化学蚀变指数研究的原理与应用
邓澄世+刘颖
关键词：化学蚀变指数；化学风化程度；源岩成分；地层划分
至今CIA的应用范围已经逐步扩大到通过沉积物的化学蚀变指数的变化来判别沉积物沉积的古气候环境。
2.化学蚀变指数研究的方法步骤
碎屑岩是化学蚀变指数研究的对象，而碎屑岩在搬运、沉积和成岩过程中，源岩成分存在不同程度的变化，主要为粒度和成分的分选、沉积再循环作用和成岩过程中的钾交代作用等，其中最突出的特点是粘土矿物的增加。由于粘土矿物的丰度和钾交代强度是影响CIA指数的关键因素，所以对于老地层样品的选择要尽量满足要求。
2.1样品的采集。由于古元古代之前的沉积岩不发育，沉积再循环作用对物源成分的影响很小，因此CIA最早是被广泛应用于古元古代的碎屑岩研究。沉积再循环作用改变了物源成分，使得原岩成分中的粘土矿物的含量增加，挑选适宜于研究的碎屑岩样品就显得格外重要。所以，对于分选作用的排除，样品采集应尽量选择能代表源岩成分的细碎屑岩。
2.2样品的处理。细碎屑岩在成岩过程中的钾交代作用会改变掩岩石的原始成分，需要进行钾交代作用的校正。其计算方法是：
由当细屑岩ICV>1时，表明该岩石含很少粘土矿物，代表构造活动带的首次沉积；当细屑岩ICV<1时则表明沉积物中有大量粘土矿物，代表可能是经历了再沉积或强化学风化条件下的首次沉积。因此，要尽可能的选取ICV>1的细屑岩作为研究对象。
3.化学蚀变指数研究的应用
3.1无量纲的数值判断风化程度
沉积搬运过程中的分选使砂岩在化学组成上一般与源区物质有着一定的差别，所以板岩，泥岩和页岩等细屑岩比较适合用在CIA研究上。新元古代的细屑岩在我国南方分布很广泛，为我们运用CIA进行风化程度的判断提供了有利条件。现今地球上的主要矿物和一些反映典型气候的现代沉积物的CIA值大致如图所示。可见，CIA值介于50～65之间，反映寒冷、干燥的气候条件下低等的化学风化程度；CIA值介65～85之间，反映温暖、湿润条件下中等的化学风化程度；CIA值介于85～100之间，反映炎热、潮湿的热带亚热带条件下的强烈的化学风化程度。在实际应用时，将所获的新元古代沉积物的CIA值与现代沉积物的CIA值进行比较，就能大致推断新元古代沉积物沉积时的环境与气候特征。
3.2判断钾交代作用
利用A-CN-K图解能够揭示钾交代作用对源岩的影响，通过对长石分解的热力学和动力学过程和自然界风化剖面的地球化学的研究，可以得到风化剖面和与之相关的沉积物的预测风化趋势线[1-3]，如图1所示的SA、SA线。前寒武纪细屑岩的钾交代作用是很普遍的成岩作用，它主要表现为（例如高岭石）与孔隙水中的K+反应生成伊利石，外来的钾离子加入引起了样品点的趋势线（CE）偏离预测的风化趋势线（SA）。
3.3判断源岩成分
A-CN-K图解三角图解对于源岩成分的判断也是非常有用的。如果知道源岩的成分可以计算并绘制出它的风化趋势线。反之，当知道它的风化趋势线，就可以判断源岩的成分，如图1的S和S点所示。S和S点反映了源岩的斜长石和钾长石的比例。可以将重要的基岩根据它们的化学成分投影在图里，或根据具体的地质情况将与沉积岩成因有关的基底岩石按化学分析结果投在图里，如图1中的我国平均的英云闪长：岩、花岗闪长岩和花岗岩。如图1中S点，与花岗闪长岩Gd成分较为相近，说明沉积源岩很可能来自于花岗闪长岩。在实际的应用中，根据样品点的投影，可以得到一条样品点的趋势线，趋势线与P1-Ksp连线的交点即是源岩的斜长石和钾长石的比率。
3.4判断沉积环境
当沉积物主元素成分变化不大或样品点在A-CN-K三角图中样品点分布区域紧凑集中，表明源岩化学风化和剥蚀程度的相对稳定状态；如果源岩主元素变化大，且三角图解内样品点分散又不紧凑，则体现了气候和构造环境均处在非稳定状态。
下图所示地层由下到上的CIA值经历了从50到75再到约58的变化过程，表明经历了由寒冷干燥气候（低等化学风化程度沉积）—温暖湿润气候（中等化学风化程度沉积）—寒冷干燥气候（低等化学风化程度）沉积的演化过程，说明该区域的沉积环境处于非稳定状态。
3.5判断构造运动
化学蚀变指数越大，说明母岩化学风化程度越高。构造运动可造成母岩区在短时期内强烈快速的剥蚀，引起沉积物化学蚀变指数突然降低，剧烈的构造运动过后，母岩区化学风化重新加强，化学蚀变指数明显上升。
图中所示化学蚀变指数在32、23.9、16Ma时期存在物理风化突然增强，化学风化减弱的突变事件，这种表现正是该时期构造运动存在的根据。
4.化学蚀变指数应用——扬子地区新元古界地层划分
对于新元古界的划分与对比尚存在不少未解决的问题，尤其我国南华系（即Cryogenian，成冰纪）及其相当地层的研究亦首当其冲。当前焦点是对莲沱组的认识及其在南华系的位置问题。扬子地区南华系大体可概括为3种类型：
如果仅依岩石地层学（岩性和传统的沉积相）原则进行分和对比，显然可以认为峡东地区缺失南沱组之下的含Mn地层及更下的冰成混积岩。同时，将湖南石门的渫水河组与莲沱组对比，并认为长安组之下缺失莲沱组，甚至提出将属于不同构造阶段产物、由普遍片理化的浅变质岩组成的板溪群与莲沱组相对比。但通过化学蚀变指数研究，石门杨家坪的渫水河组及东山峰组的CIA值分别为60～65和60～70，与更新世冰川粘土的CIA值大体一致。表明该地区自大塘坡组以下均为寒冷干燥气候、低等化学风化条件下的产物。而渫水河组之下的板溪群老山崖组上部的CIA在70-75，显然是温湿气候、中等化学风化作用的产物。对宜昌三斗坪南华系化学蚀变指数的研究表明，南沱组之下的莲沱组并非如前人所述，而是经历了由寒冷干燥）温暖湿润）寒冷干燥气候变化所控制的沉积过程。故此提出南华系的下列划分、对比方案。
总结：利用CIA对地层的沉积层序进行研究，将有助于我们对源岩的物质来源、成岩作用和化学风化程度进行判断，特别是对于化学风化程度的判断将为那个时期全球剧烈地环境变化研究提供又一重要的地球化学手段。通过对沉积古环境的识别，为地层界面的划分、地层对比提供依据。但是其缺点在于其不能独立的进行地层划分和对比，只能通过CIA值在时间空间上迁移、富集的规律性变化和岩层重要边界突变的地球化学行为，作为地层划分、对比依据。
