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中国沙漠, 2024, 44(3): 231-246 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00109

科尔沁沙地风成细沙的物质组成特征及其对物源的指示

韩晓雨,1, 迟云平,1,2, 谢远云1,2, 康春国3, 吴鹏1, 汪烨辉1, 孙磊1, 魏振宇1

1.哈尔滨师范大学，地理科学学院，黑龙江 哈尔滨 150025

2.哈尔滨师范大学，寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150025

3.哈尔滨学院 地理与旅游学院，黑龙江 哈尔滨 150086

Material composition characteristics of fine particles of eolian sand in Horqin Sandy Land and its indication to provenance

Han Xiaoyu,1, Chi Yunping,1,2, Xie Yuanyun1,2, Kang Chunguo3, Wu Peng1, Wang Yehui1, Sun Lei1, Wei Zhengyu1

1.College of Geographic Science /, Harbin Normal University，Harbin 150025，China

2.Key Laboratory of Geographical Environment Monitoring and Spatial Information Service in Cold Regions, Harbin Normal University，Harbin 150025，China

3.Geography Department，Harbin Institute，Harbin 150086，China

通讯作者: 迟云平（E-mail： 1982cyp@163.com）

收稿日期: 2023-09-13   修回日期: 2023-12-04  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  42171006.  41871013
黑龙江省自然科学基金项目.  ZD2023D003

Received: 2023-09-13   Revised: 2023-12-04  

作者简介 About authors

韩晓雨（1998—），女，河北邯郸人，硕士研究生，主要研究方向为第四纪地质研究E-mail：hanxiaoyu1862@163.com , E-mail：hanxiaoyu1862@163.com

摘要

科尔沁沙地是中国北方面积最大的半固定沙地，追踪其物质来源对认识沙地/沙漠的形成演化和重建碎屑物质的迁移路径至关重要。为此，本研究对科尔沁沙地风成沙的细颗粒组分（<63 μm和<11 μm）进行了岩石学分析、元素地球化学分析、Sr-Nd同位素分析、TIMA自动化矿物识别以及碎屑锆石U-Pb测年分析，全面表征科尔沁沙地物质组成并对其物源进行定量约束。结果表明：科尔沁沙地经历了较低的化学风化，分选和再循环的程度较低。重矿物组合以钛铁矿、绿帘石、锆石、石榴子石、磁铁矿+赤褐铁矿为主，与地球化学母岩判别图解共同指示科尔沁沙地沉积物主要来自中酸性岩浆母岩。Sr-Nd同位素进一步约束主要源区为中亚造山带南缘和华北克拉通北缘，少量粉尘来源于中国北方边界沙漠。沙地的碎屑锆石U-Pb年龄集中在中生代至晚古生代（200~600 Ma）和古元古代（1 518~2 000 Ma、2 200~2 600 Ma）。与潜在源区锆石年龄谱的对比显示，科尔沁沙地细颗粒组分既有来自中亚造山带南缘大兴安岭经风力搬运和河流搬运而来的近源物质供给，也有经河流搬运自华北克拉通北缘燕山山脉出露的古老基岩。逆向蒙特卡罗模型的定量物源结果显示中亚造山带的贡献占53.7%、华北克拉通贡献占46.3%。风与河流的共同作用解释了科尔沁沙地风成沙细颗粒组分的形成。

关键词： 科尔沁沙地 ; 地球化学 ; 重矿物 ; Sr-Nd同位素 ; 锆石U-Pb测年 ; 物源

Abstract

The Horqin Sandy Land is the largest semi-fixed sandy land in northern China. Tracing its material sources is of great importance to understand the formation and evolution of deserts and reconstruct the migration paths of fragments. Therefore， the composition of fine particles （<63 μm and <11 μm） of eolian sand in the Horqin Sandy Land was analyzed by petrology， elemental geochemistry， Sr-Nd isotope， TIMA automatic mineral identification and U-Pb dating of detrite zircon. The material composition of the Horqin Sandy Land was characterized and its provenance was quantitatively constrained. The geochemical indicators show that the Horqin Sandy land has experienced low chemical weathering and fractional recycling degree. The heavy mineral assemblages are mainly ilmenite， epidote， zircon， garnet， magnetite + hematite limonite， which together with the discriminant diagram of geochemical motherrock indicate that the sediments in the Horqin Sandy Land are mainly derived from medium acid magmatic mother rocks. Further constrained by Sr-Nd isotopes， the main source areas are the southern margin of the Central Asian orogenic belt and the northern margin of the North China Craton， and a small amount of dust originates from the northern border desert of China. The U-Pb ages of detrital zircons in sandy land are mainly from Mesozoic to Late Paleozoic （200-600 Ma） and Paleoproterozoic （1 518-2 000 Ma and 2 200-2 600 Ma）. The comparison with the zircon age spectrum of the potential source area shows that the fine particles in the Horqin Sandy Land contain both near-source material from the Greater Khingan Mountains in the southern margin of the Central Asian orogenic belt by wind and river transport， and ancient bedrock from the Yanshan Mountains in the northern margin of the North China Craton by river transport. Quantitative provenance results of inverse Monte Carlo model show that the Central Asian orogenic belt contributes 53.7% and the North China Craton contributes 46.3%. The synergistic effect of wind and river explains the formation of fine particles of wind-sand in the Horqin Sandy Land.

Keywords： Horqin Sandy Land ; geochemistry ; heavy minerals ; Sr-Nd isotopes ; zircon U-Pb dating ; material source

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本文引用格式

韩晓雨, 迟云平, 谢远云, 康春国, 吴鹏, 汪烨辉, 孙磊, 魏振宇. 科尔沁沙地风成细沙的物质组成特征及其对物源的指示. 中国沙漠[J], 2024, 44(3): 231-246 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00109

Han Xiaoyu, Chi Yunping, Xie Yuanyun, Kang Chunguo, Wu Peng, Wang Yehui, Sun Lei, Wei Zhengyu. Material composition characteristics of fine particles of eolian sand in Horqin Sandy Land and its indication to provenance. Journal of Desert Research[J], 2024, 44(3): 231-246 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00109

0 引言

随着晚新生代亚洲内陆干旱化的发展，广泛分布的戈壁、沙漠和沙地成为中国干旱-半干旱地区的主要景观，受高空西风环流和近地表冬季风的影响，下风向被持续输送大量细颗粒粉尘［1-3］。土地沙漠化日益严重，风沙灾害频繁发生，环境演化问题引起人们越来越多的关注，其物源研究对揭示沙尘产生与搬运机制及沙尘治理至关重要［4-6］。研究风成沙的物源还有助于加强对区域大气环流的理解，继而进一步理解气候波动引起地表过程的形成和演化［7］。因此，追踪干旱-半干旱地区的陆地表面过程对了解研究区源汇系统与亚洲风尘系统具有重要意义［8-10］。

前人对于中国北方干旱-半干旱区沙地/沙漠的物源研究集中在西北内陆地区和黄土高原［11-13］，对于地处中国北方沙漠-黄土边界带的科尔沁沙地关注甚少［14-15］。20世纪末本研究区受到众多学者的关注，郭绍礼［16］、裘善文［17］和胡孟春［18］曾对科尔沁沙地沉积物来源进行了研究，但研究深度、广度、技术手段和考察范围均有待进一步补充。

常用的物源示踪方法包含元素地球化学分析、Sr-Nd同位素分析、重矿物分析以及碎屑锆石U-Pb测年等等。这些方法在以往的科尔沁沙地研究中只是被单一应用，并没有得到很好的综合应用。具有稳定化学性质且在沙地中均匀分布的常量元素、微量元素和稀土元素几乎不受风化、运输、分离和淋滤作用的影响，通常被用作各种沉积物物源示踪的指标［19-20］；Sr-Nd同位素组成在来自不同物源的沉积物中明显不同，并在风化、搬运和沉积等地表过程中相对稳定，通常用于限定沉积物物源［8-9，21］；重矿物具有化学性质稳定，抗腐蚀、稳定性强等特点，在搬运迁移的过程中容易被保存下来，可以较好地反映其源区母岩的特征。因此，诸多学者普遍认为其适用于识别沉积物来源［22-23］。锆石广泛分布于岩浆岩、变质岩和沉积岩中，具有封闭温度高（700~900 ℃），矿物性质稳定，抗风化、磨蚀和热蚀变的能力强等特点，能够很好地保留源区母岩特征［24-25］，因此碎屑锆石U-Pb测年方法已被广泛应用于沉积物物源示踪［26-27］。

本研究同时运用了岩石学分析、元素地球化学分析、Sr-Nd同位素分析、TIMA（TESCAN Integrated Mineral Analyzer）自动矿物识别以及碎屑锆石U-Pb测年等方法对科尔沁沙地地表沙进行多点取样得到的<63 μm和<11 μm两个细颗粒组分样品进行分析，定量约束沙地源区以明确其物质来源，以期为丰富亚洲风尘系统研究以及对沙地/沙漠的形成和演化和重建物源的迁移路径提供更深层次的解读。

1 研究区概况

科尔沁沙地（42.04°—45.15°N，118°—124.3°E）位于松辽盆地南部，总面积约4.23×104 km2，是中国北方面积最大的半固定沙地，整个沙地为海拔250~500 m的波状起伏平原（图1）。科尔沁沙地位于温带半湿润与半干旱气候过渡地带，属于温带半干旱大陆性季风气候，气候总特征为冬春季干旱多风，夏秋季降雨集中。年平均气温4~6 ℃，年降水量300~500 mm，降水集中于7—9月［28-30］。科尔沁沙地位于华北克拉通北缘的燕山造山带和中亚造山带南缘的大兴安岭造山带之间，区域内部发育多条断裂带和缝合带，北部发育蒙古-鄂霍茨克闭合线、南部发育西拉木伦-长春缝合带。西辽河与老哈河、西拉木伦河共同为科尔沁沙地提供了丰富的水资源，并为风沙吹蚀/搬运提供了沉积物质［30-31］。

图1

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图1   研究区地形地貌概况

注：风频玫瑰图数据引自https：//www.meteoblue.com/

Fig.1   Topographic overview of the study area


大兴安岭和燕山造山带的源岩属性均以花岗岩、中酸性火成岩为主，其中大兴安岭含少量玄武岩和辉绿岩等基性岩，燕山造山带含少量二长闪长岩等中性岩类［32-34］。

2 样品采集与实验方法

2.1　样品采集

中国东北地区大部分黄土沉积物的颗粒粒径<63 μm，细颗粒组分沉积物经过风力的充分搬运混合可代表较大区域的平均物质组成。本研究系统采集了科尔沁沙地18个风成沙样品，为了避免样品污染，取样时刮开表面5 cm取样，且每件样品不少于5 kg。通过干筛法将这些样品进行了<63 μm和<11 μm的分粒级制备，用于地球化学分析和Sr-Nd同位素测定。

为了避免人为因素干扰以及代表科尔沁沙地的不同空间位置的物质组成，在远离市区的沙地东南部（Q1）、中部（Q2）、西部半固定风成沙丘（Q4）、东北部固定风成沙丘（Q5）、东部固定风成沙丘（Q7）共获取5个<63 μm的地表沙样品进行重矿物的鉴定分析，挑选出科尔沁沙地西部半固定风成沙丘Q4（<63 μm）样品（共计150颗碎屑锆石）进行岩石薄片鉴定和U-Pb测年分析。

2.2　方法

2.2.1　岩石薄片鉴定

首先将采集的松散风成沉积物晾干并去除杂质，通过干筛法获得<63 μm的碎屑组分。然后烘干，取适量样品加入塑料环中，利用环氧树脂及固化剂做胶结物，按一定比例配置后并倒入环中，对碎屑物质进行浇铸，待其固化后制成薄片，最后在偏光显微镜下对薄片进行分析鉴定。

2.2.2　重矿物分析

在实验室自然风干和淘洗后将样品均匀倾倒在环氧树脂靶上，为避免颗粒重叠，对样品靶进行抛光处理。TIMA软件自动拼合统计获取的BSE图像和EDS数据并提取<63 μm粒级的重矿物数据。除去每个样品中的轻矿物，最终获得重矿物重量百分比［35］。

2.2.3　地球化学分析

本研究选用<63 μm和<11 μm两个细颗粒组分进行地球化学分析。样品经过自然风干后，用玛瑙研钵研磨成粉末状，通过干筛法对样品进行筛析，分别经过250目和1 300目标准筛进行筛分获得子样用于地球化学分析。常量元素用荷兰帕纳（PANalytica）XRF（X‐rayfluo‐rescence）光谱仪，采用压片法完成，测量误差在3%以内。微量、稀土元素的测试用电感耦合等离子体质谱仪（ICP‐MS）完成。

2.2.4　Sr-Nd同位素测定

Sr和Nd同位素比值通过表面热电离同位素质谱仪测定。将子样在0.5 mol·L-1的醋酸溶液中浸泡4 h，烘干研磨至200目后分成两份。Sr和Nd的分离采用标准离子交换法，测定的Sr和Nd同位素比值分别用86Sr/88Sr=0.1194和146Nd/144Nd=0.7219进行质量分馏校正。仪器的准确度分别用国际标样NBS 987和JMC进行标定，测定平均值分别为 87Sr/86Sr=0.710250±7（2σ）和143Nd/144Nd=0.512109±3（2σ）。整个流程的化学分析空白：对Sr为<1 ng，对Nd为<50 pg。

2.2.5　碎屑锆石U-Pb年龄测定

样品经重矿物分析、磁性分选等一系列过程将锆石颗粒分离出来，通过干筛法对<63 μm粒度组分样品进行锆石U-Pb测年分析。在双目显微镜下根据样品的颜色、形状、圆度和透明度等光学和物理性质进行人工挑选提纯锆石颗粒。随机挑选大于150颗制成环氧树脂靶，并对靶片进行表面抛光处理。利用透射、反射光显微照片和阴极发光（CathodoLuminescence，CL）图像了解锆石颗粒的内部特征，作为激光打点目标的参考，所有样品的选点位置应避开包裹体和裂隙部位，优先考虑锆石边缘以兼顾变质重结晶作用对锆石年龄的潜在影响，提高分析精度。使用Analytik Jena AG PQMS030 elite ICP-MS 仪器（德国）和准分子193 nm激光剥蚀系统（NewWave，NWR193）进行分析。直径20 μm的激光光斑用于粒径<63 μm的锆石颗粒，频率为8 Hz。锆石U-Pb测年均在诚谱检测技术（廊坊）有限公司完成。

每个样品分析150颗锆石，其中同位素比值和浓度使用Glitter 4.0 软件分析，每个年龄数据误差在1σ内。对于年龄<1 000 Ma和>1 000 Ma的样品分别选择206Pb/238U和207Pb/206Pb作为最终年龄，且谐和度超出90%~110%的锆石颗粒被舍弃。碎屑锆石的谐和图使用Isoplot 4.15制作［36］。使用逆向蒙特卡罗模型定量重建科尔沁沙地物源［37］，该模型以随机构建源年龄分布为特征，可以用于与单个混合样本进行比较，以确定科尔沁沙地沉积物物源贡献的混合比例。

3 结果

3.1　岩石学分析

碎屑组分主要由石英、长石、绿帘石、榍石以及岩屑组成（图2）。

图2

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图2   科尔沁沙地沉积物碎屑组分薄片显微图片

注：Qtz=石英；Kfs=钾长石；Pl=斜长石；Ep=绿帘石；Spn=榍石

Fig.2   Thin section micrographs of clastic components of sediments in the Horqin Sandy Land


石英成分以单晶石英为主，多晶石英极少。颗粒呈现他形粒状，磨圆度较差，以次棱角状为主，部分边缘可见溶蚀，无色透明，具波状消光，粒径0.06~0.30 mm，以细粒级（0.06~0.50 mm）为主，定向分布。

长石为板条状、粒状，磨圆度较好，钾长石有土化蚀变。斜长石具聚片双晶，有绢云母化、土化蚀变。长石颗粒呈板柱状、不规则粒状，磨圆度好，次圆状—圆状。由于钾长石稳定程度更高，所以钾长石含量多于斜长石，粒径与石英粒径相当。钾长石具有土化蚀变现象，存在条纹长石、微斜长石，粒径0.10~0.80 mm；斜长石则以聚片双晶为主，绢云母化和土化蚀变现象共生。

偶见绿帘石，颗粒呈现不规则粒状，浅黄绿色，干涉色为三级，斜消光，粒径0.02~0.05 mm。榍石是酸性和中性岩浆岩中最常见到的副矿物，颗粒为扁平的楔形，褐色，透明到半透明。

岩屑形状不规则，磨圆度一般，次棱角状—次圆状，成分有中酸性喷出岩（安山岩等）、凝灰岩、绢云凝灰质板岩等，粒径0.05~0.25 mm。

3.2　重矿物分析

科尔沁沙地5个样品重矿物含量占全岩的94.42%~98.11%，重矿物组合为钛铁矿、绿帘石、锆石、石榴子石、磁铁矿+赤褐铁矿（表1）。TIMA鉴定出的科尔沁沙地<63 μm组分中主要矿物为钛铁矿、绿帘石、锆石、赤铁矿/磁铁矿、铁铝榴石；次要矿物为榍石、金红石；微量矿物为石英、独居石、磷灰石；其他矿物为电气石、铬铁矿、独居石、十字石、蓝晶石、霓石、硅铁矿、磷灰石、钙铁矿、辉石、刚玉、铁尖晶石、橄榄石、氟碳钙铈矿、瓦兹利石、锰铬铁矿等，其含量接近于0。

表1   科尔沁沙地<63 μm组分的沉积物TIMA自动定量矿物含量 (%)

Table 1  Automatic quantitative mineral content results of TIMA of <63 μm components in Horqin Sandy Land

样品钛铁矿绿帘石锆石赤铁矿/磁铁矿铁铝榴石榍石金红石石英独居石磷灰石
Q127.0620.969.728.646.095.913.071.160.130.13
Q235.3610.1615.495.1413.014.013.030.660.220.06
Q433.5211.2015.222.7514.034.483.501.500.330.10
Q528.8714.8411.5114.926.454.342.601.110.390.12
Q734.839.8918.683.8810.034.083.162.930.370.05
平均值31.92813.4114.1247.0669.9224.5643.0721.4720.2880.092

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3.3　地球化学分析

3.3.1　常量元素

科尔沁沙地常量元素与上地壳标准含量（UCC）相比，<63 μm组分沉积物的TiO2明显富集；SiO2轻度富集；Fe2O3、MgO、CaO、P2O5明显亏损；Al2O3、Na2O、K2O、MnO轻微亏损（图3）。科尔沁沙地<11 μm组分沉积物的TiO2明显富集；SiO2、MnO轻度富集，含量变化大；Fe2O3、MgO、CaO、P2O5明显亏损，其中Fe2O3含量变化大；Al2O3、Na2O、K2O轻微亏损（图3）。

图3

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图3   科尔沁沙地沉积物元素标准化模式图解

注：“样品/UCC”表示样品元素含量/UCC元素含量的比值

Fig.3   Standardized pattern diagram of sediment elements in the Horqin Sandy Land


3.3.2　微量元素

科尔沁沙地微量元素与上地壳标准含量（UCC）相比，<63 μm组分沉积物的Y、Hf、U明显富集，其中Y含量变化大；Cr、Sr中度富集，其中Cr含量变化大；Ta轻度富集；Co、Ni、Cu、Zr、Th、Rb、Cs、Ba、Pb明显亏损，其中Cu、Cs、Ba、Pb含量变化大；Sc、V、Ga、Nb中度亏损，其中V含量变化大；Zn轻度亏损（图3）。科尔沁沙地<11 μm组分沉积物的Cr、Y、Hf、U、Sr、Cs、Ba明显富集，其中Cs、Ba含量变化大；Cu中度富集；Ta轻度富集；Zr、Th、Rb明显亏损；Sc、V、Co、Ni、Ga、Pb中度亏损，其中Pb含量变化大；Zn轻度亏损（图3）。

3.3.3　稀土元素

科尔沁沙地稀土元素（REE）总量与PASS和UCC的稀土元素配分模式相似，且为明显的右倾型分布模式，即轻稀土富集、重稀土亏损、显著Eu负异常的分布模式。球粒陨石标准化后的科尔沁沙地的REE分布曲线呈V字形，La-Eu曲线较陡，Eu-Lu曲线趋于平缓，表现为轻稀土相对重稀土富集（图3）。

3.4　Sr-Nd同位素分析

整体上科尔沁沙地的87Sr/86Sr比值较为稳定，不同粒度组分的Sr-Nd同位素组成差异较小，<63 μm组分沉积物的87Sr/86Sr值为0.710~0.712（均值0.711），εNd（0）值为-12.39~-5.77（均值-9.08），<11 μm组分沉积物的87Sr/86Sr值为0.70~0.71（均值0.705），εNd（0）值为-10.4~-4.27（均值-7.34，图4）［9，38-40］。

图4

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图4   科尔沁沙地沉积物Sr-Nd同位素组成

注：Sr-Nd同位素数据引自文献［9，38-40］；NBC为中国北方边界附近干旱区；NMPT为青藏高原北缘干旱区；OD为鄂尔多斯干旱区；NCC为华北克拉通；CAOB为中亚造山带

Fig.4   Sr-Nd isotopic composition of sediments from the Horqin Sandy Land


3.5　锆石U-Pb测年分析

本研究从科尔沁沙地西部半固定风成沙丘选取了1个样品（共计150颗碎屑锆石）进行U-Pb测年分析，其中产生谐和年龄的锆石颗粒共150颗。选取的锆石形态主要为浑圆状、短柱状、长柱状和扁柱状。同时，大部分碎屑锆石的Th/U值>0.1（图5），且极大部分锆石在CL图中表现出明显的振荡环带结构，表明其为火成岩成因。因此，碎屑锆石U-Pb年龄可以代表锆石的结晶时间，并且能够较为精准地追踪沉积物的原始来源。

图5

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图5   科尔沁沙地碎屑锆石（<63 μm）图解

注：圆圈代表激光分析位置

Fig.5   Illustration of clastic zircon （<63 μm） in the Horqin Sand Land


科尔沁沙地碎屑锆石的U-Pb年龄为109~2 655 Ma，年龄区间集中在中生代至晚古生代（100~600 Ma）和古元古代（1 518~2 000 Ma、2 200~2 600 Ma），呈现多峰特征，反映沉积物来自不同的物源区。中生代至晚古生代的峰值较强，包含200~370 Ma主要年龄区间、100~200 Ma和400~600 Ma次要年龄区间，而前寒武纪年龄峰值较弱，包含~1.8 Ga和~2.5 Ga的次级年龄峰值，代表古老物源区锆石的信息。

4 讨论

4.1　沉积物化学风化特征

沉积物的地球化学成分被广泛用于解释沉积物的源岩特征和物源［41-44］，然而沉积物的化学成分却会受到风化过程的显著影响［45-46］。化学风化程度可能会改变沉积物的化学元素组成导致碎屑沉积物中流动元素的消耗和非流动元素的富集［47-49］，因此在进行物源判别时必须要先确定其是否会影响判别结果。

为了缩小单一指标可能存在的偏差，本研究同时采用了CIA、CIW、PIA和WIP等4个指标，以清晰地反映化学风化作用强度的变化。

Nesbitt等［48］最早提出化学蚀变指数（Chemical Index of Alteration，CIA）计算并推测物源区风化程度。化学蚀变指数（CIA=100×［Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）］）被用于衡量沉积物经历的化学风化程度。Fedo等［47］总结得出CIA值大小与沉积物的化学风化程度成正比，强烈风化程度为80~100；中等风化程度为60~80；低等化学风化程度为50~60。科尔沁沙地沉积物CIA值具有很窄的分布范围，其<63 μm组分沉积物的CIA值为49.24~54.07，平均值为52.03；<11 μm组分沉积物的CIA值为50.29~54.4，平均值为52.38；所有样品均表明科尔沁沙地经历了低等程度的化学风化。

Harnois［50］指出，CIA的计算公式中用到了K2O，在成岩作用过程中钾的交代作用会干扰母岩化学成分，为此提出了化学风化指数（Chemical Index of Weathering，CIW=［Al2O3/（Al2O3+Na2O+CaO*）］）的概念。CIW是在CIA的基础上除去K含量变化的影响，常用来衡量沉积物的风化程度。其中，CIW值为50~60为较低的化学风化程度，CIW>70为较强烈的化学风化程度［51-52］，科尔沁沙地沉积物<63 μm组分的CIW值为56.48~62.98，平均值为60.63；<11 μm组分的CIW值为56.61~62.47，平均值为59.90；所有样品均表明科尔沁沙地经历了低等程度的化学风化。

CIW简单地将CIA中的K2O去除来评价化学风化程度，于母岩中钾长石富集的样品来说，无论是否经历风化作用，CIW值都会很高，故CIW不适合判断化学风化程度［47，53-54］。因此对CIA进行改进后，提出了斜长石蚀变指数（PIA=100×（Al2O3-K2O）/（Al2O3+CaO*+Na2O-K2O））。科尔沁沙地<63 μm组分的沉积物PIA值为48.91~54.91，平均值为52.88；<11 μm组分的PIA值为50.38~55.93，平均值为53.20；所有样品均表明科尔沁沙地经历了低等程度的化学风化。值得注意的是，PIA是在CIW的基础上去掉分子、分母中的K2O，等同于去掉了钾长石中的Al2O3，因此PIA仅适用于判断母岩中含有斜长石而不含钾长石的物源区风化程度。

包含碱性和碱土金属元素的帕克风化指数（Weathering Index of Parker，WIP=100×［（2Na2O/0.35）+（MgO/0.9）+（2K2O/0.25）+（CaO*/0.7）］）可以用于判断沉积物经历的化学风化程度。科尔沁沙地<63 μm组分的沉积物WIP值为55.68~57.86，平均值为56.08；<11 μm组分的沉积物WIP值为51.10~57.86，平均值为54.16；所有样品均表明科尔沁沙地经历了低等程度的化学风化。由于WIP仅仅适用于碱性和碱土金属元素，其准确性将会大大降低，科尔沁沙地<11 μm组分的沉积物中碱性和碱土金属元素占比低于<63 μm组分的沉积物，所以WIP值也偏低。

A-CN-K三角图解被Nesbitt等［48］和Fedo等［47］提出用来反映源区的化学风化特征，趋势线与A-CN连线平行为低等风化；与A-K连线平行为中等风化；数据点集中在A点为高等风化。在A-CN-K三角模型中（图6），科尔沁沙地样品点集中在UCC附近且与A-CN的连线平行，表明科尔沁沙地经历了低等程度的化学风化。Nesbitt等［49］在A-CN-K三角图解的基础上提出了A-CNK-FM三角图解来反映源区的化学风化趋势。在A-CNK-FM图中样品点位于斜长石与FM连线之上，也表明科尔沁沙地经历了低等程度的化学风化。

图6

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图6   科尔沁沙地化学风化程度判别图解

注：UCC和PAAS值参考文献［46］

Fig.6   Illustration of chemical weathering degree discrimination in the Horqin Sandy Land


Rb/Sr是化学风化程度判别的常用方法，Rb+具有较大的半径，比Sr2+更容易在黏土交换过程中被保留下来，因此Rb/Sr可以在一定程度上反映源区的风化程度［55-56］。科尔沁沙地沉积物<63 μm组分的沉积物Rb/Sr比值为0.36~0.58，平均值为0.50；<11 μm组分的沉积物WIP值为0.34~0.54，平均值为0.45；研究区全部样品的Rb/Sr比值高于上地壳平均值0.26，大部分样品Rb/Sr比值大于0.5，表明科尔沁沙地经历了低等程度的化学风化。

综上所述，运用CIA、CIW、PIA、WIP和Rb/Sr等5个化学风化指标的计算结果以及A-CN-K、A-CNK-FM三角图解均表明科尔沁沙地沉积物处于低等程度的化学风化。

4.2　沉积物的成熟度与再循环特征

沉积物的分选循环过程是重建沉积物沉积过程的关键［57-60］，为了缩小单一指标可能存在的偏差，本研究同时采用了ICV、CIA-WIP二元图解和Th/Sc-Zr/Sc二元图解指标，以清晰地反映沉积物分选和沉积循环程度。

Cox等［42］提出成分变异指数（Index of Compositional Variability，ICV=（CaO+K2O+Na2O+Fe2O3+MgO+TiO2+MnO）/Al2O3），常用于反映沉积物成分成熟度和区分沉积再循环过程。ICV值与沉积物成熟度成反比，当ICV值较高（>1），沉积物成熟度低，为初次循环沉积物；当ICV值较低（<1），沉积物成熟度高，为再循环沉积物。在本研究中，科尔沁沙地的ICV值为0.88~1.74，平均值为1.06，说明科尔沁沙地的沉积物中含有少量黏土矿物，其成熟度较低。

帕克风化指数（WIP）对沉积循环和分选作用引起的石英和锆石富集更为敏感，可以用来区分初次循环和再循环沉积物，常与CIA结合使用。当CIA/WIP值<10时为初次循环沉积物，10<CIA/WIP<100时则为再循环沉积物［61］。在CIA-WIP二元图解中（图7A），科尔沁沙地沉积物样品的CIA/WIP值为0.87~0.97，平均值为0.93，样品点位于风化线的下方并且靠近风化线，表明科尔沁沙地是由初次循环沉积物形成的，成熟度较低。

图7

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图7   科尔沁沙地沉积物沉积循环判别图解

注：UCC和PAAS值参考文献［46］，岩浆岩平均组成参考文献［65］

Fig.7   Discriminant diagrams for sediments recycling in the Horqin Sandy Land


沉积分选和再循环通常导致重矿物的富集，进而导致特定元素如Zr、Th和Sc的富集，其中Zr主要存在于沉积循环富集的锆石中，Th常见于酸性岩（长英质火成岩）中，Sc常见于基性母岩（铁镁质岩石）中［62］。Th/Sc与Zr/Sc二元图解中样品点沿岩浆成分趋势线分布为初次循环沉积物，偏离岩浆成分趋势线而沿代表分选和再循环的趋势线分布为再循环沉积物［63-65］。科尔沁沙地沉积物Zr/Sc比值均较低，主要沿岩浆成分分异线呈线性分布，且所有样品均位于PAAS和UCC附近，表明沉积物分选和再循环的影响程度较低（图7B）。

综上所述，运用ICV、CIA-WIP二元图解和Th/Sc-Zr/Sc二元图解均表明科尔沁沙地沉积物分选和再循环的程度较低。

4.3　区域母岩性质

重矿物在搬运迁移过程中易于保存其母岩特性，来自不同物源的碎屑沉积物其重矿物将会形成独特的组成特征［22，41，66-67］。酸性岩浆岩区富集锆石、电气石、独居石、磷灰石、锡石等矿物，中酸性岩浆岩区富集榍石；磁铁矿、钛铁矿、辉石、白钛石和角闪石在中性和基性岩浆岩中均有较高的含量；花岗岩的风化作用产生了钛铁矿、赤铁矿和褐铁矿；蓝晶石、绿帘石、石榴石为典型的变质岩石；锆石则普遍存在于岩浆岩、变质岩和沉积岩等各种类型岩石中［68］。TIMA鉴定出的科尔沁沙地<63 μm组分沉积物的重矿物组合为钛铁矿、绿帘石、锆石、石榴子石、磁铁矿+赤褐铁矿，指示科尔沁沙地沉积物主要为中酸性岩浆母岩。

性质稳定的微量元素在风化、迁移、成岩和变质作用等地质过程中较难被转移淋失，常被用来识别陆源碎屑沉积的物源类型［38，69］。La、Th常见于酸性岩中，Sc、Co常见于基性母岩中，故元素比率参数和基于这些元素的图解对于区分沉积物来源是非常有效的。

在La/Sc-Th/Co判别图解中，科尔沁沙地<63 μm组分和<11 μm组分沉积物中La/Sc值和Th/Co值分别为3.04~6.39（平均值为4.40）、1.01~3.93（平均值为1.94）和3.08~10.88（平均值为5.39）、1.37~5.68（平均值为2.91），所得比值均与酸性物源相符合，样品点分布在酸性来源的沉积物范围附近。在Cr/Th-Th/Sc判别图解中，科尔沁沙地<63 μm组分和<11 μm组分沉积物中Cr/Th值和Th/Sc值分别为2.17~5.80（平均值为4.11）、0.76~2.21（平均值为1.38）和1.77~4.35（平均值为2.87）、1.01~4.64（平均值为2.01），样品点主要分布在长英质火山岩附近。在La/Th-Hf判别图解中，科尔沁沙地<63 μm和<11 μm两个细颗粒组分的绝大部分沉积物分布在长英质酸性源区周围，整体上La/Th值较低和Hf含量较低，表明其主要为长英质火山岩，这与稀土元素的富集和Eu的负异常较为符合。在Co/Th-La/Sc判别图解中，科尔沁沙地<63 μm和<11 μm两个细颗粒组分的沉积物分布在长英质火山岩附近（图8）。

图8

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图8   科尔沁沙地沉积物母岩性质判别图解

Fig.8   Discriminant diagrams of source-rock nature for the sediments in the Horqin Sandy Land


综上所述，结合重矿物组合特征与地球化学母岩判别图解共同指示科尔沁沙地沉积物主要来自中酸性岩浆母岩。

4.4　科尔沁沙地的物质源区

众多学者对于黄土与潜在源区的地球化学对比的研究表明，中国的黄土主要来源于邻近的逆风干旱区，运输距离较小，风成黄土的近源特征使其对区域积沙量贡献的评价具有合理性［21，70-73］。在沙地/沙漠中限制物质的来源是至关重要的，这些地区通常都是来自邻近造山带的沉积物侵蚀的保留区［70］。因此，本研究重点分析科尔沁沙地周边潜在源区的物源贡献。

4.4.1　Sr-Nd同位素指示物源区

不同地质体沉积物的Sr-Nd同位素组成具有明显的成因及形成时代的差别，但在地表风化、搬运及沉积作用下其变化很小，能够更准确地反映源区物质组成［9，21，74］。沉积物Sr-Nd同位素组成通常取决于化学风化、颗粒分选和母岩等几个因素［75-77］。在本研究中，预处理已经消除了化学风化的影响，沉积物的Sr-Nd同位素组成除了与母岩有关外，还可能与粒度分选有关。粒度可能会影响碎屑沉积物的Sr同位素比值，从而影响不同粒度组分的同位素组成，由于云母中Rb/Sr比值较高，细颗粒组分往往富含放射性成因的87Sr［78-79］。相反，来自同一来源的不同大小的组分具有相似的εNd值，则表明Nd同位素组成几乎与粒度无关［45，80］。科尔沁沙地不同粒度组分的Sr-Nd同位素值构建的区域高度重叠，表明本研究的粒度效应对物源识别影响较小可以解释为其主要受母岩控制（图4）。

将科尔沁沙地<63 μm和<11 μm两个细颗粒组分的沉积物、中国北方边界沙漠（NBC）、青藏高原北缘干旱区（NMTP）、鄂尔多斯高原沙漠（OD）、华北克拉通以及中亚造山带的Sr-Nd同位素数据投点后［9，38-40］，分析得出科尔沁沙地细颗粒组分沉积物的潜在源区有中亚造山带、华北克拉通以及中国北方边界沙漠（图4）。这与前人研究结果相似，刘璐等［30］通过元素地球化学分析发现浑善达克沙地与科尔沁沙地在地球化学组成中存在很大的相似性，表明发源于浑善达克沙地东部的西拉木伦河可能起到纽带连接作用，即属于中国北方边界沙漠的浑善达克沙地为科尔沁沙地提供了部分沉积物颗粒，但贡献量是有限的。Chen等［31］利用地球化学元素对科尔沁沙地<75 μm组分的沙地样品进行分析并认为其主要来自于中亚造山带东部的大兴安岭。科尔沁沙地的物源存在较大争议，单靠Sr-Nd同位素的地球化学成分只是简单地约束了科尔沁沙地物源，不足以明确物源区的确切贡献量。

4.4.2　碎屑锆石指示物源区

单颗粒碎屑锆石U-Pb年龄是目前沉积物物源示踪中非常有力的工具［81-83］。锆石中含有长周期的放射性元素U和Th，对U-Th-Pb系统具有极高的封闭温度（900 ℃），且锆石具有极高的硬度以及很强的抗风化能力，在风化、剥蚀、磨蚀等过程中仍可以在经历各种地质过程后稳定存在，且科尔沁沙地的再循环程度较低，因此碎屑锆石年龄特征可以有效指示沉积碎屑物质的来源［84］。张瀚之等［25］依据科尔沁沙地碎屑锆石形态认为物源主要来自燕山造山带。观察锆石薄片可知（图2），科尔沁沙地选取的锆石形态主要为浑圆状、短柱状、长柱状和扁柱状，表明其物质来源可能为中亚造山带南段的基性花岗岩和华北克拉通北部的浅海相沉积岩特征［85］。

为了更好地判定科尔沁沙地的潜在物源区，结合前人研究选择的华北克拉通和中亚造山带已发表的锆石U-Pb测年数据进行对比，详细地解读科尔沁沙地的锆石年龄谱及可能的物源信息［84，86-111］（图9）。科尔沁沙地的碎屑锆石U-Pb年龄集中在中生代至晚古生代（200~600 Ma）和古元古代（1 518~2 000 Ma、2 200~2 600 Ma）。中亚造山带南缘的锆石U-Pb年龄集中在111~533 Ma，几乎没有前寒武纪的锆石［28］；华北克拉通北缘的岩浆锆石U-Pb年龄分布范围较广，主要年龄峰值分布在111~390 Ma、1 700~1 900 Ma和2 400~2 600 Ma［27］。对比科尔沁沙地与潜在物源区的锆石U-Pb年龄数据集可以看出它们具有相似的锆石年龄谱特征，且主要年龄分布相接近，仅仅依靠目视对比无法准确判别物源及定量的混合贡献比例。

图9

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图9   科尔沁沙地与潜在物源区碎屑锆石U-Pb年龄谱对比图

注：中亚造山带锆石年龄数据引自文献［84，86-99］；华北克拉通锆石年龄数据引自文献［100-111］

Fig.9   Comparison of U-Pb age spectrum of clastic zircon in the Horqin Sandy Land and potential source area


尽管近年来碎屑物源分析的定量方法取得了进展，但目前还没有较为可靠的碎屑年代学数据混合方法。Kurt等［112］选择使用逆向蒙特卡罗模型来重建物源，其能够较为精确地定量混合样本的源贡献的混合比例，不需要任何检验的物源贡献信息。本研究选用了逆向蒙特卡罗模型来定量物源。定量结果显示，科尔沁沙地物源中亚造山带贡献占53.7%，华北克拉通贡献占46.3%。由于科尔沁沙地样品采样点的位置偏西更靠近中亚造山带，且沙地东南部发源于华北克拉通的短小河流输沙较少和输沙距离较远，所以华北克拉通的物源贡献量相对较少。但起源于中亚造山带的西拉木伦河横贯沙地西部和北部，裸露的河床与洪泛平原为其提供了丰富的物质来源以及位于科尔沁沙地西部的浑善达克沙地通过西拉木伦河作为连接纽带，为其提供了部分沉积物颗粒［30-31］。此外，沙地中、西部的风向以西风和西北风为主（图1），为中亚造山带的粉尘搬运至下风向地区提供了充足的动力条件，风力和河流的共同作用导致了沙地西部中亚造山带的物源贡献量略多于华北克拉通的物源贡献量。

5 结论

本研究对科尔沁沙地风成沙的细颗粒组分（<63 μm和<11 μm）进行了岩石学分析、元素地球化学分析、Sr-Nd同位素分析、TIMA自动化矿物识别以及碎屑锆石U-Pb测年分析，全面表征科尔沁沙地物质组成并对其物源进行定量约束。

CIA、CIW、PIA、WIP、Rb/Sr指标与A-CN-K、A-CNK-FM三角图解指示科尔沁沙地沉积物的化学风化均处于初级水平；ICV、CIA-WIP二元图解和Th/Sc-Zr/Sc二元图解表明科尔沁沙地沉积物分选和再循环的程度较低。重矿物组合特征与地球化学母岩判别图解共同确定了长英质岩浆母岩的物源贡献，指示科尔沁沙地沉积物主要来自中酸性岩浆母岩。

在物源判别中，Sr-Nd同位素进一步约束科尔沁沙地细颗粒组分沉积物的潜在源区有中亚造山带、华北克拉通以及中国北方边界沙漠。科尔沁沙地的碎屑锆石U-Pb年龄集中在中生代至晚古生代（200~600 Ma）和古元古代（1 518~2 000 Ma、2 200~2 600 Ma），与潜在物源区的锆石年龄谱对比显示，科尔沁沙地细颗粒组分既有来自中亚造山带南缘大兴安岭经风力搬运和河流搬运而来的近源物质供给，也有经河流搬运自华北克拉通北缘燕山山脉出露的古老基岩。逆向蒙特卡罗模型的定量物源结果显示中亚造山带的贡献占53.7%，华北克拉通贡献占46.3%。

沙地东南部发源于华北克拉通的短小河流输沙较少和输沙距离较远导致了华北克拉通的物源贡献量相对较少，但起源于中亚造山带的西拉木伦河横贯沙地西部和北部，裸露的河床与洪泛平原为其提供了丰富的物质来源，且位于科尔沁沙地西部的浑善达克沙地通过西拉木伦河作为连接纽带，可为科尔沁沙地提供部分粉尘颗粒。此外，沙地中、西部的风向以西风和西北风为主，为中亚造山带的粉尘搬运至下风向地区提供了充足的动力条件。最终在风力和河流的共同作用下解释了科尔沁沙地的碎屑锆石U-Pb年龄特征和定量重建物源结果特征。

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