北京市淺層沉積物沉積特征分析

劉凱+郭高軒+謝振華+李志萍+劉穎超+寇文杰

摘要：北京市平原區(qū)地下水系統(tǒng)劃分為3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域地下水系統(tǒng)，選取其中典型的永定河及潮白河水系進(jìn)行分析，通過(guò)17個(gè)取樣點(diǎn)不同深度的83組樣品的礦物成份、粘土礦物成份、常量元素及微量元素分析其沉積環(huán)境及沉積特征。通過(guò)聚類分析、礦物組合和風(fēng)化程度計(jì)算，確定了兩大水系沉積特征既有相同點(diǎn)，又有差異性。首先用聚類分析半定量分析出兩大系統(tǒng)的相同點(diǎn)和差異性，通過(guò)風(fēng)化程度計(jì)算出潮白河系統(tǒng)松散沉積物風(fēng)化程度大于永定河系統(tǒng)。其次通過(guò)礦物成分衍射實(shí)驗(yàn)證明兩條剖面主要沉積物礦物成分及其中粘土礦物類型均相同，兩條剖面均處于河流沉積環(huán)境且水分條件優(yōu)越，其中永定河剖面方解石及白云石百分含量和高于潮白河，潮白河剖面角閃石百分含量高于永定河。再次通過(guò)巖石化學(xué)成分分析兩條剖面常量元素、微量元素主要類型相同，根據(jù)不同元素組合定量分析永定河及潮白河淺層松散沉積物差異性沉積特征。最后使用半定量、定量方法綜合分析了Y6、Y14取樣點(diǎn)沉積環(huán)境的典型性特征。這些方法的應(yīng)用為河流沉積時(shí)序、古河道變遷提供了最直接的量化證明，為地下水系統(tǒng)劃分、地下水系統(tǒng)邊界確定提供了最有利最直接的證據(jù)，也將為未來(lái)水化學(xué)場(chǎng)研究、水資源合理開發(fā)利用等提出新的思路和方法。

關(guān)鍵詞：永定河；潮白河；沉積特征； 聚類分析；礦物成分

中圖分類號(hào)：P641文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

1672-1683（2015）001-0188-04

The characteristics analysis of shallow sediments

LIU Kai，GUO Gao-xuan，XIE Zhen-hua，LI Zhi-ping，LIU Ying-chao，KOU Wen-jie

（Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology，Beijing 100195，China）

Abstract：The beijing plain groundwater system is divided into three relatively independent groundwater subsystem，this study analyzes the sedimentary environment and sedimentary characteristics of the typical profile in the Yongding river and the Chaobai river by the mineral composition，clay mineral composition，major elements and the trace elements of the 83 different depth samples in 17 sampling points.In this paper，the similarities and difference of two systems was determined by clustering analysis，typical mineral assemblage method and weathering degree method.Firstly semi-quantitative analysis the similarities and difference of the typical systems，the weathering degree of Chaobai river was calculated much more bigger than the Yongding river.Then it was found by XRD that the the mineral composition and the clay mineral component are same in the two systems，also they are blong to the fluvial deposit environment and they have a sufficient hydrodynamic condition.The sum of calcspar and dolomite in Yongding river is more than Chaobai river，but the hornblende is less than the Chaobai river.The two systems have the same major elements and trace elements，then quantitative analyzes the sedimentary characteristics differences between the systems by the different element associations.Finally determines the typical sedimentary characteristics in sampling points Y6 and Y14.The result of study is significant for the study of evolution，vicissitudes and identification of ancient river source，and the application of these methods provide the most direct quantitative proof on division and boundary confirmationof groundwater systems，at the same time this article puts forward a new method of hydrogeochemical environment analysis and the reasonable exploitation of water resource.endprint

Key words：Yongding river；Chaobai river；sedimentary characteristics；cluster analysis；the mineral composition

北京地處華北平原北部，地形西北高、東南低，西部和北部山脈屬太行山脈和燕山山脈，市區(qū)位于向東南傾斜的沖洪積平原上。根據(jù)北京市平原區(qū)水系及其河流沖洪積扇的分布特征，整體上將北京市平原區(qū)地下水系統(tǒng)劃分為3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域地下水系統(tǒng)[1]（見圖1），本文選取永定河水系和潮白河水系兩大典型水系分析淺層沉積特征分析，闡述兩大水系沉積環(huán)境，為地下水化學(xué)特征及地下水系統(tǒng)邊界驗(yàn)證、古河道變遷、水資源合理開發(fā)利用等提供了直接的科學(xué)依據(jù)。

永定河及潮白河兩條典型剖面上由于河流流經(jīng)母巖區(qū)性

圖1北京市平原區(qū)地下水系統(tǒng)及取樣點(diǎn)分布

質(zhì)不同，其沉積環(huán)境各有差異，其各自沉積環(huán)境造就典型剖面的風(fēng)化及組合特征、沉積物的搬運(yùn)特征等各有差異[2-4]。永定河主要流經(jīng)西山，西山屬太行山脈，地表組成物質(zhì)以石灰?guī)r類為主，其次是火山碎屑巖類；石灰?guī)r風(fēng)化主要是化學(xué)溶解作用，風(fēng)化后土層較薄，稍黏、鈣質(zhì)豐富，抗酸力強(qiáng)。潮白河主要流經(jīng)北山燕山山脈，地表組成物質(zhì)以花崗巖、片麻巖類為主，其次為石灰?guī)r和砂礫巖類。

本文物源分析樣品取自北京市平原區(qū)17個(gè)取樣點(diǎn)不同層位（見圖1），選取其中83個(gè)典型樣品分別進(jìn)行巖礦實(shí)驗(yàn)、礦物實(shí)驗(yàn)和黏土礦物實(shí)驗(yàn)。

礦物之間具有嚴(yán)格的共生關(guān)系，所以礦物組合是沉積環(huán)境變化極為敏感的指示劑，由于不同地區(qū)沉積特點(diǎn)不同而其具體組合形式、分析方法不同[3]。同一沉積平原中，同時(shí)期沉積物的碎屑組分一致，不同時(shí)期沉積物所含的碎屑物質(zhì)不同，利用不同時(shí)期水平方向上礦物種類和含量變化，可分析其沉積特征。本文在聚類分析[5-6]、相關(guān)分析等方法的基礎(chǔ)上確定研究區(qū)的礦物組合形式及特征。

1聚類分析

聚類分析是根據(jù)事物本身的特征對(duì)被研究對(duì)象進(jìn)行分類的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，是進(jìn)行元素相關(guān)分析和地球化學(xué)分區(qū)的一種有效手段。其基本思想是先定義樣品間距離及類與類之間的距離；開始時(shí)各樣品看成一類，將距離最近的兩類合并；重新計(jì)算新類與其它類的距離，再將距離最近的兩類合并；再計(jì)算新類與其它類的距離……這樣一步步的計(jì)算，每一步減少一類，直至所有樣品都合并成一類為止。

在計(jì)算過(guò)程中常分為三個(gè)步驟：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算分類統(tǒng)計(jì)量，建立分類系統(tǒng)；其結(jié)果以分類譜系圖形表示。本文數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采用總和標(biāo)準(zhǔn)化，即分別求出各聚類要素所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)總和，以各要素?cái)?shù)據(jù)除以該要素?cái)?shù)據(jù)總和。距離是事物之間差異性的測(cè)度，差異性越大，相似性越小，故距離是系統(tǒng)聚類分析的依據(jù)和基礎(chǔ)；系統(tǒng)聚類方法里常用的距離計(jì)算有歐氏距離、切比雪夫距離、馬氏距離、蘭氏距離等。常用的聚類方法有最短距離聚類法、直接聚類法、最長(zhǎng)距離聚類法、中間距離法、離差平方和聚類法等。

本文結(jié)合樣品實(shí)際情況，以8種常規(guī)元素（SiO2、Al2O3、K2O、MgO、CaO、Na2O、Fe2O3及FeO）進(jìn)行聚類[7]，聚類方法采用最短距離法，距離采用歐氏距離平方法，聚類的距離比較短，聚類圖譜分類明顯（見圖2）。

圖2歐式距離/最短距離聚類圖

在圖1地下水系統(tǒng)劃分基礎(chǔ)上結(jié)合圖2可以分析所取樣品的半定量關(guān)系，對(duì)所取樣品進(jìn)行歸類。當(dāng)聚類距離為235時(shí)，所有樣品同屬于北京平原區(qū)松散沉積物沉積環(huán)境中。當(dāng)聚類距離為195時(shí)，樣品Y1-Y10（Y6除外）屬于永定河沖洪積扇沉積環(huán)境，而樣品Y11-Y17屬于潮白河沖洪積扇沉積環(huán)境，這也定性說(shuō)明兩個(gè)系統(tǒng)的沉積環(huán)境各有其獨(dú)特的沉積特征。當(dāng)聚類距離在179～189之間時(shí)，樣品Y6、Y7及Y14具有獨(dú)特的沉積特征，其沉積環(huán)境既不完全屬于潮白河系統(tǒng)，也不完全屬于永定河系統(tǒng)，結(jié)合北京市平原區(qū)系統(tǒng)劃分，可以看出這幾個(gè)樣品均處于永定河古河道及潮白河兩個(gè)沖洪積扇交匯沉積地帶。

2風(fēng)化程度

Nesbitt 和Young（1982，1984，1989）[8]引進(jìn)了化學(xué)變異指數(shù)（CIA），此指數(shù)提供了一種定量化硅酸鹽礦物風(fēng)化（化學(xué)變異） 度的方法。CIA 的計(jì)算依據(jù)以下公式：

CIA=[（Al2O3）/（CaO+Na2O+K2O+Al2O3）]×100

此處氧化物是以克分子含量形式表示的，CaO只是硅酸鹽礦物中的CaO，而磷酸鹽和碳酸鹽礦物中的CaO 除外。CIA 值也可用A-CN-K三角圖來(lái)表示，三個(gè)端元分別為Al2O3，CaO +Na2O 和K2O，其含量為克分子含量[9]。

根據(jù)樣品分析結(jié)果，計(jì)算得83個(gè)永定河系統(tǒng)樣品化學(xué)變異指數(shù)值分布在46～56之間，潮白河樣品化學(xué)變異指數(shù)分布在60～70之間，兩個(gè)典型剖面化學(xué)變異指數(shù)值存在明顯差異，潮白河系統(tǒng)物質(zhì)風(fēng)化程度大于永定河系統(tǒng)，也定量計(jì)算出兩條典型剖面的風(fēng)化沉積程度區(qū)別。

3礦物組合

3.1礦物成分

從礦物衍射報(bào)告可以看出，17個(gè)樣品的主要沉積成分為石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、方解石、白云石、角閃石及黏土礦物（見圖3）。永定河及潮白河剖面由于流經(jīng)地層不同，具有不同的沉積特征，其中永定河剖面方解石+白云石百分含量在3%～25%，石英含量主要在40%以下，角閃石含量在06%～22%；潮白河剖面方解石+白云石百分含量在1%～2%之間，石英含量在40%～45%之間，角閃石含量在1%～4%之間。

圖3礦物成分百分含量柱狀圖

大量的黏土礦物是在表生風(fēng)化作用中形成的[10-11]，黏土礦物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，17個(gè)取樣點(diǎn)83個(gè)樣品的黏土礦物類型均為伊利石+伊利石/蒙脫石混層礦物+高嶺石+綠泥石（見圖4）。趙永勝（1993） 在研究云南星云湖時(shí)發(fā)現(xiàn)河流環(huán)境（包括分流河道和泛濫平原）不利于綠泥石的保存，而是出現(xiàn)伊利石/蒙脫石-高嶺石組合。當(dāng)水分條件優(yōu)越時(shí)，伊利石/蒙脫石混層數(shù)量會(huì)增多，伊利石減少；當(dāng)水份條件惡劣時(shí)，伊利石/蒙脫石混層會(huì)部分乃至絕大部分轉(zhuǎn)變成伊利石。分析結(jié)果顯示試驗(yàn)樣品中伊利石/蒙脫石混層、伊利石平均相對(duì)含量分別為6435%、1730%，由此也看以看出永定河及潮白河剖面均處于河流沉積環(huán)境且水分條件優(yōu)越。endprint

圖4黏土礦物相對(duì)百分含量柱狀圖

3.2巖化分析

從17個(gè)取樣點(diǎn)83組巖石化學(xué)成分分析結(jié)果可以看出（見圖5），兩個(gè)典型剖面的常量元素有SiO2、Al2O3、K2O、MgO、CaO、Na2O、Fe2O3及FeO，8種常量元素百分含量高達(dá)887%～951%。

圖5常量元素百分含量柱狀圖

圖6常規(guī)元素組合三角圖

圖7常規(guī)元素構(gòu)造環(huán)境判別圖

根據(jù)常規(guī)元素三角圖及構(gòu)造環(huán)境判別圖可以看出潮白河及永定河明顯沉積特征的差異，使用化學(xué)變異指數(shù)值和礦物組合能更加明顯展示兩條剖面的沉積環(huán)境區(qū)別及其各自的沉積特征。此外，還能展示出在交互沉積環(huán)境中Y6、Y7、Y14的特殊沉積特征。

3.3微量元素

永定河及潮白河主要微量元素有P、Mn、F、Sr 、Cr、Cu、Zn、Pb、B、Ni、Co、As 、N、Sn、Sb、Mo、Se等，17種微量元素的百分含量?jī)H為015%～037%。

由于不同巖層中Ca、Sr、Mg含量不同，礦物的抗風(fēng)化能力不同。地下水在與圍巖接觸的過(guò)程中，巖石中的鍶元素以Sr2+ 形式進(jìn)行離子交換進(jìn)入地下水，成為地下水的組分之一。由于Sr、Sr/Ca、Sr/Mg具有較好相關(guān)性（見圖8），故本文選取微量元素Sr/Ca及CIA值（見圖9）進(jìn)行綜合分析。

圖8Sr與Sr/Ca、Sr/Mg相關(guān)關(guān)系

從圖中可以看出，永定河中Sr/Ca值只要分布在0002 3～

圖9Sr/Ca構(gòu)造環(huán)境判別圖

0011 4之間，而潮白河Sr/Ca值主要分布在0008～0027，從微量元素也可以看出兩個(gè)剖面沉積環(huán)境的不同。

4綜合應(yīng)用

根據(jù)聚類分析，可以半定量分析樣品Y6、Y7、Y14的沉積是多期河流交疊、縱橫沉積形成的。對(duì)Y6、Y7、Y14取樣點(diǎn)不同層位分別取5個(gè)、7個(gè)、6個(gè)樣品，根據(jù)不同樣品的化學(xué)變異度、常規(guī)元素含量、礦物組合特征及構(gòu)造環(huán)境判別圖進(jìn)行綜合判斷。

取樣點(diǎn)Y6和Y7均處于永定河地下水系統(tǒng)中（圖1），但樣品Y6-5、Y6-7、Y6-8、Y7-2沉積特征均顯示出潮白河剖面特征； Y14分布在潮白河區(qū)域中，但Y14-3、Y14-4、Y14-5均分布在潮白河剖面的最下部，接近永定河剖面。結(jié)合取樣深度、顆分定名、地層剖面，Y6樣品18～94 m的沉積特征體現(xiàn)出潮白河系統(tǒng)特征，而Y6樣品18 m以上和94 m以下的沉積特征為永定河系統(tǒng)。Y7樣品08 m以上黏質(zhì)粉土的沉積特征顯示出潮白河剖面特征，而Y7取樣點(diǎn)其它樣品的沉積特征屬于永定河系統(tǒng)。Y14樣品0～40 m沉積特征體現(xiàn)出潮白河系統(tǒng)特征；40～116 m沉積特征為潮白河區(qū)域，但是并非完全屬于潮白河區(qū)域，可能是潮白河與永定河共同作用形成的；而Y14樣品116 m以下的沉積特征屬于永定河系統(tǒng)，詳見圖10。

圖10取樣點(diǎn)沉積環(huán)境判別圖

Y6、Y14附近的沉積特征是潮白河及永定河古河道變遷及河道變遷時(shí)序的最直接證明。可以確定在Y6、Y14附近先進(jìn)行永定河古河道沉積，而后潮白河進(jìn)行沉積，最后Y6、Y14分別接受永定河、潮白河沉積，其中Y14取樣點(diǎn)附近又接受多期交錯(cuò)沉積。

Y6、Y14附近的沉積特征也為永定河地下子系統(tǒng)及潮白河地下水子系統(tǒng)邊界確定提供了最有利最直接的證據(jù)。

5結(jié)論

（1）通過(guò)聚類分析、風(fēng)化程度計(jì)算、礦物成分分析、巖石化學(xué)常量元素、微量元素等分析，證明北京市永定河及潮白河淺層松散沉積物沉積特征既具有相同點(diǎn)，又具有差異性。

（2）兩條剖面主要沉積物礦物成分均為石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、方解石、白云石、角閃石及粘土礦物，其中粘土礦物類型均為伊利石+伊利石/蒙脫石混層礦物+高嶺石+綠泥石，證明永定河及潮白河兩條剖面均處于河流沉積環(huán)境且水分條件優(yōu)越。此外，永定河剖面方解石及白云石百分含量和高于潮白河，潮白河剖面角閃石百分含量高于永定河。

（3）兩個(gè)典型剖面的常量元素均為SiO2、Al2O3、K2O、MgO、CaO、Na2O、Fe2O3及FeO，8種常量元素百分含量高達(dá)887%～951%；主要微量元素有P、Mn、F、Sr、Cr、Cu、Zn、Pb、B、Ni、Co、As、N、Sn、Sb、Mo、Se等，17種微量元素的百分含量?jī)H為015%～037%。通過(guò)相關(guān)分析，不同常量元素及微量元素組合驗(yàn)證分析出永定河及潮白河淺層松散沉積物具有其各自沉積特征。

（4）永定河系統(tǒng)樣品化學(xué)變異指數(shù)值分布在46～56之間，潮白河樣品化學(xué)變異指數(shù)分布在60～70之間，潮白河系統(tǒng)沉積物風(fēng)化程度大于永定河系統(tǒng)。

（5）通過(guò)聚類分析半定量確定Y6、Y14取樣點(diǎn)沉積環(huán)境的典型性，通過(guò)風(fēng)化程度計(jì)算、礦物成分分析、巖石化學(xué)常量元素組合分析等方法定量綜合分析了Y6、Y14取樣點(diǎn)的沉積特征。這些方法的應(yīng)用為河流沉積時(shí)序、古河道變遷提供了最直接的量化證明，為地下水系統(tǒng)劃分、地下水系統(tǒng)邊界確定提供了最有利最直接的證據(jù)。由于沉積特征在很大程度上決定了地下水系統(tǒng)的水化學(xué)特征，這也將對(duì)未來(lái)水化學(xué)場(chǎng)研究提出新的思路和方法。

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