碳酸盐岩风化机制的淋溶模拟及对铀钍富集作用的指示

【摘要】：在对碳酸盐岩风化壳的研究中发现从岩到土（岩-土界面）的转变突然、清晰，而没有连续演变序列，成为直接利用地质剖面的发育特征探索碳酸盐岩风化成土作用及剖面中某些元素富集机制的障碍。基于此，本研究以实验模拟的方法，直接示踪岩-土界面作用过程，进而揭示碳酸盐岩风化成土作用以及U、Th的地球化学特征。以饱和CO2水作为淋溶液对位于碳酸盐岩风化壳岩-土界面的岩粉层试样进行了干热、湿热及干冷三种气候条件的模拟淋溶实验，对淋出液中的EC值、pH值以及主要元素做了重点研究；分析了U、Th在石灰土形成过程当中的富集机制。得出如下结论： （1）碳酸盐岩中酸不溶物的风化主要始于岩-土界面从岩到土的转变过程中，与碳酸盐的溶蚀同步进行。 （2）碳酸盐的溶蚀强度在三种淋溶条件下的表现存在差别，其中干冷条件下溶蚀强度最强，湿热条件下溶蚀强度最弱，而干热的溶蚀强度则处于二者之间。表明低温条件有利于碳酸盐的溶解；由碳酸盐溶解释放的Ca、Mg等在有利于排水的环境中更易伴随风化流体而排出。 （3）干热条件下，K、Na、Si、Mg、P的载体矿物所在的酸不溶物组分有着着最强的风化强度。K、Na、Mg等大多盐基离子的溶出能力在湿热与干冷之间，表现出湿热强于干冷的溶出特征；而Si和P在三件试样未表现出一致的变化趋势，在干热环境下Si与P同样呈现出最强的溶出能力，而湿热与干冷环境均不利于Si、P的载体矿物分解及离子的释放，这种淋溶体系环境的微差异可能是导致Si和P在湿热与干冷两种条件下未表现出相同的变化趋势的原因；Fe与Mn是弱迁移元素，其中在干冷环境下Fe的淋出强度最弱，而Fe在干热和湿热条件下，三件试样的变化特征并无相同趋势，Mn在整体上呈现出一定活性，Mn在三种淋溶条件下的三件试样同样没有相似的变化趋势；在此过程中Ti和Al均呈现出明显的惰性特征。 （4）在U、Th突变性富集的过程中，碳酸盐岩-土界面是一个重要的所在。在岩-土界面反应中:对于U，随碳酸盐的快速溶蚀被风化溶液大量带出而显著亏损，同时由于风化残余物体积的巨大缩小变化导致残余U强烈的相对富集，使U的变化表现为低背景下亏损强度高，从而富集程度高的地球化学特征。不同条件下Th表现出不同的特征，呈活性特征时的Th和U有着近似的表现；当呈现出惰性特征时，Th在剖面的富集主要来自于易溶部分溶蚀后的残存。 （5）U、Th在碳酸盐岩风化剖面的含量与基岩（或基岩酸不溶物）中相应元素的含量没有相关的变化特点，而U、Th在风化剖面中富集系数的高低却与基岩酸不溶物含量成反比，也就是说碳酸盐岩酸不溶物含量越低，碳酸盐溶蚀的体量越大，随溶液带出的活性U或Th也越多，同时风化残余物体积缩小变化的程度越大，因此残余U或Th的相对富集的程度也愈高。