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标题	北京市浅层沉积物沉积特征分析
范文	刘凯+郭高轩+谢振华+李志萍+刘颖超+寇文杰 摘要：北京市平原区地下水系统划分为3个相对独立的区域地下水系统，选取其中典型的永定河及潮白河水系进行分析，通过17个取样点不同深度的83组样品的矿物成份、粘土矿物成份、常量元素及微量元素分析其沉积环境及沉积特征。通过聚类分析、矿物组合和风化程度计算，确定了两大水系沉积特征既有相同点，又有差异性。首先用聚类分析半定量分析出两大系统的相同点和差异性，通过风化程度计算出潮白河系统松散沉积物风化程度大于永定河系统。其次通过矿物成分衍射实验证明两条剖面主要沉积物矿物成分及其中粘土矿物类型均相同，两条剖面均处于河流沉积环境且水分条件优越，其中永定河剖面方解石及白云石百分含量和高于潮白河，潮白河剖面角闪石百分含量高于永定河。再次通过岩石化学成分分析两条剖面常量元素、微量元素主要类型相同，根据不同元素组合定量分析永定河及潮白河浅层松散沉积物差异性沉积特征。最后使用半定量、定量方法综合分析了Y6、Y14取样点沉积环境的典型性特征。这些方法的应用为河流沉积时序、古河道变迁提供了最直接的量化证明，为地下水系统划分、地下水系统边界确定提供了最有利最直接的证据，也将为未来水化学场研究、水资源合理开发利用等提出新的思路和方法。 关键词：永定河；潮白河；沉积特征； 聚类分析；矿物成分 中图分类号：P641文献标志码：A文章编号： 1672-1683（2015）001-0188-04 The characteristics analysis of shallow sediments LIU Kai，GUO Gao-xuan，XIE Zhen-hua，LI Zhi-ping，LIU Ying-chao，KOU Wen-jie （Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology，Beijing 100195，China） Abstract：The beijing plain groundwater system is divided into three relatively independent groundwater subsystem，this study analyzes the sedimentary environment and sedimentary characteristics of the typical profile in the Yongding river and the Chaobai river by the mineral composition，clay mineral composition，major elements and the trace elements of the 83 different depth samples in 17 sampling points.In this paper，the similarities and difference of two systems was determined by clustering analysis，typical mineral assemblage method and weathering degree method.Firstly semi-quantitative analysis the similarities and difference of the typical systems，the weathering degree of Chaobai river was calculated much more bigger than the Yongding river.Then it was found by XRD that the the mineral composition and the clay mineral component are same in the two systems，also they are blong to the fluvial deposit environment and they have a sufficient hydrodynamic condition.The sum of calcspar and dolomite in Yongding river is more than Chaobai river，but the hornblende is less than the Chaobai river.The two systems have the same major elements and trace elements，then quantitative analyzes the sedimentary characteristics differences between the systems by the different element associations.Finally determines the typical sedimentary characteristics in sampling points Y6 and Y14.The result of study is significant for the study of evolution，vicissitudes and identification of ancient river source，and the application of these methods provide the most direct quantitative proof on division and boundary confirmationof groundwater systems，at the same time this article puts forward a new method of hydrogeochemical environment analysis and the reasonable exploitation of water resource. Key words：Yongding river；Chaobai river；sedimentary characteristics；cluster analysis；the mineral composition 北京地处华北平原北部，地形西北高、东南低，西部和北部山脉属太行山脉和燕山山脉，市区位于向东南倾斜的冲洪积平原上。根据北京市平原区水系及其河流冲洪积扇的分布特征，整体上将北京市平原区地下水系统划分为3个相对独立的区域地下水系统[1]（见图1），本文选取永定河水系和潮白河水系两大典型水系分析浅层沉积特征分析，阐述两大水系沉积环境，为地下水化学特征及地下水系统边界验证、古河道变迁、水资源合理开发利用等提供了直接的科学依据。 永定河及潮白河两条典型剖面上由于河流流经母岩区性 图1北京市平原区地下水系统及取样点分布 质不同，其沉积环境各有差异，其各自沉积环境造就典型剖面的风化及组合特征、沉积物的搬运特征等各有差异[2-4]。永定河主要流经西山，西山属太行山脉，地表组成物质以石灰岩类为主，其次是火山碎屑岩类；石灰岩风化主要是化学溶解作用，风化后土层较薄，稍黏、钙质丰富，抗酸力强。潮白河主要流经北山燕山山脉，地表组成物质以花岗岩、片麻岩类为主，其次为石灰岩和砂砾岩类。 本文物源分析样品取自北京市平原区17个取样点不同层位（见图1），选取其中83个典型样品分别进行岩矿实验、矿物实验和黏土矿物实验。 矿物之间具有严格的共生关系，所以矿物组合是沉积环境变化极为敏感的指示剂，由于不同地区沉积特点不同而其具体组合形式、分析方法不同[3]。同一沉积平原中，同时期沉积物的碎屑组分一致，不同时期沉积物所含的碎屑物质不同，利用不同时期水平方向上矿物种类和含量变化，可分析其沉积特征。本文在聚类分析[5-6]、相关分析等方法的基础上确定研究区的矿物组合形式及特征。 1聚类分析 聚类分析是根据事物本身的特征对被研究对象进行分类的数理统计方法，是进行元素相关分析和地球化学分区的一种有效手段。其基本思想是先定义样品间距离及类与类之间的距离；开始时各样品看成一类，将距离最近的两类合并；重新计算新类与其它类的距离，再将距离最近的两类合并；再计算新类与其它类的距离……这样一步步的计算，每一步减少一类，直至所有样品都合并成一类为止。 在计算过程中常分为三个步骤：数据标准化，计算分类统计量，建立分类系统；其结果以分类谱系图形表示。本文数据标准化采用总和标准化，即分别求出各聚类要素所对应的数据总和，以各要素数据除以该要素数据总和。距离是事物之间差异性的测度，差异性越大，相似性越小，故距离是系统聚类分析的依据和基础；系统聚类方法里常用的距离计算有欧氏距离、切比雪夫距离、马氏距离、兰氏距离等。常用的聚类方法有最短距离聚类法、直接聚类法、最长距离聚类法、中间距离法、离差平方和聚类法等。 本文结合样品实际情况，以8种常规元素（SiO2、Al2O3、K2O、MgO、CaO、Na2O、Fe2O3及FeO）进行聚类[7]，聚类方法采用最短距离法，距离采用欧氏距离平方法，聚类的距离比较短，聚类图谱分类明显（见图2）。 图2欧式距离/最短距离聚类图 在图1地下水系统划分基础上结合图2可以分析所取样品的半定量关系，对所取样品进行归类。当聚类距离为235时，所有样品同属于北京平原区松散沉积物沉积环境中。当聚类距离为195时，样品Y1-Y10（Y6除外）属于永定河冲洪积扇沉积环境，而样品Y11-Y17属于潮白河冲洪积扇沉积环境，这也定性说明两个系统的沉积环境各有其独特的沉积特征。当聚类距离在179～189之间时，样品Y6、Y7及Y14具有独特的沉积特征，其沉积环境既不完全属于潮白河系统，也不完全属于永定河系统，结合北京市平原区系统划分，可以看出这几个样品均处于永定河古河道及潮白河两个冲洪积扇交汇沉积地带。 2风化程度 Nesbitt 和Young（1982，1984，1989）[8]引进了化学变异指数（CIA），此指数提供了一种定量化硅酸盐矿物风化（化学变异） 度的方法。CIA 的计算依据以下公式： CIA=[（Al2O3）/（CaO+Na2O+K2O+Al2O3）]×100 此处氧化物是以克分子含量形式表示的，CaO只是硅酸盐矿物中的CaO，而磷酸盐和碳酸盐矿物中的CaO 除外。CIA 值也可用A-CN-K三角图来表示，三个端元分别为Al2O3，CaO +Na2O 和K2O，其含量为克分子含量[9]。 根据样品分析结果，计算得83个永定河系统样品化学变异指数值分布在46～56之间，潮白河样品化学变异指数分布在60～70之间，两个典型剖面化学变异指数值存在明显差异，潮白河系统物质风化程度大于永定河系统，也定量计算出两条典型剖面的风化沉积程度区别。 3矿物组合 3.1矿物成分 从矿物衍射报告可以看出，17个样品的主要沉积成分为石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、角闪石及黏土矿物（见图3）。永定河及潮白河剖面由于流经地层不同，具有不同的沉积特征，其中永定河剖面方解石+白云石百分含量在3%～25%，石英含量主要在40%以下，角闪石含量在06%～22%；潮白河剖面方解石+白云石百分含量在1%～2%之间，石英含量在40%～45%之间，角闪石含量在1%～4%之间。 图3矿物成分百分含量柱状图 大量的黏土矿物是在表生风化作用中形成的[10-11]，黏土矿物实验结果显示，17个取样点83个样品的黏土矿物类型均为伊利石+伊利石/蒙脱石混层矿物+高岭石+绿泥石（见图4）。赵永胜（1993） 在研究云南星云湖时发现河流环境（包括分流河道和泛滥平原）不利于绿泥石的保存，而是出现伊利石/蒙脱石-高岭石组合。当水分条件优越时，伊利石/蒙脱石混层数量会增多，伊利石减少；当水份条件恶劣时，伊利石/蒙脱石混层会部分乃至绝大部分转变成伊利石。分析结果显示试验样品中伊利石/蒙脱石混层、伊利石平均相对含量分别为6435%、1730%，由此也看以看出永定河及潮白河剖面均处于河流沉积环境且水分条件优越。 图4黏土矿物相对百分含量柱状图 3.2岩化分析 从17个取样点83组岩石化学成分分析结果可以看出（见图5），两个典型剖面的常量元素有SiO2、Al2O3、K2O、MgO、CaO、Na2O、Fe2O3及FeO，8种常量元素百分含量高达887%～951%。 图5常量元素百分含量柱状图 图6常规元素组合三角图 图7常规元素构造环境判别图 根据常规元素三角图及构造环境判别图可以看出潮白河及永定河明显沉积特征的差异，使用化学变异指数值和矿物组合能更加明显展示两条剖面的沉积环境区别及其各自的沉积特征。此外，还能展示出在交互沉积环境中Y6、Y7、Y14的特殊沉积特征。 3.3微量元素 永定河及潮白河主要微量元素有P、Mn、F、Sr 、Cr、Cu、Zn、Pb、B、Ni、Co、As 、N、Sn、Sb、Mo、Se等，17种微量元素的百分含量仅为015%～037%。 由于不同岩层中Ca、Sr、Mg含量不同，矿物的抗风化能力不同。地下水在与围岩接触的过程中，岩石中的锶元素以Sr2+ 形式进行离子交换进入地下水，成为地下水的组分之一。由于Sr、Sr/Ca、Sr/Mg具有较好相关性（见图8），故本文选取微量元素Sr/Ca及CIA值（见图9）进行综合分析。 图8Sr与Sr/Ca、Sr/Mg相关关系 从图中可以看出，永定河中Sr/Ca值只要分布在0002 3～ 图9Sr/Ca构造环境判别图 0011 4之间，而潮白河Sr/Ca值主要分布在0008～0027，从微量元素也可以看出两个剖面沉积环境的不同。 4综合应用 根据聚类分析，可以半定量分析样品Y6、Y7、Y14的沉积是多期河流交叠、纵横沉积形成的。对Y6、Y7、Y14取样点不同层位分别取5个、7个、6个样品，根据不同样品的化学变异度、常规元素含量、矿物组合特征及构造环境判别图进行综合判断。 取样点Y6和Y7均处于永定河地下水系统中（图1），但样品Y6-5、Y6-7、Y6-8、Y7-2沉积特征均显示出潮白河剖面特征； Y14分布在潮白河区域中，但Y14-3、Y14-4、Y14-5均分布在潮白河剖面的最下部，接近永定河剖面。结合取样深度、颗分定名、地层剖面，Y6样品18～94 m的沉积特征体现出潮白河系统特征，而Y6样品18 m以上和94 m以下的沉积特征为永定河系统。Y7样品08 m以上黏质粉土的沉积特征显示出潮白河剖面特征，而Y7取样点其它样品的沉积特征属于永定河系统。Y14样品0～40 m沉积特征体现出潮白河系统特征；40～116 m沉积特征为潮白河区域，但是并非完全属于潮白河区域，可能是潮白河与永定河共同作用形成的；而Y14样品116 m以下的沉积特征属于永定河系统，详见图10。 图10取样点沉积环境判别图 Y6、Y14附近的沉积特征是潮白河及永定河古河道变迁及河道变迁时序的最直接证明。可以确定在Y6、Y14附近先进行永定河古河道沉积，而后潮白河进行沉积，最后Y6、Y14分别接受永定河、潮白河沉积，其中Y14取样点附近又接受多期交错沉积。 Y6、Y14附近的沉积特征也为永定河地下子系统及潮白河地下水子系统边界确定提供了最有利最直接的证据。 5结论 （1）通过聚类分析、风化程度计算、矿物成分分析、岩石化学常量元素、微量元素等分析，证明北京市永定河及潮白河浅层松散沉积物沉积特征既具有相同点，又具有差异性。 （2）两条剖面主要沉积物矿物成分均为石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、角闪石及粘土矿物，其中粘土矿物类型均为伊利石+伊利石/蒙脱石混层矿物+高岭石+绿泥石，证明永定河及潮白河两条剖面均处于河流沉积环境且水分条件优越。此外，永定河剖面方解石及白云石百分含量和高于潮白河，潮白河剖面角闪石百分含量高于永定河。 （3）两个典型剖面的常量元素均为SiO2、Al2O3、K2O、MgO、CaO、Na2O、Fe2O3及FeO，8种常量元素百分含量高达887%～951%；主要微量元素有P、Mn、F、Sr、Cr、Cu、Zn、Pb、B、Ni、Co、As、N、Sn、Sb、Mo、Se等，17种微量元素的百分含量仅为015%～037%。通过相关分析，不同常量元素及微量元素组合验证分析出永定河及潮白河浅层松散沉积物具有其各自沉积特征。 （4）永定河系统样品化学变异指数值分布在46～56之间，潮白河样品化学变异指数分布在60～70之间，潮白河系统沉积物风化程度大于永定河系统。 （5）通过聚类分析半定量确定Y6、Y14取样点沉积环境的典型性，通过风化程度计算、矿物成分分析、岩石化学常量元素组合分析等方法定量综合分析了Y6、Y14取样点的沉积特征。这些方法的应用为河流沉积时序、古河道变迁提供了最直接的量化证明，为地下水系统划分、地下水系统边界确定提供了最有利最直接的证据。由于沉积特征在很大程度上决定了地下水系统的水化学特征，这也将对未来水化学场研究提出新的思路和方法。 参考文献： [1]张安京，叶超，李宇，等.北京地下水第一版[M].北京：中国大地出版社，2008：36-39. 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