2023年8月3日发(作者:)
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第32卷第4期 砧f Vo1.32.No.4 2003年7月 GEoCHIMlCA July,2003 文章编号:0379—1726(2003)04—0328—07 广西凭祥英安岩的化学风化作用研究 顾尚义 一,万国江 ,毛健全2 (1.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵州贵阳550002;2.贵州工业大学资源与环境学院,贵州 贵阳550003) 摘要:利用薄片观察、x射线粉晶衍射分析和化学分析方法研究了广西凭祥英安岩风化剖面的形成作用。风化作 用初期,母岩中微量黄铁矿的氧化分解导致方解石与绿泥石的迅速分解;风化中期形成了大量的高岭石、伊利石、蒙 脱石和蛭石;风化作用高级阶段以高岭石、石英和氧化铁矿物的富集为特征,但仍然存在少量蒙脱石、伊利石和蛭 石。风化剖面的部分层段显示出与剖面其他部分明显不同的地球化学特征,即Na的富集和K的亏损。在A1203一 (CaO +Na O)一K O三角图上,风化中期这些层段明显偏离了正常的风化趋势。矿物学和微形貌的研究表明,造成偏 离的原因是古地下水引起的正长石的钠长石化作用。 关键词:英安岩;化学风化;钠长石化;广西壮族自治区 中图分类号:P594 文献标识码:A 107 ̄20 E,21 ̄40 N~22022 N,属高温多雨的南亚热 0引 言 带湿润季风气候区,常年平均气温高达21.3℃,年 均降雨量为1 376.5 mm,且集中在夏季,全年无霜 化学风化作用是地球表面岩石圈与大气圈、水 期344 d,年均日照达1 614 h,干湿季节分明。区内 圈和生物圈之间的相互作用。岩石风化、土壤形成 岩浆岩广布,湿热的气候条件导致岩石广泛风化,风 和沉积物的沉积是维持地球生命系统营养元素供应 化壳最大厚度可达百米以上,是研究岩石化学风化 和控制显生宙以来地球表面温度的重要表面地质过 作用的理想场所。 程…。近年来,许多研究者致力于对古土壤的研究, 以期能从中提取地质历史时期大气圈和水圈演化的 1采样与实验方法 重要信息 -51。然而,风化剖面是一个复杂的开放系 统,化学风化作用受许多因素制约。这些因素包括 根据野外多次踏勘,选择了凭祥市夏石镇西北 岩石类型、气候特征、海拔高度、构造运动、时间、地 约2 km的叫弄早三叠世北泗组英安岩现代风化剖 下水波动、有机质和大气沉降等。因此,对硅酸盐岩 面作为我们的研究对象。该地区海拔高度为150~ 石的化学风化作用稳定地球表面温度这一认识也有 323 m,高差173 m,为中低山丘陵地貌类型。采样 不同的看法 · 。特别是古土壤还受到风化壳形成后 点没有工农业污染,风化剖面发育比较完整,厚约 { 的流水侵蚀作用、成岩作用、热液蚀变以及变质作用 ll } 21 m。剖面内未见球状风化夹层,顶部无冲积.洪积 等的影响,这些作用中的一种或几种会或多或少地 和坡积层覆盖。采用连续刻槽法,以平均大约1 m 改变风化壳的矿物组成及其地球化学特征,从而使 的间距,从下至上共采集了23件样品,每个样品重 得古土壤提供的环境信息具有争议性[81。对现代风 约2 kg,现场用聚乙烯塑料袋密封后带回室内进行 化剖面的深入研究,无疑将对地质历史时期的风化 分析。风化剖面分层及样品分布情况见图1。 作用提供更准确的资料,把化学风化作用与后期的 风化剖面矿物组成根据光学显微镜下的薄片观 成岩、热液蚀变作用和变质作用区分开来,对古风化 察结合x射线粉晶衍射(XRD)分析得出。XRD分析 壳的形成过程做出更为合理的解释。 在中国科学院地球化学研究所矿床实验室进行,所 广西凭祥地处我国西南边陲,位于106 ̄45 E~ 用仪器为日本理学公司D/Max.2200型x射线衍射 收稿日期:2002—12—17;接受日期:2003—04—09 作者简介:顾尚义(1969一),男,博士,地球化学专业。 维普资讯
第4期 顾尚义等:广西凭祥英安岩的化学风化作用研究 激㈦o 琵 剖面分层 m u 太远。周围有时见自形程度很高的磷灰石。此外,也 加 有交代斜长石中的钠长石并沿其解理方向产出的绿 =二= " M 腐殖层 红粘土带 m 9泥石。在绿泥石颗粒中还分布有半自形至他形的黄 ;l 铁矿。蚀变英安岩中常见的另一种蚀变矿物是方解 石,呈细脉状切穿岩石,或胶结长英质基质。玉髓也 是蚀变作用产生的常见矿物,呈球状、放射状,正交 偏光下韵律状消光明显,部分重结晶为表面洁净的 二F、_‘ 石英。XRD图谱上还见有少量蒙脱石、石膏、针铁矿 腐泥带 以及蒙脱石与绢云母的间层矿物。本层斜长石含量 平均为18%,钾长石13%,石英42%,绿泥石10%, 高岭石6%,方解石5%,蒙脱石4%。 ++++++++ ++++ r++++++++ ++++ ++++++++ ++++ ++++++++ ++++ ++++++++ ++++ ++++++++ ++++ 卜++++++++ ++++一 卜++++++++ 士—1dr1 一腐泥岩带(BF.3一BF.13)以大量氧化铁矿物的 出现为标志,与母岩界面处为褐色,可见方解石被溶 蚀后留下的空洞,表明英安岩的蚀变作用发生在风 腐泥岩带 化作用之前。风化界面之上的几厘米之内方解石、 黄铁矿已完全消失。一部分绿泥石被氧化成氧化 铁,另一部分风化为蒙脱石与蛭石,从而数量骤减, 到离地表12 m附近完全消失。部分斜长石晶体周围 包裹着一层氧化铁薄膜,风化作用仍然从核心部位 蚀变英安岩 V V V V 和富钙部位开始,钠质的边缘未见风化特征。长石 的风化产物有蒙脱石、伊利石与高岭石、石英和玉 髓,石英分布于斜长石颗粒的内部,而玉髓呈球粒状 分布于斜长石内部及其边缘。这一特征表明,长石 风化过程中形成的部分二氧化硅并未被风化溶液带 走,而是以石英和玉髓的形式重新沉淀下来。钛铁 矿风化形成截面呈菱形的锐钛矿。石英颗粒边缘开 始显示溶蚀特征,内部裂纹开始发育。该带斜长石 与钾长石含量均变化极大。斜长石含量约2%~ 20%,钾长石含量约3%~15%,伊利石含量约5%~ 15%,蒙脱石含量约5%~13%,石英含量约17%~ 40%,高岭石含量10%~15%,蛭石含量约3%~ 7%,氧化铁矿物含量4%~8%。剖面露头观察表明, 该带斜长石与钾长石含量变化幅度大的原因是顶部 图1 叫弄英安岩风化剖面示意图 Fig.1 Schematic map showing the weathering profile for the Jiaonong dacite 样品编号1—23对应于BF.1一BF.23。 仪,仪器条件为K .Cu靶,扫描速度8。/min,管电压 40 kV,管电流30 mA。 化学全分析由国土资源部宜昌地质矿产研究所 岩矿测试室完成,测试方法为容量法、光度法和原子 吸收光谱法。 2结果与讨论 2.1矿物学特征 风化母岩(BF.1和BF.2)蚀变英安岩呈灰绿色、 风化样品(BF.11、BF.12、BF.13)呈灰色、灰白色砂糖 状,钠长石含量较高(约10%~20%)。本带除上述 顶部样品外,斜长石含量大大降低,为2%~4%。 腐泥带(BF.14一BF.17)与腐泥岩带为渐变过渡 关系,呈褐色、黄色和灰白色。斜长石基本上已风 化,但其形态特征仍然保留,伊利石也逐渐风化为高 岭石。高岭石有时呈团块状产出。石英斑晶颗粒内 部裂纹发育,部分已分解为几个较小的颗粒,边缘因 溶蚀而呈锯齿状。该带中斜长石已风化殆尽,钾长 石含量约5%~8%,高岭石含量约42%,伊利石约 红棕色,斑状结构,斑晶为斜长石和石英,少量黑云 母。斜长石呈自形至半自形的板状,聚片双晶发育, 核心及富钙的部位蚀变成高岭石、绢云母及方解石 (少量)。石英一般自形程度较高,边缘有熔蚀港湾。 黑云母虽已蚀变成棕黄色的水黑云母和进一步的蚀 变产物绿泥石,但其极完全解理特征及消光特性仍 然保留。在绿泥石矿物边缘及中心部位常见黑色的 钛铁矿产出,说明黑云母蚀变过程中钛并没有迁移 8%,石英约28%,蛭石约4%,蒙脱石约4%。 维普资讯
膨戤ft 2003正 。蒙脱石 O.OO lO.OO 2O.OO 3O.00 40.00 50.00 20(。) 图2红粘土带的XRD图谱 Fig.2 XRD pattern of Sample No.BF.20 in red clay zoIle(diffraction peak d-value in A) 样号BF.2O,衍射峰d值单位为A 红粘土带(BF一18一BF一21)呈黄色和砖红色,原 各元素的活动性。 岩结构开始受到破坏,XRD研究(图2)结合野外与 此外,风化壳发育过程中由于节理裂隙的存在, 显微镜下观察表明,主要矿物为高岭石、石英、赤 使得风化作用进行并不完全按照由下至上风化强度 铁矿和伊利石,蒙脱石与蛭石明显较低,斜长石虽已 逐渐增高的规律,为此我们利用化学蚀变指数 风化,部分颗粒外形依然比较完整,可见少量部分风 (CIA,chemical index of alteration)来表征各个样品 化的钾长石颗粒。钾长石含量约5%,蒙脱石约2%, 的风化程度。CIA的定义如下【】。。: 高岭石约52%,石英约32%,伊利石约2%,蛭石约 CIA=[A12O3/(A12O3+CaO +Na2O+K2O)】×100 l%~2%。 式中:各氧化物均为其摩尔数,CaO 为与硅酸盐结 腐殖层(BF一22一BF.23)矿物组成以高岭石为 合的CaO,按McLennant 推荐的方法计算。 主,其次为石英、赤铁矿和针铁矿,少量伊利石和蒙 各主元素氧化物相对于A1 O 的变化率随CIA 脱石。原岩结构已完全破坏。高岭石含量约62%,石 的变化趋势见图3。从图3中可以看出,随着风化 英约24%~33%,钾长石约3%。 作用的进行,SiO 显示出逐渐亏损的趋势,反映了 2.2地球化学特征 硅酸盐矿物(如长石和绿泥石等)风化和SiO:逐渐 从剖面中流失的特点。Fe O 得到富集,相对于母岩 23件样品的化学全分析结果见表1。由于在化 最大富集程度为332%;相反,FeO则呈现出亏损特 学风化过程中,活动性元素的淋失或剖面体积缩小 征,最大亏损程度为98%,反映了母岩绿泥石中 会直接造成样品中稳定性元素的浓度增加,从而掩 Fe 的逐渐氧化过程。剖面中Fe O 和FeO的波动 盖这一过程中元素迁移或富集的真实面目。因此, 反映了化学风化过程中氧化还原状态的变化,即古 一般采用某一元素(如Ti、Al和Zr等)作为不活动 地下水位的波动。地下水位以下的风化剖面处于饱 元素,计算样品中其他元素的变化率 , 1: 水状态,氧化还原电位相对较低,氧化铁矿物被还 AX(%)=[( /L)/(Xp/Ip)一I】×100 原溶解;而地下水位以上的风化剖面处于不饱和状 式中: 和 分别代表样品中元素x和不活动元 态,氧化还原电位相对较高,氧化铁矿物残留于原 素I的含量(质量分数,下同);X 和,p分别表示上 地。分析表明,叫弄剖面样品从BF一13向上,除表层 述元素在母岩中的含量。若AX>0,则说明元素x 样品(BF一23)因有机质的还原作用使得其中Fe O / 相对I富集,AX<0反映元素相对I迁出。本文选择 FeO比值(质量分数之比,下同)较低外,其余样品 Al作为风化过程中的相对不活动元素,将其他元素 (BF一13一BF 22)Fe2O3/FeO比值为10.2~48.3,平 氧化物与母岩BF一1中的相比较来衡量风化过程中 均为3O.50;而BF一3一BF一12中Fe2O3/FeO比值为 维普资讯
第4期 顾尚义等:广西凭祥英安岩的化学风化作用研究 331 50 邑0 300 、一, 星.导100 0 Q 司 50 % .1OO 4 CIA CIA 100 50 5o 、一, 0 0 0 --50 5O 司 .100 .100 - 40 60 80 100 40 60 80 100 40 60 80 100 CIA CIA CIA 20 5O 20 .20 O -0 20 0 .60 .50 -6O 司 .1OO .100 .100 40 60 80 100 40 6O 8O 100 40 60 80 100 CIA CIA CIA 图3 叫弄剖面主元素氧化物相对于AI 0 的变化率随CIA的变化趋势图 Fig.3 Changing trends of major element oxides relative to AI2Os s.CIA for the Jiaonong profile 维普资讯
332 膨戤ft 2003生 0.6~17.1,平均为6.8。因此,样品BF一13所在位 风化作用与上部剖面呈现明显的差别。即古地下水 置(离地表lO.15 m)附近可能就是古地下水位。风 面之上的剖面部分为大气降水导致的正常化学风化 化作用初期,CaO/A1:0,就显示出急剧降低的特 作用,而古地下水面之下的样品则是氧化铁矿物的 征,这是由风化母岩中方解石的大量存在及其斜长 部分溶解和去K富Na作用。研究表明,引起去K 石中的钙长石较容易风化所决定的。MnO与Pz0 随 富Na的原因是正长石的钠长石化,这可以通过显微 风化作用的进行亏损也较为明显,前者与Mn主要 镜观察得到证实(图5)。图5a中靠照片右侧暗色者 赋存于方解石与绿泥石等矿物有关,而后者则与磷 为一正长石颗粒,左侧为一钠长石颗粒,由于交代 灰石的分解有关。 不完全,部分正长石得以保留下来。图5b中的钠长 KzO/A1:0s与NazO/A1 0s比值显示出特殊的 石颗粒比较完整,正长石颗粒已被完全交代。图5c 变化趋势,CIA值分别为75.1、64.2和74.3的3个 中的等厚胶结物(非晶质二氧化硅)直接指示了古潜 样品(即样品BF一11、BF一12和BF一13)与剖面的其他 水的存在¨ 1。因此推测,正是古地下水带来的Na交 样品变化趋势很不协调。K:O/A1 0 比值的最大亏 代了样品中钾长石而形成自生钠长石,而将K带出 损程度达87%,而NazO/A1z0 比值的最大富集程 剖面。 度为108%,K与Na显示出相反的变化趋势。除这3 个样品外,KzO/A1z0 比值显示出早期基本与母岩 保持一致,晚期逐渐亏损的变化趋势;而Na O/ A1:0 比值则从早期到晚期均显示出亏损特征。这与 国内外学者对现代火成岩及黄土等的风化趋势研究 结果是一致的 1。从A1203一(CaO +Na2O)一KzO图 解(图4)中也可以清楚地看出,除去上述3个样品 外,该风化剖面英安岩的风化趋势是早期为去Ca、 Na阶段,表现为风化趋势平行于A1:O 一(CaO + NazO)连线;晚期为去K阶段,表现为风化趋势平行 于Al2O3一K20连线。 Ai2O3 CaO’+Na20 K2o 图4叫弄剖面AhO 一(CaO +Na O)一K O图解 Fig.4 A1203一(CaO +Na20)一KzO triangular diagrams for the Jiaonong profile 图5叫弄风化剖面中的自生钠长石和等厚胶结物 图中各组分均为摩尔数,CaO 为与硅酸盐结合的CaO。 显微照片 Fig.5 Microphotos showing attthigenie albite and isopachous 从风化壳剖面(图1)可以看出,BF一13所在的位 cement in the Jiaonong weathering profile 置正好是腐泥岩带与腐泥带的交界。K:O与Na20含 a.自生钠长石(左边,具钠长石双晶)交代正长石(右边 暗色者),样号BF-13,正交偏光;b.自生钠长石(无原生 量的突变,以及前述FezO /FeO比值的变化反映了 正长石残留),样号BF.13,正交偏光;C.等厚胶结物(指 古地下水在剖面某些层段的存在引起这些部位化学 示古潜水条件),样号BF.13,单偏光。 维普资讯
第4期 顾尚义等:广西凭祥英安岩的化学风化作用研究 333 MgO/AIzO 比值有随风化作用进行而逐渐亏损 [J】.Am J Sci,2000,300(2):85~141. 的趋势,但2个样品(BF一3和BF一4,相应的CIA值分 [6】 Staudigel H,Hart S R,Schmincke H—U,et a1.Cretaceous ocean 别为75.8和74.2)则与母岩英安岩的相似,这与样 crust at DSDP Sites 417 and 418:Carbon uptake from weathering versus loss by magmatic outgassing[J】.Geochim Cosmochim 品中绿泥石转变为蛭石而使MgO进入蛭石晶格中 Acta,1989,53(11):3 091~3 094. 得以保留有关。 【7】 Francois L M,Walker J C G.Modelling the Phanerozoic carbon cvcle and climate:Constraints from Sr/ Sr isotopic ratio of 3结论 seawater[J】.Am J Sci,1992,292(2):81~135. [8】 Ohmoto H.Evidence in pre-2.2 Ga paleosols for the early evolution of atmospheric oxygen and terrestrial biota[J】.Geology, 对广西叫弄蚀变英安岩风化剖面的矿物学和地 1996,24(12):1 135—1 138. 球化学特征的研究表明,风化作用初期岩石中的方 [9】 Nesbitt H W,Markovics G.Weathering of granodioritic crust, 解石、绿泥石和黄铁矿迅速分解,斜长石中的钙质组 long-term storage of elements in weathering profiles,and petrogenesis 分先于钠长石风化。风化作用中期形成大量高岭 of siliciclastic sediments[J】.Geochim Cosmochim Acta,1 997, 61:1 653~1 670. 石、蒙脱石(主要为钠蒙脱石)、伊利石和蛭石等,风 [10】Nesbitt H W,Young G M.Prediction of some weathering trends of 化作用高级阶段以石英和高岭石、氧化铁矿物的富 plutonic and volcanic rocks based Oll thermodynamic and kinetic 集为特征,但仍含有少量蒙脱石、伊利石和蛭石,说 considerations[J】.Geochim Cosmochim Acta,1984,48(7): 明剖面的成熟程度不是非常高。由于古地下水的影 1 523~1 534. 响而形成的钾长石的钠长石化作用,使得剖面部分 [1 1】MeLennan S M.Weathering and global denudation[J】.J Geol, 层段的发育偏离了岩石的正常风化趋势。 1993,101(2):295—303. [12】陈骏,季峻峰,仇纲,等.陕西洛川黄土化学风化程度的地球 参考文献(References): 化学研究【J1.中国科学(D辑),1997,27(6):53l~536. Chen Jun,Ji Jun-feng,Qiu Gang,et a1.Geochemical studies Oll [1】Walker J C G,Hays P B,Kasting J F.A negative feedback the intensities of chemical weathering in the Luochuan loess- mechanism for the long—term stabilization of the Earth’s surface paleosol sequence,Shaanxi,China[J】.Sci China(D),1997, temperature[J】.J Geophys Res,1981 86(C10):9 776~9 782. 27(6):531—536(in Chinese). [2】Holland H D,Beukes N J.A paleoweatherlng profile from [13】陈骏,王洪涛,鹿化煜.陕西洛川黄土沉积物中稀土元素及 Griqualand West,South Africa:Evidence for a dramatic rise in 其它微量元素的化学淋滤研究[J】.地质学报,1996,70(1): atmospheric oxygen between 2.2 and 1.9 bybp【J】.Am J Sei, 6l一72. 1990.290.A:1—34. Chen Jun,Wang Hong-tao,Lu Hua-yu.Behaviours of REE and [3】 Retallack G.Reappraisal of a 2200 Ma-old paleosol near Waterval other trace elements during pedological weathering:Evidence from Onder,South Afirca[J】.Precamb Res,1986,32(2—3):195 chemical leaching of loess and paleosol from the Luochuan section —232. in central China[J】.Acta Geol Sinica,1996,70(1):61—72 [4】 Rye R,Kuo P H,Holland H D.Atmospheric carbon dioxide (in Chinese with English abstract). concentrations before 2.2 billion yeam ago[J】.Nature,1995, [14】Horvdth Z,Varga B。Mindszenty A.Mieromorphologieal and 378(6557):603—605. chemical complexities of a lateritic profile from basalt(Jos [5 1 Rye R,Holland H D.Geology and geochemistry of paleosols Plateau,Central Nigeria)[J】.Chem Geol,2000,170(1—4): developed oll the Hekpoort Basalt,Pretoria Group,South Africa 81 93. 维普资讯
罐Ct. 2003正 Chemical weathering for dacite in Pingxiang,Guangxi GU Shang—yi 一,WAN Guo-jiang ,MAO Jian—quan (1.State Key Laboratory of Environmental Geochemistry,Institute of Geochemistyr,Chinese Academy of Sciences.Guiy0ng 550002 Chian;2· School of Resources and Engeering Science, Guizhou University fo c 加 , Guiyang 550003, China) Abstract: Optical observation for thin sections,X—ray diffraction analyses and chemical analyses are applied t0 study the formation of a dacite weathering profile in Pingxiang,Guangxi.In the initial stage of weathering。calcite and chlorite in parent rock broke down rapidly due to the oxidation of minor amount of pyrite.Kaolinite.illite. montmorillonite and vermiculite were formed in a large amount during the middle stage of weathering.When profile developed to advanced stage,the mineral assemblage is characterized by kaolinite, iron oxide minerals and quartz with a small amount of illite, montmorillonite and vermiculite reserved. Some layers in the weathering profile sh0w different geochemical characteristics from the others,namely sodium enrichment and potassium depletion.In A1203一 (CaO +Na20)一K20 tirangular diagram,the weathering trends of these layers in the middle stage are I.emarkablv deviated from normal ones.Both mineralogy and micromorphology of these layers indicate the deviation is formed by the albitization of orthoclase caused by fossil groundwater. Key words:dacite; chemical weathering; albitization; Guangxi Zhuangzu Am0n0m0us Regi0n j };}} ‘^5 {}f} __ ;} _{ f
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第32卷第4期 砧f Vo1.32.No.4 2003年7月 GEoCHIMlCA July,2003 文章编号:0379—1726(2003)04—0328—07 广西凭祥英安岩的化学风化作用研究 顾尚义 一,万国江 ,毛健全2 (1.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵州贵阳550002;2.贵州工业大学资源与环境学院,贵州 贵阳550003) 摘要:利用薄片观察、x射线粉晶衍射分析和化学分析方法研究了广西凭祥英安岩风化剖面的形成作用。风化作 用初期,母岩中微量黄铁矿的氧化分解导致方解石与绿泥石的迅速分解;风化中期形成了大量的高岭石、伊利石、蒙 脱石和蛭石;风化作用高级阶段以高岭石、石英和氧化铁矿物的富集为特征,但仍然存在少量蒙脱石、伊利石和蛭 石。风化剖面的部分层段显示出与剖面其他部分明显不同的地球化学特征,即Na的富集和K的亏损。在A1203一 (CaO +Na O)一K O三角图上,风化中期这些层段明显偏离了正常的风化趋势。矿物学和微形貌的研究表明,造成偏 离的原因是古地下水引起的正长石的钠长石化作用。 关键词:英安岩;化学风化;钠长石化;广西壮族自治区 中图分类号:P594 文献标识码:A 107 ̄20 E,21 ̄40 N~22022 N,属高温多雨的南亚热 0引 言 带湿润季风气候区,常年平均气温高达21.3℃,年 均降雨量为1 376.5 mm,且集中在夏季,全年无霜 化学风化作用是地球表面岩石圈与大气圈、水 期344 d,年均日照达1 614 h,干湿季节分明。区内 圈和生物圈之间的相互作用。岩石风化、土壤形成 岩浆岩广布,湿热的气候条件导致岩石广泛风化,风 和沉积物的沉积是维持地球生命系统营养元素供应 化壳最大厚度可达百米以上,是研究岩石化学风化 和控制显生宙以来地球表面温度的重要表面地质过 作用的理想场所。 程…。近年来,许多研究者致力于对古土壤的研究, 以期能从中提取地质历史时期大气圈和水圈演化的 1采样与实验方法 重要信息 -51。然而,风化剖面是一个复杂的开放系 统,化学风化作用受许多因素制约。这些因素包括 根据野外多次踏勘,选择了凭祥市夏石镇西北 岩石类型、气候特征、海拔高度、构造运动、时间、地 约2 km的叫弄早三叠世北泗组英安岩现代风化剖 下水波动、有机质和大气沉降等。因此,对硅酸盐岩 面作为我们的研究对象。该地区海拔高度为150~ 石的化学风化作用稳定地球表面温度这一认识也有 323 m,高差173 m,为中低山丘陵地貌类型。采样 不同的看法 · 。特别是古土壤还受到风化壳形成后 点没有工农业污染,风化剖面发育比较完整,厚约 { 的流水侵蚀作用、成岩作用、热液蚀变以及变质作用 ll } 21 m。剖面内未见球状风化夹层,顶部无冲积.洪积 等的影响,这些作用中的一种或几种会或多或少地 和坡积层覆盖。采用连续刻槽法,以平均大约1 m 改变风化壳的矿物组成及其地球化学特征,从而使 的间距,从下至上共采集了23件样品,每个样品重 得古土壤提供的环境信息具有争议性[81。对现代风 约2 kg,现场用聚乙烯塑料袋密封后带回室内进行 化剖面的深入研究,无疑将对地质历史时期的风化 分析。风化剖面分层及样品分布情况见图1。 作用提供更准确的资料,把化学风化作用与后期的 风化剖面矿物组成根据光学显微镜下的薄片观 成岩、热液蚀变作用和变质作用区分开来,对古风化 察结合x射线粉晶衍射(XRD)分析得出。XRD分析 壳的形成过程做出更为合理的解释。 在中国科学院地球化学研究所矿床实验室进行,所 广西凭祥地处我国西南边陲,位于106 ̄45 E~ 用仪器为日本理学公司D/Max.2200型x射线衍射 收稿日期:2002—12—17;接受日期:2003—04—09 作者简介:顾尚义(1969一),男,博士,地球化学专业。 维普资讯
第4期 顾尚义等:广西凭祥英安岩的化学风化作用研究 激㈦o 琵 剖面分层 m u 太远。周围有时见自形程度很高的磷灰石。此外,也 加 有交代斜长石中的钠长石并沿其解理方向产出的绿 =二= " M 腐殖层 红粘土带 m 9泥石。在绿泥石颗粒中还分布有半自形至他形的黄 ;l 铁矿。蚀变英安岩中常见的另一种蚀变矿物是方解 石,呈细脉状切穿岩石,或胶结长英质基质。玉髓也 是蚀变作用产生的常见矿物,呈球状、放射状,正交 偏光下韵律状消光明显,部分重结晶为表面洁净的 二F、_‘ 石英。XRD图谱上还见有少量蒙脱石、石膏、针铁矿 腐泥带 以及蒙脱石与绢云母的间层矿物。本层斜长石含量 平均为18%,钾长石13%,石英42%,绿泥石10%, 高岭石6%,方解石5%,蒙脱石4%。 ++++++++ ++++ r++++++++ ++++ ++++++++ ++++ ++++++++ ++++ ++++++++ ++++ ++++++++ ++++ 卜++++++++ ++++一 卜++++++++ 士—1dr1 一腐泥岩带(BF.3一BF.13)以大量氧化铁矿物的 出现为标志,与母岩界面处为褐色,可见方解石被溶 蚀后留下的空洞,表明英安岩的蚀变作用发生在风 腐泥岩带 化作用之前。风化界面之上的几厘米之内方解石、 黄铁矿已完全消失。一部分绿泥石被氧化成氧化 铁,另一部分风化为蒙脱石与蛭石,从而数量骤减, 到离地表12 m附近完全消失。部分斜长石晶体周围 包裹着一层氧化铁薄膜,风化作用仍然从核心部位 蚀变英安岩 V V V V 和富钙部位开始,钠质的边缘未见风化特征。长石 的风化产物有蒙脱石、伊利石与高岭石、石英和玉 髓,石英分布于斜长石颗粒的内部,而玉髓呈球粒状 分布于斜长石内部及其边缘。这一特征表明,长石 风化过程中形成的部分二氧化硅并未被风化溶液带 走,而是以石英和玉髓的形式重新沉淀下来。钛铁 矿风化形成截面呈菱形的锐钛矿。石英颗粒边缘开 始显示溶蚀特征,内部裂纹开始发育。该带斜长石 与钾长石含量均变化极大。斜长石含量约2%~ 20%,钾长石含量约3%~15%,伊利石含量约5%~ 15%,蒙脱石含量约5%~13%,石英含量约17%~ 40%,高岭石含量10%~15%,蛭石含量约3%~ 7%,氧化铁矿物含量4%~8%。剖面露头观察表明, 该带斜长石与钾长石含量变化幅度大的原因是顶部 图1 叫弄英安岩风化剖面示意图 Fig.1 Schematic map showing the weathering profile for the Jiaonong dacite 样品编号1—23对应于BF.1一BF.23。 仪,仪器条件为K .Cu靶,扫描速度8。/min,管电压 40 kV,管电流30 mA。 化学全分析由国土资源部宜昌地质矿产研究所 岩矿测试室完成,测试方法为容量法、光度法和原子 吸收光谱法。 2结果与讨论 2.1矿物学特征 风化母岩(BF.1和BF.2)蚀变英安岩呈灰绿色、 风化样品(BF.11、BF.12、BF.13)呈灰色、灰白色砂糖 状,钠长石含量较高(约10%~20%)。本带除上述 顶部样品外,斜长石含量大大降低,为2%~4%。 腐泥带(BF.14一BF.17)与腐泥岩带为渐变过渡 关系,呈褐色、黄色和灰白色。斜长石基本上已风 化,但其形态特征仍然保留,伊利石也逐渐风化为高 岭石。高岭石有时呈团块状产出。石英斑晶颗粒内 部裂纹发育,部分已分解为几个较小的颗粒,边缘因 溶蚀而呈锯齿状。该带中斜长石已风化殆尽,钾长 石含量约5%~8%,高岭石含量约42%,伊利石约 红棕色,斑状结构,斑晶为斜长石和石英,少量黑云 母。斜长石呈自形至半自形的板状,聚片双晶发育, 核心及富钙的部位蚀变成高岭石、绢云母及方解石 (少量)。石英一般自形程度较高,边缘有熔蚀港湾。 黑云母虽已蚀变成棕黄色的水黑云母和进一步的蚀 变产物绿泥石,但其极完全解理特征及消光特性仍 然保留。在绿泥石矿物边缘及中心部位常见黑色的 钛铁矿产出,说明黑云母蚀变过程中钛并没有迁移 8%,石英约28%,蛭石约4%,蒙脱石约4%。 维普资讯
膨戤ft 2003正 。蒙脱石 O.OO lO.OO 2O.OO 3O.00 40.00 50.00 20(。) 图2红粘土带的XRD图谱 Fig.2 XRD pattern of Sample No.BF.20 in red clay zoIle(diffraction peak d-value in A) 样号BF.2O,衍射峰d值单位为A 红粘土带(BF一18一BF一21)呈黄色和砖红色,原 各元素的活动性。 岩结构开始受到破坏,XRD研究(图2)结合野外与 此外,风化壳发育过程中由于节理裂隙的存在, 显微镜下观察表明,主要矿物为高岭石、石英、赤 使得风化作用进行并不完全按照由下至上风化强度 铁矿和伊利石,蒙脱石与蛭石明显较低,斜长石虽已 逐渐增高的规律,为此我们利用化学蚀变指数 风化,部分颗粒外形依然比较完整,可见少量部分风 (CIA,chemical index of alteration)来表征各个样品 化的钾长石颗粒。钾长石含量约5%,蒙脱石约2%, 的风化程度。CIA的定义如下【】。。: 高岭石约52%,石英约32%,伊利石约2%,蛭石约 CIA=[A12O3/(A12O3+CaO +Na2O+K2O)】×100 l%~2%。 式中:各氧化物均为其摩尔数,CaO 为与硅酸盐结 腐殖层(BF一22一BF.23)矿物组成以高岭石为 合的CaO,按McLennant 推荐的方法计算。 主,其次为石英、赤铁矿和针铁矿,少量伊利石和蒙 各主元素氧化物相对于A1 O 的变化率随CIA 脱石。原岩结构已完全破坏。高岭石含量约62%,石 的变化趋势见图3。从图3中可以看出,随着风化 英约24%~33%,钾长石约3%。 作用的进行,SiO 显示出逐渐亏损的趋势,反映了 2.2地球化学特征 硅酸盐矿物(如长石和绿泥石等)风化和SiO:逐渐 从剖面中流失的特点。Fe O 得到富集,相对于母岩 23件样品的化学全分析结果见表1。由于在化 最大富集程度为332%;相反,FeO则呈现出亏损特 学风化过程中,活动性元素的淋失或剖面体积缩小 征,最大亏损程度为98%,反映了母岩绿泥石中 会直接造成样品中稳定性元素的浓度增加,从而掩 Fe 的逐渐氧化过程。剖面中Fe O 和FeO的波动 盖这一过程中元素迁移或富集的真实面目。因此, 反映了化学风化过程中氧化还原状态的变化,即古 一般采用某一元素(如Ti、Al和Zr等)作为不活动 地下水位的波动。地下水位以下的风化剖面处于饱 元素,计算样品中其他元素的变化率 , 1: 水状态,氧化还原电位相对较低,氧化铁矿物被还 AX(%)=[( /L)/(Xp/Ip)一I】×100 原溶解;而地下水位以上的风化剖面处于不饱和状 式中: 和 分别代表样品中元素x和不活动元 态,氧化还原电位相对较高,氧化铁矿物残留于原 素I的含量(质量分数,下同);X 和,p分别表示上 地。分析表明,叫弄剖面样品从BF一13向上,除表层 述元素在母岩中的含量。若AX>0,则说明元素x 样品(BF一23)因有机质的还原作用使得其中Fe O / 相对I富集,AX<0反映元素相对I迁出。本文选择 FeO比值(质量分数之比,下同)较低外,其余样品 Al作为风化过程中的相对不活动元素,将其他元素 (BF一13一BF 22)Fe2O3/FeO比值为10.2~48.3,平 氧化物与母岩BF一1中的相比较来衡量风化过程中 均为3O.50;而BF一3一BF一12中Fe2O3/FeO比值为 维普资讯
第4期 顾尚义等:广西凭祥英安岩的化学风化作用研究 331 50 邑0 300 、一, 星.导100 0 Q 司 50 % .1OO 4 CIA CIA 100 50 5o 、一, 0 0 0 --50 5O 司 .100 .100 - 40 60 80 100 40 60 80 100 40 60 80 100 CIA CIA CIA 20 5O 20 .20 O -0 20 0 .60 .50 -6O 司 .1OO .100 .100 40 60 80 100 40 6O 8O 100 40 60 80 100 CIA CIA CIA 图3 叫弄剖面主元素氧化物相对于AI 0 的变化率随CIA的变化趋势图 Fig.3 Changing trends of major element oxides relative to AI2Os s.CIA for the Jiaonong profile 维普资讯
332 膨戤ft 2003生 0.6~17.1,平均为6.8。因此,样品BF一13所在位 风化作用与上部剖面呈现明显的差别。即古地下水 置(离地表lO.15 m)附近可能就是古地下水位。风 面之上的剖面部分为大气降水导致的正常化学风化 化作用初期,CaO/A1:0,就显示出急剧降低的特 作用,而古地下水面之下的样品则是氧化铁矿物的 征,这是由风化母岩中方解石的大量存在及其斜长 部分溶解和去K富Na作用。研究表明,引起去K 石中的钙长石较容易风化所决定的。MnO与Pz0 随 富Na的原因是正长石的钠长石化,这可以通过显微 风化作用的进行亏损也较为明显,前者与Mn主要 镜观察得到证实(图5)。图5a中靠照片右侧暗色者 赋存于方解石与绿泥石等矿物有关,而后者则与磷 为一正长石颗粒,左侧为一钠长石颗粒,由于交代 灰石的分解有关。 不完全,部分正长石得以保留下来。图5b中的钠长 KzO/A1:0s与NazO/A1 0s比值显示出特殊的 石颗粒比较完整,正长石颗粒已被完全交代。图5c 变化趋势,CIA值分别为75.1、64.2和74.3的3个 中的等厚胶结物(非晶质二氧化硅)直接指示了古潜 样品(即样品BF一11、BF一12和BF一13)与剖面的其他 水的存在¨ 1。因此推测,正是古地下水带来的Na交 样品变化趋势很不协调。K:O/A1 0 比值的最大亏 代了样品中钾长石而形成自生钠长石,而将K带出 损程度达87%,而NazO/A1z0 比值的最大富集程 剖面。 度为108%,K与Na显示出相反的变化趋势。除这3 个样品外,KzO/A1z0 比值显示出早期基本与母岩 保持一致,晚期逐渐亏损的变化趋势;而Na O/ A1:0 比值则从早期到晚期均显示出亏损特征。这与 国内外学者对现代火成岩及黄土等的风化趋势研究 结果是一致的 1。从A1203一(CaO +Na2O)一KzO图 解(图4)中也可以清楚地看出,除去上述3个样品 外,该风化剖面英安岩的风化趋势是早期为去Ca、 Na阶段,表现为风化趋势平行于A1:O 一(CaO + NazO)连线;晚期为去K阶段,表现为风化趋势平行 于Al2O3一K20连线。 Ai2O3 CaO’+Na20 K2o 图4叫弄剖面AhO 一(CaO +Na O)一K O图解 Fig.4 A1203一(CaO +Na20)一KzO triangular diagrams for the Jiaonong profile 图5叫弄风化剖面中的自生钠长石和等厚胶结物 图中各组分均为摩尔数,CaO 为与硅酸盐结合的CaO。 显微照片 Fig.5 Microphotos showing attthigenie albite and isopachous 从风化壳剖面(图1)可以看出,BF一13所在的位 cement in the Jiaonong weathering profile 置正好是腐泥岩带与腐泥带的交界。K:O与Na20含 a.自生钠长石(左边,具钠长石双晶)交代正长石(右边 暗色者),样号BF-13,正交偏光;b.自生钠长石(无原生 量的突变,以及前述FezO /FeO比值的变化反映了 正长石残留),样号BF.13,正交偏光;C.等厚胶结物(指 古地下水在剖面某些层段的存在引起这些部位化学 示古潜水条件),样号BF.13,单偏光。 维普资讯
第4期 顾尚义等:广西凭祥英安岩的化学风化作用研究 333 MgO/AIzO 比值有随风化作用进行而逐渐亏损 [J】.Am J Sci,2000,300(2):85~141. 的趋势,但2个样品(BF一3和BF一4,相应的CIA值分 [6】 Staudigel H,Hart S R,Schmincke H—U,et a1.Cretaceous ocean 别为75.8和74.2)则与母岩英安岩的相似,这与样 crust at DSDP Sites 417 and 418:Carbon uptake from weathering versus loss by magmatic outgassing[J】.Geochim Cosmochim 品中绿泥石转变为蛭石而使MgO进入蛭石晶格中 Acta,1989,53(11):3 091~3 094. 得以保留有关。 【7】 Francois L M,Walker J C G.Modelling the Phanerozoic carbon cvcle and climate:Constraints from Sr/ Sr isotopic ratio of 3结论 seawater[J】.Am J Sci,1992,292(2):81~135. [8】 Ohmoto H.Evidence in pre-2.2 Ga paleosols for the early evolution of atmospheric oxygen and terrestrial biota[J】.Geology, 对广西叫弄蚀变英安岩风化剖面的矿物学和地 1996,24(12):1 135—1 138. 球化学特征的研究表明,风化作用初期岩石中的方 [9】 Nesbitt H W,Markovics G.Weathering of granodioritic crust, 解石、绿泥石和黄铁矿迅速分解,斜长石中的钙质组 long-term storage of elements in weathering profiles,and petrogenesis 分先于钠长石风化。风化作用中期形成大量高岭 of siliciclastic sediments[J】.Geochim Cosmochim Acta,1 997, 61:1 653~1 670. 石、蒙脱石(主要为钠蒙脱石)、伊利石和蛭石等,风 [10】Nesbitt H W,Young G M.Prediction of some weathering trends of 化作用高级阶段以石英和高岭石、氧化铁矿物的富 plutonic and volcanic rocks based Oll thermodynamic and kinetic 集为特征,但仍含有少量蒙脱石、伊利石和蛭石,说 considerations[J】.Geochim Cosmochim Acta,1984,48(7): 明剖面的成熟程度不是非常高。由于古地下水的影 1 523~1 534. 响而形成的钾长石的钠长石化作用,使得剖面部分 [1 1】MeLennan S M.Weathering and global denudation[J】.J Geol, 层段的发育偏离了岩石的正常风化趋势。 1993,101(2):295—303. [12】陈骏,季峻峰,仇纲,等.陕西洛川黄土化学风化程度的地球 参考文献(References): 化学研究【J1.中国科学(D辑),1997,27(6):53l~536. Chen Jun,Ji Jun-feng,Qiu Gang,et a1.Geochemical studies Oll [1】Walker J C G,Hays P B,Kasting J F.A negative feedback the intensities of chemical weathering in the Luochuan loess- mechanism for the long—term stabilization of the Earth’s surface paleosol sequence,Shaanxi,China[J】.Sci China(D),1997, temperature[J】.J Geophys Res,1981 86(C10):9 776~9 782. 27(6):531—536(in Chinese). [2】Holland H D,Beukes N J.A paleoweatherlng profile from [13】陈骏,王洪涛,鹿化煜.陕西洛川黄土沉积物中稀土元素及 Griqualand West,South Africa:Evidence for a dramatic rise in 其它微量元素的化学淋滤研究[J】.地质学报,1996,70(1): atmospheric oxygen between 2.2 and 1.9 bybp【J】.Am J Sei, 6l一72. 1990.290.A:1—34. Chen Jun,Wang Hong-tao,Lu Hua-yu.Behaviours of REE and [3】 Retallack G.Reappraisal of a 2200 Ma-old paleosol near Waterval other trace elements during pedological weathering:Evidence from Onder,South Afirca[J】.Precamb Res,1986,32(2—3):195 chemical leaching of loess and paleosol from the Luochuan section —232. in central China[J】.Acta Geol Sinica,1996,70(1):61—72 [4】 Rye R,Kuo P H,Holland H D.Atmospheric carbon dioxide (in Chinese with English abstract). concentrations before 2.2 billion yeam ago[J】.Nature,1995, [14】Horvdth Z,Varga B。Mindszenty A.Mieromorphologieal and 378(6557):603—605. chemical complexities of a lateritic profile from basalt(Jos [5 1 Rye R,Holland H D.Geology and geochemistry of paleosols Plateau,Central Nigeria)[J】.Chem Geol,2000,170(1—4): developed oll the Hekpoort Basalt,Pretoria Group,South Africa 81 93. 维普资讯
罐Ct. 2003正 Chemical weathering for dacite in Pingxiang,Guangxi GU Shang—yi 一,WAN Guo-jiang ,MAO Jian—quan (1.State Key Laboratory of Environmental Geochemistry,Institute of Geochemistyr,Chinese Academy of Sciences.Guiy0ng 550002 Chian;2· School of Resources and Engeering Science, Guizhou University fo c 加 , Guiyang 550003, China) Abstract: Optical observation for thin sections,X—ray diffraction analyses and chemical analyses are applied t0 study the formation of a dacite weathering profile in Pingxiang,Guangxi.In the initial stage of weathering。calcite and chlorite in parent rock broke down rapidly due to the oxidation of minor amount of pyrite.Kaolinite.illite. montmorillonite and vermiculite were formed in a large amount during the middle stage of weathering.When profile developed to advanced stage,the mineral assemblage is characterized by kaolinite, iron oxide minerals and quartz with a small amount of illite, montmorillonite and vermiculite reserved. Some layers in the weathering profile sh0w different geochemical characteristics from the others,namely sodium enrichment and potassium depletion.In A1203一 (CaO +Na20)一K20 tirangular diagram,the weathering trends of these layers in the middle stage are I.emarkablv deviated from normal ones.Both mineralogy and micromorphology of these layers indicate the deviation is formed by the albitization of orthoclase caused by fossil groundwater. Key words:dacite; chemical weathering; albitization; Guangxi Zhuangzu Am0n0m0us Regi0n j };}} ‘^5 {}f} __ ;} _{ f
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