復雜巖體地質化學特征及其影響因素研究

摘要：為了掌握某區域地質的化學特征，分析了巖體的主要元素特征、微量元素特征和同位素特征。結果表明，巖體中蛇紋巖和輝石巖中Fe2O3含量約在8%，而正長巖和碳酸巖中Fe2O3含量較低；蛇紋巖、輝石巖、正長巖和碳酸巖中都含有較高含量的SiO2，正長巖中含有較高含量的Al2O3和Na2O+K2O，輝石巖中含有較高含量的CaO、MgO、Fe2O3和P2O5。碳酸巖、正長巖的碳13同位素相對于標準物質PDB的比例偏差和氧18同位素相對于標準物質PDB的比例偏差較為接近。巖體中輝石巖、正長巖和碳酸巖的87Rb/86Sr主要分布在0.001 5～0.157 7，87Sr/86Sr主要分布在0.705 9～0.707 0，147Sm/144Nd主要分布在0.082 6～0.130 0，143Nd/144Nd主要分布在0.513 3～0.513 5，巖體中輝石巖、正長巖和碳酸巖的正長巖的143Nd/144Nd較為接近。

關鍵詞：巖體；化學特征；主要元素特征；微量元素特征；同位素特征

中圖分類號：TQ041；P59文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0117-04

Study on the geochemical characteristics of complex rock mass and its influencing factors

DING Shichen

（The Fifth Geological Brigade of Jiangsu Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources，Xuzhou 221000，Jiangsu China）

Abstract：In order to grasp the chemical characteristics of the geology of a certain region，the main elemental char?acteristics，trace element characteristics and isotopic characteristics of the rock mass were analyzed.The results showed that the Fe2O3 content in serpentine and pyroxene rocks was about 8%，while the Fe2O3 content in syenite and carbonate rocks was low.Serpentine，pyroxene，syenite and carbonate rocks all contained higher content of SiO2，syenite rock contained higher content of Al2O3 and Na2O+K2O，and pyroxene rock contained higher content of CaO，MgO，Fe2O3 and P2O5.The ratio deviation of carbon 13 isotope to the reference material PDB and the propor?tion deviation of oxygen 18 isotope to the reference material PDB in carbonate rocks and syenite was similar.The 87Rb/86Sr of pyroxene，syenite and carbonate rocks in the rock mass were mainly distributed in 0.001 5～0.157 7，87Sr/86Sr was mainly distributed in 0.705 9～0.707 0，147Sm/144Nd was mainly distributed in 0.082 6～0.130 0，143Nd/144Nd was mainly distributed in 0.513 3～0.513 5，and the 143Nd/144Nd of syenite of pyroxene，syenite and carbonate rocks in the rock mass was relatively close.

Key words：rock mass；chemical characteristics；main element characteristics；characteristics of trace elements；Isotope characteristics

巖土礦在現代建筑工程中應用較為廣泛，常見的包括纖維狀石膏礦、層狀石膏礦等[1]，常常被用來制作建筑用紙面石膏板、建筑用纖維石膏板、建筑用裝飾石膏板、建筑用石膏空心板條和石膏砌塊等[2-4]。這些巖土礦雖然儲量豐富，但是化學組成較為復雜（包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、Na2O等），常見的巖土礦是否可以大規模工業應用不僅取決于主要元素含量，還與微量元素含量、同位素等的組成有關[5-9]，有必要對巖土礦進行地質化學特征分析。目前，對巖土礦的化學特征的分析主要集中在對單一礦或者純度較高的礦進行分析[10]，而對于復雜結構的巖土礦，由于其組成復雜，其化學特征分析較為復雜，這方面的研究報道相對較少[11-13]。為了掌握某區域地質的化學特征，對某區域巖體進行宏觀形貌、微觀形貌觀察，分析了巖體的主要元素特征、微量元素特征和同位素特征，結果將為復雜巖土礦的工業化應用提供技術支撐。

1測試方法

研究對象為某區域的巖土，該地區受到地質變遷影響，地質狀況較為復雜，需要對其化學特征進行分析。從宏觀形貌中，巖體中有灰色和黑色塊狀構造，局部有纖維狀紋理；微觀形貌中有蛇紋巖（Ser，表現為針片狀）、輝石巖（Mt，表現為黑色塊狀或者枝晶狀）、碳酸巖（Cal，灰白色）和正長巖形態。

采用華為P40手機進行宏觀形貌拍攝；采用Olymplus GX83型光學顯微鏡進行微觀形貌拍攝；采用EA1000AIII能量色散型X射線熒光分析儀對多巖體樣品進行主量元素測試，測試前將樣品進行破碎、烘干，然后通過玻璃熔片法進行測試[14]，工作電壓和電流分別為45k V和40 mA[15]；采用Thermo Scientific 253 Plus同位素比值質譜（IRMS）系統進行巖體同位素測定[16]。

2結果與討論

2.1巖體主要元素特征

對巖體進行主要元素分析。圖1為巖體中主要元素雙變量映射圖，主要針對巖體中的蛇紋巖、輝石巖、正長巖和碳酸巖進行分析，分別列出了Al2O3-SiO2、CaO-SiO2、Na2O+K2O-SiO2、MgO-SiO2、Fe2O3-SiO2、p2O5-SiO2、MnO-SiO2和TiO2-SiO2的雙變量映射圖。

由圖1可知，蛇紋巖中SiO2、CaO、Na2O+K2O、P2O5和TiO2含量較低，MgO較高（高達36.19），Fe2O3約在8%；輝石巖中SiO2（約45%）和CaO（約20%）含量較高，Na2O+K2O、MgO（約12%）、P2O5和TiO2較低，Fe2O3約在8%，并含有少量MnO；正長巖中Al2O3含量約20%，SiO2高達60%，MgO約12%，Fe2O3約在8%，CaO、Na2O+K2O、P2O5和TiO2相對較低；碳酸巖中SiO2含量低于40%，CaO約18%，Na2O+K2O約6%，MgO較低（約2%），Fe2O3約在2%，P2O5、MnO和TiO2較少。整體而言，蛇紋巖和輝石巖中Fe2O3含量約在8%，而正長巖和碳酸巖中Fe2O3含量較低；蛇紋巖、輝石巖、正長巖和碳酸巖中都含有較高含量的SiO2，正長巖中含有較高含量的Al2O3和Na2O+K2O，輝石巖中含有較高含量的CaO、MgO、Fe2O3和P2O5。

圖2為巖體中主要稀土元素分配，分別列出了蛇紋巖、正長巖和碳酸巖中主要稀土元素（Rb、Ba、Th、U、Nb、Ta、La、Ce、Pr、Sr、Nd、Zr、Hf、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Y、Ho、Er、Tm、Yb、Lu）分配比例。

由圖2可知，2種蛇紋巖樣品中的主要稀土元素的含量走勢圖相似，蛇紋巖中Rb、Ba、Th、U較高，Nb、Ta含量較低，Y、Ho、Er、Tm、Yb、Lu元素含量處于低位，La、Ce、Pr、Sr、Nd含量處于中間水平；幾種正長巖樣品中的主要稀土元素的含量走勢圖相似，正長巖中Rb、Ba、Th、U較高，Nb、Ta含量較低，Y、Ho、Er、Tm、Yb、Lu元素含量處于低位，La、Ce、Pr、Sr、Nd含量處于中間水平，幾種正長巖樣品中的主要稀土元素的含量走勢與蛇紋巖相似；碳酸巖和方解石中Ba、Sr含量較高，Nb、Ta、Zr、Hf含量最低，Y、Ho、Er、Tm、Yb、Lu元素含量處于低位，La、Ce、Pr、Sr、Nd含量處于中間水平。整體而言，蛇紋巖和正長巖中Rb、Ba、Th、U、Nb、Ta、La、Ce、Pr、Sr、Nd、Zr、Hf、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Y、Ho、Er、Tm、Yb、Lu元素的含量分布相似，且與碳酸巖和方解石明顯不同，后者Ba、Sr含量較高，Nb、Ta、Zr、Hf含量最低，Y、Ho、Er、Tm、Yb、Lu元素含量處于低位，La、Ce、Pr、Sr、Nd含量處于中間水平。

2.2巖體同位素特征

表1為巖體中碳酸巖、正長巖和方解石中C、O同位素組成統計結果。

由表1可知，碳酸巖的碳13同位素相對于標準物質PDB的比例偏差為-0.483%、氧18同位素相對于標準物質PDB的比例偏差為1.242%；正長巖1的碳13同位素相對于標準物質PDB的比例偏差為-0.510%、氧18同位素相對于標準物質PDB的比例偏差為1.242%；正長巖2的碳13同位素相對于標準物質PDB的比例偏差為-0.341%、氧18同位素相對于標準物質PDB的比例偏差為1.273%；方解石的碳13同位素相對于標準物質PDB的比例偏差為-0.276%、氧18同位素相對于標準物質PDB的比例偏差為1.294%。碳酸巖、正長巖1、正長巖2和方解石的碳13同位素相對于標準物質PDB的比例偏差都為負偏差，氧18同位素相對于標準物質PDB的比例偏差都為正偏差，且碳酸巖、正長巖1、正長巖2的碳13同位素相對于標準物質PDB的比例偏差（δ13CPDB）和氧18同位素相對于標準物質PDB的比例偏差（δ18OSMOW）較為接近，這主要與碳酸巖、正長巖在形成過程中的熱液蝕作用有關[17-19]。

對巖體中輝石巖、正長巖和碳酸巖的Rb-Sr同位素組成特征進行分析，結果如表2所示。

由表2可知，巖體中輝石巖、正長巖和碳酸巖的87Rb/86Sr主要分布在0.001 5～0.157 7，87Sr/86Sr主要分布在0.705 9～0.707 0，87Sr/86Sri（490 MPa）主要分布在0.705 7～0.706 6，且正長巖的87Rb/86Sr和87Sr/86Sr較大，輝石巖和碳酸巖的87Rb/86Sr和87Sr/86Sr較小。

進一步對巖體中輝石巖、正長巖和碳酸巖的Sm-Nd同位素組成特征進行分析，結果如表3所示。

由表3可知，巖體中輝石巖、正長巖和碳酸巖的147Sm/144Nd主要分布在0.082 6～0.130 0，143Nd/144Nd主要分布在0.513 3～0.513 5，87Sr/86Sri（490 MPa）主要分布在-1.81～2.70。且巖體中輝石巖、正長巖和碳酸巖的正長巖的143Nd/144Nd較為接近，正長巖的εNd（490 MPa）為負值，而輝石巖的εNd（490 MPa）低于碳酸巖。

圖3為巖體中輝石巖、正長巖和碳酸巖的同位素組成圖。

由圖3可知，地幔端元組分有虧損地幔（DMM）、Ⅰ型富集地幔（EMⅠ）、Ⅱ型富集地幔（EMⅡ）和高U/Pb比值地幔（HIMU）4個端元組分的分布[20]。對比分析可知，本文所列的巖體表現出以EMⅠ為主，且以Ⅰ型富集地幔（EMⅠ）、Ⅱ型富集地幔（EMⅡ）和高U/Pb比值地幔（HIMU）4個端元組分的混合結構。

3結語

（1）蛇紋巖和輝石巖中Fe2O3含量約在8%，而正長巖和碳酸巖中Fe2O3含量較低；蛇紋巖、輝石巖、正長巖和碳酸巖中都含有較高含量的SiO2，正長巖中含有較高含量的Al2O3和Na2O+K2O，輝石巖中含有較高含量的CaO、MgO、Fe2O3和P2O5；

（2）蛇紋巖和正長巖中Rb、Ba、Th、U、Nb、Ta、La、Ce、Pr、Sr、Nd、Zr、Hf、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Y、Ho、Er、Tm、Yb、Lu元素的含量分布相似，且與碳酸巖和方解石明顯不同，后者Ba、Sr含量較高，Nb、Ta、Zr、Hf含量最低，Y、Ho、Er、Tm、Yb、Lu元素含量處于低位，La、Ce、Pr、Sr、Nd含量處于中間水平；

（3）碳酸巖、正長巖1、正長巖2的碳13同位素相對于標準物質PDB的比例偏差（δ13CPDB）和氧18同位素相對于標準物質PDB的比例偏差（δ18OSMOW）較為接近。巖體中輝石巖、正長巖和碳酸巖的87Rb/86Sr主要分布在0.001 5～0.157 7，87Sr/86Sr主要分布在0.705 9～0.707 0，87Sr/86Sri（490 MPa）主要分布在0.705 7～0.706 6，147Sm/144Nd主要分布在0.082 6～0.130 0，143Nd/144Nd主要分布在0.513 3～0.513 5，87Sr/86Sri（490 MPa）主要分布在-1.81～2.70，且巖體中輝石巖、正長巖和碳酸巖的正長巖的143Nd/144Nd較為接近。

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（責任編輯：平海，蘇幔）