物源—河流過程—化學風化對松花江水系沉積物重礦物組成的影響*

李思琪 謝遠云，2 康春國 遲云平，2 孫 磊 吳 鵬

（1.哈爾濱師范大學地理科學學院 哈爾濱 150025；2.哈爾濱師范大學寒區(qū)地理環(huán)境監(jiān)測與空間信息服務黑龍江省重點實驗室 哈爾濱 150025；3.哈爾濱學院地理系 哈爾濱 150086）

河流作為連接地表不同地貌單元的橋梁（王偉，2019），在侵蝕、搬運和堆積過程中重新塑造著地表形態(tài)。同時，河流系統(tǒng)能夠對外部環(huán)境因素的變化（氣候、構造和人類活動等）做出積極而敏感的響應（Gregory and Park，1974；Bull，1991；Carretier et al.，2006；Gregory，2006；龐紅麗，2017），因此河流沉積物記錄了豐富的源區(qū)信息（李宗盟，2016）。河流沉積物中的重礦物因具有耐風化、穩(wěn)定性強以及能較多的保留其母巖特 征（Heroy et al.，2003；Garzanti and Andò，2007；Garzanti et al.，2008；程 瑜 等，2016），因而在河流沉積物研究中具有重要意義（林曉彤等，2003；王中波等，2006，2010；向緒洪等，2011；張風艷等，2011）。雖然重礦物組合是判斷沉積物物源的指標，但在其形成—搬運—沉積過程中會受到多種因素的影響，如物源、水動力分選、風化作用、機械磨損和埋藏成巖等（Morton and Hallsworth，1999）。

近些年來，重礦物組成在河流（王中波等，2006；李維東，2020）、物源追蹤（張振杰等，2020；崔滔等，2021）、水系演化（康春國等，2009a；王嘉新等，2020）以及風塵沉積（謝靜等，2007；孫磊等，2020）中得到廣泛應用。尤其對長江、黃河、珠江流域等取得了理論豐碩的成果，例如，陳靜（2007）、王昆山等（2007）、岳偉等（2017）對長江三角洲水上和水下的重礦物及物源做出深入研究，揭示了其沉積環(huán)境；王昆山等（2010）、石曉萌等（2013）、高文華等（2015）揭示了黃河不同河段的重礦物組成；王珊珊（2008）、向緒洪等（2011）、邵磊等（2013）不僅探討了重礦物對珠江演變的影響，也揭示了重礦物不同的組合特征。但作為東北地區(qū)最重要的河流—松花江，對其研究主要集中于20世紀70～90年代，研究方法也主要集中在地貌學方面（魏振宇等，2020）。雖然近些年，一些學者利用重礦物分析對松花江水系演化模式進行了探討（王嘉新等，2020；吳鵬等，2020；Xie et al.，2020），但影響其重礦物組成因素的工作尚未展開。

松花江水系作為中國七大水系之一，是一個得天獨厚的實驗室，與其區(qū)域構造、地形和氣候發(fā)展密切相關（吳鵬等，2020；Xie et al.，2020）。由于松花江水系的物源具有復雜性，且源巖母巖類型多樣，運用重礦物識別物源的工作還十分微薄。本文將松花江水系沉積物重礦物作為研究對象，剖析物源、河流過程和化學風化對重礦物組成的影響，揭示松花江水系重礦物組成的控制因素和源區(qū)地質特點。這項工作有助于揭示松花江水系沉積物搬運—沉積規(guī)律，也為今后東北地區(qū)的物源示蹤分析和水系構造演化等研究奠定基礎。

1 研究區(qū)概況

松花江水系位于中國東北部的松嫩平原，西部和西北部與大興安嶺接壤，東南部與長白山為鄰，北部和東北部與小興安嶺為交界（圖1）。松花江水系流經(jīng)不同的造山帶，地質歷史差異顯著。松嫩平原周圍山地巖性以侵入巖和火山巖為主，占裸露基巖的80%以上。侵入巖以花崗巖和混合質花崗閃長巖為主，火山巖主要為玄武巖、安山巖、流紋巖、中酸性凝灰?guī)r和凝灰質熔巖（宋國利等，1986；付俊彧等，2019）。大興安嶺巖性以花崗巖、中酸性火山巖和少量玄武巖為主，分布在大興安嶺西側（圖2）；小興安嶺和長白山的巖性以花崗巖、花崗閃長巖、玄武巖和變質巖為特征（圖2）。松嫩平原和三江平原廣泛分布著第四紀松散沉積物。

圖1 研究區(qū)域及樣點位置Fig.1 Research area and sampling locations

圖2 松花江水系地質圖（據(jù)Wu et al.，2007修改）Fig.2 Songhua River drainage geological map（modified after Wu et al.，2007）

松花江水系主要流經(jīng)黑龍江省和吉林省，流域總面積為55.68×104km2，年徑流量762×108m3。松花江是中國七大河流之一，通常有兩個源頭，北源為嫩江（一般作為松花江最大的支流），發(fā)源于大興安嶺，嫩江支流包括多布庫爾河、甘河、諾敏河、阿倫河、雅魯河和訥謨爾河等（圖1）。南源為第二松花江（松花江吉林段），發(fā)源于長白山天池。南北兩源匯合后形成松花江干流向東延伸至同江，最后匯入黑龍江（圖1）。一般在哈爾濱和佳木斯分為上、中、下游。上游（松原到哈爾濱）共240 km，右岸與第二松花江和拉林河相連；中游（哈爾濱到佳木斯）共432 km，岔林河在左岸，螞蜒河、牡丹江在右岸；下游從佳木斯到同江，全長267 km，流經(jīng)三江平原，最后匯入黑龍江（孫忠等，2007；王嘉新等，2020；Xie et al.，2020）。

2 材料與方法

在松花江干流和主要支流的邊灘，獲取19個樣品（圖1），取樣深度為20 cm，以避免人為因素的干擾。為了評估化學風化對重礦物組成的影響，在訥謨爾河T1階地（2個）、哈爾濱松花江T2階地（1個）和通河松花江T3地階地（2個）共采取了5個樣品。這24個樣品被篩分成兩個粒度組分（63～125 μm和125～250 μm），以進一步評估粒度分選對重礦物組成的影響。為了更好評估物源、河流搬運—沉積過程對重礦物組成的影響，另選定巴蘭河作為重點研究對象，在穩(wěn)定物源條件下，從下游—河口之間的42 km長的河段（高差80 m）的邊灘共采集了8個樣品，取樣深度20 cm，這些樣品進一步被分成3個粒度組分（＜63 μm、63～125 μm和125～250 μm）。共獲取72個子樣用于重礦物分析。

岔林河、螞蜒河、牡丹江、多布庫爾河、甘河、諾敏河、阿倫河、嫩江、庫勒河、雅魯河、拉林河、第二松花江和哈爾濱松花江的重礦物樣品取自現(xiàn)代河床和河漫灘；訥謨爾河現(xiàn)代河流樣品取自邊灘，河流階地樣品取自訥謨爾河T1階地的下部河床；哈爾濱松花江T2階地樣品取自河漫灘；通河松花江T3階地樣品取自河流階地的河床和河漫灘；巴蘭河的重礦物樣品取自河流邊灘。

重礦物鑒定在河北省廊坊誠信地質公司完成，鑒定流程如下：將子樣烘干稱重，加入離散劑進行初淘得到灰砂，用三溴甲烷（密度為2.88 g/cm3）將輕、重礦物分離（謝靜等，2007；孫磊等，2020；王嘉新等，2020），經(jīng)分離的樣品用酒精反復沖洗，之后在60℃恒溫下烘干，再進行稱重（精度為0.1 mg），可得重礦物部分的含量；然后用永久性磁鐵對樣品磁選，得到強磁、電磁和無磁顆粒后再次稱重；將分離出來的重礦物在雙目鏡和偏光鏡下進行礦物種類鑒定，每個重礦物樣品鑒定的顆粒數(shù)量均在600粒以上，然后計算出每種礦物的顆粒百分含量。鑒定礦物均為同一粒級，可以用礦物的顆粒百分含量來代替體積百分含量，已知每種礦物的密度，因此可以算出礦物的重量（中國地質科學院地礦所，1977；張風艷等，2011）。用每種重礦物的重量占同粒級原樣總重量的百分數(shù)的變化來分析問題，根據(jù)動力學原理和沉積分異規(guī)律，具有相同的地質意義（康春國等，2009b）。

重礦物組合在河流搬運—沉積過程中會受到諸多因素的影響，如水動力分選、化學溶蝕和機械磨損等，這些因素都影響著物源判斷的準確性，而穩(wěn)定礦物的質量比值能夠更好的反應出物源特征，這些比值被稱為重礦物特征指數(shù)，如ZTR指數(shù)、ATi指數(shù)和GZi指數(shù)等（Morton and Hallsworth，1999；劉彤彥等，2009），這些指數(shù)被認為最大限度的消除了礦物的粒度效應對物源解釋存在的偏差而被廣泛應用于物源示蹤。重礦物穩(wěn)定系數(shù)（W）為穩(wěn)定礦物和不穩(wěn)定礦物的比值（劉建軍等，2003），重礦物以機械搬運的方式脫離母巖進入沉積區(qū)，因此離物源區(qū)越近，不穩(wěn)定礦物含量高，穩(wěn)定系數(shù)就越小（張新建等，2006；徐艷霞等，2010）。變異系數(shù)（Coefficient of Variation）是反應總體各單位標志值的差異程度，或者離散程度，可以消除測量尺度和量綱的影響（王文森，2007）。具體公式參考如下：

3 結 果

經(jīng)過對松花江水系的重礦物分選和鑒定，一共有29種重礦物，包括鋯石、磷灰石、金紅石、榍石、白鈦石、碳硅石、自然金、黃鐵礦、銳鈦礦、石榴子石、獨居石、電氣石、輝石、綠簾石、角閃石、鈦鐵礦、赤褐鐵礦、菱鐵礦、鐵磁性礦物（磁鐵礦、磁赤鐵礦和磁赤褐鐵礦）、鉻尖晶石、螢石、透閃石、藍晶石、尖晶石、褐簾石、直閃石以及風化碎屑等，其中碳硅石、自然金、黃鐵礦、菱鐵礦、鉻尖晶石、螢石、透閃石、藍晶石、尖晶石、褐簾石和直閃石為偶見礦物，含量極低，不具有統(tǒng)計意義，未在表中列出。

礦物的物理性質，比如顏色、形狀和磨圓度等，跟物源有密切的聯(lián)系（Yue et al.，2019）。對于我們的研究，鋯石以淺玫粉色和淺黃色為主，金剛光澤，少量的玻璃光澤，透明，磨圓度較好（70%）；磷灰石，無色，個別呈煙灰色，有六方柱狀、圓角柱狀和粒狀，絲絹光澤和（毛）玻璃光澤，透明；金紅石，褐紅色、橘紅色和黑褐色，粒狀和板柱狀，玻璃和瀝青光澤，透明至半透明；榍石，淺黃色和淺黃白色，不規(guī)則粒狀和塊狀，玻璃光澤，透明；白鈦石，蠟黃色和灰白色，不規(guī)則粒狀，蠟質光澤，不透明；銳鈦礦，淺藍灰色和墨藍色，不規(guī)則粒狀、雙錐狀和板狀，蠟質光澤和玻璃光澤，透明和半透明；石榴子石，淺粉紅色和淺粉色，個別淺橙黃色，不規(guī)則粒狀和塊狀，玻璃光澤，透明；獨居石，淺黃色和琥珀黃色，個別淺黃綠色，不規(guī)則塊狀和粒狀，玻璃光澤，透明；電氣石，茶褐色，不規(guī)則塊狀和粒狀，多有暗色包體，玻璃光澤，透明；輝石，淺綠色，個別藍綠色和褐色，板狀，玻璃光澤，透明；綠簾石，翠綠色和淺黃綠色，不規(guī)則粒狀，個別呈柱狀，玻璃光澤，透明；角閃石，墨綠色和綠色，板柱狀，蠟質光澤、玻璃光澤、蠟質光澤至玻璃光澤，半透明；鈦鐵礦，黑色，塊狀、柱狀和粒狀，金屬光澤，不透明；赤褐鐵礦，黑褐色和紅褐色，粒狀，半金屬光澤和金屬光澤，不透明；鐵磁性礦物主要包括磁鐵礦、磁赤鐵礦和磁赤褐鐵礦。磁鐵礦以黑色和黑褐色為主，不規(guī)則粒狀和八面體狀，金屬光澤，不透明；磁赤鐵礦為黑褐色和紅褐色，粒狀和八面體狀，半金屬光澤和金屬光澤，不透明；磁赤褐鐵礦為黑褐色和紅褐色，不規(guī)則粒狀和八面體狀，金屬光澤和金屬至半金屬光澤，不透明。

根據(jù)物源對松花江水系的貢獻不同，可以劃分為依蘭方向河流和松原方向河流。依蘭方向河流物源主要來自小興安嶺和長白山東側，松原方向河流物源主要來自大興安嶺和長白山西側。

3.1 依蘭方向河流樣品重礦物特征

依蘭方向河流沉積物63～125 μm和125～250 μm組分重礦物組成見（表1）。在63～125 μm組分中，角閃石（0～64.23%）、鈦鐵礦（4.33%～53.46%）和鐵磁性礦物（1.29%～18.02%）占絕對優(yōu)勢，榍石（0～18.69%）和綠簾石（2.24%～21.00%）次之，其他礦物以不同比例出現(xiàn)。超穩(wěn)定礦物（鋯石、電氣石和金紅石）、白鈦石和鈦鐵礦在通河松花江T3階地樣品中突然增加，榍石含量減少，角閃石和輝石完全消失，獨居石只在牡丹江樣品中少量出現(xiàn)。

表1 依蘭方向河流重礦物種類對比Table 1 Comparison of heavy mineral species in Yilan direction rivers

與63～125 μm組分比較，125～250 μm組分的鋯石、磷灰石、石榴子石、綠簾石和鐵磁性礦物含量有不同程度下降，獨居石完全消失，銳鈦礦只在少數(shù)樣品中出現(xiàn)，其他礦物含量有所上升，電氣石只出現(xiàn)在通河松花江T3階地樣品當中。

3.2 松原方向河流樣品重礦物特征

松原方向河流63～125 μm和125～250 μm組分重礦物組成見（表2）。63～125 μm組分中，綠簾石（0～38.52%）、角閃石（0～65.42%）和鈦鐵礦（5.68%～65.34%）為主要礦物，磷灰石、獨居石、金紅石、銳鈦礦、獨居石和電氣石平均含量不超過1%，榍石、白鈦石、石榴子石、輝石、赤褐鐵礦和鐵磁性都以不同的比例出現(xiàn)，獨居石只出現(xiàn)在少數(shù)樣品當中。

表2 松原方向河流重礦物種類對比Table 2 Comparison of heavy mineral species in Songyuan direction rivers

與63～125 μm組分比較，125～250 μm組分中的榍石、白鈦石、石榴子石、電氣石、綠簾石、角閃石和鐵磁性礦物含量不同程度增加，金紅石和銳鈦礦出現(xiàn)不穩(wěn)定，其他礦物含量均有所降低。在兩個粒級中，輝石含量在諾敏河樣品中含量最多，榍石在訥謨爾河樣品中含量高達23.51%，訥謨爾河T1階地樣品中鋯石、白鈦石、電氣石和鈦鐵礦含量高于其他河流樣品，綠簾石和角閃石低于其他河流樣品，磷灰石含量較少甚至消失，石榴子石在嫩江編號2樣品中含量較多，雅魯河樣品中赤褐鐵礦含量要明顯高于其他河流樣品。

3.3 巴蘭河樣品重礦物特征

巴蘭河＜63 μm、63～125 μm和125～250 μm組分重礦物組見（表3）。在＜63 μm組分中，角閃石（30.75%～55.97%）、榍石（8.23%～15.81%）和鋯石（4.76%～14.11%）占絕對優(yōu)勢。磷灰石、白鈦石、銳鈦礦、石榴子石、輝石、綠簾石、鈦鐵礦、赤褐鐵礦、鐵磁性礦物和超穩(wěn)定礦物都以不同比例出現(xiàn)，獨居石只在此粒級組分下游穩(wěn)定出現(xiàn)。

表3 巴蘭河重礦物種類對比Table 3 Comparison of heavy mineral species in Balan River

與＜63 μm組分比較，在63～125 μm組分中，角閃石（22.12%～50.50%），鐵磁性礦物（6.17%～22.16%）和榍石（10.09%～18.37%）為主要礦物，鐵磁性礦物、赤褐鐵礦和鈦鐵礦含量在此粒級中達到最大，而綠簾石含量最少，電氣石只出現(xiàn)在少數(shù)樣品當中出現(xiàn)。在125～250 μm組分中，角閃石（36.21%～53.39%）、榍石（12.04%～35.97%）和綠簾石（2.68%～26.21%）占絕對優(yōu)勢，鈦鐵礦和金紅石出現(xiàn)不穩(wěn)定。在3個粒級當中鋯石、磷灰石、金紅石、銳鈦礦和輝石的含量隨粒度增大而逐漸降低，榍石含量上升，獨居石在粗粒級（63～125 μm和125～250 μm）當中完全消失，其他礦物含量變化無明顯規(guī)律。

續(xù)表2

4 討 論

4.1 物源對重礦物組成的影響

碎屑沉積物中的重礦物組成是不同物源的反映，也是物源分析的重要手段（李雙建等，2005），故而利用這一指標可以指示松花江水系的物源變化（賴佩欣，2016）。不同的巖石類型會產生特定的重礦物組合，可以用來區(qū)分母巖類型（吳朝東等，2005）。酸性火成巖母巖中的重礦物組合，一般富集磷灰石、榍石、電氣石、鋯石和獨居石（Pettijohn，1975；Zhang et al.，2015），榍石是中酸性火成巖的標志；當為中基性火成巖時母巖礦物含有大量的磁鐵礦、鈦鐵礦、輝石和角閃石（Jing et al.，2013）；鈦鐵礦、赤鐵礦和赤褐鐵礦被認為是花崗巖的產物（石曉萌等，2013）；石榴石、金紅石、綠簾石、藍晶石和硅線石等重礦物組合認為是變質巖的標志（Bird et al.，2015）；白鈦石、鋯石（磨圓）、電氣石（磨圓）和赤鐵礦被認為是沉積巖（Pettijohn，1975）。

松花江水系沉積物的重礦物在不同的流域單元具有獨特的組合特征。依蘭方向河流樣重礦物樣品（平均）在63～125 μm組分中，重礦物以角閃石、鈦鐵礦、鐵磁性礦物和榍石為主，在125～250 μm組分中以角閃石、鈦鐵礦、榍石和綠簾石為主（表1）；松原方向河流重礦物樣品（平均）在63～125 μm組分中以綠簾石、角閃石、鈦鐵礦和赤褐鐵礦為主，在125～250 μm組分中以綠簾石、角閃石、鈦鐵礦和榍石為主（表2）。依蘭方向河流的重礦物組成以花崗巖和中基性火成巖為主，松原方向河流以花崗巖和變質巖為主，表明大興安嶺、小興安嶺和長白山的母巖對松花江水系重礦物組成具有明顯控制作用。

值得注意的是，嫩江支流的重礦物組成與嫩江干流明顯不同。例如：諾敏河輝石比例相當高（34.29%）（表2）。諾敏河中上游流經(jīng)大片的玄武巖臺地（樊祺誠等，2012），現(xiàn)代河床出現(xiàn)大量的玄武巖礫石（未出版數(shù)據(jù)），合理解釋了諾敏河沉積物中輝石的顯著富集。諾敏河流入嫩江干流后，輝石含量明顯下降，其中阿倫河對嫩江干流輝石含量的貢獻很?。?.23%）（表2），且距干流較遠，基本可以忽略不計，流至嫩江中下游（齊齊哈爾附近）輝石含量完全消失（表2）。由于在重礦物經(jīng)過河流長距離的搬運和下游的稀釋作用，使重礦物得到混合并保持一定的穩(wěn)定性，從而模糊了上游局部暴露的母巖信息。因此，物源對重礦物組成的控制受到河流過程的影響。

4.2 河流過程對重礦物組成的影響

河流從源到匯的過程中，河流沉積物受到重力和水流的作用經(jīng)常被分為不同的粒度組分（Caracciolo，2020），水動力分選和礦物的密度、粒徑和形狀參數(shù)等因素都會導致特定組分礦物的富集積或者丟失。其中水動力分選是個復雜的過程，在河流搬運過程中，會對具有不同水力行為的礦物進行分選和沉積（張建等，2016；王嘉新等，2020）。

依蘭方向（巴蘭河除外）河流沉積物不同組分的重礦物特征有顯著不同（表1）。鋯石、綠簾石和磁鐵礦富集于63～125 μm組分，榍石、白鈦石、輝石和赤褐鐵礦主要富集于125～250 μm組分，金紅石和銳鈦礦只在63～125 μm組分中穩(wěn)定出現(xiàn)，獨居石在125～250 μm組分中完全消失，重 礦物主要富集在63～125 μm（0.18%～22.91%，8.96%）組分。重礦物特征指數(shù)如ZTR、ATi、GZi和RuZi等，很少受粒度分選的影響，所以經(jīng)常被用來進行物源示蹤（李恩菊，2011；盧健，2013；何夢穎，2014）。對于我們的研究，這些特征指數(shù)明顯受到粒度組分的影響（圖3），由于鋯石和金紅石主要富集于63～125 μm組分，ZTR指數(shù)在63～125 μm組分中偏高；GZi指數(shù)在粗顆粒（125～250 μm）組分中較高；ATi指數(shù)在兩個粒級中基本變化不大；穩(wěn)定系數(shù)（W）變化不大，但在通河松花江T3階地樣品中數(shù)值較高。

圖3 依蘭方向河流重礦物特征指數(shù)Fig.3 The heavy mineral characteristic index of Yi Lan direction rivers

松原方向河流重礦物組成也表現(xiàn)出明顯的粒度依靠（表2）。鋯石、磷灰石、輝石、鈦鐵礦、赤褐鐵礦和磁赤褐鐵礦主要富集63～125 μm組分，白鈦石、電氣石、綠簾石和角閃石主要富集于125～250 μm組分，銳鈦礦和金紅石在63～125 μm組分中穩(wěn)定出現(xiàn)，獨居石只在少數(shù)樣品出現(xiàn)，重礦物也主要富集在63～125 μm（0.15%～15.24%，4.26%）組分。由于鋯石和金紅石主要富集在63～125 μm組分中，而電氣石主要富集在125～250 μm組分中，導致ZTR在63～125 μm組分中較高（圖4）；GZi指數(shù)在粗粒級中較高，石榴子石在兩個粒級中變化不大；ATi指數(shù)在63～125 μm組分中較高。依蘭方向（巴蘭河除外）和松原方向河流樣品表明，水動力分選對重礦物富集和特征指數(shù)等產生重要影響（盧健，2013）。

圖4 松原方向河流重礦物特征指數(shù)Fig.4 The heavy mineral characteristic index of Song Yuan direction rivers

巴蘭河的8個樣品進一步說明了在河流搬運—沉積過程對重礦物組成的影響。鋯石、磷灰石、金紅石、銳鈦礦、獨居石、輝石、角閃石和電氣石主要富集于細顆粒（＜63 μm）組分之中（表3），并呈現(xiàn)出顆粒越粗礦物含量越低的趨勢，甚至出現(xiàn)部分礦物在較粗顆粒中出現(xiàn)缺失的情況。如獨居石只在細顆粒（＜63 μm）組分中穩(wěn)定出現(xiàn)；電氣石在較粗的顆粒中嚴重缺失，重礦物樣品主要富集在63～125 μm（1.92%～15.82%，5.75%）組分，其次是125～250 μm和＜63 μm組分。然而，巴蘭河的這些指數(shù)明顯受到粒度的影響，巴蘭河流域穩(wěn)定系數(shù)（W），總體呈現(xiàn)細顆粒組分向粗顆粒組分遞減的趨勢（圖5），125～250 μm組分穩(wěn)定系數(shù)最低；粒度組分不同，ZTR指數(shù)也明顯差異，由于穩(wěn)定礦物優(yōu)先富集于細顆粒（＜63 μm）當中，所以＜63 μm組分ZTR數(shù)值大于其他兩個粒度組分；3個粒度組分的GZi指數(shù)差異比較大，由于石榴石富集于在125～250 μm組分中，因此粗粒級中GZi指數(shù)高，GZi指數(shù)總體與粒度大小成正比；電氣石在63～125 μm和125～250 μm組分中部分缺失，導致ATi指數(shù)沒有明顯的變化趨勢。重礦物特征指數(shù)無法最小化或者消除由粒度效應帶來的偏差，因此，在分析物源時需要分粒級進行討論。

重礦物分析的粒度窗口策略可以被認為減少或者消除潛在的水動力分選效應，窄窗口策略會導致兩個或者多個粒度窗口產生的部分重要信息丟失，而寬窗口策略恰恰相反（Garzanti and Andò，2007；Garzanti et al.，2008）。在流域當中，通常選擇極細砂（63～125 μm）組分的窄窗口進行重礦物組成分析（楊群慧等，2002；徐茂泉等，2004；康春國等，2014），因為在63～125 μm部分的礦物可以長期懸浮在河流中進行長距離運輸，且在這一粒度組分中富集（Morton，1985）。如果沉積物較粗，還會添加細砂（125～250 μm）組分形成寬窗口（喻薛凝等，2016；杜慧榮等，2020；王嘉新等，2020）。巴蘭河重礦物含量在63～125 μm組分達到最大，這與其他研究成果一致。然而，大部分穩(wěn)定礦物富集在＜63 μm組分當中，某些重礦物在粗顆粒（63～125 μm或125～250 μm）組分中很少見，甚至出現(xiàn)消失的情況。因此，粒度窗口對重礦物顆粒的分離產生了很大影響，并且某個特定的窗口會有特定的礦物。當某些母巖分布局限且產生的重礦物只集中在某一粒度組分當中，選擇單一的粒度窗口，難以代表母巖總體特征。在進行物源分析時，應選擇寬窗口，以避免源區(qū)重要信息的丟失。

從巴蘭河上游到下游的8個重礦物樣品（相同粒級組分）重礦物組成有顯著差異（表3）。例如，在＜63 μm組分中，重礦物變異系數(shù)在0.17～1.41之間，63～125 μm組分中，變異系數(shù)為0～1.75，在125～250 μm組分中，變異系數(shù)為0～1.85（圖6）。以125～250 μm組分為例，超穩(wěn)定礦物金紅石、鋯石和電氣石表現(xiàn)出很高的變異系數(shù)，但金紅石和電氣石只少數(shù)樣品中出現(xiàn)。其他重礦物也有很高的變異系數(shù)，但獨居石、角閃石和榍石變異系數(shù)相對較低。此外，沉積物在搬運的過程中，隨著距離的增加穩(wěn)定礦物的相對含量也會增加，不穩(wěn)定礦物的相對含量會減少（李艷等，2011；李俊武等，2015）。然而，巴蘭河從上游到下游重礦物含量并沒有體現(xiàn)出這種規(guī)律來（圖5），值得令人注意的是，金紅石、獨居石和電氣石只在下游穩(wěn)定的出現(xiàn)。在物源相同的條件下，巴蘭河樣品表現(xiàn)出不同的礦物組成。因此，一個或幾個樣品很難來描繪源區(qū)母巖重礦物的組成，為了更準確的獲取源區(qū)信息，樣品數(shù)量非常重要。

圖5 巴蘭河重礦物特征指數(shù)Fig.5 The heavy mineral characteristic index of Balan River

圖6 巴蘭河重礦物變異系數(shù)Fig.6 Heavy mineral variable coefficient of Balan River

在討論河流過程對重礦物組成的影響時，應該從兩個方面進行考慮。首先，重礦物的組成取決于顆粒的大小，用寬窗口來描繪流域的總體特征時，特定粒度部分中的某些礦物不會丟失；其次在具有相同物源的不同河段，一個或幾個樣本不能完全獲取整個流域的信息，必須考慮重礦物的樣品數(shù)量，更多的樣品數(shù)量才能獲得更加準確的源區(qū)信息。

4.3 化學風化對重礦物組成的影響

化學風化作為地球外動力地質作用的一種與水圈、大氣圈、生物圈和巖石圈有著密不可分的關系（郭玉龍等，2020），風化巖石、水系沉積物等風化產物可以保留母巖中的信息（寧澤等，2020）。沉積碎屑物從源區(qū)的剝蝕到匯集區(qū)的沉積，化學風化貫穿于整個過程（岳艷，2010）。不同的礦物在不同的環(huán)境條件下穩(wěn)定性存在差異，穩(wěn)定礦物富集于沉積物中，表明受風化程度較強，然而不穩(wěn)定礦物富集則表明受風化程度較弱（Morton and Hallsworth，1999）。

河流階地是河道的廢棄部分，記錄著過去發(fā)生的重要地質信息。因此，河流階地的沉積物可以被用來重建古水系演化和源—匯關系（Resmi et al.，2020；Wang et al.，2021）。然而，我們的研究顯示，不同風化程度的河流階地重礦物特征與現(xiàn)代河流沉積物有不同程度的差異。哈爾濱松花江現(xiàn)代河流邊灘和T2階地（化學風化程度弱，未發(fā)表的數(shù)據(jù)），在兩個粒度組分中（63～125 μm和125～250 μm）都以不穩(wěn)定礦物角閃石和綠簾石為主，赤褐鐵礦和超穩(wěn)定礦物含量較少（ZTR指數(shù)偏?。?，磷灰石、輝石和榍石的含量基本沒有變化（表2，圖4）。表明哈爾濱松花江T2河流階地基本保留了現(xiàn)代河流砂重礦物特征。和訥謨爾河相比，訥謨爾河T1階地（中等化學風化程度，未發(fā)表的數(shù)據(jù)）在63～125 μm和125～250 μm組分中，不穩(wěn)定礦物角閃石完全消失（表2），輝石和綠簾石出現(xiàn)極少，鈦鐵礦、赤褐鐵礦和白鈦石含量增多，超穩(wěn)定礦物顯著增多（ZTR指數(shù)明顯增大）。磷灰石在酸性條件下極容易分解（Bateman and Catt，1985），ATi指數(shù)數(shù)值可以揭示沉積物的風化程度（Morton and Hallsworth，1999；程巖等，2010；王利波等，2016），在125～250 μm組分中，ATi指數(shù)為0（圖4），進一步說明磷灰石受到風化作用完全消失。數(shù)據(jù)表明訥謨爾河T1階地的重礦物受到一定改造。與螞蜒河和岔林河的重礦物組成相比，通河松花江T3階地（強烈化學風化程度，Xie et al.，2020）的重礦物組成在兩個粒級中不穩(wěn)定礦物角閃石和輝石完全消失（表1），綠簾石、榍石、磷灰石和鐵磁性礦物較少出現(xiàn)，鈦鐵礦含量占優(yōu)，電氣石、石榴子石和鋯石含量明顯上升，W的值最大可達到83.82%（圖3）。由此可見，化學風化對通河松花江T3階地重礦物組成產生了明顯影響。

階地沉積物的化學風化程度受時間和氣候條件的控制。在同一氣候條件下，河流階地的形成年代越久，沉積物遭受的化學風化程度越強。訥謨爾河T1階地的風化程度強于哈爾濱松花江T2階地，表明階地沉積物的化學風化程度與時間并不是簡單的線性關系。盡管我們沒有這些河流階地的年齡數(shù)據(jù)，但受氣候條件影響的化學風化程度依然能夠較好的表現(xiàn)出對階地重礦物組成的控制作用。因此，本研究強調在利用河流階地的重礦物組成進行源—匯示蹤和古水系演化研究時，必須要對階地沉積物的化學風化程度進行有效評估。只有那些沒有明顯受到化學風化影響的河流階地的重礦物數(shù)據(jù)才能真實反映當時的源區(qū)組成。

5 結 論

（1）松花江主要支流的重礦物組成反映的源區(qū)母巖整體以花崗巖和花崗閃長巖為主，作為嫩江主要支流的諾敏河的重礦物組成指示了源區(qū)基性母巖的性質，然而這個信息卻沒有在嫩江干流得到反映。這表明物源對重礦物組成的控制受到河流過程的影響，重礦物經(jīng)過長距離的河流搬運，使重礦物得到充分混合，從而模糊了上游局部暴露的母巖信號。

（2）松花江水系的重礦物組成以角閃石、綠簾石、鈦鐵礦和榍石為主，主要富集于63～125 μm組分。鋯石、磷灰石、輝石和鐵磁性礦物主要富集在細顆粒組分（63～125 μm），銳鈦礦只在此粒級中穩(wěn)定出現(xiàn)，而白鈦石和綠簾石主要富集在125～250 μm組分，其他礦物在不同粒級組分中沒有明顯的富集規(guī)律。另外，巴蘭河8個樣品同一粒度組分的重礦物組成具有顯著差異。這些結果表明，河流搬運—沉積過程對重礦物組成產生顯著影響，因此，需要考慮寬粒度分析窗口和足夠多的樣品數(shù)量才能充分獲取源區(qū)完整的重礦物組成信息。

（3）河流階地與現(xiàn)代河流邊灘樣品的對比表明，化學風化對重礦物組成產生了不同程度的影響。弱風化的哈爾濱松花江T2階地沉積物的重礦物組成基本保留了現(xiàn)代河流砂特征；中等風化程度的訥謨爾河T1階地沉積物的重礦物受到一定程度的改造，不穩(wěn)定礦物角閃石已完全消失，輝石和綠簾石極少出現(xiàn)；然而，遭受到強烈化學風化的通河松花江T3階地沉積物的重礦物組成已遭受到嚴重破壞，不穩(wěn)定礦物輝石和角閃石已完全消失，綠簾石、榍石、磷灰石和鐵磁性礦物含量也較低。因此，在利用河流階地重礦物組成進行源—匯聯(lián)系和古水系演化研究時，特別要注意化學風化程度對沉積物的影響。

致 謝河北廊坊誠信地質公司的工作人員（張晏子、李鵬和王根濤等）做了大量的樣品測試工作，魏振宇、張曼和張月馨參加了松花江水系的部分野外取樣，劉碩和趙倩參加了松花江水系沉積物重礦物的試驗樣品前處理工作，在此一并表示感謝。