基于人工和TIMA自動化方法的松花江水系重礦物組成：對源-匯物源示蹤的指示

李秋杭，謝遠云,2，康春國，遲云平,2，吳鵬，孫磊，李思琪

1.哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150025

2.哈爾濱師范大學(xué)寒區(qū)地理環(huán)境監(jiān)測與空間信息服務(wù)黑龍江省重點實驗室，哈爾濱 150025 3.哈爾濱學(xué)院地理系，哈爾濱 150086

重礦物是指沉積物中密度超過2.89 g/cm3的礦物，在沉積巖中質(zhì)量比僅為1%左右，一般作為母巖的副礦物存在，種類豐富、耐磨蝕、穩(wěn)定性強，在流域沉積物的研究中具有重要意義[1-3]。河流是陸源碎屑物質(zhì)遠距離遷移的重要渠道之一，記載了流域內(nèi)大量地質(zhì)信息[4-5]。通過對河流沉積物中的重礦物進行分析，可以探究物質(zhì)運輸規(guī)律[6-7]、流域風(fēng)化剝蝕特征[8-9]、判斷物質(zhì)來源[10-11]、進行地層對比分析[12]、了解構(gòu)造演化[13-17]等。但在河流搬運沉積過程中，重礦物組成會受到母巖巖性以及外力作用（風(fēng)化、埋藏成巖、機械磨損）等因素的影響而發(fā)生改變[18]。因此，在通過重礦物分析方法進行研究時，需要首先評估重礦物組成的影響因素。

人工鑒定（光學(xué)）是檢測重礦物的常用方法，目前可檢測的透明和不透明重礦物均超過60種[19]，對儀器平臺要求較低，可獲取大量數(shù)據(jù)信息。但該方法耗時費力、分析顆粒數(shù)量有限，結(jié)果準(zhǔn)確性受到鑒定人員的知識儲備和經(jīng)驗影響[2]。TESCAN Integrated Mineral Analyzer（TIMA）是一種基于 SEMEDS的自動掃描電子顯微鏡，自帶礦物數(shù)據(jù)庫涵蓋近5 000種礦物，能夠識別直徑小于10 μm的顆粒[20-22]，測量參數(shù)可根據(jù)具體研究進行定制，可以實現(xiàn)礦物檢測的自動化、高速率和高分辨率。在第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)研究中，TIMA技術(shù)廣泛應(yīng)用于重建沉積地層[23]和沉積環(huán)境[24-25]以及在年代地層研究中提供補充數(shù)據(jù)[26]等方面。

眾多學(xué)者對長江和黃河的重礦物組成進行了廣泛研究[27-29]。松花江作為東北地區(qū)最重要的河流[30]，其研究集中于20世紀(jì)70—90年代，研究方法主要集中在地貌學(xué)方面[31]。近年來，一些學(xué)者利用重礦物對松花江水系演化模式進行了詳細討論[30,32]，但影響其重礦物組成因素的工作尚未展開。此外，人工與TIMA方法的比較沒有廣泛應(yīng)用于中國的主要河流。為此，本文以松花江主干河道、主要支流和河流階地沉積物中的重礦物為研究對象，利用人工與TIMA兩種鑒定方法對松花江水系沉積物進行重礦物分析，揭示重礦物組成的影響因素，通過與人工方法的比較，進而評估TIMA方法在重礦物鑒定中的應(yīng)用。此項研究將為今后東北地區(qū)源匯過程、物源示蹤和水系構(gòu)造演化等研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

松花江流域（41°42′～51°38′ N、 119°52′～132°31′ E）位于中國東北的松嫩平原。流域三面環(huán)山，東南部為長白山山脈，西部和西北部與大興安嶺相連，北部和東北部與小興安嶺相鄰（圖1）。由于松花江流經(jīng)不同的造山帶，形成了不同的地質(zhì)構(gòu)造（圖2）。流域內(nèi)侵入巖和噴出巖分布廣泛，主要包括花崗巖、混合花崗巖、玄武巖、安山巖、流紋巖、中酸性凝灰?guī)r和中酸性凝灰熔巖。其巖石分布大致為：大興安嶺以花崗巖和中酸性火山巖為主，包含少量玄武巖；小興安嶺、張廣才嶺和長白山以花崗巖、混合花崗巖、玄武巖和變質(zhì)巖為主（圖2）。松嫩平原和三江平原第四紀(jì)松散沉積物分布廣泛[33]。

圖2 松花江水系地質(zhì)圖[37-38]Fig.2 Geological map of the Songhua River drainage[37-38]

松花江是中國七大河之一，也是黑龍江在中國境內(nèi)的最大支流，流經(jīng)黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古三省[34-35]。總長1 927 km，東西長920 km，南北寬1 070 km，流域面積55.72×104km2，占黑龍江總流域面積的30.2%，年徑流量762×108m3[36]。松花江有南北兩源，南源為第二松花江，即為正源，發(fā)源于長白山天池，一般作為松花江干流源頭；北源為嫩江，也是松花江第一大支流，源自大興安嶺的伊勒呼里山，其支流包括雅魯河、阿倫河、諾敏河、甘河和多布庫爾河等。兩源在吉林省三岔河鎮(zhèn)匯合形成東流松花江，最終流至同江市注入黑龍江（圖1）[39]。根據(jù)東流松花江地形及河道特征，將三岔河-哈爾濱分為上游，右岸與拉林河相連；哈爾濱-佳木斯為中游，其支流包括岔林河、螞蜒河、巴蘭河和牡丹江等；佳木斯-同江為下游[40]。

圖1 松花江水系及采樣位置示意圖Fig.1 DEM map of Songnen Plain, showing the distribution of the Songhua River drainage system and sample

2 采樣與實驗過程

2.1 樣品采集與處理

河流樣品取自松花江主干河道以及主要支流的現(xiàn)代河床邊灘沖積沙（圖1），共獲樣品12個。此外，在通河縣野外考察中發(fā)現(xiàn)了松花江T3堆積階地（46°03′68″ N、129°01′10″ E），階地底部海拔高度37 m，出露厚度約9～10 m。階地具有明顯的二元結(jié)構(gòu)，上部為棕紅色河漫灘相含礫粉砂質(zhì)泥，下部為灰白色河床相砂礫石層[31,40]。在該堆積階地西側(cè)約2 km的基座階地的基巖為風(fēng)化嚴(yán)重的花崗巖。為評估化學(xué)風(fēng)化過程對重礦物組成的影響，在通河松花江三級河流階地的河床相砂透鏡體和河漫灘相泥質(zhì)粉砂中分別采集1個樣品。樣品均通過干篩法獲取63～250 μm粒級組分，送至河北省廊坊市誠信地質(zhì)服務(wù)公司分別進行人工及TIMA重礦物鑒定。

2.2 實驗方法

2.2.1 人工鑒定過程

首先將全部樣品烘干稱重，加入離散劑初淘，再用三溴甲烷（密度2.89 g/cm3）進行精淘，使輕、重礦物分離，將被分離的樣品用酒精反復(fù)沖洗至干凈后，在60 ℃恒溫箱烘干后進行稱重（精度＜0.1 mg），隨后進行磁選，得到無磁、電磁、強磁顆粒后再次稱重[41]。最后將分離出的重礦物部分在雙目實體顯微鏡下觀察鑒定，每個重礦物樣品鑒定顆粒數(shù)均在1 000粒以上，計算出每種重礦物的顆粒百分含量。每種重礦物的顆粒百分含量與所屬部分（無磁、電磁和強磁）礦物質(zhì)量的乘積可得出每種重礦物的質(zhì)量，進而可以計算出每種重礦物的質(zhì)量百分含量[19,42]。

2.2.2 TIMA鑒定過程

將干篩后的63～250 μm粒級子樣品（除河流階地樣品）進行粗淘，均勻傾倒在直徑2.5 cm的環(huán)氧樹脂靶上，對其進行拋光。隨后在靶外部鍍一層導(dǎo)電碳涂層以減少觀測時產(chǎn)生的荷電，并且能夠增強二次電子或背散射電子信號，獲得更好的信噪比。樣品選擇高分辨率的解離分析點陣模式進行分析，以獲取BSE圖和EDS數(shù)據(jù)，每個點的X射線計數(shù)為 1 000 kcps，像素間距為 2 μm，能譜步長為 9 μm。測試條件：高真空模式，加速電壓25 kV，電流18.33 nA，工作距離15 mm，光斑直徑66.5 nm，區(qū)塊（Field）長度 1 500 μm，電流和BSE信號強度使用鉑法拉第杯自動程序校準(zhǔn)，EDS信號使用Mn標(biāo)樣校準(zhǔn)。BSE和EDS圖像獲取過程如下：TIMA儀器首先快速獲取整個樣品的低分辯率BSE全景圖像，并選擇樣品靶中需要分析的區(qū)域（盡可能包含全部顆粒）；將所選測試區(qū)域平均切割成若干正方形區(qū)塊；以區(qū)塊為單位，樣品臺自動位移，依次掃描；在區(qū)塊內(nèi)，BSE拍照和EDS測試以預(yù)先設(shè)定好的像素參數(shù)進行逐點分析；測試完成后，TIMA軟件自動拼合統(tǒng)計每個區(qū)塊內(nèi)所獲取的所有BSE圖像和EDS數(shù)據(jù)。掃描結(jié)束后，對結(jié)果進行分析處理。軟件可以通過各種礦物的密度參數(shù)直接獲取樣品的質(zhì)量百分含量[20,43]，同時能夠獲取各個樣品的礦物顆粒數(shù)、面積百分比、周長百分比和元素百分比（圖3）。每個樣品鑒定顆粒數(shù)平均18 000顆，其中重礦物顆粒數(shù)平均10 000顆。將所獲各樣品中的輕礦物數(shù)據(jù)去除，重新計算各樣品的重礦物質(zhì)量百分含量，得到本文中每個樣品的重礦物重量百分比。

圖3 松花江水系代表性樣品的 TIMA 分析識別結(jié)果a.BSE 圖, b.SEM 圖, c.礦物相圖, d.各礦物面積比圖, e.各礦物周長比圖, f.各礦物元素比圖。Fig.3 Identification results of TIMA analysis of representative samples from the Songhua River systema.BSE diagram, b.SEM diagram, c.mineral phase diagram, d.diagram of the area of each mineral, e.the perimeter ratio of each mineral,f.comparison of mineral elements.

3 結(jié)果

重礦物鑒定結(jié)果見表1。人工方法共鑒定出24種重礦物，其中主要礦物為角閃石、綠簾石、榍石、鈦鐵礦、赤/褐鐵礦和輝石；鋯石、磷灰石、金紅石、銳鈦礦、白鈦石、電氣石、磁鐵礦和藍晶石為次要礦物；獨居石、黃鐵礦、黃銅礦、碳硅石、尖晶石、鉻尖晶石、自然鋅和十字石為偶見礦物，含量極低，不具有統(tǒng)計意義，未在表中列出。

表1 人工和 TIMA 檢測松花江水系重礦物結(jié)果對比Table 1 Comparison of artificial and TIMA results for heavy minerals in the Songhua River drainage %

礦物的物理性質(zhì)包括顏色、形態(tài)和光學(xué)性質(zhì)等，與物源和河流搬運過程關(guān)系密切[44]。對于我們的研究，鋯石以淺玫瑰色和淺黃色為主，粒狀和次棱角至棱角柱狀，金剛光澤至玻璃光澤，透明至半透明；磷灰石，無色、白色和煙灰色，個別淺藍色，柱狀和粒狀，毛玻璃光澤至玻璃光澤，透明至半透明；金紅石，紅褐色、紅色、黑褐色和黑色，不規(guī)則粒狀和板柱狀，油脂光澤和瀝青光澤，透明至半透明；銳鈦礦，藍灰色和橙黃色為主，個別呈藍綠色和淺褐黃色，粒狀和板狀，油脂光澤和蠟質(zhì)光澤，透明至半透明；白鈦石，灰白色、淺黃色和黃棕色，板狀和粒狀，個別信封狀，蠟狀光澤，不透明；榍石，淺黃色和淺褐黃色，板粒狀，個別信封狀，玻璃光澤，透明至半透明；角閃石，墨綠色、綠色和深褐色，板柱狀和板粒狀，玻璃光澤至蠟質(zhì)光澤，透明至半透明；電氣石，茶褐色和深褐色，個別藍色，柱狀和粒狀，玻璃光澤，透明；石榴子石，淺粉色和粉紅色，個別淺黃色，不規(guī)則粒狀，玻璃光澤，透明；綠簾石，草綠色和淺黃綠色，不規(guī)則粒狀和柱狀，玻璃光澤至毛玻璃光澤，透明至半透明；輝石，綠色和淺綠色，個別黃綠色和淺褐色，板柱狀和板粒狀，玻璃光澤，透明；鈦鐵礦呈鐵黑色，不規(guī)則粒狀和板狀，金屬至半金屬光澤，不透明；赤/褐鐵礦，紅褐色和黑褐色，不規(guī)則粒狀，半金屬光澤，不透明；磁鐵礦為黑色，粒狀和八面體狀，金屬至半金屬光澤，不透明；藍晶石，無色，個別淺藍色，板粒狀和板柱狀，玻璃光澤，透明，部分見暗色包裹體。

源自長白山余脈的第二松花江、拉林河和牡丹江以角閃石（56.69%～73.97%）占絕對優(yōu)勢，綠簾石（7.63%～13.96%）、輝石（1.21%～6.04%）、榍石（3.2%～7.16%）、鈦鐵礦（1.17%～4.52%）和石榴子石（0.58%～3.51%）次之，其他礦物（鋯石、磷灰石、金紅石、銳鈦礦、白鈦石、電氣石、赤/褐鐵礦、磁鐵礦和藍晶石）含量較少（＜3%）。但對于同一物源的螞蜒河，其榍石（21.51%）和鈦鐵礦（5.16%）含量顯著增加，綠簾石（6.4%）含量下降。源于小興安嶺的巴蘭河和岔林河具有與螞蜒河相似的重礦物組成。松花江哈爾濱段樣品中綠簾石含量（24.56%）相對增加，其他礦物組成與拉林河和第二松花江類似。

嫩江支流樣品中綠簾石（25.86%～57.89%）為優(yōu)勢礦物，角閃石含量（5.14%～14.59%）顯著減少。阿倫河、甘河和多布庫爾河的鈦鐵礦含量顯著高于其他河流（11.73%～22.76%）；甘河、多布庫爾河和雅魯河的赤/褐鐵礦較為富集（10.15%～23.19%）；諾敏河的輝石含量（27.13%）在整條松花江中最高。

此外，通河T3階地重礦物組成中優(yōu)勢重礦物為鈦鐵礦（53.08%～74.42%），白鈦石（0.78%～11.89%）和鋯石（1.43%～3.85%）次之，角閃石（0%）與綠簾石含量（0%～3.01%）顯著下降。

TIMA檢測出更豐富的礦物相，共有39種（圖3）。為便于與人工（光學(xué)）結(jié)果進行比較，將相同類別的礦物進行合并（表2）。TIMA的重礦物檢測結(jié)果與人工具有很大的相似性，整體礦物含量變化趨勢一致，但未檢測出銳鈦礦和赤/褐鐵礦。偶見礦物包括獨居石、十字石、硅鐵礦、秋本石、剛玉、鈣鐵礦、方解石、橄欖石、氟碳鈣鈰礦、鐵尖晶石、霓石、瓦茲利石和蛇紋石，含量極低。

表2 TIMA 鑒定松花江水系礦物分類Table 2 Mineral classification of the Songhua River water system as identified by TIMA

4 討論

重礦物在源匯過程中受到一系列物理和化學(xué)作用的影響，包括母巖巖性、河流搬運沉積過程和化學(xué)風(fēng)化等[18]。上述過程可以使重礦物含量及組合發(fā)生變化，導(dǎo)致對后續(xù)研究產(chǎn)生錯誤解釋。因此，理清重礦物組成影響因素是全面解釋重礦物數(shù)據(jù)的前提。

4.1 人工與TIMA方法對比

人工鑒定耗時費力，且受操作者主觀因素和知識儲備的影響，不能高效準(zhǔn)確地識別重礦物[45]。為此，很多研究逐漸使用自動化等新技術(shù)結(jié)合不同的硬件平臺實現(xiàn)自動礦物識別研究。常見的自動化儀器包括拉曼光譜儀[46]、激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀[47-48]、掃描電鏡-能譜儀[49-52]等。拉曼光譜儀與其他自動化儀器相比的優(yōu)點是能夠快速識別多晶型礦物，如二氧化鈦氧化物（金紅石、板鈦礦和銳鈦礦）、碳酸鈣相（方解石、白云石、文石）、變質(zhì)石英和長石類型等[45]，但其數(shù)據(jù)庫沒有包含豐富的包裹體顆粒，導(dǎo)致發(fā)光或熒光效應(yīng)引起的復(fù)雜光譜作用有限，并且不能提供顆粒的顏色或形態(tài)（如表面腐蝕）等信息[41]?；诩す庹T導(dǎo)擊穿光譜儀的自動化分析目前主要應(yīng)用于礦物的處理方面，具有快速識別和無需前處理等優(yōu)點，但由于受到分辨率制約無法實施重礦物的鑒定[2]。

目前最佳的自動礦物識別方法是基于SEMEDS的自動礦物識別系統(tǒng)?；谠摲椒ǖ膬x器包括QEMSCAN、TIMA、MLA等[2,52]。本研究中使用TIMA儀器和人工方法分別獲取松花江12個河流樣品的信息。與人工方法相比，TIMA方法在鑒定礦物種類方面顯示出較大的優(yōu)勢，共檢測出39種重礦物，反映了樣品中礦物種類的多樣性（圖3），而人工鑒定結(jié)果僅為24種，這是因為TIMA儀器可以根據(jù)化學(xué)元素含量以及顏色的差別，準(zhǔn)確區(qū)分重礦物的不同類型，如閃石類包括角閃石、直閃石、鈣鎂閃石、紅閃石、陽起石等；簾石類包含綠簾石、褐簾石、黝簾石等；石榴子石類包括鈣鐵榴石、鈣鋁榴石等（表2）。在重礦物組成方面，TIMA與人工得出幾乎相同的重礦物組成，但仍有一些結(jié)果存在差異。相較于人工方法（0～0.06%），TIMA鑒定出的金紅石含量（0.26%～3.50%）明顯更高（表1）。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是在進行重礦物分析時，樣品受傾倒影響導(dǎo)致密度大的顆粒優(yōu)先被倒出，致使兩種檢測方法得到的結(jié)果存在差異[51]。但本研究皆在同一樣品的基礎(chǔ)上進行實驗，不存在樣品傾倒順序影響。因此，致密顆粒不會富集在用于TIMA分析的樣品中。此外，在前人的研究中證實基于SEM-EDS的QEMSCAN儀器無法區(qū)分金紅石和銳鈦礦等多晶型礦物，導(dǎo)致鑒定出的金紅石含量偏高[51]。本研究中TIMA未能識別出銳鈦礦，結(jié)合相對高的金紅石含量，說明TIMA無法識別同質(zhì)異相的礦物（如金紅石和其他TiO2的礦物），但是人工可以將其區(qū)分。除此之外，TIMA鑒定結(jié)果中赤/褐鐵礦的含量為0，說明TIMA無法識別化學(xué)成分接近但屬于不同種類的礦物，但專業(yè)技術(shù)人員可以通過礦物的光學(xué)特性將其區(qū)分。

總之，人工鑒定方法優(yōu)點是能夠更加精確地獲取樣品顆粒的表面特征，如形態(tài)、顏色和磨損程度等；缺點則是工作效率低、檢測結(jié)果有限，依賴鑒定者的主觀性和經(jīng)驗。然而，TIMA具有自動化、高分辨率、多顆粒和高精度等特點，檢測結(jié)果更加多樣化，并且可以提供額外的信息：如BSE圖、元素圖、相圖等有助于區(qū)分樣品內(nèi)部和樣品間的變化。此外，TIMA能夠提供更加準(zhǔn)確的礦物豐度估計、識別特定礦物粒度，以便分析礦物富集的粒度組分[43]。同時，TIMA可以自動識別結(jié)塊礦物，不受顆粒重疊影響[50]。但TIMA不能識別同質(zhì)異相和多晶型礦物，而人工方法具有可行性。因此通過對比兩種方法的優(yōu)點和局限性，說明TIMA不能完全取代人工方法，兩者應(yīng)相互結(jié)合，得到互補的信息。

4.2 物源對重礦物組成的影響

源區(qū)母巖類型是影響重礦物組成的控制因素[53]。重礦物可以參與其他一些碎屑物質(zhì)的產(chǎn)生、搬運乃至沉積的全部過程，能夠較好地保留其母巖特性[54-55]。相同或相似的重礦物組合可以指示相同的母巖區(qū)，為判別物源區(qū)位置、沉積和構(gòu)造活動提供線索[56]。一般來說，母巖為酸性巖漿巖的區(qū)域富集晶型完好的鋯石、電氣石、獨居石、磷灰石和錫石等，榍石是中酸性火成巖的標(biāo)志礦物；中性及基性火成巖中含有磁鐵礦、鈦鐵礦、輝石、白鈦石以及角閃石；鈦鐵礦、赤鐵礦和褐鐵礦是花崗巖風(fēng)化的產(chǎn)物；藍晶石、綠簾石和石榴子石是變質(zhì)巖的標(biāo)志；沉積巖中富含金紅石、尖晶石和電氣石；鋯石則普遍存在于巖漿巖、變質(zhì)巖和沉積巖等各種類型巖石中，性質(zhì)穩(wěn)定，其磨圓度常表示物源搬運的相對距離[57-58]。

在物源不同的碎屑沉積物中，重礦物會形成獨特的組成特征[59]。松嫩平原水系沉積物主要有3個物源，即西北方向的大興安嶺、東南方向的長白山余脈和東北方向的小興安嶺。松嫩平原周圍山地巖性以火成巖為主，約占80%以上[33]；大興安嶺的源巖屬性主要以花崗巖、中酸性火成巖為主，含少量玄武巖和輝綠巖等基性巖[60]；小興安嶺、長白山和張廣才嶺的母巖巖性以花崗巖、混合花崗巖、玄武巖和變質(zhì)巖為主（圖2）[61]。兩種方法鑒定結(jié)果均表明，具有不同物源區(qū)（大興安嶺、小興安嶺和長白山余脈）的支流有明顯不同的重礦物組成（表1），角閃石、榍石、綠簾石、白鈦石、輝石、鈦鐵礦和赤/褐鐵礦是區(qū)分不同源區(qū)水系的指示性礦物。例如，大興安嶺河流（阿倫河、諾敏河、甘河、多布庫爾河和雅魯河）具有非常高的綠簾石（＞25%）和非常低的角閃石（＜15%）以及適度高的白鈦石含量（＞1.8%），而小興安嶺河流（巴蘭河和岔林河）具有很高含量的榍石（＞20%）。另外，輝石含量極高的諾敏河（＞27%）、高含量鈦鐵礦的阿倫河（＞11%）、甘河（＞19%）和多布庫爾河（＞22%）以及赤/褐鐵礦含量極高的甘河（＞23%）、多布庫爾河（＞12%）和雅魯河（＞10%），表明了大興安嶺基性火成巖對河流重礦物組成的控制。這些河流上游流經(jīng)大片出露的玄武巖臺地以及河床中大量出現(xiàn)的玄武巖和輝綠巖礫石支持了本文的解釋。

盡管松嫩平原周圍山體母巖以中酸性巖漿巖為主，但局部出露的基性巖以及其他變質(zhì)巖和沉積巖使得流經(jīng)不同母巖區(qū)的支流具有顯著不同的重礦物組成，這很好地體現(xiàn)了重礦物組成的母巖控制。

4.3 河流搬運過程對重礦物組成的影響

在河流搬運沉積過程中，隨著搬運時間和距離的增加，不穩(wěn)定重礦物含量逐漸減少，從而導(dǎo)致重礦物組成發(fā)生變化[62]。但前人對河流搬運過程是否對重礦物組成產(chǎn)生影響這一問題存在爭議[63-64]。

玄武巖和輝綠巖等基性巖出現(xiàn)在諾敏河上游，源區(qū)母巖的侵蝕給諾敏河貢獻了大量的基性碎屑物質(zhì)，導(dǎo)致諾敏河河床出現(xiàn)大量的玄武巖和輝綠巖礫石堆積以及沉積物中極高含量的輝石。但在嫩江干流和松花江干流，輝石含量顯著降到低值（＜5%）。同樣的現(xiàn)象也出現(xiàn)在大興安嶺其他河流，例如，大興安嶺河流顯著富集鈦鐵礦（阿倫河、甘河和多布庫爾河）和赤/褐鐵礦（甘河、多布庫爾河和雅魯河），但在嫩江干流和松花江干流，這兩種礦物的含量很低（表1）。另外，需要指出的是，小興安嶺母巖信息也可以通過嫩江左岸支流（例如訥謨爾河）進入嫩江和松花江干流。小興安嶺母巖具有很高含量的榍石（20%～30%），但它在嫩江和松花江干流中的含量卻很低（＜5%）。這種支流與干流重礦物不匹配的現(xiàn)象表明了物源對重礦物組成的控制受到河流過程影響。在河流長距離搬運過程中，不同物源和濃度的重礦物經(jīng)過混合和由此產(chǎn)生的稀釋作用以及其他因素（比如礦物在源-匯路線中有限的搬運距離），使得經(jīng)過長距離搬運的沉積物攜帶的源區(qū)母巖信息已變得十分模糊。

松花江上游沉積物主要接受松嫩平原西北的大興安嶺和東南的長白山余脈的碎屑貢獻（圖1），這在重礦物組成中得到印證。松花江上游的重礦物組成介于大興安嶺河流和長白山余脈河流之間，但顯著偏向于長白山余脈河流（第二松花江和拉林河）。具體而言，大興安嶺河流顯著高含量的綠簾石、鈦鐵礦和赤/褐鐵礦受到長白山余脈河流的稀釋；而顯著低含量的角閃石得到第二松花江和拉林河的補充（表1），最終得到松花江上游的重礦物組成。但是，從大部分指示性礦物（例如角閃石、榍石、白鈦石、輝石、鈦鐵礦和赤/褐鐵礦）來看，松花江上游重礦物組成更接近長白山余脈河流（表1）。這個結(jié)果表明，松花江上游更多接受了來自長白山的重礦物信號，而大興安嶺信號在這里已經(jīng)變得十分微弱。

因此，碎屑重礦物在經(jīng)歷長距離搬運過程之后，下游的重礦物組成已不能全面反映源區(qū)母巖的真實信息。在重礦物源-匯追蹤研究中，必須考慮河流搬運過程對重礦物組成的影響。

4.4 化學(xué)風(fēng)化作用對重礦物組成的影響

化學(xué)風(fēng)化作用貫穿于沉積物從源到匯的全過程（剝蝕、搬運、沉積和再暴露）[65]。在物質(zhì)來源大致相同的前提下，不同程度的化學(xué)風(fēng)化作用可以產(chǎn)生不同的重礦物組成[53]。中至高度化學(xué)風(fēng)化作用使穩(wěn)定礦物在沉積物中顯著富集，不穩(wěn)定礦物強烈溶解[2]；較弱的化學(xué)風(fēng)化作用則產(chǎn)生相反的現(xiàn)象。一般情況下，鋯石、電氣石、石榴石、磁鐵礦和鈦鐵礦等礦物的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐磨蝕，抗風(fēng)化性較強；不穩(wěn)定的閃石類和輝石類礦物受風(fēng)化作用影響較大[66]。

河流階地作為河流系統(tǒng)變遷保留下來的階梯狀地貌，記錄了大量的地質(zhì)信息[67]。因此，河流階地的沉積物可以被用來重建地貌演變過程、古水系演化和源-匯關(guān)系[68]。通河T3階地的不穩(wěn)定礦物輝石和角閃石完全消失，磷灰石和榍石較少出現(xiàn)，鈦鐵礦含量占優(yōu)，鋯石、石榴子石和白鈦石等穩(wěn)定礦物含量同樣呈上升趨勢（表1）。根據(jù)先前的研究[32]，通河T3階地沉積物遭受了強烈的化學(xué)風(fēng)化，化學(xué)蝕變指數(shù)CIA高達85。相較于化學(xué)風(fēng)化程度偏低（CIA=63）的岔林河和螞蜒河以及松花江，通河T3階地的礦物多樣性明顯減少?？梢姡鄬τ诂F(xiàn)代河流，河流階地的重礦物組成已發(fā)生重大改變，化學(xué)風(fēng)化作用對通河T3階地重礦物組成產(chǎn)生了顯著影響。另一方面，ZTR指數(shù)（鋯石%+電氣石%+金紅石%）即礦物的成熟度，可以作為指示風(fēng)化程度的指標(biāo)[69-70]。穩(wěn)定系數(shù)（（W=（極穩(wěn)定礦物%+穩(wěn)定礦物%）/（較穩(wěn)定礦物%+不穩(wěn)定礦物%））和風(fēng)化系數(shù)（HW=（較穩(wěn)定礦物%+不穩(wěn)定礦物%）/（極穩(wěn)定礦物%+穩(wěn)定礦物%））可以進一步反映沉積物受到的風(fēng)化作用程度[71-72]。穩(wěn)定系數(shù)（W）越高，風(fēng)化程度越強[73]；風(fēng)化系數(shù)（HW）則與之相反。ATi指數(shù)（磷灰石/（磷灰石+電氣石））×100能夠揭示沉積物中磷灰石的風(fēng)化程度，指數(shù)越大，說明風(fēng)化程度越弱[74]。通河T3階地的ZTR指數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)（W）顯著高于其他河流，ATi指數(shù)和風(fēng)化系數(shù)（HW）變化與之相反（圖4），進一步說明該階地遭受了強烈的化學(xué)風(fēng)化作用。

圖4 松花江水系重礦物特征指數(shù)a.ZTR 指數(shù), b.穩(wěn)定系數(shù) (W), c.風(fēng)化系數(shù) (HW), d.ATi 指數(shù)。Fig.4 Heavy mineral characteristic index of the Songhua River systemwith (a) ZTR Index, (b) Stability coefficient (W), (c) Weathering coefficient (HW), and (d) ATi Index.

另外，埋藏成巖作用也是影響重礦物組成較大的地質(zhì)過程，并且影響更加深遠[2]。一般隨著時間和深度的增加，由于孔隙流體溫度的升高和孔隙流體成分的變化，礦物顆粒表面存在溶蝕現(xiàn)象，不穩(wěn)定重礦物容易發(fā)生溶解甚至消失，重礦物的多樣性逐漸減少[75-78]。本文中通河T3階地采集樣品的深度均小于200 m且年齡較輕[32]，說明該階地受到埋藏成巖作用影響有限，化學(xué)風(fēng)化作用為主導(dǎo)因素。

因此，認(rèn)為在利用河流階地沉積物的重礦物組成進行源-匯物源示蹤和古水系演化研究時，需要首先對階地沉積物的化學(xué)風(fēng)化程度進行有效評估，只有那些沒有明顯受到化學(xué)風(fēng)化影響的河流階地的重礦物組成才能真實反映當(dāng)時的物源信息。

5 結(jié)論

（1）人工與TIMA技術(shù)對比表明，人工鑒定能夠更加精確地獲取礦物的表面特征，但耗時費力，依賴鑒定者的主觀判斷，鑒定礦物相有限；TIMA技術(shù)具有速率快、自動化、分辨率高等特點，鑒定礦物種類更加多樣化，但是對同質(zhì)異相和多晶型礦物識別較差。因此通過兩種技術(shù)手段相結(jié)合的方法可以使所獲信息更加全面。

（2）不同物源區(qū)的支流形成的重礦物組成不同，表明河流沉積物的重礦物組成受控于源區(qū)母巖類型。角閃石、榍石、綠簾石、白鈦石、輝石、鈦鐵礦和赤/褐鐵礦是區(qū)分各支流的特征礦物，嫩江支流諾敏河顯著高的輝石，甘河、多布庫爾河和阿倫河的高鈦鐵礦，甘河、多布庫爾河和雅魯河的高赤/褐鐵礦含量揭示了局部基性母巖對重礦物組成的控制。

（3）大、小興安嶺的重礦物組成特征，例如大興安嶺顯著富集的鈦鐵礦（甘河、多布庫爾河和阿倫河）、赤/褐鐵礦（甘河、多布庫爾河和雅魯河）和輝石（諾敏河），以及小興安嶺的高榍石含量等，在松花江干流已顯得相當(dāng)模糊。松花江上游的重礦物組成顯示其更多地繼承了長白山余脈的重礦物信息。上述現(xiàn)象表明，物源對重礦物組成的控制受河流過程的限制，使大興安嶺源區(qū)母巖信息在松花江干流顯著減弱。

（4）相對于現(xiàn)代河流沉積物，通河T3階地的不穩(wěn)定造巖礦物輝石和角閃石已完全消失，磷灰石和榍石強烈溶解，穩(wěn)定礦物（鈦鐵礦、鋯石、石榴子石和白鈦石）顯著富集，表明沉積物遭受了強烈的化學(xué)風(fēng)化，重礦物組成以及母巖信息已嚴(yán)重被影響。因此，在利用重礦物進行源-匯過程研究時，要注意化學(xué)風(fēng)化作用對階地沉積物的影響。

致謝：河北廊坊誠信、誠譜地質(zhì)公司的張晏子、李鵬、王根濤、張佩萱和張云丹等做了大量的樣品測試工作，魏振宇、趙倩、劉碩和孫楊參加了松花江水系的部分野外取樣，侯心茹、徐園園、孫建華、魏春艷、冷宇坤、汪進秋和張瑞參加了松花江水系沉積物重礦物的試驗樣品前處理工作，在此一并表示感謝。