柴达木盆地沙漠地表沉积物矿物构成特征

(2013CB956000)；国家自然科学基金资助项目(41130533,41171010)

·地球科学·

柴达木盆地沙漠地表沉积物矿物构成特征

鲍锋1,2,董治宝1,3

(1.陕西师范大学 旅游与环境学院,陕西 西安710062;2.西安文理学院 文化与旅游学院, 陕西 西安710065;3.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 风沙物理与沙漠环境实验室, 甘肃 兰州730000)

摘要：对柴达木盆地不同地貌地表沉积物样品中的矿物构成进行分析,结果表明，柴达木盆地沙漠地表沉积物中轻矿物平均质量百分含量为89.45%,变化在32.57%～98.43%,且不同地貌表层沉积物的轻矿物组成存在较大差异;轻矿物成分成熟度指数Q/TF的平均值为1.65,变化范围是1.43～1.82,沙丘沉积物的轻矿物成分成熟度指数高于其他地貌类型。柴达木盆地沙漠地表沉积物中重矿物平均重量百分含量为0.82%,变化在0.11%～4.24%,以不稳定矿物为主;重矿物特征指数中ATi指数平均值为68.82,GZi指数平均值为80.91,ZTR指数平均值为2.15。研究后认为，柴达木盆地沙漠中沙物质的来源途径为：①河流冲、洪积作用将高山剥蚀产物带入盆地腹地,后经风力吹蚀、分选形成沙漠；②察尔汗盐湖退化后的湖相沉积物提供了丰富的沙源,在西北风的强烈作用下“就地起沙”,沉积形成沙漠。

关键词：矿物成分；沙丘；柴达木盆地

收稿日期：2014-04-21

基金项目：教育部“长江学者”特聘教授基金资助项目(801813),国家重大科学研究计划基金资助项目

作者简介：鲍锋，男，青海西宁人，博士生，从事荒漠化研究。

中图分类号：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

矿物和地球化学元素可指示地球表层沉积物的组成特征,在分析物质来源、风化和沉积过程,以及重建古环境变化等方面有积极的意义[1-3]。地表沙的物质组成特征和来源一直吸引着国内外众多学者的关注,已有的研究通过对塔克拉玛干沙漠[4-6]、准噶尔盆地沙漠[7]、库姆塔格沙漠[8-9]、中国东北部沙地[10]等区域沙丘沙矿物成分的分析,探明了不同区域沙物质的来源及其与沙丘形成演化的关系。柴达木盆地沙漠中存在类似火星的线形沙丘、新月形沙丘分布和空间组合,引起了国外科学家的高度关注[11-13]。但是,由于严酷的自然条件和技术支持不够等原因,对柴达木盆地沙漠的综合考察和系统研究较为薄弱,其现成为中国沙漠科学研究重点关注的区域。近年来，国内学者陆续开展了一些相关的考察和研究,在沙漠形成和演化[14-15]、沙丘形态[16-17]、粒度特征[18]等方面取得了一些进展。然而,对于柴达木盆地沙漠的物质来源及沉积环境的研究尚不多见,特别是该沙漠的矿物和地球化学组分,迄今没有专门的研究。本文在对柴达木盆地沙漠两次野外考察的基础上,选取不同地貌的地表沉积物,对其矿物成分进行分析,以期为研究柴达木盆地沙漠的物质成分和沉积环境提供依据。

1数据与方法

1.1数据来源

研究区位于柴达木盆地东南部的三湖拗陷构造上,区内分布有雅丹、流动沙丘、戈 壁、沙漠、盐漠、盐壳、盐沼泽、盐溶、湖泊及河流等十大地貌类型[19]。2009年7月、2010年8月在对柴达木盆地沙漠进行科学考察中,采集地表沉积物样品50多个,样点的地理位置用卫星定位仪(GPS)精确定位。本文选取线形沙丘、新月形沙丘、雅丹、山前洪积扇、古沙丘、丘间地等不同地貌的表层沉积物样品,对其轻矿物和重矿物组成及含量进行对比分析。

图1　柴达木盆地沙漠沉积物采样点位置示意图 Fig.1　The location of sediment samples in the Qaidam Basin Desert

1.2研究方法

样品轻矿物的分析由西安地质矿产研究所完成,采用X射线衍射仪进行测试,测试仪器为日本理学生产的D/max-2500型X射线衍射仪。样品重矿物测定由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成,使用淘洗法提取重矿物,使用强磁分选法、重液分选法和电磁分选法等分离方法将重矿物提取后，分别在双目显微镜和偏光显微镜下结合矿物晶体形态、光学性质和微化性质等对矿物进行鉴定。

2结果与讨论

2.1轻矿物特征

2.1.1不同地貌类型沉积物的轻矿物组成实验分析结果显示(见图2),柴达木盆地沙漠地表沉积物中轻矿物含量很高,平均质量百分含量为89.45%,变化在32.57%～98.43%。轻矿物种类有11种,以石英和长石为主,其他轻矿物含量很少。柴达木盆地沙漠轻矿物组成特征在不同地貌上存在较大差异。就石英含量而言,新月形沙丘沉积物中石英的质量百分含量最高,为54%;其次为线形沙丘,质量百分含量为45.75%;山前洪积扇表层沉积物中石英的质量百分含量略低于线性沙丘,为42.50%;雅丹和古沙丘质量百分含量较为接近,分别为35.0%和33.75%。几种地貌类型中长石的含量差异不明显,含量最多的是新月形沙丘,质量百分含量为29.67%;其次是线形沙丘，质量百分含量为25.75%;山前洪积扇和雅丹地貌的含量一致,质量百分含量均为24.50%;古沙丘最低,质量百分含量为22.88%。石盐含量在不同的地貌中差异显著,雅丹地貌为最高值,质量百分含量为20.0%;其次是线形沙丘,质量百分含量为13.25%;古沙丘中石盐的含量较少,为6.25%;新月形沙丘和山前洪积扇中含量最低,质量百分含量分别为2.0%和1.0%。伊利石和绿泥石含量均以古沙丘最多,质量百分含量分别为9.88%和8.0%;雅丹地貌表层沉积物含量居其次,质量百分含量分别为7.50%和7.0%;山前洪积扇中含量较少,质量百分含量分别为6.50%和6.0%;沙丘沉积物中含量最低,伊利石质量百分含量介于3.50%～3.67%,绿泥石质量百分含量介于3.33%～3.75%。方解石含量以山前洪积扇最高,质量百分含量为6.50%,古沙丘和线形沙丘中的含量较为接近,质量百分含量分别为5.25%，4.50%;新月形沙丘和雅丹中的含量一致,质量百分含量均为4.0%。

2.1.2不同地貌类型沉积物的轻矿物成分成熟度指数轻矿物成分成熟度指数(Q/TF)是指沉积物中石英总量与长石总量的比值,能够反映沉积物的搬运过程和沉积环境。由图2可知,柴达木盆地沙漠地表沉积物的轻矿物成分成熟度指数的平均值为1.65,变化范围是1.43～1.82。在不同地貌类型沉积物中,轻矿物的成分成熟度指数(Q/TF)值以新月形沙丘为最高,为1.82;其次是线性沙丘,Q/TF值为1.78;山前洪积扇的Q/TF值为1.73,略低于沙丘;古沙丘和雅丹地貌沉积物的Q/TF值最低,分别为1.48和1.43。由以上数据推测,柴达木盆地沙漠中沙丘和山前洪积扇的沉积物受外力侵蚀和分选作用强,经过了较长的搬运距离;古沙丘和雅丹地貌表层沉积物受外力侵蚀和分选作用弱,沉积物搬运距离相对较短。

2.2重矿物特征

2.2.1不同地貌类型沉积物的重矿物组成通过对重矿物样品的分析发现(见表1),柴达木盆地沙漠表层沉积物中重矿物所占比例小,平均质量百分含量为0.82%,变化在0.11%～4.24%。但是，重矿物种类较多,达26种,且成分复杂,理化性质差异较大。理化性质不同的矿物在一定沉积环境中抗风化能力也不同,抗风化能力越强,矿物就越稳定。据此可以将其分为极稳定矿物、稳定矿物、较稳定矿物、不稳定矿物[20-21]。研究区不同地貌地表沉积物在重矿物稳定性组合上有明显差异。山前洪积扇和雅丹表层沉积物以不稳定矿物占绝对优势,分别为95.39%和89.27%;丘间地的重矿物稳定性组合表现为稳定矿物(44.68%)+不稳定矿物(33.81%);古沙丘的重矿物稳定性组合表现为不稳定矿物(54.40%)+稳定矿物(36.26%)。在对沙丘地貌表层沉积物的重矿物稳定性组合进行分析时发现,沿着区域盛行风向,线性沙丘和新月形沙丘的重矿物稳定性组合呈现出一定的规律性(见图3)。线性沙丘总体表现出重矿物稳定性组合为不稳定矿物+稳定矿物。但是，位于上风向的沙丘两类矿物含量的差距要大于位于下风向的线性沙丘,这表明稳定矿物的含量在增加,不稳定矿物的含量在减少。这一点从极稳定矿物的变化也可看出。新月形沙丘重矿物稳定性组合的差异较大,位于上风向的新月形沙丘表现为不稳定矿物+较稳定矿物的组合特征,位于下风向的新月形沙丘表现为不稳定矿物+稳定矿物的组合特征。

图2　柴达木盆地沙漠不同地貌表层沉积物主要轻矿物的组成、含量与成熟度指数 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

%

编 号重矿物组成及含量(各单矿物占重矿物相对比例) 稳定矿物 极稳定矿物 赤(褐)铁矿磁铁矿石榴子石白钛石锐钛矿钛铁矿矽线石榍石合计锆石电气石金红石合计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:*表示沙丘沿区域盛行风向自上而下分布

2.2.2不同地貌类型沉积物的重矿物特征指数已有研究表明[1-3],系统分析重矿物特征指数,包括ATi指数、GZi指数、ZTR指数等,可以有效揭示出沉积物的物源信息和搬运距离等信息,从而进一步确定该研究区距离物源地远近的问题。通过对比柴达木盆地沙漠中不同地貌类型沉积物的重矿物特征指数发现(见图3),线性沙丘的ATi指数值最高,其次为雅丹地貌、新月形沙丘、丘间地、山前洪积扇,最低值出现在古沙丘;GZi指数最高值出现在新月形沙丘,其次为丘间地、雅丹、线性沙丘、古沙丘,最低值出现在山前洪积扇;ZTR指数最高值出现在古沙丘,其次为丘间地、线性沙丘、新月形沙丘,最低值出现在山前洪积扇和雅丹。由重矿物特征指数对比分析(见图4)可知,研究区地表沉积物ATi指数平均值为68.82,远高于我国的巴丹吉林沙漠(ATi指数=21.98)、腾格里沙漠(ATi指数=16.63)、库姆塔格沙漠(ATi指数=50.00)和毛乌素沙地(ATi指数=33.77);GZi指数平均值为80.91,与我国其他沙漠相比,仅高于库姆塔格沙漠(GZi指数=69.49),低于巴丹吉林沙漠(GZi指数=87.76)、腾格里沙漠(GZi指数=90.70)和毛乌素沙地(GZi指数=96.99);ZTR指数平均值为2.15,与库姆塔格沙漠(ZTR指数=2.30)接近,而略高于巴丹吉林沙漠(ZTR指数=1.72)、腾格里沙漠(ZTR指数=1.31)和毛乌素沙地(ZTR指数=1.77)。

图3　柴达木盆地不同沙丘表层沉积物重矿物稳定度对比 Fig.3　Comparisons of mineral composition of different stability on sand dunes in the Qaidam Basin Desert

3讨论

1)通过对柴达木盆地沙漠沉积物轻矿物构成分析表明,研究区地表沉积物中以抗风化能力极强的造岩矿物石英和长石占优势，这说明其是在长期干旱环境下，强烈且多次风力作用而成;而副矿物石盐、伊利石、绿泥石和方解石等风化稳定性很小的成分的存在,表明沉积环境为干旱气候,且存在距离母岩很近的快速搬运过程。由此可见,柴达木盆地沙漠的沉积环境多为干旱环境下的较为复杂的风力作用过程。在对几种典型地貌类型对比后发现,沙丘沉积物中抗风化能力强的矿物成分含量接近且略高于山前洪积扇，这表明二者物质沉积过程有相似性,沉积物可能受外力侵蚀和分选作用强;雅丹和古沙丘中抗风化能力弱的矿物成分所占比例高,推断可能与沉积物在干旱环境中形成后,一直处在一个封闭或相对稳定的沉积环境有关。

轻矿物成分成熟度指数(Q/TF)的变化不仅受物源制约,还深受风力侵蚀和分选作用的影响。对比柴达木盆地沙漠中不同地貌类型的Q/TF值,发现沙丘沉积物的Q/TF值高于其他地貌形态,山前洪积扇略低于沙丘,古沙丘和雅丹地貌的Q/TF值最低,符合沉积物深受风力侵蚀和分选作用的影响或经过了较长的搬运距离后表现出的轻矿物成分成熟度指数变化特征。柴达木盆地沙漠地表沉积物的Q/TF平均值为1.65,高于塔里木盆地沙漠和库姆塔格沙漠,低于巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠,这应与柴达木盆地地处青藏高原东北部的位置和沙漠在形成过程中受风力作用的影响较为显著有关。

图4　柴达木盆地沙漠不同地貌表层沉积物重矿物特征指数对比(其他沙漠数据来源于文献 [8,21-23]) Fig.4　Comparison of heavy mineral characteristic index values on different landform of the Qaidam Basin Desert

2)对柴达木盆地沙漠沉积物重矿物构成分析表明,研究区地表沉积物重矿物种类多,成分复杂,说明其物质来源相对广泛。重矿物中角闪石、黑云母等不稳定矿物大量存在,这不仅说明其沉积环境极端干旱,以物理分解破碎和机械搬运为主,化学风化作用微弱,而且反映该沙漠形成时间不长,沙质沉积物搬运距离不长。重矿物特征指数与中国部分沙漠对比结果显示,柴达木盆地沙漠地表沉积物的源岩中富含磷灰石和石榴子石,而电气石和锆石的含量相对较低,矿物的稳定性差且沉积物未经过强烈的风化,磷灰石和石榴子石的风化程度较低,重矿物成熟度不高,可能经过较短距离搬运而来。

为了探明风力作用对不同地貌地表沉积物的影响，本研究对研究区的线性沙丘和新月形沙丘做了进一步划分,并按照区域盛行风向自上而下进行对比分析。分析结果显示,沿着区域盛行风向,线性沙丘和新月形沙丘的重矿物稳定性组合呈现出一定的规律性,即沿着盛行风向分布的线性沙丘和新月形沙丘,其沉积物中稳定矿物和极稳定矿物含量表现出递增趋势,稳定矿物和较稳定矿物表现为递减的趋势。重矿物特征指数在不同沙丘形态上的分布规律表明,沙丘沉积物表现出与雅丹、古沙丘和山前洪积扇存在物质成分的继承性,进而表现出其物质来源的多向性、近源性特点。

3)沙漠沙物质的来源包括河流冲积物、湖相沉积物、残-坡积物质以及山前冲-洪积物[24]。柴达木盆地沙漠周缘岩性昆仑山以出露变质岩、酸性岩和少量的碳酸盐岩为主,埃姆尼克山为灰岩夹喷出岩,而祁连山主要是沉积岩夹杂些许浅变质岩[25]。通过矿物成分分析并结合野外考察资料可以推断出，柴达木盆地沙漠沙物质的来源途径为:①河流冲、洪积作用将高山剥蚀产物带入盆地腹地,后经风力吹蚀、分选形成沙漠;②察尔汗盐湖退化后的湖相沉积物提供了丰富的沙源,在西北风的强烈作用下,丰富的河湖相沉积物“就地起沙”,经风力吹扬、沉积形成沙漠地貌。

4结论

1)柴达木盆地沙漠地表沉积物矿物构成特征表现为轻矿物含量很高,以石英、长石为主,石盐等不稳定组份并存;重矿物所占比例小，种类较多,不稳定矿物大量存在。这种矿物构成特征反映了柴达木盆地极端干旱、以风力作用为主的沉积环境,地表沉积物以物理分解破碎和机械搬运为主,沉积物搬运距离短,沙丘沙物源较近。

2) 不同地貌形态上的沉积物矿物构成特征对比结果表明,柴达木盆地沙漠沙物质的来源途径为：①河流冲、洪积作用将高山剥蚀产物带入盆地腹地,后经风力吹蚀、分选形成沙漠;②察尔汗盐湖退化后的湖相沉积物提供了丰富的沙源,在西北风的强烈作用下,丰富的河、湖相沉积物“就地起沙”,经风力吹扬、沉积形成沙漠景观。

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(编辑雷雁林)