青?？煽晌骼稃}湖水化學及硼同位素地球化學特征

馬茹瑩 ,韓鳳清,馬海州,肖應凱,馬云麒,張燕霞 ,王 騰 ,何 蕾 ,韓繼龍,韓耀宗,郭堅峰

1)中國科學院青海鹽湖研究所,青海西寧 810008;2)中國科學院大學,北京 100049;3)海南省地震局,海南?？?570203

硼是微量輕元素,在自然界中主要以硼酸鹽、氫氧化物和氧化物等化合物形式存在。由于硼屬易溶元素,因此主要存在于水圈及上地殼沉積巖系中,海相沉積物、大洋熱液蝕變玄武巖及海水是硼的主要載體。在天然水體遷移過程中,硼在水體中相對富集,尤其是在海洋、湖泊中含量較高(劉衛(wèi)國等,1999)。

由于硼的兩個穩(wěn)定同位素11B和10B具有相對大的質量差(9.1%)(肖榮閣等,1999;Barth,1993),使得自然界中硼存在較大的同位素分餾。鹽湖是一種綜合性的寶貴自然資源,蘊藏著豐富的自然信息(鄭綿平,2001;乜貞等,2010)。多學科綜合運用考察鹽湖中資源和形成過程,對提高其經(jīng)濟價值的利用具有重大意義(鄭綿平,1999)。硼作為一種成鹽元素,廣泛地存在于鹽湖鹵水及其沉積物中(Argust,1998)。在鹽湖的形成與演化過程中,受補給水源、蒸發(fā)作用及與周圍巖石的交換作用等因素的影響,不同鹽湖鹵水中的硼同位素組成產(chǎn)生了差異(Xiao et al.,2001)。因此,硼同位素作為地球化學研究的常用標志,對研究鹽湖形成與演化過程提供了良好的示蹤作用。

青?？煽晌骼锏貐^(qū)海拔高,氣候寒冷,空氣稀薄,自然環(huán)境極端嚴酷,廣大地區(qū)至今仍為無人區(qū)。由于受人類活動的干擾較小,大部分地區(qū)保持著其原始的狀態(tài)。但同時由于自然環(huán)境惡劣,為該地區(qū)的考察帶來了一定的困難,各類研究資料缺乏,尤其是在同位素研究方面。本文使用正熱電離質譜法對可可西里地區(qū)鹽湖及其周圍環(huán)境水體的硼同位素組成進行了初步的研究,揭示了其分布特征及聯(lián)系,對該地區(qū)鹽湖硼同位素組成的變化原因進行了初步探討。

1 樣品采集及處理

1.1 研究區(qū)概況

青海可可西里地區(qū)處于青藏高原腹地,其南北邊緣分屬于唐古拉山脈和昆侖山脈,東至青藏公路沿線,西抵青海省省界,中部廣大地區(qū)為可可西里山等山地及其相間的寬谷盆地(鄭喜玉等,2002)。本區(qū)屬于青藏高原鹽湖區(qū),是我國主要的鹽湖分布區(qū)之一。

本區(qū)地處中亞內流水系與太平洋水系的交匯地帶,其東部和南部是由楚瑪爾河、沱沱河和當曲組成的長江河源水系區(qū),沱沱河有冰川融水補給,水量較大,常年流水;而楚瑪爾河等多數(shù)河流為雨水、地下水補給,水量較小,為季節(jié)性河流。本區(qū)西部和北部是以湖泊為中心的內流水系,處于羌塘內流水系的東北部,是可可西里地區(qū)大湖最集中的地區(qū),它由一系列湖泊為中心的內流水系構成。本區(qū) 1 km2以上的 107個湖泊大多數(shù)集中在西部和北部,200 km2以上的烏蘭烏拉湖等7個大湖全部集中于此。

本文主要對勒斜武擔湖,以及本組成員于2008—2010年在本區(qū)東部發(fā)現(xiàn)的多秀鹽湖、茶錯、果木錯瑪?shù)氯占安疾辂}湖等五個鹽湖(劉勇平等,2009)(圖1)進行了初步研究,所有鹽湖海拔均在4000 m以上。

1.2 樣品采集及處理

2008年9月至2010年4月,本課題組赴可可西里地區(qū),對勒斜武擔湖、多秀鹽湖、茶錯、布查鹽湖和果木錯瑪?shù)氯盏?5個鹽湖及附近水體,以及本區(qū)北部位于昆侖山中段新青峰的兩個間歇噴泉進行了考察,并采集了一部分水樣。樣品直接用塑料桶采集,采樣前,先用待取鹵水洗滌 5次,每個樣品采樣量為5 L,現(xiàn)場進行密封。

所采集樣品分析測試項目包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl–、SO42–、CO32–、HCO3–、B2O3含量及 pH值等(表 1)。

圖1 可可西里地區(qū)鹽湖分布圖Fig.1 Distribution of salt lakes in Hoh Xil

表1 樣品分析方法及測試精度Table 1 Analytical methods and accuracies

1.3 硼同位素測定

在將樣品引入質譜計進行硼同位素測定前,須將硼從樣品的其他雜質離子中分離出來,以除去樣品中同質異位的干擾,避免對硼分子離子電離的抑制,并保持離子源中的應有的高真空(肖應凱等,1998)。本研究樣品中硼的分離純化采用離子交換法(肖應凱等,1998)進行;硼同位素的測定采用基于石墨存在條件下檢測 Cs2BO2+的正熱電離質譜法,并使用固體熱電離質譜計(Triton)進行檢測,由于該法所測定離子具有較高的質量數(shù)(308,309),使測量過程中的硼同位素分餾效應大大降低,測定精度可達0.01%(2σ)(Spivack et al.,1986;Ishikawa et al.,1990;Leeman et al.,1991)。測得樣品的硼同位素值用δ11B值表示,相對于標準物質NIST SRM951的δ11B值計算方法如下:

δ11B(‰)=[(11B/10B)sample/(11B/10B)NIST951-1]×1000

其中,標準物質NIST SRM951的11B/10B推薦值為 4.04362±0.00137(Catanzaro et al.,1970)。

以上所有測試項目在中國科學院青海鹽湖研究所分析測試部完成(中國科學院青海鹽湖研究所分析室,1988)。

2 結果與討論

2.1 水化學特征

前人研究認為可可西里地區(qū)礦化度>50 g/L的鹽湖有 5個,分別是明鏡湖、西金烏蘭湖、勒斜武擔湖、鹽湖和蒼錯(李炳元,1996)。經(jīng)過對本次野外樣品的分析發(fā)現(xiàn),多秀鹽湖、茶錯、布查鹽湖和果木錯瑪?shù)氯?個湖泊礦化度也遠在50 g/L以上。這4個鹽湖鹵水中離子均以 Na+和Cl–為主,約占離子總量的90%以上;Mg2+和SO42–含量次之;K+、Ca2+和HCO3–含量均低于0.5 g/L(馬茹瑩,2011)。

可可西里地區(qū)這 9個鹽湖鹵水礦化度在61.1～357.5 g/L之間,平均值為228.9 g/L(表2)。除勒斜武擔湖為氯化物型鹽湖外,其余 8個鹽湖均為硫酸鹽型鹽湖;這些鹽湖鹵水的 pH值變化范圍在6.70～8.88之間,平均值為7.44。

在考察的過程中,我們在布查鹽湖的周圍發(fā)現(xiàn)出露有大量的鹽泉,分析結果表明,這些鹽泉在鹵水組成上與布查鹽湖有很強的相似性,其陰、陽離子含量順序皆與布查鹽泉一致,各離子含量也極為接近,其礦化度平均值達到了 319.5 g/L,遠遠高于可可西里地區(qū)泉水平均值(2.765 g/L)(胡東升,1997),表明這些鹽泉與布查鹽湖很可能具有同源性或者補給關系;從布查鹽湖有一條鹽河(YHE01)流出,另一條河水(XH01)從鹽河中上游并入而從布查鹽泉流出的鹽河(YHE01)由于受到咸水河(XH01)河水的稀釋,其水體中各離子含量迅速下降,礦化度也降低到了24.38 g/L。相對于沱沱河(礦化度為0.766 g/L(胡東生,1997))與咸水河(XH01)的高礦化度(7.3 g/L),也間接反映了周圍地層具有較高的含鹽量。

勒斜武擔湖北部湖岸有一條長達約200 km的東北—西南走向的斷裂,稱為岡雜日—勒斜武擔湖—馬蘭山大斷裂,該斷裂北升南降,使湖北岸高出勒斜武擔湖湖面數(shù)十米,并在勒斜武擔湖東西部出現(xiàn)一系列泉眼。我們對勒斜武擔湖附近的三個泉水樣品(LXQ01、LXQ02、XYQ01)和一個河水樣品(LX1-1)的水化學分析結果顯示,該地區(qū)水體中離子以 Na+和 Cl–為主,K+、Ca2+、Mg2+和 SO42–含量次之,整個水域的礦化度與其Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl–和SO42–的含量呈線性關系(圖2),表明勒斜武擔湖主要以周圍泉水和河水補給為主,該水域泉水、河水和鹽湖可能為同源關系。

表2 鹽湖鹵水水化學特征Table 2 Hydrochemical characteristics of brine

圖2 勒斜武擔湖及其附近水體礦化度與離子含量的關系Fig.2 Relationship between element content and salinity of brine in the Lexiewudan salt lake and surrounding waters

表3 可可西里地區(qū)鹽湖鹵水硼含量及δ11B值Table 3 Boron content and δ11B values of brine in Hoh Xil

2.2 微量元素地球化學分布特征

可可西里地區(qū)9個鹽湖中微量元素的含量各有差異,其中 B、Li等元素含量較高,變化范圍分別在40～608 mg/L和11～389 mg/L之間,顯示出富集趨勢。并且B-Li元素對顯示出協(xié)同消長關系,說明在該地區(qū)鹽湖中,這兩種元素的物質來源、搬運條件及富集環(huán)境具有相似性。

總體來看,位于可可西里東部地區(qū)的 6個鹽湖B、Li元素平均含量要高于西部3個鹽湖B、Li元素平均含量;各鹽湖周圍環(huán)境水體中B、Li元素含量均高于本區(qū)雨水和冰川水平均值,并且形成以鹽湖為中心的含量高值區(qū);相對于海水來說,這 9個鹽湖均具有高的 B/Cl比,其變化范圍在0.325～3.386之間,指示了在鹽湖鹵水蒸發(fā)濃縮過程中B的富集過程。

表4 勒斜武擔湖及其附近水體中硼含量及δ11B值Table 4 Boron content and δ11B values in the Lexiewudan salt lake and surrounding waters

2.3 硼同位素地球化學特征

對可可西里地區(qū)5個鹽湖(勒斜武擔湖、多秀鹽湖、茶錯、布查鹽湖和果木錯瑪?shù)氯?鹵水進行了硼同位素值的測定。其δ11B(‰)值列于表3,樣品皆為湖表鹵水。

本區(qū)鹽湖鹵水樣品中δ11B值的變化范圍在+4.77‰ ～ +12.52‰之間,證明這些鹽湖屬陸相成因,與前人對青藏高原區(qū)鹽湖成因的研究結果相一致(祁海平等,1993)。東部4個鹽湖鹵水δ11B值由北向南從+12.52‰(多秀鹽湖)遞減至+4.77‰(布查鹽湖)遠低于海水的δ11B值(+39.5‰)(Hogan et al.,2003)。

布查鹽湖附近3個鹽泉中硼含量與布查鹽湖鹵水具有相似的硼含量值和δ11B值(鹽泉的δ11B值為+4.21‰,布查鹽湖的δ11B值為+4.77‰),進一步說明了其同源性;從布查鹽湖流出的鹽河δ11B值為+7.69‰,遠高于布查鹽湖及鹽泉δ11B值,明顯受到了從鹽河中上游并入的西河(δ11B 值為+11.32‰)硼同位素組成的影響。西河的δ11B值又明顯高于布查鹽湖,證明布查鹽湖的補給來源只能是布查鹽湖周圍的鹽泉。

通過對勒斜武擔湖及其附近水體的進一步分析,發(fā)現(xiàn)勒斜武擔湖整體硼含量值及δ11B值存在較小的差異,其附近西泉和向陽泉泉中的硼含量接近海水硼含量平均值;而勒斜武擔湖北泉中硼含量值較高,是海水硼含量平均值的 4倍多;另外,在勒斜武擔湖附近一條河水中所取水樣的δ11B值為+7.12‰,明顯低于湖中鹵水δ11B值。其附近的三個泉水中δ11B值變化范圍也在5‰～13‰之間(表4)。說明該鹽湖鹵水中硼同位素的組成可能受泉水的影響較大,進一步證明了泉水與勒斜武擔湖具有同源性和補給關系。

本區(qū)北部位于昆侖山中段的布喀達坂峰(即新青峰)的兩個噴泉δ11B值分別為–26.72‰和–3.22‰,明顯低于該考察區(qū)其它鹽湖和泉水δ11B值。首先,當流體發(fā)生沸騰時,由于 B(OH)3更易進入蒸汽相,而造成水體中10B的濃度增大,導致沸泉δ11B值降低;其次,根據(jù)陳墨香等人(陳墨香,1992;葉建青,1994)對新青峰沸泉群地區(qū)的調查發(fā)現(xiàn),該沸泉群位于昆南斷裂帶上,區(qū)內巖漿活動表現(xiàn)為發(fā)育有大面積的酸性侵入巖,如馬蘭山、新青峰等主要山峰均由花崗巖所構成,另據(jù)潘維良等人(潘維良等,2005)對布喀達坂峰巖石地球化學特征及元素分布規(guī)律的研究,發(fā)現(xiàn)該區(qū)以中基性—酸性火山巖—火山碎屑巖建造為主,其中三疊系為一套陸相中酸性火山巖建造,以貧化Hg、Ca、B和Pb等元素為其地球化學特征。而火山巖和花崗巖本身具有較低的δ11B 值,分別為–5.3‰～+6.4‰和+1.6‰(Schreyer et al.,1987),因此,新青峰兩個噴泉的低δ11B值,可能也與該區(qū)酸性火山巖的交換作用有關。

3 結論

本文對可可西里地區(qū)9個鹽湖鹵水的水化學特征和硼同位素地球化學特征進行了初步研究,得出結論如下。

(1)本區(qū)9個鹽湖鹵水礦化度為61.1～357.5 g/L,平均值為228.9 g/L,最高為357.5 g/L;鹽湖水化學類型以硫酸鎂亞型為主,個別為氯化物型;鹽湖鹵水的 pH值變化范圍在 6.70～8.88之間,平均值為7.44?？偟膩碚f,該區(qū)大多數(shù)湖泊還處于從咸水湖向鹽湖演化的階段,與其相鄰的柴達木盆地比較(柴達木盆地西部鹵水樣礦化度在 197.8～485.7 g/L之間)(樊啟順等,2007),本區(qū)湖泊成鹽強度較弱。

(2)本區(qū)鹽湖鹵水樣品中δ11B值的變化范圍在+4.77‰ ～ +12.52‰之間,遠低于海水δ11B 值,且較柴達木盆地鹽湖鹵水δ11B 值分布范圍(–6.1‰ ～+31.4‰)(肖應凱等,1999)窄,證明這些鹽湖也屬陸相成因,與前人對青藏高原區(qū)鹽湖成因的研究結果相一致。本區(qū)鹽湖鹵水δ11B值總體上低于其北部柴達木盆地鹽湖鹵水δ11B值,且其東部4個鹽湖鹵水δ11B 值由北向南從 12.52‰(多秀鹽湖)遞減至4.77‰(布查鹽湖),這種區(qū)域性的分布特征與其地質背景有很大關系。

(3)本區(qū)東部鹽湖B、Li元素平均含量要高于西部鹽湖B、Li元素平均含量,且與各鹽湖周圍水體形成以鹽湖為中心的含量高值區(qū),且B-Li元素對顯示出協(xié)同消長關系,說明在該地區(qū)鹽湖中,這兩種元素的物質來源、搬運條件及富集環(huán)境具有相似性。

(4)根據(jù)區(qū)域地質構造特征和硼同位素地球化學數(shù)據(jù),可判斷出新青峰噴泉中的硼主要來自于深部火山巖溶濾。

(5)布查鹽湖和勒斜武擔湖分別與各自周圍泉水具有顯著的同源性。

致謝:中國科學院貴陽地球化學研究所的羅重光和中國科學院青海鹽湖研究所的張艷靈對同位素的測定給予了很多幫助,特此致謝！

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