長江懸浮物的時空變化及其環(huán)境意義

這條河流是大陸和海洋之間的一條聯系。河水本身就是地球水循環(huán)的關鍵性一環(huán)。河水中溶有多種無機和有機物,對這些物質在地球表面的循環(huán)起著重要的作用。另外,河流還攜帶大量的懸移質和推移質,也是地球表面物質循環(huán)的一個重要方面。鑒于河流的沖刷與沉積作用對人類生存環(huán)境的影響,人們對河流的泥沙含量的關注已有數千年的歷史。在現代,含沙量測量仍然是河流監(jiān)測的最基本的內容。近年來,對河流中泥沙的研究不斷深入,除了研究河水含沙量的變化外,泥沙的粒級分類、礦物組成、化學成分,乃至同位素組成都先后納入研究范疇(Brügmann,1995;Canfield,1997;Dekovetal.,1997;Gordeevetal.,2004;Stummeyeretal.,2002;Yangetal.,2004)。通過世界主要河流攜帶的懸浮物的礦物組成、化學成分,乃至同位素組成分析,我們可以:(1)評估大陸殼的再循環(huán)(TaylorandMcLennan,1985;GoldsteinandJacobsen,1988);(2)估計大陸的剝蝕速率(MillimanandMeade,1983;WallingandFang,2003;Syvitskietal.,2005;Walling,2006);(3)確定控制剝蝕速率的參數(Allègreetal.,1996);(4)估量人類活動的影響(NriaguandPacyna,1988;Audryetal.,2006)。近來,人們對河流懸浮物與硅酸鹽風化的關系給予了更多關注(Gaillardetetal.,1999;Dessertetal.,2003;Gislasonetal.,2006)。長江是亞洲第一,世界上第三大河。流域面積1.8×106km2。長江年平均入海水量接近1×1012m3,多年平均帶入海洋的泥沙量達4.14×108t(水利部長江水利委員會,2008)。長江流域是我國最重要的經濟發(fā)達地區(qū)。對長江水文變化已有兩千多年的記載,從1875年開始對長江流域的水文、地質調查和科學研究,也有一百多年的歷史。近年來,對長江流域的水文、地貌、災害和資源進行了大量研究。許多研究者對長江水中泥沙及河床與三角洲沉積物的化學與同位素組成進行過專門研究。如劉文等(2009)與曾晨等(2012)對長江懸浮物的地球化學研究,Zhang(1999)、沈敏等(2006)與李云峰等(2010)對長江懸浮物與沉積物中重金屬組成的研究,Yang等(2002)對揚子江沉積物的時間變化與人類活動的影響的研究,Du等(2001)利用210Pb測定對洞庭湖與長江中游的環(huán)境變化研究。Zhang等(1998)對長江干流稀土元素地球化學研究,Bouloubassi等(2001)對長江河口表面沉積物中碳氫化合物的研究,Rao等(1997)對長江沉積物磷的時間變化研究,ZhangandSelinus(1997)對長江沉積物中銅、鉛、鋅含量的研究,成杭新等(2008)對長江源區(qū)鎘的地球化學研究,楊守業(yè)等(2007)和茅昌平等(2011)對長江懸浮物的Sr-Nd同位素組成研究,汪齊連等(2008)對長江懸浮物的鋰同位素研究,和Ding等(2004)對長江懸浮物的硅同位素研究。與國外的同類研究相比,我國對長江水中泥沙的化學與同位素研究仍然十分薄弱,系統(tǒng)性較差,研究對象較分散,研究程度也較低。從2003年到2007年,我們在國家自然科學基金、國家科技部社會公益項目和地質大調查項目的支持下,與長江水利委員會水文局合作,對長江流域懸浮物含量及其礦物和化學成分進行了系統(tǒng)的研究,為探討長江流域風化、侵蝕與沉積作用和環(huán)境變化提供依據。1程度及降水量特征長江源于青藏高原,其干流流經青、藏、川、渝、滇、鄂、湘、贛、皖、蘇、滬等11個省、市、自治區(qū),在崇明島以東注入東海(圖1)。長江干流全長6300余千米,多年平均入海水量近1×1012m3/a,居世界第三位。長江從源頭至湖北省宜昌為上游,長約4500km,流域面積1×106km2。長江源區(qū)是一塊海拔平均在5000m上下,自西向東傾斜的高原。它西起烏蘭烏拉山,東到巴顏喀拉山,北界昆侖山,南至唐古拉山。其東西長約500km,南北寬約400km,流域面積約1.1×105km2,屬青藏高寒區(qū)。這里雪山綿亙,冰川蜿蜒,湖泊廣布,沼澤連片,河川眾多,整體構成扇形水系。沱沱河、楚瑪爾河、當曲等3條主要水流分別被定為長江的正源、北源和南源。由源區(qū)而下,長江穿過川、滇西部山區(qū)和四川盆地。在通天河、金沙江和三峽河段山高峽深,水流湍急,基本屬于峽谷型河流。從源區(qū)到宜賓(M05),河道兩旁出露的巖石以碎屑沉積巖、火成巖和變質巖為主。主要支流有雅礱江。從宜賓到奉節(jié)(M10),沿江出露的巖石主要為含石膏的紅層砂巖,且分布著大片稻田和濕地。主要支流有岷江、嘉陵江與烏江。從奉節(jié)到宜昌,河流通過三峽地段,江邊出露的巖石主要為灰?guī)r。該段只有香溪河、大寧河等小支流加入。宜昌至江西省湖口為中游,長950km,流域面積6.8×105km2。該河段顯彎曲蜿蜒形的特征,河床寬闊而水流緩慢(Chenetal.,2001a,2001b)。主要支流有清江、洞庭“四水”(湘、資、沅、澧)、漢江和鄱陽“五水”(贛、撫、信、饒、修)(表1和圖1)。第四紀河湖相沉積物沿河廣泛出露。在干流與支流兩岸,分布著大面積的稻田與濕地。湖口以下至長江口為下游,長835km,主要流經平原地帶,流域面積1.3×105km2。河段顯河曲型河流的特征(Chenetal.,2001b)。安徽省大通以下受海潮影響,水勢和緩。江蘇省江陰至長江口為河口段,江面寬由1200m擴展至91km,呈喇叭狀。主要支流有青戈江、水陽江、滁河、秦淮河、黃浦江等。淮河的大部分水量也經京杭運河匯入長江。第四紀河湖相沉積物沿河廣泛出露。在干流兩岸與湖泊周圍分布著大面積的稻田與濕地。長江中下游兩岸平原和丘陵海拔較低,冷暖空氣南北活動無阻,東亞季風活動非常明顯,氣候四季分明。河道寬淺分汊,形似藕節(jié),開闊河段多有心灘出露,河道分汊。長江中下游兩岸有干堤3100余km。支民堤和海塘數萬千米,還建有大小40處蓄洪區(qū),以減緩洪水威脅。迄今已建大中小型水庫4.78×104座,總庫容近2.5×1011m3。長江流域的年平均氣溫呈東高西低、南高北低的分布趨勢。江源地區(qū)是全流域氣溫最低的地區(qū),年平均氣溫在-4℃上下。中下游大部分地區(qū)年平均氣溫在16~18℃之間,江南高于江北。流域最熱月份為7月,最冷月份為1月。長江流域平均年降水量1067mm。由于地域遼闊,地形復雜,季風氣候十分典型,年降水量和暴雨的時空分布很不均勻。江源區(qū)年降水量小于400mm,屬干旱帶。流域大部分地區(qū)年降水量為800~1600mm,屬濕潤帶。年降水量大于1600m的特別濕潤帶主要分布于四川盆地西部和東部邊緣、江西和湖南、湖北部分地區(qū)。冬季(12~1月)降水量為全年最少。春季(3~5月)降水量逐月增加。6~7月長江中下游月降水量達200余毫米。8月時主要雨區(qū)已移至長江上游。秋季(9~11月)各地降水量逐月減少。連續(xù)最大4個月降水量在長江上游地區(qū)出現于6~9月,在中游出現于3~6月,在下游出現于4~7月。月最大降水量在上游出現于7~8月,在中下游的南岸地區(qū)出現于5~6月,在中下游的北岸地區(qū)出現于6~7月。長江的支流數以千計,流域面積104km2以上的支流有49條。嘉陵江、漢江、岷江、雅礱江4大支流的流域面積均在105km2以上。長江中下游是中國淡水湖分布最集中的地區(qū),主要有鄱陽湖、洞庭湖、太湖、巢湖等。水量大是長江支流的第一個特點。雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江、沅江、湘江、漢江和贛江等8條支流的多年平均流量都在1000m3/s以上,超過黃河。支流集中是第二個特點。較大的支流幾乎全部集中在長江干流中段的“一盆二湖”地區(qū),即四川盆地、洞庭湖和鄱陽湖。在四川盆地,從左岸匯入長江的有雅礱江、岷江、沱江、嘉陵江,從右岸匯入的有烏江。洞庭湖一帶有清江、澧水、沅江、資水和湘江從右岸入長江。長江最大的支流漢江,則從左岸匯入。鄱陽湖水系包括修水、贛江、撫河、信江和饒河,集中在長江右岸。長江干流從雅礱江河口至鄱陽湖口,流程1761km,僅占全江的28%,而得到的補給水量近8×1011m3,占入?？偹康?0%。在長江下游的主要支流中,青戈江和黃浦江雖較為有名,但其長度和水量都與上中游的支流無法相比。2樣品的采集和化學組成分析本研究于2003~2007年在長江干流的25個采樣點(M01~M25)和主要支流與湖泊的13個采樣點(T01~T13)分5次采集了水樣(圖1、表2)。除M01、T01、T12、T13等4處樣品由項目組自行采集外,其余樣品均由長江水利委員會水文局相關水文控制站用觀測船采集。每次在每個采樣點采集1個樣品,由河流剖面上不同位置與不同深度采集的水樣混合而成。水樣收集在體積約5L的塑料桶中。樣品運回實驗室后,將樣品靜置沉淀使懸浮物與水溶液分離。移去清液后,將沉淀轉移至玻璃燒杯中,用蒸餾水清洗5~6次,除去殘留其中的河水。然后將盛有懸浮物的燒杯置于烘箱中,在105℃溫度下烘干。烘干后稱重并計算水的懸浮物量。再進行礦物鑒定和化學分析。懸浮物的礦物成分分析由北京建筑材料研究院X光衍射實驗室完成(相對誤差≤5%)。懸浮物的化學成分分析由國家地質實驗測試中心完成。懸浮物常量元素含量用等離子光譜儀(IRIS)測定,相對誤差≤5%),懸浮物中微量元素與稀土元素含量用等離子質譜計(Excell)測定(相對誤差≤5%)。3結果3.1g/l范圍內不同時間在不同站點所取樣品中的懸浮物含量變化于0.22~2880mg/L范圍內(表3),最低值見于2004年4月采自漢水丹江口的樣品(T10),最高值見于2005年7月采自通天河的樣品(M02)。3.2表1:表4本研究對2005年7月采集的水樣做了懸浮物的礦物組成鑒定,結果列于表4?？梢钥闯?長江懸浮物主要含粘土礦物(水云母、蒙脫石、高嶺石、綠泥石),碎屑硅酸鹽礦物(石英、鈉長石、微斜長石、輝石、角閃石),碎屑碳酸鹽礦物(方解石、白云石),磁鐵礦和赤鐵礦。3.34.4和5.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.4.所采樣品中懸浮物的常量元素含量分析結果列于表5~8。一般樣品都進行了SiO2、Al2O3、TFe2O3、FeO、CaO、MgO、Na2O、K2O、MnO、TiO2、P2O5、LOI(燒失量)和H2O+測定。由于2004年4月的樣品懸浮物含量較低,對所采樣品的FeO、LOI和H2O+含量均未進行測定,對三峽庫區(qū)及大壩下游的樣品(M09~M13)完全未做化學成分分析。在分析的所有樣品中,SiO2均為最高,次為Al2O3,反映硅酸鹽礦物與石英在懸浮物中的主導地位。在所有樣品中,CaO+MgO含量顯著地高于Na2O+K2O含量,反映碳酸鹽礦物的顯著影響。樣品中TFe2O3、FeO、TiO2和P2O5含量也達一定水平,反映磁鐵礦、鈦鐵礦、金紅石和磷灰石等礦物的影響(馬毅杰,1995),但本研究未做重礦物含量測定。M0110.42.39.917.531.15.13.001.215.61.21.31.5M0215.210.610.214.923.07.52.700.711.21.402.8M0414.04.56.510.825.112.47.61.43.07.32.10.93.6M0516.91.412.313.626.78.74.21.51.54.94.20.72.6M0620.31.113.516.121.88.84.6004.44.60.93.9M0717.71.512.618.024.98.14.41.61.33.82.40.63.2M0815.41.79.820.828.09.44.21.81.63.23.101.1M0917.0010.615.928.49.34.72.11.24.62.903.4M1014.71.610.515.831.113.75.01.4004.501.8M1113.62.89.617.327.38.74.71.41.12.83.20.96.6M1215.41.410.517.930.09.05.11.600.04.10.93.7M1314.32.311.617.7279.35.61.902.13.005.1M1415.72.210.812.225.811.75.5005.14.24.62.3M1516.73.29.814.130.59.53.90.00.94.33.803.2M1616.32.98.719.9287.55.8004.03.402.8M1718.84.28.111.227.813.83.7005.42.903.0M1817.22.412.812.128.213.12.72.303.13.103.1M1919.3012.719.028.013.301.401.82.402.0M2013.71.08.717.921.819.74.51.6007.11.72.3M2117.91.010.817.425.412.15.12.7005.302.4M2215.51.37.215.717.89.93.21.6002205.8M2320.11.810.414.522.523.101.5002.403.7M2421.7015.31920.513.35.02.2003.100M2517.41.810.713.830.313.65.10.81.601.502.3T0113.51.09.413.431.36.04.300.79.52.33.25.4T0220.02.911.718.120.77.54.94.31.73.11.51.62.1T0315.31.211.519.126.44.87.13.31.73.33.21.71.2T0415.51.85.218.338.015.401.8000.602.4T0520.811.88.518.222.67.32.71.203.12.400.8T0819.46.87.918.821.87.72.32.61.52.75.403.03.3.2co、ni、zn含量的變化對長江懸浮物中Co、Ni、Cu、Zn、Pb、Sr、Ba、Cd、Cr、Sc、As等微量元素的含量進行了測定,結果列于表9~表12。懸浮物中Co含量變化于14.1~42.2μg/g范圍內,Ni含量變化于22.1~88.0μg/g之間。懸浮物中Cu含量變化于20.0~151.0μg/g之間,Pb含量變化于25.9~918.0μg/g之間,Zn含量變化于65.0~1091.0μg/g之間。懸浮物中Sr含量變化于50.9~679.0μg/g之間,Ba含量變化于364.0~1286.0μg/g之間,Cd含量變化于0.13~17.2μg/g之間。3.3.3懸浮物的稀土元素測定對2003年7月、2004年4月、2005年7月和2007年7月所采樣品中懸浮物的14種稀土元素含量進行了測定,結果列于表13~表16。4討論4.1高懸浮物分布根據本研究的測量數據(表3),長江懸浮物含量變化于0.22~2880mg/L之間,平均256.5mg/L。與世界其他大河相比(圖2),長江懸浮物的含量與尼日爾河(260mg/L)、育空河(286mg/L)、多瑙河(313mg/L)、贊比西河(194mg/L)、珠江(190mg/L)、亞馬孫河(182mg/L)相近,在世界河流中居中等水平。與這些河流不同,黃河(3,568mg/L)、印度河(2,778mg/L)、尼羅河(1,400mg/L)、恒河(1,100mg/L)、布拉馬普德拉河(1,060mg/L)和密西西比河(862mg/L)則具高懸浮物含量的特征。這6條大河中有3條(印度河、恒河、布拉馬普德拉河)均源自喜馬拉雅山下,而流入印度洋,巨大的落差可能是造成他們特高懸浮物含量的主因。而以泥沙含量高而聞名于世的黃河之懸浮物含量居全球大河之首,則與流域內獨特的黃土高原密切相關。另一方面,圣勞倫斯河(12mg/L),葉尼塞河(23mg/L)、勒拿河(30mg/L)、鄂比河(40mg/L)和剛果河(32mg/L)的懸浮物含量則處于很低的水平。圣勞倫斯河位于5大湖泊的下游,葉尼塞河、勒拿河與鄂比河則流經人類活動較少和地勢變化較小的西伯利亞平原,而剛果河流域為落差較小的赤道雨林地區(qū)。長江懸浮物的含量水平可能反映其獨特的地貌特征(上游落差大,而中下游落差小)、氣象條件(溫帶和相對潮濕)和人類活動水平(農業(yè)發(fā)達,人口較密集,水庫建設較多)。盡管長江懸浮物含量不算高,但由于徑流量大,搬運的泥沙量仍居世界大河的前列,位于亞馬孫河、黃河、恒河與布拉馬普得拉河之后,排名第5(BernerandBerner,1987)。4.1.2流量、年徑流、年懸浮物含量變化圖3依據表3的數據顯示出長江懸浮物含量的時空變化。由圖3可看出:(1)長江干流河水的懸浮物含量與河段的坡度、流速和沉積物密切相關。源頭的沱沱河站位于高原地區(qū),地勢較為平緩,水流速度較小,其懸浮物含量小于500mg/L(M01)。從通天河到金沙江段(M02~M04),河流流經青海東部、云南東北部和四川西部的山區(qū),高差大,水流急,因而懸浮物含量較高。在四川到三峽地段(M05~M07)長江水流依然較急,懸浮物含量也較高。三峽以下的中下游段(M13~M25),地勢平緩,河床坡度小,水流速度慢,懸浮物含量顯著降低。(2)三峽工程對長江干流懸浮物含量影響巨大。三峽水庫從2003年6月1日正式下閘蓄水,2008年9月蓄水至175m。隨著蓄水高度的增加,庫區(qū)水流速度逐漸減緩,泥沙沉降加快,江水中懸浮物含量降低。從空間分布上看,進入三峽庫區(qū)后,江水懸浮物含量從清溪場(M08)開始,經萬縣(M09)和奉節(jié)(M10),逐步下降,在巴東(M11)達到最低值。在大壩之下的宜昌(M12)仍保持很低的泥沙含量,到沙市(M13)才明顯回升。從時間變化來看,指定站點(例如奉節(jié)和巴東)在豐水季節(jié)(7月)的懸浮物含量從2003年到2005年到2007年依次降低,在枯水季節(jié)(4月)的懸浮物含量從2004年到2006年同樣降低,與大壩蓄水高度的增加同步變化。根據長江水利委員會的數據(水利部長江水利委員會,2003,2004,2005,2006,2007),在圖4中展示出長江7大水文控制站2003~2007年年徑流量與年均懸浮物含量變化情況。由圖4b可看出,在這5年中,從屏山經朱沱、寸灘,到宜昌年均懸浮物含量都逐漸下降,與地形變化和三峽大壩建成造成的水流速度下降的影響相一致。(3)河水的徑流量及其含沙量在不同季節(jié)變化巨大。從圖3可以看出,從攀枝花(M04)到宜昌(M12),枯水季節(jié)(4月)的懸浮物含量明顯低于豐水季節(jié)(7月),清晰地顯示出不同季節(jié)因徑流量變化而導致的流速變化對河水懸浮物含量的影響。但是從沌口(M15)以下,長江中下游各站4月懸浮物含量與7月差別不大,反映春汛對4月份徑流量與懸浮物含量的影響。根據長江水利委員會泥沙公報的統(tǒng)計數據,可進一步探討2003~2007年期間長江各水文控制站月均徑流量與月均懸浮物含量變化關系(圖5)。由圖5可以明顯看出,在位于長江干流的不同河段的屏山、宜昌、漢口、大通四大水文控制站,月均懸浮物含量與月徑流量均顯示同步變化趨勢。在每年1~4月和10~12月的枯水季節(jié),各站江水的懸浮物含量相對較低,尤以1~2月最低;在5~10月的豐水季節(jié),各站江水的懸浮物含量相對較高,而在7~8月達到高峰。值得注意的是,從長江七大水文控制站年徑流量與年平均懸浮物含量變化圖(圖4)可以看出:2006年的年均懸浮物含量(圖3b)均低于其他年份,與2006年各站徑流量普遍小于其他年份(圖3a)相對應。這說明,徑流量的變化也是影響江水懸浮物含量的重要因素。(4)支流懸浮物含量變化情況及其對干流懸浮物含量的影響。由表2所列和圖3b所示數據,可以看出各支流的懸浮物含量變化明顯,受集水區(qū)地形、降雨量、流域巖土狀況及是否存在湖泊和水庫等因素的制約。本研究對長江北源楚瑪爾河(T1)和川西山地的雅礱江(T2)只在2005年豐水季節(jié)(7月)進行過采樣;得到的懸浮物含量都較高,分別為560mg/L和600mg/L。楚瑪爾河(T1)的高懸浮物含量跟它流過的干涸的土質松軟的盆地有關,而雅礱江(T2)的高懸浮物含量跟它的集水區(qū)為地形起伏很大的山區(qū)有關。長江上游四川段由左岸匯入長江的支流岷江(T03)、沱江(T04)、嘉陵江(T05)在豐水季節(jié)(7月)的懸浮物含量變化于1500~4.8mg/L之間,在枯水季節(jié)(4月)的懸浮物含量變化于29~7.6mg/L的狹小范圍內。由右岸匯入長江的烏江(T06)在豐水季節(jié)(7月)的懸浮物含量變化于194.4~6mg/L之間,在枯水季節(jié)(4月)的懸浮物含量變化于7.8~5.13mg/L之間。長江中游洞庭湖城陵磯(T09)7月懸浮物含量為27.9~6.8mg/L,在4月懸浮物含量為33.54~36.6mg/L;鄱陽湖(T13)7月懸浮物含量為50.8~15.3mg/L,4月懸浮物含量為174.96~49.6mg/L。這兩大水系在4月份的懸浮物含量反而高于7月份,反映其集水區(qū)在4月份降雨量已經較大,從而引發(fā)春汛的影響(鄢洪斌等,2005;羅雷與黎昔春,2012)。由右岸匯入長江的漢水(T11)7月份的懸浮物含量為412.2~16mg/L,與岷江情況相似;其4月份的懸浮物含量為101.31~70mg/L,與洞庭湖、鄱陽湖的情況相似,反映了春汛的影響。這些支流的匯入對長江各河段江水的懸浮物含量必然產生影響。在攀枝花(M04)以上河段,干流江水的懸浮物含量較高(106~2880mg/L),與楚瑪爾河(T01)、雅礱江(T02)等支流較高的懸浮物含量(560~600mg/L)相對應(表1與圖3)。由攀枝花(M04)到清溪場(M08),干流的懸浮物含量呈現降低的趨勢,與岷江(T03)、沱江(T04)、嘉陵江(T05)和烏江(T06)等支流懸浮物含量較低相對應。懸浮物含量在三峽庫區(qū)顯著降低后,從宜昌(M12)到漢口(M16)逐步回升到平均水平,并保持到河口,主要受洞庭湖與鄱陽湖水系的補充和對河床及堤岸沖刷作用的制約。4.2懸浮物的理化性質前人對長江干流、支流、河口及沿江湖泊的沉積物的礦物組成進行過一些研究(馬毅杰,1995;呂全榮和王效京,1985;張朝生等,1995),涉及碎屑礦物、粘土礦物及重礦物的組成特征與分布。本研究僅對2005年7月采集的水樣中懸浮物的礦物組成進行了測定,發(fā)現懸浮物中主要含粘土礦物(水云母、蒙脫石、高嶺石、綠泥石),碎屑硅酸鹽礦物(石英、鈉長石、微斜長石、輝石、角閃石),碎屑碳酸鹽礦物(方解石、白云石),磁鐵礦和赤鐵礦(表4)。本次研究得出的長江懸浮物中粘土礦物(水云母、蒙脫石、高嶺石、綠泥石)平均含量為57.4%,明顯高于Ding等(2011)報道的黃河懸浮物中粘土礦物的平均含量(52.2%)。長江懸浮物中鐵質平均含量(2.9%)也明顯高于黃河懸浮物中的鐵質平均含量(1.3%)。相反,長江懸浮物中碎屑硅酸鹽礦物(石英、鈉長石、微斜長石、輝石、角閃石)的平均含量(31.7%)和碳酸鹽礦物(方解石、白云石)平均含量(7.3%)明顯低于黃河懸浮物中碎屑硅酸鹽礦物的平均含量(36.0%)和碳酸鹽礦物的平均含量(10.5%)。我們知道碎屑硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物為物理風化的產物,而次生粘土礦物和鐵質為化學風化的產物。這些情況清楚表明長江流域的化學風化作用強于黃河流域,而物理侵蝕作用弱于黃河流域;與長江流域的氣候較黃河流域相對濕熱,黃河流域存在大片易被沖刷黃土相吻合。從圖6可以看出:由上游到下游,懸浮物中粘土礦物和碎屑硅酸鹽有緩慢增高的趨勢,碎屑碳酸鹽有逐步降低的趨勢,與Ding等(2004)報道的情況基本一致。這種趨勢反映由長江上游到中、下游,因氣溫升高和降水量加大,而化學風化作用逐漸增強的趨勢。鎮(zhèn)江(M22)的懸浮物中出現異常高的碳酸鹽含量,可能反映當地的某些局部情況。4.3長江懸浮物化學的組成特征及其地質意義4.3.1河流懸浮物主要化學成分4.3.1.1長江與黃河及全球河流懸浮物常量化學成分含量對比根據所研究的樣品中懸浮物的SiO2、Al2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TFe2O3的平均值,可計算出其相對上地殼巖石平均含量的標準化值(圖7)。在圖7中同時表示出黃河懸浮物、全球河流懸浮物和長江水系沉積物中各種常量氧化物組分的平均含量相對于其在上地殼巖石中平均含量的標準化值。由圖7可以看出,長江懸浮物、黃河懸浮物、全球河流懸浮物、長江水系沉積物的SiO2含量全都低于上地殼平均含量,反映硅酸鹽礦物化學風化過程中部分硅的流失。長江懸浮物的SiO2含量稍低于黃河懸浮物與全球河流懸浮物,表明長江流域化學風化中硅的流失程度高于黃河流域與全球平均水平。與長江水系沉積物相比,長江懸浮物的SiO2含量也偏低,可能反映因粒度的差別,河流中碎屑硅酸鹽礦物相對于粘土礦物優(yōu)先沉積。長江懸浮物和與全球河流懸浮物的Al2O3含量較上地殼巖石平均值略高,反映硅酸鹽礦物風化時Al2O3在次生粘土礦物中的相對富集。黃河懸浮物的Al2O3含量明顯低于上地殼巖石平均值,可能反映了流域懸浮物來源富含碳酸鹽成分。長江水系沉積物Al2O3含量明顯低于長江懸浮物,同樣反映河流中碎屑硅酸鹽礦物相對于粘土礦物的優(yōu)先沉積。長江懸浮物和全球河流懸浮物的平均CaO含量略低于上地殼巖石平均值,反映硅酸鹽和碳酸鹽礦物風化時CaO的相對流失。黃河懸浮物的CaO含量顯著高于上地殼巖石平均值,與流域內黃土中富含碳酸鹽礦物成分有關(Dingetal.,2011)。長江水系沉積物CaO含量稍高于長江懸浮物,可能反映碎屑碳酸鹽礦物的優(yōu)先沉積。長江懸浮物的平均MgO含量顯著高于上地殼巖石平均值,更高于全球河流懸浮物的含量,反映其富含白云石礦物成分的特點。長江水系沉積物MgO含量明顯低于懸浮物,可能反映含Mg的蒙脫石顆粒細小,傾向于在懸浮物中富集。長江懸浮物、黃河懸浮物、全球河流懸浮物與長江水系沉積物的K2O含量均較上地殼巖石平均值顯著偏低,反映硅酸鹽礦物化學風化過程中鉀的流失。長江懸浮物的K2O含量稍高于黃河懸浮物,更高于全球河流懸浮物,可能反映長江懸浮物較高的水云母含量。長江水系沉積物K2O含量明顯低于長江懸浮物,可能反映顆粒細小的水云母在懸浮物中選擇性富集。長江懸浮物、黃河懸浮物、全球河流懸浮物與長江水系沉積物的Na2O含量均較上地殼巖石平均值大大偏低,反映硅酸鹽礦物化學風化過程中鈉的嚴重流失。長江懸浮物的Na2O含量又低于黃河懸浮物和全球河流懸浮物,與長江流域更強的化學風化作用相匹配。長江水系沉積物Na2O含量稍稍高于長江懸浮物,可能反映斜長石碎屑礦物在的優(yōu)先沉積。長江懸浮物、黃河懸浮物、全球河流懸浮物與長江水系沉積物的TFe2O3含量均較上地殼巖石平均值偏高,反映化學風化產生的鐵的氫氧化物的難溶性。長江懸浮物的TFe2O3含量明顯高于黃河懸浮物,與長江流域更強烈的化學風化作用相一致。長江水系沉積物TFe2O3含量大大低于長江懸浮物,反映鐵的氫氧化物粒度細小,易于在懸浮物中富集。我們知道河流懸浮物的主要化學成分受流域巖石類型和巖石化學風化的程度的制約。對于長江這樣的世界級大河,由于其流域的廣大,其出露的原巖的平均化學組成與上地殼巖石平均組成應無顯著差別。因此,化學風化的程度可能是最主要的控制因素。綜合考慮河流水中溶解物和懸浮物的化學組成,可能為我們了解河流流域的化學與物理風化作用的相對強度提供重要的線索(Gaillardetetal.,1999a)。表17列出長江水與黃河水中總溶解物(TDS)、總懸浮物(TSM)中幾種主元素含量及其比值。從表17可以看出:長江水中的溶解硅只有懸浮物中的硅的5%,黃河水中的溶解硅只有懸浮物中的硅的1%。在這兩條大河中,懸浮物都是硅的最主要的搬運形式。但是長江水中溶解硅所占份額要比黃河高5倍。長江水和黃河水中的溶解鋁含量在檢測限以下,其鋁的搬運形式完全是懸浮物。長江水中鉀含量為懸浮物中的43%,而黃河水中的鉀含量僅為懸浮物中的5%。這表明,兩條河中鉀的主要搬運形式都是懸浮物。不過長江水中溶解鉀所占份額要比黃河高8倍以上。長江水中鈉含量為懸浮物中的9.5倍,而黃河水中的鈉含量為懸浮物中的2.2%。這表明,兩條河中鈉的主要搬運形式都是溶解鈉。不過長江水中溶解鈉所占份額要比黃河高4倍以上。長江水中鈣含量為懸浮物中的7倍,而黃河水中的鈣含量為懸浮物中的65%。這表明,長江中鈣的主要搬運形式是溶解鈣,而黃河中鈣的主要搬運形式卻仍是懸浮物。長江水中溶解鈣所占份額要比黃河高10倍以上。長江水中鎂含量為懸浮物中的1.91倍,而黃河水中的鎂含量為懸浮物中的91%。這表明長江中鎂的主要搬運形式是溶解鎂,而黃河中鎂的主要搬運形式仍是懸浮物。長江水中溶解鎂所占份額是黃河的2倍以上。上述所有分布特點均表明長江流域的化學風化作用比黃河流域強得多。4.3.1.2長江懸浮物常量元素含量的時空變化及其地質意義根據表5~表8的數據,在圖8表示出長江干流樣品中懸浮物的SiO2、Al2O3含量的時空變化。可以看出,同一時段由不同站點所采樣品的SiO2、Al2O3含量波動起伏,但總體有由上游往下游逐漸升高的趨勢,反映含硅、鋁礦物相對于碳酸鹽礦物比例的變化。同樣,在圖9中表示出長江懸浮物中CaO、MgO、K2O、Na2O和TFe2O3含量的時空變化。可以看出,同一時段所采樣品的懸浮物中CaO含量波動起伏,由上游往下游逐漸降低,與碳酸鹽礦物含量的變化相對應。三峽地段的樣品(M07、M08)中CaO含量相對較高,與當地石灰?guī)r大面積出露有關。鎮(zhèn)江(M22)2003年7月、2004年4月和2005年7月樣品,南通(M23)2003年7月與2004年4月樣品的CaO與MgO含量也較高,或許反映其中白云石含量的增高。懸浮物中K2O、Na2O和TFe2O3含量在不同站點雖有波動,但未見明顯的變化趨勢。4.3.2地質意義上的時空變化4.3.2.1長江、黃河與全球河流懸浮物中Co、Ni、Cu、Zn、Pb、Sr、Ba、Cd平均含量對比根據表9~表12的數據求出本次研究所采樣品中懸浮物的Co、Ni、Cu、Zn、Pb、Sr、Ba與Cd含量的平均值,進而計算出相對上地殼的含量的標準化值,并示于圖10。在圖10中同時表示出這些元素在黃河懸浮物、全球河流懸浮物和長江水系沉積物中的平均含量相對上地殼巖石含量的標準化值。由圖10可以看出,長江懸浮物、黃河懸浮物、全球河流懸浮物、長江水系沉積物的Co、Ni含量較上地殼巖石平均含量高1~3倍。長江懸浮物的Co、Ni含量較全球河流懸浮物稍低,而較黃河懸浮物稍高。長江懸浮物的Co、Ni含量略高于長江水系沉積物的含量,表明它們可能主要被粘土所吸附。長江懸浮物、黃河懸浮物、全球河流懸浮物、長江水系沉積物的Cu、Pb、Zn含量均高于上地殼巖石平均含量,反映風化過程中它們在殘留物中的相對富集。其中長江懸浮物的Cu、Pb、Zn含量最高,為上地殼平均含量的3.5~6倍,反映長江流域巖石富有色金屬的背景。全球河流懸浮物的Cu、Pb平均含量居其次,約為上地殼平均含量的3倍。黃河懸浮物Cu、Pb平均含量最低,僅為上地殼平均含量的1.5倍;但其Zn平均含量略高于全球河流懸浮物的平均含量。長江懸浮物的Cu、Pb、Zn含量顯著高于長江水系沉積物,表明這些金屬可能主要被粘土所吸附,或者流域礦山開采活動有逐步增高的趨勢。長江懸浮物、黃河懸浮物、全球河流懸浮物、長江水系沉積物的Sr含量均顯著低于上地殼巖石平均含量,反映硅酸鹽和碳酸鹽礦物風化時Sr的流失。長江懸浮物的Sr含量(為上地殼巖石平均含量的0.5倍)與全球河流懸浮物相當,顯著低于黃河懸浮物的平均含量(為上地殼巖石平均含量的0.7倍),反映長江流域的化學風化比黃河流域更強烈。長江水系沉積物的Sr含量為上地殼平均值的0.4倍,低于長江懸浮物,表明Sr傾向于在粒度較小的懸浮物中富集。長江懸浮物、黃河懸浮物、全球河流懸浮物、長江水系沉積物的Ba含量都接近上地殼平均含量。其中長江懸浮物的Ba含量為上地殼平均含量的1.1倍,全球河流懸浮物的平均含量為上地殼平均含量的0.9倍,黃河懸浮物的Ba含量與上地殼平均含量相同。長江水系沉積物的Ba含量為上地殼平均值的0.9倍,低于長江懸浮物,表明Ba可能在細粒的懸浮物中富集。長江懸浮物、黃河懸浮物、全球河流懸浮物、長江水系沉積物的Cd含量全都大大高于上地殼巖石平均含量。其相對于上地殼巖石的富集程度分別為:長江懸浮物14.2倍,全球河流懸浮物15.8倍,黃河懸浮物含3.1倍。這種情況一方面表明在巖石礦石風化過程中,Cd傾向于在風化殘留物中富集,另一方面表明長江流域巖石含Cd背景略低于全球大河平均背景值,而黃河流域更低。長江水系沉積物的Cd含量大大低于長江懸浮物,表明Cd可能主要被粘土礦物所吸附。4.3.2.2長江懸浮物Co、Ni、Cu、Zn、Pb、Sr、Ba、Cd含量的時空變化及其地質意義長江懸浮物中Ni、Co含量的時空變化情況示于圖11。在源頭(M01、M02)地區(qū),只對2005年和2007年7月采集的樣品做了Ni、Co含量測定。他們的Ni、Co含量都較低,Ni含量在20~40μg/g范圍內波動,Co含量在10~20μg/g范圍內波動。從M02到M04,干流懸浮物中的Ni、Co含量急劇升高。M04的Ni含量在2003年7月(65.9μg/g),2004年4月(85.6μg/g)和2005年7月(131μg/g)均出現峰值。在2007年7月樣品中,Ni含量(56.6μg/g)雖不是峰值,但也很高。Co含量的變化趨勢與Ni含量類似,不過幅度小一些。它們的變化均反映雅礱江一帶出露的峨眉山玄武巖風化產物對河流懸浮物的影響。從M04到河口(M25),2003年7月,2004年4月和2005年7月干流懸浮物中的Ni、Co含量均呈現總體緩慢下降的趨勢。2007年7月樣品在M05繼續(xù)升高,然后也緩慢下降。這一總趨勢反映了峨眉山玄武巖風化產物的貢獻逐步被稀釋。2004年4月在M22采集的樣品中懸浮物Ni含量出現高達93.6μg/g的異常值,其原因尚不清楚。長江懸浮物中Cu、Pb、Zn含量的時空變化情況示于圖12。2003年7月,2005年7月和2007年7月3次在豐水季節(jié)采集的樣品在源頭與金沙江河段(M01-M5)均顯示較低的Cu、Pb、Zn含量。從M06~M25,Cu、Pb、Zn含量都在較大范圍內波動,并顯示由上游往下游逐步升高的總趨勢。2003年7月在大通(M19)和南京下(M21)出現Zn的峰值,2005年7月在九江(M18)和南京(M20、M21)出現Zn與Pb的峰值,2007年7月在大通(M19)和南京上(M20)出現Zn與Pb的峰值,均反映長江中下游地區(qū)有色金屬礦山開采活動的影響。但是2005年7月在吳淞口(M25)發(fā)現高達700μg/g的Zn含量和2007年7月在巴東(M11)與宜昌發(fā)現Cu、Pb、Zn的高含量,目前還難以解釋。與豐水季節(jié)的情況大不相同,2004年4月枯水的懸浮物在攀枝花(M04)出現Cu與Zn的峰值,在宜賓(M05)出現Cu、Pb、Zn的高含量,反映出相關河段廣泛出露的峨眉山玄武巖的影響。不過這些影響在豐水季節(jié)由于上游帶來的懸浮物較多而被沖淡。此外,在重慶(M0)與涪陵(M08)也出現Cu、Pb、Zn的高含量,可能反映該河段出露巖石有較高的有色金屬含量。在南京下(M21)和鎮(zhèn)江(M22)出現的Pb、Zn的峰值也可能反映礦山開采活動的影響。長江懸浮物中Sr、Ba含量的時空變化情況示于圖13。同一時段采集的樣品懸浮物的Sr含量均顯示由上游往下游逐漸降低的趨勢(圖13),與Ca含量的變化相似,可能反映碳酸鹽礦物含量的逐步降低。Sr含量的最高值出現于沱沱河,2005年的含量為430.0μg/g(圖13c),2007年7月的含量為679.0μg/g(圖13d)。與Sr含量變化不同,同一時段在不同站點采集的樣品Ba含量波動較大,但有從上游往下游逐漸增高的趨勢(圖13)。在M07和M08出現的高Ba含量可能與四川紅層盆地發(fā)育的蒸發(fā)巖有關,在南京下M21、M22出現的高Ba含量可能與鉛鋅礦山開采活動有關。長江懸浮物中Cd含量與上地殼巖石平均Cd含量的比值的時空變化情況示于圖14。源頭沱沱河(M01)懸浮物中Cd含量略低于上地殼巖石平均Cd含量,比值為0.7~0.9。直門達(M02)懸浮物中Cd含量最低,比值為0.3~0.4。從M03到M18懸浮物中Cd含量總的顯升高趨勢,而從M18到河口(M25)有降低趨勢。在M18與M21出現的峰值可能反映當地礦山開采活動的影響。2004年4月瀘州(M06)出現的峰值的原因尚不清楚。4.3.3稀土元素地球化學本次研究對2003年7月、2004年4月、2005年7月和2007年7月樣品中懸浮物的14種稀土元素組成進行了系統(tǒng)測定。樣品稀土元素總量的時空變化示于圖15。各年度樣品稀土元素含量相對頁巖平均值標準化配分示于圖16。由圖15可看出:各站樣品懸浮物稀土總量波動起伏,變化于127.6~362.1μg/g的較大范圍內,