黑茶冰碛岩地球化学特征：大陆地壳组成及风化作用

化学风化作用能够产生碎屑颗粒，释放易溶元素到水圈，保留地壳难溶元素，并通过此过程改变地壳组成和质量(LiuandRudnick,2011;Liuetal,2013)。此外，化学风化作用释放的Ca2+与碳酸盐会发生沉淀反应，使大气中的CO2被隔离，从而达到间接控制气候的作用。从另一方面讲，温度、降雨等气候因素影响风化作用强度，因此研究古代大陆地壳经受的风化作用强度不仅能够了解上地壳的组成演化，还能够为我们提供古气候演化信息。然而现阶段国内外学者对冰碛岩保存的地壳组成、古环境及古气候信息提取甚少。因此，要想利用冰碛岩示踪古地壳组成，提取古气候和古环境信息，首要任务便是研究冰碛岩中的化学风化作用强度，分析化学风化信号来源，以此验证冰碛岩示踪大陆地壳的有效性。在此任务之后，便可以用冰碛岩示踪古地壳平均组成及风化作用演化，同时地壳的化学风化强度的时间演化可以为古气候和古环境提供重要的线索。1.2.3大陆地壳化学风化作用研究现状(1)风化作用的类型.风化作用是在地球表面进行的，是岩石圈与大气圈、水圈和生物圈相互作用之间复杂的物理及化学作用的综合(陈俊和王鹤年，2004)。风化作用主要有两种类型:化学风化作用和物理风化作用。在温暖湿润的地区，植被繁盛，富集有机酸，化学风化作用占主导，岩石和矿物在表生水、氧和二氧化碳等作用下分解，形成新物质、新化学组分和新物理性质，涉及岩石圈、大气圈、水圈和生物圈的相互作用以及元素的地球化学循环。在寒冷干燥的气候中，物理风化作用占主导，主要表现在岩石的崩解，如冻裂作用可能会将岩石机械破碎成更小的碎块，无明显化学变化(LarsonandBirkeland,1982;Faure,1991;陈俊和王鹤年，2004)。(2)化学风化作用的影响因素化学风化作用是由自然界中的水、气体以及溶于水的酸化物所控制的。水是风化过程中最活跃的因素(图1-1)，水在化学风化中的作用主要包括:溶解、搬运和沉淀天然的化合物;溶解氧、二氧化碳和酸等侵蚀剂，并参与对岩石的破坏作用;通过水合和水解作用，分解岩石中的各种矿物。化学风化作用在所有的环境下都可以发生，但在温暖湿润的环境下是最强烈的(陈俊和王鹤年，2004)。氧及二氧化碳是风化过程中起主要作用的气体。氧是风化作用的主要因素,是强氧化剂，氧分压越高氧化作用越强。水能加速氧化过程，由于水溶解了少量矿物和其他物质，使溶解物与氧气充分反应。二氧化碳部分来自大气，部分来自根呼吸作用和有机物的分解。二氧化碳易溶于水，形成碳酸，尽管酸性相对较弱，但碳酸在大部分自然环境足以成为促进化学风化作用有效中介(LarsonandBirkeland,1982;陈俊和王鹤年，2004)。另外，温度、PH值、山体隆升、植被、岩相等也是影响风化作用的重要因素(陈俊和王鹤年，2004;Walkeretal.,1981;Retallack,1990;WhiteandBulm,1995;Berneretal.,2003;Berner,2004)。陆地植被的发育会加速化学风化作用(Berneretal.,2003)。化学风化速率随温度增高呈指数增长(Walkeretal,1981;Retallack,1990;WhiteandBulm,1995)。山体隆升--般会导致高峻地形的发育，形成陡坡，增加剥蚀量，剥蚀量的增加会将更多的新鲜矿物暴露在大气中遭受化学风化作用。如果没有增加的陡坡和剥蚀量的影响，岩石表面风化形成的黏土矿物会保护内部新鲜矿物免遭化学风化作用的影响。此外，山体隆升过程中形成的山脉会形成地形雨，加快风化作用的速率(Berner,2004)。自然界中，不同矿物、岩石的风化速率不同。化学风化速率不同受不同矿物或岩石的抗风化能力强弱影响。很多常见造岩矿物相对易被化学风化，例如方解石极易溶于含弱酸的水因此风化最快。硅酸盐和铝硅酸盐矿物原子间结合紧密，抗风化能力更强，但是不同的硅酸盐和铝硅酸盐矿物风化速率也不同(图1-2)。图1-2中显示硅酸盐矿物中石英和长石抗风化能力最强，橄榄石和钙长石抗风化能力最弱。Goldich(1938)大量实验结果显示，造岩硅酸盐矿物的抗风化能力与它们在鲍文，反应序列中的位置紧密相关,造岩硅酸盐矿物的抗风化能力由强到弱的顺序为:石英、白云母、钾长石、黑云母、钠长石、角闪石、辉石、橄榄石、钙长石。从图1-2中可以看出，随着硅酸盐矿物的岩浆结晶温度下降，造岩矿物的抗风化能力增强(LarsonandBirkeland,1982;Faure,1991;陈俊和王鹤年，2004)。与硅酸盐矿物相比，硫化物和碳酸盐矿物(方解石、霞石、白云石)抗风化能力更弱，而氧化物(磁铁矿、钛铁矿、铬铁矿、金红石、锡石等)抗风化能力更强(Faure,1991;陈俊和王鹤年，2004)。岩石化学风化作用的速率主要与其组成矿物的抗风化能力和矿物颗粒大小有密切关系。例如花岗岩主要是由抗风化能力强的矿物组成，因此它比辉长岩抗风化能力强。组成颗粒大的岩石比组成颗粒小的岩石更易被化学风化(LarsonandBirkeland,1982)。(3)化学风化作用的化学反应化学风化作用涉及多种化学作用，其中最重要的为溶解作用、氧化作用和水解作用(LarsonandBirkeland,1982;Faure,1991)。溶解作用是最简单的化学风化作用，可能是化学风化过程中最早发生和显现的风化现象，如水对岩盐、硫酸盐类的直接溶解，如含碳酸的水溶液对石灰岩类的溶解。方解石在自然界中极易被溶解，反应方程式为:CaCO3+H2CO3-→Ca2+2HCO37~。钙离子和碳酸氢根离子在形成后极易被水溶解冲走。由于没有生成任何不溶于水的新组分，因此石灰岩被溶解后会形成溶洞、隧道等喀斯特地貌。石英通过水化作用而溶解:SiO2+2H2O-+H4SiO4，在PH较高情况下，硅酸有少量离解，H4SiO4->H3SiO4一+H+，因此石英的溶解度在碱性环境下增大(LarsonandBirkeland,1982;Faure,1991;陈俊和王鹤年，2004)。含铁矿物的氧化是最普遍的氧化作用。大部分岩石都有含铁矿物组分，当含铁矿物暴露在充足的氧气中时，就会发生氧化作用，岩石会由灰色慢慢氧化成红、黄、橙、红褐色等各种颜色，这是化学风化作用的一种可见标志。含铁矿物有多种氧化形式，如:4FeO+3O2-→2Fe2O3。铁被氧化后的颜色往往对其成分、颗粒大小和成因有指示作用。锰元素与铁元素行为相似，也易被氧化，但由于锰在岩石中含量较少，且锰的氧化产物多为暗褐色或者黑色，因此锰的氧化作用可见性并不显著。在沙漠地区裂隙面或岩石表面上，氧化锰薄膜很普遍。硫元素在风化作用中也易被氧化。硫化物一金属化合物中的硫的价态为-2或-1,硫元素被氧化后价态升高，但只有硫元素以正六价硫酸盐形式存在时，大气才能达到平衡。下面方程式为黄铁矿氧化的方程式:2FeS2+15/2O2+4H2O-+Fe2O3+4SO42-+8H+(LarsonandBirkeland,1982;Faure,1991;陈.俊和王鹤年，2004)。水解作用是指化合物与水反应形成弱酸或弱碱。常见造岩矿物硅酸盐矿物的风化主要是水解反应。斜长石水解作用的化学反应方程式如下:2KAISi;Os+2H++9H2O-→H4Al2SiOg+4H4SiO+2K+.斜长石在碳酸存在的情况下完全分解，铝离子、硅和氢离子形成一种粘土矿物(高岭石)。钾离子和硅酸留在溶液中，可能会被水带走。一部分钾也可能会被植物吸收或参与形成其他粘土矿物。粘土矿物种类繁多，不同的环境会形成不同的粘土矿物。如高岭石形成于水分充足的情况下，而千旱情况下，水解作用发生时最常形成的粘土矿物为蒙脱石(LarsonandBirkeland,1982;Faure,1991;陈俊和王鹤年，2004)。除以上三种作用外，化学风化作用还包括水化作用、碳酸化作用等化学反应过程。(4)化学风化作用指示剂化学风化作用有多种指示剂，最常用的指标有化学蚀变指数(CIA)、Sr/Sr*、锂同位素组成、钍铀比值(Th/U)等。其中CIA(chemicalindexofalteration)是Nesbitt和Young(1984)年提出来的化学风化作用指标(NesbittandYoung,1984)，其计算公式为CIA=Al2O3/(Al2O3+K2O+Na2O+CaO*)，式中所有氧化物的单位都是摩尔，CaO*是指硅酸盐中的钙。一般页岩的CIA值为55-80,新鲜花岗岩是50,高岭土和绿泥石是100。大部分页岩的CIA值大于70，表明易溶物质K、Na、Ca的流失导致难溶组分Al2O3百分含量增加。锶元素极易溶于水中，因此锶亏损能指示化学风化作用的存在。Sr/Sr*=Sr/(Ce*Nd)/2,其中Sr是实际测出的锶浓度，Ce、Nd分别是实际测出铈元素和钕元素的浓度,Sr*是根据Ce和Nd的浓度测出的锶元素的理论值。如果Sr/Sr*<1表明，沉积物中锶亏损，指示化学风化作用的发生。钍铀比值指示与氧气有关的化学风化作用。钍铀比值和锂同位素组成指示化学风化作用的原理将在第四章和第五章中涉及。(5)化学风化作用的意义化学风化作用的产物主要包括:1)原始矿物在风化作用(如水解作用等)过程中形成的新矿物(如粘土矿物、氧化物、氢氧化物);2)溶于水中的离子和分子;3)石英、石榴子石、锆石、白云母、自然金等源岩中抗风化能力强的矿物;4)风化作用过程中释放到大气中的惰性气体(He，Ne，Ar,Kr,Xe和Rn)和氢气、氮气、碳氢化合物等其他气体。新形成的粘土矿物、氧化物等矿物，未被风化的石英、石榴子石等抗风化能力强的矿物和源岩残留物质共同形成残余土。残余土的进-.步风化便形成了土壤，土壤是动植物生长不可或缺的营养物质的重要来源。还有一部分残余土在重力作用、流水和风侵蚀的作用下沿斜坡下滑(Faure,1991)。从地质意义_上来讲,化学风化作用是沉积物的质量从大陆沉积物向海洋沉积物转移的开始，也是某些元素地球化学循环的开始，这些元素在源区被溶解，通过河流迁移入海，在海洋中经过不同时间的停留，这些元素重新进入地壳沉积物中。因此化学风化作用不仅能分解岩石，还会影响水体的化学组成(Faure,1991)。总结而言，化学风化作用能够产生碎屑颗粒，释放易溶元素到水圈，保留地壳难溶元素，并通过此过程改变地壳组成和质量(LiuandRudnick,2011;Liuetal,2013)。化学风化作用还能够释放Ca2+,Ca2+与碳酸盐会发生沉淀反应，使大气中的CO2被隔离，从而达到间接控制气候的作用。从另--方面讲，限定古代大陆地壳经受的风化作用的强度不仅能够了解上地壳的组成演化，还能够为我们提供古气候演化信息。1.2.4风化作用对大陆上地壳组成的影响(1)风化作用对岩石质量损失及地化组分的影响Faure(1991)对比了巴西巴拉纳州新鲜和风化玄武岩的常量元素氧化物组成比例(表1-1)，与新鲜玄武岩相比，风化玄武岩含有较低比例的SiO2、CaO、MgO、Na2O、K2O、MnO和P2Os,较高比例的Ai2O3、Fe2O3、TiO2和LOI(烧失量，包括吸收的水、晶格中的水，碳酸盐中的流体包裹体和二氧化碳，硫化物中的二氧化硫)。但是需要注意的是，这个含量变化的基础是，新鲜玄武岩和风化玄武岩的主要氧化物的总量都是100,不能得到主要氧化物的绝对含量变化。因此Faure假设玄武岩风化前后的Al2O3绝对质量不变，计算了风化玄武岩中每个氧化物实际剩余质量和绝对(实际)质量损失，并在实际质量损失的基础上计算了各种氧化物风化后质量损失百分比。质量损失百分比由大到小分别是CaO和Na2O(99.6%)、MgO(97.1%)、K2O(96.5%)、P2Os(89.1%)、MnO(75.0%)、SiO2(67.6%)、TiO2(42.0%)和Fe2O3(33.5%)。也就是说玄武岩风化后主要由Al2O3、SiO2、Fe2O3和H2O组成(Faure,1991;陈俊和王鹤年，2004)。表1-1巴西巴拉纳州新鲜玄武岩与风化玄武岩成分对比表(数据来源:Faure,1991)Tabel1-1CompositioncomparisonbetweenfreshbasaltsandweatheredbasaltsofParanstateinBrazil(datasource:Faure,1991)实际应用中估算化学风化作用对大陆地壳组成和质量损失的影响远比Faure(1991)估算化学风化作用对巴西巴拉纳州玄武岩的质量和化学组成的影响复杂得多。因为实际应用中，除化学风化作用，火山喷发和拆沉等更多复杂地质作