基于化學蝕變指數的湟水河流域化學風化分析

摘要以青海省湟水河表層沉積物為研究對象，選取該河流沉積物常量元素含量、CIA風化程度指數，通過與大陸殼表層、黃土相關元素的對比，分析了湟水河流域地表化學風化程度。結果表明，湟水河沉積物富Ca、Al，而K在全流域含量變化小，與大陸殼表層含量基本一致，表明湟水河流域地表物質化學風化程度低，處于飽和硅鋁階段早期（即脫Ca、Na階段），地表的物理風化強于化學風化；CIA值大致反映了化學風化的程度，在中游段CIA低，上游和下游段CIA較高，具有相對稍強的化學風化過程。

關鍵詞湟水河流域；化學蝕變指數；化學風化過程；常量元素含量；風化階段

中圖分類號S181.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）12-03632-03

作者簡介陳宗顏（1978-），男，青海西寧人，講師，碩士，從事資源開發、生態環境演化與保護研究。

地表巖土體的風化是改變地表形態和特征最常見的地質營力之一，它是多種因素綜合作用的結果， 也是其理化特性的綜合反映。通?？梢詮奈锢?、化學、生物等方面的指標來研究其風化程度，從母巖到地表巖土體的演化是一個多因素參與并制約的復雜過程。Nesbitt等提出以化學蝕變指數（Chemical Alternation Index，CIA）判別源區化學風化的強度，CIA值能很好地反映物源區化學風化的情況；CIA 值與長石風化成粘土礦物的程度成正比，與風化強度成正比，CIA值越大，風化強度越大[1]。原因在于化學風化時Na、Ca最易遷移、淋失，Mg在強烈化學風化時也易活動，而K、Al及Fe元素則多保存在風化形成的粘土中而產生聚集，故該參數可很好地反映化學風化情況。筆者以青海省湟水河表層沉積物為研究對象，選取該河流沉積物常量元素含量、CAI，通過與大陸殼表層、黃土相關元素的對比，分析了湟水河流域地表化學風化程度，為今后流域生態環境治理、水土流失等研究提供可靠參數，通過探討化學風化指數與區域自然氣候條件的對應關系，為區域風化侵蝕程度研究提供參考依據[2]。

1資料與方法

1.1研究區概況研究區位于青海省東部湟水河流域，大部分地區海拔在2 000～4 000 m。氣候具高原干旱、半干旱大陸性特征，年均氣溫2.8～7.9 ℃，降水量360～540 mm，蒸發量1 100～1 800 mm，5～9月降水量占年降水量的 81%～88%。流域內地層自老至新出露的有寒武系、奧陶系、志留系、二迭系、三迭系、侏羅系、白壟系、第三系及第四系，受大地構造控制，地層在空間分布上很不平衡，老地層僅見于流域周邊山地，在褶皺軸部及斷裂附近有侵入巖零散出露。區內大部分地區被黃土覆蓋，自西向東黃土厚度增大。區內土壤類型主要為淡栗鈣土，成土母質以黃土和沖積次生黃土為主；發育的植被主要是楊樹、云杉、披堿草以及次生草甸；地貌過渡性明顯，以黃土低山丘陵、溝壑為主。水系呈樹枝狀分布，干流南北兩岸支溝發育，支溝之間多為黃土或石質山梁，地表大部分為疏松的黃土覆蓋于第三系紅層之上，多為現代侵蝕溝。湟水河西寧上游段水化學類型為HCO3-Ca型，西寧及下游段為HCO3·SO4-Ca·K·Na型，且河水水化學類型在豐水期和枯水期略有不同[3]。

1.2研究方法為了詳細了解研究區化學風化特征，該研究選取湟水河河床沉積物作為研究對象，沿河道自上而下以5～7 km的間隔共采集了25個河床沉積物樣品（包括湟水河的支流北川河和南川河沉積物樣品）。樣品在實驗室自然風干后，用Axios X射線熒光光譜儀（PW4400）測試了25個樣品的常量元素的含量，所有樣品的相對誤差≤10%。為了方便研究湟水河河床沉積物常量元素分布特征及CIA值變化情況，在此按湟水河流域河流支流發育狀況、地勢等不同，將研究區分為上游、中游、下游和支流段，在每個流域段將采樣點元素含量按算數平均法求該區段的含量，并以此計算求得樣品的化學蝕變指數（CIA），CIA=[Al2O3/（Al2O3+CaO+K2O+Na2O）]×100。通過與大陸殼表層元素含量、黃土對比分析數值分布特征和規律，最后就該流域常量元素含量、CIA值與研究區化學風化的關系進行探討。

2結果與分析

2.1常量元素分布特征常量元素構成了巖石和沉積物的主要化學成分，它表征沉積物的化學組成，其含量變化主要受主礦物控制，可以反映沉積物物質來源，故常量元素的含量可以用來判定沉積物源、環境、氣候等信息特征，而氣候影響風化作用，因此常量元素也通常被用來指示風化作用的強弱[4]。從整個研究區來看，K、Na、Mg、Ca、Al、Si、 Fe等元素在不同的流域段其含量有明顯的差異（圖1）。其中，K的含量在湟水河不同河段的含量變幅較小，與大陸殼表層的含量（UCC）相當（大陸殼表層中K的含量分別為3.4%），Na的含量低于UCC（3.9%）；Al、Ca的含量在研究區變幅較明顯，表現為Al的含量自上游到下游先減少后增加，Ca的含量先增加后減少，Ca、Al的含量均高于UCC含量（Ca為4.2%，Al為15.2%）；Mg的含量變幅小且接近于UCC含量（2.2%）；Si的含量變幅在47.3%～50.3%，低于UCC含量（660%）。湟水河河床沉積物中常量元素含量的變化與流域的風化程度、風化產物的離子遷移過程及離子本身的性質有關。

沉積物常量元素含量與黃土的對比（圖1）發現，K的含量高于黃土中K含量，但與UCC中含量相當，且在上、中、下游段變幅不明顯；Ca的含量高于UCC和黃土中Ca的含量（黃土中Ca含量低于UCC）；Al含量高于UCC和黃土，從上游到下游變化明顯。在湟水河沉積物中，Ca、Al富集明顯，而K、Mg更趨于與大陸殼表層含量相一致，Na表現為虧損。

2.2化學蝕變指數的變化通過對湟水河河床沉積物化學蝕變指數對比（圖2）發現，湟水河上游段的化學風化指數CIA最高，平均值為61.0%；中游段CIA介于50%～55%，平均值為54.2%，其中，多巴較上游稍有降低，至西寧市段達到最小值；下游段CIA值略高于中游水平，平均值為55.0%，自平安到樂都略有上升的趨勢；支流段CIA值由于受采樣點的限制，僅對北川河和南川河進行采樣，結果顯示北川河的CIA值高于南川河。

從區域來看，湟水河流域地貌類型屬于黃土山地丘陵，且在流域范圍內變化較小，氣候寒冷干旱，植被少，降水量少，土壤疏松，因此物理風化比化學風化強烈。高含沙量導致較高的沉積速率，大多數元素在風化時變化較小，基本上繼承了黃土的物質組成。湟水河流域CIA值在西寧段達到最低，且個別樣品的CIA值低于50%，這與黃土區CIA值正常分布是不一致的，由于湟水河西寧境內設置了幾道景觀壩，壩體擾亂了正常的河流沉積，加之市區人類活動影響顯著，故西寧段沉積物的CIA值并不是該區間化學風化極低的指示。

2.3湟水河流域化學風化分析地殼表層的巖石在溫度變化、大氣、水、生物等因素作用下，發生機械破壞（物理風化）和化學變化（化學風化或生物化學風化）的作用，物理風化作用僅造成巖石的機械破碎，沒有成分上的變化，化學風化則使礦物發生分解，分解出來的元素有一部分被地表水和地下水帶走，其余部分則成為地表條件下穩定的新生礦物?；瘜W風化主要是通過氧化作用、水化和水解作用、酸的作用、離子交換等方式進行的。母巖在化學風化過程中表現為某些元素的淋濾分散和另外一些元素的殘積富集2個方面。各種元素按元素的風化分異規律從母巖中分離出來，為了探明研究區化學風化程度，在此將該區化學風化的指標與本區黃土相應指標進行了對比（表1），沉積物中K/Na、K/Ca、Al/Na、Fe/Mg等比值經常被用作化學風化強弱的指標，化學風化強比值高，化學風化弱比值低[5]，原因在于化學風化時Na、Ca最易遷移、淋失，Mg在強烈化學風化時也易活動，而K、Al及Fe元素則多保存在風化形成的粘土中而產生聚集。這些參數的共同運用可很好地反映化學風化情況。

一般而言，母巖風化具有明顯的階段性，一種原生礦物隨著風化程度的加深，通過一系列中間階段，依次形成一些過渡性礦物，最后轉化為最終產物（與最終風化環境取得平衡的生成物）。波雷諾夫根據元素從風化帶中析出的順序[6]，將風化過程分為碎屑階段（物理風化為主）、飽和硅鋁階段（游離出K+、Na+、Ca2+、Mg2+）、酸性硅鋁階段（形成高嶺石、三水鋁石等）、鋁鐵土階段（形成紅土或紅粘土）4個階段。據楊守業等研究[7-9]，西北黃土中長石類礦物的化學風化很弱，僅斜長石經歷了較弱的脫Ca和Na的風化過程，而鉀長石幾乎沒變化，仍處于化學風化的早期階段（飽和硅鋁階段早期）。從表1可以看出，湟水河流域不同流域段沉積物的K/Na、Al/Na、Fe/Mg值均低于黃土的比值，K/Ca值高于黃土的比值，這種差異性反映出研究區化學風化極低，處于飽和硅鋁的初步時期，Ca、Na從斜長石中風化出來，大量的K、Mg只是隨著物理搬運進入沉積物。風化產物的元素在淋濾分散和殘積富集過程中，元素的遷移能力與物理化學性質不完全一致，盡管K、Na的簡單巖類的溶解度大致相同，但在風化帶中Na的遷移能力比K大；鈣鹽和鎂鹽比鈉鹽和鉀鹽難溶，但Ca、Mg的遷移能力大于Na、K，而Al、Fe等遷移能力弱，經常殘留原地。

風化作用是搬運和沉積作用的前提條件，風化產物及其他來源的沉積物，除少部分殘留原地外，大部分被搬運到合適的地點沉積。不同的沉積物有不同的沉積作用特點，原始碎屑物質和粘土物質的搬運沉積服從力學定律，在水和風介質中均是通過物理沉積作用形成碎屑和粘土沉積物，而溶解物質則服從化學定律，以化學沉積作用方式形成沉積物。在干旱半干旱地區，河谷是最常見的沉積區域，河谷沉積物可反映流域風化程度和特征。溶解物質可以呈膠體溶液或真溶液被搬運，這與物質的溶解度有關，如Al、Fe、Si、Mn的氧化物難溶于水，常呈膠體溶液搬運，而Ca、Na、Mg的巖類則呈真溶液搬運。一般認為控制沉積物組成的因素主要包括源巖（流域巖石組成）、構造及氣候影響的化學風化與物理風化、水動力作用、沉積盆地地形、沉積環境、沉積介質的物理化學性質、成巖及變質作用等。研究區盡管有較老的巖層出露，但大部分被黃土覆蓋且黃土厚度大，可以推斷沉積物更多地繼承了黃土中多數元素的組成特征，與出露的基巖相關性不高。黃土的礦物成分以石英（約占黃土礦物總質量的50%）、長石（約占黃土礦物總質量的20%）、碳酸鹽類礦物（約占黃土礦物總質量的10%）和粘土礦物（包括高嶺石類、伊利石類和蒙脫石類，約占黃土礦物總質量的10%）為主[4]。通過與黃土、大陸表層含量的對比（圖1）發現，該區河流沉積物中Ca、Al相對富集，Na虧損，Mg、K含量與大陸殼表層含量基本保持一致。由于較弱的化學風化強度與處于化學風化的初級階段（脫Ca、Na階段），黃土中斜長石風化，而鉀長石未開始風化或風化極少，這從K的含量與大陸殼表層含量基本一致可以得出結論。斜長石的風化產生Ca、Na元素，而Na易流失，故Ca富集于沉積物中，研究區中下游大量蒸發巖（石膏、芒硝等）分布較多，且經流失侵蝕后大量出露，Ca的富集與此也有關系，Mg的遷移能力較強，Al和Fe等遷移能力弱，故殘積源地或隨著物理搬運進行再次沉積，造成Al的富集。這與表1和圖1顯示的結果相吻合。

3結論與討論

（1）通過對湟水河流域不同流域段河床沉積物常量元素分析和CIA研究發現，研究區內，黃土風化基本代表了流域表層物質的化學風化，化學風化處于初級階段（即脫Ca、Na階段），化學風化較弱，表層物質的物理風化明顯強于化學風化；湟水流域CIA值大致反映了化學風化的程度，在中游段CIA低，上游和下游段CIA明顯較高，具有更強的化學風化過程；流域不同地貌單元內元素的遷移、富集和流失，與化學風化有關，其對沉積物中元素貢獻率的大小有待深入研究。

（2）水動力作用也會影響沉積物的元素含量，所以不能單純地用元素含量比值進行化學風化作用強弱的判斷，文中西寧段湟水河的水動力條件受人工建造物的影響就是一個典型例證。除此之外，沉積地形和環境、沉積介質的物理化學性質等其他條件、河流沉積區若有地下水出露，肯定會影響到沉積物的元素含量，這些因素在以后的研究中予以重視。干旱半干旱區，開展沉積物風化研究，可為研究生態環境治理的成效、流域水土流失的質和量提供參考依據。

參考文獻

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