腾格里沙漠南缘风积物粒度空间分布及物源指示

高文婷, 王 斌, 彭 俊, 梁爱民

(1.陕西师范大学 地理科学与旅游学院, 西安 710062; 2.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院, 湖南 湘潭 411103)

腾格里沙漠作为中国第四大沙漠，地处中国北方沙漠向黄土高原过渡的特殊地带[1]，是黄土高原潜在粉尘源区[2]，也是我国沙尘暴源区及沙尘输移的重要通道之一[1]。来自沙漠的粉尘会对生物地球化学循环、辐射平衡、空气质量与人类健康等产生影响，沙漠甚至会影响整个地球系统。在土地荒漠化乃至全球变化的大背景下，腾格里沙漠作为中国北方重要的沙尘源区，因其对沙尘贡献率较大而日益受到重视[3]。沉积物粒度特征可以表征风力对源区物质搬运与分选作用[1]，是风沙地貌学研究的基本手段之一，风沙的来源更是沙漠地貌和形成演化研究中必不可少的一部分，研究结果将促进对不同地表过程对构造运动和气候变化响应的认识。

相比于周边的巴丹吉林沙漠的物源研究来说，对腾格里沙漠粒度及物源研究还远远不够，现有的分析仅集中在粒度组成及分布特征、区域变化、沉积构造和地球化学组成等方面[4]，且整个沙漠的研究主要集中在东南缘和北缘，对腾格里沙漠南缘的风积物粒度参数空间分布和物源分析研究较少。粒度参数对物源背景有重要的指代意义，沙源物质属性同沙物质粒度分布特征具有直接关系[4]。粒度参数的空间差异直接反映沉积物所经历的搬运、堆积过程，对物源分析具有重要意义。但一些研究者指出，沉积物粒度参数的多解性问题，很难将其作为沉积环境解释的证据[5]。比如把偏度值作为判别沉积环境的指标时，风成沙不一定都表现为正偏态[6]。在自然界中，沉积物的类型多样，成因多变，来源广泛。要准确判断物源成因，需综合应用多种粒度判别方法，如端元分析模型，或者借助粒度之外的方法，如常量元素法、磁化率、扫描电镜、稀土元素法[7]。基于此，本文主要是通过粒度参数空间分析，端元分析模型及与潜在源区的对比和常量元素分析法，从多角度多维度多尺度分析研究区沙漠的沉积物来源，以期为沙漠形成演化提供借鉴和参考。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

腾格里沙漠(37°54′—39°33′N，103°52′—105°36′E)是我国第四大沙漠。位于阿拉善高原东南部，北部以哈拉乌山为界，南部与祁连山山前洪积扇前缘相接，西北隔雅布赖山与巴丹吉林沙漠相连，东抵贺兰山(图1)[8]。本研究区为腾格里沙漠南部边缘，是中国中部沙漠与黄土高原的过渡地带。区内盛行风向为西北(NW)、西西北(WNW)和北西北(NNW)[9]。腾格里沙漠的流动沙丘已经在沙坡头到达黄河[10]。沙漠起沙风受局部地形影响存在明显的空间差异，但总体以西北风为主。在沙漠南部多年平均输沙势为358.7 VU，属于中风能环境，合成输沙方向为NW为主，且方向变化小[11]。

注：黑虚线内分别为民勤、武威及中卫输沙势玫瑰图。图1 腾格里沙漠位置及样点分布

1.2 数据采集与分析

沿腾格里沙漠南缘东南—西北走向(武威至中卫，与主风向平行)分别选取沙丘外缘地势平坦区、丘间地与黄河南北两岸低级阶地3种地表类型系统采样。为揭示腾格里沙漠南缘粒度空间分布特征，所有粒度样品按与研究区段黄河的相对位置划分为黄河北岸和黄河南岸。共34个采样点，依次命名为TGL1—TGL34(图1)。在每种类型地表0—3 cm处随机取1～5个粒度样品，共记91个样品，样品类型分为风成沙和砂质黄土。黄河北岸共取得26个风成沙样品、24个砂质黄土样品，黄河南岸共取得2个风成沙样品、39个砂质黄土样品。风成沙颜色为黄色，结构松散，分选性较好。在野外采样中发现部分风成沙单元呈规则层理。砂质黄土结构紧实，没有明显层理。为保证样品具有一定的代表性，每个样品取样面积为20 cm×20 cm，且重量均在100～200 g，样点的地理位置用卫星定位仪(GPS)精确定位，对采集的样品用样品袋密封带回。

此外，根据前人对腾格里沙漠物质来源的研究，沙漠接受的风力输送的沉积物，主要来自于祁连山，因此在祁连山北麓潜在物源区进行采样[12]，共取得样品17件(5个采样点，与前文取样方法一致)。所有样品经过前处理后(方法见参考文献[13])采用英国马尔文公司生产的 Mastersizer 2000激光粒度仪进行测试，测试范围是0.02～2 000 μm。粒度分级根据伍登-温德华粒级标准(Udden-Wentworth Scale)，粒度参数计算采用Folk-Ward图解法，端元分析使用Paterson等设计的Analysize软件进行[14]。

2 结果与分析

2.1 粒度参数特征

粒级级配能直观反映风成沉积物的粒径组成，与沙源和风动力环境密切相关[3]。研究区不含砾石，极粗砂含量极少。由图2A可知，腾格里沙漠南缘砂质黄土粒级级配从大至小依次是粉沙黏土(14.54%～90.78%)、极细砂(9.02%～41.36%)、细砂(0.22%～38.94%)、粗砂(0～9.59%)和中砂(0～13.15%)。由图2B可知，腾格里沙漠南缘风成沙粒级级配从大到小依次是细砂(23.63%～60.79%)、极细砂(3.77%～45.69%)、中砂(0.71%～43.61%)、粉沙黏土(0～28.65%)和(0～22%)。

注：样品编号大写为砂质黄土，小写为风成沙。图2 粒级级配和粒度参数

平均粒径MZ(Φ)代表粒度分布的集中趋势，可以体现沉积物搬运介质的平均动能[7]。由图2C—D可知，砂质黄土平均粒径介于3.084～5.7 Φ，为极细砂和粉沙黏土粒级。风成沙平均粒径介于1.969～3.753 Φ，为中砂、细砂和极细砂粒级。与前文结果一致。分选系数SD(Φ)反映粒径分布的分散程度[7]，砂质黄土分选系数介于1.229～2.605 Φ，分选较差，风成沙分选系数介于0.524～2.066 Φ，分选较好。偏度(SK)可判断粒度分布的非对称性程度[15]。砂质黄土偏度的变化范围是0.09～0.453，样品呈现近对称、正偏、极正偏，这些样品的沉积物颗粒集中在细端部分。风成沙偏度的变化范围是-0.154～0.536，样品呈现负偏、近对称和正偏，大部分样品颗粒仍然集中在细端部分。砂质黄土峰度(KG)的变化范围是0.871～2.237，风成沙峰态介于0.934～2.15，大部分样品峰度等级均为中等。

2.2 粒度参数空间分布

由图3可知，黄河北岸主要是砂和粉砂质砂组成，黄河南岸主要是砂质粉砂和粉砂组成，表明研究区黄河北岸沙粒组分略粗于黄河南岸。此外，还对比了同一沉积物类型下黄河南北岸的粒级组成。

图3 黄河两岸的Shepard沉积物三角形分类图

由表1可知，黄河北岸风成沙沉积物组分主要为细砂(粒级级配均值为35.391%，下同)，其次为极细砂(20.388%)，中砂(20.340%)次之。南岸风成沙沉积物组分主要为细砂，平均含量51.115%。黄河北岸砂质黄土沉积物组分主要为粉砂黏土，平均含量为50.259%。黄河南岸砂质黄土沉积物主要组分与北岸相同，为粉砂黏土，平均含量为63.413%。对两岸同一沉积物类型组分含量进行对比后发现，即使相同沉积物类型下，黄河北岸沉积物组分仍整体较南岸更粗，两岸沉积物粒级级配存在较明显的空间差异性。

表1 腾格里沙漠南缘沿黄两岸不同沉积物类型粒级级配 %

2.3 端元粒度特征

利用Analysize软件包[16]在Matlab 2018b平台上对研究区91个粒度数据进行Nonparametric EMA计算，当端元数量达到4时(图4A)，线性相关系数R2在0.9以上，角度偏差小，所以本文选择4个端元对本组粒度数据进行分析。从分离出来的4个端元粒度频率曲线(图4B)可知，端元1(EM1)表现为宽缓的单峰，峰值集中在30～50 μm(粗粉砂)，表明沉积物组成较单一或集中。端元2(EM2)的粒度频率曲线表现为不明显的多峰，主峰峰值集中在100～120 μm(细砂)，两个不明显的宽缓次峰峰值集中在10～15 μm(细粉砂)和2～4 μm(黏土)，表明该组分物源相对复杂。端元3(EM3)表现为正偏态的双峰，主峰偏粗粒一侧且峰值范围是170～250 μm(细砂)，次峰粒径范围是15～25 μm(细粉砂)，表示沉积物以粗组分为主，细组分含量少。端元4(EM4)为较平缓的不明显的双峰，EM4虽然与EM3同为双峰态分布，但其平均粒径更大。主峰峰值范围是300～600 μm(中—粗砂)，次峰为10～20 μm(细粉砂)。结合双峰态的粒级分布可判断，EM3和EM4是粗细颗粒混杂沉积的结果。此外，从这4个端元的概率累积曲线(图4C)中可以判断，端元1是由悬移和跃移组分组成。端元2和端元3都以跃移组分为主，悬移组分次之，含极少的蠕移质。可能端元2和端元3在蠕移质段粒径上有一定联系。端元4以跃移组分为主，悬移组分占比小。

图4 粒度端元分析结果

2.4 地球化学元素特征

2.4.1 常量元素特征 统计分析了腾格里沙漠南缘不同区域沉积物常量元素丰度(表2)，就沙漠南缘、祁连山区和沙漠腹地3个不同区域而言，常量元素均主要有SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO，Na2O，K2O和MgO共7种元素。由表2可得，3个区域均以SiO2含量最高，沙漠南缘平均含量为68.54%，祁连山区平均含量为57.82%，沙漠腹地平均含量为87.01%，沙漠腹地SiO2含量明显高于其他两区域。Al2O3含量次之，沙漠南缘均值为11.23%，祁连山区均值为11.59%，沙漠腹地均值为6.75%，沙漠腹地Al2O3含量低于其他两区域。其次是CaO和Fe2O3，沙漠南缘均值分别为7.68%，4.16%，祁连山区均值分别为7.83%，2.94%，沙漠腹地均值分别为0.59%，1.58%。Na2O，K2O和MgO的各区域平均含量均较少，均在2%左右。

表2 腾格里沙漠南缘常量元素含量 %

与上陆壳(UCC)平均化学成分相比(图5A)，沙漠南缘除CaO相对富集外，SiO2，Fe2O3，MgO成分基本不变，其余元素均发生不同程度的淋失。祁连山区CaO也相对富集，SiO2，MgO成分基本保持，但Fe2O3和Na2O淋失程度更大。沙漠腹地则呈现完全不同的趋势，除SiO2相对富集外，其余成分均存在不同程度亏损。与陆源页岩相比，沙漠南缘和祁连山区SiO2，CaO和MgO相对富集，Al2O3，Fe2O3，Na2O和K2O则相对亏损。沙漠腹地则除了SiO2相对富集，其他元素均亏损。石英的输入增加风成沉积物的SiO2含量。粗粒粉尘颗粒也通常富含石英、长石和碳酸盐，沙漠边缘往往含有较粗颗粒。所以，这可能与沙漠边缘沉积物颗粒偏粗含有较高的石英有关[10]。沙漠南缘与祁连山区常量元素特征相似，与沙漠腹地差异较大。

注：B图中A=Al2O3，C=CaO，N=Na2O，K=K2O，CaO-硅酸盐矿物中的摩尔含量。图5 常量元素的UCC标准化曲线和A-CN-K化学风化趋势

2.4.2 化学风化特征 化学蚀变指数CIA(chemical index of alteration)是用来反映物源区风化程度指标。CIA值依据Al，K，Ca，Na等元素的摩尔数进行计算，可表征长石风化为黏土矿物程度，定量分析硅酸盐矿物的风化强度。沉积物遭受的风化越强，CIA值越大[17]。CIA值介于50～65，反映寒冷、干燥的气候条件下低等的化学风化程度。CIA值介于65～85，反映温暖、湿润条件下的中等的化学风化程度；CIA值介于85～100，反映炎热、潮湿的热带亚热带条件下强烈化学风化程度。腾格里沙漠南缘的CIA值在48.01～60.74变化，均值为54.27，与上陆壳的平均值46.15更接近，远小于陆源页岩(69.45)。据此可以判定，腾格里沙漠南缘砂物质遭受了低等的化学风化，无明显的黏土矿物的组分。

本文采用了大陆化学风化趋势预测的A-CN-K三角图解模型[18]。它在描述不同样品CIA值在三角图解中的分布情况时，也可以判断样品的风化特征和源岩成分。一般情况下，构造因素控制源岩的供应与剥蚀程度，气候因素影响沉积物的化学风化程度。如果A-CN-K图中样点分布分散，表明构造和气候环境均处于非稳定状态；反之，源岩化学风化和剥蚀处于相对稳定状态[19]。从图5B可以看出，腾格里沙漠南缘各区域数据点集中分布在UCC附近，风化趋势线平行于A-CN连线。说明腾格里沙漠南缘沉积物与UCC化学组成相近，有相似的SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO，Na2O，K2O，MgO的相对含量，均处于较弱的去Na，Ca阶段即较弱的大陆化学风化初级阶段。

3 讨 论

3.1 端元沉积类型判定

前文已经初步判断了4个端元所代表的沉积学意义，即EM1是细粒的跃移质。端元2和端元3为粗细颗粒混杂堆积。端元4为粗粒跃移质。要准确地判断这4个端元所代表的沉积类型，还需将它们与粒度空间分布、潜在物源供应和地球化学元素特征结合考虑。

EM1表现为宽缓的单峰，峰值集中在30～50 μm(粗粉砂)。≥30 μm的颗粒很难搬运到100 km以外的地方[22]。中等风暴条件下(风速u=15 m/s)，>20 μm的粉尘颗粒也不大可能被搬运到离源区30 km以外的地方[22]。雅布赖山距离研究区约222 km，因搬运距离过远，对该组分几乎没有贡献。EM1频率曲线分布特征(图4B)与典型的现代风尘粒度分布曲线较一致，均呈单峰且分布众数粒径为中、粗粉砂。因此，端元1可能是中远源短期悬浮沉积的风成粗粉砂组分。这点也得到了常量元素数据的支持。SiO2/Al2O3比值处于4.34～12.89，明显大于陆源页岩(3.32)和上陆壳(4.34)的比值，成分成熟度高，沉积物搬运距离稍远，即为中远源组分。为更准确判断端元沉积类型，我们将其与祁连山潜在物源端元对比分析(图4D)，发现EM1与QL2重合性极高，说明粗粉砂组分EM1很可能是全系祁连山北麓的QL2组分贡献。

EM2该组分物源复杂，呈不明显的多峰，主峰峰值集中在100～120 μm(细砂)，两个不明显的宽缓次峰峰值集中在10～15 μm(细粉砂)和2～4 μm(黏土)。100～200 μm的细砂端元主要为近岸沉积，是由强劲地表风以滚动或跃移方式搬运的风成沙[23]。因此估计端元2以近源沉积的风成细砂为主。当平均风速为15 m/s时，10～20 μm的颗粒可以搬运至500 km至几千千米，<20 μm的颗粒可以长期悬浮被搬运至很远[24]。但由于季节性河流对边坡沉积物连同黏土一起进行侵蚀重塑、搬运也可以产生类似的结果。所以端元2中的细粉砂组分可能是远源粉尘或附近河流二次侵蚀搬运的产物。有学者认为，2～4 μm的黏土组分是在沉积后的成壤和风化作用过程中产生。但是Sun等[25]认为风化作用很少能影响到风成沉积物中2～10 μm的粒级组分。风化作用不会对该粒级组分有较大影响，也排除该粒级组分依附于粗颗粒或者以聚合体的方式传播。因此端元2中的2～4 μm(黏土)成分只可能是高空传播的远源黏土组分[7]。此外，端元2富集的样品主要在沿黄南岸，由粒度空间分布特征初步可知，研究区黄河北岸沙粒组分略粗于黄河南岸。图1(输沙势玫瑰图)表明，民勤、武威、中卫主要输沙势方向均为东南方向，且总体上属于中能风环境。研究区黄河北岸地势偏低(图1)，南岸地势明显高于北岸。在西风、西北风的作用下，腾格里沙漠向南推进，沙漠粗颗粒在运移过程中易被黄河拦截，砂物质难以抵达黄河南岸。部分细砂组分越过黄河，在南岸受地形影响风速于山前降低，风携带的细砂组分随风动力减弱在山前沉积[15]，沉降至黄河南岸。研究区风沙活动结合地形地貌，可表明腾格里沙漠南缘的黄河北岸为南岸沉积物的上风向源区之一。综上所述，推断端元2主要是由沿黄北岸风成沙为主，通过高空气流的远源粉尘或黄河二次搬运为辅所贡献的组分。

端元2和端元3均为粗细颗粒混杂堆积(图4C)。但EM3主峰峰值范围是170～250 μm(细砂)，次峰粒径范围是15～25 μm(细粉砂)，粗组分含量更多。据前文所述，估计端元3为近源风成沙为主的细砂组分。此外，端元3富集的样品主要集中在沿黄以北，地球化学元素分析中排除了沙漠腹地的影响，图4C—D也表明EM3与祁连山潜在物源区无关，所以推断EM3可能是就地起沙。

EM4为不明显的双峰，主峰峰值范围是300～600 μm(中—粗砂)，次峰为10～20 μm(细粉砂)。端元4表现的是以跃移质为主，但其粒径较粗，分选较差，与风成特征明显不符(图4C)。Sun等[25]认为河流沉积物可以具有多峰的特征，粗粒组分的峰值在200～400 μm，甚至更粗。Dietze等[23]的研究中发现，粒径介于250～600 μm的中—粗砂端元主要在河流沉积物中出现。且端元4富集的样品主要在黄河附近，因此估计端元4为黄河搬运沉积物的组分。

3.2 沉积物来源

经过对沙漠各沉积类型的判断，EM1为全由祁连山北麓风成沙所组成的沉积体，EM2主要由沿黄北岸风成沙和黄河二次搬运所组成。EM3为沿黄以北就地起沙，EM4由黄河搬运沉积物所组成。可认为黄河及其两岸，祁连山均为腾格里沙漠南缘提供了物源。以往对于腾格里沙漠物质来源的研究中，Fan等[9]认为戈壁阿尔泰山和青藏高原东北部是腾格里沙漠两个相互竞争的沙源区。Yang等[26]认为腾格里沙漠物质可能最终来源于青藏高原东北部。本文细化了以往对于腾格里沙漠物源的研究。

腾格里沙漠物源复杂，将研究区粒度端元分析与祁连山北麓潜在物源端元特征对比，结果表明青藏高原东北部即祁连山很大可能为腾格里沙漠南缘的主要物源。这得到了前人验证即腾格里沙漠接受的风或河流系统输送的沉积物，主要来自于祁连山[27]。此外，通过粒度端元分析表明黄河河流沉积物可能是腾格里沙漠南缘的主要物源。这与其他研究一致，即腾格里沙漠西南缘和东南缘边缘沉积物可能来源于黄河或青藏高原东北部[10]。但在对沙漠物质来源分析过程中，仅粒度分析能否准确厘定物源仍然存在争议。在搬运过程中，砂粒往往存在不同程度的磨损，使其粒度特征区别于物源区的沉积物粒度[28]。但风对磨圆度较好或颗粒较细的石英砂磨损较小，对粒径在50 μm左右的砂粒磨损几乎为零[29]。EM1峰值集中在30～50 μm(粗粉砂)，其搬运过程中较小的磨蚀是可以在沙漠沉积物中提取物源信息的关键。但是EM2，EM3，EM4均存在较粗组分尤其是EM4，因搬运过程中可能受到较大磨损使其与物源区沉积物粒度差异较大，为准确厘定物源，还需结合地球化学元素综合分析腾格里沙漠南缘风积物的物质来源。地球化学元素可以指示表层沉积物的组成特征，对分析风化程度及物源等方面具有积极意义。EM2与EM3主峰峰值分别集中在100～120 μm，170～250 μm，均以近源沉积的风成细砂为主且富集样品分别在沿黄两岸。从粒度特征上看，沙漠腹地很有可能是其物质来源之一。但是沙漠腹地与沙漠南缘常量元素特征差异较大。综合分析，EM2与EM3是近源风成沙为主的组分，但物质来源与沙漠腹地的贡献无关。从粒度资料中提取沙漠沉积物的物源信息对研究沙漠物源具有重要意义，但为准确厘定物质来源仍需要借助粒度之外的其他手段如地球化学元素等多角度综合分析。

4 结 论

(1) 黄河北岸风成沙沉积物组分主要为细砂(35.391%)，其次为中砂(20.340%)和极细砂(20.388%)；黄河南岸风成沙主要为细砂，平均含量51.115%。黄河两岸砂质黄土沉积物主要组分均为粉沙黏土，北岸平均含量为50.259%，南岸平均含量为63.413%。即使同一沉积物类型(风成沙和砂质黄土)下，黄河北岸沉积物组分整体比南岸更粗，两岸沉积物粒级级配空间差异大。由粒度参数空间分布分析可知，腾格里沙漠南缘的黄河北岸为南岸沉积物的上风向源区之一。

(2) 多角度综合分析表明，EM1为全由祁连山北麓风成沙所组成的沉积体，EM2主要由沿黄北岸风成沙和黄河二次搬运所组成。EM3为沿黄以北就地起沙，EM4由黄河搬运沉积物所组成。可认为黄河及沿黄以北，祁连山均为腾格里沙漠南缘提供了物源。本文相对以往对腾格里沙漠南缘的物源研究更为细化，但是由于常量元素数据收集有限，没有消除“粒级依赖”对沉积组分的影响等，对腾格里沙漠南缘物源研究仍待深究。

(3) 研究结果进一步表明，沙漠沉积物的粒度信息对确定沙漠物源具有重要指示意义，但仍需要借助粒度之外的其他手段如地球化学元素等多角度综合分析来准确厘定沙漠风积物物质来源。