酸性火山岩风化壳氧化还原界面地球化学研究—以广西凭祥英安岩与蚀变流纹岩风化壳为例

内 容 提 要 环境界面地球化学是地球化学的重要分支学科。迄今为止，在界面地球化学的理论研究无论在宏观上还是在微观上均已取得重要进展，扩散双电层理论得到了新的发展和不断的完善，表面络合理论逐渐受到研究者的重视并在解释实验室人工合成矿物的吸附数据方面获得了极大的成功，氧化还原边界转换模式、多级箱式扩散模式等都获得了新的认识。化学风化作用作为岩石圈-大气圈-水圈-生物圈界面相互作用的一种界面地球化学过程，很早已来就受到了广大研究者的重视。然而，与沉积物-水界面地球化学研究的广泛性和深入性相比，风化壳内部的界面地球化学作用研究要薄弱得多。风化壳氧化还原界面是风化壳中的一种重要的界面类型，在界面上发生着原生矿物的分解和次生矿物的形成，以及与此有关的元素的氧化还原、吸附、扩散等复杂的地球化学作用，对氧化还原敏感元素具有明显的控制作用。 受太平洋板块向欧亚板块俯冲作用的影响，我国从东北的大兴安岭经过山东、江西、福建、广东一直到广西境内，形成了一条中新生代酸性火山岩带，分布面积近100万km2，是我国重要的金、银贵金属及铅、锌、铜等有色金属矿床分布区域。对（蚀变）酸性火山岩风化壳氧化还原界面地球化学的研究不仅能丰富化学风化作用研究的内容，而且对找寻与酸性火山岩有关的隐伏矿床和认识矿产开发过程中的环境污染提供帮助。 在仔细的野外调查的基础上，本文选择了广西凭祥地区的英安岩与蚀变流纹岩风化剖面作为研究对象，通过对剖面矿物学、主量元素、微量元素（包括稀土元素）组成及微量元素赋存状态的分析，研究了剖面风化过程中矿物与元素的演化规律，率先开展了氧化还原界面形成和风化壳与地下水作用过程中的矿物学与地球化学的系统研究，得出如下新的认识和主要结论： 1.一些高场强元素在风化过程中是活动的，因此，在进行元素的剖面质量平衡计算时，选择不活动元素必须慎重，详细的矿物学研究是计算的基础；此外，母岩组成的均匀程度也是进行质量平衡计算必须考虑的一个重要问题。 2.Fe、Mn是地表岩石中含量最高的两种氧化还原敏感元素，它们在岩石风化过程中表现出的波动特征，是剖面所经历的氧化还原条件变化的结果。受母岩中Fe、Mn赋存状态和氧化还原条件的影响，两个风化剖面中Fe和Mn在氧化还原界面形成过程中具有不同的地球化学行为。剖面氧化还原状态主要由Fe、Mn控制，由于风化作用微环境的影响，其他微量的氧化还原敏感元素的地球化学行为可能会表现出与整体剖面相反的特征。根据氧化还原界面形成过程中Fe和Mn的不同地球化学行为，作者半定量地推测了界面形成的氧化还原状态； 3.龙塘风化剖面中不同深度网纹层与针铁矿、赤铁矿的分布表明了本区所经历的干湿交替（长尺度和短尺度）的古气候特征； 4.系统地提出了地下水与风化壳相互作用的证据：即剖面发育趋势偏离正常的风化趋势；剖面中元素（如K、Na、Ca等）的异常富集；一些特征的自生矿物的形成以及特征的结构构造。首次提出了定量的Na交代作用的校正方法，与Panahi（2000）的K交代作用的校正方法联用，成功地恢复了剖面的正常组成； 5.风化壳氧化还原界面形成过程中，微量元素的地球化学行为受其在母岩中的赋存状态、界面形成过程中的pH与Eh条件、次生铁锰矿物和粘土矿物的吸附以及风化剖面与地下水的相互作用等的共同影响； 6.对两个风化剖面REE进行连续提取获得了一些有意义的结果，剖面与地下水的相互作用极大地改变了风化样品中各提取态REE的分布。受地下水长期作用影响的样品可交换态REE含量远远低于正常风化样品，氧化铁结合态REE无Ce异常存在，尽管全岩中Eu表现出负异常特征，可交换态却可能出现正Eu异常特征； 7.在龙塘风化剖面针铁矿中首次发现了方铈石，该发现在风化作用REE研究中具有重要意义。首先，剖面样品中Ce4+的存在不一定表明该样品具有正的Ce异常；其次，铁锰氧化物对Ce的吸附极有可能伴随着氧化作用，但具体的氧化机制和条件还需要进一步的研究。