摘要罗家窝棚组是哈尔滨地区的第四纪下限地层，其岩性是紫红色砂砾石，被认为是冰碛物堆积。早期的区测资料对其进行了岩性描述，对于其它地层属性，特别是地球化学属性的认识尚未涉及。为此，本文选择黑龙江五常拉林镇罗家窝棚村层型剖面作为研究对象，首次对其沉积学、矿物学、元素地球化学展开综合研究，以揭示其沉积过程和沉积环境。结果表明，这套砾石分选和磨圆较差，风化程度很高，无定向性排列，砾石成分以陆源碎屑岩(砂岩和粉砂岩，44.2%)和花岗岩(37.4%)为主，其次为凝灰岩(11.2%)，石英质、闪长岩、流纹岩和玄武岩等少量出现。重矿物组成以赤/褐铁矿占绝对优势(87.5%)，其次是白钛石(5.0%)，其它重矿物含量较少。元素地球化学揭示，罗家窝棚组中的细颗粒碎屑以及泥质基质经历了很强的化学风化过程，是初次循环的结果。砾石岩性和地球化学组成共同揭示了这些碎屑主要来源于长英质母岩，但中性和铁镁质母岩也有少量贡献。综合沉积学、矿物学和地球化学地层属性，本文认为罗家窝棚组地层是在炎热气候条件下的洪积物堆积，而非寒冷气候条件下的冰碛物。这项研究对于哈尔滨地区第四纪地层的划分和早更新世构造—地貌—气候—水系演化等地质事件的重建具有重要意义。
关键词罗家窝棚组地球化学组成沉积循环化学风化物源沉积环境
碎屑沉积物的矿物学和地球化学特征蕴含了丰富的母岩信息，因此具有揭示过去地质过程的巨大潜力(Basuetal.,1975;Asiedu,2000;Armstrong-Altrinetal.,2013;Armstrong-Altrin,2015;Armstrong-Altrinetal.,2017;Hamdallaetal.,2021)。沉积物中的元素含量与沉积环境关系密切，利用碎屑沉积物的元素特征来恢复沉积环境是沉积学定量研究的重要手段(冯杨伟等,2017,2019)。然而，碎屑沉积物的地球化学特征不仅受到母岩组成的影响，还受到搬运过程中的风化、分选以及搬运后的沉积环境等因素的改造(Armstrong-Altrin,2009;Baiyegunhietal.,2017)，因此，评估这一过程对于揭示区域地质过程具有重要意义(Andreozzietal.,1997;Armstrong-Altrinetal.,2004,2015;Asieduetal.,2004;Ahmadetal.,2016;袁方等,2017)。
哈尔滨地区作为我国东北地区第四系发育典型的地区，许多学者在此做过大量的第四纪地层、古生物以及考古等研究工作(刘淑秋等，1985)。哈尔滨下更新统包括罗家窝棚组、关家窝棚组和白土山组，罗家窝棚组是哈尔滨地区第四纪最底层的地层单元，直接覆于白垩系泥岩风化壳之上(吴金城等，1984)，其岩性是紫红色砂砾石，被认为代表了一套冰碛物堆积(赵启刚等，1993;徐宝红等，2009)。到目前为止，针对罗家窝棚组地层的研究工作仅限于1990年以前的少量研究，且集中于沉积学特征的描述，而对于矿物学和地球化学特征的研究尚未涉及。
为此本文对罗家窝棚组地层进行沉积学、矿物学和地球化学特征分析，重建罗家窝棚组地层的化学风化程度、沉积再循环和母岩特征，进而综合分析了罗家窝棚组地层的沉积过程以及沉积环境。此项研究不仅从矿物学和地球化学上完善了罗家窝棚组的地层属性特征，而且对哈尔滨第四纪地层的划分以及早更新世构造—地貌—气候—水系演化等地质事件的重建具有重要指示意义。
1研究区概况
罗家窝棚组最早由马洪冀等人于1964年在五常县拉林镇以东罗家窝棚(45°14′59″N，126°56′33″E)发现，并确定其属于下更新统。1974年黑龙江省地层会议建议称该地层为罗家窝棚组。1975年徐衍强首次建组并命名(赵启刚等，1993)。罗家窝棚组地层在地貌上呈垅状、鼓丘状，断续出露在山前平原与滨东丘陵的接触带上(吴金城等，1984)。剖面相对高度约20m左右，顶部覆盖薄薄的现代土壤，岗丘上部为河漫滩相黄褐色堆积物，下部是紫红色砂砾石层堆积(罗家窝棚组地层;图1)。研究区属于中温带湿润—半湿润季风性气候，冬季受亚洲冷高压的控制，风力持久强劲，寒冷漫长;夏季受太平洋西南气流的影响，炎热短暂，四季特征明显。全年盛行西南风，年降水量300~700mm，年均温为2℃左右。
2材料与方法
本文以罗家窝棚组地层的砾石、基质以及泥质—粉砂—细砂透镜体为研究对象，其中砾石用来研究其岩性、砾径、砾向、分选—磨圆和化学风化特征等，粉砂及极细砂透镜体沉积物用于重矿物分析，基质和泥质—粉砂透镜体等细粒的碎屑物质用于地球化学分析。
在剖面上划出100cm×100cm网格，在网格内随机进行砾石的统计测量，进行了3个砾石统计点，共统计285块砾石。统计测量内容包括砾石ab面倾向、倾角，砾石各轴(a轴、b轴和c轴)的长度，记录各砾石的成分、磨圆度和风化程度。
获取了38个样品，其中2个样品用于重矿物分析，剩下36个样品(其中32个样品主要是紫红色泥质基质，其次为紫红色泥质—粉砂—极细砂透镜体，剩余4个样品属于半风化和全风化的岩石样品)用于地球化学分析。
将重矿物样品烘干和称重后，使用传统淘洗法把重部分提取出来，剩余尾砂及淘洗污水进行称重计算损耗率，利用三溴甲烷(密度为2.89g/cm3)将待测定的重矿物样品进行轻重矿物分离，用酒精把分离后的样品反复冲洗，60℃恒温烘干后再称重，可得重矿物部分的含量(康春国等，2009)。将分离出来的重矿物部分在双目显微镜下进行鉴定，每个重矿物样品鉴定颗粒数均在600粒以上(王嘉新等，2020)。重矿物鉴定在廊坊诚信地质公司进行。
样品在室内经过自然风干后，用玛瑙研钵研磨成粉末状，通过干筛法对样品进行筛析，过200目(63μm)标准分样筛，获得小于63μm的粒度组分用于地球化学分析。常量元素用荷兰帕纳(PANalytica)XRF(X-rayfluo-rescence)光谱仪，采用压片法完成，使得测量误差在3%以内。微量、稀土元素的测试是用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)完成。通过国际标样、重复样与空白样品进行分析，测试精度和准确度，分析不确定度(相对偏差)均小于2%(袁方等,2018)。样品测试在兰州大学进行。
3结果
3.1沉积学特征
罗家窝棚组是一套弱到中等程度固结的紫红色砾石堆积，泥质基质主要存在于孔隙和颗粒的接触面之间，具有颗粒支撑结构，局部含泥质和粉砂质/砂质透镜体(图1)。
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罗家窝棚组地层砾石的砾径多集中在30~90mm(图2a)，最大砾径达442mm。整套砾石无定向性，分选差(图2b)。砾石磨圆度以次棱角(68%)占优，其次是次圆(21%)、棱角(10%)和圆(1%)(图2c)。砾石的化学风化特征以弱风化(67%)为主(图2d)，中等风化和强风化分别占26%和7%。砾石岩性主要以砂岩—粉砂岩(44%)和花岗岩(37%)为主(图2e)，其次是凝灰岩(11%)、石英质岩石(3.4%)、闪长岩(2%)、流纹岩(1%)和玄武岩(1%)。
3.2重矿物组成
罗家窝棚组的重矿物类型相对简单，共检测出11种重矿物，包括锆石、萤石、重晶石、磷灰石、白钛石、金红石、锐钛矿、闪锌石、毒砂、黄铁矿和赤/褐铁矿(表1)。其中赤/褐铁矿占绝对优势(87.5%)，其次为白钛石(5.0%)、锆石(1.8%)和磷灰石(1.1%)，其他重矿物含量很少。
3.3常量元素
常量元素含量呈现出不同程度的变化，SiO2含量(47.36%~78.07%)较高，表现出酸性岩的特征，富碱(Na2O+K2O=1.08%~5.34%)、富铝(Al2O3含量9.9%~25.01%)、贫钾(K2O含量0.94%~4.85%)、贫镁(MgO含量0.13%~1.14%)、贫钙(CaO含量0.18%~3.1%)、贫钛(TiO2含量0.31%~2.27%)、低磷(P2O5含量0.09%~0.56%)。数据经过UCC(大陆上地壳)标准化后，所有粒级的样品在MgO、CaO、Na2O表现出明显的亏损(图3a)，除了单个半风化岩石，其余样品在P2O5表现出适度亏损，除了全风化岩石样品，其余粒级的沉积物在K2O表现出不同程度的亏损;全风化、半风化岩石和泥质沉积物的Fe2O3的富集程度明显高于砂质和粉砂质沉积物;不同粒级组分的Al2O3、MnO和TiO2表现出较大的波动变化。所有样品中SiO2含量与UCC含量相当。
3.4微量元素
与UCC相比，过渡元素(TTE：Sc、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Ga)，除了Ga全部富集，其余元素随着粒级差异而呈现出不同的变化(图3b)。砂质沉积物在Sc、Co、Ni和Zn明显高于其余粒级样品的富集程度;半风化岩石和粉砂质沉积物在V、Cr、Ni和Zn具有相似的变化趋势，波动较大;Sc、Zn和Ga在全风化岩石的富集程度高于其余元素;泥质沉积物整体波动较大。高场强元素(HFSE：Y、Zr、Nb、Hf、Ta、Th、U)，除了Ta全部亏损，其余元素波动较大。其中除了半风化岩石，其余粒级的样品在Hf表现出不同程度的富集;泥质沉积物在Th上表现为富集，其余样品为不同程度的亏损;泥质、砂质和粉砂质沉积物在Zr和U上的亏损程度高于全风化和半风化岩石;所有粒级的样品在Y上波动较大。大离子亲石元素(LILE：Rb、Sr、Cs、Ba、Pb)，除了Pb全部富集，其余元素波动较大。全风化岩石在Rb上的富集程度明显高于其余粒级的样品;泥质沉积物在Sr和Cs上的富集程度最高，而在Ba上的亏损程度最高;半风化岩石总体上表现出不同程度的亏损。
3.5稀土元素
罗家窝棚组沉积物的稀土元素总量SREE为100~863(平均值为324)，明显高于UCC(146)和PAAS(澳大利亚后太古代页岩，185)。样品轻/重稀土同位素比值为2.45~21.9，均值为11.16;δEu为0.58~0.80，均值为0.68，显示出Eu负异常;(La/Yb)N在1.56~45.24波动，均值为16.28，表明样品轻稀土富集和重稀土亏损。(La/Sm)N为1.92~4.75，均值为3.40，说明样品具有较高度的轻稀土分馏;(Gd/Yb)N为0.51~5.73，均值为2.28，反映样品具有中等程度的重稀土分馏。罗家窝棚组沉积物稀土元素在球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图(图3c)上总体呈现“左端倾斜、右端平缓、Eu谷发育”的特征。
4讨论
4.1沉积物化学风化特征
源区风化是一系列连续沉积过程的先驱，是影响沉积物地球化学组成的重要过程之一(Maharanaetal.,2018)。地表风化产物能够有效的提供古气候演化的信息。在化学风化过程中，稳定性元素存留，而不稳定性元素流失。
随着化学风化程度加深，WIP值变低。罗家窝棚组沉积物的WIP变化范围9~67(平均值26)，属于高强度风化。不同粒级的沉积物表现出不同的化学风化程度。泥质沉积物(CIA和WIP指数分别为86和22)显示出高度的化学风化程度，砂质沉积物(CIA和WIP指数分别为82和31)化学风化程度中等，粉砂质沉积物(CIA和WIP指数分别为74和41)化学风化程度中等偏弱。
罗家窝棚组沉积物的化学风化特征也可以通过三元图解(A-CN-K和A-CNK-FM)(Hoffmanetal.,2007)来直观地表现。NesbittandYoung(1989)提出预测陆壳风化趋势的A-CN-K(即Al2O3-CaO*+Na2O-K2O)三角模型图，并以此来预测岩石和沉积物的风化趋势(李徐生等，2007;罗万银等，2014)。在该模型中，样品点的集中程度越高，反映沉积物的化学风化和剥蚀过程越稳定(Fedoetal.,1995)。在该模型中，早期风化阶段的产物为伊利石、蒙脱石和高岭石，趋势线与A-CN平行;中期风化阶段的剖面中斜长石风化消失，趋势线与A-K平行;晚期风化阶段的产物为高岭石—三水铝石—绿泥石，产物集中在A点(HondaandShimizu,1998)。
在A-CN-K图解(图4a)中，样品集中分布在斜长石和钾长石连线的上方，大部分样品点已经脱离了预测的化学风化趋势线，并沿着A-K连线分布且逐渐向A点靠近，说明了样品经历了很强的化学风化。泥质沉积物相对集中在A点附近接近高岭石和绿泥石，粉砂质沉积物分布上靠近伊利石，而砂质沉积物处于两者之间且距离PAAS较近，全风化和半风化岩石由于母岩性质的不确定性，距离A点较近，样品点整体分布紧凑说明沉积物的化学风化过程较完整。在A-CNK-FM图解(图4b)中，FM与斜长石的连线反映出火成岩组成的线性趋势，粉砂质沉积物比较靠近风化趋势线，泥质沉积物和砂质沉积物接近绿泥石和伊利石的连线并靠近A点，与A-CN-K图所呈现的信息一致，说明罗家窝棚组沉积物的化学风化程度很高。
利用稳定重矿物系数ATi指数和W指数可以判别沉积物的风化程度，矿物的稳定程度与其抗风化能力呈正比，沉积物中稳定矿物含量越高，反映沉积物经历的化学风化程度越高(康春国等,2011)。罗家窝棚组样品的ATi指数为98~99，反映化学风化程度极高;W指数为稳定与不稳定矿物的比值，罗家窝棚组样品的W指数同样很高，稳定矿物含量为95%~96%，指示了沉积物经历了高度的化学风化;沉积物中极高含量的赤/褐铁矿以及完全消失的不稳定矿物(例如辉石、角闪石和帘石类矿物)，表明了罗家窝棚组沉积物经历了很高程度的化学风化。总之，CIA、WIP、A-CN-K以及A-CNK-FM三角图解均反映罗家窝棚组沉积物经历了很强的化学风化过程。——论文作者：魏春艳1谢远云1,2康春国3迟云平1,2
