吳忠銀 顧尚義

摘要：本文采集了貴州省松桃縣道坨錳礦102鉆孔（ZK102）新元古代南沱組巖芯。通過(guò)對(duì)南沱組巖石礦物組成的光學(xué)顯微鏡研究，發(fā)現(xiàn)南沱組雜礫巖中含有不等量的鉀長(zhǎng)石與斜長(zhǎng)石。其CIA平均值為65.在A-CN-K三角圖解中表現(xiàn)鉀富集。綜合南沱組雜礫巖鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石的風(fēng)化特征、CIA值和WIP值與SiO。的關(guān)系分析，認(rèn)為南沱組地層中的富鉀現(xiàn)象是由于風(fēng)化源巖中混入不同含量的鉀長(zhǎng)石和伊利石，其受到的風(fēng)化作用弱，從而導(dǎo)致在A-CN-K三角圖解中風(fēng)化趨勢(shì)偏向鉀端的現(xiàn)象，是因?yàn)殁浀母患?，并非大多學(xué)者所解釋的“鉀交代”，而是受源巖組成的影響。

關(guān)鍵詞：鉀交代;風(fēng)化程度;南沱組：新元古代：貴州松桃

中圖分類號(hào)：P59文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在新元古代出現(xiàn)的全球性冰期事件形成“雪球地球”。然而，新元古代冰期地球表面是完全被冰覆蓋還是在海洋中存在開放的水域，學(xué)界仍有較大的爭(zhēng)議。越來(lái)越多的沉積學(xué)證據(jù)表明，新元古代全球性冰期存在明顯的氣候波動(dòng)。氣候波動(dòng)會(huì)被記錄在反映源區(qū)化學(xué)風(fēng)化程度的同冰期沉積的碎屑沉積巖的礦物組成及化學(xué)組成中。研究地質(zhì)歷史時(shí)期的氣候變化情況最廣泛的手段是碎屑沉積巖的化學(xué)蝕變指數(shù)（chemical index ofalteration，簡(jiǎn)稱CIA）。

Fedo等通過(guò)前人對(duì)前寒武紀(jì)頁(yè)巖、古土壤等大量的研究，計(jì)算其CIA指數(shù)，發(fā)現(xiàn)在A-CN-K三角圖中，鉀明顯偏向A-K軸，被解釋為鉀的交代作用，并被廣泛引用。然而，研究者通過(guò)A-CN-K圖解釋鉀交代時(shí)，極少提供交代作用的巖石學(xué)證據(jù)。

華南地區(qū)南沱組是新元古代冰期研究最為廣泛的地層，作者選擇了華南地區(qū)一鉆孔巖芯中的南沱組進(jìn)行詳細(xì)的巖石學(xué)和地球化學(xué)研究，以期探討源巖組成對(duì)巖石CIA指數(shù)的影響，進(jìn)而揭示南沱冰期巖石組成中鉀的富集作用并非成巖過(guò)程中鉀交代的結(jié)果，而是其源區(qū)不同巖石組成所致。

1區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于貴州省松桃縣，地處揚(yáng)子板塊中部（圖1）。揚(yáng)子板塊和華夏板塊在新元古代沿?fù)P子板塊東南緣的江南造山帶碰撞融合，形成Rodinia超大陸的一部分。隨后R0dinia超大陸在新元古代晚期發(fā)生裂解，在華南形成裂谷盆地，裂谷盆地內(nèi)形成南華系沉積。

區(qū)域內(nèi)南華系包括大塘坡、富祿間冰期沉積和南沱冰期沉積。間冰期大塘坡組主要巖性為頁(yè)巖、泥巖、粉砂巖。南沱組在內(nèi)陸棚的厚度為幾米到幾十米，在盆地環(huán)境的厚度可大于2000m。在斜坡和盆地環(huán)境中，南沱組與下伏地層大塘坡和富祿組整合接觸，與上覆陡山沱組蓋帽碳酸鹽巖，即3至6m厚的白云巖也呈整合接觸。所采鉆孔中南沱組主要為斜坡沉積。

2采樣與分析方法

以大塘坡組為底，陡山沱組為頂，編錄巖芯260m，詳細(xì)觀察巖芯的巖性和沉積構(gòu)造特征變化情況。巖性變化和構(gòu)造特征顯著巖芯段，用劈芯法進(jìn)行采樣，分別磨制薄片和進(jìn)行化學(xué)分析。該段南沱組厚245.5m，自上而下采集16個(gè)樣品。化學(xué)分析樣品不取全巖，用合金鉆頭電鉆鉆取雜礫巖的細(xì)粒組分，在采樣位置鉆取時(shí)，盡可能淺而多。鉆取的粉末用瑪瑙研缽研磨到小于200目后，分別送至廣州澳實(shí)礦物實(shí)驗(yàn)室做主量元素分析和貴州星月測(cè)試科技有限公司做微量元素分析。主量元素采用x射線熒光光譜儀熔融法分析，微量元素采用ICP-MS法分析。

3巖石學(xué)特征

3.1 結(jié)構(gòu)特征

鉆孔 102（ZKl02）巖芯814.8～1060.3m為南沱組，共245.5m。南沱組與下伏地層頂部灰至深灰色粉砂質(zhì)泥巖呈過(guò)渡關(guān)系，以礫石的出現(xiàn)作為南沱組的底。下伏地層含黑色炭質(zhì)頁(yè)巖夾灰黑色、鋼灰色條帶狀菱錳礦，確定為大塘坡組。上覆地層為灰色、灰白色白云巖，厚約2.40m，確定為陡山沱組底部“蓋帽白云巖”。巖芯連續(xù)完整，除采取巖芯時(shí)造成的巖芯破碎外，巖芯中未發(fā)現(xiàn)構(gòu)造破碎帶（圖2）。巖性以雜礫巖、砂巖為主，含少量粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，下部夾一層薄層白云巖。簡(jiǎn)述如下：粉砂巖：深灰色粉砂巖，在南沱組中出現(xiàn)兩段，第二段中含有少量礫石，礫石含量小于5%，以石英為主，礫石顆粒較大，粒徑大于7mm，有粒徑大于50mm，部分發(fā)育同生沉積構(gòu)造層理。共12.0m，約占南沱組4.9%。

雜礫巖：灰色一深灰色，礫石含量在3%～35%之間，主要含量為30%左右。礫石以石英、淺變質(zhì)巖、長(zhǎng)石等為主，有少量碳酸鹽巖和花崗巖，細(xì)粒組分為砂巖，與陡山沱組相接約有7m為粉砂質(zhì)泥巖：底部礫石以“孤石”形式存在于砂巖中：分選較差，2～40mm，偶見大于50mm礫石，分布不均一，呈次網(wǎng)狀、次棱角狀、棱角狀、“熨斗狀”。礫石含量較少，較小部分沉積構(gòu)造發(fā)育，有扭曲層理、包卷層理（圖2（c）、（d）、（e））。約187.5m，占南沱組76.3%左右。

砂巖：灰色至淺灰色砂巖，巖芯中很少存在不含礫石的砂巖。6m，占南沱組2.4%左右。

白云巖：灰白色細(xì)品白云巖，晶洞較為發(fā)育，下部有裂隙被方解石脈充填，2.5m，占南沱組1.0%左右。

泥質(zhì)粉砂巖：灰白色泥質(zhì)粉砂巖，該段南沱組中出現(xiàn)三段，部分有裂隙被方解石脈充填，37.5m，占南沱組不到15.3%。

3.2礦物學(xué)特征

與CIA不同的是，WIP分析的是沉積物或沉積巖中Na，K，Mg和Ca的絕對(duì)含量，受石英含量的影響顯著。前已述及，研究的南沱組雜礫巖中的礫石成分中有變質(zhì)巖和沉積碎屑巖，因此，如果由于源區(qū)巖石混合使礦物中SiO：含量增加導(dǎo)致WIP指數(shù)發(fā)生變化，因硅酸巖分析的總量為100%，SiO，含量增加，其他礦物（CaO、NaO、KO、MgO）含量相對(duì)減少，那么WIP值與樣品中的SiO：含量應(yīng)該呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。研究樣品SiO，與WIP呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（如圖5（b）），進(jìn)一步說(shuō)明研究區(qū)南沱組源巖不一致。故不同源區(qū)巖石混合是造成研究區(qū)南沱組CIA值變化的主要原因，源區(qū)富含鉀長(zhǎng)石和伊利石巖石被冰川搬運(yùn)混合后形成的雜礫巖中，在冰期氣候條件下較弱的風(fēng)化作用導(dǎo)致了巖石中鉀的富集。由于風(fēng)化作用主要受氣候影響，在冰期階段，整個(gè)華南地區(qū)氣候條件相差不大，所以其南沱組地層在南沱冰期受弱風(fēng)化作用。

5 結(jié)論

（1）巖性組合及沉積構(gòu)造反映南沱冰期冰川動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)：

（2）研究南沱組化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）主要受源區(qū)控制，不能作為反映源區(qū)化學(xué)風(fēng)化作用及氣候變化的可靠指標(biāo)：

（3）礦物學(xué)和地球化學(xué)研究共同表明華南地區(qū)南沱組中鉀的富集并非成巖鉀交代引起，而是鉀長(zhǎng)石和伊利石等富鉀礦物在冰期氣候條件下風(fēng)化作用較弱導(dǎo)致。

雙相鈦合金中的元素大致可分為α穩(wěn)定元素、中性元素以及β穩(wěn)定元素三類。TC4鈦合金中，α穩(wěn)定元素包含了Al、C、B，此類元素能提高（α+β）/β相變點(diǎn)。β穩(wěn)定元素包含了V、Fe、Si、Mo、M、Cr，此類元素能降低（α+β）/β相變點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)中原始材料的化學(xué)成分含量如表1所不：

試驗(yàn)中對(duì)一重退火溫度與二重退火溫度均選取三個(gè)，具體的退火熱處理方案如表2所示：

先把試樣加工成棒狀，再使用MTS LAND-MARK萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（拉伸速率為1mm/min）進(jìn)行熱拉伸處理，拉伸變形溫度為900℃，變形速率為1mm/s，變形量為6%，達(dá)到預(yù)定變形量后即終止。用線切割機(jī)根據(jù)試樣尺寸切取小試樣，鑲嵌后從80～1000#砂紙精磨后拋光至鏡面，隨后在HF+HNO+HO（體積比為1：2：5）的混合溶液中腐蝕，超聲清洗后使用光學(xué)顯微鏡對(duì)組織進(jìn)行觀察。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2是TC4合金在進(jìn)行900℃熱拉伸變形后，通過(guò)光學(xué)顯微鏡分別進(jìn)行低倍和高倍觀察的組織圖。

從圖2中可以觀察到變形后的TC4合金組織主要由長(zhǎng)條狀初生α相，層片狀次生α相以及少量β相組成。與原樣的魏氏組織（圖1）相比，α相沿拉伸方向變扁，拉長(zhǎng)，由于處于再結(jié)晶溫度附近，長(zhǎng)條狀初生α相除了沿拉伸方向拉長(zhǎng)或彎曲之外，還發(fā)生了一定程度的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，但并不明顯，有少量等軸α組織出現(xiàn)。

熱拉伸變形后材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，為了可以降低加工硬化的影響，使材料的性能得到更好的匹配，故對(duì)變形后的材料進(jìn)行退火熱處理，從而達(dá)到消除應(yīng)力的目的。圖3是雙重退火工藝對(duì)熱變形后TC4合金的顯微組織圖。

圖3（a）、（c）、（e）是只經(jīng)過(guò)不同溫度一重退火后的組織圖，如圖所示，經(jīng)過(guò)熱拉伸后拉長(zhǎng)的組織（圖2）開始變短并長(zhǎng)大，但仍有大量變形組織存在。由于TC4合金在變形后有大量的品格畸變能，故一重退火時(shí)次生α條形核數(shù)量也增多，且交錯(cuò)排列。一重退火熱處理溫度為750℃時(shí)，組織尺寸較小，均勻性較差，這可能是由于局部變形不均勻引起的。隨著一重退火溫度的升高，片層組織的厚度顯著增大，大小較為均勻（圖3（c）、（e）），低溫退火的組織不均勻性隨溫度的升高而消失。圖3（b）、（d）、（f）是經(jīng)過(guò)雙重退火后的組織圖，如圖所示，析出次生α相數(shù)量增多，尺寸增大，殘留的變形組織也轉(zhuǎn)變?yōu)槎檀譅瞀疗瑢?，使組織得到一定程度的等軸化。隨著第一重退火溫度的升高，初生α相尺寸有所增加，并且析出的次生α相數(shù)量增多，尺寸增大，和初生α相連成一片，得到典型的等軸α+晶間β組織。

在保持一重退火溫度（800℃）相同的條件下，研究了不同二重退火溫度對(duì)熱變形TC4合金顯微組織的影響。如圖4所示，可觀察到不同二重退火工藝熱處理后的組織均為等軸α+晶間β組織，但是可明顯觀察到隨二重退火溫度的升高，α相尺寸逐漸增大。

鈦合金的組織決定了性能，微觀組織的不同對(duì)應(yīng)力學(xué)性能的不同。通過(guò)熱處理能夠有效的調(diào)控鈦合金組織形貌，使其獲得組織性能的匹配。表3和表4分別是一重退火溫度和二重退火溫度對(duì)熱拉伸變形后的TC4合金力學(xué)性能的影響。

從表3中可以看出，材料的強(qiáng)度隨著退火溫度的增加，明顯下降且幅度較大。750℃退火時(shí)，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到766Mpa、770.9Mpa，而溫度升高到850℃時(shí)，兩者分別下降到698Mpa、703.1Mpa，下降率分別達(dá)到了8.88%和8.79%而斷面收縮率與伸長(zhǎng)率明顯增加，兩者的增長(zhǎng)率分別達(dá)到55.0%和8.62%。結(jié)合圖2（a）、（c）、（e）中顯微組織分析可知，這是由于一重退火溫度較低時(shí)，α相組織尺寸較小，均勻性較差，隨著退火溫度的升高，片層α相組織尺寸明顯長(zhǎng)大且分布均勻。α片層厚度的增加會(huì)使材料的塑性增大，所以隨著一重退火溫度的增加，材料的強(qiáng)度降低而塑性增加。

在一重退火的基礎(chǔ)上，對(duì)二重退火熱處理后的力學(xué)性能做了進(jìn)一步的研究對(duì)比。根據(jù)表4可知，750℃一重退火時(shí)，抗拉強(qiáng)度為770.9Mpa，伸長(zhǎng)率與斷面收縮率分別為5.8%、10.9%，而再經(jīng)500℃二重退火后，抗拉強(qiáng)度下降到531Mpa，伸長(zhǎng)率與斷面收縮率分別增加到10.86%、15.69%。當(dāng)一重退火溫度不同時(shí)，結(jié)合表2可知材料經(jīng)二重退火熱處理（500℃×2h，AC）后的強(qiáng)度整體比一重退火的低，且強(qiáng)度隨一重退火溫度的升高而降低。伸長(zhǎng)率與斷面收縮率整體隨一重退火溫度增加而增加。800℃一重退火時(shí)，抗拉強(qiáng)度為721.2Mpa，伸長(zhǎng)率與斷面收縮率分別為12.1%、5.8%，經(jīng)不同二重退火后，材料強(qiáng)度整體也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)而伸長(zhǎng)率與斷面收縮率明顯增加，且分別隨二重溫度增加呈現(xiàn)相同趨勢(shì)。結(jié)合圖2和圖3的顯微組織分析可知，二重?zé)崽幚砗蟪跎料喑叽缬兴黾樱⑶椅龀龅拇紊料鄶?shù)量增多，尺寸增大，和初生α相連成一片，得到典型的等軸α+晶間β組織，殘留的變形組織轉(zhuǎn)變的短粗狀α片使組織得到一定程度的等軸化。所以與一重?zé)崽幚砗蟮男阅芟啾?，二重退火后的材料?qiáng)度降低，塑性升高。

3 結(jié)論

（1）一重退火溫度為750℃時(shí)，TC4合金組織內(nèi)部次生α條形核較多，分布較均勻，交錯(cuò)排列，有等軸化的趨勢(shì)。隨著退火溫度的升高，組織尺寸增大，出現(xiàn)再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大階段，大小較為均勻。

（2）雙重退火后，材料內(nèi)部析出次生α相數(shù)量增多，尺寸增大。隨著一重退火與二重退火溫度的升高，初生α相尺寸有所增加，并且析出的次生α相數(shù)量增多，尺寸增大，和初生α相連成一片，得到典型的等軸α+晶間β組織。

（3）一重退火后，材料的強(qiáng)度隨著退火溫度的增加明顯下降且幅度較大，而塑性增加。二重退火后的性能與一重退火相比，材料的強(qiáng)度整體有所降低，但塑性有很大的提升。