现代黄河三角洲ZK孔岩心Pb、Al、Fe、Mn和Cu的地球化学

Question

如题所述

Answer 1

业渝光　和杰　刁少波　宋苏顷　蔡善琪

（地质矿产部海洋地质研究所）

提要　现代黄河三角洲ZK226孔岩心的²¹⁰Pb、Al、Fe、Mn和Cu的地球化学表明，沉积物的粒度是控制上述元素的主要因素，这些元素与粒度的相关性是²¹⁰Pb＞Fe＞Al＞Mn＞Cu。粘土和Fe的水合氧化物是吸附²¹⁰Pb的主要组分。标准化后的²¹⁰Pb_CX与Al、Fe、Mn和Cu的比值对黄河中上游流域的土壤侵蚀情况具有良好的指示意义，这为建立黄河中上游流域的土壤侵蚀模式打下了必要的基础。

关键词²¹⁰Pb粘度 粘土 水合氧化物

黄河以其高输沙量而闻名于世，来自黄土高原的泥沙在黄河入海处快速堆积，建造了现代黄河三角洲。²¹⁰Pb技术是测定现代沉积率的有效手段，我们曾试用这种方法为现代黄河三角洲的叶瓣模式提供²¹⁰Pb的证据。但是由于黄河携带的泥沙都是细颗粒物质，主要是粉砂，而且沉积率极快，这就给应用²¹⁰Pb技术带来许多困难，如²¹⁰Pb的初始浓较低，粒级不匀等。这些因素使许多现代黄河三角洲钻孔岩心中的²¹⁰Pb垂向分布不呈指数关系衰减，很难分析。为此，我们开展了现代黄河三角洲²¹⁰Pb剖面标准化方法的研究，同时还对与²¹⁰Pb有关的一些元素进行测试和研究。本文重点报道现代黄河三角洲ZK226孔岩心²¹⁰Pb、Al、Fe、Mn和Cu的地球化学，为大陆架沉积物地球化学若干模式提供新的证据；还对现代黄河三角洲的²¹⁰Pb的来源等问题提出一些初步看法，为建立黄河流域土地侵蚀的模式打下必要的基础。

1基本原理

惰性气体氡（²²²Rn），不断从地壳中扩散出来进入大气，经过一系列短寿命子体衰变到²¹⁰Pb，并迅速吸附在大气的微粒上，随着降雨、降雪和干尘埃的散落而返回地面。当带有²¹⁰Pb的尘埃进入水圈后，被吸附在水体中的微小颗粒上，颗粒越小比表面积越大，吸附的²¹⁰Pb亦越多。因此，可以在经历很短的时间的一段岩心上有意识地密集采取不同粒级的样品，测定其²¹⁰Pb及有关元素的浓度和粒度，找出它们之间的相关性，然后把²¹⁰Pb及有关元素在同一粒径的基准上归一，这就是²¹⁰Pb剖面标准化方法的基本出发点。我们可以把样品的不同粒径部分都归一到10φ粒径上来，称之为10φ当量粒径D(%），这个D的含义及占百分比表示沉积物相当归一到10φ时表面积的大小，D所占的百分比越大，吸附的²¹⁰Pb粒子越多。

Al是铝硅酸盐的主要成分，在自然界中各种铝硅酸盐矿物分布广泛，它们在风化作用下都可转变为粘土矿物。所以Al是粘土矿物的主要成分，如伊利石含Al 13.5%，高岭石含Al几乎达21%，蒙脱石含Al 11%,Al和粘土直接相关。土壤中的胶体无机颗粒部分的次生矿物除粘土外，还有一类是Fe、Mn的水合氧化物，这些水合氧化物具有絮状结构，也具有很大的比表面积。Cu和Pb一样可以被有机质、粘土矿物和胶体等吸附呈悬浮状态搬运，可用Cu来监测Pb，吸附Cu能力的大小也可反映吸附Pb的能力。

在现代黄河三角洲，有机质含量较低，一般只有千分之几，对²¹⁰Pb的吸附不是主要的，起主导作用的是粘土颗粒和Fe的胶体颗粒，因此，本文没有讨论有机质和²¹⁰Pb的相关性。

2　取样地点及岩性描述

ZK226孔位于垦利县呈子口西南600m公路东侧（图1），孔口标高2.1m，孔深30m。样品的采取是经过精心选择的，在沉积物岩性明显不同的界限都采取样品，一共采取32个样品。由图1可看出这个钻孔位于第5流路的古河道入海处，根据地质资料，这个钻孔沉积物主要是由第5叶瓣和第8或第9叶瓣所组成。在第5叶瓣（1926～1929年）沉积

图1　现代黄河三角洲叶瓣和钻孔位置Fig.1 The modern Huanghe River deltaic lobes and the sites of ZK226 and 88C₂

虚线为第1亚三角洲（1855～1934）的古河道及舌状堆积体，各叶瓣的形成年代为

①1855.6～1889.3；②1889.3～1897.5；③1897.5～1904.6： ④1904.6～1926.6；

⑤1926.6～1929.8；⑥1929.8～1934.8；⑦1934.8～1953.7；⑧1953.7～1964.1；

⑨1964.1～1976.5；⑩1976.5～现在；▲钻孔

物中（岩心长3m左右）采取不同粒径的样品15个，选择这个叶瓣的目的是由于沉积时间短、可以忽略²¹⁰Pb本身随时间衰减而引起的误差，使分析的问题更加简化，可认为是同一年沉积的。本底的²¹⁰Pb浓度同样受粒度控制，取本底样品10个。在第5叶瓣以上的岩心上取样品7个。样品的岩性、深度及沉积环境见表1。

3　实验及结果

用SKC-200型光透式粒度分布仪测定每个样品的粒度分布情况，然后折算成10φ当量粒径D(%），用a谱法测定样品²¹⁰Pb浓度，实验方法同文献。用容量法分析Al的含量，Fe、Mn和Cu的分析是用原子吸收技术在日立180-80分光光度计上完成的。测试结果均列入表1。

4　讨论

4.1　粒度和²¹⁰Pb、Al、Fe、Mn、Cu的相关性

赵一阳对“元素的粒度控制律”，已作详细的论述。我们把表1中的D和实测的²¹⁰Pb、Al、Fe、Mn和Cu的含量相关，关系式列入表2。为了更加直观，把表1的数据标绘在图2中。

图2　ZK226孔²¹⁰Pb、Al、Fe、Mn、Cu和D沿深度分布图Fig.2　Distrbutions of²¹⁰Pb,Al,Fe,Mn,Cu and D

表1　ZK226 孔化学分析和²¹⁰Pb结果及有关参数Table 1 Data of²¹⁰Pb and chemical analy Ses as well as related parameters

由表2可见这几种元素和10φ当量直径D明显地相关，它们之间相关性

²¹⁰Pb＞Fe＞Al＞Mn＞Cu

²¹⁰b和D的相关性最好，相关系数也很高，已用于²¹⁰Pb剖面的标准化，实验结果表明，这种粒度相关的²¹⁰Pb标准化方法是可靠的。

表2　D和²¹⁰Pb、Al、Fe、Mn、Cu的相关性　Table2　Correlations of²¹⁰Pb,Al,Fe,Mn,Cu with D

显然，在表2的关系式中第一项和样品的粒度有关，而第二项常数则是样品自身的陆源碎屑部分。在本底样品中（第2组），元素和粒度D之间的关系减弱，而碎屑本身的相关性增加。Al、Fe和Mn的第二项增大，但增加的幅度并不太大，这表明埋藏压实作用对这3种元素的吸附作用能力影响不大。就²¹⁰Pb而言，本底²¹⁰Pb的贡献大部分来自沉积物自身的铀系衰变，被吸附在细小颗粒上的²¹⁰Pb仅占小部分，而在第1组中则是以颗粒吸附的²¹⁰Pb为主。在沉积过程中Cu主要以硫化物的形式出现，但因Cu的硫化物溶解度极低（Cu₂S为2.5×10^-50），故在沉积过程中不能以硫化物的形式搬运，在黄河中Cu极可能被粘土矿物和Fe和Mn胶体吸附呈悬浮状态搬运。但是在埋藏压实作用下，铜从吸附状态解吸下来形成硫化物沉淀，这可能是本底样品中Cu和粒度相关性明显减弱的原因。

在第1组样品中，Al对粒度的响应较弱，Fe对粒度的响应较强，这可能是由于Fe水合氧化物的絮状结构比表面积比粘土的比表面积大的缘故。

4.2　Al、Fe、Mn、Cu和²¹⁰Pb的相关性

把1926～1929年样品（8^＃～22^#）和本底样品（23^＃～32^#)Al、Fe、Mn、Cu和²¹⁰Pb的相互关系列入表3。

表3　Al、Fe、Mn、Cu和²¹⁰Pb的相关性Table3　Correlations of Al、Fe、Mn、Cu with²¹⁰Pb

从表3可看出在第一组中这些元素和²¹⁰Pb的相关性是

Fe＞Al＞Mn＞Cu

这个顺序和元素与粒度的相关性的顺序完全一致，这表明²¹⁰Pb黄河水系中的搬运和消除，主要是吸附作用。根据元素在样品中的含量，显然吸附²¹⁰Pb的主要组分是粘土矿物和Fe的水合氧化物。

在第2组本底样品中，这些元素和²¹⁰Pb的相关性是

Al＞Fe＞Cu＞Mn

这可能是粘土中含有铀（自身的或吸附的）较多，对²¹⁰Pb本底的贡献较大。

4.3　²¹⁰Pbex与Al、Fe、Mn、Cu之比的指示意义

Carpenter等（1981）曾用沉积物中的²¹⁰Pb与Al、Mn和有机碳之比来判断华盛顿大陆坡和陆架沉积物的不同来源。现代黄河三角洲的物质来源前人已做过许多工作，无论是矿物学还是地球化学的资料都表明90%以上的沉积物来自黄土高原。用²¹⁰Pb这样较短寿命的核素除了判断沉积物来源外，还有一个独特的功用就是可用来研究河系主要地质参数的短期变化，如土壤侵蚀速率和颗粒迁移时间等问题。在现代黄河三角洲注入由于沉积物中粉砂多，有机质少，来源同一，堆积速率快等固有的特点，各样品的总²¹⁰Pb和Al、Fe、Mn、Cu之比相差不大，也就是说指示的灵敏度低。我们使用标准化后过剩²¹⁰Pbex和Al、Fe、Mn、Cu之比，大大提高指示灵敏度，可以给我们较多的地质信息。标准化后过剩²¹⁰Pb_ex和Al、Fe、Mn、Cu之比列入表1，并标绘在图3中。

由图3可看出在1926～1929年和1953～1955年两段岩心内各样品的²¹⁰Pb_ex与Al、Fe、Mn和Cu的比值基本一致，而两段之间的²¹⁰Pb_ex与Al、Fe、Mn、Cu之比的比值相差较大。

在某一特定地区大气的²¹⁰Pb通量可认为是恒定的，大气中含有的²¹⁰Pb尘埃降落到地球表面时，直接进入河流中很少，绝大部分降落在地球的表面土壤中。Carpenter(1981）的测试数据表明，哥伦比亚河中的²¹⁰Pb最多有2%的大气²¹⁰Pb的补给，其余大气的²¹⁰Pb都降落在哥伦比亚河流域；Bcrtine等（1978）的数据也表明，进入半干旱湖的²¹⁰Pb也是来自邻近的土壤，所以具²¹⁰Pb的河流搬运的颗粒主要来自土壤。我们的结果表明，①整个ZK226孔沉积物的来源相同，各样品中Al、Fe、Mn和Cu的含量基本相同。②在一般情况下，黄河携带的²¹⁰Pb都是来自表层，过剩的²¹⁰Pb_ex表明都是在1～2a沉降下来的²¹⁰Pb。这一点极为重要，它为建立黄河流域土壤侵蚀的模式打下必要的基础。现代黄河三角洲²¹⁰Pb的搬运历程是，黄河中上游流域表层土壤中的²¹⁰Pb随着降雨和径流进入黄河水系，和黄土高原的沉积物混合并被迅速吸附，最终沉积在河口地区。

图3　ZK226孔标准化后²¹⁰Pb_ex与Al、Fe、Mn、Cu的比值沿深度分布图Fig.3 Distributions of ratios of standardized²¹⁰Pbexto Al、Fe、Mn and Cu

在图3中我们可见3^＃、5^＃样品²¹⁰Pb_ex与Al、Fe、Mn、Cu的比值，明显小于同期的（2～3a)1^＃、2^＃、4^＃和6^#210Pb^ex与Al、Fe、Mn、Cu的比值，这是由于1954年的特大洪水（年输沙量是19.8亿t，汛期17.6亿t）把黄河中上游流域一些较老的²¹⁰Pb物质带入的结果。尤其在暴雨时径流把黄土高原沟壑四周较老的沉积物带入黄河，使²¹⁰Pbex稀释，这种稀释作用下一定是SiO2对粘土的稀释，这种稀释作用不一定是SiO₂对粘土的稀释，而是接近本底的²¹⁰Pb或本底²¹⁰Pb的稀释。这一事实在1926～1929年的²¹⁰Pb_ex剖面内看得更加清楚（见图3）。1926～1929年是黄河输沙量较小的流路，1928年是最小输沙量年份，年输沙量仅为4.88亿t（陕县水文站）。标准化后的²¹⁰Pb与Al、Fe、Mn、Cu比值的曲线，在此期间有明显的4个低峰，这是1928～1929年汛期所造成的。1928年汛期输沙量最小，所以低峰也最小。

通过以上讨论，我们可看出标准化后的²¹⁰Pb与Al、Fe、Mn、Cu之比对土壤侵蚀情况有重要的指示意义而且有极高的灵敏度。使用这些比值对其他的河流－湖泊、海洋沉积物体系同样具有物质来源的指示意义。

5　几点认识

从ZK226孔岩心的²¹⁰Pb、Al、Fe、Mn和Cu的地球化学，我们可以得到以下几点认识。

（1）现代黄河三角洲²¹⁰Pb、Al、Fe、Mn和Cu的分布遵循“元素的粒度控制律”，这些元素和粒度的相关性²¹⁰Pb＞Fe＞Al＞Mn＞Cu。

（2）黄河水系中吸附²¹⁰Pb的主要组分是粘土颗粒和Fe的水合氧化物。Al、Fe、Mn、Cu与²¹⁰Pb的相关性是Fe＞Al＞Mn＞Cu；在本底样品中是Al＞Fe＞Cu＞Mn。

（3）标准化后的²¹⁰Pb_ex与Al、Fe、Mn、Cu的比值对黄河中上游流域土壤侵蚀的模式打下必要的基础。

我们用同样的方法还测定88C₂孔（见图1）沉积物中的²¹⁰Pb、Al、Fe、Mn和Cu的浓度，它们符合本文所总结的这几点认识，因篇幅所限，不再重复报道，看来这些规律适用于现代黄河三角洲。

海洋地质研究所成国栋先生提供样品和有关地质资料，中国科学院地质研究所铀系实验室夏明先生和北京大学考古系第四纪年代学实验室原思训先生对本项工作给予极大的支持，在此一并表示衷心感谢。

参考文献（略）

（海洋地质与第四纪地质，1991,Vol.11,No.4,25～33页）