峡东地区闪长岩风化剖面元素和Sr-Nd同位素特征及其地球化学意义

散飞雪, 凌文黎, 胡艳华, 谢淑云

(1. 中国地质大学 研究生院, 湖北 武汉 430074; 2. 中国地质大学 地球科学学院, 湖北 武汉 430074; 3. 浙江省地质调查院, 浙江 杭州 311203)

0 引 言

岩石风化作用是岩石在太阳辐射、大气、水和生物作用等因素共同作用下, 形成岩石破碎、疏松及矿物成分次生变化的现象。它是元素表生地球化学循环的重要环节, 不仅影响了来源于固体岩石中不同元素在地壳表层中的重新分配, 而且由于其发生在与人类活动环境直接接触的地表, 可以用来指示风化区域的气候条件等, 因此与人类生存和生活环境有着重要的联系。长期以来, 国内外学者对岩石风化成土过程中元素的变化规律进行了大量研究[1‒12]。

湖北省宜昌市峡东地区, 广泛出露了多种类型岩浆岩和沉积岩层。这些岩石位于典型的亚热带气候区, 受到风化作用的影响, 地表露头不同程度地发育了风化层, 因此是研究地表条件下元素迁移行为的理想地区。对峡东地区风化剖面开展表生条件下的元素和同位素地球化学研究, 不仅在理论上促进对闪长岩在化学风化作用过程中元素地球化学行为的认识, 并应用现代区域构造运动、水文和工程领域, 同时也将促进对与风化作用过程有关的峡东地区土壤和基岩性质的了解, 进而为合理开发自然资源, 保护自然环境等关系人们生产和生活的重大问题提供决策的科学依据。峡东地区也是三峡大坝的库容区, 地表岩石发生的风化作用对该地区基岩化学稳定性有明显的影响, 了解本地区不同岩石化学风化的特点, 对预防和降低由于地表岩石稳定性变化产生滑坡和泥石流等自然灾害具有重要的现实意义。此外, 了解基岩经风化作用后形成土壤的化学组成特征, 对于指导三峡库区发展具有区域特色的农林业也同样具有重要作用。

湖北省宜昌市峡东地区位于扬子克拉通核部,是侵入华南太古宙陆核区新元古代侵入杂岩体出露区。本次研究以峡东地区三斗坪岩套闪长岩风化剖面为研究对象, 对从基岩至不同风化程度的剖面层进行了系统的样品采集, 拟通过对基岩及剖面样品主元素、微量元素分析以及Sr-Nd同位素的分析, 讨论风化作用过程中元素和同位素地球化学行为, 并探讨其地球化学意义。

1 区域地质

位于扬子克拉通核部的峡东地区出露了华南陆块较完整的各时代地层。研究区主要出露的地层由老到新依次为崆岭杂岩, 南华纪莲沱组(Z1l)(图 1)、南沱组(Z1n), 震旦纪陡山沱组(Z2d)、灯影组(Z2dn)和寒武纪水井沱组(Є1n)(图 1)、石牌组(Є1sh)[13](表1)。黄陵地区的崆岭变质杂岩主要由太古宙高级变质岩系组成, 出露于黄陵背斜核部的侵入杂岩体中, 与岩体之间为侵入接触关系。新元古代黄陵侵入杂岩体位于扬子陆块核部的鄂西宜昌地区中北部, 岩体侵入太古宙-古元古代结晶基底并受到华南震旦纪基岩覆盖。按侵入接触关系由早至晚, 黄陵杂岩体可划分为三斗坪、黄陵庙、大老岭和晓峰四个岩套。三斗坪岩套主要岩性为中粒角闪黑云英云闪长岩, 少数为花岗岩, 普遍发育基性岩包体。岩体中常分布不同宽度的晚期花岗岩质或正长岩脉, 沿岩体的节理裂隙分布, 同时在花岗岩体的节理面上发育后期热液蚀变作用形成的绿帘石[13]。本次研究样品采自三斗坪闪长岩风化剖面, 采样位置示于图 2。

2 样品采集、分析与结果

2.1 样品采集

我国南方广大地区气候温暖潮湿, 是副热带与温带之间的过渡地带, 冬季气温相当低, 最冷月平均气温−8～0 , ℃夏季气温相当高(候平均气温≥25 ), ℃岩石易于发生化学风化。本次样品采自峡东地区宜昌秭归县客运码头附近的公路切面。闪长岩风化壳的厚度可达 40～60 m, 剖面具有分层性, 各层物质组成连续变化。一般分为四层, 主要有淋溶层 A、淀积层 B、半风化层 C和基岩 D。根据岩性, 分别对基岩及不同程度的风化层进行样品采集。

本次研究选择了三个风化剖面, 分别为剖面1(图3a)、剖面2(图 3b)和剖面3(图3c)。其中剖面 1的地理坐标为北纬 30°50.337′, 东经 110°58.029′, 高程 224 m; 剖面 2 为北纬 30°52.323′, 东经 110°57.939′,高程 272 m; 剖面 3 为北纬 30°50.280′, 东经110°57.958′, 高程25 m。在各剖面按淋溶层A、淀积层B、半风化层C和基岩D层分别进行样品采集。

图1 寒武系水井沱组(a)和南华系莲沱组(b)野外露头照片Fig.1 Field photos of Cambrian Shuijingtuo group (a) and Simian Liantuo group (b)

表1 峡东地区地层表[13]Table 1 Strata of the eastern Three Gorges [13]

图2 峡东地区地层分布简图及采样位置Fig.2 Diagram of stratum distribution and sampling location of the eastern Three Gorges底图据湖北省地质局内部资料

图3 峡东地区闪长岩风化剖面Fig.3 Profiles of weathered dioritic rocks in the eastern Three Gorges

A层为淋溶层, 厚度 20 cm, 土褐色, 细粒, 粒度大多为 2～0.2 mm, 疏松, 部分结合紧密, 多呈良好的团粒结构, 其上层有丰富的有机质层覆盖,下层夹杂少量植物碎片。一般由于腐殖质累积, 腐殖质和矿质养料含量丰富。可见一些片状物质, 有明显的光泽, 为云母。B层为淀积层, 厚度 30 cm,土黄色, 含有从上层淋溶层下渗的有机物和矿物。C层为半风化层, 厚度 8～15 m, 褐色, 有部分风化现象, 颗粒大小不一, 有大块基岩残余, 也有细粒矿物, 矿物周围被细粒土粘合在一起。可见较好的斜长石和明显的片状物质云母。D层为闪长岩基岩(图4a), 均为闪长岩。岩石呈灰黑色, 属全晶质中性深成岩。岩体局部可见暗色包体(图4b)。各剖面闪长岩的岩性相似, 但仍有一定程度的变化。闪长岩总体特征表现为矿物结晶颗粒较大, 中粗粒等粒结构和块状构造。组成的浅色矿物和暗色矿物的比例变化于70%∶30% ～ 55%∶45%。其中剖面1浅色矿物含量约为 70%, 暗色矿物含量约为 25%; 剖面 2浅色矿物含量约为 55%, 暗色矿物含量约为 40%;剖面3浅色矿物含量约为65%, 暗色矿物含量约为30%。浅色矿物主要为斜长石和少量石英, 斜长石晶形一般较好, 呈板柱状。暗色矿物为角闪石和黑云母, 以角闪石为主, 呈长柱状。副矿物主要为磁铁矿。

剖面1D层基岩手标本(图5a)为灰白色, 中粒半自形近等粒状结构, 矿物颗粒粒径多为2～4 mm; 剖面2D层基岩手标本(图5b)为暗灰色, 细粒半自形粒状结构, 矿物颗粒粒径多为 0.2～2 mm; 剖面 3D层基岩手标本(图 5c)为暗灰色, 细粒半自形粒状结构,矿物颗粒粒径多为 0.2～2 mm。三者均为块状构造,主要矿物为角闪石、黑云母、斜长石和石英。分布都很均匀, 岩石很新鲜, 少见次生变化。角闪石呈长柱状, 绿黑色, 1D层粒径多为1～2 mm, 含量约20%;2D层和3D层粒径多为0.5～2 mm, 含量约30%。黑云母呈片状, 黑褐色, 1D层粒径多为2～4 mm, 含量约15%; 2D层和3D层粒径多为0.5～2 mm, 含量约10%。斜长石呈板状, 灰白色, 1D层含量约50%; 2D层和3D层粒径多为0.5～1 mm, 含量约45%。1D层石英含量约10%, 其他矿物含量约5%; 2D层和3D层石英含量均约5%。

对应1D基岩手标本的薄片1(图6a, 图6b)镜下可见为中粒半自形粒状结构, 块状构造。主要矿物为角闪石、黑云母、斜长石和石英, 次为磁铁矿。角闪石呈长柱状, 暗绿色, 具有两组完全解理, 有少数双晶, 大小一般在 0.5～2 mm 之间, 含量约20%。黑云母呈片状, 具有一组极完全解理, 平行消光, 可见鸟眼消光, Ng'为黑褐色, Np'为淡黄色, 大小一般在1.5～3 mm之间, 含量约15%。斜长石呈板状, 无色透明, 大小约 0.5～3 mm, 含量约 50%, 具有聚片双晶。石英为无色透明, 波状消光, 含量约10%, 呈不规则粒状。不透明矿物多为磁铁矿, 呈细粒状, 含量约5%。对应2D基岩手标本的薄片2(图6c, 图 6d)镜下可见细粒半自形粒状结构, 块状构造。主要矿物为角闪石、黑云母、斜长石和石英, 次为磁铁矿。角闪石呈长柱状, 暗绿色, 具有两组完全解理, 有少数双晶, 大小一般在 0.2～1.5 mm 之间,含量约 35%。黑云母呈片状, 具有一组极完全解理,平行消光, 可见鸟眼消光, Ng'为黑褐色, Np'为淡黄色, 大小一般在0.5～2 mm之间, 含量约10%。斜长石, 板状, 无色透明, 大小约 0.5～1 mm, 含量约45%, 具有聚片双晶, 矿物表面比较脏, 大多已发生次生变化。石英为无色透明, 波状消光, 含量约8%,呈不规则粒状。不透明矿物多为磁铁矿, 呈细粒状,含量约2%。对应3D基岩手标本的薄片3(图6e, 图6f)镜下可见细粒半自形粒状结构, 块状构造。主要矿物为角闪石、黑云母、斜长石和石英, 次为磁铁矿。角闪石呈长柱状, 暗绿色, 具有两组完全解理,有少数双晶, 大小一般在0.2～1.5 mm之间, 含量约35%。黑云母呈片状, 具有一组极完全解理, 平行消光, 可见鸟眼消光, Ng'为黑褐色, Np'为淡黄色, 大小一般在0.5～2 mm之间, 含量约8%。斜长石呈板状, 无色透明, 大小约 0.5～1 mm, 含量约 45%, 具有聚片双晶, 矿物表面比较脏, 大多已发生次生变化。石英为无色透明, 波状消光, 含量约 7%, 呈不规则粒状。不透明矿物多为磁铁矿, 呈细粒状, 含量约5%。

图4 基岩与包体Fig.4 Bedrock and xenolith

图5 峡东地区闪长岩风化剖面基岩样品Fig.5 Bedrock samples associated with profiles of weathered dioritic rocks in the eastern Three Gorges

图6 基岩薄片单偏光和正交偏光镜下对比照片Fig.6 Comparsing photos of bedrock thin sections between under single polarizer and crossed nicols

2.2 样品分析

原始样品经105 ℃预干燥2～4 h, 置于干燥器冷却至室温后用刚玉粗碎机粉碎至1～2 mm后过20目筛, 然后用玛瑙研钵磨至 200目以下后, 样品粉末用于进行主元素、微量元素和 Sr-Nd同位素分析测试。主元素、微量元素和同位素分析在中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。主元素用XRF-1800型X射线荧光光谱仪进行测试[14]。数据质量用标准物质GBW07105和GBW07109进行监测。结果表明相对误差(RE)优于4%, 多次测定的相对标准偏差(RSD)优于6%。微量元素用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)进行测定[15]。样品经AGV-1、BHVO-1、BHVO-2和 BCR-2国际标样监控[16], 分析相对误差(RE)优于 10%, 多次测定的相对标准偏差(RSD)优于 5%。Sr-Nd同位素分析的143Nd/144Nd比值用MC-ICP-MS(Agilent 7500a)测试[17],87Sr/86Sr比值测量用 TIMS(Triton Ti)测试[18]。Sr、Nd同位素分析的准确度分别用标样 NBS987和Jndi-1进行监测。Sr同位素质量分馏用88Sr/86Sr=8.375209校正, 标样NBS987的88Sr/86Sr测量结果为0.710242±5(2σ)。Nd 同位素质量分馏用146Nd/144Nd=0.721900校正, 标样Jndi-1的146Nd/144Nd测试结果为 0.512110±2(2σ)。

2.3 结 果

峡东闪长岩风化剖面主元素和微量元素分析结果见表2, Sr-Nd同位素分析结果见表3, Sr-Nd同位素计算参数见表4。

3 风化过程元素含量变化的计算方法

3.1 风化过程中元素迁移量定量计算方法

在基岩出露于地表发生化学风化作用的过程中,将伴随组成岩石的矿物发生不同程度的分解, 导致部分矿物溶解进入地表水系, 部分矿物蚀变形成与环境平衡的新矿物以及部分外来组成被吸附或进入新生矿物等。不同风化阶段元素含量会不同程度地改变, 即元素发生相对迁出或带入, 这些过程将引起风化后新体系相对于原岩发生质量和体积的变化。因此, 直接对比原岩与土壤样品间元素含量的变化并不能准确反映基岩风化过程中元素的地球化学行为, 即是否发生了净带出或净带入部分元素, 而需要建立可比较的参照指标。常用的定量计算方法有等体积计算法、等阴离子计算法和稳定元素法[19]。

等体积计算法是假设风化前后岩石体积没有发生明显变化, 但由于岩石风化产物的结构发生疏松,准确测定元素迁移量误差相对较大。等阴离子计算法是假设风化前后体系中氧原子数没有变化, 但由于如铁等金属元素氧化后价态改变, 其从硅酸盐矿物转变为氧化物时显然将引起与之结合的氧离子数的变化, 故该方法误差大小具有不确定性。

而稳定元素法是假设风化前后某元素没有发生明显变化, 即该元素的绝对含量保持相对稳定。通过对比体系变化前后该元素相对含量的变化, 确定出校正因子, 进而对其他元素的含量进行校正。这类元素有Ti[20](或其他HFSE)、Cr和V等。这种方法在实际应用中可操作性较强。根据风化前后体系中这些元素相对含量的变化, 可计算出体系发生的相对质量及相对体积的变化。以此为基础, 计算出土壤样品中其他元素相对于原岩质量及体积的相对含量。通过对比元素的原岩相对含量和土壤相对含量之间的变化, 分析其在化学风化过程中地球化学行为[4]。

3.2 Ti与Cr元素法对比

3.2.1 Ti元素法

研究表明, Ti在风化蚀变过程中能保持相对稳定[21], 故可选择Ti作为计算参照元素。

对于不同风化程度的土壤(或半风化岩石)样品,其元素含量改变量的计算公式为:

表2 峡东闪长岩风化剖面主元素(%)和微量元素组成(μg/g)Table 2 Major elementsʼ composition (%) and trace elementsʼ composition (μg/g) profiles of weathered dioritic rocks in the eastern Three Gorges

表3 峡东闪长岩风化剖面Sr-Nd同位素组成Table 3 Sr-Nd isotopic composition profiles of weathered dioritic rocks in the eastern Three Gorges

式中:AjC 和OjC 分别为元素 j在风化土壤和基岩中的含量,ARefC 和ORefC 分别为风化过程中相对稳定的参考元素, 即Ti元素在风化土壤和基岩中的含量。当μ＞0时, 表示元素发生富集作用, 存在外来元素的净加入; 当μ＜0时, 表示元素净迁出, 即发生亏损作用; 当 μ≈0时, 表示元素在风化作用过程中其净含量没有明显的改变。

3.2.2 Cr元素法

由晶体场理论可知, 作为第一过渡族元素的 Cr在岩石的风化作用过程中可保持相对稳定。类似地,对于不同风化阶段的土壤(或半风化岩石), 元素含量改变量的计算公式为:

式中:和分别为元素j在风化土壤和基岩中的含量,和分别为风化过程中相对稳定的参考元素, 即Cr元素在风化土壤和基岩中的含量。

3.2.3 Ti元素法和Cr元素法的比较

图7对比了两元素标准化法对不同性质元素活动性的计算结果。由剖面1和2的蛛网图(图7a—图7d)可见, Cr元素法中各微量元素比Ti元素法中各微量元素呈现更明显的富集或亏损趋势, 并且剖面 2 Cr元素法中微量元素都呈现富集状态, 这显然不合理。由剖面 3的蛛网图(图7e—图 7f)可见, Cr元素法中各微量元素比Ti元素法中各微量元素呈现更明显的贫化趋势, 而Cr元素法中微量元素几乎都呈贫化状态, 这同样不合理。本文认为, 导致这一现象的原因可能并不是指示 Cr本身在风化过程中具有明显的活动性, 而是ICP-MS的测量过程中, Cr的测量误差较大, 通常可大于 10%[22], 故不适合作参照元素。反之, 作为常量元素的Ti具有较高的分析精度,是进行元素活动性计算的理想参考元素。

表4 峡东闪长岩风化剖面Sr-Nd同位素计算参数Table 4 Sr-Nd isotopic parameter of weathered dioritic rock profiles in the eastern Three Gorges

图7 峡东地区闪长岩风化剖面元素的Cr含量标准化图和Ti含量标准化图Fig.7 Cr-normalized and Ti-normalized diagrams of the weathered dioritic rock profiles in the eastern Three Gorges(a)和(b)、(c)和(d)及(e)和(f)分别是风化剖面1、2和3的Cr和Ti含量标准化图

4 风化剖面元素地球化学特征

4.1 主元素

元素在剖面中的迁移速率 m: 即各层某一化学元素含量(%)与新鲜基岩同一元素含量(%)之比值(表5)。在化学全量及迁移率分析的基础上, 详细计算了不同地貌部位各风化层的化学元素迁移特征值和强度。在计算迁移特征值时主要选取的风化系数有: (1)硅铝系数 SiO2/Al2O3; (2)铝铁系数 Al2O3/Fe2O3; (3)碱金属淋溶系数(K2O+Na2O)/Al2O3; (4)碱土金属淋溶系数(CaO+MgO)/Al2O3; (5)盐基总量淋溶系数(K2O+Na2O+CaO+MgO)/Al2O3等系数[23]。

风化壳的化学组分主要是Si、Al的氧化物, 约占总量的80% (表2)。然而, 由于所处的地貌位置不同, 化学元素的迁移各有差异。由表5可见: (1)SiO2、Al2O3、Fe2O3剖面1中脱硅过程微弱, 几乎不变; 剖面2和3中SiO2均呈富集状态, 其中剖面2中较明显。Al2O3的淋失程度较弱, 变幅微弱。在三个风化壳剖面中, Fe2O3均呈淋失状态, 其中剖面2变化最明显。(2)在三个剖面中, 碱土金属CaO和MgO含量总的变化趋势是处于淋失状态, 剖面 1和 3中淋失程度相当, 剖面 2中淋失程度最大。(3)三个剖面中, 碱金属 K2O总的趋势处于富集状态。碱金属Na2O的含量变化复杂, 在剖面1中呈现富集的趋势;而在剖面2和3中却趋于减少, 规律明显。

表5 峡东地区闪长岩风化剖面化学元素迁移率mTable 5 Element mobility along the weathered dioritic rock profiles in the eastern Three Gorges

不同地貌部位风化壳不同层次的各风化系数表明了不同地貌部位风化壳发育的差异性。由表 6可知, 各系数有以下规律: (1)硅铝系数SiO2/Al2O3: 在三个地貌位置的风化壳剖面中, 从下往上均大概呈逐渐增加的趋势, 这可能与黏土矿物有关。(2)铝铁系数 Al2O3/Fe2O3: 在三个地貌位置的风化壳剖面中,各剖面内从下往上相差不大(＜25%)。(3)碱金属淋溶系数(K2O+Na2O)/Al2O3: 在三个地貌位置的风化壳剖面中, 碱金属均基本不变。(4)碱土金属淋溶系数(CaO+MgO)/Al2O3: 在三个地貌位置的风化壳剖面中, 从下向上均呈递减规律。(5)盐基总量的淋溶系数(RO+R2O)/Al2O3: 在三个地貌位置的风化壳剖面中, 从下向上呈逐渐减少之趋势。

化学蚀变指数(CIA)(表 7)可对风化层经历的地表化学风化的蚀变强度进行指示[24]。三个剖面样品从母岩向上到表土层, 即从D层到A层, 化学蚀变指数逐渐升高, 指示样品化学风化程度明显增强(表8、图8)。化学风化指数(CIW)(表7)可对风化层经历的地表化学风化的风化强度进行指示[25]。三个剖面样品从母岩向上到表土层, 即从 D层到 A层,化学风化指数逐渐升高, 指示样品化学风化程度明显增强(表8、图9)。

表6 峡东地区闪长岩风化剖面风化系数Table 6 Weathering indices of the weathered profiles of dioritic rocks in the eastern Three Gorges

表7 归一化的化学风化指数[26-27]Table 7 Normalized chemical weathering indices[26‒27]

用不活动元素(Ti)作参考元素对其他元素的活动性进行观察, 结果表明, 随着风化程度的增强, Ca整体上含量大致降低, 一定程度上反映了斜长石的风化; K含量随风化程度增大, 可能与含K粘土矿物形成和对K的交换吸附有关, 但K的变化幅度不大;Mg整体上含量大致降低, 指示Mg主要受到了溶解作用的影响, 剖面表层即 A层强烈的淋滤作用最终导致Mg的流失; Na在基岩即D层中含量较低, C层较D层含量高, 并且从C层向上到A层含量大致降低, 大致呈现中间高两头低的趋势, 由于Na表生地球化学性质较Ca、Mg和K等容易淋失元素, 即比其他主元素更活泼, 因而更容易淋失; P在基岩即D层中含量较低, 从C层到B层开始迅速下降, 说明原生矿物(如磷灰石)分解释放P, 而剖面从B层到A层含量的升高, 这可能与次生磷酸盐的形成及有机质的增多有关; Si含量最初在D层较低, 而从C层到B层迅速下降, 中等风化程度时即B层到A层含量又有所升高; 剖面中总Fe和Mn的含量都较为稳定, 可能与形成难迁移铁锰氧化物有关, 说明风化过程中Mn、Fe与Ti一样属于稳定性元素[28‒29]。可见, 峡东地区闪长岩风化过程中主要化学组分的活动性顺序为: Na、Ca ＞ Si、P ＞ Mg、K ＞ Al ＞ Fe(三价 Fe)、Mn、Ti, 其中 Mn、Fe和 Ti基本上有效保留于风化残余物中。

表8 峡东地区闪长岩风化剖面化学蚀变指数和化学风化指数Table 8 CIA and CIW values of the weathered profiles of dioritic rocks in the eastern Three Gorges

图8 峡东闪长岩风化剖面化学蚀变指数CIA变化趋势图Fig.8 CIA diagram of the weathered profiles of dioritic rocks in the eastern Three Gorges

图9 峡东闪长岩风化剖面化学风化指数CIW变化趋势图Fig.9 CIW diagram of the weathered profiles of dioritic rocks in the eastern Three Gorges

4.2 微量元素

不同风化剖面 Ti元素标准化后的元素活动性蛛网图示于图 7。总体上, 风化过程中 Sc、V 和REE(包括Y)相对稳定, Sc和V有较小程度的贫化趋势, 而 REE(包括 Y)在剖面 1中基本没有含量变化, 但在剖面 2、3中相对地有较低程度的富集趋势。亲硫元素Cu和Zn在三个风化剖面中均表现出不明显的元素含量变化; 而亲硫元素 Pb存在一定程度的富集趋势, 但在风化壳剖面2、3表层高度富集, 可能是外来Pb(如大气沉降)加入的结果; Mo在三个风化剖面中也均表现出不太明显的元素含量变化。大离子亲石元素 Sr在三个风化剖面中均表现出不明显的元素含量变化, 表层有一定程度的贫化趋势, 可见Sr与Ca行为相似, 易随斜长石的风化而淋失[4]; Ba在剖面1、3中的变化不明显, 在剖面2中表现出较明显的富集, Ba的含量受剖面中原生矿物的分解释放和次生黏土矿物的吸附滞留两个相互竞争过程的共同控制, 剖面1、3中的Ba也不是很活泼, 除与剖面本身发育程度不高及原生矿物未完全分解有关外, 黏土矿物的交换吸附, 可能也是一个关键的影响因素, 而剖面 2中 Ba较明显富集, 可见其剖面发育程度较高; Rb在剖面1中的变化不明显, 在剖面2、3中均表现出较明显的元素富集, Rb的含量同样受剖面中原生矿物的分解释放和次生粘土矿物的吸附滞留两个相互竞争过程的共同控制, 剖面1中的Rb相对稳定, 除与剖面本身发育程度不高及原生矿物未完全分解有关外, 黏土矿物的交换吸附, 可能也是一个关键的影响因素,而剖面2、3中Rb富集明显, 可能与剖面发育程度较高有关。而高场强元素(HFSE)Nb、Ta在剖面1、3中的变化不明显, 在剖面 2中表现出较明显的元素富集; Zr、Hf在剖面1中表现不明显的变化, 在剖面2、3中表现出一定程度的元素富集; 可见Zr、Hf、Nb、Ta因主要存在于难风化的重矿物中而得以保留。U属于变价元素, 在风化环境中易氧化而迁移, 在剖面1、3中表现出不明显的贫化趋势, 在剖面 2中表现出一定程度的元素富集。铁族元素Cr、Ni的行为与Fe相似, 受氧化物控制[4], 在剖面1、2中表现出不明显的贫化趋势, 在剖面3中表现出一定程度的元素富集[28‒29]。显然, 亲硫元素的含量变化应与基岩化学风化过程中硫化物等矿物的氧化和次生富集有关, 而大离子亲石元素的含量变化应主要与长石、云母和粘土化有关, 高场强元素主要赋存在锆石、榍石和金红石等副矿物中, 在地表风化条件较为稳定。

4.3 稀土元素特征

4.3.1 稀土元素分异与分布模式

稀土元素的地球化学性质极为相似且相对稳定,一般在风化壳富集, 在弱蚀变条件下基岩通常可保持其REE组成特征。但是在基岩风化形成土壤的过程中, REE相对于原岩土壤的REE组成则发生了不同程度的变化。一般认为, 在岩石强烈风化过程中重稀土(HREE)较轻稀土(LREE)更易在溶液中形成重碳酸盐和有机络合物而优先被溶解迁移, 而 LREE则被粘土优先吸附, 使轻重稀土元素发生分异, 即轻稀土元素相对富集而重稀土元素相对亏损[11,30‒33]。

图 10为各剖面稀土元素球粒陨石和母岩的标准化模式图。由图可见, 剖面内各风化层之间均具有十分相似的稀土元素分布模式曲线, 包括 δEu、δCe、ΣREE和(La/Yb)N。剖面 1和 2的母岩(基岩)标准化图显示 LREE相对亏损, 而剖面 3则表现为LREE的相对富集, 指示其风化过程受到了重碳酸盐溶液和有机络合物相对明显的影响。ΣREE值由剖面1至3其变化范围分别是78.5 ～110、93.5～151和101～112 μg/g, 球粒陨石标准化(La/Yb)N比值由剖面1至 3其变化范围分别是 8.14～12.8、4.94～8.41和4.48～6.78。

4.3.2 Ce和Eu的地球化学特征

Ce和 Eu作为变价稀土元素, 在风化作用过程中其地球化学行为受到环境氧化还原性质的影响。在三个风化剖面样品中, 均呈现δEu＜1, 由剖面1至3其变化范围分别是 0.78～0.89、0.71～0.74和0.72～0.77, 并且在球粒陨石标准化分布模式图中呈现Eu负异常的“V”字型模式曲线。其中剖面1的Eu负异常相对较弱, 而剖面2和3的Eu负异常相对较明显。值得注意的是, 由基岩(D)至风化层顶层(A)呈现δEu值逐渐下降的趋势(剖面1为0.89→0.78、剖面 2为 0.74→0.71和剖面 3为 0.77→0.72), 指示风化过程中相对富集 Eu的矿物斜长石优先蚀变并流失[26]。三个剖面样品中均呈现 δCe＜1特征, 由剖面 1至 3其变化范围分别是 0.88～0.94、0.92～1.00和 0.89～0.99, 同样地, 由基岩(D)至风化层顶层(A)呈现 δCe值逐渐下降的趋势, 即剖面 1为0.93→0.88、剖面 2为 1.0→0.92和剖面 3为0.99→0.89。该现象显然指示了风化过程中部分 Ce氧化成+4价, 并呈可溶络合物态溶解流失。

5 Sr-Nd同位素特征

5.1 锶同位素

元素Rb和 Sr分属碱金属和碱土金属, 如前文所述, 其在表生条件下具有较强的活动性。各风化剖面基岩和不同风化层锶同位素的现今和初始比值示于图11。

图10 峡东闪长岩风化剖面风化层稀土元素的球粒陨石标准化分布模式图和母岩标准化图Fig.10 REE chondrite-normalized and bedrock-normalized diagrams of the weathered profiles of dioritic rocks in the eastern Three Gorges

图11 峡东闪长岩剖面不同层位锶同位素比值变异图Fig.11 Sr isotopic ratio of different layers from the weathered profiles of dioritic rocks in the eastern Three Gorges

在三个剖面中, 锶同位素比值均发生了变化,由剖面 1至 3其变化范围分别是 0.7069～0.7075、0.7059～0.7078 和 0.7053～0.7068。这不仅表明各基岩样品本身具有不同的锶同位素组成, 且风化过程也导致了锶同位素比值的变化。除剖面1中的C层样品外(图 11a, 图 11b), 其余样品均显示出由基岩向上, 其现今和初始锶同位素比值均呈逐渐升高的趋势。值得注意的是, 这种升高的趋势同时伴随样品87Rb/86Sr(Rb/Sr)比值的增高。因此, 风化过程已经导致了各风化层Rb-Sr同位素体系的开放, 即Rb的相对富集, 而初始锶同位素比值由基岩向上至各风化层所显示出的增高趋势, 也指示了存在高放射成因Sr的加入。剖面1中C层样品明显偏低的锶同位素比值可能与其原岩为基性暗色包体有关(图11b)。

5.2 钕同位素

5.2.1 钕同位素特征

各风化剖面基岩和不同风化层钕同位素的现今和初始比值示于图12。三个剖面不同程度风化层中钕同位素比值均发生了变化, 由剖面 1至 3其变化范围分别 0.511625～0.511728、0.511752～0.511852和0.511773～0.511874。这不仅表明各基岩样品本身具有不同的钕同位素组成, 且风化过程也导致了钕同位素比值的变化。除剖面 3中样品外(图 12e, 图12f), 其余样品风化层现今和初始钕同位素比值相对于基岩均呈现较低的趋势。值得注意的是, 样品风化层147Sm/144Nd(Sm/Nd)比值相对于基岩呈现较高的趋势。由于风化作用发生于现代, 且147Sm的半衰期较长, 因此, 由基岩至风化层钕同位素比值逐渐降低的趋势应是外来低放射成因Nd加入的结果,而非 Sm/Nd比值改变后放射性积累速度的变化所致。剖面1、2中风化层相对于基岩发生了Sm、Nd贫化, 而剖面3中风化层相对于基岩存在Sm和Nd外来加入。

5.2.2 钕模式年龄

表4中列出了样品的钕同位素二阶段模式年龄T2DM。剖面1、2、3的钕模式年龄分别为1.96～2.17、1.85～2.08和1.93～2.03 Ga, 在误差范围内基本相同,表明风化层的钕同位素模式年龄可基本指示基岩的特征[35‒38]。

5.2.3 εNd(t)- εSr(t)关系图

图13为闪长岩εNd(t)-εSr(t)关系图。样品落在第Ⅳ象限。剖面 1的 εSr(t)变化范围为 9.9～23.1, εNd(t)变化范围为−11.6～−8.5;剖面 2的 εSr(t)变化范围为9.6～15.2, εNd(t)变化范围为−10.4～−7.00; 剖面 3 的εSr(t)变化范围为 11.7～14.6, εNd(t)变化范围为−9.6～−8.1。可见, 相对于基岩, 不同风化层εSr和εNd值的变化范围扩大, 且εNd值总体呈现下降趋势。

6 结 论

(1)主元素的 Ti是元素活动性计算的理想参考元素, 表征风化更准确。

(2)母岩向上至风化层, 即从D层到A层, 风化层的化学蚀变指数和化学风化指数呈逐渐升高的趋势; 随着风化程度的增强, 峡东地区闪长岩风化过程中主要化学组分的活动性顺序为: Na、Ca ＞ Si、P ＞Mg、K ＞ Al ＞ Fe(三价 Fe)、Mn、Ti, 其中 Mn、Fe和Ti基本保持稳定。

图12 峡东闪长岩剖面不同层位钕同位素比值变异图Fig.12 Nd isotopic ratio of different layers from the weathered profiles of dioritic rocks in the eastern Three Gorges

图13 峡东闪长岩风化剖面εNd(t)-εSr(t)关系图Fig.13 εNd(t)-εSr(t) diagram of the weathered profiles of dioritic rocks in the eastern Three Gorges

(3)风化过程中, Zr、Hf、Sc、V 和 REE(包括 Y)相对稳定, 且亲硫元素Cu、Mo和Zn变化也不明显,亲硫元素Pb具一定程度的富集趋势, 大离子亲石元素Sr、Ba和Rb的变化在不同剖面表现出不同行为。

(4)风化层中剖面1和2的LREE发生了相对亏损, 而剖面3的LREE发生了相对富集; 由基岩(D)至风化层顶层(A), 呈现δEu值和δCe逐渐下降的趋势, 指示风化过程中相对富集Eu的矿物斜长石优先蚀变并流失, 以及氧逸度增高导致部分Ce氧化成+4价, 并呈可溶络合物态溶解流失。

(5)风化过程已经导致了各风化层Rb-Sr同位素体系的开放, 初始锶同位素比值随风化程度显示出比值增高的趋势, 并存在外来高放射成因Sr的加入;随风化程度的增加, 样品的钕同位素比值则呈降低趋势, 指示外来低放射成因Nd加入的结果; 相对于基岩, 不同风化层 εSr和 εNd值的变化范围扩大, 且εNd值总体呈现下降趋势, 但在误差范围内基本相同,表明风化层的 Nd同位素模式年龄可基本指示基岩的特征。

主元素、微量元素和同位素分析在中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室和同位素实验室完成, 在此深表谢意！

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