长江悬浮物的时空变化及其环境意义

长江悬浮物的时空变化及其环境意义

这条河流是大陆和海洋之间的一条联系。河水本身就是地球水循环的关键性一环。河水中溶有多种无机和有机物,对这些物质在地球表面的循环起着重要的作用。另外,河流还携带大量的悬移质和推移质,也是地球表面物质循环的一个重要方面。鉴于河流的冲刷与沉积作用对人类生存环境的影响,人们对河流的泥沙含量的关注已有数千年的历史。在现代,含沙量测量仍然是河流监测的最基本的内容。近年来,对河流中泥沙的研究不断深入,除了研究河水含沙量的变化外,泥沙的粒级分类、矿物组成、化学成分,乃至同位素组成都先后纳入研究范畴(Brügmann,1995;Canfield,1997;Dekovetal.,1997;Gordeevetal.,2004;Stummeyeretal.,2002;Yangetal.,2004)。通过世界主要河流携带的悬浮物的矿物组成、化学成分,乃至同位素组成分析,我们可以:(1)评估大陆壳的再循环(TaylorandMcLennan,1985;GoldsteinandJacobsen,1988);(2)估计大陆的剥蚀速率(MillimanandMeade,1983;WallingandFang,2003;Syvitskietal.,2005;Walling,2006);(3)确定控制剥蚀速率的参数(Allègreetal.,1996);(4)估量人类活动的影响(NriaguandPacyna,1988;Audryetal.,2006)。近来,人们对河流悬浮物与硅酸盐风化的关系给予了更多关注(Gaillardetetal.,1999;Dessertetal.,2003;Gislasonetal.,2006)。长江是亚洲第一,世界上第三大河。流域面积1.8×106km2。长江年平均入海水量接近1×1012m3,多年平均带入海洋的泥沙量达4.14×108t(水利部长江水利委员会,2008)。长江流域是我国最重要的经济发达地区。对长江水文变化已有两千多年的记载,从1875年开始对长江流域的水文、地质调查和科学研究,也有一百多年的历史。近年来,对长江流域的水文、地貌、灾害和资源进行了大量研究。许多研究者对长江水中泥沙及河床与三角洲沉积物的化学与同位素组成进行过专门研究。如刘文等(2009)与曾晨等(2012)对长江悬浮物的地球化学研究,Zhang(1999)、沈敏等(2006)与李云峰等(2010)对长江悬浮物与沉积物中重金属组成的研究,Yang等(2002)对扬子江沉积物的时间变化与人类活动的影响的研究,Du等(2001)利用210Pb测定对洞庭湖与长江中游的环境变化研究。Zhang等(1998)对长江干流稀土元素地球化学研究,Bouloubassi等(2001)对长江河口表面沉积物中碳氢化合物的研究,Rao等(1997)对长江沉积物磷的时间变化研究,ZhangandSelinus(1997)对长江沉积物中铜、铅、锌含量的研究,成杭新等(2008)对长江源区镉的地球化学研究,杨守业等(2007)和茅昌平等(2011)对长江悬浮物的Sr-Nd同位素组成研究,汪齐连等(2008)对长江悬浮物的锂同位素研究,和Ding等(2004)对长江悬浮物的硅同位素研究。与国外的同类研究相比,我国对长江水中泥沙的化学与同位素研究仍然十分薄弱,系统性较差,研究对象较分散,研究程度也较低。从2003年到2007年,我们在国家自然科学基金、国家科技部社会公益项目和地质大调查项目的支持下,与长江水利委员会水文局合作,对长江流域悬浮物含量及其矿物和化学成分进行了系统的研究,为探讨长江流域风化、侵蚀与沉积作用和环境变化提供依据。1程度及降水量特征长江源于青藏高原,其干流流经青、藏、川、渝、滇、鄂、湘、赣、皖、苏、沪等11个省、市、自治区,在崇明岛以东注入东海(图1)。长江干流全长6300余千米,多年平均入海水量近1×1012m3/a,居世界第三位。长江从源头至湖北省宜昌为上游,长约4500km,流域面积1×106km2。长江源区是一块海拔平均在5000m上下,自西向东倾斜的高原。它西起乌兰乌拉山,东到巴颜喀拉山,北界昆仑山,南至唐古拉山。其东西长约500km,南北宽约400km,流域面积约1.1×105km2,属青藏高寒区。这里雪山绵亘,冰川蜿蜒,湖泊广布,沼泽连片,河川众多,整体构成扇形水系。沱沱河、楚玛尔河、当曲等3条主要水流分别被定为长江的正源、北源和南源。由源区而下,长江穿过川、滇西部山区和四川盆地。在通天河、金沙江和三峡河段山高峡深,水流湍急,基本属于峡谷型河流。从源区到宜宾(M05),河道两旁出露的岩石以碎屑沉积岩、火成岩和变质岩为主。主要支流有雅砻江。从宜宾到奉节(M10),沿江出露的岩石主要为含石膏的红层砂岩,且分布着大片稻田和湿地。主要支流有岷江、嘉陵江与乌江。从奉节到宜昌,河流通过三峡地段,江边出露的岩石主要为灰岩。该段只有香溪河、大宁河等小支流加入。宜昌至江西省湖口为中游,长950km,流域面积6.8×105km2。该河段显弯曲蜿蜒形的特征,河床宽阔而水流缓慢(Chenetal.,2001a,2001b)。主要支流有清江、洞庭“四水”(湘、资、沅、澧)、汉江和鄱阳“五水”(赣、抚、信、饶、修)(表1和图1)。第四纪河湖相沉积物沿河广泛出露。在干流与支流两岸,分布着大面积的稻田与湿地。湖口以下至长江口为下游,长835km,主要流经平原地带,流域面积1.3×105km2。河段显河曲型河流的特征(Chenetal.,2001b)。安徽省大通以下受海潮影响,水势和缓。江苏省江阴至长江口为河口段,江面宽由1200m扩展至91km,呈喇叭状。主要支流有青戈江、水阳江、滁河、秦淮河、黄浦江等。淮河的大部分水量也经京杭运河汇入长江。第四纪河湖相沉积物沿河广泛出露。在干流两岸与湖泊周围分布着大面积的稻田与湿地。长江中下游两岸平原和丘陵海拔较低,冷暖空气南北活动无阻,东亚季风活动非常明显,气候四季分明。河道宽浅分汊,形似藕节,开阔河段多有心滩出露,河道分汊。长江中下游两岸有干堤3100余km。支民堤和海塘数万千米,还建有大小40处蓄洪区,以减缓洪水威胁。迄今已建大中小型水库4.78×104座,总库容近2.5×1011m3。长江流域的年平均气温呈东高西低、南高北低的分布趋势。江源地区是全流域气温最低的地区,年平均气温在-4℃上下。中下游大部分地区年平均气温在16~18℃之间,江南高于江北。流域最热月份为7月,最冷月份为1月。长江流域平均年降水量1067mm。由于地域辽阔,地形复杂,季风气候十分典型,年降水量和暴雨的时空分布很不均匀。江源区年降水量小于400mm,属干旱带。流域大部分地区年降水量为800~1600mm,属湿润带。年降水量大于1600m的特别湿润带主要分布于四川盆地西部和东部边缘、江西和湖南、湖北部分地区。冬季(12~1月)降水量为全年最少。春季(3~5月)降水量逐月增加。6~7月长江中下游月降水量达200余毫米。8月时主要雨区已移至长江上游。秋季(9~11月)各地降水量逐月减少。连续最大4个月降水量在长江上游地区出现于6~9月,在中游出现于3~6月,在下游出现于4~7月。月最大降水量在上游出现于7~8月,在中下游的南岸地区出现于5~6月,在中下游的北岸地区出现于6~7月。长江的支流数以千计,流域面积104km2以上的支流有49条。嘉陵江、汉江、岷江、雅砻江4大支流的流域面积均在105km2以上。长江中下游是中国淡水湖分布最集中的地区,主要有鄱阳湖、洞庭湖、太湖、巢湖等。水量大是长江支流的第一个特点。雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江、沅江、湘江、汉江和赣江等8条支流的多年平均流量都在1000m3/s以上,超过黄河。支流集中是第二个特点。较大的支流几乎全部集中在长江干流中段的“一盆二湖”地区,即四川盆地、洞庭湖和鄱阳湖。在四川盆地,从左岸汇入长江的有雅砻江、岷江、沱江、嘉陵江,从右岸汇入的有乌江。洞庭湖一带有清江、澧水、沅江、资水和湘江从右岸入长江。长江最大的支流汉江,则从左岸汇入。鄱阳湖水系包括修水、赣江、抚河、信江和饶河,集中在长江右岸。长江干流从雅砻江河口至鄱阳湖口,流程1761km,仅占全江的28%,而得到的补给水量近8×1011m3,占入海总水量的80%。在长江下游的主要支流中,青戈江和黄浦江虽较为有名,但其长度和水量都与上中游的支流无法相比。2样品的采集和化学组成分析本研究于2003~2007年在长江干流的25个采样点(M01~M25)和主要支流与湖泊的13个采样点(T01~T13)分5次采集了水样(图1、表2)。除M01、T01、T12、T13等4处样品由项目组自行采集外,其余样品均由长江水利委员会水文局相关水文控制站用观测船采集。每次在每个采样点采集1个样品,由河流剖面上不同位置与不同深度采集的水样混合而成。水样收集在体积约5L的塑料桶中。样品运回实验室后,将样品静置沉淀使悬浮物与水溶液分离。移去清液后,将沉淀转移至玻璃烧杯中,用蒸馏水清洗5~6次,除去残留其中的河水。然后将盛有悬浮物的烧杯置于烘箱中,在105℃温度下烘干。烘干后称重并计算水的悬浮物量。再进行矿物鉴定和化学分析。悬浮物的矿物成分分析由北京建筑材料研究院X光衍射实验室完成(相对误差≤5%)。悬浮物的化学成分分析由国家地质实验测试中心完成。悬浮物常量元素含量用等离子光谱仪(IRIS)测定,相对误差≤5%),悬浮物中微量元素与稀土元素含量用等离子质谱计(Excell)测定(相对误差≤5%)。3结果3.1g/l范围内不同时间在不同站点所取样品中的悬浮物含量变化于0.22~2880mg/L范围内(表3),最低值见于2004年4月采自汉水丹江口的样品(T10),最高值见于2005年7月采自通天河的样品(M02)。3.2表1:表4本研究对2005年7月采集的水样做了悬浮物的矿物组成鉴定,结果列于表4。可以看出,长江悬浮物主要含粘土矿物(水云母、蒙脱石、高岭石、绿泥石),碎屑硅酸盐矿物(石英、钠长石、微斜长石、辉石、角闪石),碎屑碳酸盐矿物(方解石、白云石),磁铁矿和赤铁矿。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.所采样品中悬浮物的常量元素含量分析结果列于表5~8。一般样品都进行了SiO2、Al2O3、TFe2O3、FeO、CaO、MgO、Na2O、K2O、MnO、TiO2、P2O5、LOI(烧失量)和H2O+测定。由于2004年4月的样品悬浮物含量较低,对所采样品的FeO、LOI和H2O+含量均未进行测定,对三峡库区及大坝下游的样品(M09~M13)完全未做化学成分分析。在分析的所有样品中,SiO2均为最高,次为Al2O3,反映硅酸盐矿物与石英在悬浮物中的主导地位。在所有样品中,CaO+MgO含量显著地高于Na2O+K2O含量,反映碳酸盐矿物的显著影响。样品中TFe2O3、FeO、TiO2和P2O5含量也达一定水平,反映磁铁矿、钛铁矿、金红石和磷灰石等矿物的影响(马毅杰,1995),但本研究未做重矿物含量测定。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含量的变化对长江悬浮物中Co、Ni、Cu、Zn、Pb、Sr、Ba、Cd、Cr、Sc、As等微量元素的含量进行了测定,结果列于表9~表12。悬浮物中Co含量变化于14.1~42.2μg/g范围内,Ni含量变化于22.1~88.0μg/g之间。悬浮物中Cu含量变化于20.0~151.0μg/g之间,Pb含量变化于25.9~918.0μg/g之间,Zn含量变化于65.0~1091.0μg/g之间。悬浮物中Sr含量变化于50.9~679.0μg/g之间,Ba含量变化于364.0~1286.0μg/g之间,Cd含量变化于0.13~17.2μg/g之间。3.3.3悬浮物的稀土元素测定对2003年7月、2004年4月、2005年7月和2007年7月所采样品中悬浮物的14种稀土元素含量进行了测定,结果列于表13~表16。4讨论4.1高悬浮物分布根据本研究的测量数据(表3),长江悬浮物含量变化于0.22~2880mg/L之间,平均256.5mg/L。与世界其他大河相比(图2),长江悬浮物的含量与尼日尔河(260mg/L)、育空河(286mg/L)、多瑙河(313mg/L)、赞比西河(194mg/L)、珠江(190mg/L)、亚马孙河(182mg/L)相近,在世界河流中居中等水平。与这些河流不同,黄河(3,568mg/L)、印度河(2,778mg/L)、尼罗河(1,400mg/L)、恒河(1,100mg/L)、布拉马普德拉河(1,060mg/L)和密西西比河(862mg/L)则具高悬浮物含量的特征。这6条大河中有3条(印度河、恒河、布拉马普德拉河)均源自喜马拉雅山下,而流入印度洋,巨大的落差可能是造成他们特高悬浮物含量的主因。而以泥沙含量高而闻名于世的黄河之悬浮物含量居全球大河之首,则与流域内独特的黄土高原密切相关。另一方面,圣劳伦斯河(12mg/L),叶尼塞河(23mg/L)、勒拿河(30mg/L)、鄂比河(40mg/L)和刚果河(32mg/L)的悬浮物含量则处于很低的水平。圣劳伦斯河位于5大湖泊的下游,叶尼塞河、勒拿河与鄂比河则流经人类活动较少和地势变化较小的西伯利亚平原,而刚果河流域为落差较小的赤道雨林地区。长江悬浮物的含量水平可能反映其独特的地貌特征(上游落差大,而中下游落差小)、气象条件(温带和相对潮湿)和人类活动水平(农业发达,人口较密集,水库建设较多)。尽管长江悬浮物含量不算高,但由于径流量大,搬运的泥沙量仍居世界大河的前列,位于亚马孙河、黄河、恒河与布拉马普得拉河之后,排名第5(BernerandBerner,1987)。4.1.2流量、年径流、年悬浮物含量变化图3依据表3的数据显示出长江悬浮物含量的时空变化。由图3可看出:(1)长江干流河水的悬浮物含量与河段的坡度、流速和沉积物密切相关。源头的沱沱河站位于高原地区,地势较为平缓,水流速度较小,其悬浮物含量小于500mg/L(M01)。从通天河到金沙江段(M02~M04),河流流经青海东部、云南东北部和四川西部的山区,高差大,水流急,因而悬浮物含量较高。在四川到三峡地段(M05~M07)长江水流依然较急,悬浮物含量也较高。三峡以下的中下游段(M13~M25),地势平缓,河床坡度小,水流速度慢,悬浮物含量显著降低。(2)三峡工程对长江干流悬浮物含量影响巨大。三峡水库从2003年6月1日正式下闸蓄水,2008年9月蓄水至175m。随着蓄水高度的增加,库区水流速度逐渐减缓,泥沙沉降加快,江水中悬浮物含量降低。从空间分布上看,进入三峡库区后,江水悬浮物含量从清溪场(M08)开始,经万县(M09)和奉节(M10),逐步下降,在巴东(M11)达到最低值。在大坝之下的宜昌(M12)仍保持很低的泥沙含量,到沙市(M13)才明显回升。从时间变化来看,指定站点(例如奉节和巴东)在丰水季节(7月)的悬浮物含量从2003年到2005年到2007年依次降低,在枯水季节(4月)的悬浮物含量从2004年到2006年同样降低,与大坝蓄水高度的增加同步变化。根据长江水利委员会的数据(水利部长江水利委员会,2003,2004,2005,2006,2007),在图4中展示出长江7大水文控制站2003~2007年年径流量与年均悬浮物含量变化情况。由图4b可看出,在这5年中,从屏山经朱沱、寸滩,到宜昌年均悬浮物含量都逐渐下降,与地形变化和三峡大坝建成造成的水流速度下降的影响相一致。(3)河水的径流量及其含沙量在不同季节变化巨大。从图3可以看出,从攀枝花(M04)到宜昌(M12),枯水季节(4月)的悬浮物含量明显低于丰水季节(7月),清晰地显示出不同季节因径流量变化而导致的流速变化对河水悬浮物含量的影响。但是从沌口(M15)以下,长江中下游各站4月悬浮物含量与7月差别不大,反映春汛对4月份径流量与悬浮物含量的影响。根据长江水利委员会泥沙公报的统计数据,可进一步探讨2003~2007年期间长江各水文控制站月均径流量与月均悬浮物含量变化关系(图5)。由图5可以明显看出,在位于长江干流的不同河段的屏山、宜昌、汉口、大通四大水文控制站,月均悬浮物含量与月径流量均显示同步变化趋势。在每年1~4月和10~12月的枯水季节,各站江水的悬浮物含量相对较低,尤以1~2月最低;在5~10月的丰水季节,各站江水的悬浮物含量相对较高,而在7~8月达到高峰。值得注意的是,从长江七大水文控制站年径流量与年平均悬浮物含量变化图(图4)可以看出:2006年的年均悬浮物含量(图3b)均低于其他年份,与2006年各站径流量普遍小于其他年份(图3a)相对应。这说明,径流量的变化也是影响江水悬浮物含量的重要因素。(4)支流悬浮物含量变化情况及其对干流悬浮物含量的影响。由表2所列和图3b所示数据,可以看出各支流的悬浮物含量变化明显,受集水区地形、降雨量、流域岩土状况及是否存在湖泊和水库等因素的制约。本研究对长江北源楚玛尔河(T1)和川西山地的雅砻江(T2)只在2005年丰水季节(7月)进行过采样;得到的悬浮物含量都较高,分别为560mg/L和600mg/L。楚玛尔河(T1)的高悬浮物含量跟它流过的干涸的土质松软的盆地有关,而雅砻江(T2)的高悬浮物含量跟它的集水区为地形起伏很大的山区有关。长江上游四川段由左岸汇入长江的支流岷江(T03)、沱江(T04)、嘉陵江(T05)在丰水季节(7月)的悬浮物含量变化于1500~4.8mg/L之间,在枯水季节(4月)的悬浮物含量变化于29~7.6mg/L的狭小范围内。由右岸汇入长江的乌江(T06)在丰水季节(7月)的悬浮物含量变化于194.4~6mg/L之间,在枯水季节(4月)的悬浮物含量变化于7.8~5.13mg/L之间。长江中游洞庭湖城陵矶(T09)7月悬浮物含量为27.9~6.8mg/L,在4月悬浮物含量为33.54~36.6mg/L;鄱阳湖(T13)7月悬浮物含量为50.8~15.3mg/L,4月悬浮物含量为174.96~49.6mg/L。这两大水系在4月份的悬浮物含量反而高于7月份,反映其集水区在4月份降雨量已经较大,从而引发春汛的影响(鄢洪斌等,2005;罗雷与黎昔春,2012)。由右岸汇入长江的汉水(T11)7月份的悬浮物含量为412.2~16mg/L,与岷江情况相似;其4月份的悬浮物含量为101.31~70mg/L,与洞庭湖、鄱阳湖的情况相似,反映了春汛的影响。这些支流的汇入对长江各河段江水的悬浮物含量必然产生影响。在攀枝花(M04)以上河段,干流江水的悬浮物含量较高(106~2880mg/L),与楚玛尔河(T01)、雅砻江(T02)等支流较高的悬浮物含量(560~600mg/L)相对应(表1与图3)。由攀枝花(M04)到清溪场(M08),干流的悬浮物含量呈现降低的趋势,与岷江(T03)、沱江(T04)、嘉陵江(T05)和乌江(T06)等支流悬浮物含量较低相对应。悬浮物含量在三峡库区显著降低后,从宜昌(M12)到汉口(M16)逐步回升到平均水平,并保持到河口,主要受洞庭湖与鄱阳湖水系的补充和对河床及堤岸冲刷作用的制约。4.2悬浮物的理化性质前人对长江干流、支流、河口及沿江湖泊的沉积物的矿物组成进行过一些研究(马毅杰,1995;吕全荣和王效京,1985;张朝生等,1995),涉及碎屑矿物、粘土矿物及重矿物的组成特征与分布。本研究仅对2005年7月采集的水样中悬浮物的矿物组成进行了测定,发现悬浮物中主要含粘土矿物(水云母、蒙脱石、高岭石、绿泥石),碎屑硅酸盐矿物(石英、钠长石、微斜长石、辉石、角闪石),碎屑碳酸盐矿物(方解石、白云石),磁铁矿和赤铁矿(表4)。本次研究得出的长江悬浮物中粘土矿物(水云母、蒙脱石、高岭石、绿泥石)平均含量为57.4%,明显高于Ding等(2011)报道的黄河悬浮物中粘土矿物的平均含量(52.2%)。长江悬浮物中铁质平均含量(2.9%)也明显高于黄河悬浮物中的铁质平均含量(1.3%)。相反,长江悬浮物中碎屑硅酸盐矿物(石英、钠长石、微斜长石、辉石、角闪石)的平均含量(31.7%)和碳酸盐矿物(方解石、白云石)平均含量(7.3%)明显低于黄河悬浮物中碎屑硅酸盐矿物的平均含量(36.0%)和碳酸盐矿物的平均含量(10.5%)。我们知道碎屑硅酸盐矿物和碳酸盐矿物为物理风化的产物,而次生粘土矿物和铁质为化学风化的产物。这些情况清楚表明长江流域的化学风化作用强于黄河流域,而物理侵蚀作用弱于黄河流域;与长江流域的气候较黄河流域相对湿热,黄河流域存在大片易被冲刷黄土相吻合。从图6可以看出:由上游到下游,悬浮物中粘土矿物和碎屑硅酸盐有缓慢增高的趋势,碎屑碳酸盐有逐步降低的趋势,与Ding等(2004)报道的情况基本一致。这种趋势反映由长江上游到中、下游,因气温升高和降水量加大,而化学风化作用逐渐增强的趋势。镇江(M22)的悬浮物中出现异常高的碳酸盐含量,可能反映当地的某些局部情况。4.3长江悬浮物化学的组成特征及其地质意义4.3.1河流悬浮物主要化学成分4.3.1.1长江与黄河及全球河流悬浮物常量化学成分含量对比根据所研究的样品中悬浮物的SiO2、Al2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TFe2O3的平均值,可计算出其相对上地壳岩石平均含量的标准化值(图7)。在图7中同时表示出黄河悬浮物、全球河流悬浮物和长江水系沉积物中各种常量氧化物组分的平均含量相对于其在上地壳岩石中平均含量的标准化值。由图7可以看出,长江悬浮物、黄河悬浮物、全球河流悬浮物、长江水系沉积物的SiO2含量全都低于上地壳平均含量,反映硅酸盐矿物化学风化过程中部分硅的流失。长江悬浮物的SiO2含量稍低于黄河悬浮物与全球河流悬浮物,表明长江流域化学风化中硅的流失程度高于黄河流域与全球平均水平。与长江水系沉积物相比,长江悬浮物的SiO2含量也偏低,可能反映因粒度的差别,河流中碎屑硅酸盐矿物相对于粘土矿物优先沉积。长江悬浮物和与全球河流悬浮物的Al2O3含量较上地壳岩石平均值略高,反映硅酸盐矿物风化时Al2O3在次生粘土矿物中的相对富集。黄河悬浮物的Al2O3含量明显低于上地壳岩石平均值,可能反映了流域悬浮物来源富含碳酸盐成分。长江水系沉积物Al2O3含量明显低于长江悬浮物,同样反映河流中碎屑硅酸盐矿物相对于粘土矿物的优先沉积。长江悬浮物和全球河流悬浮物的平均CaO含量略低于上地壳岩石平均值,反映硅酸盐和碳酸盐矿物风化时CaO的相对流失。黄河悬浮物的CaO含量显著高于上地壳岩石平均值,与流域内黄土中富含碳酸盐矿物成分有关(Dingetal.,2011)。长江水系沉积物CaO含量稍高于长江悬浮物,可能反映碎屑碳酸盐矿物的优先沉积。长江悬浮物的平均MgO含量显著高于上地壳岩石平均值,更高于全球河流悬浮物的含量,反映其富含白云石矿物成分的特点。长江水系沉积物MgO含量明显低于悬浮物,可能反映含Mg的蒙脱石颗粒细小,倾向于在悬浮物中富集。长江悬浮物、黄河悬浮物、全球河流悬浮物与长江水系沉积物的K2O含量均较上地壳岩石平均值显著偏低,反映硅酸盐矿物化学风化过程中钾的流失。长江悬浮物的K2O含量稍高于黄河悬浮物,更高于全球河流悬浮物,可能反映长江悬浮物较高的水云母含量。长江水系沉积物K2O含量明显低于长江悬浮物,可能反映颗粒细小的水云母在悬浮物中选择性富集。长江悬浮物、黄河悬浮物、全球河流悬浮物与长江水系沉积物的Na2O含量均较上地壳岩石平均值大大偏低,反映硅酸盐矿物化学风化过程中钠的严重流失。长江悬浮物的Na2O含量又低于黄河悬浮物和全球河流悬浮物,与长江流域更强的化学风化作用相匹配。长江水系沉积物Na2O含量稍稍高于长江悬浮物,可能反映斜长石碎屑矿物在的优先沉积。长江悬浮物、黄河悬浮物、全球河流悬浮物与长江水系沉积物的TFe2O3含量均较上地壳岩石平均值偏高,反映化学风化产生的铁的氢氧化物的难溶性。长江悬浮物的TFe2O3含量明显高于黄河悬浮物,与长江流域更强烈的化学风化作用相一致。长江水系沉积物TFe2O3含量大大低于长江悬浮物,反映铁的氢氧化物粒度细小,易于在悬浮物中富集。我们知道河流悬浮物的主要化学成分受流域岩石类型和岩石化学风化的程度的制约。对于长江这样的世界级大河,由于其流域的广大,其出露的原岩的平均化学组成与上地壳岩石平均组成应无显著差别。因此,化学风化的程度可能是最主要的控制因素。综合考虑河流水中溶解物和悬浮物的化学组成,可能为我们了解河流流域的化学与物理风化作用的相对强度提供重要的线索(Gaillardetetal.,1999a)。表17列出长江水与黄河水中总溶解物(TDS)、总悬浮物(TSM)中几种主元素含量及其比值。从表17可以看出:长江水中的溶解硅只有悬浮物中的硅的5%,黄河水中的溶解硅只有悬浮物中的硅的1%。在这两条大河中,悬浮物都是硅的最主要的搬运形式。但是长江水中溶解硅所占份额要比黄河高5倍。长江水和黄河水中的溶解铝含量在检测限以下,其铝的搬运形式完全是悬浮物。长江水中钾含量为悬浮物中的43%,而黄河水中的钾含量仅为悬浮物中的5%。这表明,两条河中钾的主要搬运形式都是悬浮物。不过长江水中溶解钾所占份额要比黄河高8倍以上。长江水中钠含量为悬浮物中的9.5倍,而黄河水中的钠含量为悬浮物中的2.2%。这表明,两条河中钠的主要搬运形式都是溶解钠。不过长江水中溶解钠所占份额要比黄河高4倍以上。长江水中钙含量为悬浮物中的7倍,而黄河水中的钙含量为悬浮物中的65%。这表明,长江中钙的主要搬运形式是溶解钙,而黄河中钙的主要搬运形式却仍是悬浮物。长江水中溶解钙所占份额要比黄河高10倍以上。长江水中镁含量为悬浮物中的1.91倍,而黄河水中的镁含量为悬浮物中的91%。这表明长江中镁的主要搬运形式是溶解镁,而黄河中镁的主要搬运形式仍是悬浮物。长江水中溶解镁所占份额是黄河的2倍以上。上述所有分布特点均表明长江流域的化学风化作用比黄河流域强得多。4.3.1.2长江悬浮物常量元素含量的时空变化及其地质意义根据表5~表8的数据,在图8表示出长江干流样品中悬浮物的SiO2、Al2O3含量的时空变化。可以看出,同一时段由不同站点所采样品的SiO2、Al2O3含量波动起伏,但总体有由上游往下游逐渐升高的趋势,反映含硅、铝矿物相对于碳酸盐矿物比例的变化。同样,在图9中表示出长江悬浮物中CaO、MgO、K2O、Na2O和TFe2O3含量的时空变化。可以看出,同一时段所采样品的悬浮物中CaO含量波动起伏,由上游往下游逐渐降低,与碳酸盐矿物含量的变化相对应。三峡地段的样品(M07、M08)中CaO含量相对较高,与当地石灰岩大面积出露有关。镇江(M22)2003年7月、2004年4月和2005年7月样品,南通(M23)2003年7月与2004年4月样品的CaO与MgO含量也较高,或许反映其中白云石含量的增高。悬浮物中K2O、Na2O和TFe2O3含量在不同站点虽有波动,但未见明显的变化趋势。4.3.2地质意义上的时空变化4.3.2.1长江、黄河与全球河流悬浮物中Co、Ni、Cu、Zn、Pb、Sr、Ba、Cd平均含量对比根据表9~表12的数据求出本次研究所采样品中悬浮物的Co、Ni、Cu、Zn、Pb、Sr、Ba与Cd含量的平均值,进而计算出相对上地壳的含量的标准化值,并示于图10。在图10中同时表示出这些元素在黄河悬浮物、全球河流悬浮物和长江水系沉积物中的平均含量相对上地壳岩石含量的标准化值。由图10可以看出,长江悬浮物、黄河悬浮物、全球河流悬浮物、长江水系沉积物的Co、Ni含量较上地壳岩石平均含量高1~3倍。长江悬浮物的Co、Ni含量较全球河流悬浮物稍低,而较黄河悬浮物稍高。长江悬浮物的Co、Ni含量略高于长江水系沉积物的含量,表明它们可能主要被粘土所吸附。长江悬浮物、黄河悬浮物、全球河流悬浮物、长江水系沉积物的Cu、Pb、Zn含量均高于上地壳岩石平均含量,反映风化过程中它们在残留物中的相对富集。其中长江悬浮物的Cu、Pb、Zn含量最高,为上地壳平均含量的3.5~6倍,反映长江流域岩石富有色金属的背景。全球河流悬浮物的Cu、Pb平均含量居其次,约为上地壳平均含量的3倍。黄河悬浮物Cu、Pb平均含量最低,仅为上地壳平均含量的1.5倍;但其Zn平均含量略高于全球河流悬浮物的平均含量。长江悬浮物的Cu、Pb、Zn含量显著高于长江水系沉积物,表明这些金属可能主要被粘土所吸附,或者流域矿山开采活动有逐步增高的趋势。长江悬浮物、黄河悬浮物、全球河流悬浮物、长江水系沉积物的Sr含量均显著低于上地壳岩石平均含量,反映硅酸盐和碳酸盐矿物风化时Sr的流失。长江悬浮物的Sr含量(为上地壳岩石平均含量的0.5倍)与全球河流悬浮物相当,显著低于黄河悬浮物的平均含量(为上地壳岩石平均含量的0.7倍),反映长江流域的化学风化比黄河流域更强烈。长江水系沉积物的Sr含量为上地壳平均值的0.4倍,低于长江悬浮物,表明Sr倾向于在粒度较小的悬浮物中富集。长江悬浮物、黄河悬浮物、全球河流悬浮物、长江水系沉积物的Ba含量都接近上地壳平均含量。其中长江悬浮物的Ba含量为上地壳平均含量的1.1倍,全球河流悬浮物的平均含量为上地壳平均含量的0.9倍,黄河悬浮物的Ba含量与上地壳平均含量相同。长江水系沉积物的Ba含量为上地壳平均值的0.9倍,低于长江悬浮物,表明Ba可能在细粒的悬浮物中富集。长江悬浮物、黄河悬浮物、全球河流悬浮物、长江水系沉积物的Cd含量全都大大高于上地壳岩石平均含量。其相对于上地壳岩石的富集程度分别为:长江悬浮物14.2倍,全球河流悬浮物15.8倍,黄河悬浮物含3.1倍。这种情况一方面表明在岩石矿石风化过程中,Cd倾向于在风化残留物中富集,另一方面表明长江流域岩石含Cd背景略低于全球大河平均背景值,而黄河流域更低。长江水系沉积物的Cd含量大大低于长江悬浮物,表明Cd可能主要被粘土矿物所吸附。4.3.2.2长江悬浮物Co、Ni、Cu、Zn、Pb、Sr、Ba、Cd含量的时空变化及其地质意义长江悬浮物中Ni、Co含量的时空变化情况示于图11。在源头(M01、M02)地区,只对2005年和2007年7月采集的样品做了Ni、Co含量测定。他们的Ni、Co含量都较低,Ni含量在20~40μg/g范围内波动,Co含量在10~20μg/g范围内波动。从M02到M04,干流悬浮物中的Ni、Co含量急剧升高。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)均出现峰值。在2007年7月样品中,Ni含量(56.6μg/g)虽不是峰值,但也很高。Co含量的变化趋势与Ni含量类似,不过幅度小一些。它们的变化均反映雅砻江一带出露的峨眉山玄武岩风化产物对河流悬浮物的影响。从M04到河口(M25),2003年7月,2004年4月和2005年7月干流悬浮物中的Ni、Co含量均呈现总体缓慢下降的趋势。2007年7月样品在M05继续升高,然后也缓慢下降。这一总趋势反映了峨眉山玄武岩风化产物的贡献逐步被稀释。2004年4月在M22采集的样品中悬浮物Ni含量出现高达93.6μg/g的异常值,其原因尚不清楚。长江悬浮物中Cu、Pb、Zn含量的时空变化情况示于图12。2003年7月,2005年7月和2007年7月3次在丰水季节采集的样品在源头与金沙江河段(M01-M5)均显示较低的Cu、Pb、Zn含量。从M06~M25,Cu、Pb、Zn含量都在较大范围内波动,并显示由上游往下游逐步升高的总趋势。2003年7月在大通(M19)和南京下(M21)出现Zn的峰值,2005年7月在九江(M18)和南京(M20、M21)出现Zn与Pb的峰值,2007年7月在大通(M19)和南京上(M20)出现Zn与Pb的峰值,均反映长江中下游地区有色金属矿山开采活动的影响。但是2005年7月在吴淞口(M25)发现高达700μg/g的Zn含量和2007年7月在巴东(M11)与宜昌发现Cu、Pb、Zn的高含量,目前还难以解释。与丰水季节的情况大不相同,2004年4月枯水的悬浮物在攀枝花(M04)出现Cu与Zn的峰值,在宜宾(M05)出现Cu、Pb、Zn的高含量,反映出相关河段广泛出露的峨眉山玄武岩的影响。不过这些影响在丰水季节由于上游带来的悬浮物较多而被冲淡。此外,在重庆(M0)与涪陵(M08)也出现Cu、Pb、Zn的高含量,可能反映该河段出露岩石有较高的有色金属含量。在南京下(M21)和镇江(M22)出现的Pb、Zn的峰值也可能反映矿山开采活动的影响。长江悬浮物中Sr、Ba含量的时空变化情况示于图13。同一时段采集的样品悬浮物的Sr含量均显示由上游往下游逐渐降低的趋势(图13),与Ca含量的变化相似,可能反映碳酸盐矿物含量的逐步降低。Sr含量的最高值出现于沱沱河,2005年的含量为430.0μg/g(图13c),2007年7月的含量为679.0μg/g(图13d)。与Sr含量变化不同,同一时段在不同站点采集的样品Ba含量波动较大,但有从上游往下游逐渐增高的趋势(图13)。在M07和M08出现的高Ba含量可能与四川红层盆地发育的蒸发岩有关,在南京下M21、M22出现的高Ba含量可能与铅锌矿山开采活动有关。长江悬浮物中Cd含量与上地壳岩石平均Cd含量的比值的时空变化情况示于图14。源头沱沱河(M01)悬浮物中Cd含量略低于上地壳岩石平均Cd含量,比值为0.7~0.9。直门达(M02)悬浮物中Cd含量最低,比值为0.3~0.4。从M03到M18悬浮物中Cd含量总的显升高趋势,而从M18到河口(M25)有降低趋势。在M18与M21出现的峰值可能反映当地矿山开采活动的影响。2004年4月泸州(M06)出现的峰值的原因尚不清楚。4.3.3稀土元素地球化学本次研究对2003年7月、2004年4月、2005年7月和2007年7月样品中悬浮物的14种稀土元素组成进行了系统测定。样品稀土元素总量的时空变化示于图15。各年度样品稀土元素含量相对页岩平均值标准化配分示于图16。由图15可看出:各站样品悬浮物稀土总量波动起伏,变化于127.6~362.1μg/g的较大范围内,