基于微量元素巖性地球化學(xué)基因的構(gòu)建與檢驗(yàn)

黎 介，劉寧強(qiáng)，龔慶杰，吳 軒，嚴(yán)桃桃

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 發(fā)展研究中心，北京 100037；3.自然資源部地球化學(xué)探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000)

0 引 言

基因這一生物學(xué)術(shù)語(yǔ)最早由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所謝學(xué)錦院士引入到地球化學(xué)領(lǐng)域[1-2]，他認(rèn)為化學(xué)元素是地球的基因，而地球化學(xué)圖可以被看作是基因圖譜。這一術(shù)語(yǔ)也被2016年5月12日成立的聯(lián)合國(guó)教科文組織全球尺度地球化學(xué)國(guó)際研究中心所采用[3-4]。關(guān)于基因術(shù)語(yǔ)的這一認(rèn)識(shí)可以稱為地球化學(xué)基因的萌芽階段。2015年有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心張遠(yuǎn)飛等[5]提出了地球化學(xué)元素序結(jié)構(gòu)的概念，進(jìn)而于2016年將其明確為地球化學(xué)元素基因譜曲線[6]，即對(duì)區(qū)域化探掃面計(jì)劃所分析的39項(xiàng)元素的含量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、模式識(shí)別分類與排序而得到的蛛網(wǎng)圖。這一認(rèn)識(shí)借鑒了元素排序蛛網(wǎng)圖的思路，但尚未提出基因編碼及其屬性的相關(guān)概念，因此可將這一認(rèn)識(shí)稱為地球化學(xué)基因的孕育階段。圍繞土壤物證樣品溯源的研究目的，嚴(yán)桃桃等[7]提出了地球化學(xué)基因的概念，并給出了地球化學(xué)基因的構(gòu)建步驟、編碼技術(shù)、相似度計(jì)算等方法技術(shù)，進(jìn)而構(gòu)建了巖性地球化學(xué)基因(隨后被命名為L(zhǎng)G02)，基于巖石風(fēng)化剖面提出了遺傳性與繼承性的檢驗(yàn)、相似基因的判別標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而將其應(yīng)用于地質(zhì)樣品溯源研究。隨后，李睿堃等[3]提出了金礦化地球化學(xué)基因(MGAu)，龔慶杰等提出了鎢礦化地球化學(xué)基因(MGW)[8]和稀土元素基因(REEG01和REEG02)以及一種新的巖性地球化學(xué)基因(LG01)[9]。這些成果標(biāo)志著地球化學(xué)基因的概念及其技術(shù)方法已經(jīng)初步形成，因此可將這些認(rèn)識(shí)稱為地球化學(xué)基因的初創(chuàng)階段。因此，地球化學(xué)基因是近幾年提出的一種新的地球化學(xué)示蹤技術(shù)，其實(shí)質(zhì)類似微量元素蛛網(wǎng)圖和稀土元素配分曲線的定量表征，其研究主要集中在不同種類基因的構(gòu)建、完善及其檢驗(yàn)等方面，其潛在應(yīng)用價(jià)值尚未得到充分體現(xiàn)。

針對(duì)LG02巖性地球化學(xué)基因，目前在豫西熊耳山地區(qū)[7,10]、云南富寧尾洞地區(qū)[11]、北京房山周口店地區(qū)[11]、安徽池州花園鞏地區(qū)[12]、廣東清遠(yuǎn)連陽(yáng)巖體出露區(qū)[13]、河北淶源王安鎮(zhèn)地區(qū)[14]進(jìn)行了基因穩(wěn)定性檢驗(yàn)與應(yīng)用研究。針對(duì)LG02巖性地球化學(xué)基因和金礦化地球化學(xué)基因(MGAu)，目前在云南勐海臨滄巖體出露區(qū)[15]和北京懷柔云蒙山地區(qū)[4]進(jìn)行了基因穩(wěn)定性檢驗(yàn)和聯(lián)合應(yīng)用研究。針對(duì)LG02巖性地球化學(xué)基因、金礦化地球化學(xué)基因(MGAu)和鎢礦化地球化學(xué)基因(MGW)，龔慶杰等[8]在江西贛州鐵山垅地區(qū)結(jié)合風(fēng)化剖面及區(qū)域化探水系沉積物進(jìn)行了基因的穩(wěn)定性檢驗(yàn)和初步應(yīng)用研究。上述結(jié)果表明，在大部分地區(qū)巖性地球化學(xué)基因LG02和礦化基因MGAu、MGW均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性(具有良好的遺傳性和繼承性)，但由于受母巖成分不均一、不同源樣品混合、風(fēng)化程度差異等因素的影響，部分地區(qū)的樣品表現(xiàn)出明顯的基因變異性特征。

為了獲得不受風(fēng)化程度差異影響的更穩(wěn)定的巖性地球化學(xué)基因，龔慶杰等[9]提出了一種新的巖性地球化學(xué)基因LG01，即在巖性基因LG02基礎(chǔ)上采用Mn和Pb替換了原來(lái)的La和Y并重新排序，使理想酸性巖(以中國(guó)酸性巖豐度數(shù)據(jù)組成的虛擬樣品)的基因編碼為10202020202，理想基性巖的基因編碼為12020202020，即中國(guó)酸性巖與基性巖的基因譜線呈近似鏡像對(duì)稱，二者的基因相似度為0?；谶@一特征，利用LG01的酸性相似度(相對(duì)于10202020202基因的相似度)可對(duì)樣品進(jìn)行成分分類和物源示蹤。經(jīng)廣東連陽(yáng)花崗巖體和佛岡花崗巖體、海南?？谛鋷r、北京房山花崗閃長(zhǎng)巖體上的 4 條風(fēng)化剖面樣品檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)LG01 巖性基因不僅可以較好地進(jìn)行成分分類和物源示蹤，而且相對(duì)于 LG02 巖性基因具有更好的穩(wěn)定性，即LG01巖性基因基本消除因風(fēng)化程度差異而引起的變異性。在風(fēng)化、搬運(yùn)與沉積過(guò)程中，地質(zhì)樣品的主量成分可能會(huì)受到風(fēng)成沙(如石英、長(zhǎng)石等)、生物體(如硅質(zhì)、鈣質(zhì)殼體及其軟組織等)等介質(zhì)的加入而發(fā)生明顯改變，由于LG01基因中涉及SiO2和P(或P2O5)的含量數(shù)據(jù)，這可能導(dǎo)致LG01基因發(fā)生改變，從而影響LG01基因?qū)︼L(fēng)化產(chǎn)物或沉積物的物源示蹤效果。在這些具有較單一成分物質(zhì)的加入(或?qū)υw系稀釋)的過(guò)程中，相對(duì)不活動(dòng)的微量元素之間的相互關(guān)系應(yīng)保持不變，從而基于相對(duì)不活動(dòng)微量元素構(gòu)建的巖性地球化學(xué)基因在風(fēng)化、搬運(yùn)與沉積過(guò)程中可能保持較好的穩(wěn)定性。為避免風(fēng)成沙、生物體等介質(zhì)的加入而影響風(fēng)化產(chǎn)物或沉積物樣品的物源示蹤效果，本文擬構(gòu)建一種基于微量元素的巖性地球化學(xué)基因。

本文首先基于地球化學(xué)基因的構(gòu)建方法提出一種微量元素巖性地球化學(xué)基因并將其編號(hào)為L(zhǎng)G03，然后選擇前人報(bào)道[7,9-11]的10個(gè)風(fēng)化剖面(或風(fēng)化柱樣)來(lái)檢驗(yàn)LG03和LG01巖性基因的穩(wěn)定性(遺傳性和繼承性)，最后討論在成分分類和物源示蹤方面兩種巖性基因的可行性及其潛在應(yīng)用領(lǐng)域。

1 樣品數(shù)據(jù)

1.1 元素豐度數(shù)據(jù)

基于中國(guó)酸性巖、中性巖、基性巖、土壤、水系沉積物5種介質(zhì)的元素豐度數(shù)據(jù)[16]以及上陸殼(Upper Continental Crust，UCC)元素豐度數(shù)據(jù)[17]，嚴(yán)桃桃等[7]提出了LG02巖性地球化學(xué)基因，李睿堃等[3,18]提出了金礦化地球化學(xué)基因，龔慶杰等提出了鎢礦化地球化學(xué)基因[8]和LG01巖性地球化學(xué)基因及REEG01與REEG02稀土元素基因[9]。本文也選擇這些豐度數(shù)據(jù)作為典型樣品(以元素豐度值所表征的虛擬樣品)來(lái)構(gòu)建基于微量元素的巖性地球化學(xué)基因。

1.2 風(fēng)化剖面數(shù)據(jù)

為檢驗(yàn)新構(gòu)建的巖性地球化學(xué)基因的穩(wěn)定性(遺傳性與繼承性)，本文選擇前人報(bào)道的10個(gè)風(fēng)化剖面(或風(fēng)化柱樣)樣品作為檢驗(yàn)實(shí)例。這10個(gè)風(fēng)化剖面包含4個(gè)花崗巖風(fēng)化剖面、4個(gè)玄武巖風(fēng)化剖面和2個(gè)花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面，其中2個(gè)花崗巖風(fēng)化剖面、1個(gè)玄武巖風(fēng)化剖面和1個(gè)花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面的LG01巖性基因已在文獻(xiàn)[9]中討論，但此處再次將這4個(gè)風(fēng)化剖面樣品的LG01基因相似度給出以便與新構(gòu)建的LG03基因進(jìn)行對(duì)比。本文選擇的10個(gè)風(fēng)化剖面的基本信息簡(jiǎn)述如下。

廣東連陽(yáng)花崗巖風(fēng)化剖面(LY18D06)和佛岡花崗巖風(fēng)化柱樣(TT)均位于廣東省清遠(yuǎn)市，地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。連陽(yáng)花崗巖風(fēng)化剖面LY18D06(E112°04′26.8″，N24°09′40.0″)高度約25 m，從風(fēng)化剖面頂部0 m至底部25 m基巖處按照樣品風(fēng)化程度差異依次采集29件樣品[19]。佛岡花崗巖風(fēng)化柱樣TT(E113°30′14.4″，N23°42′28.8″)深度約40 m，從柱樣上部2 m處至底部基巖按照不同間隔依次采集35件樣品，即鉆井柱樣2 m以上未取樣品[20]。這些樣品的詳細(xì)信息可參考文獻(xiàn)[9,19-20]。

膠東玲瓏花崗巖風(fēng)化剖面(201)、昆崳山花崗巖風(fēng)化剖面(JD05)、蓬萊玄武巖風(fēng)化剖面(PL09)、招虎山花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面(JD10)均位于膠東半島，地處暖溫帶半濕潤(rùn)海洋季風(fēng)氣候區(qū)。玲瓏花崗巖風(fēng)化剖面Z01(E120°09′10.7″，N37°24′20.5″)高度約7 m，從風(fēng)化剖面頂部0.25 m處至底部7 m處按照不同間隔依次采集11件樣品[21]。昆崳山花崗巖風(fēng)化剖面JD05(E121°43′09.0″，N36°55′15.5″)高度約15 m，從風(fēng)化剖面頂部1 m處至底部15 m處按照不同間隔依次采集13件樣品[22]。蓬萊玄武巖風(fēng)化剖面PL09(E120°40′40.6″，N37°45′04.2″)高度約5.4 m，從風(fēng)化剖面頂部0.2 m 處至底部5.4 m處按照不同間隔依次采集9件樣品[22]。招虎山花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面JD10(E121°12′38.6″，N36°52′30.0″)高度約14 m，從風(fēng)化剖面頂部0.3 m處至底部13.5 m處按照不同間隔依次采集15件樣品[22]。這些樣品的詳細(xì)信息可參考文獻(xiàn)[21-22]。

海南?？谛鋷r風(fēng)化剖面(HK06)、南陽(yáng)玄武巖風(fēng)化剖面(NY)、蓬萊玄武巖風(fēng)化剖面(PL)均位于海南省文昌市，地處熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。?？谛鋷r風(fēng)化剖面HK06(E110°38′42.6″，N19°34′44.4″，文獻(xiàn)[23]給出準(zhǔn)確坐標(biāo))高度約7 m，從風(fēng)化剖面頂部0.5 m處至底部4.5 m處按照不同間隔依次采集19件剖面樣品和附近2件基巖樣品[24]，本文將剖面底部2件基巖樣品的深度分別記為6 m和7 m。南陽(yáng)玄武巖風(fēng)化剖面NY(E110°38′35″，N19°34′37″)高度約9.6 m，從風(fēng)化頂部0.2 m處至底部9.6 m按照不同間隔依次采集32件剖面樣品和附近1件基巖樣品[25]，此處將剖面底部新鮮基巖樣品深度記為12 m。蓬萊玄武巖風(fēng)化剖面PL(E110°31′58″，N19°30′08″)高度約3.4m，從風(fēng)化頂部0.1 m處至底部3.4 m按照不同間隔依次采集17件剖面樣品和附近1件基巖樣品[25]，此處將剖面底部基巖樣品深度記為6.5 m。這些樣品的詳細(xì)信息可參考文獻(xiàn)[23-25]。

北京房山花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面(ZKD2)位于北京市房山區(qū)，地處暖溫帶半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)氣候區(qū)。房山花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面ZKD2(E115°56′45″，N39°42′28″)高度約7 m，從風(fēng)化剖面頂部0.3 m處至底部7 m處按照不同間隔依次采集20件樣品，剖面樣品的詳細(xì)信息可參考文獻(xiàn)[9,26]。

2 基因的構(gòu)建

2.1 構(gòu)建步驟

依據(jù)嚴(yán)桃桃等[7]、李睿堃等[3]和龔慶杰等[9]關(guān)于地球化學(xué)基因的構(gòu)建方法，可以劃分為5個(gè)步驟：元素的選擇、參考值的確定、基因譜線與編碼、相似度的計(jì)算和元素排序的調(diào)整。此處按照這5個(gè)步驟來(lái)構(gòu)建基于微量元素的巖性地球化學(xué)基因。

第1步，元素的選擇：基于LG01巖性地球化學(xué)基因中的11種元素，首先排除主量成分如SiO2、Al2O3、TFe2O3、Ti(或TiO2)、P(或P2O5)、Mn(或MnO)計(jì)6種，則剩余Zr、Th、U、Pb、Nb這5種元素。為了使構(gòu)建的巖性基因鏈長(zhǎng)度仍為11且含有6種在酸性巖中相對(duì)富集和5種在基性巖中相對(duì)富集的元素，此處選擇對(duì)區(qū)分酸性巖和基性巖比較敏感且在風(fēng)化過(guò)程中相對(duì)不活動(dòng)的元素La，即將Zr、Th、U、Pb、Nb、La這6種元素視為在風(fēng)化過(guò)程中相對(duì)不活動(dòng)且在酸性巖中相對(duì)富集的元素(暫不考慮中性巖的劃分)。盡管V、Cr、Co、Ni這4種元素在風(fēng)化過(guò)程中可能發(fā)生活動(dòng)，但它們?cè)诨詭r風(fēng)化產(chǎn)物中的含量明顯高于其在酸性巖風(fēng)化產(chǎn)物中的含量[26]，因此在區(qū)分巖性方面也可視為相對(duì)不活動(dòng)元素。為了選擇既可有效區(qū)分酸性巖與基性巖，又在風(fēng)化過(guò)程中相對(duì)不活動(dòng)且不受常見(jiàn)礦化與蝕變影響的元素，此處又選擇上文曾排除的主量成分Ti(或TiO2)，即將V、Cr、Co、Ni、Ti這5種元素視為在風(fēng)化過(guò)程中相對(duì)不活動(dòng)且在基性巖中相對(duì)富集的元素。

第2步，參考值的確定：在選擇的11種元素中，其中Zr、Th、U、Pb、Nb、Ti這6種元素的標(biāo)準(zhǔn)化參考值仍采用龔慶杰等[9]給出的參考值。這里需要確定V、Cr、Co、Ni、La這5種元素的標(biāo)準(zhǔn)化參考值?；谶t清華和鄢明才[16]所匯編的酸性巖和基性巖元素豐度數(shù)據(jù)，依據(jù)可以較好區(qū)分酸性巖與基性巖的原則來(lái)確定元素的標(biāo)準(zhǔn)化參考值，其結(jié)果如表1所示。

表1 巖性地球化學(xué)基因的元素序列及其標(biāo)準(zhǔn)化參考值Table 1 Elemental sequence and its standardized reference values of the geochemical lithogenes

第3步，基因譜線與編碼：在進(jìn)行基因譜線繪制前首先對(duì)元素進(jìn)行初步排序。針對(duì)6種在酸性巖中相對(duì)富集的元素依據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)在酸性巖中從小到大的順序排列，則結(jié)果為Nb、Zr、La、Pb、U、Th。針對(duì)5種在基性巖中相對(duì)富集的元素依據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)在酸性巖中從大到小的順序排列，則結(jié)果為Ti、V、Ni、Co、Cr。將5種在基性巖中富集的元素依次插入到上述在酸性巖中富集的6種元素排序的間隔中，則形成初始元素序列：Nb、Ti、Zr、V、La、Ni、Pb、Co、U、Cr、Th。然后繪制初始序列的基因譜線(類似微量元素蛛網(wǎng)圖)，進(jìn)而采用嚴(yán)桃桃等[7]所提出的三值法(編碼取 0、1、2 三種值)依據(jù)基因譜線降、平、升的變化趨勢(shì)進(jìn)行編碼，形成初步的基因編碼[9]。

第4步，相似度計(jì)算：采用距離法計(jì)算兩個(gè)基因之間的相似度。即設(shè)鏈長(zhǎng)為11的兩個(gè)基因的總距離為20(第1位編碼不參與計(jì)算)，將兩個(gè)基因同一位置上的編碼進(jìn)行差值距離計(jì)算并依次累加獲得累加值，然后用20減去這一累加值后再除以20即可獲得兩個(gè)基因的相似度(以百分?jǐn)?shù)形式表示)。

第5步，元素排序的調(diào)整：為有效區(qū)分酸性巖和基性巖使其基因相似度差異最大，可對(duì)第3步中的初始元素序列進(jìn)行反復(fù)調(diào)整。本文首先將Ni與Cr的位置進(jìn)行互換，再將V與Cr的位置進(jìn)行互換后形成最終序列，Nb→Ti→Zr→Cr→La→V→Pb→Co→U→Ni→Th。此處將新構(gòu)建的這一基于微量元素的巖性地球化學(xué)基因編號(hào)為L(zhǎng)G03，其元素序列及標(biāo)準(zhǔn)化參考值如表1所示。

2.2 基因編碼及相似度

依據(jù)微量元素巖性地球化學(xué)基因LG03的構(gòu)建方法，中國(guó)5種介質(zhì)(由元素豐度數(shù)據(jù)[16]構(gòu)建的虛擬樣品)及上陸殼(UCC，由元素豐度數(shù)據(jù)[17]構(gòu)建的虛擬樣品)的LG03基因譜線圖如圖1所示，其LG03基因編碼及相互之間的基因相似度如表2所示。

圖1 中國(guó)5種介質(zhì)及上陸殼的基因譜線Fig.1 Spectral lines of geochemical lithogene LG03 of 5 geological materials in China and upper continental crust

表2 中國(guó)5種介質(zhì)及上陸殼的LG03基因編碼及其相互間的基因相似度(%)Table 2 LG03 gene codes of 5 geological materials in China and UCC with their mutual similarities (%)

由表2和圖1(a)可知，中國(guó)酸性巖的LG03基因?yàn)?0202020202，而中國(guó)基性巖的LG03基因?yàn)?2020202020，二者基因譜線呈近似鏡像對(duì)稱，二者基因相似度為0，可以有效區(qū)分彼此。此外，中國(guó)中性巖的LG03基因?yàn)?2111101111，與中國(guó)酸性巖和基性巖的相似度分別為40%和60%。這表明LG03巖性基因不僅可以有效地區(qū)分酸性巖和基性巖，而且兼顧了對(duì)中性巖的區(qū)分且形成便于記憶的巖性基因編碼。這些特征與基于主量和微量元素混合構(gòu)建的LG01巖性基因特征均相似。

由表2和圖1(b)可知，中國(guó)土壤和水系沉積物二者的LG03基因相同且與中國(guó)酸性巖的相似度高達(dá) 95%。如果采用基因相似度≥80%作為樣品之間具有相似基因的判別標(biāo)準(zhǔn)[7]，則中國(guó)酸性巖、土壤和水系沉積物3種介質(zhì)具有相似的LG03巖性基因。這些特征與LG01巖性基因特征也相似。

在LG03基因中，上陸殼與中國(guó)土壤和水系沉積物的基因相似度為80%，與中國(guó)酸性巖的相似度為75%；但在LG01基因中，上陸殼與中國(guó)土壤和水系沉積物的基因相似度為85%，與中國(guó)酸性巖的相似度為95%。在這一點(diǎn)上，LG03與LG01基因存在一定的差異。

綜上所述，基于微量元素構(gòu)建的LG03巖性基因與基于主量和微量元素混合構(gòu)建的LG01巖性基因在特征上基本相似，即二者不僅可以有效地區(qū)分酸性巖和基性巖，而且兼顧了對(duì)中性巖的區(qū)分，同時(shí)又形成便于記憶的基因編碼，對(duì)中國(guó)土壤和水系沉積物的判定也相一致。

3 基因的檢驗(yàn)

本文基因的檢驗(yàn)主要是指巖石風(fēng)化過(guò)程中基因穩(wěn)定性的檢驗(yàn)，即對(duì)基因遺傳性與繼承性的檢驗(yàn)。遺傳性是指以母體(此處為新鮮基巖)為參照對(duì)象時(shí)子體(此處為巖石風(fēng)化產(chǎn)物)具有與其母體相似的基因，而繼承性則是指以子體(此處為風(fēng)化剖面頂部樣品)為參照對(duì)象時(shí)母體具有與其子體相似的基因，即遺傳性與繼承性二者實(shí)質(zhì)類似，只是參照對(duì)象不同[9]。為評(píng)價(jià)基因的相似性，此處仍采用基因相似度≥80%作為樣品之間具有相似基因的判別標(biāo)準(zhǔn)[7]。

3.1 花崗巖風(fēng)化剖面

本文選擇的4個(gè)花崗巖風(fēng)化剖面分別為廣東連陽(yáng)花崗巖風(fēng)化剖面LY18D06、佛岡花崗巖風(fēng)化柱樣TT和山東膠東玲瓏花崗巖風(fēng)化剖面Z01、昆崳山花崗巖風(fēng)化剖面JD05。首先依據(jù)剖面樣品的元素含量數(shù)據(jù)采用GGC(Geochemical Gene Coding)軟件[9]計(jì)算出每件樣品的LG03和LG01基因編碼，然后針對(duì)每個(gè)風(fēng)化剖面分別計(jì)算其樣品相對(duì)于剖面底部新鮮基巖和剖面頂部風(fēng)化樣品的基因相似度?；◢弾r風(fēng)化剖面的基因相似度計(jì)算結(jié)果如圖2所示，圖中將相對(duì)于剖面底部新鮮基巖的基因相似度圖示為遺傳性基因相似度，而將相對(duì)于剖面頂部風(fēng)化樣品的基因相似度圖示為繼承性基因相似度。

圖2 花崗巖風(fēng)化剖面中的基因相似度Fig.2 Similarities of geochemical genes in weathering profiles developed over granitic intrusions

在廣東連陽(yáng)LY18D06剖面中所有樣品的基因相似度均為100%(圖2(a)和(b))。這表明整個(gè)剖面樣品具有相同的LG03基因和相同的LG01基因，即LG03基因和LG01基因在該風(fēng)化剖面中均具有極好(即基因相似度為100%)的遺傳性和繼承性。

在廣東佛岡TT剖面中：(1)針對(duì)LG03基因，其遺傳性基因相似度除剖面中部1個(gè)樣品外其他值均≥80%，其繼承性基因相似度均≥85%(圖2(c))。(2)針對(duì)LG01基因，其遺傳性基因相似度均≥80%，其繼承性基因相似度均≥90%(圖2(d))。這表明LG03基因和LG01基因在該風(fēng)化柱樣中均具有良好(基因相似度均≥80%)的遺傳性和繼承性。

在膠東玲瓏Z01剖面中所有樣品的基因相似度均≥95%(圖2(e)和(f))，且剖面底部新鮮基巖樣品與頂部風(fēng)化樣品具有相同的LG03基因和相同的LG01基因，即LG03基因和LG01基因在該風(fēng)化剖面中均具有很好(基因相似度≥90%)的遺傳性和繼承性。

在膠東昆崳山JD05剖面中：(1)針對(duì)LG03基因，其遺傳性基因相似度均≥95%，其繼承性基因相似度均≥90%(圖2(g))。(2)針對(duì)LG01基因，其遺傳性基因相似度均≥85%，其繼承性基因相似度均≥80%(圖2(h))。這表明在該風(fēng)化剖面中LG03基因具有很好的遺傳性和繼承性，LG01基因具有良好的遺傳性和繼承性。

綜上所述，在4個(gè)花崗巖風(fēng)化剖面中，除1個(gè)樣品外每個(gè)剖面中樣品的遺傳性和繼承性基因相似度均≥80%，分別從遺傳性和繼承性的角度來(lái)看每個(gè)剖面中的樣品均具有相似的LG03基因和LG01基因，這表明在這些花崗巖風(fēng)化過(guò)程中LG03和LG01巖性地球化學(xué)基因均顯示出良好的遺傳性和繼承性特征，即在花崗巖風(fēng)化過(guò)程中LG03和LG01巖性地球化學(xué)基因均保持穩(wěn)定。

3.2 玄武巖風(fēng)化剖面

本文選擇的4個(gè)玄武巖風(fēng)化剖面分別為海南文昌市編號(hào)為HK06、NY、PL的玄武巖風(fēng)化剖面和膠東蓬萊玄武巖風(fēng)化剖面PL09。同樣首先依據(jù)剖面樣品的元素含量數(shù)據(jù)采用GGC小軟件計(jì)算出每件樣品的LG03和LG01基因編碼，然后針對(duì)每個(gè)風(fēng)化剖面分別計(jì)算其樣品相對(duì)于剖面底部新鮮基巖和剖面頂部風(fēng)化樣品的基因相似度。玄武巖風(fēng)化剖面的基因相似度計(jì)算結(jié)果如圖3所示，其圖例意義與圖2中相同。

在海南HK06剖面中：(1)針對(duì)LG03基因，其遺傳性基因相似度均≥85%，其繼承性基因相似度均≥80%(圖3(a))。(2)針對(duì)LG01基因，其遺傳性基因相似度均≥85%，其繼承性基因相似度均≥80%(圖3(b))。這表明在該風(fēng)化剖面中LG03基因和LG01基因均具有良好的遺傳性和繼承性。

在海南NY剖面中所有樣品的基因相似度均≥90%(圖3(c)和(d))，且剖面底部新鮮基巖樣品與頂部風(fēng)化樣品具有相同的LG03基因和相同的LG01基因，即LG03基因和LG01基因在該風(fēng)化剖面中均具有很好的遺傳性和繼承性。

在海南PL剖面中：(1)針對(duì)LG03基因，其遺傳性基因相似度均≥90%，其繼承性基因相似度均≥85%(圖3(e))。(2)針對(duì)LG01基因，其遺傳性和繼承性基因的相似度均≥85%(圖3(f))。這表明在該風(fēng)化剖面中LG03基因和LG01基因均具有良好的遺傳性和繼承性。

圖3 玄武巖風(fēng)化剖面中的基因相似度Fig.3 Similarities of geochemical genes in weathering profiles formed on basaltic strata

在膠東PL09剖面中：(1)針對(duì)LG03基因，其遺傳性基因相似度均≥95%，其繼承性基因相似度均≥90%(圖2(g))。(2)針對(duì)LG01基因，其遺傳性和繼承性基因的相似度均≥80%(圖2(h))。這表明在該風(fēng)化剖面中LG03基因具有很好的遺傳性和繼承性，LG01基因具有良好的遺傳性和繼承性。

綜上所述，在4個(gè)玄武巖風(fēng)化剖面中，每個(gè)剖面中樣品的遺傳性和繼承性基因相似度均≥80%(即具有相似的基因)，這表明在這些玄武巖風(fēng)化過(guò)程中LG03和LG01巖性地球化學(xué)基因均顯示出良好的遺傳性和繼承性特征，即保持基因穩(wěn)定。

3.3 花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面

本文選擇的2個(gè)花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面分別為北京房山花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面ZKD2和膠東招虎山花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面JD10。同樣首先計(jì)算出每件樣品的LG03和LG01基因編碼，然后針對(duì)每個(gè)風(fēng)化剖面分別計(jì)算其遺傳性和繼承性的基因相似度，結(jié)果如圖4所示。

圖4 花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面中的基因相似度Fig.4 Similarities of geochemical genes in weathering profiles developed on granodioritic intrusions

在北京房山ZKD2剖面中：(1)針對(duì)LG03基因，其遺傳性基因相似度均≥90%，其繼承性基因相似度均≥95%(圖4(a))。這表明在該風(fēng)化剖面中LG03基因具有很好的遺傳性和繼承性。(2)針對(duì)LG01基因，其遺傳性基因相似度變化范圍為70%～100%，除頂部2件樣品外，其余樣品的遺傳性基因相似度均≥80%，這表明在該風(fēng)化剖面中除頂部2件樣品外LG01基因表現(xiàn)出良好的遺傳性，但在頂部樣品中出現(xiàn)變異性(即頂部樣品的基因與底部母巖基因不相似)。另一方面，剖面樣品繼承性基因相似度變化范圍為65%～100%，除頂部3件樣品和中部有2件樣品外，其余樣品的繼承性基因相似度均<80%(圖4(b))。這表明該風(fēng)化剖面頂部樣品的基因與其母巖樣品的基因不相似，即LG01基因在該風(fēng)化剖面中不具有穩(wěn)定的繼承性。

在膠東JD10剖面中：(1)針對(duì)LG03基因，其遺傳性和繼承性基因相似度均≥95%(圖4(c))，這表明在該風(fēng)化剖面中LG03基因具有很好的遺傳性和繼承性。(2)針對(duì)LG01基因，其遺傳性基因相似度變化范圍為65%～100%，其繼承性基因相似度變化范圍為55%～100%(圖4(d))，這表明LG01基因在該風(fēng)化剖面中不具有穩(wěn)定的遺傳性和繼承性。

綜上所述，在2個(gè)花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面中，針對(duì)LG03巖性基因每個(gè)剖面中樣品的遺傳性和繼承性基因相似度均≥90%，這表明在這些花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化過(guò)程中LG03巖性地球化學(xué)基因顯示出很好的遺傳性和繼承性特征，即保持基因穩(wěn)定。但對(duì)于LG01基因而言，剖面中許多樣品的遺傳性和繼承性基因相似度<80%，即LG01基因在花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面中不具有穩(wěn)定的遺傳性和繼承性。

4 討 論

4.1 風(fēng)化過(guò)程基因穩(wěn)定性的比較

在上述基因檢驗(yàn)中主要針對(duì)LG03和LG01基因各自穩(wěn)定性進(jìn)行分析，此處針對(duì)二者在風(fēng)化剖面中的穩(wěn)定性(即遺傳性和繼承性)進(jìn)行比較。依據(jù)圖2—圖4中基因相似度變化情況將10個(gè)風(fēng)化剖面的基因穩(wěn)定性特征列于表3中。為定性描述穩(wěn)定性特征，將基因相似度均為100%的稱為極好，≥90%稱為很好，≥80%稱為良好，而將基性相似度<80%稱為不穩(wěn)定。

表3 風(fēng)化剖面中巖性地球化學(xué)基因LG03和LG01穩(wěn)定性比較Table 3 Comparison of steady property of geochemical lithogenes of LG03 and LG01 in weathering profiles

針對(duì)花崗巖風(fēng)化剖面，在LY18D06、Z01剖面中LG03和LG01基因的穩(wěn)定性(遺傳性與繼承性)相同，在TT剖面中LG01相對(duì)于LG03更穩(wěn)定，而在JD05剖面中LG03相對(duì)于LG01更穩(wěn)定。因此基于花崗巖風(fēng)化剖面可以認(rèn)為L(zhǎng)G03和LG01基因的穩(wěn)定性基本相同。針對(duì)玄武巖風(fēng)化剖面，在HK06、NY剖面中LG03和LG01基因的穩(wěn)定性相同，而在PL和PL09剖面中LG03相對(duì)于LG01更穩(wěn)定。因此基于玄武巖風(fēng)化剖面可以認(rèn)為L(zhǎng)G03相對(duì)于LG01基因更穩(wěn)定。針對(duì)2個(gè)花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面，LG03基因均具有很好的穩(wěn)定性，但LG01基因均不穩(wěn)定(或表現(xiàn)出明顯的變異性)，因此基于花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面可以認(rèn)為L(zhǎng)G03相對(duì)于LG01基因更穩(wěn)定。

綜上所述，本文構(gòu)建的基于微量元素的巖性地球化學(xué)基因LG03相對(duì)于基于主量和微量元素混合構(gòu)建的LG01巖性基因更穩(wěn)定。

4.2 成分分類與物源示蹤

龔慶杰等[9]依據(jù)LG01巖性基因的特征提出利用LG01基因的酸性相似度可以對(duì)巖石、土壤、水系沉積物樣品進(jìn)行成分分類。酸性相似度是指樣品相對(duì)于中國(guó)理想酸性巖的基因相似度，而中國(guó)理想酸性巖是由中國(guó)酸性巖元素豐度[16]構(gòu)建的虛擬樣品，其LG01和LG03基因的編碼均為10202020202。依據(jù)龔慶杰等[9]基于基因相似度的分類方案，將酸性相似度≥80%的介質(zhì)劃為類酸性成分，將酸性相似度≤20%的介質(zhì)劃為類基性成分，將酸性相似度介于20%～80%之間的劃為類中性成分。按照這一方案，分別計(jì)算風(fēng)化剖面中每件樣品的LG03和LG01基因酸性相似度，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 風(fēng)化剖面中的巖性地球化學(xué)基因酸性相似度Fig.5 Acidic similarities of geochemical lithogenes in weathering profiles

在4個(gè)花崗巖風(fēng)化剖面中LG03基因的酸性相似度均≥85%、LG01基因的酸性相似度均≥80%(圖5(a)—(d))。按照酸性相似度≥80%作為劃分類酸性成分的標(biāo)準(zhǔn)，則這4個(gè)風(fēng)化剖面中的樣品均屬于類酸性成分，這與巖石學(xué)中對(duì)其母巖樣品的劃分相一致，而對(duì)于風(fēng)化產(chǎn)物來(lái)說(shuō)則可基于LG03和LG01基因的酸性相似度對(duì)其進(jìn)行母巖或原巖的物源示蹤判別。

在4個(gè)玄武巖風(fēng)化剖面中LG03和LG01基因的酸性相似度均≤20%(圖5(e)—(h))。按照酸性相似度≤20%作為劃分類基性成分的標(biāo)準(zhǔn)，則這4個(gè)風(fēng)化剖面中的樣品均屬于類基性成分，這與巖石學(xué)中對(duì)其母巖樣品的劃分相一致，同樣對(duì)于風(fēng)化產(chǎn)物來(lái)說(shuō)可利用LG03和LG01基因的酸性相似度對(duì)其進(jìn)行母巖(或原巖)的物源示蹤判別。

在2個(gè)花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面中：(1)LG03基因的酸性相似度均≥85%(圖5(i)和(j))，按照酸性相似度≥80%作為劃分類酸性成分的標(biāo)準(zhǔn)，則這2個(gè)風(fēng)化剖面中的樣品均屬于類酸性成分，這與巖石學(xué)中對(duì)其母巖樣品的劃分相一致。(2)LG01基因的酸性相似度在北京房山ZKD2剖面中介于55%～85%之間，且大部分<80%(圖5(i))；在膠東招虎山JD10剖面中介于60%～100%之間，除3個(gè)樣品的值明顯<80%外其余樣品的酸性相似度均≥85%(圖5(j))。這表明若利用LG01巖性基因進(jìn)行成分分類和物源示蹤時(shí)對(duì)基于花崗閃長(zhǎng)巖的風(fēng)化產(chǎn)物可能會(huì)存在誤判。

綜上所述，基于LG03基因的酸性相似度可以對(duì)本文討論的花崗巖、玄武巖和花崗閃長(zhǎng)巖計(jì)10個(gè)風(fēng)化剖面樣品進(jìn)行成分分類和物源示蹤判別?；贚G01基因的酸性相似度可以對(duì)本文討論的花崗巖和玄武巖計(jì)8個(gè)風(fēng)化剖面樣品進(jìn)行成分分類和物源示蹤判別，但對(duì)2個(gè)花崗閃長(zhǎng)巖剖面中的樣品在分類和物源示蹤判別上并不一致。即在成分分類方面同一剖面中部分樣品被劃分為類酸性成分而另一部分樣品被劃分成類中性成分，在物源示蹤判別方面會(huì)認(rèn)為一部分樣品的母巖屬于類酸性成分而另一部分樣品的母巖屬于類中性成分。這種LG03和LG01基因在成分分類和物源示蹤方面的差異與上文關(guān)于二者穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)相一致，即LG03相對(duì)于LG01更穩(wěn)定(或LG01相對(duì)于LG03更敏感)的特性可使LG03基因在成分分類和物源示蹤方面更穩(wěn)健。

構(gòu)建LG03基因的目的是為了彌補(bǔ)LG01基因在對(duì)混染樣品(如受風(fēng)成沙、生物體等介質(zhì)加入)物源示蹤方面的不足，即采用微量元素構(gòu)建基因以消除主量成分SiO2、P2O5(或P)等受風(fēng)成沙、生物體等介質(zhì)的影響，以便對(duì)風(fēng)化產(chǎn)物進(jìn)行更好的源巖或母巖示蹤，而不是對(duì)LG01基因在成分分類方面的改變。

在JD10膠東招虎山花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面中，LG01基因的酸性相似度變化范圍為60%～100%(圖5(j))，在15件樣品中有3件樣品的酸性相似度<80%，這表明剖面中大部分樣品屬于類酸性成分，少數(shù)屬于類中性成分，整體可稱為類中酸性成分[9]。針對(duì)剖面底部母巖和頂部風(fēng)化產(chǎn)物而言，其LG01基因酸性相似度均≥80%，應(yīng)劃分為類酸性成分，而基于LG03基因的酸性相似度則整個(gè)剖面樣品均應(yīng)屬于類酸性成分。由于LG01基因相對(duì)于LG03基因更敏感(或LG03基因更穩(wěn)定)，假設(shè)該風(fēng)化剖面原巖成分存在有一定程度的不均一性[27-28](如剖面中3件具有低LG01酸性相似度值的風(fēng)化產(chǎn)物對(duì)應(yīng)的原巖)，這可能引起LG01基因的明顯改變，但又不足以使LG03基因也發(fā)生明顯改變。

在ZKD2北京房山花崗閃長(zhǎng)巖風(fēng)化剖面中，LG01基因的酸性相似度變化范圍為55%～85%(圖5(i))，在20件樣品中有3件樣品的酸性相似度≥80%，這表明剖面中大部分樣品屬于類中性成分，少數(shù)屬于類酸性成分，整體也可稱為類中酸性成分[9]。針對(duì)剖面底部母巖和頂部風(fēng)化產(chǎn)物而言，其LG01基因酸性相似度均<80%，應(yīng)劃分為類中性成分，而基于LG03基因的酸性相似度則整個(gè)剖面樣品均應(yīng)屬于類酸性成分，二者劃分結(jié)果不一致。由于缺乏對(duì)該剖面底部新鮮基巖的巖石學(xué)觀測(cè)，此處基于底部基巖樣品的巖石地球化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算去掉燒失量后巖石中SiO2的含量為62.8%、Na2O+K2O含量為8.01%，如果采用侵入巖的TAS分類圖解[29]投點(diǎn)則該樣品位于石英二長(zhǎng)巖區(qū)域且靠近二長(zhǎng)巖區(qū)域。結(jié)合北京房山巖體的巖性劃分[30-32]，推測(cè)該剖面底部基巖樣品為石英閃長(zhǎng)巖，在巖石學(xué)劃分上應(yīng)屬于中性巖，這與LG01巖性地球化學(xué)基因的劃分相一致。即在LG03和LG01基因酸性相似度劃分不一致時(shí)，傾向于認(rèn)可基于主量和微量元素混合構(gòu)建的LG01巖性基因的劃分結(jié)果，而LG03巖性地球化學(xué)基因則是從微量元素的角度進(jìn)一步加以約束。針對(duì)該剖面中3件樣品的LG01基因酸性相似度≥80%，這也可能是原巖成分存在有一定程度的不均一性從而引起LG01基因發(fā)生明顯的改變，但又不足以使LG03基因也發(fā)生明顯改變(仍保持類酸性成分的微量元素特征)。

綜上所述，在成分分類方面當(dāng)利用LG01和LG03的酸性相似度劃分結(jié)果不一致時(shí)應(yīng)以基于主量和微量元素混合構(gòu)建的LG01巖性基因劃分結(jié)果為準(zhǔn)，同時(shí)由于LG03基因在遺傳性、繼承性和物源示蹤方面更穩(wěn)定故也可利用微量元素巖性地球化學(xué)基因LG03的劃分結(jié)果加以約束。

5 結(jié) 論

(1)在分析地球化學(xué)基因構(gòu)建步驟的基礎(chǔ)上，提出一種基于微量元素的巖性地球化學(xué)基因LG03，其基因鏈元素序列為Nb→Ti→Zr→Cr→La→V→Pb→Co→U→Ni→Th。

(2)基于10個(gè)風(fēng)化剖面樣品的LG03和LG01基因分析，發(fā)現(xiàn)兩種巖性地球化學(xué)基因在遺傳性與繼承性、成分分類和物源示蹤方面效果相似，但在遺傳性、繼承性和物源示蹤方面LG03基因相對(duì)于LG01基因更穩(wěn)定，同時(shí)由于LG03基因消除了受風(fēng)成沙、生物體等介質(zhì)的影響而可能具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

(3)在成分分類方面當(dāng)利用LG01和LG03的酸性相似度劃分結(jié)果不一致時(shí)應(yīng)以基于主量和微量元素混合構(gòu)建的LG01巖性基因劃分結(jié)果為準(zhǔn)，可進(jìn)一步以LG03基因的劃分結(jié)果加以約束。