詹 濤，楊 業(yè)，曾方明

(1.黑龍江省第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.中國科學院青海鹽湖研究所 中國科學院鹽湖資源綜合高效利用重點實驗室，青海 西寧 810008)

1 引言

五大連池世界地質(zhì)公園內(nèi)保存了全球最典型的噴氣錐、噴氣碟等火山地貌景觀.這些景觀是十分特殊的地質(zhì)遺跡，極具觀賞性和研究價值，也亟需保護.公園內(nèi)的噴氣錐和噴氣碟大多分布在火燒山區(qū)域；在水量充足的三池西北部、四池和五池之間的熔巖臺地上，噴氣錐、噴氣碟發(fā)育尤為集中[1].噴氣錐是火山熔巖表層的小圓丘狀熔巖[1].這些圓丘狀、帶氣孔的噴氣錐是由火山噴發(fā)的巖漿、火山碎屑物與含水地表等相互作用而形成的[1].公園內(nèi)的噴氣錐形似寶塔，大多由10 ～ 30層黑色熔巖堆疊而成；噴氣錐一般高1 ～ 4 m，底部直徑一般2 ～ 5 m，頂端有一噴氣孔，中空[1-2].噴氣碟似碟狀，平面形態(tài)大多呈橢圓形；噴氣碟的熔巖堆疊層數(shù)較少，一般只有2 ～ 3層；底徑多為1.5 ～ 3.5 m，高1 m左右，碟坑深1.0 ～ 1.5 m[1].

五大連池世界地質(zhì)公園內(nèi)的噴氣錐、碟地貌景觀蔚為壯觀，蜚聲海內(nèi)外，每年慕名前來參觀的游客絡繹不絕.園區(qū)管委會為了方便游客參觀，特意修建了木質(zhì)棧道，并在木質(zhì)棧道兩邊樹立了鐵鏈防護欄，阻止游客踩踏噴氣錐、碟，從而更好地對它們進行保護.然而，由于自然界不可抗拒的風化作用，目前某些噴氣錐、碟的中心部位已有樹、苔蘚等植物生長.

五大連池火山群的噴發(fā)時代幾乎貫穿整個第四紀；60余個K-Ar測年數(shù)據(jù)和歷史文獻記載表明五大連池火山群從2.1 Ma前開始到公元1720 ～ 1721年斷續(xù)有噴發(fā)活動，在松嫩平原上形成了14座火山錐，并由熔巖堰塞形成了五個湖泊[2-4].由于噴發(fā)時間最晚，火燒山噴發(fā)時的溢出物還未遭到嚴重的風化破壞，噴發(fā)的熔巖在流動過程中形成的噴氣錐、噴氣碟等火山地貌保存完整[1].

化學風化蝕變指數(shù)(CIA)[5- 6]和Rb/Sr比值[7-8]通常被用來指示巖石、沉積物的化學風化強度.為了評估化學風化作用對五大連池風景區(qū)噴氣錐、碟的影響，我們在研究區(qū)采集了三類樣品：(1)玄武巖典型風化剖面；(2)噴氣錐、碟鉆孔巖芯；(3)噴氣錐、碟集中區(qū)域的表層巖石樣品.本次研究旨在對上述樣品的元素組成和含量變化特征進行研究，以期獲得景區(qū)內(nèi)玄武巖的化學風化狀況.

2 材料與方法

2.1 材料

團結(jié)水庫東南壩尖(48.6143°N，126.0046°E)的玄武巖風化剖面(編號為S1)從上至下清晰地包含全風化層(0～ 60 cm深)、半風化層(60～ 130 cm深)和未風化層(130 cm深以下，未見底)(圖1a).在全風化層(5 cm間距)和半風化層(10 cm間距)采集了散樣，并在135 cm、約150 cm和約250 cm深處采集了未風化的基巖樣品.另外，在公元1720-1721年噴發(fā)的熔巖臺地(48.6394°N，126.1511°E；編號為S2)上采集了0～ 2 cm深處的表層風化巖石樣品，并在約5 ～ 10cm、10 ～ 15 cm和35 ～ 40 cm深處采集了未風化的玄武巖樣品.

利用美國紹爾背包鉆，對編號為Z252(圖1b)、Z248(48.7464°N，126.1789°E)、Z277(48.7472°N，126.1797°E)的噴氣錐以及編號為D551(48.7461°N，126.1800°E)、D479(48.7464°N，126.1786°E)、D113(48.7436°N，126.1842°E)的噴氣碟采集了巖芯標本.采集噴氣錐巖芯時，鉆頭呈水平狀態(tài)沿外壁往里頭鉆，巖芯長度以最外層為0 cm開始計算；采集噴氣碟巖芯時，鉆頭以垂直的方式從頂部往下鉆，巖芯長度以最頂部為0 cm開始計算.

在火燒山噴氣錐、碟發(fā)育最集中的區(qū)域，在空間上對25個噴氣錐、32個噴氣碟的表層巖石樣品進行了采集(圖1c).對于某些風化情況特殊的噴氣碟(如D635)，按照直線從碟的邊緣經(jīng)過中心再到另一邊緣按照合理的間距進行采樣.此外，在附近的熔巖臺地采集了表層0～ 10 cm深已經(jīng)風化成壤的樣品(48.7370°N，126.1720°E)和表層0～ 10 cm深夾火山灰的土壤樣品(48.7256°N，126.1557°E).

野外一共獲得178個可用于元素含量分析的樣品：22個風化剖面(S1)的樣品，6個熔巖臺地(S2點位)的樣品，25個鉆孔巖芯樣品，125個火燒山噴氣錐、碟的表層巖石及附近熔巖臺地上的樣品.

圖1 野外剖面和采樣(據(jù)文獻[10]修改)

2.2 實驗方法

風化剖面的散樣等采集回來后，使其在烘箱中(溫度調(diào)為80°C)烘干.對于塊狀的玄武巖樣品，先用錘子將其砸碎，再磨碎，最后收集通過200目不銹鋼網(wǎng)篩的粉末.

稱取4g左右的樣品放入聚氯乙烯環(huán)內(nèi)，采用壓片機壓制成片.壓好的片直接用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的Axios X射線熒光光譜儀(型號PW4400)進行元素測定.元素含量在中國科學院青海鹽湖研究所鹽湖化學分析測試中心測定.測定過程用平行樣品(又稱重復樣品)進行質(zhì)量監(jiān)控，確保測試結(jié)果的精度.各元素分析誤差小于5%.

3 結(jié)果與討論

3.1 玄武巖風化剖面的元素組成及對化學風化的指示

五大連池玄武巖風化剖面的元素組成結(jié)果見表1.團結(jié)水庫玄武巖風化剖面，從上至下，依次出露非常完整的全風化層、半風化層和未風化層(圖1a).團結(jié)水庫風化剖面的玄武巖主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、K2O、Na2O、MgO、TiO2和P2O5組成(表1，圖2).整個剖面中，SiO2的含量為54.44%～65.43%，Al2O3的含量為12.95% ～ 17.18%，F(xiàn)e2O3的含量為5.09% ～ 8.67%，CaO的含量為1.36% ～ 5.79%，K2O的含量為2.61% ～ 4.58%，Na2O的含量為1.36% ～ 4.48%，MgO的含量為1.22% ～ 4.06%，TiO2的含量為0.90% ～ 2.17%，P2O5的含量為0.20% ～ 0.96%.上述這些元素的含量占到了91%以上.

圖2 團結(jié)水庫風化剖面各元素含量隨深度的變化

團結(jié)水庫剖面中，從未風化的基巖層到頂部的全風化層，SiO2和Rb的含量呈增大的趨勢(Rb在半風化層的含量變化波動較大)，而Fe2O3、CaO、K2O、Na2O、MgO、TiO2、P2O5、Sr的含量呈現(xiàn)減小的趨勢；Al2O3的含量在半風化層中最高(圖2).值得注意的是，各元素在半風化層中的含量波動較大.Al2O3、Fe2O3、CaO、K2O、Na2O、MgO、TiO2、P2O5、Sr的含量在半風化層中部較高(圖2).產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能與剖面巖石結(jié)構(gòu)導致的樣品采集有關.在剖面露頭中，半風化層的中部除含有較多大塊的巖石碎塊外，小塊的巖石碎塊也較多.在采樣過程中，這些小的巖石碎塊被作為主要采集的對象.從而這些巖石碎塊的元素組成可能引起了半風化層中部Al2O3、Fe2O3、CaO等元素含量較高.另外，玄武巖風化過程中雨水的淋濾導致不穩(wěn)定元素(CaO、Na2O、MgO、Sr)從全風化層往下部遷移，也可能造成上述元素在半風化層的中部富集.

在團結(jié)水庫風化剖面中，除Al2O3和Na2O的含量波動稍微大點外，其它元素在未風化層中的含量變化非常穩(wěn)定(圖2).因此，以未風化層各元素的平均值為基準，用全風化層和半風化層樣品的元素與之比較，可以得到各元素的富集和虧損狀態(tài)(圖3).結(jié)果顯示：在全風化層中，SiO2和Rb相對富集，而其它元素均處于相對虧損狀態(tài)(圖3a).在半風化層中，SiO2既不虧損也不富集；Al2O3相對富集；Rb含量的變率較大，一半處于相對富集，一半處于相對虧損；其它元素均相對虧損(圖3b).

表1 五大連池玄武巖風化剖面的元素組成特征

*平行樣品

圖3 團結(jié)水庫風化剖面各元素相對于未風化層的富集和虧損

CIA(chemical index of alteration，化學蝕變指數(shù))[5]是一個在風化研究中被廣泛應用的地球化學指標.CIA的計算公式為：CIA = Al2O3/(Al2O3+ CaO*+ Na2O + K2O) ×100，各氧化物均為摩爾數(shù)，CaO*為硅酸鹽礦物中的氧化鈣[5].該指標實質(zhì)上是通過估算長石風化成粘土礦物的比例來表征化學風化程度.由于五大連池玄武巖的主要礦物為長石、橄欖石、輝石等[9-10]，樣品中的CaO主要為硅酸鹽礦物中的CaO.因此，在計算CIA時，測得的CaO含量不校正，直接參與計算.

Rb/Sr比值[7,8,11]是另一個在風化研究中被常用的地球化學指標.該指標主要基于Rb主要賦存在相對穩(wěn)定的礦物中，而Sr主要賦存在易風化的不穩(wěn)定礦物中，隨著不穩(wěn)定礦物的風化，導致Sr遷出，從而引起Rb/Sr比值升高[12].

團結(jié)水庫剖面的CIA從下部的未風化層到上部的全風化層，總體呈升高的趨勢；CIA最低值出現(xiàn)在未風化層，為40.43；CIA最高值出現(xiàn)在全風化層，為63.89(圖4).界線層的數(shù)據(jù)不參與計算，未風化層的CIA的平均值為41.79，半風化層的為55.24，全風化層的為62.45.

與CIA的變化相似，該剖面的Rb/Sr比值從下部的未風化層到上部的全風化層，總體呈升高的趨勢；Rb/Sr比值最低值出現(xiàn)在未風化層，為0.06；Rb/Sr比值最高值出現(xiàn)在全風化層，為0.45(圖4).界線層的數(shù)據(jù)不參與計算，未風化層的Rb/Sr比值的平均值為0.07，半風化層的為0.13，全風化層的為0.40.

圖4 團結(jié)水庫玄武巖風化剖面的CIA和Rb/Sr比值隨深度的變化

團結(jié)水庫剖面的CIA和Rb/Sr比值從未風化層到全風化層變大，正是風化作用不斷增強的結(jié)果.CIA和Rb/Sr比值的研究結(jié)果與野外直觀的地質(zhì)現(xiàn)象一致，從而表明這兩個地球化學指標能夠有效地指示玄武巖的風化作用強度.

1721年噴發(fā)的熔巖臺地上(S2點位)的樣品中，三個處于未風化層的樣品的CIA平均值為41.96，Rb/Sr比值平均值為0.07，三個處于風化層的樣品(0-2 cm)的CIA平均值為61.41，Rb/Sr比值平均值為0.30(表1).S2點位未風化層樣品與前述的團結(jié)水庫未風化層樣品的CIA和Rb/Sr比值的平均值十分接近.團結(jié)水庫玄武巖全巖的K-Ar法測年結(jié)果大多集中在50萬年左右[13-14].因此，基于S2點位的樣品和團結(jié)水庫風化剖面的數(shù)據(jù)(表1)，可以初步建立CIA和Rb/Sr比值分別與五大連池玄武巖風化時間的關系.

基于上述，獲得三個風化時間上的CIA和Rb/Sr比值：(1)為了橫坐標采用對數(shù)坐標來作圖，將該區(qū)玄武巖初始的CIA和Rb/Sr比值對應的風化年齡設為1年.未風化基巖的CIA值為41.79，Rb/Sr比值為0.07.(2)S2點位熔巖臺地的玄武巖的噴發(fā)年代為1721年.由于樣品采自2016年，在歷經(jīng)295年的風化時間后，其表層風化層的CIA值為61.41，Rb/Sr比值為0.30.(3)團結(jié)水庫的玄武巖在歷經(jīng)長達50萬年的風化之后，其全風化層的CIA值為62.45，Rb/Sr比值為0.40.將這些數(shù)據(jù)作圖(圖5)，發(fā)現(xiàn)CIA和Rb/Sr比值與風化時間具有如下的數(shù)學關系：

CIA= 1.5026 ×ln(a) + 45.795(a為年代，單位為年)

(1)

Rb/Sr= 0.0246 ×ln(a) + 0.1027(a為年代，單位為年)

(2)

上述公式揭示出五大連池玄武巖化學風化的速率具有非線性特征：早期風化速率較快，后期變慢.這一結(jié)論與頻率磁化率得到的結(jié)論一致[9].由于五大連池像團結(jié)水庫出露這么完整的風化剖面非常少，所以目前得到的研究結(jié)果是非常初步的.若將來能夠找到新的風化剖面，建立出各個不同風化時間所對應的CIA和Rb/Sr值，將會使研究結(jié)果完善.

3.2 噴氣錐、碟鉆孔巖芯的元素組成

火燒山區(qū)域為噴氣錐、碟最為集中發(fā)育的區(qū)域.噴氣錐、碟鉆孔巖芯樣品的元素組成見表2.噴氣錐、碟主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3等元素所組成.SiO2的含量為54.44%～65.43%，Al2O3的含量為12.95%～17.18%，F(xiàn)e2O3的含量為5.09%～8.67%，CaO的含量為1.36%～5.79%，K2O的含量為2.61%～4.58%，Na2O的含量為1.36%～4.48%，MgO的含量為1.22%～4.06%，TiO2的含量為0.90%～2.17%，P2O5的含量為0.20%～0.96%.

噴氣錐Z252鉆孔的CIA由外往內(nèi)兩端高中間低，Rb/Sr比值也基本上是這個規(guī)律(圖6a).與噴氣錐Z252類似，Z248鉆孔的CIA和Rb/Sr比值也是中間低，兩端高，只是內(nèi)側(cè)比外側(cè)更高些(圖6b).與Z252和Z248不同，Z277鉆孔的CIA和Rb/Sr比值是中間高，兩端低(圖6c).

噴氣碟D551鉆孔的CIA和Rb/Sr比值從上部往下部降低(圖6d).D479鉆孔的CIA值從上至下，中間最高；該鉆孔的Rb/Sr比值上部比下部高(圖6e).D113鉆孔只有兩個樣品，上部的CIA和Rb/Sr比值均比下部的高(圖6f).

圖5 五大連池玄武巖CIA和Rb/Sr比值隨風化時間的變化

表2 火燒山噴氣錐、碟鉆孔巖芯樣品的元素組成特征

*平行樣品

三個噴氣錐鉆孔巖芯中，Z252和Z248的CIA和Rb/Sr比值變化較有代表性.因為噴氣錐的中央是空的，所以外壁和內(nèi)壁都直接與大氣接觸.因此，噴氣錐的外壁和內(nèi)壁不但暴露在空氣中，而且還遭受雨水的淋洗，更易風化.這兩個噴氣錐的CIA和Rb/Sr比值能夠反映噴氣錐在自然狀態(tài)下的風化情形.

由于噴氣錐在形成過程中，是由一層一層的熔巖堆疊而成[1].噴氣錐形成之后，受各種外力作用的影響，目前很多錐體已呈現(xiàn)出支離破碎的面貌.錐體本身也布滿了各種裂紋和裂隙.Z277鉆孔的CIA和Rb/Sr比值特征可能受錐體的形成過程和裂隙的影響.

三個噴氣碟鉆孔巖芯中，D551和D113具有一定的代表性.這兩個鉆孔的CIA和Rb/Sr比值由底部往上部呈現(xiàn)出增大的趨勢，揭示出直接暴露于大氣下的巖石的風化程度更強.D479鉆孔的CIA值從上到下雖然是中間段最高，但是數(shù)值只是從39.14變化到39.42，變幅很小.

簡言之，噴氣錐、碟鉆孔巖芯的CIA和Rb/Sr比值對于理解噴氣錐、碟巖體的化學風化有較好的指示意義.但由于受噴氣錐、碟的形成過程和后期產(chǎn)生的裂隙等因素的影響，鉆孔巖芯的風化指標特征顯得較復雜.

圖6 典型噴氣錐(a-c)和噴氣碟(d-f)鉆孔的CIA和Rb/Sr比值特征

3.3 火燒山區(qū)域表層巖石樣品的元素組成

火燒山噴氣錐、碟在空間上的表層巖石樣品及附近熔巖臺地表層樣品的CIA值的變化范圍為39.04～65.68，Rb/Sr比值的變化范圍為0.07～0.54.CIA和Rb/Sr比值的變化幅度較大.

目前有少數(shù)噴氣錐、碟的中心部位已有樹木生長.這些樹根扎入巖石中，并汲取根部周圍已經(jīng)由巖石風化成土壤中的養(yǎng)分.如編號為D112的噴氣碟中央就長了樹，該碟邊部巖石樣本(野外編號為KJ-9)的CIA值為39.67，Rb/Sr比值為0.07，中心表層樣品(KJ-10)成壤作用明顯，能采集到大量細顆粒的碎屑物質(zhì)，其CIA值為53.43，Rb/Sr比值為0.27.對于編號為D746的噴氣碟，從邊緣往中心，再到另一邊緣，共采集了8個樣品(KJ-83至KJ-90)；所有樣品中，中心部位樣品(KJ-87，已發(fā)生成壤作用)的CIA值為55.68，Rb/Sr比值為0.19，遠遠高于其它樣品.由此，可以獲得一般性的認識：CIA和Rb/Sr比值對于判識噴氣錐、碟的風化作用程度有較好的指示意義，可以給出量化的結(jié)果.

火燒山噴氣錐、碟空間樣品的CIA和Rb/Sr比值呈指數(shù)正相關，決定系數(shù)R2為0.90(圖7a).火燒山玄武巖的空間樣品，連同團結(jié)水庫玄武巖風化剖面樣品和噴氣錐、碟的鉆孔樣品的CIA和Rb/Sr比值也呈指數(shù)正相關關系，R2為0.92(圖7b).這種特殊的相關性可能與玄武巖本身的元素組成及風化過程中組分的變化有關.

圖7 五大連池玄武巖噴氣錐、碟樣品的CIA和Rb/Sr比值的關系

4 結(jié)論

(1)團結(jié)水庫風化剖面的玄武巖主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、K2O、Na2O、MgO、TiO2和P2O5組成，這些元素的含量之和達91%以上.整個剖面中，SiO2的含量為54.44%～65.43%，Al2O3的含量為12.95%～17.18，F(xiàn)e2O3的含量為5.09%～8.67%，CaO的含量為1.36%～5.79%，K2O的含量為2.61%～4.58%.

(2)團結(jié)水庫玄武巖風化剖面，從上至下具有非常清晰的全風化層、半風化層和未風化層結(jié)構(gòu).風化剖面的CIA和Rb/Sr比值從下部的未風化層到上部的全風化層呈增大的趨勢，與野外地層顯示的風化程度高度一致，從而表明這兩個地球化學指標是指示五大連池區(qū)域玄武巖化學風化強度的良好指標.

(3)結(jié)合年代學資料，建立了CIA、Rb/Sr比值分別與風化時間的數(shù)學表達式.該公式揭示出玄武巖的化學風化速率具有非線性特征：早期風化速率快，后期變慢.由于不同時間段噴發(fā)形成的具有清晰風化分層結(jié)構(gòu)的玄武巖風化剖面很難被找到，目前所建立的公式是非常初步的.未來在研究區(qū)尋找新的風化剖面，提供更多不同風化時間尺度上所對應的CIA和Rb/Sr比值，將會使研究結(jié)果得到完善.

(4)噴氣錐、噴氣碟鉆孔巖芯的CIA和Rb/Sr比值的變化特征基本上能夠指示它們的化學風化強度.但可能受噴氣錐、碟的形成過程和后期作用產(chǎn)生的裂隙的影響，這兩個指標在指示化學風化強度上顯得較復雜.

(5)五大連池區(qū)域玄武巖樣品的CIA和Rb/Sr比值呈指數(shù)正相關關系，可能與玄武巖本身的元素組成及在風化過程中組分的變化有關.

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