河西走廊地区地表沉积物地球化学示踪-1

1、河西走廊地区地表沉积物地球化学示踪王立强*基金项目：国家自然科学基金项目（批注号：40721061，40671192）、教育部“新世纪优秀人才支持计划”与“111计划”资助作者简介：王立强(1984)，男，硕士研究生，地球化学勘查专业。Email: wanglqiang08,广东省第五地质大队 肇庆 526000中文摘要本文对河西走廊地区的巴丹吉林沙漠与腾格里沙漠、戈壁滩、黑河与石羊河河流平原以及祁连山坡麓4种类型的地表沉积单元进行地表采样，并对其全样和38 m细颗粒组分的粒度组成和元素含量等指标进行测量与分析，得出结论：全样存在粒度和常量元素的端元分布，沙漠和祁连山为差异性最大的端元，而河流

2、平原与戈壁滩分布在两个端元之间；但四者全样、细颗粒组分以及黄土的微量元素分配特征以及FD端元分布曲线表明四者并无太大区别；同时粉尘在源区经历了一定程度的混合作用，而能够搬运至下风向的细颗粒成分在源区经历了脱Ca、Na等的初等化学风化，并且该区的山前洪积扇、河流堆积、沙漠与下风向粉尘堆积存在着密切的物质联系，高山作用过程起着主导作用。关键词：粉尘源区，地表沉积，元素含量，粒度组成AbstractIn this study, we have sampled four types of surface deposits in the Hexi Corridor and its adjacent re

3、gions, including Badain Jaran Desert and Tengger Desert, the Gobi deserts, the flood plains of Shiyanghe River and Heihe River, and the deposits at the piedmont of Qilian Mountains (including loessic deposits). Based on the results of particle size and element compositions of the bulk samples and &l

4、t; 38m fraction.The grain sizes, and major elemental compositions magnetic susceptibilities of the bulk samples in the regions exhibits an evident end-member pattern, i.e. the deposits at the piedmont of Qilian Mountains and the sandy desert. The deposits of river plains and gobi desert fall into th

5、e range of the end-members. However, there is no distict difference in the trace elemental compositions of the different deposits. Meanwhile, the strong winds in desert regions blow light minerals leeward, resulting in the lowest magnetic susceptibility in the bulk desert samples and the highest val

6、ues in the fine-grained component of desert sand.In the background of global cooling, the loose debris of the study area has undergone intensive deflation due to strengthened surface wind regimes, the aeolian landforms appear widely, and the loess dposits accumulate continously. There exits a close

7、linkage between the surface deposits on the Hexi Corridor and aeolian deposits in the downwind regions.Key words: Asian dust source areas; surface deposits; elemental compositions; grain size; 1前言全球对流层大气气溶胶（又名大气粉尘，释放通量约3500 Tg a-1）是指主要来源于沙漠及其周边戈壁滩地区的矿物气溶胶1。近年来大量学者对大气粉尘的来源、特征、变化规律及其与大气环流和气候变化的关系等科学问题

8、做了大量而细致的工作并取得了长足的进展2-5。自上世纪60年代以来，学者们对亚洲粉尘下风向沉积记录进行了全面的、多学科的研究，主要工作有中国黄土堆积6-7、北太平洋深海风成堆积4-5,8及格陵兰冰芯不溶颗粒物9等。其中又以中国黄土的物源问题一直是研究的重点对象，卢演涛与刘秀铭10-11通过对现代尘暴的时空分布、气候背景的分析认为形成黄土的粉尘主要来自西部和北部的荒漠地区。张小曳7通过对亚洲粉尘关键区域（中国沙漠、黄土高原、青藏高原和东部降尘区）大气粉尘元素的浓度-粒度分布、沉降通量等分析，认为中国北部沙漠（如巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠）及其邻区（河西戈壁）是亚洲粉尘和黄土高原黄土堆积的主要源区。

9、孙继敏等12也认为黄土高原风成黄土的主要源区是蒙古国南部以及与之相邻的包括巴丹吉林、腾格里、乌兰布和、库布其和毛乌素等在内的戈壁、沙漠地区，而且阿尔泰山、杭爱山与祁连山等山脉的高山作用过程是粉尘产生的主要原因。Derbyshire13的工作则表明祁连山北部巨大的山麓冲积扇是黄土高原西部黄土物质的主要源区。杨景春14认为中亚地区沙漠和戈壁地区是黄土高原的物源区。岳乐平等15认为干涸的湖床和河床可以作为沙尘的主要物源区。Chen等16采集了中国境内主要沙漠样品，提取其中75m细颗粒进行同位素分析，认为黄土高原的粉尘主要来源于巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠以及柴达木沙漠。Maher等17通过磁化率以及元素

10、地球化学指标认为中国黄土的源区更为广泛，而不是具体的某个区域。由此可见，科学认识黄土堆积的来源仍需要开展大量的工作。但早期的研究仅限于较少源区样品与黄土堆积理化参数的比较，而对于粉尘的起源及其在源区内部的分异、混合等地表过程探讨较少。河西走廊及其毗邻地区（属于中国西北干旱半干旱区）主要由大面积的沙漠（腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠）、石漠（戈壁）和河流堆积物（主要河流是黑河和石羊河）组成，由于属于典型大陆性气候（温度年较差、日较差均很大，物理风化作用强烈），大量分布的干涸的河湖相沉积、戈壁滩及沙漠等地表沉积单元成为亚洲沙尘主要的物源区18-22，并历来受大量学者所亲睐，且地球化学、粒度、磁化率及大气

11、观测在该区的环境气候演化得到大量研究。因此，测量河西走廊及其毗邻地区不同地表单元和下风向的黄土高原地区（本文以洛川黄土为典型黄土沉积区）的粒度、元素地球化学等指标，对于指示亚洲粉尘源区以及研究粉尘源区的环境气候变化所影响的地表沉积过程有着极其重要的意义。本文通过采集河西走廊地区不同地表沉积单元（祁连山山麓、戈壁滩、黑河与石羊河河流堆积物、腾格里与巴丹吉林沙漠）地表细颗粒物质并分析其粒度和地球化学等参数，探讨河西走廊地区粉尘物质的来源及其在源区内的分异、混合等过程，探讨该区不同沉积单元之间物质联系和粉尘在源区内部不同类型地表沉积之间的联系，以及可能受到的动力作用和化学作用。同时选用洛川黄土作为中

12、国黄土高原典型黄土沉积，探讨研究区与下风向沉积区的中国黄土物质是否有物质供给关系，以及供给的贡献量大小等问题，以期进一步理解粉尘的产生过程以及粉尘源区的释放机制，并探讨粉尘在源区的释放与沉积过程。2 研 究 区 概 况研究区位于甘肃省和内蒙古自治区境内，南起祁连山北麓，北至居延海；东起民勤县，西至酒泉市（38º-42º N；90º-104º E）。受地理位置、大气环流与地形等因素的影响，该区域为典型的大陆性荒漠气候，沉积类型主要为沙漠（腾格里和巴丹吉林）、戈壁（主体为冲洪积扇）、河流平原（石羊河和黑河）以及祁连山坡麓沉积等。3 样品采集与实验方法3.1

13、样品采集沙漠样品采自巴丹吉林和腾格里沙漠南缘地带，戈壁样品采集于河西走廊地区沙漠周边的戈壁，河流平原样品主要采集于石羊河和黑河附近的河流平原，祁连山的样品在莺落峡（石羊河上游样品）附近采集，各类样品共计130个。样品采集时，刮去采样点的表层沉积物（约1 cm），然后进行样品采集并用自封袋封存。所有样品采集点均远离农田、公路等，以尽可能减少人类活动的影响。图1河西走廊及其毗邻地区自然地理概况与采样点分布Fig. 1 physical geography and locations of the sampling sites in the Hexi Corridor and its adjacen

14、t areas3.2 实验手段3.2.1 粒度自然风干所有样品后，每个样品取0.3-0.5 g（沙漠样品加入量多，祁连山等含细颗粒物质多者加入样品量较少）放入烧杯中。加入10 ml浓度为30%的双氧水（H2O2）煮沸约30 min（除有机质），然后加入10 ml体积浓度为10%稀盐酸（HCl，去除次生碳酸盐）。加入蒸馏水至满，静置24 h后用虹吸法抽去上层水。加入10 ml浓度为0.05 mol L-1的六磷偏酸钠（NaPO3）6），用超声波振荡器振荡78 min以供测量。测量仪器为Malvern公司生产的Mastersizer 2000激光粒度分析仪，该仪器的检测范围0.022000

15、81;m，重复误差小于3%。所有样品的分析测均在兰州大学西部环境教育部重点实验室进行。3.2.2 元素本文共挑选了不同沉积单元的58个全样及其中的39个38 m细颗粒组分品（过400目干筛可分离得到38 m组分）进行元素分析。全样中腾格里沙漠、戈壁以及祁连山坡麓样各12个，石羊河和黑河平原地区样品各6个，巴丹吉林沙漠样品10个；38 m细颗粒样品中腾格里沙漠、巴丹吉林，黑河平原，石羊河平原各5个，祁连山10个，戈壁滩9个。元素分析在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成。测试结果经标样控制和对照实验，得出相对标准偏差为：P、Mn小于5%，其余常量元素小于2%。4 结 果4.1 粒度组成粒度因其具

16、有测定简单快速、物理意义明确等特点，被广泛应用于各种沉积环境研究中23,24。在环境变化研究中，沉积物粒度组成是获取沉积过程中所指示环境信息的重要手段之一25,26。Folk和Bagnold23,27认为当搬运介质和搬运方式稳定不变时，所搬运沉积物的粒度概率累积曲线呈单一因子控制的单组分分布，多组分、多模态的粒度分布特征更为常见体现了多因子控制条件。张小曳等28认为不同粒径的粉尘组分可以反映尘暴强度及风力大小。沉积物粒径累计曲线特征及其粒度参数（平均粒径、中值粒径、分选系数与偏度等）是反映搬运介质动力大小等特征的直接标志，在源区示踪方面指示意义明确29。平均粒径越大，物源区越近；偏度能够表示沉

17、积物中各粒度组分的比例；峰度反映了沉积物某一粒径的集中程度，以上参数共同反映了沉积物受外力的分选程度，即沉积物粒度指标具有良好的沉积环境指示意义30-31。图2 各细粒物质中值粒径偏度与中值粒径分选系数散点图4类地表样品沉积粒度参数特征为：1）作为搬运第一步的祁连山物质，由于受水和风力作用均较弱，中值粒径介于20-50 m，分选系数在1.5-2.5之间（分选差），偏度为5-12，属于极正偏；2）以黑河和石羊河河漫滩为代表的受水动力作用较强的样品，中值粒径分布范围较宽，主要是因水动力变化较大，故分选系数变化较大，偏度均大于0，属于正偏态，与沙漠和戈壁差异较大；3）黑河和石羊河冲积平原进一步风化吹

18、蚀的戈壁滩，中值粒径一般100-200 m，分选系数0.75-1.5之间（分选较差至中等），偏度-0.1至-0.3，负偏-正偏均存在；4）受风力吹蚀，分选极好的巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠，由于细物质被强劲的地面风吹蚀，其中值粒径大多在150-200 m之间，偏度小于0，粗粒物质更多。从地表物质搬运与沉积记录来看，物质从祁连山搬运至沙漠主要有两个途径：1）祁连山北麓-石羊河-戈壁滩-腾格里沙漠；2）祁连山-黑河-戈壁滩-巴丹吉林沙漠，两个途径在空间上方向不同，但都是从高往低搬运。在物质搬运过程中，物质的分选得到提高（分选系数逐渐降低），偏度下降，中值粒径逐步增大。粒度参数特征显示了祁连山的高山作用

19、将物质从祁连山搬运至尾闾沙漠的规律性变化。大量研究认为河西走廊的沙漠、戈壁滩、河漫滩及祁连山都可以作为中国和北半球的粉尘源区7,10,13,25，然而位于源区内部不同的地表单元，在空间分布和对大气粉尘的贡献上可能存在一定的差异性，粒度分析结果初步揭示了粉尘源区不同地表沉积单元之间的空间联系。如图2a、b中箭头所示方向，基本上可以认为是祁连山物质搬运到沙漠的趋势和途径，物质从高到低的搬运，虽然沿途各自所受的气候环境有所差异，但总体上粒度参数变化趋势明显，在河漫滩-戈壁-沙漠的搬运途径上，细粒物质含量越来越低（偏度越来越负偏），中值粒径越来越大，分选性越来越好（分选系数越来越低）。综上所述，可以得

20、出河西走廊碎屑物质在沙漠、戈壁滩、河漫滩以及祁连山之间存在一定的空间联系，如戈壁滩（戈壁滩土壤样）、石羊河和黑河河漫滩沉积粒度参数极为相似（图2），表明它们可能具有同源性。4.2 元素元素地球化学是研究地表物质迁移、搬运和沉积等过程最为有效的手段之一，而粉尘特征元素组成通常在释放、传输和沉降过程中保持不变，能够可靠地显示粉尘源区的差异28,32 -34。研究中国粉尘源区内地表物质地球化学沉积记录对中国西北及下风向粉尘沉积、来源及粉尘环境效应的认识有着重要的意义。本文采集了河西走廊及其毗邻地区主要沙漠（腾格里和巴丹吉林沙漠）、戈壁、河流平原（黑河和石羊河）及祁连山北麓等地表样品，分析其全样以及&

21、lt;38 m细颗粒常量及微量元素的组成特征，分析讨论研究区各种地貌类型的地表物质元素地球化学的区域变化信息。（注：为剔除碳酸盐、有机质等挥发份对元素相对含量的影响，在此对常量元素的百分含量作了校正，校正值=测定值÷（1-CO3）×100%，本文粗颗粒和细颗粒常量元素均同此处理校正，其中CO3为X射线荧光光谱仪给出的挥发性组分百分比。）4.2.1 全样常量元素Ti、P、Mn、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Ka和Na等10种常量元素（以氧化物形式表示）含量分布（最大值、最小值和平均值）如图4-5所示。研究区地表碎屑物质Ti、Fe、Mn、P、Mg、Ca和Al元素含量依次从祁连山

22、河流平原（石羊河和黑河）戈壁（主体为河流冲积扇）沙漠（腾格里和巴丹吉林沙漠）表现为降低趋势，Si呈增加的趋势，Ka、Na两种元素在研究区不同地表类型之间变化不大。为了减小粒度效应对元素含量的影响，本文将所有待分析元素的质量分数与Al2O3的质量分数的比值，以UCC作为参考标准，得到UCC标准化比值（EF（UCC）=X/Al（样品）/X/Al（地壳），具体解释见参考文献28，以下所有EF（UCC）标准化均采取此种计算方法。图3 全样元素EF（UCC）标准化曲线（备注:本文UCC数据来源于文献32，洛川黄土数据来源于文献35，以下均同此说明）如图3所示，研究区内的祁连山坡麓样品和沙漠砂（腾格里和巴

23、丹吉林）表现为常量元素UCC标准化曲线变化的两个端元，河流平原（石羊河和黑河）和戈壁样品变化在这两个端元之间，由于沙漠和祁连山的粒度效应刚好为两个端元，可能表明研究区地表碎屑物质在水动力作用下自祁连山输送至沙漠终闾地区导致的元素分异。Si在研究区所有碎屑沉积物中均表现富集，其中以沙漠样品含量最高。K的含量在研究区不同地表类型样品及洛川黄土中都相对接近，淋失与富集过程相对较弱。Na在不同地表单元中变化极大，且与洛川黄土差异明显，暗示了其极强的迁移性。对于Ca而言，在研究区不同地表类型和洛川黄土之间差异较大，可能与降雨量差异有关。几乎所有常量元素在不同沉积单元中差异均较大，且在祁连山坡麓和沙漠砂两

24、个端元之间变化。值得注意的是，除了Na2O与CaO这两种极易迁移的元素外，洛川黄土的常量元素EF（UCC）曲线总体上比研究区其他沉积更接近1，暗示了黄土可能是不同源区或单一源区不同地表沉积物的混合产物。研究区不同地表沉积类型微量元素含量的变化相对较小，尤其是As、Ba、Bi、Cu、La、Nb、Rb、Y和Sr等元素分布基本一致。受水文条件和蒸发作用影响，Cl和S含量差别较大。不同地表沉积类型的As、Co、Cu、Y平均含量较UCC均高出10-30倍以上，而Bi、Sr、Nb含量远低于UCC（0.3-0.5），表明研究区不同地表类型碎屑尽管沉积环境不同，但可能由于物质来源一致而具有相似的微量元素配分模

25、式特征。洛川黄土的微量元素UCC标准化曲线与研究区微量元素配分模式一致性较好，特别是稀土元素（La、Nb、Y）与过渡族元素（Co、Ni、V），表明河西走廊及其毗邻地区可能是黄土物质的主要源区。4.2.3 <38 m细颗粒组分常量元素如图4所示，与全样常量元素在不同地表单元中差异性较大的特征相比，<38 m细颗粒组分的主量元素在4种类型沉积物之间变化较小，尽管也存在一定的差异性。SiO2平均值在62-65%之间，含量在60-70%之间波动；相比较而言SiO2、Al2O3和TiO2在所有的沉积单元的变化幅度也较小，分别在12-14%和0.4-0.5%之间波动，可见这3种元素是最稳定的。

26、Na2O和K2O在4种沉积单元平均含量均在2-2.5%之间，Na2O的波动范围稍微大点。如图4所示，对比全样常量元素的分布，除SiO2的含量降低、Na2O和K2O保持不变外，其他元素含量均增大，表明除了SiO2以外的大多数元素含量都存在随粒度变细而增加的趋势。研究区全样与细颗粒组分CaO含量高出UCC含量2-3倍，体现了西北粉尘源区细粒物质富Ca而相对贫Si的区域特点，与Zhang的研究工作吻合36。对比图5-3和图4，全样和细粒组分K2O含量的变化均较小，表明4种地表细颗粒物质沉积过程中钾长石都没有受到风化。由于扣除了粒度效应，粉尘源区的常量元素EF（UCC）标准化曲线极为接近，在一定程度上

27、指示了粒度对于元素含量的富集效应。由于粒度差异，4种沉积单元全样样品的微量元素含量并不一致，而细颗粒组分在粉尘源区的不同地表单元及下风向洛川黄土微量元素之间的差别仅仅见于Cl、S和Sr这几种易迁移元素，不同地表单元的元素EF（UCC）标准化曲线差异性较全样要小得多。图4 研究区域细颗粒常量元素的EF（UCC）标准化曲线比较图3和4全样与细颗粒组分的元素含量分布图，可以发现粒度对大多数元素的富集（对于SiO2作用相反）具有一定作用，多数元素随着粒度减小，含量都会有所升高。对于图5中细颗粒组分不同地表单元的元素含量的差异性明显减小，极可能由以下两种原因造成：1）高山地区风化作用使得祁连山的坡麓物质

28、（祁连山基岩风化物）被冰川、流水以及风力作用等搬运、改造，从而堆积在河西走廊沙漠、戈壁以及河流平原，同一物质来源的样品在扣除粒度效应之后彼此的元素地球化学特征应当极为相似；2）近地表风力对这些物质的改造作用可能使得细颗粒物质在粉尘源区内部存在一定的混合过程。祁连山至河西地区地势从高至低，祁连山北麓发育有巨大的冲积扇13，研究区地表碎屑物质主要受水动力作用从祁连山输送至沙漠终闾地区，并经风动力分选、改造。尽管研究区4类沉积单元全样元素地球化学特征与洛川黄土存在一定差异，但是对于可被搬运至中国黄土高原的38 m细颗粒成分而言，常量元素地球化学特征（Fe、Ti、K等）与诸多微量元素（如Ba、Bi、C

29、o、Ni、Pb等）的配分模式及含量几乎没有差异，即研究区的4种沉积单元的细颗粒成分完全可以作为中国黄土的重要粉尘释放源之一。同时，洛川黄土的EF（UCC）元素比值（常量和微量）最接近1（研究区地表物质或多或少偏离1，如Fe、Mg、Ti等元素），暗示了粉尘搬运至中国黄土可能是几个粉尘源区或者粉尘源区不同地表单元混合作用而成，并非仅仅由研究区或研究区某一沉积单元的单一来源提供物质，但研究区对下风向的中国黄土物质供给是显而易见的。5 讨 论5.1 研究区域风化特征Suchet37认为在地表化学风化过程中，大气中的CO2能够被转化为溶解态的HCO3-，随径流进入海洋而固定，即风化作用是大气CO2消耗的

30、重要途径（约0.7×109/a）。粉尘在源区的化学风化过程对于全球的碳循环具有重要意义，河西走廊及其毗邻地区地域辽阔，研究该粉尘源区的地表化学风化过程对全球CO2的研究有举足轻重的作用，本节对河西走廊及其毗邻地区不同地表沉积单元的化学风化作用进行分析探讨。化学风化过程表现为原生矿物发生化学分解和新矿物的生成，与此伴生的是化学元素发生分异，同时不同元素的迁移强度也是风化强度的一个标志和参考，在母岩风化到沉积物沉积的形成过程中，不同元素会重新迁移分布，一般呈现Ca、Mg、Na、K的明显减少，A1、Fe的少量流失，Si的相对增加38-39。前人研究40认为化学风化指数（CIA）及一些氧化物

31、之比（如K2O/Na2O、K2O/CaO*和K2O/Al2O3）可以反映硅酸盐矿物（主要是长石矿物）的风化程度，由于其扣除了。根据质量平衡原理、长石淋溶实验和矿物稳定性，Nesbitt等41提出了热力学计算公式ACNK三角模型，该模型作为计算化学风化系数和大陆化学风化趋势预测极为常见和有效。（其中A = Al2O3；CN = CaO* + Na2O；K = K2O。4种常量元素均为氧化物分子摩尔数，具体计算见文献40）图5研究区不同沉积物的A-CN-K图解（图中箭头指示UCC陆源页岩的化学风化趋势）如图5所示，全样样品中河西走廊及其毗邻地区不同地表类型样品大多数分布于UCC陆源页岩的化学风化趋

32、势线上，基本平行于ACN连线。这一特征表明：研究区沙漠、戈壁、河流平原以及祁连山坡麓的沉积物来源一致，暗示了河西走廊地区的地表物质可能来源于祁连山基岩风化的产物。腾格里与巴丹吉林沙漠样品点位于斜长石和钾长石连线以下（长石未风化上界，CIA=50）；祁连山坡麓样品点绝大多数位于斜长石和钾长石连线（图5中虚线）以上；戈壁和河流平原样品点大多数位于斜长石-钾长石连线附近。据图5可以发现，细颗粒组分中沙漠的化学风化强度比全样高，其他三种沉积物细颗粒的CIA值相对比于全样的增加幅度远不如沙漠，但4种沉积物中细颗粒组分的CIA值基本上都位于50-65之间的初等化学范畴。4种细颗粒和全样成分及洛川黄土（中国

33、黄土代表）的ACNK风化趋势平行于A-CN轴，且细颗粒较全样更平行于UCC陆源页岩趋势线，暗示了研究区细颗粒物质对于下风向黄土粉尘贡献具有重要潜在意义。综合全样和细颗粒元素地球化学分析，研究区的祁连山高山作用提供了4种地表沉积单元同一风化母岩物质，且河西走廊及其毗邻地区可以作为中国黄土高原的潜在物质源区。4种沉积物细颗粒组分的化学风化强度均处于初等化学风化范畴，<38 m的细颗粒（能够被吹蚀的粒径组分）在粉尘源区经过了一定程度的化学风化，虽然沙漠的化学风化强度最弱，但是其细颗粒成分仍然处于初等化学风化作用范围内，吻合了陈骏在洛川黄土剖面进行的酸不溶相试验结论：黄土粉尘在源区已经经历了去C

34、a、Na阶段的化学风化42-43。无论是粗颗粒还是细颗粒的化学风化趋势基本平行于ACN连线，证明研究区地表物质来源一致，极有可能均来自于祁连山（青藏高原）的高山作用，且细颗粒物质是由于粗颗粒的物理化学风化而来。5.2 粉尘示踪指标的选取5.2.1 元素地球化学分析在沉积物形成的过程中，其组成会发生分馏作用（动力分选作用），导致造成元素在不同粒级中的分配规律不一致。在表生地球化学环境研究中，不同研究者对同一比值的指示意义理解并非一致，甚至大相径庭，所以地球化学研究中常选择两个或两组地球化学性质相近，在地球化学过程中相对比例较稳定，并对外源输入敏感的元素（称为“元素对”）计算比值。该计算方法在示踪

35、研究中得到大量运用，并取得了丰硕成果10,35,。在此我们选取Si、Al以及Ti等3种难迁移的元素作为分母对粉尘在源区的沉积过程进行探讨分析。图6 研究区域全样常量元素散点图研究区地表碎屑物质Ti、Fe、Mn、P、Mg、Ca和Al元素（均以氧化物表示）含量依次从祁连山河流平原（石羊河和黑河）戈壁（主体为河流冲积扇）沙漠（腾格里和巴丹吉林沙漠）表现为降低趋势，而SiO2呈增加趋势。考虑到上述4种沉积环境地表样品的中值粒径分别为70、145、155、210 m，表明研究区地表碎屑物质主要由水动力自祁连山输送至沙漠终闾地区，反映了干旱盆地碎屑物质产生的高山过程及碎屑物质在水动力变化下产生的分异。搬运

36、过程中，由于石英矿物稳定，加之沙漠地区细粒物质被风蚀，导致粗颗粒的沙漠砂中SiO2显著富集，而其他元素则明显受到SiO2的稀释作用（图6-a、c）。Na、K受粒度分选作用的影响不明显，其含量变化不大。常量元素含量随颗粒大小的分异与腾格里沙漠南缘风成沉积和洛川黄土等的研究结果基本一致32,33。图7 研究区域<38 m细颗粒常量元素散点图从祁连山至沙漠的常量元素分布暗示了粒度效应对于控制元素的含量分布具有极其重要的贡献，大多数元素（除了SiO2）都呈现随粒度降低而富集的特征。图7中4个比值与黄土和UCC差别较大，可能原因是：a粉尘所在源区的风化程度远不如黄土，至少钾长石在黄土（中国黄土高原

37、的降雨量远大于研究区）的风化极为普遍，而在研究区基本上未受任何风化；b黄土更有可能是中国西北几个源区的混合所致，而非仅仅由河西走廊及其毗邻地区这一单独的粉尘源区所提供。5.3 源区粉尘释放的可能机制探讨判别函数FD的计算如下44: FD =|Cix-Cim|/Cim，式中: Cix为洛川黄土某元素与Al元素之比；Cim为端元（在本文分析中沙漠和祁连山的地球化学、粒度以及磁化率均可认为此二者为两个端元）中元素i与Al元素之比。FD值越接近于0，表明洛川黄土中元素的组成越接近于端元，反之则表明洛川黄土的元素组成越偏离端元。由此判别函数可知，沙漠和祁连山作为两个研究区地表沉积（粒度、元素）的端元，在

38、排除某些极易迁移（Sr、Ca、Na等）或测量准确性较差（Tl、S、Cl等）的元素之后，大多数FD值小于0.2，即洛川黄土和研究区的沙漠与祁连山亲缘性比较好，研究区作为下风向黄土堆积区的粉尘提供者具有重要的潜在意义。图8研究区沙漠和祁连山端元FD判别函数图（注：此处所有元素均为与Al元素重量之比）研究区4种地表单元的细颗粒物质作为粉尘源区受到了近地面风场的充分混合作用（在祁连山北坡可见风成黄土）。研究区内的阿拉善沙漠（腾格里和巴丹吉林沙漠）、河西走廊的河流平原、阿拉善戈壁滩、祁连山坡麓物质四者的地球化学特征彼此差异性不大，在一定程度上体现了粉尘在源区的混合作用。研究区与洛川典型黄土全样和细颗粒组

39、分的EF（UCC）分配图以及研究区端元判别函数图（图8）均进一步表明，河西走廊及毗邻地区是黄土堆积的主要源区之一，且研究区沙漠、戈壁和河流平原等沉积单元的碎屑物质均来自于祁连山基岩的风化剥蚀。研究区4种细颗粒组分如此之相似，表明沙漠物质是由沉积盆地中干涸的河流、湖泊沉积演变而来是完全有可能的，也就是石羊河与黑河等河流的搬运作用将祁连山的碎屑物质带至河西走廊及其毗邻地区的沉积盆地，而腾格里和巴丹吉林沙漠是河西走廊沉积盆地的尾闾。图9 粉尘释放及其下风向沉积过程示意图（引自文献45）研究区风和水介质的动力对研究区地表沉积物粒度具有显著的分选效应，表现为河流将母岩风化物质从高海拔的祁连山搬运至沉积尾

40、闾的沙漠，而后风力对沉积盆地内物质进行风蚀分选，其粒度参数也表现为中值粒径从小到大、分选越来越好的变化，全样中易迁移常量元素随之呈有规律的端元分布。比较研究区的4种不同地表沉积单元与洛川黄土的元素分配以及A-CN-K图，河西走廊及其毗邻地区可被认为是中国粉尘和黄土物质的重要潜在源区，并且黄土粉尘物质在被风力搬运之前可能已进入沉积体系（腾格里和巴丹吉林沙漠作为沉积尾闾区），从源区到堆积区，黄土可能是通过多次搬运实现的，但是粉尘可能在源区已经经受了较充分的混合过程。所以粉尘更有可能是源区内不同类型物源粉尘的混合体，而粉尘的悬移、跃移、蠕移等多种搬运方式是混合作用的主要方式45，单独的去讨论研究区内

41、腾格里和巴丹吉林沙漠、河流平原、戈壁滩以及祁连山北麓巨大的冲积扇单一的沉积类型，而不以上述4种沉积单元作为一个整体去考虑粉尘在源区所经历的混合作用以及粉尘的母质来源可能是不妥当的。6 结 论 本文对河西地区各种沉积物的全样和38 m细颗粒组分的粒度组成、元素含量等进行分析，得出以下结论：1）由于高山作用过程导致4种地表沉积物中粒度、常量元素以及磁化率端元分布模式，沙漠和祁连山为端元，而河流平原与戈壁滩分布在端元之间。细颗粒和全样的微量元素除了某些极易迁移的元素外差异性并不大。河西走廊发育着祁连山北部巨大的山麓冲积扇（祁连山至河西地区地势从高至低），预示了研究区地表碎屑物质主要由水动力从祁连山输

42、送至沙漠终闾地区，所以祁连山坡麓和沙漠的全样的常量元素含量分布于两个端元，而戈壁和河流平原分布在两个端元之间；同时研究区各种地表类型样品的微量元素和特征元素曲线图彼此极为接近。2）洛川黄土以及研究区全样和细颗粒组分的微量元素分配特征以及FD端元分布曲线表明，研究区是中国黄土主要的潜在粉尘源区，但并非唯一源区。粉尘在源区已经经历了一定程度的混合作用。虽然一部分沙漠样品的全样处于未化学风化阶段，但搬运至下风向的细颗粒成分在源区经历了脱Ca、Na等的初等化学作用。3）在流水作用下，祁连山风化产生的碎屑物质在在山前形成冲洪积扇，在河湖周边形成冲积平原（石羊河与黑河河流堆积物）。山前洪积扇、河流堆积、河

43、流终闾沙漠沉积以及下风向粉尘堆积物有着密切的物质联系，祁连山的高山作用过程在物质迁移中发挥了重要的作用。参 考 文 献1 Andreae, M.O. Climate effects of changing atmospheric aerosol levelsR. World Survey of Climatology, Future Climates of the World. 1995:34-392.2 赵凤生,石广玉.气溶胶气候效应的一维模式分析J.大气科学.1994,18(增刊):902-909.3 Martin, J.H., Fitzwater, S.E. Iron deficienc

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