新疆塔城黄土的形成

李 云，宋友桂，晏利斌，陈 涛

（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）

新疆塔城黄土的形成

李 云，宋友桂，晏利斌，陈 涛

（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）

中亚黄土是研究区域古气候和古环境变化的重要载体。但是对于受到广泛研究的黄土高原黄土来说，对中亚东部塔城黄土的报道较少。基于对塔城黄土粒度的系统分析，与伊犁盆地黄土、典型黄土高原的黄土对比，我们发现无论是粒度频率曲线、粒度结构散点图、还是三角图，塔城黄土与伊犁盆地清水河黄土较相似，而与黄土高原黄土不同，塔城黄土粒度频率分布曲线为三峰分布，粒度组成比较分散，分选较差，细、中颗粒含量较少，主要以粗颗粒物质为主，属近源风成黄土。结合当地地形和现代环流分析，我们认为中亚萨雷耶西克阿特劳沙漠为塔城黄土提供主要的物源，盛行西风为粉尘的搬运提供足够的动力，向西开口的山间盆地地形为粉尘的沉积提供有利的沉积中心，这三个条件的共同作用导致了塔城盆地厚层黄土的沉积。

塔城；黄土；粒度；形成环境；中亚

中亚是世界上黄土的主要分布区之一，地处研究程度很高的中国黄土高原和欧洲两大黄土区之间，对研究亚洲内陆干旱化、北半球粉尘来源、古大气环流和全球气候环境变化具有重要的意义（宋友桂和史正涛，2010；宋友桂等，2010）。

粒度分布特征是沉积物的基本特征之一，受搬运和沉积过程的动力条件控制，与沉积环境密切相关。在黄土高原区，黄土–古土壤序列的粒度指标不仅受冬季风强度变化的影响（Liu et al，1985；An et al，1991，2001；Lu et al，1999），而且受沙漠进退的影响（Ding et al，1999，2005），而对于新疆黄土粒度特征的研究报道很少。伊犁黄土属于近源风成黄土，而且其粒径可以与格陵兰冰芯进行良好的对比（Ye et al，2000；李传想等，2011；Song et al，2014）。西昆仑山黄土的粒度分析显示出西昆仑山黄土粒度组成比较均一，分选较好，主要以粗颗粒物质为主，细颗粒含量极少，属于典型风成黄土。并且1Ma以来的黄土粒度变粗的趋势反映了中更新世以来亚洲内陆逐步增强的干旱化过程（昝金波等，2014）。近些年来，有关学者对伊犁黄土（Ye et al，2000；史正涛等，2006；史正涛和董铭，2007；李传想和宋友桂，2011；李传想等，2011）、天山（Fang et al，2002a；吕红华等，2008；邓少福等，2011；Zan et al，2012，2013）和昆仑山黄土的粒度（Fang et al，2002b；李保生等，2008；Zan et al，2010；昝金波等，2014）进行了初步的研究，但是对新疆西北部的塔城黄土的形成过程和粉尘来源研究较少。李新东等（2008）基于气象资料，认为塔城的沙尘主要来源于古尔班通古特沙漠。但现代的气象观测表明塔城盆地主要受西风的影响。本文通过对新疆西北部塔城黄土的系统粒度分析，与伊犁盆地黄土、典型的黄土高原黄土对比，并结合当地的地形和气候条件，分析塔城黄土的形成条件、搬运方式及物源。

1 研究区域和剖面概况

塔城盆地地处新疆西北部，三面环山，向西开口，北靠塔尔巴哈台山，南邻巴尔布鲁克山（图1）。该区属于中温带大陆性干旱半干旱气候区，冬季明显处于西伯利亚–蒙古高压和西风带的控制，夏季则受到南亚热低压的影响（Aizen et al，1996）。根据中国气象科学数据共享服务网的气候资料，塔城沙尘暴主要集中在6—9月，而且在这些月中地面风向以西西南风和西风为主，而在冬季、春季沙尘暴爆发次数较少，地面风向主要以东东南和东南风为主（图2，表1）。塔城地区不同月份和季节平均温度和平均降水量有较明显的差异（图3），春夏季节，由于当地主要受控于大西洋的西风水汽传送带的影响，降雨主要集中在4、5、6、7月，而在冬季，同时又受到了西伯利亚–蒙古高压所带来的西北风水汽输送带的影响，降雪集中在10—12月，高温则集中在6—8月（图3）。所以塔城盆地水热组合既不同于西风带的地中海型，也与东亚季风区明显有别，该区降水属地中海气候与季风气候间的过渡气候。该区黄土主要沿山麓成条带状分布，在塔尔巴哈台山和巴尔布鲁克山之间，分布着10～25 m厚的黄土。

图1 中亚干旱区和东亚季风区地形图和黄土剖面位置图1.黄土高原的朝那黄土剖面；2.伊犁盆地东部的则克台黄土剖面；3.伊犁盆地西部的清水河黄土剖面；4.塔城盆地的塔城黄土剖面Fig.1 Map showing the geographic regions of Central Asia and East Asia and the locations of the studied loess sections in this study1.Chaona loess section on the Chinese Loess Plateau; 2.Zeketai loess section to the east of the Ili Basin; 3.Qingshuihe loess section to the west of the Ili Basin; 4.Tacheng loess section in the Tacheng Basin

图2 塔城、伊宁气象站地面2013年各月最大风向玫瑰花图Fig.2 Rose plots of the biggest wind direction observed at weather stations in Tacheng and Yining in 2013

表1 塔城、伊宁气象站2013年各月最大风向Table 1 The biggest wind direction observed at weather stations in Tacheng and Yining in 2013

图3 塔城、伊宁2013各月平均温度（℃，黑色）、平均降水(mm，红色)和各月沙尘暴日数（日，绿色）Fig.3 Monthly mean precipitation (mm, red), air temperature (℃, black) and dust storm (day, green) at Tacheng and Yining in 2013

塔城剖面（N46°53′46″，E82°58′25″）位于塔城市北部17 km处，距边境仅6 km，海拔770 m，剖面厚15.5 m，我们以2 cm为间隔自上而下共采集样品700个。顶部缺失现代表土层，0～14 m为淡黄色或灰黄色，质地均匀，疏松多孔，部分层位含有细小的钙质结核颗粒的黄土层，无蜗牛化石，14 ～15.5 m为颜色明显变红，含有碎屑颗粒的河漫滩相沉积。

2 实验方法

粒度的具体测试方法为：(1) 将野外采集的样品晾干，去除水分，把块状样品粉碎；(2) 取样品0.3～0.5g 放入烧杯中；(3) 向烧杯的样品中先加入10 mL 10% H2O2，加热直至完全去除有机质，再加10 mL 10%盐酸，加热直至去除样品中的碳酸盐物质；(4) 将样品静置12 h 以上，使颗粒物沉降至烧杯底部，轻轻倒掉上部液体；(5) 加入10 mL 30%的分散剂六偏磷酸钠溶液以便颗粒充分分散；(6)将烧杯放入超声波震荡仪上震15 min 使样品有效分散；(7) 上机测量。所有样品的粒度分析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英国Malvern 公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪上测量完成，该仪器的测量范围为0.02～2000 μm，测量精度为0.15，相对误差小于3%。

3 塔城黄土粒度组成和分布特征

塔城黄土、伊犁清水河黄土和则克台黄土样品均采自各剖面顶部黄土层（L1）。从图4a可以看出，塔城黄土、伊犁清水河黄土和则克台黄土粒度分布曲线都呈现出三峰型分布特征，与西天山Remisowka剖面黄土的粒度分布曲线（Machalett et al，2008）相似。但塔城黄土和清水河黄土的众数粒径在60 ～70 μm，中峰值较小，而则克台黄土的众数粒径出现在30 ～ 40 μm，且中峰值相对较大。黄土高原典型的黄土沉积朝那黄土呈双峰分布特点，粗峰显著降低，对应的粒径明显变细，但大体上塔城黄土与伊犁和黄土高原黄土相似，所以他们都属于风成堆积，但从搬运方式上来说，塔城黄土、伊犁黄土和黄土高原黄土有着明显的不同。而造成伊犁盆地西部的清水河黄土和盆地东部的则克台黄土粒度频率分布曲线明显差别的原因可能是，相对于清水河黄土来说，则克台黄土距离源区较远（Song et al，2014），海拔较高，粗粒组分会随源区距离增加而减少，而中粒组分百分含量随源区距离增加而增加（殷志强等，2008）。由于塔城黄土与清水河黄土粒度频率分布曲线和频率累积曲线的相似性（图4b），说明两者有着相似的搬运方式及沉积环境。

图4 伊犁盆地、塔城和黄土高原黄土粒度分布曲线和频率累积曲线Fig.4 Grain size distribution curves of loess from the Ili Basin, Tacheng and the Chinese Loess Plateau

三角图是反映沉积物不同沉积类型的重要指标（Flemming，2000），通过比较样品在三角图上的投影可判断沉积环境之间的异同。图5 可以看到塔城黄土与伊犁盆地黄土、黄土高原朝那黄土处于三角图的上部，尤其与伊犁盆地西部的清水河黄土有部分重叠区域，这也可以证明塔城黄土与伊犁盆地黄土、黄土高原朝那黄土成因上相似，都为风成沉积。

图5 伊犁盆地黄土、塔城黄土和黄土高原黄土的粒度三角图Fig.5 Grain size ternary diagrams of loess from Tacheng loess, the Ili Basin and the Chinese Loess Plateau

粒度参数能够反映物源和沉积物的形成环境。偏度、峰度和标准偏差等粒度参数对黄土的分选程度有着较好的指示意义（Folk，1974）。图6a表明，塔城黄土的标准偏差集中在1.85～2.05，和其他黄土相比，塔城黄土的标准偏差较大，而Folk（1974）认为标准偏差主要反映沉积物颗粒的均一程度，与沉积物搬运动力条件密切相关。标准偏差越大，表明样品的分选程度越差。虽然塔城黄土的标准偏差较大，分选程度较差，但和清水河黄土的标准偏差基本在一个水平线上。偏度反映了沉积物粒度分布曲线的对称性。对于粒度频率分布曲线是标准正态分布的沉积物，其偏度为0。偏度大于0为正偏，平均值将向中位数的较细方向移动，在频率分布曲线中表现为有一个细颗粒的尾巴；偏度小于0时为负偏，平均值向中位数的较粗方向移动，在频率分布曲线中，表现为有一个粗颗粒的尾巴。塔城黄土的偏度在这些黄土中为较小的，在0.3～0.7，与则克台黄土的偏度相似，但随着平均粒径的增加，偏度也随之减小，与清水河黄土有部分重叠，并分布在一条斜线上（图6b）。而与黄土高原朝那黄土相差较大。峰度反映了沉积物粒度频率分布曲线中峰的高矮、宽窄的特征。塔城黄土的峰度值在2.4 ～ 2.8，分布与其偏度相似，与清水河黄土的峰度分布在一条斜线上（图6c，d），而与黄土高原朝那黄土相差较大。上述各粒度参数显示塔城黄土与典型的黄土高原黄土粒度分布特征明显不同，但与伊犁盆地西部的清水河黄土较相似，粒度组成比较分散，分选较差，细、中颗粒含量较少，主要以粗颗粒物质为主。这些特征一方面说明，相对于朝那黄土和则克台黄土来说，塔城黄土和清水河黄土为近源风成堆积，另一方面也表明与典型的黄土高原黄土有着不同的粉尘搬运方式和沉积环境。

图6 伊犁盆地、塔城、黄土高原黄土粒度结构参数散点图Fig.6 The relationships between Standard Deviation versus mean grain size(a) Skewness versus mean grain size, (b) Kurtosis versus mean grain size, (c) and Skewness versus Kurtosis (d) for the loess in the Ili Basin, Tacheng and the Chinese Loess Plateau

4 塔城黄土的物源、粉尘搬运的动力及沉积环境

黄土的形成需要三个基本的条件（Pye，1995）： 1、稳定的物源；2、搬运粉尘的足够的风动力；3、稳定的沉积中心。以下我们就这三个方面来具体讨论塔城黄土的形成。

首先，塔城盆地在构造上系天山造山带中所夹持的一个山间断陷盆地，地貌轮廓为向西开敞的喇叭形，总体上地势东高西低（图1、9），与伊犁盆地的地形相似。而气候上，冬季，西风带位置偏南，在青藏高原西部分为南、北两支，其中北支西风气流深刻影响着新疆塔城和伊犁地区的冬季气候（图7a），冬季塔城和伊犁地区对流层中低层以偏西风为主。根据地面气象站的数据显示，塔城冬季受控于蒙古–西伯利亚高压的影响（图8），导致当地冬季以东南风为主（图2a，8a，表1），原因可能是冬半年地面气压场上西伯利亚–蒙古高压稳定加强，当中亚一带有低值系统活动时，在中亚至蒙古一带形成东高西低的气压场，由于塔城东南部特殊的向东开口地形，从而形成塔城地区的东南风（李新东等，2009；高婧等，2011）。但是当地沙尘暴爆发频率较低，可能是由于冬季塔城地区降雪量较大（图3a），导致当地的起沙率较低。因此，古尔班通古特沙漠是塔城盆地黄土的一个物源区，但是贡献量可能较小。

图 7 新疆干旱区700hPa等压面（约3000m a.s.l）风场（m/s）：1月（a）、7月（b）Fig.7 The UV stream f eld at 700 hPa (about 3000 m a.s.l) in Xinjiang (m/s): (a) the January and (b) the July

图8 新疆干旱区海平面气压场(蓝色阴影， hPa)和10 m风场(m·s–1)：1月(a)、7月(b)Fig.8 The atmospheric pressure f eld of the sea level (the blue shadow, hPa) and the UV 10 m wind circulation (m·s–1) in Xinjiang: (a) the January and (b) the July

图9 塔城地区粉尘的物源、搬运、沉积的概念模型Fig.9 Conceptual modals for the provenance, transportation, and deposition of eolian dust in Tacheng region

虽然伊宁的温度和降水与塔城相似（图3），但是由于天山的阻挡，东南风到达不了伊犁盆地，所以当地的近地面风仍以西风为主（图2b）。夏季，西风带位置偏北，仍主导塔城和伊犁盆地的夏季气候（图7b，8b），对流层中低层以偏西风为主。在塔城，近地面西风受到天山的阻挡，西风变为西西南风（图2a），而且夏季又是塔城沙尘暴主要爆发期（图3a），所以位于西西南风上风向的萨雷耶西克阿特劳沙漠为塔城黄土的主要物源区。

野外考察时，我们发现在裕民附近的黄土要明显比塔城附近的黄土厚，这也支持塔城盆地的粉尘物源主要为萨雷耶西克阿特劳沙漠。至于伊犁盆地，近地面西风受到天山的阻挡，西风变为西西北风（图2b），把萨雷耶西克阿特劳沙漠的粉尘带到伊犁盆地沉积下来（Sun et al，2002）。通过对塔城黄土的系统粒度分析，并与伊犁盆地清水河、则克台及黄土高原朝那黄土粒度特征作对比分析，我们发现塔城黄土的粒度频率曲线、粒度结构散点图、三角图与伊犁盆地西部的清水河黄土非常相似，但与伊犁盆地东部的则克台黄土和黄土高原朝那黄土有一定差异。由此认为塔城黄土的成因与伊犁盆地的清水河黄土类似，有着相同的搬运方式和沉积环境，塔城和伊犁盆地的气候和地形上的相似性也支持了两者粒度上的一致性。

5 结论

通过黄土粒度频率曲线、粒度结构散点图、三角图分析，我们认为塔城黄土粒度分布曲线呈三峰型分布特点，粒度组成比较分散，分选较差，细、中颗粒含量较少，主要以粗颗粒物质为主，属近源风成黄土，并结合当地地形和气候特点，我们认为塔城盆地黄土与伊犁盆地清水河黄土的沉积环境、粉尘搬运方式一致。物源为萨雷耶西克阿特劳沙漠，西风为其主要搬运动力，向西开口的山间盆地为其提供了稳定的粉尘沉积条件，这三个条件的共同作用导致了塔城盆地的厚层黄土的沉积。

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Formation of the Tacheng Loess, Xinjiang

LI Yun, SONG You-gui, YAN Li-bin, CHEN Tao
(State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710075, China)

Loess deposits in Central Asia provide an important record of regional climate and environment change. However, in contrast to the intensively investigated loess deposits on the Chinese Loess Plateau (CLP), loess sediments in the Tacheng Basin of eastern Central Asia are poorly understood. In this study, the grain-size features of the Tacheng loess are compared with the Ili loess (Qingshuihe section and Zeketai section) in the west of China and Chaona loess in the Chinese Loess Plateau. The results indicate that the grain-size characteristic of the Tacheng loess is similar to the Qingshuihe loess in the west of the Ili Basin, and displays a trimodal distribution, and undergoes poor differentiation, the grain-size content of the f ne and middle competent is small, while the coarse competent is large, so we conclude that the Tacheng loess is of near-source aeolian origin. Combined with regional topographic and climatic characteristics, we suggest that Sary-Ishikotrau Desert provides a sustained source of dust, westerly provides adequate wind energy to transport the dust and an intermontane basin resembling a trumpet shaped terrain facing the west gives a suitable accumulation site for dust, these three fundamental requirements lead to the formation of the loess in Tacheng.

Tacheng; loess; grain size; formation environment; Central Asia

P512

：A

：1674-9901(2014)02-0127-08

10.7515/JEE201402010

2014-02-25

中国科学院科技创新交叉团队和自主布署项目（ZZBS1301）

宋友桂，E-mail: syg@ieecas.cn