中国沙漠的碎屑长石矿物与冰期风尘示踪

李 娟，何 同

1.内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，南京大学 地球科学与工程学院，南京 210023；2.南京信息工程大学 地理科学学院，南京 210062

亚洲是世界上第二大粉尘来源地，释放的粉尘传输距离最远可达北极格陵兰（Biscaye et al., 1997;Svensson et al., 2000），青藏高原北部区域的隆升起到了关键作用（孙继敏，2014; Bory, 2014）。青藏高原北部作为高基岩侵蚀区，从岩石圈中释放的砂砾大小的沉积物通过大气环流传送到黄土高原（Kutzbach et al., 1989）。特别是在冰期阶段，地表风动力更强，有利于青藏高原北部的物质被再次搬运活化。青藏高原北部的山脉在第四纪（2.58～0 Ma）经历了多次阶段性构造抬升（Dai et al., 2006;Li et al., 2014），造成了基岩侵蚀加强的事件（聂军胜，2003），在周边的沙漠盆地形成巨厚层的沉积物堆积（Derbyshire et al., 1998）。如果上述假设成立，塔克拉玛干沙漠、柴达木沙漠、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠与毛乌素沙漠会成为东亚粉尘释放的最主要来源地，目前这一推断还缺乏直接证据支撑。

亚洲粉尘源区位于中亚造山带与青藏高原北部山脉之间。该地区的地质地层主要代表新构造运动抬升形成的上部大陆地壳物质，主要由斜长石、钾长石和石英构成（Nesbitt and Young, 1984）。隆升山地周边的沙漠沉积盆地沉积物主要由上述三种矿物组成，几乎占到了总质量的一半（Ferrat et al.,2011）。采用矿物学比值，可提供重要的地表物质成分区分方法（Muhs, 2004）。构造运动抬升产生的基岩侵蚀，将地质地层的区域性差异带入到了地表沉积物中，通过沉积旋回反映在沉积盆地沉积物的成分变化（Pettijohn et al., 1973），沉积物的化学成分与矿物成分变化受到构造运动与地质地层的约束限定（Dickinson and Suczek, 1979）。青藏高原北部山脉位于板块构造边缘的新构造运动构造活动带，经历了快速的沉积物堆积，而位于更北方的中亚造山带位于稳定的大陆内陆板块内陆克拉通之上，如蒙古戈壁、中国东北的浑善达克、科尔沁、呼伦贝尔沙地，从二叠纪开始就已经经历了包括新构造运动在内多次构造运动与沉积旋回，沉积物成分可能不同于青藏高原北部。

斜长石、钾长石、石英的物理性质相似，在沉积物中的矿物颗粒形态密度接近（Deer et al.,1997），在随着大气环流的搬运传输过程中，可能具有一致性。目前在东亚下风向的北太平洋（Blank et al., 1985; Leinen et al., 1994; Merrill et al., 1994）、格陵兰（Biscaye et al., 1997; Svensson et al., 2000）都发现了这些矿物的细小颗粒。过去运用Pb同位素示踪的方法，确定了粉尘从东亚远距离传输到这些地区是可行的（Bory et al., 2003）。通过对粉尘的现代大气观测（Jeong et al., 2014），传输的动力机制很可能是北半球行星风系西风带。

本文对东亚10个沙漠地表沉积物采样，运用自动矿物学分析方法（INCA-Mineral）提供了东亚粉尘源区沉积物矿物含量的统计分析，将矿物粉尘的矿物成分变化与板块构造地质相联结。研究围绕三个方面开展：（1）中国沙漠与蒙古戈壁沉积物中斜长石、钾长石、石英的含量； （2）通过矿物比值方法，区分不同板块构造的沉积物成分； （3）检验青藏高原北部隆升对周边沙漠盆地沉积物成分的影响，结合先前对冰期时段开展的大气传输过程模拟（Liu et al., 2015），探索东亚粉尘大气传输模式。

1 材料与方法

本文主要研究干旱区山前盆地堆积的砂质松散沉积物，地表砂样本采集自地表以下20 cm，一共采集了38个地表砂样本。采集样本的空间位置标注在图1。采集了共计10个沙漠的沉积物样本，采集的沙漠盆地包括中国西北以及北方的塔克拉玛干、柴达木、巴丹吉林、腾格里、毛乌素、古尔班通古特沙漠；中国东北的浑善达克、科尔沁、呼伦贝尔沙地；蒙古国南部的蒙古戈壁（图1）。研究区共覆盖150万平方公里的范围（Sun et al.,1998）。

在空间地理位置角度，北部研究区包含古尔班通古特沙漠、浑善达克、科尔沁、呼伦贝尔沙地、蒙古戈壁，沿着中亚造山带（天山—阴山—燕山—大兴安岭）分布（图1）。南部研究区包括塔克拉玛干、柴达木、腾格里、巴丹吉林和毛乌素沙漠，位于青藏高原北缘的山脉（昆仑山—祁连山）北麓。

图1 东亚沙漠的分布及采样位置Fig.1 Geographical Location of East Asian deserts

细砂—粉砂大小（5～120 μm粒径）的颗粒物，在低空大气中以悬浮气溶胶的状态远距离传输。故而本文对每个砂样湿筛，以提取5～120 μm的矿物颗粒以备微区分析。筛取、干燥后的样本，放置在圆形的模具中（图2），加上环氧树脂与固化剂。样本固化以后，对下表面进行磨抛，显微镜下观察见砂砾颗粒表面光滑平整。上机之前经过喷碳镀膜，增加树脂靶的导电性。最后置于专用样品台（李娟等，2017），放入场发射扫描电镜进行测试。所用电镜为南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室的Carl Zeiss Supra55型场发射扫描电镜，配备牛津仪器（Oxford Instrument）高性能Oxford AZtec X-Max150型能谱仪（EDS）及INCA-Mineral自动矿物相识别分析软件。

本实验电镜参数设置：使用20 kV，60 Aperture光阑进行分析测试，图像扫描分辨率1024×800。定量分析使用牛津仪器的INCA-Mineral自动矿物相识别分析软件（图2），实现单个样本靶分析颗粒数目40000的分析数目，包括约20000个石英单颗粒，约10000个斜长石与钾长石颗粒，其他矿物颗粒约10000个。借助高分辨率扫描电镜图像，通过INCA-Mineral单颗粒抠图（图2），识别并剔除多矿物构成的复杂颗粒，约500个单颗粒。对获得的分类为石英、钾长石、斜长石的矿物单颗粒，进行面积加总统计，乘以矿物密度，获得石英、钾长石与斜长石的质量百分数。INCA-Mineral系统区别于过去采用的QEM-SCAN以及MLA等矿物相自动分析系统（Fandrich et al., 2007），后两种通常将多矿物复杂颗粒混入单颗粒进行统计。采用矿物单颗粒的分析方法，剔除了复杂颗粒，测试分析可靠性更高，并且相比于过去误差较大（>10%）的X光粉末晶体衍射法（XRD）要有效得多。

图2 沙漠砂样本的INCA-Mineral分析流程图Fig.2 The schematic map for automated mineralogy analysis under INCA-Mineral system

2 结果

本文运用INCA-Mineral方法，从沙漠砂沉积物中鉴定了33种矿物。最主要的矿物成分包括石英（35%～56%）、斜长石与钾长石（19%～53%）、方解石与白云石（0～25%）。其他少量矿物经鉴定，包括白云母、黑云母、绿泥石以及重矿物。INCAMineral方法，与过去采用的XRD分析（Ferrat et al., 2011）都能实现矿物鉴定，但本文通过前者进行矿物分析的误差更小，更加适合于大跨度的沙漠沉积物成分定量分析。

东亚沙漠位于欧亚大陆板块内部，丰度最高的几种矿物包括石英、钾长石、钠长石、含钙斜长石，它们之间的相对含量最能代表沙漠沉积物的成分。本文采用特征矿物含量比值的方式区分物源。钾长石/钠长石比值、斜长石/石英比值（图3）显示，较高的比值范围位于北部沙漠研究区。而南部沙漠研究区（图1：构造分界线A-B以南），绝大多数样本的钾长石/钠长石比值<1，斜长石/石英比值<0.3。南北两个研究区，统计差异区分显著。

其余少量矿物成分也呈现明显的南北差异。南部沙漠研究区绿泥石矿物含量更高，方解石（3.5%～19.5%）和白云石（0.74%～10.5%）矿物含量，也要比北部沙漠研究区含量更高。考虑到诸多特征矿物的含量呈现出南北差异。

3 讨论

3.1 东亚沙漠沉积物成分的南北分区

依据石英、斜长石、钾长石矿物相对成分的变化，研究北美沙漠、北非沙漠的物源已经很常用（Muhs, 2004），但是应用在东亚南部沙漠研究区和北部沙漠研究区物源如何变化这一问题上尚属首次。特别是东亚南部沙漠研究区，位于构造快速隆升区。构造隆升事件显著影响了山前盆地沉积物的矿物成分，目前亟待获取用于构造事件诊断的矿物特征组合（Dickinson and Suczek, 1979）。

构造快速隆升区的基岩成分与上部大陆地壳平均成分一致（Rudnick and Gao, 2004）。沿着青藏高原北部山脉分布的沙漠盆地（图1），沙漠沉积物成分可以用来代表上部大陆地壳平均成分，图3显示南部沙漠研究区钾长石/钠长石比值介于0.4～1.3，而在非快速隆升区域的北部沙漠研究区，钾长石/钠长石比值在0.6～4.2（图3）。

南部沙漠研究区沿着青藏高原北部昆仑山—祁连山分布，该区域在2.6 Ma以来快速隆升，岩石剥露侵蚀，堆积形成的沉积物钠长石含量较高，钾长石含量较低。反之，北部研究区的沙漠盆地，沿中亚造山带（阿尔泰山—天山—阴山—燕山—大兴安岭）分布，构造褶皱运动始于二叠纪末，隆起时间较早，最晚一次抬升事件发生在5±3 Ma（Jolivet et al., 2007）。基岩侵蚀速率相对新构造隆升区较低（Cunningham, 2005）。

图3 （a）东亚沙漠钾长石/钠长石含量比值的比对；（b）东亚沙漠含钙斜长石/石英含量比值的比对Fig.3 Comparison of K-feldspar/albite ratio in East Asian deserts（a）and Ca-plagioclase/quartz ratio in East Asian deserts（b）

南部沙漠研究区和北部研究区的构造环境背景差异，很可能导致了北部沙漠研究区沉积物平均成分偏离了上部大陆地壳平均值。南部沙漠研究区沿着昆仑山—祁连山，位于塔里木板块与华北板块（北部研究区的板块构造界限，用红色线表示，图4），而北部沙漠研究区沿着阿尔泰山—天山—阴山—燕山—大兴安岭分布，位于蒙古—西伯利亚板块（图4南部研究区的板块构造界限用绿色线表示）。南北两个沙漠研究区的构造差异很可能导致了沉积物碎屑长石化学成分的不同（图1）。

南部研究区钾长石含量较低，钠长石含量较高，与出露的基岩化学成分一致。对出露地层开展的大范围地球化学填图显示，南部研究区与北部研究区相比，基岩主量元素化学成分K2O含量偏低（淡蓝色表示K2O含量较低值，深红色表示K2O含量较高值，图4）。野外岩石露头样本的主量元素化学分析测试结果（Dash et al., 2016; Wang et al.,2016）也支持了本文的假设，蒙古阿尔泰山侵入岩，相比青藏高原北部喷发形成的岩浆岩，化学成分明显富集K2O。大范围喷发的火成岩化学成分，很可能在随后的基岩侵蚀作用下，限定了周边沙漠盆地沉积物的钾长石含量。

南部沙漠研究区与北部沙漠研究区沉积物成分的差异，同样反应在了Nd同位素的研究结果中（Liu et al., 1994）。青藏高原北部区域的沙漠，相比北部中亚造山带，沉积物的Nd同位素值偏负；进一步的地壳Nd模式年龄计算揭示了北部中亚造山带有更多的地幔来源物质的加入（Liu et al., 1994），导致了北部研究区的沙漠沉积物放射性同位素εNd值（Chen et al., 2007）和 εHf值（Zhao et al., 2014）明显偏正。地幔来源物质增多，使得侵入岩体的形成温度更高，长石矿物在成岩结晶分异过程中，碎屑长石中钾长石的比例显著增加（图3a），并且与裸露基岩大规模地球化学填图的结果（图4）相互印证。

3.2 青藏高原北部沙漠碎屑长石成分示踪对冰期古风向的启示

碎屑长石矿物成分（图3）、岩石地球化学填图（图4）、放射性同位素比值等研究资料，一致揭示了东亚粉尘源区由南部沙漠研究区和北部沙漠研究区这两个端元组成。过去认为近地表传输的冬季风主要搬运并混合了南部和北部两个端元来源的风沙物质，堆积在黄土高原（Che and Li, 2013; 李高军等，2013），两个端元的贡献都是主要的（Zhang et al., 2015）。然而关于冰期黄土物质“双来源”的观点，受到了多项研究的挑战。位于鄂尔多斯盆地的毛乌素沙漠，开战了详细的地表砂地球化学填图，研究结果认为毛乌素沙漠通过“中转站”的作用，通过风力搬运侵蚀作用，再次循环了黄河泛滥搬运自上游青藏高原的物质，为黄土高原提供了充足的风砂物质来源（Nie et al., 2015; Stevens et al.,2013）。

图4 南部研究区与北部研究区沙漠盆地的构造示意图（板块构造分界线据 Chen et al.，2007；底图据谢学锦，2005）Fig.4 The tectonic plate for the southern and northern research area (The tectonic boundary is modified from Chen et al., 2007)

本文通过南部沙漠研究区与北部沙漠研究区沉积物的碎屑长石成分，确认了两个基本事实：（1）毛乌素沙漠成分确实与青藏高原北部物质成分一致，在冰期时段，属于黄土高原的重要物源，支持了过去依据黄土高原北部和中部粒度空间分布规律得到的推断（Ding et al., 2005）；（2）北部研究区的沙漠，沿着中亚造山带分布，无法排除其对黄土高原北部的贡献（Zhang et al., 2016），然而北部研究区的沙漠对黄土高原中部和南部的贡献尚不明确，其定量数值迫切需要在今后详细开展。本文碎屑长石成分的记录揭示了中亚造山带对冰期黄土较小的贡献量（图3b）。

黄土高原中部灵台剖面（孙友斌等，2001）末次冰盛期的黄土碎屑长石成分高度均一，钾长石/钠长石比值稳定在0.5附近，完全位于青藏高原北部沙漠的范围内。为了验证这一发现，笔者引入了含钙斜长石/石英的比值，结果依旧显示了高度均一的特性（Jahn et al., 2001）。末次冰期黄土完全位于青藏高原北部沙漠的范围内，特别是与毛乌素沙漠高度重叠。据此推断，冰盛期黄土高原中部的黄土物质来源于青藏高原北部，与冰盛期时段，青藏高原北部基岩侵蚀的加强有（He et al., 2017），可能是通过冰川规模扩大造成的下蚀（He et al.,2016），也可能是由于黄河上游河流侵蚀作用加剧所致（Nie et al., 2015）。

本文运用碎屑长石成分重新阐释了黄土高原中部灵台黄土剖面的风尘物源，对于研究冰盛期我国北方大气环流传输模式具有重要启示。黄土沉积序列为研究地质历史时期风力传输方向提供证据（Ding et al., 1995; Muhs, 2018）。气候特别寒冷或者是降温快速的时段，容易发生大气环流的经向移动，自北向南发生迁移（Ding et al., 2000）。冰期时段，鄂尔多斯盆地与柴达木盆地雅丹风蚀地貌发育，出露面积广，具有区域代表性（Pullen et al.,2011）。冰盛期的古风向自西向东传输，与现代冬季中国北方盛行的西风传输方向一致，西风带的主轴位置很可能迁移到了青藏高原北部柴达木盆地一带。很可能现代冬季西风带的主轴位置（图4），就是当时大气环流的主要传输通道。

3.3 东亚来源粉尘的全球传输机制

假设上述推论成立，青藏高原北部沙漠沉积物在冰盛期通过西风带实现远距离传输。超远距离传输很可能远至格陵兰岛（Bory, 2014）。为验证这一假设，亟待对格陵兰粉尘成分开展物源研究。据大气环流传输模拟，冰盛期时段，格陵兰粉尘源自于东亚（Reader et al., 1999），Pb同位素的研究比对结果也揭示了东亚作为格陵兰岛粉尘的重要来源（Biscaye et al., 1997）。然而来自东亚南部沙漠研究区，还是北部沙漠研究区尚不明确。

碎屑长石是地壳中丰度最高的矿物，从东亚大陆至北太平洋上空，再到格陵兰岛的粉尘中广泛出现，很可能为超远距离粉尘物源示踪提供证据。基于上述假设，我们将已发表的北太平洋东部、西部，格陵兰岛冰盛期粉尘气溶胶的长石矿物成分，与北非、北美、东亚潜在粉尘源区，进行了比对（图5）。过去发表的数据，主要依据X光粉末晶体衍射（XRD），无法区分出钠长石、含钙斜长石、钾长石等长石族亚种矿物，因此本文采用了使用最广泛的长石/石英比值，以最大化使用已经发表的数据。

依据全球尺度粉尘的长石/石英比值对比（图5），格陵兰粉尘与北非（O’Hara et al., 2006; Refaat and Hamdan, 2015; Svensson et al., 2000）、北美粉尘（Mostafa et al., 1993）呈现较大的差异，比对结果支持了东亚南部沙漠研究区作为格陵兰粉尘的主要原产地。格陵兰粉尘长石/石英比值在0.1～1.2，平均值0.4与青藏高原北部沙漠（0.3～0.7，均值0.5）最为接近，略低于中亚造山带沙漠（0.3～1.2，均值0.7）。运用Hf-Nd以及Nd-Sr同位素体系对格陵兰Dye-3冰芯钻孔进行粉尘来源示踪研究（Lupker et al., 2010）与青藏高原北部沙漠成分最为相近，与本文得到了相同的结果，并不支持先前依据Nd-Sr同位素体系获得的青藏高原北部沙漠与中亚造山带沙漠物质混合，形成亚洲粉尘的“双来源”假说（Biscaye et al., 1997; Svensson et al., 2000;Újvári et al., 2016）。

类似的结论还可以从粘土矿物特征含量获得。通过较少的东亚粉尘的样本，获得了东亚粉尘源的高岭石/绿泥石矿物含量比值（0.1～1）（Bory et al., 2002）。而格陵兰冰芯GRIP钻孔与GISP2钻孔，高岭石/绿泥石含量比值范围分别为0.32～0.82与0～0.6，与东亚粉尘源的特征匹配，然而采样分辨率无法区分出青藏高原北部沙漠与中亚造山带沙漠（Bory et al., 2002）。本文提供的东亚沙漠沉积物的样本数以及覆盖范围相比过去都有所提高，为进一步精确限定格陵兰粉尘来源提供了可能性。尽管本文实验样本的粘土矿物含量较少（颗粒物比例＜5%），依然准确获得了高岭石/绿泥石比值，南部研究区沙漠比值范围在0～0.2，平均值0.1，北部研究区则几乎不含高岭石，因而比值接近0。比对结果显示格陵兰粉尘主要来源于青藏高原北部的沙漠沉积物。

青藏高原北部自西向东分布的高海拔山脉，昆仑山—祁连山，影响到大气环流的传输，加强了西风急流的气流强度（An et al., 2001; Kutzbach et al.,1989）。冰期时段，西风带主轴位置南移至30°N（Pullen et al., 2011），受到高山阻挡作用的加强远距离搬运能力提升（Liu et al., 2015）。据过去的粉尘示踪结果，青藏高原北部沙漠沉积物的传输距离可达10000 km（Bory, 2014），在昆仑山—祁连山山麓前沿形成了主要的东亚风沙传输通道（Liu et al.,2015）。本文通过碎屑长石含量特征比值，获得的格陵兰粉尘物源新证据，与上述研究结果一致指出青藏高原隆升对北半球全球尺度粉尘传输的重大影响。考虑到格陵兰粉尘主要由粘土矿物构成，未来的研究工作可能围绕南部和北部研究区沙漠沉积物的粘土粒级开展碎屑长石成分以及粘土矿物含量分析，更精确限定格陵兰粉尘的源，最终与青藏高原北部的地表风蚀地貌、粉尘释放通量等研究工作相互支持与印证。

4 结论

本文对中国沙漠和蒙古戈壁沉积物的碎屑长石矿物进行了矿物定量研究，研究区沙漠沉积盆地的长石族矿物，包括钾长石、钠长石、含钙斜长石等三个矿物亚种。基于碎屑长石成分的不同，东亚研究区的10个沙漠，表现出明显的区域性。

沿着青藏高原北部山脉分布的塔克拉玛干、柴达木、巴丹吉林、腾格里、毛乌素沙漠，钾长石/钠长石、含钙斜长石/石英含量比值均较低；分布在中亚造山带两侧的古尔班通古特、蒙古戈壁、浑善达克、呼伦贝尔、科尔沁沙漠，沉积物的两种长石矿物指标均具有较高值。东亚沙漠长石含量空间变化呈“双来源”特征，支持了板块构造运动基底控制造山带山前盆地沉积物成分的假说。

黄土高原中部灵台剖面末次冰期黄土的碎屑长石特征，与青藏高原北部山脉的物质成分高度一致。青藏高原北部山脉周边的沙漠成为冰期黄土高原中部的主导性物源。结合雅丹风蚀地貌研究，以及当代气象观测，冬季西风急流的主轴位于青藏高原北部，本文推断西风急流很可能是冰期黄土的主要搬运载体。分布在青藏高原北缘的沙漠沉积物，很可能通过西风带远距离传输。

致谢:感谢季峻峰老师的指导工作；陈忠、赵万苍副教授在野外采样工作中的帮助；感谢刘连文、陈旸老师对论文的深化讨论，感谢盛雪芬老师对论文的修改提出的宝贵意见。