兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带沉积物主成分的含量与空间分布研究

唐　坤, 王学求*, 迟清华

1)中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所, 国土资源部地球化学探测重点实验室, 河北廊坊 065000; 2)中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083

兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带沉积物主成分的含量与空间分布研究

唐坤1,2), 王学求1,2)*, 迟清华1)

1)中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所, 国土资源部地球化学探测重点实验室, 河北廊坊 065000; 2)中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083

选取兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带上沉积物的SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TFe2O3、FeO、TiO2、MnO、P2O5、CO2、H2O+、pH十四个指标, 研究其在不同二级构造单元、地理景观、土壤类型、降雨量等级下的含量与空间分布特征, 并讨论该地球化学走廊带上化学蚀变指数。结果表明: 在兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带上, 作为沉积物主体的SiO2、Al2O3两者含量为明显负相关而空间分布表现出此消彼长的特征; CaO、MgO、CO2高含量分布区则与碳酸盐岩地层或含碳酸盐矿物的土壤有关,而MgO的高含量还与走廊带上镁铁质基性-超基性岩有一定关系, 表明了这三个指标的高含量受特定岩性或矿物的影响较大; Na2O、K2O含量除了受继承的基岩影响外, 还受到后期的风化作用和气候及自身地球化学性质等复杂因素综合影响, 对Na2O来说尤为如此; TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5相对于在地质背景复杂地段, 经过冲积平原的沉积物混匀后, 含量差异更小; 相对干冷的内蒙古半干旱草原的气候条件有利于FeO存在, 使得其相对燕山地区含量差异较TFe2O3要小, 在章丘以南相对温暖湿润地区更易被氧化而导致其含量整体较低; 北方干冷气候条件下, 沉积物H2O+含量普遍较低, 局部高含量位于碳酸盐岩地层或第四系分布区; 走廊带上的pH值反映了沉积物偏碱性的特征, 而在章丘以南的地区随着降雨量的增加, 相对温暖湿润的气候条件, 沉积物pH值表现为中性-偏弱酸性; 兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带沉积物的CIA值反映出在寒冷、干燥气候条件下低等的化学风化程度, 兴蒙造山带沉积物平均风化程度相对华北克拉通沉积物的平均风化程度差异变化相对要小, 显示兴蒙造山带的降雨量与温度等风化影响因素变化较小。作为反映元素的地球化学亲和性的量化指标, 离子电位可以更好地帮助理解沉积物元素的含量和空间分布差异。

地球化学走廊带; 兴蒙造山带—华北克拉通; 主成分; 化学蚀变指数; 离子电位

对于沉积物的地球化学组成(古森昌等, 1989;焉明才等, 1997; 杨守业和李从先, 1999; 王永等, 2004; 蓝先洪等, 2015), 水系沉积物矿区找矿预测(杨少平等, 2015; 席明杰等, 2015), 影响沉积物地球化学组成因素(迟清华和马生明, 2008), 及勘查地球化学的总结与展望(谢学锦, 2003; 谢学锦等, 2009), 国内已进行了各方面大量的研究工作和论文的发表, 这些研究侧重在元素含量组成与影响因素方面, 而应用方面侧重在区域或矿区的找矿预测,而对于沉积物区域或国家尺度的地球化学含量与空间分布特征的研究, 特别是含量与空间分布与区域构造单元、地理景观、降雨量等区域地质、地理条件的空间对应展布则比较少。国外进行的地球化学走廊带方面的研究, 主要是跨越美国和加拿大两个国家的北美大陆尺度地球化学走廊带的研究(Smith and Reimann, 2008; Drew et al., 2010), Smith和Reimann(2008)认为低密度沉积物地球化学填图可以反映很多有用的信息, 而选取该地球化学走廊带沉积物的Cr和Ca两种元素在采样所穿过地区, 其地球化学含量与空间变化特征与低密度地球化学沉积物采样类似, 也基本大体上能反映出区域地质背景对元素含量的影响, 而选取Hg元素表明与其含量除与地质背景相关外, 与降雨量的空间分布对应较好; Drew等(2010)在文中则侧重点是不同层位沉积物含量的对比, 还通过判别分析表明, 对于采集的土壤样品其地球化学特征与其土壤矿物学特征相比, 前者可更好地与一级地理景观分区对应。但在中国, 对于全国乃至全球尺度进行系统地采样研究地球化学元素的含量与空间分布, 特别是国内地球化学走廊带方面的研究还是空白。

为了开展中国表层沉积物元素的含量与空间分布, 中国进行了地球化学基准值计划的研究工作。基准值的地球化学意义在于建立中国表层沉积物地球化学元素含量与空间变化的标尺(王学求等, 2010)。而与基准值研究范围是全国性的面状研究区不同, 地球化学走廊带的目标是通过每条高密度的线状采样路线采集沉积物样品, 从新视角来刻画研究地球化学走廊带所穿过区域沉积物的每个元素含量与地质、地理、气候等因素的关系。因此, 在中国地球化学基准值研究框架下, 选取三条地球化学走廊带跨越中国不同大地构造单元, 通过高密度系统的沉积物样品采集, 可以为我们提供更加丰富的关于不同地质单元沉积物的地球化学含量信息, 也可以得到沉积物元素含量在不同二级构造单元、地理景观、土壤类型、降雨量等的空间分布特征以及沉积物的主成分元素含量与空间变化及化学蚀变指数CIA所反映的风化作用程度等方面的信息。

本文选取的兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带从西北到东南跨越了的不同大地构造单元、不同的地理景观带、不同的土壤类型和不同降雨量等级, 按照2～4 km的采样间距采集了550件土壤和水系沉积物样品, 所有样品在实验室国家一级地球化学标准物质监控下获取了76个元素的含量。本文主要讨论兴蒙造山带—华北克拉通走廊带范围内沉积物中SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TFe2O3、TiO2、MnO、P2O5含量及pH值与不同二级构造单元、地理景观、土壤类型、降雨量的关系以及化学蚀变指数所反映的平均风化程度与差异。

1　方法

1.1样品采集

对于地表沉积物的样品采集, 需要根据不同的地理景观采集不同采样介质的采样方法, 这样可以最大程度地代表周围的平均物质组成。本文选取的兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带主要穿过三种地理景观: 冲积平原区、山地丘陵区和半干旱草原。冲积平原区主体为华北平原, 其次为江苏北部地区的平原, 在这些地区沿走廊带每隔4 km采集一个25 cm以下的土壤样品; 而山地丘陵区大致位于北京怀柔至河北张家口一带和鲁西地区, 在这些地区的地表出露基岩复杂地段, 每隔2 km采集1件水系沉积物样品, 基岩出露较为简单的地段每隔4 km采集1件水系沉积物样品; 半干旱草原区大致分布于张家口以北至二连浩特红格尔地区, 基本每隔4 km采集1件草原沙土样品, 但在部分有基岩出露地段采样间距加密为2 km。兴蒙华北地球化学走廊带样点示意图如图1所示。

图1　研究区及样点示意图Fig. 1　Schematic diagram of the study area and the samples locationA3-大兴安岭北段造山带; A2-大兴安岭南段造山带; A1-华北北缘造山带; B1-内蒙地块; B2-燕山造山带; B3-华北盆地; B4-鲁西地块; C1-苏鲁造山带; 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样品分析与质量监控

本走廊带上采集的沉积物样品的分析采用了多种分析技术配套的方案, 共分析了76种元素, 这种配套分析技术可以最大程度地发挥各种分析仪器的优势, 得到高准确度和精确度的分析数据(张勤等, 2012)。其中, 本文涉及到的SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TFe2O3、TiO2、MnO、P2O5等主量元素分别采用了熔片制片-X射线荧光光谱法(FU-XRF)和压片-X射线荧光光谱法(XRF)进行分析,并用主量元素加和方法控制分析质量, 保证分析结果的准确度; FeO和pH分别采用的是容量法分析和电位法, 通过对每件沉积物样品进行精确分析得到,作为两个特殊分析要求的指标, 对它们的分析方法过程详细介绍见文献张勤(2012)。

表1　兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带沉积物中各指标含量Table 1　The content of principal components in sediments on the geochemical transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

同时, 在分析过程中除了加入重复样外, 还通过加入标准样来监控分析质量。对于重复样, 按样品总数10％的比例, 抽取实验室内部密码重复样品,以密码方式进行预先分析, 以控制日常分析中的批次偏差。计算基本分析值与重复性分析值的相对偏差RD的合格率应不小于90％。在每一批(50个号码)以密码方式插入2个岩石和2个水系沉积物国家一级标准物质, 同样品一起分析后, 计算单个标准物质测定值与标准值的对数差(ΔlgC), 以监控分析过程的准确度, 计算对数差的标准偏差(λ), 监控分析批次内的精密度, 合格率应达到100％。

1.3数据处理

在地球化学填图中, 采样设计和数据成图通常采用网格化处理方法。借鉴这一思路, 结合兴蒙造山带—华北克拉通走廊带的实际情况, 本文采取1:50000地图分幅范围对样点进行网格化(共88格),分别求得各自网格内所有沉积物样品的中位数, 代表格网内的平均物质组成, 绘制走兴蒙造山带—华北克拉通走廊带地球化学的含量折线图, 展示这些指标在走廊带上的空间分布特征, 进而研究其含量与二级构造单元、地理景观、土壤类型、降雨量等之间的关系。

2　结果与分析

2.1元素含量特征

由表1可知, 从一级构造单元统计结果看, 与整个走廊带上相比, 兴蒙造山带沉积物主成分含量较高的有SiO2、K2O, 含量相近的有而Na2O, 其余Al2O3、Cao、MgO、TFe2O3、FeO、TiO2、MnO、P2O5、CO2、H2O+的含量则较之要低; 华北克拉通沉积物除SiO2较低外, CaO、TFe2O3、CO2、H2O+的含量较之要高, 含量相近的有Al2O3、MgO、FeO、Na2O、K2O、FeO、TiO2、MnO、P2O5。与华北克拉通相比, 兴蒙造山带含量较高的是SiO2、K2O, 其余除Na2O含量相近外, 其余Al2O3、Cao、MgO、TFe2O3、FeO、TiO2、MnO、P2O5、CO2、H2O+含量较之要低。此外对于pH值, 兴蒙造山带比华北克拉通高。

从二级构造单元统计结果看, 兴蒙造山带各二级构造单元SiO2含量整体都高于华北克拉通和苏鲁造山带, 而Al2O3含量整体恰好具有相反的趋势; CaO除华北盆地(B3, 5.08％)和燕山造山带(B4, 2.81％)较高外, 其它各二级构造单元差异相对较小; MgO在兴蒙造山带整体含量较低且差异不大, 而在华北克拉通含量整体较高且差异相对较大, 其最高含量出现在华北盆地; Na2O、K2O含量在各二级构造单元之间差异不大。从地理景观统计结果看, SiO2含量呈现半干旱草原＞山地丘陵＞冲积平原的特征,而Al2O3含量则是低山丘陵＞冲积平原＞半干旱草原; Cao含量表现出冲积平原明显高于山地丘陵和半干旱草原的特点; MgO表现为冲积平原＞低山丘陵＞半干旱草原; Na2O、K2O含量在不同地理景观中相差不大。按土壤类型统计结果看, SiO2、K2O含量表现为灰钙土-棕钙土带(ⅡB)＞黑钙土-栗钙土-黒垆土带(ⅡA)＞棕壤-褐土带(ⅠC)的特征, 而Al2O3、CaO、MgO的含量则表现为正好相反的趋势, Na2O的含量则在三种土壤类型之间差异不大(1.95％～2.00％)。就降雨量而言, SiO2含量整体表现出随着降雨量增高而下降的趋势, 而Al2O3含量整体具有相反的趋势; 而CaO、MgO各自含量除在400～800 mm降雨量区间出现明显高值外, 在其余降雨量区间CaO、MgO的各自含量差异相对较小; Na2O含量在200～1 600 mm降雨量区间表现出略微增加的趋势,而K2O含量则在200～1 600 mm降雨量区间表现略微降低的趋势。

表2　兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带各二级构造单元主要岩性Table 2　The main lithology in different secondary tectonic units on the geochemical transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

从构造单元看, TFe2O3、TiO2、MnO、P2O5含量在华北克拉通整体较兴蒙造山带高, 但TFe2O3、MnO、P2O5在兴蒙造山带含量差异相对较小, 在华北克拉通含量差异较大, 而TiO2则相反; FeO含量也表现出华北克拉通整体高于兴蒙造山带的特征,但在整个走廊带各构造单元含量差异较大; CO2的含量在华北盆地表现明显高含量, 其次是燕山造山带, 而在其它构造单元差异不大; H2O+含量也是华北克拉通大于兴蒙造山带, 但在两个一级构造单元内, 其含量差异不大; pH值则是兴蒙造山带明显高于华北克拉通, 且在华北盆地pH明显降低。从地理景观看, TFe2O3、TiO2、MnO、H2O+表现为低山丘陵＞冲积平原＞半干旱草原, 而FeO、P2O5、CO2则是冲积平原＞低山丘陵＞半干旱草原, pH值为半干旱草原＞冲积平原＞低山丘陵。从土壤类型看, TFe2O3、TiO2、MnO、P2O5、CO2、H2O+含量表现为灰钙土-棕钙土带(ⅡB)＜黑钙土-栗钙土-黒垆土带(ⅡA)＜棕壤-褐土带(ⅠC)的特征, 而FeO在黑钙土-栗钙土-黒垆土带(ⅡA)与棕壤-褐土带(ⅠC)之间含量差异很小(0.92％、0.96％), 且均远大于灰钙土-棕钙土带(ⅡB)含量(0.42％); pH值则是灰钙土-棕钙土带(ⅡB)＞黑钙土-栗钙土-黒垆土带(ⅡA)＞棕壤-褐土带(ⅠC)。从降雨量看, TFe2O3、TiO2、MnO、P2O5、H2O+含量在50～400 mm区间以及400～1 600 mm两个区间内含量差异较小且在后者含量较高; 而FeO、CO2则表现出在50～800 mm区间先随着降雨量增高而增高的趋势, 而在800～1 600区间含量又明显降低的特征; pH值则表现为随着降雨量增高逐渐降低的负相关关系。

2.2元素空间分布

兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带上,各二级构造单元主要岩性见表2, 对沉积物的SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TFe2O3、FeO、TiO2、MnO、P2O5、CO2、H2O+和pH十四个指标按每个五万图幅为基本单元, 分别绘制其含量的空间分布折线图, 见图2和图3。

走廊带上沉积物中SiO2含量在兴蒙造山带的A3、A2、A1和华北克拉通的B1四个二级构造单元含量较高, 大致在张家口以北区域构成一个整体高含量分布区。这一区域分布有大量的海西期-燕山期花岗岩, 气候干燥寒冷, 降雨量少, 物理风化作用较强, 导致沉积物中富含石英、长石, 粘土矿物不甚发育。在张家口至怀柔之间的燕山山区, 主要分布太古代—元古代基底老地层以及一些中酸性火山岩, 粘土矿物相对发育, 故表现出SiO2低含量。华北盆地(平原)整体为SiO2低含量分布区, 但在怀柔至霸州、沧州至章丘SiO2含量反而较高, 这可能与这一区域分布永定河、河流带来的大量泥沙, 而霸州至沧州之间分布的碳酸盐矿物有关。鲁西地区亦分布有太古代—元古代的基底老地层, 但SiO2含量较燕山地区要稍高, 这可能与鲁西地区的基底岩性以TTG岩类有关。而在南苏鲁造山带临沂至连云港一线, 在元古界地层分布区SiO2含量较高, 而第四系分布区SiO2含量相对较低。

与此相反, 走廊带上沉积物中Al2O3与SiO2含量折线图表现为近乎完美的“镜像”, 呈现出此消彼长的关系, 这与整个走廊带上位于北方, 风化类型以物理风化为主, 粘土矿物的含量在很大程度上决定了Al2O3与SiO2含量关系, 也是沉积物主量元素“加和效应”的体现, 而从内蒙古红格尔至江苏连云港降雨量增加约8倍(200～1 600 mm)并未对这二者含量关系造成明显影响。

图2　兴蒙造山带—华北克拉通地化学走廊带沉积物主成分空间分布折线图Fig. 2　The spatial distribution of principal components in sediments on the geochemical transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

图3　兴蒙造山带—华北克拉通地化学走廊带沉积物主成分含量空间分布折线图Fig. 3　The spatial distribution of principal components in sediments on the geochemical transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

走廊带上沉积物中CaO含量在兴蒙造山带整体含量较低, 其在红格尔较高含量经查原始资料可能与采样位置位于戈壁凹地淖内的沉积物有关; 在燕山地区, CaO含量出现局部高值, 这与这一区域出现的碳酸盐岩地层吻合较好; 而CaO含量在华北盆地表现出整体高含量, 与华北盆地土壤里的大量碳酸盐岩矿物有关, 在盆地过渡到山区过程中, 伴随有SiO2含量增高, 泥沙质含量增高, 粘土含量降低, CaO含量降低; 在鲁西至江苏连云港地区CaO含量整体较低, 只在碳酸盐岩或粘土分布区含量稍高。

走廊带上MgO含量在兴蒙造山带整体较低,在红格尔附近较高可能与戈壁淖内沉积物有关, 而在燕山地区出现高值与这一地区分布白云岩对应较好, 在华北盆地表现整体较高的含量, 这与其土壤含大量碳酸盐岩矿物有关, 在章丘至连云港一带整体含量较低, 仅在局部碳酸盐岩分布区含量有所增加。

走廊带上沉积物中K2O含量从内蒙古红格尔至山东蒙阴整体呈现略微下降趋势, 除在张家口组地层单元出现局部高值外, 与降雨量表现出一定的负相关关系, 高含量与兴蒙造山带—燕山造山带的海西期花岗岩和酸性火山岩为主的分布区有关,但在蒙阴至连云港一带, 随着降雨量的增加, K2O含量反而升高, 可能与这一带分布的以太古代—古元古代花岗岩和片麻岩为主的地质背景关系密切。

走廊带上沉积物中Na2O含量差异变化较大,兴蒙造山带—华北克拉通出露岩石岩性变化较大,尤其是燕山造山带和鲁西地区, 从太古代至新生代各个时代各种岩性均有发育, 在北方以物理风化作用为主导的环境下, 沉积物较好地继承原岩的特点,因而表现出含量的差异出来。

走廊带上TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5表现出很类似的分布特征, 在红格尔至张家口一带表现出低含量, 张家口至蒙阴表现为整体高含量, 其中在燕山造山带和鲁西地块含量变化较大, 而在华北盆地内含量变化较小, 在蒙阴至连云港一带TFe2O3、TiO2、P2O5含量较低, 局部含量受岩性影响而增加,而MnO含量较高量。走廊带上FeO含量整体变化较大, 红格尔至苏尼特右旗含量差异变化较TFe2O3等元素要大, 而苏尼特右旗至章丘之间, 除在岩性出露复杂的燕山造山带变化差异相对较大外, 整体为高含量, 在章丘至连云港之间, FeO含量表现为低含量, 可能除了与地质背景有关外, 这一地区相对温暖潮湿的气候有关。走廊带上H2O+的含量整体而言差异不大, 变化较小, 局部高含量位于碳酸盐岩地层或第四系分布区, 而低含量分布区与砂岩、花岗岩或中基性集中分布出现有关。走廊带上pH值在红格尔至章丘之间整体为高值区(普遍大于8),表现为碱性环境, 只在怀柔局部因采样位于泥质岩分布集中区有关, 在章丘至连云港之间pH值降低,整体处于中性到偏酸性环境, 且pH值差异变化较大。

2.3化学蚀变指数

化学蚀变指数(chemical index of alteration, CIA)作为反映其源区风化程度的指标, 是由Nesbitt和Young(1982)研究加拿大古元古代Huronian超群的碎屑岩时提出, 在这里计算兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带上沉积物的化学蚀变指数, 从而得到其沉积物的平均风化程度的参考, 计算公式为:

式中, 各元素含量均为摩尔分数表示, CaO*则表示硅酸盐中的CaO。由此可以看出, 其反映了岩石在化学风化过程中, Na、K、Ca等赋存于各种长石矿物中的元素在表生环境下较为活泼, 在地表流体中以离子形式发生大量流失, 同时Al伴随各种粘土矿物(如高岭石、蒙脱石和伊利石等)的形成而保留。

而这里对于CaO*的计算, 采用McLennan提出的一种校正方法(邵菁清和杨守业, 2012), 其依据的是自然界硅酸盐矿物Na2O和CaO的平均组成, 利用沉积物样品中CaO/Na2O的摩尔比值来得出CaO*的值: 如果比值＞1, 则CaO*=Na2O; 而若比值＜1, 则CaO*=CaO。根据这一方法, 计算兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带的化学蚀变指数CIA, 统计数据如表3, 表4所示, 折线图如图4所示。

由表3可知, 年均降雨量从50～200 mm增加到800～1 600 mm, 沉积物在各降雨量区间的CIA均值由53增加到58, 整体随着降雨量的增加而略微增大; CIA的最小值相对相差变化不大, 在48～51之间;而CIA最大值在50～200 mm和200～400 mm区间相同(CIA=55), 最大值在400～800 mm和800～1 600 mm区间相同(CIA=63)。

按构造单元来统计, 结合表4和图4可知: 在北京市怀柔以北至内蒙古红格尔之间各构造单元沉积物CIA的均值几乎不变(在52～53之间), 而从北京市怀柔区至江苏省连云港市范围内, 各构造单元沉积物的CIA均值也相差不大(在56～57之间)。

2.4讨论

沿走廊带从西北到东南(A3—A1, B1—B4), 元素含量分布趋势显著的是SiO2和Al2O3。对于SiO2,华北北缘造山带＞大兴安岭南段造山带＞大兴安岭北段造山带＞内蒙地块＞鲁西地块＞燕山造山带＞华北盆地, 即兴蒙造山带SiO2含量整体高于华北克拉通; 而对于Al2O3含量则几乎表现为相反的趋势,华北北缘造山带＜大兴安岭南段造山带＜大兴安岭北段造山带≈内蒙地块＜华北盆地＜燕山造山带＜鲁西地块, 即兴蒙造山带Al2O3含量整体低于华北克拉通。这表明了兴蒙造山带所处内蒙古半干旱草原特殊地理景观的影响及主量元素的加和效应控制。而CaO、MgO、CO2的含量均在华北盆地(即华北平原)表现出整体高含量, 这可能与华北冲积平原土壤含有大量碳酸盐矿物有关, 而在燕山造山带和鲁西地块局部高含量与碳酸盐岩地层分布出现相对应,且MgO在燕山造山带和鲁西地块也表现整体较高含量, 这除了与碳酸盐岩地层分布有关外, 还与这两地区广泛分布的基性-超基性镁铁质岩石在漫长地质历史时期风化作用有关。Na2O、K2O的含量分布趋势差异不同, Na2O的含量在各单元差异较大, K2O的含量表现整体稳定而略微下降的趋势表明Na2O和K2O含量除继承基岩外, 还受后期风化各种复杂因素影响以及Na2O和K2O各自的地球化学性质决定(迟清华和马生明, 2008; 焉明才等, 1997)。

表3　兴蒙造山带—华北克拉通走廊带地球化学沉积物不同降雨量等级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　兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带沉积物各构造单元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

图4　兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带沉积物CIA折线图Fig. 4　Diagram of the sediments CIA on the geochemical transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

走廊带上TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5有着类似的空间分布特征, 在内蒙古半干旱草原上含量较低外, 在张家口至连云港之间整体上这些元素含量较高, 其中在燕山造山带和鲁西地块受上述地区复杂的地质背景和岩性出露影响含量变化较大, 而在华北盆地内含量变化较小。这反映了华北克拉通镁铁质基性-超基性岩石长期风化的影响, 同时这些元素较易随铁锰氧化物或钛的氧化物较为稳定, 也使得这些元素不易被风化淋滤而保存下来。

而FeO除了受地质背景影响外, 在华北克拉通表现出整体高含量, 其在张家口以北的内蒙古半干旱草原(主体为兴蒙造山带), 其含量与华北克拉通相比差异没有TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5这几个元素大, 这可能反映较为干冷的气候条件使得FeO不易被氧化, 而在章丘以南的地区, 尽管有镁铁质岩石的高背景, 但随着降雨量的增加和相对较为温暖湿润的气候使得FeO更易被氧化而导致其含量整体较低。H2O+的含量在走廊带上整体而言差异不大,反映北方干冷气候条件下, 粘土矿物含水普遍较低,局部高含量位于碳酸盐岩地层或第四系分布区, 而低含量分布区与砂岩、花岗岩或中基性集中分布有关。

走廊带上pH值整体反映了北方沉积物偏碱性的特征, 但在章丘以南的地区, pH值降低和FeO含量降低相吻合, 表明随着降雨量的增加, 在相对温暖湿润的条件下, 沉积物pH值反映出中性偏弱酸, FeO的氧化也变得更容易。

而对于化学蚀变指数, 根据Nesbitt和Young(1982)对现今地球上的主要矿物, 和一些反映典型气候的现代沉积物CIA值的统计表明: CIA值介于50～65之间, 反映寒冷、干燥的气候条件下低等的化学风化程度; CIA值介于65～85之间, 反映温暖、湿润条件下中等程度的化学风化程度; CIA值介于85～100之间, 反映炎热、潮湿的热带亚热带条件下的强烈化学风化程度(冯连君等, 2003)。

兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带沉积物CIA均值为55, 兴蒙造山带CIA均值为53, 华北克拉通CIA, 均值为55。综上所述, 兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带沉积物的CIA值反映出在寒冷、干燥气候条件下低等的化学风化程度;但相对而言, 兴蒙造山带沉积物CIA值变化范围较小(51～55), 而华北克拉通沉积物CIA值变化范围较大(48～63), 反映兴蒙造山带沉积物平均风化程度相对较接近, 而华北克拉通沉积物的平均风化程度差异相对较大。

除了影响沉积物元素含量的以上外在因素外,元素本身的地球化学性质(元素的地球化学亲和性)是决定元素存在、迁移活动的重要的内在因素, 从而影响沉积物含量在不同表生条件下的含量和空间分布差异, 其中离子电位(通常用π表示)可以很好地被用来度量元素的地球化学亲和性和元素活动性分类, 离子电位指的是元素离子的电荷与其半径之比, 其决定离子在化学反应中吸引价电子的能力,也决定了元素存在形式和迁移能力。参考张德会(2015)书中元素的离子电位值, 可按离子电位把元素的离子分为以下三类, 并对本走廊带上一些元素作简要讨论分析:

(1)π＜2.5, 此类离子为电价低而半径大的低场强阳离子。在水溶液中与H+争夺O2-的能力弱, 氧化物溶于水给出O2-, 在水溶液中迁移, 比如K+, Na+, Ca2+等。因此, 结合表1和图2可知, 这些元素含量变化较大, 在兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带上元素含量空间变化也较大, 而且Na元素的离子电位比K元素较大, 因此Na2O(π=1.05)也表现出比K2O(π=0.75)更复杂含量和空间变化规律。

(2)π=2.5～8.0, 此类离子为两性离子, 多为偏高价态, 具有中等半径, 在水溶液中与H+争夺O2-的能力相近, 在正常pH=4～9的天然水溶液中, 氧化物水解, 形成氢氧化物沉淀; 而且中等离子电位的阳离子(Al3+、Ti4+、Fe3+、Mn4+)形成相对强的化学键, 使得它们在氧化环境(表生条件下, 作者注)中形成稳定氧化物和氢氧化物, 活动性弱, 迁移难。因此, 结合表1和图2、图3可知, TFe2O3(π=4.69)、TiO2(π=5.88)、Al2O3(π=6.00)等元素的元素含量空间分布整体上较为相似; 而铁的二价态FeO(π=2.63),其离子电位更接近第一类离子与第二类离子的分界值2.5, 因此在走廊带上不论是内蒙古半干旱草原地理景观区其含量空间变化较TFe2O3更大, 特别是是在山东章丘以南的地区, 随着降雨量的增加, 更易迁移的FeO含量明显降低, 展示了明显不同于三价态Fe3+更大的活动性。

(3)π＞8, 此类离子为具有小半径的高价阳离子。在水溶液中争夺O2-的能力大于H+, 这类离子电位大的阳离子(P5+、N5+、S6+), 形成非常强的化学键, 又被称为高场强元素, 活动性较强, 也易于迁移。例如含五价态P的P2O5(π=14.71), 其离子电位较高, 迁移活动性较强, 使得该元素在沉积物中分散较为均匀; 因此从表1和图3可知, 在走廊带上除了在内蒙古半干旱草原上整体较低外,在张家口以南的地区含量增高后, 沉积物随地质背景、地理景观、土壤类型的变化, 整体差异不大,而只在山东蒙阴以南降雨量明显增高(大于1 600 mm)后, P2O5的含量才有所降低, 含量的空间差异也变得相对较大。综上所述, 影响地球化学元素含量与空间分布的因素是综合的, 除受继承基岩因素和后期的地理气候条件等外因影响外,还与元素本身的地球化学性质和元素间的地球化学亲和性的内因作用有关。地质背景、地理气候等环境因素影响元素含量与空间分布, 反之, 元素的含量和空间分布也反映出地质背景、地理气候的差异和特点; 离子电位是反映元素的地球化学亲和性的量化指标, 按离子电位值对元素进行分类,可以更好地理解元素含量差异和空间分布差异元素迁移活动的内在决定因素。

3　结论

(1)在兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带上, SiO2、Al2O3两者含量与空间分布表现出较为明显负相关特征, 表明了这两个主量元素作为沉积物主体此消彼长的关系特征。CaO、MgO、CO2高含量分布区则与碳酸盐岩地层或含碳酸盐岩矿物土壤有关, 而MgO的高含量还表现出与走廊带上镁铁质基性-超基性岩有一定关系, 表明了这三个指标的高含量受特定岩性影响。Na2O含量变化较大,在走廊带上空间分布差异较大, 而K2O的含量与空间分布表现出整体稳定而略微下降趋势, 反映出Na2O、K2O含量除了受继承的基岩影响外, 还受到后期的风化作用和气候及自身地球化学性质等复杂因素综合影响。

(2)TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5在燕山造山带或鲁西地块地质背景复杂地区的含量变化, 较华北盆地相对要大, 这表明在经过冲积平原的沉积物混匀后, 这些指标的含量差异变小。FeO在内蒙古半干旱草原上其含量与华北克拉通相比差异并没有TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5那么大, 表明较为干冷的气候条件使得FeO相对不易被氧化而保存, 而在章丘以南的地区, 尽管有镁铁质岩石的高背景, 但随着降雨量的增加和相对较为温暖湿润的气候, 使得FeO更易被氧化而导致其含量整体较低。

(3)H2O+的含量在走廊带上整体而言差异不大,表明北方干冷气候条件下, 粘土矿物含水普遍较低,局部高含量位于碳酸盐岩地层或第四系分布区。走廊带上pH值反映了北方沉积物整体偏碱性的特征,但在章丘以南的地区, pH值降低和FeO含量降低向吻合, 表明随着降雨量的增加, 在相对温暖湿润的条件下, 沉积物pH值反映出中性偏弱酸, FeO的氧化也变得更容易。

(4)兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带沉积物的CIA值反映出在寒冷、干燥气候条件下低等的化学风化程度, 兴蒙造山带沉积物平均风化程度相对华北克拉通沉积物的平均风化程度差异变化较小, 显示兴蒙造山带降雨量与温度等风化影响因素变化较小。

(5)影响沉积物元素含量和空间差异是综合而复杂的, 除地质背景、地理景观、降雨量等外在因素外, 还与元素本身的地球化学亲和性这一决定元素迁移活动的内在因素有关, 而按离子电位值对元素进行的分类可以更好地理解沉积物含量和空间分布差异。

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

本文由国土资源部公益性行业科研专项课题“地球化学走廊带探测实验与示范”(编号: 201011057)资助。

2016-03-25; 改回日期: 2016-05-20。责任编辑: 魏乐军。

唐坤, 男, 1988年生。博士研究生。主要从事应用地球化学数据处理与应用方面的研究工作。通讯地址: 065000, 河北省廊坊市金光道84号。电话: 0316-2267623。E-mail: tangkun08@126.com。

王学求, 男, 1962年生。研究员。从事勘查地球化学和全球地球化学基准研究工作。E-mail: wangxueqiu@igge.cn。