五大連池玄武巖的元素組成及其化學(xué)風(fēng)化指示

詹 濤，楊 業(yè)，曾方明

(1.黑龍江省第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.中國科學(xué)院青海鹽湖研究所 中國科學(xué)院鹽湖資源綜合高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008)

1 引言

五大連池世界地質(zhì)公園內(nèi)保存了全球最典型的噴氣錐、噴氣碟等火山地貌景觀.這些景觀是十分特殊的地質(zhì)遺跡，極具觀賞性和研究價(jià)值，也亟需保護(hù).公園內(nèi)的噴氣錐和噴氣碟大多分布在火燒山區(qū)域；在水量充足的三池西北部、四池和五池之間的熔巖臺地上，噴氣錐、噴氣碟發(fā)育尤為集中[1].噴氣錐是火山熔巖表層的小圓丘狀熔巖[1].這些圓丘狀、帶氣孔的噴氣錐是由火山噴發(fā)的巖漿、火山碎屑物與含水地表等相互作用而形成的[1].公園內(nèi)的噴氣錐形似寶塔，大多由10 ～ 30層黑色熔巖堆疊而成；噴氣錐一般高1 ～ 4 m，底部直徑一般2 ～ 5 m，頂端有一噴氣孔，中空[1-2].噴氣碟似碟狀，平面形態(tài)大多呈橢圓形；噴氣碟的熔巖堆疊層數(shù)較少，一般只有2 ～ 3層；底徑多為1.5 ～ 3.5 m，高1 m左右，碟坑深1.0 ～ 1.5 m[1].

五大連池世界地質(zhì)公園內(nèi)的噴氣錐、碟地貌景觀蔚為壯觀，蜚聲海內(nèi)外，每年慕名前來參觀的游客絡(luò)繹不絕.園區(qū)管委會為了方便游客參觀，特意修建了木質(zhì)棧道，并在木質(zhì)棧道兩邊樹立了鐵鏈防護(hù)欄，阻止游客踩踏噴氣錐、碟，從而更好地對它們進(jìn)行保護(hù).然而，由于自然界不可抗拒的風(fēng)化作用，目前某些噴氣錐、碟的中心部位已有樹、苔蘚等植物生長.

五大連池火山群的噴發(fā)時(shí)代幾乎貫穿整個第四紀(jì)；60余個K-Ar測年數(shù)據(jù)和歷史文獻(xiàn)記載表明五大連池火山群從2.1 Ma前開始到公元1720 ～ 1721年斷續(xù)有噴發(fā)活動，在松嫩平原上形成了14座火山錐，并由熔巖堰塞形成了五個湖泊[2-4].由于噴發(fā)時(shí)間最晚，火燒山噴發(fā)時(shí)的溢出物還未遭到嚴(yán)重的風(fēng)化破壞，噴發(fā)的熔巖在流動過程中形成的噴氣錐、噴氣碟等火山地貌保存完整[1].

化學(xué)風(fēng)化蝕變指數(shù)(CIA)[5- 6]和Rb/Sr比值[7-8]通常被用來指示巖石、沉積物的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度.為了評估化學(xué)風(fēng)化作用對五大連池風(fēng)景區(qū)噴氣錐、碟的影響，我們在研究區(qū)采集了三類樣品：(1)玄武巖典型風(fēng)化剖面；(2)噴氣錐、碟鉆孔巖芯；(3)噴氣錐、碟集中區(qū)域的表層巖石樣品.本次研究旨在對上述樣品的元素組成和含量變化特征進(jìn)行研究，以期獲得景區(qū)內(nèi)玄武巖的化學(xué)風(fēng)化狀況.

2 材料與方法

2.1 材料

團(tuán)結(jié)水庫東南壩尖(48.6143°N，126.0046°E)的玄武巖風(fēng)化剖面(編號為S1)從上至下清晰地包含全風(fēng)化層(0～ 60 cm深)、半風(fēng)化層(60～ 130 cm深)和未風(fēng)化層(130 cm深以下，未見底)(圖1a).在全風(fēng)化層(5 cm間距)和半風(fēng)化層(10 cm間距)采集了散樣，并在135 cm、約150 cm和約250 cm深處采集了未風(fēng)化的基巖樣品.另外，在公元1720-1721年噴發(fā)的熔巖臺地(48.6394°N，126.1511°E；編號為S2)上采集了0～ 2 cm深處的表層風(fēng)化巖石樣品，并在約5 ～ 10cm、10 ～ 15 cm和35 ～ 40 cm深處采集了未風(fēng)化的玄武巖樣品.

利用美國紹爾背包鉆，對編號為Z252(圖1b)、Z248(48.7464°N，126.1789°E)、Z277(48.7472°N，126.1797°E)的噴氣錐以及編號為D551(48.7461°N，126.1800°E)、D479(48.7464°N，126.1786°E)、D113(48.7436°N，126.1842°E)的噴氣碟采集了巖芯標(biāo)本.采集噴氣錐巖芯時(shí)，鉆頭呈水平狀態(tài)沿外壁往里頭鉆，巖芯長度以最外層為0 cm開始計(jì)算；采集噴氣碟巖芯時(shí)，鉆頭以垂直的方式從頂部往下鉆，巖芯長度以最頂部為0 cm開始計(jì)算.

在火燒山噴氣錐、碟發(fā)育最集中的區(qū)域，在空間上對25個噴氣錐、32個噴氣碟的表層巖石樣品進(jìn)行了采集(圖1c).對于某些風(fēng)化情況特殊的噴氣碟(如D635)，按照直線從碟的邊緣經(jīng)過中心再到另一邊緣按照合理的間距進(jìn)行采樣.此外，在附近的熔巖臺地采集了表層0～ 10 cm深已經(jīng)風(fēng)化成壤的樣品(48.7370°N，126.1720°E)和表層0～ 10 cm深夾火山灰的土壤樣品(48.7256°N，126.1557°E).

野外一共獲得178個可用于元素含量分析的樣品：22個風(fēng)化剖面(S1)的樣品，6個熔巖臺地(S2點(diǎn)位)的樣品，25個鉆孔巖芯樣品，125個火燒山噴氣錐、碟的表層巖石及附近熔巖臺地上的樣品.

圖1 野外剖面和采樣(據(jù)文獻(xiàn)[10]修改)

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

風(fēng)化剖面的散樣等采集回來后，使其在烘箱中(溫度調(diào)為80°C)烘干.對于塊狀的玄武巖樣品，先用錘子將其砸碎，再磨碎，最后收集通過200目不銹鋼網(wǎng)篩的粉末.

稱取4g左右的樣品放入聚氯乙烯環(huán)內(nèi)，采用壓片機(jī)壓制成片.壓好的片直接用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的Axios X射線熒光光譜儀(型號PW4400)進(jìn)行元素測定.元素含量在中國科學(xué)院青海鹽湖研究所鹽湖化學(xué)分析測試中心測定.測定過程用平行樣品(又稱重復(fù)樣品)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，確保測試結(jié)果的精度.各元素分析誤差小于5%.

3 結(jié)果與討論

3.1 玄武巖風(fēng)化剖面的元素組成及對化學(xué)風(fēng)化的指示

五大連池玄武巖風(fēng)化剖面的元素組成結(jié)果見表1.團(tuán)結(jié)水庫玄武巖風(fēng)化剖面，從上至下，依次出露非常完整的全風(fēng)化層、半風(fēng)化層和未風(fēng)化層(圖1a).團(tuán)結(jié)水庫風(fēng)化剖面的玄武巖主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、K2O、Na2O、MgO、TiO2和P2O5組成(表1，圖2).整個剖面中，SiO2的含量為54.44%～65.43%，Al2O3的含量為12.95% ～ 17.18%，F(xiàn)e2O3的含量為5.09% ～ 8.67%，CaO的含量為1.36% ～ 5.79%，K2O的含量為2.61% ～ 4.58%，Na2O的含量為1.36% ～ 4.48%，MgO的含量為1.22% ～ 4.06%，TiO2的含量為0.90% ～ 2.17%，P2O5的含量為0.20% ～ 0.96%.上述這些元素的含量占到了91%以上.

圖2 團(tuán)結(jié)水庫風(fēng)化剖面各元素含量隨深度的變化

團(tuán)結(jié)水庫剖面中，從未風(fēng)化的基巖層到頂部的全風(fēng)化層，SiO2和Rb的含量呈增大的趨勢(Rb在半風(fēng)化層的含量變化波動較大)，而Fe2O3、CaO、K2O、Na2O、MgO、TiO2、P2O5、Sr的含量呈現(xiàn)減小的趨勢；Al2O3的含量在半風(fēng)化層中最高(圖2).值得注意的是，各元素在半風(fēng)化層中的含量波動較大.Al2O3、Fe2O3、CaO、K2O、Na2O、MgO、TiO2、P2O5、Sr的含量在半風(fēng)化層中部較高(圖2).產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能與剖面巖石結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的樣品采集有關(guān).在剖面露頭中，半風(fēng)化層的中部除含有較多大塊的巖石碎塊外，小塊的巖石碎塊也較多.在采樣過程中，這些小的巖石碎塊被作為主要采集的對象.從而這些巖石碎塊的元素組成可能引起了半風(fēng)化層中部Al2O3、Fe2O3、CaO等元素含量較高.另外，玄武巖風(fēng)化過程中雨水的淋濾導(dǎo)致不穩(wěn)定元素(CaO、Na2O、MgO、Sr)從全風(fēng)化層往下部遷移，也可能造成上述元素在半風(fēng)化層的中部富集.

在團(tuán)結(jié)水庫風(fēng)化剖面中，除Al2O3和Na2O的含量波動稍微大點(diǎn)外，其它元素在未風(fēng)化層中的含量變化非常穩(wěn)定(圖2).因此，以未風(fēng)化層各元素的平均值為基準(zhǔn)，用全風(fēng)化層和半風(fēng)化層樣品的元素與之比較，可以得到各元素的富集和虧損狀態(tài)(圖3).結(jié)果顯示：在全風(fēng)化層中，SiO2和Rb相對富集，而其它元素均處于相對虧損狀態(tài)(圖3a).在半風(fēng)化層中，SiO2既不虧損也不富集；Al2O3相對富集；Rb含量的變率較大，一半處于相對富集，一半處于相對虧損；其它元素均相對虧損(圖3b).

表1 五大連池玄武巖風(fēng)化剖面的元素組成特征

*平行樣品

圖3 團(tuán)結(jié)水庫風(fēng)化剖面各元素相對于未風(fēng)化層的富集和虧損

CIA(chemical index of alteration，化學(xué)蝕變指數(shù))[5]是一個在風(fēng)化研究中被廣泛應(yīng)用的地球化學(xué)指標(biāo).CIA的計(jì)算公式為：CIA = Al2O3/(Al2O3+ CaO*+ Na2O + K2O) ×100，各氧化物均為摩爾數(shù)，CaO*為硅酸鹽礦物中的氧化鈣[5].該指標(biāo)實(shí)質(zhì)上是通過估算長石風(fēng)化成粘土礦物的比例來表征化學(xué)風(fēng)化程度.由于五大連池玄武巖的主要礦物為長石、橄欖石、輝石等[9-10]，樣品中的CaO主要為硅酸鹽礦物中的CaO.因此，在計(jì)算CIA時(shí)，測得的CaO含量不校正，直接參與計(jì)算.

Rb/Sr比值[7,8,11]是另一個在風(fēng)化研究中被常用的地球化學(xué)指標(biāo).該指標(biāo)主要基于Rb主要賦存在相對穩(wěn)定的礦物中，而Sr主要賦存在易風(fēng)化的不穩(wěn)定礦物中，隨著不穩(wěn)定礦物的風(fēng)化，導(dǎo)致Sr遷出，從而引起Rb/Sr比值升高[12].

團(tuán)結(jié)水庫剖面的CIA從下部的未風(fēng)化層到上部的全風(fēng)化層，總體呈升高的趨勢；CIA最低值出現(xiàn)在未風(fēng)化層，為40.43；CIA最高值出現(xiàn)在全風(fēng)化層，為63.89(圖4).界線層的數(shù)據(jù)不參與計(jì)算，未風(fēng)化層的CIA的平均值為41.79，半風(fēng)化層的為55.24，全風(fēng)化層的為62.45.

與CIA的變化相似，該剖面的Rb/Sr比值從下部的未風(fēng)化層到上部的全風(fēng)化層，總體呈升高的趨勢；Rb/Sr比值最低值出現(xiàn)在未風(fēng)化層，為0.06；Rb/Sr比值最高值出現(xiàn)在全風(fēng)化層，為0.45(圖4).界線層的數(shù)據(jù)不參與計(jì)算，未風(fēng)化層的Rb/Sr比值的平均值為0.07，半風(fēng)化層的為0.13，全風(fēng)化層的為0.40.

圖4 團(tuán)結(jié)水庫玄武巖風(fēng)化剖面的CIA和Rb/Sr比值隨深度的變化

團(tuán)結(jié)水庫剖面的CIA和Rb/Sr比值從未風(fēng)化層到全風(fēng)化層變大，正是風(fēng)化作用不斷增強(qiáng)的結(jié)果.CIA和Rb/Sr比值的研究結(jié)果與野外直觀的地質(zhì)現(xiàn)象一致，從而表明這兩個地球化學(xué)指標(biāo)能夠有效地指示玄武巖的風(fēng)化作用強(qiáng)度.

1721年噴發(fā)的熔巖臺地上(S2點(diǎn)位)的樣品中，三個處于未風(fēng)化層的樣品的CIA平均值為41.96，Rb/Sr比值平均值為0.07，三個處于風(fēng)化層的樣品(0-2 cm)的CIA平均值為61.41，Rb/Sr比值平均值為0.30(表1).S2點(diǎn)位未風(fēng)化層樣品與前述的團(tuán)結(jié)水庫未風(fēng)化層樣品的CIA和Rb/Sr比值的平均值十分接近.團(tuán)結(jié)水庫玄武巖全巖的K-Ar法測年結(jié)果大多集中在50萬年左右[13-14].因此，基于S2點(diǎn)位的樣品和團(tuán)結(jié)水庫風(fēng)化剖面的數(shù)據(jù)(表1)，可以初步建立CIA和Rb/Sr比值分別與五大連池玄武巖風(fēng)化時(shí)間的關(guān)系.

基于上述，獲得三個風(fēng)化時(shí)間上的CIA和Rb/Sr比值：(1)為了橫坐標(biāo)采用對數(shù)坐標(biāo)來作圖，將該區(qū)玄武巖初始的CIA和Rb/Sr比值對應(yīng)的風(fēng)化年齡設(shè)為1年.未風(fēng)化基巖的CIA值為41.79，Rb/Sr比值為0.07.(2)S2點(diǎn)位熔巖臺地的玄武巖的噴發(fā)年代為1721年.由于樣品采自2016年，在歷經(jīng)295年的風(fēng)化時(shí)間后，其表層風(fēng)化層的CIA值為61.41，Rb/Sr比值為0.30.(3)團(tuán)結(jié)水庫的玄武巖在歷經(jīng)長達(dá)50萬年的風(fēng)化之后，其全風(fēng)化層的CIA值為62.45，Rb/Sr比值為0.40.將這些數(shù)據(jù)作圖(圖5)，發(fā)現(xiàn)CIA和Rb/Sr比值與風(fēng)化時(shí)間具有如下的數(shù)學(xué)關(guān)系：

CIA= 1.5026 ×ln(a) + 45.795(a為年代，單位為年)

(1)

Rb/Sr= 0.0246 ×ln(a) + 0.1027(a為年代，單位為年)

(2)

上述公式揭示出五大連池玄武巖化學(xué)風(fēng)化的速率具有非線性特征：早期風(fēng)化速率較快，后期變慢.這一結(jié)論與頻率磁化率得到的結(jié)論一致[9].由于五大連池像團(tuán)結(jié)水庫出露這么完整的風(fēng)化剖面非常少，所以目前得到的研究結(jié)果是非常初步的.若將來能夠找到新的風(fēng)化剖面，建立出各個不同風(fēng)化時(shí)間所對應(yīng)的CIA和Rb/Sr值，將會使研究結(jié)果完善.

3.2 噴氣錐、碟鉆孔巖芯的元素組成

火燒山區(qū)域?yàn)閲姎忮F、碟最為集中發(fā)育的區(qū)域.噴氣錐、碟鉆孔巖芯樣品的元素組成見表2.噴氣錐、碟主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3等元素所組成.SiO2的含量為54.44%～65.43%，Al2O3的含量為12.95%～17.18%，F(xiàn)e2O3的含量為5.09%～8.67%，CaO的含量為1.36%～5.79%，K2O的含量為2.61%～4.58%，Na2O的含量為1.36%～4.48%，MgO的含量為1.22%～4.06%，TiO2的含量為0.90%～2.17%，P2O5的含量為0.20%～0.96%.

噴氣錐Z252鉆孔的CIA由外往內(nèi)兩端高中間低，Rb/Sr比值也基本上是這個規(guī)律(圖6a).與噴氣錐Z252類似，Z248鉆孔的CIA和Rb/Sr比值也是中間低，兩端高，只是內(nèi)側(cè)比外側(cè)更高些(圖6b).與Z252和Z248不同，Z277鉆孔的CIA和Rb/Sr比值是中間高，兩端低(圖6c).

噴氣碟D551鉆孔的CIA和Rb/Sr比值從上部往下部降低(圖6d).D479鉆孔的CIA值從上至下，中間最高；該鉆孔的Rb/Sr比值上部比下部高(圖6e).D113鉆孔只有兩個樣品，上部的CIA和Rb/Sr比值均比下部的高(圖6f).

圖5 五大連池玄武巖CIA和Rb/Sr比值隨風(fēng)化時(shí)間的變化

表2 火燒山噴氣錐、碟鉆孔巖芯樣品的元素組成特征

*平行樣品

三個噴氣錐鉆孔巖芯中，Z252和Z248的CIA和Rb/Sr比值變化較有代表性.因?yàn)閲姎忮F的中央是空的，所以外壁和內(nèi)壁都直接與大氣接觸.因此，噴氣錐的外壁和內(nèi)壁不但暴露在空氣中，而且還遭受雨水的淋洗，更易風(fēng)化.這兩個噴氣錐的CIA和Rb/Sr比值能夠反映噴氣錐在自然狀態(tài)下的風(fēng)化情形.

由于噴氣錐在形成過程中，是由一層一層的熔巖堆疊而成[1].噴氣錐形成之后，受各種外力作用的影響，目前很多錐體已呈現(xiàn)出支離破碎的面貌.錐體本身也布滿了各種裂紋和裂隙.Z277鉆孔的CIA和Rb/Sr比值特征可能受錐體的形成過程和裂隙的影響.

三個噴氣碟鉆孔巖芯中，D551和D113具有一定的代表性.這兩個鉆孔的CIA和Rb/Sr比值由底部往上部呈現(xiàn)出增大的趨勢，揭示出直接暴露于大氣下的巖石的風(fēng)化程度更強(qiáng).D479鉆孔的CIA值從上到下雖然是中間段最高，但是數(shù)值只是從39.14變化到39.42，變幅很小.

簡言之，噴氣錐、碟鉆孔巖芯的CIA和Rb/Sr比值對于理解噴氣錐、碟巖體的化學(xué)風(fēng)化有較好的指示意義.但由于受噴氣錐、碟的形成過程和后期產(chǎn)生的裂隙等因素的影響，鉆孔巖芯的風(fēng)化指標(biāo)特征顯得較復(fù)雜.

圖6 典型噴氣錐(a-c)和噴氣碟(d-f)鉆孔的CIA和Rb/Sr比值特征

3.3 火燒山區(qū)域表層巖石樣品的元素組成

火燒山噴氣錐、碟在空間上的表層巖石樣品及附近熔巖臺地表層樣品的CIA值的變化范圍為39.04～65.68，Rb/Sr比值的變化范圍為0.07～0.54.CIA和Rb/Sr比值的變化幅度較大.

目前有少數(shù)噴氣錐、碟的中心部位已有樹木生長.這些樹根扎入巖石中，并汲取根部周圍已經(jīng)由巖石風(fēng)化成土壤中的養(yǎng)分.如編號為D112的噴氣碟中央就長了樹，該碟邊部巖石樣本(野外編號為KJ-9)的CIA值為39.67，Rb/Sr比值為0.07，中心表層樣品(KJ-10)成壤作用明顯，能采集到大量細(xì)顆粒的碎屑物質(zhì)，其CIA值為53.43，Rb/Sr比值為0.27.對于編號為D746的噴氣碟，從邊緣往中心，再到另一邊緣，共采集了8個樣品(KJ-83至KJ-90)；所有樣品中，中心部位樣品(KJ-87，已發(fā)生成壤作用)的CIA值為55.68，Rb/Sr比值為0.19，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它樣品.由此，可以獲得一般性的認(rèn)識：CIA和Rb/Sr比值對于判識噴氣錐、碟的風(fēng)化作用程度有較好的指示意義，可以給出量化的結(jié)果.

火燒山噴氣錐、碟空間樣品的CIA和Rb/Sr比值呈指數(shù)正相關(guān)，決定系數(shù)R2為0.90(圖7a).火燒山玄武巖的空間樣品，連同團(tuán)結(jié)水庫玄武巖風(fēng)化剖面樣品和噴氣錐、碟的鉆孔樣品的CIA和Rb/Sr比值也呈指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，R2為0.92(圖7b).這種特殊的相關(guān)性可能與玄武巖本身的元素組成及風(fēng)化過程中組分的變化有關(guān).

圖7 五大連池玄武巖噴氣錐、碟樣品的CIA和Rb/Sr比值的關(guān)系

4 結(jié)論

(1)團(tuán)結(jié)水庫風(fēng)化剖面的玄武巖主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、K2O、Na2O、MgO、TiO2和P2O5組成，這些元素的含量之和達(dá)91%以上.整個剖面中，SiO2的含量為54.44%～65.43%，Al2O3的含量為12.95%～17.18，F(xiàn)e2O3的含量為5.09%～8.67%，CaO的含量為1.36%～5.79%，K2O的含量為2.61%～4.58%.

(2)團(tuán)結(jié)水庫玄武巖風(fēng)化剖面，從上至下具有非常清晰的全風(fēng)化層、半風(fēng)化層和未風(fēng)化層結(jié)構(gòu).風(fēng)化剖面的CIA和Rb/Sr比值從下部的未風(fēng)化層到上部的全風(fēng)化層呈增大的趨勢，與野外地層顯示的風(fēng)化程度高度一致，從而表明這兩個地球化學(xué)指標(biāo)是指示五大連池區(qū)域玄武巖化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的良好指標(biāo).

(3)結(jié)合年代學(xué)資料，建立了CIA、Rb/Sr比值分別與風(fēng)化時(shí)間的數(shù)學(xué)表達(dá)式.該公式揭示出玄武巖的化學(xué)風(fēng)化速率具有非線性特征：早期風(fēng)化速率快，后期變慢.由于不同時(shí)間段噴發(fā)形成的具有清晰風(fēng)化分層結(jié)構(gòu)的玄武巖風(fēng)化剖面很難被找到，目前所建立的公式是非常初步的.未來在研究區(qū)尋找新的風(fēng)化剖面，提供更多不同風(fēng)化時(shí)間尺度上所對應(yīng)的CIA和Rb/Sr比值，將會使研究結(jié)果得到完善.

(4)噴氣錐、噴氣碟鉆孔巖芯的CIA和Rb/Sr比值的變化特征基本上能夠指示它們的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度.但可能受噴氣錐、碟的形成過程和后期作用產(chǎn)生的裂隙的影響，這兩個指標(biāo)在指示化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度上顯得較復(fù)雜.

(5)五大連池區(qū)域玄武巖樣品的CIA和Rb/Sr比值呈指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，可能與玄武巖本身的元素組成及在風(fēng)化過程中組分的變化有關(guān).

[參考文獻(xiàn)]

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