毛乌素沙地沉积物粒度特征与土地沙漠化的地质成因类型

毛乌素沙地沉积物粒度特征与土地沙漠化的地质成因类型

毛乌苏沙位于中国中部高原的陕宁蒙交界处。属于东南季风气候带与西部大陆性气候过渡带。年平均气温6.0.8.5，年平均降水从东南400mm，西北250mm逐渐减少到西北250mm。每年水面蒸发约2000毫米。主要植被为带干旱半干旱草甸和灌木林草地，生态环境脆弱。这是研究土地荒漠化的热点地区之一。几十年来,许多研究者利用沙地中的沉积剖面,以粒度、磁化率为主要气候代用指标,研究了毛乌素沙地的形成时间、沙漠演化历史、堆积过程、数十万年以来的气候变化和重大气候事件、土地沙漠化及其与地质环境条件的关系等。本文将在对毛乌素沙地不同构造地貌条件下沉积物粒度特征进行系统研究的基础上,探讨其对不同地质成因类型沙漠化分类的理论意义,研究其对土地沙漠化防治方面的现实意义。1地质剖面变化晚更新世以来,毛乌素沙地沉积了大量反映沙漠变迁的地质剖面。本文通过系统研究这些不同地质成因类型沉积物的粒度特征,探讨其对土地沙漠化的影响。1.1野外调查与采样2001年,在地质调查项目“中国三北地区荒漠化区域分类与发展趋势研究”的资助下,由西安地质矿产研究所、西北大学、中煤航测遥感应用研究院、陕西师范大学等单位的专家和研究人员共同组成野外调查组,对毛乌素沙地进行了重点路线调查和剖面测量及采样。共计完成剖面测量30余条,地表沙漠化观察与采样约70处。本文通过对比,根据它们所处地质构造单元,选择沙地内部、覆沙黄土区、黄土梁峁区,以及河流谷地和湖泊等不同类型的具有代表性的剖面进行深入研究(图1、2)。1.2砂粒预处理实验粒度分析测量均是在大陆动力学国家重点实验室(西北大学)完成。粒度测量使用英国马尔文公司生产的Mastersizer2000型激光粒度仪,量程为0.02~2000μm,重复性高于99%。测试采用湿法测量。样品的预处理过程如下:(1)根据砂粒粒径大小,称取已经干燥分散的样品0.5~1.0g,放入200mL烧杯中,加10%的双氧水10mL,在加热状态下除去有机质;(2)随后加入10%盐酸10mL,在加热状态下除去碳酸钙胶结物;(3)反应完成后,加满蒸馏水,放置在实验台上静置10~15h;(4)倒掉上部多余的蒸馏水,加入分散剂(0.06mol的六偏磷酸钠溶液10mL),使用超声波池振荡器震荡10~15min;(5)烧杯中加满水,在激光粒度仪上进行测试。热释光年代测定是在中国科学院地质环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室完成。2截面特征根据所采地质剖面所处的地质构造位置及沉积特征,选择了沙地内部、覆沙黄土区、黄土区和河流谷地与湖泊等类型的剖面进行系统研究。2.1风成沙结构分析沙地内部的典型剖面有杭锦旗哈达土剖面和广兴剖面、乌审旗的通斯和布日都等(图1)。其中,哈达土和广兴剖面处于毛乌素沙地北部,通斯和布日都剖面位于沙地中部。这些剖面厚度0.7~2.4m,均具有以风成沙为主、典型的3层结构特点(图2A)。从下到上,其主要岩性特征是:③黄色砂土,以风成沙为主,广兴剖面60cm深度以下,常见砾石出现,为河流相沉积。②灰黑色、灰色砂质古土壤,含植物根系,具较强钙质胶结,厚20~80cm。①弱发育砂质土壤层或现代沙丘沙,结构疏松或具弱胶结,为现代植被生长的主要土壤,厚20~50cm不等。通过资料研究和区域剖面对比,由下向上,地层时代依次为晚更新世-早全新世、中全新世和晚全新世。2.2剖面的岩性特征本区的典型剖面有赵家峁剖面、大保当剖面和高家畔剖面等(图1),其厚度为1.5~2.1m,也具有以风成沙为主、典型的3层结构。赵家峁剖面(图2B)和高家畔剖面位于沙地-黄土交界处。从下向上,剖面的岩性特征是:③黄色砂土,以风成沙为主。赵家峁剖面沙质黑垆土下部释光年龄为(10000±700)aB.P.。②沙质黑垆土,浅灰黑色,含植物根系,弱胶结,厚30~100cm。①土黄色现代沙丘沙或流动沙,结构疏松,为植被生长的主要土壤,厚20~120cm不等。区域剖面对比表明:该剖面上部为晚全新世风积壤化沙土,在被剥蚀的同时,还堆积风力作用强烈时形成的粗大沙粒;剖面中部为全新世中期沙质黑垆土。赵家峁和高家畔剖面的下部均为晚更新世—早全新世风沙,以新仙女木事件形成的粗粒流沙为主。大保当剖面下部第三层为中更新世(离石)黄土,与其上的全新世地层呈不整合接触。2.3色砂质量上的土壤条件分布在毛乌素沙地南部边缘地带,包括金刚寺、席麻湾和东新庄等剖面(图1)。其中,金刚寺剖面(图2C)发育相对较全,从下到上依次为:③灰黄色砂土,为风成沙,厚150cm。该层顶部砂土的热释光测年结果为(11000±900)aB.P.。②浅灰色粘土(黑垆土),团粒结构明显,质地坚实,厚120cm。①灰黄色砂黄土,结构疏松,极少见团粒结构,厚100cm。席麻湾剖面全新世黄土很薄,但粒度较粗;黑垆土层厚110cm,并见有丝状碳酸钙和虫孔。该剖面下部第一层为晚更新世亚砂土,属极细砂—粉砂级。东新庄剖面仅包括全新世黄土层,厚1m。2.4上盐湾剖面和红柳河剖面含有典型河流阶地相沉积的剖面包括燕梁湾和上盐湾剖面(图2D),发育湖泊相沉积者为红柳河剖面(图2E)。燕梁湾剖面位于秃尾河中游的二级阶地上,其下部为淡黄色砂土夹粉砂土,可见少量砾石,为河流相沉积;上部为灰黑色亚砂土(与黑垆土相对),厚0.3m。上盐湾剖面位于无定河南岸的二级阶地上,可分为3层:下部第三层为河流阶地沙,厚5m以上;中部第二层为全新世中期黑垆土,厚1.2m;上部第一层为全新世晚期亚沙土,风成为主,厚0.8m。红柳河剖面位于毛乌素沙地南部,萨拉乌素河上游东岸。自下向上依次为:第三层由浅灰色-褐黄色和灰绿色砂土组成,厚1.30m;第二层为灰黑、灰绿色沙质粘土,厚0.50m;上部第一层为浅灰色亚沙土,结构疏松,地表为现代风沙,含植物根系,厚0.30m。该剖面可与乌审旗海则滩剖面和米浪沟湾剖面上部对比,为全新世中晚期湖相沉积,形成年代小于4000aB.P.,以较粗的湖相砂、沙质粘土和粘土等互层为特征。3粒度特征和形成环境3.1粒度分布及沉积相沙地内部剖面沉积物的粒度特征是,沙粒粗大,变化也较大,中值粒径平均值(78个样品)234μm,变化范围为59~417μm。第三层平均值(26个样品)250μm,第二层平均值(34个样品)232μm,第一层平均值(13个样品)207μm。这说明晚更新世以来,毛乌素沙地沉积物的粒度在逐渐变小。粒度分析的参数统计特征是,标准偏差为0.71~2.33,大部分集中在1.55~2.33,仅布日都剖面的个别样品低于1.50。哈达土、广兴和通斯等剖面上,偏度集中在0.27~0.64,布日都剖面的偏度变化较大,为-0.06~0.64。峰态变化也相当大,范围为0.91~2.45。上述参数表明,毛乌素沙地内的沙粒较粗,具有正偏(极少数负偏)、中等到很窄峰态的分布曲线特征(图3A),分选性一般较差。从粒度分布曲线看,通斯剖面的沙粒呈单峰状,粒度主要集中在90~400μm,峰的形态最好而且相对一致,小于60μm的颗粒很少,以风沙为主,说明风力分选作用最强。哈达土、广兴剖面因处在沙地北部内流区,除风积沙外,还含有较多的冲积、湖相沉积物。在粒度曲线的主峰左侧,存在着小于100μm的次峰。此外,剖面上还常见大于2cm的砾石。布日都剖面处在毛乌素沙地腹地,上部大多呈双峰式粒度分布曲线,以风积为主,但湖积物也相对较多,在全新世大暖期湖积物甚至超过了风积物,中值粒径仅为59~74μm。毛乌素沙地内部沉积物(78个样品)C值(粒度累积曲线上含量为1%的最大颗粒直径,代表介质搬运沉积物的最大动能)均大于333μm,最大值为1725μm,平均值958μm。因此,在C—M图所划分出的9个沉积区域中,沙地内部沉积物主要位于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅶ区(图4A),属于滚动、滚动和悬浮沉积,主要为动态高能环境。尽管图4A中第三至第一层样品基本没有明显分区,但总体上C值的大小与中值粒径的变化规律是相同的,即从下向上平均C值依次为1012μm、954μm和865μm,反映了晚更新世以来,沙地内部介质的搬运动能在逐渐降低。剖面第一层为现代耕作层,其形成年代为晚全新世(小于3000aB.P.),因此,可将该层作为人类历史阶段上土地沙漠化的演化结果对待。如果剖面上湖相沉积层样品不做统计,该层的平均中值粒径为231μm,与第二层沙质黑垆土的粒径接近。这些数据说明,人类历史时期的土地沙漠化是在地质历史上土地沙漠化的基础上进行的,其沙漠化的粒度特征具有相似性。3.2粒度分布特征结果该区剖面可分为两种类型:一是以赵家峁为代表的砂质黄土为主的剖面,自下而上,第三层中值粒径平均值为263μm,为晚更新世至早全新世风沙;第二层沙质黑垆土的中值粒径平均值下部为95μm,上部为26.8μm;第一层中值粒径平均值为41μm。粒度特征说明晚更新世以来,覆沙黄土区的风沙活动强度以减小为主。但近几十年来,由于人类活动强度的增加,使得风沙活动加强,粒度变粗,地表风沙的中值粒径达到了58μm,是沙质黑垆土的2倍。二是以高家畔和大保当为代表的风沙为主的剖面,早全新世风沙的中值粒径平均值为178μm,中全新世沙质黑垆土中值粒径平均值为155μm,晚全新世风沙中值粒径平均值为214μm。这表明在早中全新世,该区风沙的粒度在逐步减小。晚全新世中期以来,人类活动导致风沙活动强烈,风沙的中值粒径也在增大。粒度的参数统计特征是,标准偏差为0.82~3.19,主要集中在1.40~2.70。成壤作用较差的第一、三层的平均值分别为1.57和1.76,成壤作用较强的沙质黑垆土的平均值为2.24,反映出成壤作用和冬季风减弱造成细粒物质增加。偏度的变化范围相对较小,为-0.13~0.57,且大部分呈正偏。峰态变化很大,其范围为0.75~2.32,平均值为1.19。这些参数说明该区以中粒砂为主,具有正偏(少数负偏)、很宽到很窄峰态的分布曲线特征(图3B),分选性很差。粒度分布曲线上,赵家峁剖面的沉积物变化最为丰富。第三层下部呈单峰状(图3B-6),粒径为150~700μm的颗粒体积分数>4%,峰的形态最好,小于60μm的颗粒很少,风沙分选作用强,为晚更新世毛乌素沙漠强盛期产物。该层上部的粒度分布曲线虽然也呈单峰状(图3B-5),但30~150μm颗粒急剧增加,其体积分数最高可达27%,构成了曲线上主峰左侧的局部抬升,表明早全新世冬季风有所减弱。第二层下部的粒度曲线主要呈双峰态,体积分数大于2%的粒度区间为35~700μm,仍以正偏态分布为主(图3B-4)。该层中部的粒度曲线呈近似三峰态,在2~30μm之间出现了一个较低的峰(图3B-3);剖面第一层上部的粒度曲线上,该峰成为最主要的峰(图3B-2),体积分数大于2%的粒度区间变为2~500μm,呈很宽的、以负偏为主的峰态。由此可见,随着季风的变化,覆沙黄土区沙漠演化的主要方向是以沙丘固定为主,细粒颗粒逐渐增加,由较粗流沙为主渐变为细粉砂颗粒为主的黄土质土。高家畔和大保当剖面沉积物的粒度分布曲线主要为单峰形态,少数具有双峰分布。粒度主要集中在50~1000μm,以晚全新世沙丘沙的峰的形态最好,呈正偏、很窄的峰态特征,小于63μm的颗粒很少,风力分选作用较为彻底。沙质黑垆土中,细颗粒含量很高,小于63μm的颗粒体积分数可达32%~45%,说明在该时期风力减小、风力分选作用减弱。覆沙黄土区沉积物(73个样品)C值均大于340μm,最大值为1719μm,平均值809μm,较沙地内部剖面略小。在C-M图中主要位于Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅶ区(图4B),也属于滚动、滚动和悬浮沉积的动态高能环境。由图4B可见,赵家峁剖面第三层晚更新世风沙的投影点相对集中于右侧,全新世沙质黑垆土(第二层)相对集中在左侧,两者的C值变化不大,分别为811μm和789μm;但M值变化大,且从老到新逐步减小,说明介质搬运的最大动能变化很小,平均动能随着时间不断降低。由于该剖面地处黄土高原与覆沙黄土区的边界地区,风力的平均搬运作用的下降与全新世夏季风的不断加强有关。高家畔和大保当剖面分别以沙质黑垆土和全新世现代风沙为主,C-M图中分别投影在上下两个区(图4B)。前者沙质黑垆土层13个样品C平均值为1029μm,与下部晚更新世风沙层C值1061μm相近;后者现代风沙层11个样品的C平均值为750μm,比该剖面的沙质黑垆土C平均值(589μm)高。总之,自晚更新世以来,覆沙黄土区介质的最大搬运动能变化不大,平均搬运动能不断减小,也反映区域季风气候的变化特征。3.3不同层系土地沙漠化对沉积物粒度的影响该区沉积物粒径相对较细,中值粒径平均值为(93个样品)为62.9μm,变化区间为26~167μm。剖面第三层(35个样品)平均值101μm,变化范围35.7~167μm;第二层(23个样品)平均值54.9μm,变化范围26.0~81.8μm;第一层平均值(35个样品)37.5μm,变化范围27.7~52.7μm。说明晚更新世以来,毛乌素沙地南侧的黄土沉积,随着颗粒直径的变小,粒度变化范围也同时缩小,代表着冬季风的减弱和最大风力的降低。但在金刚寺和席麻湾剖面上,地表样品均比其下部样品的中值粒径值大,分别为36.2μm、32.4μm和52.5μm、35.7μm,表明近百年来的土地沙漠化对沉积物的粒度影响明显。粒度分析的参数统计特征是,标准偏差的平均值为1.75,变化范围0.61~2.39,集中在1.00~2.00。从下向上,3层的平均值依次为1.38、2.04和1.96,表明风沙的分选性好,全新世成壤作用较强的沙质黑垆土和黄土分选性差。偏度的平均值为0.37,变化范围为-0.02~0.52,绝大多数粒度曲线呈正偏。峰态的平均值为1.19,变化范围为0.88~2.60。上述参数表明本区沉积物以极细沙和粗粉沙颗粒为主,具有正偏、中等到很窄峰态的分布曲线特征(图3C)。覆沙黄土区大多数沉积物的粒度分布曲线呈单峰形态(图3C),以晚全新世沙丘沙的峰的形态最好,呈正偏、很窄的峰态特征(图3C-4),小于63μm的颗粒很少,分选性好;至早全新世,随着冬季风的减弱和夏季风的加强,小于63μm颗粒含量有所增加(图3C-3)。中全新世沙质黑垆土的粒度曲线上,最高值集中在70~200μm,但细粒颗粒(小于63μm)体积分数可达50%~75%,造成具有极偏正曲线特征(图3C-2)。黄土剖面沉积物(93个样品)C值平均值为282μm,变化区间137~512μm,是研究区C值最小的沉积物,投影在C-M图的Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ区,属滚动和悬浮沉积的动态较高能环境。金刚寺剖面晚更新世风沙的投影点集中分布在Ⅴ、Ⅶ两个区,沙质黑垆土和黄土主要分布在Ⅵ、Ⅶ两个区,总体上C值变化小,M值变化大,也具有最大搬运动能基本不变、平均搬运动能逐渐减小的特征。席麻湾和东新庄剖面的投影区相对集中,表明其最大搬运动能和平均搬运动能均基本上保持不变。3.4冲积砂-风积黄土古土壤、上盐湾阶地沙与燕梁湾沙区毛乌素沙地东南部河流阶地沉积物(包括阶地砂及其上部黄土和古土壤,56个样品)中值粒径平均值为86.3μm,变化范围较宽,为17.1~241μm。其中,上盐湾剖面阶地冲积砂的中值粒径平均值为151μm,变化范围是118~193μm;燕梁湾剖面阶地冲积砂的中值粒径平均值为187μm,变化范围是131~241μm。相比之下,燕梁湾剖面的冲积砂更粗一些,应与其物质来源有关系。上盐湾剖面的冲积物来源主要为毛乌素沙地内部,周围基岩的补给很少;燕梁湾剖面的沉积物来源除了毛乌素沙地内部外,来自基岩区的水系冲积物也是重要的补给来源。剖面上部的亚砂土、黑垆土的平均中值粒径逐渐减小,第二层和第一层的平均值分别为(20个样品)76.5μm和(22个样品)45.7μm,变化范围分别是17.1~195μm和35.5~53.9μm。说明自晚更新世以来,毛乌素沙地以南的河流阶地风沙-黄土沉积,在阶地砂形成之后,至全新世早期以后便以风成沉积为主,并在其上沉积了沙质黑垆土和亚砂土。红柳河剖面沉积物的中值粒径平均值(21个样品)为72.5μm,变化范围是17.1~160μm。其中,下部湖相沉积物(13个样品)中值粒径平均值为102μm,变化范围是33~160μm。上部黑垆土的中值粒径平均值(8个样品)为24.5μm,变化范围为17.1~34.0μm。说明湖泊相沉积物比阶地冲积砂细,变化范围更小。阶地沉积物的标准偏差的变化范围为1.03~2.65,平均值为1.93,集中于1.50~2.50。从下向上,第三至一层的平均值分别为2.03、1.98和1.83,表明由冲积砂到古土壤分选性逐渐变好。偏度的平均值为0.37,变化范围-0.02~0.52,绝大多数粒度曲线呈正偏。峰态平均值为1.24,变化范围0.79~1.91。说明河流阶地上,冲积砂与风积黄土和古土壤的沉积物多数具有正偏、中等到很窄峰态的分布曲线特征(图3D)。湖相沉积物的标准偏差平均值1.74,变化范围1.03~2.30。下部湖相沉积物和上部黑垆土的平均值分别为1.58和1.99,表明湖相沉积物比黑垆土的分选性好。偏度的平均值为0.29,变化范围为-0.02~0.52。峰态平均值为1.33,变化范围0.78~2.24;多数呈单峰,湖相沉积上部和下部黑垆土呈双峰分布。表明湖相沉积物和上部黑垆土具有正偏、中等到很窄峰态的分布曲线特征(图3E)。图4D中,上盐湾阶地沙与燕梁湾阶地沙多处在Ⅴ区上部,C值变化在566~938μm,反映出较高的搬运能力,属以悬浮为主、滚动少量的搬运形式。上盐湾阶地沙之上的黑垆土和全新世风成沙具有两个明显的分区,图4D中1a区以风成沙为主,1b区以黑垆土为主。从阶地沙到黑垆土,其C值变化很小,而M值则从小于15μm变化到大于200μm,说明风力作用所形成的黑垆土,是以上述河流阶地沙在不远的距离内再一次分选形成。红柳河剖面下部的湖相地层,C值为212~398μm,其上部黑垆土的C值为182~333μm,分别集中分布在图4D中的Ⅴ、Ⅵ两个区,反映出具有典型的牵引流中均匀悬浮的搬运特征。4风力作用的局限性年4月之后下我国土地沙漠化的表现以阴云云土地荒漠化与地质背景有着不可分割的联系,任何类型荒漠化的发生发展都是在特定的地质环境背景上进行的。无论是发生在沙漠边缘的古湖泊与古河道地区的沙漠化,还是发生在富含盐分的湖盆、河谷地区的盐渍化,抑或是发生在地壳抬升、地表物质抗风化、抗侵蚀力弱地区的水蚀荒漠化,均受地质环境控制。现代荒漠化的发生发展与地质历史时期荒漠景观(沙漠、戈壁、盐漠等)的演化紧密相关,既是第四纪环境演变的产物,也是人类活动影响下地质作用的继续。约在1.7MaB.P.黄河出现前后,鄂尔多斯盆地周围山地和中部白于山上升,毛乌素沙地所在地区相对下降,伴随着东亚季风系统的形成与加强,沉积了数十米厚的河湖相、风沙相等碎屑物质,是现代土地沙漠化的物质基础。不同地质成因类型沉积物粒度特征的研究,对毛乌素沙地及其邻区土地沙漠化的研究具有重要意义。首先,自晚更新世以来,无论是沙地内部、覆沙黄土区,还是河流谷地和湖泊地区的地质剖面上,沉积物的粒度均是以减小为主要趋势,说明水力和风力作用的平均动能逐渐减弱;同一层位,由沙地到覆沙黄土区、河谷与湖泊区和黄土区,平均粒度逐渐变小,反映出风力作用的局限性。例如,全新世暖期形成的沙质黑垆土层,中值粒径平均值由沙地内部的232μm,覆沙黄土降低到155μm,黄土区则为54.9μm。河流阶地砂的中值粒径平均值为151~187μm,其上的沙质黑垆土中值粒径平均值为45.7~76.5μm。其次,代表沉积物最大搬运动能的C值也有相似的变化规律。如晚更新世风沙层的C值,沙地内部、覆沙黄土区和黄土依次为1012μm、811μm和404μm。无论是中值粒径还是C值,覆沙黄土区与黄土区之间的差别要比沙地内部与覆沙黄土的差别要大得多,表明沙与黄土两者之间搬运介质有明显区别。第三,河西走廊西段的花海湖泊中的古风成沙、内蒙古岱海中颗粒较粗且分选性差的沉积物,都是风力、水力混合作用的结果。毛乌素沙地砂粒平均粒径234μm,与国内海岸风成沙粒度平均值248μm相近,比国外海岸风成沙粒度平均值180μm粗。毛乌素沙地沉积物粒度粗、分选性差,是在水力搬运形成的河流相或湖相沉积的基础上,风力作用进一步搬运、分选形成的。第四,近2000年来,尤其是近100年来,人类活动的影响明显加强,导致沉积物的粒度明显加大。无论是沙地内部、覆沙黄土区和黄土区,地表风沙的中值粒径较其下面的风沙或沙质土壤等增加1.5~2倍以上。第五,风力作用的局限性使我国北方的沙漠没有无限地扩张,但却形成了举世闻名的黄土高原。即使是很强的风力,粒径大于63μm的颗粒也很难长距离搬运,造成黄土中大于63μm的颗粒含量很少,以粒径5~50μm颗粒为主。从影响西北、华北地区的沙尘物质主要是小于10μm的粉尘来看,干枯湖床、河流阶地、弃耕荒地与裸露沙砾草场等地区