陳 默, 李龍明, 闞天翔, 蔣 仁, 吳雪峰, 李加好

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.中國地質(zhì)調(diào)查局 南京地質(zhì)調(diào)查中心,江蘇 南京 210016; 3.安徽省地質(zhì)調(diào)查院,安徽 合肥 230001)

黃土作為記錄古氣候、古地理和古環(huán)境變化的信息載體,近幾十年來受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[1-5]。在我國,黃土主要分布在西北、華北和長江中下游地區(qū),對于北方干旱半干旱地區(qū)黃土,相關(guān)研究主要以黃土高原為代表,而對于南方黃土,研究最廣泛的是“下蜀黃土”,該名稱由李四光、朱森以鎮(zhèn)江市下蜀鎮(zhèn)命名[6]。長江中下游地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,從其獨(dú)特的黃土沉積序列觀察氣候環(huán)境變化特征成為近些年的研究熱點(diǎn)之一[7-9]。關(guān)于南方下蜀黃土的成因,主要有風(fēng)成說和水成說,也有研究者認(rèn)為其是殘、坡積的產(chǎn)物。隨著技術(shù)手段的進(jìn)步和研究方法的改進(jìn),風(fēng)積成因成為目前學(xué)術(shù)界的主流觀點(diǎn)[7,10];但對于下蜀黃土的物源仍有較大的爭議,大致分為近源堆積和遠(yuǎn)源堆積2種觀點(diǎn)。近源的觀點(diǎn)認(rèn)為其物源主要是長江中下游地區(qū)的河谷和河漫灘堆積物,如文獻(xiàn)[11]認(rèn)為合肥盆地下蜀黃土的潛在物源是淮河沿岸及淮北地區(qū)河流相、湖相及湖沼相細(xì)粒沉積物,文獻(xiàn)[12]認(rèn)為九江地區(qū)下蜀黃土來自長江或贛江的古河谷漫灘。遠(yuǎn)源的觀點(diǎn)認(rèn)為下蜀黃土主要來自西北干旱地區(qū)的粉塵。文獻(xiàn)[13-14]從礦物組合、粒度特征和元素地球化學(xué)的角度分析鎮(zhèn)江下蜀黃土,認(rèn)為其主要物源來自黃土高原;文獻(xiàn)[15]通過研究長江下游地區(qū)下蜀黃土的地球化學(xué)特征,認(rèn)為下蜀黃土與西北黃土的原始沉積物有相似的化學(xué)組成。

含山—無為地區(qū)位于安徽省中南部,西鄰巢湖水域,地處長江下游北岸。下蜀黃土在該區(qū)內(nèi)分布廣泛,地表大面積出露,巖性穩(wěn)定且較為單一,總厚度為0～45 m。關(guān)于區(qū)內(nèi)下蜀黃土沉積時(shí)代并無過多的爭議,安徽省地質(zhì)調(diào)查院對該區(qū)下蜀組底部的電子自旋共振(electron spin resonance,ESR)測年結(jié)果為(349±3) ka,時(shí)代歸于中—晚更新世[16],文獻(xiàn)[17-18]中將區(qū)內(nèi)下蜀組時(shí)代歸為晚更新世。在已有相關(guān)研究中,對該地區(qū)下蜀黃土物源的研究很少,本文采用元素地球化學(xué)的方法,通過與北方西峰黃土[19]、東秦嶺黃土[20]和南方鎮(zhèn)江[13-14]、九江[12,21]、合肥[22]、宣城[9]等地下蜀黃土進(jìn)行對比研究,探討含山—無為地區(qū)下蜀黃土的物源。

1 樣品采集與測試方法

1) 樣品采集。本研究所采集的樣品位于含山—無為地區(qū)下蜀組上段,采集地點(diǎn)主要為含山縣陶廠鎮(zhèn)和無為市石澗鎮(zhèn),采樣點(diǎn)位置如圖1所示(基于安徽省地理信息公共服務(wù)平臺網(wǎng)站審圖號為皖S(2022)12號的標(biāo)準(zhǔn)地圖繪制)。

圖1 研究區(qū)位置、采樣位置示意圖

陶廠鎮(zhèn)小杜村ZK01130鉆孔下蜀組地層剖面圖如圖2所示,下伏地層為中更新世戚家磯組。含山—無為地區(qū)下蜀黃土野外照片如圖3所示,野外剖面可見上覆15～20 cm厚的腐殖土,在干燥的條件下,黃土質(zhì)地較為堅(jiān)硬,遇水后可塑性較好,具有典型的下蜀組特征。黃土巖性為土黃、棕黃、灰黃色黏土及粉質(zhì)黏土,多含球粒狀鐵錳結(jié)核;結(jié)核大小多為1～5 mm,體積分?jǐn)?shù)在1%～5%之間,局部地區(qū)可見鐵錳結(jié)核富集。

圖2 含山ZK01130鉆孔下蜀組地層剖面圖

圖3 含山—無為地區(qū)下蜀黃土野外照片

2) 測試方法。樣品前處理與主、微量元素測定分別在廊坊市誠信地質(zhì)服務(wù)有限公司和南京聚譜檢測科技有限責(zé)任公司完成。主量元素采用Agilent 5110型ICP-OES(電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀)。

主要元素測試SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、MgO、MnO、Na2O、P2O5、TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù),采用美國地質(zhì)調(diào)查局安山巖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)AGV-2和玄武巖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)BHVO-2作質(zhì)量監(jiān)控,AGV-2(安山巖)與 BHVO-2 (玄武巖)測試結(jié)果與推薦值基本一致,測試結(jié)果相對誤差小于2%。

微量元素測試方法如下:稱取40 mg黃土粉末置于 —(CF2—CF2)n—溶樣彈中,加入0.5 mL HNO3與1.0 mL HF,溶樣彈經(jīng)鋼套密封后放入烘箱;消解液被稀釋后(相對于固體樣品,稀釋因子為2 000倍),以霧化形式送入 Agilent 7700x ICP-MS(電感耦合等離子體質(zhì)譜儀)測定微量元素,固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10×10-6的微量元素,偏離范圍不超過±10%;固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50×10-6的微量元素,偏離范圍不超過±5%。

2 主、微量元素及稀土元素分析結(jié)果

2.1 主量元素

含山—無為地區(qū)下蜀黃土7個(gè)樣品的主量元素分析結(jié)果見表1所列。研究區(qū)及其他地區(qū)黃土主量元素上地殼[23]標(biāo)準(zhǔn)化模式圖如圖4所示。

表1 含山—無為地區(qū)下蜀黃土7個(gè)樣品主量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析結(jié)果 %

圖4 黃土主量元素上地殼標(biāo)準(zhǔn)化模式圖

由表1可知,w(SiO2)為66.36%～76.79%,w(Al2O3)為10.01%～15.00%,w(Fe2O3)為3.93%～5.86%。

化學(xué)元素Si是最主要的造巖元素,在地層中含量最多,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,易在濕熱條件下富集;Al、Fe化學(xué)性質(zhì)接近且比較穩(wěn)定,不易發(fā)生遷移,在干旱條件下含量相對減少。SiO2、Al2O3、Fe2O33種主要化學(xué)成分的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和達(dá)88.7%,有顯著的富硅鋁鐵現(xiàn)象,表明該地區(qū)晚更新世下蜀黃土沉積時(shí)有溫暖濕潤的氣候特點(diǎn)[24]。

從圖4可以看出,含山—無為下蜀黃土SiO2、Fe2O3和TiO2相對富集,Al2O3和MnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)略低于上地殼,K2O、Na2O、CaO、MgO和P2O5則相對虧損。

總體上,各地區(qū)黃土的主量元素配分曲線較為相似;北方黃土(西峰和東秦嶺)與南方下蜀黃土(含山—無為、合肥、鎮(zhèn)江和九江)存在較明顯的差別,北方黃土中MgO、P2O5和堿性元素(如K2O和Na2O)更加富集,TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)則低于南方下蜀黃土的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.2 微量元素與稀土元素

含山—無為下蜀黃土的微量元素分析結(jié)果見表2所列。研究區(qū)及其他地區(qū)黃土微量元素上地殼[23]標(biāo)準(zhǔn)化模式圖如圖5所示。

表2 含山—無為地區(qū)下蜀黃土7個(gè)樣品微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析結(jié)果 10-6

圖5 黃土微量元素上地殼標(biāo)準(zhǔn)化模式圖

與上地殼相比,含山—無為下蜀黃土的Sc、Co、Sr和Ba呈現(xiàn)明顯的虧損,其他微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)則高于上地殼平均水平。含山—無為下蜀黃土的配分模式與西峰黃土最接近;宣城下蜀黃土和東秦嶺黃土呈相似的配分模式,但宣城下蜀黃土的微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與東秦嶺黃土相比更高;九江下蜀黃土的微量元素特征明顯不同于其他地區(qū)黃土。含山—無為下蜀黃土相對于上地殼富集Nb、Ta、Zr、Hf、Th、U等高場強(qiáng)元素,虧損Co、Sr、Ba等大離子親石元素。在無為盆地黃土中,Co元素呈較顯著的相對虧損,Zr、Hf則呈相對富集,而在東秦嶺黃土中這3種元素的配分與此相反。這種差異顯示無為盆地黃土來自火成巖的碎屑供應(yīng)量少,顯著區(qū)別于東秦嶺黃土的可能源巖。

研究區(qū)及其他地區(qū)黃土稀土元素圖解如圖6所示。

圖6 黃土稀土元素圖解

圖6a中,上地殼數(shù)據(jù)根據(jù)文獻(xiàn)[25];圖6b中,球粒隕石數(shù)據(jù)根據(jù)文獻(xiàn)[25]。從圖6a可以看出,含山—無為下蜀黃土、宣城下蜀黃土、鎮(zhèn)江下蜀黃土和西峰黃土的稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于上地殼,九江下蜀黃土的輕稀土元素和中稀土元素(medium rare earth elements,MREE)低于上地殼平均質(zhì)量分?jǐn)?shù),東秦嶺黃土的Eu、Gd、Dy、Ho和Er元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)略低于上地殼。含山—無為下蜀黃土的稀土元素(rare earth elements,REE)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w∑REE)為(175～217)×10-6,LREE總質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w∑LREE)為(157～194)×10-6,重稀土元素(heavy rare earth elements,HREE)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w∑HREE)為(17.5～24.7)×10-6,輕、重稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值(w∑LREE/w∑HREE)為7.62～9.00。

從圖6b可以看出,含山—無為下蜀黃土呈LREE富集、HREE虧損的右傾配分模式,其中Eu呈明顯的負(fù)異常(δEu 為0.59～0.64)。本文樣品的輕、重稀土元素分異明顯,(La/Yb)N為8.37～9.04,LREE曲線明顯較陡;HREE曲線較為平緩,(Gd/Lu)N為1.36～1.64,說明HREE內(nèi)部不存在較大的分異。

3 討 論

3.1 化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度

化學(xué)蝕變指數(shù)(chemical index of alteration, CIA)能夠有效反映巖石化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度,CIA值越高,說明沉積物受到的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度越強(qiáng)。本文及相關(guān)研究的CIA-n(Na)/n(K)散點(diǎn)圖如圖7所示。

圖7 CIA-n(Na)/n(K)散點(diǎn)圖

含山—無為下蜀黃土的CIA值在70.8～78.9之間,平均為75.8,為中等化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度,遠(yuǎn)高于上地殼(50.7),顯著高于西峰黃土(64.2)和東秦嶺黃土(68.3),略高于陸源頁巖(70.4)和鎮(zhèn)江下蜀黃土(70.6),略低于九江下蜀黃土(76.3)和合肥下蜀黃土(80.0)。一般地,CIA值在(50,65]之間,指示寒冷和干燥氣候條件下的弱化學(xué)風(fēng)化作用,(65,85] 指示溫暖和潮濕氣候條件下的中等化學(xué)風(fēng)化作用,(85,100] 指示炎熱和濕潤氣候條件下的強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化作用[27]。上地殼平均值反映的是幾乎未風(fēng)化條件,西峰黃土在寒冷、干燥的氣候條件下處于化學(xué)風(fēng)化早期,而含山—無為下蜀黃土、東秦嶺黃土、鎮(zhèn)江下蜀黃土、九江下蜀黃土及合肥下蜀黃土已經(jīng)處于中等化學(xué)風(fēng)化作用?？傮w上,CIA值隨著緯度的增加而減小,這與我國北方干燥、南方濕潤的氣候現(xiàn)象基本一致。

Na2O主要寄存于斜長石中,K2O主要存在于鉀長石、伊利石中,而斜長石較鉀長石更易風(fēng)化,因此n(Na)/n(K)比值是衡量長石風(fēng)化程度的指標(biāo),該比值與CIA值成反比[28]。含山—無為下蜀黃土的n(Na)/n(K)比值在0.48～0.75之間,平均為0.63,高于同樣屬于南方的九江下蜀黃土(0.48)、合肥下蜀黃土(0.53)和鎮(zhèn)江下蜀黃土(0.59),低于以西峰黃土(0.97)和東秦嶺黃土(0.97)為代表的北方黃土。

文獻(xiàn)[29]通過A-CN-K三角圖來研究大陸化學(xué)風(fēng)化趨勢,該圖能反映化學(xué)風(fēng)化過程中主要礦物組分的變化趨勢。

本文及相關(guān)研究的化學(xué)風(fēng)化趨勢A-CN-K三角圖如圖8所示。由于陸源頁巖是上地殼典型的化學(xué)風(fēng)化產(chǎn)物,上地殼向陸源頁巖延伸的方向是典型的大陸化學(xué)風(fēng)化趨勢。本研究中所收集的樣品數(shù)據(jù)均未沿上地殼—陸源頁巖的化學(xué)風(fēng)化趨勢線分布,其中北方黃土(東秦嶺黃土和西峰黃土)相比于南方下蜀黃土更靠近陸源頁巖,并且北方黃土的分布趨勢與A-CN邊界平行,表明斜長石風(fēng)化較早,Ca和Na元素濾出速度較快,鉀長石相對穩(wěn)定。與北方黃土相比,南方下蜀黃土的分布趨勢更接近A-K邊界,說明長石等硅酸鹽礦物經(jīng)歷了更強(qiáng)的風(fēng)化作用,導(dǎo)致斜長石中Ca和Na元素嚴(yán)重浸出。

A—Al2O3 CN—CaO+Na2O K—K2O Ka—高嶺石 Sm—蒙脫石 IL—伊利石 Mu—白云母 Pl—斜長石 Ks—長石圖8 化學(xué)風(fēng)化趨勢A-CN-K三角圖

含山—無為下蜀黃土與其他地區(qū)沉積物主量元素比值、CIA值統(tǒng)計(jì)分析的最小值、最大值、平均值及變異系數(shù)見表3所列,本文及相關(guān)研究的變異系數(shù)對比如圖9所示。

表3 含山—無為下蜀黃土與其他地區(qū)沉積物主量元素比值、CIA值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

圖9 地球化學(xué)分析指標(biāo)的變異系數(shù)對比

從區(qū)域位置角度看,含山—無為地區(qū)、合肥、鎮(zhèn)江和九江地區(qū)都位于長江中下游,氣候環(huán)境條件相當(dāng)、與北方沙漠和黃土高原的距離相近,風(fēng)塵沉積并經(jīng)后期風(fēng)化后,相關(guān)地球化學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)也應(yīng)相似,然而這些地區(qū)CIA、n(Na)/n(K)和n(SiO2)/n(Al2O3)的變異系數(shù)都各不相同。含山—無為下蜀黃土的CIA變異系數(shù)與合肥、鎮(zhèn)江下蜀黃土及北方黃土相似,卻與距離更近的九江地區(qū)有較大差異;其n(Na)/n(K)變異系數(shù)也表現(xiàn)出與鎮(zhèn)江下蜀黃土的高度相似性,遠(yuǎn)小于合肥下蜀黃土;其n(SiO2)/n(Al2O3)變異系數(shù)與同屬安徽省內(nèi)的合肥類似。

3.2 物源

在不同沉積物的物源識別中,可以采用主量元素的摩爾比值進(jìn)行物源示蹤。Ti含量在不同類型的巖石中會(huì)有較大變化;Al主要賦存于鋁硅酸鹽礦物中,含量較為固定;K主要賦存于鉀長石和白云母中,在巖石中的含量變化較為明顯。n(K2O)/n(Al2O3)比值在不同類型的巖石中變化較大,在頁巖和泥巖等沉積巖中,該比值較高,而在火成巖中該比值較低[21]。本文及相關(guān)研究的n(TiO2)/n(Al2O3)與n(K2O)/n(Al2O3)散點(diǎn)圖如圖10所示。

圖10 n(TiO2)/n(Al2O3)與n(K2O)/n(Al2O3)散點(diǎn)圖

合肥下蜀黃土的n(TiO2)/n(Al2O3)和n(K2O)/n(Al2O3)比值分布范圍最廣,且n(TiO2)/n(Al2O3)比值明顯高于其他地區(qū);鎮(zhèn)江、九江、含山—無為下蜀黃土和北方黃土的n(TiO2)/n(Al2O3)比值較為接近,但是它們的n(K2O)/n(Al2O3)比值相差較大。北方黃土的n(K2O)/n(Al2O3)比值高于南方下蜀黃土,這可能是由于南方氣候溫暖濕潤,鉀長石受后期化學(xué)風(fēng)化作用的影響較嚴(yán)重,沉積物中K含量減少所致?？傮w上,西北黃土和南方下蜀黃土的分布范圍較為接近,表明它們有相似的母質(zhì)成分,只是沉積后經(jīng)歷了不同的化學(xué)風(fēng)化過程,這種特征指示南方下蜀黃土物源可能來源于西北黃土。

本文及相關(guān)研究的黃土微量元素圖解如圖11所示。稀土元素被廣泛應(yīng)用于各種沉積物的物源表征,w∑LREE/w∑HREE和(La/Yb)N反映了LREE和HREE的分異。

圖11 黃土微量元素圖解

由圖11a可知:含山—無為下蜀黃土和鎮(zhèn)江下蜀黃土的(La/Sm)N變化范圍較小,比值較低;但含山—無為下蜀黃土(Gd/Yb)N明顯低于鎮(zhèn)江下蜀黃土,而與西峰黃土和宣城下蜀黃土相近。

從圖11b可以看出:含山—無為下蜀黃土(La/Yb)N比值明顯低于東秦嶺黃土、鎮(zhèn)江下蜀黃土和宣城下蜀黃土,高于九江下蜀黃土,與西峰黃土最接近;其δEu也表現(xiàn)出與西峰黃土的相對一致性。

上述REE特征的差異可能反映了沉積原巖的變化,雖然REE通常是相對穩(wěn)定的元素,但是有證據(jù)表明,巖石中HREE比LREE的變化程度更大,強(qiáng)烈的風(fēng)化作用會(huì)導(dǎo)致(La/Sm)N降低,而(La/Yb)N和(Gd/Yb)N增加[9]。

來源于北方沙漠的黃土在經(jīng)歷沉積后的風(fēng)化作用時(shí),其REE組分會(huì)發(fā)生嚴(yán)重改變,鎮(zhèn)江下蜀黃土的物源被認(rèn)為來自北方沙漠,基本符合此特征;含山—無為下蜀黃土在此特征上表現(xiàn)不是特別明顯,是否來源于北方沙漠有待商榷;九江下蜀黃土與此相反,說明物源與北方沙漠關(guān)系不大。

La、Co、Sc元素和Nb、Th、Zr、Hf等高場強(qiáng)元素化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,表生作用下為惰性組分,不易遷移,被認(rèn)為最適合用作物源示蹤的元素[30]。這些元素在經(jīng)過風(fēng)化、搬運(yùn)及并入碎屑沉積巖的過程中,蝕變程度較小,具有母質(zhì)特征。從圖11c、圖11d可以看出:含山—無為下蜀黃土與西峰黃土具有近似一致的w(Hf)/w(Nb)、w(Zr)/w(Nb)、w(Th)/w(Nb)和w(La)/w(Nb)比值,表明其黃土沉積物中具有相似的微量元素組成;宣城下蜀黃土和東秦嶺黃土的上述微量元素比值明顯偏低;九江下蜀黃土上述微量元素比值的變化范圍較大,顯著區(qū)別于其他地區(qū)黃土。

綜上所述,含山—無為下蜀黃土表現(xiàn)出與西峰黃土的高度近似性,說明黃土高原黃土可能是其最主要的潛在物源,而被認(rèn)為物源來自長江河漫灘的九江下蜀黃土與含山—無為下蜀黃土差異明顯,暗示長江河漫灘沉積物不是含山—無為下蜀黃土的主要物源。

4 結(jié) 論

1) 含山—無為下蜀黃土經(jīng)歷了中等化學(xué)風(fēng)化作用,CIA值高于北方西峰黃土和東秦嶺黃土,與南方其他地區(qū)下蜀黃土相近,表明南方下蜀黃土沉積時(shí)處于溫暖潮濕的氣候條件。

2) 含山—無為下蜀黃土的地球化學(xué)特征表現(xiàn)出與西峰黃土的高度相似性,說明本研究中的含山—無為下蜀黃土最主要的物源可能來自北方黃土高原。