柴達木盆地沙漠地表沉積物礦物構成特征

(2013CB956000)；國家自然科學基金資助項目(41130533,41171010)

·地球科學·

柴達木盆地沙漠地表沉積物礦物構成特征

鮑鋒1,2,董治寶1,3

(1.陜西師范大學 旅游與環境學院,陜西 西安710062;2.西安文理學院 文化與旅游學院, 陜西 西安710065;3.中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所 風沙物理與沙漠環境實驗室, 甘肅 蘭州730000)

摘要：對柴達木盆地不同地貌地表沉積物樣品中的礦物構成進行分析,結果表明，柴達木盆地沙漠地表沉積物中輕礦物平均質量百分含量為89.45%,變化在32.57%～98.43%,且不同地貌表層沉積物的輕礦物組成存在較大差異;輕礦物成分成熟度指數Q/TF的平均值為1.65,變化范圍是1.43～1.82,沙丘沉積物的輕礦物成分成熟度指數高于其他地貌類型。柴達木盆地沙漠地表沉積物中重礦物平均重量百分含量為0.82%,變化在0.11%～4.24%,以不穩定礦物為主;重礦物特征指數中ATi指數平均值為68.82,GZi指數平均值為80.91,ZTR指數平均值為2.15。研究后認為，柴達木盆地沙漠中沙物質的來源途徑為：①河流沖、洪積作用將高山剝蝕產物帶入盆地腹地,后經風力吹蝕、分選形成沙漠；②察爾汗鹽湖退化后的湖相沉積物提供了豐富的沙源,在西北風的強烈作用下“就地起沙”,沉積形成沙漠。

關鍵詞：礦物成分；沙丘；柴達木盆地

收稿日期：2014-04-21

基金項目：教育部“長江學者”特聘教授基金資助項目(801813),國家重大科學研究計劃基金資助項目

作者簡介：鮑鋒，男，青海西寧人，博士生，從事荒漠化研究。

中圖分類號：P931.3

收稿日期：2014-04-27

Mineral composition and origin of surface sediment in

the desert of the Qaidam Basin

BAO Feng1,2, DONG Zhi-bao1,3

(1.College of Tourism and Environment Science, Shaanxi Normal University, Xi′an 710062, China;

2.College of Tourism and Culture Science, Xi′an University, Xi′an 710065, China;

3.Laboratory of Blown Sand Physics and Desert Environments, Cold and Arid Regions Environmental and

Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences， Lanzhou 730000, China)

Abstract:In the Qaidam Basin, there are some typical sand dunes, such as linear dune and barchans dune, which distribute to the similar physical environment. In this study, the representative surface sediment samples were collected from the Qaidam Basin Desert and analyzed in the laboratory to obtain mineral composition. The results show that: ①Light mineral dominate in content, with 89.45% on average and the different compositions are distributed in different landforms; the Q/TF ratio in light mineral, with 1.65 on average, exists in the surface sediment and its value of sand dunes, however, is higher than other landforms include Yardman, historical sand dunes, diluvia fan etc.②In these samples little heavy minerals exist, with average 0.82%. The number of mineral species is various, however, unstable minerals account for a big proportion in heavy minerals; the deposition environment of Qaidam Basin was indicated by the ATi ratio (average 68.82), GZi ratio (average 80.91) and ZTR ratio (average 2.15) in the heavy mineral. ③The origin of sand sediments is from two ways: one is that the weathered substance was transported from mountain to basin by fluvial and developed desert by wind erosion; the other is that the lake sediments, with the shrinking salt lake, become the local origin of sand particle and the landforms were developed by the NW direction of wind deposition.

Key words: mineral composition; sand dunes; Qaidam Basin

礦物和地球化學元素可指示地球表層沉積物的組成特征,在分析物質來源、風化和沉積過程,以及重建古環境變化等方面有積極的意義[1-3]。地表沙的物質組成特征和來源一直吸引著國內外眾多學者的關注,已有的研究通過對塔克拉瑪干沙漠[4-6]、準噶爾盆地沙漠[7]、庫姆塔格沙漠[8-9]、中國東北部沙地[10]等區域沙丘沙礦物成分的分析,探明了不同區域沙物質的來源及其與沙丘形成演化的關系。柴達木盆地沙漠中存在類似火星的線形沙丘、新月形沙丘分布和空間組合,引起了國外科學家的高度關注[11-13]。但是,由于嚴酷的自然條件和技術支持不夠等原因,對柴達木盆地沙漠的綜合考察和系統研究較為薄弱,其現成為中國沙漠科學研究重點關注的區域。近年來，國內學者陸續開展了一些相關的考察和研究,在沙漠形成和演化[14-15]、沙丘形態[16-17]、粒度特征[18]等方面取得了一些進展。然而,對于柴達木盆地沙漠的物質來源及沉積環境的研究尚不多見,特別是該沙漠的礦物和地球化學組分,迄今沒有專門的研究。本文在對柴達木盆地沙漠兩次野外考察的基礎上,選取不同地貌的地表沉積物,對其礦物成分進行分析,以期為研究柴達木盆地沙漠的物質成分和沉積環境提供依據。

1數據與方法

1.1數據來源

研究區位于柴達木盆地東南部的三湖拗陷構造上,區內分布有雅丹、流動沙丘、戈 壁、沙漠、鹽漠、鹽殼、鹽沼澤、鹽溶、湖泊及河流等十大地貌類型[19]。2009年7月、2010年8月在對柴達木盆地沙漠進行科學考察中,采集地表沉積物樣品50多個,樣點的地理位置用衛星定位儀(GPS)精確定位。本文選取線形沙丘、新月形沙丘、雅丹、山前洪積扇、古沙丘、丘間地等不同地貌的表層沉積物樣品,對其輕礦物和重礦物組成及含量進行對比分析。

圖1　柴達木盆地沙漠沉積物采樣點位置示意圖 Fig.1　The location of sediment samples in the Qaidam Basin Desert

1.2研究方法

樣品輕礦物的分析由西安地質礦產研究所完成,采用X射線衍射儀進行測試,測試儀器為日本理學生產的D/max-2500型X射線衍射儀。樣品重礦物測定由河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成,使用淘洗法提取重礦物,使用強磁分選法、重液分選法和電磁分選法等分離方法將重礦物提取后，分別在雙目顯微鏡和偏光顯微鏡下結合礦物晶體形態、光學性質和微化性質等對礦物進行鑒定。

2結果與討論

2.1輕礦物特征

2.1.1不同地貌類型沉積物的輕礦物組成實驗分析結果顯示(見圖2),柴達木盆地沙漠地表沉積物中輕礦物含量很高,平均質量百分含量為89.45%,變化在32.57%～98.43%。輕礦物種類有11種,以石英和長石為主,其他輕礦物含量很少。柴達木盆地沙漠輕礦物組成特征在不同地貌上存在較大差異。就石英含量而言,新月形沙丘沉積物中石英的質量百分含量最高,為54%;其次為線形沙丘,質量百分含量為45.75%;山前洪積扇表層沉積物中石英的質量百分含量略低于線性沙丘,為42.50%;雅丹和古沙丘質量百分含量較為接近,分別為35.0%和33.75%。幾種地貌類型中長石的含量差異不明顯,含量最多的是新月形沙丘,質量百分含量為29.67%;其次是線形沙丘，質量百分含量為25.75%;山前洪積扇和雅丹地貌的含量一致,質量百分含量均為24.50%;古沙丘最低,質量百分含量為22.88%。石鹽含量在不同的地貌中差異顯著,雅丹地貌為最高值,質量百分含量為20.0%;其次是線形沙丘,質量百分含量為13.25%;古沙丘中石鹽的含量較少,為6.25%;新月形沙丘和山前洪積扇中含量最低,質量百分含量分別為2.0%和1.0%。伊利石和綠泥石含量均以古沙丘最多,質量百分含量分別為9.88%和8.0%;雅丹地貌表層沉積物含量居其次,質量百分含量分別為7.50%和7.0%;山前洪積扇中含量較少,質量百分含量分別為6.50%和6.0%;沙丘沉積物中含量最低,伊利石質量百分含量介于3.50%～3.67%,綠泥石質量百分含量介于3.33%～3.75%。方解石含量以山前洪積扇最高,質量百分含量為6.50%,古沙丘和線形沙丘中的含量較為接近,質量百分含量分別為5.25%，4.50%;新月形沙丘和雅丹中的含量一致,質量百分含量均為4.0%。

2.1.2不同地貌類型沉積物的輕礦物成分成熟度指數輕礦物成分成熟度指數(Q/TF)是指沉積物中石英總量與長石總量的比值,能夠反映沉積物的搬運過程和沉積環境。由圖2可知,柴達木盆地沙漠地表沉積物的輕礦物成分成熟度指數的平均值為1.65,變化范圍是1.43～1.82。在不同地貌類型沉積物中,輕礦物的成分成熟度指數(Q/TF)值以新月形沙丘為最高,為1.82;其次是線性沙丘,Q/TF值為1.78;山前洪積扇的Q/TF值為1.73,略低于沙丘;古沙丘和雅丹地貌沉積物的Q/TF值最低,分別為1.48和1.43。由以上數據推測,柴達木盆地沙漠中沙丘和山前洪積扇的沉積物受外力侵蝕和分選作用強,經過了較長的搬運距離;古沙丘和雅丹地貌表層沉積物受外力侵蝕和分選作用弱,沉積物搬運距離相對較短。

2.2重礦物特征

2.2.1不同地貌類型沉積物的重礦物組成通過對重礦物樣品的分析發現(見表1),柴達木盆地沙漠表層沉積物中重礦物所占比例小,平均質量百分含量為0.82%,變化在0.11%～4.24%。但是，重礦物種類較多,達26種,且成分復雜,理化性質差異較大。理化性質不同的礦物在一定沉積環境中抗風化能力也不同,抗風化能力越強,礦物就越穩定。據此可以將其分為極穩定礦物、穩定礦物、較穩定礦物、不穩定礦物[20-21]。研究區不同地貌地表沉積物在重礦物穩定性組合上有明顯差異。山前洪積扇和雅丹表層沉積物以不穩定礦物占絕對優勢,分別為95.39%和89.27%;丘間地的重礦物穩定性組合表現為穩定礦物(44.68%)+不穩定礦物(33.81%);古沙丘的重礦物穩定性組合表現為不穩定礦物(54.40%)+穩定礦物(36.26%)。在對沙丘地貌表層沉積物的重礦物穩定性組合進行分析時發現,沿著區域盛行風向,線性沙丘和新月形沙丘的重礦物穩定性組合呈現出一定的規律性(見圖3)。線性沙丘總體表現出重礦物穩定性組合為不穩定礦物+穩定礦物。但是，位于上風向的沙丘兩類礦物含量的差距要大于位于下風向的線性沙丘,這表明穩定礦物的含量在增加,不穩定礦物的含量在減少。這一點從極穩定礦物的變化也可看出。新月形沙丘重礦物穩定性組合的差異較大,位于上風向的新月形沙丘表現為不穩定礦物+較穩定礦物的組合特征,位于下風向的新月形沙丘表現為不穩定礦物+穩定礦物的組合特征。

圖2　柴達木盆地沙漠不同地貌表層沉積物主要輕礦物的組成、含量與成熟度指數 Fig.2　The composition, content and Q/TF ratio in the light minerals of Surface Sediment in the different landforms of the Qaidam Basin Desert

%

編 號重礦物組成及含量(各單礦物占重礦物相對比例) 穩定礦物 極穩定礦物 赤(褐)鐵礦磁鐵礦石榴子石白鈦石銳鈦礦鈦鐵礦矽線石榍石合計鋯石電氣石金紅石合計17.242.869.012.340.011.510.141.5024.611.300.690.372.3626.023.119.871.990.011.020.392.2624.670.320.720.391.43310.282.727.941.750.024.600.021.1528.482.040.270.372.68412.733.9712.042.570.015.170.311.6038.41.940.240.432.61515.625.599.382.610.006.250.001.8741.322.950.060.233.2460.330.310.680.180.000.170.000.091.760.180.090.030.2970.711.100.330.210.000.700.000.413.460.190.080.030.30812.449.886.241.300.015.650.000.7436.262.291.060.183.53917.676.4910.572.290.015.100.002.5544.681.501.370.062.93

注:*表示沙丘沿區域盛行風向自上而下分布

2.2.2不同地貌類型沉積物的重礦物特征指數已有研究表明[1-3],系統分析重礦物特征指數,包括ATi指數、GZi指數、ZTR指數等,可以有效揭示出沉積物的物源信息和搬運距離等信息,從而進一步確定該研究區距離物源地遠近的問題。通過對比柴達木盆地沙漠中不同地貌類型沉積物的重礦物特征指數發現(見圖3),線性沙丘的ATi指數值最高,其次為雅丹地貌、新月形沙丘、丘間地、山前洪積扇,最低值出現在古沙丘;GZi指數最高值出現在新月形沙丘,其次為丘間地、雅丹、線性沙丘、古沙丘,最低值出現在山前洪積扇;ZTR指數最高值出現在古沙丘,其次為丘間地、線性沙丘、新月形沙丘,最低值出現在山前洪積扇和雅丹。由重礦物特征指數對比分析(見圖4)可知,研究區地表沉積物ATi指數平均值為68.82,遠高于我國的巴丹吉林沙漠(ATi指數=21.98)、騰格里沙漠(ATi指數=16.63)、庫姆塔格沙漠(ATi指數=50.00)和毛烏素沙地(ATi指數=33.77);GZi指數平均值為80.91,與我國其他沙漠相比,僅高于庫姆塔格沙漠(GZi指數=69.49),低于巴丹吉林沙漠(GZi指數=87.76)、騰格里沙漠(GZi指數=90.70)和毛烏素沙地(GZi指數=96.99);ZTR指數平均值為2.15,與庫姆塔格沙漠(ZTR指數=2.30)接近,而略高于巴丹吉林沙漠(ZTR指數=1.72)、騰格里沙漠(ZTR指數=1.31)和毛烏素沙地(ZTR指數=1.77)。

圖3　柴達木盆地不同沙丘表層沉積物重礦物穩定度對比 Fig.3　Comparisons of mineral composition of different stability on sand dunes in the Qaidam Basin Desert

3討論

1)通過對柴達木盆地沙漠沉積物輕礦物構成分析表明,研究區地表沉積物中以抗風化能力極強的造巖礦物石英和長石占優勢，這說明其是在長期干旱環境下，強烈且多次風力作用而成;而副礦物石鹽、伊利石、綠泥石和方解石等風化穩定性很小的成分的存在,表明沉積環境為干旱氣候,且存在距離母巖很近的快速搬運過程。由此可見,柴達木盆地沙漠的沉積環境多為干旱環境下的較為復雜的風力作用過程。在對幾種典型地貌類型對比后發現,沙丘沉積物中抗風化能力強的礦物成分含量接近且略高于山前洪積扇，這表明二者物質沉積過程有相似性,沉積物可能受外力侵蝕和分選作用強;雅丹和古沙丘中抗風化能力弱的礦物成分所占比例高,推斷可能與沉積物在干旱環境中形成后,一直處在一個封閉或相對穩定的沉積環境有關。

輕礦物成分成熟度指數(Q/TF)的變化不僅受物源制約,還深受風力侵蝕和分選作用的影響。對比柴達木盆地沙漠中不同地貌類型的Q/TF值,發現沙丘沉積物的Q/TF值高于其他地貌形態,山前洪積扇略低于沙丘,古沙丘和雅丹地貌的Q/TF值最低,符合沉積物深受風力侵蝕和分選作用的影響或經過了較長的搬運距離后表現出的輕礦物成分成熟度指數變化特征。柴達木盆地沙漠地表沉積物的Q/TF平均值為1.65,高于塔里木盆地沙漠和庫姆塔格沙漠,低于巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠,這應與柴達木盆地地處青藏高原東北部的位置和沙漠在形成過程中受風力作用的影響較為顯著有關。

圖4　柴達木盆地沙漠不同地貌表層沉積物重礦物特征指數對比(其他沙漠數據來源于文獻 [8,21-23]) Fig.4　Comparison of heavy mineral characteristic index values on different landform of the Qaidam Basin Desert

2)對柴達木盆地沙漠沉積物重礦物構成分析表明,研究區地表沉積物重礦物種類多,成分復雜,說明其物質來源相對廣泛。重礦物中角閃石、黑云母等不穩定礦物大量存在,這不僅說明其沉積環境極端干旱,以物理分解破碎和機械搬運為主,化學風化作用微弱,而且反映該沙漠形成時間不長,沙質沉積物搬運距離不長。重礦物特征指數與中國部分沙漠對比結果顯示,柴達木盆地沙漠地表沉積物的源巖中富含磷灰石和石榴子石,而電氣石和鋯石的含量相對較低,礦物的穩定性差且沉積物未經過強烈的風化,磷灰石和石榴子石的風化程度較低,重礦物成熟度不高,可能經過較短距離搬運而來。

為了探明風力作用對不同地貌地表沉積物的影響，本研究對研究區的線性沙丘和新月形沙丘做了進一步劃分,并按照區域盛行風向自上而下進行對比分析。分析結果顯示,沿著區域盛行風向,線性沙丘和新月形沙丘的重礦物穩定性組合呈現出一定的規律性,即沿著盛行風向分布的線性沙丘和新月形沙丘,其沉積物中穩定礦物和極穩定礦物含量表現出遞增趨勢,穩定礦物和較穩定礦物表現為遞減的趨勢。重礦物特征指數在不同沙丘形態上的分布規律表明,沙丘沉積物表現出與雅丹、古沙丘和山前洪積扇存在物質成分的繼承性,進而表現出其物質來源的多向性、近源性特點。

3)沙漠沙物質的來源包括河流沖積物、湖相沉積物、殘-坡積物質以及山前沖-洪積物[24]。柴達木盆地沙漠周緣巖性昆侖山以出露變質巖、酸性巖和少量的碳酸鹽巖為主,埃姆尼克山為灰巖夾噴出巖,而祁連山主要是沉積巖夾雜些許淺變質巖[25]。通過礦物成分分析并結合野外考察資料可以推斷出，柴達木盆地沙漠沙物質的來源途徑為:①河流沖、洪積作用將高山剝蝕產物帶入盆地腹地,后經風力吹蝕、分選形成沙漠;②察爾汗鹽湖退化后的湖相沉積物提供了豐富的沙源,在西北風的強烈作用下,豐富的河湖相沉積物“就地起沙”,經風力吹揚、沉積形成沙漠地貌。

4結論

1)柴達木盆地沙漠地表沉積物礦物構成特征表現為輕礦物含量很高,以石英、長石為主,石鹽等不穩定組份并存;重礦物所占比例小，種類較多,不穩定礦物大量存在。這種礦物構成特征反映了柴達木盆地極端干旱、以風力作用為主的沉積環境,地表沉積物以物理分解破碎和機械搬運為主,沉積物搬運距離短,沙丘沙物源較近。

2) 不同地貌形態上的沉積物礦物構成特征對比結果表明,柴達木盆地沙漠沙物質的來源途徑為：①河流沖、洪積作用將高山剝蝕產物帶入盆地腹地,后經風力吹蝕、分選形成沙漠;②察爾汗鹽湖退化后的湖相沉積物提供了豐富的沙源,在西北風的強烈作用下,豐富的河、湖相沉積物“就地起沙”,經風力吹揚、沉積形成沙漠景觀。

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(編輯雷雁林)