湖南主要河流化學組成及地質背景對比分析

曾等志

(湖南師范大學 資源與環境科學學院　湖南 長沙 410081)

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湖南主要河流化學組成及地質背景對比分析

曾等志

(湖南師范大學 資源與環境科學學院湖南 長沙 410081)

湘江和沅江分別是湖南省境內最大河流和第二大河流，湘江與沅江沉積物化學組成存在明顯差異.沅江沉積物相對富集主量元素MgO、CaO、Na2O和微量元素Ge、Ba，而湘江沉積物相對以富MnO及其Cu、Pb、Zn等其他微量元素為特征，湘江沉積物中主微量元素含量變異系數均高于沅江沉積物，元素含量變化大，沅江元素含量變化小.湘江流域巖層出露有前震旦系砂巖和板巖、古生界碳酸鹽巖、中新生界砂巖、印支期和燕山期花崗巖和第四系沉積物等地層巖石. 沅江流域以千枚巖、板巖、石英砂巖和第三紀紅色巖層為主.

沉積物；湘江；沅江

0　引　言

湘江和沅江分別是湖南省境內最大河流和第二大河流，是長江洞庭湖流域重要支流，其流域面積分別達到0.94×105km2和0.89×105km2，平均流量分別為722億m3和393.3億m3,占四水入湖徑流量的絕大部分.年平均輸沙量大約為1140萬t和1700萬t，這些大量的入湖物質對洞庭湖沉積作用有著重大影響.厘定湘江和沅江的入湖物質組成特征對于研究洞庭湖物質組成，各類重金屬污染來源問題，以及對闡明江湖關系、開發河口資源和了解河口的污染現狀等問題具有重要現實意義.

近幾十年來許多學者分別對湘江和沅江元素地球化學已做了許多工作，對于湘江和沅江的元素組成有了較深入的研究[1-2].本文旨在這些工作的基礎上，通過對這兩條河流河口沉積物的元素對比分析，進一步探討流域源巖組成及風化作用對河流沉積物化學成分的影響.

1　樣品來源與分析方法

分析樣品分別取自湘江和沅江入湖河口地區，具體位置如圖1.其中在湘江河口地區樣品于灣河、湘陰依次采得WH、XY(樣品編號)等沉積柱樣品，沉積柱長度依次分別為84 cm、78 cm.沅江河口地區樣品于2015年1月在常德巖汪湖、牛鼻灘、沅江大橋依次采得YW、YN、YJ1(樣品編號)等沉積柱樣品，本次研究只選取與湘江沉積物采樣深度一致的樣品.樣品在40攝氏度條件下烘干后，先過60目篩提出動植物殘體，用瑪瑙研缽研磨，過200目篩(<75μm)得到粉末樣品備.主量和微量元素分析在等離子質譜儀上進行.為監控測試精度與準確度，進行了重復樣與標樣分析，結果表明絕大部分分析元素的相對偏差小于5%，表明總體分析結果可靠.

圖1　沉積柱采樣點位置示意圖Fig 1　Schematic map showing sampling sites of sediment cores

2　湘江與沅江河口地區沉積物元素組成特征

表1列出了湘江與沅江沉積物中元素含量，同時計算了這些元素含量的標準偏差STD，變異系數CV(%)及在湘江與沅江之間相對偏差RD (%).

表1　湘江與沅江沉積物元素含量比較

續表1

(單位ppm，其中主量元素為%)

2.1主量元素

由表1可知，湘江與沅江沉積物中MnO、MgO、CaO、Na2O元素含量在兩者之間相對偏差在35%以上；湘江沉積物以富MnO為特征，而沅江沉積物相對富集MgO、CaO、Na2O(相對偏差高達65%).湘江沉積物中主量元素含量變異系數均高于沅江沉積物，反映數據較為分散，含量變化大于沅江沉積物.

2.2微量元素

對比湘江和沅江20多個微量元素的分析結果表明，Mn、Cu、Zn、Ge、Rb、Cs、Ba、Ta、Pb、Th、U等元素的含量在兩者之間的相對偏差達到了37%以上.僅Ge和Ba等元素在沅江沉積物中明顯高于湘江沉積物，沅江沉積物以富集Ge和Ba為特征，而其他元素則在湘江沉積物中尤為富集.幾乎所有微量元素在湘江沉積物中標準偏差及變異系數均相應地大于沅江沉積物，反映出湘江元素含量變化大，而沅江數據較為集中分布.

2.3稀土元素

湘江沉積物中14個稀土元素含量及元素標準偏差與變異系數均相應地高于沅江沉積物，且CVXJ>0.1，CVYJ<0.1.說明湘江沉積物中稀土元素含量高于沅江沉積物，且湘江沉積物中稀土元素變化更大，數據較為分散.但是稀土元素的變異系數大小變化要小于其他主量微量元素的變異系數，反映出稀土元素性質具有相似的富集規律，而在沉積物中含量變化要相對小許多.

3　討　論

從以上分析可知，湘江河口沉積物與沅江河口沉積物無論在主量還是在微量元素組成方面均有明顯的差異.一般認為控制沉積物組成的自然因素主要包括：源巖(流域巖石組成)、構造及氣候影響的物理化學風化與水動力作用、沉積盆地地形、沉積環境、沉積介質的物理化學性質、成巖及變質作用等[3].另外還受到中上游人為活動的影響，導致一些元素的富集.下面對主要影響湘江與沅江河口沉積物組成的源巖與風化情況進行分別論述

3.1源巖

湘江流域內地層出露齊全，這些巖石的風化產物是沉積物主要的物源 .湘江流域主要位于揚子地臺和華南褶皺上[4]，構造復雜，流域面積較沅江流域大，沉積物的物質來源比較復雜.湘江流域上游分布有前震旦系砂巖—板巖、古生界碳酸鹽巖、中新生界砂巖、印支期—燕山期花崗巖和第四系沉積物等地層巖石[2].湖南省鉛鋅礦、銅礦、鎢礦、秘礦、錫礦主要分布在湘江流域湘南和湘西南一帶[8].湘江沉積物Pb、Zn、Cu含量明顯較高，上游Pb-Zn-Cu礦床的開采可能起決定性作用.因此我們用物源指數(PI)來進一步判別沉積物物源，以往研究者們大多認為物源指數(PI)只適合于兩端員混合情況.但由于湘江沉積物物源復雜，因此本人把物源指數(PI)在三端員甚至多端員中作進一步推廣.物源指數(PI)的計算如下[5]：

PI=∑|CiX-Ci1| / (∑|CiX-Ci1| +∑|CiX-Ci2| )

式中：i為元素或兩元素之比；CiX為待判沉積物中元素i的含量；Ci1、Ci2為端員1和端員2中的元素i含量或比值.區分端員物源應選擇差別較大的元素，因此本文計算物源指數PI的元素i采用受表生作用影響較小且相對偏差較大的Zr/Hf.本文元素i指參照鄢明才[6]等中國東部沉積碎屑巖(SCR)、碳酸鹽巖(CR)或花崗巖(GR)中Zr/Hf比值.物源指數(PI)反映的是沉積物之間化學成分的接近程度，PI值介于0和1之間，PI值小于0.5，則表明待判沉積物與端員1化學組成相近；而PI值大于0.5，則表明待判沉積物與端員2化學組成相近.

湘江入湖河段沉積物物源指數(PI)研究表明；分別作為端員1和2的沉積碎屑巖(SCR)和碳酸鹽巖(CR)的物源指數PI(SCR1,CR2)為0.24，PI(SCR1,GR2)為0.22，表明湘江入湖河段沉積物的元素組成總體上較好地繼承了沉積碎屑巖特征，而明顯不同于碳酸鹽巖和花崗巖的元素組成，可以得出流域紅色碎屑巖系及第四系沉積地層為沉積物主要的物源.而PI(CR1,GR2)為0.47，表明相對于上游花崗巖而言，湘江入湖河段沉積物元素組成與碳酸鹽巖更為相似，而與上游花崗巖差異較大.因此湘江入湖河段沉積物物源為；沉積碎屑巖(SCR)>碳酸鹽巖(CR)>花崗巖(GR).沅江流域流經地區上游大部分為千枚巖、板巖、英砂巖和第三紀紅色巖層，中游以灰巖與紅色巖層交互出露，下游以紅色巖層為主，砂巖和礫巖次之.湘北武陵山脈和沅水流域分布有鎳汞礦，沅江流域汞礦分布面積廣，形成汞礦帶[7].由此可見河口沉積物中元素含量的特征明顯受控于區域地質—地球化學背景.反之也說明河口沉積物的元素含量特征也是區域地質—地球化學背景的反映.

3.2風化

沉積物中風化指數CIA(A1/(AL+K+ Na+Ca))、K/Na、K/Ca、AI/Na 、Fe/Mn等比值以經常被用作化學風化強弱的指標[9]，化學風化強比值高，化學風化弱比值低，原因在于化學風化時Na、Ca最易遷移、淋失，Mg在強烈化學風化時活動性也強，而K、 A1及Fe元素則多保存在風化形成的粘土中而產生聚集，這些參數的共同運用可很好地反映化學風化情況.

表2　湘江和沅江化學成分比較

湘江沉積物中這些比值明顯的高于沅江沉積物(見表3)，表明湘江流域的化學風化要比沅江流域強.相對于沅江流域而言，湘江流域位置更偏東南，因此湘江流域溫暖而濕潤，植被豐富，降水量相對多，化學風化強烈.以硅酸鹽與碳酸鹽風化為主，湘江流域強化學風化造成淋溶作用強，可溶性鹽類大量淋失，而使沉積物中堿、堿土金屬Na、K含量較低，而活動性相對較小的元素如Sc, Ti, Al, Fe, Cr等多殘留下來.

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[2]彭渤,唐曉燕,余昌訓,譚長銀,等.湘江入湖河段沉積物重金屬污染及其Pb同位素地球化學示蹤[J].地質學報,2011,85(02):282-299.

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[5]謝遠云,何葵,周嘉,康春國.哈爾濱沙塵暴的化學特征及其物質源探討[J].地理研究,2006(02):255-261.

[6]鄢明才，遲清華.中國東部地殼與巖石的化學組成[M].北京:科學出版社,1997:126-127.

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[8]朱自強.湖南地區中生代以來深部地球動力學演化的有限元數值模擬及成礦作用特征研究[D].中南大學,2004.

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[責任編輯：徐明忠]

Characteristic element composition of main rivers sediments and their geological background in Hunan Province

ZENG Dengzhi

(College of Resources and Environmental Science,Hunan Normal University,Changsha 410081,China)

There is a significant difference in the chemical composition between Xiangjiang and Yuanjiang river sediments.Yuanjiang sediments relative concentration of major elements of MgO, CaO, Na2O and trace elements Ge, Ba.And the Xiangjiang river sediments in the major and trace elements Content Variation coefficients were all higher than that of Yuanjiang River sediments,and Yuanjiang element content changes little.Xiangjiang basin rocks crop out of Pre-Sinian sandstone and slate, Paleozoic carbonate rocks,Mesozoic and Cenozoic sandstone, Indosinian and Yanshanian graniteand Quaternary System rock.Yuanjiang River basin rocks mainly crop out of Phyllite, Slate,Quartz sandstone and Tertiary red rock.

sediments, Xiangjiang river, Yuanjiang river

2016-05-28

曾等志(1992-)，男，湖南岳陽人，湖南師范大學碩士研究生，主要從事環境地球化學研究.

X820.1

A

1672-3600(2016)09-0037-04