含山—无为地区下蜀黄土地球化学特征及物源探讨

陈 默, 李龙明, 阚天翔, 蒋 仁, 吴雪峰, 李加好

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.中国地质调查局 南京地质调查中心,江苏 南京 210016; 3.安徽省地质调查院,安徽 合肥 230001)

黄土作为记录古气候、古地理和古环境变化的信息载体,近几十年来受到国内外研究者的广泛关注[1-5]。在我国,黄土主要分布在西北、华北和长江中下游地区,对于北方干旱半干旱地区黄土,相关研究主要以黄土高原为代表,而对于南方黄土,研究最广泛的是“下蜀黄土”,该名称由李四光、朱森以镇江市下蜀镇命名[6]。长江中下游地区属于亚热带季风气候,从其独特的黄土沉积序列观察气候环境变化特征成为近些年的研究热点之一[7-9]。关于南方下蜀黄土的成因,主要有风成说和水成说,也有研究者认为其是残、坡积的产物。随着技术手段的进步和研究方法的改进,风积成因成为目前学术界的主流观点[7,10];但对于下蜀黄土的物源仍有较大的争议,大致分为近源堆积和远源堆积2种观点。近源的观点认为其物源主要是长江中下游地区的河谷和河漫滩堆积物,如文献[11]认为合肥盆地下蜀黄土的潜在物源是淮河沿岸及淮北地区河流相、湖相及湖沼相细粒沉积物,文献[12]认为九江地区下蜀黄土来自长江或赣江的古河谷漫滩。远源的观点认为下蜀黄土主要来自西北干旱地区的粉尘。文献[13-14]从矿物组合、粒度特征和元素地球化学的角度分析镇江下蜀黄土,认为其主要物源来自黄土高原;文献[15]通过研究长江下游地区下蜀黄土的地球化学特征,认为下蜀黄土与西北黄土的原始沉积物有相似的化学组成。

含山—无为地区位于安徽省中南部,西邻巢湖水域,地处长江下游北岸。下蜀黄土在该区内分布广泛,地表大面积出露,岩性稳定且较为单一,总厚度为0～45 m。关于区内下蜀黄土沉积时代并无过多的争议,安徽省地质调查院对该区下蜀组底部的电子自旋共振(electron spin resonance,ESR)测年结果为(349±3) ka,时代归于中—晚更新世[16],文献[17-18]中将区内下蜀组时代归为晚更新世。在已有相关研究中,对该地区下蜀黄土物源的研究很少,本文采用元素地球化学的方法,通过与北方西峰黄土[19]、东秦岭黄土[20]和南方镇江[13-14]、九江[12,21]、合肥[22]、宣城[9]等地下蜀黄土进行对比研究,探讨含山—无为地区下蜀黄土的物源。

1 样品采集与测试方法

1) 样品采集。本研究所采集的样品位于含山—无为地区下蜀组上段,采集地点主要为含山县陶厂镇和无为市石涧镇,采样点位置如图1所示(基于安徽省地理信息公共服务平台网站审图号为皖S(2022)12号的标准地图绘制)。

图1 研究区位置、采样位置示意图

陶厂镇小杜村ZK01130钻孔下蜀组地层剖面图如图2所示,下伏地层为中更新世戚家矶组。含山—无为地区下蜀黄土野外照片如图3所示,野外剖面可见上覆15～20 cm厚的腐殖土,在干燥的条件下,黄土质地较为坚硬,遇水后可塑性较好,具有典型的下蜀组特征。黄土岩性为土黄、棕黄、灰黄色黏土及粉质黏土,多含球粒状铁锰结核;结核大小多为1～5 mm,体积分数在1%～5%之间,局部地区可见铁锰结核富集。

图2 含山ZK01130钻孔下蜀组地层剖面图

图3 含山—无为地区下蜀黄土野外照片

2) 测试方法。样品前处理与主、微量元素测定分别在廊坊市诚信地质服务有限公司和南京聚谱检测科技有限责任公司完成。主量元素采用Agilent 5110型ICP-OES(电感耦合等离子体发射光谱仪)。

主要元素测试SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、MgO、MnO、Na2O、P2O5、TiO2质量分数,采用美国地质调查局安山岩标准物质AGV-2和玄武岩标准物质BHVO-2作质量监控,AGV-2(安山岩)与 BHVO-2 (玄武岩)测试结果与推荐值基本一致,测试结果相对误差小于2%。

微量元素测试方法如下:称取40 mg黄土粉末置于 —(CF2—CF2)n—溶样弹中,加入0.5 mL HNO3与1.0 mL HF,溶样弹经钢套密封后放入烘箱;消解液被稀释后(相对于固体样品,稀释因子为2 000倍),以雾化形式送入 Agilent 7700x ICP-MS(电感耦合等离子体质谱仪)测定微量元素,固体质量分数大于10×10-6的微量元素,偏离范围不超过±10%;固体质量分数大于50×10-6的微量元素,偏离范围不超过±5%。

2 主、微量元素及稀土元素分析结果

2.1 主量元素

含山—无为地区下蜀黄土7个样品的主量元素分析结果见表1所列。研究区及其他地区黄土主量元素上地壳[23]标准化模式图如图4所示。

表1 含山—无为地区下蜀黄土7个样品主量元素质量分数分析结果 %

图4 黄土主量元素上地壳标准化模式图

由表1可知,w(SiO2)为66.36%～76.79%,w(Al2O3)为10.01%～15.00%,w(Fe2O3)为3.93%～5.86%。

化学元素Si是最主要的造岩元素,在地层中含量最多,化学性质稳定,易在湿热条件下富集;Al、Fe化学性质接近且比较稳定,不易发生迁移,在干旱条件下含量相对减少。SiO2、Al2O3、Fe2O33种主要化学成分的平均质量分数之和达88.7%,有显著的富硅铝铁现象,表明该地区晚更新世下蜀黄土沉积时有温暖湿润的气候特点[24]。

从图4可以看出,含山—无为下蜀黄土SiO2、Fe2O3和TiO2相对富集,Al2O3和MnO质量分数略低于上地壳,K2O、Na2O、CaO、MgO和P2O5则相对亏损。

总体上,各地区黄土的主量元素配分曲线较为相似;北方黄土(西峰和东秦岭)与南方下蜀黄土(含山—无为、合肥、镇江和九江)存在较明显的差别,北方黄土中MgO、P2O5和碱性元素(如K2O和Na2O)更加富集,TiO2质量分数则低于南方下蜀黄土的平均质量分数。

2.2 微量元素与稀土元素

含山—无为下蜀黄土的微量元素分析结果见表2所列。研究区及其他地区黄土微量元素上地壳[23]标准化模式图如图5所示。

表2 含山—无为地区下蜀黄土7个样品微量元素质量分数分析结果 10-6

图5 黄土微量元素上地壳标准化模式图

与上地壳相比,含山—无为下蜀黄土的Sc、Co、Sr和Ba呈现明显的亏损,其他微量元素质量分数则高于上地壳平均水平。含山—无为下蜀黄土的配分模式与西峰黄土最接近;宣城下蜀黄土和东秦岭黄土呈相似的配分模式,但宣城下蜀黄土的微量元素质量分数与东秦岭黄土相比更高;九江下蜀黄土的微量元素特征明显不同于其他地区黄土。含山—无为下蜀黄土相对于上地壳富集Nb、Ta、Zr、Hf、Th、U等高场强元素,亏损Co、Sr、Ba等大离子亲石元素。在无为盆地黄土中,Co元素呈较显著的相对亏损,Zr、Hf则呈相对富集,而在东秦岭黄土中这3种元素的配分与此相反。这种差异显示无为盆地黄土来自火成岩的碎屑供应量少,显著区别于东秦岭黄土的可能源岩。

研究区及其他地区黄土稀土元素图解如图6所示。

图6 黄土稀土元素图解

图6a中,上地壳数据根据文献[25];图6b中,球粒陨石数据根据文献[25]。从图6a可以看出,含山—无为下蜀黄土、宣城下蜀黄土、镇江下蜀黄土和西峰黄土的稀土元素质量分数均高于上地壳,九江下蜀黄土的轻稀土元素和中稀土元素(medium rare earth elements,MREE)低于上地壳平均质量分数,东秦岭黄土的Eu、Gd、Dy、Ho和Er元素质量分数略低于上地壳。含山—无为下蜀黄土的稀土元素(rare earth elements,REE)总质量分数(w∑REE)为(175～217)×10-6,LREE总质量分数(w∑LREE)为(157～194)×10-6,重稀土元素(heavy rare earth elements,HREE)总质量分数(w∑HREE)为(17.5～24.7)×10-6,轻、重稀土元素质量分数比值(w∑LREE/w∑HREE)为7.62～9.00。

从图6b可以看出,含山—无为下蜀黄土呈LREE富集、HREE亏损的右倾配分模式,其中Eu呈明显的负异常(δEu 为0.59～0.64)。本文样品的轻、重稀土元素分异明显,(La/Yb)N为8.37～9.04,LREE曲线明显较陡;HREE曲线较为平缓,(Gd/Lu)N为1.36～1.64,说明HREE内部不存在较大的分异。

3 讨 论

3.1 化学风化强度

化学蚀变指数(chemical index of alteration, CIA)能够有效反映岩石化学风化强度,CIA值越高,说明沉积物受到的化学风化强度越强。本文及相关研究的CIA-n(Na)/n(K)散点图如图7所示。

图7 CIA-n(Na)/n(K)散点图

含山—无为下蜀黄土的CIA值在70.8～78.9之间,平均为75.8,为中等化学风化强度,远高于上地壳(50.7),显著高于西峰黄土(64.2)和东秦岭黄土(68.3),略高于陆源页岩(70.4)和镇江下蜀黄土(70.6),略低于九江下蜀黄土(76.3)和合肥下蜀黄土(80.0)。一般地,CIA值在(50,65]之间,指示寒冷和干燥气候条件下的弱化学风化作用,(65,85] 指示温暖和潮湿气候条件下的中等化学风化作用,(85,100] 指示炎热和湿润气候条件下的强烈化学风化作用[27]。上地壳平均值反映的是几乎未风化条件,西峰黄土在寒冷、干燥的气候条件下处于化学风化早期,而含山—无为下蜀黄土、东秦岭黄土、镇江下蜀黄土、九江下蜀黄土及合肥下蜀黄土已经处于中等化学风化作用。总体上,CIA值随着纬度的增加而减小,这与我国北方干燥、南方湿润的气候现象基本一致。

Na2O主要寄存于斜长石中,K2O主要存在于钾长石、伊利石中,而斜长石较钾长石更易风化,因此n(Na)/n(K)比值是衡量长石风化程度的指标,该比值与CIA值成反比[28]。含山—无为下蜀黄土的n(Na)/n(K)比值在0.48～0.75之间,平均为0.63,高于同样属于南方的九江下蜀黄土(0.48)、合肥下蜀黄土(0.53)和镇江下蜀黄土(0.59),低于以西峰黄土(0.97)和东秦岭黄土(0.97)为代表的北方黄土。

文献[29]通过A-CN-K三角图来研究大陆化学风化趋势,该图能反映化学风化过程中主要矿物组分的变化趋势。

本文及相关研究的化学风化趋势A-CN-K三角图如图8所示。由于陆源页岩是上地壳典型的化学风化产物,上地壳向陆源页岩延伸的方向是典型的大陆化学风化趋势。本研究中所收集的样品数据均未沿上地壳—陆源页岩的化学风化趋势线分布,其中北方黄土(东秦岭黄土和西峰黄土)相比于南方下蜀黄土更靠近陆源页岩,并且北方黄土的分布趋势与A-CN边界平行,表明斜长石风化较早,Ca和Na元素滤出速度较快,钾长石相对稳定。与北方黄土相比,南方下蜀黄土的分布趋势更接近A-K边界,说明长石等硅酸盐矿物经历了更强的风化作用,导致斜长石中Ca和Na元素严重浸出。

A—Al2O3 CN—CaO+Na2O K—K2O Ka—高岭石 Sm—蒙脱石 IL—伊利石 Mu—白云母 Pl—斜长石 Ks—长石图8 化学风化趋势A-CN-K三角图

含山—无为下蜀黄土与其他地区沉积物主量元素比值、CIA值统计分析的最小值、最大值、平均值及变异系数见表3所列,本文及相关研究的变异系数对比如图9所示。

表3 含山—无为下蜀黄土与其他地区沉积物主量元素比值、CIA值统计分析结果

图9 地球化学分析指标的变异系数对比

从区域位置角度看,含山—无为地区、合肥、镇江和九江地区都位于长江中下游,气候环境条件相当、与北方沙漠和黄土高原的距离相近,风尘沉积并经后期风化后,相关地球化学指标的变异系数也应相似,然而这些地区CIA、n(Na)/n(K)和n(SiO2)/n(Al2O3)的变异系数都各不相同。含山—无为下蜀黄土的CIA变异系数与合肥、镇江下蜀黄土及北方黄土相似,却与距离更近的九江地区有较大差异;其n(Na)/n(K)变异系数也表现出与镇江下蜀黄土的高度相似性,远小于合肥下蜀黄土;其n(SiO2)/n(Al2O3)变异系数与同属安徽省内的合肥类似。

3.2 物源

在不同沉积物的物源识别中,可以采用主量元素的摩尔比值进行物源示踪。Ti含量在不同类型的岩石中会有较大变化;Al主要赋存于铝硅酸盐矿物中,含量较为固定;K主要赋存于钾长石和白云母中,在岩石中的含量变化较为明显。n(K2O)/n(Al2O3)比值在不同类型的岩石中变化较大,在页岩和泥岩等沉积岩中,该比值较高,而在火成岩中该比值较低[21]。本文及相关研究的n(TiO2)/n(Al2O3)与n(K2O)/n(Al2O3)散点图如图10所示。

图10 n(TiO2)/n(Al2O3)与n(K2O)/n(Al2O3)散点图

合肥下蜀黄土的n(TiO2)/n(Al2O3)和n(K2O)/n(Al2O3)比值分布范围最广,且n(TiO2)/n(Al2O3)比值明显高于其他地区;镇江、九江、含山—无为下蜀黄土和北方黄土的n(TiO2)/n(Al2O3)比值较为接近,但是它们的n(K2O)/n(Al2O3)比值相差较大。北方黄土的n(K2O)/n(Al2O3)比值高于南方下蜀黄土,这可能是由于南方气候温暖湿润,钾长石受后期化学风化作用的影响较严重,沉积物中K含量减少所致。总体上,西北黄土和南方下蜀黄土的分布范围较为接近,表明它们有相似的母质成分,只是沉积后经历了不同的化学风化过程,这种特征指示南方下蜀黄土物源可能来源于西北黄土。

本文及相关研究的黄土微量元素图解如图11所示。稀土元素被广泛应用于各种沉积物的物源表征,w∑LREE/w∑HREE和(La/Yb)N反映了LREE和HREE的分异。

图11 黄土微量元素图解

由图11a可知:含山—无为下蜀黄土和镇江下蜀黄土的(La/Sm)N变化范围较小,比值较低;但含山—无为下蜀黄土(Gd/Yb)N明显低于镇江下蜀黄土,而与西峰黄土和宣城下蜀黄土相近。

从图11b可以看出:含山—无为下蜀黄土(La/Yb)N比值明显低于东秦岭黄土、镇江下蜀黄土和宣城下蜀黄土,高于九江下蜀黄土,与西峰黄土最接近;其δEu也表现出与西峰黄土的相对一致性。

上述REE特征的差异可能反映了沉积原岩的变化,虽然REE通常是相对稳定的元素,但是有证据表明,岩石中HREE比LREE的变化程度更大,强烈的风化作用会导致(La/Sm)N降低,而(La/Yb)N和(Gd/Yb)N增加[9]。

来源于北方沙漠的黄土在经历沉积后的风化作用时,其REE组分会发生严重改变,镇江下蜀黄土的物源被认为来自北方沙漠,基本符合此特征;含山—无为下蜀黄土在此特征上表现不是特别明显,是否来源于北方沙漠有待商榷;九江下蜀黄土与此相反,说明物源与北方沙漠关系不大。

La、Co、Sc元素和Nb、Th、Zr、Hf等高场强元素化学性质稳定,表生作用下为惰性组分,不易迁移,被认为最适合用作物源示踪的元素[30]。这些元素在经过风化、搬运及并入碎屑沉积岩的过程中,蚀变程度较小,具有母质特征。从图11c、图11d可以看出:含山—无为下蜀黄土与西峰黄土具有近似一致的w(Hf)/w(Nb)、w(Zr)/w(Nb)、w(Th)/w(Nb)和w(La)/w(Nb)比值,表明其黄土沉积物中具有相似的微量元素组成;宣城下蜀黄土和东秦岭黄土的上述微量元素比值明显偏低;九江下蜀黄土上述微量元素比值的变化范围较大,显著区别于其他地区黄土。

综上所述,含山—无为下蜀黄土表现出与西峰黄土的高度近似性,说明黄土高原黄土可能是其最主要的潜在物源,而被认为物源来自长江河漫滩的九江下蜀黄土与含山—无为下蜀黄土差异明显,暗示长江河漫滩沉积物不是含山—无为下蜀黄土的主要物源。

4 结 论

1) 含山—无为下蜀黄土经历了中等化学风化作用,CIA值高于北方西峰黄土和东秦岭黄土,与南方其他地区下蜀黄土相近,表明南方下蜀黄土沉积时处于温暖潮湿的气候条件。

2) 含山—无为下蜀黄土的地球化学特征表现出与西峰黄土的高度相似性,说明本研究中的含山—无为下蜀黄土最主要的物源可能来自北方黄土高原。