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我国北方典型河流碎屑角闪石特征和物源区分

岳伟  
【摘要】:角闪石族矿物是三大成因岩石中分布非常普遍的矿物,也是构成河流和浅海碎屑沉积物中主要重矿物之一,它的性质可直接反映源岩的特征。碎屑沉积物中的角闪石普遍来自岩浆岩和变质岩,通过侵蚀作用由流水搬运沉积至河床及浅海中。角闪石族矿物复杂,类质同象现象普遍,在不同的结晶温压条件下可以形成不同种属的角闪石,其所含元素类别、元素含量等地球化学特征具有差异性,可以为揭示源岩形成环境、区分浅海沉积体系中不同陆源碎屑物以及查明河流碎屑物在海洋环境中的扩散路径提供重要帮助。因此,全面研究角闪石族矿物的力学、光学、晶体学、地球化学等特征,对确定其物源和所处沉积环境都具有指向意义。 本文通过野外采样获取了黄河、辽河以及鸭绿江等河口表层沉积物,其中现行黄河碎屑物样品45个,垦利东北的黄河故道样品29个,辽河样品45个,鸭绿江样品35个。根据野外采样情况,将上述三条河流所取得的154个样品逐个进行室内处理。通过水筛法来获取矿物种类齐全、含量稳定且易于观察的极细砂级的碎屑物,再分别经过重液CHBr_3、CHI_2分离得到含角闪石族较多的重矿物,然后利用光学显微镜观察三条河流所含重矿物特征,并挑选出晶形完整、风化蚀变弱的角闪石。挑选的角闪石质量必须满足实验测试要求,每组碎屑物所挑选的角闪石总量应多于50mg。最后,检测角闪石单体及群体各元素含量,分析它们的地球化学特征。 重矿物分析显示,这些河流碎屑物中无论是重矿物组合、重矿物含量以及微量重矿物种类,还是同种重矿物的物理特征都有明显的不同。黄河重矿物组合是普通角闪石+绿帘石+褐铁矿,辽河组合是普通角闪石+绿帘石+石榴石,而鸭绿江重矿物组合是普通角闪石+阳起石+黑云母,能够反映这些河流物质供给的不同。特征矿物方面,黄河以黑云母和水黑云母典型,白云母相对较少,风化较强;鸭绿江则为霓辉石和玄武闪石,代表流域内有碱性岩和火山岩;而辽河中含量高的石榴子石是其特征矿物,平均颗粒百分比高达21.08%,远远高出黄河和鸭绿江。此外,在矿物磨圆度方面,辽河矿物磨圆最好,普遍达次圆状,甚至圆状;鸭绿江矿物磨圆最差,次棱角为主;黄河矿物由于来源广泛,磨圆程度以次棱角状为主,次圆状和棱角状量含量较少。 利用电子探针仪测定三条河流角闪石单矿物常量元素(包括Si、Al、Ca、Mg、Fe、Mn、Na、K),以23个氧为标准,计算了四组样品角闪石的阳离子系数,由化学计量限制估算它们Fe~(3+)、Fe~(2+)平均值和相应的其它阳离子数值,产生它们可能的晶体结构分子式以及有关的晶体化学特征数值。黄河、辽河及鸭绿江中的角闪石主要化学组成分异性较大,但都具有高硅,高钙、镁,低碱性的特征;晶体化学分类都属于钙角闪石组,它们的种类相对简单、投影集中,没有Mg-Fe-Mn-Li角闪石组、钠-钙角闪石组、碱性角闪石组等其它3类角闪石组成员;进一步细分发现它们均以镁角闪石为主,颗粒百分比占50%以上,其次是浅闪石,其结晶学特征可作为与其它沉积体角闪石区别的鉴别依据。利用电子探针数据对三条河流中角闪石单矿物种属、结晶温压环境、地球化学特征等进行了系统的研究,经几种晶体化学图件进行成因判别,显示这些河流碎屑角闪石成因均以中酸性岩浆岩为主,其次是变质成因。岩浆成因的角闪石的生成岩浆以壳幔混合源为主,幔源次之;变质成因的角闪石生成于中温中压以下的变质环境。 为了反映入海河流输送沉积物中角闪石原始状态,示踪沉积物入海扩散的情况,将每组样品所挑选出的角闪石作为一个整体来进行群体地球化学分析。先利用ICP-MS(电感耦合等离子体质谱仪)测试微量元素含量,然后再用ICP-AES(全谱直读电感耦合等离子体光谱仪)测试主量元素的含量。数据显示,虽然三河流样品主要元素很相近。但在微量元素方面,无论是元素含量还是元素对比值以及特征值,现行黄河及黄河故道样品间差别很小,显示它们物质来源相同;而不同河流间在许多方面都有较明显的不同,样品间一些重要指标相对偏差在20%以上,表明三条河流间差异性显著,而不具有明显同源性。黄河角闪石以其最常见的种类和最常见的成因为特征,表明其原始来源广泛性和稳定性,可作为我国北方上地壳陆源沉积物的标准化物质。 三河角闪石群体所测的稀土元素特征差异显著,而现行黄河及黄河故道则基本一致。鸭绿江ΣREE高达339.87g/g,明显高于辽河的160.75g/g以及现行黄河及黄河故道的254.87g/g、274.55g/g。三河轻重稀土元素的含量比值(ΣLREE/ΣHREE)明显不同,鸭绿江最高,为6.71;辽河最低,为4.09;现行黄河及黄河故道介于两河之间,分别为5.21和5.85。不同河流所表现出的轻重稀土元素比值差异与这些河流碎屑物中所含角闪石种类及成因不同有关。稀土元素经球粒陨石标准化计算,发现三河沉积物角闪石都没有出现显著的Ce异常现象,所有河流δCe≥0.92,说明角闪石从源岩处侵蚀、搬运和沉积过程中没有出现强烈风化,反映了北方较干冷的气候和较弱的化学风化条件。相比Ce轻微的异常,三河样品Eu则出现了中等程度亏损,其中鸭绿江亏损最强,δEu可达0.49;辽河则亏损最弱,为0.60;现行黄河及黄河故道数值仍十分接近,分别为0.54、0.52。不同河流沉积物分异程度差异可能与角闪石在结晶过程中与偏基性的斜长石、磷灰石和含钙辉石等含钙较高的造岩矿物进行类质同像有关。与中国浅海沉积物相比,角闪石是沉积物稀土元素的主要载体,其含量变化会对全岩稀土元素含量造成重要影响。 总体而言,黄河、辽河和鸭绿江碎屑角闪石在光学、常量元素、细分种属类别、成因类型等方面差异较小。但三条河流碎屑角闪石所含多数微量元素和轻稀土元素含量差异较大,易于区分;黄河以及黄河故道之间的这些元素含量相对偏差很小,同源性显著。过渡金属元素Ti、Mn、V、Cr、Co、Ni、Zn、Cd等含量为中国浅海沉积物含量的3-6倍之多,可以作为反映河流角闪石进入浅海沉积后的环境和气候变化的参考元素。化学性质较为稳定的Ta和Be,轻稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、ΣLREE,部分元素比值La/Y、ΣCe/ΣY、Sc/Y、(La/Lu)_N、(La/Yb)_N、(La/Sm)_N、Sr/Rb、Gd/Cd、Rb/Cs、Sr/Ba、Hf/Ta以及Pb/Bi相对偏差差别较大,可以作为区分黄河、辽河以及鸭绿江等不同河流物质来源的可靠指标。


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