古爾班通古特沙漠沙質沉積物礦物成熟度特征及其區域差異*

李璇，楊靜，張峰

（新疆大學地理與遙感科學學院，新疆 烏魯木齊 830017）

0 引言

沙漠是在干燥氣候和豐富沙源等自然地理條件下經過長期發展演變形成的[1].沙漠和半沙漠占據了全球陸地表面的三分之一以上[2-3]，沙漠沉積物地球化學特征是沙漠研究的主要方向，分析沙漠元素礦物等地球化學特征，有助于分析沉積物的物質來源[4-8]，了解其沉積與演化過程[9-11]以及揭示風塵記錄的古環境信息[12-13].用常量元素計算的礦物成熟度可以用來描述沙漠沉積物的地球化學特征.礦物成熟度已經被沉積巖學家和沉積學家廣泛使用[14-20]，成為確定沉積物來源、運輸和風化歷史的有力工具[21-22].

礦物成熟度是指碎屑沉積體的組成狀態，與富含石英的抗性礦物的濃度有關[23].Pettijohn等將這種成熟狀態描述為“所有沙子中結構和成分最成熟的，一些接近沙子演化的理論終點”[24].礦物成熟度可以用地球化學方法進行說明.Pettijohn等提出了一種描述礦物成熟度的方法，即繪制Log（Na2O/K2O）（斜長石與鉀長石的量度）vs.Log（SiO2/Al2O3）（石英與總長石的量度）圖，較成熟的砂巖具有較高的Log（SiO2/Al2O3）和較低的Log（Na2O/K2O）值[24].Herron在上述基礎上，將Fe2O3/K2O替代Na2O/K2O作為礦物穩定性的指標，用Log（SiO2/Al2O3）vs.Log（Fe2O3/K2O）圖描述沉積物的礦物成熟度，該方法有利于區分各種砂巖中的巖屑碎片和長石，可以用于更細或者更粗粒的沉積物[25].另一種方法是Suttner等提出的用SiO2vs.（K2O+Na2O+Al2O3）圖來描述礦物成熟度，礦物成熟度較高的沉積物具有較高的SiO2和較低的（K2O+Na2O+Al2O3）含量[20].

近年來，學者們對于沙漠沉積物礦物成熟度特征展開了一定的研究[6,23,26-28].根據前人研究，有幾種可能的機制會導致沉積物礦物成熟度增加：1）母巖沉積物中富含石英，從已經成熟的源沉積物中繼承而來[27]；2）在有利的氣候條件下，化學風化引起土壤中長石和巖屑顆粒豐度的降低[15-16,19,29]；3）沙丘搬運沉積過程中，長石受到磨損和沖擊導致尺寸減少[30-31].目前，學者們關于沉積物礦物成熟度集中研究物源對于礦物成熟度的影響，其它影響因素（如氣候、搬運沉積過程等）研究較少.

古爾班通古特沙漠是中國固定/半固定沙丘分布面積最廣的沙漠[32]，該沙漠沙質沉積物物質來源具有多源性[1,33-34]，沙質沉積物地球化學特征等方面存在著明顯的區域差異[6].因此，本文采集了古爾班通古特沙漠22個沙質沉積物樣品，測定其常量元素特征，并根據Pettijohn等提出的Log（SiO2/Al2O3）vs.Log（Na2O/K2O）圖[24]對沙漠沉積物礦物成熟度進行分析.基于本文的研究數據與前人的研究成果，探討了以下問題：1）古爾班通古特沙漠沙質沉積物常量元素與礦物成熟度區域分布特征；2）影響古爾班通古特沙漠沙質沉積物礦物成熟度產生區域差異的主要原因.

1 研究區與方法

1.1 研究區概況

古爾班通古特沙漠主要位于準噶爾盆地腹地（44°11′～46°20′N，84°31′～90°00′E），面積約為4.88×104km2，是我國第二大沙漠[1,35].其形成與演化主要受到特提斯洋和古亞洲洋等構造單元動力作用影響，在眾多地塊的不斷組合以及多次構造變形作用下演化而成[36].準噶爾盆地內部第三系地層分布較為廣泛，其沉積厚度可達300～500 m，主要以砂巖、泥巖等巖性互層為主[37].沙漠的固定/半固定沙丘面積約占整個面積的97%[1]，整體來看沙丘類型復雜，主要包括半固定的蜂窩狀沙丘和樹枝狀沙丘、固定的縱向沙壟、流動新月形沙丘鏈、梁窩狀沙丘、拋物線沙丘以及金字塔沙丘等[6].沙漠主要分布兩大水系：一是發源于天山北麓的南緣水系，二是發源于阿爾泰山南麓的北緣水系[38]，主要包括額爾齊斯河、烏倫古河等[6].該沙漠屬溫帶干旱-半干旱氣候[39]，年平均氣溫為5.09～9.05 ℃；年平均降水為132.84～214.46 mm[6]，主要集中在5～9月，從盆地邊緣向中部減少[40]；年蒸發量高達2 000～2 800 mm[41].古爾班通古特沙漠植被生長狀況良好[1]，植物群落中白梭梭為優勢種，占據沙丘中下部；蛇麻黃群落主要分布在沙丘中下部和丘間低地，其下普遍存在短命植物和一層黑色的苔蘚、地衣及藻類[38,42].

1.2 材料與方法

在古爾班通古特沙漠進行了廣泛的實地調查，使用套筒法在不同沙丘頂部（0～10 cm）采集22個樣品（圖1）.前人研究表明，古爾班通古特沙漠沙質沉積物主要以細粒為主（125～250 μm）[40,43-44]，故在新疆大學地理與遙感科學學院土壤實驗室將樣品過篩收集125～250 μm組分，然后在剛玉研缽中將樣品研磨至75 μm以下，過200目標準篩，在105 ℃的烘箱中干燥5 h.

常量元素測試在中國科學院地球環境研究所黃土與第四紀國家重點實驗室完成，遵循Tursun等[6]的實驗流程進行.稱取0.6 g粉末狀樣品和6 g無水四硼酸鋰（Li2B4O7），倒入鉑金坩堝中攪拌均勻，再加入2滴溴化鋰（LiBr）溶液作為脫模劑.將裝有樣品的坩堝置于熔樣機中1 100 ℃融化約19 min，將熔好的液體倒入鉑金坩堝模具，待樣品自動成形并冷卻至室溫后，使用X射線熒光光譜儀Axios advanced PW4400型（荷蘭產）進行測試.為了控制測試精度，采用重復樣品（20個）和國家標準物質（GSW）與樣品同時測試的方法，測試相對誤差控制在5%之內.

礦物成熟度通過Pettijohn等提出的Log（SiO2/Al2O3）vs.Log（Na2O/K2O）的對比圖來說明，該方法的優點在于提供了長石與石英的無量綱比較，消除了碳酸鹽巖的影響.較成熟的砂巖具有較高的Log（SiO2/Al2O3）和較低的Log（Na2O/K2O）值[24].

1982年，Nesbitt等提出化學蝕變指數（CIA）用以衡量沉積物所受風化程度，其能定量有效地判定沉積物所遭受到的化學風化程度以及沉積物沉積時周圍可能的氣候環境[45].其計算方法為：

式中：各元素含量采用摩爾質量（mol）進行計算；CaO*為硅酸鹽巖組分中的Ca元素含量，但是在碳酸鹽巖（方解石、白云石）和磷酸鹽巖（磷灰石）中也含有Ca，需要對其去除校正，主要根據Honda等提出的方法進行[46]：

2 實驗結果

2.1 沙質沉積物常量元素特征

主要測試的常量元素為SiO2、Al2O3、Na2O以及K2O.在沙質沉積物中，含量最高的是SiO2，其次是Al2O3，Na2O和K2O含量較低.古爾班通古特沙漠沙質沉積物中SiO2含量變化范圍大致為58.75%～83.24%，平均含量為73.65%；Al2O3含量變化范圍大致為7.23%～13.06%，平均含量為10.17%；Na2O含量變化范圍大致為1.06%～4.25%，平均含量為2.27%；K2O含量變化范圍大致為1.90%～3.98%，平均含量為2.47%（表1）.

表1 古爾班通古特沙漠沙質沉積物常量元素含量統計（wt/%）

研究發現古爾班通古特沙漠沙質沉積物的SiO2、Al2O3、Na2O以及K2O這4個常量元素存在明顯的區域分布差異.沙漠腹地沉積物中的SiO2含量較高，沙質沉積物中的SiO2含量從沙漠腹地向沙漠東西邊緣兩側呈現出逐漸減少的空間變化趨勢，沙漠東西邊緣沉積物中的SiO2含量最低（圖2(a)）；Al2O3含量空間變化趨勢與SiO2含量完全相反，呈現出從沙漠邊緣向沙漠腹地逐漸減少的空間變化趨勢，沙漠腹地沙質沉積物中Al2O3含量整體較低，沙漠東西邊緣沉積物的Al2O3含量整體較高（圖2(b)）；Na2O含量與Al2O3含量空間變化趨勢較為一致，呈現出從沙漠腹地向沙漠東西邊緣逐漸增加的空間變化趨勢（圖2(c)）；K2O含量空間分布與其它3種元素具有明顯區別，沙漠腹地、沙漠北部邊緣以及沙漠西部等區域沙質沉積物中的K2O含量較高，沙漠東部地區沙質沉積物中的K2O含量較低，故古爾班通古特沙漠沙質沉積物中的K2O含量整體呈現出從西向東遞減的空間變化趨勢（圖2(d)）.

圖2 古爾班通古特沙漠沙質沉積物元素空間分布

2.2 沙質沉積物礦物成熟度特征

根據圖3（a）的樣品分布，礦物成熟度相近的樣品其地理位置也較為集中，可將古爾班通古特沙漠劃分為3個區域，沙質沉積物礦物成熟度具有明顯的區域分布差異，沙質沉積物礦物成熟度由小到大為：Ⅰ區＜Ⅱ區＜Ⅲ區（圖3）.Ⅰ區主要位于沙漠邊緣，主要包括G14、G15、G16、G17以及G21等樣品（圖3(a)）；該區沉積物樣品的Log（SiO2/Al2O3）值分布范圍大致為0.70～0.75，其Log（Na2O/K2O）值大致分布范圍為0.001～0.260，其礦物成熟度與其它區域相比較低（圖3(b)）.Ⅱ區主要位于山前-腹地的過渡地帶，主要包括G5、G6、G8、G9、G11、G12、G13、G18、G20、G22等樣品（圖3(a)）；該區沙質沉積物的Log（SiO2/Al2O3）值分布范圍為0.80～0.91，其Log（Na2O/K2O）值分布范圍為-0.04～0.06，整體來看，Ⅱ區沉積物樣品的Log（Na2O/K2O）值分布范圍與Ⅰ區相差不大，但其Log（SiO2/Al2O3）值整體高于Ⅰ區，所以其礦物成熟度整體較高于Ⅰ區（圖3(b)）.Ⅲ區主要位于沙漠腹地，主要包括G1、G2、G3、G4、G7、G10、G19等樣品（圖3(a)）；該區沉積物樣品的Log（SiO2/Al2O3）值分布范圍為0.88～1.06，其Log（Na2O/K2O）值分布范圍為-0.43～-0.19.Ⅲ區沙質沉積物的Log（SiO2/Al2O3）值分布較為分散，與Ⅱ區值的分布較為相似，但是該區沙質沉積物的Log（Na2O/K2O）值分布明顯小于其它兩個區域（圖3(b)），整體來看，Ⅲ區沙質沉積物礦物成熟度相比其它兩個區域高.綜上，古爾班通古特沙漠沙質沉積物礦物成熟度區域分布差異較為明顯，整體上呈現出從沙漠邊緣向沙漠腹地遞增的空間變化趨勢.

圖3 古爾班通古特沙漠沙質沉積物礦物成熟度分區圖

3 分析與討論

根據前人研究成果以及古爾班通古特沙漠地質構造背景，綜合討論物源、風力搬運沉積和分選過程、植被以及化學風化等因素對于古爾班通古特沙漠沙質沉積物礦物成熟度區域分布差異的影響.

3.1 物源

古爾班通古特沙漠是準噶爾盆地各山脈風化剝蝕碎屑物質的沉積匯，周圍不同山脈的風化剝蝕產物、下伏沉積物均會為沙丘的形成提供物源[1,33,47].周邊山脈基巖組成不同，必然會引起源區以及沉積區沙質沉積物地球化學組成的差異.準噶爾盆地南緣的沙漠沉積物主要來源于天山碎屑物質經冰川磨損及寒凍分化等作用形成粉砂粒級的物質[34].準噶爾西部的湖積平原是古爾班通古特沙漠西部沙漠沉積物的重要風沙物源[1].河流流向受到地勢的控制，準噶爾盆地地勢東北和南緣高、西南低，源自天山和準噶爾西部山地的河流將周邊山脈風化剝蝕的碎屑物質帶入沙漠腹地[1,48].瑪納斯河是天山北坡終端年徑流量最大的河流，目前僅由瑪納斯河匯入古爾班通古特沙漠西南角的多年平均輸沙量達到106t[48].此外，盛行西風和西北風以及蒙古西伯利亞高氣壓形成的東北風也應該不可避免地向沙漠腹地輸送了盆地西部和北部的沙物質[49-50].物質來源，特別是源區豐富石英礦物的存在會導致沉積物的礦物成熟度增加[27]，綜上所述，古爾班通古特沙漠不同區域物質來源具有多樣性，物源的不同必然導致古爾班通古特沙漠各個區域礦物成熟度產生一定的差異.

3.2 風力搬運沉積和分選過程

一些不穩定礦物在搬運、沉積過程中容易受到物理和化學風化的影響發生破碎、磨損和風化而富集在沉積物較細的粒度組分中[11,16,51].分選則可以將沉積物中的細粒風化產物與粗粒組分分離，從而強烈地影響元素的豐度、變異性以及沉積作用[52-54].

由于沙漠腹地遠離周邊山脈和河流等沙漠沉積物的潛在物源區[1]，沙漠腹地沙質沉積物可能經歷了較長時間的搬運.這一過程中，石英等礦物由于性質較為穩定不易被機械作用（破碎、磨損、分選）風化而得以留存在與原先大小較為一致的粗粒度組分中，而鐵鎂質礦物則因穩定性較差，經過破碎和風化而導致顆粒變細[11,51].古爾班通古特沙漠長期盛行的西北風和東北風會對沙漠沙進行分選，導致沙漠腹地沉積物中的細粒組分被風蝕，原地留下石英等較為穩定且較粗的沙質沉積物，從而使得沙漠腹地沉積物礦物成熟度高于其它區域.

3.3 植被

古爾班通古特沙漠植被通過制約沙漠沉積物的搬運和分選，從而影響沙漠沙質沉積物礦物成熟度的空間差異[55-56].研究區風沙活動強盛期在4～6月，輸沙勢占據全年的60%以上，這恰好與其冬季積雪融化、高植被覆蓋率同期[57]，地表風速很低[58]，加之沙丘被地衣、藻類以及苔蘚所形成的生物結皮固定，限制了沙質沉積物的風成傳輸和沙質有效性[59].此外，雖然植被的存在可以有效抑制風蝕、減少沙面活動，但其作用主要取決于蓋度[60-62].由于水分、熱量條件、地貌形態等氣候環境因子的影響，古爾班通古特沙漠不同區域的植被覆蓋度具有一定的差異[42]，這無疑會對沙質沉積物礦物成熟度分異產生一定的影響.

古爾班通古特沙漠植被覆蓋度較高的區域集中分布在沙漠西部[42]，沙漠腹地植被覆蓋率相對較低[41].一般情況下，植被覆蓋率較高的地方不利于沙物質沿著主風向進行長距離的搬運和良好的分選，在只考慮植被的影響下，植被覆蓋度越高會導致礦物成熟度越低.因此，沙漠腹地較低的植被覆蓋無疑會導致該區域沙質沉積物礦物成熟度較高.

3.4 化學風化

化學風化會引起土壤中長石和巖屑顆粒豐度的降低[15,19,29]，造成石英相對富集[28]，從而導致沉積物礦物成熟度的增加[27].

古爾班通古特沙漠各區域的CIA值變化范圍大致為43.29～57.98（圖4），各區域沙質沉積物的CIA存在著一定的區別，CIA平均值由小到大分別為：Ⅰ區（平均值50.88）＜Ⅱ區（平均值53.51）＜Ⅲ區（平均值54.59）.因此，古爾班通古特沙漠各區域存在著不同的化學風化強度，進而導致沙漠各區域沉積物礦物成熟度的分異，沙漠腹地化學風化程度較強，該區長石和巖屑顆粒豐度降低，造成石英相對富集，導致沙漠沉積物礦物成熟度增加，高于其它區域.

圖4 古爾班通古特沙漠各區域CIA值

4 結論

對22個沙質沉積物樣品常量元素進行測試后發現，古爾班通古特沙漠沙質沉積物礦物成熟度存在明顯的區域分布差異，整體上呈現出從沙漠邊緣向沙漠腹地遞增的空間變化趨勢.物源、風力搬運沉積和分選過程、植被以及化學風化等因素均對古爾班通古特沙漠沙質沉積物礦物成熟度區域分異產生一定的影響.