興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶沉積物主成分的含量與空間分布研究

唐　坤, 王學求*, 遲清華

1)中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所, 國土資源部地球化學探測重點實驗室, 河北廊坊 065000; 2)中國地質大學(北京)地球科學與資源學院, 北京 100083

興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶沉積物主成分的含量與空間分布研究

唐坤1,2), 王學求1,2)*, 遲清華1)

1)中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所, 國土資源部地球化學探測重點實驗室, 河北廊坊 065000; 2)中國地質大學(北京)地球科學與資源學院, 北京 100083

選取興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶上沉積物的SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TFe2O3、FeO、TiO2、MnO、P2O5、CO2、H2O+、pH十四個指標, 研究其在不同二級構造單元、地理景觀、土壤類型、降雨量等級下的含量與空間分布特征, 并討論該地球化學走廊帶上化學蝕變指數。結果表明: 在興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶上, 作為沉積物主體的SiO2、Al2O3兩者含量為明顯負相關而空間分布表現出此消彼長的特征; CaO、MgO、CO2高含量分布區則與碳酸鹽巖地層或含碳酸鹽礦物的土壤有關,而MgO的高含量還與走廊帶上鎂鐵質基性-超基性巖有一定關系, 表明了這三個指標的高含量受特定巖性或礦物的影響較大; Na2O、K2O含量除了受繼承的基巖影響外, 還受到后期的風化作用和氣候及自身地球化學性質等復雜因素綜合影響, 對Na2O來說尤為如此; TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5相對于在地質背景復雜地段, 經過沖積平原的沉積物混勻后, 含量差異更小; 相對干冷的內蒙古半干旱草原的氣候條件有利于FeO存在, 使得其相對燕山地區含量差異較TFe2O3要小, 在章丘以南相對溫暖濕潤地區更易被氧化而導致其含量整體較低; 北方干冷氣候條件下, 沉積物H2O+含量普遍較低, 局部高含量位于碳酸鹽巖地層或第四系分布區; 走廊帶上的pH值反映了沉積物偏堿性的特征, 而在章丘以南的地區隨著降雨量的增加, 相對溫暖濕潤的氣候條件, 沉積物pH值表現為中性-偏弱酸性; 興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶沉積物的CIA值反映出在寒冷、干燥氣候條件下低等的化學風化程度, 興蒙造山帶沉積物平均風化程度相對華北克拉通沉積物的平均風化程度差異變化相對要小, 顯示興蒙造山帶的降雨量與溫度等風化影響因素變化較小。作為反映元素的地球化學親和性的量化指標, 離子電位可以更好地幫助理解沉積物元素的含量和空間分布差異。

地球化學走廊帶; 興蒙造山帶—華北克拉通; 主成分; 化學蝕變指數; 離子電位

對于沉積物的地球化學組成(古森昌等, 1989;焉明才等, 1997; 楊守業和李從先, 1999; 王永等, 2004; 藍先洪等, 2015), 水系沉積物礦區找礦預測(楊少平等, 2015; 席明杰等, 2015), 影響沉積物地球化學組成因素(遲清華和馬生明, 2008), 及勘查地球化學的總結與展望(謝學錦, 2003; 謝學錦等, 2009), 國內已進行了各方面大量的研究工作和論文的發表, 這些研究側重在元素含量組成與影響因素方面, 而應用方面側重在區域或礦區的找礦預測,而對于沉積物區域或國家尺度的地球化學含量與空間分布特征的研究, 特別是含量與空間分布與區域構造單元、地理景觀、降雨量等區域地質、地理條件的空間對應展布則比較少。國外進行的地球化學走廊帶方面的研究, 主要是跨越美國和加拿大兩個國家的北美大陸尺度地球化學走廊帶的研究(Smith and Reimann, 2008; Drew et al., 2010), Smith和Reimann(2008)認為低密度沉積物地球化學填圖可以反映很多有用的信息, 而選取該地球化學走廊帶沉積物的Cr和Ca兩種元素在采樣所穿過地區, 其地球化學含量與空間變化特征與低密度地球化學沉積物采樣類似, 也基本大體上能反映出區域地質背景對元素含量的影響, 而選取Hg元素表明與其含量除與地質背景相關外, 與降雨量的空間分布對應較好; Drew等(2010)在文中則側重點是不同層位沉積物含量的對比, 還通過判別分析表明, 對于采集的土壤樣品其地球化學特征與其土壤礦物學特征相比, 前者可更好地與一級地理景觀分區對應。但在中國, 對于全國乃至全球尺度進行系統地采樣研究地球化學元素的含量與空間分布, 特別是國內地球化學走廊帶方面的研究還是空白。

為了開展中國表層沉積物元素的含量與空間分布, 中國進行了地球化學基準值計劃的研究工作。基準值的地球化學意義在于建立中國表層沉積物地球化學元素含量與空間變化的標尺(王學求等, 2010)。而與基準值研究范圍是全國性的面狀研究區不同, 地球化學走廊帶的目標是通過每條高密度的線狀采樣路線采集沉積物樣品, 從新視角來刻畫研究地球化學走廊帶所穿過區域沉積物的每個元素含量與地質、地理、氣候等因素的關系。因此, 在中國地球化學基準值研究框架下, 選取三條地球化學走廊帶跨越中國不同大地構造單元, 通過高密度系統的沉積物樣品采集, 可以為我們提供更加豐富的關于不同地質單元沉積物的地球化學含量信息, 也可以得到沉積物元素含量在不同二級構造單元、地理景觀、土壤類型、降雨量等的空間分布特征以及沉積物的主成分元素含量與空間變化及化學蝕變指數CIA所反映的風化作用程度等方面的信息。

本文選取的興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶從西北到東南跨越了的不同大地構造單元、不同的地理景觀帶、不同的土壤類型和不同降雨量等級, 按照2～4 km的采樣間距采集了550件土壤和水系沉積物樣品, 所有樣品在實驗室國家一級地球化學標準物質監控下獲取了76個元素的含量。本文主要討論興蒙造山帶—華北克拉通走廊帶范圍內沉積物中SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TFe2O3、TiO2、MnO、P2O5含量及pH值與不同二級構造單元、地理景觀、土壤類型、降雨量的關系以及化學蝕變指數所反映的平均風化程度與差異。

1　方法

1.1樣品采集

對于地表沉積物的樣品采集, 需要根據不同的地理景觀采集不同采樣介質的采樣方法, 這樣可以最大程度地代表周圍的平均物質組成。本文選取的興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶主要穿過三種地理景觀: 沖積平原區、山地丘陵區和半干旱草原。沖積平原區主體為華北平原, 其次為江蘇北部地區的平原, 在這些地區沿走廊帶每隔4 km采集一個25 cm以下的土壤樣品; 而山地丘陵區大致位于北京懷柔至河北張家口一帶和魯西地區, 在這些地區的地表出露基巖復雜地段, 每隔2 km采集1件水系沉積物樣品, 基巖出露較為簡單的地段每隔4 km采集1件水系沉積物樣品; 半干旱草原區大致分布于張家口以北至二連浩特紅格爾地區, 基本每隔4 km采集1件草原沙土樣品, 但在部分有基巖出露地段采樣間距加密為2 km。興蒙華北地球化學走廊帶樣點示意圖如圖1所示。

圖1　研究區及樣點示意圖Fig. 1　Schematic diagram of the study area and the samples locationA3-大興安嶺北段造山帶; A2-大興安嶺南段造山帶; A1-華北北緣造山帶; B1-內蒙地塊; B2-燕山造山帶; B3-華北盆地; B4-魯西地塊; C1-蘇魯造山帶; 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樣品分析與質量監控

本走廊帶上采集的沉積物樣品的分析采用了多種分析技術配套的方案, 共分析了76種元素, 這種配套分析技術可以最大程度地發揮各種分析儀器的優勢, 得到高準確度和精確度的分析數據(張勤等, 2012)。其中, 本文涉及到的SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TFe2O3、TiO2、MnO、P2O5等主量元素分別采用了熔片制片-X射線熒光光譜法(FU-XRF)和壓片-X射線熒光光譜法(XRF)進行分析,并用主量元素加和方法控制分析質量, 保證分析結果的準確度; FeO和pH分別采用的是容量法分析和電位法, 通過對每件沉積物樣品進行精確分析得到,作為兩個特殊分析要求的指標, 對它們的分析方法過程詳細介紹見文獻張勤(2012)。

表1　興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶沉積物中各指標含量Table 1　The content of principal components in sediments on the geochemical transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

同時, 在分析過程中除了加入重復樣外, 還通過加入標準樣來監控分析質量。對于重復樣, 按樣品總數10％的比例, 抽取實驗室內部密碼重復樣品,以密碼方式進行預先分析, 以控制日常分析中的批次偏差。計算基本分析值與重復性分析值的相對偏差RD的合格率應不小于90％。在每一批(50個號碼)以密碼方式插入2個巖石和2個水系沉積物國家一級標準物質, 同樣品一起分析后, 計算單個標準物質測定值與標準值的對數差(ΔlgC), 以監控分析過程的準確度, 計算對數差的標準偏差(λ), 監控分析批次內的精密度, 合格率應達到100％。

1.3數據處理

在地球化學填圖中, 采樣設計和數據成圖通常采用網格化處理方法。借鑒這一思路, 結合興蒙造山帶—華北克拉通走廊帶的實際情況, 本文采取1:50000地圖分幅范圍對樣點進行網格化(共88格),分別求得各自網格內所有沉積物樣品的中位數, 代表格網內的平均物質組成, 繪制走興蒙造山帶—華北克拉通走廊帶地球化學的含量折線圖, 展示這些指標在走廊帶上的空間分布特征, 進而研究其含量與二級構造單元、地理景觀、土壤類型、降雨量等之間的關系。

2　結果與分析

2.1元素含量特征

由表1可知, 從一級構造單元統計結果看, 與整個走廊帶上相比, 興蒙造山帶沉積物主成分含量較高的有SiO2、K2O, 含量相近的有而Na2O, 其余Al2O3、Cao、MgO、TFe2O3、FeO、TiO2、MnO、P2O5、CO2、H2O+的含量則較之要低; 華北克拉通沉積物除SiO2較低外, CaO、TFe2O3、CO2、H2O+的含量較之要高, 含量相近的有Al2O3、MgO、FeO、Na2O、K2O、FeO、TiO2、MnO、P2O5。與華北克拉通相比, 興蒙造山帶含量較高的是SiO2、K2O, 其余除Na2O含量相近外, 其余Al2O3、Cao、MgO、TFe2O3、FeO、TiO2、MnO、P2O5、CO2、H2O+含量較之要低。此外對于pH值, 興蒙造山帶比華北克拉通高。

從二級構造單元統計結果看, 興蒙造山帶各二級構造單元SiO2含量整體都高于華北克拉通和蘇魯造山帶, 而Al2O3含量整體恰好具有相反的趨勢; CaO除華北盆地(B3, 5.08％)和燕山造山帶(B4, 2.81％)較高外, 其它各二級構造單元差異相對較小; MgO在興蒙造山帶整體含量較低且差異不大, 而在華北克拉通含量整體較高且差異相對較大, 其最高含量出現在華北盆地; Na2O、K2O含量在各二級構造單元之間差異不大。從地理景觀統計結果看, SiO2含量呈現半干旱草原＞山地丘陵＞沖積平原的特征,而Al2O3含量則是低山丘陵＞沖積平原＞半干旱草原; Cao含量表現出沖積平原明顯高于山地丘陵和半干旱草原的特點; MgO表現為沖積平原＞低山丘陵＞半干旱草原; Na2O、K2O含量在不同地理景觀中相差不大。按土壤類型統計結果看, SiO2、K2O含量表現為灰鈣土-棕鈣土帶(ⅡB)＞黑鈣土-栗鈣土-黒壚土帶(ⅡA)＞棕壤-褐土帶(ⅠC)的特征, 而Al2O3、CaO、MgO的含量則表現為正好相反的趨勢, Na2O的含量則在三種土壤類型之間差異不大(1.95％～2.00％)。就降雨量而言, SiO2含量整體表現出隨著降雨量增高而下降的趨勢, 而Al2O3含量整體具有相反的趨勢; 而CaO、MgO各自含量除在400～800 mm降雨量區間出現明顯高值外, 在其余降雨量區間CaO、MgO的各自含量差異相對較小; Na2O含量在200～1 600 mm降雨量區間表現出略微增加的趨勢,而K2O含量則在200～1 600 mm降雨量區間表現略微降低的趨勢。

表2　興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶各二級構造單元主要巖性Table 2　The main lithology in different secondary tectonic units on the geochemical transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

從構造單元看, TFe2O3、TiO2、MnO、P2O5含量在華北克拉通整體較興蒙造山帶高, 但TFe2O3、MnO、P2O5在興蒙造山帶含量差異相對較小, 在華北克拉通含量差異較大, 而TiO2則相反; FeO含量也表現出華北克拉通整體高于興蒙造山帶的特征,但在整個走廊帶各構造單元含量差異較大; CO2的含量在華北盆地表現明顯高含量, 其次是燕山造山帶, 而在其它構造單元差異不大; H2O+含量也是華北克拉通大于興蒙造山帶, 但在兩個一級構造單元內, 其含量差異不大; pH值則是興蒙造山帶明顯高于華北克拉通, 且在華北盆地pH明顯降低。從地理景觀看, TFe2O3、TiO2、MnO、H2O+表現為低山丘陵＞沖積平原＞半干旱草原, 而FeO、P2O5、CO2則是沖積平原＞低山丘陵＞半干旱草原, pH值為半干旱草原＞沖積平原＞低山丘陵。從土壤類型看, TFe2O3、TiO2、MnO、P2O5、CO2、H2O+含量表現為灰鈣土-棕鈣土帶(ⅡB)＜黑鈣土-栗鈣土-黒壚土帶(ⅡA)＜棕壤-褐土帶(ⅠC)的特征, 而FeO在黑鈣土-栗鈣土-黒壚土帶(ⅡA)與棕壤-褐土帶(ⅠC)之間含量差異很小(0.92％、0.96％), 且均遠大于灰鈣土-棕鈣土帶(ⅡB)含量(0.42％); pH值則是灰鈣土-棕鈣土帶(ⅡB)＞黑鈣土-栗鈣土-黒壚土帶(ⅡA)＞棕壤-褐土帶(ⅠC)。從降雨量看, TFe2O3、TiO2、MnO、P2O5、H2O+含量在50～400 mm區間以及400～1 600 mm兩個區間內含量差異較小且在后者含量較高; 而FeO、CO2則表現出在50～800 mm區間先隨著降雨量增高而增高的趨勢, 而在800～1 600區間含量又明顯降低的特征; pH值則表現為隨著降雨量增高逐漸降低的負相關關系。

2.2元素空間分布

興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶上,各二級構造單元主要巖性見表2, 對沉積物的SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TFe2O3、FeO、TiO2、MnO、P2O5、CO2、H2O+和pH十四個指標按每個五萬圖幅為基本單元, 分別繪制其含量的空間分布折線圖, 見圖2和圖3。

走廊帶上沉積物中SiO2含量在興蒙造山帶的A3、A2、A1和華北克拉通的B1四個二級構造單元含量較高, 大致在張家口以北區域構成一個整體高含量分布區。這一區域分布有大量的海西期-燕山期花崗巖, 氣候干燥寒冷, 降雨量少, 物理風化作用較強, 導致沉積物中富含石英、長石, 粘土礦物不甚發育。在張家口至懷柔之間的燕山山區, 主要分布太古代—元古代基底老地層以及一些中酸性火山巖, 粘土礦物相對發育, 故表現出SiO2低含量。華北盆地(平原)整體為SiO2低含量分布區, 但在懷柔至霸州、滄州至章丘SiO2含量反而較高, 這可能與這一區域分布永定河、河流帶來的大量泥沙, 而霸州至滄州之間分布的碳酸鹽礦物有關。魯西地區亦分布有太古代—元古代的基底老地層, 但SiO2含量較燕山地區要稍高, 這可能與魯西地區的基底巖性以TTG巖類有關。而在南蘇魯造山帶臨沂至連云港一線, 在元古界地層分布區SiO2含量較高, 而第四系分布區SiO2含量相對較低。

與此相反, 走廊帶上沉積物中Al2O3與SiO2含量折線圖表現為近乎完美的“鏡像”, 呈現出此消彼長的關系, 這與整個走廊帶上位于北方, 風化類型以物理風化為主, 粘土礦物的含量在很大程度上決定了Al2O3與SiO2含量關系, 也是沉積物主量元素“加和效應”的體現, 而從內蒙古紅格爾至江蘇連云港降雨量增加約8倍(200～1 600 mm)并未對這二者含量關系造成明顯影響。

圖2　興蒙造山帶—華北克拉通地化學走廊帶沉積物主成分空間分布折線圖Fig. 2　The spatial distribution of principal components in sediments on the geochemical transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

圖3　興蒙造山帶—華北克拉通地化學走廊帶沉積物主成分含量空間分布折線圖Fig. 3　The spatial distribution of principal components in sediments on the geochemical transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

走廊帶上沉積物中CaO含量在興蒙造山帶整體含量較低, 其在紅格爾較高含量經查原始資料可能與采樣位置位于戈壁凹地淖內的沉積物有關; 在燕山地區, CaO含量出現局部高值, 這與這一區域出現的碳酸鹽巖地層吻合較好; 而CaO含量在華北盆地表現出整體高含量, 與華北盆地土壤里的大量碳酸鹽巖礦物有關, 在盆地過渡到山區過程中, 伴隨有SiO2含量增高, 泥沙質含量增高, 粘土含量降低, CaO含量降低; 在魯西至江蘇連云港地區CaO含量整體較低, 只在碳酸鹽巖或粘土分布區含量稍高。

走廊帶上MgO含量在興蒙造山帶整體較低,在紅格爾附近較高可能與戈壁淖內沉積物有關, 而在燕山地區出現高值與這一地區分布白云巖對應較好, 在華北盆地表現整體較高的含量, 這與其土壤含大量碳酸鹽巖礦物有關, 在章丘至連云港一帶整體含量較低, 僅在局部碳酸鹽巖分布區含量有所增加。

走廊帶上沉積物中K2O含量從內蒙古紅格爾至山東蒙陰整體呈現略微下降趨勢, 除在張家口組地層單元出現局部高值外, 與降雨量表現出一定的負相關關系, 高含量與興蒙造山帶—燕山造山帶的海西期花崗巖和酸性火山巖為主的分布區有關,但在蒙陰至連云港一帶, 隨著降雨量的增加, K2O含量反而升高, 可能與這一帶分布的以太古代—古元古代花崗巖和片麻巖為主的地質背景關系密切。

走廊帶上沉積物中Na2O含量差異變化較大,興蒙造山帶—華北克拉通出露巖石巖性變化較大,尤其是燕山造山帶和魯西地區, 從太古代至新生代各個時代各種巖性均有發育, 在北方以物理風化作用為主導的環境下, 沉積物較好地繼承原巖的特點,因而表現出含量的差異出來。

走廊帶上TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5表現出很類似的分布特征, 在紅格爾至張家口一帶表現出低含量, 張家口至蒙陰表現為整體高含量, 其中在燕山造山帶和魯西地塊含量變化較大, 而在華北盆地內含量變化較小, 在蒙陰至連云港一帶TFe2O3、TiO2、P2O5含量較低, 局部含量受巖性影響而增加,而MnO含量較高量。走廊帶上FeO含量整體變化較大, 紅格爾至蘇尼特右旗含量差異變化較TFe2O3等元素要大, 而蘇尼特右旗至章丘之間, 除在巖性出露復雜的燕山造山帶變化差異相對較大外, 整體為高含量, 在章丘至連云港之間, FeO含量表現為低含量, 可能除了與地質背景有關外, 這一地區相對溫暖潮濕的氣候有關。走廊帶上H2O+的含量整體而言差異不大, 變化較小, 局部高含量位于碳酸鹽巖地層或第四系分布區, 而低含量分布區與砂巖、花崗巖或中基性集中分布出現有關。走廊帶上pH值在紅格爾至章丘之間整體為高值區(普遍大于8),表現為堿性環境, 只在懷柔局部因采樣位于泥質巖分布集中區有關, 在章丘至連云港之間pH值降低,整體處于中性到偏酸性環境, 且pH值差異變化較大。

2.3化學蝕變指數

化學蝕變指數(chemical index of alteration, CIA)作為反映其源區風化程度的指標, 是由Nesbitt和Young(1982)研究加拿大古元古代Huronian超群的碎屑巖時提出, 在這里計算興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶上沉積物的化學蝕變指數, 從而得到其沉積物的平均風化程度的參考, 計算公式為:

式中, 各元素含量均為摩爾分數表示, CaO*則表示硅酸鹽中的CaO。由此可以看出, 其反映了巖石在化學風化過程中, Na、K、Ca等賦存于各種長石礦物中的元素在表生環境下較為活潑, 在地表流體中以離子形式發生大量流失, 同時Al伴隨各種粘土礦物(如高嶺石、蒙脫石和伊利石等)的形成而保留。

而這里對于CaO*的計算, 采用McLennan提出的一種校正方法(邵菁清和楊守業, 2012), 其依據的是自然界硅酸鹽礦物Na2O和CaO的平均組成, 利用沉積物樣品中CaO/Na2O的摩爾比值來得出CaO*的值: 如果比值＞1, 則CaO*=Na2O; 而若比值＜1, 則CaO*=CaO。根據這一方法, 計算興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶的化學蝕變指數CIA, 統計數據如表3, 表4所示, 折線圖如圖4所示。

由表3可知, 年均降雨量從50～200 mm增加到800～1 600 mm, 沉積物在各降雨量區間的CIA均值由53增加到58, 整體隨著降雨量的增加而略微增大; CIA的最小值相對相差變化不大, 在48～51之間;而CIA最大值在50～200 mm和200～400 mm區間相同(CIA=55), 最大值在400～800 mm和800～1 600 mm區間相同(CIA=63)。

按構造單元來統計, 結合表4和圖4可知: 在北京市懷柔以北至內蒙古紅格爾之間各構造單元沉積物CIA的均值幾乎不變(在52～53之間), 而從北京市懷柔區至江蘇省連云港市范圍內, 各構造單元沉積物的CIA均值也相差不大(在56～57之間)。

2.4討論

沿走廊帶從西北到東南(A3—A1, B1—B4), 元素含量分布趨勢顯著的是SiO2和Al2O3。對于SiO2,華北北緣造山帶＞大興安嶺南段造山帶＞大興安嶺北段造山帶＞內蒙地塊＞魯西地塊＞燕山造山帶＞華北盆地, 即興蒙造山帶SiO2含量整體高于華北克拉通; 而對于Al2O3含量則幾乎表現為相反的趨勢,華北北緣造山帶＜大興安嶺南段造山帶＜大興安嶺北段造山帶≈內蒙地塊＜華北盆地＜燕山造山帶＜魯西地塊, 即興蒙造山帶Al2O3含量整體低于華北克拉通。這表明了興蒙造山帶所處內蒙古半干旱草原特殊地理景觀的影響及主量元素的加和效應控制。而CaO、MgO、CO2的含量均在華北盆地(即華北平原)表現出整體高含量, 這可能與華北沖積平原土壤含有大量碳酸鹽礦物有關, 而在燕山造山帶和魯西地塊局部高含量與碳酸鹽巖地層分布出現相對應,且MgO在燕山造山帶和魯西地塊也表現整體較高含量, 這除了與碳酸鹽巖地層分布有關外, 還與這兩地區廣泛分布的基性-超基性鎂鐵質巖石在漫長地質歷史時期風化作用有關。Na2O、K2O的含量分布趨勢差異不同, Na2O的含量在各單元差異較大, K2O的含量表現整體穩定而略微下降的趨勢表明Na2O和K2O含量除繼承基巖外, 還受后期風化各種復雜因素影響以及Na2O和K2O各自的地球化學性質決定(遲清華和馬生明, 2008; 焉明才等, 1997)。

表3　興蒙造山帶—華北克拉通走廊帶地球化學沉積物不同降雨量等級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　興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶沉積物各構造單元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

圖4　興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶沉積物CIA折線圖Fig. 4　Diagram of the sediments CIA on the geochemical transect of the Xingmeng Orogenic Belt and the North China Craton

走廊帶上TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5有著類似的空間分布特征, 在內蒙古半干旱草原上含量較低外, 在張家口至連云港之間整體上這些元素含量較高, 其中在燕山造山帶和魯西地塊受上述地區復雜的地質背景和巖性出露影響含量變化較大, 而在華北盆地內含量變化較小。這反映了華北克拉通鎂鐵質基性-超基性巖石長期風化的影響, 同時這些元素較易隨鐵錳氧化物或鈦的氧化物較為穩定, 也使得這些元素不易被風化淋濾而保存下來。

而FeO除了受地質背景影響外, 在華北克拉通表現出整體高含量, 其在張家口以北的內蒙古半干旱草原(主體為興蒙造山帶), 其含量與華北克拉通相比差異沒有TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5這幾個元素大, 這可能反映較為干冷的氣候條件使得FeO不易被氧化, 而在章丘以南的地區, 盡管有鎂鐵質巖石的高背景, 但隨著降雨量的增加和相對較為溫暖濕潤的氣候使得FeO更易被氧化而導致其含量整體較低。H2O+的含量在走廊帶上整體而言差異不大,反映北方干冷氣候條件下, 粘土礦物含水普遍較低,局部高含量位于碳酸鹽巖地層或第四系分布區, 而低含量分布區與砂巖、花崗巖或中基性集中分布有關。

走廊帶上pH值整體反映了北方沉積物偏堿性的特征, 但在章丘以南的地區, pH值降低和FeO含量降低相吻合, 表明隨著降雨量的增加, 在相對溫暖濕潤的條件下, 沉積物pH值反映出中性偏弱酸, FeO的氧化也變得更容易。

而對于化學蝕變指數, 根據Nesbitt和Young(1982)對現今地球上的主要礦物, 和一些反映典型氣候的現代沉積物CIA值的統計表明: CIA值介于50～65之間, 反映寒冷、干燥的氣候條件下低等的化學風化程度; CIA值介于65～85之間, 反映溫暖、濕潤條件下中等程度的化學風化程度; CIA值介于85～100之間, 反映炎熱、潮濕的熱帶亞熱帶條件下的強烈化學風化程度(馮連君等, 2003)。

興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶沉積物CIA均值為55, 興蒙造山帶CIA均值為53, 華北克拉通CIA, 均值為55。綜上所述, 興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶沉積物的CIA值反映出在寒冷、干燥氣候條件下低等的化學風化程度;但相對而言, 興蒙造山帶沉積物CIA值變化范圍較小(51～55), 而華北克拉通沉積物CIA值變化范圍較大(48～63), 反映興蒙造山帶沉積物平均風化程度相對較接近, 而華北克拉通沉積物的平均風化程度差異相對較大。

除了影響沉積物元素含量的以上外在因素外,元素本身的地球化學性質(元素的地球化學親和性)是決定元素存在、遷移活動的重要的內在因素, 從而影響沉積物含量在不同表生條件下的含量和空間分布差異, 其中離子電位(通常用π表示)可以很好地被用來度量元素的地球化學親和性和元素活動性分類, 離子電位指的是元素離子的電荷與其半徑之比, 其決定離子在化學反應中吸引價電子的能力,也決定了元素存在形式和遷移能力。參考張德會(2015)書中元素的離子電位值, 可按離子電位把元素的離子分為以下三類, 并對本走廊帶上一些元素作簡要討論分析:

(1)π＜2.5, 此類離子為電價低而半徑大的低場強陽離子。在水溶液中與H+爭奪O2-的能力弱, 氧化物溶于水給出O2-, 在水溶液中遷移, 比如K+, Na+, Ca2+等。因此, 結合表1和圖2可知, 這些元素含量變化較大, 在興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶上元素含量空間變化也較大, 而且Na元素的離子電位比K元素較大, 因此Na2O(π=1.05)也表現出比K2O(π=0.75)更復雜含量和空間變化規律。

(2)π=2.5～8.0, 此類離子為兩性離子, 多為偏高價態, 具有中等半徑, 在水溶液中與H+爭奪O2-的能力相近, 在正常pH=4～9的天然水溶液中, 氧化物水解, 形成氫氧化物沉淀; 而且中等離子電位的陽離子(Al3+、Ti4+、Fe3+、Mn4+)形成相對強的化學鍵, 使得它們在氧化環境(表生條件下, 作者注)中形成穩定氧化物和氫氧化物, 活動性弱, 遷移難。因此, 結合表1和圖2、圖3可知, TFe2O3(π=4.69)、TiO2(π=5.88)、Al2O3(π=6.00)等元素的元素含量空間分布整體上較為相似; 而鐵的二價態FeO(π=2.63),其離子電位更接近第一類離子與第二類離子的分界值2.5, 因此在走廊帶上不論是內蒙古半干旱草原地理景觀區其含量空間變化較TFe2O3更大, 特別是是在山東章丘以南的地區, 隨著降雨量的增加, 更易遷移的FeO含量明顯降低, 展示了明顯不同于三價態Fe3+更大的活動性。

(3)π＞8, 此類離子為具有小半徑的高價陽離子。在水溶液中爭奪O2-的能力大于H+, 這類離子電位大的陽離子(P5+、N5+、S6+), 形成非常強的化學鍵, 又被稱為高場強元素, 活動性較強, 也易于遷移。例如含五價態P的P2O5(π=14.71), 其離子電位較高, 遷移活動性較強, 使得該元素在沉積物中分散較為均勻; 因此從表1和圖3可知, 在走廊帶上除了在內蒙古半干旱草原上整體較低外,在張家口以南的地區含量增高后, 沉積物隨地質背景、地理景觀、土壤類型的變化, 整體差異不大,而只在山東蒙陰以南降雨量明顯增高(大于1 600 mm)后, P2O5的含量才有所降低, 含量的空間差異也變得相對較大。綜上所述, 影響地球化學元素含量與空間分布的因素是綜合的, 除受繼承基巖因素和后期的地理氣候條件等外因影響外,還與元素本身的地球化學性質和元素間的地球化學親和性的內因作用有關。地質背景、地理氣候等環境因素影響元素含量與空間分布, 反之, 元素的含量和空間分布也反映出地質背景、地理氣候的差異和特點; 離子電位是反映元素的地球化學親和性的量化指標, 按離子電位值對元素進行分類,可以更好地理解元素含量差異和空間分布差異元素遷移活動的內在決定因素。

3　結論

(1)在興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶上, SiO2、Al2O3兩者含量與空間分布表現出較為明顯負相關特征, 表明了這兩個主量元素作為沉積物主體此消彼長的關系特征。CaO、MgO、CO2高含量分布區則與碳酸鹽巖地層或含碳酸鹽巖礦物土壤有關, 而MgO的高含量還表現出與走廊帶上鎂鐵質基性-超基性巖有一定關系, 表明了這三個指標的高含量受特定巖性影響。Na2O含量變化較大,在走廊帶上空間分布差異較大, 而K2O的含量與空間分布表現出整體穩定而略微下降趨勢, 反映出Na2O、K2O含量除了受繼承的基巖影響外, 還受到后期的風化作用和氣候及自身地球化學性質等復雜因素綜合影響。

(2)TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5在燕山造山帶或魯西地塊地質背景復雜地區的含量變化, 較華北盆地相對要大, 這表明在經過沖積平原的沉積物混勻后, 這些指標的含量差異變小。FeO在內蒙古半干旱草原上其含量與華北克拉通相比差異并沒有TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5那么大, 表明較為干冷的氣候條件使得FeO相對不易被氧化而保存, 而在章丘以南的地區, 盡管有鎂鐵質巖石的高背景, 但隨著降雨量的增加和相對較為溫暖濕潤的氣候, 使得FeO更易被氧化而導致其含量整體較低。

(3)H2O+的含量在走廊帶上整體而言差異不大,表明北方干冷氣候條件下, 粘土礦物含水普遍較低,局部高含量位于碳酸鹽巖地層或第四系分布區。走廊帶上pH值反映了北方沉積物整體偏堿性的特征,但在章丘以南的地區, pH值降低和FeO含量降低向吻合, 表明隨著降雨量的增加, 在相對溫暖濕潤的條件下, 沉積物pH值反映出中性偏弱酸, FeO的氧化也變得更容易。

(4)興蒙造山帶—華北克拉通地球化學走廊帶沉積物的CIA值反映出在寒冷、干燥氣候條件下低等的化學風化程度, 興蒙造山帶沉積物平均風化程度相對華北克拉通沉積物的平均風化程度差異變化較小, 顯示興蒙造山帶降雨量與溫度等風化影響因素變化較小。

(5)影響沉積物元素含量和空間差異是綜合而復雜的, 除地質背景、地理景觀、降雨量等外在因素外, 還與元素本身的地球化學親和性這一決定元素遷移活動的內在因素有關, 而按離子電位值對元素進行的分類可以更好地理解沉積物含量和空間分布差異。

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

本文由國土資源部公益性行業科研專項課題“地球化學走廊帶探測實驗與示范”(編號: 201011057)資助。

2016-03-25; 改回日期: 2016-05-20。責任編輯: 魏樂軍。

唐坤, 男, 1988年生。博士研究生。主要從事應用地球化學數據處理與應用方面的研究工作。通訊地址: 065000, 河北省廊坊市金光道84號。電話: 0316-2267623。E-mail: tangkun08@126.com。

王學求, 男, 1962年生。研究員。從事勘查地球化學和全球地球化學基準研究工作。E-mail: wangxueqiu@igge.cn。