远源地下水入侵阿拉善高原沙漠：酸溶物Sr同位素证据

潘耀东， 饶文波, 王 啸

(河海大学地球科学与工程学院，南京 210098)

巴丹吉林和腾格里沙漠位于内蒙古的阿拉善高原，拥有大量永久性湖泊，这些湖泊与毛乌素和塔克拉玛干沙漠中随季节变化的海子有明显的不同[1].另外，巴丹吉林沙漠大沙丘20 cm以下相对湿润，并且在湖泊和沙丘中普遍存在钙华、根管结核和钙质胶结层.对这些现象的解释，目前有两种不同的观点.一种观点强调远源地下水的重要作用.祁连山雪水通过深大断裂流经碳酸盐地层流向巴丹吉林沙漠，并维系其中的湖泊和地下水[2].另一种观点则突出当地降雨的主导地位.在巴丹吉林沙漠中尽管降雨直接补给的湖泊很少，但由降雨形成的地下水是湖泊的主要水源[3].对腾格里沙漠过去4万年来的湖相沉积研究[4]也认为古湖泊高水位事件(大湖期)是气候变暖、降雨量增加的结果.不过，大湖期事件在北方其他地区同样存在，具有区域一致性，是对全球气候变暖的响应[5].随着南水北调工程的逐步实施，这两种观点间的争论愈演愈烈.北方地区的水问题也因此获得了更多的关注.

Sr2+和Ca2+有相同的离子半径，在含钙矿物中Sr2+经常类质同象替代Ca2+.由于次生碳酸盐在形成过程中携带其他来源的Sr2+，导致其中的87Sr/86Sr发生不同程度的变化，因而，次生碳酸盐Sr同位素示踪土壤物质来源和化学风化具有很大的潜能[6].塔克拉玛干、巴丹吉林、腾格里和毛乌素沙漠自西向东依次排列，相应地，其气候特征也呈现明显的渐变趋势(图1)[7]，且矿物组成相似[7-9]，平均εNd(0)值差别小：

其中(143Nd/144Nd)CHUR为0.512 638，但碳酸盐在4个沙漠中的含量各不相同[8-11]，方解石仍然是各沙漠沙的主要矿物[8-10]，其中，次生方解石87Sr/86Sr比值的变化反映不同因素对沙漠环境的影响.本研究测定塔克拉玛干、巴丹吉林、腾格里和毛乌素沙漠地表沙醋酸酸溶物的87Sr/86Sr比值(质量比，全文同)，探讨不同沙漠中该比值变化的原因，旨在上述两种观点争论的关键问题：阿拉善高原沙漠究竟受不受远源地下水的明显影响，若有，其影响程度有多大.

图1 塔克拉玛干、巴丹吉林、腾格里、毛乌苏沙漠采样位置及其εNd(0)和酸溶物87Sr/86Sr的平均值

Figure 1 Locations of samples in Taklimakan, Badain Jaran, Tengger and Mu Us deserts and the isotopic averages for the acid soluble87Sr/86Sr ratios and εNd(0) values

1 样品与方法

从4个沙漠中共采集了44个地表沙样.其中，塔克拉玛干沙漠10个、巴丹吉林沙漠10个、腾格里沙漠14个、毛乌素沙漠10个(图1).所有样品自然风干，均匀混合、磨细，干燥保存.用100 mL 0.5 mol/L醋酸溶液(足量)浸泡定量样品，8 h后过滤，提取清液.0.5 mol/L醋酸溶液在室温条件下只能溶解方解石等易溶矿物，而不能破坏白云石、长石以及粘土矿物等碎屑物[11].因此，提取的清液主要是方解石溶解液.清液阳离子浓度在南京大学现代分析中心ICP-AES实验室测定，误差为±2%.另外，用标准离子交换柱方法提取上述清液中的Sr2+.Sr同位素比值在南京大学地球科学系固体质谱同位素实验室的Triton TI表面热电离同位素质谱仪上测定.实验中NBS987标样的测定值(重复样15个)为：m(87Sr)/m(86Sr)=0.710 268±2(m(86Sr)/m(88Sr)=0.119 400)，分析空白：Sr<1ng.

2 结果

沙样品的Nd同位素平均εNd(0)值取其所在沙漠地表各类沉积物εNd(0)值的平均[12-15](图1)，本研究中某一沙样品酸溶物87Sr/86Sr的平均值为其所在沙漠地表沙样酸溶物87Sr/86Sr比值的平均.

4个沙漠地表沙酸溶物87Sr/86Sr比值，Ca2+和Sr2+质量比数据如图2、图3所示.塔克拉玛干沙漠酸溶物Ca2+质量比最高，在44 615.0～55 684.0 μg/g之间变化，平均值为49 031.0 μg/g.其次为巴丹吉林沙漠，Ca2+质量比在6 549.6～27 179.2 μg/g之间变化，平均值为13 799.9 μg/g.再次为腾格里和毛乌素沙漠，Ca2+质量比分别在1 222.3～22 062.0 μg/g和82.7～18 500.8 μg/g之间，平均值分别为5 113.0和5 251.4 μg/g.塔克拉玛干沙漠酸溶物中Sr2+质量比最高，在75.2～108.6 μg/g变化，平均值为85.3 μg/g.其次为巴丹吉林沙漠，酸溶物Sr2+质量比在14.4～66.4 μg/g之间，平均值为32.0 μg/g.再次为腾格里和毛乌素沙漠，酸溶物Sr2+质量比分别在4.2～61.6 μg/g和1.0～36.2 μg/g之间，其平均值分别为14.0和10.5 μg/g.酸溶物Ca2+和Sr2+质量比在4个沙漠中的变化非常相似，并且自西向东都逐渐降低.这种变化特征与4个沙漠降雨量的变化明显相反，而与蒸发量的变化相似[7].降雨量可能是控制沙漠沙物质易溶组分溶解、流失最直接的因素.Ca2+与Sr2+的相关性也极高(相关系数R=0.98)，表明Sr2+可视为Ca2+来源的理想示踪剂.

图2 Ca2+和Sr2+质量比的空间变化及相关性(R=0.98)

Figure 2 Spatial variation and correlation of Ca2+and Sr2+concentrations (R=0.98)

图3 酸溶物87Sr/86Sr-Ca2+/Sr2+图

Figure 387Sr/86Sr vs. Ca2+/Sr2+of acid soluble fractions for surface sands

塔克拉玛干沙漠酸溶物87Sr/86Sr比值在0.709 5～0.710 0之间(图3)，平均值为0.709 7.巴丹吉林沙漠酸溶物87Sr/86Sr比值在0.711 2～0.711 8之间，平均值为0.711 5.腾格里沙漠酸溶物87Sr/86Sr比值在0.711 3～0.713 1之间，平均值为0.711 9.毛乌素沙漠酸溶物87Sr/86Sr比值在0.710 4～0.711 2之间，平均值为0.710 9.这4个沙漠酸溶物87Sr/86Sr比值表现出明显的区域特征.不过，这种特征与阳离子质量浓度的变化不一致，与降水量、温度以及蒸发量的变化特征之间也没有规律可循[7]，说明同位素特征记录的信息在元素特征上并没有反映出，暗示了同位素示踪的优越性.

另外，毛乌素与塔克拉玛干沙漠酸溶物Ca2+/Sr2+变化大体一致，在500～600之间，而与巴丹吉林、腾格里沙漠的明显不同(图3).这一特征似乎反映了毛乌素沙漠与塔克拉玛干沙漠酸溶物组分所受的影响因素与巴丹吉林、腾格里沙漠不同.

3 讨论

北方沙漠中方解石为主要溶解物质.由于原生碳酸盐主要由沙漠及周围地区广泛分布的海相碳酸盐岩和少量的非海相碳酸盐岩机械破碎而来，其87Sr/86Sr比值与源岩的一致，基本上在海水Sr同位素比值的变化范围内.次生方解石是原生碳酸盐和硅酸盐组分化学风化的物质进入土壤溶液再结晶的产物.如果仅为原生碳酸盐的化学风化，那么，次生方解石的Sr同位素比值应该与原生碳酸盐的一样.相对于原生碳酸盐，如果酸溶物87Sr/86Sr比值发生了变化，那么硅酸盐组分肯定发生了化学风化，碳酸盐也可能遭受了淋滤.气候变化是一个可能的关键因素.另外，北方沙漠之下有丰富的地下水，因而，地下水也是分析酸溶物87Sr/86Sr比值变化时需要考虑的一个因素.即北方沙漠酸溶物87Sr/86Sr比值的变化可能受沙物质特征、气候变化以及地下水等因素的影响.

沙漠及其周围广泛分布不同时期的海相碳酸盐.由于北方干旱-半干旱区的化学风化总体上较弱，沙漠中的碳酸盐物质主要来自这些原生碳酸盐，因此，4个沙漠沙物质碳酸盐组分相似，仅含量不同[6].分析塔克拉玛干、巴丹吉林、腾格里和毛乌素沙漠沙物质Nd同位素数据[13-15]，发现4种沙漠沙平均εNd(0)值非常相近，不同沙漠之间的差别仅在误差以内(图1).εNd(0)值不受粒度和风化的制约，其继承源岩的特征，实际上反映了沙物质硅酸盐组分的性质.因此，这4个沙漠沙物质硅酸盐组成相似，该结论已得到矿物学工作的证实[8-10].由此，本文分析沙漠酸溶物87Sr/86Sr比值变化的因素时只需考虑气候变化和地下水的影响.

塔里木盆地地下水丰富，周边河流非常发育.这些水主要来自周围山脉的雪水，其次为当地降雨.由于塔里木盆地由西南向东北倾斜，其西北部河水主要沿塔里木河流向罗布泊，这部分水对沙漠主体的地表沙的影响不大(图4).其西南部河流从塔里木盆地边缘流向塔克拉玛干沙漠主体不到200 km就彻底消失[8]，蒸发可能是主要的原因，其次是地表水逐渐转变为较深层的地下水.由于河流的消失，这部分地下水显然无力入侵地表沙(图4).沙漠主体也发现有浅层地下水，主要由当地降水形成，因而，它对沙漠酸溶物87Sr/86Sr比值变化的影响可归为气候变化的影响范畴.图4中，塔里木中部沙漠沙酸溶物的87Sr/86Sr比值明显低于其西部河水和东部罗布泊卤水，表明塔里木中部的地表沙不受外源因素的影响.因此，尽管塔克拉玛干沙漠的降水量少、蒸发量极大，气候变化依然是地表沙酸溶物87Sr/86Sr比值变化的主导因素.

图4 塔里木盆地简图及其西部河水和东部卤水87Sr/86Sr比值与中部地表沙酸溶物87Sr/86Sr比值的比较

Figure 4 Sketch map of the Tarim Basin and Sr isotopic comparisons of the river water in the west part, brine water in the east part with acid soluble fractions of surface sands in the middle part of the Tarim Basin

毛乌素沙漠地下水丰富，由降水引起,不存在远源地下水(青藏高原、祁连山)对地表沙的影响.降水形成的地下水对地表沙的作用属于气候变化的影响范畴.

对塔克拉玛干和毛乌素沙漠的分析表明地表沙不受远源地下水的作用，仅受气候变化的影响.降雨量低的塔克拉玛干沙漠其酸溶物87Sr/86Sr比值较低，降雨量高的毛乌素沙漠其87Sr/86Sr比值高(图5).这两处沙漠地表沙酸溶物Sr同位素的平均比值与气候要素(降雨量)之间存在正相关的线性函数关系：

y=4×10-6x+0.709 6,

y代表平均的酸溶物87Sr/86Sr比值，x代表年平均降雨量(mm).如果把北方海相碳酸盐作为低端元组分(以显生宙海相碳酸盐为代表，其平均87Sr/86Sr比值为0.708 0)，上部陆壳硅酸盐组分为高端元组分(以灵台剖面0.5 mol/L 醋酸酸不溶物为代表，其7Ma以来的87Sr/86Sr平均值为0.721 6)，那么，经计算塔克拉玛干沙漠地表沙酸溶物中有13%的Sr来自硅酸盐组分，毛乌素沙漠地表沙酸溶物中有21%的Sr来自硅酸盐组分.通常，硅酸盐的87Sr/86Sr比值较高，而碳酸盐87Sr/86Sr比值较低.雨量大，化学风化强，硅酸盐易溶解.硅酸盐风化释放出较多的87Sr进入次生碳酸盐中，因而导致了碳酸盐的87Sr/86Sr增高；相反，雨量小，化学风化弱，硅酸盐风化释放的87Sr少，因而，次生碳酸盐87Sr/86Sr比值较低.因此，计算结果表明，自西向东随降水量的增加，硅酸盐组分的化学风化逐渐增强，次生碳酸盐的Sr同位素比值升高.

巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠处于东亚季风的西北缘，处于西风带的控制之中，属于内陆温带干旱性气候，其气候要素(主要是降水量和蒸发量)介于塔克拉玛干沙漠和毛乌素沙漠之间.如果巴丹吉林和腾格里沙漠仅受气候因素的影响，那么，这两处沙漠地表沙酸溶物87Sr/86Sr平均值应介于塔克拉玛干沙漠和毛乌素沙漠之间，理论上等于两处沙漠酸溶物87Sr/86Sr比值之间连线的垂直投影点(即a、b两点，分别为0.709 9和0.710 2)，而实际上存在差异(图5).本研究所测定的巴丹吉林和腾格里沙漠地表沙酸溶物87Sr/86Sr比值均高出理论值0.001 7左右，明显高于塔克拉玛干沙漠和毛乌素沙漠(图5).因此，巴丹吉林和腾格里沙漠地表沙除受气候因素影响外，还存在另一个重要的影响因素，即远源地下水.

图5 酸溶物87Sr/86Sr比值的平均值与气候变化的关系

Figure 5 The relationship between the average87Sr/86Sr ratios of acid soluble fractions and climate factors

c、d点代表各沙漠测量的平均值, a、b点代表理论推导值

Chen等[2]的研究表明巴丹吉林沙漠存在巨大的地下水库，主要源于500公里以外的祁连山雪水，该沙漠湖心中的钙华Sr同位素比值在0.710 0～0.713 0之间变化，此范围与本文测定的酸溶物Sr同位素比值范围相近.因此，巴丹吉林沙漠酸溶物Sr同位素比值比塔克拉玛干和毛乌素沙漠的高，可解释为：(1)远源地下水通过深大断裂，流经古老的铝硅质岩石，大量的放射性成因Sr进入巴丹吉林沙漠，使沙物质酸溶物的Sr同位素比值较高；(2)远源地下水为巴丹吉林沙漠提供了丰富的水源，因而化学风化作用较强，使得更多的放射性成因Sr从沙漠沙硅酸盐组分中释放出来，同样导致酸溶物Sr同位素比值高于其它沙漠.腾格里沙漠有更多的大小不同的永久性湖泊，其酸溶物Sr同位素比值比巴丹吉林的高.因此，腾格里沙漠也存在深层地下水的入侵.如果以显生宙海水Sr同位素比值的平均作为原生碳酸盐的标准，利用线性函数关系：y=4×10-6x+0.709 6，远源地下水影响份额按以下公式计算：

计算出远源地下水对巴丹吉林沙漠影响的份额占47%，对腾格里沙漠影响的份额占44%，而气候因素分别占53%和56%.

综上所述，北方4个沙漠酸溶物中Sr同位素比值有明显的区域性变化特征.巴丹吉林和腾格里沙漠酸溶物Sr同位素比值除受气候变化的影响外还受到远源地下水的显著影响.

4 结论

本文采集塔克拉玛干、巴丹吉林、腾格里和毛乌素4个沙漠44个地表沙样，采用0.5 mol/L醋酸溶液，并测定Ca2+和Sr2+质量比，以研究降水、地下水等因素对Sr同位素比值的影响.Ca2+和Sr2+质量比在塔克拉玛干沙漠中最高，在毛乌素沙漠中最低.降雨量是控制阳离子浓度变化的主导因素.酸溶物87Sr/86Sr比值在4个沙漠中有不同于阳离子变化的区域特征.巴丹吉林和腾格里沙漠地表沙酸溶物87Sr/86Sr比值>0.711 2，明显高于塔克拉玛干(<0.709 7)和毛乌素沙漠(0.710 0～0.711 2)的值.巴丹吉林和腾格里沙漠除了受气候因素影响外还受其它因素的制约，即远源地下水.远源地下水对巴丹吉林沙漠的影响份额为47%，对腾格里沙漠为44%，接近气候因素的影响.

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