiles in the eastern Three Gorges

圖7 峽東地區(qū)閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面元素的Cr含量標(biāo)準(zhǔn)化圖和Ti含量標(biāo)準(zhǔn)化圖Fig.7 Cr-normalized and Ti-normalized diagrams of the weathered dioritic rock profiles in the eastern Three Gorges(a)和(b)、(c)和(d)及(e)和(f)分別是風(fēng)化剖面1、2和3的Cr和Ti含量標(biāo)準(zhǔn)化圖

4 風(fēng)化剖面元素地球化學(xué)特征

4.1 主元素

元素在剖面中的遷移速率 m: 即各層某一化學(xué)元素含量(%)與新鮮基巖同一元素含量(%)之比值(表5)。在化學(xué)全量及遷移率分析的基礎(chǔ)上, 詳細(xì)計(jì)算了不同地貌部位各風(fēng)化層的化學(xué)元素遷移特征值和強(qiáng)度。在計(jì)算遷移特征值時(shí)主要選取的風(fēng)化系數(shù)有: (1)硅鋁系數(shù) SiO2/Al2O3; (2)鋁鐵系數(shù) Al2O3/Fe2O3; (3)堿金屬淋溶系數(shù)(K2O+Na2O)/Al2O3; (4)堿土金屬淋溶系數(shù)(CaO+MgO)/Al2O3; (5)鹽基總量淋溶系數(shù)(K2O+Na2O+CaO+MgO)/Al2O3等系數(shù)[23]。

風(fēng)化殼的化學(xué)組分主要是Si、Al的氧化物, 約占總量的80% (表2)。然而, 由于所處的地貌位置不同, 化學(xué)元素的遷移各有差異。由表5可見(jiàn): (1)SiO2、Al2O3、Fe2O3剖面1中脫硅過(guò)程微弱, 幾乎不變; 剖面2和3中SiO2均呈富集狀態(tài), 其中剖面2中較明顯。Al2O3的淋失程度較弱, 變幅微弱。在三個(gè)風(fēng)化殼剖面中, Fe2O3均呈淋失狀態(tài), 其中剖面2變化最明顯。(2)在三個(gè)剖面中, 堿土金屬CaO和MgO含量總的變化趨勢(shì)是處于淋失狀態(tài), 剖面 1和 3中淋失程度相當(dāng), 剖面 2中淋失程度最大。(3)三個(gè)剖面中, 堿金屬 K2O總的趨勢(shì)處于富集狀態(tài)。堿金屬Na2O的含量變化復(fù)雜, 在剖面1中呈現(xiàn)富集的趨勢(shì);而在剖面2和3中卻趨于減少, 規(guī)律明顯。

表5 峽東地區(qū)閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面化學(xué)元素遷移率mTable 5 Element mobility along the weathered dioritic rock profiles in the eastern Three Gorges

不同地貌部位風(fēng)化殼不同層次的各風(fēng)化系數(shù)表明了不同地貌部位風(fēng)化殼發(fā)育的差異性。由表 6可知, 各系數(shù)有以下規(guī)律: (1)硅鋁系數(shù)SiO2/Al2O3: 在三個(gè)地貌位置的風(fēng)化殼剖面中, 從下往上均大概呈逐漸增加的趨勢(shì), 這可能與黏土礦物有關(guān)。(2)鋁鐵系數(shù) Al2O3/Fe2O3: 在三個(gè)地貌位置的風(fēng)化殼剖面中,各剖面內(nèi)從下往上相差不大(＜25%)。(3)堿金屬淋溶系數(shù)(K2O+Na2O)/Al2O3: 在三個(gè)地貌位置的風(fēng)化殼剖面中, 堿金屬均基本不變。(4)堿土金屬淋溶系數(shù)(CaO+MgO)/Al2O3: 在三個(gè)地貌位置的風(fēng)化殼剖面中, 從下向上均呈遞減規(guī)律。(5)鹽基總量的淋溶系數(shù)(RO+R2O)/Al2O3: 在三個(gè)地貌位置的風(fēng)化殼剖面中, 從下向上呈逐漸減少之趨勢(shì)。

化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)(表 7)可對(duì)風(fēng)化層經(jīng)歷的地表化學(xué)風(fēng)化的蝕變強(qiáng)度進(jìn)行指示[24]。三個(gè)剖面樣品從母巖向上到表土層, 即從D層到A層, 化學(xué)蝕變指數(shù)逐漸升高, 指示樣品化學(xué)風(fēng)化程度明顯增強(qiáng)(表8、圖8)?；瘜W(xué)風(fēng)化指數(shù)(CIW)(表7)可對(duì)風(fēng)化層經(jīng)歷的地表化學(xué)風(fēng)化的風(fēng)化強(qiáng)度進(jìn)行指示[25]。三個(gè)剖面樣品從母巖向上到表土層, 即從 D層到 A層,化學(xué)風(fēng)化指數(shù)逐漸升高, 指示樣品化學(xué)風(fēng)化程度明顯增強(qiáng)(表8、圖9)。

表6 峽東地區(qū)閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面風(fēng)化系數(shù)Table 6 Weathering indices of the weathered profiles of dioritic rocks in the eastern Three Gorges

表7 歸一化的化學(xué)風(fēng)化指數(shù)[26-27]Table 7 Normalized chemical weathering indices[26?27]

用不活動(dòng)元素(Ti)作參考元素對(duì)其他元素的活動(dòng)性進(jìn)行觀察, 結(jié)果表明, 隨著風(fēng)化程度的增強(qiáng), Ca整體上含量大致降低, 一定程度上反映了斜長(zhǎng)石的風(fēng)化; K含量隨風(fēng)化程度增大, 可能與含K粘土礦物形成和對(duì)K的交換吸附有關(guān), 但K的變化幅度不大;Mg整體上含量大致降低, 指示Mg主要受到了溶解作用的影響, 剖面表層即 A層強(qiáng)烈的淋濾作用最終導(dǎo)致Mg的流失; Na在基巖即D層中含量較低, C層較D層含量高, 并且從C層向上到A層含量大致降低, 大致呈現(xiàn)中間高兩頭低的趨勢(shì), 由于Na表生地球化學(xué)性質(zhì)較Ca、Mg和K等容易淋失元素, 即比其他主元素更活潑, 因而更容易淋失; P在基巖即D層中含量較低, 從C層到B層開(kāi)始迅速下降, 說(shuō)明原生礦物(如磷灰石)分解釋放P, 而剖面從B層到A層含量的升高, 這可能與次生磷酸鹽的形成及有機(jī)質(zhì)的增多有關(guān); Si含量最初在D層較低, 而從C層到B層迅速下降, 中等風(fēng)化程度時(shí)即B層到A層含量又有所升高; 剖面中總Fe和Mn的含量都較為穩(wěn)定, 可能與形成難遷移鐵錳氧化物有關(guān), 說(shuō)明風(fēng)化過(guò)程中Mn、Fe與Ti一樣屬于穩(wěn)定性元素[28?29]?？梢?jiàn), 峽東地區(qū)閃長(zhǎng)巖風(fēng)化過(guò)程中主要化學(xué)組分的活動(dòng)性順序?yàn)? Na、Ca ＞ Si、P ＞ Mg、K ＞ Al ＞ Fe(三價(jià) Fe)、Mn、Ti, 其中 Mn、Fe和 Ti基本上有效保留于風(fēng)化殘余物中。

表8 峽東地區(qū)閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面化學(xué)蝕變指數(shù)和化學(xué)風(fēng)化指數(shù)Table 8 CIA and CIW values of the weathered profiles of dioritic rocks in the eastern Three Gorges

圖8 峽東閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面化學(xué)蝕變指數(shù)CIA變化趨勢(shì)圖Fig.8 CIA diagram of the weathered profiles of dioritic rocks in the eastern Three Gorges

圖9 峽東閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面化學(xué)風(fēng)化指數(shù)CIW變化趨勢(shì)圖Fig.9 CIW diagram of the weathered profiles of dioritic rocks in the eastern Three Gorges

4.2 微量元素

不同風(fēng)化剖面 Ti元素標(biāo)準(zhǔn)化后的元素活動(dòng)性蛛網(wǎng)圖示于圖 7?？傮w上, 風(fēng)化過(guò)程中 Sc、V 和REE(包括Y)相對(duì)穩(wěn)定, Sc和V有較小程度的貧化趨勢(shì), 而 REE(包括 Y)在剖面 1中基本沒(méi)有含量變化, 但在剖面 2、3中相對(duì)地有較低程度的富集趨勢(shì)。親硫元素Cu和Zn在三個(gè)風(fēng)化剖面中均表現(xiàn)出不明顯的元素含量變化; 而親硫元素 Pb存在一定程度的富集趨勢(shì), 但在風(fēng)化殼剖面2、3表層高度富集, 可能是外來(lái)Pb(如大氣沉降)加入的結(jié)果; Mo在三個(gè)風(fēng)化剖面中也均表現(xiàn)出不太明顯的元素含量變化。大離子親石元素 Sr在三個(gè)風(fēng)化剖面中均表現(xiàn)出不明顯的元素含量變化, 表層有一定程度的貧化趨勢(shì), 可見(jiàn)Sr與Ca行為相似, 易隨斜長(zhǎng)石的風(fēng)化而淋失[4]; Ba在剖面1、3中的變化不明顯, 在剖面2中表現(xiàn)出較明顯的富集, Ba的含量受剖面中原生礦物的分解釋放和次生黏土礦物的吸附滯留兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程的共同控制, 剖面1、3中的Ba也不是很活潑, 除與剖面本身發(fā)育程度不高及原生礦物未完全分解有關(guān)外, 黏土礦物的交換吸附, 可能也是一個(gè)關(guān)鍵的影響因素, 而剖面 2中 Ba較明顯富集, 可見(jiàn)其剖面發(fā)育程度較高; Rb在剖面1中的變化不明顯, 在剖面2、3中均表現(xiàn)出較明顯的元素富集, Rb的含量同樣受剖面中原生礦物的分解釋放和次生粘土礦物的吸附滯留兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程的共同控制, 剖面1中的Rb相對(duì)穩(wěn)定, 除與剖面本身發(fā)育程度不高及原生礦物未完全分解有關(guān)外, 黏土礦物的交換吸附, 可能也是一個(gè)關(guān)鍵的影響因素,而剖面2、3中Rb富集明顯, 可能與剖面發(fā)育程度較高有關(guān)。而高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSE)Nb、Ta在剖面1、3中的變化不明顯, 在剖面 2中表現(xiàn)出較明顯的元素富集; Zr、Hf在剖面1中表現(xiàn)不明顯的變化, 在剖面2、3中表現(xiàn)出一定程度的元素富集; 可見(jiàn)Zr、Hf、Nb、Ta因主要存在于難風(fēng)化的重礦物中而得以保留。U屬于變價(jià)元素, 在風(fēng)化環(huán)境中易氧化而遷移, 在剖面1、3中表現(xiàn)出不明顯的貧化趨勢(shì), 在剖面 2中表現(xiàn)出一定程度的元素富集。鐵族元素Cr、Ni的行為與Fe相似, 受氧化物控制[4], 在剖面1、2中表現(xiàn)出不明顯的貧化趨勢(shì), 在剖面3中表現(xiàn)出一定程度的元素富集[28?29]。顯然, 親硫元素的含量變化應(yīng)與基巖化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中硫化物等礦物的氧化和次生富集有關(guān), 而大離子親石元素的含量變化應(yīng)主要與長(zhǎng)石、云母和粘土化有關(guān), 高場(chǎng)強(qiáng)元素主要賦存在鋯石、榍石和金紅石等副礦物中, 在地表風(fēng)化條件較為穩(wěn)定。

4.3 稀土元素特征

4.3.1 稀土元素分異與分布模式

稀土元素的地球化學(xué)性質(zhì)極為相似且相對(duì)穩(wěn)定,一般在風(fēng)化殼富集, 在弱蝕變條件下基巖通?？杀３制銻EE組成特征。但是在基巖風(fēng)化形成土壤的過(guò)程中, REE相對(duì)于原巖土壤的REE組成則發(fā)生了不同程度的變化。一般認(rèn)為, 在巖石強(qiáng)烈風(fēng)化過(guò)程中重稀土(HREE)較輕稀土(LREE)更易在溶液中形成重碳酸鹽和有機(jī)絡(luò)合物而優(yōu)先被溶解遷移, 而 LREE則被粘土優(yōu)先吸附, 使輕重稀土元素發(fā)生分異, 即輕稀土元素相對(duì)富集而重稀土元素相對(duì)虧損[11,30?33]。

圖 10為各剖面稀土元素球粒隕石和母巖的標(biāo)準(zhǔn)化模式圖。由圖可見(jiàn), 剖面內(nèi)各風(fēng)化層之間均具有十分相似的稀土元素分布模式曲線, 包括 δEu、δCe、ΣREE和(La/Yb)N。剖面 1和 2的母巖(基巖)標(biāo)準(zhǔn)化圖顯示 LREE相對(duì)虧損, 而剖面 3則表現(xiàn)為L(zhǎng)REE的相對(duì)富集, 指示其風(fēng)化過(guò)程受到了重碳酸鹽溶液和有機(jī)絡(luò)合物相對(duì)明顯的影響。ΣREE值由剖面1至3其變化范圍分別是78.5 ～110、93.5～151和101～112 μg/g, 球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化(La/Yb)N比值由剖面1至 3其變化范圍分別是 8.14～12.8、4.94～8.41和4.48～6.78。

4.3.2 Ce和Eu的地球化學(xué)特征

Ce和 Eu作為變價(jià)稀土元素, 在風(fēng)化作用過(guò)程中其地球化學(xué)行為受到環(huán)境氧化還原性質(zhì)的影響。在三個(gè)風(fēng)化剖面樣品中, 均呈現(xiàn)δEu＜1, 由剖面1至3其變化范圍分別是 0.78～0.89、0.71～0.74和0.72～0.77, 并且在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布模式圖中呈現(xiàn)Eu負(fù)異常的“V”字型模式曲線。其中剖面1的Eu負(fù)異常相對(duì)較弱, 而剖面2和3的Eu負(fù)異常相對(duì)較明顯。值得注意的是, 由基巖(D)至風(fēng)化層頂層(A)呈現(xiàn)δEu值逐漸下降的趨勢(shì)(剖面1為0.89→0.78、剖面 2為 0.74→0.71和剖面 3為 0.77→0.72), 指示風(fēng)化過(guò)程中相對(duì)富集 Eu的礦物斜長(zhǎng)石優(yōu)先蝕變并流失[26]。三個(gè)剖面樣品中均呈現(xiàn) δCe＜1特征, 由剖面 1至 3其變化范圍分別是 0.88～0.94、0.92～1.00和 0.89～0.99, 同樣地, 由基巖(D)至風(fēng)化層頂層(A)呈現(xiàn) δCe值逐漸下降的趨勢(shì), 即剖面 1為0.93→0.88、剖面 2為 1.0→0.92和剖面 3為0.99→0.89。該現(xiàn)象顯然指示了風(fēng)化過(guò)程中部分 Ce氧化成+4價(jià), 并呈可溶絡(luò)合物態(tài)溶解流失。

5 Sr-Nd同位素特征

5.1 鍶同位素

元素Rb和 Sr分屬堿金屬和堿土金屬, 如前文所述, 其在表生條件下具有較強(qiáng)的活動(dòng)性。各風(fēng)化剖面基巖和不同風(fēng)化層鍶同位素的現(xiàn)今和初始比值示于圖11。

圖10 峽東閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面風(fēng)化層稀土元素的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布模式圖和母巖標(biāo)準(zhǔn)化圖Fig.10 REE chondrite-normalized and bedrock-normalized diagrams of the weathered profiles of dioritic rocks in the eastern Three Gorges

圖11 峽東閃長(zhǎng)巖剖面不同層位鍶同位素比值變異圖Fig.11 Sr isotopic ratio of different layers from the weathered profiles of dioritic rocks in the eastern Three Gorges

在三個(gè)剖面中, 鍶同位素比值均發(fā)生了變化,由剖面 1至 3其變化范圍分別是 0.7069～0.7075、0.7059～0.7078 和 0.7053～0.7068。這不僅表明各基巖樣品本身具有不同的鍶同位素組成, 且風(fēng)化過(guò)程也導(dǎo)致了鍶同位素比值的變化。除剖面1中的C層樣品外(圖 11a, 圖 11b), 其余樣品均顯示出由基巖向上, 其現(xiàn)今和初始鍶同位素比值均呈逐漸升高的趨勢(shì)。值得注意的是, 這種升高的趨勢(shì)同時(shí)伴隨樣品87Rb/86Sr(Rb/Sr)比值的增高。因此, 風(fēng)化過(guò)程已經(jīng)導(dǎo)致了各風(fēng)化層Rb-Sr同位素體系的開(kāi)放, 即Rb的相對(duì)富集, 而初始鍶同位素比值由基巖向上至各風(fēng)化層所顯示出的增高趨勢(shì), 也指示了存在高放射成因Sr的加入。剖面1中C層樣品明顯偏低的鍶同位素比值可能與其原巖為基性暗色包體有關(guān)(圖11b)。

5.2 釹同位素

5.2.1 釹同位素特征

各風(fēng)化剖面基巖和不同風(fēng)化層釹同位素的現(xiàn)今和初始比值示于圖12。三個(gè)剖面不同程度風(fēng)化層中釹同位素比值均發(fā)生了變化, 由剖面 1至 3其變化范圍分別 0.511625～0.511728、0.511752～0.511852和0.511773～0.511874。這不僅表明各基巖樣品本身具有不同的釹同位素組成, 且風(fēng)化過(guò)程也導(dǎo)致了釹同位素比值的變化。除剖面 3中樣品外(圖 12e, 圖12f), 其余樣品風(fēng)化層現(xiàn)今和初始釹同位素比值相對(duì)于基巖均呈現(xiàn)較低的趨勢(shì)。值得注意的是, 樣品風(fēng)化層147Sm/144Nd(Sm/Nd)比值相對(duì)于基巖呈現(xiàn)較高的趨勢(shì)。由于風(fēng)化作用發(fā)生于現(xiàn)代, 且147Sm的半衰期較長(zhǎng), 因此, 由基巖至風(fēng)化層釹同位素比值逐漸降低的趨勢(shì)應(yīng)是外來(lái)低放射成因Nd加入的結(jié)果,而非 Sm/Nd比值改變后放射性積累速度的變化所致。剖面1、2中風(fēng)化層相對(duì)于基巖發(fā)生了Sm、Nd貧化, 而剖面3中風(fēng)化層相對(duì)于基巖存在Sm和Nd外來(lái)加入。

5.2.2 釹模式年齡

表4中列出了樣品的釹同位素二階段模式年齡T2DM。剖面1、2、3的釹模式年齡分別為1.96～2.17、1.85～2.08和1.93～2.03 Ga, 在誤差范圍內(nèi)基本相同,表明風(fēng)化層的釹同位素模式年齡可基本指示基巖的特征[35?38]。

5.2.3 εNd(t)- εSr(t)關(guān)系圖

圖13為閃長(zhǎng)巖εNd(t)-εSr(t)關(guān)系圖。樣品落在第Ⅳ象限。剖面 1的 εSr(t)變化范圍為 9.9～23.1, εNd(t)變化范圍為?11.6～?8.5;剖面 2的 εSr(t)變化范圍為9.6～15.2, εNd(t)變化范圍為?10.4～?7.00; 剖面 3 的εSr(t)變化范圍為 11.7～14.6, εNd(t)變化范圍為?9.6～?8.1。可見(jiàn), 相對(duì)于基巖, 不同風(fēng)化層εSr和εNd值的變化范圍擴(kuò)大, 且εNd值總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

6 結(jié) 論

(1)主元素的 Ti是元素活動(dòng)性計(jì)算的理想?yún)⒖荚? 表征風(fēng)化更準(zhǔn)確。

(2)母巖向上至風(fēng)化層, 即從D層到A層, 風(fēng)化層的化學(xué)蝕變指數(shù)和化學(xué)風(fēng)化指數(shù)呈逐漸升高的趨勢(shì); 隨著風(fēng)化程度的增強(qiáng), 峽東地區(qū)閃長(zhǎng)巖風(fēng)化過(guò)程中主要化學(xué)組分的活動(dòng)性順序?yàn)? Na、Ca ＞ Si、P ＞Mg、K ＞ Al ＞ Fe(三價(jià) Fe)、Mn、Ti, 其中 Mn、Fe和Ti基本保持穩(wěn)定。

圖12 峽東閃長(zhǎng)巖剖面不同層位釹同位素比值變異圖Fig.12 Nd isotopic ratio of different layers from the weathered profiles of dioritic rocks in the eastern Three Gorges

圖13 峽東閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面εNd(t)-εSr(t)關(guān)系圖Fig.13 εNd(t)-εSr(t) diagram of the weathered profiles of dioritic rocks in the eastern Three Gorges

(3)風(fēng)化過(guò)程中, Zr、Hf、Sc、V 和 REE(包括 Y)相對(duì)穩(wěn)定, 且親硫元素Cu、Mo和Zn變化也不明顯,親硫元素Pb具一定程度的富集趨勢(shì), 大離子親石元素Sr、Ba和Rb的變化在不同剖面表現(xiàn)出不同行為。

(4)風(fēng)化層中剖面1和2的LREE發(fā)生了相對(duì)虧損, 而剖面3的LREE發(fā)生了相對(duì)富集; 由基巖(D)至風(fēng)化層頂層(A), 呈現(xiàn)δEu值和δCe逐漸下降的趨勢(shì), 指示風(fēng)化過(guò)程中相對(duì)富集Eu的礦物斜長(zhǎng)石優(yōu)先蝕變并流失, 以及氧逸度增高導(dǎo)致部分Ce氧化成+4價(jià), 并呈可溶絡(luò)合物態(tài)溶解流失。

(5)風(fēng)化過(guò)程已經(jīng)導(dǎo)致了各風(fēng)化層Rb-Sr同位素體系的開(kāi)放, 初始鍶同位素比值隨風(fēng)化程度顯示出比值增高的趨勢(shì), 并存在外來(lái)高放射成因Sr的加入;隨風(fēng)化程度的增加, 樣品的釹同位素比值則呈降低趨勢(shì), 指示外來(lái)低放射成因Nd加入的結(jié)果; 相對(duì)于基巖, 不同風(fēng)化層 εSr和 εNd值的變化范圍擴(kuò)大, 且εNd值總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 但在誤差范圍內(nèi)基本相同,表明風(fēng)化層的 Nd同位素模式年齡可基本指示基巖的特征。

主元素、微量元素和同位素分析在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和同位素實(shí)驗(yàn)室完成, 在此深表謝意！

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