地球化學組成對渾善達克沙地與科爾沁沙地風化和沉積循環特征及其物源的指示

劉璐，謝遠云,2，遲云平,2，康春國，吳鵬，魏振宇，張月馨，張曼

1.哈爾濱師范大學地理科學學院，哈爾濱150025

2.哈爾濱師范大學寒區地理環境監測與空間信息服務黑龍江省重點實驗室，哈爾濱150025

3.哈爾濱學院地理系，哈爾濱150086

沙地、沙漠等干旱環境下形成的地表沉積物占據了中國北方地區面積的大部分，受冬季風的影響，向下風向區域持續不斷地輸送大量粉塵，因此中國北方地區是亞洲重要的粉塵排放源區之一[1-8]。沙地的形成和發展經過了一系列復雜的過程，如粉塵的產生、搬運、沉積和成壤作用等，使得后期的改造和風化作用的程度各不相同。因此，了解沙地沉積物的風化程度，評估后期改造的影響，找出沉積物所代表的初始特征信息，是風塵系統“源-匯”過程研究的重點[9]。粉塵傳輸過程還可能會引發擴散造成大氣污染。因此，研究沙地的物源對確定沙地物質來源、揭示沙漠物質源區和示蹤來源物質的遷移路徑提供更深層次的解讀[10]。迄今為止，盡管中亞大部分沙地的地球化學研究已經取得了較大進展，但對位于中國東北地區的渾善達克與科爾沁沙地的風化、循環和物源示蹤研究仍然很少涉及，目前對于渾善達克沙地和科爾沁沙地的研究僅僅是通過少數幾個樣品來確定的，存在較大的偶然性。

本文對渾善達克沙地與科爾沁沙地的地表沉積物進行橫向大范圍取樣，對其中的細顆粒物質（＜10μm和＜63μm）進行地球化學元素及Sr-Nd同位素分析，評估其化學風化程度、成熟度及沉積再循環特征，并追蹤其物質源區，進而探討西拉沐淪河對沙地間物質交換的連接作用。該研究有助于增強我們對東北平原西部沙地物質源區及遷移路徑的理解。

1 自然地理概況

渾善達克沙地處在內蒙古高原中東部，面積約為21 400 km2，屬于溫帶干旱-半干旱氣候區，年降水量約為200～350 mm，廣泛發育風蝕殘丘和半固定-固定草叢沙堆[11]。科爾沁沙地地處內蒙古東南部的西遼河中下游地區（赤峰市和通遼市之間），面積約為50 600 km2，在中國北方是面積最大的沙地，屬于溫帶半干旱-半濕潤的大陸性季風氣候，年降水量約為300～500 mm。西拉沐淪河和老哈河共同被喻為母親河（圖1），它們聯合滋養了這片土地。渾善達克沙地沙層覆蓋廣泛，丘間平地較為開闊，西北-東南走向的固定-半固定風成沙丘隨處可見，活動風成沙丘也分布其中。受太平洋暖低壓和蒙古冷高壓相互消長變化以及大興安嶺山脈的影響，西北風是渾善達克沙地的主導風向，而西南風是科爾沁沙地主導風向[12-13]。

圖1 渾善達克沙地、科爾沁沙地以及西拉沐淪河位置圖Fig.1 Location map of the Onqin Daga Sand Land, the Horqin Sandy Land and the Xar Moron River

為了沙地物源研究，將渾善達克和科爾沁沙地分為西、中、東三段。渾善達克沙地的東段包括克什克騰旗-達里若爾湖-烏蘭布統，沙地規模較小，多以固定沙丘為主；中段包括正藍旗北部的烏日圖-那日圖-桑根達來等，以大中型沙堆為主；西段，正鑲白旗北部的烏蘭察布和巴彥淖爾至蘇尼特右旗，以小型沙堆為主，多在1～2 m，地表明顯粗化，見大量因風蝕而殘留下來的粗沙顆粒，甚至含少量的細小礫石（2～5 mm）。科爾沁沙地的東段，即雙遼-通遼-科左后旗一帶，以固定沙丘為主，規模較小；中段，即開魯-庫倫旗一帶，以半固定-固定沙丘為主，規模較東段大；西段為奈曼旗至翁牛特旗區域，沙丘規模達到最大，以固定-半固定沙丘為主，也見活動沙丘。

2 材料與方法

風成砂和河流砂經過風力和水力的充分搬運混合，其細顆粒組分可代表較大區域的平均物質組成[14-16]，本文所有樣品來自沙地的風成砂和河流砂，其中河流砂來源于河流階地和現代河床，風成砂是下伏河湖相沉積物經過風力再改造就地堆積的風積物，在地貌上形成風成丘狀。取樣位置遠離城鎮，地表取樣深度＜5 cm。渾善達克沙地取樣26個（風成砂8個，河流砂18個），其中東部沙地12個，中部10個，西部4個；科爾沁沙地取樣38個（風成砂28個，河流砂10個），其中東部沙地19個，中部9個，西部10個。

由于中國東北地區大部分黃土沉積物的顆粒粒徑＜63μm[15]，因此本研究選取＜63μm和＜10μm兩個組分進行地球化學分析。這樣選擇的目的是消除風成黃土在搬運和沉積過程中礦物分選的影響，并在同一粒度范圍內對不同樣品進行地球化學對比[16]。將樣品分別經過250目和1 300目標準篩進行篩分，分別得到＜63μm和＜10μm兩個組分的子樣，這些子樣用于地球化學分析。

常量元素采用玻璃熔片法制備，制備完成后，用XRF光譜儀進行測量。微量元素和稀土元素采用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）測定，結果顯示元素的相對誤差都小于2%。Sr和Nd同位素比值用表面熱電離同位素質譜儀測定。將渾善達克沙地與科爾沁沙地＜63μm組分的子樣在0.5 mol/L的醋酸溶液中浸泡4 h，將酸不溶物烘干，研磨至200目后分成兩份進行Sr（87Sr/86Sr）和Nd（143Nd/144Nd）同位素比值測定。Sr和Nd的分離采用標準離子交換法。渾善達克沙地與科爾沁沙地測定的Sr和Nd同位素比值分別用86Sr/88Sr=0.119 4和146Nd/144Nd=0.721 9進行質量分餾校正。儀器的準確度分別對國際標樣NBS987和JMC進行檢測，測定值分別為87Sr/86Sr=0.710 250±7（2σ）和143Nd/144Nd=0.512 109±3（2σ）。Nd同位素組成用εNd（0）值表示，采用143Nd/144Nd=0.512 638的球粒隕石均一源（CHUR）現代值。

3 結果與分析

3.1 常量元素

渾善達克與科爾沁沙地的常量元素分布特征呈現出高度的均一性（圖2），但是渾善達克沙地比科爾沁沙地的CaO含量略高（表1）。渾善達克與科爾 沁 沙 地 與UCC相 比，Fe2O3、MgO和P2O5明顯虧損，Na2O、Al2O3和K2O輕微虧損，MnO、TiO2明顯富集，SiO2的含量與UCC基本一致。渾善達克沙地＜63μm組分的Na2O、K2O、MnO、TiO2較＜10μm組分略高，而MgO和CaO略低；科爾沁沙地＜63μm組分的Fe2O3、MgO、CaO、MnO、TiO2和P2O5略低于＜10μm組分，而K2O略高。

表1 科爾沁沙地與渾善達克沙地的常量元素組成Table 1 Concentrations of major elements for the Horqin Sand Land and the Onqin Daga Sandy Land %

圖2 科爾沁沙地（a）與渾善達克沙地（b）的常量元素組成Fig.2 The composition of major elements for the Horqin Sand Land （a）and the Onqin Daga Sandy Land （b）

3.2 微量元素

續表 1

渾善達克與科爾沁沙地的微量元素分布表現出很強的相似性（圖3）。渾善達克與科爾沁沙地和上地殼標準含量（UCC）相比，過渡金屬元素（TTE）中Sc、Co、Ga、Ni、Zn的含量中度虧損，而Cr和V輕度富集，Cu含量變化大；低場強元素（LFSE）中Rb輕度虧損，Sr明顯虧損，Ba、Pb、Cs與UCC輕度富集或含量相當；高場強元素（HFSE）中Ta明顯虧損，Y稍微富集或含量相當，Zr、Hf和Nb含量相當或稍微虧損，Th和U含量變化大。渾善達克沙地＜63μm組分相對于＜10μm組分具有更多的Nb、Ta和更少的Co、Ni、Cu、Th、Sr、Cs；科爾沁沙地＜63 μm組分相對于＜10μm組分有較多的Rb、Ba元素，其他元素均比＜10μm組分含量少。渾善達克沙地Cr、Co、Ni元素含量比科爾沁沙地輕度富集，Cu元素比科爾沁沙地明顯富集，而Rb元素比科爾沁沙地輕度虧損。

圖3 科爾沁沙地（a）與渾善達克沙地（b）的微量元素組成Fig.3 The composition of trace elements for the Horqin Sand Land （a）and the Onqin Daga Sandy Land （b）

3.3 稀土元素

渾善達克沙地與科爾沁沙地稀土元素總量（ΣREE）分別為（121.84～386）×10-6和（89.10～386.16）×10-6，平均值分別為213.27×10-6和210.63×10-6，二者均高于UCC（146.37×10-6）、PAAS（后太古宙頁巖）（184.77×10-6）以及地殼平均值（178×10-6），它們均與PASS和UCC的稀土元素配分模式相似，且都為明顯的右傾型分布模式，即輕稀土富集、重稀土虧損、顯著Eu負異常的分布模式。球粒隕石標準化后的渾善達克與科爾沁沙地的REE分布曲線（圖4）彼此近于平行，呈V字型，La-Eu曲線較陡，Eu-Lu曲線趨于平緩，為LREE相對HREE富集，分布曲線均為負斜率。所有樣品的Eu/Eu*值均小于1，Eu呈較為明顯的負異常程度。它們的Ce/Ce*均值為0.9，顯示出輕微的負異常。渾善達克沙地＜63μm組分與＜10μm組分的稀土元素整體差別不大，科爾沁沙 地＜63μm組 分 的 稀 土 元 素 略 低 于＜10μm組分。科爾沁沙地＜63μm的稀土元素比同粒級的渾善達克沙地波動范圍大，科爾沁沙地＜10μm的稀土元素要高于同粒級的渾善達克沙地。科爾沁沙地與渾善達克沙地相比La、Ce、Pr、Nd、Sm元素輕度富集。

圖4 科爾沁沙地（a）與渾善達克沙地（b）的稀土元素分布模式Fig.4 Distribution patterns of rare earth elements in the Sand of Horqin （a）and Onqin Daga （b）

3.4 Sr-Nd同位素

科爾沁沙地樣品不同組分的Sr-Nd同位素組成均具有顯著的差異（圖5），＜63μm組分87Sr/86Sr值為0.709 898～0.712 122，εNd（0）值為-12.39～ -5.77，＜10 μm組分87Sr/86Sr值為0.709436～0.712091，εNd（0）值為-10.42～-4.27。渾善達克沙地樣品不同組分的87Sr/86Sr和εNd（0）數據均表現出顯著的變化，＜63μm組分87Sr/86Sr值為0.709 618～0.712 293，εNd（0）值為-14.98～ -6.61，＜10μm組分87Sr/86Sr值為0.710 638～0.712 339，εNd（0）值 為-12.37～-6.38。這種顯著的變化表明了渾善達克沙地和科爾沁沙地Sr-Nd同位素組成的不均一性。

圖5 科爾沁沙地（a）與渾善達克沙地（b）的Sr-Nd同位素組成對比Fig.5 Sr-Nd isotope compositions of the Horqin Daga Sand Land （a）and the Onqin Sandy Land （b）

4 討論

4.1 化學風化特征

化學風化指標是依據主量元素而計算，能夠反映化學風化的強度，并通過選用的主量元素差異，建立多種類型的化學風化指標，如CIA、CIW、WIP和PIA等（見表2）。為了克服單一指標可能存在的偏差，本文同時采用了上述4個指標，以清晰地反映化學風化作用強度的變化。元素地球化學循環的重要環節之一是化學風化過程，而化學蝕變指數（CIA）是衡量沉積物化學風化強度的一個重要指標，被廣泛應用在風塵物源的研究中[17]。CIA值通常也被用于探究古氣候環境演化，公式為：CIA=[Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）]×100。其中，CaO*的分子量僅為硅酸鹽中的含量。當CaO＞Na2O的摩爾數時認為mCaO*=mNa2O，當CaO≤Na2O的摩爾數時則mCaO*=mCaO[18]。樣品中長石風化成黏土礦物的程度可以通過CIA值有效地表示出來。比值越小就表示處在干冷的氣候條件下且基本未遭受后期風化的作用，比值越大就代表沉積物處在溫暖潮濕的環境中，所經歷的風化程度越強。渾善達克沙地和科爾沁沙地的CIA值處于很窄的范圍內，科爾沁沙地＜63 μm組分的CIA值為49.22～54.07，＜10μm組分的CIA值為50.29～54.40；渾善達克沙地＜63μm組分的CIA值為49.40～55.92，＜10μm組分的CIA值為50.89～56.93，它們均接近于UCC，表明二者均處于弱風化-初等風化程度。兩個沙地沉積物的CIA值均低于60，暗示了渾善達克與科爾沁沙地經歷了長期且穩定的寒冷干燥氣候環境。同組分的渾善達克沙地沉積物CIA值比科爾沁沙地略高，也說明渾善達克沙地沉積物的風化程度和氣候干冷程度要略微高于科爾沁沙地。

表2 科爾沁沙地與渾善達克沙地CIA、CIW、PIA、WIP值Table 2 CIA，CIW，PIA，WIP values of the Horqin Daga Sand Land and the Onqin Sandy Land

由于CIA在細碎屑巖的成巖過程中可能會受到K交代作用的影響，使得源巖的化學成分發生改變。因此，對于化學風化指標（CIW），需要在CIA的基礎上除去K含量變化的影響。CIW也被廣泛應用于判斷物質源區的化學風化程度和古氣候條件[19-20]，并且可以有效避免鉀在成巖作用或變質過程中的遷移。其表達式為：CIW=Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O）×100，科爾沁沙地和渾善達克沙地均表現出較低的CIW值，科爾沁沙地＜63μm組分的CIW值為56.48～63.15，＜10μm組分的CIW值為56.61～62.47；渾善達克沙地＜63μm組分的CIW值為56.48～64.00，＜10μm組分的CIW值為57.51～64.68，表明渾善達克與科爾沁沙地僅僅經歷了低等程度的化學風化，并處在化學風化的初級階段。渾善達克與科爾沁沙地的CIW值均小于70，暗示了氣候相對干冷。對于＜63μm和＜10μm組分沉積物，渾善達克沙地的CIW值均高于科爾沁沙地，說明渾善達克沙地的化學風化程度和環境干冷度比科爾沁沙地略高，這也與CIA值一致。

由于CIW在處理富鉀長石的巖石時，數值會變高，于是產生了CIW的替代指標PIA，其值與CIA的一致性較好。為了減小后期成巖作用和交代作用的影響，Fedo等[21]提出采用斜長石蝕變指數（PIA）來校正斜長石的風化作用，能夠更加精確地推斷源區的風化程度及物源區古氣候環境。其表達式為：

PIA=[（Al2O3-K2O）/（Al2O3+CaO*+Na2O-K2O）]×100。科爾沁沙地和渾善達克沙地均表現出較低的PIA值，科爾沁沙地＜63μm組分的PIA值為48.91～55.67，＜10μm組分的PIA值為50.38～55.93；渾善達克沙地＜63μm組分的PIA值為49.20～57.88，＜10μm組分的PIA值為51.15～59.10，表明二者的沉積物處于化學風化的初等階段。可以通過PIA值看出，無論是＜63μm還是＜10μm組分的兩個沙地，渾善達克沙地的化學風化和氣候干冷度比科爾沁沙地略高。

Parker[22]提出的包括堿性和堿土金屬元素的化學風化指數（WIP）也反映不同的古氣候條件，但是WIP適用范圍較窄，僅僅包括堿性和堿土金屬元素。計算公式為：WIP=100×[（2Na2O/0.35）+（MgO/0.9）+（2K2O/0.25）+（CaO*/0.7）]，WIP對沉積循環和分選作用引起的石英和鋯石富集更為敏感。科爾沁沙地和渾善達克沙地均展現出較高的WIP值，科爾沁沙地＜63μm組分的WIP值為54.19～57.86，＜10 μm組分的WIP值為51.10～57.86；渾善達克沙地＜63μm組分的WIP值為41.16～57.81，＜10μm組分的WIP值為33.77～54.86，渾善達克沙地比科爾沁沙地的WIP值略低，顯示出渾善達克比科爾沁沙地的風化和干旱程度略高，以上結果均表明渾善達克與科爾沁沙地的沉積物僅經歷了低等程度的化學風化且受到干冷環境的影響。

碎屑巖在成巖過程中如果受到K交代作用的影響，計算出的化學風化指標會出現誤差，不能反映真實的化學風化程度。A-CN-K三角圖解與CIA指數具有良好的一致性，樣品的落點可以反映CIA指數的高低。A-CN-K三角模型被Nesbitt[23]和Fedo等[21]提出用來反映源區的化學風化特征，能夠預測長石的風化趨勢，可用于檢測未經風化的源巖成分，還有助于探索風塵沉積組分變化的氣候狀況。若風化趨勢趨近含鉀礦物（蒙脫石和伊利石等）的連線，則表示化學風化程度高；風化趨勢接近于斜長石和鉀長石連線，表明斜長石尚未完全風化。若平行于A-K連線，表明風化程度加劇，K從含鉀礦物中大量淋失，蒙脫石和伊利石脫鉀轉變成高嶺石等含鋁礦物，風化趨勢向A靠近，最終到達頂點A。將渾善達克與科爾沁沙地的風塵沉積物投在A-CN-K三角模型中（圖6a），發現圖中各采樣點均被緊密地包圍在一起，集中在UCC附近且與ACN的連線平行，表明科爾沁沙地和渾善達克沙地均經歷了一個較低程度的化學風化過程，并且經歷了一個相對穩定的構造和氣候條件。

4.2 成熟度與沉積循環特征

通常運用成分變異指數（ICV指數）來評估沉積物的成熟度特征[24]。公式為：ICV=（CaO+K2O+Na2O+Fe2O3+MgO+TiO2+MnO）/Al2O3，CaO是包括碎屑碳酸鈣等在內的所有組分中的CaO，Fe2O3代表總鐵含量，其他常量元素含量用質量百分比表示。比值＞1為高ICV值，表示富含非黏土礦物的成分不成熟，比值＜1則為低ICV值，意味著沉積物成分成熟。科爾沁沙地和渾善達克沙地ICV平均值分別為1.06和1.32，說明沉積物中含有少量黏土礦物，成分成熟度低，科爾沁沙地沉積物成熟度略高于渾善達克沙地。

風化指數（WIP）也可以用來區分首次循環和再循環沉積物[25]，其反映了Ca、Na、Mg和K元素的濃度，化學風化和再循環作用越強，其值越低；化學風化和再循環作用越弱，其值越高。當CIA/WIP值小于10時為初次循環沉積物，10＜CIA/WIP＜100時則為多次循環沉積物。科爾沁與渾善達克沙地的CIA/WIP值均小于2，表明渾善達克與科爾沁沙地均是由初次循環沉積物形成的。在圖6b中，渾善達克沙地與科爾沁沙地的大部分數據點接近化學風化線，且都在風化線以下，化學風化弱，石英富集程度較低，說明科爾沁沙地和渾善達克沙地中沉積物再循環程度低，大部分沉積物是由初次循環所組成的。

圖6 科爾沁沙地和渾善達克沙地的A-CN-K三角圖（a）和CIA-WIP圖解（b）Fig.6 A-CN-K triangle diagram （a）and CIA-WIP diagram （b）of the Horqin Sand Land and the Onqin Daga Sandy Land

MFW三角圖解可以用來區分循環沉積類型，也可以反映沉積物初始母巖的組成[26]。W表示巖漿母巖的化學風化程度，M代表鐵鎂質母巖，F代表長英質巖漿母巖。長英質火成巖的風化趨勢沿F-W的曲線發展，而鎂鐵質巖的風化趨勢則沿MW線發展。科爾沁沙地樣品＜63μm組分的W指數為18.06～28.93，平均值為23.11；科爾沁沙地＜10 μm組分的W指數為25.08～31.21，平均值為26.33，渾善達克沙地樣品＜63μm組分的W指數為22.45～32，平均值為24.79；渾善達克沙地＜10μm組分的W指數為24.55～30.80，平均值為24.87，說明源區化學風化程度低。如果沉積物來源于巖漿母巖，那么沉積物組成趨勢線與巖漿巖組成的趨勢線相交；如果是再循環沉積物，則巖漿組成趨勢線與取樣點組成的趨勢線不相交。就渾善達克與科爾沁沙地而言（圖7a），取樣點靠近UCC（上地殼）分布，遠離PAAS（后太古宙頁巖）分布，并且與巖漿所組成的趨勢線大致平行分布，表明渾善達克與科爾沁沙地經歷了初級化學風化程度和沉積物的再循環特征。

圖7 首次循環和再循環沉積物的MFW（a）與Th/Sc-Zr/Sc圖解（b）巖漿巖的平均組成參考文獻[27]，UCC和PASS值參考文獻[28]，大興安嶺東部花崗質巖石的平均組成參考文獻[29]。Fig.7 MFW （a）and Th/Sc-Zr/Sc（b）of the first-cycle and recycled sediments with chemical weathering indices

最能夠反映沉積物分選和再循環特征的地球化學手段是Th/Sc與Zr/Sc二元圖解[30]。沉積分選和再循環過程往往伴隨著穩定重礦物（如鋯石）的富集，而Zr元素主要賦存在鋯石中。因此Zr/Sc比值能有效地反映沉積物再循環的程度，Th/Sc比值對判斷巖漿化學分異過程和物源組成成分具有重要的指示意義。在圖7b中，渾善達克沙地與科爾沁沙地大部分沉積物沿巖漿成分分異線呈線性分布，表明受分選和再循環的影響較小，大部分沉積物是由初次循環形成，有一小部分沉積物偏離巖漿分異線，沿著沉積再循環作用的趨勢線分布，推測可能受到沉積物分選和再循環沉積作用的影響，這一小部分樣品為再循環沉積物。

4.3 渾善達克與科爾沁沙地的物質源區

一些性質穩定的過渡元素（例如Co、Sc元素等），稀土元素（例如Al、Ti、Sc、Th、Zr元素等）和高場強元素（例如Th、Ti、Zr、Hf元素等）在風化、遷移、成巖和變質作用的地質過程中不易轉移和淋失，因此這些穩定的元素被廣泛應用于辨別陸源碎屑沉積的物源類型。圖7b中渾善達克與科爾沁沙地樣品均在大興安嶺中東部花崗質巖漿巖與花崗巖的附近聚集，并沿花崗巖、PASS和UCC的趨勢線分布，表明科爾沁沙地與渾善達克沙地的初始物源區可能為中酸性母巖。通常認為酸性巖的Sc、Cr和Co元素明顯虧損，而La和Th元素明顯富集，因此La/Sc和Th/Co參數可用于判斷物源的組成成分[31]。渾善達克沙地＜63μm組分樣品中La/Sc為3.236～7.215，平均值為5.146，Th/Co為0.998～3.391，平均值為1.942；渾善達克沙地＜10μm組分樣品中La/Sc為3.373～7.589，平 均 值 為5.266，Th/Co為0.771～3.927，平均值為1.779。科爾沁沙地樣品＜63μm組 分 中La/Sc為3.039～6.390，平 均 值為4.499，Th/Co為1.007～3.935，平均值為1.937；科爾沁沙地樣品＜10μm組分中La/Sc為3.079～10.884，平均值為5.587，Th/Co為1.370～5.683，平均值為3.043，所得比值均與酸性物源相符，并且在La/Sc-Th/Co二元判別圖解中觀測到二者數據點均落在酸性來源的沉積物范圍附近（圖8a）。在La-Th-Sc判別圖解[32]中（圖8b），所有樣品都聚集在花崗巖、TTG和長英質火山巖周圍，進一步確定渾善達克沙地與科爾沁沙地的物源均以長英質中酸性花崗巖類為主。

圖8 陸源碎屑物源判別圖解a.La/Sc-Th/Co圖解，b.La-Th-Sc三角圖解。Fig.8 Identification diagram of terrigenous clastic sourcea.La/ Sc-Th/Co diagram,b.La-Th-Sc triangle diagram.

謝靜[11]等通過U-Pb測年分析發現渾善達克沙地的沙沉積物主要來自華北克拉通的燕山褶皺帶和中亞造山帶，證明了周圍山地是附近低地的沙地物質源區[8]，這也符合沙地物質的近源性特征。考慮到中亞造山帶位于渾善達克沙地和科爾沁沙地的北部，并且渾善達克沙地的粒徑自西北向東南方向上有逐漸變小的趨勢，而科爾沁沙地是自西南向東北方向上有逐漸減少的趨勢，根據它們的空間位置和主導風向對比，認為風力是搬運中亞造山帶物質的主要動力。從地理位置和主導風向之間的空間關系（圖1）來看，由于受到冬季西北風的影響，渾善達克沙地與科爾沁沙地的潛在源區可能為華北克拉通的燕山褶皺帶以及中亞造山帶的大興安嶺山脈。渾善達克沙地和科爾沁沙地的Sr-Nd同位素組成與中國干旱區（OD鄂爾多斯干旱地區、NMPT青藏高原北緣干旱地區）均具有明顯的成分差異，但與中國北方邊界附近干旱地區（NBC）有所交集（圖9），推測可能是大興安嶺中東部對科爾沁與渾善達克沙地進行了物質輸送。圖9中顯示出NBC與兩個沙地的共同區域范圍略有不同，與科爾沁沙地的交匯范圍要略微大于渾善達克沙地，表明中亞造山帶的大興安嶺山脈對科爾沁沙地的輸送程度要明顯高于渾善達克沙地。渾善達克和科爾沁沙地87Sr/86Sr值較低，εNd（0）值較高，暗示了在中亞造山帶的基礎上，可能有華北克拉通物質的混入，且二者的87Sr/86Sr和εNd（0）值介于中亞造山帶（分別為0.710 587～0.713 900和-8.7～-0.9）[33]和華北克拉通（分別為0.714 824～0.719 218和-17.2～-11.8）[33]之間，顯示了中亞造山帶的大興安嶺西部和華北克拉通北部燕山山脈的物質混合物為渾善達克沙地和科爾沁沙地的物質來源。但是渾善達克沙地的εNd（0）均值更接近于華北克拉通，科爾沁沙地的εNd（0）均值更接近于中亞造山帶，表明渾善達克沙地的主要物質源區為華北克拉通的燕山山脈，而科爾沁沙地的主要物質源區為中亞造山帶的大興安嶺山脈。

圖9 科爾沁與渾善達克沙地和中國粉塵源區的Sr-Nd同位素組成對比NBC、OD、NMPT數據來自文獻[34-35]Fig.9 Sr-Nd isotope compositions of Onqin Sandy Land and Hoqin Sandy Land,in comparison to dust provenance in China

4.4 西拉沐淪河對沙地地球化學組成的影響

風和水的搬運作用在干旱-半干旱區域的粉塵“源-匯”系統中扮演著重要的角色，它在不同時空尺度上受地形、氣候、水文、植被等因素的影響而表現不同。河流在風沙地貌發育的過程中起到關鍵作用，一方面河流起到輸沙的動力運輸作用，為沙地與外界提供物質聯系，另一方面基底床面也可以為風沙地貌的發育提供場所[36]。西拉沐淪河為西遼河的北源，發源于克什克騰旗西南部的渾善達克沙地，流經整個科爾沁沙地。本文采集的渾善達克沙地東緣樣品分布在克什克騰旗的南部（東南、西南），主要分布在正南（西拉沐淪河流域）和西南一帶，因此可以將渾善達克沙地東緣的樣品視為西拉沐淪河流域的上游。

在本文的研究中渾善達克沙地和科爾沁沙地在物源上主要分別受到華北克拉通北部的燕山山脈以及中亞造山帶東緣的大興安嶺山脈的約束，但是渾善達克與科爾沁沙地卻在地球化學組成中呈現出很大的相似性，例如二者具有相似的稀土元素配分模式、低等級的化學風化程度、成熟度和沉積再循環程度。由于某些不活動元素在風化、沉積和搬運的地質過程中表現相對穩定，較好地保存了母巖的特性，因此可以用地球化學組成中的不活動元素來追蹤沉積物的物源及源區組成[27,32,37]。在圖10a和10b中，僅用單一元素的比值可能存在偏差，因此在圖10c中選取了多個元素比值來消除誤差。在圖10c中，渾善達克沙地東部＜10μm的細顆粒組分與科爾沁沙地相同粒級組分有更緊密的親緣關系。在圖10中，科爾沁沙地的樣品均與渾善達克沙地東部有較多的地球化學親緣關系，暗示了發源于渾善達克沙地東部的西拉沐淪河可能起到紐帶連接作用，為科爾沁沙地提供了部分顆粒物質。

圖10 不活動元素比值的物源辨別圖解Fig.10 Provenance discrimination diagrams involving immobile elements

在物源示蹤方面，沉積物的Sr-Nd同位素組成提供了更為精確的信息，因此在沉積物物源鑒別方面具有更大的潛力[38]。來自不同地質體的沉積物由于物源和沉積年齡不同有明顯不同的Sr-Nd同位素組成，并且Sr-Nd 同位素組成在風化、搬運和沉積等過程中能保持很高的穩定性[39]，所以Sr-Nd同位素比值被廣泛用來解譯亞洲風塵物源示蹤[33-35,39,40]。將渾善達克與科爾沁沙地數據點投影到圖9中，發現渾善達克沙地（特別是＜10μm組分）（87Sr/86Sr值為0.710 638～0.712 339，εNd（0）值為-12.37～-6.38）與 科 爾 沁 沙 地（87Sr/86Sr值 為0.709 436～0.712 122，εNd（0）值為-12.39～-4.27）樣品的Sr-Nd同位素含量較為接近（圖9中科爾沁沙地＜63μm和＜10μm組分充分混合，不易區分），表明渾善達克沙地可能經過西拉沐淪河的搬運作用向科爾沁沙地提供了部分顆粒物質。但是，相比于＜63μm的顆粒組分，渾善達克沙地＜10μm組分與科爾沁沙地不同粒級組分有更緊密的同位素親緣關系，表明＜10μm組分更容易受到河流搬運作用的影響，西拉沐淪河可能會攜帶更多的細顆粒物質以懸浮搬運的方式到下游，而粗顆粒物質則只能通過跳躍或滾動的方式在河流中搬運。由于西拉沐淪河流域地處于干旱區，自然降水補給量逐年減少，并且上游農業水土流失嚴重，根據下游水文站歷年的監測數據發現，西拉沐淪河在近25年內共有12年斷流，水動力條件弱，所以粗顆粒物質只能近距離搬運[41]。以上證據表明渾善達克沙地與科爾沁沙地通過西拉沐淪河進行了物質交換，西拉沐淪河是兩個沙地間細顆粒物質搬運的橋梁。

風力搬運在沙漠、沙地的形成和發展過程中也是一種必不可少的動力介質[42]。20μm通常被大多數學者認為是不同粉塵沉積物搬運方式的粒級界限，地表風通常能把＜20μm的細顆粒組分的粉塵搬運數百甚至數千千米[43]。在圖9中，科爾沁沙地與渾善達克沙地＜10μm的細顆粒組分相似程度更高。渾善達克沙地與科爾沁沙地由于受到長期穩定的干冷氣候影響，使得春季西南風的勢力范圍持續擴大，將細顆粒粉塵物質搬運至更遠的地方。結合研究區空間位置關系（圖1），科爾沁沙地與渾善達克沙地均位于哈爾濱的西南方向上，并被大興安嶺、小興安嶺以及長白山等山脈三面包圍，且沙地面積廣闊，使得到達東北平原的西北風只能從西南方向的渾善達克與科爾沁沙地進入。研究表明，哈爾濱現代塵暴天氣主要是受春季的西南風所影響，其主要來源于內蒙古中東部和蒙古中部地區，通過西南氣流的輸送，先后經過渾善達克沙地和科爾沁沙地，最后漂浮到哈爾濱[44]。這也與本文沙地的粒徑方向一致。總之，這兩個沙地在同一粉塵搬運通道上，渾善達克沙地的細顆粒粉塵可以通過降雨、降雪等方式沉降于科爾沁沙地，沙塵天氣起到了橋梁的溝通作用。因此，根據研究區的空間位置、主導風向以及地球化學組成對比，認為風力搬運在沙地間＜10μm的細顆粒組分運輸中也起到了一定的作用。因此，渾善達克沙地和科爾沁沙地間細顆粒物質的交換可能是風力和流水共同作用的結果。

5 結論

（1）渾善達克與科爾沁沙地具有較低的CIA值、PIA值和CIW值，高的WIP值，結合A-CN-K圖解，表明它們僅經歷了低等程度的化學風化。

（2）渾善達克與科爾沁沙地具有高的ICV值、低的Zr/Sc比值以及MFW圖解表明沉積物成熟度較低，經歷了簡單的沉積再循環過程。

（3）物源判別圖解表明渾善達克沙地與科爾沁沙地的母巖以中酸性花崗巖石為主，并且具有一個混合源區，華北克拉通北部的燕山褶皺帶和中亞造山帶東部的大興安嶺山脈分別為它們提供了物質來源。

（4）渾善達克沙地的細顆粒物質通過西拉沐淪河的搬運作用進行了物質交換，輸送到下游的科爾沁沙地，其中＜10μm組分的細顆粒物質還受到了地表盛行風搬運作用的影響。

致謝：地球化學組成分析得到中國地質大學（武漢）地質過程與礦產資源國家重點實驗室黃俊華研究員的支持。研究生孫磊和王嘉新參加了部分野外取樣和實驗室樣品處理工作，在此一并表示感謝。