騰格里沙漠南緣風積物粒度空間分布及物源指示

高文婷, 王 斌, 彭 俊, 梁愛民

(1.陜西師范大學 地理科學與旅游學院, 西安 710062; 2.湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院, 湖南 湘潭 411103)

騰格里沙漠作為中國第四大沙漠，地處中國北方沙漠向黃土高原過渡的特殊地帶[1]，是黃土高原潛在粉塵源區(qū)[2]，也是我國沙塵暴源區(qū)及沙塵輸移的重要通道之一[1]。來自沙漠的粉塵會對生物地球化學循環(huán)、輻射平衡、空氣質量與人類健康等產生影響，沙漠甚至會影響整個地球系統(tǒng)。在土地荒漠化乃至全球變化的大背景下，騰格里沙漠作為中國北方重要的沙塵源區(qū)，因其對沙塵貢獻率較大而日益受到重視[3]。沉積物粒度特征可以表征風力對源區(qū)物質搬運與分選作用[1]，是風沙地貌學研究的基本手段之一，風沙的來源更是沙漠地貌和形成演化研究中必不可少的一部分，研究結果將促進對不同地表過程對構造運動和氣候變化響應的認識。

相比于周邊的巴丹吉林沙漠的物源研究來說，對騰格里沙漠粒度及物源研究還遠遠不夠，現(xiàn)有的分析僅集中在粒度組成及分布特征、區(qū)域變化、沉積構造和地球化學組成等方面[4]，且整個沙漠的研究主要集中在東南緣和北緣，對騰格里沙漠南緣的風積物粒度參數(shù)空間分布和物源分析研究較少。粒度參數(shù)對物源背景有重要的指代意義，沙源物質屬性同沙物質粒度分布特征具有直接關系[4]。粒度參數(shù)的空間差異直接反映沉積物所經歷的搬運、堆積過程，對物源分析具有重要意義。但一些研究者指出，沉積物粒度參數(shù)的多解性問題，很難將其作為沉積環(huán)境解釋的證據(jù)[5]。比如把偏度值作為判別沉積環(huán)境的指標時，風成沙不一定都表現(xiàn)為正偏態(tài)[6]。在自然界中，沉積物的類型多樣，成因多變，來源廣泛。要準確判斷物源成因，需綜合應用多種粒度判別方法，如端元分析模型，或者借助粒度之外的方法，如常量元素法、磁化率、掃描電鏡、稀土元素法[7]?；诖?，本文主要是通過粒度參數(shù)空間分析，端元分析模型及與潛在源區(qū)的對比和常量元素分析法，從多角度多維度多尺度分析研究區(qū)沙漠的沉積物來源，以期為沙漠形成演化提供借鑒和參考。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

騰格里沙漠(37°54′—39°33′N，103°52′—105°36′E)是我國第四大沙漠。位于阿拉善高原東南部，北部以哈拉烏山為界，南部與祁連山山前洪積扇前緣相接，西北隔雅布賴山與巴丹吉林沙漠相連，東抵賀蘭山(圖1)[8]。本研究區(qū)為騰格里沙漠南部邊緣，是中國中部沙漠與黃土高原的過渡地帶。區(qū)內盛行風向為西北(NW)、西西北(WNW)和北西北(NNW)[9]。騰格里沙漠的流動沙丘已經在沙坡頭到達黃河[10]。沙漠起沙風受局部地形影響存在明顯的空間差異，但總體以西北風為主。在沙漠南部多年平均輸沙勢為358.7 VU，屬于中風能環(huán)境，合成輸沙方向為NW為主，且方向變化小[11]。

注：黑虛線內分別為民勤、武威及中衛(wèi)輸沙勢玫瑰圖。圖1 騰格里沙漠位置及樣點分布

1.2 數(shù)據(jù)采集與分析

沿騰格里沙漠南緣東南—西北走向(武威至中衛(wèi)，與主風向平行)分別選取沙丘外緣地勢平坦區(qū)、丘間地與黃河南北兩岸低級階地3種地表類型系統(tǒng)采樣。為揭示騰格里沙漠南緣粒度空間分布特征，所有粒度樣品按與研究區(qū)段黃河的相對位置劃分為黃河北岸和黃河南岸。共34個采樣點，依次命名為TGL1—TGL34(圖1)。在每種類型地表0—3 cm處隨機取1～5個粒度樣品，共記91個樣品，樣品類型分為風成沙和砂質黃土。黃河北岸共取得26個風成沙樣品、24個砂質黃土樣品，黃河南岸共取得2個風成沙樣品、39個砂質黃土樣品。風成沙顏色為黃色，結構松散，分選性較好。在野外采樣中發(fā)現(xiàn)部分風成沙單元呈規(guī)則層理。砂質黃土結構緊實，沒有明顯層理。為保證樣品具有一定的代表性，每個樣品取樣面積為20 cm×20 cm，且重量均在100～200 g，樣點的地理位置用衛(wèi)星定位儀(GPS)精確定位，對采集的樣品用樣品袋密封帶回。

此外，根據(jù)前人對騰格里沙漠物質來源的研究，沙漠接受的風力輸送的沉積物，主要來自于祁連山，因此在祁連山北麓潛在物源區(qū)進行采樣[12]，共取得樣品17件(5個采樣點，與前文取樣方法一致)。所有樣品經過前處理后(方法見參考文獻[13])采用英國馬爾文公司生產的 Mastersizer 2000激光粒度儀進行測試，測試范圍是0.02～2 000 μm。粒度分級根據(jù)伍登-溫德華粒級標準(Udden-Wentworth Scale)，粒度參數(shù)計算采用Folk-Ward圖解法，端元分析使用Paterson等設計的Analysize軟件進行[14]。

2 結果與分析

2.1 粒度參數(shù)特征

粒級級配能直觀反映風成沉積物的粒徑組成，與沙源和風動力環(huán)境密切相關[3]。研究區(qū)不含礫石，極粗砂含量極少。由圖2A可知，騰格里沙漠南緣砂質黃土粒級級配從大至小依次是粉沙黏土(14.54%～90.78%)、極細砂(9.02%～41.36%)、細砂(0.22%～38.94%)、粗砂(0～9.59%)和中砂(0～13.15%)。由圖2B可知，騰格里沙漠南緣風成沙粒級級配從大到小依次是細砂(23.63%～60.79%)、極細砂(3.77%～45.69%)、中砂(0.71%～43.61%)、粉沙黏土(0～28.65%)和(0～22%)。

注：樣品編號大寫為砂質黃土，小寫為風成沙。圖2 粒級級配和粒度參數(shù)

平均粒徑MZ(Φ)代表粒度分布的集中趨勢，可以體現(xiàn)沉積物搬運介質的平均動能[7]。由圖2C—D可知，砂質黃土平均粒徑介于3.084～5.7 Φ，為極細砂和粉沙黏土粒級。風成沙平均粒徑介于1.969～3.753 Φ，為中砂、細砂和極細砂粒級。與前文結果一致。分選系數(shù)SD(Φ)反映粒徑分布的分散程度[7]，砂質黃土分選系數(shù)介于1.229～2.605 Φ，分選較差，風成沙分選系數(shù)介于0.524～2.066 Φ，分選較好。偏度(SK)可判斷粒度分布的非對稱性程度[15]。砂質黃土偏度的變化范圍是0.09～0.453，樣品呈現(xiàn)近對稱、正偏、極正偏，這些樣品的沉積物顆粒集中在細端部分。風成沙偏度的變化范圍是-0.154～0.536，樣品呈現(xiàn)負偏、近對稱和正偏，大部分樣品顆粒仍然集中在細端部分。砂質黃土峰度(KG)的變化范圍是0.871～2.237，風成沙峰態(tài)介于0.934～2.15，大部分樣品峰度等級均為中等。

2.2 粒度參數(shù)空間分布

由圖3可知，黃河北岸主要是砂和粉砂質砂組成，黃河南岸主要是砂質粉砂和粉砂組成，表明研究區(qū)黃河北岸沙粒組分略粗于黃河南岸。此外，還對比了同一沉積物類型下黃河南北岸的粒級組成。

圖3 黃河兩岸的Shepard沉積物三角形分類圖

由表1可知，黃河北岸風成沙沉積物組分主要為細砂(粒級級配均值為35.391%，下同)，其次為極細砂(20.388%)，中砂(20.340%)次之。南岸風成沙沉積物組分主要為細砂，平均含量51.115%。黃河北岸砂質黃土沉積物組分主要為粉砂黏土，平均含量為50.259%。黃河南岸砂質黃土沉積物主要組分與北岸相同，為粉砂黏土，平均含量為63.413%。對兩岸同一沉積物類型組分含量進行對比后發(fā)現(xiàn)，即使相同沉積物類型下，黃河北岸沉積物組分仍整體較南岸更粗，兩岸沉積物粒級級配存在較明顯的空間差異性。

表1 騰格里沙漠南緣沿黃兩岸不同沉積物類型粒級級配 %

2.3 端元粒度特征

利用Analysize軟件包[16]在Matlab 2018b平臺上對研究區(qū)91個粒度數(shù)據(jù)進行Nonparametric EMA計算，當端元數(shù)量達到4時(圖4A)，線性相關系數(shù)R2在0.9以上，角度偏差小，所以本文選擇4個端元對本組粒度數(shù)據(jù)進行分析。從分離出來的4個端元粒度頻率曲線(圖4B)可知，端元1(EM1)表現(xiàn)為寬緩的單峰，峰值集中在30～50 μm(粗粉砂)，表明沉積物組成較單一或集中。端元2(EM2)的粒度頻率曲線表現(xiàn)為不明顯的多峰，主峰峰值集中在100～120 μm(細砂)，兩個不明顯的寬緩次峰峰值集中在10～15 μm(細粉砂)和2～4 μm(黏土)，表明該組分物源相對復雜。端元3(EM3)表現(xiàn)為正偏態(tài)的雙峰，主峰偏粗粒一側且峰值范圍是170～250 μm(細砂)，次峰粒徑范圍是15～25 μm(細粉砂)，表示沉積物以粗組分為主，細組分含量少。端元4(EM4)為較平緩的不明顯的雙峰，EM4雖然與EM3同為雙峰態(tài)分布，但其平均粒徑更大。主峰峰值范圍是300～600 μm(中—粗砂)，次峰為10～20 μm(細粉砂)。結合雙峰態(tài)的粒級分布可判斷，EM3和EM4是粗細顆粒混雜沉積的結果。此外，從這4個端元的概率累積曲線(圖4C)中可以判斷，端元1是由懸移和躍移組分組成。端元2和端元3都以躍移組分為主，懸移組分次之，含極少的蠕移質?？赡芏嗽?和端元3在蠕移質段粒徑上有一定聯(lián)系。端元4以躍移組分為主，懸移組分占比小。

圖4 粒度端元分析結果

2.4 地球化學元素特征

2.4.1 常量元素特征 統(tǒng)計分析了騰格里沙漠南緣不同區(qū)域沉積物常量元素豐度(表2)，就沙漠南緣、祁連山區(qū)和沙漠腹地3個不同區(qū)域而言，常量元素均主要有SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，Na2O，K2O和MgO共7種元素。由表2可得，3個區(qū)域均以SiO2含量最高，沙漠南緣平均含量為68.54%，祁連山區(qū)平均含量為57.82%，沙漠腹地平均含量為87.01%，沙漠腹地SiO2含量明顯高于其他兩區(qū)域。Al2O3含量次之，沙漠南緣均值為11.23%，祁連山區(qū)均值為11.59%，沙漠腹地均值為6.75%，沙漠腹地Al2O3含量低于其他兩區(qū)域。其次是CaO和Fe2O3，沙漠南緣均值分別為7.68%，4.16%，祁連山區(qū)均值分別為7.83%，2.94%，沙漠腹地均值分別為0.59%，1.58%。Na2O，K2O和MgO的各區(qū)域平均含量均較少，均在2%左右。

表2 騰格里沙漠南緣常量元素含量 %

與上陸殼(UCC)平均化學成分相比(圖5A)，沙漠南緣除CaO相對富集外，SiO2，F(xiàn)e2O3，MgO成分基本不變，其余元素均發(fā)生不同程度的淋失。祁連山區(qū)CaO也相對富集，SiO2，MgO成分基本保持，但Fe2O3和Na2O淋失程度更大。沙漠腹地則呈現(xiàn)完全不同的趨勢，除SiO2相對富集外，其余成分均存在不同程度虧損。與陸源頁巖相比，沙漠南緣和祁連山區(qū)SiO2，CaO和MgO相對富集，Al2O3，F(xiàn)e2O3，Na2O和K2O則相對虧損。沙漠腹地則除了SiO2相對富集，其他元素均虧損。石英的輸入增加風成沉積物的SiO2含量。粗粒粉塵顆粒也通常富含石英、長石和碳酸鹽，沙漠邊緣往往含有較粗顆粒。所以，這可能與沙漠邊緣沉積物顆粒偏粗含有較高的石英有關[10]。沙漠南緣與祁連山區(qū)常量元素特征相似，與沙漠腹地差異較大。

注：B圖中A=Al2O3，C=CaO，N=Na2O，K=K2O，CaO-硅酸鹽礦物中的摩爾含量。圖5 常量元素的UCC標準化曲線和A-CN-K化學風化趨勢

2.4.2 化學風化特征 化學蝕變指數(shù)CIA(chemical index of alteration)是用來反映物源區(qū)風化程度指標。CIA值依據(jù)Al，K，Ca，Na等元素的摩爾數(shù)進行計算，可表征長石風化為黏土礦物程度，定量分析硅酸鹽礦物的風化強度。沉積物遭受的風化越強，CIA值越大[17]。CIA值介于50～65，反映寒冷、干燥的氣候條件下低等的化學風化程度。CIA值介于65～85，反映溫暖、濕潤條件下的中等的化學風化程度；CIA值介于85～100，反映炎熱、潮濕的熱帶亞熱帶條件下強烈化學風化程度。騰格里沙漠南緣的CIA值在48.01～60.74變化，均值為54.27，與上陸殼的平均值46.15更接近，遠小于陸源頁巖(69.45)。據(jù)此可以判定，騰格里沙漠南緣砂物質遭受了低等的化學風化，無明顯的黏土礦物的組分。

本文采用了大陸化學風化趨勢預測的A-CN-K三角圖解模型[18]。它在描述不同樣品CIA值在三角圖解中的分布情況時，也可以判斷樣品的風化特征和源巖成分。一般情況下，構造因素控制源巖的供應與剝蝕程度，氣候因素影響沉積物的化學風化程度。如果A-CN-K圖中樣點分布分散，表明構造和氣候環(huán)境均處于非穩(wěn)定狀態(tài)；反之，源巖化學風化和剝蝕處于相對穩(wěn)定狀態(tài)[19]。從圖5B可以看出，騰格里沙漠南緣各區(qū)域數(shù)據(jù)點集中分布在UCC附近，風化趨勢線平行于A-CN連線。說明騰格里沙漠南緣沉積物與UCC化學組成相近，有相似的SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，Na2O，K2O，MgO的相對含量，均處于較弱的去Na，Ca階段即較弱的大陸化學風化初級階段。

3 討 論

3.1 端元沉積類型判定

前文已經初步判斷了4個端元所代表的沉積學意義，即EM1是細粒的躍移質。端元2和端元3為粗細顆?；祀s堆積。端元4為粗粒躍移質。要準確地判斷這4個端元所代表的沉積類型，還需將它們與粒度空間分布、潛在物源供應和地球化學元素特征結合考慮。

EM1表現(xiàn)為寬緩的單峰，峰值集中在30～50 μm(粗粉砂)?！?0 μm的顆粒很難搬運到100 km以外的地方[22]。中等風暴條件下(風速u=15 m/s)，>20 μm的粉塵顆粒也不大可能被搬運到離源區(qū)30 km以外的地方[22]。雅布賴山距離研究區(qū)約222 km，因搬運距離過遠，對該組分幾乎沒有貢獻。EM1頻率曲線分布特征(圖4B)與典型的現(xiàn)代風塵粒度分布曲線較一致，均呈單峰且分布眾數(shù)粒徑為中、粗粉砂。因此，端元1可能是中遠源短期懸浮沉積的風成粗粉砂組分。這點也得到了常量元素數(shù)據(jù)的支持。SiO2/Al2O3比值處于4.34～12.89，明顯大于陸源頁巖(3.32)和上陸殼(4.34)的比值，成分成熟度高，沉積物搬運距離稍遠，即為中遠源組分。為更準確判斷端元沉積類型，我們將其與祁連山潛在物源端元對比分析(圖4D)，發(fā)現(xiàn)EM1與QL2重合性極高，說明粗粉砂組分EM1很可能是全系祁連山北麓的QL2組分貢獻。

EM2該組分物源復雜，呈不明顯的多峰，主峰峰值集中在100～120 μm(細砂)，兩個不明顯的寬緩次峰峰值集中在10～15 μm(細粉砂)和2～4 μm(黏土)。100～200 μm的細砂端元主要為近岸沉積，是由強勁地表風以滾動或躍移方式搬運的風成沙[23]。因此估計端元2以近源沉積的風成細砂為主。當平均風速為15 m/s時，10～20 μm的顆?？梢园徇\至500 km至幾千千米，<20 μm的顆?？梢蚤L期懸浮被搬運至很遠[24]。但由于季節(jié)性河流對邊坡沉積物連同黏土一起進行侵蝕重塑、搬運也可以產生類似的結果。所以端元2中的細粉砂組分可能是遠源粉塵或附近河流二次侵蝕搬運的產物。有學者認為，2～4 μm的黏土組分是在沉積后的成壤和風化作用過程中產生。但是Sun等[25]認為風化作用很少能影響到風成沉積物中2～10 μm的粒級組分。風化作用不會對該粒級組分有較大影響，也排除該粒級組分依附于粗顆粒或者以聚合體的方式傳播。因此端元2中的2～4 μm(黏土)成分只可能是高空傳播的遠源黏土組分[7]。此外，端元2富集的樣品主要在沿黃南岸，由粒度空間分布特征初步可知，研究區(qū)黃河北岸沙粒組分略粗于黃河南岸。圖1(輸沙勢玫瑰圖)表明，民勤、武威、中衛(wèi)主要輸沙勢方向均為東南方向，且總體上屬于中能風環(huán)境。研究區(qū)黃河北岸地勢偏低(圖1)，南岸地勢明顯高于北岸。在西風、西北風的作用下，騰格里沙漠向南推進，沙漠粗顆粒在運移過程中易被黃河攔截，砂物質難以抵達黃河南岸。部分細砂組分越過黃河，在南岸受地形影響風速于山前降低，風攜帶的細砂組分隨風動力減弱在山前沉積[15]，沉降至黃河南岸。研究區(qū)風沙活動結合地形地貌，可表明騰格里沙漠南緣的黃河北岸為南岸沉積物的上風向源區(qū)之一。綜上所述，推斷端元2主要是由沿黃北岸風成沙為主，通過高空氣流的遠源粉塵或黃河二次搬運為輔所貢獻的組分。

端元2和端元3均為粗細顆?；祀s堆積(圖4C)。但EM3主峰峰值范圍是170～250 μm(細砂)，次峰粒徑范圍是15～25 μm(細粉砂)，粗組分含量更多。據(jù)前文所述，估計端元3為近源風成沙為主的細砂組分。此外，端元3富集的樣品主要集中在沿黃以北，地球化學元素分析中排除了沙漠腹地的影響，圖4C—D也表明EM3與祁連山潛在物源區(qū)無關，所以推斷EM3可能是就地起沙。

EM4為不明顯的雙峰，主峰峰值范圍是300～600 μm(中—粗砂)，次峰為10～20 μm(細粉砂)。端元4表現(xiàn)的是以躍移質為主，但其粒徑較粗，分選較差，與風成特征明顯不符(圖4C)。Sun等[25]認為河流沉積物可以具有多峰的特征，粗粒組分的峰值在200～400 μm，甚至更粗。Dietze等[23]的研究中發(fā)現(xiàn)，粒徑介于250～600 μm的中—粗砂端元主要在河流沉積物中出現(xiàn)。且端元4富集的樣品主要在黃河附近，因此估計端元4為黃河搬運沉積物的組分。

3.2 沉積物來源

經過對沙漠各沉積類型的判斷，EM1為全由祁連山北麓風成沙所組成的沉積體，EM2主要由沿黃北岸風成沙和黃河二次搬運所組成。EM3為沿黃以北就地起沙，EM4由黃河搬運沉積物所組成?？烧J為黃河及其兩岸，祁連山均為騰格里沙漠南緣提供了物源。以往對于騰格里沙漠物質來源的研究中，F(xiàn)an等[9]認為戈壁阿爾泰山和青藏高原東北部是騰格里沙漠兩個相互競爭的沙源區(qū)。Yang等[26]認為騰格里沙漠物質可能最終來源于青藏高原東北部。本文細化了以往對于騰格里沙漠物源的研究。

騰格里沙漠物源復雜，將研究區(qū)粒度端元分析與祁連山北麓潛在物源端元特征對比，結果表明青藏高原東北部即祁連山很大可能為騰格里沙漠南緣的主要物源。這得到了前人驗證即騰格里沙漠接受的風或河流系統(tǒng)輸送的沉積物，主要來自于祁連山[27]。此外，通過粒度端元分析表明黃河河流沉積物可能是騰格里沙漠南緣的主要物源。這與其他研究一致，即騰格里沙漠西南緣和東南緣邊緣沉積物可能來源于黃河或青藏高原東北部[10]。但在對沙漠物質來源分析過程中，僅粒度分析能否準確厘定物源仍然存在爭議。在搬運過程中，砂粒往往存在不同程度的磨損，使其粒度特征區(qū)別于物源區(qū)的沉積物粒度[28]。但風對磨圓度較好或顆粒較細的石英砂磨損較小，對粒徑在50 μm左右的砂粒磨損幾乎為零[29]。EM1峰值集中在30～50 μm(粗粉砂)，其搬運過程中較小的磨蝕是可以在沙漠沉積物中提取物源信息的關鍵。但是EM2，EM3，EM4均存在較粗組分尤其是EM4，因搬運過程中可能受到較大磨損使其與物源區(qū)沉積物粒度差異較大，為準確厘定物源，還需結合地球化學元素綜合分析騰格里沙漠南緣風積物的物質來源。地球化學元素可以指示表層沉積物的組成特征，對分析風化程度及物源等方面具有積極意義。EM2與EM3主峰峰值分別集中在100～120 μm，170～250 μm，均以近源沉積的風成細砂為主且富集樣品分別在沿黃兩岸。從粒度特征上看，沙漠腹地很有可能是其物質來源之一。但是沙漠腹地與沙漠南緣常量元素特征差異較大。綜合分析，EM2與EM3是近源風成沙為主的組分，但物質來源與沙漠腹地的貢獻無關。從粒度資料中提取沙漠沉積物的物源信息對研究沙漠物源具有重要意義，但為準確厘定物質來源仍需要借助粒度之外的其他手段如地球化學元素等多角度綜合分析。

4 結 論

(1) 黃河北岸風成沙沉積物組分主要為細砂(35.391%)，其次為中砂(20.340%)和極細砂(20.388%)；黃河南岸風成沙主要為細砂，平均含量51.115%。黃河兩岸砂質黃土沉積物主要組分均為粉沙黏土，北岸平均含量為50.259%，南岸平均含量為63.413%。即使同一沉積物類型(風成沙和砂質黃土)下，黃河北岸沉積物組分整體比南岸更粗，兩岸沉積物粒級級配空間差異大。由粒度參數(shù)空間分布分析可知，騰格里沙漠南緣的黃河北岸為南岸沉積物的上風向源區(qū)之一。

(2) 多角度綜合分析表明，EM1為全由祁連山北麓風成沙所組成的沉積體，EM2主要由沿黃北岸風成沙和黃河二次搬運所組成。EM3為沿黃以北就地起沙，EM4由黃河搬運沉積物所組成?？烧J為黃河及沿黃以北，祁連山均為騰格里沙漠南緣提供了物源。本文相對以往對騰格里沙漠南緣的物源研究更為細化，但是由于常量元素數(shù)據(jù)收集有限，沒有消除“粒級依賴”對沉積組分的影響等，對騰格里沙漠南緣物源研究仍待深究。

(3) 研究結果進一步表明，沙漠沉積物的粒度信息對確定沙漠物源具有重要指示意義，但仍需要借助粒度之外的其他手段如地球化學元素等多角度綜合分析來準確厘定沙漠風積物物質來源。