新疆伊犁河谷沙漠沉积不同粒径组分的地球化学元素分布特征

李金婵，陈秀玲，贾丽敏，李志忠

（1.福建师范大学 地理科学学院，福建省湿润亚热带山地生态省部共建国家重点实验室培育基地，福州 350007；2.中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710075）

新疆伊犁河谷沙漠沉积不同粒径组分的地球化学元素分布特征

李金婵1,2，陈秀玲1,2，贾丽敏1,2，李志忠1,2

（1.福建师范大学 地理科学学院，福建省湿润亚热带山地生态省部共建国家重点实验室培育基地，福州 350007；2.中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710075）

本文通过对伊犁河谷西部塔克尔莫乎尔沙漠内的可克达拉（TKP）剖面典型层位样品的不同粒级组分地球化学元素分析，探究西风环流控制的沙漠沉积区元素特征和化学风化指标在不同粒级组分中的分布特征。研究结果表明TKP剖面Na和Sr元素趋向于在粗粒级中富集；Fe、Mg、Al、Rb元素趋向于细粒级中富集，K元素含量随粒径增大先升高再降低，16 ～ 32 μm粒级处出现谷值；Ti元素含量与粒度关系不明确。CIA、Rb/Sr随粒级增大逐渐降低，Na2O/Al2O3、Na2O/K2O、K2O/Al2O3随粒级增大逐渐升高。TKP剖面地球化学元素和比值在＜2 μm、2～16 μm、16 ～32 μm细粒级组分不同粒级间变化较为剧烈，32～ 63 μm、63～125 μm、＞125 μm粗粒级组分变化则不明显，而且粗粒级组分在剖面中的变化也比较稳定。剖面整体风化程度较弱，因此这种现象可能是物源不统一造成的，为塔克尔莫乎尔沙漠具有物源多样性特点的观点提供了地球化学元素方面的证据。

不同粒级；主量元素；Rb/Sr比值；物质来源；塔克尔莫乎尔沙漠

利用元素在表生环境中的地球化学行为提取沉积物中的古环境信息是第四纪环境研究的一个重要手段，在过去的20多年中得到了广泛的应用，并取得了丰硕的成果（Gallet et al，1996；Yang et al，2004；梁美艳等，2006；Hao et al，2010；乔彦松等，2010；杜青松，2011）。这些研究通常是建立在全岩化学分析的结果上，然而黄土沉积物分粒级的元素分析表明由于风力分选、物质来源、矿物组成等因素使得沉积物中的多种元素在剖面变化上与粒度高度相关，模糊了风化作用对元素迁移的影响（Yang et al，2006；熊尚发等，2008）。目前，有关化学地球化学指标粒度效应的研究仍然相对较少，而对西风环流控制下的中亚干旱区相关研究则更是少之又少，这在很大程度上影响了地球化学指标对古气候变化探讨的可靠性，因而急需对不同粒级组分中的地球化学特征展开详细的对比研究，明确其粒度控制效应，以期能够更为准确地解译第四纪环境演变信息。塔克尔莫乎尔沙漠位于新疆伊犁河谷的西部，常年深受西风环流控制，区域内广分布的沙漠沉积真实地记录了亚洲内陆在第四纪时期的环境演变过程，因而受到了许多学者的青睐，对此区域的沉积序列开展了稀土元素、粒度分析、磁化率、微量元素等方面的研究，初步重建了该区域近4 ka以来的气候演变过程（李志忠等，2010；陈秀玲等，2010，2013；靳建辉等，2010，2011；姜修洋等，2011）。本文在上述研究的基础上，也选择了塔克尔莫乎尔沙漠内的可克达拉（TKP）风成沙−古土壤沉积序列为研究对象，系统开展典型层位样品不同粒径组分的地球化学元素分析，揭示其在不同粒级组分中的分布特征，以及常用的地球风化指标受粒度效应的影响程度，以期为西风环流区风沙−古土壤沉积序列元素迁移的古气候重建提供更为准确的资料。

1 剖面概况与研究方法

1.1 剖面概况

塔克尔莫乎尔沙漠（又名霍城沙漠）位于伊犁河谷的西部，是伊犁河流域面积最大的固定、半固定沙漠（陈秀玲等，2013）。可克达拉剖面（简称TKP）位于沙漠腹地霍城至63团公路北侧，地理坐标43°58'13"N，80°32'39"E，顶部海拔605 m，采样点地图见图1（李志忠等，2010）。整个剖面（见图2）从地表到底部共360 cm（未见底），表层为现代风沙层，疏松，多植物根系。剖面主体为10层古风沙层和10层古土壤、弱古土壤层。古风沙层有青灰色沙层、淡棕色粉沙质−细沙层、灰棕色沙质粘土层等，古土壤层包含灰褐色腐殖质薄层、灰黑色粉沙质弱发育古土壤层。根据光释光（OSL）测年和沉积相研究表明剖面为晚全新世以来的连续沉积，底部年龄为3.7 ka（李志忠等，2010）。

1.2 研究方法

根据已有的关于TKP剖面的稀土元素、粒度分析、磁化率、微量元素等的相关研究结果，本文选取了40 cm（细沙）、60 cm（极细沙）、80 m（古土壤）、140 cm（极细沙）、180 cm（古土壤）、280 cm（细沙）和320 cm（弱成古土壤）共七个典型层位样品的进行分粒级实验。TKP剖面的粒度研究表明，该剖面以＜63 μm的粉沙和63～125 μm的极细砂为主（凌智永，2010）。肯尼思·派伊（1991）认为大多数长距离搬运的粉尘是由＜16 μm的颗粒组成,而粘土矿物多为＜2 μm颗粒。因此本文将TKP剖面样品分为＜2 μm、2～16 μm、16～32 μm、32～63 μm、63～125 μm、＞125 μm六个粒级。＞125 μm、63～125 μm和32～63 μm粗粒级组分采用筛分法获得，16～32 μm，2～16 μm和＜2 μm细粒级组分采用沉降法提取。分粒级实验在中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室完成。

粒度分级实验所获固体样品用玛瑙研钵研磨至200目。称取样品置于聚四氟乙烯罐中，加入HNO3、HF、HClO4混合酸，置于防腐罐内消解待测。Rb、Sr元素采用美国X-SerieⅡ型ICP-MS质谱仪测试。以上实验在福建师范大学湿润亚热带山地生态省部共建教育部重点实验室完成。主量元素采用Prodigy-H型的ICP-OES光谱仪测试，该实验在中国科学院青藏高原研究所大陆碰撞与高原隆升实验室完成。

图1 塔克尔莫乎尔沙漠地理位置及采样点（引自李志忠等，2010）Fig.1 The location of Takermohuer desert and the sampling point（Li et al，2010）

2 结果与讨论

2.1 各粒级组分元素分布特征

如表1、图3所示，Na2O和Sr含量随着粒级增大逐渐升高；Fe2O3、MgO和Al2O3含量随着粒级增大降低，并且Fe2O3、MgO在不同粒级组分中的变化是同步的；K2O含量随着粒级增大先降低再升高，16 ～32 μm粒级组分含量最低；TiO2含量粒级增大先升高再降低，16 ～32 μm粒级组分含量最高；Rb元素含量随粒级增大逐渐减小，从16 ～32 μm开始随粒级增大又有轻微升高态势。化学蚀变指数（CIA，解释见表1）和Rb/Sr随着粒级增大而减小；Na2O/ K2O、Na2O/Al2O3和K2O/Al2O3比值随粒级增大而增大；元素含量和元素比值在不同粒级组分中的分配具有在＜2 μm、2～16 μm、16 ～32 μm细粒级组分变化幅度较大，在32～63 μm、63～125 μm、＞125 μm粗粒级组分变化相对平缓的特征剖面内部2～16 μm组分变化最为剧烈；除了Sr元素以外其他指标16 ～32 μm、32～63 μm、63～125 μm、＞125 μm粗粒级组分在剖面中变化较小；除了Sr元素和Rb/Sr以外其他指标＜2 μm组分在剖面中的变化也相对较小。

2.2 控制因素初探

富Na和K的碎屑矿物中长石占了主要的比重，长石极易于化学风化却难于物理风化（Liu et al，2001；谢远云等，2012；曾蒙秀等，2013）因此趋向于粗颗粒中富集，造成了TKP剖面Na和K的粗粒级富集。但是K是粘土矿物伊利石的主要成分，而且K离子半径大于Na离子，土壤有机质、细颗粒组分等都会对K产生积聚作用（赵锦慧等，2004；刘安娜等，2006），因此TKP剖面中细粒级组分中也有K2O富集。含Fe、Mg元素的非碳酸盐矿物主要是绿泥石、蛭石和少量的角闪石、辉石、黑云母等，这些矿物易于发生物理风化，因而细颗粒中含量较高。TKP剖面Fe、Mg元素细粒级中富集的特征即是这些矿物在不同粒级中分配的结果。TKP剖面Fe2O3和MgO在不同粒级组分中的分布规律相似，可能是因为风力分选过程中铁镁硅酸盐中Fe和Mg元素一起搬运，没有产生分离（刘连文等，2001）。Al在风化过程中属于惰性（略可迁移）元素（李天杰等，2010），并且粘土矿物中多含Al元素，因此在细粒级中会有明显富集。Ti元素主要来源于富钛矿物（如金红石、锐钛矿等）这些矿物在碎屑沉积物中很常见，是源区重矿物的一部分（Yang et al，2006），不同粒级富钛矿物含量的具有复杂性，因此TKP剖面TiO2含量随粒级变化规律性不明显。Rb元素和K元素性质类似，易于赋存在含K矿物中，其离子半径较大易被粘土矿物吸附，在风化成壤过程中淋溶迁移量非常有限（曾艳等，2011），因此TKP剖面Rb与K的分配特征比较相似。Sr和Ca性质类似，易于赋存在含Ca矿物中，相对于Rb其离子半径小容易以游离态的形式被迁移（赵锦慧等，2004）。因而在剖面中变化较为剧烈。而Sr元素含量随着粒级增大含量逐渐升高，则与含Ca矿物在不同粒级组分中的分配有关。

图2 可克达拉剖面综合柱状图（引自靳建辉等，2010）Fig.2 Comprehensive column of TKP section（Jin et al，2010）

不同元素比值通常可以消除影响化学元素迁移的多种复杂原因，并可以指示元素的相对富集程度和沉积环境特征，因此常常用元素比值作为气候环境代用指标来衡量化学风化程度（赵锦慧等，2004；刘维明等，2008；熊尚发等，2008；李传想等，2012）。化学风化指标常用风化过程中不活动元素（如Al、Rb）和活动元素（如Na、Sr等）的比值构成。化学蚀变指数CIA是常用的表征化学风化程度的指标，可以有效地指示沉积物中长石风化成粘土矿物的程度（乔彦松等，2012）。Na2O/K2O值是衡量样品中斜长石风化程度的指标，风化剖面中的Na2O/K2O值与风化程度呈反比（Liu et al，2001；乔彦松等，2010）。Na2O/Al2O3、K2O/Al2O3通常用于反映风化过程中Na和K相对于Al的迁移程度。而TKP剖面CIA、Rb/Sr随粒级增加逐渐降低，Na2O/K2O、K2O/Al2O3、Na2O/ Al2O3随粒级增大逐渐升高，五个代用指标都和粒度有较好的相关性，因此全岩样品分析时使用CIA指示剖面化学风化程度会受到粒度组成的影响。K2O/Al2O3在＜32 μm的细粒级组分几乎没有变化，K和Al没有发生有效地分离，反映了TKP剖面风化程度较弱。上述讨论表明赋存于不同粒级组分的矿物类型及含量是控制元素及其比值特征的决定性因素。尽管古气候是促使母岩矿物分解和转化的重要原因，但是母岩类型、沉积分选和不同来源物质的输入和沉积相变迁都会造成沉积物中不同粒级组分中矿物类型和含量的差异。沉积物中不同粒级组分中矿物类型和含量对元素控制所起到的“粒度效应”使得元素特征在物源和沉积环境稳定条件下，气候变迁和沉积物粒度变化耦合条件下才能准确反映古气候变迁。

表1 TKP剖面不同粒级地球化学元素分布特征Table 1 Distribution of geochemistry elements in different grain size fractions in TKP section

图3 元素在不同粒级组分中的分布特征Fig.3 Distribution of geochemistry elements in different grain size fractions in TKP section

TKP剖面地球化学元素分析发现，各地球化学元素含量和比值在＜2 μm、2～16 μm、16～32 μm细粒级组分变化较为剧烈；32～63 μm、63～125 μm、＞125 μm粗粒级组分中的变化则不明显。凌智永（2010）和李志忠等（2010）关于TKP剖面的粒度分析研究发现，剖面古土壤、弱成古土壤、极细砂层粒度频率曲线均为双峰曲线，而且剖面的分选系数较大，频率曲线不对称，认为剖面可能是风力远源搬运沉积和下伏水成冲击沙的产物。陈炼彪（1980）关于塔克尔莫乎尔沙漠研究认为古代河流冲积物和伊犁盆地强劲的西风都会对沙漠的形成造成影响。李志忠等（2010）研究认为塔克尔莫乎尔沙漠风成沙具有物源多样性的特点，伊犁河阶地下伏第四纪晚期到全新世近现代冲积物，北部山前堆积物，西侧毗邻的中亚沙漠粉尘都可能是其物源。叶玮等（1998）研究认为伊犁地区＜15 μm的细粒级组分应该属于远距离悬浮粒组和次生粒组，而＞15 μm的粗粒级组分则应该近距离悬浮粒组和尘暴搬运的大气粉尘组成的粗粒组。由于TKP剖面整体以粉沙、细沙为主，风化成壤作用较弱，剖面的这种地球化学元素在＜16 μm细颗粒组分中变化明显，在＞32 μm的粗颗粒组分中变化平缓的特征可能更多暗示了TKP剖面物源的不统一。杨石岭等对黄土高原黄土的研究（Yang et al，2006），发现＜5 μm组分变化剧烈，而＞16 μm组分变化相对平缓，这可能是由于TKP剖面距离物源区更近，也可能是由于TKP剖面和黄土高原黄土物源不同。

对比元素在TKP剖面中的变化，发现2～16 μm组分在剖面中变化最为剧烈，＞32 μm粗粒级组分在剖面内变化较小。肯尼思·派伊（1991）研究认为大多数长距离搬运的粉尘均由＜16 μm的颗粒组成，“地方性”颗粒比一般较长距离搬运的粉尘颗粒要粗的多，但是“地方性”粉尘的粒度分布强烈的接受着源区物质粒度的控制。因此TKP剖面＞32 μm粗粒级组分可能以“地方性”颗粒为主，而且来源比较稳定。该粒级组分对剖面记录气候信息上贡献也较少。鹿化煜和安芷生（1998）对黄土高原的研究认为细颗粒的含量变化与风化成壤作用相关，但是TKP剖面2～16 μm组分在剖面中的变化要远比＜2 μm组分剧烈。因此2～16 μm组分可能是长距离搬运的颗粒和近源“地方性”颗粒的混合，剖面中的的变化记录的更多是其物源的变化同时也有区域的气候信息。

3 结论

（1）TKP剖面分粒级化学元素分析结果表明，Na和Sr元素趋向于在粗粒级中富集，Fe、Mg、Al、Rb元素趋向于细粒级中富集，K元素随粒径变化呈现先降低再升高的态势，16～32 μm粒级出现谷值。Ti元素含量与粒度关系不明确。CIA随粒度增加逐渐降低，Na2O/Al2O3、Na2O/K2O、K2O/ Al2O3、Rb/Sr随粒度增加均呈现出了明显的逐渐减小的规律。说明在西风沉积区元素含量及常用化学风化指标都明显受到沉积物粒度的影响，使用时需谨慎。

（2）TKP剖面各地球化学元素含量和比值在＜2 μm、2～16 μm、16～32 μm细粒级组分变化剧烈；32～63 μm、63～125 μm、＞125 μm粗粒级组分中的变化不明显，而且剖面中变化也比较稳定。TKP剖面整体风化成壤作用较弱，这一特征可能是TKP剖面物源不统一造成的。为塔克尔莫乎尔沙漠具有物源多样性特点的观点提供了地球化学元素上的证据。

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The distribution of geochemical elements in different grain-size fractions of desert sediments in Ili Valley of Xinjiang, China

LI Jin-chan1,2, CHEN Xiu-ling1,2, JIA Li-min1,2, LI Zhi-zhong1,2
(1. Key Laboratory for Subtropical Mountain Ecology ( Ministry of Science and Technology and Fujian Province Funded ), School of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China; 2. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710075, China)

Previous studies have found that there is correlation between the distribution of minerals in whole rock samples and grain size, which makes great influence on chemical weathering proxies. Therefore the inf uence of grain size should be taken into consideration when using geochemical proxies. In this study, we analyze geochemical elements of representative samples in Kekdala section (TKP) in Takelmukul Desert, Ili valley, Xinjiang and explore the distribution character of geochemical elements among different grain size fractions in westerly region. The results show that the concentrations of Na and Sr increase as the enlargement of size fraction, while Fe, Mg, Al, and Rb concentrations show the opposite phenomenon. K concentration decreases at first and then increases with the grain size increasing, and the lowest value exists in size 16～32 μm. CIA, Na2O/Al2O3, Na2O/K2O, K2O/Al2O3and Rb/Sr vary regularly with grain-size changing. The distribution character indicates that the chemical weathering proxies above considerably depend on grain size in westerly region and need carefully used.Most of the element concentration and ratios of TKP section change f ercely in f ne size (＜2 μm, 2～16 μm, 16～32 μm) and slightly in coarse size (32～63 μm, 63～125 μm, ＞125 μm). All of these afford new proof to tell us that the TKP sand sediment has various source areas.

different grain size fractions; major element; Rb and Sr; material source; Takermohuer Desert

P595

：A

：1674-9901(2014)02-0102-09

10.7515/JEE201402007

2014-02-17

国家自然科学基金项目（41302149，41172166）；黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金（SKLLQG1103，SKLLQG1113）；中科院科技创新交叉与合作团队资助项目；福建省科技计划项目公益类项目（K3-296）

陈秀玲，E-mail: xiulingchen@163.com