遠(yuǎn)源地下水入侵阿拉善高原沙漠：酸溶物Sr同位素證據(jù)

潘耀東， 饒文波, 王 嘯

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098)

巴丹吉林和騰格里沙漠位于內(nèi)蒙古的阿拉善高原，擁有大量永久性湖泊，這些湖泊與毛烏素和塔克拉瑪干沙漠中隨季節(jié)變化的海子有明顯的不同[1].另外，巴丹吉林沙漠大沙丘20 cm以下相對濕潤，并且在湖泊和沙丘中普遍存在鈣華、根管結(jié)核和鈣質(zhì)膠結(jié)層.對這些現(xiàn)象的解釋，目前有兩種不同的觀點(diǎn).一種觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)遠(yuǎn)源地下水的重要作用.祁連山雪水通過深大斷裂流經(jīng)碳酸鹽地層流向巴丹吉林沙漠，并維系其中的湖泊和地下水[2].另一種觀點(diǎn)則突出當(dāng)?shù)亟涤甑闹鲗?dǎo)地位.在巴丹吉林沙漠中盡管降雨直接補(bǔ)給的湖泊很少，但由降雨形成的地下水是湖泊的主要水源[3].對騰格里沙漠過去4萬年來的湖相沉積研究[4]也認(rèn)為古湖泊高水位事件(大湖期)是氣候變暖、降雨量增加的結(jié)果.不過，大湖期事件在北方其他地區(qū)同樣存在，具有區(qū)域一致性，是對全球氣候變暖的響應(yīng)[5].隨著南水北調(diào)工程的逐步實(shí)施，這兩種觀點(diǎn)間的爭論愈演愈烈.北方地區(qū)的水問題也因此獲得了更多的關(guān)注.

Sr2+和Ca2+有相同的離子半徑，在含鈣礦物中Sr2+經(jīng)常類質(zhì)同象替代Ca2+.由于次生碳酸鹽在形成過程中攜帶其他來源的Sr2+，導(dǎo)致其中的87Sr/86Sr發(fā)生不同程度的變化，因而，次生碳酸鹽Sr同位素示蹤土壤物質(zhì)來源和化學(xué)風(fēng)化具有很大的潛能[6].塔克拉瑪干、巴丹吉林、騰格里和毛烏素沙漠自西向東依次排列，相應(yīng)地，其氣候特征也呈現(xiàn)明顯的漸變趨勢(圖1)[7]，且礦物組成相似[7-9]，平均εNd(0)值差別?。?/p>

其中(143Nd/144Nd)CHUR為0.512 638，但碳酸鹽在4個(gè)沙漠中的含量各不相同[8-11]，方解石仍然是各沙漠沙的主要礦物[8-10]，其中，次生方解石87Sr/86Sr比值的變化反映不同因素對沙漠環(huán)境的影響.本研究測定塔克拉瑪干、巴丹吉林、騰格里和毛烏素沙漠地表沙醋酸酸溶物的87Sr/86Sr比值(質(zhì)量比，全文同)，探討不同沙漠中該比值變化的原因，旨在上述兩種觀點(diǎn)爭論的關(guān)鍵問題：阿拉善高原沙漠究竟受不受遠(yuǎn)源地下水的明顯影響，若有，其影響程度有多大.

圖1 塔克拉瑪干、巴丹吉林、騰格里、毛烏蘇沙漠采樣位置及其εNd(0)和酸溶物87Sr/86Sr的平均值

Figure 1 Locations of samples in Taklimakan, Badain Jaran, Tengger and Mu Us deserts and the isotopic averages for the acid soluble87Sr/86Sr ratios and εNd(0) values

1 樣品與方法

從4個(gè)沙漠中共采集了44個(gè)地表沙樣.其中，塔克拉瑪干沙漠10個(gè)、巴丹吉林沙漠10個(gè)、騰格里沙漠14個(gè)、毛烏素沙漠10個(gè)(圖1).所有樣品自然風(fēng)干，均勻混合、磨細(xì)，干燥保存.用100 mL 0.5 mol/L醋酸溶液(足量)浸泡定量樣品，8 h后過濾，提取清液.0.5 mol/L醋酸溶液在室溫條件下只能溶解方解石等易溶礦物，而不能破壞白云石、長石以及粘土礦物等碎屑物[11].因此，提取的清液主要是方解石溶解液.清液陽離子濃度在南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心ICP-AES實(shí)驗(yàn)室測定，誤差為±2%.另外，用標(biāo)準(zhǔn)離子交換柱方法提取上述清液中的Sr2+.Sr同位素比值在南京大學(xué)地球科學(xué)系固體質(zhì)譜同位素實(shí)驗(yàn)室的Triton TI表面熱電離同位素質(zhì)譜儀上測定.實(shí)驗(yàn)中NBS987標(biāo)樣的測定值(重復(fù)樣15個(gè))為：m(87Sr)/m(86Sr)=0.710 268±2(m(86Sr)/m(88Sr)=0.119 400)，分析空白：Sr<1ng.

2 結(jié)果

沙樣品的Nd同位素平均εNd(0)值取其所在沙漠地表各類沉積物εNd(0)值的平均[12-15](圖1)，本研究中某一沙樣品酸溶物87Sr/86Sr的平均值為其所在沙漠地表沙樣酸溶物87Sr/86Sr比值的平均.

4個(gè)沙漠地表沙酸溶物87Sr/86Sr比值，Ca2+和Sr2+質(zhì)量比數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示.塔克拉瑪干沙漠酸溶物Ca2+質(zhì)量比最高，在44 615.0～55 684.0 μg/g之間變化，平均值為49 031.0 μg/g.其次為巴丹吉林沙漠，Ca2+質(zhì)量比在6 549.6～27 179.2 μg/g之間變化，平均值為13 799.9 μg/g.再次為騰格里和毛烏素沙漠，Ca2+質(zhì)量比分別在1 222.3～22 062.0 μg/g和82.7～18 500.8 μg/g之間，平均值分別為5 113.0和5 251.4 μg/g.塔克拉瑪干沙漠酸溶物中Sr2+質(zhì)量比最高，在75.2～108.6 μg/g變化，平均值為85.3 μg/g.其次為巴丹吉林沙漠，酸溶物Sr2+質(zhì)量比在14.4～66.4 μg/g之間，平均值為32.0 μg/g.再次為騰格里和毛烏素沙漠，酸溶物Sr2+質(zhì)量比分別在4.2～61.6 μg/g和1.0～36.2 μg/g之間，其平均值分別為14.0和10.5 μg/g.酸溶物Ca2+和Sr2+質(zhì)量比在4個(gè)沙漠中的變化非常相似，并且自西向東都逐漸降低.這種變化特征與4個(gè)沙漠降雨量的變化明顯相反，而與蒸發(fā)量的變化相似[7].降雨量可能是控制沙漠沙物質(zhì)易溶組分溶解、流失最直接的因素.Ca2+與Sr2+的相關(guān)性也極高(相關(guān)系數(shù)R=0.98)，表明Sr2+可視為Ca2+來源的理想示蹤劑.

圖2 Ca2+和Sr2+質(zhì)量比的空間變化及相關(guān)性(R=0.98)

Figure 2 Spatial variation and correlation of Ca2+and Sr2+concentrations (R=0.98)

圖3 酸溶物87Sr/86Sr-Ca2+/Sr2+圖

Figure 387Sr/86Sr vs. Ca2+/Sr2+of acid soluble fractions for surface sands

塔克拉瑪干沙漠酸溶物87Sr/86Sr比值在0.709 5～0.710 0之間(圖3)，平均值為0.709 7.巴丹吉林沙漠酸溶物87Sr/86Sr比值在0.711 2～0.711 8之間，平均值為0.711 5.騰格里沙漠酸溶物87Sr/86Sr比值在0.711 3～0.713 1之間，平均值為0.711 9.毛烏素沙漠酸溶物87Sr/86Sr比值在0.710 4～0.711 2之間，平均值為0.710 9.這4個(gè)沙漠酸溶物87Sr/86Sr比值表現(xiàn)出明顯的區(qū)域特征.不過，這種特征與陽離子質(zhì)量濃度的變化不一致，與降水量、溫度以及蒸發(fā)量的變化特征之間也沒有規(guī)律可循[7]，說明同位素特征記錄的信息在元素特征上并沒有反映出，暗示了同位素示蹤的優(yōu)越性.

另外，毛烏素與塔克拉瑪干沙漠酸溶物Ca2+/Sr2+變化大體一致，在500～600之間，而與巴丹吉林、騰格里沙漠的明顯不同(圖3).這一特征似乎反映了毛烏素沙漠與塔克拉瑪干沙漠酸溶物組分所受的影響因素與巴丹吉林、騰格里沙漠不同.

3 討論

北方沙漠中方解石為主要溶解物質(zhì).由于原生碳酸鹽主要由沙漠及周圍地區(qū)廣泛分布的海相碳酸鹽巖和少量的非海相碳酸鹽巖機(jī)械破碎而來，其87Sr/86Sr比值與源巖的一致，基本上在海水Sr同位素比值的變化范圍內(nèi).次生方解石是原生碳酸鹽和硅酸鹽組分化學(xué)風(fēng)化的物質(zhì)進(jìn)入土壤溶液再結(jié)晶的產(chǎn)物.如果僅為原生碳酸鹽的化學(xué)風(fēng)化，那么，次生方解石的Sr同位素比值應(yīng)該與原生碳酸鹽的一樣.相對于原生碳酸鹽，如果酸溶物87Sr/86Sr比值發(fā)生了變化，那么硅酸鹽組分肯定發(fā)生了化學(xué)風(fēng)化，碳酸鹽也可能遭受了淋濾.氣候變化是一個(gè)可能的關(guān)鍵因素.另外，北方沙漠之下有豐富的地下水，因而，地下水也是分析酸溶物87Sr/86Sr比值變化時(shí)需要考慮的一個(gè)因素.即北方沙漠酸溶物87Sr/86Sr比值的變化可能受沙物質(zhì)特征、氣候變化以及地下水等因素的影響.

沙漠及其周圍廣泛分布不同時(shí)期的海相碳酸鹽.由于北方干旱-半干旱區(qū)的化學(xué)風(fēng)化總體上較弱，沙漠中的碳酸鹽物質(zhì)主要來自這些原生碳酸鹽，因此，4個(gè)沙漠沙物質(zhì)碳酸鹽組分相似，僅含量不同[6].分析塔克拉瑪干、巴丹吉林、騰格里和毛烏素沙漠沙物質(zhì)Nd同位素?cái)?shù)據(jù)[13-15]，發(fā)現(xiàn)4種沙漠沙平均εNd(0)值非常相近，不同沙漠之間的差別僅在誤差以內(nèi)(圖1).εNd(0)值不受粒度和風(fēng)化的制約，其繼承源巖的特征，實(shí)際上反映了沙物質(zhì)硅酸鹽組分的性質(zhì).因此，這4個(gè)沙漠沙物質(zhì)硅酸鹽組成相似，該結(jié)論已得到礦物學(xué)工作的證實(shí)[8-10].由此，本文分析沙漠酸溶物87Sr/86Sr比值變化的因素時(shí)只需考慮氣候變化和地下水的影響.

塔里木盆地地下水豐富，周邊河流非常發(fā)育.這些水主要來自周圍山脈的雪水，其次為當(dāng)?shù)亟涤?由于塔里木盆地由西南向東北傾斜，其西北部河水主要沿塔里木河流向羅布泊，這部分水對沙漠主體的地表沙的影響不大(圖4).其西南部河流從塔里木盆地邊緣流向塔克拉瑪干沙漠主體不到200 km就徹底消失[8]，蒸發(fā)可能是主要的原因，其次是地表水逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩^深層的地下水.由于河流的消失，這部分地下水顯然無力入侵地表沙(圖4).沙漠主體也發(fā)現(xiàn)有淺層地下水，主要由當(dāng)?shù)亟邓纬?，因而，它對沙漠酸溶?7Sr/86Sr比值變化的影響可歸為氣候變化的影響范疇.圖4中，塔里木中部沙漠沙酸溶物的87Sr/86Sr比值明顯低于其西部河水和東部羅布泊鹵水，表明塔里木中部的地表沙不受外源因素的影響.因此，盡管塔克拉瑪干沙漠的降水量少、蒸發(fā)量極大，氣候變化依然是地表沙酸溶物87Sr/86Sr比值變化的主導(dǎo)因素.

圖4 塔里木盆地簡圖及其西部河水和東部鹵水87Sr/86Sr比值與中部地表沙酸溶物87Sr/86Sr比值的比較

Figure 4 Sketch map of the Tarim Basin and Sr isotopic comparisons of the river water in the west part, brine water in the east part with acid soluble fractions of surface sands in the middle part of the Tarim Basin

毛烏素沙漠地下水豐富，由降水引起,不存在遠(yuǎn)源地下水(青藏高原、祁連山)對地表沙的影響.降水形成的地下水對地表沙的作用屬于氣候變化的影響范疇.

對塔克拉瑪干和毛烏素沙漠的分析表明地表沙不受遠(yuǎn)源地下水的作用，僅受氣候變化的影響.降雨量低的塔克拉瑪干沙漠其酸溶物87Sr/86Sr比值較低，降雨量高的毛烏素沙漠其87Sr/86Sr比值高(圖5).這兩處沙漠地表沙酸溶物Sr同位素的平均比值與氣候要素(降雨量)之間存在正相關(guān)的線性函數(shù)關(guān)系：

y=4×10-6x+0.709 6,

y代表平均的酸溶物87Sr/86Sr比值，x代表年平均降雨量(mm).如果把北方海相碳酸鹽作為低端元組分(以顯生宙海相碳酸鹽為代表，其平均87Sr/86Sr比值為0.708 0)，上部陸殼硅酸鹽組分為高端元組分(以靈臺(tái)剖面0.5 mol/L 醋酸酸不溶物為代表，其7Ma以來的87Sr/86Sr平均值為0.721 6)，那么，經(jīng)計(jì)算塔克拉瑪干沙漠地表沙酸溶物中有13%的Sr來自硅酸鹽組分，毛烏素沙漠地表沙酸溶物中有21%的Sr來自硅酸鹽組分.通常，硅酸鹽的87Sr/86Sr比值較高，而碳酸鹽87Sr/86Sr比值較低.雨量大，化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)，硅酸鹽易溶解.硅酸鹽風(fēng)化釋放出較多的87Sr進(jìn)入次生碳酸鹽中，因而導(dǎo)致了碳酸鹽的87Sr/86Sr增高；相反，雨量小，化學(xué)風(fēng)化弱，硅酸鹽風(fēng)化釋放的87Sr少，因而，次生碳酸鹽87Sr/86Sr比值較低.因此，計(jì)算結(jié)果表明，自西向東隨降水量的增加，硅酸鹽組分的化學(xué)風(fēng)化逐漸增強(qiáng)，次生碳酸鹽的Sr同位素比值升高.

巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠處于東亞季風(fēng)的西北緣，處于西風(fēng)帶的控制之中，屬于內(nèi)陸溫帶干旱性氣候，其氣候要素(主要是降水量和蒸發(fā)量)介于塔克拉瑪干沙漠和毛烏素沙漠之間.如果巴丹吉林和騰格里沙漠僅受氣候因素的影響，那么，這兩處沙漠地表沙酸溶物87Sr/86Sr平均值應(yīng)介于塔克拉瑪干沙漠和毛烏素沙漠之間，理論上等于兩處沙漠酸溶物87Sr/86Sr比值之間連線的垂直投影點(diǎn)(即a、b兩點(diǎn)，分別為0.709 9和0.710 2)，而實(shí)際上存在差異(圖5).本研究所測定的巴丹吉林和騰格里沙漠地表沙酸溶物87Sr/86Sr比值均高出理論值0.001 7左右，明顯高于塔克拉瑪干沙漠和毛烏素沙漠(圖5).因此，巴丹吉林和騰格里沙漠地表沙除受氣候因素影響外，還存在另一個(gè)重要的影響因素，即遠(yuǎn)源地下水.

圖5 酸溶物87Sr/86Sr比值的平均值與氣候變化的關(guān)系

Figure 5 The relationship between the average87Sr/86Sr ratios of acid soluble fractions and climate factors

c、d點(diǎn)代表各沙漠測量的平均值, a、b點(diǎn)代表理論推導(dǎo)值

Chen等[2]的研究表明巴丹吉林沙漠存在巨大的地下水庫，主要源于500公里以外的祁連山雪水，該沙漠湖心中的鈣華Sr同位素比值在0.710 0～0.713 0之間變化，此范圍與本文測定的酸溶物Sr同位素比值范圍相近.因此，巴丹吉林沙漠酸溶物Sr同位素比值比塔克拉瑪干和毛烏素沙漠的高，可解釋為：(1)遠(yuǎn)源地下水通過深大斷裂，流經(jīng)古老的鋁硅質(zhì)巖石，大量的放射性成因Sr進(jìn)入巴丹吉林沙漠，使沙物質(zhì)酸溶物的Sr同位素比值較高；(2)遠(yuǎn)源地下水為巴丹吉林沙漠提供了豐富的水源，因而化學(xué)風(fēng)化作用較強(qiáng)，使得更多的放射性成因Sr從沙漠沙硅酸鹽組分中釋放出來，同樣導(dǎo)致酸溶物Sr同位素比值高于其它沙漠.騰格里沙漠有更多的大小不同的永久性湖泊，其酸溶物Sr同位素比值比巴丹吉林的高.因此，騰格里沙漠也存在深層地下水的入侵.如果以顯生宙海水Sr同位素比值的平均作為原生碳酸鹽的標(biāo)準(zhǔn)，利用線性函數(shù)關(guān)系：y=4×10-6x+0.709 6，遠(yuǎn)源地下水影響份額按以下公式計(jì)算：

計(jì)算出遠(yuǎn)源地下水對巴丹吉林沙漠影響的份額占47%，對騰格里沙漠影響的份額占44%，而氣候因素分別占53%和56%.

綜上所述，北方4個(gè)沙漠酸溶物中Sr同位素比值有明顯的區(qū)域性變化特征.巴丹吉林和騰格里沙漠酸溶物Sr同位素比值除受氣候變化的影響外還受到遠(yuǎn)源地下水的顯著影響.

4 結(jié)論

本文采集塔克拉瑪干、巴丹吉林、騰格里和毛烏素4個(gè)沙漠44個(gè)地表沙樣，采用0.5 mol/L醋酸溶液，并測定Ca2+和Sr2+質(zhì)量比，以研究降水、地下水等因素對Sr同位素比值的影響.Ca2+和Sr2+質(zhì)量比在塔克拉瑪干沙漠中最高，在毛烏素沙漠中最低.降雨量是控制陽離子濃度變化的主導(dǎo)因素.酸溶物87Sr/86Sr比值在4個(gè)沙漠中有不同于陽離子變化的區(qū)域特征.巴丹吉林和騰格里沙漠地表沙酸溶物87Sr/86Sr比值>0.711 2，明顯高于塔克拉瑪干(<0.709 7)和毛烏素沙漠(0.710 0～0.711 2)的值.巴丹吉林和騰格里沙漠除了受氣候因素影響外還受其它因素的制約，即遠(yuǎn)源地下水.遠(yuǎn)源地下水對巴丹吉林沙漠的影響份額為47%，對騰格里沙漠為44%，接近氣候因素的影響.

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