新疆伊犁河谷沙漠沉積不同粒徑組分的地球化學元素分布特征

李金嬋，陳秀玲，賈麗敏，李志忠

（1.福建師范大學 地理科學學院，福建省濕潤亞熱帶山地生態(tài)省部共建國家重點實驗室培育基地，福州 350007；2.中國科學院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質國家重點實驗室，西安 710075）

新疆伊犁河谷沙漠沉積不同粒徑組分的地球化學元素分布特征

李金嬋1,2，陳秀玲1,2，賈麗敏1,2，李志忠1,2

（1.福建師范大學 地理科學學院，福建省濕潤亞熱帶山地生態(tài)省部共建國家重點實驗室培育基地，福州 350007；2.中國科學院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質國家重點實驗室，西安 710075）

本文通過對伊犁河谷西部塔克爾莫乎爾沙漠內的可克達拉（TKP）剖面典型層位樣品的不同粒級組分地球化學元素分析，探究西風環(huán)流控制的沙漠沉積區(qū)元素特征和化學風化指標在不同粒級組分中的分布特征。研究結果表明TKP剖面Na和Sr元素趨向于在粗粒級中富集；Fe、Mg、Al、Rb元素趨向于細粒級中富集，K元素含量隨粒徑增大先升高再降低，16 ～ 32 μm粒級處出現(xiàn)谷值；Ti元素含量與粒度關系不明確。CIA、Rb/Sr隨粒級增大逐漸降低，Na2O/Al2O3、Na2O/K2O、K2O/Al2O3隨粒級增大逐漸升高。TKP剖面地球化學元素和比值在＜2 μm、2～16 μm、16 ～32 μm細粒級組分不同粒級間變化較為劇烈，32～ 63 μm、63～125 μm、＞125 μm粗粒級組分變化則不明顯，而且粗粒級組分在剖面中的變化也比較穩(wěn)定。剖面整體風化程度較弱，因此這種現(xiàn)象可能是物源不統(tǒng)一造成的，為塔克爾莫乎爾沙漠具有物源多樣性特點的觀點提供了地球化學元素方面的證據(jù)。

不同粒級；主量元素；Rb/Sr比值；物質來源；塔克爾莫乎爾沙漠

利用元素在表生環(huán)境中的地球化學行為提取沉積物中的古環(huán)境信息是第四紀環(huán)境研究的一個重要手段，在過去的20多年中得到了廣泛的應用，并取得了豐碩的成果（Gallet et al，1996；Yang et al，2004；梁美艷等，2006；Hao et al，2010；喬彥松等，2010；杜青松，2011）。這些研究通常是建立在全巖化學分析的結果上，然而黃土沉積物分粒級的元素分析表明由于風力分選、物質來源、礦物組成等因素使得沉積物中的多種元素在剖面變化上與粒度高度相關，模糊了風化作用對元素遷移的影響（Yang et al，2006；熊尚發(fā)等，2008）。目前，有關化學地球化學指標粒度效應的研究仍然相對較少，而對西風環(huán)流控制下的中亞干旱區(qū)相關研究則更是少之又少，這在很大程度上影響了地球化學指標對古氣候變化探討的可靠性，因而急需對不同粒級組分中的地球化學特征展開詳細的對比研究，明確其粒度控制效應，以期能夠更為準確地解譯第四紀環(huán)境演變信息。塔克爾莫乎爾沙漠位于新疆伊犁河谷的西部，常年深受西風環(huán)流控制，區(qū)域內廣分布的沙漠沉積真實地記錄了亞洲內陸在第四紀時期的環(huán)境演變過程，因而受到了許多學者的青睞，對此區(qū)域的沉積序列開展了稀土元素、粒度分析、磁化率、微量元素等方面的研究，初步重建了該區(qū)域近4 ka以來的氣候演變過程（李志忠等，2010；陳秀玲等，2010，2013；靳建輝等，2010，2011；姜修洋等，2011）。本文在上述研究的基礎上，也選擇了塔克爾莫乎爾沙漠內的可克達拉（TKP）風成沙?古土壤沉積序列為研究對象，系統(tǒng)開展典型層位樣品不同粒徑組分的地球化學元素分析，揭示其在不同粒級組分中的分布特征，以及常用的地球風化指標受粒度效應的影響程度，以期為西風環(huán)流區(qū)風沙?古土壤沉積序列元素遷移的古氣候重建提供更為準確的資料。

1 剖面概況與研究方法

1.1 剖面概況

塔克爾莫乎爾沙漠（又名霍城沙漠）位于伊犁河谷的西部，是伊犁河流域面積最大的固定、半固定沙漠（陳秀玲等，2013）。可克達拉剖面（簡稱TKP）位于沙漠腹地霍城至63團公路北側，地理坐標43°58'13"N，80°32'39"E，頂部海拔605 m，采樣點地圖見圖1（李志忠等，2010）。整個剖面（見圖2）從地表到底部共360 cm（未見底），表層為現(xiàn)代風沙層，疏松，多植物根系。剖面主體為10層古風沙層和10層古土壤、弱古土壤層。古風沙層有青灰色沙層、淡棕色粉沙質?細沙層、灰棕色沙質粘土層等，古土壤層包含灰褐色腐殖質薄層、灰黑色粉沙質弱發(fā)育古土壤層。根據(jù)光釋光（OSL）測年和沉積相研究表明剖面為晚全新世以來的連續(xù)沉積，底部年齡為3.7 ka（李志忠等，2010）。

1.2 研究方法

根據(jù)已有的關于TKP剖面的稀土元素、粒度分析、磁化率、微量元素等的相關研究結果，本文選取了40 cm（細沙）、60 cm（極細沙）、80 m（古土壤）、140 cm（極細沙）、180 cm（古土壤）、280 cm（細沙）和320 cm（弱成古土壤）共七個典型層位樣品的進行分粒級實驗。TKP剖面的粒度研究表明，該剖面以＜63 μm的粉沙和63～125 μm的極細砂為主（凌智永，2010）?？夏崴肌づ梢粒?991）認為大多數(shù)長距離搬運的粉塵是由＜16 μm的顆粒組成,而粘土礦物多為＜2 μm顆粒。因此本文將TKP剖面樣品分為＜2 μm、2～16 μm、16～32 μm、32～63 μm、63～125 μm、＞125 μm六個粒級。＞125 μm、63～125 μm和32～63 μm粗粒級組分采用篩分法獲得，16～32 μm，2～16 μm和＜2 μm細粒級組分采用沉降法提取。分粒級實驗在中國科學院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀地質國家重點實驗室完成。

粒度分級實驗所獲固體樣品用瑪瑙研缽研磨至200目。稱取樣品置于聚四氟乙烯罐中，加入HNO3、HF、HClO4混合酸，置于防腐罐內消解待測。Rb、Sr元素采用美國X-SerieⅡ型ICP-MS質譜儀測試。以上實驗在福建師范大學濕潤亞熱帶山地生態(tài)省部共建教育部重點實驗室完成。主量元素采用Prodigy-H型的ICP-OES光譜儀測試，該實驗在中國科學院青藏高原研究所大陸碰撞與高原隆升實驗室完成。

圖1 塔克爾莫乎爾沙漠地理位置及采樣點（引自李志忠等，2010）Fig.1 The location of Takermohuer desert and the sampling point（Li et al，2010）

2 結果與討論

2.1 各粒級組分元素分布特征

如表1、圖3所示，Na2O和Sr含量隨著粒級增大逐漸升高；Fe2O3、MgO和Al2O3含量隨著粒級增大降低，并且Fe2O3、MgO在不同粒級組分中的變化是同步的；K2O含量隨著粒級增大先降低再升高，16 ～32 μm粒級組分含量最低；TiO2含量粒級增大先升高再降低，16 ～32 μm粒級組分含量最高；Rb元素含量隨粒級增大逐漸減小，從16 ～32 μm開始隨粒級增大又有輕微升高態(tài)勢?；瘜W蝕變指數(shù)（CIA，解釋見表1）和Rb/Sr隨著粒級增大而減??；Na2O/ K2O、Na2O/Al2O3和K2O/Al2O3比值隨粒級增大而增大；元素含量和元素比值在不同粒級組分中的分配具有在＜2 μm、2～16 μm、16 ～32 μm細粒級組分變化幅度較大，在32～63 μm、63～125 μm、＞125 μm粗粒級組分變化相對平緩的特征剖面內部2～16 μm組分變化最為劇烈；除了Sr元素以外其他指標16 ～32 μm、32～63 μm、63～125 μm、＞125 μm粗粒級組分在剖面中變化較?。怀薙r元素和Rb/Sr以外其他指標＜2 μm組分在剖面中的變化也相對較小。

2.2 控制因素初探

富Na和K的碎屑礦物中長石占了主要的比重，長石極易于化學風化卻難于物理風化（Liu et al，2001；謝遠云等，2012；曾蒙秀等，2013）因此趨向于粗顆粒中富集，造成了TKP剖面Na和K的粗粒級富集。但是K是粘土礦物伊利石的主要成分，而且K離子半徑大于Na離子，土壤有機質、細顆粒組分等都會對K產生積聚作用（趙錦慧等，2004；劉安娜等，2006），因此TKP剖面中細粒級組分中也有K2O富集。含F(xiàn)e、Mg元素的非碳酸鹽礦物主要是綠泥石、蛭石和少量的角閃石、輝石、黑云母等，這些礦物易于發(fā)生物理風化，因而細顆粒中含量較高。TKP剖面Fe、Mg元素細粒級中富集的特征即是這些礦物在不同粒級中分配的結果。TKP剖面Fe2O3和MgO在不同粒級組分中的分布規(guī)律相似，可能是因為風力分選過程中鐵鎂硅酸鹽中Fe和Mg元素一起搬運，沒有產生分離（劉連文等，2001）。Al在風化過程中屬于惰性（略可遷移）元素（李天杰等，2010），并且粘土礦物中多含Al元素，因此在細粒級中會有明顯富集。Ti元素主要來源于富鈦礦物（如金紅石、銳鈦礦等）這些礦物在碎屑沉積物中很常見，是源區(qū)重礦物的一部分（Yang et al，2006），不同粒級富鈦礦物含量的具有復雜性，因此TKP剖面TiO2含量隨粒級變化規(guī)律性不明顯。Rb元素和K元素性質類似，易于賦存在含K礦物中，其離子半徑較大易被粘土礦物吸附，在風化成壤過程中淋溶遷移量非常有限（曾艷等，2011），因此TKP剖面Rb與K的分配特征比較相似。Sr和Ca性質類似，易于賦存在含Ca礦物中，相對于Rb其離子半徑小容易以游離態(tài)的形式被遷移（趙錦慧等，2004）。因而在剖面中變化較為劇烈。而Sr元素含量隨著粒級增大含量逐漸升高，則與含Ca礦物在不同粒級組分中的分配有關。

圖2 可克達拉剖面綜合柱狀圖（引自靳建輝等，2010）Fig.2 Comprehensive column of TKP section（Jin et al，2010）

不同元素比值通?？梢韵绊懟瘜W元素遷移的多種復雜原因，并可以指示元素的相對富集程度和沉積環(huán)境特征，因此常常用元素比值作為氣候環(huán)境代用指標來衡量化學風化程度（趙錦慧等，2004；劉維明等，2008；熊尚發(fā)等，2008；李傳想等，2012）。化學風化指標常用風化過程中不活動元素（如Al、Rb）和活動元素（如Na、Sr等）的比值構成。化學蝕變指數(shù)CIA是常用的表征化學風化程度的指標，可以有效地指示沉積物中長石風化成粘土礦物的程度（喬彥松等，2012）。Na2O/K2O值是衡量樣品中斜長石風化程度的指標，風化剖面中的Na2O/K2O值與風化程度呈反比（Liu et al，2001；喬彥松等，2010）。Na2O/Al2O3、K2O/Al2O3通常用于反映風化過程中Na和K相對于Al的遷移程度。而TKP剖面CIA、Rb/Sr隨粒級增加逐漸降低，Na2O/K2O、K2O/Al2O3、Na2O/ Al2O3隨粒級增大逐漸升高，五個代用指標都和粒度有較好的相關性，因此全巖樣品分析時使用CIA指示剖面化學風化程度會受到粒度組成的影響。K2O/Al2O3在＜32 μm的細粒級組分幾乎沒有變化，K和Al沒有發(fā)生有效地分離，反映了TKP剖面風化程度較弱。上述討論表明賦存于不同粒級組分的礦物類型及含量是控制元素及其比值特征的決定性因素。盡管古氣候是促使母巖礦物分解和轉化的重要原因，但是母巖類型、沉積分選和不同來源物質的輸入和沉積相變遷都會造成沉積物中不同粒級組分中礦物類型和含量的差異。沉積物中不同粒級組分中礦物類型和含量對元素控制所起到的“粒度效應”使得元素特征在物源和沉積環(huán)境穩(wěn)定條件下，氣候變遷和沉積物粒度變化耦合條件下才能準確反映古氣候變遷。

表1 TKP剖面不同粒級地球化學元素分布特征Table 1 Distribution of geochemistry elements in different grain size fractions in TKP section

圖3 元素在不同粒級組分中的分布特征Fig.3 Distribution of geochemistry elements in different grain size fractions in TKP section

TKP剖面地球化學元素分析發(fā)現(xiàn)，各地球化學元素含量和比值在＜2 μm、2～16 μm、16～32 μm細粒級組分變化較為劇烈；32～63 μm、63～125 μm、＞125 μm粗粒級組分中的變化則不明顯。凌智永（2010）和李志忠等（2010）關于TKP剖面的粒度分析研究發(fā)現(xiàn)，剖面古土壤、弱成古土壤、極細砂層粒度頻率曲線均為雙峰曲線，而且剖面的分選系數(shù)較大，頻率曲線不對稱，認為剖面可能是風力遠源搬運沉積和下伏水成沖擊沙的產物。陳煉彪（1980）關于塔克爾莫乎爾沙漠研究認為古代河流沖積物和伊犁盆地強勁的西風都會對沙漠的形成造成影響。李志忠等（2010）研究認為塔克爾莫乎爾沙漠風成沙具有物源多樣性的特點，伊犁河階地下伏第四紀晚期到全新世近現(xiàn)代沖積物，北部山前堆積物，西側毗鄰的中亞沙漠粉塵都可能是其物源。葉瑋等（1998）研究認為伊犁地區(qū)＜15 μm的細粒級組分應該屬于遠距離懸浮粒組和次生粒組，而＞15 μm的粗粒級組分則應該近距離懸浮粒組和塵暴搬運的大氣粉塵組成的粗粒組。由于TKP剖面整體以粉沙、細沙為主，風化成壤作用較弱，剖面的這種地球化學元素在＜16 μm細顆粒組分中變化明顯，在＞32 μm的粗顆粒組分中變化平緩的特征可能更多暗示了TKP剖面物源的不統(tǒng)一。楊石嶺等對黃土高原黃土的研究（Yang et al，2006），發(fā)現(xiàn)＜5 μm組分變化劇烈，而＞16 μm組分變化相對平緩，這可能是由于TKP剖面距離物源區(qū)更近，也可能是由于TKP剖面和黃土高原黃土物源不同。

對比元素在TKP剖面中的變化，發(fā)現(xiàn)2～16 μm組分在剖面中變化最為劇烈，＞32 μm粗粒級組分在剖面內變化較小?？夏崴肌づ梢粒?991）研究認為大多數(shù)長距離搬運的粉塵均由＜16 μm的顆粒組成，“地方性”顆粒比一般較長距離搬運的粉塵顆粒要粗的多，但是“地方性”粉塵的粒度分布強烈的接受著源區(qū)物質粒度的控制。因此TKP剖面＞32 μm粗粒級組分可能以“地方性”顆粒為主，而且來源比較穩(wěn)定。該粒級組分對剖面記錄氣候信息上貢獻也較少。鹿化煜和安芷生（1998）對黃土高原的研究認為細顆粒的含量變化與風化成壤作用相關，但是TKP剖面2～16 μm組分在剖面中的變化要遠比＜2 μm組分劇烈。因此2～16 μm組分可能是長距離搬運的顆粒和近源“地方性”顆粒的混合，剖面中的的變化記錄的更多是其物源的變化同時也有區(qū)域的氣候信息。

3 結論

（1）TKP剖面分粒級化學元素分析結果表明，Na和Sr元素趨向于在粗粒級中富集，F(xiàn)e、Mg、Al、Rb元素趨向于細粒級中富集，K元素隨粒徑變化呈現(xiàn)先降低再升高的態(tài)勢，16～32 μm粒級出現(xiàn)谷值。Ti元素含量與粒度關系不明確。CIA隨粒度增加逐漸降低，Na2O/Al2O3、Na2O/K2O、K2O/ Al2O3、Rb/Sr隨粒度增加均呈現(xiàn)出了明顯的逐漸減小的規(guī)律。說明在西風沉積區(qū)元素含量及常用化學風化指標都明顯受到沉積物粒度的影響，使用時需謹慎。

（2）TKP剖面各地球化學元素含量和比值在＜2 μm、2～16 μm、16～32 μm細粒級組分變化劇烈；32～63 μm、63～125 μm、＞125 μm粗粒級組分中的變化不明顯，而且剖面中變化也比較穩(wěn)定。TKP剖面整體風化成壤作用較弱，這一特征可能是TKP剖面物源不統(tǒng)一造成的。為塔克爾莫乎爾沙漠具有物源多樣性特點的觀點提供了地球化學元素上的證據(jù)。

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The distribution of geochemical elements in different grain-size fractions of desert sediments in Ili Valley of Xinjiang, China

LI Jin-chan1,2, CHEN Xiu-ling1,2, JIA Li-min1,2, LI Zhi-zhong1,2
(1. Key Laboratory for Subtropical Mountain Ecology ( Ministry of Science and Technology and Fujian Province Funded ), School of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China; 2. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710075, China)

Previous studies have found that there is correlation between the distribution of minerals in whole rock samples and grain size, which makes great influence on chemical weathering proxies. Therefore the inf uence of grain size should be taken into consideration when using geochemical proxies. In this study, we analyze geochemical elements of representative samples in Kekdala section (TKP) in Takelmukul Desert, Ili valley, Xinjiang and explore the distribution character of geochemical elements among different grain size fractions in westerly region. The results show that the concentrations of Na and Sr increase as the enlargement of size fraction, while Fe, Mg, Al, and Rb concentrations show the opposite phenomenon. K concentration decreases at first and then increases with the grain size increasing, and the lowest value exists in size 16～32 μm. CIA, Na2O/Al2O3, Na2O/K2O, K2O/Al2O3and Rb/Sr vary regularly with grain-size changing. The distribution character indicates that the chemical weathering proxies above considerably depend on grain size in westerly region and need carefully used.Most of the element concentration and ratios of TKP section change f ercely in f ne size (＜2 μm, 2～16 μm, 16～32 μm) and slightly in coarse size (32～63 μm, 63～125 μm, ＞125 μm). All of these afford new proof to tell us that the TKP sand sediment has various source areas.

different grain size fractions; major element; Rb and Sr; material source; Takermohuer Desert

P595

：A

：1674-9901(2014)02-0102-09

10.7515/JEE201402007

2014-02-17

國家自然科學基金項目（41302149，41172166）；黃土與第四紀地質國家重點實驗室開放基金（SKLLQG1103，SKLLQG1113）；中科院科技創(chuàng)新交叉與合作團隊資助項目；福建省科技計劃項目公益類項目（K3-296）

陳秀玲，E-mail: xiulingchen@163.com