青藏高原东部黄土沉积元素地球化学示踪

梁敏豪，杨胜利，成婷，李帅，刘楠楠，陈慧

兰州大学资源环境学院 西部环境教育部重点实验室，兰州 730000

0 引言

在第四纪环境变化研究中，黄土是重要的古环境记录的载体。青藏高原东部及其邻区广泛分布着不同时期的黄土—古土壤序列，它们是高原东部良好的古环境信息记录[1-2]，对研究该区域的环境变化、青藏高原隆升、高原季风演化机制等具有重要意义。与黄土高原黄土相比，该区的黄土沉积研究非常薄弱，已有的研究主要对该区黄土地层[3-4]、形成年代[3,5-6]和环境意义等进行了探讨[7-8]，而关于青藏高原东部黄土的物质来源还存在很多争论。最近，通过锆石的U-Pb定年技术进行的青藏高原和黄土高原物源示踪研究，发现青藏高原的北部[9]、东北部[10]为黄土高原的黄土提供了重要物源。石英砂表面和粒度组成特征的研究发现，分布于青藏高原东部与东北部的四川甘孜、理县、马尔康、若尔盖等地黄土在物源上可能与北方黄土高原黄土有所差别[11-13]。

物源研究是探讨黄土沉积记录的古环境意义重要基础和前提。对青藏高原东部黄土的物源研究，不仅可以揭示黄土物源区古环境信息，深入理解高原黄土古环境意义，而且对于探讨青藏高原古粉尘传输和扩散、古大气环流演化等具有重要意义。风尘堆积的地球化学特征与古气候变化以及物源有着密切联系[14-19]。迄今为止，青藏高原东部黄土的常量、微量元素的地球化学系统分析尚缺乏详细报道。本文通过对青藏高原东部地区大范围采集的表土、马兰黄土、古土壤样品以及沙样，进行详细的元素地球化学分析，并与黄土高原、河西走廊等地的代表性黄土剖面进行对比解析，探讨青藏高原东部黄土沉积的物质来源和环境意义，为高原东部黄土的物源研究提供关键证据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况和样品采集

青藏高原东部地区包括川西高原、青海东部地区、甘南高原等地，大致位于97°～103° E，25°～37° N，平均海拔约为2 500～4 000 m(图1)。该区域地势西高东低，西部为青藏高原腹地，东邻四川盆地。黄土在该地区广泛分布，主要集中于断陷盆地、山麓面和河流阶地上；黄土厚度从1米到几十米不等。研究区属高原季风气候区，夏季暖湿，冬季干冷，年降水量约为600～750 mm[20]。

图1 研究区域示意图Fig.1 Schematic map of the study area

黄土样品采集主要按马兰黄土、古土壤进行采样，表土样包括黄土样品和部分高原内部表土，同时采集了典型细粒河流沉积物样品和风成砂样品，沙样主要用于与黄土样品对比，探究两者是否存在关联。其中表土样品146个、黄土样品57个、古土壤样品7个、沙样13个。所有样品采集时，均尽量避开受人类活动影响的地点。

1.2 地球化学分析

地球化学元素测试在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成。进行元素测试前，我们利用干筛法提取了样品中粒度小于63 μm的组分，具体步骤如下：取30 g左右自然风干的黄土样品，进行研磨，之后将样品过筛，提取出粒度小于63 μm组分的样品。元素测试前，称取4 g(±0.01 g)研磨好的黄土样品和少量硼酸，充分混合后进行压片制饼，仪器显示重量为3.3×104kg，压力为150 MPa；之后使用X荧光光谱仪MagiX(PW2403)进行测量，元素测量范围为Be-U，浓度范围为×10-6，测量精度从0.1%～0.3%。

本研究提取样品中粒度小于63 μm的组分，进行常量和微量元素分析。主要基于以下原因：粒度分析显示，该区黄土主要组分为粉砂；该组分属于经由风力搬运的、主要以悬移的形式进行较长距离传输的主要物质。如果青藏高原东部黄土物源与黄土高原或者河西走廊黄土具有同源性，那么粒度小于63 μm的粉砂组分才可能越过高山进行传输。本文主要选用了末次冰期以来的黄土样品，虽然青藏高原东部黄土样品的年代学与黄土高原、河西走廊等地黄土地层对比需要进一步工作，但是在地球化学对比分析物源的研究仍是可行的。

2 结果与讨论

2.1 青藏高原东部黄土元素地球化学特征

2.1.1 常量元素地球化学特征

青藏高原东部黄土常量元素含量特征(表1)显示，SiO2含量约为53.04%～73.81%，Al2O3含量约为12.20%～19.16%，Fe2O3含量约为3.98%～7.48%，CaO含量约为0.27%～15.99%，这四种常量元素氧化物占据高原黄土常量元素氧化物大部分。从氧化物中可以看出，青藏高原东部黄土中SiO2和CaO含量差别较大，青藏高原东部的降水条件优于黄土高原，所以造成这种差异可能与源区物质成分组成或当地的环境有关。高原东部黄土与上地壳(UCC)相比[23](图2)，Na2O、K2O和P2O5相对亏损，MnO和TiO2相对富集，而SiO2、Fe2O3和Al2O3与UCC则较为接近。MgO和CaO在不同样品中有较大差异，其中古土壤和沙样呈现相反情况，即土壤样品的MgO和CaO相对于上地壳(UCC)要富集，而沙样中两者显示亏损。相比其他地区黄土，青藏高原东部黄土CaO和MgO偏低，Na2O、K2O、Al2O3以及Fe2O3偏高，而SiO2则较为接近。

表1 青藏高原东部黄土与河西走廊黄土[17]、黄土高原黄土 [15,21-22]常量元素含量(wt%)

图2 青藏高原东部黄土粒度小于63 μm组分常量元素标准化模式图对比Fig.2 UCC-normalized for major elements in the loess deposits from the eastern Tibetan Plateau

2.1.2 微量元素地球化学特征

表2为青藏高原东部黄土的微量元素含量，从表中可知，Rb、Sr、Ba、Zr、V含量占了微量元素含量的大部分。从青藏高原东部黄土的微量元素上看，四种样品Ba、Co、Cu、Hf、Nb、Nd、Ni、Rb、Y、V元素含量差异不超过10%，其他微量元素差异较大。相比其他地区黄土，从图3可以看出青藏高原东部黄土中大部分微量元素含量都较高。因为Zr元素赋存于锆石中，在风化成壤等作用下不易发生迁移，继承了母岩的特征，在不同物质来源的风成物中差异表现明显[14,24-25]，所以Zr元素含量变化最为明显。高原东部黄土Sr元素和Pb元素含量则低于其他地区，而Ba元素则与其他地区相对持平。

2.2 青藏高原东部黄土风化强度

2.2.1 化学蚀变指数与Na/K(摩尔比)

CIA又称为化学蚀变指数，常作为反映化学风化强度的指标，其计算公式为[26]：CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)]×100。式中CaO*指的是存在于硅酸盐矿物中的CaO。实验中样品测试结果包括了碳酸钙，所以这里采样Nesbitt[26]的方法来求取CIA中CaO*，CIA与长石矿物以及黏土矿物比值负相关，能作为硅酸盐矿物风化程度的良好指标[27]。Na/K比值也是常作为判断风化程度的指标，其主要是用于衡量斜长石蚀变程度的指标。因为Na元素一般赋存于斜长石中，K元素则一般赋存于钾长石和伊利石中。由于造岩矿物中斜长石相比钾长石更易于风化，因而沉积物中Na/K比值(摩尔比)常与其风化程度成反比[28]。

表2 青藏高原东部黄土与河西走廊黄土[17]、黄土高原黄土 [15,21-22]微量元素含量(×10-6)

图3 青藏高原东部黄土与河西走廊黄土[17]、黄土高原黄土 [15,21-22]微量元素散点图Fig.3 Plots for trace elements of the loess deposits from the eastern Tibetan Plateau, Hexi Corridor and the Chinese Loess Plateau

青藏高原东部黄土、表土、古土壤和沙样的CIA均值分别为59.72、61.75、60.48和59.12，洛川剖面、九州台剖面、西峰剖面、西宁剖面和河西剖面黄土的CIA均值分别为64.19、55.64、61.45、59.39和66.03。一般来说，CIA处于50～65，说明当时处于寒冷干燥的气候，指示低等化学风化强度；CIA处于65～85，说明当时处于温暖湿润的气候，指示中等化学风化强度；CIA处于85～100，说明当时处于炎热潮湿的气候，指示强烈风化强度。根据Taylor的研究结果，未风化的上部陆壳(UCC)的CIA大致为47.9，黄土的CIA为57.97～63.31[29]。CIA值一般与风化强度成正比，而Na/K值一般与风化强度成反比。从CIA均值比较可以明显看出，青藏高原东部的样品比其他地区黄土CIA值较低。从图4可以明显看出，青藏高原东部的样品主要处于低等风化强度阶段，只有表土样品较多处于中等风化强度阶段，黄土样品较多分布于CIA值低的位置，说明当地的环境可能会对风化强度造成一定的影响。此外，CIA值与Na/K比值呈明显的负相关，这与前人的研究结果一致[14,27]。

图4 青藏高原东部黄土与河西走廊黄土[17]、黄土高原黄土 [15,21-22]化学蚀变指数(CIA)与Na/K比值关系散点图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三角模型图

A-CN-K 三角模型图也可以反映剖面地层的化学风化趋势，其中A代表 Al2O3，CN代表CaO*+Na2O，K代表K2O。在模型图中样品所处的位置可以代表其所受风化强度的强弱，同时可以反映样品大致经历了哪种风化过程[30]。根据青藏高原东部样品的分析结果在A-CN-K三角图上的投点情况，所有样品均分布在Pl-Ks基线之上，大致与A-CN线平行，靠近斜长石一侧，这表明剖面经历了斜长石的脱Na的风化过程，而钾长石几乎没有变化(说明没达到能使钾长石风化的强度)。只有几个样品分布在Sm-IL基线之上，而且表土样品明显比其他样品受到了更为强烈的化学风化作用(图5)。研究表明，沉积物的风化强度主要与母岩成分、地形条件和气候条件等密切相关，A-CN-K与CIA、Na/K指标一样，受到以上因素共同影响，是沉积物原始成分和沉积后风化作用的综合反映。通过DEM图(图1)以及采样记录，地形条件是有所差别的，北部为较为平坦的高原地区，而南部为山地为主。综上所述，青藏高原东部黄土长石风化主要表现为斜长石风化，影响斜长石风化的因素可能包括母岩、地形和气候条件。

2.3 青藏高原东部黄土物源示踪

常量元素Ti、Si、Al等在迁移过程中和沉积后不易受化学风化等外界因素影响，迁移速率较低，可以用于物源示踪。其中Ti主要存于金红石中，在不同岩石中含量变化较大；Si主要存在于石英中，而石英不易受到风化作用等影响，不易发生迁移；Al主要赋存于长石、云母、辉石等铝硅酸盐矿物中，并在水中难以被溶解，在不同岩石中含量较为稳定[31]。前人研究表明，SiO2/Al2O3与风尘粒度密切相关[30]，而TiO2/Al2O3在不同的风尘粒级有很好的一致性，受风化作用影响很小，可作为风尘物源的重要指标[31-32]。本文使用了常量元素Ti、Si、Al之间的比值共同示踪物源(图6a，b)。图中显示青藏高原东部样品TiO2/Al2O3比值较为分散，但黄土与表土、河床砂、风成砂之间无明显分区特征，约在0.045～0.075之间，而其他地区黄土TiO2/Al2O3比值分布较为集中，约在0.050～0.060之间。青藏高原东部样品SiO2/Al2O3比值主要分布于60～85之间，河床砂、风成砂、表土样与黄土样无明显差异，而其他地区黄土SiO2/Al2O3比值分布于85～105之间。常量元素散点图清晰指示了青藏高原东部黄土与其他地区黄土物源的显著不同，而代表青藏高原内部样品的河流沉积物与风成沙以及表土和黄土相比无显著差别，指示了高原东部黄土和高原内部物质可能具有同源性。

图5 青藏高原东部黄土与河西走廊黄土[17]、黄土高原黄土 [15,21-22]A-CN-K化学风化趋势图A=Al2O3，C=CaO*，N=Na2O，K=K2O，Pl=斜长石，Sm=蒙脱石，Ka=高岭石，IL=伊利石，Ks=钾长石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等主要继承了母岩的特点，这些元素之间的比值在不同类型岩石中都有较大的区别，可用于物源示踪[33-34]。Zr和Hf富存于锆石中，不同类型岩石或沉积物中Zr/ Hf比值不同[24-25]。常量元素和微量元素之间的比值具有物源指示意义，在黄土沉积的物源示踪中得到了广泛应用[35-36]。本文微量元素散点图(图6c，d)可以大致区分青藏高原东部黄土和其他地区黄土。青藏高原东部黄土Zr/Al比值约为15～50，黄土与表土、河床砂、风成砂没有明显分区特征，而其他地区黄土Zr/Al比值约为5～20，高原东部黄土Zr/Al比值明显高于其他地区黄土；高原东部黄土Zr/Ti比值约为5～15，黄土与表土、河床砂、风成砂无明显分区，其他地区黄土Zr/Ti比值约为1～4，高原东部黄土Zr/Ti比值明显高于其他地区黄土，而Y/Al比值比较接近。微量元素和常量元素比值散点图表明了青藏高原东部黄土与其他地区黄土在Zr、Ti元素上区别较大，而在Al、Y元素上区别较小，指示了青藏高原东部黄土与其他地区黄土物源的不同，而高原东部黄土样和河床砂、风成砂、表土的总体特征近似，说明两者可能具有同源性。

剖面物源的差异可以在微量元素和常量元素的三角图中显示，如Olivarezetal.[37]利用La-Th-Sc探究了太平洋中深海沉积物的物源。同样的，常量元素也可以作为物源的良好指示物，如Zimbelmanetal.[38]成功利用常量元素氧化物区分了风成物质，Renetal.[39]也利用常量元素三角图对民勤地区沙源和传输路径进行了探究。Al主要存在于云母、长石、辉石等铝硅酸盐矿物中，在不同类别岩石中含量比较固定，并且沉积后受到化学风化影响较小，不易发生迁移[28]。K主要赋存于钾长石中，在不同矿物的含量有比较明显的变化[40]，而Na主要赋存于斜长石中，容易受风化作用的影响。利用常量元素之间关系绘制出的三角图能表现出一定的空间分布关系，从而能运用于物源示踪[39]。常量元素三角图(图7)显示出青藏高原东部黄土与黄土高原的洛川、西宁、兰州黄土，以及河西走廊地区的黄土元素特征明显不同：青藏高原东部表土、黄土、古土壤和河流沉积物、风成砂等样品分布在同一区域，在三角图中清晰的表现出了青藏高原黄土K、Na元素含量高于，Ca元素含量低于其他地区黄土的特点。

图6 青藏高原东部黄土与河西走廊黄土[17]、黄土高原黄土 [15,21-22]常量元素、常量和微量元素间散点图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

常量元素与微量元素物源示踪分析，揭示了青藏高原东部黄土与黄土高原、河西走廊地区黄土物源不同，而青藏高原东部黄土与沙样、表土物源可能相同，指示了高原东部黄土不可能主要来自西北干旱区，而可能来自高原内部的特点。这与早期研究基本一致，如方小敏等[41]通过稀土元素分析得出高原上的黄土可能主要为冰缘、冰碛物风化物所进行补给的黄土；川西地区4个黄土剖面地球化学元素和矿物成分的一致性对应粉尘经历了一定的混合，其物源主要来自较远的青藏高原西部地区[7]。

黄土的主要成分为粉砂物质(2～63 μm)，黄土堆积有两个重要前提，其一是存在粉尘源区。Pye[42]研究认为粉尘物质可以在冰川、河流、沙漠和高山等形成过程中，通过冰川磨蚀作用、风的磨蚀作用、流水作用等将岩石细化磨碎形成。研究区毗邻青藏高原内部，靠近澜沧江和金沙江，高原内部的冰川作用和流水作用都可能为研究区提供粉尘物质。在冰期，河流水量减少、冰川作用加强导致沉积物更多出露在表面，提供了大量物源粉尘。青藏高原内部存在许多冰川，在冰川搬运、磨蚀等作用下形成的冰磧物同样可能为粉尘物质来源。从青藏高原东部样品地球化学特征可以看出，高原黄土样品与河床沙、风成沙样品、表土样品分布在同一区域，与其他地区黄土有差异，而两者并无明显分区差异，这说明两者可能具有同源性，该数据结果也论证了本文上述的推测。此外，对现代沙尘暴气候学和天气动力学研究表明青藏高原可能自身为重要粉尘源区[43-44]。青藏高原东部地区的细粒粉尘物源可能来自羌塘地区和长江、黄河源区，因为它们是青藏高原上尘暴高发的两个重要源区[45]。

黄土堆积的另一个重要前提是有足够的风动力[20]。青藏高原在冬季或冰期时，高处的冰川形成一个冷高压，使周围的大气由冰川向四周运动，形成反气旋型环流[3,46]，而这种环流很可能是高原东部黄土形成的重要风动力。

青藏高原东部黄土的潜在物源主要有两个：西北荒漠远源粉尘[21,47]和青藏高原内部沉积物[7,41]。本文地球化学元素比值示踪证据与前人的研究均显示，青藏高原东部黄土和黄土高原、河西走廊黄土物源的不同，高原黄土物源不可能来自于西北荒漠远源粉尘；同时，青藏高原东北部山地海拔较高(均高于2 500 m)，对低空环流带来的西北、北部粉尘进行了有效的阻隔。这些证据都排除了西北荒漠区等地远源粉尘为青藏高原东部黄土主要物源的可能。虽然部分采样点可能会靠近沙漠地区，尘暴等可能会携带部分西北粉尘，但本研究分析结果并未显示出与黄土高原黄土有类似的化学特征，说明西北荒漠区的粉尘物质并非青藏高原黄土的主要物源。青藏高原东部部样品地球化学特征显示，青藏高原东部黄土与内部河床砂、风成砂以及表土在元素比值上没有明显差异；同时，高原内部的冰川、流水作用带来的物质为青藏高原东部提供了大量物源。结合前人对高原黄土物源和风动力的研究，推测高原东部黄土主要来自于为青藏高原内部的沉积物。

图7 青藏高原东部黄土与河西走廊黄土[17]、黄土高原黄土[15,22-22]Ca-Mg-K、Ca-Mg-Na三角图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 结论

通过对青藏高原东部黄土常量和微量元素地球化学特征的分析，本研究主要得出以下初步结论：

(1) 青藏高原东部黄土SiO2含量约为53.04%～73.81%，Al2O3含量约为12.20%～19.16%，Fe2O3含量约为3.98%～7.48%，CaO含量约为0.27%～15.99%，这四种常量元素氧化物占据高原黄土常量元素氧化物大部分。青藏高原东部黄土的微量元素含量，四种样品Ba、Co、Cu、Hf、Nb、Nd、Ni、Rb、Y、V元素含量差异不超过10%，其他微量元素差异较大。青藏高原东部黄土样品主要处于低等风化强度，部分处于中等风化强度，长石风化主要表现为斜长石风化。

(2) 与其他地区黄土相比，青藏高原东部黄土SiO2/Al2O3、Zr/Al和Zr/Ti比值有明显差异，显示出青藏高原黄土与其他地区黄土差异。Ca-Mg-K、Ca-Mg-Na三角图等同样显示出青藏高原黄土与其他地区黄土的物源具有明显的差异，表明青藏高原东部黄土与黄土高原黄土存在明显差异，西北内陆荒漠区不是其主要源区。

(3) 在常量元素和微量元素的散点图、三角图中，青藏高原东部黄土与河流沉积物、风成沙与青藏高原内部表土未表现出有明显的特征差异，前人研究结论也显示青藏高原内部可能为东部提供了物质来源，本文认为青藏高原内部的冰川活动、干旱化过程产生的大量粉尘物质为青藏高原东部黄土的主要物源。

由于黄土物源研究的复杂性，在今后还需开展多方面工作如同位素示踪等。