基于化學(xué)蝕變指數(shù)的湟水河流域化學(xué)風(fēng)化分析

摘要以青海省湟水河表層沉積物為研究對(duì)象，選取該河流沉積物常量元素含量、CIA風(fēng)化程度指數(shù)，通過(guò)與大陸殼表層、黃土相關(guān)元素的對(duì)比，分析了湟水河流域地表化學(xué)風(fēng)化程度。結(jié)果表明，湟水河沉積物富Ca、Al，而K在全流域含量變化小，與大陸殼表層含量基本一致，表明湟水河流域地表物質(zhì)化學(xué)風(fēng)化程度低，處于飽和硅鋁階段早期（即脫Ca、Na階段），地表的物理風(fēng)化強(qiáng)于化學(xué)風(fēng)化；CIA值大致反映了化學(xué)風(fēng)化的程度，在中游段CIA低，上游和下游段CIA較高，具有相對(duì)稍強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化過(guò)程。

關(guān)鍵詞湟水河流域；化學(xué)蝕變指數(shù)；化學(xué)風(fēng)化過(guò)程；常量元素含量；風(fēng)化階段

中圖分類號(hào)S181.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）12-03632-03

作者簡(jiǎn)介陳宗顏（1978-），男，青海西寧人，講師，碩士，從事資源開(kāi)發(fā)、生態(tài)環(huán)境演化與保護(hù)研究。

地表巖土體的風(fēng)化是改變地表形態(tài)和特征最常見(jiàn)的地質(zhì)營(yíng)力之一，它是多種因素綜合作用的結(jié)果， 也是其理化特性的綜合反映。通?？梢詮奈锢怼⒒瘜W(xué)、生物等方面的指標(biāo)來(lái)研究其風(fēng)化程度，從母巖到地表巖土體的演化是一個(gè)多因素參與并制約的復(fù)雜過(guò)程。Nesbitt等提出以化學(xué)蝕變指數(shù)（Chemical Alternation Index，CIA）判別源區(qū)化學(xué)風(fēng)化的強(qiáng)度，CIA值能很好地反映物源區(qū)化學(xué)風(fēng)化的情況；CIA 值與長(zhǎng)石風(fēng)化成粘土礦物的程度成正比，與風(fēng)化強(qiáng)度成正比，CIA值越大，風(fēng)化強(qiáng)度越大[1]。原因在于化學(xué)風(fēng)化時(shí)Na、Ca最易遷移、淋失，Mg在強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化時(shí)也易活動(dòng)，而K、Al及Fe元素則多保存在風(fēng)化形成的粘土中而產(chǎn)生聚集，故該參數(shù)可很好地反映化學(xué)風(fēng)化情況。筆者以青海省湟水河表層沉積物為研究對(duì)象，選取該河流沉積物常量元素含量、CAI，通過(guò)與大陸殼表層、黃土相關(guān)元素的對(duì)比，分析了湟水河流域地表化學(xué)風(fēng)化程度，為今后流域生態(tài)環(huán)境治理、水土流失等研究提供可靠參數(shù)，通過(guò)探討化學(xué)風(fēng)化指數(shù)與區(qū)域自然氣候條件的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為區(qū)域風(fēng)化侵蝕程度研究提供參考依據(jù)[2]。

1資料與方法

1.1研究區(qū)概況研究區(qū)位于青海省東部湟水河流域，大部分地區(qū)海拔在2 000～4 000 m。氣候具高原干旱、半干旱大陸性特征，年均氣溫2.8～7.9 ℃，降水量360～540 mm，蒸發(fā)量1 100～1 800 mm，5～9月降水量占年降水量的 81%～88%。流域內(nèi)地層自老至新出露的有寒武系、奧陶系、志留系、二迭系、三迭系、侏羅系、白壟系、第三系及第四系，受大地構(gòu)造控制，地層在空間分布上很不平衡，老地層僅見(jiàn)于流域周邊山地，在褶皺軸部及斷裂附近有侵入巖零散出露。區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)被黃土覆蓋，自西向東黃土厚度增大。區(qū)內(nèi)土壤類型主要為淡栗鈣土，成土母質(zhì)以黃土和沖積次生黃土為主；發(fā)育的植被主要是楊樹(shù)、云杉、披堿草以及次生草甸；地貌過(guò)渡性明顯，以黃土低山丘陵、溝壑為主。水系呈樹(shù)枝狀分布，干流南北兩岸支溝發(fā)育，支溝之間多為黃土或石質(zhì)山梁，地表大部分為疏松的黃土覆蓋于第三系紅層之上，多為現(xiàn)代侵蝕溝。湟水河西寧上游段水化學(xué)類型為HCO3-Ca型，西寧及下游段為HCO3·SO4-Ca·K·Na型，且河水水化學(xué)類型在豐水期和枯水期略有不同[3]。

1.2研究方法為了詳細(xì)了解研究區(qū)化學(xué)風(fēng)化特征，該研究選取湟水河河床沉積物作為研究對(duì)象，沿河道自上而下以5～7 km的間隔共采集了25個(gè)河床沉積物樣品（包括湟水河的支流北川河和南川河沉積物樣品）。樣品在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后，用Axios X射線熒光光譜儀（PW4400）測(cè)試了25個(gè)樣品的常量元素的含量，所有樣品的相對(duì)誤差≤10%。為了方便研究湟水河河床沉積物常量元素分布特征及CIA值變化情況，在此按湟水河流域河流支流發(fā)育狀況、地勢(shì)等不同，將研究區(qū)分為上游、中游、下游和支流段，在每個(gè)流域段將采樣點(diǎn)元素含量按算數(shù)平均法求該區(qū)段的含量，并以此計(jì)算求得樣品的化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA），CIA=[Al2O3/（Al2O3+CaO+K2O+Na2O）]×100。通過(guò)與大陸殼表層元素含量、黃土對(duì)比分析數(shù)值分布特征和規(guī)律，最后就該流域常量元素含量、CIA值與研究區(qū)化學(xué)風(fēng)化的關(guān)系進(jìn)行探討。

2結(jié)果與分析

2.1常量元素分布特征常量元素構(gòu)成了巖石和沉積物的主要化學(xué)成分，它表征沉積物的化學(xué)組成，其含量變化主要受主礦物控制，可以反映沉積物物質(zhì)來(lái)源，故常量元素的含量可以用來(lái)判定沉積物源、環(huán)境、氣候等信息特征，而氣候影響風(fēng)化作用，因此常量元素也通常被用來(lái)指示風(fēng)化作用的強(qiáng)弱[4]。從整個(gè)研究區(qū)來(lái)看，K、Na、Mg、Ca、Al、Si、 Fe等元素在不同的流域段其含量有明顯的差異（圖1）。其中，K的含量在湟水河不同河段的含量變幅較小，與大陸殼表層的含量（UCC）相當(dāng)（大陸殼表層中K的含量分別為3.4%），Na的含量低于UCC（3.9%）；Al、Ca的含量在研究區(qū)變幅較明顯，表現(xiàn)為Al的含量自上游到下游先減少后增加，Ca的含量先增加后減少，Ca、Al的含量均高于UCC含量（Ca為4.2%，Al為15.2%）；Mg的含量變幅小且接近于UCC含量（2.2%）；Si的含量變幅在47.3%～50.3%，低于UCC含量（660%）。湟水河河床沉積物中常量元素含量的變化與流域的風(fēng)化程度、風(fēng)化產(chǎn)物的離子遷移過(guò)程及離子本身的性質(zhì)有關(guān)。

沉積物常量元素含量與黃土的對(duì)比（圖1）發(fā)現(xiàn)，K的含量高于黃土中K含量，但與UCC中含量相當(dāng)，且在上、中、下游段變幅不明顯；Ca的含量高于UCC和黃土中Ca的含量（黃土中Ca含量低于UCC）；Al含量高于UCC和黃土，從上游到下游變化明顯。在湟水河沉積物中，Ca、Al富集明顯，而K、Mg更趨于與大陸殼表層含量相一致，Na表現(xiàn)為虧損。

2.2化學(xué)蝕變指數(shù)的變化通過(guò)對(duì)湟水河河床沉積物化學(xué)蝕變指數(shù)對(duì)比（圖2）發(fā)現(xiàn)，湟水河上游段的化學(xué)風(fēng)化指數(shù)CIA最高，平均值為61.0%；中游段CIA介于50%～55%，平均值為54.2%，其中，多巴較上游稍有降低，至西寧市段達(dá)到最小值；下游段CIA值略高于中游水平，平均值為55.0%，自平安到樂(lè)都略有上升的趨勢(shì)；支流段CIA值由于受采樣點(diǎn)的限制，僅對(duì)北川河和南川河進(jìn)行采樣，結(jié)果顯示北川河的CIA值高于南川河。

從區(qū)域來(lái)看，湟水河流域地貌類型屬于黃土山地丘陵，且在流域范圍內(nèi)變化較小，氣候寒冷干旱，植被少，降水量少，土壤疏松，因此物理風(fēng)化比化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)烈。高含沙量導(dǎo)致較高的沉積速率，大多數(shù)元素在風(fēng)化時(shí)變化較小，基本上繼承了黃土的物質(zhì)組成。湟水河流域CIA值在西寧段達(dá)到最低，且個(gè)別樣品的CIA值低于50%，這與黃土區(qū)CIA值正常分布是不一致的，由于湟水河西寧境內(nèi)設(shè)置了幾道景觀壩，壩體擾亂了正常的河流沉積，加之市區(qū)人類活動(dòng)影響顯著，故西寧段沉積物的CIA值并不是該區(qū)間化學(xué)風(fēng)化極低的指示。

2.3湟水河流域化學(xué)風(fēng)化分析地殼表層的巖石在溫度變化、大氣、水、生物等因素作用下，發(fā)生機(jī)械破壞（物理風(fēng)化）和化學(xué)變化（化學(xué)風(fēng)化或生物化學(xué)風(fēng)化）的作用，物理風(fēng)化作用僅造成巖石的機(jī)械破碎，沒(méi)有成分上的變化，化學(xué)風(fēng)化則使礦物發(fā)生分解，分解出來(lái)的元素有一部分被地表水和地下水帶走，其余部分則成為地表?xiàng)l件下穩(wěn)定的新生礦物。化學(xué)風(fēng)化主要是通過(guò)氧化作用、水化和水解作用、酸的作用、離子交換等方式進(jìn)行的。母巖在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中表現(xiàn)為某些元素的淋濾分散和另外一些元素的殘積富集2個(gè)方面。各種元素按元素的風(fēng)化分異規(guī)律從母巖中分離出來(lái)，為了探明研究區(qū)化學(xué)風(fēng)化程度，在此將該區(qū)化學(xué)風(fēng)化的指標(biāo)與本區(qū)黃土相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比（表1），沉積物中K/Na、K/Ca、Al/Na、Fe/Mg等比值經(jīng)常被用作化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)弱的指標(biāo)，化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)比值高，化學(xué)風(fēng)化弱比值低[5]，原因在于化學(xué)風(fēng)化時(shí)Na、Ca最易遷移、淋失，Mg在強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化時(shí)也易活動(dòng)，而K、Al及Fe元素則多保存在風(fēng)化形成的粘土中而產(chǎn)生聚集。這些參數(shù)的共同運(yùn)用可很好地反映化學(xué)風(fēng)化情況。

一般而言，母巖風(fēng)化具有明顯的階段性，一種原生礦物隨著風(fēng)化程度的加深，通過(guò)一系列中間階段，依次形成一些過(guò)渡性礦物，最后轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物（與最終風(fēng)化環(huán)境取得平衡的生成物）。波雷諾夫根據(jù)元素從風(fēng)化帶中析出的順序[6]，將風(fēng)化過(guò)程分為碎屑階段（物理風(fēng)化為主）、飽和硅鋁階段（游離出K+、Na+、Ca2+、Mg2+）、酸性硅鋁階段（形成高嶺石、三水鋁石等）、鋁鐵土階段（形成紅土或紅粘土）4個(gè)階段。據(jù)楊守業(yè)等研究[7-9]，西北黃土中長(zhǎng)石類礦物的化學(xué)風(fēng)化很弱，僅斜長(zhǎng)石經(jīng)歷了較弱的脫Ca和Na的風(fēng)化過(guò)程，而鉀長(zhǎng)石幾乎沒(méi)變化，仍處于化學(xué)風(fēng)化的早期階段（飽和硅鋁階段早期）。從表1可以看出，湟水河流域不同流域段沉積物的K/Na、Al/Na、Fe/Mg值均低于黃土的比值，K/Ca值高于黃土的比值，這種差異性反映出研究區(qū)化學(xué)風(fēng)化極低，處于飽和硅鋁的初步時(shí)期，Ca、Na從斜長(zhǎng)石中風(fēng)化出來(lái)，大量的K、Mg只是隨著物理搬運(yùn)進(jìn)入沉積物。風(fēng)化產(chǎn)物的元素在淋濾分散和殘積富集過(guò)程中，元素的遷移能力與物理化學(xué)性質(zhì)不完全一致，盡管K、Na的簡(jiǎn)單巖類的溶解度大致相同，但在風(fēng)化帶中Na的遷移能力比K大；鈣鹽和鎂鹽比鈉鹽和鉀鹽難溶，但Ca、Mg的遷移能力大于Na、K，而Al、Fe等遷移能力弱，經(jīng)常殘留原地。

風(fēng)化作用是搬運(yùn)和沉積作用的前提條件，風(fēng)化產(chǎn)物及其他來(lái)源的沉積物，除少部分殘留原地外，大部分被搬運(yùn)到合適的地點(diǎn)沉積。不同的沉積物有不同的沉積作用特點(diǎn)，原始碎屑物質(zhì)和粘土物質(zhì)的搬運(yùn)沉積服從力學(xué)定律，在水和風(fēng)介質(zhì)中均是通過(guò)物理沉積作用形成碎屑和粘土沉積物，而溶解物質(zhì)則服從化學(xué)定律，以化學(xué)沉積作用方式形成沉積物。在干旱半干旱地區(qū)，河谷是最常見(jiàn)的沉積區(qū)域，河谷沉積物可反映流域風(fēng)化程度和特征。溶解物質(zhì)可以呈膠體溶液或真溶液被搬運(yùn)，這與物質(zhì)的溶解度有關(guān)，如Al、Fe、Si、Mn的氧化物難溶于水，常呈膠體溶液搬運(yùn)，而Ca、Na、Mg的巖類則呈真溶液搬運(yùn)。一般認(rèn)為控制沉積物組成的因素主要包括源巖（流域巖石組成）、構(gòu)造及氣候影響的化學(xué)風(fēng)化與物理風(fēng)化、水動(dòng)力作用、沉積盆地地形、沉積環(huán)境、沉積介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)、成巖及變質(zhì)作用等。研究區(qū)盡管有較老的巖層出露，但大部分被黃土覆蓋且黃土厚度大，可以推斷沉積物更多地繼承了黃土中多數(shù)元素的組成特征，與出露的基巖相關(guān)性不高。黃土的礦物成分以石英（約占黃土礦物總質(zhì)量的50%）、長(zhǎng)石（約占黃土礦物總質(zhì)量的20%）、碳酸鹽類礦物（約占黃土礦物總質(zhì)量的10%）和粘土礦物（包括高嶺石類、伊利石類和蒙脫石類，約占黃土礦物總質(zhì)量的10%）為主[4]。通過(guò)與黃土、大陸表層含量的對(duì)比（圖1）發(fā)現(xiàn)，該區(qū)河流沉積物中Ca、Al相對(duì)富集，Na虧損，Mg、K含量與大陸殼表層含量基本保持一致。由于較弱的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度與處于化學(xué)風(fēng)化的初級(jí)階段（脫Ca、Na階段），黃土中斜長(zhǎng)石風(fēng)化，而鉀長(zhǎng)石未開(kāi)始風(fēng)化或風(fēng)化極少，這從K的含量與大陸殼表層含量基本一致可以得出結(jié)論。斜長(zhǎng)石的風(fēng)化產(chǎn)生Ca、Na元素，而Na易流失，故Ca富集于沉積物中，研究區(qū)中下游大量蒸發(fā)巖（石膏、芒硝等）分布較多，且經(jīng)流失侵蝕后大量出露，Ca的富集與此也有關(guān)系，Mg的遷移能力較強(qiáng)，Al和Fe等遷移能力弱，故殘積源地或隨著物理搬運(yùn)進(jìn)行再次沉積，造成Al的富集。這與表1和圖1顯示的結(jié)果相吻合。

3結(jié)論與討論

（1）通過(guò)對(duì)湟水河流域不同流域段河床沉積物常量元素分析和CIA研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)，黃土風(fēng)化基本代表了流域表層物質(zhì)的化學(xué)風(fēng)化，化學(xué)風(fēng)化處于初級(jí)階段（即脫Ca、Na階段），化學(xué)風(fēng)化較弱，表層物質(zhì)的物理風(fēng)化明顯強(qiáng)于化學(xué)風(fēng)化；湟水流域CIA值大致反映了化學(xué)風(fēng)化的程度，在中游段CIA低，上游和下游段CIA明顯較高，具有更強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化過(guò)程；流域不同地貌單元內(nèi)元素的遷移、富集和流失，與化學(xué)風(fēng)化有關(guān)，其對(duì)沉積物中元素貢獻(xiàn)率的大小有待深入研究。

（2）水動(dòng)力作用也會(huì)影響沉積物的元素含量，所以不能單純地用元素含量比值進(jìn)行化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)弱的判斷，文中西寧段湟水河的水動(dòng)力條件受人工建造物的影響就是一個(gè)典型例證。除此之外，沉積地形和環(huán)境、沉積介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)等其他條件、河流沉積區(qū)若有地下水出露，肯定會(huì)影響到沉積物的元素含量，這些因素在以后的研究中予以重視。干旱半干旱區(qū)，開(kāi)展沉積物風(fēng)化研究，可為研究生態(tài)環(huán)境治理的成效、流域水土流失的質(zhì)和量提供參考依據(jù)。

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