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中国沙漠, 2026, 46(2): 358-370 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00194

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

王军广,1,2, 董治宝,1, 刘荣亮1, 史际桥1

1.陕西师范大学 地理科学与旅游学院,陕西 西安 710119

2.海南师范大学 地理与环境科学学院,海南 海口 571158

Characterization of the grain size and geochemical elements of Ulan Buh Desert sediments and their environmental significance

Wang Junguang,1,2, Dong Zhibao,1, Liu Rongliang1, Shi Jiqiao1

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

2.College of Geography and Environmental Science,Hainan Normal University,Haikou 571158,China

通讯作者: 董治宝(E-mail: zbdong@snnu.edu.cn

收稿日期: 2025-06-02   修回日期: 2025-07-09  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  42241110
科技部科技基础资源调查专项.  2022FY202304
陕西省2021年自然科学基础研究计划(定向委托)项目.  2021JCW-17
中央高校基础业务经费项目.  GK202306002
中央高校基础业务经费项目.  GK202309006

Received: 2025-06-02   Revised: 2025-07-09  

作者简介 About authors

王军广(1984—),男,河北邯郸人,博士研究生,主要从事风沙地貌学方面研究E-mail:wjunguang123@snnu.edu.cn , E-mail:wjunguang123@snnu.edu.cn

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.

Keywords: grain size characteristics ; elemental composition ; weathering index ; sedimentary environment ; Ulan Buh Desert

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本文引用格式

王军广, 董治宝, 刘荣亮, 史际桥. 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. 中国沙漠[J], 2026, 46(2): 358-370 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00194

Wang Junguang, Dong Zhibao, Liu Rongliang, Shi Jiqiao. Characterization of the grain size and geochemical elements of Ulan Buh Desert sediments and their environmental significance. Journal of Desert Research[J], 2026, 46(2): 358-370 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00194

0 引言

风沙地貌是风与沙相互作用的产物,沉积物是风沙地貌形成和发育的物质基础,在风沙地貌的塑造过程中,由于风力作用不断改变沉积物的机械组成、颗粒形状和矿物组成等,沉积物蕴含了风沙地貌形成演化和沉积环境等方面的重要信息1-3。沉积物特征是风沙地貌研究的重要内容4,沉积物粒度特征和地球化学元素组成是风沙沉积物研究的重要方面,也是沉积学领域研究的热点内容5;沉积物粒度可以反映沙粒的运动形式以及运移过程,据此推断其组成物质来源;沉积物的化学元素特征也在一定程度上反映物质来源,更重要的是可以借此推断其形成和演化过程、沉积环境及风化程度6-8。自20世纪初以来,学者从不同尺度对风沙沉积物沉积学方面开展了广泛的研究,在风沙沉积物粒度特征和化学元素组成方面取得较大进步,对撒哈拉沙漠9-10、纳米布沙漠11、塔克拉玛干沙漠12、库姆塔格沙漠13、腾格里沙漠14-15、巴丹吉林沙漠16-17以及河西走廊18等区域的粒度和化学元素进行了较为系统的研究,并取得了较为丰硕的研究成果。但对乌兰布和沙漠的研究还相对比较薄弱。

乌兰布和沙漠处于中国西北半干旱区向干旱区的过渡区域,也是北方东部季风区域的西缘,风沙活动强烈,生态环境比较脆弱和敏感19-20;该沙漠既是中国北方主要的沙尘暴源区,也是西部沙尘暴的途经地21。乌兰布和沙漠地理位置特殊,东部毗邻黄河,主导风向为西风和西北风22;在强烈风沙活动的作用下,通过风沙流传输和沙丘前移的方式大量风成沙侵入黄河,使得该沙漠成为了黄河泥沙的主要源区23。乌兰布和沙漠作为北方沙尘和黄河泥沙的主要源区,对区域生态安全和黄河流域的可持续发展造成严重影响24。以往关于乌兰布和沙漠的研究主要关于风沙流结构特征2325、环境演化26-27、风沙危害与防治28-29、沙丘动态30-31以及局部沉积物特征192132-34等方面。虽然已有学者对乌兰布和沙漠部分区域开展了沉积物特征方面的相关研究,但对其沉积物粒度和元素特征等沉积特征方面至今尚未有系统的研究。鉴于此,本研究旨在利用沉积学分析方法,对乌兰布和沙漠粒度和地球化学元素特征进行系统研究,旨在丰富区域风沙地貌研究内容,为区域生态环境治理和可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

乌兰布和沙漠是中国第七大沙漠,位于哈乌拉山和巴彦乌拉山以东,黄河以西,南接查哈尔苏木与腾格里沙漠相望,北至河套平原呼和淖尔,面积为0.99万km2[35图1)。该沙漠属于温带大陆性干旱气候,气候干燥,降水稀少,蒸发强烈,平均年降水量为142.7 mm,年潜在蒸发量为2 400 mm,年平均气温为8 ℃,年平均风速为3.7 m·s-1[36-37。区域风沙活动强烈,其中在每年的3—4月和11—12月最为强烈,起沙风以7~9 m·s-1为主,主导风向为NW-WNW,占全年起沙风频率的53%38,在风力作用下大量沙物质侵入黄河河道。区内以固定-半固定沙垄、流动沙丘、半流动沙丘、丘间低地和高大沙山为主39。植被稀疏,主要为沙蓬(Agriophyllum squarrosum)、白刺(Nitraria tangutorum)、梭梭(Haloxylon ammodendron)、油蒿(Artemisia blepharolepis)、芦苇(Phragmites australis)等2340

图1

图1   乌兰布和沙漠地理位置和采样点

Fig.1   Geographical location and sampling sites of the Ulan Buh Deser


2 材料和方法

2.1 样品采集

根据乌兰布和沙漠的地貌类型及其分布特点,采集典型沙丘类型(新月形沙丘、格状沙丘和灌丛沙丘)和丘间地的表层(0~5 cm)和下层(20~25 cm)沉积物样品;考虑到研究区沙漠的流动性和下层深度沉积物特征的稳定性及代表性,经查阅相关资料和专家咨询,特设定下层采样深度为20~25 cm。所选择的沙丘类型和区域,基本能够代表研究区的主要沙丘类型,能够满足研究区开展沉积物粒度和元素特征及沉积环境等方面的研究需求。采用Lancaster41采集沙漠沙样的方法进行样品采集。设置40个采样点,根据沙丘形态特点,主要沙丘类型新月形沙丘链和格状沙丘沿垂直于脊线方向分别采集迎风坡坡脚、迎风坡坡中、坡顶、背风坡坡中和背风坡坡脚表层和下层样品,灌丛沙丘只采集坡顶表层和下层样品,每个样品重250 g,共采集240个粒度样品。在采集粒度样品的同时采集元素地球化学样品,每个样点分别采集1~2件表层(0~5 cm)和下层(20~25 cm)沉积物样品,与粒度样品采样类似,单个样品采样面积20 cm×20 cm,单个样品重200 g,共采集84件沉积物样品。

2.2 试验方法

2.2.1 粒度测试方法

采用Konert等42提出的方法对样品进行预处理,使用英国马尔文公司生产的Mastersizer2000激光粒度仪进行粒度测定,测量范围为0.02~2 000 μm,每个样品重复测量3次,取其平均值,测量误差小于1%。数据归一化后,根据Folk等43公式和定义计算平均粒径(Mz)、标准偏差(σ)、偏度(SK)、峰度(Kg)等粒度参数,沉积物粒度用Φ值表示44;粒度分级采用Udden-Wentworth粒级分级标准45,将沙粒分为7个粒级。粒度测试在陕西师范大学地理科学与旅游学院激光粒度实验室完成。

2.2.2 地球化学测试方法

在中国科学院地球环境研究所运用X射线荧光光谱仪进行了常量和微量元素的测试。沉积物地球化学元素分析采用荷兰帕纳科公司生产的型号为Axios advanced X-Ray荧光光谱仪测定,将样品于105 ℃下烘干,研磨、过200目筛,用硼酸镶边垫底压片进行分析、量测,经计算机处理后得出各元素的分析结果。元素浓度的测量结果,经国家标准参考物质GSR1-6和水系沉积物标准物质GSD01-10作为标样,16个平行样品精密度及准确度验证,元素分析误差≤2%,表示此次分析结果良好。

3 结果与分析

3.1 沉积物粒度特征

3.1.1 沉积物粒度组成

沙粒粒级百分含量能够直观反映沉积物粒级组成以及不同粒径组沙粒的相对含量46-47。由表1可知,乌兰布和沙漠表层和下层沉积物沙粒粒度分布在粗沙到粉沙之间,沙粒均以细沙和中沙为主,其中细沙含量最高,其次为中沙和极细沙,粗沙和粉沙含量相对较少。从不同类型沉积物各粒级组成看,格状沙丘表层沉积物粗沙和中沙含量由两坡坡脚到坡顶呈先减少后增加的变化趋势,含量均值分别为2.45%和27.02%,细沙含量由两坡坡脚到坡顶呈先增加后减少的趋势,含量56.90%~71.68%,均值为63.13%,极细沙和粉沙由两坡坡脚到坡顶呈逐渐减少的趋势,含量分别为7.27%和0.13%;下层沉积物粗沙和极细沙迎风坡呈现由坡脚到坡顶先增加后减少,背风坡呈现逐渐减少的趋势,含量均值分别为1.24%和7.01%,中沙含量由两坡坡脚到坡顶呈先减少后增加的变化趋势,均值为24.76%,细沙含量由两坡坡脚到坡顶逐渐增加,均值为66.98%。新月形沙丘表层沉积物粗沙、中沙和细沙含量变化趋势与格状沙丘表层沉积物相似,均值分别为2.96%、30.78%和58.30%,极细沙含量由两坡坡脚到坡顶逐渐减少,均值为7.66%;下层沉积物中沙、细沙和极细沙与格状沙丘下层沉积物含量变化趋势类似,均值分别为25.36%、63.25%、9.20%,粗沙含量变化趋势与表层类似,含量变化为0~2.52%,均值为1.39%。灌丛沙丘表层沉积物粗沙、中沙、细沙、极细沙和粉沙含量分别为0.54%、20.27%、59.53%、18.33%、1.33%,下层沉积物含量依次为0.32%、12.26%、60.50%、25.55%、1.37%。丘间地表层沉积物粗沙、中沙、细沙、极细沙和粉沙含量分别为5.01%、20.68%、52.99%、18.55%、2.98%,下层沉积物含量依次为1.36%、25.61%、56.01%、14.30%、2.73%。

表1   研究区沉积物粒级组成

Table 1  Grain size distribution of sediment in the study area

类型层位部位粒级百分含量/%

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6.9226.6656.909.280.22
迎风坡坡中0.6324.5167.916.930.02
坡顶1.5235.0461.062.380.00
背风坡坡中0.1320.1871.688.000.00
背风坡坡脚3.0428.7158.109.770.39
均值2.4527.0263.137.270.13
下层迎风坡坡脚1.2426.8965.246.620.00
迎风坡坡中1.9423.1566.508.420.00
坡顶0.1924.4070.764.650.00
背风坡坡中1.0124.0367.437.520.00
背风坡坡脚1.8425.3564.957.860.00
均值1.2424.7666.987.010.00
新月形沙丘表层迎风坡坡脚4.6231.0454.139.920.30
迎风坡坡中4.1930.7756.248.380.42
坡顶0.9532.1062.873.600.48
背风坡坡中0.9029.3563.076.680.01
背风坡坡脚4.1630.6355.189.710.31
均值2.9630.7858.307.660.30
下层迎风坡坡脚2.5228.6257.839.981.05
迎风坡坡中1.2624.7763.4110.510.06
坡顶0.0027.2568.304.440.00
背风坡坡中0.9923.1866.539.260.04
背风坡坡脚2.1622.9960.2011.792.86
均值1.3925.3663.259.200.80
灌丛沙丘表层坡顶0.5420.2759.5318.331.33
下层坡顶0.3212.2660.5025.551.37
丘间地表层5.0120.6852.9918.552.98
下层1.3625.6156.0114.302.73

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通过对比研究区沉积物表层和下层沙粒粒级含量可知,格状沙丘、新月形沙丘、灌丛沙丘和丘间地表层沉积物粗沙和中沙含量均高于下层(丘间地中沙除外),而表层细沙含量均低于下层。格状沙丘和丘间地表层沉积物极细沙和粉沙含量均高于下层,而新月形沙丘和灌丛沙丘则相反。从研究区沉积物不同部位看,格状沙丘和新月形沙丘表层和下层沉积物迎风坡坡脚和坡中的粗沙和中沙含量均高于背风坡坡脚和坡中,而在粒级组成中占比最高的细沙含量均低于背风坡。格状沙丘和新月形沙丘表层沉积物坡顶粗沙和中沙含量高于下层,而细沙含量则低于下层。

3.1.2 粒度参数

图2可知,乌兰布和沙漠格状沙丘和新月形沙丘表层沉积物平均粒径均值分别为2.16 Φ、2.13 Φ,属于细沙;在不同采样部位中,背风坡坡中平均粒径最大,均值分别为2.29 Φ、2.18 Φ,坡顶平均粒径最小,分别为2.02 Φ、2.07 Φ;下层沉积物平均粒径均值分别为2.21 Φ、2.26 Φ,属于细沙,同样为背风坡坡中平均粒径最大,分别为2.22 Φ、2.28 Φ,坡顶平均粒径最小,分别为2.20 Φ、2.07 Φ。格状沙丘和新月形沙丘表层沉积物分选系数均值分别为0.56、0.60,下层沉积物分选系数均值分别为0.53、0.61,都属于分选性较好,表层由两坡坡脚向坡顶分选性逐渐变好,下层背风坡由坡脚向坡顶逐渐变好,迎风坡由坡脚向坡顶先变差后变好。格状沙丘和新月形沙丘表层和下层沉积物偏度均值分别为-0.01、0.02、-0.02、0.02,偏度属于近对称分布,表层和下层沉积物各部位偏度值变化不大。表层和下层沉积物峰度均值分别为0.97、0.96和0.96、0.99,峰度属于中等,不同部位变化不大。

图2

图2   研究区沉积物不同部位粒度参数值

Fig.2   Grain size parameters of various types of sediments and different geomorphological positions


灌丛沙丘和丘间地表层沉积物平均粒径分别为2.42 Φ、2.36 Φ,属于细沙;分选系数均值分别为0.62、0.77,属于分选较好;偏度均值分别为0.02、-0.01,属于近对称;峰度均值分别为0.95、0.96,属于中等。下层沉积物平均粒径分别为2.60 Φ、2.31 Φ,属于细沙;分选系数均值分别为0.62、0.69,分选性较好;偏度均值分别为0.02、0.03,属于近对称;峰度均值为0.95、1.02,属于中等。

通过对乌兰布和沙漠沉积物粒度参数分析可知,研究区表层和下层平均粒径均以细沙为主,格状沙丘、新月形沙丘和灌丛沙丘表层沉积物沙粒明显比下层沉积物颗粒粗,但丘间地的表层沉积物沙粒比下层细。表层和下层沉积物分选性较好,偏度属于近对称,峰度属于中等。

3.2 地球化学元素组成
3.2.1 常量元素特征

沉积物的化学元素组分能在一定程度上反映其沉积环境、风化程度及物源等信息。通过统计乌兰布和沙漠沉积物常量元素组成(表2),可知乌兰布和沙漠常量元素主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、CaO、MgO和Na2O。整体上,乌兰布和沙漠沉积物中SiO2占绝对优势,平均为79%(72.40%~85.59%)。其次为Al2O3,含量6.80%~8.43%,平均7.72%。Fe2O3、K2O和CaO的平均含量分别为2.46%、1.91%和1.73%。Na2O和MgO的含量比较接近,平均含量分别为0.97%和1.17%。乌兰布和沙漠不同沉积物类型常量元素均以SiO2和Al2O3为主,不同沉积物类型之间常量元素含量差异不大。从不同层位看,研究区沉积物常量元素Na2O、MgO、Al2O3、K2O、CaO和Fe2O3等5种元素含量均呈现表层比下层低的垂直变化规律,而常量元素SiO2的含量则是表层高于下层;主要是由于沙漠表层受持续风力作用,较轻的石英(SiO₂为主)比含铁镁的暗色矿物(密度>3.0 g·cm³)更易保留在表层,而重矿物被吹蚀或埋藏至下层,导致表层SiO₂相对富集,这与塔克拉玛干沙漠的研究结果一致48

表2   乌兰布和沙漠沉积物常量元素含量

Table 2  The contents of major elements in the sediments of Ulan Buh Desert

类型部位沉积物常量元素含量/%
Na2OMgOAl2O3SiO2K2OCaOFe2O3
格状沙丘表层0.98±0.061.00±0.267.61±0.3379.67±3.361.87±0.791.66±0.572.37±0.82
下层0.99±0.041.02±0.327.67±0.4079.48±3.731.90±0.061.68±0.642.40±0.92
新月形沙丘表层0.98±0.060.99±0.217.54±0.4380.44±3.731.91±0.081.61±0.582.30±0.82
下层0.99±0.071.10±0.347.70±0.3579.34±3.021.91±0.071.63±0.442.33±0.63
灌丛沙丘表层0.97±0.041.31±0.317.84±0.3878.14±2.731.93±0.061.64±0.732.34±1.04
下层1.01±0.051.47±0.218.03±0.4577.79±3.311.98±0.081.76±0.662.51±0.95
丘间地表层0.95±0.031.16±0.437.54±0.5879.59±4.341.87±0.091.83±0.902.62±1.28
下层0.96±0.081.16±0.297.64±0.2778.90±1.681.90±0.091.84±0.442.64±0.62
上部陆壳[49]3.92.2215.2663.44.25
陆源页岩[49]1.22.218.962.83.71.37.22
中国黄土[50-51]1.682.3111.8658.652.448.624.56
塔克拉玛干沙漠[52]2.582.210.6642.117.883.1
库姆塔格沙漠[1]2.581.989.6871.231.983.982.73

注:均值±标准差。

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与其他风成沉积物相比,乌兰布和沙漠表层和下层沉积物中SiO2的平均含量均高于上部陆壳、陆源页岩、中国黄土、塔克拉玛干沙漠和库姆塔格沙漠。乌兰布和沙漠沉积物SiO2含量较高,主要归因于富石英物源供给与极端干旱环境下的风化——搬运分异双重机制,而其他区域受不同物源或气候影响,石英比例相对较低,需要通过矿物组合、同素示踪(如锆石U-Pb)及粒度分析等方式进一步验证具体物源路径。表层和下层沉积物CaO的平均含量均高于陆源页岩,但低于上部陆壳、中国黄土、塔克拉玛干沙漠和库姆塔格沙漠。其他元素平均含量均低于上部陆壳、陆源页岩、中国黄土、塔克拉玛干沙漠和库姆塔格沙漠。

通常以上部陆壳元素含量为标准绘制上部陆壳(UCC)标准化图,由研究区沉积物常量元素与上部陆壳平均含量比值的标准化图(图3)可知,除SiO2外,乌兰布和沙漠表层和下层沉积物所有常量元素的上部陆壳标准化值均小于1,说明除SiO2外其余常量元素均为亏损状态。

图3

图3   乌兰布和沙漠沉积物地球化学元素UCC标准化图

Fig.3   UCC standardized diagram of geochemical elements in Sediments of the Ulan Buh Desert


3.2.2 微量元素特征

统计分析乌兰布和沙漠表层和下层沉积物微量元素的含量,结果如表3所列。可以看出,乌兰布和沙漠表层和下层沉积物中,Ba、Sr、Zr、Rb、Co等微量元素含量较高,其中Ba元素的平均含量最高,表层含量均值为543.68 μg·g-1,下层含量均值为544.36 μg·g-1。从不同沉积物类型看,在格状沙丘、新月形沙丘、灌丛沙丘和丘间地沉积物中,除Sr、Co和Ba元素外,其他元素均呈现出表层沉积物含量低于下层,但Ba和Co元素则表现出表层沉积物含量高于下层(Co元素除灌丛沙丘外),这可能由于沙漠表层沉积物长期暴露于大气中,氧化条件起主导作用,而Co³⁺的氧化物在氧化环境中稳定,溶解度极低,导致Co在表层富集,Ba的硫酸盐和碳酸盐在干旱碱性条件下化学性质稳定,难被淋溶。相较于上部陆壳,研究区Cr和Co元素与上部陆壳的标准化值大于1,表现为富集状态,其他微量元素标准化值均小于1,处于亏损状态。与陆源页岩相比,除Co元素外,其他微量元素均呈现一定的亏损特征。相比于中国黄土的微量元素含量,除Cr、Co和Ba元素外,其他微量元素均处于亏损状态。与库姆塔格沙漠微量元素含量相比,研究区除Cr和Co元素含量较高外,其他微量元素平均含量均低于库姆塔格沙漠。从整体上看,乌兰布和沙漠沉积物除Co、Sr和Ba元素外,其他元素平均含量均呈现表层低于下层的趋势,但表层与下层的平均含量差距不大。

表3   乌兰布和沙漠沉积物微量元素含量

Table 3  Contents of trace elements in sediments of the Ulan Buh Desert

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]
格状沙丘新月形沙丘灌丛沙丘丘间地
Cr表层41.21±11.256.95±17.6555.08±21.5652.06±27.563511054.0248
下层62.39±24.3860.75±20.4856.30±17.3361.39±23.10
Co表层63.88±10.8961.35±15.9149.73±18.6561.13±18.99102314.317.78
下层55.12±18.5259.33±4.8755.52±19.5957.27±15.80
Ni表层11.14±2.0511.53±1.5611.89±1.4511.16±2.31205532.118.98
下层11.76±1.8711.94±2.6512.99±1.6311.57±1.58
Cu表层7.48±0.867.08±1.537.18±1.267.18±1.97255024.0112.89
下层8.11±1.147.88±1.177.64±1.107.30±1.23
Zn表层18.60±2.3918.36±3.0620.02±3.2717.36±3.74718560.0239.92
下层19.33±2.8419.88±2.9221.69±3.5118.12±2.29
Rb表层66.88±3.1465.58±3.4967.03±4.3464.29±4.6311216096.0268.29
下层67.11±3.4666.83±3.4168.25±4.9765.99±3.45
Sr表层165.18±12.73161.50±11.97163.60±11.80163.24±20.64350200187.05249.16
下层158.26±12.76159.98±8.92164.34±10.40166.69±18.20
Zr表层101.77±15.80112.45±19.81108.51±9.81121.64±31.15190210212.03161.04
下层111.71±10.31116.68±26.63124.14±14.89126.29±31.81
Ba表层542.84±62.23558.45±50.01566.14±52.92544.68±54.75550650489.02556.51
下层537.83±51.01554.20±55.48561.66±53.55543.36±72.01
Th表层3.94±0.583.87±0.754.30±0.613.86±0.9010.714.621.66.48
下层4.39±0.773.92±0.694.46±0.983.97±0.65

注:均值±标准差。

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3.3 化学风化特征

沉积物经历了风化、搬移、沉积以及分选等一系列的物理、化学过程,使其在化学组分上与源区物质存在一定差别。其中风化作用对沉积物的组成影响比较强烈,地表沉积物在区域风化作用下,导致沉积物中不稳定的元素(Na、K、Ca等元素)先淋滤,而相对稳定的元素(Al、Fe、Ti等)则留在沉积物中。沉积物中元素含量的变化很大程度上取决于风化作用的强度和持续时间。风化程度可通过元素之间的关系进行定量评价。鉴于沉积物化学风化的复杂性和化学风化指标的局限性,本研究采用化学蚀变指数进行研究区域的化学风化强度评价,进而揭示沉积物的风化阶段和沉积环境。

化学蚀变指数(Chemical Index of Alteration,简称CIA)被用于定量判定沉积物遭受的化学风化程度以及沉积时的气候环境52-54。化学蚀变指数CIA的表达式为:

CIA=nAl₂O₃/(nAl₂O₃+nCaO*+nNa₂O+nK₂O)×100

式中:主要成分均以摩尔数表示,CaO*是指硅酸盐中的CaO,本研究中CaO*值采用McLennan等55提出的校正方法获得。CIA值越大,表明该地区降水越多,气温偏高,风化作用强烈;相反,值越小,表明气候干燥寒冷,导致中度或轻度风化。乌兰布和沙漠沉积物CIA指数为50.40~52.84,均值为52.79,基本接近于上部陆壳(48)49,但远低于陆源页岩(70)49,相比于其他沙漠,其CIA值高于库姆塔格沙漠(45.48)1、塔克拉玛干沙漠(45.90)56、巴丹吉林沙漠(46.99)57和毛乌素沙地(47.13)58,略低于中国黄土(57.2)50-51。不同沉积物类型之间CIA值存在差异,灌丛沙丘(53.19)>丘间地(52.77)>格状沙丘(52.56)>新月形沙丘(52.27)。研究区表层和下层沉积物CIA值差别不大,表层为52.75,下层为52.84。由此说明乌兰布和沙漠沉积物经历了寒冷、干燥气候条件下低等的化学风化过程,处于化学风化的初级阶段。

4 讨论

4.1 沉积物粒度特征

乌兰布和沙漠沉积物优势粒级为细沙和中沙,其次为极细沙,其他沙粒含量较少;其平均粒径为1.53~2.78 Φ,均值为2.23 Φ。与其他沙漠沉积物粒径相比,与非洲纳米布沙漠(均值2.20 Φ)59、撒哈拉沙漠(1.34~2.43 Φ)60、阿拉伯半岛的贾夫拉沙漠(1.85~2.63 Φ)61平均粒径相差不大,但大于中国的巴丹吉林沙漠(2.10~2.71 Φ)62、库姆塔格沙漠(2.02~3.06 Φ)1、毛乌素沙地(2.42 Φ)55,腾格里沙漠(2.38 Φ)63、塔克拉玛干沙漠(2.39~3.47 Φ)64

研究区表层和下层沉积物平均粒径均以细沙为主,表层沉积物沙粒明显比下层沉积物颗粒粗(丘间地除外),迎风坡沉积物平均粒径比背风坡粗;这与邵天杰等65研究巴丹吉林沙漠沉积物粒度分布情况一致。研究区格状沙丘和新月形沙丘表层沉积物粒度比下层粗,由于表层沉积物在风力作用下,较细沙粒被吹蚀搬运,而相对较粗的颗粒留了下来。迎风坡沉积物粒度比背风坡粗,主要与风力侵蚀和物质堆积有关,在风力作用下,相对于背风坡而言,迎风坡以风力侵蚀为主,导致表面较细的沙物质被吹走,而背风坡也存在风力侵蚀作用,但相对于迎风坡而言,侵蚀作用非常小,以由越过坡顶搬运的细沙物质沉积堆积为主,所以背风坡沙粒比迎风坡细。丘间地作为沙漠沉积物研究的重要组成部分,其表层与下层粒度分布规律与其他类型相反,主要是由于丘间地作为风沙运输的通道,在风沙运动过程中,表层蠕移组分主要发生在上风向和丘间地区域,跃移组分多发生在沙丘上,跃移和悬移的细颗粒物离开沙丘后可能会有部分沉降于丘间地区域,并被较粗颗粒裹挟而无法移动,故使得丘间地沉积物粒径偏细以及表层比下层细66。研究发现,研究区格状沙丘和新月形沙丘沉积物由两侧坡脚到坡顶呈现粒径先变细再变粗的特点,属于“粗顶型”,分选性变好。原因可能为在风力作用下,迎风坡坡脚表层较细的颗粒被吹蚀,残留下较大粒径的沙粒,沿迎风坡向上风速逐渐增大,风沙流逐渐趋于饱和使得较细的颗粒物在坡中沉积,导致迎风坡坡中沙粒偏细,坡顶风速最大,导致坡顶细颗粒被吹蚀,留下粗颗粒;由于越过沙丘坡顶的风沙流速度降低,细颗粒物质在背风坡沉降堆积,其中较粗的颗粒在重力作用下滑落到坡脚,坡脚受到反向气流的吹蚀,导致坡脚沉积物粒径较粗67

粒度特征在一定程度上能够反映沉积环境和物质来源68。相关研究证明,乌兰布和沙漠在距今5万年前还属于“吉兰泰-河套”古大湖的覆盖区域,由于构造运动和气候变化等因素的影响,古大湖逐渐消退解体,形成了大量盐碱地和现代沙漠景观69-70。根据野外观察和查阅文献资料发现研究区沙物质主要来源于两个方面:①古湖退化干涸和黄河冲积形成的河湖相沉积物(盐碱地);②周边山体的风化剥蚀沉积物。乌兰布和沙漠常年盛行西风,位于沙漠西部的巴彦乌拉山、哈乌拉山和偏西北部狼山的山麓区在山体风化作用下,粗粒物质堆积,而较细颗粒物在风力作用下进行搬运和分选,导致西部区域粒度偏粗;东南部贺兰山山体风化破碎,在风力作用下,位于下风向的东南部沙漠出现了较粗的粒度分布。由古湖解体消退干涸形成的河湖相沉积物(盐碱地)主要位于沙漠中部,这些松散的沉积物为风沙活动提供沙源物质2170。由此可知,乌兰布和沙漠的沙漠化过程以就地起沙为主,物源和风力作用是研究区风沙地貌形成的基本条件。

4.2 沉积物地球化学特征及化学风化

沉积物在形成和演化过程中记录丰富的地球化学信息(元素丰度、空间异质性和迁移模式等),可以根据其蕴含的地球化学信息推断其沉积环境、物质来源及古环境变化等方面56

乌兰布和沙漠沉积物中常量元素组成以SiO₂(79%)和Al₂O₃(7.72%)为主,SiO₂含量最高,高于上部陆壳、陆源页岩和中国黄土,Na₂O含量最低(0.97%)。在风化过程中,SiO₂化学性质相对稳定,不易从母质中分离出来,因此在沉积物中相对富集。乌兰布和沙漠沉积物SiO₂含量高于西部的塔克拉玛干沙漠(64%)71、古尔班通古特沙漠(73.89%)72和库姆塔格沙漠(71.7%)1,但是低于研究区东部的浑善达克沙地(85.2%)73、呼伦贝尔沙地(87.8%)56。这与以往的研究结果相反(西部气候干旱SiO₂含量高,东部相反),主要原因是SiO₂的含量除了与气候相关外,母岩来源、气候和风化作用协调影响、沉积环境与搬运过程等因素的影响也不容忽视。东部沙地沉积物多源自华北克拉通的古老岩石(如花岗岩、石英砂岩),这些岩石原生石英(SiO₂)含量较高(60%~75%)。例如,科尔沁沙地的沙源主要为中生代砂岩,经风化后石英颗粒大量残留。西部沙漠沙源复杂,包括天山、昆仑山等造山带的变质岩和火山岩,矿物组成中长石、云母等硅酸盐矿物比例较高(如塔克拉玛干沙漠沙粒的长石占比可达20%~30%),化学风化虽弱,但母岩中石英初始含量低于东部。研究区CaO(1.73%)含量低于塔克拉玛干沙漠(7.88%)54和柴达木盆地沙漠(8.82%)56,与周边的腾格里沙漠(1.30%)57和巴丹吉林沙漠(2.01%)57含量相似。主要是由于CaO丰度与碳酸盐矿物具有显著的相关性,西部沙漠旁边的昆仑山中存在大量的海相硅酸盐岩,通过区域内的河流运输,为塔克拉玛干沙漠和柴达木盆地沙漠提供了大量的碳酸盐矿物56,虽然与乌兰布和沙漠濒临的贺兰山和蒙古高原周边山脉均有碳酸盐地层分布,但范围和规模远不如昆仑山脉74

Nesbitt等53提出的A-CN-K三角模型图被广泛应用于反映陆壳化学趋势和化学风化过程中的矿物学和主成分变化75-77。将乌兰布和沙漠沉积物的主要化学组分投影到A-CN-K三角图中,并与上部陆壳、陆源页岩和中国黄土进行比较78。从图4A可以发现,乌兰布和沙漠表层和下层沉积物样品与上部陆壳的风化结果比较接近,且分布比较集中,说明研究区表层和下层沉积物化学组成与上部陆壳相似,其沉积物的化学风化和剥蚀过程处于相对稳定的状态;也说明研究区沉积物物质组成的均一性。研究区表层和下层沉积物风化趋势线大致与A-CN轴平行,这说明研究区沉积物处于大陆风化的早期阶段,即初期较弱的脱Ca、Na阶段,风化程度较低,以斜长石的风化分解为主,风化产物主要为高岭石、蒙脱石和伊利石等。结合采样点的分布和前面的风化指标来看,A-CN-K三角图所展示的风化程度,与CIA风化指数结果一致。

图4

图4   乌兰布和沙漠沉积物A-CN-K(A)和A-CNK-FM(B)三角图

注:长实线箭头代表大陆化学风化趋势(A=Al₂O₃, CN=CaO*+Na₂O, K=K₂O, CNK=CaO*+Na₂O+ K₂O, FM=Fe₂O₃+MgO; Ka=高岭石, Sm=蒙脱石, IL=伊利石, Mu=白云母, PI=斜长石, Ks=钾长石, FIs=长石, Ep=绿帘石, Bi=黑云母)

Fig.4   A-CN-K(A) and A-CNK-FM(B) ternary plots of sediments in the Ulan Buh Desert (In both ternary diagrams, the long solid line arrows represent the chemical weathering direction of the continent; A=Al₂O₃, CN=CaO*+Na₂O, K=K₂O, CNK=CaO*+Na₂O+ K₂O, FM=Fe₂O₃+MgO; Ka=kaoln, Sm=smectites, IL=illite, Mu=muscovite, PI=plagioclase, Ks=K-feldspar, FIs=feldspar, Ep=epidote, Bi=biotite)


A-CNK-FM三角图通过Fe、Mg元素组成的差异,进一步揭示沉积物风化过程中元素的迁移特征7579。从图4B可以看出,乌兰布和沙漠表层和下层沉积物样品投影比较集中,表层和下层沉积物在Fe、Mg元素的组成上存在差异,其含量低于上部陆壳,同时表层低于下层,而碱金属含量及Al含量的差异不大。这说明Fe、Mg质矿物稳定性较差,在搬运和沉积过程中易于破碎和风化,从而造成元素的淋溶和流失。研究区表层沉积物中Fe、Mg亏损程度大于表层,结合粒度数据,说明由于风力吹蚀和分选作用,表层沉积物粒度相对于下层较粗。相关研究表明,Fe、Mg质矿物一般会在较细的沙粒组分中富集,而在较粗的沙粒组分中亏损5079-80;乌兰布和沙漠的粒度特征很好体现了这一规律。

5 结论

乌兰布和沙漠处于中国西北半干旱区向干旱区的过渡区域,风沙活动强烈,是中国北方沙尘和黄河泥沙的主要源区,对区域生态安全和黄河流域的可持续发展造成严重影响。与其他沙漠相比,乌兰布和沙漠的研究程度相对较低,本研究分析了乌兰布和沙漠沉积物粒度和地球化学元素特征,取得主要结论如下。

乌兰布和沙漠表层和下层沉积物沙粒粒度分布在粗沙到粉沙之间,沙粒均以细沙和中沙为主,其中细沙含量最高,表层和下层平均粒径分别为2.16 Φ和2.20 Φ,与国内其他沙漠相比粒度偏粗。不同地貌类型中,格状沙丘、新月形沙丘和灌丛沙丘表层沉积物沙粒明显比下层沉积物颗粒粗,但丘间地的表层沉积物沙粒比下层细。表层和下层沉积物分选性较好,偏度属于近对称,峰度属于中等。

乌兰布和沙漠的沙漠化过程以就地起沙为主,物源和风力作用是研究区风沙地貌形成的基本条件。研究区沙物质主要来源于两个方面:古湖退化干涸和黄河冲积形成的河湖相沉积物(盐碱地),周边山体的风化剥蚀沉积物。

乌兰布和沙漠沉积物中SiO₂含量相对富集,高于上部陆壳、陆源页岩和中国黄土,同时高于中国西部沙漠,但低于中国东部沙地,主要是由于SiO₂的含量除了与气候相关外,母岩来源、气候和风化作用协调影响,沉积环境与搬运过程等也是影响其含量的重要方面。研究区CaO含量低于西部沙漠,由于CaO丰度与碳酸盐矿物具有显著的相关性,中国西部沙漠旁边昆仑山山脉通过河流运输为周边沙漠提供了大量的海相硅酸盐岩。

研究区沉积物的CIA值、A-CN-K和A-CNK-FM等风化指标都反映了其风化程度较低。研究区沉积物的CIA均值为52.79,表明在研究区沉积物的表生环境中,以寒冷干燥的气候条件为主,风化作用处于斜长石化学风化的早期阶段,以物理风化作用和初级化学作用为主;沉积物的风化程度除受气候的主导控制因素外,剥蚀程度和源岩的影响也不容忽视。

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