乌兰布和沙漠沉积物粒度和地球化学元素特征及其环境意义

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00194

摘要/Abstract

摘要：

乌兰布和沙漠是中国北方沙尘和黄河泥沙的主要源区，但与其他沙漠相比，对乌兰布和沙漠沉积物的系统研究有限，尤其对沉积物的粒度特征、元素组成特征等方面尚不明确。本研究分析乌兰布和沙漠沉积物（表层和下层）的粒度特征，并对沉积物的元素组成特征和化学风化程度进行分析。结果表明：乌兰布和沙漠表层和下层沉积物均以细沙和中沙为主，表层沉积物粒径比下层粗，平均粒径2.18 Φ，与国内其他沙漠相比粒度偏粗，分选性较好。乌兰布和沙漠表层和下层沉积物粒度特征表现出相似的分布模式，表明表层和下层沉积物在形成机制上差异不大。乌兰布和沙漠沉积物常量元素以SiO₂和Al₂O₃为主，微量元素以Ba、Sr、Zr、Rb、Co为主，说明沉积物地球化学元素除受元素本身特性外，区域气候环境和新鲜物质补给情况也是影响其化学行为和含量差异的重要影响因素。化学风化指标CIA、A-CN-K和A-CNK-FM三角图解表明乌兰布和沙漠沉积物沙粒沉积环境为寒冷干燥的气候条件，风化程度低，风化作用处于斜长石化学风化的初级阶段。此项研究为深入系统开展乌兰布和沙漠沉积物特征研究和区域生态治理提供理论依据。

关键词: 粒度特征, 元素组成, 风化指数, 沉积环境, 乌兰布和沙漠

Abstract:

The Ulan Buh Desert is a key source of aeolian sand and fluvial sediments delivered to the Yellow River in northern China. However， systematic studies on its sedimentological and geochemical characteristics remain limited compared to other Chinese deserts， particularly regarding grain-size distribution and elemental composition. Here， we present a comprehensive analysis of sediment grain size， elemental geochemistry， and chemical weathering intensity in both surface and subsurface layers of the Ulan Buh Desert. Our results demonstrate that sediments are predominantly composed of fine to medium sand， with surface materials （mean grain size： 2.18 Φ） being coarser and better sorted than subsurface layers. This grain-size pattern is notably coarser than those of other Chinese deserts. The consistent grain-size distributions between surface and subsurface sediments suggest similar depositional mechanisms. Geochemically， the sediments are dominated by SiO₂ and Al₂O₃ among major elements， with Ba， Sr， Zr， Rb， and Co as characteristic trace elements. These compositional features reflect not only inherent source rock properties but also regional climatic controls and the input of fresh erosional materials. Chemical weathering indices （CIA， A-CN-K， and A-CNK-FM ternary diagrams） collectively indicate a cold， arid depositional environment with minimal chemical alteration， consistent with early-stage plagioclase weathering. This study establishes a theoretical framework for further investigations into sediment dynamics and geochemical processes in the Ulan Buh Desert， with implications for regional ecological management strategies.

Key words: grain size characteristics, elemental composition, weathering index, sedimentary environment, Ulan Buh Desert

中图分类号:

P931

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图/表 7

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类型	层位	部位	粒级百分含量/%
类型	层位	部位	粗沙 0~1Φ	中沙 1~2Φ	细沙 2~3Φ	极细沙 3~4Φ	粉沙 4~8Φ
格状沙丘	表层	迎风坡坡脚	6.92	26.66	56.90	9.28	0.22
		迎风坡坡中	0.63	24.51	67.91	6.93	0.02
		坡顶	1.52	35.04	61.06	2.38	0.00
		背风坡坡中	0.13	20.18	71.68	8.00	0.00
		背风坡坡脚	3.04	28.71	58.10	9.77	0.39
	均值		2.45	27.02	63.13	7.27	0.13
	下层	迎风坡坡脚	1.24	26.89	65.24	6.62	0.00
		迎风坡坡中	1.94	23.15	66.50	8.42	0.00
		坡顶	0.19	24.40	70.76	4.65	0.00
		背风坡坡中	1.01	24.03	67.43	7.52	0.00
		背风坡坡脚	1.84	25.35	64.95	7.86	0.00
	均值		1.24	24.76	66.98	7.01	0.00
新月形沙丘	表层	迎风坡坡脚	4.62	31.04	54.13	9.92	0.30
		迎风坡坡中	4.19	30.77	56.24	8.38	0.42
		坡顶	0.95	32.10	62.87	3.60	0.48
		背风坡坡中	0.90	29.35	63.07	6.68	0.01
		背风坡坡脚	4.16	30.63	55.18	9.71	0.31
	均值		2.96	30.78	58.30	7.66	0.30
	下层	迎风坡坡脚	2.52	28.62	57.83	9.98	1.05
		迎风坡坡中	1.26	24.77	63.41	10.51	0.06
		坡顶	0.00	27.25	68.30	4.44	0.00
		背风坡坡中	0.99	23.18	66.53	9.26	0.04
		背风坡坡脚	2.16	22.99	60.20	11.79	2.86
	均值		1.39	25.36	63.25	9.20	0.80
灌丛沙丘	表层	坡顶	0.54	20.27	59.53	18.33	1.33
灌丛沙丘	下层	坡顶	0.32	12.26	60.50	25.55	1.37
丘间地	表层		5.01	20.68	52.99	18.55	2.98
丘间地	下层		1.36	25.61	56.01	14.30	2.73

类型	层位	部位	粒级百分含量/%
类型	层位	部位	粗沙 0~1Φ	中沙 1~2Φ	细沙 2~3Φ	极细沙 3~4Φ	粉沙 4~8Φ
格状沙丘	表层	迎风坡坡脚	6.92	26.66	56.90	9.28	0.22
		迎风坡坡中	0.63	24.51	67.91	6.93	0.02
		坡顶	1.52	35.04	61.06	2.38	0.00
		背风坡坡中	0.13	20.18	71.68	8.00	0.00
		背风坡坡脚	3.04	28.71	58.10	9.77	0.39
	均值		2.45	27.02	63.13	7.27	0.13
	下层	迎风坡坡脚	1.24	26.89	65.24	6.62	0.00
		迎风坡坡中	1.94	23.15	66.50	8.42	0.00
		坡顶	0.19	24.40	70.76	4.65	0.00
		背风坡坡中	1.01	24.03	67.43	7.52	0.00
		背风坡坡脚	1.84	25.35	64.95	7.86	0.00
	均值		1.24	24.76	66.98	7.01	0.00
新月形沙丘	表层	迎风坡坡脚	4.62	31.04	54.13	9.92	0.30
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	均值		2.96	30.78	58.30	7.66	0.30
	下层	迎风坡坡脚	2.52	28.62	57.83	9.98	1.05
		迎风坡坡中	1.26	24.77	63.41	10.51	0.06
		坡顶	0.00	27.25	68.30	4.44	0.00
		背风坡坡中	0.99	23.18	66.53	9.26	0.04
		背风坡坡脚	2.16	22.99	60.20	11.79	2.86
	均值		1.39	25.36	63.25	9.20	0.80
灌丛沙丘	表层	坡顶	0.54	20.27	59.53	18.33	1.33
灌丛沙丘	下层	坡顶	0.32	12.26	60.50	25.55	1.37
丘间地	表层		5.01	20.68	52.99	18.55	2.98
丘间地	下层		1.36	25.61	56.01	14.30	2.73

类型	部位	沉积物常量元素含量/%
类型	部位	Na₂O	MgO	Al₂O₃	SiO₂	K₂O	CaO	Fe₂O₃
格状沙丘	表层	0.98±0.06	1.00±0.26	7.61±0.33	79.67±3.36	1.87±0.79	1.66±0.57	2.37±0.82
格状沙丘	下层	0.99±0.04	1.02±0.32	7.67±0.40	79.48±3.73	1.90±0.06	1.68±0.64	2.40±0.92
新月形沙丘	表层	0.98±0.06	0.99±0.21	7.54±0.43	80.44±3.73	1.91±0.08	1.61±0.58	2.30±0.82
新月形沙丘	下层	0.99±0.07	1.10±0.34	7.70±0.35	79.34±3.02	1.91±0.07	1.63±0.44	2.33±0.63
灌丛沙丘	表层	0.97±0.04	1.31±0.31	7.84±0.38	78.14±2.73	1.93±0.06	1.64±0.73	2.34±1.04
灌丛沙丘	下层	1.01±0.05	1.47±0.21	8.03±0.45	77.79±3.31	1.98±0.08	1.76±0.66	2.51±0.95
丘间地	表层	0.95±0.03	1.16±0.43	7.54±0.58	79.59±4.34	1.87±0.09	1.83±0.90	2.62±1.28
丘间地	下层	0.96±0.08	1.16±0.29	7.64±0.27	78.90±1.68	1.90±0.09	1.84±0.44	2.64±0.62
上部陆壳^[49]		3.9	2.22	15.2	66	3.4	4.2	5
陆源页岩^[49]		1.2	2.2	18.9	62.8	3.7	1.3	7.22
中国黄土^[50-51]		1.68	2.31	11.86	58.65	2.44	8.62	4.56
塔克拉玛干沙漠^[52]		2.58	2.2	10.6	64	2.11	7.88	3.1
库姆塔格沙漠^[1]		2.58	1.98	9.68	71.23	1.98	3.98	2.73

类型	部位	沉积物常量元素含量/%
类型	部位	Na₂O	MgO	Al₂O₃	SiO₂	K₂O	CaO	Fe₂O₃
格状沙丘	表层	0.98±0.06	1.00±0.26	7.61±0.33	79.67±3.36	1.87±0.79	1.66±0.57	2.37±0.82
格状沙丘	下层	0.99±0.04	1.02±0.32	7.67±0.40	79.48±3.73	1.90±0.06	1.68±0.64	2.40±0.92
新月形沙丘	表层	0.98±0.06	0.99±0.21	7.54±0.43	80.44±3.73	1.91±0.08	1.61±0.58	2.30±0.82
新月形沙丘	下层	0.99±0.07	1.10±0.34	7.70±0.35	79.34±3.02	1.91±0.07	1.63±0.44	2.33±0.63
灌丛沙丘	表层	0.97±0.04	1.31±0.31	7.84±0.38	78.14±2.73	1.93±0.06	1.64±0.73	2.34±1.04
灌丛沙丘	下层	1.01±0.05	1.47±0.21	8.03±0.45	77.79±3.31	1.98±0.08	1.76±0.66	2.51±0.95
丘间地	表层	0.95±0.03	1.16±0.43	7.54±0.58	79.59±4.34	1.87±0.09	1.83±0.90	2.62±1.28
丘间地	下层	0.96±0.08	1.16±0.29	7.64±0.27	78.90±1.68	1.90±0.09	1.84±0.44	2.64±0.62
上部陆壳^[49]		3.9	2.22	15.2	66	3.4	4.2	5
陆源页岩^[49]		1.2	2.2	18.9	62.8	3.7	1.3	7.22
中国黄土^[50-51]		1.68	2.31	11.86	58.65	2.44	8.62	4.56
塔克拉玛干沙漠^[52]		2.58	2.2	10.6	64	2.11	7.88	3.1
库姆塔格沙漠^[1]		2.58	1.98	9.68	71.23	1.98	3.98	2.73

元素	部位	类型				上部陆壳^[49]	陆源页岩^[49]	中国黄土^[50-51]	库姆塔格沙漠^[1]
元素	部位	格状沙丘	新月形沙丘	灌丛沙丘	丘间地	上部陆壳^[49]	陆源页岩^[49]	中国黄土^[50-51]	库姆塔格沙漠^[1]
Cr	表层	41.21±11.2	56.95±17.65	55.08±21.56	52.06±27.56	35	110	54.02	48
Cr	下层	62.39±24.38	60.75±20.48	56.30±17.33	61.39±23.10	35	110	54.02	48
Co	表层	63.88±10.89	61.35±15.91	49.73±18.65	61.13±18.99	10	23	14.31	7.78
Co	下层	55.12±18.52	59.33±4.87	55.52±19.59	57.27±15.80	10	23	14.31	7.78
Ni	表层	11.14±2.05	11.53±1.56	11.89±1.45	11.16±2.31	20	55	32.1	18.98
Ni	下层	11.76±1.87	11.94±2.65	12.99±1.63	11.57±1.58	20	55	32.1	18.98
Cu	表层	7.48±0.86	7.08±1.53	7.18±1.26	7.18±1.97	25	50	24.01	12.89
Cu	下层	8.11±1.14	7.88±1.17	7.64±1.10	7.30±1.23	25	50	24.01	12.89
Zn	表层	18.60±2.39	18.36±3.06	20.02±3.27	17.36±3.74	71	85	60.02	39.92
Zn	下层	19.33±2.84	19.88±2.92	21.69±3.51	18.12±2.29	71	85	60.02	39.92
Rb	表层	66.88±3.14	65.58±3.49	67.03±4.34	64.29±4.63	112	160	96.02	68.29
Rb	下层	67.11±3.46	66.83±3.41	68.25±4.97	65.99±3.45	112	160	96.02	68.29
Sr	表层	165.18±12.73	161.50±11.97	163.60±11.80	163.24±20.64	350	200	187.05	249.16
Sr	下层	158.26±12.76	159.98±8.92	164.34±10.40	166.69±18.20	350	200	187.05	249.16
Zr	表层	101.77±15.80	112.45±19.81	108.51±9.81	121.64±31.15	190	210	212.03	161.04
Zr	下层	111.71±10.31	116.68±26.63	124.14±14.89	126.29±31.81	190	210	212.03	161.04
Ba	表层	542.84±62.23	558.45±50.01	566.14±52.92	544.68±54.75	550	650	489.02	556.51
Ba	下层	537.83±51.01	554.20±55.48	561.66±53.55	543.36±72.01	550	650	489.02	556.51
Th	表层	3.94±0.58	3.87±0.75	4.30±0.61	3.86±0.90	10.7	14.6	21.6	6.48
Th	下层	4.39±0.77	3.92±0.69	4.46±0.98	3.97±0.65	10.7	14.6	21.6	6.48