长江与黄河沉积物粘土矿物、地化成分组成分析

长江与黄河沉积物粘土矿物、地化成分组成分析

长江和黄河是中国的两条河流，每年平均海洋碳含量约为15亿吨。这些物质大部分堆积在河口三角洲,另一部分随着海洋动力过程被搬运到陆架甚至陆坡、海槽。找出这两类沉积物在矿物学、地球化学上的差别,是识别中国东部海域沉积物物源的前提。前人对长江、黄河入海沉积物组成做过较多的调查研究,从不同角度探讨了两类沉积物的组成与差别。但是,迄今为止尚未找到区别两类沉积物的可靠标志。本研究通过对长江、黄河沉积物的粘土矿物、碳酸盐及地球化学组成的比较研究,试图确定区别两类沉积物的有效识别指标,为苏北平原及黄东海陆架物源识别提供参考。1学习方法长江样品采自南京江心洲及上海长兴岛表层沉积物,黄河样品采自现代黄河三角洲河道及废黄河三角洲表层沉积物。采样位置见图1。1.1土矿物的处理取10～20g沉积物样品,加入适量H2O2去除有机质,待有机质去尽后,加浓度为0.1mol·L-1的六偏磷酸钠分散剂,静置过夜;依据Stokes沉降原理提取<2μm的悬浊液,至少提取5次;利用真空泵把粘土矿物抽滤到0.45μm的微孔滤膜上;把附有粘土矿物的微孔滤膜置于乙二醇蒸汽浴中浸泡24h后上机分析。所用仪器为日本产D/max-rB型阳极旋转衍射仪,铜钯,管电压40kV,管电流100mA。衍射条件设置:步进长度0.01°(2θ),扫描速度2°/min(测定伊利石结晶度时扫描速度设置为1°/min),扫描范围3～35°(测定伊利石结晶度时扫描范围设置为7.5～10°)。进行粘土矿物含量估算时所用强度因子取:蒙皂石:伊利石:(高岭石+绿泥石)=2∶4∶1.5。伊利石结晶度(IC)选用Kübler指数,依据国际地科联推荐的伊利石结晶度测定程序进行操作,且以5%的标准偏差确定伊利石衍射强度能否满足测定结晶度的需要。1.2悬浊液的制备样品预先进行蒸馏水清洗、去除有机质,再次用蒸馏水清洗;依据Stokes沉降原理提取<16μm部分悬浊液(10次以上),烘干得到小于0.016mm的样品;之后,用8%的HCl浸泡所得到的小于0.016mm的样品,直至完全去除碳酸盐,过滤得到的残渣用做常量元素、微量元素含量测定。所用仪器为ICP-AES(JY-38型)。化学分析由青岛海洋地质研究所测试中心完成。1.3盐分含量测定采用容量法测定碳酸盐含量,具体操作步骤按海洋地质调查规范中对该方法的要求进行。测定不同粒级沉积物中碳酸盐含量时先通过筛分(1/4ue001φ或1/2ue001φ间隔,对粒径大于0.044mm部分)或依据Stokes沉降原理提取小于某粒级沉积物(对粒径小于0.044mm部分),得到不同粒级的沉积物,烘干后测定碳酸盐含量。此外,碳酸盐颗粒类型通过体视显微镜、偏光显微镜、颗粒染色实验等相结合的办法加以鉴定。2粘土和土壤化合物的比较2.1高岭石、绿泥石长江、黄河沉积物中粘土矿物组合都为伊利石+绿泥石+高岭石+蒙皂石。长江沉积物中伊利石含量高于黄河,蒙皂石含量低于黄河;高岭石、绿泥石在两类沉积物中无明显差别。在粘土矿物比值上,长江沉积物中伊利石/蒙皂石比值都在8以上,黄河沉积物中该比值都在6以下;高岭石/绿泥石比值在两类沉积物中则无明显差别(表1)。两类沉积物伊利石结晶度都在0.37°左右,差别微小(表1)。通过以伊利石、蒙皂石、绿泥石+高岭石为端元的端元图(ISKc图)能清晰地区分两类沉积物(图2)。2.2长江、长江沉积长江、黄河沉积物小于0.016mm残渣态常量元素(氧化物)、微量元素组成分别列于表2、表3。在常量元素组成上,黄河型沉积物Na2O、CaO、MgO等氧化物含量明显高于长江沉积物,Fe2O3、TiO2、Al2O3含量明显低于长江沉积物,而K2O、MnO在两类沉积物中无明显差别。在微量元素组成上,Sr在黄河沉积物中含量明显高于长江沉积物,Ba、Li、Rb、Co、V在黄河沉积物中的含量低于长江沉积物。考察常量元素、微量元素在两类沉积物中的差别,TiO2、CaO、Na2O、MgO、Fe2O3、Sr、Ba、Li、Co和V的相对偏差值(δ)大,它们能较好地区别两类沉积物(表4)。以在两类沉积物中差别最大的3个组分TiO2、CaO、Na2O构造端元图,在该图上两类沉积物分别落在不同的区域(图3)。2.3粒级区间内下岩石学和矿物学特征长江沉积物全样、<45μm、<16μm粒级中碳酸盐含量分别为6.32%、5.98%和4.11%,碳酸盐含量随粒级变细而弱有降低。在同样的粒级区间内,黄河沉积物中碳酸盐含量分别为12.31%、13.83%、13.49%(表5),差别很小。从全样、<45μm、<16μm粒级看,两条河流沉积物中碳酸盐含量差异(δ值)愈来愈明显(表5)。如果以1ue001φ或1/2ue001φ、1/4ue001φ的粒级间隔考察碳酸盐含量的粒级差异,长江碳酸盐含量随粒级变细逐渐降低,3ue001φ以后含量趋于稳定,约在5%左右(图4a);黄河碳酸盐含量随粒级变细而增加,其中4.5ue001φ以细部分碳酸盐含量明显增加(图4b)。对比图4a、4b,在大于0.044mm(4.5ue001φ)的粒级区间内,长江与黄河两类沉积物碳酸盐含量差别不大,而小于0.044mm(4.5ue001φ)的粒级中碳酸盐含量差别明显,其中小于0.005mm(7.5ue001φ)粒级中碳酸盐含量差别悬殊,此粒级中黄河沉积物碳酸盐的含量约为长江的9倍。此外,镜下鉴定、染色实验分析表明长江、黄河沉积物中碳酸盐都包括生物碎屑和它生碎屑两种成因类型,生物碎屑属于次要组分,且颗粒较粗,通常大于0.125mm;它生碎屑构成长江、黄河沉积物中碳酸盐的主体部分,包括方解石、白云石等矿物,但以方解石占绝对优势。3主要影响因素一些学者针对长江、黄河沉积物组成的影响因素进行过探讨,认为流域内地质背景、气候带特征、风化作用程度是主要因素。但就长江、黄河沉积物中粘土矿物、细粒级(小于0.016mm)残渣态元素组成、碳酸盐含量及含量的粒级差异而言,它们既受流域地质背景、气候及风化作用的制约,又受流域内生物面貌的影响。3.1其它基岩类型地质构造很大程度上决定了流域内水系发育程度与规模以及侵蚀与沉积作用特点,也影响了流域内风化作用的进行;而岩石类型则是河流沉积物的终极来源,它对河流沉积物组成产生深刻的影响。长江流域面积180万km2,流域内支流发育,跨越华南造山带、扬子地台、秦岭—大别山造山带、三江古特提斯造山带等构造单元;域内基岩类型复杂,有大面积分布的碳酸盐岩、陆源碎屑岩及较多的中酸性侵入岩、片岩、片麻岩等。这种地质背景导致长江沉积物的来源众多,很难把长江沉积物组成与某种或几种基岩相对应。长江沉积物中它生碳酸盐可能来自于陆源碎屑岩(其中的钙质胶结物)、碳酸盐岩(晶粒灰岩及成岩裂隙、构造裂隙中发育的方解石脉)以及次生碳酸盐等母岩,由于来源不同,提供的碳酸盐颗粒粒径大小也不同,从而导致了它生碳酸盐在不同的粒级区间内都存在、无粒级集中的现象。相对长江流域而言,黄河流域面积小(仅75万km2),地质构造、岩石类型的多样性及支流发育程度都不如长江,但黄河流域中游分布大面积的黄土,而黄土地区植被覆盖率低、农业开发程度高、水土流失严重、物理侵蚀模数巨大,从黄土侵蚀下来的物质构成了黄河沉积物的基本来源。40a的观察统计结果表明黄河沉积物90%以上来自中游的黄土高原。黄土进入黄河之后,组成上没有发生根本变化,黄河沉积物很大程度上继承了黄土的特征,如黄土的蒙皂石及碳酸盐含量高,反映在黄河沉积物中这两类矿物含量也高。此外,黄土中的碳酸盐除了少部分以结核形式存在外,大部分以胶结物及以粉砂粒级的碎屑存在,反映在黄河沉积物中它生碳酸盐在细粒级中有明显增加的现象。3.2难迁移元素的沉积气候带决定了风化作用的类型与程度,并直接影响风化作用的产物。长江流域除河源区为积雪的寒冷气候外,其它地区都为暖温带湿润、潮湿气候,流域内物理侵蚀与化学侵蚀之比为2～5,风化指数在6左右,表明长江流域内以化学风化作用占主导,物理风化作用降到次要位置,结果导致:在表生带中较易迁移的Na、K、Ca、Mg等常量元素转移到水体之中而流失,它们在长江沉积物中的含量低;而在表生带中惰性难迁移的Fe、Mn、Ti、Al等元素残留在沉积物之中,发生富集,它们在长江沉积物中的含量较高。黄河中、上游地处西北半干旱地区,属大陆性季风气候,下游属于暖温带半湿润季风气候区,流域内物理侵蚀与化学侵蚀之比为75左右,风化指数在4.5左右,以物理风化作用为主,化学风化降到次要地位,使得易迁移元素流失、难迁移元素富集都较弱,导致黄河沉积物中Na、K、Ca、Mg等元素含量高于长江沉积物,Fe、Mn、Ti、Al等含量低于长江沉积物。长江流域强烈的化学风化使得微量元素从矿物晶体中被释放出来,并进而为粘土矿物所吸附而产生相对富集;相对地,黄河流域化学风化很弱,微量元素风化释放量少,这可能是长江沉积物中绝大部分微量元素(Sr除外)含量高于黄河沉积物的主要原因。Sr的地球化学行为与Ca相似,通常与Ca发生类质同象替代,它的含量与Ca呈正相关,这已被众多学者的研究工作所证实,其在黄河沉积物中的高含量源自该沉积物中钙的高含量。3.3淡水碳酸钙生物发育程度和气候变化生物面貌包括流域内的植物界、动物界,其影响贯穿了母岩的风化作用、沉积物搬运与沉积过程等方面。从沉积物中碳酸盐的组成而言,因长江、黄河流域内都出现淡水钙质生物,如双壳类、腹足类、介形类等,故沉积物中碳酸盐含量和粒级差异受淡水钙质生物发育程度的影响。长江流域气候温暖、潮湿,黄河流域气候较干燥、温度偏低。相对而言,长江流域更适合钙质生物生存与发展,反映在长江沉积物中钙质生物碎屑较多。由于生物碎屑大小一般都在0.125mm以上,这种粒级生物碎屑的加入导致长江、黄河沉积物中粗粒级部分的碳酸盐含量增加,长江增加的幅度大,黄河增加的幅度小。4长江、黄河沉积物(1)长江、黄河沉积物中粘土矿物组合都为伊利石+绿泥石+高岭石+蒙皂石,但长江沉积物中伊利石含量高于黄河,蒙皂石含量低于黄河;长江沉积物中伊利石/蒙皂石比值都在8以上,黄河沉积物该比值都在6以下;通过ISKc端元图能较清晰地区分两类沉积物。(2)在小于0.016mm残渣态地化组成上,元素(氧化物)TiO2、CaO、Na2O、MgO、Fe2