化學蝕變指數研究的原理與應用

鄧澄世+劉穎

關鍵詞：化學蝕變指數；化學風化程度；源巖成分；地層劃分

至今CIA的應用范圍已經逐步擴大到通過沉積物的化學蝕變指數的變化來判別沉積物沉積的古氣候環境。

2.化學蝕變指數研究的方法步驟

碎屑巖是化學蝕變指數研究的對象，而碎屑巖在搬運、沉積和成巖過程中，源巖成分存在不同程度的變化，主要為粒度和成分的分選、沉積再循環作用和成巖過程中的鉀交代作用等，其中最突出的特點是粘土礦物的增加。由于粘土礦物的豐度和鉀交代強度是影響CIA指數的關鍵因素，所以對于老地層樣品的選擇要盡量滿足要求。

2.1樣品的采集。由于古元古代之前的沉積巖不發育，沉積再循環作用對物源成分的影響很小，因此CIA最早是被廣泛應用于古元古代的碎屑巖研究。沉積再循環作用改變了物源成分，使得原巖成分中的粘土礦物的含量增加，挑選適宜于研究的碎屑巖樣品就顯得格外重要。所以，對于分選作用的排除，樣品采集應盡量選擇能代表源巖成分的細碎屑巖。

2.2樣品的處理。細碎屑巖在成巖過程中的鉀交代作用會改變掩巖石的原始成分，需要進行鉀交代作用的校正。其計算方法是：

由當細屑巖ICV>1時，表明該巖石含很少粘土礦物，代表構造活動帶的首次沉積；當細屑巖ICV<1時則表明沉積物中有大量粘土礦物，代表可能是經歷了再沉積或強化學風化條件下的首次沉積。因此，要盡可能的選取ICV>1的細屑巖作為研究對象。

3.化學蝕變指數研究的應用

3.1無量綱的數值判斷風化程度

沉積搬運過程中的分選使砂巖在化學組成上一般與源區物質有著一定的差別，所以板巖，泥巖和頁巖等細屑巖比較適合用在CIA研究上。新元古代的細屑巖在我國南方分布很廣泛，為我們運用CIA進行風化程度的判斷提供了有利條件。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的CIA值大致如圖所示。可見，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65～85之間，反映溫暖、濕潤條件下中等的化學風化程度；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的化學風化程度。在實際應用時，將所獲的新元古代沉積物的CIA值與現代沉積物的CIA值進行比較，就能大致推斷新元古代沉積物沉積時的環境與氣候特征。

3.2判斷鉀交代作用

利用A-CN-K圖解能夠揭示鉀交代作用對源巖的影響，通過對長石分解的熱力學和動力學過程和自然界風化剖面的地球化學的研究，可以得到風化剖面和與之相關的沉積物的預測風化趨勢線[1-3]，如圖1所示的SA、SA線。前寒武紀細屑巖的鉀交代作用是很普遍的成巖作用，它主要表現為（例如高嶺石）與孔隙水中的K+反應生成伊利石，外來的鉀離子加入引起了樣品點的趨勢線（CE）偏離預測的風化趨勢線（SA）。

3.3判斷源巖成分

A-CN-K圖解三角圖解對于源巖成分的判斷也是非常有用的。如果知道源巖的成分可以計算并繪制出它的風化趨勢線。反之，當知道它的風化趨勢線，就可以判斷源巖的成分，如圖1的S和S點所示。S和S點反映了源巖的斜長石和鉀長石的比例。可以將重要的基巖根據它們的化學成分投影在圖里，或根據具體的地質情況將與沉積巖成因有關的基底巖石按化學分析結果投在圖里，如圖1中的我國平均的英云閃長：巖、花崗閃長巖和花崗巖。如圖1中S點，與花崗閃長巖Gd成分較為相近，說明沉積源巖很可能來自于花崗閃長巖。在實際的應用中，根據樣品點的投影，可以得到一條樣品點的趨勢線，趨勢線與P1-Ksp連線的交點即是源巖的斜長石和鉀長石的比率。

3.4判斷沉積環境

當沉積物主元素成分變化不大或樣品點在A-CN-K三角圖中樣品點分布區域緊湊集中，表明源巖化學風化和剝蝕程度的相對穩定狀態；如果源巖主元素變化大，且三角圖解內樣品點分散又不緊湊，則體現了氣候和構造環境均處在非穩定狀態。

下圖所示地層由下到上的CIA值經歷了從50到75再到約58的變化過程，表明經歷了由寒冷干燥氣候（低等化學風化程度沉積）—溫暖濕潤氣候（中等化學風化程度沉積）—寒冷干燥氣候（低等化學風化程度）沉積的演化過程，說明該區域的沉積環境處于非穩定狀態。

3.5判斷構造運動

化學蝕變指數越大，說明母巖化學風化程度越高。構造運動可造成母巖區在短時期內強烈快速的剝蝕，引起沉積物化學蝕變指數突然降低，劇烈的構造運動過后，母巖區化學風化重新加強，化學蝕變指數明顯上升。

圖中所示化學蝕變指數在32、23.9、16Ma時期存在物理風化突然增強，化學風化減弱的突變事件，這種表現正是該時期構造運動存在的根據。

4.化學蝕變指數應用——揚子地區新元古界地層劃分

對于新元古界的劃分與對比尚存在不少未解決的問題，尤其我國南華系（即Cryogenian，成冰紀）及其相當地層的研究亦首當其沖。當前焦點是對蓮沱組的認識及其在南華系的位置問題。揚子地區南華系大體可概括為3種類型：

如果僅依巖石地層學（巖性和傳統的沉積相）原則進行分和對比，顯然可以認為峽東地區缺失南沱組之下的含Mn地層及更下的冰成混積巖。同時，將湖南石門的渫水河組與蓮沱組對比，并認為長安組之下缺失蓮沱組，甚至提出將屬于不同構造階段產物、由普遍片理化的淺變質巖組成的板溪群與蓮沱組相對比。但通過化學蝕變指數研究，石門楊家坪的渫水河組及東山峰組的CIA值分別為60～65和60～70，與更新世冰川粘土的CIA值大體一致。表明該地區自大塘坡組以下均為寒冷干燥氣候、低等化學風化條件下的產物。而渫水河組之下的板溪群老山崖組上部的CIA在70-75，顯然是溫濕氣候、中等化學風化作用的產物。對宜昌三斗坪南華系化學蝕變指數的研究表明，南沱組之下的蓮沱組并非如前人所述，而是經歷了由寒冷干燥）溫暖濕潤）寒冷干燥氣候變化所控制的沉積過程。故此提出南華系的下列劃分、對比方案。

總結：利用CIA對地層的沉積層序進行研究，將有助于我們對源巖的物質來源、成巖作用和化學風化程度進行判斷，特別是對于化學風化程度的判斷將為那個時期全球劇烈地環境變化研究提供又一重要的地球化學手段。通過對沉積古環境的識別，為地層界面的劃分、地層對比提供依據。但是其缺點在于其不能獨立的進行地層劃分和對比，只能通過CIA值在時間空間上遷移、富集的規律性變化和巖層重要邊界突變的地球化學行為，作為地層劃分、對比依據。