青藏高原東部黃土沉積元素地球化學示蹤

梁敏豪，楊勝利，成婷，李帥，劉楠楠，陳慧

蘭州大學資源環境學院 西部環境教育部重點實驗室，蘭州 730000

0 引言

在第四紀環境變化研究中，黃土是重要的古環境記錄的載體。青藏高原東部及其鄰區廣泛分布著不同時期的黃土—古土壤序列，它們是高原東部良好的古環境信息記錄[1-2]，對研究該區域的環境變化、青藏高原隆升、高原季風演化機制等具有重要意義。與黃土高原黃土相比，該區的黃土沉積研究非常薄弱，已有的研究主要對該區黃土地層[3-4]、形成年代[3,5-6]和環境意義等進行了探討[7-8]，而關于青藏高原東部黃土的物質來源還存在很多爭論。最近，通過鋯石的U-Pb定年技術進行的青藏高原和黃土高原物源示蹤研究，發現青藏高原的北部[9]、東北部[10]為黃土高原的黃土提供了重要物源。石英砂表面和粒度組成特征的研究發現，分布于青藏高原東部與東北部的四川甘孜、理縣、馬爾康、若爾蓋等地黃土在物源上可能與北方黃土高原黃土有所差別[11-13]。

物源研究是探討黃土沉積記錄的古環境意義重要基礎和前提。對青藏高原東部黃土的物源研究，不僅可以揭示黃土物源區古環境信息，深入理解高原黃土古環境意義，而且對于探討青藏高原古粉塵傳輸和擴散、古大氣環流演化等具有重要意義。風塵堆積的地球化學特征與古氣候變化以及物源有著密切聯系[14-19]。迄今為止，青藏高原東部黃土的常量、微量元素的地球化學系統分析尚缺乏詳細報道。本文通過對青藏高原東部地區大范圍采集的表土、馬蘭黃土、古土壤樣品以及沙樣，進行詳細的元素地球化學分析，并與黃土高原、河西走廊等地的代表性黃土剖面進行對比解析，探討青藏高原東部黃土沉積的物質來源和環境意義，為高原東部黃土的物源研究提供關鍵證據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況和樣品采集

青藏高原東部地區包括川西高原、青海東部地區、甘南高原等地，大致位于97°～103° E，25°～37° N，平均海拔約為2 500～4 000 m(圖1)。該區域地勢西高東低，西部為青藏高原腹地，東鄰四川盆地。黃土在該地區廣泛分布，主要集中于斷陷盆地、山麓面和河流階地上；黃土厚度從1米到幾十米不等。研究區屬高原季風氣候區，夏季暖濕，冬季干冷，年降水量約為600～750 mm[20]。

圖1 研究區域示意圖Fig.1 Schematic map of the study area

黃土樣品采集主要按馬蘭黃土、古土壤進行采樣，表土樣包括黃土樣品和部分高原內部表土，同時采集了典型細粒河流沉積物樣品和風成砂樣品，沙樣主要用于與黃土樣品對比，探究兩者是否存在關聯。其中表土樣品146個、黃土樣品57個、古土壤樣品7個、沙樣13個。所有樣品采集時，均盡量避開受人類活動影響的地點。

1.2 地球化學分析

地球化學元素測試在蘭州大學西部環境教育部重點實驗室完成。進行元素測試前，我們利用干篩法提取了樣品中粒度小于63 μm的組分，具體步驟如下：取30 g左右自然風干的黃土樣品，進行研磨，之后將樣品過篩，提取出粒度小于63 μm組分的樣品。元素測試前，稱取4 g(±0.01 g)研磨好的黃土樣品和少量硼酸，充分混合后進行壓片制餅，儀器顯示重量為3.3×104kg，壓力為150 MPa；之后使用X熒光光譜儀MagiX(PW2403)進行測量，元素測量范圍為Be-U，濃度范圍為×10-6，測量精度從0.1%～0.3%。

本研究提取樣品中粒度小于63 μm的組分，進行常量和微量元素分析。主要基于以下原因：粒度分析顯示，該區黃土主要組分為粉砂；該組分屬于經由風力搬運的、主要以懸移的形式進行較長距離傳輸的主要物質。如果青藏高原東部黃土物源與黃土高原或者河西走廊黃土具有同源性，那么粒度小于63 μm的粉砂組分才可能越過高山進行傳輸。本文主要選用了末次冰期以來的黃土樣品，雖然青藏高原東部黃土樣品的年代學與黃土高原、河西走廊等地黃土地層對比需要進一步工作，但是在地球化學對比分析物源的研究仍是可行的。

2 結果與討論

2.1 青藏高原東部黃土元素地球化學特征

2.1.1 常量元素地球化學特征

青藏高原東部黃土常量元素含量特征(表1)顯示，SiO2含量約為53.04%～73.81%，Al2O3含量約為12.20%～19.16%，Fe2O3含量約為3.98%～7.48%，CaO含量約為0.27%～15.99%，這四種常量元素氧化物占據高原黃土常量元素氧化物大部分。從氧化物中可以看出，青藏高原東部黃土中SiO2和CaO含量差別較大，青藏高原東部的降水條件優于黃土高原，所以造成這種差異可能與源區物質成分組成或當地的環境有關。高原東部黃土與上地殼(UCC)相比[23](圖2)，Na2O、K2O和P2O5相對虧損，MnO和TiO2相對富集，而SiO2、Fe2O3和Al2O3與UCC則較為接近。MgO和CaO在不同樣品中有較大差異，其中古土壤和沙樣呈現相反情況，即土壤樣品的MgO和CaO相對于上地殼(UCC)要富集，而沙樣中兩者顯示虧損。相比其他地區黃土，青藏高原東部黃土CaO和MgO偏低，Na2O、K2O、Al2O3以及Fe2O3偏高，而SiO2則較為接近。

表1 青藏高原東部黃土與河西走廊黃土[17]、黃土高原黃土 [15,21-22]常量元素含量(wt%)

圖2 青藏高原東部黃土粒度小于63 μm組分常量元素標準化模式圖對比Fig.2 UCC-normalized for major elements in the loess deposits from the eastern Tibetan Plateau

2.1.2 微量元素地球化學特征

表2為青藏高原東部黃土的微量元素含量，從表中可知，Rb、Sr、Ba、Zr、V含量占了微量元素含量的大部分。從青藏高原東部黃土的微量元素上看，四種樣品Ba、Co、Cu、Hf、Nb、Nd、Ni、Rb、Y、V元素含量差異不超過10%，其他微量元素差異較大。相比其他地區黃土，從圖3可以看出青藏高原東部黃土中大部分微量元素含量都較高。因為Zr元素賦存于鋯石中，在風化成壤等作用下不易發生遷移，繼承了母巖的特征，在不同物質來源的風成物中差異表現明顯[14,24-25]，所以Zr元素含量變化最為明顯。高原東部黃土Sr元素和Pb元素含量則低于其他地區，而Ba元素則與其他地區相對持平。

2.2 青藏高原東部黃土風化強度

2.2.1 化學蝕變指數與Na/K(摩爾比)

CIA又稱為化學蝕變指數，常作為反映化學風化強度的指標，其計算公式為[26]：CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)]×100。式中CaO*指的是存在于硅酸鹽礦物中的CaO。實驗中樣品測試結果包括了碳酸鈣，所以這里采樣Nesbitt[26]的方法來求取CIA中CaO*，CIA與長石礦物以及黏土礦物比值負相關，能作為硅酸鹽礦物風化程度的良好指標[27]。Na/K比值也是常作為判斷風化程度的指標，其主要是用于衡量斜長石蝕變程度的指標。因為Na元素一般賦存于斜長石中，K元素則一般賦存于鉀長石和伊利石中。由于造巖礦物中斜長石相比鉀長石更易于風化，因而沉積物中Na/K比值(摩爾比)常與其風化程度成反比[28]。

表2 青藏高原東部黃土與河西走廊黃土[17]、黃土高原黃土 [15,21-22]微量元素含量(×10-6)

圖3 青藏高原東部黃土與河西走廊黃土[17]、黃土高原黃土 [15,21-22]微量元素散點圖Fig.3 Plots for trace elements of the loess deposits from the eastern Tibetan Plateau, Hexi Corridor and the Chinese Loess Plateau

青藏高原東部黃土、表土、古土壤和沙樣的CIA均值分別為59.72、61.75、60.48和59.12，洛川剖面、九州臺剖面、西峰剖面、西寧剖面和河西剖面黃土的CIA均值分別為64.19、55.64、61.45、59.39和66.03。一般來說，CIA處于50～65，說明當時處于寒冷干燥的氣候，指示低等化學風化強度；CIA處于65～85，說明當時處于溫暖濕潤的氣候，指示中等化學風化強度；CIA處于85～100，說明當時處于炎熱潮濕的氣候，指示強烈風化強度。根據Taylor的研究結果，未風化的上部陸殼(UCC)的CIA大致為47.9，黃土的CIA為57.97～63.31[29]。CIA值一般與風化強度成正比，而Na/K值一般與風化強度成反比。從CIA均值比較可以明顯看出，青藏高原東部的樣品比其他地區黃土CIA值較低。從圖4可以明顯看出，青藏高原東部的樣品主要處于低等風化強度階段，只有表土樣品較多處于中等風化強度階段，黃土樣品較多分布于CIA值低的位置，說明當地的環境可能會對風化強度造成一定的影響。此外，CIA值與Na/K比值呈明顯的負相關，這與前人的研究結果一致[14,27]。

圖4 青藏高原東部黃土與河西走廊黃土[17]、黃土高原黃土 [15,21-22]化學蝕變指數(CIA)與Na/K比值關系散點圖Fig.4 Scatter plots for CIA vs. Na/K Molar Ratio of the loess deposits from the eastern Tibetan Plateau, Hexi Corridor region and the Chinese Loess Plateau

2.2.2 A-CN-K三角模型圖

A-CN-K 三角模型圖也可以反映剖面地層的化學風化趨勢，其中A代表 Al2O3，CN代表CaO*+Na2O，K代表K2O。在模型圖中樣品所處的位置可以代表其所受風化強度的強弱，同時可以反映樣品大致經歷了哪種風化過程[30]。根據青藏高原東部樣品的分析結果在A-CN-K三角圖上的投點情況，所有樣品均分布在Pl-Ks基線之上，大致與A-CN線平行，靠近斜長石一側，這表明剖面經歷了斜長石的脫Na的風化過程，而鉀長石幾乎沒有變化(說明沒達到能使鉀長石風化的強度)。只有幾個樣品分布在Sm-IL基線之上，而且表土樣品明顯比其他樣品受到了更為強烈的化學風化作用(圖5)。研究表明，沉積物的風化強度主要與母巖成分、地形條件和氣候條件等密切相關，A-CN-K與CIA、Na/K指標一樣，受到以上因素共同影響，是沉積物原始成分和沉積后風化作用的綜合反映。通過DEM圖(圖1)以及采樣記錄，地形條件是有所差別的，北部為較為平坦的高原地區，而南部為山地為主。綜上所述，青藏高原東部黃土長石風化主要表現為斜長石風化，影響斜長石風化的因素可能包括母巖、地形和氣候條件。

2.3 青藏高原東部黃土物源示蹤

常量元素Ti、Si、Al等在遷移過程中和沉積后不易受化學風化等外界因素影響，遷移速率較低，可以用于物源示蹤。其中Ti主要存于金紅石中，在不同巖石中含量變化較大；Si主要存在于石英中，而石英不易受到風化作用等影響，不易發生遷移；Al主要賦存于長石、云母、輝石等鋁硅酸鹽礦物中，并在水中難以被溶解，在不同巖石中含量較為穩定[31]。前人研究表明，SiO2/Al2O3與風塵粒度密切相關[30]，而TiO2/Al2O3在不同的風塵粒級有很好的一致性，受風化作用影響很小，可作為風塵物源的重要指標[31-32]。本文使用了常量元素Ti、Si、Al之間的比值共同示蹤物源(圖6a，b)。圖中顯示青藏高原東部樣品TiO2/Al2O3比值較為分散，但黃土與表土、河床砂、風成砂之間無明顯分區特征，約在0.045～0.075之間，而其他地區黃土TiO2/Al2O3比值分布較為集中，約在0.050～0.060之間。青藏高原東部樣品SiO2/Al2O3比值主要分布于60～85之間，河床砂、風成砂、表土樣與黃土樣無明顯差異，而其他地區黃土SiO2/Al2O3比值分布于85～105之間。常量元素散點圖清晰指示了青藏高原東部黃土與其他地區黃土物源的顯著不同，而代表青藏高原內部樣品的河流沉積物與風成沙以及表土和黃土相比無顯著差別，指示了高原東部黃土和高原內部物質可能具有同源性。

圖5 青藏高原東部黃土與河西走廊黃土[17]、黃土高原黃土 [15,21-22]A-CN-K化學風化趨勢圖A=Al2O3，C=CaO*，N=Na2O，K=K2O，Pl=斜長石，Sm=蒙脫石，Ka=高嶺石，IL=伊利石，Ks=鉀長石Fig.5 A-CN-K Ternary Diagram of the loess deposits from the eastern Tibetan Plateau and Hexi Corridor region and the Chinese Loess Plateau

微量元素Nb、Zr、Hf、La、Y等主要繼承了母巖的特點，這些元素之間的比值在不同類型巖石中都有較大的區別，可用于物源示蹤[33-34]。Zr和Hf富存于鋯石中，不同類型巖石或沉積物中Zr/ Hf比值不同[24-25]。常量元素和微量元素之間的比值具有物源指示意義，在黃土沉積的物源示蹤中得到了廣泛應用[35-36]。本文微量元素散點圖(圖6c，d)可以大致區分青藏高原東部黃土和其他地區黃土。青藏高原東部黃土Zr/Al比值約為15～50，黃土與表土、河床砂、風成砂沒有明顯分區特征，而其他地區黃土Zr/Al比值約為5～20，高原東部黃土Zr/Al比值明顯高于其他地區黃土；高原東部黃土Zr/Ti比值約為5～15，黃土與表土、河床砂、風成砂無明顯分區，其他地區黃土Zr/Ti比值約為1～4，高原東部黃土Zr/Ti比值明顯高于其他地區黃土，而Y/Al比值比較接近。微量元素和常量元素比值散點圖表明了青藏高原東部黃土與其他地區黃土在Zr、Ti元素上區別較大，而在Al、Y元素上區別較小，指示了青藏高原東部黃土與其他地區黃土物源的不同，而高原東部黃土樣和河床砂、風成砂、表土的總體特征近似，說明兩者可能具有同源性。

剖面物源的差異可以在微量元素和常量元素的三角圖中顯示，如Olivarezetal.[37]利用La-Th-Sc探究了太平洋中深海沉積物的物源。同樣的，常量元素也可以作為物源的良好指示物，如Zimbelmanetal.[38]成功利用常量元素氧化物區分了風成物質，Renetal.[39]也利用常量元素三角圖對民勤地區沙源和傳輸路徑進行了探究。Al主要存在于云母、長石、輝石等鋁硅酸鹽礦物中，在不同類別巖石中含量比較固定，并且沉積后受到化學風化影響較小，不易發生遷移[28]。K主要賦存于鉀長石中，在不同礦物的含量有比較明顯的變化[40]，而Na主要賦存于斜長石中，容易受風化作用的影響。利用常量元素之間關系繪制出的三角圖能表現出一定的空間分布關系，從而能運用于物源示蹤[39]。常量元素三角圖(圖7)顯示出青藏高原東部黃土與黃土高原的洛川、西寧、蘭州黃土，以及河西走廊地區的黃土元素特征明顯不同：青藏高原東部表土、黃土、古土壤和河流沉積物、風成砂等樣品分布在同一區域，在三角圖中清晰的表現出了青藏高原黃土K、Na元素含量高于，Ca元素含量低于其他地區黃土的特點。

圖6 青藏高原東部黃土與河西走廊黃土[17]、黃土高原黃土 [15,21-22]常量元素、常量和微量元素間散點圖Fig.6 Scatter plots for major element ratios and trace vs. major element ratios of the loess deposits from the eastern Tibetan Plateau, Hexi Corridor and the Chinese Loess Plateau

常量元素與微量元素物源示蹤分析，揭示了青藏高原東部黃土與黃土高原、河西走廊地區黃土物源不同，而青藏高原東部黃土與沙樣、表土物源可能相同，指示了高原東部黃土不可能主要來自西北干旱區，而可能來自高原內部的特點。這與早期研究基本一致，如方小敏等[41]通過稀土元素分析得出高原上的黃土可能主要為冰緣、冰磧物風化物所進行補給的黃土；川西地區4個黃土剖面地球化學元素和礦物成分的一致性對應粉塵經歷了一定的混合，其物源主要來自較遠的青藏高原西部地區[7]。

黃土的主要成分為粉砂物質(2～63 μm)，黃土堆積有兩個重要前提，其一是存在粉塵源區。Pye[42]研究認為粉塵物質可以在冰川、河流、沙漠和高山等形成過程中，通過冰川磨蝕作用、風的磨蝕作用、流水作用等將巖石細化磨碎形成。研究區毗鄰青藏高原內部，靠近瀾滄江和金沙江，高原內部的冰川作用和流水作用都可能為研究區提供粉塵物質。在冰期，河流水量減少、冰川作用加強導致沉積物更多出露在表面，提供了大量物源粉塵。青藏高原內部存在許多冰川，在冰川搬運、磨蝕等作用下形成的冰磧物同樣可能為粉塵物質來源。從青藏高原東部樣品地球化學特征可以看出，高原黃土樣品與河床沙、風成沙樣品、表土樣品分布在同一區域，與其他地區黃土有差異，而兩者并無明顯分區差異，這說明兩者可能具有同源性，該數據結果也論證了本文上述的推測。此外，對現代沙塵暴氣候學和天氣動力學研究表明青藏高原可能自身為重要粉塵源區[43-44]。青藏高原東部地區的細粒粉塵物源可能來自羌塘地區和長江、黃河源區，因為它們是青藏高原上塵暴高發的兩個重要源區[45]。

黃土堆積的另一個重要前提是有足夠的風動力[20]。青藏高原在冬季或冰期時，高處的冰川形成一個冷高壓，使周圍的大氣由冰川向四周運動，形成反氣旋型環流[3,46]，而這種環流很可能是高原東部黃土形成的重要風動力。

青藏高原東部黃土的潛在物源主要有兩個：西北荒漠遠源粉塵[21,47]和青藏高原內部沉積物[7,41]。本文地球化學元素比值示蹤證據與前人的研究均顯示，青藏高原東部黃土和黃土高原、河西走廊黃土物源的不同，高原黃土物源不可能來自于西北荒漠遠源粉塵；同時，青藏高原東北部山地海拔較高(均高于2 500 m)，對低空環流帶來的西北、北部粉塵進行了有效的阻隔。這些證據都排除了西北荒漠區等地遠源粉塵為青藏高原東部黃土主要物源的可能。雖然部分采樣點可能會靠近沙漠地區，塵暴等可能會攜帶部分西北粉塵，但本研究分析結果并未顯示出與黃土高原黃土有類似的化學特征，說明西北荒漠區的粉塵物質并非青藏高原黃土的主要物源。青藏高原東部部樣品地球化學特征顯示，青藏高原東部黃土與內部河床砂、風成砂以及表土在元素比值上沒有明顯差異；同時，高原內部的冰川、流水作用帶來的物質為青藏高原東部提供了大量物源。結合前人對高原黃土物源和風動力的研究，推測高原東部黃土主要來自于為青藏高原內部的沉積物。

圖7 青藏高原東部黃土與河西走廊黃土[17]、黃土高原黃土[15,22-22]Ca-Mg-K、Ca-Mg-Na三角圖Fig.7 Ternary plots for Ca-Mg-K, Ca-Mg-Na of the loess deposits from the eastern Tibetan Plateau, the Hexi Corridor and the Chinese Loess Plateau

3 結論

通過對青藏高原東部黃土常量和微量元素地球化學特征的分析，本研究主要得出以下初步結論：

(1) 青藏高原東部黃土SiO2含量約為53.04%～73.81%，Al2O3含量約為12.20%～19.16%，Fe2O3含量約為3.98%～7.48%，CaO含量約為0.27%～15.99%，這四種常量元素氧化物占據高原黃土常量元素氧化物大部分。青藏高原東部黃土的微量元素含量，四種樣品Ba、Co、Cu、Hf、Nb、Nd、Ni、Rb、Y、V元素含量差異不超過10%，其他微量元素差異較大。青藏高原東部黃土樣品主要處于低等風化強度，部分處于中等風化強度，長石風化主要表現為斜長石風化。

(2) 與其他地區黃土相比，青藏高原東部黃土SiO2/Al2O3、Zr/Al和Zr/Ti比值有明顯差異，顯示出青藏高原黃土與其他地區黃土差異。Ca-Mg-K、Ca-Mg-Na三角圖等同樣顯示出青藏高原黃土與其他地區黃土的物源具有明顯的差異，表明青藏高原東部黃土與黃土高原黃土存在明顯差異，西北內陸荒漠區不是其主要源區。

(3) 在常量元素和微量元素的散點圖、三角圖中，青藏高原東部黃土與河流沉積物、風成沙與青藏高原內部表土未表現出有明顯的特征差異，前人研究結論也顯示青藏高原內部可能為東部提供了物質來源，本文認為青藏高原內部的冰川活動、干旱化過程產生的大量粉塵物質為青藏高原東部黃土的主要物源。

由于黃土物源研究的復雜性，在今后還需開展多方面工作如同位素示蹤等。