贵州西北部玄武岩风化壳元素地球化学特征.pdf

世界有色金属2023年7月下196贵州西北部玄武岩风化壳元素地球化学特征刘爽（毕节市能源发展技术中心，贵州 毕节 5 5 1 7 0 0）摘 要：通过野外采样和分析测试，分析玄武岩风化壳主量元素、微量元素、稀土元素分布规律和元素迁移系数，筛选玄武岩风化壳中的稳定元素，为玄武岩风化壳稀土元素富集和示踪因子提供依据。结果显示，X F 玄武岩风化壳剖面属于强风化剖面类型，由于C a O等主量元素通过大气沉降得到补充，因此化学风化指数（C I A）不能准确判断风化壳的风化强度。稀土元素被吸附于次生矿物中发生富集，风化程度越强，稀土元素含量越高，且轻稀土元素比重稀土元素富集程度更明显。主量元素C a O、Na2O、Mg O、K2O和微量元素S r 淋滤殆尽，没有继承母岩特征，不能作为研究玄武岩风化土壤流失的示综因子，T a、Hf 等9 种微量元素和稀土元素继承了母岩特征，可作为研究玄武岩风化土壤流失的示综因子。关键词：玄武岩风化壳；迁移系数；化学风化指数；示综因子中图分类号：P 5 1 2.1 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 4-0 1 9 6-3Geochemical Characteristics of Elements in Weathering Crusts of Basalt in Northwest GuizhouLIUShuang(B i j i e E n e r g y D e v e l o p me n t T e c h n o l o g y C e n t e r,B i j i e 5 5 1 7 0 0,C h i n a)Abstract:T h r o u g h f i e l d s a mp l i n g a n d a n a l y s i s t e s t i n g,t h e d i s t r i b u t i o n p a t t e r n s a n d mi g r a t i o n c o e f f i c i e n t s o f ma j o r e l e me n t s,t r a c e e l e me n t s,a n d r a r e e a r t h e l e me n t s i n t h e w e a t h e r i n g c r u s t o f b a s a l t w e r e a n a l y z e d t o s c r e e n s t a b l e e l e me n t s i n t h e w e a t h e r i n g c r u s t,p r o v i d i n g a b a s i s f o r t h e e n r i c h me n t a n d t r a c i n g f a c t o r s o f r a r e e a r t h e l e me n t s i n t h e w e a t h e r i n g c r u s t o f b a s a l t.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e X F b a s a l t w e a t h e r i n g c r u s t p r o f i l e b e l o n g s t o t h e t y p e o f s t r o n g w e a t h e r i n g p r o f i l e.D u e t o t h e s u p p l e me n t a t i o n o f ma j o r e l e me n t s s u c h a s C a O t h r o u g h a t mo s p h e r i c s e d i me n t a t i o n,t h e C h e mi c a l We a t h e r i n g I n d e x (C I A)c a n n o t a c c u r a t e l y d e t e r mi n e t h e w e a t h e r i n g i n t e n s i t y o f t h e w e a t h e r i n g c r u s t.Ra r e e a r t h e l e me n t s a r e a d s o r b e d a n d e n r i c h e d i n s e c o n d a r y mi n e r a l s,a n d t h e s t r o n g e r t h e w e a t h e r i n g d e g r e e,t h e h i g h e r t h e c o n t e n t o f r a r e e a r t h e l e me n t s,a n d t h e p r o p o r t i o n o f l i g h t r a r e e a r t h e l e me n t s t o r a r e e a r t h e l e me n t s i s mo r e s i g n i f i c a n t.T h e ma i n e l e me n t s C a O,Na2O,Mg O,K2O,a n d t r a c e e l e me n t s S r h a v e b e e n c o mp l e t e l y l e a c h e d o u t,w i t h o u t i n h e r i t i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p a r e n t r o c k,a n d c a n n o t b e u s e d a s a c o mp r e h e n s i v e f a c t o r f o r s t u d y i n g t h e e r o s i o n o f w e a t h e r e d b a s a l t s o i l.Ni n e t r a c e e l e me n t s s u c h a s T a a n d Hf,a s w e l l a s r a r e e a r t h e l e me n t s,i n h e r i t t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p a r e n t r o c k,a n d c a n b e u s e d a s a c o mp r e h e n s i v e f a c t o r f o r s t u d y i n g t h e e r o s i o n o f w e a t h e r e d b a s a l t s o i l.Keywords:w e a t h e r e d b a s a l t c r u s t;T r a n s f e r c o e f f i c i e n t;C h e mi c a l w e a t h e r i n g i n d e x;E n s e mb l e f a c t o r收稿日期：2 0 2 3-0 5作者简介：刘爽，男，汉族，贵州六盘水人，硕士研究生，研究方向：矿山地质。玄 武 岩 是 贵 州 省 出 露 的 主 要 地 层，出 露 面 积 约3104Km21，占全省国土面积17.03%，主要分布在云南高原向黔中高原过渡的斜坡地带。玄武岩中的原生矿物成土物质含量高，残积母质堆积厚，土层厚度大，为稀土元素富集提供了物质基础，如在赫章县发现玄武岩风化壳中稀土含量已达到工业指标2。毕节市和六盘水市地形变化复杂，山高坡陡，土壤被降雨冲刷带走，水土流失十分严重3，造成河流下游水库泥沙大量堆积，严重影响水库运行。化学风化过程中不同元素迁移规律不同，迁移能力强的元素亏损，稳定元素则原地富集或者随泥沙发生迁移，能够较好继承母岩特征，因此稳定元素广泛用于沉积物的物源示综4。研究玄武岩风化壳元素分布规律和迁移特征，可以解释贵州西北部稀土矿的物质来源，而且筛选出的稳定元素可以作为指纹示踪因子，对水土流失治理有重要意义。1 研究区概况研究区位于云南高原向黔中高原过渡的斜坡地带，地势西高东低，最高海拔2900m，最低457m，属典型的喀斯特地貌，气候类型为亚热带季风气候，年降雨量917mm，年平均气温13，出露地表的岩性主要有玄武岩、石灰岩和陆源碎屑岩。2 样品采集与测试方法2.1 样品采集采样工作于2019年8月完成，采样点位于毕节市赫章县新发乡（26 512.10 N，104 3523.4 E），采集了1个玄武岩风化壳剖面的10个土壤样品和1个玄武岩样品，剖面编号为XF剖面，剖面厚度160cm，020cm为表层土壤黑褐色，腐殖质丰富，20cm40cm颜色由黑褐色向红色过渡，40cm160cm土壤为红色，地表植被发育。采集中先去除表层覆盖物，样品在剔除杂质后自然风干保存。2.2 测试方法将自然风干的土壤和新鲜玄武岩样品研磨至200目用于测试主量元素、微量元素和稀土元素。本次测试在中国科学院地球化学研究所完成，主量元素测试用X射线荧光光谱仪；微量元素和稀土元素采用高分辨率电感耦合等离子体质谱仪测试，结果见表1、表2、表3。2023年7月下 世界有色金属 1973 结果与讨论3.1 元素含量组成风化壳剖面土壤样品和新鲜玄武岩样品部分主量元素含量见表 1，XF 剖面主量元素中 SiO2、Al2O3、Fe2O3是剖面土壤中的主要成分，土壤中的SiO2含量比新鲜玄武岩含量低，Al2O3、Fe2O3比新鲜玄武岩的含量高，主量元素TiO2含量在剖面中比较稳定，MgO、CaO、Na2O、K2O含量低于新鲜玄武岩的含量。XF风化壳剖面化学风化指数（CIA）值分布在91-95之间，大气沉降增加了土壤中的CaO、Na2O、K2O含量4，因此风化壳剖面下部化学风化指数高于剖面上部。风化壳剖面土壤样品和新鲜玄武岩样品微量元素含量见表2，XF风化壳剖面土壤中Sr元素大量淋失，远低于新鲜玄武岩的含量，因此Sr元素不能继承母岩特征，Ta、Zr、Hf等高场强元素地球化学性质稳定，原生矿物很难被风化5-6，因此土壤中的含量均比新鲜玄武岩含量高。风化壳剖面土壤样品和新鲜玄武岩样品微量元素含量见表3，由于稀土元素在风化过程中被高玲石等次生矿物吸附，Ca等活泼元素大量流失，因此风化壳剖面中各稀土元素总量高于新鲜玄武岩中的含量。由于重稀土元素不易被高岭石吸附，而轻稀土元素易被高岭石矿物吸附，因此XF玄武岩风化壳剖面轻稀土元素含量比重稀土元素高。3.2 元素迁移特征在化学风化作用下，元素发生迁出或富集，质量平衡逼近方法常用来分析岩石风化成土过程中元素的地球化学行为7，分析元素的迁移特征，计算公式如下：j,w=(Cj,w/Cj,p)/(Ci,w/Ci,p)-1（1）8表1XF玄武岩风化壳剖面主量元素含量（%）及化学风化指标元素3（cm）10（cm）20（cm）40（cm）60（cm）80（cm）100（cm）120（cm）140（cm）160（cm）新鲜玄武岩SiO237.237.437.836.235.733.533.133.432.832.544.3Al2O319.820.522.323.323.723.623.723.422.722.814.6Fe2O317.017.117.519.321.021.922.623.024.124.716.2MgO0.80.80.80.80.80.80.90.90.80.85.4CaO0.70.40.30.30.20.20.20.20.20.28.9Na2O0.40.40.40.40.40.40.40.40.20.22.6K2O0.70.70.70.70.70.70.70.60.60.40.8MnO0.20.10.20.20.20.30.30.30.40.30.2P2O50.20.20.20.20.20.20.20.20.20.20.5TiO23.73.73.94.14.44.64.74.85.04.83.6LOI17.717.215.413.812.512.812.612.412.211.82.0CIA9193959693959391919545注：化学风化指数（C I A）=A l2O3/（A l2O3+C a O+N a2O+K2O）1 0 0 ，公示中的氧化物均为摩尔分数，其中C a O仅表示硅酸盐中C a O 的含量）表2部分XF玄武岩风化壳剖面和新鲜玄武岩微量元素含量(g/g)元素3（cm）10（cm）20（cm）40（cm）60（cm）80（cm）100（cm）120（cm）140（cm）160（cm）新鲜玄武岩Sr43.245.239.238.044.336.837.734.843.027.1497.6Ba362511568401454452484451520598565.2Be2.52.32.52.53.12.63.02.62.52.70.9Ga30.232.032.434.141.435.738.935.731.934.323.7Hf8.48.98.78.710.48.79.18.59.08.24.2Li28.130.731.631.233.924.722.820.630.214.28.9Nb50.052.750.849.258.147.146.347.648.742.126.7Ta3.13.23.12.73.43.03.12.93.32.71.4U3.12.83.32.33.22.22.32.03.41.60.7Zr341.0361.0344.0377.0402.0347.0363.0348.0358.0328.0166.9Th12.813.113.612.213.810.310.59.1713.47.723.1表3XF玄武岩风化壳剖面和新鲜玄武岩稀土元素含量（g/g）元素3（cm）3-10（cm）20（cm）40（cm）60（cm）80（cm）100（cm）120（cm）140（cm）160（cm）新鲜玄武岩La57.577.674.666.868.456.863.351.167.047.029.1Ce134.0153.0160.0146.0171.0136.0136.0118.0151.0132.060.5Pr14.319.021.519.318.914.916.712.616.711.48.5Nd59.069.289.584.184.766.465.953.267.746.337.1Sm11.514.318.418.217.613.713.810.713.510.27.7Eu3.23.65.35.45.44.34.043.33.63.23.1Gd10.812.617.316.816.012.612.310.112.69.97.2Tb1.61.92.52.52.41.91.91.61.81.51.0Dy9.09.913.613.513.310.510.58.710.58.75.9Ho1.71.82.52.52.52.01.91.71.91.61.0Er4.94.96.97.17.15.75.54.95.64.83.0Tm0.60.60.80.90.90.70.70.60.70.60.3Yb4.24.15.65.86.04.74.74.34.84.02.3Lu0.60.50.70.70.80.60.60.60.60.50.3世界有色金属2023年7月下198式中j,w表示残积土中某元素的迁移系数；Cj,w表示残积土中某元素含量，Cj,p 表示基岩中某元素含量,Ci,w残积土中参比元素的含量，Ci,p表示基岩中参比元素含量。当j,w0时元素发生富集，当j,w0时元素发生流失或亏损，当j,w0时元素既不亏损也不富集。因为元素Ti能在不同风化程度的表生作用中保持相对稳定9，因此本文选择Ti元素作为参照元素，研究玄武岩风化壳其他元素的迁移特征。在图1中，新发乡玄武岩风化壳剖面中元素Ca、Mg、Na、P、K、Si迁移系数小于0，发生亏损。Fe、Al元素迁移系数大于0，发生富集，Mn在风化程度高的表层土壤中发生流失，而在风化程度低中层土壤中堆积，这主要是因为雨水下渗过程中将剖面上部的Mn元素迁移到剖面中部。图1新发乡玄武岩风化壳剖面主量元素迁移系数（Ti）在图2中，微量元素Sr、Ba迁移系数小于0，其中元素Sr迁移系数接近-1，元素Sr基本淋失，失去了母岩特性，元素Ba相对于Ti发生部分流失，元素Ta、Hf、Li等9种元素迁移系数大于0，因风化壳剖面上部土壤风化强，沿剖面从上至下迁移系数减小，元素更难迁出，因此Ta、Hf等9种元素在表层土壤中含量更高。图2新发乡玄武岩风化壳剖面部分微量元素迁移系数（Ti）在图3中，稀土元素迁移系数大于0，表明稀土元素比Ti元素稳定，继承了母岩特征。由于剖面上部风化强度高，活泼元素大量迁移，因此稀土元素在剖面上部迁移系数大于剖面上部。图3新发乡玄武岩风化壳剖面稀土元素迁移系数（Ti）4 结论（1）XF玄武岩风化壳剖面属于强风化剖面类型，主量元素CaO、Na2O、K2O被淋失殆尽，在大气沉降作用下表层土壤中的CaO、Na2O、K2O得到补充，因此用化学风化指数（CIA）判断表层风化土壤风化程度时会比真实风化程度低。（2）在XF玄武岩风化壳中，稀土元素发生富集，且轻稀土元素比重稀土元素富集程度更明显。（3）在玄武岩风化晚期，主量元素CaO、Na2O、MgO、K2O和微量元素Sr被淋滤殆尽，没有继承母岩特征，不能作为玄武岩风化土壤示综因子。Ta、Hf等9种微量元素和稀土元素继承了母岩特征，可以作为示综因子研究不同地质单元的河流泥沙来源。1贵州西部二叠系玄武岩风化壳及其中稀土富集规律研究D.贵州大学,2008.2张海,郭佩佩.贵州西部峨眉山玄武岩风化壳稀土元素迁移富集规律研究J.中国稀土学报,2021,39(05):786-795.3熊康宁,胡顺光.贵州喀斯特地区水土流失研究进展J.贵州师范大学学报(自然科学版),2011,29(04):106-110.4Derry L A,Chadwick O A.Contributions from earthsatmospheretosoilJ.Elements,2007,3:333-338.5Nesbitt H WMobility and fractionation of rare earthelementsduringweatheringofagranodioriteJNature，1979，279(5710):206 210.6Nesbitt H W，Markovics GWeathering of granodioriticcrust，long-termstorage of elements in weatheringprofiles，and petrogenesis of siliciclastic sedimentsJGeochimica etCosmochimicaActa，1997，61(8):1653 1670.7BrimhallG,DietrichWE.Constitutivemassbalancerelationsbetween chemical composition,volume,density,porosity,and strain in metasomatic hydrochemical systems:Resultson weathering and pedogenesisJ.Geochim CosmochimActa,1987,51:567噁587.8张莉,季宏兵,高杰等.贵州碳酸盐岩风化壳主元素、微量元素及稀土元素的地球化学特征J.地球化学,2015,44(04):323-336.9季宏兵.贵州岩溶台地白云岩上覆红色风化壳的物质来源、形成地球化学过程和古环境重建D.贵阳:中国科学院地球化学研究所,2000.