长江与黄河沉积物稀土元素随粒度变化对比研究

时间：2024-05-22

宫传东，戴慧敏，杨作升

（1.沈阳有色冶金设计研究院，辽宁沈阳110179；2.沈阳地质矿产研究所，辽宁沈阳110032；

3.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东青岛266003）

0 引言

东海陆架泥质沉积区是东海陆架的现代沉积中心，是物质的“汇”，而长江与黄河分别以年输沙量5×108t和11×108t的巨量泥沙进入我国边缘海，对我国陆架海沉积作用贡献巨大.长江、黄河沉积物的研究对于了解河流入海物质的扩散特点、陆架海物质组成特征、来源及上陆壳的平均成分等均具有重要意义，已有众多学者用不同方法对长江和黄河沉积物进行了分析比较［1－7］，以期获得区分两者的有效指标．由于两河物源区物质成分的差异和所处气候带不同造成的后期风化的不同,其沉积物在化学元素和矿物组成等方面存在较大的差别．在研究长江与黄河沉积物REE地球化学特征时认为二者的REE组成特征不同，长江沉积物REE含量高于黄河样品，元素含量变化也大于黄河样品，但两者的球粒陨石标准化曲线都呈明显的右倾状［8］再次对黄河沉积物REE组成进行分析认为，在小于63μm的细粒级组分与全岩样品相比REE组成变化较小，然而REE在不同粒级中的含量变化规律不明显［9］．进一步开展长江与黄河沉积物小于63μm的细粒级部分REE的地球化学特征分析和比较，探讨它们的控制因素对利用REE组成特征来示踪长江与黄河沉积物的物质来源及其对边缘海沉积的贡献有重要的意义．

1 样品与分析方法

1．1 实验样品

黄河样品采自黄河利津水文站底质沉积物，长江样品采自长江口附近的表层沉积物，采样位置见图1．

1．2 预处理及分析方法

样品预处理：将样品加蒸馏水稀释后，先用过氧化氢（15%）去除有机质，再加入浓度为 0．5mol/dm3、体积约 10mL 的分散剂（［NaPO3］6）浸泡 12 h，以便使样品充分分散．依据Stoke沉降原理分别提取小于2、2～4、4～8、8～16、16～32 及 32～63 μm 六个粒级的沉积物足够量，为了保证各粒级的纯度，对提取的各粒级沉积物反复采用Stoke沉降法提取直至符合粒度要求，采用激光粒度分析法对分级结果进行验证和评价．表1为分级粒度及体积含量（其中YR4重复3次测量进行仪器重复性监控）．

表1 长江与黄河样品不同分级粒度和体积含量Table1 Granularity and volume contentof sam ples fromYangtze River and Yellow River

稀土元素含量分析流程：为使样品溶解更彻底，样品预处理采用微波消解法，即准确称取各粒级样品0．1000±0．0001 g 于聚四氟乙烯密闭溶样罐中，取 1mL硝酸（1∶1）与3mL氢氟酸混均后滴加于溶样罐中，并加盖密闭进行微波消解，冷却后转移到自动控温电热板上（160℃）继续消解48 h；待消解完全后，冷却至室温，开启密闭盖，蒸至近干；加1mL高氯酸，蒸至白烟冒尽；冷却后加2mL硝酸，于自动控温电热板上加热使盐类溶解，蒸至近干；加1．5mL硝酸，加盖密闭并于自动控温电热板上（160℃）加热溶解12 h，冷却至室温后摇匀，于自动控温电热板上（80℃）保温10 h，冷却后用硝酸溶液稀释样品．REE含量测试采用ICP－MS法，由核工业北京地质研究院地质测试中心完成．

矿物成分分析流程：将提取的各个粒级样品滴入蒸馏水制备载玻片，自然风干后采用X射线衍射法测试矿物成分．该测试由沈阳地质调查中心实验室完成．

重矿物分析：将样品均匀分散于载玻片上，分别在体视镜下选取5处不重复部位进行统计（300颗），计算出重矿物的颗粒数百分数，最后求得5次的平均值作为重矿物颗粒百分含量．

2 长江、黄河不同粒级REE组成特征及分布模式

2．1 长江、黄河不同粒级REE组成特征

长江、黄河沉积物不同粒级REE含量见表2.由表2可知，在小于2μm的黏土粒级中，长江沉积物中无论是LREE还是HREE含量都高于黄河沉积物.在16～32μm和32～63μm的粉砂粒级中，长江沉积物LREE含量均高于黄河沉积物，HREE含量均低于黄河沉积物.相同粒级比较，长江沉积物ΣREE含量均明显高于黄河沉积物.经数理统计分析可以看出，长江沉积物不同粒级中REE含量的标准偏差（σChj）小于黄河沉积物，变异系数（C vChj）也小于黄河沉积物，说明长江沉积物不同粒级间REE含量的变化小于黄河沉积物.随着样品的粒度由粗至细，长江沉积物ΣREE增高，从属于“元素的粒度控制律”［10］.黄河沉积物在小于4μm范围内ΣREE相对高，4～16μm相对较低，而在16～63μm范围内ΣREE呈现上扬的趋势，即随粒度增大ΣREE呈高—低—高的不对称马鞍型分布（见图 2）.

2.2 长江与黄河不同粒级沉积物REE分馏特征

从表3可以看到，黄河沉积物中不同粒级间的（La/Lu）N和（La/Yb）N值非常接近.但是随着粒级变粗，它们呈现依次减小的趋势，说明黄河沉积物粒度越细，轻重稀土分馏越明显.而长江沉积物中（La/Lu）N及（La/Yb）N值不同粒级间变化相对较大，随着粒级变大先增加后减小，随粒级增加轻重稀土分馏越明显，但在最粗粒级又相对分馏弱.相同粒级中长江沉积物（La/Lu）N及（La/Yb）N值分别相应地比黄河沉积物中的高，这表明球粒陨石标准化后同一粒级中长江沉积物比黄河沉积物中的轻重稀土分馏更显著，二者各个粒级的（La/Lu）N及（La/Yb）N值都高于 UCC 和黄土高原黄土，但是黄河沉积物各个粒级的（La/Lu）N及（La/Yb）N值更接近于黄土高原黄土.黄河沉积物（La/Sm）N值随粒级增大先减小后增大，长江沉积物（La/Sm）N值随粒级增大逐渐减小.长江沉积物各个粒级中（La/Sm）N值都高于黄河的相应粒级沉积物，说明长江LREE在不同粒级中的分馏比黄河中的明显，与之不同的是，（Gd/Yb）N值在黄河沉积物中各个粒级非常接近，8～16μm粉砂粒级的最高，长江沉积物中黏土粒级相对低，粉砂粒级的较高，说明长江沉积物HREE在粉砂粒级分馏更明显，也明显强于黄河沉积物．

表2 长江、黄河沉积物不同粒级REE含量Table2 REE contents in sediments from Yangtze River and Yellow River by grain sizes

表3 长江、黄河沉积物不同粒级沉积物REE分馏比较Table3 Comparison of REE fractionations in the sediments between Yangtze River and Yellow River by grain sizes

从图3可以看到，长江、黄河沉积物各个粒级的REE北美页岩标准化分布曲线均为右倾斜型，不同粒级间曲线型状相似，存在弱的Ce亏损，明显的Eu正异常，长江沉积物Eu正异常尤为明显．黄河沉积物不同粒级的REE北美页岩标准化曲线比较相似，而长江沉积物不同粒级的分布模式LREE部分近似平行，HREE部分曲线形状存在细小差别，表明长江沉积物不同粒级间轻、重分馏程度不同，黄河沉积物的分馏程度较接近，黄河沉积物REE的配分模式与黄土高原黄土和黄河全岩样相比，小于2、16～32和32～63μm三个粒级的北美页岩标准化曲线更接近于黄河全岩样及黄土高原黄土REE的北美页岩标准化曲线．

3 长江与黄河沉积物不同粒级REE组成控制因素

黄河沉积物主要来自黄土高原黄土，黄河流域以蒸发盐和碳酸盐类风化为主，土壤呈碱性，pH为7．5～8．长江流域强的化学风化作用使土壤呈弱酸性，pH为5～6［12］．pH低使河流中胶体含量较高而吸附较多的REE，尤其是LREE．pH较高的河流中ΣREE较低，因而在相同粒级内长江沉积物的ΣREE含量高于黄河沉积物．前人研究认为REE主要在黏土矿物中富集，它们或赋存于黏土矿物晶格中，或被黏土矿物所吸附［13］，这也较好地解释了无论长江还是黄河沉积物REE在黏土粒级沉积物中均具有较高的含量．对长江、黄河各个粒级沉积物进行了X射线衍射分析及体视镜下观察，分析结果见表4和图4、5．黄河沉积物在4～8μm和8～16μm粒级中除黏土矿物外，石英和长石含量骤增．由于石英和长石对稀土元素含量具有直接的稀释作用，使得∑REE在这两个粒级内表现出低值，与其他粒级相比，在8～16μm粒级中，长石含量最高，而较高含量的长石也可能是导致Eu的正异常的直接原因．在16～32和32～63μm粒级范围内，除了出现上述矿物外还出现了碳酸盐，这一结果与范德江等［14］的结论相一致．∑REE在这两个粒级中也较高，在地球化学上，表生风化过程中REE被释放后能与碳酸盐形成络合物而迁移，而且稀土碳酸盐络合物是难溶的［15－16］．长江沉积物随粒度增大黏土矿物逐渐减少，石英和长石含量递增，在大于4μm的沉积物中出现了碳酸盐，但是碳酸盐含量较低，并且随粒度变化不大，表明长江沉积物中碳酸盐对稀土元素含量的变化并没有太大的影响．

表4 长江与黄河沉积物不同粒级样品的矿物组成成分及含量Table4 M ineral com ponentsand contents in the sediment sam ples from Yangtze River and Yellow River by grain sizes

另外，重矿物也是稀土的重要载体，之所以有时砂中出现稀土的异常高值，就与砂中存在较多的重矿物有关［17］．经镜下观测，黄河沉积物重矿物含量随粒度增大依次增大，其较粗粒级中较高的稀土含量可能与其相对较高含量的重矿物也有着直接的关系．而长江沉积物重矿物含量在各个粒级中含量均甚少（见表5）．

综上所述，黄河沉积物ΣREE随粒度增大呈现的高—低—高不对称马鞍型分布受沉积物中长石、石英的稀释、黏土矿物的吸附及含有的碳酸盐和重矿物的富集多种因素所控制．长江沉积物ΣREE随粒度增大呈现的衰减趋势可能是细0粒级部分黏土矿物的吸附及随粒度增大而增大的长石和石英含量对REE稀释作用的结果．

4 讨论与结论

对比长江、黄河不同粒级沉积物REE的组成特征，发现两条河流不同粒级沉积物REE分布和含量有下列特点：

（1）相同粒级沉积物中长江沉积物∑REE的含量普遍高于黄河沉积物，这与长江、黄河的物质来源、流域背景及风化条件密切相关．

（2）随着粒级由细至粗，黄河沉积物呈现高—低—高的不对称马鞍型分布，这种结果主要与黏土矿物对REE的吸附及流域碎屑沉积物中不同粒级的矿物成分密切相关，黄河沉积物粗粒级中含有的碳酸盐及相对较高的重矿物对REE具有一定的富集作用.

表5 长江与黄河沉积物不同粒级样品重矿物含量Table5 Heavym ineralcontents in the sedimentsam ples from Yangtze River and Yellow River by grain size

（3）长江沉积物ΣREE呈衰减趋势，粗粒级中重矿物含量甚微，对ΣREE影响不大，随粒级增大，ΣREE减小是由于相对较高的长石和石英含量对REE起了主要的稀释作用.

（4）经北美页岩标准化后，同一粒级长江沉积物中轻、重稀土分馏明显强于黄河，轻稀土分馏也明显强于黄河沉积物，占主导地位的物理风化是使黄河沉积物REE分馏较弱的主要因素；黄河沉积物各个粒级的（La/Lu）N、（La/Yb）N、（La/Sm）N及（Gd/Yb）N值更接近于黄土高原黄土，反映了黄河沉积物在物质来源上对黄土的继承性.

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