ارزیابی شاخصهای هوادیدگی شیمیایی در رسوبات رودخانه‌های غرب دریاچه ارومیه

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه علوم خاک دانشگاه ارومیه

2 دانشیار گروه علوم خاک دانشگاه ارومیه

چکیده

سابقه و هدف: رودخانه‌ها به‌عنوان راهروهای انتقال، مواد محلول و جامد فرسایش یافته از اراضی بالادست را به طرف دریاچه‌ها و تالاب‌ها منتقل می‌کنند. از این رو بررسی وضعیت رسوبات رودخانه‌ای از منظر شدت هوادیدگی، می‌تواند افق‌های نوینی در ارزیابی صحیح وضعیت اراضی بالادست، چرخه هوادیدگی و تاثیر فعالیت‌های انسانی بر محیط زیست داشته باشد. شاخص‌های هوادیدگی نظیر WIP و CIA به طور گسترده در مطالعات هوادیدگی خاک‌ها کاربرد دارند. با این حال دانسته‌ها در زمینه‌ی شدت فرآیند هوادیدگی رسوبات رودخانه‌ا‌ی در کشور محدوده بوده و پژوهش حاضر با هدف ارزیابی این دو شاخص در رسوبات رودخانه‌های مهم غرب حوضه‌ی دریاچه ارومیه و بررسی روابط احتمالی بین این شاخص‌ها و ویژگی‌های دانه‌بندی رسوبات صورت پذیرفته است.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش 34 نمونه مرکب رسوب از هفت رودخانه مهم غرب دریاچه ارومیه شامل نازلوچای، شهرچای، باراندوزچای، گدارچای، مهابادچای، سیمینه‌رود و زولاچای برداشته شد. ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی نمونه‌ها به‌روش‌های معمول آزمایشگاهی اندازه گیری شده و جهت تعیین ترکیب عنصری اکسیدهای اصلی نمونه‌های رسوب از آنالیز اسپکتروسکوپی فلورسانس اشعه X استفاده شد. کمی‌سازی مقادیر اکسیدها با کاربرد نرم‌افزار SUPERQ و واستجی از طریق نمونه‌های استاندارد بین‌الملی صورت گرفت. سپس شاخص‌های CIA و WIP محاسبه شد. آنالیز داده‌های بااستفاده از روش همبستگی و همچنین روش‌های تجزیه به مولفه‌هاب اصلی و خوشه‌بندی سلسله مراتبی صورت گرفت.
یافته‌ها: اکسیدهای سلیسیم، آلومینیوم و کلسیم سه ترکیب غالب در اغلب نمونه‌های رسوب بودند. نسبت مقدار SiO2 در نمونه‌ها به مقدار استاندارد آن در پوسته سطح زمین (UCC) برای تمامی نمونه‌ها کمتر از 1 و بین 57/0 و 84/0 بود که نشان دهنده عدم وقوع اثر رقت در فرآیند انتقال کانی‌ها است. بر اساس ترکیب اکسیدهای اصلی، نمونه‌های تمامی رودخانه‌ها دارای مشابهتی بیش از 65 درصد بوده و تنها رودخانه‌های گدار و باراندوز به دلیل اینکه مقادیر بیشتری MgO نسبت به سایر رودخانه‌ها داشتند تشابه کمتری با سایر رودخانه‌ها نشان دادند. مقدار CaO با SiO2، Al2O3 و Fe2O3 همبستگی معکوس و معنی‌داری نشان داد. (ضریب همبستگی بین 62/0- تا 67/0-، 001/0>P). دامنه شاخص‌های CIA و WIP در رسوبات به ترتیب بین 1/50 – 6/82 و 2/69 – 4/42 بود. هر دو شاخص دارای توزیع نرمال بوده ولی از بین این شاخص، شاخص WIP با معیارهای توزیع اندازه ذرات، بویژه قطر میانه همبستگی قویتری (84/0 = r و 001>P) از خود نشان داد. همبستگی شاخص CIA و معیارهای توزیع اندازه ذارت به رغم معنی‌دار بودن با رس و قطر میانه در مقاسیه با شاخص WIP ضعیف‌تر بود.
نتیجه‌گیری: مقادیر بالای SiO2 و Al2O3 در نمونه‌های رسوب نشان می‌دهد که رسوبات منطقه هوادیدگی شدید سیلیکاته قرار نگرفته‌اند. وزن بالای CaO در تجزیه به مولفه‌های اصلی به احتمال قوی نشان‌دهنده ترکیبات کلسیت در مواد مادری منطقه است. بر مبنای مقایسه شاخص‌های هوادیدگی، نمونه‌های بالادست و پائین دست رودخانه‌ها تفاوت آشکاری از نظر شدت هوادیدگی داشتند. با این حال فعالیت‌های انسانی از جمله احداث سد برای نمونه در رودخانه‌ی مهاباد سبب شده تا الگوی هوادیدگی در بالادست و پائین‌دست رودخانه تا حدودی دست خوش تغییر شود. منحنی A-CN-K برای نمونه‌های رسوب بیانگر روند موازی نمونه‌ها با محور A-CN بوده و حاکی از حذف کانی‌های سیلیکاته کلسیم و سدیم از مواد مادری است. هبستگی قوی و معنی‌دار قطر میانه رسوبات با شاخص‌های هوادیدگی به ویژه شاخص WIP نشان می‌دهد که شاخص قطر میانه در مقایسه با فراوانی ذرات اولیه، معیار مناسبتری برای ارزیابی شدت هوادیدگی رسوبات است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Evaluation of Weathering Indices in Western River Sediments of Urmia Lake Basin

نویسندگان [English]

  • Hamed Arfania 1
  • Farrokh Asadzadeh 2

1 Ph.D. Student, Department of Soil Science, Urmia University

2 Department of Soil Science, Urmia University, Urmia, Iran

چکیده [English]

Background and Objectives: Rivers are delivery vehicles of soluble compounds and sediments eroded from upper reach to wetlands and lakes. Therefore, evaluation of weathering intensity opens new insight into upland erosion, anthropogenic and geochemical process. Weathering indices CIA and WIP have been extensively used for the study of soil genesis. Nonetheless, little information available on the weathering indices in Iran 's soil and sediments. Therefore, this study was conducted on sediments of seven main rivers of Urmia Lake basin with objective of evaluation of two weathering indices and influence of particle size distribution on the weathering process.
Material and Methods: In this study 34 composite sediment samples have been taken from seven main western rivers of Urmia Lake basin including: Nazloo Chai, Shahar Chai, Barandooz Chai, Ghadar Chai, Mahabad Chai, Simineh Chai and Zola Chai. The physical and chemical properties of sediment were determined with routine soil testing methods. Elemental analyses of sediment samples were determined using an X-ray fluorescence (XRF) spectrometry. Major element oxides were measured by using a built-in program SUPERQ. Then the CIA and WIP indices were calculated. The analysis of data was carried out using correlation, principal component analysis (PCA) and cluster analysis.
Results: The major oxides in the studied sediments were silica, aluminum and calcium. The ratio of silica oxide (SiO2) to upper continental crust (UCC) for all the samples were less than 1 and varied between 0.57 and 0.84 indicating no dilution effect in the mineral transportation. Based on the major oxides component, the similarity among the different rivers was more than 65 and only in the Ghadar and Barandooz rivers the similarity is low because of the presence of MaO. The content of CaO had inverse significant correlation with SiO2, Al2O3, and Fe2O3 (with correlation coefficient between -0.62 to -0.67, P<0.001). The CIA and WIP values were varied between 50.1 to 82.6 and 42.4 to 66.2, respectively. Both indices had normal distribution, but WIP index had higher correlation coefficient with particle size distribution particularly D50 (r=-0.84, P<0.001). The CIA index showed lower significant correlation with D50 in comparison with WIP.
Conclusion: High concentration CaO and MgO in the river sediments may be due to the presence of calcareous rocks such as limestone, dolomite, and calcareous shales in the watersheds. High SiO2 and Al2O3 concentration in river sediments may draw a conclusion that lower silica weathering and enrichment of potassium feldspar in river sediments. High loading value of in the river sediments may be due to the presence of calcareous rocks such as limestone, dolomite, and calcareous shales in the watersheds. Overall, the CIA and WIP weathering intensity values in upper and lower reach sediments revealed high difference. However, in some rivers such as Mahabad Chai because of construction of dam for more than half century the pattern of weathering intensity was different. Based on the A-CN-K curve. The studied river sediment indicate weathering trend in parallel with the A-CN line, indicating the elimination of silicate minerals of Ca and Na from parent material. Weathering indices in particular WIP had higher correlation coefficient with particle size distribution and D50 and we can conclude a proper index for evaluation of weathering intensity in the sediments.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Weathering
  • sediment
  • weathering indices
  • Urmia Lake
1.Asadzadeh, F., and Samadi, A. 2016.
Analysis of physicochemical properties of
sediments trapped in successive check
dams. Iran. J. Soil Water Res.
47: 2. 293-306. (In Persian)
2.Bétard, F. 2012. Spatial variations of soil
weathering processes in a tropical
mountain environment: the Baturité
massif and its piedmont (Ceará, NE
Brazil). Catena. 93: 18-28.
3.Bouchez, J., Lupker, M., Gaillardet, J.,
France-Lanord, C., and Maurice, L. 2011.
How important is it to integrate riverine
suspended sediment chemical
composition with depth? Clues from
Amazon River depth-profiles. Geochim.
Cosmochim. Acta. 75: 22. 6955-6970.
4.Burke, B.C., Heimsath, A.M., and White,
A.F. 2007. Coupling chemical weathering
with soil production across soilmantled
landscapes. Earth Surf. Processes
Landforms. 32: 6. 853-873.
5.Chetelat, B., Liu, C.Q., Wang, Q., and
Zhang, G. 2013. Assessing the influence
of lithology on weathering indices of
Changjiang river sediments. Chem. Geol.
359: 108-115.
6.Dalai, T.K., Rengarajan, R., and Patel, P.
2004. Sediment geochemistry of the
Yamuna River System in the Himalaya:
Implications to weathering and transport.
Geochem. J. 38: 5. 441-453.
7.Duzgoren-Aydin, N.S., Aydin, A., and
Malpas, J. 2002. Re-assessment of
chemical weathering indices: case study
on pyroclastic rocks of Hong Kong. Eng.
Geol. 63: 1. 99-119.
8.Fedo, C.M., Nesbitt, H.W., and Young,
G.M. 1995. Unraveling the effects of
potassium metasomatism in sedimentary
rocks and paleosols, with implications for
paleoweathering conditions and provenance.
Geology. 23: 10. 921-924.
9.Gaillardet, J., Millot, R., and Dupré,
B. 2003. Chemical denudation rates
of the western Canadian orogenic belt:
the Stikine terrane. Chemical Geol.
201: 3-4. 257-279.
10.Gupta, S., Banerjee, R., Babu, P.R.,
Parihar, P.S., and Maithani, P.B. 2012.
Geochemistry of uraniferous Banganapalle
sediments in the western part of Palnad
Sub-basin, Andhra Pradesh: implications
on provenance and paleo-weathering.
Gondwana Geol Mag Spec. 13: 1-14.
11.Hamdan, J., and Bumham, C.P. 1996.
The contribution of nutrients from
parent material in three deeply
weathered soils of Peninsular Malaysia.
Geoderma. 74: 3-4. 219-233.
12.Harnois, L. 1988. The CIW index: a new
chemical index of weathering. Sedim
Geol. 55: 3-4. 319-322.
13.Herbillon, A.J. 1986. Chemical
estimation of weatherable minerals
present in the diagnostic horizons of low
activity clay soils. In: Beinroth, F.H.,
Camargo, M.N. and Eswaran, M. (Ed.).
Proceedings of the 8th International Clay
Classification Workshop: Classification,
Characterization and Utilization of
Oxisols (Part 1).
14.Jayawardena, U.D.S., and Izawa, E.
1994. A new chemical index of
weathering for metamorphic silicate
rocks in tropical regions: a study from
Sri Lanka. Eng. Geol. 36: 3-4. 303-310.
15.Li, C., and Yang, S. 2010. Is chemical
index of alteration (CIA) a reliable
proxy for chemical weathering in
global drainage basins? Am. J. Sci.
310: 2. 111-127.
16.Lotfi, A. 2013. Lake Urmia: Description
of Basic Conditions. Environmental
Protection Agency, Tehran, Pp: 12-14.
17.McLennan, S.M. 1993.Weathering and
global denudation. J Geol. 101: 295-303.
18.Mehdizadeh, L., Asadzadeh, F., and
Samadi, A. 2015. Application of
mathematical models to describe the
particle size distribution of sediments
behind successive check dams. Water.
Engin. Manage. 6: 4. 323-336. (In Persian)
19.Meybeck, M. 1987. Global chemical
weathering of surficial rocks estimated
from river dissolved loads. Am. J. Sci.
287: 5. 401-428.
20.Millot, R., Gaillardet, J., Dupré, B., and
Allègre, C.J. 2002. The global control of
silicate weathering rates and the
coupling with physical erosion:
new insights from rivers of the
Canadian Shield. Earth Planet Sci.
Letters. 196: 1-2. 83-98.
21.Nesbitt, H.W., and Markovics, G. 1980.
Chemical processes affecting alkalis and
alkaline earths during continental
weathering. Geochim. Cosmochim. Acta.
44: 11. 1659-1666.
22.Nesbitt, H.W., and Young, G.M.
1982. Early Proterozoic climates and
plate motions inferred from major
element chemistry of lutites. Nature.
299: 5885. 715-717.
23.Nesbitt, H.W., and Young, G.M. 1989.
Formation and diagenesis of weathering
profiles. J. Geol. 97: 2. 129-147.
24.Oliva, P., Viers, J., and Dupré, B.
2003. Chemical weathering in granitic
environments. Chem. Geol. 202: 3. 225-256.
25.Osat, M., Heidari, A., Eghbal, M.K., and
Mahmoodi, S. 2016. Impacts of
topographic attributes on Soil
Taxonomic Classes and weathering
indices in a hilly landscape in Northern
Iran. Geoderma. 281: 90-101.
26.Panwar, S., and Chakrapani, G.J. 2016.
Seasonal variability of grain size,
weathering intensity, and provenance of
channel sediments in the Alaknanda
River Basin, an upstream of river
Ganga, India. Environ. Earth Sci.
75: 12. 1-13.
27.Parker, A. 1970. An index of weathering
for silicate rocks. Geologic. Magaz.
107: 06. 501-504.
28.Price, J.R., and Velbel, M.A. 2003.
Chemical weathering indices applied to
weathering profiles developed on
heterogeneous felsic metamorphic parent
rocks. Chem. Geol. 202: 3. 397-416.
29.Rowell, D.L. 1994. Soil science:
methods and application, Part 7:
Measurement of the composition of soil
solution, 112p.
30.Ruxton, B.P. 1968. Measures of the
degree of chemical weathering of rocks.
J. Geol. 76: 5. 518-527.
31.Schroeder, P.A., Melear, N.D., West,
L.T., and Hamilton, D.A. 2000. Metagabbro weathering in the Georgia
Piedmont, USA: implications for global
silicate weathering rates. Chem. Geol.
163: 1. 235-245.
32.Selvaraj, K., and Chen, C.T.A. 2006.
Moderate chemical weathering of
subtropical Taiwan: constraints from
solid-phase geochemistry of sediments
and sedimentary rocks. J. Geol.
114: 1. 101-116.
33.Stallard, R.F., and Edmond, J.M. 1983.
Geochemistry of the Amazon: 2. The
influence of geology and weathering
environment on the dissolved load. J.
Geophy Res. Oceans. 88: 9671-9688.
34.Shao, J., Yang, S., and Li, C. 2012.
Chemical indices (CIA and WIP) as
proxies for integrated chemical
weathering in China: inferences from
analysis of fluvial sediments. Sedim
Geol. 265: 110-120.
35.Taboada, T., Rodríguez-Lado, L.,
Ferro-Vázquez, C., Stoops, G., and
Cortizas, A.M. 2016. Chemical
weathering in the volcanic soils of Isla
Santa Cruz (Galápagos Islands,
Ecuador). Geoderma. 261: 160-168.
36.Taylor, S.R., and McLennan, S.M. 1985.
The continental crust: its composition
and evolution. Blackwell Scientific
Publication, Carlton, 312p.
37.Tipper, E.T., Bickle, M.J., Galy, A.,
West, A.J., Pomiès, C., and Chapman,
H.J. 2006. The short term climatic
sensitivity of carbonate and silicate
weathering fluxes: insight from seasonal
variations in river chemistry. Geoch
Cosmoch Acta. 70: 11. 2737-2754.
38.Velbel, M.A. 1993. Temperature
dependence of silicate weathering in
nature: How strong a negative feedback
on long-term accumulation of
atmospheric CO2 and global greenhouse
warming? Geology. 21: 12. 1059-1062.
39.Verma, M., Singh, B.P., Srivastava, A.,
and Mishra, M. 2012. Chemical
behavior of suspended sediments in a
small river draining out of the Himalaya,
Tawi River, northern India: implications
on provenance and weathering.
Himalayan Geol. 33: 1. 1-14.
40.White, A.F., and Blum, A.E. 1995.
Effects of climate on chemical
weathering in watersheds. Geochem
Cosmochim Acta. 59: 9. 1729-1747.
41.Xiao, S., Liu, W., Li, A., Yang, S., and
Lai, Z. 2010. Pervasive autocorrelation
of the chemical index of alteration
in sedimentary profiles and its
palaeoenvironmental implications.
Sedimentol. 57: 2. 670-676.
42.Yang, S., Jung, H.S., and Li, C. 2004.
Two unique weathering regimes in the
Changjiang and Huanghe drainage
basins: geochemical evidence from river
sediments. Sedim Geol. 164: 1. 19-34.
43.Yousefifard, M., Ayoubi, S., and
Jalalian, A. 2013. Weathering intensity
and investigation of weathering indices
in some soils developed on igneous
rocks in west-north of Iran. J. Water.
Soil. 27: 266-281. (In Persian)