秦建華,杜 谷,冉 敬

(成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,四川 成都 610081)

青藏高原東部金沙江流域盆地陸地風(fēng)化特征

秦建華,杜 谷,冉 敬

(成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,四川 成都 610081)

青藏高原東部金沙江流域是研究高原隆升與陸地風(fēng)化的理想地區(qū)。本文通過對金沙江河流系統(tǒng)的取樣,從河流溶質(zhì)載荷主要離子和懸浮載荷粘土礦物等方面揭示青藏高原東部金沙江流域盆地陸地風(fēng)化特征。研究表明,金沙江流域盆地陸地巖石風(fēng)化主要是碳酸鹽巖、蒸發(fā)鹽巖和硅酸鹽巖。利用 Si、Si/TZ+＊、Si/Na＊+K和 Si/K以及(Na＊+K)/TZ+等 5個指標(biāo)結(jié)合流域區(qū)域巖石分布和土壤特征揭示出流域硅酸鹽巖為淺表性初級風(fēng)化,風(fēng)化產(chǎn)物主要是富含陽離子的次生粘土礦物。

金沙江;流域盆地;陸地風(fēng)化;青藏高原

金沙江流經(jīng)青藏高原東部橫斷山脈,流域盆地中陸地風(fēng)化受到青藏高原隆升影響,是研究青藏高原隆升與陸地風(fēng)化的理想地區(qū)。Wu等[1]對金沙江硅酸鹽巖風(fēng)化和 CO2消耗進(jìn)行過取樣分析研究。

本文通過對金沙江河流系統(tǒng)的取樣從河流溶質(zhì)載荷主要離子和懸浮載荷粘土礦物特征等方面來揭示青藏高原東部金沙江 (含長江河源區(qū),下同)流域盆地陸地風(fēng)化特征。

1 樣品采取

共采取河流溶質(zhì)載荷樣品 13件,懸浮載荷樣品8件 (樣品分布見圖 1,懸浮載荷樣品編號與溶質(zhì)載荷相同)。樣品盡量在河口處采取。野外采取的水樣通常需在 24小時之內(nèi)進(jìn)行過濾處理,以備后期的室內(nèi)分析測試,其具體過濾方式為:用 0.45μm的濾紙進(jìn)行抽濾,將水樣分別過濾兩份:一份體積為250ml,貯備在聚乙烯瓶中 ,以備分析 Ca、Mg、K、Na、Sr、Cl-、SO4

2-、堿度等項目;另一份為 10ml,貯備在聚乙烯瓶中,加入 1ml的 1:1HCl,用于測 Si。

2 溶質(zhì)載荷主要離子地球化學(xué)特征與陸地風(fēng)化

2.1 溶質(zhì)載荷主要離子總體特征

1.N ICB指數(shù)特征

金沙江溶質(zhì)載荷樣品主要離子分析數(shù)據(jù)見表1。在溶質(zhì)載荷中,主要元素總?cè)芙怅栯x子與總?cè)芙怅庪x子之間的電離平衡可用參數(shù) N ICB(normalized inorganic charge balance)來反映。N I CB代表了河水中標(biāo)準(zhǔn)化的非有機(jī)質(zhì)電離平衡:

N ICB在 0.05～-0.05之間,表示河水中主要元素離子間電離是平衡的,來自其它未測定離子的影響不明顯;反之,說明河水中存在著尚未測定的離子(如未分析的有機(jī)酸陰離子等),對河水中陰陽離子的電離平衡具有影響。

金沙江溶質(zhì)載荷NI CB指數(shù)特征見表 2和圖 2。

在金沙江 (含長江河源區(qū),下同)所分析的 13件樣品中:主要離子電離平衡指數(shù) N I CB(表 2和圖2)在 ±0.05范圍內(nèi)的有 3件,占樣品總數(shù) 23%;河水中 N I CB最小值為-0.58(CJ239,河源區(qū)樣品)。從表 2和圖 2可以看出,多數(shù)樣品 (8件)N ICB＜-0.05,僅有 2件樣品 N ICB＞0.05,占樣品總數(shù) 15%。在河源區(qū) 4件樣品中,除 1件樣品 N I CB為 0.03位于測試精度范圍內(nèi),其余 3件樣品均 ＜-0.05,說明河水中尚有未測定的對主要離子電離平衡有影響的陽離子存在。

圖 1 青藏高原東部金沙江溶質(zhì)載荷取樣分布圖Fig.1 Sampling sites of the dissolved loads from the Jinsha River in the eastern part of the Qinghai-Xizang Plateau

表 1 金沙江溶質(zhì)載荷主要離子分析結(jié)果Table 1 Analytical data of the dissolved loads samples from the J insha River

表 2 金沙江溶質(zhì)載荷主要離子 NI CB指數(shù)特征Table 2 NICB indexes of the major ions in the dissolved loads samples from the J insha River

圖 2 金沙江溶質(zhì)載荷主要離子N ICB-TZ+關(guān)系(圖中▲代表河源區(qū)樣品,下同)Fig.2 Relationship be tween N ICB and TZ+indexes of the major ions in the dissolved loads samples from the Jinsha River The solid triangle▲represents the samples from the Changjiang source area

2.TZ+指數(shù)特征

河水中主要陽離子參數(shù) TZ+,從表 2和圖 2中可以看出,多數(shù)樣品 ＜5000μEq,其中:＜1000μEq有 1件樣品,占樣品總數(shù) 8%;1件樣品介于 1000～2000μEq,占 8%;介于 2000～3000μEq有 3件樣品 ,占 23%;介于 3000～5000μEq有 6件,占樣品總數(shù)46%。此外,有 2件樣品 (均為河源區(qū))TZ+＞10000μEq,分別為 15817μEq和 32565μEq。

3.主要離子分布特征

在陰離子 HCO3-Si-Cl+SO4三角圖上 (圖 3a),多數(shù)樣品落在 HCO3＞Si+Cl+SO4范圍之內(nèi),在陽離子 Ca-Mg-(Na+K)三角圖 (圖 3b)上,顯示出向Ca和 (Na+K)集中的趨勢。說明流域盆地中碳酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化對河水主要離子的影響是比較明顯的。特別需要指出的是,取自長江河源區(qū)的 3件樣品 (CJ237尕爾曲,通天河橋下;CJ238沱沱河;CJ239楚瑪爾河),明顯的向 Cl+SO4和 Na+K兩個端點方向集中,尤其是沱沱河和楚瑪爾河的樣品受地表蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化影響就更為明顯。

2.2 流域盆地地表巖石風(fēng)化

1.碳酸鹽和蒸發(fā)鹽巖石的風(fēng)化

從圖 3中可以看到,河水中 HCO3-、Ca、Na+K和 Cl+SO4為金沙江河水中最主要的離子成分,顯示出碳酸鹽巖或含 Ca硅酸鹽巖與蒸發(fā)鹽巖的混合風(fēng)化特征。從地表土壤和巖性分布來看,金沙江流域河谷大量發(fā)育了富含碳酸鹽巖的土壤 (褐土和亞高山嶺鈣土),流域盆地中也有蒸發(fā)鹽的分布,特別是長江源區(qū),構(gòu)造上位于羌塘前陸拗陷。地表出露大量的中生代碳酸鹽和蒸發(fā)鹽巖石 (主要是石膏),并發(fā)育了鈣積作用明顯的高山寒鈣土。另外,在金沙江楚雄和貢覺地區(qū),地表也出露有大片的第三系陸相蒸發(fā)鹽 (為石鹽和石膏)。

蒸發(fā)鹽石膏對河水主要離子的影響,可從 SO4-Ca圖上看出 (圖 4a)。

河水中 SO4主要有兩種來源:一是黃鐵礦的風(fēng)化,其特征是在陰離子三角圖上投點位于中間地帶(Youngsook,1998);二是蒸發(fā)鹽石膏的風(fēng)化溶解。從圖 3a不難看出河水中的 SO4主要是來源于石膏溶解。在圖 4a中,過量的 Ca來自于碳酸鹽和含 Ca硅酸鹽的風(fēng)化。

值得注意的是,金沙江流域 Na-Cl分布 (圖 4b)顯示出與其它造山帶河流 (如恒河源頭[3];西伯利亞 Lena河[2])不同的特征,表現(xiàn)在 Cl＞ ＞Na。據(jù)李炳元等[4]研究,可可西里長江源區(qū)的地下水表現(xiàn)為Cl＞＞Na,而其冰水中的 Cl和 Na含量極低。因此,金沙江河水中多余的 Cl可能主要與上游地下水補給有關(guān)。

圖 3 金沙江河流溶質(zhì)載荷主要陰離子 (a)和陽離子 (b)三角圖解○河源區(qū)樣品 □金沙江樣品Fig.3 Triangular diagrams showing the distribution ofmajor anions(a)and cations(b)in the dissolved loads from the Jinsha River○Sample from the Changjiang source area;□Sample from the Jinsha River

圖 4 金沙江 (含河源區(qū),下同)Ca/SO4(a)和 Cl/Na(b)特征Fig.4 Illustrations of Ca vs.SO4(a)and Cl vs.Na(b)from the Jinsha River(including Changjiang source area)

2.流域盆地硅酸鹽巖石的風(fēng)化

河流中的 Si主要來源于地表硅酸鹽巖的風(fēng)化。在金沙江流域陸源碎屑巖分布較多,河水中 Si濃度大多 ＜100μM,平均為 78.8μM(不含河源區(qū) ),但在長江河源區(qū)河水 Si濃度顯示出異常特征,均 ＞100μM,平均為 152μM(表 1),最高達(dá) 193μM,幾乎可與地盾河流相比較[2]。但二者的地質(zhì)背景和巖性分布迥然不同,前者主要是中深變質(zhì)巖和火成巖,后者 (長江源區(qū))主要是陸屑巖和碳酸鹽巖,長江源區(qū)河水 Si異常可能主要與其地下水的補給有關(guān)。值得指出的是,雖然長江源區(qū)河水 Si含量絕對值較高,但在陰離子 HCO3--Si-Cl+SO4三角圖中 (圖3a),河源區(qū)河水中 Si的相對含量還是比較低的。

Si/TZ+＊可作為流域盆地硅酸鹽巖風(fēng)化強(qiáng)度的一個指標(biāo)[5]。河水 Si/TZ+＊投點均落在大大低于碎屑巖頁巖風(fēng)化到高嶺石階段的 0.25(圖 5a)。其中,最高值為 0.13(樣品 CJ213),該樣品流經(jīng)花崗巖,其余樣品均小于 0.1,主要介于 ±0.05,說明金沙江流域地表硅酸鹽巖的風(fēng)化尚處于初級風(fēng)化階段,為淺表性風(fēng)化 (superficial)。形成的風(fēng)化產(chǎn)物還是富含陽離子的次生粘土礦物,從流域土壤粘土礦物和河流懸浮物粘土礦物測定結(jié)果分析,所形成的次生粘土礦物應(yīng)主要是水云母。

鑒于 Si/TZ+＊指標(biāo)的局限性,需要利用 Si/(Na＊+K)(Na＊=Na-Cl)指標(biāo)來進(jìn)一步揭示流域盆地硅酸鹽巖的風(fēng)化。

圖 5 金沙江溶質(zhì)載荷 Si/TZ+＊(a),Si/(Na＊+K)(b),Si/K(c),(Na＊+K)/TZ+(d)特征Fig.5 Illustrations of Si vs.TZ+＊ (a),Si vs.(Na＊ +K)(b),Si vs.K(c)and(Na＊ +K)vs.TZ+(d)for the dissolved loads from the Jinsha River

在圖 5b中,金沙江 (除河源區(qū)外)河水 Si/Na＊+K主要介于 0.59～1.54之間,個別可達(dá) 2.17(樣品 CJ213)。其余樣品 Si/Na＊+K＜1.7,說明硅酸鹽巖石總體尚處于初步風(fēng)化階段,主要處于形成水云母,部分可能已達(dá)蒙脫石形成階段,少量可能已達(dá)到高嶺石形成階段。

河水 Si/K比是另一個反映鋁硅酸鹽風(fēng)化的指標(biāo)。從圖 5c中可以看到,金沙江 (不含河源區(qū))地表硅酸鹽巖的風(fēng)化還是初步淺表性的 (superficial weathering)。

據(jù)研究[3][6],可用 (Na＊+K)/TZ+(Na＊=Na-Cl)指標(biāo)來反映地表硅酸鹽巖風(fēng)化對河水中陽離子(TZ+)總量的貢獻(xiàn)。對于有地下水供應(yīng)的河水,該指標(biāo)就代表了來自于地表硅酸鹽巖風(fēng)化對河水陽離子貢獻(xiàn)的上限。金沙江 (Na＊+K)/TZ+介于 0.02～0.08之間,平均為 0.05(圖 5d),低于恒河 (平均為 0.1～0.2)[3],說明由硅酸鹽風(fēng)化降解對河水中陽離子的貢獻(xiàn)并不明顯,河水中主要離子應(yīng)主要是由地表碳酸鹽 (含蒸發(fā)巖)風(fēng)化貢獻(xiàn)的。

3 河流懸浮載荷粘土礦物特征與陸地風(fēng)化

表 3是金沙江流域懸浮載荷粘土礦物出現(xiàn)的種類和相對豐度。河流懸浮物中鑒定出的主要粘土礦物有綠泥石、絹云母和伊利石及蒙脫石等,其中絹云母和伊利石為主要成分,相對豐度占 50%～92%。在長江源區(qū)的四個樣品中,未出現(xiàn)蒙脫石而是絹云母和伊利石為主要成分,占 60%～92%。這與恒河源頭懸浮沉積物中的粘土礦物特征具有相似性[3]。懸浮沉積物中伊利石粘土礦物的大量出現(xiàn),說明流域盆地地表硅酸鹽巖石的風(fēng)化主要與酸性巖石有關(guān),風(fēng)化程度總體上還處于比較淺的階段,這與上述從河流溶質(zhì)載荷主要離子特征的分析結(jié)論相一致。

4 結(jié) 論

金沙江流域盆地陸地巖石風(fēng)化主要是碳酸鹽巖、蒸發(fā)鹽巖和硅酸鹽巖的風(fēng)化。碳酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化對河流溶質(zhì)載荷主要離子的影響較為明顯。長江河源區(qū)沱沱河和楚瑪爾河溶質(zhì)載荷主要離子明顯受蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化影響。流域硅酸鹽巖的風(fēng)化尚處于初級風(fēng)化階段,為淺表性風(fēng)化,形成的風(fēng)化產(chǎn)物主要是富含陽離子的次生粘土礦物。風(fēng)化形成的次生粘土礦物主要是水云母,少量為蒙脫石和高嶺石。Ganga-Brahmaputra river system:weathering processes and fluxes to the Bay of Bengal[J].Geochimica et Cos mochimica Acta,1989,53:997-1009.

表 3 金沙江河流懸浮載荷粘土礦物特征Table 3 Types and contents of the clay m inerals in the suspended loads from the Jinsha River

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Cont inental weathering features in the J insha River dra inage basin in the eastern part of the Qinghai-Xizang Plateau

Q IN Jian-hua,DU Gu,RAN Jing
(Chengdu Institute of Geology and M ineral Resources,Chengdu610081,Sichuan,China)

The Jinsha River drainage basin in the eastern part of the Qinghai-Xizang Plateau is interpreted as an ideal area for the study of the relationship between the Plateau uplift and continental weathering.The emphasis in the present paper is placed on the continentalweathering features in the Jinsha River drainage basin based on the major ions in the dissolved loads and clayminerals as suspended loads.The results of research in this study show that the weathered rocks are significantly composed of carbonate rocks,evaporites and silicate rocks in the Jinsha River drainage basin.Five indexes such as Si,Si/TZ+＊,Si/(Na＊+K),Si/K and(Na＊+K)/TZ+for the dissolved loads,in combination with rock distribution and soil features,have disclosed that the weathering of the silicate rocks is generally in the superficial weathering stage,with the secondary cations-rich clay minerals as the weathering products.

Jinsha River;drainage basin;continentalweathering;Qinghai-Xizang Plateau

1009-3850(2010)03-0018-06

2010-07-21

P512.1

A