新疆塔城黃土的形成

李 云，宋友桂，晏利斌，陳 濤

（中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710075）

新疆塔城黃土的形成

李 云，宋友桂，晏利斌，陳 濤

（中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710075）

中亞黃土是研究區(qū)域古氣候和古環(huán)境變化的重要載體。但是對于受到廣泛研究的黃土高原黃土來說，對中亞東部塔城黃土的報道較少?；趯λ屈S土粒度的系統(tǒng)分析，與伊犁盆地黃土、典型黃土高原的黃土對比，我們發(fā)現(xiàn)無論是粒度頻率曲線、粒度結(jié)構(gòu)散點圖、還是三角圖，塔城黃土與伊犁盆地清水河黃土較相似，而與黃土高原黃土不同，塔城黃土粒度頻率分布曲線為三峰分布，粒度組成比較分散，分選較差，細(xì)、中顆粒含量較少，主要以粗顆粒物質(zhì)為主，屬近源風(fēng)成黃土。結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦魏同F(xiàn)代環(huán)流分析，我們認(rèn)為中亞薩雷耶西克阿特勞沙漠為塔城黃土提供主要的物源，盛行西風(fēng)為粉塵的搬運(yùn)提供足夠的動力，向西開口的山間盆地地形為粉塵的沉積提供有利的沉積中心，這三個條件的共同作用導(dǎo)致了塔城盆地厚層黃土的沉積。

塔城；黃土；粒度；形成環(huán)境；中亞

中亞是世界上黃土的主要分布區(qū)之一，地處研究程度很高的中國黃土高原和歐洲兩大黃土區(qū)之間，對研究亞洲內(nèi)陸干旱化、北半球粉塵來源、古大氣環(huán)流和全球氣候環(huán)境變化具有重要的意義（宋友桂和史正濤，2010；宋友桂等，2010）。

粒度分布特征是沉積物的基本特征之一，受搬運(yùn)和沉積過程的動力條件控制，與沉積環(huán)境密切相關(guān)。在黃土高原區(qū)，黃土–古土壤序列的粒度指標(biāo)不僅受冬季風(fēng)強(qiáng)度變化的影響（Liu et al，1985；An et al，1991，2001；Lu et al，1999），而且受沙漠進(jìn)退的影響（Ding et al，1999，2005），而對于新疆黃土粒度特征的研究報道很少。伊犁黃土屬于近源風(fēng)成黃土，而且其粒徑可以與格陵蘭冰芯進(jìn)行良好的對比（Ye et al，2000；李傳想等，2011；Song et al，2014）。西昆侖山黃土的粒度分析顯示出西昆侖山黃土粒度組成比較均一，分選較好，主要以粗顆粒物質(zhì)為主，細(xì)顆粒含量極少，屬于典型風(fēng)成黃土。并且1Ma以來的黃土粒度變粗的趨勢反映了中更新世以來亞洲內(nèi)陸逐步增強(qiáng)的干旱化過程（昝金波等，2014）。近些年來，有關(guān)學(xué)者對伊犁黃土（Ye et al，2000；史正濤等，2006；史正濤和董銘，2007；李傳想和宋友桂，2011；李傳想等，2011）、天山（Fang et al，2002a；呂紅華等，2008；鄧少福等，2011；Zan et al，2012，2013）和昆侖山黃土的粒度（Fang et al，2002b；李保生等，2008；Zan et al，2010；昝金波等，2014）進(jìn)行了初步的研究，但是對新疆西北部的塔城黃土的形成過程和粉塵來源研究較少。李新東等（2008）基于氣象資料，認(rèn)為塔城的沙塵主要來源于古爾班通古特沙漠。但現(xiàn)代的氣象觀測表明塔城盆地主要受西風(fēng)的影響。本文通過對新疆西北部塔城黃土的系統(tǒng)粒度分析，與伊犁盆地黃土、典型的黃土高原黃土對比，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦魏蜌夂驐l件，分析塔城黃土的形成條件、搬運(yùn)方式及物源。

1 研究區(qū)域和剖面概況

塔城盆地地處新疆西北部，三面環(huán)山，向西開口，北靠塔爾巴哈臺山，南鄰巴爾布魯克山（圖1）。該區(qū)屬于中溫帶大陸性干旱半干旱氣候區(qū)，冬季明顯處于西伯利亞–蒙古高壓和西風(fēng)帶的控制，夏季則受到南亞熱低壓的影響（Aizen et al，1996）。根據(jù)中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)的氣候資料，塔城沙塵暴主要集中在6—9月，而且在這些月中地面風(fēng)向以西西南風(fēng)和西風(fēng)為主，而在冬季、春季沙塵暴爆發(fā)次數(shù)較少，地面風(fēng)向主要以東東南和東南風(fēng)為主（圖2，表1）。塔城地區(qū)不同月份和季節(jié)平均溫度和平均降水量有較明顯的差異（圖3），春夏季節(jié)，由于當(dāng)?shù)刂饕芸赜诖笪餮蟮奈黠L(fēng)水汽傳送帶的影響，降雨主要集中在4、5、6、7月，而在冬季，同時又受到了西伯利亞–蒙古高壓所帶來的西北風(fēng)水汽輸送帶的影響，降雪集中在10—12月，高溫則集中在6—8月（圖3）。所以塔城盆地水熱組合既不同于西風(fēng)帶的地中海型，也與東亞季風(fēng)區(qū)明顯有別，該區(qū)降水屬地中海氣候與季風(fēng)氣候間的過渡氣候。該區(qū)黃土主要沿山麓成條帶狀分布，在塔爾巴哈臺山和巴爾布魯克山之間，分布著10～25 m厚的黃土。

圖1 中亞干旱區(qū)和東亞季風(fēng)區(qū)地形圖和黃土剖面位置圖1.黃土高原的朝那黃土剖面；2.伊犁盆地東部的則克臺黃土剖面；3.伊犁盆地西部的清水河黃土剖面；4.塔城盆地的塔城黃土剖面Fig.1 Map showing the geographic regions of Central Asia and East Asia and the locations of the studied loess sections in this study1.Chaona loess section on the Chinese Loess Plateau; 2.Zeketai loess section to the east of the Ili Basin; 3.Qingshuihe loess section to the west of the Ili Basin; 4.Tacheng loess section in the Tacheng Basin

圖2 塔城、伊寧氣象站地面2013年各月最大風(fēng)向玫瑰花圖Fig.2 Rose plots of the biggest wind direction observed at weather stations in Tacheng and Yining in 2013

表1 塔城、伊寧氣象站2013年各月最大風(fēng)向Table 1 The biggest wind direction observed at weather stations in Tacheng and Yining in 2013

圖3 塔城、伊寧2013各月平均溫度（℃，黑色）、平均降水(mm，紅色)和各月沙塵暴日數(shù)（日，綠色）Fig.3 Monthly mean precipitation (mm, red), air temperature (℃, black) and dust storm (day, green) at Tacheng and Yining in 2013

塔城剖面（N46°53′46″，E82°58′25″）位于塔城市北部17 km處，距邊境僅6 km，海拔770 m，剖面厚15.5 m，我們以2 cm為間隔自上而下共采集樣品700個。頂部缺失現(xiàn)代表土層，0～14 m為淡黃色或灰黃色，質(zhì)地均勻，疏松多孔，部分層位含有細(xì)小的鈣質(zhì)結(jié)核顆粒的黃土層，無蝸?；?，14 ～15.5 m為顏色明顯變紅，含有碎屑顆粒的河漫灘相沉積。

2 實驗方法

粒度的具體測試方法為：(1) 將野外采集的樣品晾干，去除水分，把塊狀樣品粉碎；(2) 取樣品0.3～0.5g 放入燒杯中；(3) 向燒杯的樣品中先加入10 mL 10% H2O2，加熱直至完全去除有機(jī)質(zhì)，再加10 mL 10%鹽酸，加熱直至去除樣品中的碳酸鹽物質(zhì)；(4) 將樣品靜置12 h 以上，使顆粒物沉降至燒杯底部，輕輕倒掉上部液體；(5) 加入10 mL 30%的分散劑六偏磷酸鈉溶液以便顆粒充分分散；(6)將燒杯放入超聲波震蕩儀上震15 min 使樣品有效分散；(7) 上機(jī)測量。所有樣品的粒度分析在中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室英國Malvern 公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度儀上測量完成，該儀器的測量范圍為0.02～2000 μm，測量精度為0.15，相對誤差小于3%。

3 塔城黃土粒度組成和分布特征

塔城黃土、伊犁清水河黃土和則克臺黃土樣品均采自各剖面頂部黃土層（L1）。從圖4a可以看出，塔城黃土、伊犁清水河黃土和則克臺黃土粒度分布曲線都呈現(xiàn)出三峰型分布特征，與西天山Remisowka剖面黃土的粒度分布曲線（Machalett et al，2008）相似。但塔城黃土和清水河黃土的眾數(shù)粒徑在60 ～70 μm，中峰值較小，而則克臺黃土的眾數(shù)粒徑出現(xiàn)在30 ～ 40 μm，且中峰值相對較大。黃土高原典型的黃土沉積朝那黃土呈雙峰分布特點，粗峰顯著降低，對應(yīng)的粒徑明顯變細(xì)，但大體上塔城黃土與伊犁和黃土高原黃土相似，所以他們都屬于風(fēng)成堆積，但從搬運(yùn)方式上來說，塔城黃土、伊犁黃土和黃土高原黃土有著明顯的不同。而造成伊犁盆地西部的清水河黃土和盆地東部的則克臺黃土粒度頻率分布曲線明顯差別的原因可能是，相對于清水河黃土來說，則克臺黃土距離源區(qū)較遠(yuǎn)（Song et al，2014），海拔較高，粗粒組分會隨源區(qū)距離增加而減少，而中粒組分百分含量隨源區(qū)距離增加而增加（殷志強(qiáng)等，2008）。由于塔城黃土與清水河黃土粒度頻率分布曲線和頻率累積曲線的相似性（圖4b），說明兩者有著相似的搬運(yùn)方式及沉積環(huán)境。

圖4 伊犁盆地、塔城和黃土高原黃土粒度分布曲線和頻率累積曲線Fig.4 Grain size distribution curves of loess from the Ili Basin, Tacheng and the Chinese Loess Plateau

三角圖是反映沉積物不同沉積類型的重要指標(biāo)（Flemming，2000），通過比較樣品在三角圖上的投影可判斷沉積環(huán)境之間的異同。圖5 可以看到塔城黃土與伊犁盆地黃土、黃土高原朝那黃土處于三角圖的上部，尤其與伊犁盆地西部的清水河黃土有部分重疊區(qū)域，這也可以證明塔城黃土與伊犁盆地黃土、黃土高原朝那黃土成因上相似，都為風(fēng)成沉積。

圖5 伊犁盆地黃土、塔城黃土和黃土高原黃土的粒度三角圖Fig.5 Grain size ternary diagrams of loess from Tacheng loess, the Ili Basin and the Chinese Loess Plateau

粒度參數(shù)能夠反映物源和沉積物的形成環(huán)境。偏度、峰度和標(biāo)準(zhǔn)偏差等粒度參數(shù)對黃土的分選程度有著較好的指示意義（Folk，1974）。圖6a表明，塔城黃土的標(biāo)準(zhǔn)偏差集中在1.85～2.05，和其他黃土相比，塔城黃土的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，而Folk（1974）認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)偏差主要反映沉積物顆粒的均一程度，與沉積物搬運(yùn)動力條件密切相關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)偏差越大，表明樣品的分選程度越差。雖然塔城黃土的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，分選程度較差，但和清水河黃土的標(biāo)準(zhǔn)偏差基本在一個水平線上。偏度反映了沉積物粒度分布曲線的對稱性。對于粒度頻率分布曲線是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的沉積物，其偏度為0。偏度大于0為正偏，平均值將向中位數(shù)的較細(xì)方向移動，在頻率分布曲線中表現(xiàn)為有一個細(xì)顆粒的尾巴；偏度小于0時為負(fù)偏，平均值向中位數(shù)的較粗方向移動，在頻率分布曲線中，表現(xiàn)為有一個粗顆粒的尾巴。塔城黃土的偏度在這些黃土中為較小的，在0.3～0.7，與則克臺黃土的偏度相似，但隨著平均粒徑的增加，偏度也隨之減小，與清水河黃土有部分重疊，并分布在一條斜線上（圖6b）。而與黃土高原朝那黃土相差較大。峰度反映了沉積物粒度頻率分布曲線中峰的高矮、寬窄的特征。塔城黃土的峰度值在2.4 ～ 2.8，分布與其偏度相似，與清水河黃土的峰度分布在一條斜線上（圖6c，d），而與黃土高原朝那黃土相差較大。上述各粒度參數(shù)顯示塔城黃土與典型的黃土高原黃土粒度分布特征明顯不同，但與伊犁盆地西部的清水河黃土較相似，粒度組成比較分散，分選較差，細(xì)、中顆粒含量較少，主要以粗顆粒物質(zhì)為主。這些特征一方面說明，相對于朝那黃土和則克臺黃土來說，塔城黃土和清水河黃土為近源風(fēng)成堆積，另一方面也表明與典型的黃土高原黃土有著不同的粉塵搬運(yùn)方式和沉積環(huán)境。

圖6 伊犁盆地、塔城、黃土高原黃土粒度結(jié)構(gòu)參數(shù)散點圖Fig.6 The relationships between Standard Deviation versus mean grain size(a) Skewness versus mean grain size, (b) Kurtosis versus mean grain size, (c) and Skewness versus Kurtosis (d) for the loess in the Ili Basin, Tacheng and the Chinese Loess Plateau

4 塔城黃土的物源、粉塵搬運(yùn)的動力及沉積環(huán)境

黃土的形成需要三個基本的條件（Pye，1995）： 1、穩(wěn)定的物源；2、搬運(yùn)粉塵的足夠的風(fēng)動力；3、穩(wěn)定的沉積中心。以下我們就這三個方面來具體討論塔城黃土的形成。

首先，塔城盆地在構(gòu)造上系天山造山帶中所夾持的一個山間斷陷盆地，地貌輪廓為向西開敞的喇叭形，總體上地勢東高西低（圖1、9），與伊犁盆地的地形相似。而氣候上，冬季，西風(fēng)帶位置偏南，在青藏高原西部分為南、北兩支，其中北支西風(fēng)氣流深刻影響著新疆塔城和伊犁地區(qū)的冬季氣候（圖7a），冬季塔城和伊犁地區(qū)對流層中低層以偏西風(fēng)為主。根據(jù)地面氣象站的數(shù)據(jù)顯示，塔城冬季受控于蒙古–西伯利亞高壓的影響（圖8），導(dǎo)致當(dāng)?shù)囟疽詵|南風(fēng)為主（圖2a，8a，表1），原因可能是冬半年地面氣壓場上西伯利亞–蒙古高壓穩(wěn)定加強(qiáng)，當(dāng)中亞一帶有低值系統(tǒng)活動時，在中亞至蒙古一帶形成東高西低的氣壓場，由于塔城東南部特殊的向東開口地形，從而形成塔城地區(qū)的東南風(fēng)（李新東等，2009；高婧等，2011）。但是當(dāng)?shù)厣硥m暴爆發(fā)頻率較低，可能是由于冬季塔城地區(qū)降雪量較大（圖3a），導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐钠鹕陈瘦^低。因此，古爾班通古特沙漠是塔城盆地黃土的一個物源區(qū)，但是貢獻(xiàn)量可能較小。

圖 7 新疆干旱區(qū)700hPa等壓面（約3000m a.s.l）風(fēng)場（m/s）：1月（a）、7月（b）Fig.7 The UV stream f eld at 700 hPa (about 3000 m a.s.l) in Xinjiang (m/s): (a) the January and (b) the July

圖8 新疆干旱區(qū)海平面氣壓場(藍(lán)色陰影， hPa)和10 m風(fēng)場(m·s–1)：1月(a)、7月(b)Fig.8 The atmospheric pressure f eld of the sea level (the blue shadow, hPa) and the UV 10 m wind circulation (m·s–1) in Xinjiang: (a) the January and (b) the July

圖9 塔城地區(qū)粉塵的物源、搬運(yùn)、沉積的概念模型Fig.9 Conceptual modals for the provenance, transportation, and deposition of eolian dust in Tacheng region

雖然伊寧的溫度和降水與塔城相似（圖3），但是由于天山的阻擋，東南風(fēng)到達(dá)不了伊犁盆地，所以當(dāng)?shù)氐慕孛骘L(fēng)仍以西風(fēng)為主（圖2b）。夏季，西風(fēng)帶位置偏北，仍主導(dǎo)塔城和伊犁盆地的夏季氣候（圖7b，8b），對流層中低層以偏西風(fēng)為主。在塔城，近地面西風(fēng)受到天山的阻擋，西風(fēng)變?yōu)槲魑髂巷L(fēng)（圖2a），而且夏季又是塔城沙塵暴主要爆發(fā)期（圖3a），所以位于西西南風(fēng)上風(fēng)向的薩雷耶西克阿特勞沙漠為塔城黃土的主要物源區(qū)。

野外考察時，我們發(fā)現(xiàn)在裕民附近的黃土要明顯比塔城附近的黃土厚，這也支持塔城盆地的粉塵物源主要為薩雷耶西克阿特勞沙漠。至于伊犁盆地，近地面西風(fēng)受到天山的阻擋，西風(fēng)變?yōu)槲魑鞅憋L(fēng)（圖2b），把薩雷耶西克阿特勞沙漠的粉塵帶到伊犁盆地沉積下來（Sun et al，2002）。通過對塔城黃土的系統(tǒng)粒度分析，并與伊犁盆地清水河、則克臺及黃土高原朝那黃土粒度特征作對比分析，我們發(fā)現(xiàn)塔城黃土的粒度頻率曲線、粒度結(jié)構(gòu)散點圖、三角圖與伊犁盆地西部的清水河黃土非常相似，但與伊犁盆地東部的則克臺黃土和黃土高原朝那黃土有一定差異。由此認(rèn)為塔城黃土的成因與伊犁盆地的清水河黃土類似，有著相同的搬運(yùn)方式和沉積環(huán)境，塔城和伊犁盆地的氣候和地形上的相似性也支持了兩者粒度上的一致性。

5 結(jié)論

通過黃土粒度頻率曲線、粒度結(jié)構(gòu)散點圖、三角圖分析，我們認(rèn)為塔城黃土粒度分布曲線呈三峰型分布特點，粒度組成比較分散，分選較差，細(xì)、中顆粒含量較少，主要以粗顆粒物質(zhì)為主，屬近源風(fēng)成黃土，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦魏蜌夂蛱攸c，我們認(rèn)為塔城盆地黃土與伊犁盆地清水河黃土的沉積環(huán)境、粉塵搬運(yùn)方式一致。物源為薩雷耶西克阿特勞沙漠，西風(fēng)為其主要搬運(yùn)動力，向西開口的山間盆地為其提供了穩(wěn)定的粉塵沉積條件，這三個條件的共同作用導(dǎo)致了塔城盆地的厚層黃土的沉積。

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Formation of the Tacheng Loess, Xinjiang

LI Yun, SONG You-gui, YAN Li-bin, CHEN Tao
(State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710075, China)

Loess deposits in Central Asia provide an important record of regional climate and environment change. However, in contrast to the intensively investigated loess deposits on the Chinese Loess Plateau (CLP), loess sediments in the Tacheng Basin of eastern Central Asia are poorly understood. In this study, the grain-size features of the Tacheng loess are compared with the Ili loess (Qingshuihe section and Zeketai section) in the west of China and Chaona loess in the Chinese Loess Plateau. The results indicate that the grain-size characteristic of the Tacheng loess is similar to the Qingshuihe loess in the west of the Ili Basin, and displays a trimodal distribution, and undergoes poor differentiation, the grain-size content of the f ne and middle competent is small, while the coarse competent is large, so we conclude that the Tacheng loess is of near-source aeolian origin. Combined with regional topographic and climatic characteristics, we suggest that Sary-Ishikotrau Desert provides a sustained source of dust, westerly provides adequate wind energy to transport the dust and an intermontane basin resembling a trumpet shaped terrain facing the west gives a suitable accumulation site for dust, these three fundamental requirements lead to the formation of the loess in Tacheng.

Tacheng; loess; grain size; formation environment; Central Asia

P512

：A

：1674-9901(2014)02-0127-08

10.7515/JEE201402010

2014-02-25

中國科學(xué)院科技創(chuàng)新交叉團(tuán)隊和自主布署項目（ZZBS1301）

宋友桂，E-mail: syg@ieecas.cn