河流過程對小型集水區(qū)沉積物地球化學(xué)與重礦物組成的影響

摘 要 【目的】河流沉積物記錄了豐富的源區(qū)信息，對于探究流域源區(qū)風(fēng)化、搬運(yùn)—沉積循環(huán)及母巖成分具有重要意義。與整合了不同風(fēng)化機(jī)制并包含復(fù)雜巖石類型的大型流域不同，小型河流具有相似的氣候和巖性背景，對研究沉積物物質(zhì)組成有重要研究價(jià)值?！痉椒ā繛榱颂骄亢恿鬟^程對沉積物物質(zhì)組成的影響，將從巴蘭河上游到下游的邊灘上獲取的8個(gè)樣品進(jìn)行分粒級(jí)處理（lt;63 μm、63～125 μm、125～250 μm），將小于63 μm的樣品進(jìn)行地球化學(xué)測試（常量、微量、稀土和Sr-Nd同位素），63～125 μm和125～250 μm的樣品進(jìn)行重礦物測試?！窘Y(jié)果】巴蘭河沉積物經(jīng)歷了較低的化學(xué)風(fēng)化作用、成熟度較低，處于初次循環(huán)沉積，物源主要來源于長英質(zhì)母巖。物源指標(biāo)（La/Sc、Co/Th、Cr/Th、Th/Sc）和Sr-Nd同位素組成總體變化較小，能夠代表巴蘭河總體流域特征?！窘Y(jié)論】巴蘭河樣品呈現(xiàn)出一致的化學(xué)風(fēng)化程度、成熟度、再循環(huán)特征、母巖特征，這說明河流過程并沒有對巴蘭河沉積物的地球化學(xué)組成造成明顯影響。重礦物經(jīng)過河流的搬運(yùn)后稀釋混合，不同河段及不同粒級(jí)組分的重礦物明顯呈現(xiàn)不同的含量組成，表明短距離的搬運(yùn)很難使重礦物均勻分配到不同粒級(jí)組分。因此，在進(jìn)行河流源—匯系統(tǒng)研究時(shí)，少數(shù)的樣品很難代表整個(gè)流域的重礦物組成，即便是在小型河流中。另外，強(qiáng)調(diào)了Sr-Nd同位素與不活動(dòng)元素比值結(jié)合可以有效進(jìn)行河流物源示蹤。

關(guān)鍵詞 巴蘭河；河流過程；地球化學(xué)組成；重礦物；Sr-Nd同位素

第一作者簡介 趙慧瑩，女，1998年出生，碩士研究生，第四紀(jì)地質(zhì)與環(huán)境變化，E-mail： 18746917868@163.com

通信作者 謝遠(yuǎn)云，男，教授，E-mail： xyy0451@hrbnu.edu.cn

中圖分類號(hào) P595 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

河流作為陸源碎屑物向沉積區(qū)搬運(yùn)的主要通道，是陸源物質(zhì)遷移的重要途徑。河流沉積物記錄了豐富的地形、古氣候、古環(huán)境以及構(gòu)造活動(dòng)和地殼演化等多種信息，能很好地反映流域物質(zhì)組成，是沉積物源—匯系統(tǒng)研究的重要載體[1?4]。然而沉積物在搬運(yùn)和沉積過程中常發(fā)生分選作用，具有相同沉降速度的顆粒沉積在一起。沉積物中的礦物因其粒度、形狀和密度的差異而被分選，這在很大程度上導(dǎo)致沉積物礦物組成和化學(xué)成分發(fā)生了改變[5?7]。因此，對河流沉積物的地球化學(xué)元素和重礦物組成進(jìn)行研究，對了解河流地質(zhì)過程具有重要意義。

大部分對河流物源分析的工作都是針對流域面積廣闊、支流水系發(fā)達(dá)、環(huán)境較為復(fù)雜的大河流域，這些大河甚至貫穿多個(gè)地貌單元和構(gòu)造帶。例如，長江作為鏈接亞洲季風(fēng)系統(tǒng)以及青藏高原構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的紐帶，流經(jīng)了廣闊的大陸克拉通區(qū)域，其沉積物不僅記錄了沉積區(qū)域的環(huán)境信息，還記錄了流域多個(gè)地貌體系和構(gòu)造單元的演化信息[8?11]；黃河的形成演化則對理解東亞地貌格局發(fā)育歷史和構(gòu)造環(huán)境變化至關(guān)重要[12?14]。然而，與整合了不同風(fēng)化機(jī)制并包含復(fù)雜巖石類型的大型河流流域不同，小型集水區(qū)具有相似的氣候和巖性背景，這使研究的復(fù)雜性大大降低[6]。因此，這些小河可被視為研究河流過程對沉積物物質(zhì)組成影響的天然的沉積學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

松花江作為中國七大水系之一，是東北地區(qū)最重要的河流。20世紀(jì)70—90年代一些學(xué)者對其開展了深入研究[15]，近年來學(xué)者對松花江進(jìn)行了重礦物分析來探討松花江的水系演化模式[7，16?17]。巴蘭河作為松花江水系的支流，流域面積較小，長度較短，具有相對單一的氣候和巖性背景，為探究小型流域的河流過程提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。目前對于巴蘭河的研究僅局限于與松花江支流的對比分析[17?19]，針對巴蘭河這類小型集水區(qū)的系統(tǒng)研究相對較少。本文以巴蘭河為研究對象，闡述其地球化學(xué)特征（常量、微量、稀土和Sr-Nd同位素）以及重礦物特征，揭示河流過程對小型集水區(qū)沉積物物質(zhì)組成產(chǎn)生的影響，完善了松花江水系的研究，也為今后探索其他小河流域奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

松花江水系位于松嫩平原東北部，是中國七大河流之一，主要流經(jīng)黑龍江、吉林兩省，流域面積為55.68×104 km2。松花江有南北兩源，北源為發(fā)源于大興安嶺支脈伊勒呼里山的嫩江，南源為發(fā)源于吉林省長白山天池的第二松花江，兩江于三岔河匯合后稱松花江[20]。根據(jù)松花江的河道特性以及流域地形特征，可將其分為上、中、下三段。上游為松原市至哈爾濱市，全長240 km；中游為哈爾濱市至佳木斯市，全長432 km；下游為佳木斯市至同江市，全長267 km[17，20]。根據(jù)物源對松花江水系的貢獻(xiàn)不同，可以劃分為依蘭方向河流和松原方向河流。依蘭方向河流物源主要來自小興安嶺和張廣才嶺，松原方向河流物源主要來自大興安嶺和長白山西側(cè)[17]。

巴蘭河是松花江左岸支流（圖1），位于哈爾濱市東北部依蘭縣（45°50′40″～46°39′20″ N，129°11′50″～130°11′40″ E）內(nèi)。全長108 km，河寬20～60 m，水深0.3～1.0 m，流域總面積為2 075 km2，每年11月中旬至次年4月上旬為結(jié)冰期。巴蘭河發(fā)源于小興安嶺余脈五華頂子北側(cè)，流經(jīng)依蘭縣并注入松花江。依蘭縣河網(wǎng)密布，河流較多，年平均氣溫3.1 ℃～3.6 ℃，松花江以北地區(qū)較以南地區(qū)低0.5 ℃。

2 材料與方法

在巴蘭河的邊灘，從上游到下游采集8個(gè)樣品（圖1），依次命名為BLH-8～BLH-1。采樣位置盡量避開城市和可能污染源，剝?nèi)ケ砻?0 cm進(jìn)行取樣。樣品在室內(nèi)風(fēng)干后，使用200目（63 μm）標(biāo)準(zhǔn)分樣篩，獲得小于63 μm的粒度組分用于地球化學(xué)分析。使用荷蘭帕納（PANalytica）XRF（X-ray fluorescence）光譜儀進(jìn)行常量元素測試，測量誤差控制在3%以內(nèi)。使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）進(jìn)行微量、稀土元素的測試。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)度，測量過程中添加國際標(biāo)樣、空白樣品及重復(fù)樣進(jìn)行分析[21]，測試準(zhǔn)確度、精度和不確定度（相對偏差）均小于2%[22?23]。采用標(biāo)準(zhǔn)離子交換方法進(jìn)行Sr和Nd的分離，并分別使用86Sr/88Sr=0.119 4 和146Nd/144Nd=0.721 9，將Sr和Nd同位素比值標(biāo)準(zhǔn)化以校正質(zhì)量分?jǐn)?shù)。通過定期使用國際標(biāo)準(zhǔn)樣品NBS 987和JMC進(jìn)行儀器的準(zhǔn)確度測試，Sr、Nd同位素測試平均值分別為87Sr/86Sr=0.710 250±7（2σ）和143Nd/144Nd=0.512 109±3 （2σ）。εNd（0）值（Nd同位素組成）采用球粒隕石均一源（CHUR）現(xiàn)代值143Nd/144Nd=0.512 638 計(jì)算。整個(gè)流程的化學(xué)分析空白為：Srlt;1 ng，Ndlt;50 pg。元素地球化學(xué)測試和Sr?Nd 同位素的測定在蘭州大學(xué)進(jìn)行。

此外，這8 個(gè)樣品被干篩分成63～125 μm 和125～250 μm兩個(gè)粒度組分用于重礦物分析。首先將重礦物樣品烘干并稱重后，利用三溴甲烷（密度為2.89 g/cm3）分離重礦物樣品，用酒精反復(fù)沖洗分離得到的樣品，烘干后（60 ℃恒溫）再次稱重[21，24?25]，最后用薄紙包住永久磁鐵反復(fù)磁吸，得到重礦物的無磁、電磁、強(qiáng)磁部分，將分離出來的重礦物部分放在雙目鏡下進(jìn)行鑒定，每個(gè)重礦物樣品鑒定顆粒數(shù)在900粒以上[23，26]。重礦物鑒定在廊坊誠信地質(zhì)公司進(jìn)行。

3 結(jié)果

3.1 地球化學(xué)元素特征

巴蘭河沉積物的化學(xué)成分以SiO2（69.40%）、Al2O3（14.64%）和Fe2O3（3.97%）為主，相較于UCC（上地殼），MnO和TiO2輕微富集，MgO、CaO和P2O5呈現(xiàn)虧損狀態(tài)，F(xiàn)e2O3 和Na2O 呈現(xiàn)出較大可變性，SiO2、Al2O3、K2O 與UCC 含量相似（圖2）。CaO 的含量在BLH-8樣品以及BLH-6樣品出現(xiàn)高值；Na2O在BLH-7樣品以及BLH-3樣品出現(xiàn)高值；Fe2O3在BLH-2樣品出現(xiàn)高值；其余元素樣品間差異較小。

巴蘭河沉積物微量元素與UCC相比（圖2），微量元素中Zr、Hf呈現(xiàn)富集狀態(tài)，Y、Th、U部分富集，其余元素全部虧損。BLH-2樣品的Sc、V、Co、Ni、Zn、Nb值顯著大于其他樣品。Zr在BLH-1樣品和BLH-2樣品的含量顯著高于其他樣品。Rb在BLH-7樣品含量高于其他樣品。Y、Th、U、Hf在BLH-2樣品、BLH-7樣品中含量高于其他樣品，其余微量元素差異不明顯。

巴蘭河沉積物稀土總量（ΣREE）為101.15×10-6，低于UCC（平均值146.37×10-6）和后太古宙頁巖標(biāo)準(zhǔn)值（PAAS：184.77×10-6）[27]；輕稀土（LREE）富集，平均值為88.45×10-6；重稀土（HREE）豐度較低，平均值為12.70×10-6（圖2）。輕稀土與重稀土比值為5.15～8.78，平均為6.97；Eu/Eu* =0.46×10-6，Ce/Ce* =0.93×10-6，表明巴蘭河存在Eu、Ce負(fù)異常。（La/Sm）N 值介于3.26～3.78，平均為3.52，表明輕稀土間分餾程度較強(qiáng)；（Gd/Yb）N 值介于0.87～1.39，平均為1.19，表明重稀土間分餾程度較弱；（La/Yb）N 值介于3.74～8.19，平均為6.16，稀土配分曲線為右傾型，表明輕稀土富集，重稀土虧損。就稀土元素而言，BLH-7 樣品、BLH-6樣品與BLH-2樣品的值明顯高于其他樣品。

巴蘭河的87Sr/86Sr比值比較穩(wěn)定，介于0.705 130～0.714 083，平均為0.711 931，與松花江依蘭方向支流樣品的87Sr/86Sr 比值相吻合[19]。143Nd/144Nd 值介于0.512 335～0.512 402，平均為0.512 367。εNd（0）值介于-5.914～-4.604，平均為-5.277（表1）。

3.2 重礦物組合特征

利用沉積物的重礦物類型和組成來判斷源區(qū)是探討河流過程的重要手段[25，28]。在河流沉積物中，由于重礦物具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐磨蝕等特性，因此在風(fēng)化、搬運(yùn)以及成巖過程中受到的影響相對較弱，能夠較多地保留母巖信息[29]。巴蘭河重礦物分為兩個(gè)粒度組分（圖3）：63～125 μm、125～250 μm，檢查出的重礦物有16種，其中菱鐵礦僅在個(gè)別樣品中出現(xiàn)，為偶見礦物。

巴蘭河（63～125 μm）的重礦物以角閃石（22.12%～55.06%）、鐵磁性礦物（6.17%～22.16%）和榍石（10.09%～18.37%）為主，占72.96%；鈦鐵礦（3.60%～18.32%）、綠簾石（1.72%～11.30%）、鋯石（0.45%～5.01%）、石榴子石（0.33%～4.27%）、赤褐鐵礦（1.33%～3.96%）次之，占20.57%；其他礦物占6.47%。在125～250 μm組分中（圖3），巴蘭河的重礦物以角閃石（36.21%～53.39%）、榍石（12.04%～35.97%）和綠簾石（2.68%～26.21%）為主，占75.96%；鈦鐵礦（0.21%～14.25%）、鐵磁性礦物（1.08%～17.50%）、赤褐鐵礦（0.27%～3.52%）、石榴子石（0.48%～2.62%）、白鈦石（0.10%～4.83%）次之，占16.79%；其他重礦物均不足1%。

4 討論

沉積物的地球化學(xué)組成主要受物源區(qū)母巖性質(zhì)和構(gòu)造背景的影響，但是河流沉積物在搬運(yùn)過程中還會(huì)受到化學(xué)風(fēng)化、搬運(yùn)方式和介質(zhì)、遷移距離、分選作用、再循環(huán)等影響，給利用沉積物的地球化學(xué)特征進(jìn)行物源分析及成巖構(gòu)造背景判別帶來多解性與復(fù)雜性[30]。為了評估小型河流過程是否會(huì)對來自同一物源區(qū)的沉積物地球化學(xué)與重礦物組成造成影響，為此我們從沉積物的化學(xué)風(fēng)化特征、成熟度、再循環(huán)特征以及母巖特征來探究河流過程對地球化學(xué)組成的影響，結(jié)合河流的分選作用探究河流過程對沉積重礦物組成的影響。

4.1 沉積物化學(xué)風(fēng)化特征與成熟度

河流沉積物的化學(xué)組成可以敏感地反映流域化學(xué)風(fēng)化程度，而沉積物風(fēng)化指數(shù)不僅會(huì)受到風(fēng)化強(qiáng)度的影響，還會(huì)受到沉積物侵蝕、搬運(yùn)和沉積過程中水力過程的干擾[5，31?32]，這些風(fēng)化指數(shù)不僅記錄了沉積物搬運(yùn)和沉積過程中的水力分選效應(yīng)，還反映了流域完整的風(fēng)化歷史[6，33]。

Nesbitt et al.［34］為了評價(jià)沉積物的風(fēng)化程度，提出了化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）：

CIA = 100 × [Al2O3/（Al2O3 + CaO* + Na2O +K2O） ] （1）

式中：各氧化物均為氧化物分子摩爾數(shù)，其中CaO*為不包含碳酸鹽和磷酸鹽內(nèi)CaO的硅酸鹽礦物中的摩爾含量。

CIA的值越大，沉積物的化學(xué)風(fēng)化程度越強(qiáng)，CIA介于50～60代表初等程度的化學(xué)風(fēng)化，CIA介于60～80代表中等程度的化學(xué)風(fēng)化，CIA介于80～100代表強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化程度。巴蘭河沉積物的CIA值介于42.77～58.19（圖4），平均為51.16，說明巴蘭河經(jīng)歷了程度較弱的化學(xué)風(fēng)化。

WIP是Parker[35]最先提出的評價(jià)硅酸鹽巖風(fēng)化強(qiáng)度的指標(biāo)，通過計(jì)算堿金屬和堿土金屬元素在風(fēng)化產(chǎn)物中所占的比例來判斷化學(xué)風(fēng)化程度。

WIP = 100 × （CaO*/0.7 + 2Na2O/0.35 +2K2O/0.25 + MgO/0.9） （2）

WIP 值越小，風(fēng)化作用越強(qiáng)[33，36?37]。巴蘭河的WIP值介于54.00～99.94（圖5），平均為71.84，反映了巴蘭河風(fēng)化程度較弱。

在A-CN-K圖中（圖4），根據(jù)元素的遷移順序，風(fēng)化作用可分為以下三個(gè)階段：早期斜長石風(fēng)化，表現(xiàn)為風(fēng)化趨勢線平行于A-CN線指向A；中期鉀長石和伊利石風(fēng)化，斜長石消失，表現(xiàn)為風(fēng)化趨勢線平行于A-K線；晚期殘余風(fēng)化產(chǎn)物（高嶺石、三水鋁石以及綠泥石），表現(xiàn)為產(chǎn)物集中分布在A點(diǎn)[33，38]。巴蘭河樣品分布在斜長石與鉀長石附近，風(fēng)化趨勢線平行于A-CN線指向A點(diǎn)，樣品點(diǎn)全部低于PAAS，說明樣品經(jīng)歷了較低的化學(xué)風(fēng)化作用。

氧化物比值可以用來表征樣品之間的差異，黏土礦物和非黏土硅酸鹽礦物的特點(diǎn)是氧化鋁的比例差別很大。Cox et al. [37]定義成分可變性指數(shù)ICV（Index of Compositional Variability），用于測量巖石或礦物中氧化鋁相對于其他主要陽離子的豐度。ICV也可用于泥巖作為成分成熟度的測量，成分成熟的泥巖缺乏非鈣硅酸鹽或以礦物（如kandite族的礦物）為主，將具有低值。成分不成熟的泥巖往往出現(xiàn)在構(gòu)造活躍的環(huán)境中，將具有高值，這里的Fe2O3為總鐵含量[33，37，39?40]。

ICV = （CaO + K2O + Na2O + Fe2O3 + MgO +TiO2 + MnO）/Al2O3 （3）

成分不成熟的沉積物具有高ICV值（gt;1），而成分成熟的沉積物具有低ICV值（lt;1）。巴蘭河的ICV均值為1.08，說明樣品具有高的ICV值，沉積物成熟度低。

SiO2/Al2O3、Al2O3/Na2O和K2O/Na2O比值亦是判斷沉積物成熟度的指標(biāo)，高比值（分別大于6、大于5和大于1）表明沉積物成熟度高[37]。較低的K2O/Na2O比值表明，源區(qū)主要是演化程度較低的富含斜長石的巖石[41?42]。此外，碎屑沉積物中的K2O/Al2O3比值可以指示堿性長石相對于鋁硅酸鹽的豐度。K2O/Al2O3大于0.5表明有大量的堿性長石，而小于0.5表明堿性長石相對于鋁硅酸鹽有所減少[37]。巴蘭河沉積物SiO2/Al2O3 值介于4.51～5.01，平均為4.75；Al2O3/Na2O值介于1.83～5.10，平均為3.56；K2O/Na2O 值介于0.42～0.95，平均為0.73；三者的低比值都表明巴蘭河沉積物的成分成熟度較低。

綜合巴蘭河沉積物的CIA、WIP、A-CN-K圖、ICV以及SiO2/Al2O3、Al2O3/Na2O和K2O/Na2O比值，表明巴蘭河沉積物經(jīng)歷了較低的化學(xué)風(fēng)化作用，成熟度較低。從巴蘭河沉積物的化學(xué)風(fēng)化特征以及成熟度的指標(biāo)上看，這8個(gè)樣品并沒有明顯變化，表明河流過程對巴蘭河沉積物本身的化學(xué)風(fēng)化特征以及成熟度影響較小。

4.2 沉積物再循環(huán)特征

在化學(xué)風(fēng)化水平高的地區(qū)，初次循環(huán)下的沉積物CIA/WIP值一般小于10，而多次循環(huán)下的沉積物CIA/WIP比值一般大于10，甚至可以達(dá)到100[5]。巴蘭河的CIA/WIP 值介于0.43～1.08（圖5），平均為0.76，所有值均小于10，遠(yuǎn)低于初次與多次循環(huán)的臨界點(diǎn)（CIA/WIP=10），說明巴蘭河樣品處于初次循環(huán)。

Ohta[43]提出，SiO2/Al2O3 和Na2O/K2O 比值在分選過程中對石英、鈉長石和伊利石的分餾非常敏感。SiO2/Al2O3與Na2O/K2O二元圖解（圖5）可通過沉積分選作用對沉積物化學(xué)組成的影響來判斷沉積物的來源及沉積再循環(huán)特征。該二元圖解可被用來度量區(qū)分首次循環(huán)和再循環(huán)沉積：直接來源于巖漿巖源區(qū)的沉積物（初次循環(huán)）的化學(xué)組成形成一條垂直的線性趨勢線；而直接來源于沉積巖源區(qū)的沉積物（再循環(huán)沉積）的化學(xué)組成會(huì)形成一條水平的線性趨勢線。從巴蘭河樣品的二元圖解來看，樣品分布呈現(xiàn)垂直狀態(tài)，說明巴蘭河樣品處于初次循環(huán)。

綜合巴蘭河沉積物的CIA/WIP比值、SiO2/Al2O3與Na2O/K2O二元圖解，巴蘭河沉積物的再循環(huán)特征指標(biāo)值變化較小，均指示為初次循環(huán)沉積，河流過程對巴蘭河沉積物的再循環(huán)特征影響較小。

4.3 母巖性質(zhì)

巴蘭河作為松花江的支流，對于它的母巖性質(zhì)研究僅局限于從重礦物方向闡述，針對其地球化學(xué)方面的研究尚未涉及。由巴蘭河的地理位置可知其為依蘭方向河流，物源主要來自小興安嶺東南側(cè)[7，17，44]。而小興安嶺的巖性以花崗巖、花崗閃長巖和變質(zhì)巖為特征[44]。巴蘭河作為一條氣候與巖性背景相對單一的小型河流，8個(gè)樣品能否準(zhǔn)確判別其母巖類型，能否對應(yīng)實(shí)際的地質(zhì)情況，河流過程是否會(huì)改變沉積物攜帶的母巖性質(zhì)，其結(jié)果能為未來探究小型河流源區(qū)時(shí)提供一定的依據(jù)。

不活動(dòng)元素及其比值在長英質(zhì)和鐵鎂質(zhì)源巖中存在顯著差異，常被用來示蹤物源[23，45?47]。相容元素和不相容元素在母巖中的相對比值可以確定母巖性質(zhì)：過渡元素（Ni、Sc、V、Co、Cr）等富集在基性母巖（鐵鎂質(zhì)）中[46]；而高場強(qiáng)元素（Y、Zr、Hf、Nb、Ta、Th、U）為不相容元素，主要富集在酸性母巖（長英質(zhì)）中[48]。因此，元素比率和基于這些元素的圖解對于區(qū)分沉積物來源是非常有效的。在Co/Th-La/Sc圖解中（圖6a）[49]，樣品投點(diǎn)在長英質(zhì)火山巖附近，且樣品的Co/Th小于1；在Cr/Th-Th/Sc二元圖解中（圖6b），樣品的Cr/Th值和Th/Sc值，分別介于0.73～2.74（平均為2.06）、0.64～2.22（平均為1.20），從圖上可看出巴蘭河沉積物主要在長英質(zhì)火山巖附近。

在TiO2-Zr雙變量圖中（圖6c）[50]，樣品點(diǎn)全部分布在長英質(zhì)火成巖區(qū)域，表明所研究的巴蘭河沉積物物源巖具有長英質(zhì)火成巖性質(zhì)。Roser et al.[51]提出了一個(gè)用7 種常量元素組成兩組判別函數(shù)（DF1、DF2）用來確定4種不同來源成分的物源鑒別圖（圖6d），在此圖中巴蘭河沉積物全部分布在長英質(zhì)火成巖物源區(qū)。

在Co/Th-La/Sc、Cr/Th-Th/Sc、TiO2-Zr二元圖圖解以及判別函數(shù)圖上，樣品幾乎全部落入長英質(zhì)火成巖源區(qū)范圍內(nèi)，指示巴蘭河沉積物物源主要來源于長英質(zhì)火成巖。將巴蘭河沉積物樣品的母巖特征與小興安嶺的巖性[7]進(jìn)行對比，其母巖特征與現(xiàn)今物源區(qū)出露的巖石特征基本一致。8個(gè)樣品足以判別其母巖類型，河流過程并沒有改變巴蘭河沉積物攜帶的母巖性質(zhì)，能夠很好地反映物源。

4.4 河流地質(zhì)過程對地球化學(xué)組成的影響

Sr-Nd同位素比值在示蹤沉積物的物源和搬運(yùn)方面具有巨大的潛力，Sr同位素分餾對風(fēng)化條件的變化和遷移過程的差異很敏感，一般認(rèn)為會(huì)受到化學(xué)風(fēng)化和粒度效應(yīng)的影響。而Nd同位素比值僅與源巖的性質(zhì)有關(guān)，基本不受粒度分異和化學(xué)風(fēng)化的影響。因此，Sr-Nd同位素比值變化幅度的大小能夠作為河流過程是否影響沉積物地球化學(xué)組成的判斷依據(jù)之一[52]。

87Sr/86Sr 和143Nd/144Nd 比值被廣泛用于地球化學(xué)示蹤[24，53]，87Sr單方向增長并以86Sr作為比較基礎(chǔ)，根據(jù)等時(shí)線外推或含Sr礦物測定得到地質(zhì)體形成時(shí)的初始87Sr/86Sr來示蹤其物質(zhì)來源[54]。Nd同位素比較穩(wěn)定，不易受到風(fēng)化、搬運(yùn)、堆積以及后期成巖影響，能真實(shí)反映母巖特征。Nd同位素組成的差異是由于不同環(huán)境中其放射性母體含量的差異長期積累或演化造成的。εNd值指Nd同位素的初始值相對于球粒隕石質(zhì)地幔演化值的偏差[54]。

從不同樣品之間的87Sr/86Sr比值差異來看（表1），只有樣品之間的差異大于0.000 050時(shí)，才被認(rèn)為不同樣品之間的絕對Sr同位素差異具有地質(zhì)意義。也有不同的觀點(diǎn)認(rèn)為，如果樣品之間的87Sr/86Sr比值的差異在0.001 500 以內(nèi)，則Sr 同位素組成是相同的[52，55?56]。巴蘭河的87Sr/86Sr 值從0.705 160 614 到0.714 082 914，最大差值為0.008 952 299，最小差值為0.000 400 076。BLH-2樣品與其他樣品的Sr具有明顯差異。相比之下，BLH-8樣品和BLH-7樣品只能與其余樣品發(fā)生部分差異，其余樣品間差異不大，說明其余樣品之間不具有地質(zhì)意義上的差異。總體來說，Sr同位素僅在個(gè)別樣品間產(chǎn)生差異，大部分樣品之間不具有地質(zhì)意義上的差異。

從Nd同位素的變化范圍來看（表1），143Nd/144Nd值的變化不大，最低值為4.6，最高值為5.9。對于143Nd/144Nd之間εNd（0）值差異來看，目前認(rèn)為只有當(dāng)樣品間εNd（0）值的差異大于1ε 單位時(shí)，Nd同位素組成才會(huì)發(fā)生本質(zhì)變化或出現(xiàn)同位素異常[57]，這種Nd同位素變化才是由地質(zhì)作用而不是實(shí)驗(yàn)誤差觸發(fā)的[53]。從上游到下游的樣品中，樣品之間εNd（0）最大差值為1.31ε，最小差值為0.03ε，僅有兩個(gè)樣品超過1ε。樣品間εNd（0）差值較小，變化不明顯。所以可以認(rèn)為整條巴蘭河的Nd同位素很穩(wěn)定，Nd同位素不易受到風(fēng)化搬運(yùn)堆積以及后期成巖影響，能真實(shí)反映流域母巖特征，8個(gè)樣品可以代表巴蘭河的Nd同位素特征。

河流過程對地球化學(xué)組成的影響體現(xiàn)在多個(gè)方面，包括化學(xué)風(fēng)化特征、再循環(huán)特征以及母巖性質(zhì)特征。在巴蘭河樣品中，常量元素、微量元素變化不明顯，不活動(dòng)元素比值La/Sc、Co/Th、Cr/Th、Th/Sc（圖6）和Sr-Nd同位素（表1）總體上變化較小，能夠很好地示蹤物源。樣品呈現(xiàn)出一致的化學(xué)風(fēng)化程度、成熟度、再循環(huán)特征、母巖特征，這說明河流過程對地球化學(xué)組成的影響較小。雖然物源示蹤指標(biāo)ΣLREE、ΣHREE、ΣREE、LREE/HREE 以及化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)CIA、CIA/WIP在BLH-2樣品出現(xiàn)最高值，但附近的BLH-1、BLH-3號(hào)樣品卻沒有出現(xiàn)BLH-2樣品的高值現(xiàn)象，推測可能BLH-2樣品的稀土元素與風(fēng)化指標(biāo)的高值受到了人為因素的影響。

巴蘭河的8個(gè)樣品地球化學(xué)組成變化不大，雖然BLH-2樣品的稀土元素與風(fēng)化指標(biāo)出現(xiàn)高值，但并不影響最后的物源判別，單一樣品能夠代表巴蘭河總體的地球化學(xué)特征，但在選擇樣品數(shù)量時(shí)也要考慮人為因素的影響。對于流域面積較小、氣候相似、巖性背景單一的巴蘭河而言，河流過程沒有對巴蘭河沉積物的地球化學(xué)組成造成明顯影響，可以準(zhǔn)確恢復(fù)源區(qū)母巖性質(zhì)。

4.5 河流地質(zhì)過程對重礦物組成的影響

從巴蘭河上游到下游，河床寬度越來越寬，河床沙出現(xiàn)的規(guī)模也越來越大，河床沙顆粒的磨圓度也越來越好。在63～125 μm組分中，角閃石、鐵磁性礦物、榍石、鈦鐵礦富集，重礦物組合為角閃石+鐵磁性礦物+榍石+鈦鐵礦+綠簾石+鋯石+石榴子石，金紅石、電氣石、菱鐵礦僅在個(gè)別樣品出現(xiàn)。在125～250μm組分中，角閃石、榍石、綠簾石、鈦鐵礦富集，重礦物組合為角閃石+榍石+綠簾石+鈦鐵礦+鐵磁性礦物+赤褐鐵礦+石榴子石，鋯石、銳鈦礦、金紅石、電氣石、菱鐵礦、磁鐵礦僅在個(gè)別樣品中出現(xiàn)。不同粒徑組分重礦物組成不同，對比兩個(gè)粒度組分的重礦物含量可以看出，榍石、石榴子石、綠簾石、鈦鐵礦、磁鐵礦存在明顯差別，但兩粒級(jí)組分的重礦物組合類似。

同一粒度組分不同河段的重礦物含量則波動(dòng)變化（圖3），呈現(xiàn)出明顯差異，特別是金紅石、電氣石只在下游穩(wěn)定出現(xiàn)，菱鐵礦僅在個(gè)別樣品（BLH-2）出現(xiàn)。在物源相同的條件下，巴蘭河樣品表現(xiàn)出不同的礦物組成。同一粒徑不同河段出現(xiàn)明顯的重礦物缺失（金紅石、電氣石），同一河段不同粒徑也出現(xiàn)重礦物缺失的現(xiàn)象（鋯石、金紅石、銳鈦礦、磁鐵礦）。當(dāng)某些重礦物只局限分布在某一樣品、某一粒度組分中，單一窗口或者過少樣品都很難準(zhǔn)確得到源區(qū)母巖重礦物組成。因此，為了準(zhǔn)確獲得源區(qū)母巖信息，樣品的數(shù)量非常重要。對于巴蘭河的8個(gè)重礦物樣品而言，單一樣品或者過少樣品都很難代表整條河流的重礦物特征，河流在搬運(yùn)過程中由于水動(dòng)力分選作用對重礦物組成造成較大影響。那么，穩(wěn)定重礦物比值能否消除重礦物粒度效應(yīng)的影響，這對于進(jìn)一步探討小型流域河流過程對重礦物的影響提供幫助。

重礦物組合在河流搬運(yùn)以及沉積過程中會(huì)受到諸如機(jī)械磨損、化學(xué)溶蝕和水動(dòng)力分選等因素的影響，導(dǎo)致物源判斷準(zhǔn)確性不足[17，58]。在相似的水動(dòng)力條件下，穩(wěn)定重礦物比值能夠在物源示蹤過程中最大限度地消除礦物的粒度效應(yīng)的影響[17]，較好地反映沉積物的成熟度并反映物源特征[58?59]，這些比值被稱為重礦物特征指數(shù)。如：ZTR指數(shù)、ATi指數(shù)、GZi指數(shù)。公式如下：

ZTR指數(shù)= 鋯石% + 電氣石% + 金紅石% （4）

ATi指數(shù)= 100 × 磷灰石%／磷灰石% + 電氣石% （5）

GZi指數(shù)= 100 × 石榴子石%／石榴子石% + 鋯石% （6）

隨著粒徑的增大，巴蘭河的ZTR指數(shù)值減小（除BLH-3 樣品）、ATi 值減小、Gzi 值增大（圖7）。63～125 μm 粒度組分的樣品ZTR 指數(shù)明顯高于125～250 μm粒度組分（除BLH-3樣品），這說明細(xì)顆粒組分的成熟度更高。河流分選作用同時(shí)作用于粗細(xì)顆粒，但細(xì)顆粒組分搬運(yùn)距離更遠(yuǎn)，更易被風(fēng)化磨蝕，使細(xì)顆粒組分的成熟度更高[24]。而125～250 μm粒度組分的ATi指數(shù)相比于63～125 μm粒度組分較低的原因可能是由于水動(dòng)力分選作用，粗顆粒組分沉積速率較快，風(fēng)化程度弱，ATi指數(shù)較低[24]。石榴子石富集于125～250 μm組分，分選作用下的石榴子石優(yōu)先富集于粗顆粒組分，使GZi指數(shù)高于細(xì)顆粒組分。從巴蘭河沉積物的重礦物特征指數(shù)上看，其值明顯受到粒度效應(yīng)的影響，重礦物特征指數(shù)無法最小化或者消除由粒度效應(yīng)帶來的偏差，這說明河流沉積物從上游到下游的搬運(yùn)和沉積過程中，在水動(dòng)力的作用下進(jìn)行分選，粗、細(xì)顆粒發(fā)生分離，從而導(dǎo)致混合礦物分離進(jìn)入不同粒級(jí)組分，不同河段的重礦物組成存在顯著差異，很難根據(jù)較少樣品代表整條巴蘭河的重礦物特征[17]。兩個(gè)組分的重礦物呈現(xiàn)不同的含量組成，明顯體現(xiàn)河流作用對重礦物組成的影響。

5 結(jié)論

（1） 巴蘭河沉積物在河流搬運(yùn)過程中因礦物分選而發(fā)生了顯著變化。河流沉積物在搬運(yùn)和沉積過程中，由于水動(dòng)力分選作用，粗、細(xì)顆粒發(fā)生分離，從而導(dǎo)致混合礦物分離進(jìn)入不同粒級(jí)組分，不同河段不同組分的重礦物組成存在顯著差異，這種差異明顯體現(xiàn)了小型集水區(qū)河流搬運(yùn)作用對重礦物組成的影響。

（2） 巴蘭河沉積物的87Sr/86Sr和143Nd/144Nd及不活動(dòng)元素比值變化較小，所有指標(biāo)均指示巴蘭河沉積物經(jīng)歷了較弱程度的化學(xué)風(fēng)化作用、成熟度較低，處于初次循環(huán)，其物源主要來源于長英質(zhì)火成巖。河流過程沒有對巴蘭河沉積物的地球化學(xué)組成造成明顯影響，可以準(zhǔn)確恢復(fù)源區(qū)母巖性質(zhì)。

（3） 從巴蘭河整體的重礦物特征以及地球化學(xué)組成來看，重礦物在不同粒度組分的變化較為明顯。對于大型河流而言，長距離搬運(yùn)不能在不同粒徑中均勻混合重礦物，而對于小型河流巴蘭河而言，短距離的搬運(yùn)更難均勻混合重礦物。在地球化學(xué)組成上，Sr-Nd同位素與不活動(dòng)元素比值結(jié)合能夠較好地反映巴蘭河的物源。因此，在研究小型河流時(shí)，過少的樣品很難代表整個(gè)流域的重礦物組成。相比于重礦物而言，地球化學(xué)組成能夠較好地進(jìn)行物源示蹤并反映流域情況。

致謝 對提供寶貴修改意見的評審專家，一并謹(jǐn)致謝忱。感謝編輯部老師的辛勤付出，使論文得以完善。地球化學(xué)組成以及Sr?Nd同位素組成得到蘭州大學(xué)甘肅省西部礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室熊聰慧、閆曉麗和陳萬峰老師的支持，重礦物組成得到了河北廊坊誠信地質(zhì)公司李鵬、張?jiān)频ひ约皬埮遢胬蠋煹闹С?，研究生李思琪、孫楊、孫建華、李秋杭、侯心茹、符錦霞參與了論文寫作討論，在此一并表示感謝。

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基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42171006，41871013）