地球化学组成对浑善达克沙地与科尔沁沙地风化和沉积循环特征及其物源的指示

2021-08-17刘璐谢远云迟云平康春国吴鹏魏振宇张月馨张曼

海洋地质与第四纪地质 2021年4期

刘璐，谢远云,2，迟云平,2，康春国，吴鹏，魏振宇，张月馨，张曼

1.哈尔滨师范大学地理科学学院，哈尔滨150025

2.哈尔滨师范大学寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室，哈尔滨150025

3.哈尔滨学院地理系，哈尔滨150086

沙地、沙漠等干旱环境下形成的地表沉积物占据了中国北方地区面积的大部分，受冬季风的影响，向下风向区域持续不断地输送大量粉尘，因此中国北方地区是亚洲重要的粉尘排放源区之一[1-8]。沙地的形成和发展经过了一系列复杂的过程，如粉尘的产生、搬运、沉积和成壤作用等，使得后期的改造和风化作用的程度各不相同。因此，了解沙地沉积物的风化程度，评估后期改造的影响，找出沉积物所代表的初始特征信息，是风尘系统“源-汇”过程研究的重点[9]。粉尘传输过程还可能会引发扩散造成大气污染。因此，研究沙地的物源对确定沙地物质来源、揭示沙漠物质源区和示踪来源物质的迁移路径提供更深层次的解读[10]。迄今为止，尽管中亚大部分沙地的地球化学研究已经取得了较大进展，但对位于中国东北地区的浑善达克与科尔沁沙地的风化、循环和物源示踪研究仍然很少涉及，目前对于浑善达克沙地和科尔沁沙地的研究仅仅是通过少数几个样品来确定的，存在较大的偶然性。

本文对浑善达克沙地与科尔沁沙地的地表沉积物进行横向大范围取样，对其中的细颗粒物质（＜10μm和＜63μm）进行地球化学元素及Sr-Nd同位素分析，评估其化学风化程度、成熟度及沉积再循环特征，并追踪其物质源区，进而探讨西拉沐沦河对沙地间物质交换的连接作用。该研究有助于增强我们对东北平原西部沙地物质源区及迁移路径的理解。

1 自然地理概况

浑善达克沙地处在内蒙古高原中东部，面积约为21 400 km2，属于温带干旱-半干旱气候区，年降水量约为200～350 mm，广泛发育风蚀残丘和半固定-固定草丛沙堆[11]。科尔沁沙地地处内蒙古东南部的西辽河中下游地区（赤峰市和通辽市之间），面积约为50 600 km2，在中国北方是面积最大的沙地，属于温带半干旱-半湿润的大陆性季风气候，年降水量约为300～500 mm。西拉沐沦河和老哈河共同被喻为母亲河（图1），它们联合滋养了这片土地。浑善达克沙地沙层覆盖广泛，丘间平地较为开阔，西北-东南走向的固定-半固定风成沙丘随处可见，活动风成沙丘也分布其中。受太平洋暖低压和蒙古冷高压相互消长变化以及大兴安岭山脉的影响，西北风是浑善达克沙地的主导风向，而西南风是科尔沁沙地主导风向[12-13]。

图1 浑善达克沙地、科尔沁沙地以及西拉沐沦河位置图Fig.1 Location map of the Onqin Daga Sand Land, the Horqin Sandy Land and the Xar Moron River

为了沙地物源研究，将浑善达克和科尔沁沙地分为西、中、东三段。浑善达克沙地的东段包括克什克腾旗-达里若尔湖-乌兰布统，沙地规模较小，多以固定沙丘为主；中段包括正蓝旗北部的乌日图-那日图-桑根达来等，以大中型沙堆为主；西段，正镶白旗北部的乌兰察布和巴彦淖尔至苏尼特右旗，以小型沙堆为主，多在1～2 m，地表明显粗化，见大量因风蚀而残留下来的粗沙颗粒，甚至含少量的细小砾石（2～5 mm）。科尔沁沙地的东段，即双辽-通辽-科左后旗一带，以固定沙丘为主，规模较小；中段，即开鲁-库伦旗一带，以半固定-固定沙丘为主，规模较东段大；西段为奈曼旗至翁牛特旗区域，沙丘规模达到最大，以固定-半固定沙丘为主，也见活动沙丘。

2 材料与方法

风成砂和河流砂经过风力和水力的充分搬运混合，其细颗粒组分可代表较大区域的平均物质组成[14-16]，本文所有样品来自沙地的风成砂和河流砂，其中河流砂来源于河流阶地和现代河床，风成砂是下伏河湖相沉积物经过风力再改造就地堆积的风积物，在地貌上形成风成丘状。取样位置远离城镇，地表取样深度＜5 cm。浑善达克沙地取样26个（风成砂8个，河流砂18个），其中东部沙地12个，中部10个，西部4个；科尔沁沙地取样38个（风成砂28个，河流砂10个），其中东部沙地19个，中部9个，西部10个。

由于中国东北地区大部分黄土沉积物的颗粒粒径＜63μm[15]，因此本研究选取＜63μm和＜10μm两个组分进行地球化学分析。这样选择的目的是消除风成黄土在搬运和沉积过程中矿物分选的影响，并在同一粒度范围内对不同样品进行地球化学对比[16]。将样品分别经过250目和1 300目标准筛进行筛分，分别得到＜63μm和＜10μm两个组分的子样，这些子样用于地球化学分析。

常量元素采用玻璃熔片法制备，制备完成后，用XRF光谱仪进行测量。微量元素和稀土元素采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定，结果显示元素的相对误差都小于2%。Sr和Nd同位素比值用表面热电离同位素质谱仪测定。将浑善达克沙地与科尔沁沙地＜63μm组分的子样在0.5 mol/L的醋酸溶液中浸泡4 h，将酸不溶物烘干，研磨至200目后分成两份进行Sr（87Sr/86Sr）和Nd（143Nd/144Nd）同位素比值测定。Sr和Nd的分离采用标准离子交换法。浑善达克沙地与科尔沁沙地测定的Sr和Nd同位素比值分别用86Sr/88Sr=0.119 4和146Nd/144Nd=0.721 9进行质量分馏校正。仪器的准确度分别对国际标样NBS987和JMC进行检测，测定值分别为87Sr/86Sr=0.710 250±7（2σ）和143Nd/144Nd=0.512 109±3（2σ）。Nd同位素组成用εNd（0）值表示，采用143Nd/144Nd=0.512 638的球粒陨石均一源（CHUR）现代值。

3 结果与分析

3.1 常量元素

浑善达克与科尔沁沙地的常量元素分布特征呈现出高度的均一性（图2），但是浑善达克沙地比科尔沁沙地的CaO含量略高（表1）。浑善达克与科尔沁沙地与UCC相比，Fe2O3、MgO和P2O5明显亏损，Na2O、Al2O3和K2O轻微亏损，MnO、TiO2明显富集，SiO2的含量与UCC基本一致。浑善达克沙地＜63μm组分的Na2O、K2O、MnO、TiO2较＜10μm组分略高，而MgO和CaO略低；科尔沁沙地＜63μm组分的Fe2O3、MgO、CaO、MnO、TiO2和P2O5略低于＜10μm组分，而K2O略高。

表1 科尔沁沙地与浑善达克沙地的常量元素组成Table 1 Concentrations of major elements for the Horqin Sand Land and the Onqin Daga Sandy Land %

图2 科尔沁沙地（a）与浑善达克沙地（b）的常量元素组成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

续表 1

浑善达克与科尔沁沙地的微量元素分布表现出很强的相似性（图3）。浑善达克与科尔沁沙地和上地壳标准含量（UCC）相比，过渡金属元素（TTE）中Sc、Co、Ga、Ni、Zn的含量中度亏损，而Cr和V轻度富集，Cu含量变化大；低场强元素（LFSE）中Rb轻度亏损，Sr明显亏损，Ba、Pb、Cs与UCC轻度富集或含量相当；高场强元素（HFSE）中Ta明显亏损，Y稍微富集或含量相当，Zr、Hf和Nb含量相当或稍微亏损，Th和U含量变化大。浑善达克沙地＜63μm组分相对于＜10μm组分具有更多的Nb、Ta和更少的Co、Ni、Cu、Th、Sr、Cs；科尔沁沙地＜63 μm组分相对于＜10μm组分有较多的Rb、Ba元素，其他元素均比＜10μm组分含量少。浑善达克沙地Cr、Co、Ni元素含量比科尔沁沙地轻度富集，Cu元素比科尔沁沙地明显富集，而Rb元素比科尔沁沙地轻度亏损。

图3 科尔沁沙地（a）与浑善达克沙地（b）的微量元素组成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

浑善达克沙地与科尔沁沙地稀土元素总量（ΣREE）分别为（121.84～386）×10-6和（89.10～386.16）×10-6，平均值分别为213.27×10-6和210.63×10-6，二者均高于UCC（146.37×10-6）、PAAS（后太古宙页岩）（184.77×10-6）以及地壳平均值（178×10-6），它们均与PASS和UCC的稀土元素配分模式相似，且都为明显的右倾型分布模式，即轻稀土富集、重稀土亏损、显著Eu负异常的分布模式。球粒陨石标准化后的浑善达克与科尔沁沙地的REE分布曲线（图4）彼此近于平行，呈V字型，La-Eu曲线较陡，Eu-Lu曲线趋于平缓，为LREE相对HREE富集，分布曲线均为负斜率。所有样品的Eu/Eu*值均小于1，Eu呈较为明显的负异常程度。它们的Ce/Ce*均值为0.9，显示出轻微的负异常。浑善达克沙地＜63μm组分与＜10μm组分的稀土元素整体差别不大，科尔沁沙地＜63μm组分的稀土元素略低于＜10μm组分。科尔沁沙地＜63μm的稀土元素比同粒级的浑善达克沙地波动范围大，科尔沁沙地＜10μm的稀土元素要高于同粒级的浑善达克沙地。科尔沁沙地与浑善达克沙地相比La、Ce、Pr、Nd、Sm元素轻度富集。

图4 科尔沁沙地（a）与浑善达克沙地（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

科尔沁沙地样品不同组分的Sr-Nd同位素组成均具有显著的差异（图5），＜63μm组分87Sr/86Sr值为0.709 898～0.712 122，εNd（0）值为-12.39～ -5.77，＜10 μm组分87Sr/86Sr值为0.709436～0.712091，εNd（0）值为-10.42～-4.27。浑善达克沙地样品不同组分的87Sr/86Sr和εNd（0）数据均表现出显著的变化，＜63μm组分87Sr/86Sr值为0.709 618～0.712 293，εNd（0）值为-14.98～ -6.61，＜10μm组分87Sr/86Sr值为0.710 638～0.712 339，εNd（0）值为-12.37～-6.38。这种显著的变化表明了浑善达克沙地和科尔沁沙地Sr-Nd同位素组成的不均一性。

图5 科尔沁沙地（a）与浑善达克沙地（b）的Sr-Nd同位素组成对比Fig.5 Sr-Nd isotope compositions of the Horqin Daga Sand Land （a）and the Onqin Sandy Land （b）

4 讨论

4.1 化学风化特征

化学风化指标是依据主量元素而计算，能够反映化学风化的强度，并通过选用的主量元素差异，建立多种类型的化学风化指标，如CIA、CIW、WIP和PIA等（见表2）。为了克服单一指标可能存在的偏差，本文同时采用了上述4个指标，以清晰地反映化学风化作用强度的变化。元素地球化学循环的重要环节之一是化学风化过程，而化学蚀变指数（CIA）是衡量沉积物化学风化强度的一个重要指标，被广泛应用在风尘物源的研究中[17]。CIA值通常也被用于探究古气候环境演化，公式为：CIA=[Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）]×100。其中，CaO*的分子量仅为硅酸盐中的含量。当CaO＞Na2O的摩尔数时认为mCaO*=mNa2O，当CaO≤Na2O的摩尔数时则mCaO*=mCaO[18]。样品中长石风化成黏土矿物的程度可以通过CIA值有效地表示出来。比值越小就表示处在干冷的气候条件下且基本未遭受后期风化的作用，比值越大就代表沉积物处在温暖潮湿的环境中，所经历的风化程度越强。浑善达克沙地和科尔沁沙地的CIA值处于很窄的范围内，科尔沁沙地＜63 μm组分的CIA值为49.22～54.07，＜10μm组分的CIA值为50.29～54.40；浑善达克沙地＜63μm组分的CIA值为49.40～55.92，＜10μm组分的CIA值为50.89～56.93，它们均接近于UCC，表明二者均处于弱风化-初等风化程度。两个沙地沉积物的CIA值均低于60，暗示了浑善达克与科尔沁沙地经历了长期且稳定的寒冷干燥气候环境。同组分的浑善达克沙地沉积物CIA值比科尔沁沙地略高，也说明浑善达克沙地沉积物的风化程度和气候干冷程度要略微高于科尔沁沙地。

表2 科尔沁沙地与浑善达克沙地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在细碎屑岩的成岩过程中可能会受到K交代作用的影响，使得源岩的化学成分发生改变。因此，对于化学风化指标（CIW），需要在CIA的基础上除去K含量变化的影响。CIW也被广泛应用于判断物质源区的化学风化程度和古气候条件[19-20]，并且可以有效避免钾在成岩作用或变质过程中的迁移。其表达式为：CIW=Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O）×100，科尔沁沙地和浑善达克沙地均表现出较低的CIW值，科尔沁沙地＜63μm组分的CIW值为56.48～63.15，＜10μm组分的CIW值为56.61～62.47；浑善达克沙地＜63μm组分的CIW值为56.48～64.00，＜10μm组分的CIW值为57.51～64.68，表明浑善达克与科尔沁沙地仅仅经历了低等程度的化学风化，并处在化学风化的初级阶段。浑善达克与科尔沁沙地的CIW值均小于70，暗示了气候相对干冷。对于＜63μm和＜10μm组分沉积物，浑善达克沙地的CIW值均高于科尔沁沙地，说明浑善达克沙地的化学风化程度和环境干冷度比科尔沁沙地略高，这也与CIA值一致。

由于CIW在处理富钾长石的岩石时，数值会变高，于是产生了CIW的替代指标PIA，其值与CIA的一致性较好。为了减小后期成岩作用和交代作用的影响，Fedo等[21]提出采用斜长石蚀变指数（PIA）来校正斜长石的风化作用，能够更加精确地推断源区的风化程度及物源区古气候环境。其表达式为：

PIA=[（Al2O3-K2O）/（Al2O3+CaO*+Na2O-K2O）]×100。科尔沁沙地和浑善达克沙地均表现出较低的PIA值，科尔沁沙地＜63μm组分的PIA值为48.91～55.67，＜10μm组分的PIA值为50.38～55.93；浑善达克沙地＜63μm组分的PIA值为49.20～57.88，＜10μm组分的PIA值为51.15～59.10，表明二者的沉积物处于化学风化的初等阶段。可以通过PIA值看出，无论是＜63μm还是＜10μm组分的两个沙地，浑善达克沙地的化学风化和气候干冷度比科尔沁沙地略高。

Parker[22]提出的包括碱性和碱土金属元素的化学风化指数（WIP）也反映不同的古气候条件，但是WIP适用范围较窄，仅仅包括碱性和碱土金属元素。计算公式为：WIP=100×[（2Na2O/0.35）+（MgO/0.9）+（2K2O/0.25）+（CaO*/0.7）]，WIP对沉积循环和分选作用引起的石英和锆石富集更为敏感。科尔沁沙地和浑善达克沙地均展现出较高的WIP值，科尔沁沙地＜63μm组分的WIP值为54.19～57.86，＜10 μm组分的WIP值为51.10～57.86；浑善达克沙地＜63μm组分的WIP值为41.16～57.81，＜10μm组分的WIP值为33.77～54.86，浑善达克沙地比科尔沁沙地的WIP值略低，显示出浑善达克比科尔沁沙地的风化和干旱程度略高，以上结果均表明浑善达克与科尔沁沙地的沉积物仅经历了低等程度的化学风化且受到干冷环境的影响。

碎屑岩在成岩过程中如果受到K交代作用的影响，计算出的化学风化指标会出现误差，不能反映真实的化学风化程度。A-CN-K三角图解与CIA指数具有良好的一致性，样品的落点可以反映CIA指数的高低。A-CN-K三角模型被Nesbitt[23]和Fedo等[21]提出用来反映源区的化学风化特征，能够预测长石的风化趋势，可用于检测未经风化的源岩成分，还有助于探索风尘沉积组分变化的气候状况。若风化趋势趋近含钾矿物（蒙脱石和伊利石等）的连线，则表示化学风化程度高；风化趋势接近于斜长石和钾长石连线，表明斜长石尚未完全风化。若平行于A-K连线，表明风化程度加剧，K从含钾矿物中大量淋失，蒙脱石和伊利石脱钾转变成高岭石等含铝矿物，风化趋势向A靠近，最终到达顶点A。将浑善达克与科尔沁沙地的风尘沉积物投在A-CN-K三角模型中（图6a），发现图中各采样点均被紧密地包围在一起，集中在UCC附近且与ACN的连线平行，表明科尔沁沙地和浑善达克沙地均经历了一个较低程度的化学风化过程，并且经历了一个相对稳定的构造和气候条件。

4.2 成熟度与沉积循环特征

通常运用成分变异指数（ICV指数）来评估沉积物的成熟度特征[24]。公式为：ICV=（CaO+K2O+Na2O+Fe2O3+MgO+TiO2+MnO）/Al2O3，CaO是包括碎屑碳酸钙等在内的所有组分中的CaO，Fe2O3代表总铁含量，其他常量元素含量用质量百分比表示。比值＞1为高ICV值，表示富含非黏土矿物的成分不成熟，比值＜1则为低ICV值，意味着沉积物成分成熟。科尔沁沙地和浑善达克沙地ICV平均值分别为1.06和1.32，说明沉积物中含有少量黏土矿物，成分成熟度低，科尔沁沙地沉积物成熟度略高于浑善达克沙地。

风化指数（WIP）也可以用来区分首次循环和再循环沉积物[25]，其反映了Ca、Na、Mg和K元素的浓度，化学风化和再循环作用越强，其值越低；化学风化和再循环作用越弱，其值越高。当CIA/WIP值小于10时为初次循环沉积物，10＜CIA/WIP＜100时则为多次循环沉积物。科尔沁与浑善达克沙地的CIA/WIP值均小于2，表明浑善达克与科尔沁沙地均是由初次循环沉积物形成的。在图6b中，浑善达克沙地与科尔沁沙地的大部分数据点接近化学风化线，且都在风化线以下，化学风化弱，石英富集程度较低，说明科尔沁沙地和浑善达克沙地中沉积物再循环程度低，大部分沉积物是由初次循环所组成的。

图6 科尔沁沙地和浑善达克沙地的A-CN-K三角图（a）和CIA-WIP图解（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三角图解可以用来区分循环沉积类型，也可以反映沉积物初始母岩的组成[26]。W表示岩浆母岩的化学风化程度，M代表铁镁质母岩，F代表长英质岩浆母岩。长英质火成岩的风化趋势沿F-W的曲线发展，而镁铁质岩的风化趋势则沿MW线发展。科尔沁沙地样品＜63μm组分的W指数为18.06～28.93，平均值为23.11；科尔沁沙地＜10 μm组分的W指数为25.08～31.21，平均值为26.33，浑善达克沙地样品＜63μm组分的W指数为22.45～32，平均值为24.79；浑善达克沙地＜10μm组分的W指数为24.55～30.80，平均值为24.87，说明源区化学风化程度低。如果沉积物来源于岩浆母岩，那么沉积物组成趋势线与岩浆岩组成的趋势线相交；如果是再循环沉积物，则岩浆组成趋势线与取样点组成的趋势线不相交。就浑善达克与科尔沁沙地而言（图7a），取样点靠近UCC（上地壳）分布，远离PAAS（后太古宙页岩）分布，并且与岩浆所组成的趋势线大致平行分布，表明浑善达克与科尔沁沙地经历了初级化学风化程度和沉积物的再循环特征。

图7 首次循环和再循环沉积物的MFW（a）与Th/Sc-Zr/Sc图解（b）岩浆岩的平均组成参考文献[27]，UCC和PASS值参考文献[28]，大兴安岭东部花岗质岩石的平均组成参考文献[29]。Fig.7 MFW （a）and Th/Sc-Zr/Sc（b）of the first-cycle and recycled sediments with chemical weathering indices

最能够反映沉积物分选和再循环特征的地球化学手段是Th/Sc与Zr/Sc二元图解[30]。沉积分选和再循环过程往往伴随着稳定重矿物（如锆石）的富集，而Zr元素主要赋存在锆石中。因此Zr/Sc比值能有效地反映沉积物再循环的程度，Th/Sc比值对判断岩浆化学分异过程和物源组成成分具有重要的指示意义。在图7b中，浑善达克沙地与科尔沁沙地大部分沉积物沿岩浆成分分异线呈线性分布，表明受分选和再循环的影响较小，大部分沉积物是由初次循环形成，有一小部分沉积物偏离岩浆分异线，沿着沉积再循环作用的趋势线分布，推测可能受到沉积物分选和再循环沉积作用的影响，这一小部分样品为再循环沉积物。

4.3 浑善达克与科尔沁沙地的物质源区

一些性质稳定的过渡元素（例如Co、Sc元素等），稀土元素（例如Al、Ti、Sc、Th、Zr元素等）和高场强元素（例如Th、Ti、Zr、Hf元素等）在风化、迁移、成岩和变质作用的地质过程中不易转移和淋失，因此这些稳定的元素被广泛应用于辨别陆源碎屑沉积的物源类型。图7b中浑善达克与科尔沁沙地样品均在大兴安岭中东部花岗质岩浆岩与花岗岩的附近聚集，并沿花岗岩、PASS和UCC的趋势线分布，表明科尔沁沙地与浑善达克沙地的初始物源区可能为中酸性母岩。通常认为酸性岩的Sc、Cr和Co元素明显亏损，而La和Th元素明显富集，因此La/Sc和Th/Co参数可用于判断物源的组成成分[31]。浑善达克沙地＜63μm组分样品中La/Sc为3.236～7.215，平均值为5.146，Th/Co为0.998～3.391，平均值为1.942；浑善达克沙地＜10μm组分样品中La/Sc为3.373～7.589，平均值为5.266，Th/Co为0.771～3.927，平均值为1.779。科尔沁沙地样品＜63μm组分中La/Sc为3.039～6.390，平均值为4.499，Th/Co为1.007～3.935，平均值为1.937；科尔沁沙地样品＜10μm组分中La/Sc为3.079～10.884，平均值为5.587，Th/Co为1.370～5.683，平均值为3.043，所得比值均与酸性物源相符，并且在La/Sc-Th/Co二元判别图解中观测到二者数据点均落在酸性来源的沉积物范围附近（图8a）。在La-Th-Sc判别图解[32]中（图8b），所有样品都聚集在花岗岩、TTG和长英质火山岩周围，进一步确定浑善达克沙地与科尔沁沙地的物源均以长英质中酸性花岗岩类为主。

图8 陆源碎屑物源判别图解a.La/Sc-Th/Co图解，b.La-Th-Sc三角图解。Fig.8 Identification diagram of terrigenous clastic sourcea.La/ Sc-Th/Co diagram,b.La-Th-Sc triangle diagram.

谢静[11]等通过U-Pb测年分析发现浑善达克沙地的沙沉积物主要来自华北克拉通的燕山褶皱带和中亚造山带，证明了周围山地是附近低地的沙地物质源区[8]，这也符合沙地物质的近源性特征。考虑到中亚造山带位于浑善达克沙地和科尔沁沙地的北部，并且浑善达克沙地的粒径自西北向东南方向上有逐渐变小的趋势，而科尔沁沙地是自西南向东北方向上有逐渐减少的趋势，根据它们的空间位置和主导风向对比，认为风力是搬运中亚造山带物质的主要动力。从地理位置和主导风向之间的空间关系（图1）来看，由于受到冬季西北风的影响，浑善达克沙地与科尔沁沙地的潜在源区可能为华北克拉通的燕山褶皱带以及中亚造山带的大兴安岭山脉。浑善达克沙地和科尔沁沙地的Sr-Nd同位素组成与中国干旱区（OD鄂尔多斯干旱地区、NMPT青藏高原北缘干旱地区）均具有明显的成分差异，但与中国北方边界附近干旱地区（NBC）有所交集（图9），推测可能是大兴安岭中东部对科尔沁与浑善达克沙地进行了物质输送。图9中显示出NBC与两个沙地的共同区域范围略有不同，与科尔沁沙地的交汇范围要略微大于浑善达克沙地，表明中亚造山带的大兴安岭山脉对科尔沁沙地的输送程度要明显高于浑善达克沙地。浑善达克和科尔沁沙地87Sr/86Sr值较低，εNd（0）值较高，暗示了在中亚造山带的基础上，可能有华北克拉通物质的混入，且二者的87Sr/86Sr和εNd（0）值介于中亚造山带（分别为0.710 587～0.713 900和-8.7～-0.9）[33]和华北克拉通（分别为0.714 824～0.719 218和-17.2～-11.8）[33]之间，显示了中亚造山带的大兴安岭西部和华北克拉通北部燕山山脉的物质混合物为浑善达克沙地和科尔沁沙地的物质来源。但是浑善达克沙地的εNd（0）均值更接近于华北克拉通，科尔沁沙地的εNd（0）均值更接近于中亚造山带，表明浑善达克沙地的主要物质源区为华北克拉通的燕山山脉，而科尔沁沙地的主要物质源区为中亚造山带的大兴安岭山脉。

图9 科尔沁与浑善达克沙地和中国粉尘源区的Sr-Nd同位素组成对比NBC、OD、NMPT数据来自文献[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 西拉沐沦河对沙地地球化学组成的影响

风和水的搬运作用在干旱-半干旱区域的粉尘“源-汇”系统中扮演着重要的角色，它在不同时空尺度上受地形、气候、水文、植被等因素的影响而表现不同。河流在风沙地貌发育的过程中起到关键作用，一方面河流起到输沙的动力运输作用，为沙地与外界提供物质联系，另一方面基底床面也可以为风沙地貌的发育提供场所[36]。西拉沐沦河为西辽河的北源，发源于克什克腾旗西南部的浑善达克沙地，流经整个科尔沁沙地。本文采集的浑善达克沙地东缘样品分布在克什克腾旗的南部（东南、西南），主要分布在正南（西拉沐沦河流域）和西南一带，因此可以将浑善达克沙地东缘的样品视为西拉沐沦河流域的上游。

在本文的研究中浑善达克沙地和科尔沁沙地在物源上主要分别受到华北克拉通北部的燕山山脉以及中亚造山带东缘的大兴安岭山脉的约束，但是浑善达克与科尔沁沙地却在地球化学组成中呈现出很大的相似性，例如二者具有相似的稀土元素配分模式、低等级的化学风化程度、成熟度和沉积再循环程度。由于某些不活动元素在风化、沉积和搬运的地质过程中表现相对稳定，较好地保存了母岩的特性，因此可以用地球化学组成中的不活动元素来追踪沉积物的物源及源区组成[27,32,37]。在图10a和10b中，仅用单一元素的比值可能存在偏差，因此在图10c中选取了多个元素比值来消除误差。在图10c中，浑善达克沙地东部＜10μm的细颗粒组分与科尔沁沙地相同粒级组分有更紧密的亲缘关系。在图10中，科尔沁沙地的样品均与浑善达克沙地东部有较多的地球化学亲缘关系，暗示了发源于浑善达克沙地东部的西拉沐沦河可能起到纽带连接作用，为科尔沁沙地提供了部分颗粒物质。

图10 不活动元素比值的物源辨别图解Fig.10 Provenance discrimination diagrams involving immobile elements

在物源示踪方面，沉积物的Sr-Nd同位素组成提供了更为精确的信息，因此在沉积物物源鉴别方面具有更大的潜力[38]。来自不同地质体的沉积物由于物源和沉积年龄不同有明显不同的Sr-Nd同位素组成，并且Sr-Nd 同位素组成在风化、搬运和沉积等过程中能保持很高的稳定性[39]，所以Sr-Nd同位素比值被广泛用来解译亚洲风尘物源示踪[33-35,39,40]。将浑善达克与科尔沁沙地数据点投影到图9中，发现浑善达克沙地（特别是＜10μm组分）（87Sr/86Sr值为0.710 638～0.712 339，εNd（0）值为-12.37～-6.38）与科尔沁沙地（87Sr/86Sr值为0.709 436～0.712 122，εNd（0）值为-12.39～-4.27）样品的Sr-Nd同位素含量较为接近（图9中科尔沁沙地＜63μm和＜10μm组分充分混合，不易区分），表明浑善达克沙地可能经过西拉沐沦河的搬运作用向科尔沁沙地提供了部分颗粒物质。但是，相比于＜63μm的颗粒组分，浑善达克沙地＜10μm组分与科尔沁沙地不同粒级组分有更紧密的同位素亲缘关系，表明＜10μm组分更容易受到河流搬运作用的影响，西拉沐沦河可能会携带更多的细颗粒物质以悬浮搬运的方式到下游，而粗颗粒物质则只能通过跳跃或滚动的方式在河流中搬运。由于西拉沐沦河流域地处于干旱区，自然降水补给量逐年减少，并且上游农业水土流失严重，根据下游水文站历年的监测数据发现，西拉沐沦河在近25年内共有12年断流，水动力条件弱，所以粗颗粒物质只能近距离搬运[41]。以上证据表明浑善达克沙地与科尔沁沙地通过西拉沐沦河进行了物质交换，西拉沐沦河是两个沙地间细颗粒物质搬运的桥梁。

风力搬运在沙漠、沙地的形成和发展过程中也是一种必不可少的动力介质[42]。20μm通常被大多数学者认为是不同粉尘沉积物搬运方式的粒级界限，地表风通常能把＜20μm的细颗粒组分的粉尘搬运数百甚至数千千米[43]。在图9中，科尔沁沙地与浑善达克沙地＜10μm的细颗粒组分相似程度更高。浑善达克沙地与科尔沁沙地由于受到长期稳定的干冷气候影响，使得春季西南风的势力范围持续扩大，将细颗粒粉尘物质搬运至更远的地方。结合研究区空间位置关系（图1），科尔沁沙地与浑善达克沙地均位于哈尔滨的西南方向上，并被大兴安岭、小兴安岭以及长白山等山脉三面包围，且沙地面积广阔，使得到达东北平原的西北风只能从西南方向的浑善达克与科尔沁沙地进入。研究表明，哈尔滨现代尘暴天气主要是受春季的西南风所影响，其主要来源于内蒙古中东部和蒙古中部地区，通过西南气流的输送，先后经过浑善达克沙地和科尔沁沙地，最后漂浮到哈尔滨[44]。这也与本文沙地的粒径方向一致。总之，这两个沙地在同一粉尘搬运通道上，浑善达克沙地的细颗粒粉尘可以通过降雨、降雪等方式沉降于科尔沁沙地，沙尘天气起到了桥梁的沟通作用。因此，根据研究区的空间位置、主导风向以及地球化学组成对比，认为风力搬运在沙地间＜10μm的细颗粒组分运输中也起到了一定的作用。因此，浑善达克沙地和科尔沁沙地间细颗粒物质的交换可能是风力和流水共同作用的结果。