格爾木河流域富鉀花崗巖中成鹽元素風(fēng)化遷移的時(shí)空演變

安福元，張西營(yíng)，程夏麗, 馬振營(yíng)，耿 鋆，李姜瑤

(1. 青海師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院， 青海省自然地理與環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青海 西寧 810008； 2. 中國(guó)科學(xué)院 青海鹽湖研究所， 青海省鹽湖地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青海 西寧 810008； 3. 青海省核工業(yè)地質(zhì)局 地質(zhì)研究所， 青海省核工業(yè)地質(zhì)局檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室， 青海 西寧 810008； 4. 青海省人民政府-北京師范大學(xué)高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院， 青海 西寧 810008；5. 中國(guó)科學(xué)院 青海鹽湖研究所 中國(guó)科學(xué)院鹽湖資源綜合高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青海 西寧 810008)

格爾木河發(fā)源于柴達(dá)木盆地南緣的東昆侖中段山脈北坡，屬于冰川融水河。該河自南向北橫切昆侖山最后流入察爾汗鹽湖，是該鹽湖的主要補(bǔ)給河流(Anetal., 2018a)。格爾木河流域出露的花崗巖、輝長(zhǎng)巖等基巖在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中大量淋濾的K、B、Li等成鹽礦物元素經(jīng)格爾木河的搬運(yùn)，最終匯入察爾汗鹽湖沉積下來(lái)，形成目前正在開(kāi)采的察爾汗鹽湖資源的物源之一(于升松等， 2010； 唐啟亮等， 2016)。前人調(diào)查發(fā)現(xiàn)，格爾木河流域中出露了大面積的二長(zhǎng)花崗巖、鉀長(zhǎng)花崗巖以及閃長(zhǎng)巖等火成巖(朱允鑄等， 1990)，這些巖石在冰期、間冰期氣候旋回過(guò)程中經(jīng)歷了非常強(qiáng)烈的物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化作用，釋放了巨量的鹽類礦物元素。前人對(duì)于該流域內(nèi)的鹽類礦物變化規(guī)律、元素遷移過(guò)程研究主要集中在地表土壤、河流沉積物和河水中離子含量等方面(黃麒等， 2007； 趙希濤等， 2010)，對(duì)于流域中廣泛分布的富鉀花崗巖中成鹽元素分布規(guī)律及其遷移過(guò)程卻鮮有研究，而查清這些火成巖中K、Na、Ca、B、Li等元素分布特征、淋失規(guī)律，確定富鉀花崗巖的成礦靶區(qū)，對(duì)于確定察爾汗鹽湖成鹽成礦機(jī)理乃至今后開(kāi)發(fā)富鉀花崗巖遠(yuǎn)景礦床具有重要的意義。

1 研究區(qū)背景

1.1 地質(zhì)背景

格爾木河流域內(nèi)的巖性地層在昆中斷裂南北兩端有所差別。北邊布爾汗布達(dá)山出露的主要是加里東期至燕山期的片麻巖、片巖、大理巖千枚巖、板巖、閃長(zhǎng)巖和花崗巖，山前為早古生代至三疊紀(jì)的火山巖帶，并分布有元古宙至古生代的地層，其溝谷中沉積了一些更新世以來(lái)的河湖相沉積物、沖積扇填充物和風(fēng)成堆積；中部為片巖、千枚巖、板巖、灰?guī)r等；南部主要是早生代的中基性火山巖，以三疊紀(jì)砂巖、灰?guī)r為主的海相沉積，并夾雜有大量基性-酸性火山巖，部分區(qū)域殘留第三紀(jì)湖相沉積物和第四紀(jì)河湖相沉積物、冰磧物等(趙希濤等， 2010； 賈小龍等， 2016)。

格爾木河所在的東昆侖地區(qū)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，多呈密集成束分布(圖1)，主要?jiǎng)澐譃槔ケ睌嗔?、昆中斷裂和昆南斷?祁生勝， 2015)。本次研究的格爾木河富鉀花崗巖主要分布在昆中斷裂兩側(cè)的東昆侖花崗巖帶。對(duì)于該花崗巖帶的巖相古地理，學(xué)者們一般認(rèn)為是巖漿弧疊加在元古宙基地殘塊之上的花崗巖-變質(zhì)雜巖帶(圖1)，該帶中，巖漿多期侵入，具有多期復(fù)合的巖漿弧特征(薛靈文， 2016)。

格爾木河區(qū)域內(nèi)的花崗巖巖體主要呈片狀、點(diǎn)狀、巖株?duì)詈蛶r墻入侵狀分布(圖1)，寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)發(fā)育與俯沖有關(guān)的火成巖帶；志留紀(jì)形成規(guī)模巨大的俯沖增生雜巖帶和強(qiáng)過(guò)鋁花崗巖；泥盆紀(jì)(華力西期)不整合在昆中斷裂兩側(cè)俯沖雜巖帶和巖漿弧上的富鉀陸相火山盆地形成東昆侖縫合帶，其兩側(cè)形成大量碰撞匯聚環(huán)境高鉀-鉀玄巖質(zhì)花崗巖組合，中間出現(xiàn)與伸展有關(guān)的基性雜巖和長(zhǎng)英質(zhì)花崗巖(祁生勝， 2015； 張翔， 2017)；中二疊世—晚三疊世(華力西中晚期)形成一系列向南退縮的巖漿弧，并在中三疊世進(jìn)入巖漿活動(dòng)高峰期；侏羅紀(jì)(燕山中晚期)以二長(zhǎng)花崗巖為主的高鉀花崗巖在格爾木河兩側(cè)局部地區(qū)均有分布。從泥盆紀(jì)至侏羅紀(jì)，高鉀-鉀玄質(zhì)富鉀花崗巖組合主要分布在格爾木河流經(jīng)的昆中斷裂及其次級(jí)斷裂兩側(cè)(祁生勝， 2015)，可以為格爾木河提供豐富的成鹽元素。

圖 1 研究區(qū)地理位置(a)、水系和花崗巖分布圖[b, 水系和巖性信息修改自青海省地質(zhì)礦產(chǎn)局(1991)， 巖相古地理背景修改自薛靈文(2016)， 底圖為Google Earth衛(wèi)星遙感圖]

1.2 水文地質(zhì)背景

格爾木河由昆侖河、雪水河和南溝河3條主要的支流匯合而成，最終流入柴達(dá)木盆地的察爾汗鹽湖，全長(zhǎng)446 km，流域面積45 000 km2(圖1)，其多年平均徑流量為7.82×108m3，占所有入湖河流多年平均總徑流量的40.7% (于升松等， 2010； Anetal., 2018b)。格爾木河下游為山前沖洪積組成的兩級(jí)巨型沖積扇，沉積了巨厚的第四系松散沉積物，為地下水的儲(chǔ)存、礦物離子的水-巖交換提供了巨大空間。以中、上更新世和全新世砂礫石組成的地下水儲(chǔ)水層孔隙度較大，給水度也大，在接受地表水垂直滲漏補(bǔ)給后，成為地下水分布和賦存的主要空間。這些孔隙潛水和少量承壓水能夠溶解大量鹽類礦物離子，成為察爾汗鹽湖鹽類礦物補(bǔ)給的通道之一(汪生斌等， 2020)。格爾木河的水化學(xué)類型在流域不同區(qū)段內(nèi)有所不同：在戈壁區(qū)為碳酸鹽類鈉組Ⅱ型水；在沖洪積扇區(qū)，上游和戈壁區(qū)差別不大，下游突變?yōu)槁然镱愨c組Ⅱ及Ⅲ型水。格爾木河每年為察爾汗鹽湖補(bǔ)給0.33億噸淡水和近8 620噸氯化鉀(于升松等， 2010)。該流域涵蓋兩種不同的氣候區(qū)，其上游為相對(duì)濕潤(rùn)、山谷地帶少量植被發(fā)育的高山山地氣候區(qū)，平均海拔在4 000 m以上，年降雨量為350 mm；下游為干旱的盆地氣候區(qū)，氣候干燥，年平均降水量約為20 mm，蒸發(fā)量高達(dá)2 000 mm以上，形成大面積的鹽湖區(qū)和干鹽灘(黃麒等， 2007)。

2 樣品采集及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品采集

格爾木河流域花崗巖主要分布在上游昆侖河支流和下游格爾木河段干流流域，本次研究主要對(duì)流域內(nèi)出露的花崗巖、花崗巖風(fēng)化產(chǎn)物以及河床沉積物進(jìn)行從上游到下游的系統(tǒng)采樣(圖1b)。在西大灘地區(qū)，共采集微、弱風(fēng)化花崗巖樣品5個(gè)，全風(fēng)化碎屑樣品3個(gè)，河床沉積物樣品4個(gè)；在野牛溝地區(qū)，共采集微、弱風(fēng)化花崗巖樣品7個(gè)，全風(fēng)化碎屑樣品1個(gè)，河床沉積物樣品3個(gè)；在納赤臺(tái)河段采集河床沉積物樣品1個(gè)；在格爾木河小干溝河段共采集微、弱風(fēng)化花崗巖樣品8個(gè)，全風(fēng)化碎屑樣品4個(gè)，沖積扇前緣沉積物2個(gè)。巖石樣品在原巖上用地質(zhì)錘敲碎采集，全風(fēng)化碎屑樣品和河床沉積物去除表層蓋層后采集，所有樣品用布制樣品袋封裝。由于新鮮未風(fēng)化樣品埋藏較深(一般在8 m以下)，在流域內(nèi)缺乏新鮮巖面露頭，又無(wú)基巖鉆孔巖芯，故本次研究未獲得未風(fēng)化花崗巖樣品。另外，在小干溝河段厚34 m的坡積-沖洪積沉積剖面(XGG2)采集4個(gè)沖洪積相光釋光(OSL)年代樣品和5個(gè)全風(fēng)化碎屑樣品。

不同風(fēng)化等級(jí)花崗巖的野外識(shí)別是保證樣品準(zhǔn)確而有效采集的前提。在野外調(diào)查中，從未風(fēng)化到全風(fēng)化5級(jí)風(fēng)化程度花崗巖的識(shí)別是根據(jù)吳宏偉等(1999)劃分的花崗巖礦物和結(jié)構(gòu)野外判斷標(biāo)識(shí)來(lái)劃分的，具體如下：

(1) 未風(fēng)化花崗巖： 除因地質(zhì)構(gòu)造作用造成的原生閉合的結(jié)構(gòu)面外，巖石成分和結(jié)構(gòu)無(wú)變化；巖石和巖面新鮮，礦物顆粒緊密結(jié)合而完整，巖石硬度較高。

(2) 微風(fēng)化花崗巖： 巖石僅在節(jié)理裂隙表面有微弱的風(fēng)化或蝕變現(xiàn)象，有少量鐵質(zhì)侵染；鈉長(zhǎng)石顆粒周邊有微弱風(fēng)化，巖塊和巖面基本新鮮。

(3) 弱風(fēng)化花崗巖： 節(jié)理裂隙面有明顯的風(fēng)化現(xiàn)象；鈉長(zhǎng)石顆粒和斑晶周圍有白色粉狀的高嶺土化現(xiàn)象；黑云母有較明顯褐黃色的蛻色現(xiàn)象，石英和鉀長(zhǎng)石顆粒未風(fēng)化。

(4) 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖： 原巖結(jié)構(gòu)尚有一定完整性，強(qiáng)度較弱，手掰可破碎；鈉長(zhǎng)石已強(qiáng)烈風(fēng)化而形成高嶺石；黑云母強(qiáng)烈蛻色而形成黃綠色的絹云母或伊利石；鉀長(zhǎng)石周邊有明顯風(fēng)化現(xiàn)象，石英顆粒未風(fēng)化。

(5) 全風(fēng)化花崗巖： 原巖的結(jié)晶結(jié)構(gòu)尚可辨認(rèn)，但堅(jiān)固性完全喪失，或全部轉(zhuǎn)化為松散的礦物顆粒而原位保存；鈉長(zhǎng)石和黑云母全部轉(zhuǎn)化為黏土礦物，石英和部分鉀長(zhǎng)石顆粒保留而形成碎屑物質(zhì)。

通過(guò)上述花崗巖的礦物和結(jié)構(gòu)特征劃分，在野外能夠較好地識(shí)別不同風(fēng)化級(jí)別的巖石樣品，再結(jié)合測(cè)定的常量元素和氧化物的變化淋失數(shù)據(jù)對(duì)野外劃分風(fēng)化等級(jí)的樣品加以佐證和修正，可保證風(fēng)化等級(jí)劃分的準(zhǔn)確性。不同風(fēng)化程度的花崗巖的常量元素和氧化物劃分標(biāo)準(zhǔn)參照尚彥軍等(2001)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

硅酸鹽樣品常微量元素：稱取0.100 0 g(±0.000 1 g)試樣于聚四氟乙烯坩堝中，用少量蒸餾水潤(rùn)濕，加入氫氟酸5 mL(除去試樣中的SiO2)、高氯酸2 mL(除去試樣中的有機(jī)物)，在控溫電熱板上180℃溶解至近干，加入王水10 mL分解至干，加入10 mL王水提取試樣并定容至100 mL容量瓶中，搖勻。用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定K2O、Na2O、CaO、MgO、TFe2O3、MnO、TiO2、P2O5、FeO的分析方法：稱取0.300 0 g樣品于潔凈50 mL的聚四氟乙烯坩堝中，加入5 mL氫氟酸，再加入1∶1的硫酸，加1.0 g無(wú)水NaCO3，蓋上蓋子，在電熱板上加熱，煮沸后保持15 min，立即取下放入250 mL的燒杯中(杯中有25 mL飽和硼酸+175 mL蒸餾水)，加10 mL硫-磷混合酸，加二苯胺磺酸鈉指示劑2滴，用滴定度為1.0的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至穩(wěn)定的紫色出現(xiàn)即為終點(diǎn)。LOI的測(cè)定： 稱取0.500 0 g樣品于30 mL瓷坩堝內(nèi)(坩堝已做處理，稱重)，放入馬弗爐內(nèi)，由低溫升至900℃，保持2 h，取出，微冷卻后放入干燥器，完全冷卻后稱重，稱重后在放入馬弗爐于900℃煅燒0.5 h，再取下，微冷卻后放入干燥器稱重。兩次稱重的質(zhì)量一致為止，不一致則繼續(xù)煅燒0.5 h，再次稱重(張露月， 2014)。所有巖土樣品的前處理及測(cè)試都在青海省核工業(yè)地質(zhì)局檢測(cè)試驗(yàn)中心完成。

光釋光年代樣品的前處理和制備均在暗室弱紅光下進(jìn)行，鋼管兩端厚約0.03～0.04 m的可能被曝光的光釋光樣品要被除去，中部沒(méi)有被提取曝光的部分被用于石英提取和等效劑量(equivalent dose, De)測(cè)定。樣品除去碳酸鹽和有機(jī)質(zhì)，然后篩取38～63 μm的粒徑組分并除去樣品中的長(zhǎng)石礦物(Lai and Wintle, 2006)。對(duì)上述提純的石英進(jìn)行紅外釋光(IRSL)檢測(cè)，如果有明顯的IRSL信號(hào)則需重新進(jìn)行H2SiF6浸泡，以盡可能除凈長(zhǎng)石，避免對(duì)De造成低估(Laietal., 2007)。光釋光樣品在RisoTL/光釋光-DA-20全自動(dòng)釋光儀上進(jìn)行測(cè)試。De的測(cè)定利用單片再生劑量法(SAR)(Roberts, 2007)。測(cè)試時(shí)大部分樣品在預(yù)熱坪實(shí)驗(yàn)中表明樣品的De在240～260℃下有一明顯的坪區(qū)(Lai and Brtickner, 2008)。對(duì)于自然和再生劑量在220℃下預(yù)熱10 s。在背景值去除后，選取前0.64 s的信號(hào)進(jìn)行生長(zhǎng)曲線重建，同時(shí)其衰減曲線表明都是快組分，說(shuō)明樣品比較可靠。U、Th、K的含量通過(guò)中子活化法測(cè)定 (于祿鵬等， 2013)。樣品含水量以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)矯正獲得。光釋光樣品的前處理及測(cè)試在中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所光釋光實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果

3.1 花崗巖巖相學(xué)特征

格爾木河流域中花崗巖主要分為兩種： 一種為灰白色細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖和英云閃長(zhǎng)巖，鉀長(zhǎng)石含量為30%～40%(圖2a、2b)；另一種為肉紅色斑狀二長(zhǎng)花崗巖、斑狀二長(zhǎng)花崗巖和正長(zhǎng)花崗巖的組合，鉀長(zhǎng)石含量高達(dá)60%左右(圖2c、2d)。前者為細(xì)粒級(jí)。長(zhǎng)石的晶體形態(tài)多不規(guī)則，但總體呈寬板狀和短柱狀，斜長(zhǎng)石的自形程度明顯高于鉀長(zhǎng)石。鉀長(zhǎng)石晶體的卡式和格子雙晶發(fā)育，條紋構(gòu)造十分發(fā)育，偶見(jiàn)兩種長(zhǎng)石形成的顯微紋象結(jié)構(gòu)，為正長(zhǎng)石、條紋長(zhǎng)石和微斜-條紋長(zhǎng)石。石英晶體為不規(guī)則粒狀、它形晶粒狀，常呈集合體狀不均勻分布。后者多呈中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，偶見(jiàn)斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，造巖礦物包括斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英、白云母和少量副礦物磷灰石、榍石等，巖石致密堅(jiān)硬。常量礦物的粒徑大小主要在0.2～3.5 mm之間，個(gè)別斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石的粒徑可達(dá)5.0 mm左右。巖石薄片顯微特征顯示長(zhǎng)石亦多呈寬板狀和短柱狀，斜長(zhǎng)石的自形程度明顯高于鉀長(zhǎng)石，并呈現(xiàn)較弱程度的絹云母化、高嶺土化和顯微隱晶狀的簾石化。鉀長(zhǎng)石晶體的卡式和格子雙晶發(fā)育，呈條紋構(gòu)造，偶見(jiàn)兩種長(zhǎng)石形成的顯微紋象結(jié)構(gòu)，礦物主要以條紋長(zhǎng)石為主，正長(zhǎng)石和微斜-條紋長(zhǎng)石次之。石英晶體多為不規(guī)則粒狀、它形晶粒狀。白云母為較自形的鱗片狀，零星不均勻分布，副礦物磷灰石常和白云母伴生或被包裹。

3.2 巖土樣品的常微量元素特征

本研究對(duì)格爾木河的支流和干流河段內(nèi)不同風(fēng)化程度的花崗巖及其風(fēng)化碎屑樣品進(jìn)行了成鹽礦物相關(guān)的常量元素和微量元素分析，分析結(jié)果如表1所示。

縱觀格爾木河流域風(fēng)化程度不同的巖土樣品的常量氧化物含量和成鹽元素含量，可以發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)規(guī)律：

(1)微風(fēng)化至弱風(fēng)化程度的花崗巖巖塊中，K2O的含量較高，最高可達(dá)5.58%，平均為4.07%；而在強(qiáng)風(fēng)化至全風(fēng)化花崗巖風(fēng)化殼砂土中K2O含量減少明顯，最高為3.77%，平均為2.59%；在河床沉積物中K2O含量進(jìn)一步降低，最高為3.45%，平均為2.34%。在這3種巖土樣品中，CaO含量隨風(fēng)化程度的加深而依次升高，平均含量分別為1.66%、4.13%和5.30%。Na2O含量在3種風(fēng)化程度由低到高的樣品中依次降低，其平均含量分別為3.67%、2.59%和2.38%。MgO含量在巖石樣品中含量較低(平均為0.46%)，在巖石風(fēng)化產(chǎn)物中含量較高(1.50%～1.57%)。另外，花崗巖經(jīng)歷了風(fēng)化過(guò)程中的脫硅作用，SiO2含量亦有所降低，但是Al2O3含量在新鮮巖石中含量稍高，在風(fēng)化的碎屑顆粒中含量基本一致，這可能與地表水的淋溶搬運(yùn)有關(guān)。其他氧化物如Fe2O3、TiO2等在花崗巖風(fēng)化水解過(guò)程中含量依次增加，呈逐漸富集規(guī)律。

圖 2 格爾木河流域部分花崗巖樣品的巖石薄片顯微照片(正交偏光)

(2) 在新鮮巖石、地表風(fēng)化碎屑和河床沉積物樣品中，微量元素B的含量依次增大，分別為9.10×10-6、42.94×10-6、47.76×10-6，表明B元素在細(xì)顆粒碎屑物質(zhì)中的吸附性強(qiáng)；Li元素在3種樣品中的含量比較接近，分別為27.83×10-6、30.03×10-6、26.82×10-6，說(shuō)明Li在3種巖相中分離不明顯。

(3) 在不同小流域的空間分布上，新鮮花崗巖巖石樣品中K2O含量在格爾木河小干溝河段最高，平均為4.38%，西大灘次之，為4.00%，昆侖河最低，為3.76%；B元素亦為小干溝河段最高，達(dá)到平均值10.74×10-6，在昆侖河和西大灘河段很接近，為8.00×10-6左右。而Li元素卻表現(xiàn)出截然相反的情況，在昆侖河河段最高，平均值為33.91×10-6，西大灘河段次之，為26.53×10-6，小干溝河段最低為18.81×10-6，這表明昆侖河上游火山巖中含有更高的Li元素。地表碎屑和河流樣品中，K2O含量的變化與巖石樣品一致，小干溝河段內(nèi)最高，西大灘次之，野牛溝最低。B、Li元素在地表風(fēng)化產(chǎn)物中，昆侖河流域是比較高的，分別達(dá)64.96×10-6和50.77×10-6；在河流沉積物中，則在格爾木河流域最高，可能與不同支流的B、Li元素匯合富集有關(guān)。

3.3 光釋光測(cè)年結(jié)果

在格爾木河小干溝河段坡積-沖洪積剖面(XGG2)上自上而下獲得4個(gè)OSL年代樣品，測(cè)得其光釋光年齡分別為17.7±1.0 ka、46.8±2.5 ka、92.4±7.7 ka和95.9±10.5 ka(表2)。在筆者以前的工作中，通過(guò)對(duì)比格爾木河流域現(xiàn)代河床沉積物樣品和末次冰消期水成/風(fēng)成樣品，證明在該流域用光釋光法來(lái)定年水成樣品是可靠的(Anetal., 2018a)。從上面的定年數(shù)據(jù)可以看出，這一厚度為34 m的剖面從96 Ka前開(kāi)始堆積，也就是從末次間冰期開(kāi)始，到約18 Ka前的末次冰期結(jié)束，其堆積的沉積速率大約為0.041 mm/a。

表 1 格爾木河流域不同河段采集樣品的常微量元素和化學(xué)風(fēng)化指數(shù)

續(xù)表 1 Continued Table 1

表 2 小干溝坡積-沖洪積剖面環(huán)境信息和光釋光年代結(jié)果

4 討論

4.1 格爾木河流域花崗巖的鉀含量空間分布

在西大灘和昆侖河河段，花崗巖主要出露在布爾汗布達(dá)山南北支脈兩側(cè)，主要為華力西中期的灰-灰白色中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖。在格爾木河河段，花崗巖主要分布在格爾木河中游的小干溝區(qū)域東西兩側(cè)，主要為燕山期晚期高鉀花崗巖，巖性為肉紅色花崗閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖，呈不規(guī)則狀、橢圓狀巖株分布。元素含量分析結(jié)果表明， 西大灘—昆侖河一帶的白色二長(zhǎng)花崗巖中K2O含量屬于中高水平，介于4.00%～4.50%之間；而在小干溝區(qū)段昆侖山出口處南坡呈巖株?duì)罘植嫉难嗌酵砥谌饧t色斑狀花崗巖的K2O含量最高，平均為5.00%左右，最高可達(dá)5.58%，高鉀含量特征與巖石薄片鑒定的結(jié)果一致，說(shuō)明這種北西西走向的肉紅色富鉀花崗巖體是格爾木河流域最主要的高鉀基巖分布區(qū)。該巖體中肉紅色富鉀花崗巖以巖脈的形式產(chǎn)出，走向?yàn)?00°～320°，圍巖為灰白色中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖。前人的研究表明，該期花崗巖是高分異花崗巖，巖體整體富鉀，屬于高鉀鈣堿性花崗巖類，同時(shí)具弱過(guò)鋁質(zhì)特點(diǎn)，源于下地殼物質(zhì)的熔融作用(祁生勝， 2015)。

唐啟亮等(2016)研究了昆侖河、小南溝河、雪水河支流和格爾木河干流河水中K+含量的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)位于西大灘的小南溝河水中平均K+含量為3.40 mg/L，昆侖河河水中平均K+含量為3.14 mg/L，而到了格爾木河干流的小干溝河段，該值大幅升高到4.54 mg/L，說(shuō)明該區(qū)段出露的肉紅色富鉀花崗巖的風(fēng)化淋濾對(duì)于河水中K+含量的貢獻(xiàn)是比較顯著的。隨著格爾木河向更下游流動(dòng)，河水中的K+含量逐步增加，如在昆侖山口二級(jí)沖積扇上，其K+含量達(dá)到5.00 mg/L以上，說(shuō)明該河段富鉀花崗巖風(fēng)化碎屑物質(zhì)堆積在沖積扇上繼續(xù)為河水提供豐富的鉀離子，因?yàn)轱L(fēng)化后的碎屑物質(zhì)顆粒更細(xì)，具有更大的比表面積，能跟地表徑流以及地下水充分接觸淋溶。格爾木河流域內(nèi)富鉀花崗巖的分布和流經(jīng)區(qū)段的河水中K+含量變化趨勢(shì)一致，表明昆侖山中富鉀花崗巖的風(fēng)化能夠?yàn)楦駹柲竞幽酥敛鞝柡果}湖提供充足的成鹽和成礦元素。

在格爾木河流域毗鄰的開(kāi)木其河-烏圖美仁河上游山區(qū)，分布著以斑狀二長(zhǎng)花崗巖、花崗斑巖為主的肉紅色高鉀花崗巖，張翔(2017)研究認(rèn)為其形成于晚三疊世。同樣在該區(qū)域采集了高鉀花崗巖樣品，其新鮮巖塊的K2O含量4.33%～5.21%之間，為一富鉀正長(zhǎng)花崗巖巖體出露區(qū)。于升松(2010)等研究發(fā)現(xiàn)烏圖美仁河中鉀離子含量比其他河流高，可能與此有關(guān)。烏圖美仁河是察爾汗鹽湖區(qū)西部鹽湖澀聶湖的主要補(bǔ)給水源，前人研究認(rèn)為察爾汗湖區(qū)鉀鹽含量呈西部的澀聶湖、別勒灘地區(qū)最高，中部的達(dá)布遜地區(qū)次之，東部霍布遜地區(qū)最低的特點(diǎn)，很可能與西部受高K+含量的烏圖美仁河補(bǔ)給、中部受中等K+含量的格爾木河補(bǔ)給有關(guān)。東部湖泊的補(bǔ)給河流K+含量普遍較低，如諾木洪河，其含量?jī)H為2.70 mg/L(于升松等， 2010)。

4.2 格爾木河流域花崗巖元素風(fēng)化遷移特征

柴達(dá)木盆地南緣昆侖山富鉀花崗巖的風(fēng)化和元素遷移是察爾汗鹽湖鹽類礦物的一個(gè)重要來(lái)源，風(fēng)化淋溶釋放的元素通過(guò)地表徑流的搬運(yùn)，富集到下游鹽湖中形成了鉀鹽礦床(朱允鑄等，1990； 李文鵬等， 1993)，因此研究格爾木河流域內(nèi)富鉀花崗巖的風(fēng)化過(guò)程、元素遷移具有重要的意義。雖然研究花崗巖風(fēng)化遷移的指標(biāo)眾多(尚彥軍等， 2001； Tameretal., 2002)，但劉成禹等(2011)研究發(fā)現(xiàn)，燒失量LOI和化學(xué)風(fēng)化勢(shì)指數(shù)WPI隨花崗巖風(fēng)化程度、時(shí)間和深度的變化都顯示出明顯的單調(diào)性和敏感性，可用作評(píng)價(jià)巖石風(fēng)化程度和確定風(fēng)化深度的依據(jù)。同時(shí)，這兩種風(fēng)化指標(biāo)能較好地在區(qū)域上反映花崗巖等火成巖的風(fēng)化程度。LOI是指巖石樣品加熱105℃時(shí)失去水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；而WPI是指花崗巖中易淋失氧化物和主要風(fēng)化產(chǎn)物總和的質(zhì)量之比，具體來(lái)說(shuō)，WPI=100(K2O+Na2O+CaO-H2O+)/(SiO2+Fe2O3+Al2O3+TiO2+MgO+K2O+Na2O+CaO)。一般來(lái)說(shuō)，花崗巖在風(fēng)化過(guò)程中由于水解和水化作用的增強(qiáng)，LOI值會(huì)逐漸變大；同時(shí)，在風(fēng)化過(guò)程中由于Fe2O3、Al2O3等風(fēng)化產(chǎn)物的增加，風(fēng)化程度越高，其WPI值會(huì)越小(尚彥軍等， 2001； 劉成禹等， 2011)。

通過(guò)分析格爾木河流域不同河段不同風(fēng)化程度樣品的LOI和WPI化學(xué)風(fēng)化指數(shù)，可以探索隨著高鉀花崗巖風(fēng)化的逐步進(jìn)行，其化學(xué)風(fēng)化指數(shù)變化的規(guī)律，同時(shí)結(jié)合K、B、Li元素在不同風(fēng)化程度的樣品中的遷移過(guò)程，研究它們的變化趨勢(shì)和遷移規(guī)律。通過(guò)分析不同支流流域內(nèi)風(fēng)化程度不同的樣品數(shù)據(jù)(圖3)發(fā)現(xiàn)：

(1) 隨著花崗巖風(fēng)化程度的加深，WPI由于K+、Na+、Ca2+的淋失和F3+、Al3+的富集而逐漸降低，而LOI隨著巖石水解和水化逐步升高，說(shuō)明WPI能較好地反映格爾木流域內(nèi)的花崗巖的風(fēng)化程度；不同時(shí)代的不同類型花崗巖風(fēng)化過(guò)程無(wú)特定規(guī)律；

圖 3 格爾木河流域不同河段不同風(fēng)化程度的樣品中WPI、LOI變化規(guī)律

(2) 結(jié)合表1可以發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)化程度的加深，K2O逐步淋失(除個(gè)別樣品外)，K2O含量從新鮮樣品中的4.00%～5.00%降低到河流相中的1.70%～2.00%， 說(shuō)明這些富鉀花崗巖的風(fēng)化過(guò)程中鉀元素的淋溶、遷移能夠貢獻(xiàn)非?？捎^的鉀通量。

(3) 不同風(fēng)化程度的樣品中，B、Li元素的分布規(guī)律不是特別明顯，但是總體上，顆粒越細(xì)，兩種元素的含量越高，但在河流相中，由于大量元素已經(jīng)隨河水溶解遷移，含量降低，說(shuō)明河流是格爾木流域基巖風(fēng)化元素遷移的主要載體。譚紅兵(2000)研究發(fā)現(xiàn)，格爾木河流域中的B、Li元素在各組分中表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性。唐啟亮等(2016)等研究表明，格爾木河流從上游到下游，水體中的K、B、Li元素含量逐漸增大，反映出該流域?qū)儆谝粤転V蒸發(fā)濃縮為主的地球化學(xué)成因類型，并由此劃分出淋濾-徑流(山區(qū))和蒸發(fā)-蒸發(fā)濃縮(鹽湖區(qū))的元素富集遷移水文地球化學(xué)分帶。

綜上所述，格爾木河流域花崗巖的風(fēng)化，尤其是位于小干溝河段的肉紅色斑狀富鉀花崗巖的風(fēng)化以及以地表徑流和地下水為通道進(jìn)行的搬運(yùn)過(guò)程，可能為察爾汗鹽湖中K、B、Li等元素的富集提供了非常重要的物質(zhì)來(lái)源。

4.3 格爾木河流域花崗巖風(fēng)化和元素遷移時(shí)間變化

本次研究表明流域內(nèi)小干溝河段是富鉀花崗巖集中分布區(qū)域。在該河段內(nèi)，分布著流域內(nèi)面積最大的肉紅色富鉀花崗巖巖體(圖1b)，巖體的山前地帶存在著一個(gè)主要由富鉀花崗巖風(fēng)化而成的松散礫石和粗砂組成的坡積-沖洪積沉積剖面，剖面整體呈微紅色，明顯與肉紅色富鉀花崗巖巖體有物源聯(lián)系，因此，該剖面是研究小干溝地區(qū)富鉀花崗巖在地質(zhì)歷史時(shí)期不同氣候背景下成鹽元素含量和風(fēng)化強(qiáng)度變化的良好載體。OSL測(cè)年結(jié)果(表2)表明，該剖面的沉積時(shí)間段為95.9～17.7 ka，經(jīng)歷了從間冰期到冰期不同的氣候類型，導(dǎo)致其所含元素和化學(xué)風(fēng)化指數(shù)亦波動(dòng)比較大。圖4a～4g為小干溝剖面成鹽元素含量、風(fēng)化指數(shù)和區(qū)域氣候指標(biāo)對(duì)比圖，從圖中可以看出，在末次間冰期晚期(100～75 ka)，阿拉伯海的印度季風(fēng)指標(biāo)以及察爾汗鹽湖鉆孔的碳酸鹽和總鐵含量均表明該階段氣候異常濕潤(rùn)(圖4a～4c)(Boltanetal., 2013； 安福元等， 2013)，并且前人的研究表明，該階段溫度亦較高(Thompsonetal., 1997)。在這種氣候背景下，小干溝剖面WPI出現(xiàn)了歷史最低值，表明流域內(nèi)化學(xué)風(fēng)化程度達(dá)到最大，因此，該剖面沉積物中的B、Li元素吸附在黏土、懸浮物中隨降雨/徑流流失，出現(xiàn)最低值；而K元素則相反出現(xiàn)了最高值，這與K元素的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。由于含鉀礦物穩(wěn)定性相對(duì)較高，在風(fēng)化過(guò)程中容易滯留在風(fēng)化產(chǎn)物中(陳駿等， 2001)。在最濕潤(rùn)的間冰期階段，大量的富鉀花崗巖山體水解風(fēng)化，其中的鉀長(zhǎng)石水解釋放大量K2O，在風(fēng)化碎屑物中富集起來(lái)，具有非常高的鉀含量。在該剖面上大約94 ka時(shí)，K元素含量出現(xiàn)最高值，而B(niǎo)、Li元素和風(fēng)化指標(biāo)WPI出現(xiàn)最低值，這與印度季風(fēng)的最高值相對(duì)應(yīng)，因此可以認(rèn)為氣候濕潤(rùn)階段是該流域內(nèi)的富鉀花崗巖風(fēng)化程度最高、K元素釋放最多的時(shí)期。末次冰期中期(55～36 ka)是末次冰期里氣候相對(duì)溫和的時(shí)期(Anetal., 2012)，圖4a～4c顯示的氣候指標(biāo)也表明該時(shí)期的氣候特點(diǎn)是氣候相對(duì)較干，但干濕波動(dòng)變化大，氣候變化劇烈。這種氣候條件下，WPI值顯示的該區(qū)域的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度降低，碎屑沉積中K元素含量亦由于風(fēng)化的相對(duì)減少而有所降低。B、Li元素含量由于缺少淋失，含量升高；在末次冰消期階段(18 ka以后)，氣候雖然逐漸變暖向好，但總體偏干。該時(shí)期由于山地冰川并未完全消退(Owenetal., 2006； 賈小龍等， 2016)，氣溫變化劇烈，物理風(fēng)化亦較強(qiáng)，因此，風(fēng)化指數(shù)和K、B、Li遷移釋放過(guò)程表現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜： WPI值顯示該時(shí)期化學(xué)風(fēng)化有所增強(qiáng)；B 元素含量增加，而K和Li的釋放和遷移比較低，可能與復(fù)雜多變的氣候環(huán)境有關(guān)。

圖 4 格爾木河流域小干溝剖面K、B、Li含量、WPI值隨年代變化規(guī)律及其區(qū)域氣候指標(biāo)對(duì)比圖

總體來(lái)說(shuō)，小干溝河段內(nèi)，在作為富鉀花崗巖巖體風(fēng)化產(chǎn)物的坡積-沖洪積沉積剖面中，K、B、Li元素含量的變化跟區(qū)域的氣候變化、化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度有較好相關(guān)性，當(dāng)然其中的物理風(fēng)化過(guò)程如冰川發(fā)育、日照時(shí)間、冷熱交替等也有一定的貢獻(xiàn)。在該區(qū)域內(nèi)，冰期—間冰期的氣候旋回導(dǎo)致的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度變化是富鉀花崗巖風(fēng)化、元素釋放遷移并最終在察爾汗鹽湖匯聚的主導(dǎo)因素之一。

5 結(jié)論

(1) 昆侖河、西大灘區(qū)域的二長(zhǎng)花崗巖屬于中等含鉀水平的花崗巖，其K2O含量介于4.00%～4.50%之間；而小干溝河段分布的肉紅色斑狀二長(zhǎng)花崗巖K2O含量在5.00%以上，屬于富鉀花崗巖，為格爾木河流域最主要的高鉀花崗巖分布區(qū)。

(2) 在風(fēng)化程度由低到高的樣品中，K2O元素含量逐步降低，與花崗巖的風(fēng)化淋失密切相關(guān)；相反，風(fēng)化程度越高，樣品中B、Li元素含量越高，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸附性；在空間分布上，K和B元素含量在小干溝河流域最高，Li元素在昆侖河流域最高，表現(xiàn)出明顯的區(qū)域分異性。

(3) 流域內(nèi)不同風(fēng)化程度樣品的地球化學(xué)元素?cái)?shù)據(jù)與化學(xué)風(fēng)化指數(shù)WPI、LOI較好地耦合，具有較高相關(guān)性，說(shuō)明WPI和LOI風(fēng)化指標(biāo)在區(qū)域上能很好地反映花崗巖的風(fēng)化程度，在青藏高原東北部高寒地區(qū)它們可作為花崗巖風(fēng)化程度的有效指標(biāo)。

(4) 小干溝坡積-沖洪積沉積剖面形成于95.9±10.5 ～17.7±1.0 ka。該剖面中K、B和Li元素含量變化和WPI指數(shù)說(shuō)明成鹽元素的風(fēng)化遷移與流域內(nèi)冰期—間冰期旋回尺度上的氣候變化過(guò)程以及化學(xué)風(fēng)化程度密切相關(guān)。

(5) 格爾木河流域內(nèi)富鉀花崗巖中成鹽元素的風(fēng)化、淋溶和隨著徑流的遷移為察爾汗鹽湖鹽類礦物富集提供了重要的物源。

致謝感謝蘆寶良助理研究員和周輔忠?guī)煾翟谝巴夤ぷ髦薪o予的幫助，感謝張啟興高工在論文撰寫過(guò)程給予的幫助。