华南新元古代南沱杂砾岩中富钾现象的研究

吴忠银 顾尚义

摘要：本文采集了贵州省松桃县道坨锰矿102钻孔（ZK102）新元古代南沱组岩芯。通过对南沱组岩石矿物组成的光学显微镜研究，发现南沱组杂砾岩中含有不等量的钾长石与斜长石。其CIA平均值为65.在A-CN-K三角图解中表现钾富集。综合南沱组杂砾岩钾长石、斜长石的风化特征、CIA值和WIP值与SiO。的关系分析，认为南沱组地层中的富钾现象是由于风化源岩中混入不同含量的钾长石和伊利石，其受到的风化作用弱，从而导致在A-CN-K三角图解中风化趋势偏向钾端的现象，是因为钾的富集，并非大多学者所解释的“钾交代”，而是受源岩组成的影响。

关键词：钾交代;风化程度;南沱组：新元古代：贵州松桃

中图分类号：P59文献标识码：A

在新元古代出现的全球性冰期事件形成“雪球地球”。然而，新元古代冰期地球表面是完全被冰覆盖还是在海洋中存在开放的水域，学界仍有较大的争议。越来越多的沉积学证据表明，新元古代全球性冰期存在明显的气候波动。气候波动会被记录在反映源区化学风化程度的同冰期沉积的碎屑沉积岩的矿物组成及化学组成中。研究地质历史时期的气候变化情况最广泛的手段是碎屑沉积岩的化学蚀变指数（chemical index ofalteration，简称CIA）。

Fedo等通过前人对前寒武纪页岩、古土壤等大量的研究，计算其CIA指数，发现在A-CN-K三角图中，钾明显偏向A-K轴，被解释为钾的交代作用，并被广泛引用。然而，研究者通过A-CN-K图解释钾交代时，极少提供交代作用的岩石学证据。

华南地区南沱组是新元古代冰期研究最为广泛的地层，作者选择了华南地区一钻孔岩芯中的南沱组进行详细的岩石学和地球化学研究，以期探讨源岩组成对岩石CIA指数的影响，进而揭示南沱冰期岩石组成中钾的富集作用并非成岩过程中钾交代的结果，而是其源区不同岩石组成所致。

1区域地质概况

研究区位于贵州省松桃县，地处扬子板块中部（图1）。扬子板块和华夏板块在新元古代沿扬子板块东南缘的江南造山带碰撞融合，形成Rodinia超大陆的一部分。随后R0dinia超大陆在新元古代晚期发生裂解，在华南形成裂谷盆地，裂谷盆地内形成南华系沉积。

区域内南华系包括大塘坡、富禄间冰期沉积和南沱冰期沉积。间冰期大塘坡组主要岩性为页岩、泥岩、粉砂岩。南沱组在内陆棚的厚度为几米到几十米，在盆地环境的厚度可大于2000m。在斜坡和盆地环境中，南沱组与下伏地层大塘坡和富禄组整合接触，与上覆陡山沱组盖帽碳酸盐岩，即3至6m厚的白云岩也呈整合接触。所采钻孔中南沱组主要为斜坡沉积。

2采样与分析方法

以大塘坡组为底，陡山沱组为顶，编录岩芯260m，详细观察岩芯的岩性和沉積构造特征变化情况。岩性变化和构造特征显著岩芯段，用劈芯法进行采样，分别磨制薄片和进行化学分析。该段南沱组厚245.5m，自上而下采集16个样品。化学分析样品不取全岩，用合金钻头电钻钻取杂砾岩的细粒组分，在采样位置钻取时，尽可能浅而多。钻取的粉末用玛瑙研钵研磨到小于200目后，分别送至广州澳实矿物实验室做主量元素分析和贵州星月测试科技有限公司做微量元素分析。主量元素采用x射线荧光光谱仪熔融法分析，微量元素采用ICP-MS法分析。

3岩石学特征

3.1 结构特征

钻孔 102（ZKl02）岩芯814.8～1060.3m为南沱组，共245.5m。南沱组与下伏地层顶部灰至深灰色粉砂质泥岩呈过渡关系，以砾石的出现作为南沱组的底。下伏地层含黑色炭质页岩夹灰黑色、钢灰色条带状菱锰矿，确定为大塘坡组。上覆地层为灰色、灰白色白云岩，厚约2.40m，确定为陡山沱组底部“盖帽白云岩”。岩芯连续完整，除采取岩芯时造成的岩芯破碎外，岩芯中未发现构造破碎带（图2）。岩性以杂砾岩、砂岩为主，含少量粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，下部夹一层薄层白云岩。简述如下：粉砂岩：深灰色粉砂岩，在南沱组中出现两段，第二段中含有少量砾石，砾石含量小于5%，以石英为主，砾石颗粒较大，粒径大于7mm，有粒径大于50mm，部分发育同生沉积构造层理。共12.0m，约占南沱组4.9%。

杂砾岩：灰色一深灰色，砾石含量在3%～35%之间，主要含量为30%左右。砾石以石英、浅变质岩、长石等为主，有少量碳酸盐岩和花岗岩，细粒组分为砂岩，与陡山沱组相接约有7m为粉砂质泥岩：底部砾石以“孤石”形式存在于砂岩中：分选较差，2～40mm，偶见大于50mm砾石，分布不均一，呈次网状、次棱角状、棱角状、“熨斗状”。砾石含量较少，较小部分沉积构造发育，有扭曲层理、包卷层理（图2（c）、（d）、（e））。约187.5m，占南沱组76.3%左右。

砂岩：灰色至浅灰色砂岩，岩芯中很少存在不含砾石的砂岩。6m，占南沱组2.4%左右。

白云岩：灰白色细品白云岩，晶洞较为发育，下部有裂隙被方解石脉充填，2.5m，占南沱组1.0%左右。

泥质粉砂岩：灰白色泥质粉砂岩，该段南沱组中出现三段，部分有裂隙被方解石脉充填，37.5m，占南沱组不到15.3%。

3.2矿物学特征

与CIA不同的是，WIP分析的是沉积物或沉积岩中Na，K，Mg和Ca的绝对含量，受石英含量的影响显著。前已述及，研究的南沱组杂砾岩中的砾石成分中有变质岩和沉积碎屑岩，因此，如果由于源区岩石混合使矿物中SiO：含量增加导致WIP指数发生变化，因硅酸岩分析的总量为100%，SiO，含量增加，其他矿物（CaO、NaO、KO、MgO）含量相对减少，那么WIP值与样品中的SiO：含量应该呈负相关关系。研究样品SiO，与WIP呈显著的负相关关系（如图5（b）），进一步说明研究区南沱组源岩不一致。故不同源区岩石混合是造成研究区南沱组CIA值变化的主要原因，源区富含钾长石和伊利石岩石被冰川搬运混合后形成的杂砾岩中，在冰期气候条件下较弱的风化作用导致了岩石中钾的富集。由于风化作用主要受气候影响，在冰期阶段，整个华南地区气候条件相差不大，所以其南沱组地层在南沱冰期受弱风化作用。

5 结论

（1）岩性组合及沉积构造反映南沱冰期冰川动态变化的特点：

（2）研究南沱组化学蚀变指数（CIA）主要受源区控制，不能作为反映源区化学风化作用及气候变化的可靠指标：

（3）矿物学和地球化学研究共同表明华南地区南沱组中钾的富集并非成岩钾交代引起，而是钾长石和伊利石等富钾矿物在冰期气候条件下风化作用较弱导致。

双相钛合金中的元素大致可分为α稳定元素、中性元素以及β稳定元素三类。TC4钛合金中，α稳定元素包含了Al、C、B，此类元素能提高（α+β）/β相变点。β稳定元素包含了V、Fe、Si、Mo、M、Cr，此类元素能降低（α+β）/β相变点。

本实验中原始材料的化学成分含量如表1所不：

试验中对一重退火温度与二重退火温度均选取三个，具体的退火热处理方案如表2所示：

先把试样加工成棒状，再使用MTS LAND-MARK万能试验机（拉伸速率为1mm/min）进行热拉伸处理，拉伸变形温度为900℃，变形速率为1mm/s，变形量为6%，达到预定变形量后即终止。用线切割机根据试样尺寸切取小试样，镶嵌后从80～1000#砂纸精磨后抛光至镜面，随后在HF+HNO+HO（体积比为1：2：5）的混合溶液中腐蚀，超声清洗后使用光学显微镜对组织进行观察。

2实验结果与分析

图2是TC4合金在进行900℃热拉伸变形后，通过光学显微镜分别进行低倍和高倍观察的组织图。

从图2中可以观察到变形后的TC4合金组织主要由长条状初生α相，层片状次生α相以及少量β相组成。与原样的魏氏组织（图1）相比，α相沿拉伸方向变扁，拉长，由于处于再结晶温度附近，长条状初生α相除了沿拉伸方向拉长或弯曲之外，还发生了一定程度的动态再结晶，但并不明显，有少量等轴α组织出现。

热拉伸变形后材料内部残余应力的产生，为了可以降低加工硬化的影响，使材料的性能得到更好的匹配，故对变形后的材料进行退火热处理，从而达到消除应力的目的。图3是双重退火工艺对热变形后TC4合金的显微组织图。

图3（a）、（c）、（e）是只经过不同温度一重退火后的组织图，如图所示，经过热拉伸后拉长的组织（图2）开始变短并长大，但仍有大量变形组织存在。由于TC4合金在变形后有大量的品格畸变能，故一重退火时次生α条形核数量也增多，且交错排列。一重退火热处理温度为750℃时，组织尺寸较小，均匀性较差，这可能是由于局部变形不均匀引起的。随着一重退火温度的升高，片层组织的厚度显著增大，大小较为均匀（图3（c）、（e）），低温退火的组织不均匀性随温度的升高而消失。图3（b）、（d）、（f）是经过双重退火后的组织图，如图所示，析出次生α相数量增多，尺寸增大，残留的变形组织也转变为短粗状α片层，使组织得到一定程度的等轴化。随着第一重退火温度的升高，初生α相尺寸有所增加，并且析出的次生α相数量增多，尺寸增大，和初生α相连成一片，得到典型的等轴α+晶间β组织。

在保持一重退火温度（800℃）相同的条件下，研究了不同二重退火温度对热变形TC4合金显微组织的影响。如图4所示，可观察到不同二重退火工艺热处理后的组织均为等轴α+晶间β组织，但是可明显观察到随二重退火温度的升高，α相尺寸逐渐增大。

钛合金的组织决定了性能，微观组织的不同对应力学性能的不同。通过热处理能够有效的调控钛合金组织形貌，使其获得组织性能的匹配。表3和表4分别是一重退火温度和二重退火温度对热拉伸变形后的TC4合金力学性能的影响。

从表3中可以看出，材料的强度随着退火温度的增加，明显下降且幅度较大。750℃退火时，屈服强度与抗拉强度分别达到766Mpa、770.9Mpa，而温度升高到850℃时，两者分别下降到698Mpa、703.1Mpa，下降率分别达到了8.88%和8.79%而断面收缩率与伸长率明显增加，两者的增长率分别达到55.0%和8.62%。结合图2（a）、（c）、（e）中显微组织分析可知，这是由于一重退火温度较低时，α相组织尺寸较小，均匀性较差，随着退火温度的升高，片层α相组织尺寸明显长大且分布均匀。α片层厚度的增加会使材料的塑性增大，所以随着一重退火温度的增加，材料的强度降低而塑性增加。

在一重退火的基础上，对二重退火热处理后的力学性能做了进一步的研究对比。根据表4可知，750℃一重退火时，抗拉强度为770.9Mpa，伸长率与断面收缩率分别为5.8%、10.9%，而再经500℃二重退火后，抗拉强度下降到531Mpa，伸长率与断面收缩率分别增加到10.86%、15.69%。当一重退火温度不同时，结合表2可知材料经二重退火热处理（500℃×2h，AC）后的强度整体比一重退火的低，且强度随一重退火温度的升高而降低。伸长率与断面收缩率整体随一重退火温度增加而增加。800℃一重退火时，抗拉强度为721.2Mpa，伸长率与断面收缩率分别为12.1%、5.8%，经不同二重退火后，材料強度整体也呈现下降趋势而伸长率与断面收缩率明显增加，且分别随二重温度增加呈现相同趋势。结合图2和图3的显微组织分析可知，二重热处理后初生α相尺寸有所增加，并且析出的次生α相数量增多，尺寸增大，和初生α相连成一片，得到典型的等轴α+晶间β组织，残留的变形组织转变的短粗状α片使组织得到一定程度的等轴化。所以与一重热处理后的性能相比，二重退火后的材料强度降低，塑性升高。

3 结论

（1）一重退火温度为750℃时，TC4合金组织内部次生α条形核较多，分布较均匀，交错排列，有等轴化的趋势。随着退火温度的升高，组织尺寸增大，出现再结晶后的晶粒长大阶段，大小较为均匀。

（2）双重退火后，材料内部析出次生α相数量增多，尺寸增大。随着一重退火与二重退火温度的升高，初生α相尺寸有所增加，并且析出的次生α相数量增多，尺寸增大，和初生α相连成一片，得到典型的等轴α+晶间β组织。

（3）一重退火后，材料的强度随着退火温度的增加明显下降且幅度较大，而塑性增加。二重退火后的性能与一重退火相比，材料的强度整体有所降低，但塑性有很大的提升。