海岸沙丘表面現(xiàn)代風(fēng)成沙地球化學(xué)元素分異的典型研究①——以河北昌黎黃金海岸橫向沙脊為例

龍 黎 董玉祥 孫 忠

(1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點實驗室 廣州 510275; 2.中國海洋石油有限公司深圳分公司 廣東深圳 518067;3.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 蘭州 73000)

海岸沙丘表面現(xiàn)代風(fēng)成沙地球化學(xué)元素分異的典型研究①
——以河北昌黎黃金海岸橫向沙脊為例

龍 黎1,2董玉祥1孫 忠3

(1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點實驗室 廣州 510275; 2.中國海洋石油有限公司深圳分公司 廣東深圳 518067;3.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 蘭州 73000)

在我國海岸沙丘主要分布地區(qū)河北昌黎黃金海岸選取代表性的海岸橫向沙脊為研究對象,對其典型斷面上沙丘表面不同部位的21種地球化學(xué)元素的含量進行了比較分析。結(jié)果表明,Co、Zr和Mg三種元素在海岸沙脊表面不同部位的含量差異明顯且與海灘沙相比含量差異較大,Cr、Pb、Ti、Nb、As、Mn、Zn和Ba等8種元素的含量差異程度中等,但Y、Ca、Fe、Na、Al、Sr、P、K、Rb和Si等10種元素的差異并不明顯,而11種差異程度中等以上元素在海岸橫向沙脊迎風(fēng)坡腳、迎風(fēng)坡、脊頂、背風(fēng)坡、背風(fēng)坡腳等部位的含量變化特征并不一致,呈現(xiàn)出不同的分異模式,其主要原因是受沉積環(huán)境、化學(xué)元素性質(zhì)、粒度特征及營力的影響等。

海岸沙丘表面 地球化學(xué)元素 分異 海岸橫向沙脊

0 研究背景

風(fēng)成沙中地球化學(xué)元素分異的研究,對于研究風(fēng)成沙組成特征及其物源、風(fēng)沙侵蝕與沉積過程、古環(huán)境變化等均具有重要意義。國外,Saye S E等[1,2]研究了丹麥Jutland西部海岸沙丘沉積物元素組成的變化等;Kasper-Zubillaga JJ[3,4]等曾對墨西哥西北海岸沙丘的稀有元素進行分析,認為風(fēng)力對重礦物搬運能力的強弱影響元素的分異。國內(nèi)風(fēng)成沙地球化學(xué)元素分異的研究主要集中在內(nèi)陸沙漠,如吳兆寧等[5]對新疆和田河與克里雅河流域河流沙、沙丘沙、地層沙三種存在物源相關(guān)性的沙物質(zhì)的地球化學(xué)特征進行了比較分析;錢亦兵[6]等研究了塔克拉瑪干沙漠沙物質(zhì)的元素組成;趙貴海[7]等對塔克拉瑪干沙漠地區(qū)土壤中24種元素的背景值進行了分析;楊少平[8]等以內(nèi)流湖區(qū)和河谷區(qū)沙丘風(fēng)成沙為對象,研究了西藏中西部風(fēng)成沙的地球化學(xué)特征,并從元素與粒級關(guān)系的角度對地球化學(xué)元素的分異進行了分析,認為物源不同是影響風(fēng)成沙地球化學(xué)特性的主要原因,但風(fēng)力分選也在一定程度上影響元素的分異;徐志偉[9]等對庫姆塔格沙漠地表沉積物中主要元素的含量與塔克拉瑪干沙漠、黃土、上陸殼平均化學(xué)元素組成等進行過比較研究;更多的研究則主要是運用地層剖面中不同層位元素含量的變化探詢環(huán)境與氣候的變遷[10～15]。與國外相比,國內(nèi)明顯缺少對海岸沙丘表面現(xiàn)代風(fēng)成沙中地球化學(xué)元素特征尤其是在海岸沙丘表面不同部位變異特點的研究,故擬在我國海岸沙丘主要分布區(qū)選擇典型海岸沙丘,研究現(xiàn)代海岸風(fēng)成沙中地球化學(xué)元素在海岸沙丘表面不同部位的分異現(xiàn)象及其規(guī)律。

1 研究區(qū)域、樣品采集與測試方法

1.1 研究區(qū)域

河北昌黎黃金海岸是我國海岸沙丘分布最為集中和典型的區(qū)域[16～21],屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,平行于其海岸線分布有南北長約45 km、寬約1.5～2 km、高約15～30 m的海岸沙丘帶(圖1),有雛形前丘、橫向沙脊、新月形沙丘以及沙丘鏈、海岸沙席等,沙丘類型多、形態(tài)典型、規(guī)模較大。其中,尤以海岸橫向沙脊在國內(nèi)最具典型性和代表性[21～25],海岸橫向沙脊NNE-SSW走向,綿延分布有近30 km,長度可達5～9 km,部分脊頂高度在30 m以上,最高可達40 m,單個沙丘寬度約150～250 m,其兩坡明顯不對稱,向海坡(迎風(fēng)坡)長而緩,傾角8°～12°左右,向陸坡(背風(fēng)坡)短和陡,傾角約28°～32°,其形成于距今約1 000 a左右[26],形態(tài)典型、規(guī)模高大的海岸橫向沙脊是進行現(xiàn)代海岸風(fēng)成沙中地球化學(xué)元素在海岸沙丘表面不同部位分異研究的理想對象。

圖1 研究區(qū)域位置圖[21]Fig.1 Map of location of the study area[21]

1.2 樣品采集

選取一個形態(tài)和規(guī)模具有代表性的海岸橫向沙脊進行其表面現(xiàn)代風(fēng)成沙樣品的采集。沿垂直于海岸橫向沙脊走向的典型斷面采集樣品(圖2),樣品采集在表面積20 cm X20 cm、深約3 cm的范圍內(nèi)進行,采集后編號裝入樣袋內(nèi)密封,共采集了24個樣品。24個樣品除Y01采集于海灘沙外余皆采集于海岸橫向沙脊表面現(xiàn)代風(fēng)成沙,其采集部位分別是:Y02-Y08,海岸橫向沙脊迎風(fēng)坡腳;Y09-Y16,迎風(fēng)坡; Y17-Y19,脊頂,其中Y18為沙脊頂點;Y20-Y22,背風(fēng)坡;Y23-Y24,背風(fēng)坡腳(圖2)。

1.3 測試方法

野外樣品采集后,室內(nèi)進行元素含量的測試。分析儀器為帕納科公司生產(chǎn)的順序式波長色散型X射線熒光光譜儀(型號:Axios;產(chǎn)地:荷蘭)。制樣方法采用粉末壓片法,稱取4 g粒度小于200目的樣品,在105℃下烘干后放入制樣模具,壓成鑲邊外徑為32 mm的樣片放入干燥器中待測。標準樣品選用國家一級標準,包括巖石成分分析標準物質(zhì)GBW07103-GBW07114、GBW07120-GBW07122,土壤成分分析標準物質(zhì) GBW07401-GBW07408、GBW0743-GBW07430和水系沉積物成分分析標準物質(zhì)GBW07301a-GBW07318等,以國標 GB/T14506.28-93(硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法X射線熒光光譜法)為依據(jù)確定各元素的最佳測試條件。測量標準樣品的分析強度后,采用數(shù)學(xué)校正模式進行回歸分析,求得校正曲線常數(shù)、譜線重疊干擾校正系數(shù)和基體校正系數(shù)并建立工作曲線,被測樣品通過已建立好的測試方法得到各元素的分析結(jié)果。測得的元素包括8種常量元素Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na和Ti,16種微量元素P、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Pb、As、Rb、Sr、Y、Zr、Nb和Ba,常量元素結(jié)果以SiO2、Al2O3、TFe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2等氧化物形式表示,單位為wt%,微量元素單位為mg/kg。

圖2 海岸橫向沙脊斷面的樣品采集部位示意圖Fig.2 Sketch map of sampling positions on the coastal aeolian transverse ridge profile

2 測試結(jié)果

測試結(jié)果中,Cu、V和Ni三種元素含量低并在部分樣品中缺失,為保證分析精度故僅對除Cu、V和Ni元素之外的其它21種元素的含量及其變化進行分析。

2.1 元素平均含量及其分異系數(shù)

23個風(fēng)成沙和1個海灘沙樣品的測試結(jié)果(表1),海岸橫向沙脊表面現(xiàn)代風(fēng)成沙中常量元素以SiO2含量為最高,平均為87.37%,其次Al2O3、K2O和Na2O的含量介于1.00%～5.00%,其它常量元素含量低于1.00%;微量元素含量最高的Ba達到455.31 mg/kg,含量超過100 mg/kg的還有Mn、Sr和P,含量介于10～100 mg/kg的元素有Zr、Rb和Cr,其它微量元素的含量均不足10 mg/kg。

表1 風(fēng)成沙與海灘沙的元素含量Table1 Content of geochem ical elements in coastal aeolian sands and beach sands

2.2 元素含量在海岸沙丘不同部位的變化

依據(jù)海岸橫向沙脊表面各風(fēng)成沙樣品采集的位置,可分別將其歸入海岸橫向沙脊的迎風(fēng)坡腳、迎風(fēng)坡、脊頂、背風(fēng)坡和背風(fēng)坡腳等5個海岸橫向沙脊表面的特征部位,計算各元素含量在沙丘表面各特征部位的均值(表2),依此分析各元素在海岸橫向沙脊表面不同部位變化的特征,其中重點是分析海岸沙丘表面元素含量差異程度中等以上的Co、Zr、Mg、Cr、Pb、Ti、Nb、As、Mn、Zn和Ba等11種元素。為便于分析,采用不同部位元素含量均值除以該元素在海岸橫向沙脊表面含量總均值的方法用于消除量剛及不同數(shù)量級差別的影響(表3、圖3)。海岸橫向沙脊表面不同部位現(xiàn)代風(fēng)成沙中元素含量的比較表明,除Y、Ca、Fe、Na、Al、Sr、P、K、Rb和Si等10種元素在海岸橫向沙脊表面不同部位的含量變化不大、分布較為均一外,其余11種元素在海岸沙脊表面不同特征部位之間的變化大致可以歸結(jié)為以下四種模式(表3、圖3):

表2 海岸橫向沙脊表面不同部位風(fēng)成沙中地球化學(xué)元素含量均值Table2 Mean content of elements in aeolian sands at different sites on coastal aeolian transverse ridge

元素Mg、As、Ba,在迎風(fēng)坡腳含量最高,迎風(fēng)坡腳到迎風(fēng)坡含量下降,到脊頂處基本不變,從脊頂?shù)奖筹L(fēng)坡含量下降,但背風(fēng)坡腳處略有升高;

元素Ti、Zr、Mn、Zn和Nb,從迎風(fēng)坡腳到迎風(fēng)坡元素含量下降,迎風(fēng)坡含量最低,經(jīng)脊頂?shù)奖筹L(fēng)坡含量逐漸升高,再到背風(fēng)坡腳含量有小幅度的升高或降低;

元素Co和Pb,含量從迎風(fēng)坡腳經(jīng)迎風(fēng)坡到沙脊脊頂逐漸升高,脊頂含量為最高,在背風(fēng)坡有較大幅度的下降,但到背風(fēng)坡腳含量又有所提高;

元素Cr,從迎風(fēng)坡腳經(jīng)迎風(fēng)坡到沙脊脊頂元素含量逐漸減少,脊頂含量最低,之后經(jīng)背風(fēng)坡到背風(fēng)坡腳含量有所提高。

表3 主要元素不同部位的含量均值與其海岸橫向沙脊表面含量總均值的比值Table3 Ratio ofmean content ofmain elements at different sites w ith the totalmean content of elements on coastal aeolian transverse ridge

3 分析與討論

圖3 主要元素在海岸橫向沙脊表面不同部位的含量變化曲線Fig.3 The change curve ofmean content ofmain elements at different sites on coastal aeolian transverse ridge

影響地球化學(xué)元素在海岸橫向沙脊表面不同部位分異的因素有沉積環(huán)境、元素性質(zhì)、礦物種類、粒度特征以及營力狀況等[27,28]。首先,海岸橫向沙脊表面現(xiàn)代風(fēng)成沙中各種地球化學(xué)元素的性質(zhì)特征雖有差異,但其中一些元素的變化主要受沉積環(huán)境的影響與作用,不同沉積環(huán)境下風(fēng)化過程及其強度的差異是導(dǎo)致其含量變化的主導(dǎo)因素,故相同沉積環(huán)境下在小地貌不同部位的含量差異一般并不明顯,昌黎海岸橫向沙脊形成于距今1 000 a左右較為穩(wěn)定的暖溫帶半濕潤環(huán)境中,就使得一些主要受沉積環(huán)境影響的元素在海岸橫向沙脊表面不同部位的變化并不明顯,如常量元素分異不明顯應(yīng)主要是受此影響。其次,元素的化學(xué)、物理性質(zhì)及其礦物組成對其在海岸橫向沙脊表面不同部位分異的亦有一定的影響,在海岸橫向沙脊各特征部位上變異特征相同的化學(xué)元素之間往往具有較強的相關(guān)性,如Rb、Y和Sr,Ti、Mn和Zn,以及Zr和Nb等。另外,風(fēng)力是海岸沙丘形成與發(fā)育的主要營力,風(fēng)力的分選作用對部分元素分異模式的形成也有一定的影響,尤其是受制于起沙風(fēng)速和攜沙力差異,一定風(fēng)速對不同粒度沙粒具有不同的搬運與分選作用[24,29,30],而不同的元素由于形成環(huán)境及礦物組成等差異會主要賦存于不同粒度級別的沙粒中,在相同沉積環(huán)境下區(qū)內(nèi)特有的風(fēng)況就導(dǎo)致部分元素由于所賦存沙粒粒度不同造成其分異模式的差別,如Ti、Cr和Co元素等。例如,就河北昌黎黃金海岸典型海岸橫向沙脊而言,尤以Co、Zr、Cr和Ti在海岸橫向沙脊表面不同部位的分異最為突出,其中海灘沙與海岸橫向沙脊表面風(fēng)成沙中Zr和Co的含量也存在明顯的差別,可以認為風(fēng)力的分選作用對其侵蝕、搬運和沉積過程產(chǎn)生了重要的作用,由此可較好地解釋我國沿海沙地多Co、Zr、Cr和Ti礦的主要原因。但是,由于影響化學(xué)元素分異的因素很多,目前還難以完全解析海岸橫向沙脊表面地球化學(xué)元素的分異特征及其模式。

在環(huán)境與氣候變遷研究中[10～15],一般多采用風(fēng)化系數(shù)硅鋁率、鋁鐵硅系數(shù)、CIA值等指標說明環(huán)境或氣候的波動情況,這些指標的計算就是依據(jù)常量元素Si、Al、Fe、Ca、Na和K的含量,而這些常量元素含量的變化主要受環(huán)境或氣候變化的影響和作用,在相同環(huán)境條件下的海岸沙丘表面的不同部位幾無變化,說明硅鋁率、鋁鐵硅系數(shù)、CIA值等指標應(yīng)該可以作為重要指征用于海岸風(fēng)沙環(huán)境或氣候變化的研究之中。但是,Co、Zr、Mg、Cr、Pb、Ti、Nb、As、Mn、Zn和Ba元素,在海岸橫向沙脊表面不同部位會出現(xiàn)一定程度的分異現(xiàn)象,即在同樣的沉積環(huán)境條件和同一個海岸沙丘表面,由于所處海岸沙丘表面部位的差異,這些元素尤其是Co、Zr、Mg和Cr在海岸橫向沙脊表面不同部位的含量會有一定的差別,故如僅根據(jù)地層中這些微量元素(如Cr、Nb等)含量的變化來推斷環(huán)境或氣候的變遷,可能會因不同地層中采樣點所處地貌部位的不同而產(chǎn)生較大的誤差,這些元素含量變化只能是環(huán)境或氣候變遷分析的輔助指標。

4 結(jié)論

(1)21種地球化學(xué)元素的含量在河北昌黎黃金海岸典型橫向沙脊表面的不同部位具有不同的變化特點,其中Co、Zr和Mg三種元素含量的變化明顯且與海灘沙含量差異較大,Cr、Pb、Ti、Nb、As、Mn、Zn和Ba等8種元素的變化程度中等,但Y、Ca、Fe、Na、Al、Sr、P、K、Rb和Si等10種元素的變化并不明顯。同時,11種變化程度中等以上的元素在海岸橫向沙脊表面迎風(fēng)坡腳、迎風(fēng)坡、脊頂、背風(fēng)坡、背風(fēng)坡腳等部位的含量變化特征并不一致,表現(xiàn)為四種不同的分異模式。

(2)影響現(xiàn)代風(fēng)成沙地球化學(xué)元素在海岸橫向沙脊表面不同部位分異的因素有沉積環(huán)境、元素性質(zhì)、礦物種類、粒度特征以及營力狀況等,如常量元素的分異主要與沉積環(huán)境有關(guān),而Ti、Cr和Co元素的分異主要是受粒度差異與風(fēng)力分選作用的影響等?，F(xiàn)代海岸風(fēng)成沙中地球化學(xué)元素在海岸橫向沙脊表面不同部位的分異模式,較好地說明了海岸沙地Co、Zr、Cr和Ti礦的成因,證明了硅鋁率、鋁鐵硅系數(shù)和CIA值等指標應(yīng)可用于海岸風(fēng)沙環(huán)境或氣候變化的研究,但同時亦說明了運用微量元素(如Cr、Nb等)的含量變化推斷海岸環(huán)境或氣候變遷時須十分謹慎,根據(jù)其在海岸沙丘表面的變化特點建議只能作為海岸環(huán)境或氣候變遷分析的輔助指標。

(3)限于樣本數(shù)量、分析指標等原因,上述僅是初步研究結(jié)果,尤其是對元素分異機理的分析尚不夠深入,還需在不同區(qū)域、不同海岸沙丘類型以及增加樣品采集樣本量的情況下,進一步探詢海岸沙丘表面地球化學(xué)元素分異的規(guī)律。

致謝 北京師范大學(xué)鄒學(xué)勇教授、中山大學(xué)黃德全高級工程師等參加了相關(guān)外業(yè)采樣工作等,特致謝忱。

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30 董玉祥,馬駿。風(fēng)速對海岸沙丘表面風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)影響的實證研究[J]。干旱區(qū)資源與環(huán)境,2009,23(9):179-183[Dong Yuxiang, Ma Jun.Field measurements of influence of total sand transport rate on the structure ofwind-sand flow on the coastal transverse Ridge[J]。Journal of Arid Land Resources and Environment,2009,23(9): 179-183]

Differentiation of Geochem ical Element in the M odern Aeolian Sands on the Surface of Coastal Aeolian Dunes

LONG Li1,2DONG Yu-xiang2SUN Zhong3
(1.School of Geography and Planning,and Guangdong Key Laboratory for Urbanization and Geo-simulation, Sun Yat-Sen University,Guangzhou 510275; 2.Shenzhen Branch of CNOOC,Shenzhen Guangdong 518067; 3.Cold and Arid Regions Environmengal and Engineering Research Institute,China Academ y of Sciences,Lanzhou 73000)

Taking a typical coastal Aeolian transverse ridge at Changli Gold Coast in Hebei province as an example, which is one of themost typical coastal aeolian distribution regions in China and famous for the tall and typical coastal transverse ridges,the distribution characteristics of 21 kinds of geochemical element in themodern aeolian sands on the surface of coastal aeolian dune(coastal Aeolian transverse ridge)are analysed.The research results show,in 21 geochemical elementswhich are contained in the modern aeolian sands on the surface of coastal aeolian transverse ridge,the differentiations of three geochemical elements at different sites over the surface of coastal dune are obvious, which are Co and Zr aswell as Mg.The differentiations at different sites over coastal dune surface of Cr,Pb,Ti,Nb, As,Mn,Zn and Ba,aremoderate,but the differentiations of some geochemical elements are slight,such as Y,Ca Fe,Na,Al,Sr,P,K,Rb and Si.The change features of geochemical elements in themodern aeolian sands at different sites,such aswindward slope base,windward slope,dune crest,leeward slope and leeward slope base,on the surface of coastal aeolian transverse ridge are different,which could be concluded into different changemodels.The features andmodels of differentiation of geochemical elements at different sites over the surface of coastal aeolian transverse ridge aremainly controlled by the depositional environment,chemical characteristics of geochemical elements as well as grain-size of aeolian sands and so on.For examples,the geochemical elements such as Y,Ca Fe,Na,Al, Sr,P,K,Rb and Si,their differentiation features aremailly affected by depositional environment,but the differentiation of somemicroelements,such as Cr and Co,ismailly controlled by grain size of sands and the wind force.Based on the conclusions above,because there are clear differentiations of some geochemical elements such as somemicroelements at different sites over the surface of coastal aeolian transverse ridge,it should be verymodest to use the change ofmicroelements in different stratum profiles to deduce the change of coastal environment or climate by use of traditional environment analysisways as usual.

surface over coastal aeolian dune;geochemical element;differentiation;coastal aeolian transverse ridge

龍黎 男 1986年出生 碩士研究生 海岸風(fēng)沙地貌 E-mail:longlihn@126.om

董玉祥 E-mail:eesdyx@mail.sysu.edu.cn

P593

A

1000-0550(2012)04-0724-07

①國家自然科學(xué)基金項目(編號:40571019,40971007)資助。

2011-09-10;收修改稿日期:2011-11-07