發布時間：2021-10-19所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要羅家窩棚組是哈爾濱地區的第四紀下限地層，其巖性是紫紅色砂礫石，被認為是冰磧物堆積。早期的區測資料對其進行了巖性描述，對于其它地層屬性，特別是地球化學屬性的認識尚未涉及。為此，本文選擇黑龍江五常拉林鎮羅家窩棚村層型剖面作為研究對象，首次
摘要羅家窩棚組是哈爾濱地區的第四紀下限地層，其巖性是紫紅色砂礫石，被認為是冰磧物堆積。早期的區測資料對其進行了巖性描述，對于其它地層屬性，特別是地球化學屬性的認識尚未涉及。為此，本文選擇黑龍江五常拉林鎮羅家窩棚村層型剖面作為研究對象，首次對其沉積學、礦物學、元素地球化學展開綜合研究，以揭示其沉積過程和沉積環境。結果表明，這套礫石分選和磨圓較差，風化程度很高，無定向性排列，礫石成分以陸源碎屑巖(砂巖和粉砂巖，44.2%)和花崗巖(37.4%)為主，其次為凝灰巖(11.2%)，石英質、閃長巖、流紋巖和玄武巖等少量出現。重礦物組成以赤/褐鐵礦占絕對優勢(87.5%)，其次是白鈦石(5.0%)，其它重礦物含量較少。元素地球化學揭示，羅家窩棚組中的細顆粒碎屑以及泥質基質經歷了很強的化學風化過程，是初次循環的結果。礫石巖性和地球化學組成共同揭示了這些碎屑主要來源于長英質母巖，但中性和鐵鎂質母巖也有少量貢獻。綜合沉積學、礦物學和地球化學地層屬性，本文認為羅家窩棚組地層是在炎熱氣候條件下的洪積物堆積，而非寒冷氣候條件下的冰磧物。這項研究對于哈爾濱地區第四紀地層的劃分和早更新世構造—地貌—氣候—水系演化等地質事件的重建具有重要意義。
關鍵詞羅家窩棚組地球化學組成沉積循環化學風化物源沉積環境
碎屑沉積物的礦物學和地球化學特征蘊含了豐富的母巖信息，因此具有揭示過去地質過程的巨大潛力(Basuetal.,1975;Asiedu,2000;Armstrong-Altrinetal.,2013;Armstrong-Altrin,2015;Armstrong-Altrinetal.,2017;Hamdallaetal.,2021)。沉積物中的元素含量與沉積環境關系密切，利用碎屑沉積物的元素特征來恢復沉積環境是沉積學定量研究的重要手段(馮楊偉等,2017,2019)。然而，碎屑沉積物的地球化學特征不僅受到母巖組成的影響，還受到搬運過程中的風化、分選以及搬運后的沉積環境等因素的改造(Armstrong-Altrin,2009;Baiyegunhietal.,2017)，因此，評估這一過程對于揭示區域地質過程具有重要意義(Andreozzietal.,1997;Armstrong-Altrinetal.,2004,2015;Asieduetal.,2004;Ahmadetal.,2016;袁方等,2017)。
哈爾濱地區作為我國東北地區第四系發育典型的地區，許多學者在此做過大量的第四紀地層、古生物以及考古等研究工作(劉淑秋等，1985)。哈爾濱下更新統包括羅家窩棚組、關家窩棚組和白土山組，羅家窩棚組是哈爾濱地區第四紀最底層的地層單元，直接覆于白堊系泥巖風化殼之上(吳金城等，1984)，其巖性是紫紅色砂礫石，被認為代表了一套冰磧物堆積(趙啟剛等，1993;徐寶紅等，2009)。到目前為止，針對羅家窩棚組地層的研究工作僅限于1990年以前的少量研究，且集中于沉積學特征的描述，而對于礦物學和地球化學特征的研究尚未涉及。
為此本文對羅家窩棚組地層進行沉積學、礦物學和地球化學特征分析，重建羅家窩棚組地層的化學風化程度、沉積再循環和母巖特征，進而綜合分析了羅家窩棚組地層的沉積過程以及沉積環境。此項研究不僅從礦物學和地球化學上完善了羅家窩棚組的地層屬性特征，而且對哈爾濱第四紀地層的劃分以及早更新世構造—地貌—氣候—水系演化等地質事件的重建具有重要指示意義。
1研究區概況
羅家窩棚組最早由馬洪冀等人于1964年在五常縣拉林鎮以東羅家窩棚(45°14′59″N，126°56′33″E)發現，并確定其屬于下更新統。1974年黑龍江省地層會議建議稱該地層為羅家窩棚組。1975年徐衍強首次建組并命名(趙啟剛等，1993)。羅家窩棚組地層在地貌上呈垅狀、鼓丘狀，斷續出露在山前平原與濱東丘陵的接觸帶上(吳金城等，1984)。剖面相對高度約20m左右，頂部覆蓋薄薄的現代土壤，崗丘上部為河漫灘相黃褐色堆積物，下部是紫紅色砂礫石層堆積(羅家窩棚組地層;圖1)。研究區屬于中溫帶濕潤—半濕潤季風性氣候，冬季受亞洲冷高壓的控制，風力持久強勁，寒冷漫長;夏季受太平洋西南氣流的影響，炎熱短暫，四季特征明顯。全年盛行西南風，年降水量300~700mm，年均溫為2℃左右。
2材料與方法
本文以羅家窩棚組地層的礫石、基質以及泥質—粉砂—細砂透鏡體為研究對象，其中礫石用來研究其巖性、礫徑、礫向、分選—磨圓和化學風化特征等，粉砂及極細砂透鏡體沉積物用于重礦物分析，基質和泥質—粉砂透鏡體等細粒的碎屑物質用于地球化學分析。
在剖面上劃出100cm×100cm網格，在網格內隨機進行礫石的統計測量，進行了3個礫石統計點，共統計285塊礫石。統計測量內容包括礫石ab面傾向、傾角，礫石各軸(a軸、b軸和c軸)的長度，記錄各礫石的成分、磨圓度和風化程度。
獲取了38個樣品，其中2個樣品用于重礦物分析，剩下36個樣品(其中32個樣品主要是紫紅色泥質基質，其次為紫紅色泥質—粉砂—極細砂透鏡體，剩余4個樣品屬于半風化和全風化的巖石樣品)用于地球化學分析。
將重礦物樣品烘干和稱重后，使用傳統淘洗法把重部分提取出來，剩余尾砂及淘洗污水進行稱重計算損耗率，利用三溴甲烷(密度為2.89g/cm3)將待測定的重礦物樣品進行輕重礦物分離，用酒精把分離后的樣品反復沖洗，60℃恒溫烘干后再稱重，可得重礦物部分的含量(康春國等，2009)。將分離出來的重礦物部分在雙目顯微鏡下進行鑒定，每個重礦物樣品鑒定顆粒數均在600粒以上(王嘉新等，2020)。重礦物鑒定在廊坊誠信地質公司進行。
樣品在室內經過自然風干后，用瑪瑙研缽研磨成粉末狀，通過干篩法對樣品進行篩析，過200目(63μm)標準分樣篩，獲得小于63μm的粒度組分用于地球化學分析。常量元素用荷蘭帕納(PANalytica)XRF(X-rayfluo-rescence)光譜儀，采用壓片法完成，使得測量誤差在3%以內。微量、稀土元素的測試是用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)完成。通過國際標樣、重復樣與空白樣品進行分析，測試精度和準確度，分析不確定度(相對偏差)均小于2%(袁方等,2018)。樣品測試在蘭州大學進行。
3結果
3.1沉積學特征
羅家窩棚組是一套弱到中等程度固結的紫紅色礫石堆積，泥質基質主要存在于孔隙和顆粒的接觸面之間，具有顆粒支撐結構，局部含泥質和粉砂質/砂質透鏡體(圖1)。
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羅家窩棚組地層礫石的礫徑多集中在30~90mm(圖2a)，最大礫徑達442mm。整套礫石無定向性，分選差(圖2b)。礫石磨圓度以次棱角(68%)占優，其次是次圓(21%)、棱角(10%)和圓(1%)(圖2c)。礫石的化學風化特征以弱風化(67%)為主(圖2d)，中等風化和強風化分別占26%和7%。礫石巖性主要以砂巖—粉砂巖(44%)和花崗巖(37%)為主(圖2e)，其次是凝灰巖(11%)、石英質巖石(3.4%)、閃長巖(2%)、流紋巖(1%)和玄武巖(1%)。
3.2重礦物組成
羅家窩棚組的重礦物類型相對簡單，共檢測出11種重礦物，包括鋯石、螢石、重晶石、磷灰石、白鈦石、金紅石、銳鈦礦、閃鋅石、毒砂、黃鐵礦和赤/褐鐵礦(表1)。其中赤/褐鐵礦占絕對優勢(87.5%)，其次為白鈦石(5.0%)、鋯石(1.8%)和磷灰石(1.1%)，其他重礦物含量很少。
3.3常量元素
常量元素含量呈現出不同程度的變化，SiO2含量(47.36%~78.07%)較高，表現出酸性巖的特征，富堿(Na2O+K2O=1.08%~5.34%)、富鋁(Al2O3含量9.9%~25.01%)、貧鉀(K2O含量0.94%~4.85%)、貧鎂(MgO含量0.13%~1.14%)、貧鈣(CaO含量0.18%~3.1%)、貧鈦(TiO2含量0.31%~2.27%)、低磷(P2O5含量0.09%~0.56%)。數據經過UCC(大陸上地殼)標準化后，所有粒級的樣品在MgO、CaO、Na2O表現出明顯的虧損(圖3a)，除了單個半風化巖石，其余樣品在P2O5表現出適度虧損，除了全風化巖石樣品，其余粒級的沉積物在K2O表現出不同程度的虧損;全風化、半風化巖石和泥質沉積物的Fe2O3的富集程度明顯高于砂質和粉砂質沉積物;不同粒級組分的Al2O3、MnO和TiO2表現出較大的波動變化。所有樣品中SiO2含量與UCC含量相當。
3.4微量元素
與UCC相比，過渡元素(TTE：Sc、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Ga)，除了Ga全部富集，其余元素隨著粒級差異而呈現出不同的變化(圖3b)。砂質沉積物在Sc、Co、Ni和Zn明顯高于其余粒級樣品的富集程度;半風化巖石和粉砂質沉積物在V、Cr、Ni和Zn具有相似的變化趨勢，波動較大;Sc、Zn和Ga在全風化巖石的富集程度高于其余元素;泥質沉積物整體波動較大。高場強元素(HFSE：Y、Zr、Nb、Hf、Ta、Th、U)，除了Ta全部虧損，其余元素波動較大。其中除了半風化巖石，其余粒級的樣品在Hf表現出不同程度的富集;泥質沉積物在Th上表現為富集，其余樣品為不同程度的虧損;泥質、砂質和粉砂質沉積物在Zr和U上的虧損程度高于全風化和半風化巖石;所有粒級的樣品在Y上波動較大。大離子親石元素(LILE：Rb、Sr、Cs、Ba、Pb)，除了Pb全部富集，其余元素波動較大。全風化巖石在Rb上的富集程度明顯高于其余粒級的樣品;泥質沉積物在Sr和Cs上的富集程度最高，而在Ba上的虧損程度最高;半風化巖石總體上表現出不同程度的虧損。
3.5稀土元素
羅家窩棚組沉積物的稀土元素總量SREE為100~863(平均值為324)，明顯高于UCC(146)和PAAS(澳大利亞后太古代頁巖，185)。樣品輕/重稀土同位素比值為2.45~21.9，均值為11.16;δEu為0.58~0.80，均值為0.68，顯示出Eu負異常;(La/Yb)N在1.56~45.24波動，均值為16.28，表明樣品輕稀土富集和重稀土虧損。(La/Sm)N為1.92~4.75，均值為3.40，說明樣品具有較高度的輕稀土分餾;(Gd/Yb)N為0.51~5.73，均值為2.28，反映樣品具有中等程度的重稀土分餾。羅家窩棚組沉積物稀土元素在球粒隕石標準化稀土元素配分曲線圖(圖3c)上總體呈現“左端傾斜、右端平緩、Eu谷發育”的特征。
4討論
4.1沉積物化學風化特征
源區風化是一系列連續沉積過程的先驅，是影響沉積物地球化學組成的重要過程之一(Maharanaetal.,2018)。地表風化產物能夠有效的提供古氣候演化的信息。在化學風化過程中，穩定性元素存留，而不穩定性元素流失。
隨著化學風化程度加深，WIP值變低。羅家窩棚組沉積物的WIP變化范圍9~67(平均值26)，屬于高強度風化。不同粒級的沉積物表現出不同的化學風化程度。泥質沉積物(CIA和WIP指數分別為86和22)顯示出高度的化學風化程度，砂質沉積物(CIA和WIP指數分別為82和31)化學風化程度中等，粉砂質沉積物(CIA和WIP指數分別為74和41)化學風化程度中等偏弱。
羅家窩棚組沉積物的化學風化特征也可以通過三元圖解(A-CN-K和A-CNK-FM)(Hoffmanetal.,2007)來直觀地表現。NesbittandYoung(1989)提出預測陸殼風化趨勢的A-CN-K(即Al2O3-CaO*+Na2O-K2O)三角模型圖，并以此來預測巖石和沉積物的風化趨勢(李徐生等，2007;羅萬銀等，2014)。在該模型中，樣品點的集中程度越高，反映沉積物的化學風化和剝蝕過程越穩定(Fedoetal.,1995)。在該模型中，早期風化階段的產物為伊利石、蒙脫石和高嶺石，趨勢線與A-CN平行;中期風化階段的剖面中斜長石風化消失，趨勢線與A-K平行;晚期風化階段的產物為高嶺石—三水鋁石—綠泥石，產物集中在A點(HondaandShimizu,1998)。
在A-CN-K圖解(圖4a)中，樣品集中分布在斜長石和鉀長石連線的上方，大部分樣品點已經脫離了預測的化學風化趨勢線，并沿著A-K連線分布且逐漸向A點靠近，說明了樣品經歷了很強的化學風化。泥質沉積物相對集中在A點附近接近高嶺石和綠泥石，粉砂質沉積物分布上靠近伊利石，而砂質沉積物處于兩者之間且距離PAAS較近，全風化和半風化巖石由于母巖性質的不確定性，距離A點較近，樣品點整體分布緊湊說明沉積物的化學風化過程較完整。在A-CNK-FM圖解(圖4b)中，FM與斜長石的連線反映出火成巖組成的線性趨勢，粉砂質沉積物比較靠近風化趨勢線，泥質沉積物和砂質沉積物接近綠泥石和伊利石的連線并靠近A點，與A-CN-K圖所呈現的信息一致，說明羅家窩棚組沉積物的化學風化程度很高。
利用穩定重礦物系數ATi指數和W指數可以判別沉積物的風化程度，礦物的穩定程度與其抗風化能力呈正比，沉積物中穩定礦物含量越高，反映沉積物經歷的化學風化程度越高(康春國等,2011)。羅家窩棚組樣品的ATi指數為98~99，反映化學風化程度極高;W指數為穩定與不穩定礦物的比值，羅家窩棚組樣品的W指數同樣很高，穩定礦物含量為95%~96%，指示了沉積物經歷了高度的化學風化;沉積物中極高含量的赤/褐鐵礦以及完全消失的不穩定礦物(例如輝石、角閃石和簾石類礦物)，表明了羅家窩棚組沉積物經歷了很高程度的化學風化�？傊珻IA、WIP、A-CN-K以及A-CNK-FM三角圖解均反映羅家窩棚組沉積物經歷了很強的化學風化過程。——論文作者：魏春艷1謝遠云1,2康春國3遲云平1,2
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