2023年8月3日发(作者:)
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一 第29卷第6期 地球化学 V 29.No.6 2000年11月 GEOCHIMICA Nov..2000 文章编号:0379—1726(2000)06—0562—09 长江、黄河流域泛滥平原细粒沉积物 s Sr/s Sr空间变异的制约因素及其物源示踪意义 一 一 摘要:黄河和长江流域泛滥平原细粒沉积物的sr同位索组成存在较大差异。前者的 Sr/ ̄Sr变化范围较小,为 0.712 868—0 718 860,平均值为0 715 474;后者变化范围较大,为0.713 035—0 736 502,平均值为0 721 438。黄 河流域中、上游细粒沉积物的”S生一德再 t/s Sr低于下游:而长江流域细粒沉积物的”St/ sr中游高于上、下游,且南侧高于 北侧。由NW向5E. St/sr逐渐增加, St/ sT这种空间变化规律明显受各{[水盆地内地壳岩石平均组成、年龄和 化学风化作用强度的制约:岩石的Rb/Sr比值越大、年代越老、化学风化作用越强, St/ Sr比值就越大。 St/Sr比 孵~ 体 】。取样深度平均为80 cm。由于颗粒悬浮物在 0引 言 王敞 搬运、沉积过程中存在平均化效应 】,因此,每一 湘蝗 样品的地球化学分析值都能近似代表各自汇水盆地 黄河和长江流域水系跨越南北.横亘东西,在 沉积物的平均值 】。另外.在长江和黄河下游的大通 中国大陆上地壳物质风化、搬运和沉积过程中扮演 和济南各取一个悬浮体样和同点对应河道沉积物样 着重要的角色。sr同位素作为研究表生系统中环 境、水文和生物地球化学物质循环的有效工具,在风 化壳.河流.海洋物质循环研究领域逐渐被广泛应 一 品。取样点的空问分布如图1所示。各样品代表的 汇水盆地内的地质背景特征表述见表1。 用I 。本文拟对中国黄河、长江流域泛滥平原细粒 1.2样品的分析方法和结果 沉积物的sr同位素组成的空问变化规律及其制约 样品烘干后,用0.1 mill网径的尼龙筛过筛。把 因素进行首次研究,并探讨其在示踪黄海、东海沉积 小于0.1 mm的部分分成两份,一份用于元素分析, 物物质来源的应用前景。 测定其Al20hCaO、Na2O、 0、MgO、Fe2o3、Ba、Rb、Sr 和CaCO,含量;另一份用于sr同位素分析。此外,为 1实验方法 了研究Cac0 含量对”St/ Sr值的影响,分别取2 个长江流域样品(31和19号样)和2个黄河流域样 (12和17号样),用0.25mol/L的HC1处理,除去 1.1取样域地质背景 碳酸盐。残留样用于 St/“Sr测试。 样品取自黄河、长江源头至人海口主要一级汇 元素含量分析由国土资源部廊坊物探化探研究 水盆地的出口处。在无较大支流发育的区段内.样 所完成.分析方法为x荧光光谱;Sr同位素测试由 品取自黄河、长江干流河岸。取样介质为泛滥平原 中国地质科学院地质研究所完成,。 Sr/*Sr比值测 沉积物。所渭泛滥平源沉积物是指过去洪泛期较 定用MAT-260固体质谱计。sr同位素分馏用 Sr/ 大河流形成的河漫滩沉积,即相当于过去的悬浮 Sr=8.375 1校正。标准测定结果:NBS.987 SrcO 艘穑El期:200o一02—18;恪订日期:2000—05—19 基盒项目:国家自然科学基金资助项目(49706068) 作者简介:盂宪伟(I9∞一),男,孽究员,海洋地质学专业c 维普资讯
第6期 盂宪伟等:长江、黄河流域泛滥平原细粒沉积物 Sr/Sr空间变异的制约因素及其物源示踪意义 563 图1取样位置分布图 Fig.1 Spatial dist ̄bufion of sampling Ioca ̄ons 表l样品点对应汇水盆地内地质背量特征 Table 1 c。d cal setting of eate] ̄ent basins ̄esFondJng to sampales 黄河漉域 长江流域 样品号 流域 I 2 3 4 5 6 地质背景“’ 样品号 I8 流域 长江源头 地质背景 ‘ 三叠系砂岩、石灰岩 第四系砂砾盈泥盐系、白垩系沉积 河岸沉积 黄河源头 三叠系砂岩、石灰岩 蝗水 黄河千流涟河 第三系、第四系砂砾岩盈少量的震旦系变质岩 河岸沉积 第四系砂质黄土盈第三系和白垩系沉积 19 抿江、大渡河20 长江干流 21 22 23 沱江 嘉瞳江 长江干流 侏罗系和自垩系沉积 佧罗系和白垩系沉积 河岸沉积 山术河 第四系砂砾岩盟黄土 乌加河 第四系砂层厦海西期中酸性岩浆岩 24 乌江 奥陶系、志留系沉积盈寒武系和三叠系沉积 、7 8 9 野窟河 第四系马兰黄土厦第三系、株罗系沉蒂{ 无定河 第四系马兰黄土盈第三系沉积 延河 第四系马兰黄土 第四系马兰黄土和离石黄土盈元古界变质岩 第四系砂盈太古界变质岩 第四系和第三系沉积 二叠系和奥肉系沉积 河岸沉积 25 26 27 28 29 30 3l 32 33 34 35 3 清江 汉术 沅江 湘江 三叠系泥蕊岩盈二叠系沉积 第四系和白垩系沉积 元古宇浅变质岩及白垩系、寒武系沉积 元古宇浅变质岩厦白垩系 三叠幕飒积材燕山期花岗 10 渭河、柱河I1 12 I3 14 15 16 17 甜河 洁河 沁阿 黄河干流长江干流 河岸沉积 赣江 震旦系和元古宇浅变质岩盈燕山期花岗岩 长江干魄 现代悬浮体‘太通) 长江干流 河岸沉积 淮河 第四系沉积 长江干漉 河岸沉积 黄河干流 现代悬浮体(济南) 黄河干漉 河道沉积物 黄河于流 河道沉积物(利津) 长江^湃口 河岸沉积 长江于流 河道沉积精 注:(1)摘自中国地质科学院主编(中华^民共和国地质图集>(1973年):(2)与15号样品位置相同;(3)与31号样品位置相同。 维普资讯
地 球 化 学 20o0年 Sr/ Sr=0 710 25±2(2 ̄r)。Sr的流程空白为l0—9 l0 。g。化学分析和 Sr/“Sr测定结果分别列于 表2和表3中。 一从表3和图2来看,黄河流域的sr同位素组 成变化范围为0 712 868—0.718 860,平均值为 0.7l5 474,对应的s (0)的变化范围为l19~204. 2黄河、长江流域细粒沉积物sr同位 素组成的空间变化特征 把表3中的s (0)值投在各自代表的汇水盆 地,形成了Sr同位素组成空问分布图(图2),可据此 研究sr同位素组成空问变化规律。 平均值为156。黄河以南的s (0)略低于黄河以北, 黄河中、上游的“(0)低于黄河下游。其下游现代悬 浮体的 (0)小于对应的河底沉积物(15号样品与 l6号样品比较)。 长江流域的sr同位素组成的变化范屉为 0.713 035—0.736 502,平均值为0.721 438,对应 的“(0)值变化范围为121—454,平均值为250。长 表2长江、黄河泛滥平原沉积物化学组成(%) 维普资讯
第6期 孟宪伟等:长江、黄河流域泛滥平原细粒沉积物。’St/ Sr空间变异的制约固索及其物源示踪意义 565 表3黄河、长江漉域沉积{I身sr同位素组成 T+le 3 Stnmt ̄um isotopic eompos ̄t ̄ons of the overbastk sediments from the Yellow River and the Yangtze River wat ̄heds 江以南的“(0)明显高于长江以北,中游的 (0)明 显高于上、下游。下游(大通)现代悬浮体的“(O)大 黄河流域 (0) l19 I48 204 148 长江流域 于对应的河谷沉积物(31号样与36号样比较)。 长江流域与黄河流域相比,二者源头和下游的 I2I 243 187 255 样号 ‘7St/ ‘sr(±2Ⅱ) 1 2 3 4 …Sr/Sr(±2o+)a'Sr(0) 18 19 20 21 0 7I2 868±13 0 7I4 904±9 0 718 860±14 0 714 904±21 0 713 035±14 0.721 608±12 0.717 692±l4 0.722 467±l7 8 (O)值大致相当,但二者中、上游的“(0)差别较 大。因此,表现出由西北向东南,”Sr/ Sr值明显增 大的趋势。 22 5 6 0.714 45I±13 0.115 534±17 141 157 23 24 0.723 337±I2 0.723 962±I5 0 727 277±19 267 276 323 3黄河、长江流域沉积物Sr同位素组 成与化学组成的关系 表生系统中沉积物的 Sr/ Sr与流域的地质背 景、沉积物的粒度和化学风化强度密切相关,而沉积 物的化学组成在一定程度上能够反映流域地质背 景、沉积物粒度和化学风化强度” ,例如,碱金属和 碱土金属(Ca、Mg、K、Na、Ba、Sr、Rb)在化学风化过 7 8 9 10 11 12 I3 I4 I5 0.713 844±13 0 7I4 799±10 0 715 223±6 0.714 224±19 0.716 706±14 0.717 967±14 0.133 I46 152 138 173 191 182 166 I39 25 26 27 28 29 30 31 32 33 0 716 697±10 0 716 202±11 0 736 477±13 0.730 685±I2 0.716111±I3 0.736 502±11 0 720 050±5 0 717 935±5 0.717 172±5 0.719 508±I1 0717 152±10 .I73 166 454 372 I65 454 22I 191 180 213 180 I27 28I 301 7I7 308±16 0 716 221±I8 0 714 260±24 程中的行为存在差异,Ca、Mg、Na和sr主要存在于 易于风化的斜长石矿物中,因此,在化学风化中Ca、 Mg、Na、Sr极易淋失,而K和Rb则主要存在于不易 风化的钾长石和云母类矿物中,使得风化产物中K 16 17 17:“12川0 715 346±28 0.715 534±15 07I9 269±10 .154 157 210 212 34 35 36 31‘ 、I9‘‘ 0 7I3 424±5 0 724 312±6 0 725 694±12 0 7I9 443±10 和Rh相对富集;A1、Si、Zr等元素在风化过程中不易 淋失,但它们的富集粒度不同,Al和Rb相对富集于 细颗粒物质中,而si和zr则相对富集于粗颗粒物 注:(1】除CaCO ̄后,硅圈沉积物”St/“Sr测定值 精(0)为…Sr/Sr 测定值与(…St/sT)cHuR值(0 704 5)的相对偏差×1 … 图2黄河、长江流域泛滥平原细粒沉积物Sr同位素组成空问分布图 Fig.2 Spatial distrihurio口o/stm ̄tium iso ̄opi…mposiif。曲of ine-grafined ̄diments from the o饨rh舳h of the Ya g e Ri and th Yellow Ri r w rBlled9 l汇水盆地及g (0)值;2 pH值等值线i 3.年降雨量等值线(单位:叫)叭。 维普资讯
地 球 化 学 2000正 £ 一喜一 搴 Alz03/SiO2 ·l o 2 周3 r0J与主要元素对比值及c日CO 的关系 Fig 3 R 1日ifonBh{p日0f (O)to realⅢ pled山me nI r丑lj。 conb0|l且Ie I.黄河;2.长江 维普资讯
第6期 孟宪伟等:长江、黄河流域泛滥平原细粒沉积物 St/Sr空间变异的制约因素及其物源示踪意义 567 质中。此外,由于它们在表生环境中的惰性,使其在 沉积物中的含量接近于风化原岩的含量。因此,风 游的CaCO 含量,因此,在长江以南流域, Sr/ Sr 比值达极大值。长江、黄河流域在源头和下游处 化产物——泛滥平原沉积物的某些元素对比值可以 刻画地质背景、化学风化强度和粒度效应。我们将 在研究沉积物化学组成与”St/ Sr关系的基础上, 来讨论 St/ Sr空间变化的制约因素。 图3是黄河、长江泛滥平原沉积物 Sr/ Sr与 主要元素对比值和CaCO,的关系图。可以看出,沉 积物的 Sr/ Sr比值随着Rb/Sr比值的增大和 s sr/S6Sr的相近性,以及长江流域的sr同位素组成 的变化性远强于黄河流域,都是由于Rb/Sr比值和 CaCo1含量相近性所致。CaCO 对Rb/Sr和”St/ ‰ 的制约关系在溶解实验中得到很好的证实(图4) 图中表明.在不含碳酸盐的沉积物中,Rb/Sr比值和 Sr/ Sr比值明显增大。 从图3中还可以看出,“(0)随着A1z0 / (A1203+NazO+K2O+CaO)、 03/MgO和Ba/Sr CaCO 含量的减小逐渐增大,反之则逐渐减小。黄河 流域的南侧(主要为陕西境内流域)的Rb/Sr比值 较小,但CaCO 含量较高,因此,该地域的 Sr/ 值较小;而黄河下游CaCO,含量明显降低、Rb/Sr比 值明显增大,因此,下游的 Sr/ Sr比值较大。长江 比值的增大也相应增大,亦即随着Na20、CaO、Mgo 的减少,&(0)增加。 但是,黄河、长江流域泛滥平原沉积物的“(0) 值与A1 0,/SiO:具有较弱的线性关系,这表明,随 流域南侧的赣江、湘江和乌江等流域沉积物的Rb/ sr远远大于长江以北和长江下游的Rb/Sr比值, CaCO,含量则刚好相反,远低于长江以北和长江下 着粒度变细(AhO /SiO 增大),”Sr/ Sr相应有所 增大,但因所取沉积物样品的粒度差异不是很大(都 为<0.1 n1In部分),二者之间的线性关系并不明 显 4 Sr同位素组成空间变异的制约因素 4.1流域地质背景的制约 在表生系统中,地质背景对流域沉积物 Sr/ *sr的制约主要表现在两个方面:一是汇水盆地内 遭受风化岩石的Rb/Sr比值。Rb/Sr比值越高,形成 风化产物的Rb/Sr比值才有可能较高,相应地,其 ”Sr/ ̄Sr比值越大;另一方面,是汇水盆地内岩石的 形成年龄。年龄越老,”Sr/ Sr比值越高。长江流域 的赣江、沅江、湘江和乌江流域地处扬子地块和华南 造山带,岩石组成主要为元古宇浅变质岩、古生代沉 积岩和燕山期花岗岩;长江上游以北的泯江、大渡 河、沱江和嘉凌江流域地处南秦岭造山带,主要岩性 为侏罗系和白垩系沉积岩,它们共同组成了华东南 地块,其沉积盖层和出露基底的平均Rb/Sr分别为 1、18和1.42…],黄河流域中、上游地处华北地块和 北秦岭造山带,主要由第四系黄土、第三系砂砾和元 古宇变质岩组成,其沉积盖层和出露基底的平均 Rb/Sr比皆为0.281“】,因此,长江流域岩石风化产 物——泛滥平原沉积物的平均 Sr/ Sr大于黄河流 《Rb r)t# 域。长江和黄河源头的岩石年代和类型完全相同, 二者下游皆为第四系河湖相与海相互层沉积,因此, 长江和黄河源头的 Sr/ Sr相同,下游的s Sr/s Sr 图4全岩样与无碳酸盐样的 St/ Sr对比 F 4 Comparison of‘Tsr/ ESr between bdk sediments and conbonate.free sediments 也大致相同。 维普资讯
568 地 球 化 学 2000正 支流向黄河和长江干流输运的悬浮颗粒物质的通量 4.2化学风化作用的制约 相对较小;而中、上游,特别是黄土高原区和川江流 域不仅水系发育,而且地形起伏程度高,物理侵蚀作 用远远强于下游”。”l,相应地向黄河和长江干流输 运的颗粒物质通量也远远大于下游。因此可 认 化学风化作用越强,K、Na、Mg、Sr和ca的淋失 程度越大,因此,AI203/(AI2O3+K20+N龇0+CaO)、 Fe20]/MgO、Ba/Sr、Rb/Sr比值和碳酸盐含量不仅 与流域的岩石化学组成有关,而且也受化学风化作 用强度制约,即这些比值越大、碳酸钙含量越低,化 学风化作用越强。因此,图3和4中表现出的“(O) 与Rb/sr、A120]/{AI2O3+K20+NtuO+CaO)、Fe20,/ 为,黄河和长江人海物质的绝大部分分别来自于黄 土高原和川江流域。据此,分别把黄土高原区流域 (野窟河、无定河、延河、渭河、泾河和汾河)和川江流 域(泯江、大渡河、沱江和嘉陵江j的泛滥平原沉积 MgO、Ba/Sr的正比关系及其与CaCO,含量的反比 物的平均值作为黄河、长江源的端员值可能趋于合 关系都说明,随着化学风化强度的增强,泛滥平原沉 理。其平均值分别为0.715 213和0.722 678。 积物的 Sr/ Sr也增大。黄河中上游干旱少雨(年降 另一种方法是利用长江和黄河河口区沉积物样 雨量为100~400mm),土壤为碱性(pH>7.0),不 品的 St/ Sr值来代表各自端员值 I。由于河流剥 利于化学风化的进行,使得第四系黄土沉积富Ca- 蚀、搬运及沉积过程中平均化效应的存在 ,使得各 CO,和St;黄河和长江下游尽管也以第四系沉积为 级水系出口处的泛滥平原沉积物的地球化学元素测 主,但该域内年降雨量较大(400—1 200mm左右), 试值都能近似地代表各级汇水盆地的平均值 l,因 土壤为酸性(7’pH>5),因此,在黄河和长江下游 此,这种方法从原理上看是最合理的。但该方法忽 泛滥平原沉积物的 St/“Sr大致相当,且高于黄河 略了潮汐作用对河口区沉积物的混染效应。因此, 中上游。黄河和长江流域泛滥平原沉积物 Sr/ Sr 利用河口区样品的 St/ 6sr测定值代表流域的端员 值由Nw—sE明显增大的趋势不仅体现了地质背 值实际上可能并不可靠。 景的制约,也体现了降雨量和酸碱度,即化学风化强 综合河流不同区段输运颗粒物质通量的差异性 度的制约(如图2j。 和平均化效应来看,最合理的方法是利用黄河、长江 干流感潮段以上最接近河口处的悬浮体样品的 5”Sr/。6Sr的示踪意义 Sr/ Sr测定值代表各自人海物质的端员值 黄河 的利津和长江的大通分别是这两大河流感潮段以上 黄河、长江是中国大陆最大的外流河 每年有大 最接近河口处的控制站[15l,因此,以这两个站位的 量的中国大陆泥砂经黄河、长江搬运带人中国边缘 悬浮体样品(利津站为过去的悬浮体,大通站为现代 海。识别黄河和长江源物质在中国黄海、东海沉积 的悬浮体)的 / 测定值可以分别代表黄河、长 物中分布,一直是海洋地质学家普遍关心的问题。 江人海物质的 Sr/ Sr端员值,分别为0.715 534 黄河、长江流域的 sr/ 的较大差异,无疑使其成 和0.720 050。 为识别黄海、东海沉积物中黄河、长江源物质的有效 可以看出,三种思路求得的黄河、长江各自人海 参数。但是,如何确定黄河、长江源物质的 Sr/BSSr 物质的 sr/ sr端员值差别不大,这进一步证明了 端员值呢? 黄河和长江人海物质绝大部分源自黄土高原和川江 确定黄河、长江人海物质”sr/ sr的端员值一 流域。 般有两种方法:一种方法是分别将两条河流各自流 在实际利用”Sr/ r 4识海底沉积物物源属性 域的所有样品的 Sr/ Sr取平均值。如此算得的黄 的研究中,沉积物必须用某种浓度的盐酸处理,以 河源和长江源的”sr/ sr端员值分别为0.715 474 除去自生碳酸盐[16 。为此, Sr/ Sr的端员值也 和0."/21 438。但这种方法并不合理,原因是两大河 必须是用相同浓度盐酸处理后样品的 St/ Sr测定 流各支流水系向其干流输运的悬浮物质通量并不均 值。黄河利津站的河道沉积物和长江大通站的悬浮 等。河流在表生物质风化、搬运和混合过程中的作 体经盐酸处理后的 Sr/ 'St测定值分别为0 719 269 用不仅取决于水系的发育程度,而且与地形的起伏 和0.724 312(见表3)。在研究黄海、东海沉积物硅 程度紧密相关:地形起伏越大、水系越发育,河流剥 酸盐碎屑物质来源时,可以把这两个值分别作为识 蚀、搬运和混合作用的能力越强[71。黄河、长江下游 别黄河源和长江源的标准。 地形相对平坦,支流水系相对不发育,因此,由下游 维普资讯
第6期 ¨ 孟宪伟等:长江、黄河流域泛滥平原细粒沉积物 Sr/Sr空间变异的制约因素及其物探示踪意义 乜 569 参考文献: ^kg G,Jack G.H ̄ilton P W ̄thefing rate吕and Sr/ Sr f10] u C 0.Mast/如^.Oknd ̄A. A geochemical stL!dy loess and desen sand in northern China:Implication for eonfinental e?LlSt weathering and eomposition[J】 Chem Geu1.1993.106: 359—374 rat僻An isotopic app ̄ch[d].J Hydro1.1989.109:65—67 Gmustein W C.Armslrong R L The u日e of strontium一87/st[o)l— 【11]邸明才,遇清华.顾铁新,等.中国东部上地壳化学组成【J] bum-86 ratio toⅢe虹ure atmospheric h nsDo^into foisted wa— 中国科学{D辑).1997,27(3):193~l99 【12]陈静生,李远辉.乐嘉祥等 我国河裔i的物理与化学侵蚀作 t ̄heds【¨Seiene8.1983.219:289~292 BI师J O.E Y,B K‘’St/。‘Sr ratios of Siena a 用【J]科学通报.1984,29(1 5):932—936 fI3】许炯心.我国流域侵蚀产抄的地带性特征【Jj.蛊f学通报. 1994,39:1 019—1 022 stealrTt wate Implications for retative mineral weathering r ̄.1es 【J]Geoehim Cosmoehim Acta.1993,58:5 019—5 023. Brass C W The effect of weathering on the distribution of s12o'n. 【14】Musato N,Yukio K.Yukiko D, at.Origin of sediments from tium i ̄topes in weathe ̄ng口r Acta.1975.39:1 647一I 653 f¨.GeoehSm Cosmoehim the Yellow s a and the East ClifnⅡSea E denee from Sr isotope mtios[J1-J Geol Soc Japan.1995 101 c9):739—742 Blum J D.Erel Y.A silicate weatheringⅡ· ● sm liaklng in一 ¨5j屈晕辉,郑建勋.橱绍晋.等黄河、长江、珠江下游控制站悬 ㈣ in marine Sr/Sr with oh glaciation[J]Nature, 浮物的化学成分及其制约因素的研究【J】.科学通报I984. 29f17 :1 063~1 066 1995.373:415—418 Ott ̄en R T,日-0gen J,BMi ̄ken B, d£Overbsnk Sethn ̄nts: 【161 Asahara Y,Tanaka T.kamioka H, Asian COntinental nature Earth A representative sample medium for ̄-gloaal ge ̄hemJcal mapping of…¥r/Sr mtic ̄in ̄orth central Paciifc sediments[J]Pl, ̄et Sei Lett,1995.133:105~116 【j】.j Ceeehem Exglor,t989,32=257一 7. Goletein S L,O'dNions R K.Hamilton P J A Sm.Nd i ̄topie 【17】Asahara Y. St/ Sr variation in North Paciifc sediments:A record of the Idil ̄koviteh cycle in the past 3 nil]lion ye ̄[J]  ̄arth pltmet Sci Lett.I999.I71:453—464 study of atm ̄pherie dusts and particulates from major river sys— t…【J]Earth Planet Sci Lett,I984,70:221~236. Guldstein S J.Jacobsen S B Nd且T Sr istopic systematies ofn 叮 ¨8】Msrio P,Uean-eLaude F,Fr ̄eis G. a./Sr-Nd isotopes胆 suspended material:Implication for crastal evoluton【J].Earth 1:1B口ec Sci Lett.I988.87:249~265. tr,Ke.ef' ̄of ine,rfained detrltal sediments:The SourI Barbados ac c ̄tionary prism du g the last 150 kyr【¨ Marine Geo1.1997. 136:225—243 王文新 影响我国降水酸性因素的研究【J] 中国环境科学. 1993,13【6):404~407.
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一 第29卷第6期 地球化学 V 29.No.6 2000年11月 GEOCHIMICA Nov..2000 文章编号:0379—1726(2000)06—0562—09 长江、黄河流域泛滥平原细粒沉积物 s Sr/s Sr空间变异的制约因素及其物源示踪意义 一 一 摘要:黄河和长江流域泛滥平原细粒沉积物的sr同位索组成存在较大差异。前者的 Sr/ ̄Sr变化范围较小,为 0.712 868—0 718 860,平均值为0 715 474;后者变化范围较大,为0.713 035—0 736 502,平均值为0 721 438。黄 河流域中、上游细粒沉积物的”S生一德再 t/s Sr低于下游:而长江流域细粒沉积物的”St/ sr中游高于上、下游,且南侧高于 北侧。由NW向5E. St/sr逐渐增加, St/ sT这种空间变化规律明显受各{[水盆地内地壳岩石平均组成、年龄和 化学风化作用强度的制约:岩石的Rb/Sr比值越大、年代越老、化学风化作用越强, St/ Sr比值就越大。 St/Sr比 孵~ 体 】。取样深度平均为80 cm。由于颗粒悬浮物在 0引 言 王敞 搬运、沉积过程中存在平均化效应 】,因此,每一 湘蝗 样品的地球化学分析值都能近似代表各自汇水盆地 黄河和长江流域水系跨越南北.横亘东西,在 沉积物的平均值 】。另外.在长江和黄河下游的大通 中国大陆上地壳物质风化、搬运和沉积过程中扮演 和济南各取一个悬浮体样和同点对应河道沉积物样 着重要的角色。sr同位素作为研究表生系统中环 境、水文和生物地球化学物质循环的有效工具,在风 化壳.河流.海洋物质循环研究领域逐渐被广泛应 一 品。取样点的空问分布如图1所示。各样品代表的 汇水盆地内的地质背景特征表述见表1。 用I 。本文拟对中国黄河、长江流域泛滥平原细粒 1.2样品的分析方法和结果 沉积物的sr同位素组成的空问变化规律及其制约 样品烘干后,用0.1 mill网径的尼龙筛过筛。把 因素进行首次研究,并探讨其在示踪黄海、东海沉积 小于0.1 mm的部分分成两份,一份用于元素分析, 物物质来源的应用前景。 测定其Al20hCaO、Na2O、 0、MgO、Fe2o3、Ba、Rb、Sr 和CaCO,含量;另一份用于sr同位素分析。此外,为 1实验方法 了研究Cac0 含量对”St/ Sr值的影响,分别取2 个长江流域样品(31和19号样)和2个黄河流域样 (12和17号样),用0.25mol/L的HC1处理,除去 1.1取样域地质背景 碳酸盐。残留样用于 St/“Sr测试。 样品取自黄河、长江源头至人海口主要一级汇 元素含量分析由国土资源部廊坊物探化探研究 水盆地的出口处。在无较大支流发育的区段内.样 所完成.分析方法为x荧光光谱;Sr同位素测试由 品取自黄河、长江干流河岸。取样介质为泛滥平原 中国地质科学院地质研究所完成,。 Sr/*Sr比值测 沉积物。所渭泛滥平源沉积物是指过去洪泛期较 定用MAT-260固体质谱计。sr同位素分馏用 Sr/ 大河流形成的河漫滩沉积,即相当于过去的悬浮 Sr=8.375 1校正。标准测定结果:NBS.987 SrcO 艘穑El期:200o一02—18;恪订日期:2000—05—19 基盒项目:国家自然科学基金资助项目(49706068) 作者简介:盂宪伟(I9∞一),男,孽究员,海洋地质学专业c 维普资讯
第6期 盂宪伟等:长江、黄河流域泛滥平原细粒沉积物 Sr/Sr空间变异的制约因素及其物源示踪意义 563 图1取样位置分布图 Fig.1 Spatial dist ̄bufion of sampling Ioca ̄ons 表l样品点对应汇水盆地内地质背量特征 Table 1 c。d cal setting of eate] ̄ent basins ̄esFondJng to sampales 黄河漉域 长江流域 样品号 流域 I 2 3 4 5 6 地质背景“’ 样品号 I8 流域 长江源头 地质背景 ‘ 三叠系砂岩、石灰岩 第四系砂砾盈泥盐系、白垩系沉积 河岸沉积 黄河源头 三叠系砂岩、石灰岩 蝗水 黄河千流涟河 第三系、第四系砂砾岩盈少量的震旦系变质岩 河岸沉积 第四系砂质黄土盈第三系和白垩系沉积 19 抿江、大渡河20 长江干流 21 22 23 沱江 嘉瞳江 长江干流 侏罗系和自垩系沉积 佧罗系和白垩系沉积 河岸沉积 山术河 第四系砂砾岩盟黄土 乌加河 第四系砂层厦海西期中酸性岩浆岩 24 乌江 奥陶系、志留系沉积盈寒武系和三叠系沉积 、7 8 9 野窟河 第四系马兰黄土厦第三系、株罗系沉蒂{ 无定河 第四系马兰黄土盈第三系沉积 延河 第四系马兰黄土 第四系马兰黄土和离石黄土盈元古界变质岩 第四系砂盈太古界变质岩 第四系和第三系沉积 二叠系和奥肉系沉积 河岸沉积 25 26 27 28 29 30 3l 32 33 34 35 3 清江 汉术 沅江 湘江 三叠系泥蕊岩盈二叠系沉积 第四系和白垩系沉积 元古宇浅变质岩及白垩系、寒武系沉积 元古宇浅变质岩厦白垩系 三叠幕飒积材燕山期花岗 10 渭河、柱河I1 12 I3 14 15 16 17 甜河 洁河 沁阿 黄河干流长江干流 河岸沉积 赣江 震旦系和元古宇浅变质岩盈燕山期花岗岩 长江干魄 现代悬浮体‘太通) 长江干流 河岸沉积 淮河 第四系沉积 长江干漉 河岸沉积 黄河干流 现代悬浮体(济南) 黄河干漉 河道沉积物 黄河于流 河道沉积物(利津) 长江^湃口 河岸沉积 长江于流 河道沉积精 注:(1)摘自中国地质科学院主编(中华^民共和国地质图集>(1973年):(2)与15号样品位置相同;(3)与31号样品位置相同。 维普资讯
地 球 化 学 20o0年 Sr/ Sr=0 710 25±2(2 ̄r)。Sr的流程空白为l0—9 l0 。g。化学分析和 Sr/“Sr测定结果分别列于 表2和表3中。 一从表3和图2来看,黄河流域的sr同位素组 成变化范围为0 712 868—0.718 860,平均值为 0.7l5 474,对应的s (0)的变化范围为l19~204. 2黄河、长江流域细粒沉积物sr同位 素组成的空间变化特征 把表3中的s (0)值投在各自代表的汇水盆 地,形成了Sr同位素组成空问分布图(图2),可据此 研究sr同位素组成空问变化规律。 平均值为156。黄河以南的s (0)略低于黄河以北, 黄河中、上游的“(0)低于黄河下游。其下游现代悬 浮体的 (0)小于对应的河底沉积物(15号样品与 l6号样品比较)。 长江流域的sr同位素组成的变化范屉为 0.713 035—0.736 502,平均值为0.721 438,对应 的“(0)值变化范围为121—454,平均值为250。长 表2长江、黄河泛滥平原沉积物化学组成(%) 维普资讯
第6期 孟宪伟等:长江、黄河流域泛滥平原细粒沉积物。’St/ Sr空间变异的制约固索及其物源示踪意义 565 表3黄河、长江漉域沉积{I身sr同位素组成 T+le 3 Stnmt ̄um isotopic eompos ̄t ̄ons of the overbastk sediments from the Yellow River and the Yangtze River wat ̄heds 江以南的“(0)明显高于长江以北,中游的 (0)明 显高于上、下游。下游(大通)现代悬浮体的“(O)大 黄河流域 (0) l19 I48 204 148 长江流域 于对应的河谷沉积物(31号样与36号样比较)。 长江流域与黄河流域相比,二者源头和下游的 I2I 243 187 255 样号 ‘7St/ ‘sr(±2Ⅱ) 1 2 3 4 …Sr/Sr(±2o+)a'Sr(0) 18 19 20 21 0 7I2 868±13 0 7I4 904±9 0 718 860±14 0 714 904±21 0 713 035±14 0.721 608±12 0.717 692±l4 0.722 467±l7 8 (O)值大致相当,但二者中、上游的“(0)差别较 大。因此,表现出由西北向东南,”Sr/ Sr值明显增 大的趋势。 22 5 6 0.714 45I±13 0.115 534±17 141 157 23 24 0.723 337±I2 0.723 962±I5 0 727 277±19 267 276 323 3黄河、长江流域沉积物Sr同位素组 成与化学组成的关系 表生系统中沉积物的 Sr/ Sr与流域的地质背 景、沉积物的粒度和化学风化强度密切相关,而沉积 物的化学组成在一定程度上能够反映流域地质背 景、沉积物粒度和化学风化强度” ,例如,碱金属和 碱土金属(Ca、Mg、K、Na、Ba、Sr、Rb)在化学风化过 7 8 9 10 11 12 I3 I4 I5 0.713 844±13 0 7I4 799±10 0 715 223±6 0.714 224±19 0.716 706±14 0.717 967±14 0.133 I46 152 138 173 191 182 166 I39 25 26 27 28 29 30 31 32 33 0 716 697±10 0 716 202±11 0 736 477±13 0.730 685±I2 0.716111±I3 0.736 502±11 0 720 050±5 0 717 935±5 0.717 172±5 0.719 508±I1 0717 152±10 .I73 166 454 372 I65 454 22I 191 180 213 180 I27 28I 301 7I7 308±16 0 716 221±I8 0 714 260±24 程中的行为存在差异,Ca、Mg、Na和sr主要存在于 易于风化的斜长石矿物中,因此,在化学风化中Ca、 Mg、Na、Sr极易淋失,而K和Rb则主要存在于不易 风化的钾长石和云母类矿物中,使得风化产物中K 16 17 17:“12川0 715 346±28 0.715 534±15 07I9 269±10 .154 157 210 212 34 35 36 31‘ 、I9‘‘ 0 7I3 424±5 0 724 312±6 0 725 694±12 0 7I9 443±10 和Rh相对富集;A1、Si、Zr等元素在风化过程中不易 淋失,但它们的富集粒度不同,Al和Rb相对富集于 细颗粒物质中,而si和zr则相对富集于粗颗粒物 注:(1】除CaCO ̄后,硅圈沉积物”St/“Sr测定值 精(0)为…Sr/Sr 测定值与(…St/sT)cHuR值(0 704 5)的相对偏差×1 … 图2黄河、长江流域泛滥平原细粒沉积物Sr同位素组成空问分布图 Fig.2 Spatial distrihurio口o/stm ̄tium iso ̄opi…mposiif。曲of ine-grafined ̄diments from the o饨rh舳h of the Ya g e Ri and th Yellow Ri r w rBlled9 l汇水盆地及g (0)值;2 pH值等值线i 3.年降雨量等值线(单位:叫)叭。 维普资讯
地 球 化 学 2000正 £ 一喜一 搴 Alz03/SiO2 ·l o 2 周3 r0J与主要元素对比值及c日CO 的关系 Fig 3 R 1日ifonBh{p日0f (O)to realⅢ pled山me nI r丑lj。 conb0|l且Ie I.黄河;2.长江 维普资讯
第6期 孟宪伟等:长江、黄河流域泛滥平原细粒沉积物 St/Sr空间变异的制约因素及其物源示踪意义 567 质中。此外,由于它们在表生环境中的惰性,使其在 沉积物中的含量接近于风化原岩的含量。因此,风 游的CaCO 含量,因此,在长江以南流域, Sr/ Sr 比值达极大值。长江、黄河流域在源头和下游处 化产物——泛滥平原沉积物的某些元素对比值可以 刻画地质背景、化学风化强度和粒度效应。我们将 在研究沉积物化学组成与”St/ Sr关系的基础上, 来讨论 St/ Sr空间变化的制约因素。 图3是黄河、长江泛滥平原沉积物 Sr/ Sr与 主要元素对比值和CaCO,的关系图。可以看出,沉 积物的 Sr/ Sr比值随着Rb/Sr比值的增大和 s sr/S6Sr的相近性,以及长江流域的sr同位素组成 的变化性远强于黄河流域,都是由于Rb/Sr比值和 CaCo1含量相近性所致。CaCO 对Rb/Sr和”St/ ‰ 的制约关系在溶解实验中得到很好的证实(图4) 图中表明.在不含碳酸盐的沉积物中,Rb/Sr比值和 Sr/ Sr比值明显增大。 从图3中还可以看出,“(0)随着A1z0 / (A1203+NazO+K2O+CaO)、 03/MgO和Ba/Sr CaCO 含量的减小逐渐增大,反之则逐渐减小。黄河 流域的南侧(主要为陕西境内流域)的Rb/Sr比值 较小,但CaCO 含量较高,因此,该地域的 Sr/ 值较小;而黄河下游CaCO,含量明显降低、Rb/Sr比 值明显增大,因此,下游的 Sr/ Sr比值较大。长江 比值的增大也相应增大,亦即随着Na20、CaO、Mgo 的减少,&(0)增加。 但是,黄河、长江流域泛滥平原沉积物的“(0) 值与A1 0,/SiO:具有较弱的线性关系,这表明,随 流域南侧的赣江、湘江和乌江等流域沉积物的Rb/ sr远远大于长江以北和长江下游的Rb/Sr比值, CaCO,含量则刚好相反,远低于长江以北和长江下 着粒度变细(AhO /SiO 增大),”Sr/ Sr相应有所 增大,但因所取沉积物样品的粒度差异不是很大(都 为<0.1 n1In部分),二者之间的线性关系并不明 显 4 Sr同位素组成空间变异的制约因素 4.1流域地质背景的制约 在表生系统中,地质背景对流域沉积物 Sr/ *sr的制约主要表现在两个方面:一是汇水盆地内 遭受风化岩石的Rb/Sr比值。Rb/Sr比值越高,形成 风化产物的Rb/Sr比值才有可能较高,相应地,其 ”Sr/ ̄Sr比值越大;另一方面,是汇水盆地内岩石的 形成年龄。年龄越老,”Sr/ Sr比值越高。长江流域 的赣江、沅江、湘江和乌江流域地处扬子地块和华南 造山带,岩石组成主要为元古宇浅变质岩、古生代沉 积岩和燕山期花岗岩;长江上游以北的泯江、大渡 河、沱江和嘉凌江流域地处南秦岭造山带,主要岩性 为侏罗系和白垩系沉积岩,它们共同组成了华东南 地块,其沉积盖层和出露基底的平均Rb/Sr分别为 1、18和1.42…],黄河流域中、上游地处华北地块和 北秦岭造山带,主要由第四系黄土、第三系砂砾和元 古宇变质岩组成,其沉积盖层和出露基底的平均 Rb/Sr比皆为0.281“】,因此,长江流域岩石风化产 物——泛滥平原沉积物的平均 Sr/ Sr大于黄河流 《Rb r)t# 域。长江和黄河源头的岩石年代和类型完全相同, 二者下游皆为第四系河湖相与海相互层沉积,因此, 长江和黄河源头的 Sr/ Sr相同,下游的s Sr/s Sr 图4全岩样与无碳酸盐样的 St/ Sr对比 F 4 Comparison of‘Tsr/ ESr between bdk sediments and conbonate.free sediments 也大致相同。 维普资讯
568 地 球 化 学 2000正 支流向黄河和长江干流输运的悬浮颗粒物质的通量 4.2化学风化作用的制约 相对较小;而中、上游,特别是黄土高原区和川江流 域不仅水系发育,而且地形起伏程度高,物理侵蚀作 用远远强于下游”。”l,相应地向黄河和长江干流输 运的颗粒物质通量也远远大于下游。因此可 认 化学风化作用越强,K、Na、Mg、Sr和ca的淋失 程度越大,因此,AI203/(AI2O3+K20+N龇0+CaO)、 Fe20]/MgO、Ba/Sr、Rb/Sr比值和碳酸盐含量不仅 与流域的岩石化学组成有关,而且也受化学风化作 用强度制约,即这些比值越大、碳酸钙含量越低,化 学风化作用越强。因此,图3和4中表现出的“(O) 与Rb/sr、A120]/{AI2O3+K20+NtuO+CaO)、Fe20,/ 为,黄河和长江人海物质的绝大部分分别来自于黄 土高原和川江流域。据此,分别把黄土高原区流域 (野窟河、无定河、延河、渭河、泾河和汾河)和川江流 域(泯江、大渡河、沱江和嘉陵江j的泛滥平原沉积 MgO、Ba/Sr的正比关系及其与CaCO,含量的反比 物的平均值作为黄河、长江源的端员值可能趋于合 关系都说明,随着化学风化强度的增强,泛滥平原沉 理。其平均值分别为0.715 213和0.722 678。 积物的 Sr/ Sr也增大。黄河中上游干旱少雨(年降 另一种方法是利用长江和黄河河口区沉积物样 雨量为100~400mm),土壤为碱性(pH>7.0),不 品的 St/ Sr值来代表各自端员值 I。由于河流剥 利于化学风化的进行,使得第四系黄土沉积富Ca- 蚀、搬运及沉积过程中平均化效应的存在 ,使得各 CO,和St;黄河和长江下游尽管也以第四系沉积为 级水系出口处的泛滥平原沉积物的地球化学元素测 主,但该域内年降雨量较大(400—1 200mm左右), 试值都能近似地代表各级汇水盆地的平均值 l,因 土壤为酸性(7’pH>5),因此,在黄河和长江下游 此,这种方法从原理上看是最合理的。但该方法忽 泛滥平原沉积物的 St/“Sr大致相当,且高于黄河 略了潮汐作用对河口区沉积物的混染效应。因此, 中上游。黄河和长江流域泛滥平原沉积物 Sr/ Sr 利用河口区样品的 St/ 6sr测定值代表流域的端员 值由Nw—sE明显增大的趋势不仅体现了地质背 值实际上可能并不可靠。 景的制约,也体现了降雨量和酸碱度,即化学风化强 综合河流不同区段输运颗粒物质通量的差异性 度的制约(如图2j。 和平均化效应来看,最合理的方法是利用黄河、长江 干流感潮段以上最接近河口处的悬浮体样品的 5”Sr/。6Sr的示踪意义 Sr/ Sr测定值代表各自人海物质的端员值 黄河 的利津和长江的大通分别是这两大河流感潮段以上 黄河、长江是中国大陆最大的外流河 每年有大 最接近河口处的控制站[15l,因此,以这两个站位的 量的中国大陆泥砂经黄河、长江搬运带人中国边缘 悬浮体样品(利津站为过去的悬浮体,大通站为现代 海。识别黄河和长江源物质在中国黄海、东海沉积 的悬浮体)的 / 测定值可以分别代表黄河、长 物中分布,一直是海洋地质学家普遍关心的问题。 江人海物质的 Sr/ Sr端员值,分别为0.715 534 黄河、长江流域的 sr/ 的较大差异,无疑使其成 和0.720 050。 为识别黄海、东海沉积物中黄河、长江源物质的有效 可以看出,三种思路求得的黄河、长江各自人海 参数。但是,如何确定黄河、长江源物质的 Sr/BSSr 物质的 sr/ sr端员值差别不大,这进一步证明了 端员值呢? 黄河和长江人海物质绝大部分源自黄土高原和川江 确定黄河、长江人海物质”sr/ sr的端员值一 流域。 般有两种方法:一种方法是分别将两条河流各自流 在实际利用”Sr/ r 4识海底沉积物物源属性 域的所有样品的 Sr/ Sr取平均值。如此算得的黄 的研究中,沉积物必须用某种浓度的盐酸处理,以 河源和长江源的”sr/ sr端员值分别为0.715 474 除去自生碳酸盐[16 。为此, Sr/ Sr的端员值也 和0."/21 438。但这种方法并不合理,原因是两大河 必须是用相同浓度盐酸处理后样品的 St/ Sr测定 流各支流水系向其干流输运的悬浮物质通量并不均 值。黄河利津站的河道沉积物和长江大通站的悬浮 等。河流在表生物质风化、搬运和混合过程中的作 体经盐酸处理后的 Sr/ 'St测定值分别为0 719 269 用不仅取决于水系的发育程度,而且与地形的起伏 和0.724 312(见表3)。在研究黄海、东海沉积物硅 程度紧密相关:地形起伏越大、水系越发育,河流剥 酸盐碎屑物质来源时,可以把这两个值分别作为识 蚀、搬运和混合作用的能力越强[71。黄河、长江下游 别黄河源和长江源的标准。 地形相对平坦,支流水系相对不发育,因此,由下游 维普资讯
第6期 ¨ 孟宪伟等:长江、黄河流域泛滥平原细粒沉积物 Sr/Sr空间变异的制约因素及其物探示踪意义 乜 569 参考文献: ^kg G,Jack G.H ̄ilton P W ̄thefing rate吕and Sr/ Sr f10] u C 0.Mast/如^.Oknd ̄A. A geochemical stL!dy loess and desen sand in northern China:Implication for eonfinental e?LlSt weathering and eomposition[J】 Chem Geu1.1993.106: 359—374 rat僻An isotopic app ̄ch[d].J Hydro1.1989.109:65—67 Gmustein W C.Armslrong R L The u日e of strontium一87/st[o)l— 【11]邸明才,遇清华.顾铁新,等.中国东部上地壳化学组成【J] bum-86 ratio toⅢe虹ure atmospheric h nsDo^into foisted wa— 中国科学{D辑).1997,27(3):193~l99 【12]陈静生,李远辉.乐嘉祥等 我国河裔i的物理与化学侵蚀作 t ̄heds【¨Seiene8.1983.219:289~292 BI师J O.E Y,B K‘’St/。‘Sr ratios of Siena a 用【J]科学通报.1984,29(1 5):932—936 fI3】许炯心.我国流域侵蚀产抄的地带性特征【Jj.蛊f学通报. 1994,39:1 019—1 022 stealrTt wate Implications for retative mineral weathering r ̄.1es 【J]Geoehim Cosmoehim Acta.1993,58:5 019—5 023. Brass C W The effect of weathering on the distribution of s12o'n. 【14】Musato N,Yukio K.Yukiko D, at.Origin of sediments from tium i ̄topes in weathe ̄ng口r Acta.1975.39:1 647一I 653 f¨.GeoehSm Cosmoehim the Yellow s a and the East ClifnⅡSea E denee from Sr isotope mtios[J1-J Geol Soc Japan.1995 101 c9):739—742 Blum J D.Erel Y.A silicate weatheringⅡ· ● sm liaklng in一 ¨5j屈晕辉,郑建勋.橱绍晋.等黄河、长江、珠江下游控制站悬 ㈣ in marine Sr/Sr with oh glaciation[J]Nature, 浮物的化学成分及其制约因素的研究【J】.科学通报I984. 29f17 :1 063~1 066 1995.373:415—418 Ott ̄en R T,日-0gen J,BMi ̄ken B, d£Overbsnk Sethn ̄nts: 【161 Asahara Y,Tanaka T.kamioka H, Asian COntinental nature Earth A representative sample medium for ̄-gloaal ge ̄hemJcal mapping of…¥r/Sr mtic ̄in ̄orth central Paciifc sediments[J]Pl, ̄et Sei Lett,1995.133:105~116 【j】.j Ceeehem Exglor,t989,32=257一 7. Goletein S L,O'dNions R K.Hamilton P J A Sm.Nd i ̄topie 【17】Asahara Y. St/ Sr variation in North Paciifc sediments:A record of the Idil ̄koviteh cycle in the past 3 nil]lion ye ̄[J]  ̄arth pltmet Sci Lett.I999.I71:453—464 study of atm ̄pherie dusts and particulates from major river sys— t…【J]Earth Planet Sci Lett,I984,70:221~236. Guldstein S J.Jacobsen S B Nd且T Sr istopic systematies ofn 叮 ¨8】Msrio P,Uean-eLaude F,Fr ̄eis G. a./Sr-Nd isotopes胆 suspended material:Implication for crastal evoluton【J].Earth 1:1B口ec Sci Lett.I988.87:249~265. tr,Ke.ef' ̄of ine,rfained detrltal sediments:The SourI Barbados ac c ̄tionary prism du g the last 150 kyr【¨ Marine Geo1.1997. 136:225—243 王文新 影响我国降水酸性因素的研究【J] 中国环境科学. 1993,13【6):404~407.
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