化學(xué)蝕變指數(shù)研究的原理與應(yīng)用

鄧澄世+劉穎

關(guān)鍵詞：化學(xué)蝕變指數(shù)；化學(xué)風(fēng)化程度；源巖成分；地層劃分

至今CIA的應(yīng)用范圍已經(jīng)逐步擴(kuò)大到通過(guò)沉積物的化學(xué)蝕變指數(shù)的變化來(lái)判別沉積物沉積的古氣候環(huán)境。

2.化學(xué)蝕變指數(shù)研究的方法步驟

碎屑巖是化學(xué)蝕變指數(shù)研究的對(duì)象，而碎屑巖在搬運(yùn)、沉積和成巖過(guò)程中，源巖成分存在不同程度的變化，主要為粒度和成分的分選、沉積再循環(huán)作用和成巖過(guò)程中的鉀交代作用等，其中最突出的特點(diǎn)是粘土礦物的增加。由于粘土礦物的豐度和鉀交代強(qiáng)度是影響CIA指數(shù)的關(guān)鍵因素，所以對(duì)于老地層樣品的選擇要盡量滿足要求。

2.1樣品的采集。由于古元古代之前的沉積巖不發(fā)育，沉積再循環(huán)作用對(duì)物源成分的影響很小，因此CIA最早是被廣泛應(yīng)用于古元古代的碎屑巖研究。沉積再循環(huán)作用改變了物源成分，使得原巖成分中的粘土礦物的含量增加，挑選適宜于研究的碎屑巖樣品就顯得格外重要。所以，對(duì)于分選作用的排除，樣品采集應(yīng)盡量選擇能代表源巖成分的細(xì)碎屑巖。

2.2樣品的處理。細(xì)碎屑巖在成巖過(guò)程中的鉀交代作用會(huì)改變掩巖石的原始成分，需要進(jìn)行鉀交代作用的校正。其計(jì)算方法是：

由當(dāng)細(xì)屑巖ICV>1時(shí)，表明該巖石含很少粘土礦物，代表構(gòu)造活動(dòng)帶的首次沉積；當(dāng)細(xì)屑巖ICV<1時(shí)則表明沉積物中有大量粘土礦物，代表可能是經(jīng)歷了再沉積或強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化條件下的首次沉積。因此，要盡可能的選取ICV>1的細(xì)屑巖作為研究對(duì)象。

3.化學(xué)蝕變指數(shù)研究的應(yīng)用

3.1無(wú)量綱的數(shù)值判斷風(fēng)化程度

沉積搬運(yùn)過(guò)程中的分選使砂巖在化學(xué)組成上一般與源區(qū)物質(zhì)有著一定的差別，所以板巖，泥巖和頁(yè)巖等細(xì)屑巖比較適合用在CIA研究上。新元古代的細(xì)屑巖在我國(guó)南方分布很廣泛，為我們運(yùn)用CIA進(jìn)行風(fēng)化程度的判斷提供了有利條件。現(xiàn)今地球上的主要礦物和一些反映典型氣候的現(xiàn)代沉積物的CIA值大致如圖所示?？梢?jiàn)，CIA值介于50～65之間，反映寒冷、干燥的氣候條件下低等的化學(xué)風(fēng)化程度；CIA值介65～85之間，反映溫暖、濕潤(rùn)條件下中等的化學(xué)風(fēng)化程度；CIA值介于85～100之間，反映炎熱、潮濕的熱帶亞熱帶條件下的強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化程度。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將所獲的新元古代沉積物的CIA值與現(xiàn)代沉積物的CIA值進(jìn)行比較，就能大致推斷新元古代沉積物沉積時(shí)的環(huán)境與氣候特征。

3.2判斷鉀交代作用

利用A-CN-K圖解能夠揭示鉀交代作用對(duì)源巖的影響，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)石分解的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程和自然界風(fēng)化剖面的地球化學(xué)的研究，可以得到風(fēng)化剖面和與之相關(guān)的沉積物的預(yù)測(cè)風(fēng)化趨勢(shì)線[1-3]，如圖1所示的SA、SA線。前寒武紀(jì)細(xì)屑巖的鉀交代作用是很普遍的成巖作用，它主要表現(xiàn)為（例如高嶺石）與孔隙水中的K+反應(yīng)生成伊利石，外來(lái)的鉀離子加入引起了樣品點(diǎn)的趨勢(shì)線（CE）偏離預(yù)測(cè)的風(fēng)化趨勢(shì)線（SA）。

3.3判斷源巖成分

A-CN-K圖解三角圖解對(duì)于源巖成分的判斷也是非常有用的。如果知道源巖的成分可以計(jì)算并繪制出它的風(fēng)化趨勢(shì)線。反之，當(dāng)知道它的風(fēng)化趨勢(shì)線，就可以判斷源巖的成分，如圖1的S和S點(diǎn)所示。S和S點(diǎn)反映了源巖的斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石的比例。可以將重要的基巖根據(jù)它們的化學(xué)成分投影在圖里，或根據(jù)具體的地質(zhì)情況將與沉積巖成因有關(guān)的基底巖石按化學(xué)分析結(jié)果投在圖里，如圖1中的我國(guó)平均的英云閃長(zhǎng)：巖、花崗閃長(zhǎng)巖和花崗巖。如圖1中S點(diǎn)，與花崗閃長(zhǎng)巖Gd成分較為相近，說(shuō)明沉積源巖很可能來(lái)自于花崗閃長(zhǎng)巖。在實(shí)際的應(yīng)用中，根據(jù)樣品點(diǎn)的投影，可以得到一條樣品點(diǎn)的趨勢(shì)線，趨勢(shì)線與P1-Ksp連線的交點(diǎn)即是源巖的斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石的比率。

3.4判斷沉積環(huán)境

當(dāng)沉積物主元素成分變化不大或樣品點(diǎn)在A-CN-K三角圖中樣品點(diǎn)分布區(qū)域緊湊集中，表明源巖化學(xué)風(fēng)化和剝蝕程度的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；如果源巖主元素變化大，且三角圖解內(nèi)樣品點(diǎn)分散又不緊湊，則體現(xiàn)了氣候和構(gòu)造環(huán)境均處在非穩(wěn)定狀態(tài)。

下圖所示地層由下到上的CIA值經(jīng)歷了從50到75再到約58的變化過(guò)程，表明經(jīng)歷了由寒冷干燥氣候（低等化學(xué)風(fēng)化程度沉積）—溫暖濕潤(rùn)氣候（中等化學(xué)風(fēng)化程度沉積）—寒冷干燥氣候（低等化學(xué)風(fēng)化程度）沉積的演化過(guò)程，說(shuō)明該區(qū)域的沉積環(huán)境處于非穩(wěn)定狀態(tài)。

3.5判斷構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

化學(xué)蝕變指數(shù)越大，說(shuō)明母巖化學(xué)風(fēng)化程度越高。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可造成母巖區(qū)在短時(shí)期內(nèi)強(qiáng)烈快速的剝蝕，引起沉積物化學(xué)蝕變指數(shù)突然降低，劇烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)后，母巖區(qū)化學(xué)風(fēng)化重新加強(qiáng)，化學(xué)蝕變指數(shù)明顯上升。

圖中所示化學(xué)蝕變指數(shù)在32、23.9、16Ma時(shí)期存在物理風(fēng)化突然增強(qiáng)，化學(xué)風(fēng)化減弱的突變事件，這種表現(xiàn)正是該時(shí)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)存在的根據(jù)。

4.化學(xué)蝕變指數(shù)應(yīng)用——揚(yáng)子地區(qū)新元古界地層劃分

對(duì)于新元古界的劃分與對(duì)比尚存在不少未解決的問(wèn)題，尤其我國(guó)南華系（即Cryogenian，成冰紀(jì)）及其相當(dāng)?shù)貙拥难芯恳嗍桩?dāng)其沖。當(dāng)前焦點(diǎn)是對(duì)蓮沱組的認(rèn)識(shí)及其在南華系的位置問(wèn)題。揚(yáng)子地區(qū)南華系大體可概括為3種類型：

如果僅依巖石地層學(xué)（巖性和傳統(tǒng)的沉積相）原則進(jìn)行分和對(duì)比，顯然可以認(rèn)為峽東地區(qū)缺失南沱組之下的含Mn地層及更下的冰成混積巖。同時(shí)，將湖南石門(mén)的渫水河組與蓮沱組對(duì)比，并認(rèn)為長(zhǎng)安組之下缺失蓮沱組，甚至提出將屬于不同構(gòu)造階段產(chǎn)物、由普遍片理化的淺變質(zhì)巖組成的板溪群與蓮沱組相對(duì)比。但通過(guò)化學(xué)蝕變指數(shù)研究，石門(mén)楊家坪的渫水河組及東山峰組的CIA值分別為60～65和60～70，與更新世冰川粘土的CIA值大體一致。表明該地區(qū)自大塘坡組以下均為寒冷干燥氣候、低等化學(xué)風(fēng)化條件下的產(chǎn)物。而渫水河組之下的板溪群老山崖組上部的CIA在70-75，顯然是溫濕氣候、中等化學(xué)風(fēng)化作用的產(chǎn)物。對(duì)宜昌三斗坪南華系化學(xué)蝕變指數(shù)的研究表明，南沱組之下的蓮沱組并非如前人所述，而是經(jīng)歷了由寒冷干燥）溫暖濕潤(rùn)）寒冷干燥氣候變化所控制的沉積過(guò)程。故此提出南華系的下列劃分、對(duì)比方案。

總結(jié)：利用CIA對(duì)地層的沉積層序進(jìn)行研究，將有助于我們對(duì)源巖的物質(zhì)來(lái)源、成巖作用和化學(xué)風(fēng)化程度進(jìn)行判斷，特別是對(duì)于化學(xué)風(fēng)化程度的判斷將為那個(gè)時(shí)期全球劇烈地環(huán)境變化研究提供又一重要的地球化學(xué)手段。通過(guò)對(duì)沉積古環(huán)境的識(shí)別，為地層界面的劃分、地層對(duì)比提供依據(jù)。但是其缺點(diǎn)在于其不能獨(dú)立的進(jìn)行地層劃分和對(duì)比，只能通過(guò)CIA值在時(shí)間空間上遷移、富集的規(guī)律性變化和巖層重要邊界突變的地球化學(xué)行為，作為地層劃分、對(duì)比依據(jù)。