黑茶冰磧巖地球化學(xué)特征：大陸地殼組成及風(fēng)化作用

化學(xué)風(fēng)化作用能夠產(chǎn)生碎屑顆粒，釋放易溶元素到水圈，保留地殼難溶元素，并通過(guò)此過(guò)程改變地殼組成和質(zhì)量(LiuandRudnick,2011;Liuetal,2013)。此外，化學(xué)風(fēng)化作用釋放的Ca2+與碳酸鹽會(huì)發(fā)生沉淀反應(yīng)，使大氣中的CO2被隔離，從而達(dá)到間接控制氣候的作用。從另一方面講，溫度、降雨等氣候因素影響風(fēng)化作用強(qiáng)度，因此研究古代大陸地殼經(jīng)受的風(fēng)化作用強(qiáng)度不僅能夠了解上地殼的組成演化，還能夠?yàn)槲覀兲峁┕艢夂蜓莼畔ⅰＨ欢F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)冰磧巖保存的地殼組成、古環(huán)境及古氣候信息提取甚少。因此，要想利用冰磧巖示蹤古地殼組成，提取古氣候和古環(huán)境信息，首要任務(wù)便是研究冰磧巖中的化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)度，分析化學(xué)風(fēng)化信號(hào)來(lái)源，以此驗(yàn)證冰磧巖示蹤大陸地殼的有效性。在此任務(wù)之后，便可以用冰磧巖示蹤古地殼平均組成及風(fēng)化作用演化，同時(shí)地殼的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的時(shí)間演化可以為古氣候和古環(huán)境提供重要的線(xiàn)索。1.2.3大陸地殼化學(xué)風(fēng)化作用研究現(xiàn)狀(1)風(fēng)化作用的類(lèi)型.風(fēng)化作用是在地球表面進(jìn)行的，是巖石圈與大氣圈、水圈和生物圈相互作用之間復(fù)雜的物理及化學(xué)作用的綜合(陳俊和王鶴年，2004)。風(fēng)化作用主要有兩種類(lèi)型:化學(xué)風(fēng)化作用和物理風(fēng)化作用。在溫暖濕潤(rùn)的地區(qū)，植被繁盛，富集有機(jī)酸，化學(xué)風(fēng)化作用占主導(dǎo)，巖石和礦物在表生水、氧和二氧化碳等作用下分解，形成新物質(zhì)、新化學(xué)組分和新物理性質(zhì)，涉及巖石圈、大氣圈、水圈和生物圈的相互作用以及元素的地球化學(xué)循環(huán)。在寒冷干燥的氣候中，物理風(fēng)化作用占主導(dǎo)，主要表現(xiàn)在巖石的崩解，如凍裂作用可能會(huì)將巖石機(jī)械破碎成更小的碎塊，無(wú)明顯化學(xué)變化(LarsonandBirkeland,1982;Faure,1991;陳俊和王鶴年，2004)。(2)化學(xué)風(fēng)化作用的影響因素化學(xué)風(fēng)化作用是由自然界中的水、氣體以及溶于水的酸化物所控制的。水是風(fēng)化過(guò)程中最活躍的因素(圖1-1)，水在化學(xué)風(fēng)化中的作用主要包括:溶解、搬運(yùn)和沉淀天然的化合物;溶解氧、二氧化碳和酸等侵蝕劑，并參與對(duì)巖石的破壞作用;通過(guò)水合和水解作用，分解巖石中的各種礦物?；瘜W(xué)風(fēng)化作用在所有的環(huán)境下都可以發(fā)生，但在溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境下是最強(qiáng)烈的(陳俊和王鶴年，2004)。氧及二氧化碳是風(fēng)化過(guò)程中起主要作用的氣體。氧是風(fēng)化作用的主要因素,是強(qiáng)氧化劑，氧分壓越高氧化作用越強(qiáng)。水能加速氧化過(guò)程，由于水溶解了少量礦物和其他物質(zhì)，使溶解物與氧氣充分反應(yīng)。二氧化碳部分來(lái)自大氣，部分來(lái)自根呼吸作用和有機(jī)物的分解。二氧化碳易溶于水，形成碳酸，盡管酸性相對(duì)較弱，但碳酸在大部分自然環(huán)境足以成為促進(jìn)化學(xué)風(fēng)化作用有效中介(LarsonandBirkeland,1982;陳俊和王鶴年，2004)。另外，溫度、PH值、山體隆升、植被、巖相等也是影響風(fēng)化作用的重要因素(陳俊和王鶴年，2004;Walkeretal.,1981;Retallack,1990;WhiteandBulm,1995;Berneretal.,2003;Berner,2004)。陸地植被的發(fā)育會(huì)加速化學(xué)風(fēng)化作用(Berneretal.,2003)?；瘜W(xué)風(fēng)化速率隨溫度增高呈指數(shù)增長(zhǎng)(Walkeretal,1981;Retallack,1990;WhiteandBulm,1995)。山體隆升--般會(huì)導(dǎo)致高峻地形的發(fā)育，形成陡坡，增加剝蝕量，剝蝕量的增加會(huì)將更多的新鮮礦物暴露在大氣中遭受化學(xué)風(fēng)化作用。如果沒(méi)有增加的陡坡和剝蝕量的影響，巖石表面風(fēng)化形成的黏土礦物會(huì)保護(hù)內(nèi)部新鮮礦物免遭化學(xué)風(fēng)化作用的影響。此外，山體隆升過(guò)程中形成的山脈會(huì)形成地形雨，加快風(fēng)化作用的速率(Berner,2004)。自然界中，不同礦物、巖石的風(fēng)化速率不同。化學(xué)風(fēng)化速率不同受不同礦物或巖石的抗風(fēng)化能力強(qiáng)弱影響。很多常見(jiàn)造巖礦物相對(duì)易被化學(xué)風(fēng)化，例如方解石極易溶于含弱酸的水因此風(fēng)化最快。硅酸鹽和鋁硅酸鹽礦物原子間結(jié)合緊密，抗風(fēng)化能力更強(qiáng)，但是不同的硅酸鹽和鋁硅酸鹽礦物風(fēng)化速率也不同(圖1-2)。圖1-2中顯示硅酸鹽礦物中石英和長(zhǎng)石抗風(fēng)化能力最強(qiáng)，橄欖石和鈣長(zhǎng)石抗風(fēng)化能力最弱。Goldich(1938)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，造巖硅酸鹽礦物的抗風(fēng)化能力與它們?cè)邗U文，反應(yīng)序列中的位置緊密相關(guān),造巖硅酸鹽礦物的抗風(fēng)化能力由強(qiáng)到弱的順序?yàn)?石英、白云母、鉀長(zhǎng)石、黑云母、鈉長(zhǎng)石、角閃石、輝石、橄欖石、鈣長(zhǎng)石。從圖1-2中可以看出，隨著硅酸鹽礦物的巖漿結(jié)晶溫度下降，造巖礦物的抗風(fēng)化能力增強(qiáng)(LarsonandBirkeland,1982;Faure,1991;陳俊和王鶴年，2004)。與硅酸鹽礦物相比，硫化物和碳酸鹽礦物(方解石、霞石、白云石)抗風(fēng)化能力更弱，而氧化物(磁鐵礦、鈦鐵礦、鉻鐵礦、金紅石、錫石等)抗風(fēng)化能力更強(qiáng)(Faure,1991;陳俊和王鶴年，2004)。巖石化學(xué)風(fēng)化作用的速率主要與其組成礦物的抗風(fēng)化能力和礦物顆粒大小有密切關(guān)系。例如花崗巖主要是由抗風(fēng)化能力強(qiáng)的礦物組成，因此它比輝長(zhǎng)巖抗風(fēng)化能力強(qiáng)。組成顆粒大的巖石比組成顆粒小的巖石更易被化學(xué)風(fēng)化(LarsonandBirkeland,1982)。(3)化學(xué)風(fēng)化作用的化學(xué)反應(yīng)化學(xué)風(fēng)化作用涉及多種化學(xué)作用，其中最重要的為溶解作用、氧化作用和水解作用(LarsonandBirkeland,1982;Faure,1991)。溶解作用是最簡(jiǎn)單的化學(xué)風(fēng)化作用，可能是化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中最早發(fā)生和顯現(xiàn)的風(fēng)化現(xiàn)象，如水對(duì)巖鹽、硫酸鹽類(lèi)的直接溶解，如含碳酸的水溶液對(duì)石灰?guī)r類(lèi)的溶解。方解石在自然界中極易被溶解，反應(yīng)方程式為:CaCO3+H2CO3-→Ca2+2HCO37~。鈣離子和碳酸氫根離子在形成后極易被水溶解沖走。由于沒(méi)有生成任何不溶于水的新組分，因此石灰?guī)r被溶解后會(huì)形成溶洞、隧道等喀斯特地貌。石英通過(guò)水化作用而溶解:SiO2+2H2O-+H4SiO4，在PH較高情況下，硅酸有少量離解，H4SiO4->H3SiO4一+H+，因此石英的溶解度在堿性環(huán)境下增大(LarsonandBirkeland,1982;Faure,1991;陳俊和王鶴年，2004)。含鐵礦物的氧化是最普遍的氧化作用。大部分巖石都有含鐵礦物組分，當(dāng)含鐵礦物暴露在充足的氧氣中時(shí)，就會(huì)發(fā)生氧化作用，巖石會(huì)由灰色慢慢氧化成紅、黃、橙、紅褐色等各種顏色，這是化學(xué)風(fēng)化作用的一種可見(jiàn)標(biāo)志。含鐵礦物有多種氧化形式，如:4FeO+3O2-→2Fe2O3。鐵被氧化后的顏色往往對(duì)其成分、顆粒大小和成因有指示作用。錳元素與鐵元素行為相似，也易被氧化，但由于錳在巖石中含量較少，且錳的氧化產(chǎn)物多為暗褐色或者黑色，因此錳的氧化作用可見(jiàn)性并不顯著。在沙漠地區(qū)裂隙面或巖石表面上，氧化錳薄膜很普遍。硫元素在風(fēng)化作用中也易被氧化。硫化物一金屬化合物中的硫的價(jià)態(tài)為-2或-1,硫元素被氧化后價(jià)態(tài)升高，但只有硫元素以正六價(jià)硫酸鹽形式存在時(shí)，大氣才能達(dá)到平衡。下面方程式為黃鐵礦氧化的方程式:2FeS2+15/2O2+4H2O-+Fe2O3+4SO42-+8H+(LarsonandBirkeland,1982;Faure,1991;陳.俊和王鶴年，2004)。水解作用是指化合物與水反應(yīng)形成弱酸或弱堿。常見(jiàn)造巖礦物硅酸鹽礦物的風(fēng)化主要是水解反應(yīng)。斜長(zhǎng)石水解作用的化學(xué)反應(yīng)方程式如下:2KAISi;Os+2H++9H2O-→H4Al2SiOg+4H4SiO+2K+.斜長(zhǎng)石在碳酸存在的情況下完全分解，鋁離子、硅和氫離子形成一種粘土礦物(高嶺石)。鉀離子和硅酸留在溶液中，可能會(huì)被水帶走。一部分鉀也可能會(huì)被植物吸收或參與形成其他粘土礦物。粘土礦物種類(lèi)繁多，不同的環(huán)境會(huì)形成不同的粘土礦物。如高嶺石形成于水分充足的情況下，而千旱情況下，水解作用發(fā)生時(shí)最常形成的粘土礦物為蒙脫石(LarsonandBirkeland,1982;Faure,1991;陳俊和王鶴年，2004)。除以上三種作用外，化學(xué)風(fēng)化作用還包括水化作用、碳酸化作用等化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。(4)化學(xué)風(fēng)化作用指示劑化學(xué)風(fēng)化作用有多種指示劑，最常用的指標(biāo)有化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)、Sr/Sr*、鋰同位素組成、釷鈾比值(Th/U)等。其中CIA(chemicalindexofalteration)是Nesbitt和Young(1984)年提出來(lái)的化學(xué)風(fēng)化作用指標(biāo)(NesbittandYoung,1984)，其計(jì)算公式為CIA=Al2O3/(Al2O3+K2O+Na2O+CaO*)，式中所有氧化物的單位都是摩爾，CaO*是指硅酸鹽中的鈣。一般頁(yè)巖的CIA值為55-80,新鮮花崗巖是50,高嶺土和綠泥石是100。大部分頁(yè)巖的CIA值大于70，表明易溶物質(zhì)K、Na、Ca的流失導(dǎo)致難溶組分Al2O3百分含量增加。鍶元素極易溶于水中，因此鍶虧損能指示化學(xué)風(fēng)化作用的存在。Sr/Sr*=Sr/(Ce*Nd)/2,其中Sr是實(shí)際測(cè)出的鍶濃度，Ce、Nd分別是實(shí)際測(cè)出鈰元素和釹元素的濃度,Sr*是根據(jù)Ce和Nd的濃度測(cè)出的鍶元素的理論值。如果Sr/Sr*<1表明，沉積物中鍶虧損，指示化學(xué)風(fēng)化作用的發(fā)生。釷鈾比值指示與氧氣有關(guān)的化學(xué)風(fēng)化作用。釷鈾比值和鋰同位素組成指示化學(xué)風(fēng)化作用的原理將在第四章和第五章中涉及。(5)化學(xué)風(fēng)化作用的意義化學(xué)風(fēng)化作用的產(chǎn)物主要包括:1)原始礦物在風(fēng)化作用(如水解作用等)過(guò)程中形成的新礦物(如粘土礦物、氧化物、氫氧化物);2)溶于水中的離子和分子;3)石英、石榴子石、鋯石、白云母、自然金等源巖中抗風(fēng)化能力強(qiáng)的礦物;4)風(fēng)化作用過(guò)程中釋放到大氣中的惰性氣體(He，Ne，Ar,Kr,Xe和Rn)和氫氣、氮?dú)?、碳?xì)浠衔锏绕渌麣怏w。新形成的粘土礦物、氧化物等礦物，未被風(fēng)化的石英、石榴子石等抗風(fēng)化能力強(qiáng)的礦物和源巖殘留物質(zhì)共同形成殘余土。殘余土的進(jìn)-.步風(fēng)化便形成了土壤，土壤是動(dòng)植物生長(zhǎng)不可或缺的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要來(lái)源。還有一部分殘余土在重力作用、流水和風(fēng)侵蝕的作用下沿斜坡下滑(Faure,1991)。從地質(zhì)意義_上來(lái)講,化學(xué)風(fēng)化作用是沉積物的質(zhì)量從大陸沉積物向海洋沉積物轉(zhuǎn)移的開(kāi)始，也是某些元素地球化學(xué)循環(huán)的開(kāi)始，這些元素在源區(qū)被溶解，通過(guò)河流遷移入海，在海洋中經(jīng)過(guò)不同時(shí)間的停留，這些元素重新進(jìn)入地殼沉積物中。因此化學(xué)風(fēng)化作用不僅能分解巖石，還會(huì)影響水體的化學(xué)組成(Faure,1991)?？偨Y(jié)而言，化學(xué)風(fēng)化作用能夠產(chǎn)生碎屑顆粒，釋放易溶元素到水圈，保留地殼難溶元素，并通過(guò)此過(guò)程改變地殼組成和質(zhì)量(LiuandRudnick,2011;Liuetal,2013)?；瘜W(xué)風(fēng)化作用還能夠釋放Ca2+,Ca2+與碳酸鹽會(huì)發(fā)生沉淀反應(yīng)，使大氣中的CO2被隔離，從而達(dá)到間接控制氣候的作用。從另--方面講，限定古代大陸地殼經(jīng)受的風(fēng)化作用的強(qiáng)度不僅能夠了解上地殼的組成演化，還能夠?yàn)槲覀兲峁┕艢夂蜓莼畔ⅰ?.2.4風(fēng)化作用對(duì)大陸上地殼組成的影響(1)風(fēng)化作用對(duì)巖石質(zhì)量損失及地化組分的影響Faure(1991)對(duì)比了巴西巴拉納州新鮮和風(fēng)化玄武巖的常量元素氧化物組成比例(表1-1)，與新鮮玄武巖相比，風(fēng)化玄武巖含有較低比例的SiO2、CaO、MgO、Na2O、K2O、MnO和P2Os,較高比例的Ai2O3、Fe2O3、TiO2和LOI(燒失量，包括吸收的水、晶格中的水，碳酸鹽中的流體包裹體和二氧化碳，硫化物中的二氧化硫)。但是需要注意的是，這個(gè)含量變化的基礎(chǔ)是，新鮮玄武巖和風(fēng)化玄武巖的主要氧化物的總量都是100,不能得到主要氧化物的絕對(duì)含量變化。因此Faure假設(shè)玄武巖風(fēng)化前后的Al2O3絕對(duì)質(zhì)量不變，計(jì)算了風(fēng)化玄武巖中每個(gè)氧化物實(shí)際剩余質(zhì)量和絕對(duì)(實(shí)際)質(zhì)量損失，并在實(shí)際質(zhì)量損失的基礎(chǔ)上計(jì)算了各種氧化物風(fēng)化后質(zhì)量損失百分比。質(zhì)量損失百分比由大到小分別是CaO和Na2O(99.6%)、MgO(97.1%)、K2O(96.5%)、P2Os(89.1%)、MnO(75.0%)、SiO2(67.6%)、TiO2(42.0%)和Fe2O3(33.5%)。也就是說(shuō)玄武巖風(fēng)化后主要由Al2O3、SiO2、Fe2O3和H2O組成(Faure,1991;陳俊和王鶴年，2004)。表1-1巴西巴拉納州新鮮玄武巖與風(fēng)化玄武巖成分對(duì)比表(數(shù)據(jù)來(lái)源:Faure,1991)Tabel1-1CompositioncomparisonbetweenfreshbasaltsandweatheredbasaltsofParanstateinBrazil(datasource:Faure,1991)實(shí)際應(yīng)用中估算化學(xué)風(fēng)化作用對(duì)大陸地殼組成和質(zhì)量損失的影響遠(yuǎn)比Faure(1991)估算化學(xué)風(fēng)化作用對(duì)巴西巴拉納州玄武巖的質(zhì)量和化學(xué)組成的影響復(fù)雜得多。因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中，除化學(xué)風(fēng)化作用，火山噴發(fā)和拆沉等更多復(fù)雜地質(zhì)作