河流過(guò)程對(duì)小型集水區(qū)沉積物地球化學(xué)與重礦物組成的影響

摘 要 【目的】河流沉積物記錄了豐富的源區(qū)信息，對(duì)于探究流域源區(qū)風(fēng)化、搬運(yùn)—沉積循環(huán)及母巖成分具有重要意義。與整合了不同風(fēng)化機(jī)制并包含復(fù)雜巖石類型的大型流域不同，小型河流具有相似的氣候和巖性背景，對(duì)研究沉積物物質(zhì)組成有重要研究?jī)r(jià)值。【方法】為了探究河流過(guò)程對(duì)沉積物物質(zhì)組成的影響，將從巴蘭河上游到下游的邊灘上獲取的8個(gè)樣品進(jìn)行分粒級(jí)處理（lt;63 μm、63～125 μm、125～250 μm），將小于63 μm的樣品進(jìn)行地球化學(xué)測(cè)試（常量、微量、稀土和Sr-Nd同位素），63～125 μm和125～250 μm的樣品進(jìn)行重礦物測(cè)試。【結(jié)果】巴蘭河沉積物經(jīng)歷了較低的化學(xué)風(fēng)化作用、成熟度較低，處于初次循環(huán)沉積，物源主要來(lái)源于長(zhǎng)英質(zhì)母巖。物源指標(biāo)（La/Sc、Co/Th、Cr/Th、Th/Sc）和Sr-Nd同位素組成總體變化較小，能夠代表巴蘭河總體流域特征。【結(jié)論】巴蘭河樣品呈現(xiàn)出一致的化學(xué)風(fēng)化程度、成熟度、再循環(huán)特征、母巖特征，這說(shuō)明河流過(guò)程并沒(méi)有對(duì)巴蘭河沉積物的地球化學(xué)組成造成明顯影響。重礦物經(jīng)過(guò)河流的搬運(yùn)后稀釋混合，不同河段及不同粒級(jí)組分的重礦物明顯呈現(xiàn)不同的含量組成，表明短距離的搬運(yùn)很難使重礦物均勻分配到不同粒級(jí)組分。因此，在進(jìn)行河流源—匯系統(tǒng)研究時(shí)，少數(shù)的樣品很難代表整個(gè)流域的重礦物組成，即便是在小型河流中。另外，強(qiáng)調(diào)了Sr-Nd同位素與不活動(dòng)元素比值結(jié)合可以有效進(jìn)行河流物源示蹤。

關(guān)鍵詞 巴蘭河；河流過(guò)程；地球化學(xué)組成；重礦物；Sr-Nd同位素

第一作者簡(jiǎn)介 趙慧瑩，女，1998年出生，碩士研究生，第四紀(jì)地質(zhì)與環(huán)境變化，E-mail： 18746917868@163.com

通信作者 謝遠(yuǎn)云，男，教授，E-mail： xyy0451@hrbnu.edu.cn

中圖分類號(hào) P595 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

河流作為陸源碎屑物向沉積區(qū)搬運(yùn)的主要通道，是陸源物質(zhì)遷移的重要途徑。河流沉積物記錄了豐富的地形、古氣候、古環(huán)境以及構(gòu)造活動(dòng)和地殼演化等多種信息，能很好地反映流域物質(zhì)組成，是沉積物源—匯系統(tǒng)研究的重要載體[1?4]。然而沉積物在搬運(yùn)和沉積過(guò)程中常發(fā)生分選作用，具有相同沉降速度的顆粒沉積在一起。沉積物中的礦物因其粒度、形狀和密度的差異而被分選，這在很大程度上導(dǎo)致沉積物礦物組成和化學(xué)成分發(fā)生了改變[5?7]。因此，對(duì)河流沉積物的地球化學(xué)元素和重礦物組成進(jìn)行研究，對(duì)了解河流地質(zhì)過(guò)程具有重要意義。

大部分對(duì)河流物源分析的工作都是針對(duì)流域面積廣闊、支流水系發(fā)達(dá)、環(huán)境較為復(fù)雜的大河流域，這些大河甚至貫穿多個(gè)地貌單元和構(gòu)造帶。例如，長(zhǎng)江作為鏈接亞洲季風(fēng)系統(tǒng)以及青藏高原構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的紐帶，流經(jīng)了廣闊的大陸克拉通區(qū)域，其沉積物不僅記錄了沉積區(qū)域的環(huán)境信息，還記錄了流域多個(gè)地貌體系和構(gòu)造單元的演化信息[8?11]；黃河的形成演化則對(duì)理解東亞地貌格局發(fā)育歷史和構(gòu)造環(huán)境變化至關(guān)重要[12?14]。然而，與整合了不同風(fēng)化機(jī)制并包含復(fù)雜巖石類型的大型河流流域不同，小型集水區(qū)具有相似的氣候和巖性背景，這使研究的復(fù)雜性大大降低[6]。因此，這些小河可被視為研究河流過(guò)程對(duì)沉積物物質(zhì)組成影響的天然的沉積學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

松花江作為中國(guó)七大水系之一，是東北地區(qū)最重要的河流。20世紀(jì)70—90年代一些學(xué)者對(duì)其開(kāi)展了深入研究[15]，近年來(lái)學(xué)者對(duì)松花江進(jìn)行了重礦物分析來(lái)探討松花江的水系演化模式[7，16?17]。巴蘭河作為松花江水系的支流，流域面積較小，長(zhǎng)度較短，具有相對(duì)單一的氣候和巖性背景，為探究小型流域的河流過(guò)程提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。目前對(duì)于巴蘭河的研究?jī)H局限于與松花江支流的對(duì)比分析[17?19]，針對(duì)巴蘭河這類小型集水區(qū)的系統(tǒng)研究相對(duì)較少。本文以巴蘭河為研究對(duì)象，闡述其地球化學(xué)特征（常量、微量、稀土和Sr-Nd同位素）以及重礦物特征，揭示河流過(guò)程對(duì)小型集水區(qū)沉積物物質(zhì)組成產(chǎn)生的影響，完善了松花江水系的研究，也為今后探索其他小河流域奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

松花江水系位于松嫩平原東北部，是中國(guó)七大河流之一，主要流經(jīng)黑龍江、吉林兩省，流域面積為55.68×104 km2。松花江有南北兩源，北源為發(fā)源于大興安嶺支脈伊勒呼里山的嫩江，南源為發(fā)源于吉林省長(zhǎng)白山天池的第二松花江，兩江于三岔河匯合后稱松花江[20]。根據(jù)松花江的河道特性以及流域地形特征，可將其分為上、中、下三段。上游為松原市至哈爾濱市，全長(zhǎng)240 km；中游為哈爾濱市至佳木斯市，全長(zhǎng)432 km；下游為佳木斯市至同江市，全長(zhǎng)267 km[17，20]。根據(jù)物源對(duì)松花江水系的貢獻(xiàn)不同，可以劃分為依蘭方向河流和松原方向河流。依蘭方向河流物源主要來(lái)自小興安嶺和張廣才嶺，松原方向河流物源主要來(lái)自大興安嶺和長(zhǎng)白山西側(cè)[17]。

巴蘭河是松花江左岸支流（圖1），位于哈爾濱市東北部依蘭縣（45°50′40″～46°39′20″ N，129°11′50″～130°11′40″ E）內(nèi)。全長(zhǎng)108 km，河寬20～60 m，水深0.3～1.0 m，流域總面積為2 075 km2，每年11月中旬至次年4月上旬為結(jié)冰期。巴蘭河發(fā)源于小興安嶺余脈五華頂子北側(cè)，流經(jīng)依蘭縣并注入松花江。依蘭縣河網(wǎng)密布，河流較多，年平均氣溫3.1 ℃～3.6 ℃，松花江以北地區(qū)較以南地區(qū)低0.5 ℃。

2 材料與方法

在巴蘭河的邊灘，從上游到下游采集8個(gè)樣品（圖1），依次命名為BLH-8～BLH-1。采樣位置盡量避開(kāi)城市和可能污染源，剝?nèi)ケ砻?0 cm進(jìn)行取樣。樣品在室內(nèi)風(fēng)干后，使用200目（63 μm）標(biāo)準(zhǔn)分樣篩，獲得小于63 μm的粒度組分用于地球化學(xué)分析。使用荷蘭帕納（PANalytica）XRF（X-ray fluorescence）光譜儀進(jìn)行常量元素測(cè)試，測(cè)量誤差控制在3%以內(nèi)。使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）進(jìn)行微量、稀土元素的測(cè)試。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)度，測(cè)量過(guò)程中添加國(guó)際標(biāo)樣、空白樣品及重復(fù)樣進(jìn)行分析[21]，測(cè)試準(zhǔn)確度、精度和不確定度（相對(duì)偏差）均小于2%[22?23]。采用標(biāo)準(zhǔn)離子交換方法進(jìn)行Sr和Nd的分離，并分別使用86Sr/88Sr=0.119 4 和146Nd/144Nd=0.721 9，將Sr和Nd同位素比值標(biāo)準(zhǔn)化以校正質(zhì)量分?jǐn)?shù)。通過(guò)定期使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)樣品NBS 987和JMC進(jìn)行儀器的準(zhǔn)確度測(cè)試，Sr、Nd同位素測(cè)試平均值分別為87Sr/86Sr=0.710 250±7（2σ）和143Nd/144Nd=0.512 109±3 （2σ）。εNd（0）值（Nd同位素組成）采用球粒隕石均一源（CHUR）現(xiàn)代值143Nd/144Nd=0.512 638 計(jì)算。整個(gè)流程的化學(xué)分析空白為：Srlt;1 ng，Ndlt;50 pg。元素地球化學(xué)測(cè)試和Sr?Nd 同位素的測(cè)定在蘭州大學(xué)進(jìn)行。

此外，這8 個(gè)樣品被干篩分成63～125 μm 和125～250 μm兩個(gè)粒度組分用于重礦物分析。首先將重礦物樣品烘干并稱重后，利用三溴甲烷（密度為2.89 g/cm3）分離重礦物樣品，用酒精反復(fù)沖洗分離得到的樣品，烘干后（60 ℃恒溫）再次稱重[21，24?25]，最后用薄紙包住永久磁鐵反復(fù)磁吸，得到重礦物的無(wú)磁、電磁、強(qiáng)磁部分，將分離出來(lái)的重礦物部分放在雙目鏡下進(jìn)行鑒定，每個(gè)重礦物樣品鑒定顆粒數(shù)在900粒以上[23，26]。重礦物鑒定在廊坊誠(chéng)信地質(zhì)公司進(jìn)行。

3 結(jié)果

3.1 地球化學(xué)元素特征

巴蘭河沉積物的化學(xué)成分以SiO2（69.40%）、Al2O3（14.64%）和Fe2O3（3.97%）為主，相較于UCC（上地殼），MnO和TiO2輕微富集，MgO、CaO和P2O5呈現(xiàn)虧損狀態(tài)，F(xiàn)e2O3 和Na2O 呈現(xiàn)出較大可變性，SiO2、Al2O3、K2O 與UCC 含量相似（圖2）。CaO 的含量在BLH-8樣品以及BLH-6樣品出現(xiàn)高值；Na2O在BLH-7樣品以及BLH-3樣品出現(xiàn)高值；Fe2O3在BLH-2樣品出現(xiàn)高值；其余元素樣品間差異較小。

巴蘭河沉積物微量元素與UCC相比（圖2），微量元素中Zr、Hf呈現(xiàn)富集狀態(tài)，Y、Th、U部分富集，其余元素全部虧損。BLH-2樣品的Sc、V、Co、Ni、Zn、Nb值顯著大于其他樣品。Zr在BLH-1樣品和BLH-2樣品的含量顯著高于其他樣品。Rb在BLH-7樣品含量高于其他樣品。Y、Th、U、Hf在BLH-2樣品、BLH-7樣品中含量高于其他樣品，其余微量元素差異不明顯。

巴蘭河沉積物稀土總量（ΣREE）為101.15×10-6，低于UCC（平均值146.37×10-6）和后太古宙頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)值（PAAS：184.77×10-6）[27]；輕稀土（LREE）富集，平均值為88.45×10-6；重稀土（HREE）豐度較低，平均值為12.70×10-6（圖2）。輕稀土與重稀土比值為5.15～8.78，平均為6.97；Eu/Eu* =0.46×10-6，Ce/Ce* =0.93×10-6，表明巴蘭河存在Eu、Ce負(fù)異常。（La/Sm）N 值介于3.26～3.78，平均為3.52，表明輕稀土間分餾程度較強(qiáng)；（Gd/Yb）N 值介于0.87～1.39，平均為1.19，表明重稀土間分餾程度較弱；（La/Yb）N 值介于3.74～8.19，平均為6.16，稀土配分曲線為右傾型，表明輕稀土富集，重稀土虧損。就稀土元素而言，BLH-7 樣品、BLH-6樣品與BLH-2樣品的值明顯高于其他樣品。

巴蘭河的87Sr/86Sr比值比較穩(wěn)定，介于0.705 130～0.714 083，平均為0.711 931，與松花江依蘭方向支流樣品的87Sr/86Sr 比值相吻合[19]。143Nd/144Nd 值介于0.512 335～0.512 402，平均為0.512 367。εNd（0）值介于-5.914～-4.604，平均為-5.277（表1）。

3.2 重礦物組合特征

利用沉積物的重礦物類型和組成來(lái)判斷源區(qū)是探討河流過(guò)程的重要手段[25，28]。在河流沉積物中，由于重礦物具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐磨蝕等特性，因此在風(fēng)化、搬運(yùn)以及成巖過(guò)程中受到的影響相對(duì)較弱，能夠較多地保留母巖信息[29]。巴蘭河重礦物分為兩個(gè)粒度組分（圖3）：63～125 μm、125～250 μm，檢查出的重礦物有16種，其中菱鐵礦僅在個(gè)別樣品中出現(xiàn)，為偶見(jiàn)礦物。

巴蘭河（63～125 μm）的重礦物以角閃石（22.12%～55.06%）、鐵磁性礦物（6.17%～22.16%）和榍石（10.09%～18.37%）為主，占72.96%；鈦鐵礦（3.60%～18.32%）、綠簾石（1.72%～11.30%）、鋯石（0.45%～5.01%）、石榴子石（0.33%～4.27%）、赤褐鐵礦（1.33%～3.96%）次之，占20.57%；其他礦物占6.47%。在125～250 μm組分中（圖3），巴蘭河的重礦物以角閃石（36.21%～53.39%）、榍石（12.04%～35.97%）和綠簾石（2.68%～26.21%）為主，占75.96%；鈦鐵礦（0.21%～14.25%）、鐵磁性礦物（1.08%～17.50%）、赤褐鐵礦（0.27%～3.52%）、石榴子石（0.48%～2.62%）、白鈦石（0.10%～4.83%）次之，占16.79%；其他重礦物均不足1%。

4 討論

沉積物的地球化學(xué)組成主要受物源區(qū)母巖性質(zhì)和構(gòu)造背景的影響，但是河流沉積物在搬運(yùn)過(guò)程中還會(huì)受到化學(xué)風(fēng)化、搬運(yùn)方式和介質(zhì)、遷移距離、分選作用、再循環(huán)等影響，給利用沉積物的地球化學(xué)特征進(jìn)行物源分析及成巖構(gòu)造背景判別帶來(lái)多解性與復(fù)雜性[30]。為了評(píng)估小型河流過(guò)程是否會(huì)對(duì)來(lái)自同一物源區(qū)的沉積物地球化學(xué)與重礦物組成造成影響，為此我們從沉積物的化學(xué)風(fēng)化特征、成熟度、再循環(huán)特征以及母巖特征來(lái)探究河流過(guò)程對(duì)地球化學(xué)組成的影響，結(jié)合河流的分選作用探究河流過(guò)程對(duì)沉積重礦物組成的影響。

4.1 沉積物化學(xué)風(fēng)化特征與成熟度

河流沉積物的化學(xué)組成可以敏感地反映流域化學(xué)風(fēng)化程度，而沉積物風(fēng)化指數(shù)不僅會(huì)受到風(fēng)化強(qiáng)度的影響，還會(huì)受到沉積物侵蝕、搬運(yùn)和沉積過(guò)程中水力過(guò)程的干擾[5，31?32]，這些風(fēng)化指數(shù)不僅記錄了沉積物搬運(yùn)和沉積過(guò)程中的水力分選效應(yīng)，還反映了流域完整的風(fēng)化歷史[6，33]。

Nesbitt et al.［34］為了評(píng)價(jià)沉積物的風(fēng)化程度，提出了化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）：

CIA = 100 × [Al2O3/（Al2O3 + CaO* + Na2O +K2O） ] （1）

式中：各氧化物均為氧化物分子摩爾數(shù)，其中CaO*為不包含碳酸鹽和磷酸鹽內(nèi)CaO的硅酸鹽礦物中的摩爾含量。

CIA的值越大，沉積物的化學(xué)風(fēng)化程度越強(qiáng)，CIA介于50～60代表初等程度的化學(xué)風(fēng)化，CIA介于60～80代表中等程度的化學(xué)風(fēng)化，CIA介于80～100代表強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化程度。巴蘭河沉積物的CIA值介于42.77～58.19（圖4），平均為51.16，說(shuō)明巴蘭河經(jīng)歷了程度較弱的化學(xué)風(fēng)化。

WIP是Parker[35]最先提出的評(píng)價(jià)硅酸鹽巖風(fēng)化強(qiáng)度的指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算堿金屬和堿土金屬元素在風(fēng)化產(chǎn)物中所占的比例來(lái)判斷化學(xué)風(fēng)化程度。

WIP = 100 × （CaO*/0.7 + 2Na2O/0.35 +2K2O/0.25 + MgO/0.9） （2）

WIP 值越小，風(fēng)化作用越強(qiáng)[33，36?37]。巴蘭河的WIP值介于54.00～99.94（圖5），平均為71.84，反映了巴蘭河風(fēng)化程度較弱。

在A-CN-K圖中（圖4），根據(jù)元素的遷移順序，風(fēng)化作用可分為以下三個(gè)階段：早期斜長(zhǎng)石風(fēng)化，表現(xiàn)為風(fēng)化趨勢(shì)線平行于A-CN線指向A；中期鉀長(zhǎng)石和伊利石風(fēng)化，斜長(zhǎng)石消失，表現(xiàn)為風(fēng)化趨勢(shì)線平行于A-K線；晚期殘余風(fēng)化產(chǎn)物（高嶺石、三水鋁石以及綠泥石），表現(xiàn)為產(chǎn)物集中分布在A點(diǎn)[33，38]。巴蘭河樣品分布在斜長(zhǎng)石與鉀長(zhǎng)石附近，風(fēng)化趨勢(shì)線平行于A-CN線指向A點(diǎn)，樣品點(diǎn)全部低于PAAS，說(shuō)明樣品經(jīng)歷了較低的化學(xué)風(fēng)化作用。

氧化物比值可以用來(lái)表征樣品之間的差異，黏土礦物和非黏土硅酸鹽礦物的特點(diǎn)是氧化鋁的比例差別很大。Cox et al. [37]定義成分可變性指數(shù)ICV（Index of Compositional Variability），用于測(cè)量巖石或礦物中氧化鋁相對(duì)于其他主要陽(yáng)離子的豐度。ICV也可用于泥巖作為成分成熟度的測(cè)量，成分成熟的泥巖缺乏非鈣硅酸鹽或以礦物（如kandite族的礦物）為主，將具有低值。成分不成熟的泥巖往往出現(xiàn)在構(gòu)造活躍的環(huán)境中，將具有高值，這里的Fe2O3為總鐵含量[33，37，39?40]。

ICV = （CaO + K2O + Na2O + Fe2O3 + MgO +TiO2 + MnO）/Al2O3 （3）

成分不成熟的沉積物具有高ICV值（gt;1），而成分成熟的沉積物具有低ICV值（lt;1）。巴蘭河的ICV均值為1.08，說(shuō)明樣品具有高的ICV值，沉積物成熟度低。

SiO2/Al2O3、Al2O3/Na2O和K2O/Na2O比值亦是判斷沉積物成熟度的指標(biāo)，高比值（分別大于6、大于5和大于1）表明沉積物成熟度高[37]。較低的K2O/Na2O比值表明，源區(qū)主要是演化程度較低的富含斜長(zhǎng)石的巖石[41?42]。此外，碎屑沉積物中的K2O/Al2O3比值可以指示堿性長(zhǎng)石相對(duì)于鋁硅酸鹽的豐度。K2O/Al2O3大于0.5表明有大量的堿性長(zhǎng)石，而小于0.5表明堿性長(zhǎng)石相對(duì)于鋁硅酸鹽有所減少[37]。巴蘭河沉積物SiO2/Al2O3 值介于4.51～5.01，平均為4.75；Al2O3/Na2O值介于1.83～5.10，平均為3.56；K2O/Na2O 值介于0.42～0.95，平均為0.73；三者的低比值都表明巴蘭河沉積物的成分成熟度較低。

綜合巴蘭河沉積物的CIA、WIP、A-CN-K圖、ICV以及SiO2/Al2O3、Al2O3/Na2O和K2O/Na2O比值，表明巴蘭河沉積物經(jīng)歷了較低的化學(xué)風(fēng)化作用，成熟度較低。從巴蘭河沉積物的化學(xué)風(fēng)化特征以及成熟度的指標(biāo)上看，這8個(gè)樣品并沒(méi)有明顯變化，表明河流過(guò)程對(duì)巴蘭河沉積物本身的化學(xué)風(fēng)化特征以及成熟度影響較小。

4.2 沉積物再循環(huán)特征

在化學(xué)風(fēng)化水平高的地區(qū)，初次循環(huán)下的沉積物CIA/WIP值一般小于10，而多次循環(huán)下的沉積物CIA/WIP比值一般大于10，甚至可以達(dá)到100[5]。巴蘭河的CIA/WIP 值介于0.43～1.08（圖5），平均為0.76，所有值均小于10，遠(yuǎn)低于初次與多次循環(huán)的臨界點(diǎn)（CIA/WIP=10），說(shuō)明巴蘭河樣品處于初次循環(huán)。

Ohta[43]提出，SiO2/Al2O3 和Na2O/K2O 比值在分選過(guò)程中對(duì)石英、鈉長(zhǎng)石和伊利石的分餾非常敏感。SiO2/Al2O3與Na2O/K2O二元圖解（圖5）可通過(guò)沉積分選作用對(duì)沉積物化學(xué)組成的影響來(lái)判斷沉積物的來(lái)源及沉積再循環(huán)特征。該二元圖解可被用來(lái)度量區(qū)分首次循環(huán)和再循環(huán)沉積：直接來(lái)源于巖漿巖源區(qū)的沉積物（初次循環(huán)）的化學(xué)組成形成一條垂直的線性趨勢(shì)線；而直接來(lái)源于沉積巖源區(qū)的沉積物（再循環(huán)沉積）的化學(xué)組成會(huì)形成一條水平的線性趨勢(shì)線。從巴蘭河樣品的二元圖解來(lái)看，樣品分布呈現(xiàn)垂直狀態(tài)，說(shuō)明巴蘭河樣品處于初次循環(huán)。

綜合巴蘭河沉積物的CIA/WIP比值、SiO2/Al2O3與Na2O/K2O二元圖解，巴蘭河沉積物的再循環(huán)特征指標(biāo)值變化較小，均指示為初次循環(huán)沉積，河流過(guò)程對(duì)巴蘭河沉積物的再循環(huán)特征影響較小。

4.3 母巖性質(zhì)

巴蘭河作為松花江的支流，對(duì)于它的母巖性質(zhì)研究?jī)H局限于從重礦物方向闡述，針對(duì)其地球化學(xué)方面的研究尚未涉及。由巴蘭河的地理位置可知其為依蘭方向河流，物源主要來(lái)自小興安嶺東南側(cè)[7，17，44]。而小興安嶺的巖性以花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖和變質(zhì)巖為特征[44]。巴蘭河作為一條氣候與巖性背景相對(duì)單一的小型河流，8個(gè)樣品能否準(zhǔn)確判別其母巖類型，能否對(duì)應(yīng)實(shí)際的地質(zhì)情況，河流過(guò)程是否會(huì)改變沉積物攜帶的母巖性質(zhì)，其結(jié)果能為未來(lái)探究小型河流源區(qū)時(shí)提供一定的依據(jù)。

不活動(dòng)元素及其比值在長(zhǎng)英質(zhì)和鐵鎂質(zhì)源巖中存在顯著差異，常被用來(lái)示蹤物源[23，45?47]。相容元素和不相容元素在母巖中的相對(duì)比值可以確定母巖性質(zhì)：過(guò)渡元素（Ni、Sc、V、Co、Cr）等富集在基性母巖（鐵鎂質(zhì)）中[46]；而高場(chǎng)強(qiáng)元素（Y、Zr、Hf、Nb、Ta、Th、U）為不相容元素，主要富集在酸性母巖（長(zhǎng)英質(zhì)）中[48]。因此，元素比率和基于這些元素的圖解對(duì)于區(qū)分沉積物來(lái)源是非常有效的。在Co/Th-La/Sc圖解中（圖6a）[49]，樣品投點(diǎn)在長(zhǎng)英質(zhì)火山巖附近，且樣品的Co/Th小于1；在Cr/Th-Th/Sc二元圖解中（圖6b），樣品的Cr/Th值和Th/Sc值，分別介于0.73～2.74（平均為2.06）、0.64～2.22（平均為1.20），從圖上可看出巴蘭河沉積物主要在長(zhǎng)英質(zhì)火山巖附近。

在TiO2-Zr雙變量圖中（圖6c）[50]，樣品點(diǎn)全部分布在長(zhǎng)英質(zhì)火成巖區(qū)域，表明所研究的巴蘭河沉積物物源巖具有長(zhǎng)英質(zhì)火成巖性質(zhì)。Roser et al.[51]提出了一個(gè)用7 種常量元素組成兩組判別函數(shù)（DF1、DF2）用來(lái)確定4種不同來(lái)源成分的物源鑒別圖（圖6d），在此圖中巴蘭河沉積物全部分布在長(zhǎng)英質(zhì)火成巖物源區(qū)。

在Co/Th-La/Sc、Cr/Th-Th/Sc、TiO2-Zr二元圖圖解以及判別函數(shù)圖上，樣品幾乎全部落入長(zhǎng)英質(zhì)火成巖源區(qū)范圍內(nèi)，指示巴蘭河沉積物物源主要來(lái)源于長(zhǎng)英質(zhì)火成巖。將巴蘭河沉積物樣品的母巖特征與小興安嶺的巖性[7]進(jìn)行對(duì)比，其母巖特征與現(xiàn)今物源區(qū)出露的巖石特征基本一致。8個(gè)樣品足以判別其母巖類型，河流過(guò)程并沒(méi)有改變巴蘭河沉積物攜帶的母巖性質(zhì)，能夠很好地反映物源。

4.4 河流地質(zhì)過(guò)程對(duì)地球化學(xué)組成的影響

Sr-Nd同位素比值在示蹤沉積物的物源和搬運(yùn)方面具有巨大的潛力，Sr同位素分餾對(duì)風(fēng)化條件的變化和遷移過(guò)程的差異很敏感，一般認(rèn)為會(huì)受到化學(xué)風(fēng)化和粒度效應(yīng)的影響。而Nd同位素比值僅與源巖的性質(zhì)有關(guān)，基本不受粒度分異和化學(xué)風(fēng)化的影響。因此，Sr-Nd同位素比值變化幅度的大小能夠作為河流過(guò)程是否影響沉積物地球化學(xué)組成的判斷依據(jù)之一[52]。

87Sr/86Sr 和143Nd/144Nd 比值被廣泛用于地球化學(xué)示蹤[24，53]，87Sr單方向增長(zhǎng)并以86Sr作為比較基礎(chǔ)，根據(jù)等時(shí)線外推或含Sr礦物測(cè)定得到地質(zhì)體形成時(shí)的初始87Sr/86Sr來(lái)示蹤其物質(zhì)來(lái)源[54]。Nd同位素比較穩(wěn)定，不易受到風(fēng)化、搬運(yùn)、堆積以及后期成巖影響，能真實(shí)反映母巖特征。Nd同位素組成的差異是由于不同環(huán)境中其放射性母體含量的差異長(zhǎng)期積累或演化造成的。εNd值指Nd同位素的初始值相對(duì)于球粒隕石質(zhì)地幔演化值的偏差[54]。

從不同樣品之間的87Sr/86Sr比值差異來(lái)看（表1），只有樣品之間的差異大于0.000 050時(shí)，才被認(rèn)為不同樣品之間的絕對(duì)Sr同位素差異具有地質(zhì)意義。也有不同的觀點(diǎn)認(rèn)為，如果樣品之間的87Sr/86Sr比值的差異在0.001 500 以內(nèi)，則Sr 同位素組成是相同的[52，55?56]。巴蘭河的87Sr/86Sr 值從0.705 160 614 到0.714 082 914，最大差值為0.008 952 299，最小差值為0.000 400 076。BLH-2樣品與其他樣品的Sr具有明顯差異。相比之下，BLH-8樣品和BLH-7樣品只能與其余樣品發(fā)生部分差異，其余樣品間差異不大，說(shuō)明其余樣品之間不具有地質(zhì)意義上的差異。總體來(lái)說(shuō)，Sr同位素僅在個(gè)別樣品間產(chǎn)生差異，大部分樣品之間不具有地質(zhì)意義上的差異。

從Nd同位素的變化范圍來(lái)看（表1），143Nd/144Nd值的變化不大，最低值為4.6，最高值為5.9。對(duì)于143Nd/144Nd之間εNd（0）值差異來(lái)看，目前認(rèn)為只有當(dāng)樣品間εNd（0）值的差異大于1ε 單位時(shí)，Nd同位素組成才會(huì)發(fā)生本質(zhì)變化或出現(xiàn)同位素異常[57]，這種Nd同位素變化才是由地質(zhì)作用而不是實(shí)驗(yàn)誤差觸發(fā)的[53]。從上游到下游的樣品中，樣品之間εNd（0）最大差值為1.31ε，最小差值為0.03ε，僅有兩個(gè)樣品超過(guò)1ε。樣品間εNd（0）差值較小，變化不明顯。所以可以認(rèn)為整條巴蘭河的Nd同位素很穩(wěn)定，Nd同位素不易受到風(fēng)化搬運(yùn)堆積以及后期成巖影響，能真實(shí)反映流域母巖特征，8個(gè)樣品可以代表巴蘭河的Nd同位素特征。

河流過(guò)程對(duì)地球化學(xué)組成的影響體現(xiàn)在多個(gè)方面，包括化學(xué)風(fēng)化特征、再循環(huán)特征以及母巖性質(zhì)特征。在巴蘭河樣品中，常量元素、微量元素變化不明顯，不活動(dòng)元素比值La/Sc、Co/Th、Cr/Th、Th/Sc（圖6）和Sr-Nd同位素（表1）總體上變化較小，能夠很好地示蹤物源。樣品呈現(xiàn)出一致的化學(xué)風(fēng)化程度、成熟度、再循環(huán)特征、母巖特征，這說(shuō)明河流過(guò)程對(duì)地球化學(xué)組成的影響較小。雖然物源示蹤指標(biāo)ΣLREE、ΣHREE、ΣREE、LREE/HREE 以及化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)CIA、CIA/WIP在BLH-2樣品出現(xiàn)最高值，但附近的BLH-1、BLH-3號(hào)樣品卻沒(méi)有出現(xiàn)BLH-2樣品的高值現(xiàn)象，推測(cè)可能BLH-2樣品的稀土元素與風(fēng)化指標(biāo)的高值受到了人為因素的影響。

巴蘭河的8個(gè)樣品地球化學(xué)組成變化不大，雖然BLH-2樣品的稀土元素與風(fēng)化指標(biāo)出現(xiàn)高值，但并不影響最后的物源判別，單一樣品能夠代表巴蘭河總體的地球化學(xué)特征，但在選擇樣品數(shù)量時(shí)也要考慮人為因素的影響。對(duì)于流域面積較小、氣候相似、巖性背景單一的巴蘭河而言，河流過(guò)程沒(méi)有對(duì)巴蘭河沉積物的地球化學(xué)組成造成明顯影響，可以準(zhǔn)確恢復(fù)源區(qū)母巖性質(zhì)。

4.5 河流地質(zhì)過(guò)程對(duì)重礦物組成的影響

從巴蘭河上游到下游，河床寬度越來(lái)越寬，河床沙出現(xiàn)的規(guī)模也越來(lái)越大，河床沙顆粒的磨圓度也越來(lái)越好。在63～125 μm組分中，角閃石、鐵磁性礦物、榍石、鈦鐵礦富集，重礦物組合為角閃石+鐵磁性礦物+榍石+鈦鐵礦+綠簾石+鋯石+石榴子石，金紅石、電氣石、菱鐵礦僅在個(gè)別樣品出現(xiàn)。在125～250μm組分中，角閃石、榍石、綠簾石、鈦鐵礦富集，重礦物組合為角閃石+榍石+綠簾石+鈦鐵礦+鐵磁性礦物+赤褐鐵礦+石榴子石，鋯石、銳鈦礦、金紅石、電氣石、菱鐵礦、磁鐵礦僅在個(gè)別樣品中出現(xiàn)。不同粒徑組分重礦物組成不同，對(duì)比兩個(gè)粒度組分的重礦物含量可以看出，榍石、石榴子石、綠簾石、鈦鐵礦、磁鐵礦存在明顯差別，但兩粒級(jí)組分的重礦物組合類似。

同一粒度組分不同河段的重礦物含量則波動(dòng)變化（圖3），呈現(xiàn)出明顯差異，特別是金紅石、電氣石只在下游穩(wěn)定出現(xiàn)，菱鐵礦僅在個(gè)別樣品（BLH-2）出現(xiàn)。在物源相同的條件下，巴蘭河樣品表現(xiàn)出不同的礦物組成。同一粒徑不同河段出現(xiàn)明顯的重礦物缺失（金紅石、電氣石），同一河段不同粒徑也出現(xiàn)重礦物缺失的現(xiàn)象（鋯石、金紅石、銳鈦礦、磁鐵礦）。當(dāng)某些重礦物只局限分布在某一樣品、某一粒度組分中，單一窗口或者過(guò)少樣品都很難準(zhǔn)確得到源區(qū)母巖重礦物組成。因此，為了準(zhǔn)確獲得源區(qū)母巖信息，樣品的數(shù)量非常重要。對(duì)于巴蘭河的8個(gè)重礦物樣品而言，單一樣品或者過(guò)少樣品都很難代表整條河流的重礦物特征，河流在搬運(yùn)過(guò)程中由于水動(dòng)力分選作用對(duì)重礦物組成造成較大影響。那么，穩(wěn)定重礦物比值能否消除重礦物粒度效應(yīng)的影響，這對(duì)于進(jìn)一步探討小型流域河流過(guò)程對(duì)重礦物的影響提供幫助。

重礦物組合在河流搬運(yùn)以及沉積過(guò)程中會(huì)受到諸如機(jī)械磨損、化學(xué)溶蝕和水動(dòng)力分選等因素的影響，導(dǎo)致物源判斷準(zhǔn)確性不足[17，58]。在相似的水動(dòng)力條件下，穩(wěn)定重礦物比值能夠在物源示蹤過(guò)程中最大限度地消除礦物的粒度效應(yīng)的影響[17]，較好地反映沉積物的成熟度并反映物源特征[58?59]，這些比值被稱為重礦物特征指數(shù)。如：ZTR指數(shù)、ATi指數(shù)、GZi指數(shù)。公式如下：

ZTR指數(shù)= 鋯石% + 電氣石% + 金紅石% （4）

ATi指數(shù)= 100 × 磷灰石%／磷灰石% + 電氣石% （5）

GZi指數(shù)= 100 × 石榴子石%／石榴子石% + 鋯石% （6）

隨著粒徑的增大，巴蘭河的ZTR指數(shù)值減小（除BLH-3 樣品）、ATi 值減小、Gzi 值增大（圖7）。63～125 μm 粒度組分的樣品ZTR 指數(shù)明顯高于125～250 μm粒度組分（除BLH-3樣品），這說(shuō)明細(xì)顆粒組分的成熟度更高。河流分選作用同時(shí)作用于粗細(xì)顆粒，但細(xì)顆粒組分搬運(yùn)距離更遠(yuǎn)，更易被風(fēng)化磨蝕，使細(xì)顆粒組分的成熟度更高[24]。而125～250 μm粒度組分的ATi指數(shù)相比于63～125 μm粒度組分較低的原因可能是由于水動(dòng)力分選作用，粗顆粒組分沉積速率較快，風(fēng)化程度弱，ATi指數(shù)較低[24]。石榴子石富集于125～250 μm組分，分選作用下的石榴子石優(yōu)先富集于粗顆粒組分，使GZi指數(shù)高于細(xì)顆粒組分。從巴蘭河沉積物的重礦物特征指數(shù)上看，其值明顯受到粒度效應(yīng)的影響，重礦物特征指數(shù)無(wú)法最小化或者消除由粒度效應(yīng)帶來(lái)的偏差，這說(shuō)明河流沉積物從上游到下游的搬運(yùn)和沉積過(guò)程中，在水動(dòng)力的作用下進(jìn)行分選，粗、細(xì)顆粒發(fā)生分離，從而導(dǎo)致混合礦物分離進(jìn)入不同粒級(jí)組分，不同河段的重礦物組成存在顯著差異，很難根據(jù)較少樣品代表整條巴蘭河的重礦物特征[17]。兩個(gè)組分的重礦物呈現(xiàn)不同的含量組成，明顯體現(xiàn)河流作用對(duì)重礦物組成的影響。

5 結(jié)論

（1） 巴蘭河沉積物在河流搬運(yùn)過(guò)程中因礦物分選而發(fā)生了顯著變化。河流沉積物在搬運(yùn)和沉積過(guò)程中，由于水動(dòng)力分選作用，粗、細(xì)顆粒發(fā)生分離，從而導(dǎo)致混合礦物分離進(jìn)入不同粒級(jí)組分，不同河段不同組分的重礦物組成存在顯著差異，這種差異明顯體現(xiàn)了小型集水區(qū)河流搬運(yùn)作用對(duì)重礦物組成的影響。

（2） 巴蘭河沉積物的87Sr/86Sr和143Nd/144Nd及不活動(dòng)元素比值變化較小，所有指標(biāo)均指示巴蘭河沉積物經(jīng)歷了較弱程度的化學(xué)風(fēng)化作用、成熟度較低，處于初次循環(huán)，其物源主要來(lái)源于長(zhǎng)英質(zhì)火成巖。河流過(guò)程沒(méi)有對(duì)巴蘭河沉積物的地球化學(xué)組成造成明顯影響，可以準(zhǔn)確恢復(fù)源區(qū)母巖性質(zhì)。

（3） 從巴蘭河整體的重礦物特征以及地球化學(xué)組成來(lái)看，重礦物在不同粒度組分的變化較為明顯。對(duì)于大型河流而言，長(zhǎng)距離搬運(yùn)不能在不同粒徑中均勻混合重礦物，而對(duì)于小型河流巴蘭河而言，短距離的搬運(yùn)更難均勻混合重礦物。在地球化學(xué)組成上，Sr-Nd同位素與不活動(dòng)元素比值結(jié)合能夠較好地反映巴蘭河的物源。因此，在研究小型河流時(shí)，過(guò)少的樣品很難代表整個(gè)流域的重礦物組成。相比于重礦物而言，地球化學(xué)組成能夠較好地進(jìn)行物源示蹤并反映流域情況。

致謝 對(duì)提供寶貴修改意見(jiàn)的評(píng)審專家，一并謹(jǐn)致謝忱。感謝編輯部老師的辛勤付出，使論文得以完善。地球化學(xué)組成以及Sr?Nd同位素組成得到蘭州大學(xué)甘肅省西部礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室熊聰慧、閆曉麗和陳萬(wàn)峰老師的支持，重礦物組成得到了河北廊坊誠(chéng)信地質(zhì)公司李鵬、張?jiān)频ひ约皬埮遢胬蠋煹闹С郑芯可钏肩鳌O楊、孫建華、李秋杭、侯心茹、符錦霞參與了論文寫(xiě)作討論，在此一并表示感謝。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42171006，41871013）