风化过程中元素行为及其对地球化学异常识别的意义

【摘 要】风化产物中许多微量元素含量通常比其母岩高1-2数量级，这种由于风化造成的元素富集常常和矿化富集不易区分。为了定量描述风化过程中元素行为，我们选择豫西熊耳山地区的一个安山岩风化剖面进行研究。根据元素含量和WIG指数之间的指数关系定量描述了风化剖面中12种微量元素的风化行为，并可以把它看作相同母岩不同风化程度下的背景值。

【关键词】风化过程；元素行为；地球化学异常识别

前言：

岩石及其所包含的矿物质在大气圈、水圈和生物圈的作用下所发生的各种复杂的量变和质变过程的综合，称为风化作用。风化作用是一个持续演化的过程，岩石及其碎屑在长期的化学、物理、生物条件作用下发生破碎，不稳定的矿物发生分解，其中可溶性物质易于被水带走而流失，难溶物质则残留在原地形成风化壳。风化壳是风化作用的产物，是由各种矿物体系、化学体系、生物体系组成的综合体系，能够直接记录地球多圈层演化的信息。由于风化程度不同，风化壳在物理特征上应表现为由地表向下粒度逐渐变粗并过渡为基岩；在化学特征方面，由于化学性质的差异，各元素在风化过程中发生分异，会在不同位置出现出现元素的富集或亏损现象。风化壳中不同风化阶段的产物，在一定程度上决定了其所包含的母岩地球化学信息。

一.研究现状

1.1风化与元素行为

风化作用是一个持续演化的进程，岩石及其碎屑在长期的物理、化学、生物条件作用下发生破碎，不稳定的矿物发生分解，因此岩石的风化程度不同，其所含矿物和元素含量也会存在差异。

1.2地球化学异常下限

地球化学异常下限是根据背景值和标准离差按一定置信度所确定的异常起始值，是分辨地球化学背景与异常的一个量值界限。从这个数值起，所有的高含量都可认为是地球化学异常，低于这个数值的所有含量则基本认为属于地球化学背景的范围。

勘查地球化学的一个基本问题就是确定地球化学异常下限，这也是将勘查地球化学应用于矿产勘查时决定成败的一个关键性环节。随着人们对地球化学数据分布特征认识的不断加深和计算机技术的迅猛发展，新的计算地球化学异常下限的方法也不断出现，但由于地质背景复杂，成矿模式多种多样，至今仍然没有发展出一种普遍适用的地球化学异常下限计算方法，每种计算方法都有各自的优势，同时又都存在假设条件的制约和使用的局限性。

长期以来，在实际工作中人们主要使用经典的统计学方法，通过计算地球化学数据的均值、中位数、标准离差等统计学参数对异常进行筛选和评价。传统统计学方法以在自然界中常量元素接近正态分布，微量元素接近对数正态分布为前提，但是由于自然界中元素的地球化学迁移以及迁移期间体系和环境之间存在物质和能量的交换，所以实际工作当中基本没有完全理想的满足主量氧化物正态分布、微量元素对数正态分布的数据，需要剔除原始数据中的特异值（特高值或特低值），对数据进行一定的处理，直到数据符合正态分布或对数正态分布为止。

由于使用这种方法所确定的地球化学异常下限只是由背景数据确定的，而非所有数据，所以在度量地球化学景观区背景数据时使用传统统计学方法效果是比较理想的，但由于在前期数据处理过程中造成了部分数据缺失，因此比较容易漏失弱小异常。为了使地球化学数据服从正态分布或对数正态分布的假设条件，发展出了许多种数据转换方法，比如对数正态变换、平方根变换等。但实践证明，有些数据即使经过变换处理，也不能服从正态分布。

二.岩风化过程中元素行为

2.1稀土配分曲线

基于风化壳剖面研究元素在风化过程中的地球化学行为，首先要保证所研究的样品是由同一母岩风化而形成的，尽量避免外来物质的干扰。稀土元素配分曲线为探讨风化产物的物质来源提供了示踪技术。

2.2风化程度及风化指数

岩石的风化作用包括物理风化、化学风化和生物风化三种类型，三者不是单一孤立而是统一的。物理风化仅使岩石破碎解体，粒度变细，但化学成分应基本不变。物理风化主要是岩石受温度的影响不均匀的胀缩而产生破碎。

最初的研究认为矿物的物理风化是由表及里逐渐进行的，但随着研究的深入和研究方法的日趋先进，发现矿物的物理风化是由矿物的棱角、裂纹、节理和解理等薄弱部位开始而使矿物逐渐断裂分解的。岩石的化学风化过程包括多种类型的化学反应，如水解、氧化、离子交换、水化等，可以使岩石的化学成分、矿物成分发生改变。生物风化兼具物理风化和化学风化的特点，生物活动既可以使岩石产生机械破坏，其分泌的有机酸等又可改变岩石的化学成分。

由岩石风风化形成土壤及其其他风化产物的过程是非常复杂的，受多种因素影响。岩石的风化产物按其性质和成因可以分为原生矿物和次生矿物两类。原生矿物是母岩物理风化破碎而形成的碎屑物质，它们的种类和数量随母岩岩性、风化程度的不同而不同。

次生矿物是化学风化过程中形成的矿物，种类较多。土壤中的原生矿物大多为化学性质稳定的矿物，如石英等，主要组成土壤的砂和粉砂部分；次生矿物中最重要和数量最多的是粘土矿物，如高岭石类、蒙脱石类、伊利石类等，具有较强的离子吸附性，是土壤中粘粒和无机胶体的主要组成部分。其他的次生矿物主要有铁、铝的氧化物类和简单的矿物质盐类等。岩石中元素抗风化能力存在较大差异，风化过程中的活动性较强的元素如Ca、Mg、K、Na等易溶于流体，易于随流体发生迁移并被带出风化壳，而相对活动性较弱或惰性的元素，如Si、Al、Fe、Mn、Ti等，则容易残留在风化壳中并因其他元素的流失而发生相对富集。风化程度是反映风化特征的重要方面，而风化指数则是衡量风化程度的指标。化学风化指数主要将元素划分为活动元素和不活动元素，根据元素在岩石风化过程中的淋失、迁移特性，一般利用活动元素和不活动元素的含量比值衡量岩石及其产物的风化程度。

自二十世纪以来，众多学者已提出过20余种风化指数，大致可以分为：两个以上化学成分比值相关的风化率、相对于母岩的变化率和考虑多种变量的综合指标三种类型。在众多的风化指数中除LoI直接用质量百分比表示样品风化程度外，其余的风化指数均是以摩尔分数比表示的。

2.3热液成矿元素

随着WIG风化指数的减小，即样品风化程度的增强，除Mo、Zn、Cd变化趋势较为复杂外，其它11项热液成矿元素含量均表现出逐渐升高的趋势。这表明随着风化程度的增强，热液成矿元素W、Sn、Bi、Cu、Pb、Au、Ag、As、Sb、Hg等均发生明显的富集，且元素含量富集通常达到一个数量级，其中Au、Ag甚至富集达到两个数量级。

岩石的风化产物按性质和成因可分为原生矿物和次生矿物两种。原生矿物是母岩机械风化破碎而成的碎屑物质，种类和数量随母岩类型、风化强度不同而存在差异；次生矿物是在化学风化过程中形成的矿物，种类很多，其中数量最多和最为重要的是黏土矿物。

黏土矿物颗粒小，稳定性高，具有离子代换吸收性能。不同岩性岩石的风化特征存在很大的差异。当WIG值较高即岩石风化程度较弱时，与黑云母花岗岩相比，安山岩中大多数微量元素含量较高，但当风化进行到一定程度后，安山岩和花岗岩具有相似的风化行为，元素含量和WIG指数间的指数关系非常接近。在风化的初期阶段，花岗岩中大多数微量元素含量基本逐渐上升，而安山岩则有一个微弱的含量先下降后上升的过程，推测可能与安山岩的岩石结构有关。在风化的初级阶段，物理风化起主导作用，化学风化处于次要地位，矿物由其棱角、裂纹、节理或解理等结构薄弱部位开始分解、破碎。

花岗岩为侵入岩，矿物成分较为简单，结晶程度高，结构和构造比较单一，矿物粒度大，容易形成黏土矿物吸附风化过程中分离的元素，所以花岗岩风化过程中大多数微量元素含量基本逐渐升高。安山岩为喷出岩，隐晶质，矿物结晶较差，颗粒较细小，结构致密，较难风化。安山岩的风化过程呈现双阶段性特点：在风化的初期阶段，岩石中黏土矿物含量较少，大多数微量元素的行为以淋滤为主，元素含量下降；随着风化程度的加深，黏土矿物含量逐渐增加，矿物风化中分离的微

量元素被黏土矿物吸附，元素含量相对增加。前期阶段相对于整个风化过程所占比重较小，从风化过程中元素的整体行为考虑可以认为安山岩和花岗岩中大多数微量元素风化行为是一致的。

结论：

通过研究山岩风化剖面元素地球化学特征，并结合片麻岩、安山岩风化土壤和水系沉积物粒级与元素含量的关系，取得了以下几点认识：在安山岩的风化过程中，W、Sn、Bi、Cu、Pb、Au、Ag、As、Sb、Hg、Nb、Ta、Zr、Hf、Th、U、Li、B18项微量元素基本随WIG风化指数的减小亦即风化程度的增强而富集，且含量富集通常达一个数量级；Zn、Sc、Y、F、Co、Ni、V、Cr、La9项元素在风化过程中元素含量变化不大，并没有表现出强烈的富集或亏损现象；Mo、Cd、Be、Rb、Ba含量随WIG风化指数变化情况较为复杂；Sr含量随WIG风化指数减小为降低。其中，W、Sn、Bi、Au、As、Sb、Zr、Hf、U、Li、Sr、La元素含量与WIG风化指数具有较好的指数关系。

参考文献：

[1]艾国栋，戴塔根，陈明辉，鲍振襄，包觉敏.湘西龙王江锑金矿地质特征及水系沉积物异常找矿[J].地质找矿论丛，2012，27（2）：233-237.

[2]戴慧敏，代雅键，马振东，杨忠芳，宫传东，孙中任.大兴安岭查巴奇地区水系沉积物地球化学特征及找矿方向[J].现代地质，2012，26（5）：1043-1050.

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