興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶沉積物主成分的含量與空間分布研究

唐　坤, 王學(xué)求*, 遲清華

1)中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所, 國土資源部地球化學(xué)探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北廊坊 065000; 2)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083

興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶沉積物主成分的含量與空間分布研究

唐坤1,2), 王學(xué)求1,2)*, 遲清華1)

1)中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所, 國土資源部地球化學(xué)探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北廊坊 065000; 2)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083

選取興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶上沉積物的SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TFe2O3、FeO、TiO2、MnO、P2O5、CO2、H2O+、pH十四個(gè)指標(biāo), 研究其在不同二級(jí)構(gòu)造單元、地理景觀、土壤類型、降雨量等級(jí)下的含量與空間分布特征, 并討論該地球化學(xué)走廊帶上化學(xué)蝕變指數(shù)。結(jié)果表明: 在興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶上, 作為沉積物主體的SiO2、Al2O3兩者含量為明顯負(fù)相關(guān)而空間分布表現(xiàn)出此消彼長的特征; CaO、MgO、CO2高含量分布區(qū)則與碳酸鹽巖地層或含碳酸鹽礦物的土壤有關(guān),而MgO的高含量還與走廊帶上鎂鐵質(zhì)基性-超基性巖有一定關(guān)系, 表明了這三個(gè)指標(biāo)的高含量受特定巖性或礦物的影響較大; Na2O、K2O含量除了受繼承的基巖影響外, 還受到后期的風(fēng)化作用和氣候及自身地球化學(xué)性質(zhì)等復(fù)雜因素綜合影響, 對(duì)Na2O來說尤為如此; TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5相對(duì)于在地質(zhì)背景復(fù)雜地段, 經(jīng)過沖積平原的沉積物混勻后, 含量差異更小; 相對(duì)干冷的內(nèi)蒙古半干旱草原的氣候條件有利于FeO存在, 使得其相對(duì)燕山地區(qū)含量差異較TFe2O3要小, 在章丘以南相對(duì)溫暖濕潤地區(qū)更易被氧化而導(dǎo)致其含量整體較低; 北方干冷氣候條件下, 沉積物H2O+含量普遍較低, 局部高含量位于碳酸鹽巖地層或第四系分布區(qū); 走廊帶上的pH值反映了沉積物偏堿性的特征, 而在章丘以南的地區(qū)隨著降雨量的增加, 相對(duì)溫暖濕潤的氣候條件, 沉積物pH值表現(xiàn)為中性-偏弱酸性; 興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶沉積物的CIA值反映出在寒冷、干燥氣候條件下低等的化學(xué)風(fēng)化程度, 興蒙造山帶沉積物平均風(fēng)化程度相對(duì)華北克拉通沉積物的平均風(fēng)化程度差異變化相對(duì)要小, 顯示興蒙造山帶的降雨量與溫度等風(fēng)化影響因素變化較小。作為反映元素的地球化學(xué)親和性的量化指標(biāo), 離子電位可以更好地幫助理解沉積物元素的含量和空間分布差異。

地球化學(xué)走廊帶; 興蒙造山帶—華北克拉通; 主成分; 化學(xué)蝕變指數(shù); 離子電位

對(duì)于沉積物的地球化學(xué)組成(古森昌等, 1989;焉明才等, 1997; 楊守業(yè)和李從先, 1999; 王永等, 2004; 藍(lán)先洪等, 2015), 水系沉積物礦區(qū)找礦預(yù)測(cè)(楊少平等, 2015; 席明杰等, 2015), 影響沉積物地球化學(xué)組成因素(遲清華和馬生明, 2008), 及勘查地球化學(xué)的總結(jié)與展望(謝學(xué)錦, 2003; 謝學(xué)錦等, 2009), 國內(nèi)已進(jìn)行了各方面大量的研究工作和論文的發(fā)表, 這些研究側(cè)重在元素含量組成與影響因素方面, 而應(yīng)用方面?zhèn)戎卦趨^(qū)域或礦區(qū)的找礦預(yù)測(cè),而對(duì)于沉積物區(qū)域或國家尺度的地球化學(xué)含量與空間分布特征的研究, 特別是含量與空間分布與區(qū)域構(gòu)造單元、地理景觀、降雨量等區(qū)域地質(zhì)、地理?xiàng)l件的空間對(duì)應(yīng)展布則比較少。國外進(jìn)行的地球化學(xué)走廊帶方面的研究, 主要是跨越美國和加拿大兩個(gè)國家的北美大陸尺度地球化學(xué)走廊帶的研究(Smith and Reimann, 2008; Drew et al., 2010), Smith和Reimann(2008)認(rèn)為低密度沉積物地球化學(xué)填圖可以反映很多有用的信息, 而選取該地球化學(xué)走廊帶沉積物的Cr和Ca兩種元素在采樣所穿過地區(qū), 其地球化學(xué)含量與空間變化特征與低密度地球化學(xué)沉積物采樣類似, 也基本大體上能反映出區(qū)域地質(zhì)背景對(duì)元素含量的影響, 而選取Hg元素表明與其含量除與地質(zhì)背景相關(guān)外, 與降雨量的空間分布對(duì)應(yīng)較好; Drew等(2010)在文中則側(cè)重點(diǎn)是不同層位沉積物含量的對(duì)比, 還通過判別分析表明, 對(duì)于采集的土壤樣品其地球化學(xué)特征與其土壤礦物學(xué)特征相比, 前者可更好地與一級(jí)地理景觀分區(qū)對(duì)應(yīng)。但在中國, 對(duì)于全國乃至全球尺度進(jìn)行系統(tǒng)地采樣研究地球化學(xué)元素的含量與空間分布, 特別是國內(nèi)地球化學(xué)走廊帶方面的研究還是空白。

為了開展中國表層沉積物元素的含量與空間分布, 中國進(jìn)行了地球化學(xué)基準(zhǔn)值計(jì)劃的研究工作?；鶞?zhǔn)值的地球化學(xué)意義在于建立中國表層沉積物地球化學(xué)元素含量與空間變化的標(biāo)尺(王學(xué)求等, 2010)。而與基準(zhǔn)值研究范圍是全國性的面狀研究區(qū)不同, 地球化學(xué)走廊帶的目標(biāo)是通過每條高密度的線狀采樣路線采集沉積物樣品, 從新視角來刻畫研究地球化學(xué)走廊帶所穿過區(qū)域沉積物的每個(gè)元素含量與地質(zhì)、地理、氣候等因素的關(guān)系。因此, 在中國地球化學(xué)基準(zhǔn)值研究框架下, 選取三條地球化學(xué)走廊帶跨越中國不同大地構(gòu)造單元, 通過高密度系統(tǒng)的沉積物樣品采集, 可以為我們提供更加豐富的關(guān)于不同地質(zhì)單元沉積物的地球化學(xué)含量信息, 也可以得到沉積物元素含量在不同二級(jí)構(gòu)造單元、地理景觀、土壤類型、降雨量等的空間分布特征以及沉積物的主成分元素含量與空間變化及化學(xué)蝕變指數(shù)CIA所反映的風(fēng)化作用程度等方面的信息。

本文選取的興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶從西北到東南跨越了的不同大地構(gòu)造單元、不同的地理景觀帶、不同的土壤類型和不同降雨量等級(jí), 按照2～4 km的采樣間距采集了550件土壤和水系沉積物樣品, 所有樣品在實(shí)驗(yàn)室國家一級(jí)地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)監(jiān)控下獲取了76個(gè)元素的含量。本文主要討論興蒙造山帶—華北克拉通走廊帶范圍內(nèi)沉積物中SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TFe2O3、TiO2、MnO、P2O5含量及pH值與不同二級(jí)構(gòu)造單元、地理景觀、土壤類型、降雨量的關(guān)系以及化學(xué)蝕變指數(shù)所反映的平均風(fēng)化程度與差異。

1　方法

1.1樣品采集

對(duì)于地表沉積物的樣品采集, 需要根據(jù)不同的地理景觀采集不同采樣介質(zhì)的采樣方法, 這樣可以最大程度地代表周圍的平均物質(zhì)組成。本文選取的興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶主要穿過三種地理景觀: 沖積平原區(qū)、山地丘陵區(qū)和半干旱草原。沖積平原區(qū)主體為華北平原, 其次為江蘇北部地區(qū)的平原, 在這些地區(qū)沿走廊帶每隔4 km采集一個(gè)25 cm以下的土壤樣品; 而山地丘陵區(qū)大致位于北京懷柔至河北張家口一帶和魯西地區(qū), 在這些地區(qū)的地表出露基巖復(fù)雜地段, 每隔2 km采集1件水系沉積物樣品, 基巖出露較為簡單的地段每隔4 km采集1件水系沉積物樣品; 半干旱草原區(qū)大致分布于張家口以北至二連浩特紅格爾地區(qū), 基本每隔4 km采集1件草原沙土樣品, 但在部分有基巖出露地段采樣間距加密為2 km。興蒙華北地球化學(xué)走廊帶樣點(diǎn)示意圖如圖1所示。

圖1　研究區(qū)及樣點(diǎn)示意圖Fig. 1　Schematic diagram of the study area and the samples locationA3-大興安嶺北段造山帶; A2-大興安嶺南段造山帶; A1-華北北緣造山帶; B1-內(nèi)蒙地塊; B2-燕山造山帶; B3-華北盆地; B4-魯西地塊; C1-蘇魯造山帶; 下文同A3-the northern section of Da Hinggan Ling Orogenic Belt; A2-the southern section of Da Hinggan Ling Orogenic Belt; A1-the north margin of North China Orogenic Belt; B1-Inner Mongolian Block; B2-the Yanshan Orogenic Belt; B3-the North China Basin; B4-the Western Shandong Block; C1-the Southern Sulu Orogenic Belt; Same symbol meaning for bellow

1.2樣品分析與質(zhì)量監(jiān)控

本走廊帶上采集的沉積物樣品的分析采用了多種分析技術(shù)配套的方案, 共分析了76種元素, 這種配套分析技術(shù)可以最大程度地發(fā)揮各種分析儀器的優(yōu)勢(shì), 得到高準(zhǔn)確度和精確度的分析數(shù)據(jù)(張勤等, 2012)。其中, 本文涉及到的SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TFe2O3、TiO2、MnO、P2O5等主量元素分別采用了熔片制片-X射線熒光光譜法(FU-XRF)和壓片-X射線熒光光譜法(XRF)進(jìn)行分析,并用主量元素加和方法控制分析質(zhì)量, 保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確度; FeO和pH分別采用的是容量法分析和電位法, 通過對(duì)每件沉積物樣品進(jìn)行精確分析得到,作為兩個(gè)特殊分析要求的指標(biāo), 對(duì)它們的分析方法過程詳細(xì)介紹見文獻(xiàn)張勤(2012)。

表1　興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶沉積物中各指標(biāo)含量Table 1　The content of principal components in sediments on the geochemical transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

同時(shí), 在分析過程中除了加入重復(fù)樣外, 還通過加入標(biāo)準(zhǔn)樣來監(jiān)控分析質(zhì)量。對(duì)于重復(fù)樣, 按樣品總數(shù)10％的比例, 抽取實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部密碼重復(fù)樣品,以密碼方式進(jìn)行預(yù)先分析, 以控制日常分析中的批次偏差。計(jì)算基本分析值與重復(fù)性分析值的相對(duì)偏差RD的合格率應(yīng)不小于90％。在每一批(50個(gè)號(hào)碼)以密碼方式插入2個(gè)巖石和2個(gè)水系沉積物國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì), 同樣品一起分析后, 計(jì)算單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)數(shù)差(ΔlgC), 以監(jiān)控分析過程的準(zhǔn)確度, 計(jì)算對(duì)數(shù)差的標(biāo)準(zhǔn)偏差(λ), 監(jiān)控分析批次內(nèi)的精密度, 合格率應(yīng)達(dá)到100％。

1.3數(shù)據(jù)處理

在地球化學(xué)填圖中, 采樣設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)成圖通常采用網(wǎng)格化處理方法。借鑒這一思路, 結(jié)合興蒙造山帶—華北克拉通走廊帶的實(shí)際情況, 本文采取1:50000地圖分幅范圍對(duì)樣點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格化(共88格),分別求得各自網(wǎng)格內(nèi)所有沉積物樣品的中位數(shù), 代表格網(wǎng)內(nèi)的平均物質(zhì)組成, 繪制走興蒙造山帶—華北克拉通走廊帶地球化學(xué)的含量折線圖, 展示這些指標(biāo)在走廊帶上的空間分布特征, 進(jìn)而研究其含量與二級(jí)構(gòu)造單元、地理景觀、土壤類型、降雨量等之間的關(guān)系。

2　結(jié)果與分析

2.1元素含量特征

由表1可知, 從一級(jí)構(gòu)造單元統(tǒng)計(jì)結(jié)果看, 與整個(gè)走廊帶上相比, 興蒙造山帶沉積物主成分含量較高的有SiO2、K2O, 含量相近的有而Na2O, 其余Al2O3、Cao、MgO、TFe2O3、FeO、TiO2、MnO、P2O5、CO2、H2O+的含量則較之要低; 華北克拉通沉積物除SiO2較低外, CaO、TFe2O3、CO2、H2O+的含量較之要高, 含量相近的有Al2O3、MgO、FeO、Na2O、K2O、FeO、TiO2、MnO、P2O5。與華北克拉通相比, 興蒙造山帶含量較高的是SiO2、K2O, 其余除Na2O含量相近外, 其余Al2O3、Cao、MgO、TFe2O3、FeO、TiO2、MnO、P2O5、CO2、H2O+含量較之要低。此外對(duì)于pH值, 興蒙造山帶比華北克拉通高。

從二級(jí)構(gòu)造單元統(tǒng)計(jì)結(jié)果看, 興蒙造山帶各二級(jí)構(gòu)造單元SiO2含量整體都高于華北克拉通和蘇魯造山帶, 而Al2O3含量整體恰好具有相反的趨勢(shì); CaO除華北盆地(B3, 5.08％)和燕山造山帶(B4, 2.81％)較高外, 其它各二級(jí)構(gòu)造單元差異相對(duì)較小; MgO在興蒙造山帶整體含量較低且差異不大, 而在華北克拉通含量整體較高且差異相對(duì)較大, 其最高含量出現(xiàn)在華北盆地; Na2O、K2O含量在各二級(jí)構(gòu)造單元之間差異不大。從地理景觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果看, SiO2含量呈現(xiàn)半干旱草原＞山地丘陵＞沖積平原的特征,而Al2O3含量則是低山丘陵＞沖積平原＞半干旱草原; Cao含量表現(xiàn)出沖積平原明顯高于山地丘陵和半干旱草原的特點(diǎn); MgO表現(xiàn)為沖積平原＞低山丘陵＞半干旱草原; Na2O、K2O含量在不同地理景觀中相差不大。按土壤類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果看, SiO2、K2O含量表現(xiàn)為灰鈣土-棕鈣土帶(ⅡB)＞黑鈣土-栗鈣土-黒壚土帶(ⅡA)＞棕壤-褐土帶(ⅠC)的特征, 而Al2O3、CaO、MgO的含量則表現(xiàn)為正好相反的趨勢(shì), Na2O的含量則在三種土壤類型之間差異不大(1.95％～2.00％)。就降雨量而言, SiO2含量整體表現(xiàn)出隨著降雨量增高而下降的趨勢(shì), 而Al2O3含量整體具有相反的趨勢(shì); 而CaO、MgO各自含量除在400～800 mm降雨量區(qū)間出現(xiàn)明顯高值外, 在其余降雨量區(qū)間CaO、MgO的各自含量差異相對(duì)較小; Na2O含量在200～1 600 mm降雨量區(qū)間表現(xiàn)出略微增加的趨勢(shì),而K2O含量則在200～1 600 mm降雨量區(qū)間表現(xiàn)略微降低的趨勢(shì)。

表2　興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶各二級(jí)構(gòu)造單元主要巖性Table 2　The main lithology in different secondary tectonic units on the geochemical transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

從構(gòu)造單元看, TFe2O3、TiO2、MnO、P2O5含量在華北克拉通整體較興蒙造山帶高, 但TFe2O3、MnO、P2O5在興蒙造山帶含量差異相對(duì)較小, 在華北克拉通含量差異較大, 而TiO2則相反; FeO含量也表現(xiàn)出華北克拉通整體高于興蒙造山帶的特征,但在整個(gè)走廊帶各構(gòu)造單元含量差異較大; CO2的含量在華北盆地表現(xiàn)明顯高含量, 其次是燕山造山帶, 而在其它構(gòu)造單元差異不大; H2O+含量也是華北克拉通大于興蒙造山帶, 但在兩個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元內(nèi), 其含量差異不大; pH值則是興蒙造山帶明顯高于華北克拉通, 且在華北盆地pH明顯降低。從地理景觀看, TFe2O3、TiO2、MnO、H2O+表現(xiàn)為低山丘陵＞沖積平原＞半干旱草原, 而FeO、P2O5、CO2則是沖積平原＞低山丘陵＞半干旱草原, pH值為半干旱草原＞沖積平原＞低山丘陵。從土壤類型看, TFe2O3、TiO2、MnO、P2O5、CO2、H2O+含量表現(xiàn)為灰鈣土-棕鈣土帶(ⅡB)＜黑鈣土-栗鈣土-黒壚土帶(ⅡA)＜棕壤-褐土帶(ⅠC)的特征, 而FeO在黑鈣土-栗鈣土-黒壚土帶(ⅡA)與棕壤-褐土帶(ⅠC)之間含量差異很小(0.92％、0.96％), 且均遠(yuǎn)大于灰鈣土-棕鈣土帶(ⅡB)含量(0.42％); pH值則是灰鈣土-棕鈣土帶(ⅡB)＞黑鈣土-栗鈣土-黒壚土帶(ⅡA)＞棕壤-褐土帶(ⅠC)。從降雨量看, TFe2O3、TiO2、MnO、P2O5、H2O+含量在50～400 mm區(qū)間以及400～1 600 mm兩個(gè)區(qū)間內(nèi)含量差異較小且在后者含量較高; 而FeO、CO2則表現(xiàn)出在50～800 mm區(qū)間先隨著降雨量增高而增高的趨勢(shì), 而在800～1 600區(qū)間含量又明顯降低的特征; pH值則表現(xiàn)為隨著降雨量增高逐漸降低的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.2元素空間分布

興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶上,各二級(jí)構(gòu)造單元主要巖性見表2, 對(duì)沉積物的SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TFe2O3、FeO、TiO2、MnO、P2O5、CO2、H2O+和pH十四個(gè)指標(biāo)按每個(gè)五萬圖幅為基本單元, 分別繪制其含量的空間分布折線圖, 見圖2和圖3。

走廊帶上沉積物中SiO2含量在興蒙造山帶的A3、A2、A1和華北克拉通的B1四個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元含量較高, 大致在張家口以北區(qū)域構(gòu)成一個(gè)整體高含量分布區(qū)。這一區(qū)域分布有大量的海西期-燕山期花崗巖, 氣候干燥寒冷, 降雨量少, 物理風(fēng)化作用較強(qiáng), 導(dǎo)致沉積物中富含石英、長石, 粘土礦物不甚發(fā)育。在張家口至懷柔之間的燕山山區(qū), 主要分布太古代—元古代基底老地層以及一些中酸性火山巖, 粘土礦物相對(duì)發(fā)育, 故表現(xiàn)出SiO2低含量。華北盆地(平原)整體為SiO2低含量分布區(qū), 但在懷柔至霸州、滄州至章丘SiO2含量反而較高, 這可能與這一區(qū)域分布永定河、河流帶來的大量泥沙, 而霸州至滄州之間分布的碳酸鹽礦物有關(guān)。魯西地區(qū)亦分布有太古代—元古代的基底老地層, 但SiO2含量較燕山地區(qū)要稍高, 這可能與魯西地區(qū)的基底巖性以TTG巖類有關(guān)。而在南蘇魯造山帶臨沂至連云港一線, 在元古界地層分布區(qū)SiO2含量較高, 而第四系分布區(qū)SiO2含量相對(duì)較低。

與此相反, 走廊帶上沉積物中Al2O3與SiO2含量折線圖表現(xiàn)為近乎完美的“鏡像”, 呈現(xiàn)出此消彼長的關(guān)系, 這與整個(gè)走廊帶上位于北方, 風(fēng)化類型以物理風(fēng)化為主, 粘土礦物的含量在很大程度上決定了Al2O3與SiO2含量關(guān)系, 也是沉積物主量元素“加和效應(yīng)”的體現(xiàn), 而從內(nèi)蒙古紅格爾至江蘇連云港降雨量增加約8倍(200～1 600 mm)并未對(duì)這二者含量關(guān)系造成明顯影響。

圖2　興蒙造山帶—華北克拉通地化學(xué)走廊帶沉積物主成分空間分布折線圖Fig. 2　The spatial distribution of principal components in sediments on the geochemical transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

圖3　興蒙造山帶—華北克拉通地化學(xué)走廊帶沉積物主成分含量空間分布折線圖Fig. 3　The spatial distribution of principal components in sediments on the geochemical transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

走廊帶上沉積物中CaO含量在興蒙造山帶整體含量較低, 其在紅格爾較高含量經(jīng)查原始資料可能與采樣位置位于戈壁凹地淖內(nèi)的沉積物有關(guān); 在燕山地區(qū), CaO含量出現(xiàn)局部高值, 這與這一區(qū)域出現(xiàn)的碳酸鹽巖地層吻合較好; 而CaO含量在華北盆地表現(xiàn)出整體高含量, 與華北盆地土壤里的大量碳酸鹽巖礦物有關(guān), 在盆地過渡到山區(qū)過程中, 伴隨有SiO2含量增高, 泥沙質(zhì)含量增高, 粘土含量降低, CaO含量降低; 在魯西至江蘇連云港地區(qū)CaO含量整體較低, 只在碳酸鹽巖或粘土分布區(qū)含量稍高。

走廊帶上MgO含量在興蒙造山帶整體較低,在紅格爾附近較高可能與戈壁淖內(nèi)沉積物有關(guān), 而在燕山地區(qū)出現(xiàn)高值與這一地區(qū)分布白云巖對(duì)應(yīng)較好, 在華北盆地表現(xiàn)整體較高的含量, 這與其土壤含大量碳酸鹽巖礦物有關(guān), 在章丘至連云港一帶整體含量較低, 僅在局部碳酸鹽巖分布區(qū)含量有所增加。

走廊帶上沉積物中K2O含量從內(nèi)蒙古紅格爾至山東蒙陰整體呈現(xiàn)略微下降趨勢(shì), 除在張家口組地層單元出現(xiàn)局部高值外, 與降雨量表現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 高含量與興蒙造山帶—燕山造山帶的海西期花崗巖和酸性火山巖為主的分布區(qū)有關(guān),但在蒙陰至連云港一帶, 隨著降雨量的增加, K2O含量反而升高, 可能與這一帶分布的以太古代—古元古代花崗巖和片麻巖為主的地質(zhì)背景關(guān)系密切。

走廊帶上沉積物中Na2O含量差異變化較大,興蒙造山帶—華北克拉通出露巖石巖性變化較大,尤其是燕山造山帶和魯西地區(qū), 從太古代至新生代各個(gè)時(shí)代各種巖性均有發(fā)育, 在北方以物理風(fēng)化作用為主導(dǎo)的環(huán)境下, 沉積物較好地繼承原巖的特點(diǎn),因而表現(xiàn)出含量的差異出來。

走廊帶上TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5表現(xiàn)出很類似的分布特征, 在紅格爾至張家口一帶表現(xiàn)出低含量, 張家口至蒙陰表現(xiàn)為整體高含量, 其中在燕山造山帶和魯西地塊含量變化較大, 而在華北盆地內(nèi)含量變化較小, 在蒙陰至連云港一帶TFe2O3、TiO2、P2O5含量較低, 局部含量受巖性影響而增加,而MnO含量較高量。走廊帶上FeO含量整體變化較大, 紅格爾至蘇尼特右旗含量差異變化較TFe2O3等元素要大, 而蘇尼特右旗至章丘之間, 除在巖性出露復(fù)雜的燕山造山帶變化差異相對(duì)較大外, 整體為高含量, 在章丘至連云港之間, FeO含量表現(xiàn)為低含量, 可能除了與地質(zhì)背景有關(guān)外, 這一地區(qū)相對(duì)溫暖潮濕的氣候有關(guān)。走廊帶上H2O+的含量整體而言差異不大, 變化較小, 局部高含量位于碳酸鹽巖地層或第四系分布區(qū), 而低含量分布區(qū)與砂巖、花崗巖或中基性集中分布出現(xiàn)有關(guān)。走廊帶上pH值在紅格爾至章丘之間整體為高值區(qū)(普遍大于8),表現(xiàn)為堿性環(huán)境, 只在懷柔局部因采樣位于泥質(zhì)巖分布集中區(qū)有關(guān), 在章丘至連云港之間pH值降低,整體處于中性到偏酸性環(huán)境, 且pH值差異變化較大。

2.3化學(xué)蝕變指數(shù)

化學(xué)蝕變指數(shù)(chemical index of alteration, CIA)作為反映其源區(qū)風(fēng)化程度的指標(biāo), 是由Nesbitt和Young(1982)研究加拿大古元古代Huronian超群的碎屑巖時(shí)提出, 在這里計(jì)算興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶上沉積物的化學(xué)蝕變指數(shù), 從而得到其沉積物的平均風(fēng)化程度的參考, 計(jì)算公式為:

式中, 各元素含量均為摩爾分?jǐn)?shù)表示, CaO*則表示硅酸鹽中的CaO。由此可以看出, 其反映了巖石在化學(xué)風(fēng)化過程中, Na、K、Ca等賦存于各種長石礦物中的元素在表生環(huán)境下較為活潑, 在地表流體中以離子形式發(fā)生大量流失, 同時(shí)Al伴隨各種粘土礦物(如高嶺石、蒙脫石和伊利石等)的形成而保留。

而這里對(duì)于CaO*的計(jì)算, 采用McLennan提出的一種校正方法(邵菁清和楊守業(yè), 2012), 其依據(jù)的是自然界硅酸鹽礦物Na2O和CaO的平均組成, 利用沉積物樣品中CaO/Na2O的摩爾比值來得出CaO*的值: 如果比值＞1, 則CaO*=Na2O; 而若比值＜1, 則CaO*=CaO。根據(jù)這一方法, 計(jì)算興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶的化學(xué)蝕變指數(shù)CIA, 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3, 表4所示, 折線圖如圖4所示。

由表3可知, 年均降雨量從50～200 mm增加到800～1 600 mm, 沉積物在各降雨量區(qū)間的CIA均值由53增加到58, 整體隨著降雨量的增加而略微增大; CIA的最小值相對(duì)相差變化不大, 在48～51之間;而CIA最大值在50～200 mm和200～400 mm區(qū)間相同(CIA=55), 最大值在400～800 mm和800～1 600 mm區(qū)間相同(CIA=63)。

按構(gòu)造單元來統(tǒng)計(jì), 結(jié)合表4和圖4可知: 在北京市懷柔以北至內(nèi)蒙古紅格爾之間各構(gòu)造單元沉積物CIA的均值幾乎不變(在52～53之間), 而從北京市懷柔區(qū)至江蘇省連云港市范圍內(nèi), 各構(gòu)造單元沉積物的CIA均值也相差不大(在56～57之間)。

2.4討論

沿走廊帶從西北到東南(A3—A1, B1—B4), 元素含量分布趨勢(shì)顯著的是SiO2和Al2O3。對(duì)于SiO2,華北北緣造山帶＞大興安嶺南段造山帶＞大興安嶺北段造山帶＞內(nèi)蒙地塊＞魯西地塊＞燕山造山帶＞華北盆地, 即興蒙造山帶SiO2含量整體高于華北克拉通; 而對(duì)于Al2O3含量則幾乎表現(xiàn)為相反的趨勢(shì),華北北緣造山帶＜大興安嶺南段造山帶＜大興安嶺北段造山帶≈內(nèi)蒙地塊＜華北盆地＜燕山造山帶＜魯西地塊, 即興蒙造山帶Al2O3含量整體低于華北克拉通。這表明了興蒙造山帶所處內(nèi)蒙古半干旱草原特殊地理景觀的影響及主量元素的加和效應(yīng)控制。而CaO、MgO、CO2的含量均在華北盆地(即華北平原)表現(xiàn)出整體高含量, 這可能與華北沖積平原土壤含有大量碳酸鹽礦物有關(guān), 而在燕山造山帶和魯西地塊局部高含量與碳酸鹽巖地層分布出現(xiàn)相對(duì)應(yīng),且MgO在燕山造山帶和魯西地塊也表現(xiàn)整體較高含量, 這除了與碳酸鹽巖地層分布有關(guān)外, 還與這兩地區(qū)廣泛分布的基性-超基性鎂鐵質(zhì)巖石在漫長地質(zhì)歷史時(shí)期風(fēng)化作用有關(guān)。Na2O、K2O的含量分布趨勢(shì)差異不同, Na2O的含量在各單元差異較大, K2O的含量表現(xiàn)整體穩(wěn)定而略微下降的趨勢(shì)表明Na2O和K2O含量除繼承基巖外, 還受后期風(fēng)化各種復(fù)雜因素影響以及Na2O和K2O各自的地球化學(xué)性質(zhì)決定(遲清華和馬生明, 2008; 焉明才等, 1997)。

表3　興蒙造山帶—華北克拉通走廊帶地球化學(xué)沉積物不同降雨量等級(jí)CIA值Table 3　The sediments CIA values at different rainfall levels on the geochemical transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

表4　興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶沉積物各構(gòu)造單元CIA值Table 4　The sediments CIA values in different secondary tectonic units on the geochemical transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

圖4　興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶沉積物CIA折線圖Fig. 4　Diagram of the sediments CIA on the geochemical transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

走廊帶上TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5有著類似的空間分布特征, 在內(nèi)蒙古半干旱草原上含量較低外, 在張家口至連云港之間整體上這些元素含量較高, 其中在燕山造山帶和魯西地塊受上述地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)背景和巖性出露影響含量變化較大, 而在華北盆地內(nèi)含量變化較小。這反映了華北克拉通鎂鐵質(zhì)基性-超基性巖石長期風(fēng)化的影響, 同時(shí)這些元素較易隨鐵錳氧化物或鈦的氧化物較為穩(wěn)定, 也使得這些元素不易被風(fēng)化淋濾而保存下來。

而FeO除了受地質(zhì)背景影響外, 在華北克拉通表現(xiàn)出整體高含量, 其在張家口以北的內(nèi)蒙古半干旱草原(主體為興蒙造山帶), 其含量與華北克拉通相比差異沒有TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5這幾個(gè)元素大, 這可能反映較為干冷的氣候條件使得FeO不易被氧化, 而在章丘以南的地區(qū), 盡管有鎂鐵質(zhì)巖石的高背景, 但隨著降雨量的增加和相對(duì)較為溫暖濕潤的氣候使得FeO更易被氧化而導(dǎo)致其含量整體較低。H2O+的含量在走廊帶上整體而言差異不大,反映北方干冷氣候條件下, 粘土礦物含水普遍較低,局部高含量位于碳酸鹽巖地層或第四系分布區(qū), 而低含量分布區(qū)與砂巖、花崗巖或中基性集中分布有關(guān)。

走廊帶上pH值整體反映了北方沉積物偏堿性的特征, 但在章丘以南的地區(qū), pH值降低和FeO含量降低相吻合, 表明隨著降雨量的增加, 在相對(duì)溫暖濕潤的條件下, 沉積物pH值反映出中性偏弱酸, FeO的氧化也變得更容易。

而對(duì)于化學(xué)蝕變指數(shù), 根據(jù)Nesbitt和Young(1982)對(duì)現(xiàn)今地球上的主要礦物, 和一些反映典型氣候的現(xiàn)代沉積物CIA值的統(tǒng)計(jì)表明: CIA值介于50～65之間, 反映寒冷、干燥的氣候條件下低等的化學(xué)風(fēng)化程度; CIA值介于65～85之間, 反映溫暖、濕潤條件下中等程度的化學(xué)風(fēng)化程度; CIA值介于85～100之間, 反映炎熱、潮濕的熱帶亞熱帶條件下的強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化程度(馮連君等, 2003)。

興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶沉積物CIA均值為55, 興蒙造山帶CIA均值為53, 華北克拉通CIA, 均值為55。綜上所述, 興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶沉積物的CIA值反映出在寒冷、干燥氣候條件下低等的化學(xué)風(fēng)化程度;但相對(duì)而言, 興蒙造山帶沉積物CIA值變化范圍較小(51～55), 而華北克拉通沉積物CIA值變化范圍較大(48～63), 反映興蒙造山帶沉積物平均風(fēng)化程度相對(duì)較接近, 而華北克拉通沉積物的平均風(fēng)化程度差異相對(duì)較大。

除了影響沉積物元素含量的以上外在因素外,元素本身的地球化學(xué)性質(zhì)(元素的地球化學(xué)親和性)是決定元素存在、遷移活動(dòng)的重要的內(nèi)在因素, 從而影響沉積物含量在不同表生條件下的含量和空間分布差異, 其中離子電位(通常用π表示)可以很好地被用來度量元素的地球化學(xué)親和性和元素活動(dòng)性分類, 離子電位指的是元素離子的電荷與其半徑之比, 其決定離子在化學(xué)反應(yīng)中吸引價(jià)電子的能力,也決定了元素存在形式和遷移能力。參考張德會(huì)(2015)書中元素的離子電位值, 可按離子電位把元素的離子分為以下三類, 并對(duì)本走廊帶上一些元素作簡要討論分析:

(1)π＜2.5, 此類離子為電價(jià)低而半徑大的低場(chǎng)強(qiáng)陽離子。在水溶液中與H+爭奪O2-的能力弱, 氧化物溶于水給出O2-, 在水溶液中遷移, 比如K+, Na+, Ca2+等。因此, 結(jié)合表1和圖2可知, 這些元素含量變化較大, 在興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶上元素含量空間變化也較大, 而且Na元素的離子電位比K元素較大, 因此Na2O(π=1.05)也表現(xiàn)出比K2O(π=0.75)更復(fù)雜含量和空間變化規(guī)律。

(2)π=2.5～8.0, 此類離子為兩性離子, 多為偏高價(jià)態(tài), 具有中等半徑, 在水溶液中與H+爭奪O2-的能力相近, 在正常pH=4～9的天然水溶液中, 氧化物水解, 形成氫氧化物沉淀; 而且中等離子電位的陽離子(Al3+、Ti4+、Fe3+、Mn4+)形成相對(duì)強(qiáng)的化學(xué)鍵, 使得它們?cè)谘趸h(huán)境(表生條件下, 作者注)中形成穩(wěn)定氧化物和氫氧化物, 活動(dòng)性弱, 遷移難。因此, 結(jié)合表1和圖2、圖3可知, TFe2O3(π=4.69)、TiO2(π=5.88)、Al2O3(π=6.00)等元素的元素含量空間分布整體上較為相似; 而鐵的二價(jià)態(tài)FeO(π=2.63),其離子電位更接近第一類離子與第二類離子的分界值2.5, 因此在走廊帶上不論是內(nèi)蒙古半干旱草原地理景觀區(qū)其含量空間變化較TFe2O3更大, 特別是是在山東章丘以南的地區(qū), 隨著降雨量的增加, 更易遷移的FeO含量明顯降低, 展示了明顯不同于三價(jià)態(tài)Fe3+更大的活動(dòng)性。

(3)π＞8, 此類離子為具有小半徑的高價(jià)陽離子。在水溶液中爭奪O2-的能力大于H+, 這類離子電位大的陽離子(P5+、N5+、S6+), 形成非常強(qiáng)的化學(xué)鍵, 又被稱為高場(chǎng)強(qiáng)元素, 活動(dòng)性較強(qiáng), 也易于遷移。例如含五價(jià)態(tài)P的P2O5(π=14.71), 其離子電位較高, 遷移活動(dòng)性較強(qiáng), 使得該元素在沉積物中分散較為均勻; 因此從表1和圖3可知, 在走廊帶上除了在內(nèi)蒙古半干旱草原上整體較低外,在張家口以南的地區(qū)含量增高后, 沉積物隨地質(zhì)背景、地理景觀、土壤類型的變化, 整體差異不大,而只在山東蒙陰以南降雨量明顯增高(大于1 600 mm)后, P2O5的含量才有所降低, 含量的空間差異也變得相對(duì)較大。綜上所述, 影響地球化學(xué)元素含量與空間分布的因素是綜合的, 除受繼承基巖因素和后期的地理氣候條件等外因影響外,還與元素本身的地球化學(xué)性質(zhì)和元素間的地球化學(xué)親和性的內(nèi)因作用有關(guān)。地質(zhì)背景、地理氣候等環(huán)境因素影響元素含量與空間分布, 反之, 元素的含量和空間分布也反映出地質(zhì)背景、地理氣候的差異和特點(diǎn); 離子電位是反映元素的地球化學(xué)親和性的量化指標(biāo), 按離子電位值對(duì)元素進(jìn)行分類,可以更好地理解元素含量差異和空間分布差異元素遷移活動(dòng)的內(nèi)在決定因素。

3　結(jié)論

(1)在興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶上, SiO2、Al2O3兩者含量與空間分布表現(xiàn)出較為明顯負(fù)相關(guān)特征, 表明了這兩個(gè)主量元素作為沉積物主體此消彼長的關(guān)系特征。CaO、MgO、CO2高含量分布區(qū)則與碳酸鹽巖地層或含碳酸鹽巖礦物土壤有關(guān), 而MgO的高含量還表現(xiàn)出與走廊帶上鎂鐵質(zhì)基性-超基性巖有一定關(guān)系, 表明了這三個(gè)指標(biāo)的高含量受特定巖性影響。Na2O含量變化較大,在走廊帶上空間分布差異較大, 而K2O的含量與空間分布表現(xiàn)出整體穩(wěn)定而略微下降趨勢(shì), 反映出Na2O、K2O含量除了受繼承的基巖影響外, 還受到后期的風(fēng)化作用和氣候及自身地球化學(xué)性質(zhì)等復(fù)雜因素綜合影響。

(2)TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5在燕山造山帶或魯西地塊地質(zhì)背景復(fù)雜地區(qū)的含量變化, 較華北盆地相對(duì)要大, 這表明在經(jīng)過沖積平原的沉積物混勻后, 這些指標(biāo)的含量差異變小。FeO在內(nèi)蒙古半干旱草原上其含量與華北克拉通相比差異并沒有TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5那么大, 表明較為干冷的氣候條件使得FeO相對(duì)不易被氧化而保存, 而在章丘以南的地區(qū), 盡管有鎂鐵質(zhì)巖石的高背景, 但隨著降雨量的增加和相對(duì)較為溫暖濕潤的氣候, 使得FeO更易被氧化而導(dǎo)致其含量整體較低。

(3)H2O+的含量在走廊帶上整體而言差異不大,表明北方干冷氣候條件下, 粘土礦物含水普遍較低,局部高含量位于碳酸鹽巖地層或第四系分布區(qū)。走廊帶上pH值反映了北方沉積物整體偏堿性的特征,但在章丘以南的地區(qū), pH值降低和FeO含量降低向吻合, 表明隨著降雨量的增加, 在相對(duì)溫暖濕潤的條件下, 沉積物pH值反映出中性偏弱酸, FeO的氧化也變得更容易。

(4)興蒙造山帶—華北克拉通地球化學(xué)走廊帶沉積物的CIA值反映出在寒冷、干燥氣候條件下低等的化學(xué)風(fēng)化程度, 興蒙造山帶沉積物平均風(fēng)化程度相對(duì)華北克拉通沉積物的平均風(fēng)化程度差異變化較小, 顯示興蒙造山帶降雨量與溫度等風(fēng)化影響因素變化較小。

(5)影響沉積物元素含量和空間差異是綜合而復(fù)雜的, 除地質(zhì)背景、地理景觀、降雨量等外在因素外, 還與元素本身的地球化學(xué)親和性這一決定元素遷移活動(dòng)的內(nèi)在因素有關(guān), 而按離子電位值對(duì)元素進(jìn)行的分類可以更好地理解沉積物含量和空間分布差異。

Acknowledgements:

This study was supported by the Special Fund for Land and Resources Scientific Research in the Public Interes (No. 201011057).

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The Content and Spatial Distribution of Principal Components in Sediments along the Geochemical Transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

TANG Kun1,2), WANG Xue-qiu1,2)*, CHI Qing-hua1)
1) Key Laboratory of Geochemical Exploration, Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Chinese Academy of Geological Sciences, Langfang, Hebei 065000; 2) School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083

Along the geochemical transect across the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton,14 sediments indicators, i.e., SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, TFe2O3, FeO, TiO2, MnO, P2O5, CO2, H2O+and pH, were chosen and, on such a basis, statistical analysis was conducted for different secondary tectonic units, geographical landscape units, soil type units and rainfall units so as to obtain an overall knowledge of the transect data. The spatial distribution of the values of these indicators was plotted on the diagram, and the chemical indexes of their alteration were also investigated. Some conclusions have been reached: As the main body elements of sediments, the content and spatial distribution of SiO2and Al2O3exhibit a significant negative correlation between the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton. The high content distribution of CaO, MgO, CO2is related to carbonate rocks or soil containing carbonate minerals, and MgO high content is also related to mafic basic-ultrabasic rocks, implying that the high values of the three indicators are greatly influenced by the specific lithology or minerals. Not only the inheritance from the bedrock but also the complex combination of factors such as the late weathering, climate or their own geochemical characteristics are affecting the content of Na2O and K2O, especially that of Na2O. Compared with things of the area with complicated geological background, the discrepancy variation of the content of TFe2O3, MnO, TiO2, P2O5becomes smaller in the alluvial plain area after sediments mixing. Relatively cold and dry weather conditions of semi-arid grasslands of Inner Mongolia are conducive to the presence of FeO, and therefore the discrepancy variation of FeO content is smaller than that of TFe2O3in the Yanshan area; However, in the south of Zhangqiu County area, relatively warm humid climate conditions are more susceptible to oxidation for FeO, resulting in a lower overall content of FeO. Under the northern dry and cold climate conditions, H2O+content in sediments is generally low, and the high H2O+content is in carbonate formation or Quaternary distribution area. The pH values reflect the sediment alkaline characteristics, but in the south of Zhangqiu County area, under the conditions of the increase of rainfall and relatively warm and humid climate, the sediment's pH value is neutral to weak acid. The CIA values reflect low degree of chemical weathering of sediments under the cold, dry weather condition, and hence the average degree of weathering of discrepancy variation sediments of the Xingmeng orogenic belt is small relative to the North China Cration, suggesting that the weathering factors such as rainfall and temperature in Xingmeng orogenic belt is relatively small. As a quantitative indicator of the geochemical affinity of the elements, the ionic potential can help to understand the difference of the content and spatial distribution of the elements in the sediments.

geochemical transect; Xingmeng Orogenic Belt and North China Craton; principal components; chemical index of alteration; ionic potential

O611.62; P594

A

10.3975/cagsb.2016.06.08

本文由國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)課題“地球化學(xué)走廊帶探測(cè)實(shí)驗(yàn)與示范”(編號(hào): 201011057)資助。

2016-03-25; 改回日期: 2016-05-20。責(zé)任編輯: 魏樂軍。

唐坤, 男, 1988年生。博士研究生。主要從事應(yīng)用地球化學(xué)數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用方面的研究工作。通訊地址: 065000, 河北省廊坊市金光道84號(hào)。電話: 0316-2267623。E-mail: tangkun08@126.com。

王學(xué)求, 男, 1962年生。研究員。從事勘查地球化學(xué)和全球地球化學(xué)基準(zhǔn)研究工作。E-mail: wangxueqiu@igge.cn。