从岩石到土壤再到水系沉积物：风化过程的岩性地球化学基因

严桃桃，吴 轩，权养科，龚庆杰，李晓蕾，王 萍，李睿堃

(1.中国地质大学(北京) 地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京 100083；2.中国地质调查局 发展研究中心，北京 100037；3.公安部 物证鉴定中心，北京 100038)

0 引 言

地球化学示踪用于研究元素、矿物、岩石等在地质地球化学过程中的来源与演化等科学问题，是一种探讨物质来源和揭示地球化学过程的重要手段。元素地球化学示踪是根据元素在不同地质体中含量及其性质的差异来进行示踪，其作为一种重要的地球化学示踪方法被广泛地研究与应用[1-6]。常见的元素地球化学示踪方法有元素蛛网图(含稀土元素配分曲线)、元素比值、地球化学图解等[7-10]。这些示踪方法被广泛用于岩石类型、岩石的成岩物质来源示踪及大地构造环境的判别等[6,11-18]。但上述元素地球化学的示踪方法大多是从岩石尺度来进行物质来源的示踪，即在探讨岩石的类型及成岩物质来源时往往要求所研究的岩石为新鲜岩石，对于岩石的风化产物(例如风化岩石、土壤、水系沉积物等)并不适用[9,19]。

在岩石风化过程中，化学性质活泼的碱金属、碱土金属元素，例如K2O、Na2O、CaO、MgO等，易发生流失；而一些化学性质稳定的元素或氧化物，例如主量氧化物SiO2、TiO2[1, 20-21]、Al2O3[22-24]、Fe2O3[25-26]、P2O5，高场强元素Th、U、Zr、Hf、Nb、Ta、Y[3,15,27-28]以及稀土元素[3,15,29-30]等不易迁移。这些不活动元素能够反映风化产物母岩的特征信息，常被用来识别风化产物的母岩[1-3, 31]。如利用Al/Ti、Zr/Ti、Zr/Hf、Ti/Nb等比值可以示踪风化产物、沉积盆地与河流沉积物的物质来源以及蚀变岩的原岩[24,32-36]、风化壳型矿床成矿物质来源[28,37-38]等。不活动元素的稳定性使风化岩石、土壤和水系沉积物等风化产物能够保留新鲜母岩的元素特征，它们之间的含量变化趋势可能从母岩传递到其风化产物中，这类似于生物学中基因遗传。

本文基于中国酸性岩、中性岩、基性岩3种岩石的元素丰度数据[39]，选择风化过程中11种不活动元素，利用其含量变化趋势构建了一个用于表征岩石特性的地球化学基因，即岩性地球化学基因，并将构建的岩性地球化学基因应用到豫西熊耳山地区安山岩风化剖面、残坡积-沟系土剖面、1∶5万水系沉积物化探详查和1∶20万水系沉积物区域化探4种比例尺尺度的样品中，以检验岩性地球化学基因在风化过程中的继承性。

1 地球化学基因的构建方法

1.1 基因的构建

中国区域化探扫面计划(Regional Geochemistry-National Reconnaissance，RGNR project)自1979年实施以来目前已获得覆盖陆地国土面积近700万km2(每4 km21个组合分析样)的水系沉积物地球化学调查数据，每一组合样品分析测试39项元素或氧化物[40]。在39项元素或氧化物中，本文选择5项主量元素SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2(或Ti)、P2O5(或P)和6项微量元素Zr、Nb、Th、U、Y、La共计11项元素或氧化物来构建地球化学基因。这11项元素或氧化物在风化过程中经常被视为不活动元素。

在对地质样品中元素含量分析和示踪研究时，元素的蛛网图被广泛使用[8,15-16,18,41]。蛛网图是利用元素含量特征与元素间的变化形态来对地质样品进行描述与区分。借助这一思路，本文利用11项不活动元素来构建蛛网图进而形成不活动元素基因序列来表征岩石的地球化学特征。

从岩石到土壤再到水系沉积物的风化过程中，不活动元素的含量有可能发生显著的改变，但这些元素之间的相对变化趋势应保持不变，即符合不活动元素的质量平衡定律[42-44]。因此本文利用相邻不活动元素之间的相对关系来构建样品的地球化学基因，即仿照生物学中带有遗传信息的基因片段构建元素序列进而形成地球化学基因。元素地球化学基因的具体构建步骤如下：

(1)对选择的元素(如11项不活动元素或氧化物)进行排序形成元素序列。

(2)将序列中元素含量按照蛛网图(或稀土元素配分曲线)的思路进行标准化，如选取上陆壳(UCC)元素丰度[45]进行标准化，元素含量记为C，标准化后数据记为CN。

(3)为了研究元素间的变化趋势，构建相邻两元素标准化值的对数差Δi，

Δi=lg(Ci)N-lg(Ci-1)N

(1)

式中：i为元素在序列中的秩，如针对11项元素整数i的取值从2到11，(Ci)N和(Ci-1)N代表相邻元素标准化后的值。

(4)根据元素序列间Δi的值来构建基因序列的值。将i=1时的基因序列值gi定为1。当i>1时，gi的值为：

(2)

即gi的取值仅为0、1或2，δ为信度临界值。当Δi>δ时，gi取值为2，表示后面元素的标准化值明显高于其前面元素的标准化值，蛛网图曲线上升；当-δ≤Δi≤δ时，gi取值为1，表示后面元素的标准化值在一定范围与其前面元素的标准化值基本一致，蛛网图曲线平坦；当Δi<-δ时，gi取值为0，表示后面元素的标准化值明显低于其前面元素的标准化值，蛛网图曲线下降。基于野外采样误差和室内分析测试误差等因素，信度临界值δ可以设定为0.05或0.10等。

(5)针对11项元素可形成长度为11的数据序列g1，g2，…，g11(如11012020211)，把这个数据序列称为基因序列。

针对信度临界值δ的取值，GONG 等[3]提出的定性描述风化过程中元素迁移的方法(表1)。当δ取0.05时，相邻两元素之间的相对质量迁移量(或相对误差)变化在-11%～12%之间，属于完好守恒的不活动元素；当δ取0.10时，相邻两元素之间的相对质量迁移量(或相对误差)变化在-21%～26%之间，属于质量守恒的不活动元素(表1)。本文选择δ=0.10控制误差。

以某岩石样品B1的元素含量为例(表2)，按照上述步骤提取B1的地球化学基因：(1)确定元素序列，此处随意示例元素序列为SiO2→Al2O3→Fe2O3→Ti→P→La→Zr→Nb→Th→U→Y；(2)将序列中的元素进行标准化得到CN，依据CN值绘制不活动元素蛛网图(图1)；(3)计算对应的Δi值；(4)对元素序列进行取值gi；(5)基于gi值得到B1岩石样品在该元素序列下的地球化学基因11210101002，可记为GeneB1(表2)。

1.2 基因的相似度

地球化学基因表征的是地质样品的元素间含量相对变化趋势的特性，不同地质样品具备不同的地球化学基因(基因的区别性)，因此可以利用地球化学基因对地质样品进行识别。但由于地质作用的复杂性，在某些特殊的地质环境下元素的地球化学性质可能会发生变化，从而导致元素间变化趋势发生改变，即来源相同的地质样品其地球化学基因可能会在一定范围内发生变化。如果从岩石到土壤再到水系沉积物的风化过程中存在不活动元素，选择这些不活动元素来构建地球化学基因，则岩石及其风化产物应具有相同或相似的地球化学基因。为了表征地球化学基因之间的相同或相似性，特引入地球化学基因相似度的概念。

表1 风化过程中元素质量迁移的定性描述

注：数据据GONG等[3]，单位为%。

表2 某岩石样品B1的地球化学基因构建步骤示例

注：UCC指上陆壳，下同；氧化物元素含量单位为%，其他含量单位为μg/g。

图1 不活动元素序列蛛网图(上陆壳数据引自Taylor和Mclennan[45])Fig.1 Spider diagram to illustrate the sequence of immobile elements(UCC data from Taylor和Mclennan[45])

地球化学基因相似度(R)的计算步骤如下：

(1)根据基因序列值(如g1，g2，…，g11)判断对应位置gi取值的相似程度，记为Rgi：

(3)

式中：当两个样品地球化学基因对应位置的gi取值相同时，将该位置的相似度Rgi记为1；当对应位置的gi取值为0与2(或2与0)时(即gi取值明显差异时)，将该位置的相似度Rgi记为0；当对应位置的gi取值为1与0、1与2(或0与1、2与1)时，将该位置的相似度Rgi记为0.5。

(2)除基因序列第一位置外(定义g1=1)，将地球化学基因对应位置gi取值的和除以基因序列对应位置的个数获得基因的相似度R。

(4)

例如两个地质样品A和B的地球化学基因分别为11012020211和11210002110。按照上述算法，样品A和B的基因相似度计算如下：

Gene A 1 1 0 1 2 0 2 0 2 1 1

Gene B 1 1 2 1 0 0 0 2 1 1 0

Rgi1 0 1 0 1 0 0 0.5 1 0.5

=50%

上述两样品的地球化学基因相似度R变化在0～1之间，R值越大表明两样品的地球化学基因越相似，当R=100%时则两样品的地球化学基因相同。

2 岩性地球化学基因的构建

本文基于中国酸性岩、中性岩、基性岩3种岩石的元素丰度数据[39]，选择风化过程中上述11种不活动元素，利用其含量变化趋势构建表征岩石特性的地球化学基因，将其称为岩性地球化学基因。中国酸性岩元素丰度是采集中国酸性火成岩样品10 458件组合成1 249件分析测试而获得的元素平均含量；中国中性岩元素丰度是采集中国中性火成岩样品1 523件组合成198件测试分析而获得的元素平均含量；中国基性岩元素丰度是采集中国基性火成岩样品1 756件组合成184件测试分析而获得的元素平均含量(表3)。

用于表征岩性特征的地球化学基因不仅要具备良好的遗传性与继承性(当选择不活动元素构建基因时即可满足这一特性)，还应当具备良好的区别性，即不同岩石之间要有所区分。基于3种岩石的元素丰度数据，针对上述11项不活动元素进行多种排序以有效区分这3种岩石，最终确定的排序为Al2O3→SiO2→P→Ti→La→Fe2O3→Th→Zr→Nb→Y→U(表3)，并绘制上陆壳标准化元素蛛网图(图2)。

表3岩性地球化学基因元素丰度及其排序与基因序列值

Table3Abundancesof11immobileelementsintheacidic,intermediate,andbasicrocksinChinatoillustratethesequenceandcodeofthegeochemicallithogenesandtheirsimilarities

岩石元素含量Al2O3SiO2PTiLaFe2O3ThZrNbYU数据来源UCC15.1965.905803 000305.0010.719012222.8Taylor和Mclen-nan[45]酸性岩14.2070.854301 770401.2214.516015222.5迟清华等[39]中性岩16.4257.791 2005 200352.984.918010.4181.15迟清华等[39]基性岩15.5448.681 5709 470244.182.815019170.70迟清华等[39]排序 1234567891011 本文岩石基因序列值Al2O3SiO2PTiLaFe2O3ThZrNbYUR/%酸性岩110120202111005040中性岩112100021105010080基性岩102101022004080100

注：R为基因相似度；氧化物含量单位为%，其他元素含量单位为μg/g。

图2 岩性地球化学基因元素序列蛛网图(上陆壳数据据Taylor和Mclennan[45])Fig.2 Spider diagram to illustrate the geochemical lithogenes of the acidic, intermediate, and basic rocks in China(UCC data from Taylor和Mclennan[45])

按照上述基因构建方法分别提取3种岩石的岩性地球化学基因序列值(表3)，进而确定中国酸性岩的基因为11012020211，中国中性岩的基因为11210002110，中国基性岩的基因为10210102200。

按照上述基因相似度计算方法，分别计算出相对于某一岩石其他两种岩石的相似度(表3)。相对于酸性岩，中性岩的基因相似度为50%，基性岩的基因相似度为40%。相对于中性岩，基性岩的基因相似度为80%。这表明上述岩性地球化学基因可以显著地将酸性岩与其他两种岩石区分开，但对于中性岩和基性岩两种岩石而言，其区分性相对较低。

岩性地球化学基因表征的是岩石中元素间含量变化趋势的特性，与传统岩石学中岩性分类不同。如上述中性岩和基性岩可以具有相似的岩性地球化学基因，对于岩石学中命名相同的同类岩石如花岗岩，也有可能具有不同的岩性地球化学基因。

3 岩性地球化学基因的检验

为了检验上述构建的岩性地球化学基因在岩石及其风化产物中的适用性，本文选取了豫西熊耳山地区从岩石到土壤的安山岩风化剖面、安山岩残坡积土壤与沟系土壤剖面、1∶5万水系沉积物化探详查和1∶20万水系沉积物区域化探4种比例尺尺度的样品来进行检验。

图3 研究区地质简图及采样点位置示意图(据龚庆杰等[17]修编)Fig.3 Simplified geological map showing the sampling locations (modified after Gong et al.[17])(a)豫西熊耳山地区地质简图；(b)牛头沟矿区地质简图；(c)安山岩风化壳剖面D06样品采集点位图；(d)残坡积与沟系土壤剖面样品点位图(菱形黑点为土壤样品点位，实线代表沟系，箭头标明水系沉积物运移方向)

研究区位于河南省豫西熊耳山矿集区，东西长110 km，南北宽70 km，面积7 700 km2(图3(a))。区内出露地层有太古宇太华群和元古宇宽坪群、熊耳群、汝阳群、官道口群、栾川群以及显生宙地层，其中以太华群和熊耳群为主[46]。太华群岩性以黑云斜长片麻岩和斜长角闪片麻岩为主，次为斜长角闪岩和变粒岩；熊耳群为一套低变形和低变质的火山岩系，熔岩以玄武安山岩、安山岩为主，次为英安-流纹质岩石[17]。区内侵入岩以燕山期酸性侵入体为主，代表性岩体有五丈山、花山、金山庙、合峪、太山庙等花岗岩基，同时发育有许多呈岩枝、岩脉状的酸性小斑岩体和隐爆角砾岩体[47-50]。区内褶皱主要为北东东向的龙脖—花山背斜；断裂比较发育，以近EW向和NE向为主，其次为NW向和近SN向。熊耳山金矿集区是中国仅次于胶东金矿集区[51-53]并与秦岭金成矿带[54-57]和西南三江金成矿带[58-60]相齐名的重要金矿集区，区内有色金属以金、钼为主，次为银、铅、锌、铜等[17, 61-62]。

3.1 从岩石到土壤的风化剖面

本次研究的D06风化壳剖面取自牛头沟金矿中部近南北向断裂带的西侧(图3(b)，(c))，该风化剖面为熊耳群安山岩原地风化所形成，剖面深度约7 m。自剖面底部基岩向上顺序取样，依据样品风化程度适当调整采样间距(表4)，共采集11件样品[63]。

首先计算剖面11件样品的基因，并以新鲜基岩样品B1和表层土壤样品B11分别为参考计算出剖面中其他样品与其的岩性基因相似度RB1和RB11，计算结果列于表4中，其基因相似度随深度的变化如图4所示。本文选用风化指数WIG[26, 63]来刻画样品的风化程度(表4，图4)。整个风化剖面的WIG值变化范围为40.9～89.6。自风化剖面的底部至顶部，风化指数WIG逐渐减小，指示样品的风化程度逐渐增强。

表4 D06风化剖面样品描述及其基因计算结果

注：土壤剖面样品数据引自马云涛等[63]；风化指数WIG的计算据GONG等[26]；岩性基因相似度R的单位为%。

图4 风化剖面WIG及基因相似度与深度的关系Fig.4 Relationship between depth and WIG, similarities of the geochemical lithogenes

相对于新鲜基岩样品B1而言，不同风化程度样品的基因相似度(RB1)变化范围在85%～100%之间。对于柱样底部风化较弱的B1至B3样品，其基因相似度变化在95%～100%；对于风化较强的B4至B11样品，其基因相似度均稳定为85%。这表明岩性地球化学基因不仅具有较好的遗传性，也存在有一定的变异性。在可信度取85%时，上述安山岩及其风化产物具有相似的岩性地球化学基因。

相对于柱样顶部风化形成的土壤样品B11而言，柱样中不同风化程度样品的基因相似度(RB11)变化范围在80%～100%之间。对于柱样上部风化较强的B11至B9三个样品，其基因相似度从100%逐渐降低至80%；对于剖面中B4至B11八个样品，其基因相似度为80%或85%。这表明岩性地球化学基因不仅具有较好的继承性，也存在有一定的变异性。在可信度取80%时，上述土壤样品与其母岩安山岩具有相似的岩性地球化学基因。

3.2 残坡积—沟系土剖面

D06风化剖面样品的基因体现了岩石与土壤之间较好的遗传性与继承性，考虑到该风化剖面为原地风化残积剖面，但在很多情况下风化产物会被搬运形成坡积土、冲积土等。为了进一步验证构建的岩性地球化学基因在风化产物中的适用性，本次研究选取牛头沟矿区中南部熊耳群安山岩区的残坡积—沟系土剖面，该土壤剖面由11件地表残积土壤和冲积沟系土壤样品组成，样品编号从D28至D38(表5)。11件样品的具体空间位置如图3(b)和(d)所示，其中D28至D33计6件样品代表残坡积土壤，D34至D38计5件样品代表冲积沟系土壤[17]。

首先分别计算11件土壤剖面样品的地球化学基因，并以D06风化剖面中新鲜安山岩样品B1和表层土壤样品B11分别为参考计算出剖面中其他样品与其的岩性基因相似度RB1和RB11，计算结果及各样品的风化指数WIG值列于表5中。整个残坡积—沟系土剖面的WIG变化范围为55.9～76.8，代表弱至中等风化程度。

表5残坡积—沟系土剖面样品描述及其基因计算结果

Table5Sampledescriptionsofthelateralsurficialsoilprofileandtheirgeochemicallithogenesandsimilarities

样品编号样品类型WIG基因代码RB1RB11D28残坡积土壤61.11122020212010085D29残坡积土壤64.0112202021109590D30残坡积土壤61.9112202021109590D31残坡积土壤55.9112201021109095D32残坡积土壤60.1112202022109085D33残坡积土壤60.0112202022008580D34冲洪积土壤59.9112202021109590D35冲洪积土壤67.9112202021109590D36冲洪积土壤76.81122020212010085D37冲洪积土壤66.5112202022109085D38冲洪积土壤70.0112202022109085

注：土壤剖面样品数据引自龚庆杰等[17]；风化指数WIG的计算据GONG等[26]；岩性基因相似度R的单位为%。

相对于新鲜安山岩样品B1而言，该残坡积—沟系土剖面安山岩风化产物的基因相似度(RB1)变化范围在85%～100%之间。当可信度取85%时，上述安山岩及其风化产物具有相似的岩性地球化学基因。这表明安山岩风化产物在岩性地球化学基因方面表现出良好的继承性，利用岩性地球化学基因可以对土壤样品进行源岩示踪。

相对于D06风化柱样顶部安山岩风化形成的土壤样品B11而言，该残坡积—沟系土剖面安山岩风化产物的基因相似度(RB11)变化范围在80%～100%之间。在可信度取80%时，该残坡积—沟系土剖面中的样品与安山岩风化剖面D06柱样顶部土壤样品具有相似的岩性地球化学基因，尽管前者的WIG变化之范围在55.9～76.8之间，而后者的WIG为40.9。这表明利用岩性地球化学基因可以对土壤样品进行溯源，即推测土壤样品的可能来源地。

3.3 化探详查水系沉积物

本次研究选取的化探详查水系沉积物样品采自牛头沟金矿区(图3(b))。矿区出露地层主要为太古宇太华群和中元古界熊耳群，太华群岩性以黑云斜长片麻岩为主，夹有斜长角闪岩和混合变粒岩，熊耳群岩性以许山组安山岩为主，可以划分为含大斑晶的玄武安山岩(Pt2Xna)和致密玄武安山岩(Pt2Xnb)。矿区侵入岩以花岗岩体为主，还发育石英斑岩脉和角砾岩体。矿区构造以北西向牛头沟断裂为主，该断裂是矿区最重要的控岩、控矿断裂[17]。

牛头沟金矿区化探详查采样范围与图3(b)范围一致，面积为31.5 km2，采样比例尺为1∶5万，共采集样品127件(图3(b))。采样介质以水系沉积物为主，在地形平缓、沟系稀疏地区选择土壤代替。样品布局采用网格法，在每500 m×500 m的网格内沿水系近等间距采集3份水系沉积物(或B层土壤)，将其组合为一件样品，近似代表其水系控制区内的样品，控制面积达网格面积的60%以上[64]。

首先计算出127件化探详查水系沉积物样品的基因，并以D06安山岩风化剖面中新鲜安山岩样品B1和表层土壤样品B11分别为参考计算出127件化探详查样品基因与其岩性基因的相似度RB1和RB11，计算结果以及样品风化指数WIG的特征统计参数见表6。

表6牛头沟矿区1∶5万化探详查样品基因参数统计

Table6StatisticalparametersofWIGandsimilaritiesofgeochemicallithogenesinthesamplesfromthearealstreamsedimentsurveywithascaleof1∶50,000

统计参数WIGRB1RB11最大值43110095最小值292540中位数637580平均值677475标准差371813

注：风化指数WIG的计算据GONG等[26]；岩性基因相似度R的单位为%。

从牛头沟矿区化探详查样品基因参数统计结果(表6)可以看出，牛头沟矿区127件化探详查样品的WIG变化范围为29～431，即样品间的风化程度差异较大。WIG值越小代表样品的风化程度越强，WIG值大于120的样品可能由含有较多的碳酸盐岩成分所致[31]。

图5 1∶5万化探样品基因点位与相似度图Fig. 5 Similarities of geochemical lithogenes in the samples from the areal stream sediment survey with a scale of 1∶50, 000(a)以D06柱样新鲜安山岩B1样品做对比；(b)以D06柱样顶部土壤B11样品做对比；灰色区域标示具有相似岩性地球化学基因的范围

相对于D06柱样新鲜安山岩样品B1，化探详查水系沉积物样品的基因相似度(RB1)变化范围为25%～100%。参照上文安山岩垂向风化剖面与地表残坡积—沟系土剖面的研究结果，选择85%作为具有相似基因的可信度，用实心圈标记处样品具有相似基因(RB1≥85%，图5(a))。然后将127件样品RB1的离散数据进行网格化(网格间距为0.5 km，计算模型采用最近点，数据搜索模式采用圆域，搜索半径为0.75 km)，利用中国地质调查局开发的GeoExpl软件基于网格数据生成RB1≥83%(为了有效包含RB1=85%的样品)的相似基因区域(图5(a))，以灰色区域标示)。对比图(5(a))中灰色区域与地质岩性区域可以发现，RB1≥83%的灰色区域主要分布在熊耳群致密块状安山岩(Pt2Xnb)区域和太华群部分区域，而几乎不分布在花岗岩区域。这表明在可信度取85%时，熊耳群致密块状安山岩区域内化探详查(1∶5万)水系沉积物样品在岩性地球化学基因方面表现出对其母岩具有良好的继承性，即利用岩性地球化学基因可以对水系沉积物样品进行源岩示踪。

相对于D06风化柱样顶部安山岩风化形成的土壤样品B11，化探详查水系沉积物样品的基因相似度(RB11)变化范围为40%～95%。参照安山岩垂向风化剖面与地表残坡积—沟系土剖面的研究结果，选择80%作为具有相似基因的可信度，将RB11≥80%的样品用实心圈标记出(图5(b))。然后基于RB11的离散数据进行网格化(参数与上同)，进而生成RB11≥78%(为了有效包含RB11=80%的样品)的相似基因区域(图5(b)，以灰色区域标示)。对比图5(b)中灰色区域与地质岩性区域可以发现，RB11≥78%的灰色区域也主要分布在熊耳群致密块状安山岩(Pt2Xnb)区域和太华群部分区域，同样几乎不分布在花岗岩区域。这表明在可信度取80%时，上述熊耳群致密块状安山岩区域内化探详查(1∶5万)水系沉积物样品在岩性地球化学基因方面表现出与其同源土壤样品具有相似性；反过来，可基于化探详查样品的岩性地球化学基因对其同源土壤样品进行溯源，即推测土壤样品的可能来源地。

3.4 区域化探水系沉积物

区域化探水系沉积物数据来源于豫西地区1∶20万区域化探数据。数据覆盖范围东西向长110 km，南北向宽70 km，面积7 700 km2(图3(a))，共计1 774个数据点。首先计算出1 774件水系沉积物样品的基因，然后分别以D06安山岩风化剖面中新鲜安山岩样品B1和顶部土壤样品B11为参考,计算出1 774件水系沉积物样品基因与其岩性基因相似度RB1和RB11及样品风化指数WIG的特征参数(表7)。

表7熊耳山地区1∶20万化探样品基因参数统计

Table7StatisticalparametersofWIGandsimilaritiesofgeochemicallithogenesinthesamplesfromthearealstreamsedimentsurveywithascaleof1∶200,000

统计参数WIGRB1RB11最大值421100100最小值241530中位值537080平均值626976标准差311816

注：风化指数WIG的计算据GONG等[26]，岩性基因相似度R的单位为%。

从熊耳山地区1∶20万化探样品基因参数统计结果(表7)可以看出，熊耳山地区1 774件区域化探水系沉积物样品的WIG变化范围为24～421，即样品间的风化程度存在较大差异。

相对于D06柱样新鲜安山岩样品B1，区域化探水系沉积物样品的基因相似度(RB1)变化范围为15%～100%。选择85%作为具有相似基因的可信度，用实心圈标记处样品具有相似基因(RB1≥85%，图6(a))。然后将1 774件样品的RB1离散数据进行网格化(网格间距为2 km，计算模型采用最近点，数据搜索模式采用圆域，搜索半径为1.35 km)，基于网格数据生成RB1≥83%(为了有效包含RB1=85%的样品)的相似基因区域(图6(a)，以灰色区域标示)。对比图6(a)中灰色区域与地质岩性区域可以发现，RB1≥83%的灰色区域主要分布在熊耳群地层中，在太古宇地层中零星分布，在其他岩性地层中基本没有出现。这表明在可信度取85%时，上述分布在中元古界熊耳群区域内区域化探(1∶20万)水系沉积物样品在岩性地球化学基因方面表现出对其源岩(熊耳群安山岩)具有良好的继承性，即利用岩性地球化学基因可以对水系沉积物样品进行源岩示踪。

相对于D06风化柱样顶部安山岩风化形成的土壤样品B11，区域化探水系沉积物样品的基因相似度(RB11)变化范围为30%～100%。选择80%作为具有相似基因的可信度，将RB11≥80%的样品用实心圈标记出(图6(b))。然后基于RB11的离散数据进行网格化(参数与上同)，进而生成RB11≥78%(为了有效包含RB11=80%的样品)的相似基因区域(图6(b)，以灰色区域标示)。对比灰色区域与地质岩性区域发现，RB11≥78%的灰色区域：(1)主要分布在中元古界熊耳群和第三系地层中，且基本覆盖整个中元古界熊耳群和第三系地层；(2)局部出现在太古宇太华群地层中；(3)鲜有或零星分布在其他地层中；(4)几乎不分布在花岗岩区域。这表明在可信度取80%时，上述分布在中元古界熊耳群区域内区域化探(1∶20万)水系沉积物样品在岩性地球化学基因方面表现出与其源岩风化形成的土壤样品具有相似性，即可基于区域化探样品的岩性地球化学基因对其同源土壤样品进行溯源，推测土壤样品的可能来源地。

图6 1∶20万水系沉积物样品基因点位及相似度图Fig.6 Similarities of geochemical lithogenes in the samples from the areal stream sediment survey with a scale of 1∶200,000(a)以D06柱样新鲜安山岩B1样品做对比；(b)以D06柱样顶部土壤B11样品做对比；灰色区域标示具有相似岩性地球化学基因的范围

综合豫西熊耳群地层内安山岩从岩石到土壤的风化剖面、残坡积—沟系土剖面、1∶5万化探详查水系沉积物样品和1∶20万区域化探水系沉积物样品在岩性地球化学基因及基因相似度的研究结果可知：(1)岩性地球化学基因在从岩石到土壤再到水系沉积物的风化过程中具有很好的遗传性，源岩与其风化产物的基因相似度可达85%以上，利用岩性地球化学基因可以对风化产物(土壤、水系沉积物)进行源岩示踪。(2)岩性地球化学基因在从岩石到土壤的风化过程中，顶部土壤样品对其来源物质(源岩及其不同程度的风化产物)具有很好的继承性，顶部土壤样品与其来源物质的基因相似度可达80%以上，利用岩性地球化学基因可以对土壤样品进行来源物质的示踪。(3)在从残坡积土壤到冲积沟系土再到水系沉积物的风化过程中，残坡积土壤与其所形成的沟系土和(两种尺度的)水系沉积物之间在岩性地球化学基因方面具有很好的相似性，其基因相似度可达80%以上，利用水系沉积物样品的岩性地球化学基因可对其同源土壤样品进行溯源，即推测土壤样品的可能来源地。简言之，岩石及其风化产物(风化岩石、土壤、水系沉积物)之间岩性地球化学基因具有很好的相似性，其基因相似度可达80%以上，在具备水系沉积物样品岩性地球化学基因库的基础上可对其同源土壤样品进行溯源。

4 讨 论

本文构建的岩性地球化学基因是基于元素蛛网图的思路提出的，利用11项不活动元素形成蛛网图进而构建不活动元素基因序列来表征岩石的地球化学特征。二者之间的主要不同之处表现在：(1)元素蛛网图是将标准化后元素的含量值绘制成图形，从视觉的角度来刻画元素的含量及变化特征，而地球化学基因是将标准化后元素含量之间的相对变化趋势以基因序列值来进行刻画，即地球化学基因是通过定量的序列值来表征元素之间的相对变化趋势。通过计算样品地球化学基因代码之间的相似度，还可以定量地表征不同样品之间的相似程度。(2)元素蛛网图主要是从岩石介质来刻画样品的特征，且通常仅适用于新鲜岩石。岩性地球化学基因则是由风化过程中的不活动元素构建而成，可适用于岩石及其不同程度的风化产物(岩石、风化岩石、土壤和水系沉积物)。

在物源示踪方面，常用的元素地球化学示踪方法除了上述元素蛛网图外还有元素比值、元素经验图解等。元素比值示踪物源的方法是根据不同地质体中元素比值的差异对样品进行区分。例如在长英质岩石中La、Th的含量高于基性岩，而Sc和Co含量低于基性岩，因此元素比值La/Sc、Th/Sc、Th/Co、La/Co常被用来区分长英质和镁铁质源区[9]。元素经验图解则是通过对大量样品进行数据统计给出不同样品的经验判别区，进而通过投图来判别样品的来源。例如Rb-Y-Nb、Rb-Yb-Ta、Hf-Rb-Ta等图解可以区分不同大地构造环境的花岗岩[41,65]。这些示踪方法广泛应用于岩石类型、岩石的物质来源示踪及大地构造环境的判别等。但上述示踪方法大多是从岩石尺度来进行物质来源的示踪，即在探讨岩石的类型及成岩物质来源时往往要求所研究的岩石为新鲜岩石，对于岩石的风化产物(例如风化岩石、土壤、水系沉积物等)及其蚀变岩在研究中具有局限性[24,66]。本文提出的岩性地球化学基因是由风化过程中11项不活动元素构建而成，利用元素含量之间的相对变化趋势对地质样品进行刻画。在风化过程中元素的含量经常会发生明显变化[26,63,67]，但这些元素间的相对变化趋势应该保持不变。因此岩性地球化学基因对刻画岩石及其风化产物的特性具有很好的稳定性，可以示踪土壤、沉积物的源岩或源区。

中国区域化探扫面计划(RGNR)目前已获得覆盖陆地国土面积近700万km2的水系沉积物调查数据。基于这些海量的地球化学数据可以构建中国岩性地球化学基因库及其他地球化学基因库。基于这些地球化学基因库可以实现对目标样品可能来源地的追溯，即对目标样品进行溯源。这在基础地质研究、矿产资源勘查、环境污染调查、法庭地质学及法庭地球化学等领域具有潜在应用前景。例如在法庭地质学中，目前对地质物证样品(岩石、矿物、土壤等)主要采用比对的方法，即将物证样品与已知可能案发地样品之间进行比对，从而确认案件的发生地[68-71]。但在实际案件中案发地经常未知，传统的比对方法往往不能满足案件侦破的需要。借助基于中国区域化探扫面计划获得的海量数据所构建的地球化学基因库则可能实现物证地质样品的溯源。

5 结 论

(1)以风化过程中11种不活动元素为例，提出了地球化学基因的构建方法与基因相似度的计算方法。

(2)基于中国酸性岩、中性岩、基性岩的元素丰度数据和风化过程中的11项不活动元素，构建了表征岩石及其风化产物地球化学特性的岩性地球化学基因：Al2O3→SiO2→P→Ti→La→Fe2O3→Th→Zr→Nb→Y→U。

(3)对构建的岩性地球化学基因从岩石到土壤再到水系沉积物(采用四种不同比例尺尺度)进行了检验，发现岩性地球化学基因在风化过程中具有很好的遗传性(从岩石到风化产物)和继承性(从土壤到其源岩)，利用岩性地球化学基因可以对土壤样品进行物源示踪。源自同一母岩的水系沉积物和土壤之间在岩性地球化学基因方面具有很好的相似性(同源风化产物之间)。

(4)基于中国区域化探水系沉积物调查数据可以构建岩性地球化学基因库，进而对岩石及其风化产物样品进行溯源分析，这将在地质、环境、法庭等科学领域具有潜在应用前景。

致谢：感谢中国地质大学(北京)杨立强教授、张静教授、和文言讲师对本文所提出的宝贵意见和建议。

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