湖南主要河流化学组成及地质背景对比分析

曾等志

(湖南师范大学 资源与环境科学学院　湖南 长沙 410081)



湖南主要河流化学组成及地质背景对比分析

曾等志

(湖南师范大学 资源与环境科学学院湖南 长沙 410081)

湘江和沅江分别是湖南省境内最大河流和第二大河流，湘江与沅江沉积物化学组成存在明显差异.沅江沉积物相对富集主量元素MgO、CaO、Na2O和微量元素Ge、Ba，而湘江沉积物相对以富MnO及其Cu、Pb、Zn等其他微量元素为特征，湘江沉积物中主微量元素含量变异系数均高于沅江沉积物，元素含量变化大，沅江元素含量变化小.湘江流域岩层出露有前震旦系砂岩和板岩、古生界碳酸盐岩、中新生界砂岩、印支期和燕山期花岗岩和第四系沉积物等地层岩石. 沅江流域以千枚岩、板岩、石英砂岩和第三纪红色岩层为主.

沉积物；湘江；沅江

0　引　言

湘江和沅江分别是湖南省境内最大河流和第二大河流，是长江洞庭湖流域重要支流，其流域面积分别达到0.94×105km2和0.89×105km2，平均流量分别为722亿m3和393.3亿m3,占四水入湖径流量的绝大部分.年平均输沙量大约为1140万t和1700万t，这些大量的入湖物质对洞庭湖沉积作用有着重大影响.厘定湘江和沅江的入湖物质组成特征对于研究洞庭湖物质组成，各类重金属污染来源问题，以及对阐明江湖关系、开发河口资源和了解河口的污染现状等问题具有重要现实意义.

近几十年来许多学者分别对湘江和沅江元素地球化学已做了许多工作，对于湘江和沅江的元素组成有了较深入的研究[1-2].本文旨在这些工作的基础上，通过对这两条河流河口沉积物的元素对比分析，进一步探讨流域源岩组成及风化作用对河流沉积物化学成分的影响.

1　样品来源与分析方法

分析样品分别取自湘江和沅江入湖河口地区，具体位置如图1.其中在湘江河口地区样品于湾河、湘阴依次采得WH、XY(样品编号)等沉积柱样品，沉积柱长度依次分别为84 cm、78 cm.沅江河口地区样品于2015年1月在常德岩汪湖、牛鼻滩、沅江大桥依次采得YW、YN、YJ1(样品编号)等沉积柱样品，本次研究只选取与湘江沉积物采样深度一致的样品.样品在40摄氏度条件下烘干后，先过60目筛提出动植物残体，用玛瑙研钵研磨，过200目筛(<75μm)得到粉末样品备.主量和微量元素分析在等离子质谱仪上进行.为监控测试精度与准确度，进行了重复样与标样分析，结果表明绝大部分分析元素的相对偏差小于5%，表明总体分析结果可靠.

图1　沉积柱采样点位置示意图Fig 1　Schematic map showing sampling sites of sediment cores

2　湘江与沅江河口地区沉积物元素组成特征

表1列出了湘江与沅江沉积物中元素含量，同时计算了这些元素含量的标准偏差STD，变异系数CV(%)及在湘江与沅江之间相对偏差RD (%).

表1　湘江与沅江沉积物元素含量比较

续表1

(单位ppm，其中主量元素为%)

2.1主量元素

由表1可知，湘江与沅江沉积物中MnO、MgO、CaO、Na2O元素含量在两者之间相对偏差在35%以上；湘江沉积物以富MnO为特征，而沅江沉积物相对富集MgO、CaO、Na2O(相对偏差高达65%).湘江沉积物中主量元素含量变异系数均高于沅江沉积物，反映数据较为分散，含量变化大于沅江沉积物.

2.2微量元素

对比湘江和沅江20多个微量元素的分析结果表明，Mn、Cu、Zn、Ge、Rb、Cs、Ba、Ta、Pb、Th、U等元素的含量在两者之间的相对偏差达到了37%以上.仅Ge和Ba等元素在沅江沉积物中明显高于湘江沉积物，沅江沉积物以富集Ge和Ba为特征，而其他元素则在湘江沉积物中尤为富集.几乎所有微量元素在湘江沉积物中标准偏差及变异系数均相应地大于沅江沉积物，反映出湘江元素含量变化大，而沅江数据较为集中分布.

2.3稀土元素

湘江沉积物中14个稀土元素含量及元素标准偏差与变异系数均相应地高于沅江沉积物，且CVXJ>0.1，CVYJ<0.1.说明湘江沉积物中稀土元素含量高于沅江沉积物，且湘江沉积物中稀土元素变化更大，数据较为分散.但是稀土元素的变异系数大小变化要小于其他主量微量元素的变异系数，反映出稀土元素性质具有相似的富集规律，而在沉积物中含量变化要相对小许多.

3　讨　论

从以上分析可知，湘江河口沉积物与沅江河口沉积物无论在主量还是在微量元素组成方面均有明显的差异.一般认为控制沉积物组成的自然因素主要包括：源岩(流域岩石组成)、构造及气候影响的物理化学风化与水动力作用、沉积盆地地形、沉积环境、沉积介质的物理化学性质、成岩及变质作用等[3].另外还受到中上游人为活动的影响，导致一些元素的富集.下面对主要影响湘江与沅江河口沉积物组成的源岩与风化情况进行分别论述

3.1源岩

湘江流域内地层出露齐全，这些岩石的风化产物是沉积物主要的物源 .湘江流域主要位于扬子地台和华南褶皱上[4]，构造复杂，流域面积较沅江流域大，沉积物的物质来源比较复杂.湘江流域上游分布有前震旦系砂岩—板岩、古生界碳酸盐岩、中新生界砂岩、印支期—燕山期花岗岩和第四系沉积物等地层岩石[2].湖南省铅锌矿、铜矿、钨矿、秘矿、锡矿主要分布在湘江流域湘南和湘西南一带[8].湘江沉积物Pb、Zn、Cu含量明显较高，上游Pb-Zn-Cu矿床的开采可能起决定性作用.因此我们用物源指数(PI)来进一步判别沉积物物源，以往研究者们大多认为物源指数(PI)只适合于两端员混合情况.但由于湘江沉积物物源复杂，因此本人把物源指数(PI)在三端员甚至多端员中作进一步推广.物源指数(PI)的计算如下[5]：

PI=∑|CiX-Ci1| / (∑|CiX-Ci1| +∑|CiX-Ci2| )

式中：i为元素或两元素之比；CiX为待判沉积物中元素i的含量；Ci1、Ci2为端员1和端员2中的元素i含量或比值.区分端员物源应选择差别较大的元素，因此本文计算物源指数PI的元素i采用受表生作用影响较小且相对偏差较大的Zr/Hf.本文元素i指参照鄢明才[6]等中国东部沉积碎屑岩(SCR)、碳酸盐岩(CR)或花岗岩(GR)中Zr/Hf比值.物源指数(PI)反映的是沉积物之间化学成分的接近程度，PI值介于0和1之间，PI值小于0.5，则表明待判沉积物与端员1化学组成相近；而PI值大于0.5，则表明待判沉积物与端员2化学组成相近.

湘江入湖河段沉积物物源指数(PI)研究表明；分别作为端员1和2的沉积碎屑岩(SCR)和碳酸盐岩(CR)的物源指数PI(SCR1,CR2)为0.24，PI(SCR1,GR2)为0.22，表明湘江入湖河段沉积物的元素组成总体上较好地继承了沉积碎屑岩特征，而明显不同于碳酸盐岩和花岗岩的元素组成，可以得出流域红色碎屑岩系及第四系沉积地层为沉积物主要的物源.而PI(CR1,GR2)为0.47，表明相对于上游花岗岩而言，湘江入湖河段沉积物元素组成与碳酸盐岩更为相似，而与上游花岗岩差异较大.因此湘江入湖河段沉积物物源为；沉积碎屑岩(SCR)>碳酸盐岩(CR)>花岗岩(GR).沅江流域流经地区上游大部分为千枚岩、板岩、英砂岩和第三纪红色岩层，中游以灰岩与红色岩层交互出露，下游以红色岩层为主，砂岩和砾岩次之.湘北武陵山脉和沅水流域分布有镍汞矿，沅江流域汞矿分布面积广，形成汞矿带[7].由此可见河口沉积物中元素含量的特征明显受控于区域地质—地球化学背景.反之也说明河口沉积物的元素含量特征也是区域地质—地球化学背景的反映.

3.2风化

沉积物中风化指数CIA(A1/(AL+K+ Na+Ca))、K/Na、K/Ca、AI/Na 、Fe/Mn等比值以经常被用作化学风化强弱的指标[9]，化学风化强比值高，化学风化弱比值低，原因在于化学风化时Na、Ca最易迁移、淋失，Mg在强烈化学风化时活动性也强，而K、 A1及Fe元素则多保存在风化形成的粘土中而产生聚集，这些参数的共同运用可很好地反映化学风化情况.

表2　湘江和沅江化学成分比较

湘江沉积物中这些比值明显的高于沅江沉积物(见表3)，表明湘江流域的化学风化要比沅江流域强.相对于沅江流域而言，湘江流域位置更偏东南，因此湘江流域温暖而湿润，植被丰富，降水量相对多，化学风化强烈.以硅酸盐与碳酸盐风化为主，湘江流域强化学风化造成淋溶作用强，可溶性盐类大量淋失，而使沉积物中碱、碱土金属Na、K含量较低，而活动性相对较小的元素如Sc, Ti, Al, Fe, Cr等多残留下来.

[1]童霆.河口三角洲元素含量与矿产资源——以湘资沅澧为例[J].第四纪研究,2005,03:298-305.

[2]彭渤,唐晓燕,余昌训,谭长银,等.湘江入湖河段沉积物重金属污染及其Pb同位素地球化学示踪[J].地质学报,2011,85(02):282-299.

[3]Nechaev V P, Isphording W C.Heavy minearyassemblages of continental margins as indicators of plate-tectonic environments.J of Sedi Petrology, 1993, 63(6):1 110-1 117.

[4]Daniel J Lehrmann,Marcello Minzoni,Paul Enos,喻羑艺,等.扬子地台与华南南盘江盆地大贵州滩三叠系沉积演化史(英文)[J].地球科学与环境学报,2009,31(11804):344-367.

[5]谢远云,何葵,周嘉,康春国.哈尔滨沙尘暴的化学特征及其物质源探讨[J].地理研究,2006(02):255-261.

[6]鄢明才，迟清华.中国东部地壳与岩石的化学组成[M].北京:科学出版社,1997:126-127.

[7]王晓丽.河口沉积物采样代表性研究[D].中国地质大学(北京),2006.

[8]朱自强.湖南地区中生代以来深部地球动力学演化的有限元数值模拟及成矿作用特征研究[D].中南大学,2004.

[9]Sawyer E W.The influence of source rock type sorting on the geochemical weathering of clastic sediments from the Quati comatased in entary belt[M].Superior Province CANADA.ChemicalGeol.1986.

[责任编辑：徐明忠]

Characteristic element composition of main rivers sediments and their geological background in Hunan Province

ZENG Dengzhi

(College of Resources and Environmental Science,Hunan Normal University,Changsha 410081,China)

There is a significant difference in the chemical composition between Xiangjiang and Yuanjiang river sediments.Yuanjiang sediments relative concentration of major elements of MgO, CaO, Na2O and trace elements Ge, Ba.And the Xiangjiang river sediments in the major and trace elements Content Variation coefficients were all higher than that of Yuanjiang River sediments,and Yuanjiang element content changes little.Xiangjiang basin rocks crop out of Pre-Sinian sandstone and slate, Paleozoic carbonate rocks,Mesozoic and Cenozoic sandstone, Indosinian and Yanshanian graniteand Quaternary System rock.Yuanjiang River basin rocks mainly crop out of Phyllite, Slate,Quartz sandstone and Tertiary red rock.

sediments, Xiangjiang river, Yuanjiang river

2016-05-28

曾等志(1992-)，男，湖南岳阳人，湖南师范大学硕士研究生，主要从事环境地球化学研究.

X820.1

A

1672-3600(2016)09-0037-04