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中国沙漠, 2023, 43(4): 17-30 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00156

河西走廊酒东沙地风沙沉积物理化特征及其环境意义

郭雪阳,, 杨林海,, 程良清, 胡光印, 胡菁菁

陕西师范大学 地理科学与旅游学院,陕西 西安 710119

Physical and chemical characteristics of aeolian sands in Jiudong Sandy Land of Hexi Corridor and its environmental significance

Guo Xueyang,, Yang Linhai,, Cheng Liangqing, Hu Guangyin, Hu Jingjing

School of Geography and Tourism,Shaanxi Normal University,Xi'an 710119,China

通讯作者: 杨林海(E-mail: ylh@snnu.edu.cn

收稿日期: 2022-10-25   修回日期: 2022-11-24  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  42271004

Received: 2022-10-25   Revised: 2022-11-24  

作者简介 About authors

郭雪阳(1998—),女,河南安阳人,硕士研究生,主要从事风沙地貌形成演化研究E-mail:2192075376@qq.com , E-mail:2192075376@qq.com

摘要

酒东沙地位于河西走廊中段的张掖绿洲和酒泉绿洲之间,其风沙环境的变化对周边的人类活动至关重要。与其他沙区相比,该沙地的研究基础相对薄弱。对酒东沙地表层风沙沉积物的粒度、化学元素和矿物特征进行了研究,并探讨了其环境指示意义。结果表明:酒东沙地表层风沙沉积物平均粒径218~308 μm,以中沙和细沙为主,分选性良好,偏度近对称,峰度中等;沉积物粒径总体上由北向南逐渐变细;在近东西向的两条断面上,位于沙地腹地的表层风沙沉积物自西向东逐渐变细,而沙地南缘则呈现相反的规律;酒东沙地表层风沙沉积物中跃移组分含量最高,其次为短距离悬移组分、蠕移组分和长距离悬移组分。常量元素以SiO2为主,CaO和MgO含量存在顺主导风向减少的规律;微量元素除Cr、Ni和Co表现出明显的富集特征外,其余元素均出现不同程度的亏损。矿物以硬矿物石英和长石为主,其次是白云石,其他矿物含量极少;矿物成分成熟度指数Q/TF较低。酒东沙地表层风沙沉积物处于基本未受或遭受了较弱的化学风化的初期,以物理风化过程为主,推测其形成于干冷、弱化学风化和弱成壤环境下。

关键词: 风沙沉积物 ; 粒度 ; 元素 ; 矿物 ; 酒东沙地

Abstract

Jiudong Sandy Land is located between Zhangye Oasis and Jiuquan Oasis in the middle Hexi Corridor and its aeolian process is influential to the surrounding hμman activities. In this paper, the grain size, chemical elements and mineral characteristics of the surface aeolian sands of Jiudong Sandy Land were investigated. The results show that: (1) The average grain size of aeolian sands on the surface of Jiudong Sandy Land is between 218-308 μm and mainly consists of mediμm sand and fine sand with good sorting, nearly symmetrical skewness and kurtosis is moderate. The aeolian sands generally become finer from north to south; the aeolian sands in the hinterland of the sandy land gradually become finer from west to east, while the southern edge of the sandy land presents the opposite phenomenon. The content of saltation component is the highest, followed by short distance suspension component, creeping component and long-distance suspension component. (2) The major element is SiO2, and the content of CaO and MgO decreases along the dominant wind direction. Except for Cr, Ni and Co, trace elements show obvious enrichment while other elements are depleted to varying degrees. (3) The minerals are mainly hard minerals of quartz and feldspar, followed by dolomite, and the content of other minerals is very low. The mineral maturity index (Q/TF) is low. (4) The aeolian sands of Jiudong Sandy Land are in the initial stage of being basically free from or subject to weak chemical weathering, mainly in the process of strong physical weathering. It is speculated that they were formed in a dry and cold, weak chemical weathering and weak pedogenic environment.

Keywords: aeolian sands ; particle size ; element ; mineral ; Jiudong Sandy Land

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本文引用格式

郭雪阳, 杨林海, 程良清, 胡光印, 胡菁菁. 河西走廊酒东沙地风沙沉积物理化特征及其环境意义. 中国沙漠[J], 2023, 43(4): 17-30 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00156

Guo Xueyang, Yang Linhai, Cheng Liangqing, Hu Guangyin, Hu Jingjing. Physical and chemical characteristics of aeolian sands in Jiudong Sandy Land of Hexi Corridor and its environmental significance. Journal of Desert Research[J], 2023, 43(4): 17-30 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00156

0 引言

以风为外营力形成的风沙地貌广泛分布于地球的干旱、半干旱及部分湿润地区1,是组成陆地地貌的重要类型2。沙丘是风沙地貌中最基本的组成单元,其沉积物记录了沙源地或荒漠区的环境变化及其对全球气候变化和人类活动的响应,是旱地景观演化独特而重要的环境档案3。因此对沙丘沉积物的研究,能够为科学防治风沙、了解区域环境以及认识气候变化提供理论依据4

从全球尺度来看,有沙丘发育的陆地面积超过2 000万km2[5,集中分布在北非、亚洲中部、西南非、北美中西部、南美西南部以及澳大利亚6。中国是世界上沙丘广泛分布的国家,以乌鞘岭-贺兰山为界,可将沙区分为东、西两部分。西部沙区以流动沙丘为主,占该区沙漠总面积的75%;东部沙区则以固定、半固定沙丘为主,占该区沙地总面积的80%1。众多学者围绕塔克拉玛干沙漠7、库姆塔格沙漠8-9、巴丹吉林沙漠10-11、毛乌素沙地12、科尔沁沙地13等主要沙区开展了大量系统的研究工作,但是对于一些面积较小的沙区缺乏足够的关注,而此类沙区往往与人类活动的关系更为密切,其环境变化对周边人群生产生活的影响更为直接。河西走廊的酒东沙地便是其中一例。

酒东沙地位于河西走廊中段的张掖绿洲和酒泉绿洲之间(图1)。由于气候干旱、水资源严重短缺14,再加上人类不合理的土地利用方式,导致人地关系失调,土地质量低劣,植被退化严重,风沙活动增强,沙地有不断向周围绿洲蔓延、扩大的趋势,直接威胁到了人类的生存空间,严重制约了当地的经济发展。酒东沙地内部保留了众多汉唐以来的古城遗址,如骆驼城、许三湾城、明海子城等,这也暗示了沙地环境在历史时期可能发生过显著甚至剧烈的变化14。由此可见,酒东沙地的环境变化特别是风沙环境的变化对该区域的人类活动至关重要。最近,酒东沙地开始受到相关研究者的关注。Chen等15采用光释光(OSL)测年技术测定的酒东沙地开始形成的年代为89.8±7.6 ka之前;张正偲等16对酒东沙地风能环境与风沙地貌进行了研究,认为该区域流沙带为低风能环境,沙丘类型包括新月形沙丘、横向沙丘、格状沙丘及灌丛沙丘等;Zhang等17-18对酒东沙地沉积物粒度特征、沉积环境、风成沙来源进行了分析,发现沉积物主要由极细沙(0.07±0.01~0.24±0.06 mm)组成,沉积环境包括风成沉积、湖相沉积和河流沉积3种,西南的祁连山和北面的北山是其物源区。与其他沙区相比,目前对于酒东沙地沉积物特征、物质来源、形成演化以及人地关系方面的研究还不够系统和深入,大量基础研究工作尚待开展。

图1

图1   酒东沙地的地理位置(A)及采样点分布(B)

Fig.1   Geographical location of Jiudong Sandy Land(A) and sampling sites(B)


粒度、地球化学元素和矿物是沉积学研究中非常重要的环境指标,并且在指示沉积物物源19、搬运机制20以及沉积环境21等方面具有重要意义。本文以酒东沙地表层风沙沉积物为研究对象,详细分析了其粒度、地球化学元素和矿物等理化特征,并探讨了其环境指示意义。该工作不仅可以为阐明河西走廊表层风沙沉积物的物质组成及风沙环境演化积累基础数据,而且有望为当地沙漠化的防治提供借鉴。

1 研究区概况

酒东沙地(39°17′—39°49′N、98°57′—99°40′E)地处于青藏高原和华北板块两大构造带交会处的河西走廊中西段(图1),位于酒东盆地内,其南部为冲段褶皱带,是祁连山逆掩推覆体的前锋部分,内部断裂及褶皱构造发育22。该沙地南靠祁连山脉,东、北和西面依次被腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠和库姆塔格沙漠包围23。与巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠的沙丘在空间分布上是相对完整的一片不同3,酒东沙地的沙丘零星分布在摆浪河、马营河、甘坝河等3条较小内流河的中下游以及黑河中游的西岸附近。该沙地内沙丘与绿洲相间分布,沙丘类型众多,以新月形沙丘、横向沙丘、线性沙丘、格状沙丘和灌丛沙丘为主,有少量的金字塔沙丘,其形成和演化可能受到了自然因素和人为因素的共同影响24。酒东沙地深处内陆,属于典型的大陆性干旱气候区,其气候的总体特征是:干燥寒冷,降水稀少,年降水量50~200 mm15,其中89%的降雨发生在5—9月15,区内许多河流因缺水而成为季节性河流25;蒸发强烈,年蒸发量1 300~2 000 mm22,由东南向西北增加;年日照充足,为3 033~3 193 h22;区内大风天气较多,主要发生在冬春季节,年均风速2.8~4.6 m·s-1[24,风能环境自北向南逐渐降低,沙尘由西北向东南输送。酒东沙地的地带性植被为荒漠植被,以梭梭、沙拐枣、白刺、针茅等沙生植被为主26。在冬春季节,西伯利亚高压将粉尘输送到黄土高原和酒东沙地所在的河西走廊等地,造成严重的沙尘天气15

2 研究方法

在酒东沙地不同区域的沙丘顶部进行了表层风沙沉积物样品的采集,为确保采集的样品具有代表性,参考了Lancaster27在纳米布沙漠的采样方法:选取0.2 m×0.2 m面积的沙面,均匀采集表面0~1 cm深度的沙粒,样品质量500~1 000 g。共获得12个样品,编号依次记作JD-1-1、JD-1-2、JD-1-3、JD-2-1、JD-2-2、JD-2-3、JD-2-4、JD-3-1、JD-3-2、JD-3-3、JD-3-4、JD-3-5(图1B)。样品在实验室自然风干,然后进行粒度、化学元素及矿物分析。

粒度分析在陕西师范大学地理科学与旅游学院完成。样品经过盐酸、双氧水以及六偏磷酸钠的前处理后,利用Mastersizer 2000激光粒度仪进行粒度检测,该仪器可检测的粒径范围是0.02~2 000 μm。样品前处理方法依据文献[28]。粒度参数使用GRADISTAT软件处理,最后选取Folk-Ward图解法2结果作为本研究表层风沙沉积物样品的参数数据。常用的粒度参数有平均粒径、分选系数、偏度和峰度等,其中,平均粒径不仅反映了沉积物颗粒的大小,还反映了搬运营力的平均动能29;分选系数反映了沉积物颗粒的粒径分散程度,通常分选系数越小,粒径分布越集中,反之则越分散;偏度可以反映沉积物频率曲线的对称性,正偏时沉积物偏细,负偏时则偏粗;峰度衡量粒度分布曲线峰的尖锐程度,其值为正值时是窄峰态,负值时是宽峰态,正态曲线的峰度值为零29

元素测试在陕西师范大学地理科学与旅游学院完成。将样品风干,研磨、过200目筛并在天平秤上称取磨细样品5 g后,放进YY-60型半自动压样机内压成样片并用塑料环镶边垫底,最后在荷兰Panalytical生产的PW2403X-Ray荧光光谱仪上进行元素分析。详细测试流程见文献[6]。Rb/Sr、淋溶系数和化学蚀变指数(CIA)这3个指标可以表征沉积物化学风化的程度,其中Rb/Sr比值与风化程度呈正相关30,淋溶系数与风化程度呈负相关6

矿物实验完成于中国科学院地球环境研究所。将样品风干、研磨,并压制成片,然后放入荷兰Panalytical公司生产的X'Pert Pro MPD多晶X射线衍射仪进行检测(扫描范围3°~70°,扫描时间19.685 s,扫描步长0.0167°),再使用X'Pert High Score Plus软件对所获图谱分析处理后,得出轻矿物种类及百分含量。具体实验步骤见文献[31]。

3 结果

3.1 粒度

3.1.1 粒级级配

图2A可以看出,酒东沙地表层风沙沉积物粒级级配分布在粗沙和黏粒之间,其中,中沙(粒径250~500 μm)体积百分含量最高,范围为36.58%~66.37%,平均为50.11%;其次是细沙(粒径125~250 μm),范围为25.19%~58.17%,平均为41.66%;再次是粗沙(粒径500~1 000 μm),范围为0~4.55%,平均为3.55%;其余的粒级平均含量不超过3%,依次是粉沙(粒径3.9~62.5 μm,平均含量2.34%)、极细沙(粒径62.5~125 μm,平均含量1.95%)、 黏粒(粒径<3.9 μm,平均含量0.04%)。所有样品均不含极粗沙(粒径1 000~2 000 μm)和砾石(粒径>2 000 μm)。

图2

图2   酒东沙地表层风沙沉积物粒级级配(A)及自北向南(B)和自西向东(C:沙地腹地,D:沙地南缘)的粒度变化特征

Fig.2   Gradation of aeolian sand sediments on the surface of Jiudong Sandy Land (A), grain size variation characteristics from north to south (B) and from west to east (C: hinterland of the sandy land, D: south edge of the sandy land)


酒东沙地表层风沙沉积物自北向南粒径呈现出逐渐变细的趋势(图2B);在近东西方向上的两条断面上,位于研究区腹地的沉积物自西向东粒径逐渐变细(图2C),而沙地南缘则呈现相反的规律(图2D)。

3.1.2 粒度组成

风力对沉积物的搬运大致可分为4种情况:<20 μm颗粒呈长距离悬移,20~70 μm颗粒呈短距离悬移,70~500 μm颗粒呈近地面跃移,>500 μm颗粒以蠕移形式移动32。酒东沙地表层风沙沉积物中跃移组分(70~500 μm)含量最高,其次为短距离悬浮组分(20~70 μm)和蠕移组分(>500 μm),长距离悬浮组分(<20 μm)含量最少(图3)。

图3

图3   酒东沙地各采样点的粒度组成

Fig.3   Particle size composition of aeolian sands in Jiudong Sandy Land


3.1.3 频率分布曲线与概率累积曲线

频率分布曲线可直观地反映出沉积物的主要粒级及不同粒级的相对含量33。研究区的12个表层风沙沉积物样品的频率分布曲线可分为单峰态和双峰态两种类型(图4A)。研究区东部(JD-1-1、JD-1-2、JD-1-3)呈窄单峰但不对称分布形态,峰值粒径位于194.20~282.10 μm的中沙—细沙范围,峰形尖锐。其余样品的频率分布曲线均呈现不对称的双峰形态,主峰在176.80~373.10 μm,属于细沙—中沙范围;在粉沙范围内有一个次峰,次峰位于27.38~52.63 μm,含量低于1%。

图4

图4   酒东沙地表层风沙沉积物频率分布曲线(A)和概率累积曲线(B)

Fig.4   Frequency distribution curves (A) and probability accμmulation curves (B) of the aeolian sand sediments on the surface of Jiudong Sandy Land


Visher34用概率累积曲线揭示了沉积物搬运方式与粒度分布之间的关系,被用来推测其形成环境3。概率累积曲线的斜率反映了不同的沉积动力环境35,即曲线越陡,说明风沙活动越剧烈、频繁。从线段截点出现的位置来看,研究区内表层风沙沉积物的概率累积曲线主要有2种类型,即三段式和四段式(图4B)。研究区东部(JD-1-1、JD-1-2、JD-1-3)概率累积曲线为三段式,包含蠕移和跃移两个组分,其中跃移组分又可分为两个次级组分,蠕移组分与跃移组分的截点粒径在1.29~1.42 Φ(373~408 μm),两个跃移组分的截点位于2.77~2.90 Φ(134~147 μm)。其余风成样品的概率累积曲线呈现四段式,由蠕移、跃移、悬移3个次总体和1个过渡段构成;蠕移组分与跃移组分截点位于0.88~1.29 Φ(410~543 μm),过渡段与跃移、悬移总体的截点分别在2.63~3.31 Φ(101~162 μm)、4.25~4.65 Φ(40~53 μm);其中,跃移组分偏细且含量最高,过渡段含量最少,仅为1%~2%(图4B)。

3.1.4 粒度参数

酒东沙地表层风沙沉积物平均粒径变化范围1.7~2.2 Φ (218~308 μm),平均值为1.96 Φ(260 μm),属于中沙范围;分选系数介于分选好至分选中等之间,12个采样点中分选很好的占41.67%,分选较好的占50%,分选中等的占8.33%,说明研究区表层风沙沉积物的总体分选状况较好;偏度和峰度分别介于近对称至正偏之间和中等至很窄之间。总体而言,研究区不同采样点表层风沙沉积物的粒度参数中除平均粒径和分选系数有一定的差异外,偏度和峰度差异不大(图5)。

图5

图5   酒东沙地表层风沙沉积物粒度参数

Fig.5   Grain size parameters of aeolian sand sediments on the surface of Jiudong Sandy Land


3.2 元素
3.2.1 元素组成

沉积物中主要的造岩元素Si、Al、Fe、Ca等主要以氧化物形式存在36-39。由表1可以看出,不同采样点常量元素组成相同,均以SiO2、Al2O3和CaO为主,平均含量分别为65.37%、7.45%和4.51%,三者之和达77.33%;其次是Fe2O3和Na2O,平均值分别为2.80%和2.02%;MgO和K2O平均含量相差不大,分别是1.89%和1.56%。CaO变异系数最大,为0.29;SiO2、Al2O3、Na2O和K2O元素变异系数值均小于0.1,表明其含量在不同采样点差异较小。

表1   酒东沙地及中国主要沙漠表层风沙沉积物常量元素含量(%

Table 1  Major element contents of aeolian sand sediments on the surface of Jiudong Sandy Land and other deserts in China%

采样点SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaONa2OK2O
JD-1-168.926.92.221.362.801.861.53
JD-1-266.957.282.611.593.651.951.57
JD-1-368.527.062.361.513.301.861.59
JD-2-160.217.914.092.596.582.061.45
JD-2-271.837.262.061.483.212.071.64
JD-2-364.307.152.621.964.612.061.47
JD-2-460.697.523.132.436.062.021.41
JD-3-169.237.42.411.533.562.091.63
JD-3-263.097.533.292.345.931.991.47
JD-3-362.127.592.851.924.952.181.54
JD-3-461.657.953.162.225.642.051.64
JD-3-566.967.872.801.713.872.021.77
变化范围60.21~71.836.9~7.952.06~4.091.36~2.592.8~6.581.86~2.181.41~1.77
平均值65.377.452.801.894.512.021.56
标准差3.850.340.560.421.290.090.10
变异系数0.060.050.200.220.290.050.07
上部陆壳66.0015.205.002.204.203.903.40
巴丹吉林沙漠80.277.781.931.192.061.902.00
腾格里沙漠80.948.261.961.121.301.882.25
塔克拉玛干沙漠62.0510.182.361.587.302.332.40

上部陆壳数据引自文献[37],其他沙漠数据引自文献[38-39]。

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地球化学元素不仅可以指示沉积物的组成特征,而且在分析物源、风化程度和沉积过程以及反演古地理环境等方面均有重要意义40。总体上看,微量元素均以Ba、Cr、Sr、Zr元素为主,平均含量分别是474.3、175.8、165.3、93.6 μg·g-1;其次是Rb和V元素,平均含量分别为57.7 μg·g-1和52.0 μg·g-1。变异系数Co、Cr较高,其中Co的变异系数异常偏高,为1.26;其余微量元素均较低(表2)。

表2   酒东沙地及邻近沙漠表层风沙沉积物微量元素含量(μg·g-1

Table 2  Trace element contents of aeolian sand sediments on the surface of Jiudong Sandy Land and adjacent deserts in Chinaμg·g-1

元素变化范围平均值标准差变异系数背景值巴丹吉林沙漠腾格里沙漠
Ba458.2~507.4474.313.80.03550.0544.5619.61
Sr136.1~196.0165.320.00.12350.0168.1171.77
Cr40.2~356.8175.891.90.5235.0105.195.53
Zr72.9~147.993.622.20.24190.089.5105.13
Rb51.4~66.157.74.40.08112.062.870.69
V38.9~76.252.010.50.2060.0
Co4.1~107.329.837.51.2610.0124.1121.23
Zn21.6~39.029.45.10.1771.0
La11.0~26.016.54.30.2630.0
Pb11.6~13.712.80.60.0515.0
Cu11.6~16.413.61.50.1125.013.812.67
Y12.1~18.714.42.10.1522.0
Ga8.9~10.79.70.70.0717.010.711.13
Ni18.9~37.426.65.00.1920.018.216.65
Nb6.3~11.17.91.50.1925.0
Bi5.8~5.85.80.00.00127.0

背景值数据引用自文献[37],其他沙漠数据引自文献[38],“—”表示数据缺失。

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各样品化学元素与上部陆壳平均化学成分(UCC)对比进行标准化,可反映不同元素的淋失或富集程度41。常量元素方面,研究区表层风沙沉积物经上部陆壳(UCC)标准化结果见图6A,其中SiO2和CaO接近1,MgO为0.62~1.18(平均值为0.86),Fe2O3为0.41~0.82(平均值为0.56),Na2O为0.48~0.56(平均值为0.52),Al2O3为0.45~0.52(平均值为0.49),K2O为0.41~0.52(平均值为0.46)。与上部陆壳(UCC)的含量相比,酒东沙地表层风沙沉积物中常量元素除MgO、SiO2和CaO元素部分产生了轻微富集外,其余元素均产生了不同程度的亏损,尤其以K2O的亏损最为严重。微量元素方面,相比上部陆壳UCC,除Cr、Co和Ni表现出明显的富集外,其余元素均表现为亏损,其中以Nb的亏损最严重(图6B)。

图6

图6   酒东沙地表层风沙沉积物地球化学元素UCC标准化值及其与其他沙漠和沙地的对比

Fig.6   Distribution of UCC standardized values of geochemical elements in aeolian sand sediments on the surface of Jiudong Sandy Land (the values of other deserts are shown for comparison)


3.2.2 化学风化指标

表3可知,研究区表层风沙沉积物的Rb/Sr比值范围为0.27~0.44,多数处于0.30~0.40,平均为0.36,高于上部陆壳(0.32)42;淋溶系数变化范围为0.90~1.28,多数处于0.90~1.00,平均为1.08,表明其风化程度未出现明显的空间变异规律。

表3   酒东沙地表层风沙沉积物的化学风化程度

Table 3  Chemical weathering degree of the aeolian sand sediments on the surface of Jiudong Sandy Land

指数JD-1-1JD-1-2JD-1-3JD-2-1JD-2-2JD-2-3
Rb/Sr0.420.380.420.280.380.30
淋溶系数0.900.980.961.280.951.14
CIA45.9846.2446.3547.5844.7745.00
指数JD-2-4JD-3-1JD-3-2JD-3-3JD-3-4JD-3-5
Rb/Sr0.270.400.290.340.360.44
淋溶系数1.260.981.251.141.170.97
CIA46.8545.0846.9945.1347.2246.86

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CIA反映了沉积物的化学风化程度和沉积时的气候环境。CIA值低于50反映无化学风化作用,50~65反映寒冷、干燥气候下偏低等的化学风化,65~85反映温暖、湿润气候下偏中等的化学风化,85~100反映炎热、潮湿气候下的强烈化学风化43-44。酒东沙地表层风沙沉积物的CIA值为44.77~47.58,平均值为46.17,与上部陆壳(48.04)接近。

3.3 矿物
3.3.1 组成与含量

长英质矿物(如石英、钾长石、斜长石等)相对稳定,其含量在一定程度上可以追溯沉积物的来源、搬运及沉积过程 42。从表4可以看出,酒东沙地不同样点的表层风沙沉积物均以石英和长石为主,且在矿物总量中所占百分比含量较高,两者平均含量为96.75%,波动范围91%~100%。其次是白云石,平均含量为3.33%,其他矿物的含量甚微。从区域上看,沙地东部的JD-1-1石英含量最高,而长石含量最低;沙地西部的JD-3-3长石含量最高,而石英含量最低;其他采样点石英和长石含量差别不大。

表4   酒东沙地表层风沙沉积物矿物平均含量及成熟度指数

Table 4  Average mineral content and maturity index of aeolian sand sediments on the surface of Jiudong Sandy Land

采样点石英长石白云石磷酸钠 铍石铁锂 云母Q/TF
JD-1-175253.00
JD-1-269312.23
JD-1-3683022.27
JD-2-1633341.91
JD-2-2692822.46
JD-2-3653232.03
JD-2-4633251.97
JD-3-1663222.06
JD-3-265294112.24
JD-3-36036411.67
JD-3-46130412.03
JD-3-5653411.91

空格表示没有该种矿物。

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3.3.2 成熟度指数

Pettijohn等45认为沉积物中不同轻矿物的组合比值可以作为判断矿物成因的指标。成熟度指数(Q/TF)是指石英总量/长石总量,在风化过程中,石英矿物的抗风蚀能力比长石要强,所以长石易在化学、物理作用下转变为其他种类矿物或破碎为细颗粒沉积物。酒东沙地表层风沙沉积物的成熟度指数Q/TF表4)1.67~3.00,平均值为2.15。研究区不同区域表层风沙沉积物的成熟度指数存在一定的差异,其中以JD-1-1的成熟度指数最高。

4 讨论

4.1 粒度特征及其环境意义

4.1.1 粒度组成及其空间差异

酒东沙地表层风沙沉积物的粒度空间分异规律较为复杂。总体上,该区表层风沙沉积物以中沙(36.58%~66.37%)和细沙(25.19%~58.17%)为主,这与河西走廊戈壁表面新月形沙丘24、巴丹吉林沙漠46和腾格里沙漠47表层沉积物粒度研究结果基本一致,很大程度上是因为风力作用对源区物质进行了分选,使较粗的沙粒留在原地,而较细的沙粒被吹蚀到沙漠内部48。因此,沙漠中沙物质粒级多以中沙和细沙为主。但该区表层风沙沉积物与库姆塔格沙漠(240 μm)49、塔克拉玛干沙漠(120 μm)50和古尔班通古特沙漠(180 μm)47丘间地表层风成沙相比粒径较粗,可能是因为粗颗粒物质在相对较弱的风能环境中也可以从坡脚以缓慢蠕移的形式移动到沙丘顶部,而且沙丘顶部相对于丘间地风速被放大,在相对较弱的风能环境中也能达到起沙风速,风对沙粒的分选作用较强,较细的颗粒被吹蚀,导致顶部粗颗粒不断累积51

从宏观上看,沙漠中沉积物的粒径主要受控于源区物质的粒度组成和风况两个因素52。一般认为,沙漠中沉积物的粒径存在沿顺风向变细的规律53。Mischke54发现巴丹吉林沙漠中表层风沙沉积物粒径存在顺风向变细的趋势。酒东沙地表层风沙沉积物的粒径特征也大致符合这一规律。酒东沙地所在的河西走廊位于青藏高原东北麓的中纬度地带,当强大的冷空气南下经过此地时,由于地形的狭管效应55,使得河西走廊东部形成强大的西北风。北部的北山是酒东沙地的物源区之一,随着强劲西北风和偏北风16搬运距离的增加,粗颗粒首先沉积,这是导致沙地表层风沙沉积物呈现由北向南逐渐变细的主要原因,这与朱秉启3的研究结论一致;而自西向东方向,两个断面的粒径变化规律出现了相反的情况(图2C、D),其中沙地腹地表层风沙沉积物粒径自西向东逐渐变细,这可能是因为次风向西北西风16起到了一定的分选作用,而沙地南缘粒径出现自东向西逐渐变细的现象,可能跟局地风向(偏东风)16有关。

4.1.2 粒度的环境指示意义

酒东沙地表层风沙沉积物中跃移组分(70~500 μm)含量最高,其次为短距离悬移组分(20~70 μm)和蠕移组分(>500 μm),长距离悬移组分(<20 μm)含量最少(图3)。其中,20~70 μm组分通常可以被地表风以短期悬浮的方式搬运几百千米,并在下风向堆积56-57。Sun等58认为20~50 μm的粒级组分是以近地表悬浮的形式进行沉积,并且输送距离为1 000 km之内59。孔凡彪等60认为20~70 μm的粗粉砂组分是在地方风系作用下低空短距离悬浮搬运的物质。Nottebaum等61认为祁连山北部沉积物中粒级为33 μm的颗粒组分是近地面风将附近的碎屑物质吹扬上山沉积。该区位于北山山系盛行风(西北风)的下风向,来自北山的碎屑物质通过水动力输送到较低海拔,再随风搬运堆积18。气象资料显示1624,该地平均风速为2.8~4.6 m·s-1,最大可达13.2~20.5 m·s-1。因此,推测出20~70 μm范围内的沉积物是地方风系作用下低空短距离悬浮搬运的中、远源物质。<20 μm的粒级组分与20~70 μm组分在空间分布上具有较高相关性,可推测其是粗粉砂组分在风力搬运的过程中颗粒间相互碰撞磨蚀而成。

Vandenberghe59认为>75 μm的颗粒主要来自附近的沙源地,在几百米或几千米范围内。根据Pye56的理论推测其主要是近地面风将冲积物、风化物通过蠕移、跃移等方式搬运堆积。河流在风沙系统的形成中起着非常重要的作用18。南部的祁连山是酒东沙地的另一物源区,源于祁连山的众多水系可以将祁连山大量风化碎屑物质搬运至山麓甚至更北地区,后可能经风力吹扬、分选形成沙地,即一方面表现在对粉尘的吹蚀(悬移质为主)和粗颗粒的蚀余富集(蠕移质为主),另一方面表现在将以跃移质为主的组分分选出并堆积成沙丘62,后者主要表现在70~500 μm跃移组分上。酒东沙地确实存在冲积物18,在风力的作用下可能会存在上述的风选作用62。另外,>500 μm的粗颗粒难以被风长距离搬运,可能是由附近砾石遭受强烈风化破碎而来。因此可推断>70 μm的颗粒是经风力作用改造的祁连山冲积物。

4.1.3 酒东沙地与其他沙漠粒度参数对比

酒东沙地表层风沙沉积物的平均粒径为260 μm,介于世界其他沙漠的平均粒径之间(110~330 μm)63,但是比Zhang等17报道的金塔-高台地区沙丘的平均粒径要大,这可能是由于样品采集区域和地貌部位的差异所致:Zhang等17的样品主要采自发育在北大河、黑河、马营河、摆浪河和丰乐河冲积沉积地带的沙丘迎风坡坡脚、坡中、坡顶和背风坡;而本文所研究的样品则是采自沙漠腹地及边缘的摆浪河和马营河的下风向区域的沙丘顶部。相较于其他沙漠表层风沙沉积物的粒度参数,酒东沙地表层风沙沉积物的平均粒径(260 μm)粗于库姆塔格沙漠(210 μm)64和塔克拉玛干沙漠(90~190 μm)50,细于邻近的巴丹吉林沙漠(290 μm)38,与腾格里沙漠(260 μm)38 基本一致。研究区表层风沙沉积物的分选程度、偏度与峰态与邻近的巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠也基本一致,均为分选较好、近对称和中等峰态,说明该地表层风沙沉积物的发育程度与周边沙漠具有相似性。

4.2 元素组成及其环境意义
4.2.1 元素组成

酒东沙地表层风沙沉积物常量元素以SiO2为主,平均含量为65.37%,与Zhang等18研究结论一致。石英矿物稳定不易被风化,加之沙漠地区细粒物质被风蚀或吹扬,导致沙漠沉积物中SiO2含量较其他元素明显富集65。元素Ca和Mg在表层沉积物风化过程中易转移流失64,其含量大小在一定程度上反映了沉积物风化程度和蚀积过程64。来自北山的大量碎屑沉积物不断地被搬运到酒东盆地内,在搬运过程中Ca和Mg元素不断转移流失,因此形成了CaO和MgO含量顺主导风向减少的分布特征。通过UCC标准化可知,酒东沙地表层风沙沉积物SiO2富集程度与塔克拉玛干沙漠和库布齐沙漠相似,但略低于其他沙漠;MgO的亏损程度小于其他沙漠,而K2O和Al2O3的淋失程度远大于其他沙漠。值得注意的是,塔克拉玛干沙漠中CaO含量明显高于其他沙漠(图6C),这是因为昆仑山的海相碳酸盐岩通过河流为塔克拉玛干沙漠源源不断地提供了碳酸盐矿物,造成该沙漠明显的高CaO含量39图6C)。研究区表层风沙沉积物的微量元素Cr、Ni和Co表现出明显的富集特征(图6D),可能与湖泊干涸沉淀富集有关。祁连山和北山在低海拔地区可以产生冲积沉积和古湖泊,然后一些古湖泊在极其干旱的气候条件下干涸并形成湖泊沉积,最后经风力作用搬运至沙地内18。虽然从粒度参数上看,酒东沙地与周边的巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠发育具有相似性,均为分选较好、近对称和中等峰态;然而,由于区域环境的差异,造成沉积物元素组成上的不同。沉积物元素的浓度会受到区域降水量、温度等环境条件的影响,而且酒东沙地降水稍高于巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠18,我们推测,降水可能对区域的地球化学元素组成具有重要的影响。

4.2.2 A-CN-K图解

A-CN-K图被广泛运用于陆壳化学风化趋势的判断和直观反映化学风化过程中沉积物矿物学、主成分的变化66,同时它可以形象地表现不同样品CIA值在三角图中的分布情况38。陆源页岩是上部陆壳典型的风化产物,所以上部陆壳指向陆源页岩的方向反映了大陆风化趋势;大陆风化初期以斜长石风化为标志,中期阶段以钾长石、伊利石风化为标志,晚期主要以高岭石-三水铝石-石英-少量的铁氧化合物为组成特征33。将酒东沙地表层风沙沉积物的化学组成与上部陆壳(UCC)、陆源页岩和中国黄土进行对比可看出,酒东沙地表层风沙沉积物样品集中分布在上部陆壳风化趋势线端点附近,接近上部陆壳的风化结果,说明其化学组成与上部陆壳的平均组成相似,化学风化和剥蚀过程较为稳定。除此之外,研究区内各采样点具有高度的一致性,均处于较弱的去钠、钙阶段,即处于基本未受或遭受了较弱的化学风化的初期(图7)。这可能主要是由于盆地内干燥少雨、低温的气候条件,导致地表的化学风化过程较少。通过计算得出,酒东沙地表层风成沉积物的CIA值较低(范围44.77~47.58,平均值为46.17),与上部陆壳(48.04)接近,而且在腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠等沙漠的风沙沉积物中也出现了类似的结果。有学者认为,CIA值的大小受粒径效应(0.45~5 μm)的控制。但这些颗粒物质(0.45~5 μm)又极易在极端干旱的环境下被风吹蚀或吹扬31。同时,前人的研究也证实了酒东沙地中几乎没有粒径为0.45~5 μm的风沙沉积物颗粒。因此推测,相对于化学风化,物理风化在酒东沙地表层风沙沉积物的形成和演变中发挥的作用更大。

图7

图7   酒东沙地表层风沙沉积物A-CN-K三角图(长虚线箭头表示早期大陆风化趋势;短虚线箭头表示中期大陆风化趋势;Ka=高岭石、Sm=蒙脱石、PI=斜长石、IL=伊利石、Mu=白云母、Bi=黑云母、Ks=钾长石)

Fig.7   A-CN-K triangle diagram of aeolian sand sediments on the surface of Jiudong Sandy Land (Long dashed arrows indicate early continental weathering trends; Short dashed arrows indicate the mediμm-term continental weathering trends; Ka= kaolinite,Sm=montmorillonite,PI=plagioclase,IL=Illite,Mu=muscovite,Bi=black mica,Ks=potassiμm feldspar)


4.3 矿物含量及其环境意义

以往研究主要针对酒东沙地沉积物的粒度和元素特征,而对其矿物特征的研究甚少,因此本研究对酒东沙地的矿物组成进行了初步调查。石英在沉积物形成、搬运及风化成壤过程中的化学性质比较稳定,尤其在化学风化过程中的相对变幅较小,而长石虽然抗物理风化能力较强,但抗化学风化能力较弱,尤其在H2O和CO2的综合作用下,易转换为其他黏土矿物,但在物理风化为主导的干旱地区容易富集且快速堆积38。另一方面,由于长石和石英均属于硬矿物类型,只有在长期干旱-半干旱环境条件下经多次强烈的风力作用才能够分选出大量集中的硬矿物碎屑组合67。酒东沙地表层风沙沉积物中91%以上为石英和长石为主的轻矿物,这就证明酒东沙地表层风沙沉积物形成于干旱的气候条件下。地球化学元素的结果显示了沉积物未经历大规模的搬运,但矿物组成显示了石英矿物的含量远大于长石含量,因此认为,上述矿物结果可能与其他因素有关。酒东沙地受祁连山和低山带的影响,内部有河流体系的发育18,河流对长石的破坏作用相对较大,所以造成该沙地的石英含量高于长石。同样,在库姆塔格沙漠也发现了长石矿物的分解与多条河谷与古水系痕迹有关64。整体来看,研究区矿物含量没有明显的区域差异,这可能是因为在气候湿润期,河流冲、洪积作用将祁连山风化碎屑物质携带到盆地腹地,后来气候干燥期,风沙活动频繁,使得沙物质在沙地内部发生充分掺混,导致矿物组成较均匀。另外,轻矿物成分成熟度指数越高,表明化学风化作用和成壤作用越强,指示气候状况越温暖湿润;轻矿物成分成熟度指数越低,则表示化学风化作用和成壤作用越弱,指示气候干冷68。研究区矿物的成熟度指数Q/TF平均值为2.15,与腾格里沙漠(2.15)38的成熟度指数一致;但与巴丹吉林沙漠(2.22)38 相比稍低,这可能与酒东沙地表层沉积物多为“就地起沙”,物源搬运距离相对较短,再加上混合了来自北山的沉积物质有关。

5 结论

酒东沙地表层风沙沉积物平均粒径218~308 μm,以中沙和细沙为主,分选性良好,偏度近对称,峰度中等;沉积物粒径呈现主体由北向南逐渐变细的趋势;在近东西向的两条断面上,位于沙地腹地的风沙沉积自西向东逐渐变细,而沙地南缘则呈现相反的规律;酒东沙地表层风沙沉积物中跃移组分(70~500 μm)含量最高,其次为短距离悬移组分(20~70 μm)和蠕移组分(>500 μm),长距离悬移组分(<20 μm)含量最少。

酒东沙地表层风沙沉积物常量元素以SiO2为主,CaO和MgO含量存在顺主导风向减少的规律;微量元素除Cr、Ni和Co表现出明显的富集特征外,其余元素均表现出不同程度的亏损;酒东沙地表层风沙沉积物处于基本未受或遭受了较弱的化学风化的初期,以物理风化过程为主。

酒东沙地表层风沙沉积物的矿物以石英、长石为主,其次是白云石,其他矿物含量极少;矿物成分成熟度指数Q/TF较低(2.15)、硬矿物(长石和石英)含量高,推测其形成于干冷、弱化学风化和弱成壤环境下。

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