物源—河流过程—化学风化对松花江水系沉积物重矿物组成的影响*

李思琪 谢远云，2 康春国 迟云平，2 孙 磊 吴 鹏

（1.哈尔滨师范大学地理科学学院 哈尔滨 150025；2.哈尔滨师范大学寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室 哈尔滨 150025；3.哈尔滨学院地理系 哈尔滨 150086）

河流作为连接地表不同地貌单元的桥梁（王伟，2019），在侵蚀、搬运和堆积过程中重新塑造着地表形态。同时，河流系统能够对外部环境因素的变化（气候、构造和人类活动等）做出积极而敏感的响应（Gregory and Park，1974；Bull，1991；Carretier et al.，2006；Gregory，2006；庞红丽，2017），因此河流沉积物记录了丰富的源区信息（李宗盟，2016）。河流沉积物中的重矿物因具有耐风化、稳定性强以及能较多的保留其母岩特 征（Heroy et al.，2003；Garzanti and Andò，2007；Garzanti et al.，2008；程 瑜 等，2016），因而在河流沉积物研究中具有重要意义（林晓彤等，2003；王中波等，2006，2010；向绪洪等，2011；张风艳等，2011）。虽然重矿物组合是判断沉积物物源的指标，但在其形成—搬运—沉积过程中会受到多种因素的影响，如物源、水动力分选、风化作用、机械磨损和埋藏成岩等（Morton and Hallsworth，1999）。

近些年来，重矿物组成在河流（王中波等，2006；李维东，2020）、物源追踪（张振杰等，2020；崔滔等，2021）、水系演化（康春国等，2009a；王嘉新等，2020）以及风尘沉积（谢静等，2007；孙磊等，2020）中得到广泛应用。尤其对长江、黄河、珠江流域等取得了理论丰硕的成果，例如，陈静（2007）、王昆山等（2007）、岳伟等（2017）对长江三角洲水上和水下的重矿物及物源做出深入研究，揭示了其沉积环境；王昆山等（2010）、石晓萌等（2013）、高文华等（2015）揭示了黄河不同河段的重矿物组成；王珊珊（2008）、向绪洪等（2011）、邵磊等（2013）不仅探讨了重矿物对珠江演变的影响，也揭示了重矿物不同的组合特征。但作为东北地区最重要的河流—松花江，对其研究主要集中于20世纪70～90年代，研究方法也主要集中在地貌学方面（魏振宇等，2020）。虽然近些年，一些学者利用重矿物分析对松花江水系演化模式进行了探讨（王嘉新等，2020；吴鹏等，2020；Xie et al.，2020），但影响其重矿物组成因素的工作尚未展开。

松花江水系作为中国七大水系之一，是一个得天独厚的实验室，与其区域构造、地形和气候发展密切相关（吴鹏等，2020；Xie et al.，2020）。由于松花江水系的物源具有复杂性，且源岩母岩类型多样，运用重矿物识别物源的工作还十分微薄。本文将松花江水系沉积物重矿物作为研究对象，剖析物源、河流过程和化学风化对重矿物组成的影响，揭示松花江水系重矿物组成的控制因素和源区地质特点。这项工作有助于揭示松花江水系沉积物搬运—沉积规律，也为今后东北地区的物源示踪分析和水系构造演化等研究奠定基础。

1 研究区概况

松花江水系位于中国东北部的松嫩平原，西部和西北部与大兴安岭接壤，东南部与长白山为邻，北部和东北部与小兴安岭为交界（图1）。松花江水系流经不同的造山带，地质历史差异显著。松嫩平原周围山地岩性以侵入岩和火山岩为主，占裸露基岩的80%以上。侵入岩以花岗岩和混合质花岗闪长岩为主，火山岩主要为玄武岩、安山岩、流纹岩、中酸性凝灰岩和凝灰质熔岩（宋国利等，1986；付俊彧等，2019）。大兴安岭岩性以花岗岩、中酸性火山岩和少量玄武岩为主，分布在大兴安岭西侧（图2）；小兴安岭和长白山的岩性以花岗岩、花岗闪长岩、玄武岩和变质岩为特征（图2）。松嫩平原和三江平原广泛分布着第四纪松散沉积物。

图1 研究区域及样点位置Fig.1 Research area and sampling locations

图2 松花江水系地质图（据Wu et al.，2007修改）Fig.2 Songhua River drainage geological map（modified after Wu et al.，2007）

松花江水系主要流经黑龙江省和吉林省，流域总面积为55.68×104km2，年径流量762×108m3。松花江是中国七大河流之一，通常有两个源头，北源为嫩江（一般作为松花江最大的支流），发源于大兴安岭，嫩江支流包括多布库尔河、甘河、诺敏河、阿伦河、雅鲁河和讷谟尔河等（图1）。南源为第二松花江（松花江吉林段），发源于长白山天池。南北两源汇合后形成松花江干流向东延伸至同江，最后汇入黑龙江（图1）。一般在哈尔滨和佳木斯分为上、中、下游。上游（松原到哈尔滨）共240 km，右岸与第二松花江和拉林河相连；中游（哈尔滨到佳木斯）共432 km，岔林河在左岸，蚂蜒河、牡丹江在右岸；下游从佳木斯到同江，全长267 km，流经三江平原，最后汇入黑龙江（孙忠等，2007；王嘉新等，2020；Xie et al.，2020）。

2 材料与方法

在松花江干流和主要支流的边滩，获取19个样品（图1），取样深度为20 cm，以避免人为因素的干扰。为了评估化学风化对重矿物组成的影响，在讷谟尔河T1阶地（2个）、哈尔滨松花江T2阶地（1个）和通河松花江T3地阶地（2个）共采取了5个样品。这24个样品被筛分成两个粒度组分（63～125 μm和125～250 μm），以进一步评估粒度分选对重矿物组成的影响。为了更好评估物源、河流搬运—沉积过程对重矿物组成的影响，另选定巴兰河作为重点研究对象，在稳定物源条件下，从下游—河口之间的42 km长的河段（高差80 m）的边滩共采集了8个样品，取样深度20 cm，这些样品进一步被分成3个粒度组分（＜63 μm、63～125 μm和125～250 μm）。共获取72个子样用于重矿物分析。

岔林河、蚂蜒河、牡丹江、多布库尔河、甘河、诺敏河、阿伦河、嫩江、库勒河、雅鲁河、拉林河、第二松花江和哈尔滨松花江的重矿物样品取自现代河床和河漫滩；讷谟尔河现代河流样品取自边滩，河流阶地样品取自讷谟尔河T1阶地的下部河床；哈尔滨松花江T2阶地样品取自河漫滩；通河松花江T3阶地样品取自河流阶地的河床和河漫滩；巴兰河的重矿物样品取自河流边滩。

重矿物鉴定在河北省廊坊诚信地质公司完成，鉴定流程如下：将子样烘干称重，加入离散剂进行初淘得到灰砂，用三溴甲烷（密度为2.88 g/cm3）将轻、重矿物分离（谢静等，2007；孙磊等，2020；王嘉新等，2020），经分离的样品用酒精反复冲洗，之后在60℃恒温下烘干，再进行称重（精度为0.1 mg），可得重矿物部分的含量；然后用永久性磁铁对样品磁选，得到强磁、电磁和无磁颗粒后再次称重；将分离出来的重矿物在双目镜和偏光镜下进行矿物种类鉴定，每个重矿物样品鉴定的颗粒数量均在600粒以上，然后计算出每种矿物的颗粒百分含量。鉴定矿物均为同一粒级，可以用矿物的颗粒百分含量来代替体积百分含量，已知每种矿物的密度，因此可以算出矿物的重量（中国地质科学院地矿所，1977；张风艳等，2011）。用每种重矿物的重量占同粒级原样总重量的百分数的变化来分析问题，根据动力学原理和沉积分异规律，具有相同的地质意义（康春国等，2009b）。

重矿物组合在河流搬运—沉积过程中会受到诸多因素的影响，如水动力分选、化学溶蚀和机械磨损等，这些因素都影响着物源判断的准确性，而稳定矿物的质量比值能够更好的反应出物源特征，这些比值被称为重矿物特征指数，如ZTR指数、ATi指数和GZi指数等（Morton and Hallsworth，1999；刘彤彦等，2009），这些指数被认为最大限度的消除了矿物的粒度效应对物源解释存在的偏差而被广泛应用于物源示踪。重矿物稳定系数（W）为稳定矿物和不稳定矿物的比值（刘建军等，2003），重矿物以机械搬运的方式脱离母岩进入沉积区，因此离物源区越近，不稳定矿物含量高，稳定系数就越小（张新建等，2006；徐艳霞等，2010）。变异系数（Coefficient of Variation）是反应总体各单位标志值的差异程度，或者离散程度，可以消除测量尺度和量纲的影响（王文森，2007）。具体公式参考如下：

3 结 果

经过对松花江水系的重矿物分选和鉴定，一共有29种重矿物，包括锆石、磷灰石、金红石、榍石、白钛石、碳硅石、自然金、黄铁矿、锐钛矿、石榴子石、独居石、电气石、辉石、绿帘石、角闪石、钛铁矿、赤褐铁矿、菱铁矿、铁磁性矿物（磁铁矿、磁赤铁矿和磁赤褐铁矿）、铬尖晶石、萤石、透闪石、蓝晶石、尖晶石、褐帘石、直闪石以及风化碎屑等，其中碳硅石、自然金、黄铁矿、菱铁矿、铬尖晶石、萤石、透闪石、蓝晶石、尖晶石、褐帘石和直闪石为偶见矿物，含量极低，不具有统计意义，未在表中列出。

矿物的物理性质，比如颜色、形状和磨圆度等，跟物源有密切的联系（Yue et al.，2019）。对于我们的研究，锆石以浅玫粉色和浅黄色为主，金刚光泽，少量的玻璃光泽，透明，磨圆度较好（70%）；磷灰石，无色，个别呈烟灰色，有六方柱状、圆角柱状和粒状，丝绢光泽和（毛）玻璃光泽，透明；金红石，褐红色、橘红色和黑褐色，粒状和板柱状，玻璃和沥青光泽，透明至半透明；榍石，浅黄色和浅黄白色，不规则粒状和块状，玻璃光泽，透明；白钛石，蜡黄色和灰白色，不规则粒状，蜡质光泽，不透明；锐钛矿，浅蓝灰色和墨蓝色，不规则粒状、双锥状和板状，蜡质光泽和玻璃光泽，透明和半透明；石榴子石，浅粉红色和浅粉色，个别浅橙黄色，不规则粒状和块状，玻璃光泽，透明；独居石，浅黄色和琥珀黄色，个别浅黄绿色，不规则块状和粒状，玻璃光泽，透明；电气石，茶褐色，不规则块状和粒状，多有暗色包体，玻璃光泽，透明；辉石，浅绿色，个别蓝绿色和褐色，板状，玻璃光泽，透明；绿帘石，翠绿色和浅黄绿色，不规则粒状，个别呈柱状，玻璃光泽，透明；角闪石，墨绿色和绿色，板柱状，蜡质光泽、玻璃光泽、蜡质光泽至玻璃光泽，半透明；钛铁矿，黑色，块状、柱状和粒状，金属光泽，不透明；赤褐铁矿，黑褐色和红褐色，粒状，半金属光泽和金属光泽，不透明；铁磁性矿物主要包括磁铁矿、磁赤铁矿和磁赤褐铁矿。磁铁矿以黑色和黑褐色为主，不规则粒状和八面体状，金属光泽，不透明；磁赤铁矿为黑褐色和红褐色，粒状和八面体状，半金属光泽和金属光泽，不透明；磁赤褐铁矿为黑褐色和红褐色，不规则粒状和八面体状，金属光泽和金属至半金属光泽，不透明。

根据物源对松花江水系的贡献不同，可以划分为依兰方向河流和松原方向河流。依兰方向河流物源主要来自小兴安岭和长白山东侧，松原方向河流物源主要来自大兴安岭和长白山西侧。

3.1 依兰方向河流样品重矿物特征

依兰方向河流沉积物63～125 μm和125～250 μm组分重矿物组成见（表1）。在63～125 μm组分中，角闪石（0～64.23%）、钛铁矿（4.33%～53.46%）和铁磁性矿物（1.29%～18.02%）占绝对优势，榍石（0～18.69%）和绿帘石（2.24%～21.00%）次之，其他矿物以不同比例出现。超稳定矿物（锆石、电气石和金红石）、白钛石和钛铁矿在通河松花江T3阶地样品中突然增加，榍石含量减少，角闪石和辉石完全消失，独居石只在牡丹江样品中少量出现。

表1 依兰方向河流重矿物种类对比Table 1 Comparison of heavy mineral species in Yilan direction rivers

与63～125 μm组分比较，125～250 μm组分的锆石、磷灰石、石榴子石、绿帘石和铁磁性矿物含量有不同程度下降，独居石完全消失，锐钛矿只在少数样品中出现，其他矿物含量有所上升，电气石只出现在通河松花江T3阶地样品当中。

3.2 松原方向河流样品重矿物特征

松原方向河流63～125 μm和125～250 μm组分重矿物组成见（表2）。63～125 μm组分中，绿帘石（0～38.52%）、角闪石（0～65.42%）和钛铁矿（5.68%～65.34%）为主要矿物，磷灰石、独居石、金红石、锐钛矿、独居石和电气石平均含量不超过1%，榍石、白钛石、石榴子石、辉石、赤褐铁矿和铁磁性都以不同的比例出现，独居石只出现在少数样品当中。

表2 松原方向河流重矿物种类对比Table 2 Comparison of heavy mineral species in Songyuan direction rivers

与63～125 μm组分比较，125～250 μm组分中的榍石、白钛石、石榴子石、电气石、绿帘石、角闪石和铁磁性矿物含量不同程度增加，金红石和锐钛矿出现不稳定，其他矿物含量均有所降低。在两个粒级中，辉石含量在诺敏河样品中含量最多，榍石在讷谟尔河样品中含量高达23.51%，讷谟尔河T1阶地样品中锆石、白钛石、电气石和钛铁矿含量高于其他河流样品，绿帘石和角闪石低于其他河流样品，磷灰石含量较少甚至消失，石榴子石在嫩江编号2样品中含量较多，雅鲁河样品中赤褐铁矿含量要明显高于其他河流样品。

3.3 巴兰河样品重矿物特征

巴兰河＜63 μm、63～125 μm和125～250 μm组分重矿物组见（表3）。在＜63 μm组分中，角闪石（30.75%～55.97%）、榍石（8.23%～15.81%）和锆石（4.76%～14.11%）占绝对优势。磷灰石、白钛石、锐钛矿、石榴子石、辉石、绿帘石、钛铁矿、赤褐铁矿、铁磁性矿物和超稳定矿物都以不同比例出现，独居石只在此粒级组分下游稳定出现。

表3 巴兰河重矿物种类对比Table 3 Comparison of heavy mineral species in Balan River

与＜63 μm组分比较，在63～125 μm组分中，角闪石（22.12%～50.50%），铁磁性矿物（6.17%～22.16%）和榍石（10.09%～18.37%）为主要矿物，铁磁性矿物、赤褐铁矿和钛铁矿含量在此粒级中达到最大，而绿帘石含量最少，电气石只出现在少数样品当中出现。在125～250 μm组分中，角闪石（36.21%～53.39%）、榍石（12.04%～35.97%）和绿帘石（2.68%～26.21%）占绝对优势，钛铁矿和金红石出现不稳定。在3个粒级当中锆石、磷灰石、金红石、锐钛矿和辉石的含量随粒度增大而逐渐降低，榍石含量上升，独居石在粗粒级（63～125 μm和125～250 μm）当中完全消失，其他矿物含量变化无明显规律。

续表2

4 讨 论

4.1 物源对重矿物组成的影响

碎屑沉积物中的重矿物组成是不同物源的反映，也是物源分析的重要手段（李双建等，2005），故而利用这一指标可以指示松花江水系的物源变化（赖佩欣，2016）。不同的岩石类型会产生特定的重矿物组合，可以用来区分母岩类型（吴朝东等，2005）。酸性火成岩母岩中的重矿物组合，一般富集磷灰石、榍石、电气石、锆石和独居石（Pettijohn，1975；Zhang et al.，2015），榍石是中酸性火成岩的标志；当为中基性火成岩时母岩矿物含有大量的磁铁矿、钛铁矿、辉石和角闪石（Jing et al.，2013）；钛铁矿、赤铁矿和赤褐铁矿被认为是花岗岩的产物（石晓萌等，2013）；石榴石、金红石、绿帘石、蓝晶石和硅线石等重矿物组合认为是变质岩的标志（Bird et al.，2015）；白钛石、锆石（磨圆）、电气石（磨圆）和赤铁矿被认为是沉积岩（Pettijohn，1975）。

松花江水系沉积物的重矿物在不同的流域单元具有独特的组合特征。依兰方向河流样重矿物样品（平均）在63～125 μm组分中，重矿物以角闪石、钛铁矿、铁磁性矿物和榍石为主，在125～250 μm组分中以角闪石、钛铁矿、榍石和绿帘石为主（表1）；松原方向河流重矿物样品（平均）在63～125 μm组分中以绿帘石、角闪石、钛铁矿和赤褐铁矿为主，在125～250 μm组分中以绿帘石、角闪石、钛铁矿和榍石为主（表2）。依兰方向河流的重矿物组成以花岗岩和中基性火成岩为主，松原方向河流以花岗岩和变质岩为主，表明大兴安岭、小兴安岭和长白山的母岩对松花江水系重矿物组成具有明显控制作用。

值得注意的是，嫩江支流的重矿物组成与嫩江干流明显不同。例如：诺敏河辉石比例相当高（34.29%）（表2）。诺敏河中上游流经大片的玄武岩台地（樊祺诚等，2012），现代河床出现大量的玄武岩砾石（未出版数据），合理解释了诺敏河沉积物中辉石的显著富集。诺敏河流入嫩江干流后，辉石含量明显下降，其中阿伦河对嫩江干流辉石含量的贡献很小（3.23%）（表2），且距干流较远，基本可以忽略不计，流至嫩江中下游（齐齐哈尔附近）辉石含量完全消失（表2）。由于在重矿物经过河流长距离的搬运和下游的稀释作用，使重矿物得到混合并保持一定的稳定性，从而模糊了上游局部暴露的母岩信息。因此，物源对重矿物组成的控制受到河流过程的影响。

4.2 河流过程对重矿物组成的影响

河流从源到汇的过程中，河流沉积物受到重力和水流的作用经常被分为不同的粒度组分（Caracciolo，2020），水动力分选和矿物的密度、粒径和形状参数等因素都会导致特定组分矿物的富集积或者丢失。其中水动力分选是个复杂的过程，在河流搬运过程中，会对具有不同水力行为的矿物进行分选和沉积（张建等，2016；王嘉新等，2020）。

依兰方向（巴兰河除外）河流沉积物不同组分的重矿物特征有显著不同（表1）。锆石、绿帘石和磁铁矿富集于63～125 μm组分，榍石、白钛石、辉石和赤褐铁矿主要富集于125～250 μm组分，金红石和锐钛矿只在63～125 μm组分中稳定出现，独居石在125～250 μm组分中完全消失，重 矿物主要富集在63～125 μm（0.18%～22.91%，8.96%）组分。重矿物特征指数如ZTR、ATi、GZi和RuZi等，很少受粒度分选的影响，所以经常被用来进行物源示踪（李恩菊，2011；卢健，2013；何梦颖，2014）。对于我们的研究，这些特征指数明显受到粒度组分的影响（图3），由于锆石和金红石主要富集于63～125 μm组分，ZTR指数在63～125 μm组分中偏高；GZi指数在粗颗粒（125～250 μm）组分中较高；ATi指数在两个粒级中基本变化不大；稳定系数（W）变化不大，但在通河松花江T3阶地样品中数值较高。

图3 依兰方向河流重矿物特征指数Fig.3 The heavy mineral characteristic index of Yi Lan direction rivers

松原方向河流重矿物组成也表现出明显的粒度依靠（表2）。锆石、磷灰石、辉石、钛铁矿、赤褐铁矿和磁赤褐铁矿主要富集63～125 μm组分，白钛石、电气石、绿帘石和角闪石主要富集于125～250 μm组分，锐钛矿和金红石在63～125 μm组分中稳定出现，独居石只在少数样品出现，重矿物也主要富集在63～125 μm（0.15%～15.24%，4.26%）组分。由于锆石和金红石主要富集在63～125 μm组分中，而电气石主要富集在125～250 μm组分中，导致ZTR在63～125 μm组分中较高（图4）；GZi指数在粗粒级中较高，石榴子石在两个粒级中变化不大；ATi指数在63～125 μm组分中较高。依兰方向（巴兰河除外）和松原方向河流样品表明，水动力分选对重矿物富集和特征指数等产生重要影响（卢健，2013）。

图4 松原方向河流重矿物特征指数Fig.4 The heavy mineral characteristic index of Song Yuan direction rivers

巴兰河的8个样品进一步说明了在河流搬运—沉积过程对重矿物组成的影响。锆石、磷灰石、金红石、锐钛矿、独居石、辉石、角闪石和电气石主要富集于细颗粒（＜63 μm）组分之中（表3），并呈现出颗粒越粗矿物含量越低的趋势，甚至出现部分矿物在较粗颗粒中出现缺失的情况。如独居石只在细颗粒（＜63 μm）组分中稳定出现；电气石在较粗的颗粒中严重缺失，重矿物样品主要富集在63～125 μm（1.92%～15.82%，5.75%）组分，其次是125～250 μm和＜63 μm组分。然而，巴兰河的这些指数明显受到粒度的影响，巴兰河流域稳定系数（W），总体呈现细颗粒组分向粗颗粒组分递减的趋势（图5），125～250 μm组分稳定系数最低；粒度组分不同，ZTR指数也明显差异，由于稳定矿物优先富集于细颗粒（＜63 μm）当中，所以＜63 μm组分ZTR数值大于其他两个粒度组分；3个粒度组分的GZi指数差异比较大，由于石榴石富集于在125～250 μm组分中，因此粗粒级中GZi指数高，GZi指数总体与粒度大小成正比；电气石在63～125 μm和125～250 μm组分中部分缺失，导致ATi指数没有明显的变化趋势。重矿物特征指数无法最小化或者消除由粒度效应带来的偏差，因此，在分析物源时需要分粒级进行讨论。

重矿物分析的粒度窗口策略可以被认为减少或者消除潜在的水动力分选效应，窄窗口策略会导致两个或者多个粒度窗口产生的部分重要信息丢失，而宽窗口策略恰恰相反（Garzanti and Andò，2007；Garzanti et al.，2008）。在流域当中，通常选择极细砂（63～125 μm）组分的窄窗口进行重矿物组成分析（杨群慧等，2002；徐茂泉等，2004；康春国等，2014），因为在63～125 μm部分的矿物可以长期悬浮在河流中进行长距离运输，且在这一粒度组分中富集（Morton，1985）。如果沉积物较粗，还会添加细砂（125～250 μm）组分形成宽窗口（喻薛凝等，2016；杜慧荣等，2020；王嘉新等，2020）。巴兰河重矿物含量在63～125 μm组分达到最大，这与其他研究成果一致。然而，大部分稳定矿物富集在＜63 μm组分当中，某些重矿物在粗颗粒（63～125 μm或125～250 μm）组分中很少见，甚至出现消失的情况。因此，粒度窗口对重矿物颗粒的分离产生了很大影响，并且某个特定的窗口会有特定的矿物。当某些母岩分布局限且产生的重矿物只集中在某一粒度组分当中，选择单一的粒度窗口，难以代表母岩总体特征。在进行物源分析时，应选择宽窗口，以避免源区重要信息的丢失。

从巴兰河上游到下游的8个重矿物样品（相同粒级组分）重矿物组成有显著差异（表3）。例如，在＜63 μm组分中，重矿物变异系数在0.17～1.41之间，63～125 μm组分中，变异系数为0～1.75，在125～250 μm组分中，变异系数为0～1.85（图6）。以125～250 μm组分为例，超稳定矿物金红石、锆石和电气石表现出很高的变异系数，但金红石和电气石只少数样品中出现。其他重矿物也有很高的变异系数，但独居石、角闪石和榍石变异系数相对较低。此外，沉积物在搬运的过程中，随着距离的增加稳定矿物的相对含量也会增加，不稳定矿物的相对含量会减少（李艳等，2011；李俊武等，2015）。然而，巴兰河从上游到下游重矿物含量并没有体现出这种规律来（图5），值得令人注意的是，金红石、独居石和电气石只在下游稳定的出现。在物源相同的条件下，巴兰河样品表现出不同的矿物组成。因此，一个或几个样品很难来描绘源区母岩重矿物的组成，为了更准确的获取源区信息，样品数量非常重要。

图5 巴兰河重矿物特征指数Fig.5 The heavy mineral characteristic index of Balan River

图6 巴兰河重矿物变异系数Fig.6 Heavy mineral variable coefficient of Balan River

在讨论河流过程对重矿物组成的影响时，应该从两个方面进行考虑。首先，重矿物的组成取决于颗粒的大小，用宽窗口来描绘流域的总体特征时，特定粒度部分中的某些矿物不会丢失；其次在具有相同物源的不同河段，一个或几个样本不能完全获取整个流域的信息，必须考虑重矿物的样品数量，更多的样品数量才能获得更加准确的源区信息。

4.3 化学风化对重矿物组成的影响

化学风化作为地球外动力地质作用的一种与水圈、大气圈、生物圈和岩石圈有着密不可分的关系（郭玉龙等，2020），风化岩石、水系沉积物等风化产物可以保留母岩中的信息（宁泽等，2020）。沉积碎屑物从源区的剥蚀到汇集区的沉积，化学风化贯穿于整个过程（岳艳，2010）。不同的矿物在不同的环境条件下稳定性存在差异，稳定矿物富集于沉积物中，表明受风化程度较强，然而不稳定矿物富集则表明受风化程度较弱（Morton and Hallsworth，1999）。

河流阶地是河道的废弃部分，记录着过去发生的重要地质信息。因此，河流阶地的沉积物可以被用来重建古水系演化和源—汇关系（Resmi et al.，2020；Wang et al.，2021）。然而，我们的研究显示，不同风化程度的河流阶地重矿物特征与现代河流沉积物有不同程度的差异。哈尔滨松花江现代河流边滩和T2阶地（化学风化程度弱，未发表的数据），在两个粒度组分中（63～125 μm和125～250 μm）都以不稳定矿物角闪石和绿帘石为主，赤褐铁矿和超稳定矿物含量较少（ZTR指数偏小），磷灰石、辉石和榍石的含量基本没有变化（表2，图4）。表明哈尔滨松花江T2河流阶地基本保留了现代河流砂重矿物特征。和讷谟尔河相比，讷谟尔河T1阶地（中等化学风化程度，未发表的数据）在63～125 μm和125～250 μm组分中，不稳定矿物角闪石完全消失（表2），辉石和绿帘石出现极少，钛铁矿、赤褐铁矿和白钛石含量增多，超稳定矿物显著增多（ZTR指数明显增大）。磷灰石在酸性条件下极容易分解（Bateman and Catt，1985），ATi指数数值可以揭示沉积物的风化程度（Morton and Hallsworth，1999；程岩等，2010；王利波等，2016），在125～250 μm组分中，ATi指数为0（图4），进一步说明磷灰石受到风化作用完全消失。数据表明讷谟尔河T1阶地的重矿物受到一定改造。与蚂蜒河和岔林河的重矿物组成相比，通河松花江T3阶地（强烈化学风化程度，Xie et al.，2020）的重矿物组成在两个粒级中不稳定矿物角闪石和辉石完全消失（表1），绿帘石、榍石、磷灰石和铁磁性矿物较少出现，钛铁矿含量占优，电气石、石榴子石和锆石含量明显上升，W的值最大可达到83.82%（图3）。由此可见，化学风化对通河松花江T3阶地重矿物组成产生了明显影响。

阶地沉积物的化学风化程度受时间和气候条件的控制。在同一气候条件下，河流阶地的形成年代越久，沉积物遭受的化学风化程度越强。讷谟尔河T1阶地的风化程度强于哈尔滨松花江T2阶地，表明阶地沉积物的化学风化程度与时间并不是简单的线性关系。尽管我们没有这些河流阶地的年龄数据，但受气候条件影响的化学风化程度依然能够较好的表现出对阶地重矿物组成的控制作用。因此，本研究强调在利用河流阶地的重矿物组成进行源—汇示踪和古水系演化研究时，必须要对阶地沉积物的化学风化程度进行有效评估。只有那些没有明显受到化学风化影响的河流阶地的重矿物数据才能真实反映当时的源区组成。

5 结 论

（1）松花江主要支流的重矿物组成反映的源区母岩整体以花岗岩和花岗闪长岩为主，作为嫩江主要支流的诺敏河的重矿物组成指示了源区基性母岩的性质，然而这个信息却没有在嫩江干流得到反映。这表明物源对重矿物组成的控制受到河流过程的影响，重矿物经过长距离的河流搬运，使重矿物得到充分混合，从而模糊了上游局部暴露的母岩信号。

（2）松花江水系的重矿物组成以角闪石、绿帘石、钛铁矿和榍石为主，主要富集于63～125 μm组分。锆石、磷灰石、辉石和铁磁性矿物主要富集在细颗粒组分（63～125 μm），锐钛矿只在此粒级中稳定出现，而白钛石和绿帘石主要富集在125～250 μm组分，其他矿物在不同粒级组分中没有明显的富集规律。另外，巴兰河8个样品同一粒度组分的重矿物组成具有显著差异。这些结果表明，河流搬运—沉积过程对重矿物组成产生显著影响，因此，需要考虑宽粒度分析窗口和足够多的样品数量才能充分获取源区完整的重矿物组成信息。

（3）河流阶地与现代河流边滩样品的对比表明，化学风化对重矿物组成产生了不同程度的影响。弱风化的哈尔滨松花江T2阶地沉积物的重矿物组成基本保留了现代河流砂特征；中等风化程度的讷谟尔河T1阶地沉积物的重矿物受到一定程度的改造，不稳定矿物角闪石已完全消失，辉石和绿帘石极少出现；然而，遭受到强烈化学风化的通河松花江T3阶地沉积物的重矿物组成已遭受到严重破坏，不稳定矿物辉石和角闪石已完全消失，绿帘石、榍石、磷灰石和铁磁性矿物含量也较低。因此，在利用河流阶地重矿物组成进行源—汇联系和古水系演化研究时，特别要注意化学风化程度对沉积物的影响。

致 谢河北廊坊诚信地质公司的工作人员（张晏子、李鹏和王根涛等）做了大量的样品测试工作，魏振宇、张曼和张月馨参加了松花江水系的部分野外取样，刘硕和赵倩参加了松花江水系沉积物重矿物的试验样品前处理工作，在此一并表示感谢。