納米比亞紅沙漠沙粒特征及其成因

王樹樹，董國臣

中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京100083

0 引言

紅沙漠在世界上并不多見，目前已知的僅有澳大利亞的吉步生沙漠(Gibson Desert)以及納米比亞紅沙漠(Namib Sand Sea)，其中當(dāng)屬納米比亞紅沙漠最為典型和壯觀。納米比亞紅沙漠的研究工作很多，主要集中于沙丘的地形地貌及沉積結(jié)構(gòu)方面[1-5]，但有關(guān)沙漠呈現(xiàn)紅色原因研究較少[6-8]，對于具體致色因素及其形成環(huán)境尚無定論。之所以討論其“紅色”特征，是因?yàn)榭梢酝ㄟ^顏色變化研究其風(fēng)化沉積體系和沙漠的形成環(huán)境等。根據(jù)已有研究成果，顏色變化主要是由于石英顆粒外部的鐵氧化物和黏土礦物包裹物的富集程度的差異[6, 9-11]，但對于具體的礦物成分尚無定論。筆者主要對東部的紅棕色沙粒進(jìn)行研究，分析紅棕色包裹物的分布及其元素含量，探討沙漠紅色成因。

1 沙漠基本特征

納米比亞紅沙漠位于非洲西南部，沿海岸延伸大約1 000 km，是典型的沿海沙漠[12]，南抵盧德立次，北達(dá)奎斯布河流，西接大西洋海岸，東連大陡崖(圖1)。在納米比亞紅沙漠上有許多季節(jié)性的河流，例如津達(dá)布河，水流主要由降雨提供，自東向西流入沙漠的東部邊緣。納米比亞紅沙漠是一個(gè)規(guī)模巨大而復(fù)雜的沙丘系統(tǒng)，普遍認(rèn)為是從上新世開始發(fā)育[13]。其下伏地層主要為Tsondab砂巖和Karpfenkliff礫巖。Tsondab砂巖形成于古近紀(jì)，厚50～100 m，巖性為鐵氧化物和碳酸鈣膠結(jié)的紅色砂巖[13]。在沙漠東部沙丘間可見巖體出露，在西北部則被河流相礫巖所覆蓋。

納米比亞沙漠的顏色極具標(biāo)志性，由西到東其顏色呈現(xiàn)顯著的變化特征，西部為淺黃色，到中部逐漸過渡為棕黃色，再向東則變?yōu)榧t棕色。前人對于這種顏色特征的形成原因提出了多種假設(shè)[14-17]，包括由西到東沙漠年齡差異、搬運(yùn)磨蝕程度、源區(qū)差異以及氣候梯度問題等，但尚未得出統(tǒng)一結(jié)論。

圖1 納米比亞沙漠砂體分布圖[7]Fig.1 Sand distribution map of Namibia desert

2 沙粒特征

樣品采自納米比亞紅沙漠東北部的紅棕色沙區(qū)(圖1)，取沙漠樣品共1 486粒，在雙目鏡(型號XTL-340P)下對沙粒的形態(tài)特征、表面紅棕色物質(zhì)進(jìn)行初步觀察分類，借助電子顯微鏡觀察了沙粒的成分，蝕變特征。

2.1 沙粒類型

沙漠樣品中隨機(jī)取出1 486粒砂，經(jīng)鑒別分析表明，沙粒絕大部分為石英，占91%，還有巖屑5%，長石4%，大部分沙粒表面均有紅色包裹物，呈斑駁狀分布，表面凹陷處尤其富集(圖2，表1)：

圖2 沙粒礦物成分餅圖Fig.2 Pie chart of mineral compositions of sand

表1 沙粒礦物成分統(tǒng)計(jì)表

石英根據(jù)其形貌可以分為5大類(表1)，其中淺黃糙面石英數(shù)量最多，占樣品總量74.36%(圖3a)，以次棱角狀為主，紅色包裹物主要充填在凹陷處；淺黃光滑石英占總數(shù)的10.16%，多呈半透明淺黃色，大部分表面紅色包裹物較少；含雜質(zhì)石英顆粒內(nèi)有斑狀的黑色或紅色雜質(zhì)(圖3c)，雜質(zhì)通常占據(jù)石英顆粒體積的10%～40%，不透明，雜質(zhì)多呈橢球狀被石英包裹，個(gè)別雜質(zhì)為不規(guī)則狀。淺色糙面石英(圖3c)多為無色透明、灰白色半透明，粒徑偏小，含量很少；另有一些深色石英顆粒(圖3c)，多為橢球狀，顏色以深紅棕色為主，表面紅色包裹物不明顯；巖屑(圖3d)和長石顆粒(圖3c)含量都較少，其中巖屑多為深色或淺綠色，淺綠色多為粉砂巖巖屑，深紅色巖屑多含石英，有油脂光澤，其余為深灰色巖屑；長石顆粒均為白色，棱角狀，表面基本無紅色包裹物。

2.2 沙粒形態(tài)特征

從雙目鏡及顯微鏡下進(jìn)行觀察，整體來看沙粒的磨圓程度低(圖3、4)，球狀、橢球狀約30%，次棱角狀約60%，尖棱角狀約10%。沙粒分選性好，區(qū)域內(nèi)粒徑呈正態(tài)分布(2.1±0.2φ, σ 0.37±0.02φ, Sk 0.0±0.0, Ku 2.7±0.0)[17-18]。

不同的沙粒磨圓度稍有不同，第一種是沙粒中含量最多的淺黃糙面石英顆粒(圖3a)，以棱角狀-次棱角狀為主，少見橢球狀，顆粒大小相差不大，表面凹陷處有紅色包裹物充填。第二種是淺黃光滑石英顆粒，以次棱角狀-橢球狀為主(圖3b)，橢球狀顆粒相對較多，其表面凹槽較少，紅色包裹物的富集程度呈現(xiàn)出兩種特點(diǎn)：①表面較圓滑，凹槽少，富集點(diǎn)少，紅色包裹物在顆粒表面附著；②紅色包裹物較多，除在凹槽處富集外，在顆粒表面大量附著。第三種是淺色糙面石英顆粒(圖3c)，以次棱角狀為主，表面紅色包裹物較少。第四種是含雜質(zhì)石英(圖3c)，以橢球狀為主，表面光滑，紅色包裹物少。深色光滑石英主要為橢球狀，磨圓度與巖屑及淺黃光滑石英相近，表面紅色包裹物少。巖屑顆粒(圖3d)為次棱角狀-橢球狀，以橢球狀居多，顏色雜亂，以深色顆粒為主，表面紅色包裹物含量較少，呈現(xiàn)其本身的顏色。

3 沙粒成分特征

本次研究中將沙粒制成薄片，針對不同的沙粒沙體及其紅色包裹物進(jìn)行了分析測試，確定其成分特征。

沙粒不同于塊狀巖石，在制備薄片時(shí)，要先在毛玻璃上鋪一層較厚的環(huán)氧基樹脂，并及時(shí)將沙粒撒在環(huán)氧基樹脂上，以50℃低溫烘烤約6～8 h，以便固結(jié)、硬化，完成后進(jìn)行切割、研磨及拋光的工作。借助電子顯微鏡觀察沙子的成分特征、剝蝕程度及包裹物的分布情況。

按照鋯石制靶的方法處理樣品，在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院進(jìn)行掃描電鏡的實(shí)驗(yàn)，所使用的儀器是場發(fā)射掃描電鏡FEI Nova Nano SEM450，分析沙粒表面元素的分布特征。

3.1 沙粒成分

電子顯微鏡分析表明，沙粒成分以石英單礦物顆粒為主，約91%，少量的巖屑(5%)及少量的長石(4%)。

石英以次棱角狀為主，粒徑為100～400 μm，約80%的顆粒粒徑為300～400 μm(圖4a)。顆粒表面大部分有紅色的包裹物，厚約5～10 μm，包裹物在顆粒的凹陷處尤其富集(圖4a)。

長石以次棱角狀為主，可見少量紅色包裹物，表面不同程度蝕變，主要為絹云母化(圖4c)，從鏡下觀察結(jié)果來看，長石中鉀長石偏多，占長石總量約60%，其余為斜長石，鉀長石普遍發(fā)育格子雙晶(圖4b, 4c)和簡單雙晶，斜長石主要發(fā)育聚片雙晶。

巖屑顆粒包括火山碎屑巖、粉砂巖、泥巖和巖體巖屑(圖4a, 4b)，以橢球狀為主，表面的紅色包裹物較少。其中粉砂巖巖屑顆粒為棕色，火山碎屑巖巖屑顆粒相對復(fù)雜，顆粒內(nèi)部可見多種硅酸鹽礦物顆粒(長石、石英、角閃石、輝石和綠簾石等)，常見角閃石、石榴子石(圖4a, 4d)和綠簾石，偶見輝石，見圓形石榴子石顆粒內(nèi)包裹鎂橄欖石顆粒(圖4d)。

沙粒中常見一種深紅棕色顆粒(圖4a)，單偏光和正交光下均為深紅棕色，是不透明的Fe-Ti-Cr氧化物顆粒[18]。

在掃描電鏡下針對沙粒表面中心不同位置進(jìn)行分析，確定元素分布特征及礦物種類。

分析結(jié)果(表2)可以初步分為兩大類：單礦物顆粒、巖屑顆粒，其中單礦物顆粒主要為石英和長石顆粒。通過掃描電鏡能譜分析表明，大部分礦物顆粒成分單一，少數(shù)單礦物顆粒內(nèi)包裹其他礦物顆粒，如斜長石顆粒內(nèi)部包裹氟磷灰石(圖5)，主礦物為斜長石(O 47.99 wt.%，Si 28.62 wt.%，Al 13.04 wt.%，Na 6.23 wt.%，Ca 3.94 wt.%)，內(nèi)部氟磷灰石顆粒(O 39.55 wt.%，Ca 37.48 wt.%，P 18.29 wt.%)，直徑約160 μm，橢圓狀。還有石英內(nèi)部包裹獨(dú)居石(圖5)，主礦物為石英(O 53.26 wt.%，Si 46.74 wt.%)，內(nèi)部包裹獨(dú)居石礦物顆粒(O 30.2 wt.%，Ce 21.98 wt.%，P 12.66 wt.%，La 10.91 wt.%，Nd 8.12 wt.%)，獨(dú)居石顆粒直徑約402 μm，截面為橢圓狀。

巖屑顆粒成分復(fù)雜，通常包含兩種或兩種以上礦物，且為硅酸鹽礦物(圖6)，包括由石英(60號點(diǎn))和鉀長石(59號點(diǎn))組成的顆粒以及中長石(63號點(diǎn))和多種礦物(64號點(diǎn))(圖6)組成的巖屑顆粒，前者的成分分別為石英(O 53.26 wt.%和Si 46.74 wt.%)(圖6a)和鉀長石(O 46.08 wt.%，Si 30.12 wt.%，Al 10.04 wt.%，K 12.74 wt.%)(圖6b)，鉀長石穿插在石英內(nèi)部。而后者的成分分別為具有裂紋的中長石(O 47.36 wt.%，Si 26.65 wt.%，Al 14.25 wt.%，Na 4.88 wt.%，Ca 6.16 wt.%)(圖6d)和其他礦物顆粒(O 42.29 wt.%，Si 23.66 wt.%，F(xiàn)e 12. 1 wt.%，Ca 11.26 wt.%, Mg 6.8 wt.%)(圖6c)，該點(diǎn)不止由一種礦物組成，其中，中長石沿不明礦物顆粒裂隙生長。

3.2 沙粒表面紅色包裹物

目前普遍認(rèn)為沙子顆粒表面的紅色包裹物為鐵氧化物和黏土礦物，發(fā)紅的程度主要取決于紅色包裹物中氧化鐵的含量。研究過程中借助掃描電鏡，對這種紅色包裹物的成分進(jìn)行了分析(圖7)。

針對沙粒邊緣的紅色包裹物(圖7)的分析結(jié)果表明，不同顆粒上的紅色包裹物的元素含量特征基本一致(圖8a)，其中O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在43.5 wt.% ～ 50.12 wt.%， Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在23.06 wt.% ～ 38.15 wt.%范圍內(nèi)變化，同時(shí)，F(xiàn)e，Al呈現(xiàn)明顯的富集(Fe: 2.59 wt.% ～ 15.06 wt.%; Al: 3.67 wt.% ～ 18.48 wt.%)，Mg，K，Ca，Ti相對富集(Mg: 0.67 wt.% ～ 7.26 wt.%；K: 0.56 wt.% ～ 3.66 wt.%; Ca: 4.03 wt.% ～ 0.15 wt.%; Ti: 0.27 wt.% ～ 1.94 wt.%)，說明除鐵氧化物外，主要成分為硅酸鹽礦物。對26組紅色包裹物分析表明，紅色包裹物具有明顯的元素分布特征，表現(xiàn)為O，Si元素含量穩(wěn)定偏高，均值分別為46.23 wt.%和27.24 wt.%；Fe，Al含量較高，分別為9.41 wt.%和10.28 wt.%，Mg，K，Ca，Ti含量較低，個(gè)別點(diǎn)還有極少量的Cl和P元素，含量均<0.7 wt.%(圖5)。

a. 淺黃糙面石英；b. 淺黃光滑石英；c. 雜色石英(淺色糙面，含雜質(zhì)、深色光滑)；d. 巖屑顆粒。圖3 沙粒特征(雙目鏡下)Fig.3 Characteristics of sand (under binocular)

a. 單偏光下沙粒特征；b. 正交光下沙粒特征；c.長石；d. 石榴子石包裹鎂橄欖石。圖4 沙粒顯微鏡下特征Fig.4 Characteristics of sand under microscope

a.斜長石；b.氟磷灰石；c.石英；d.獨(dú)居石。圖5 包含結(jié)構(gòu)礦物成分分析Fig.5 Mineral composition analysis of poikilitic texture

a.石英；b.鉀長石；c.中長石；d. 巖屑。圖6 礦物及巖屑顆粒分析結(jié)果Fig.6 Analysis results of minerals and rock fragment grains

a. 不規(guī)則石英；b. 空心石英；c.橢球狀石英；d. 凹陷石英；e. 不規(guī)則沙粒；f. 不規(guī)則沙粒。圖7 紅色包裹物沙粒的點(diǎn)掃描照片F(xiàn)ig.7 Point scan photographs of sand with red coating

對紅色包裹物中Fe，Mg，Al，K這4種主要元素進(jìn)行分析，可以看出Fe，Mg元素具有一定的正相關(guān)性(圖8b)，但相關(guān)度不高，且非線性相關(guān)，是由于紅色包裹物中的一部分Fe與Mg一起進(jìn)入黏土礦物晶格，另一部分則作為鐵氧化物存在，且Mg與K的相關(guān)性很高，為正相關(guān)關(guān)系，接近線性相關(guān)(圖8f)，說明Mg主要賦存于富K的黏土礦物中，如伊利石。Fe與K相關(guān)性較差，但同樣有正相關(guān)關(guān)系(圖8e)，說明賦存在黏土礦物中的Fe與Mg一致，均存在于富K的黏土礦物中。從Fe與Al的關(guān)系圖中可以看出，大部分紅色包裹物中的Al集中在10 wt.%±，且在這個(gè)范圍內(nèi)，F(xiàn)e含量變化較大，但大部分都>8 wt.%，當(dāng)Al含量<5 wt.%時(shí)，F(xiàn)e含量集中在8 wt.%±，當(dāng)Al含量>15 wt.%時(shí)，F(xiàn)e含量<4 wt.%(圖8c)。Mg與Al 同樣可以分為3類(圖8d)，低Mg低Al(Mg含量<3wt.%，Al含量<9 wt.%)，高M(jìn)g高Al(Mg含量>2.5wt.%，Al含量>9 wt.%)，以及低Mg高Al(Mg含量<2.5wt.%，Al含量>15 wt.%)。

a.紅色包裹物成分特征；b.Mg-Fe圖解；c.Fe-Al圖解；d.Mg-Al圖解；e.Fe-K圖解；f.Mg-K圖解。圖8 紅色包裹物分析數(shù)據(jù)圖解Fig.8 Diagrams for analysis data of red coating materials

選取不同大小的顆粒進(jìn)行面掃描，統(tǒng)一調(diào)節(jié)對比度對比分析確定了顆粒表面紅色包裹物成分。石英顆粒紅色包裹物掃描可以看出，由于沙粒本身為石英，其Si和O含量很高(圖9b, c)，Al、Fe、Mg、K、Ca、Cl等元素也明顯富集(圖9d-i)，其中Al含量最高，F(xiàn)e和Mg次之，K和Ca含量較低，Cl含量最低。掃描圖中還顯示，紅色包裹物主要集中在顆粒凹陷和裂隙部分，在顆粒平滑表面少而薄，且在表面凹陷和裂隙處成分存在差異，在顆粒裂隙處Al、K、In兩種元素富集明顯，Mg、Fe含量較少；在顆粒凹陷處Al、Mg、Fe富集明顯，另有少量的K、 Ca和極少量的Cl。

4 討論

4.1 沙粒特征及其搬運(yùn)距離

根據(jù)本文鑒別，納米比亞沙漠顆粒形態(tài)變化較大，主體以次橢球狀和次棱角狀顆粒為主，而非次橢球狀[20]。不同種類的沙粒磨圓度也存在差異，淺黃色透明石英磨圓度最低，表明搬運(yùn)距離較短；淺黃色半透明的平滑石英顆粒磨圓度最高，均為橢球狀，顯然搬運(yùn)距離最長；而雜色石英和巖屑主要為次橢球狀顆粒，介于二者之間。整體說明沙漠東部(采樣位置)沙粒是不同距離搬運(yùn)而來，而非單一源區(qū)。

a.背散射電子像片；b. Si；c. O；d. Al；e. Fe；f. Mg；g. K；h. Ca；i. Cl。圖9 沙粒紅色包裹物表面成分Fig.9 Composition of red coating of sand

從顆粒表面紅色包裹物分析，不同顆粒表面紅色包裹物的量存在差異。淺黃色透明石英顆粒表面最為粗糙，紅色包裹物最多，在表面凹陷處大量富集，使顆粒整體呈現(xiàn)淺紅棕色，與其搬運(yùn)距離相對應(yīng)，同時(shí)反映紅色物質(zhì)偏多。淺黃色半透明的平滑石英顆粒表面紅色包裹物較少，以薄層狀分布于顆粒表面，在顆粒凹陷處少量聚集；深紅棕色巖屑表面的紅色包裹物的分布與淺黃色平滑石英顆粒類似；另有少量無色、淺灰色石英顆粒、長石顆粒表面幾乎沒有紅色包裹物。紅色包裹物少，一方面受風(fēng)化巖石中鐵礦成分和含量的影響，另一方面受搬運(yùn)距離的影響。本文所研究顆?？赡苤饕芎笳哂绊懀措S著搬運(yùn)距離的增加其沙粒表面的紅色包裹物被磨蝕殆盡；當(dāng)然還受風(fēng)化巖石年齡和搬運(yùn)過程的影響[14-17]。

4.2 沙粒源區(qū)特征

納米比亞沙漠主要由石英、長石等單礦物顆粒和巖屑顆粒組成，淺黃糙面石英顆粒占74.36%，淺黃光滑石英占10.16%，雜色石英(淺色糙面石英、含雜質(zhì)石英和深色光滑石英)占6.73%，長石占3.77%，巖屑顆粒占4.98%。其中淺黃糙面石英與大部分長石顆粒均為次棱角狀，長石以鉀長石居多，且表面多發(fā)生絹云母化，說明花崗巖是沙粒的主要來源，且該源區(qū)位置較近，在掃描電鏡下發(fā)現(xiàn)有糙面石英顆粒內(nèi)部包裹獨(dú)居石顆粒，還見次棱角狀斜長石顆粒內(nèi)部包裹氟磷灰石，說明原巖體可能經(jīng)歷過溫度較高的偏基性巖漿和溫度較低的偏酸性巖漿的混合過程。雜色石英和巖屑顆粒磨圓度中等，巖屑成分復(fù)雜，在鏡下觀察到有火山碎屑巖、粉砂巖、泥巖和巖體巖屑顆粒，其中巖體巖屑顆粒主要由石英和長石等礦物組成，說明該源區(qū)巖石類型復(fù)雜，原巖包括花崗巖、火山碎屑巖、泥巖和粉砂巖。磨圓度最高的為淺黃光滑石英，接近橢球狀，原巖主要為花崗巖，且源區(qū)較遠(yuǎn)。

表2 紅色包裹物掃描電鏡分析結(jié)果一覽表

4.3 沙粒紅色包裹物礦物成分特征及其形成環(huán)境

納米比亞沙漠由西到東從淺黃色逐漸變化為紅棕色，其主要的致色因素是沙粒表面的紅色包裹物，其次是深紅棕色的礦物顆粒，當(dāng)具有紅色包裹物的顆粒含量超過75%時(shí)，沙漠即可呈現(xiàn)紅棕色，結(jié)合前人對納米比亞沙漠鐵氧化物含量的測定[20]，可推測，東部淺黃色沙漠具有紅色包裹物的顆粒<25%，向東含量逐漸升高且穩(wěn)定在75%。沙粒表層的紅色包裹物主要為O、Si、Fe、Al、Mg，還有少量的K、Ca、Ti和極少量的Cl、P。礦物組分為黏土礦物和鐵氧化物，根據(jù)沙粒成分特征得出花崗巖為主要原巖，還有一部分沙粒來源于火山碎屑巖、泥巖和粉砂巖。結(jié)合紅色包裹物各元素的含量，推測黏土礦物有伊利石、高嶺石、蒙脫石和綠泥石，高嶺石由長石風(fēng)化而成，蒙脫石由基性火山碎屑巖在堿性環(huán)境中風(fēng)化而成，綠泥石則來源于花崗巖體中的角閃石和黑云母。伊利石是由白云母、鉀長石風(fēng)化而來，同時(shí)是紅色包裹物中的K、Mg和部分Fe的主要來源。鐵氧化物為赤鐵礦與針鐵礦和少量的鈦鐵礦，是磁鐵礦、黃鐵礦經(jīng)歷風(fēng)化作用，先生成黃橙色的針鐵礦，進(jìn)一步脫水而轉(zhuǎn)化成紅色的赤鐵礦，與黏土礦物共同組成紅色包裹物。

黏土礦物及其組合可以揭示古氣候和沉積環(huán)境，伊利石是在氣溫稍低，弱堿性條件下風(fēng)化形成的，在干冷氣候下利于保存。高嶺石是酸性介質(zhì)下由富鋁硅酸鹽風(fēng)化，也可在低溫下熱液交代形成的，在溫暖潮濕的地方有利于形成和保存。蒙脫石形成于氣候相對濕潤較冷的環(huán)境中，而綠泥石則是在化學(xué)風(fēng)化作用低的環(huán)境中保存。紅色包裹物的這種礦物組合說明，由于原巖成分、形成環(huán)境和搬運(yùn)過程的影響，生成不同種類的黏土礦物，而納米比亞沙漠地區(qū)屬于亞熱帶半干旱氣候，氣溫較同緯度地區(qū)偏低，有利于黏土礦物和鐵氧化物的保存，形成了典型的紅色沙漠。

5 結(jié)論

(1)納米比亞紅沙漠沙粒成分以石英為主，有少量長石和巖屑顆粒，其成分特征顯示主要來源于花崗巖、火山碎屑巖、泥巖和粉砂巖等巖區(qū)。

(2)不同種類的沙粒磨圓度不等，其表面紅色包裹物含量有差異，暗示沙漠中沙粒經(jīng)不同距離搬運(yùn)后堆積而成。

(3)紅沙漠主要致色因素為表面的紅色包裹物，由鐵氧化物與黏土礦物(伊利石、高嶺石、蒙脫石和綠泥石)構(gòu)成，反映形成于偏冷潮濕環(huán)境。

致謝論文取樣過程中，得到了王根厚教授、史曉穎教授、王明啟教授及劉典波老師的幫助，樣品分析和解釋過程中掃描電鏡實(shí)驗(yàn)室老師給與了熱情指導(dǎo)，核工業(yè)研究所實(shí)驗(yàn)室的葛祥坤老師也幫助分析了部分?jǐn)?shù)據(jù)，在此一并表示感謝。