劉璐，謝遠(yuǎn)云,2，遲云平,2，康春國(guó)，吳鵬，魏振宇，張?jiān)萝?，張?/p>

1.哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，哈爾濱150025

2.哈爾濱師范大學(xué)寒區(qū)地理環(huán)境監(jiān)測(cè)與空間信息服務(wù)黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150025

3.哈爾濱學(xué)院地理系，哈爾濱150086

沙地、沙漠等干旱環(huán)境下形成的地表沉積物占據(jù)了中國(guó)北方地區(qū)面積的大部分，受冬季風(fēng)的影響，向下風(fēng)向區(qū)域持續(xù)不斷地輸送大量粉塵，因此中國(guó)北方地區(qū)是亞洲重要的粉塵排放源區(qū)之一[1-8]。沙地的形成和發(fā)展經(jīng)過(guò)了一系列復(fù)雜的過(guò)程，如粉塵的產(chǎn)生、搬運(yùn)、沉積和成壤作用等，使得后期的改造和風(fēng)化作用的程度各不相同。因此，了解沙地沉積物的風(fēng)化程度，評(píng)估后期改造的影響，找出沉積物所代表的初始特征信息，是風(fēng)塵系統(tǒng)“源-匯”過(guò)程研究的重點(diǎn)[9]。粉塵傳輸過(guò)程還可能會(huì)引發(fā)擴(kuò)散造成大氣污染。因此，研究沙地的物源對(duì)確定沙地物質(zhì)來(lái)源、揭示沙漠物質(zhì)源區(qū)和示蹤來(lái)源物質(zhì)的遷移路徑提供更深層次的解讀[10]。迄今為止，盡管中亞大部分沙地的地球化學(xué)研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，但對(duì)位于中國(guó)東北地區(qū)的渾善達(dá)克與科爾沁沙地的風(fēng)化、循環(huán)和物源示蹤研究仍然很少涉及，目前對(duì)于渾善達(dá)克沙地和科爾沁沙地的研究?jī)H僅是通過(guò)少數(shù)幾個(gè)樣品來(lái)確定的，存在較大的偶然性。

本文對(duì)渾善達(dá)克沙地與科爾沁沙地的地表沉積物進(jìn)行橫向大范圍取樣，對(duì)其中的細(xì)顆粒物質(zhì)（＜10μm和＜63μm）進(jìn)行地球化學(xué)元素及Sr-Nd同位素分析，評(píng)估其化學(xué)風(fēng)化程度、成熟度及沉積再循環(huán)特征，并追蹤其物質(zhì)源區(qū)，進(jìn)而探討西拉沐淪河對(duì)沙地間物質(zhì)交換的連接作用。該研究有助于增強(qiáng)我們對(duì)東北平原西部沙地物質(zhì)源區(qū)及遷移路徑的理解。

1 自然地理概況

渾善達(dá)克沙地處在內(nèi)蒙古高原中東部，面積約為21 400 km2，屬于溫帶干旱-半干旱氣候區(qū)，年降水量約為200～350 mm，廣泛發(fā)育風(fēng)蝕殘丘和半固定-固定草叢沙堆[11]?？茽柷呱车氐靥巸?nèi)蒙古東南部的西遼河中下游地區(qū)（赤峰市和通遼市之間），面積約為50 600 km2，在中國(guó)北方是面積最大的沙地，屬于溫帶半干旱-半濕潤(rùn)的大陸性季風(fēng)氣候，年降水量約為300～500 mm。西拉沐淪河和老哈河共同被喻為母親河（圖1），它們聯(lián)合滋養(yǎng)了這片土地。渾善達(dá)克沙地沙層覆蓋廣泛，丘間平地較為開(kāi)闊，西北-東南走向的固定-半固定風(fēng)成沙丘隨處可見(jiàn)，活動(dòng)風(fēng)成沙丘也分布其中。受太平洋暖低壓和蒙古冷高壓相互消長(zhǎng)變化以及大興安嶺山脈的影響，西北風(fēng)是渾善達(dá)克沙地的主導(dǎo)風(fēng)向，而西南風(fēng)是科爾沁沙地主導(dǎo)風(fēng)向[12-13]。

圖1 渾善達(dá)克沙地、科爾沁沙地以及西拉沐淪河位置圖Fig.1 Location map of the Onqin Daga Sand Land, the Horqin Sandy Land and the Xar Moron River

為了沙地物源研究，將渾善達(dá)克和科爾沁沙地分為西、中、東三段。渾善達(dá)克沙地的東段包括克什克騰旗-達(dá)里若爾湖-烏蘭布統(tǒng)，沙地規(guī)模較小，多以固定沙丘為主；中段包括正藍(lán)旗北部的烏日?qǐng)D-那日?qǐng)D-桑根達(dá)來(lái)等，以大中型沙堆為主；西段，正鑲白旗北部的烏蘭察布和巴彥淖爾至蘇尼特右旗，以小型沙堆為主，多在1～2 m，地表明顯粗化，見(jiàn)大量因風(fēng)蝕而殘留下來(lái)的粗沙顆粒，甚至含少量的細(xì)小礫石（2～5 mm）?？茽柷呱车氐臇|段，即雙遼-通遼-科左后旗一帶，以固定沙丘為主，規(guī)模較?。恢卸?，即開(kāi)魯-庫(kù)倫旗一帶，以半固定-固定沙丘為主，規(guī)模較東段大；西段為奈曼旗至翁牛特旗區(qū)域，沙丘規(guī)模達(dá)到最大，以固定-半固定沙丘為主，也見(jiàn)活動(dòng)沙丘。

2 材料與方法

風(fēng)成砂和河流砂經(jīng)過(guò)風(fēng)力和水力的充分搬運(yùn)混合，其細(xì)顆粒組分可代表較大區(qū)域的平均物質(zhì)組成[14-16]，本文所有樣品來(lái)自沙地的風(fēng)成砂和河流砂，其中河流砂來(lái)源于河流階地和現(xiàn)代河床，風(fēng)成砂是下伏河湖相沉積物經(jīng)過(guò)風(fēng)力再改造就地堆積的風(fēng)積物，在地貌上形成風(fēng)成丘狀。取樣位置遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，地表取樣深度＜5 cm。渾善達(dá)克沙地取樣26個(gè)（風(fēng)成砂8個(gè)，河流砂18個(gè)），其中東部沙地12個(gè)，中部10個(gè)，西部4個(gè)；科爾沁沙地取樣38個(gè)（風(fēng)成砂28個(gè)，河流砂10個(gè)），其中東部沙地19個(gè)，中部9個(gè)，西部10個(gè)。

由于中國(guó)東北地區(qū)大部分黃土沉積物的顆粒粒徑＜63μm[15]，因此本研究選?。?3μm和＜10μm兩個(gè)組分進(jìn)行地球化學(xué)分析。這樣選擇的目的是消除風(fēng)成黃土在搬運(yùn)和沉積過(guò)程中礦物分選的影響，并在同一粒度范圍內(nèi)對(duì)不同樣品進(jìn)行地球化學(xué)對(duì)比[16]。將樣品分別經(jīng)過(guò)250目和1 300目標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，分別得到＜63μm和＜10μm兩個(gè)組分的子樣，這些子樣用于地球化學(xué)分析。

常量元素采用玻璃熔片法制備，制備完成后，用XRF光譜儀進(jìn)行測(cè)量。微量元素和稀土元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測(cè)定，結(jié)果顯示元素的相對(duì)誤差都小于2%。Sr和Nd同位素比值用表面熱電離同位素質(zhì)譜儀測(cè)定。將渾善達(dá)克沙地與科爾沁沙地＜63μm組分的子樣在0.5 mol/L的醋酸溶液中浸泡4 h，將酸不溶物烘干，研磨至200目后分成兩份進(jìn)行Sr（87Sr/86Sr）和Nd（143Nd/144Nd）同位素比值測(cè)定。Sr和Nd的分離采用標(biāo)準(zhǔn)離子交換法。渾善達(dá)克沙地與科爾沁沙地測(cè)定的Sr和Nd同位素比值分別用86Sr/88Sr=0.119 4和146Nd/144Nd=0.721 9進(jìn)行質(zhì)量分餾校正。儀器的準(zhǔn)確度分別對(duì)國(guó)際標(biāo)樣NBS987和JMC進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)定值分別為87Sr/86Sr=0.710 250±7（2σ）和143Nd/144Nd=0.512 109±3（2σ）。Nd同位素組成用εNd（0）值表示，采用143Nd/144Nd=0.512 638的球粒隕石均一源（CHUR）現(xiàn)代值。

3 結(jié)果與分析

3.1 常量元素

渾善達(dá)克與科爾沁沙地的常量元素分布特征呈現(xiàn)出高度的均一性（圖2），但是渾善達(dá)克沙地比科爾沁沙地的CaO含量略高（表1）。渾善達(dá)克與科爾 沁 沙 地 與UCC相 比，F(xiàn)e2O3、MgO和P2O5明顯虧損，Na2O、Al2O3和K2O輕微虧損，MnO、TiO2明顯富集，SiO2的含量與UCC基本一致。渾善達(dá)克沙地＜63μm組分的Na2O、K2O、MnO、TiO2較＜10μm組分略高，而MgO和CaO略低；科爾沁沙地＜63μm組分的Fe2O3、MgO、CaO、MnO、TiO2和P2O5略低于＜10μm組分，而K2O略高。

表1 科爾沁沙地與渾善達(dá)克沙地的常量元素組成Table 1 Concentrations of major elements for the Horqin Sand Land and the Onqin Daga Sandy Land %

圖2 科爾沁沙地（a）與渾善達(dá)克沙地（b）的常量元素組成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

續(xù)表 1

渾善達(dá)克與科爾沁沙地的微量元素分布表現(xiàn)出很強(qiáng)的相似性（圖3）。渾善達(dá)克與科爾沁沙地和上地殼標(biāo)準(zhǔn)含量（UCC）相比，過(guò)渡金屬元素（TTE）中Sc、Co、Ga、Ni、Zn的含量中度虧損，而Cr和V輕度富集，Cu含量變化大；低場(chǎng)強(qiáng)元素（LFSE）中Rb輕度虧損，Sr明顯虧損，Ba、Pb、Cs與UCC輕度富集或含量相當(dāng)；高場(chǎng)強(qiáng)元素（HFSE）中Ta明顯虧損，Y稍微富集或含量相當(dāng)，Zr、Hf和Nb含量相當(dāng)或稍微虧損，Th和U含量變化大。渾善達(dá)克沙地＜63μm組分相對(duì)于＜10μm組分具有更多的Nb、Ta和更少的Co、Ni、Cu、Th、Sr、Cs；科爾沁沙地＜63 μm組分相對(duì)于＜10μm組分有較多的Rb、Ba元素，其他元素均比＜10μm組分含量少。渾善達(dá)克沙地Cr、Co、Ni元素含量比科爾沁沙地輕度富集，Cu元素比科爾沁沙地明顯富集，而Rb元素比科爾沁沙地輕度虧損。

圖3 科爾沁沙地（a）與渾善達(dá)克沙地（b）的微量元素組成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

渾善達(dá)克沙地與科爾沁沙地稀土元素總量（ΣREE）分別為（121.84～386）×10-6和（89.10～386.16）×10-6，平均值分別為213.27×10-6和210.63×10-6，二者均高于UCC（146.37×10-6）、PAAS（后太古宙頁(yè)巖）（184.77×10-6）以及地殼平均值（178×10-6），它們均與PASS和UCC的稀土元素配分模式相似，且都為明顯的右傾型分布模式，即輕稀土富集、重稀土虧損、顯著Eu負(fù)異常的分布模式。球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后的渾善達(dá)克與科爾沁沙地的REE分布曲線（圖4）彼此近于平行，呈V字型，La-Eu曲線較陡，Eu-Lu曲線趨于平緩，為L(zhǎng)REE相對(duì)HREE富集，分布曲線均為負(fù)斜率。所有樣品的Eu/Eu*值均小于1，Eu呈較為明顯的負(fù)異常程度。它們的Ce/Ce*均值為0.9，顯示出輕微的負(fù)異常。渾善達(dá)克沙地＜63μm組分與＜10μm組分的稀土元素整體差別不大，科爾沁沙 地＜63μm組 分 的 稀 土 元 素 略 低 于＜10μm組分。科爾沁沙地＜63μm的稀土元素比同粒級(jí)的渾善達(dá)克沙地波動(dòng)范圍大，科爾沁沙地＜10μm的稀土元素要高于同粒級(jí)的渾善達(dá)克沙地。科爾沁沙地與渾善達(dá)克沙地相比La、Ce、Pr、Nd、Sm元素輕度富集。

圖4 科爾沁沙地（a）與渾善達(dá)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

科爾沁沙地樣品不同組分的Sr-Nd同位素組成均具有顯著的差異（圖5），＜63μm組分87Sr/86Sr值為0.709 898～0.712 122，εNd（0）值為-12.39～ -5.77，＜10 μm組分87Sr/86Sr值為0.709436～0.712091，εNd（0）值為-10.42～-4.27。渾善達(dá)克沙地樣品不同組分的87Sr/86Sr和εNd（0）數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出顯著的變化，＜63μm組分87Sr/86Sr值為0.709 618～0.712 293，εNd（0）值為-14.98～ -6.61，＜10μm組分87Sr/86Sr值為0.710 638～0.712 339，εNd（0）值 為-12.37～-6.38。這種顯著的變化表明了渾善達(dá)克沙地和科爾沁沙地Sr-Nd同位素組成的不均一性。

圖5 科爾沁沙地（a）與渾善達(dá)克沙地（b）的Sr-Nd同位素組成對(duì)比Fig.5 Sr-Nd isotope compositions of the Horqin Daga Sand Land （a）and the Onqin Sandy Land （b）

4 討論

4.1 化學(xué)風(fēng)化特征

化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)是依據(jù)主量元素而計(jì)算，能夠反映化學(xué)風(fēng)化的強(qiáng)度，并通過(guò)選用的主量元素差異，建立多種類型的化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)，如CIA、CIW、WIP和PIA等（見(jiàn)表2）。為了克服單一指標(biāo)可能存在的偏差，本文同時(shí)采用了上述4個(gè)指標(biāo)，以清晰地反映化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)度的變化。元素地球化學(xué)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一是化學(xué)風(fēng)化過(guò)程，而化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）是衡量沉積物化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用在風(fēng)塵物源的研究中[17]。CIA值通常也被用于探究古氣候環(huán)境演化，公式為：CIA=[Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）]×100。其中，CaO*的分子量?jī)H為硅酸鹽中的含量。當(dāng)CaO＞Na2O的摩爾數(shù)時(shí)認(rèn)為mCaO*=mNa2O，當(dāng)CaO≤Na2O的摩爾數(shù)時(shí)則mCaO*=mCaO[18]。樣品中長(zhǎng)石風(fēng)化成黏土礦物的程度可以通過(guò)CIA值有效地表示出來(lái)。比值越小就表示處在干冷的氣候條件下且基本未遭受后期風(fēng)化的作用，比值越大就代表沉積物處在溫暖潮濕的環(huán)境中，所經(jīng)歷的風(fēng)化程度越強(qiáng)。渾善達(dá)克沙地和科爾沁沙地的CIA值處于很窄的范圍內(nèi)，科爾沁沙地＜63 μm組分的CIA值為49.22～54.07，＜10μm組分的CIA值為50.29～54.40；渾善達(dá)克沙地＜63μm組分的CIA值為49.40～55.92，＜10μm組分的CIA值為50.89～56.93，它們均接近于UCC，表明二者均處于弱風(fēng)化-初等風(fēng)化程度。兩個(gè)沙地沉積物的CIA值均低于60，暗示了渾善達(dá)克與科爾沁沙地經(jīng)歷了長(zhǎng)期且穩(wěn)定的寒冷干燥氣候環(huán)境。同組分的渾善達(dá)克沙地沉積物CIA值比科爾沁沙地略高，也說(shuō)明渾善達(dá)克沙地沉積物的風(fēng)化程度和氣候干冷程度要略微高于科爾沁沙地。

表2 科爾沁沙地與渾善達(dá)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在細(xì)碎屑巖的成巖過(guò)程中可能會(huì)受到K交代作用的影響，使得源巖的化學(xué)成分發(fā)生改變。因此，對(duì)于化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)（CIW），需要在CIA的基礎(chǔ)上除去K含量變化的影響。CIW也被廣泛應(yīng)用于判斷物質(zhì)源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化程度和古氣候條件[19-20]，并且可以有效避免鉀在成巖作用或變質(zhì)過(guò)程中的遷移。其表達(dá)式為：CIW=Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O）×100，科爾沁沙地和渾善達(dá)克沙地均表現(xiàn)出較低的CIW值，科爾沁沙地＜63μm組分的CIW值為56.48～63.15，＜10μm組分的CIW值為56.61～62.47；渾善達(dá)克沙地＜63μm組分的CIW值為56.48～64.00，＜10μm組分的CIW值為57.51～64.68，表明渾善達(dá)克與科爾沁沙地僅僅經(jīng)歷了低等程度的化學(xué)風(fēng)化，并處在化學(xué)風(fēng)化的初級(jí)階段。渾善達(dá)克與科爾沁沙地的CIW值均小于70，暗示了氣候相對(duì)干冷。對(duì)于＜63μm和＜10μm組分沉積物，渾善達(dá)克沙地的CIW值均高于科爾沁沙地，說(shuō)明渾善達(dá)克沙地的化學(xué)風(fēng)化程度和環(huán)境干冷度比科爾沁沙地略高，這也與CIA值一致。

由于CIW在處理富鉀長(zhǎng)石的巖石時(shí)，數(shù)值會(huì)變高，于是產(chǎn)生了CIW的替代指標(biāo)PIA，其值與CIA的一致性較好。為了減小后期成巖作用和交代作用的影響，F(xiàn)edo等[21]提出采用斜長(zhǎng)石蝕變指數(shù)（PIA）來(lái)校正斜長(zhǎng)石的風(fēng)化作用，能夠更加精確地推斷源區(qū)的風(fēng)化程度及物源區(qū)古氣候環(huán)境。其表達(dá)式為：

PIA=[（Al2O3-K2O）/（Al2O3+CaO*+Na2O-K2O）]×100。科爾沁沙地和渾善達(dá)克沙地均表現(xiàn)出較低的PIA值，科爾沁沙地＜63μm組分的PIA值為48.91～55.67，＜10μm組分的PIA值為50.38～55.93；渾善達(dá)克沙地＜63μm組分的PIA值為49.20～57.88，＜10μm組分的PIA值為51.15～59.10，表明二者的沉積物處于化學(xué)風(fēng)化的初等階段。可以通過(guò)PIA值看出，無(wú)論是＜63μm還是＜10μm組分的兩個(gè)沙地，渾善達(dá)克沙地的化學(xué)風(fēng)化和氣候干冷度比科爾沁沙地略高。

Parker[22]提出的包括堿性和堿土金屬元素的化學(xué)風(fēng)化指數(shù)（WIP）也反映不同的古氣候條件，但是WIP適用范圍較窄，僅僅包括堿性和堿土金屬元素。計(jì)算公式為：WIP=100×[（2Na2O/0.35）+（MgO/0.9）+（2K2O/0.25）+（CaO*/0.7）]，WIP對(duì)沉積循環(huán)和分選作用引起的石英和鋯石富集更為敏感?？茽柷呱车睾蜏喩七_(dá)克沙地均展現(xiàn)出較高的WIP值，科爾沁沙地＜63μm組分的WIP值為54.19～57.86，＜10 μm組分的WIP值為51.10～57.86；渾善達(dá)克沙地＜63μm組分的WIP值為41.16～57.81，＜10μm組分的WIP值為33.77～54.86，渾善達(dá)克沙地比科爾沁沙地的WIP值略低，顯示出渾善達(dá)克比科爾沁沙地的風(fēng)化和干旱程度略高，以上結(jié)果均表明渾善達(dá)克與科爾沁沙地的沉積物僅經(jīng)歷了低等程度的化學(xué)風(fēng)化且受到干冷環(huán)境的影響。

碎屑巖在成巖過(guò)程中如果受到K交代作用的影響，計(jì)算出的化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)會(huì)出現(xiàn)誤差，不能反映真實(shí)的化學(xué)風(fēng)化程度。A-CN-K三角圖解與CIA指數(shù)具有良好的一致性，樣品的落點(diǎn)可以反映CIA指數(shù)的高低。A-CN-K三角模型被Nesbitt[23]和Fedo等[21]提出用來(lái)反映源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化特征，能夠預(yù)測(cè)長(zhǎng)石的風(fēng)化趨勢(shì)，可用于檢測(cè)未經(jīng)風(fēng)化的源巖成分，還有助于探索風(fēng)塵沉積組分變化的氣候狀況。若風(fēng)化趨勢(shì)趨近含鉀礦物（蒙脫石和伊利石等）的連線，則表示化學(xué)風(fēng)化程度高；風(fēng)化趨勢(shì)接近于斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石連線，表明斜長(zhǎng)石尚未完全風(fēng)化。若平行于A-K連線，表明風(fēng)化程度加劇，K從含鉀礦物中大量淋失，蒙脫石和伊利石脫鉀轉(zhuǎn)變成高嶺石等含鋁礦物，風(fēng)化趨勢(shì)向A靠近，最終到達(dá)頂點(diǎn)A。將渾善達(dá)克與科爾沁沙地的風(fēng)塵沉積物投在A-CN-K三角模型中（圖6a），發(fā)現(xiàn)圖中各采樣點(diǎn)均被緊密地包圍在一起，集中在UCC附近且與ACN的連線平行，表明科爾沁沙地和渾善達(dá)克沙地均經(jīng)歷了一個(gè)較低程度的化學(xué)風(fēng)化過(guò)程，并且經(jīng)歷了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造和氣候條件。

4.2 成熟度與沉積循環(huán)特征

通常運(yùn)用成分變異指數(shù)（ICV指數(shù)）來(lái)評(píng)估沉積物的成熟度特征[24]。公式為：ICV=（CaO+K2O+Na2O+Fe2O3+MgO+TiO2+MnO）/Al2O3，CaO是包括碎屑碳酸鈣等在內(nèi)的所有組分中的CaO，F(xiàn)e2O3代表總鐵含量，其他常量元素含量用質(zhì)量百分比表示。比值＞1為高ICV值，表示富含非黏土礦物的成分不成熟，比值＜1則為低ICV值，意味著沉積物成分成熟?？茽柷呱车睾蜏喩七_(dá)克沙地ICV平均值分別為1.06和1.32，說(shuō)明沉積物中含有少量黏土礦物，成分成熟度低，科爾沁沙地沉積物成熟度略高于渾善達(dá)克沙地。

風(fēng)化指數(shù)（WIP）也可以用來(lái)區(qū)分首次循環(huán)和再循環(huán)沉積物[25]，其反映了Ca、Na、Mg和K元素的濃度，化學(xué)風(fēng)化和再循環(huán)作用越強(qiáng)，其值越低；化學(xué)風(fēng)化和再循環(huán)作用越弱，其值越高。當(dāng)CIA/WIP值小于10時(shí)為初次循環(huán)沉積物，10＜CIA/WIP＜100時(shí)則為多次循環(huán)沉積物?？茽柷吲c渾善達(dá)克沙地的CIA/WIP值均小于2，表明渾善達(dá)克與科爾沁沙地均是由初次循環(huán)沉積物形成的。在圖6b中，渾善達(dá)克沙地與科爾沁沙地的大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)接近化學(xué)風(fēng)化線，且都在風(fēng)化線以下，化學(xué)風(fēng)化弱，石英富集程度較低，說(shuō)明科爾沁沙地和渾善達(dá)克沙地中沉積物再循環(huán)程度低，大部分沉積物是由初次循環(huán)所組成的。

圖6 科爾沁沙地和渾善達(dá)克沙地的A-CN-K三角圖（a）和CIA-WIP圖解（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三角圖解可以用來(lái)區(qū)分循環(huán)沉積類型，也可以反映沉積物初始母巖的組成[26]。W表示巖漿母巖的化學(xué)風(fēng)化程度，M代表鐵鎂質(zhì)母巖，F(xiàn)代表長(zhǎng)英質(zhì)巖漿母巖。長(zhǎng)英質(zhì)火成巖的風(fēng)化趨勢(shì)沿F-W的曲線發(fā)展，而鎂鐵質(zhì)巖的風(fēng)化趨勢(shì)則沿MW線發(fā)展?？茽柷呱车貥悠罚?3μm組分的W指數(shù)為18.06～28.93，平均值為23.11；科爾沁沙地＜10 μm組分的W指數(shù)為25.08～31.21，平均值為26.33，渾善達(dá)克沙地樣品＜63μm組分的W指數(shù)為22.45～32，平均值為24.79；渾善達(dá)克沙地＜10μm組分的W指數(shù)為24.55～30.80，平均值為24.87，說(shuō)明源區(qū)化學(xué)風(fēng)化程度低。如果沉積物來(lái)源于巖漿母巖，那么沉積物組成趨勢(shì)線與巖漿巖組成的趨勢(shì)線相交；如果是再循環(huán)沉積物，則巖漿組成趨勢(shì)線與取樣點(diǎn)組成的趨勢(shì)線不相交。就渾善達(dá)克與科爾沁沙地而言（圖7a），取樣點(diǎn)靠近UCC（上地殼）分布，遠(yuǎn)離PAAS（后太古宙頁(yè)巖）分布，并且與巖漿所組成的趨勢(shì)線大致平行分布，表明渾善達(dá)克與科爾沁沙地經(jīng)歷了初級(jí)化學(xué)風(fēng)化程度和沉積物的再循環(huán)特征。

圖7 首次循環(huán)和再循環(huán)沉積物的MFW（a）與Th/Sc-Zr/Sc圖解（b）巖漿巖的平均組成參考文獻(xiàn)[27]，UCC和PASS值參考文獻(xiàn)[28]，大興安嶺東部花崗質(zhì)巖石的平均組成參考文獻(xiàn)[29]。Fig.7 MFW （a）and Th/Sc-Zr/Sc（b）of the first-cycle and recycled sediments with chemical weathering indices

最能夠反映沉積物分選和再循環(huán)特征的地球化學(xué)手段是Th/Sc與Zr/Sc二元圖解[30]。沉積分選和再循環(huán)過(guò)程往往伴隨著穩(wěn)定重礦物（如鋯石）的富集，而Zr元素主要賦存在鋯石中。因此Zr/Sc比值能有效地反映沉積物再循環(huán)的程度，Th/Sc比值對(duì)判斷巖漿化學(xué)分異過(guò)程和物源組成成分具有重要的指示意義。在圖7b中，渾善達(dá)克沙地與科爾沁沙地大部分沉積物沿巖漿成分分異線呈線性分布，表明受分選和再循環(huán)的影響較小，大部分沉積物是由初次循環(huán)形成，有一小部分沉積物偏離巖漿分異線，沿著沉積再循環(huán)作用的趨勢(shì)線分布，推測(cè)可能受到沉積物分選和再循環(huán)沉積作用的影響，這一小部分樣品為再循環(huán)沉積物。

4.3 渾善達(dá)克與科爾沁沙地的物質(zhì)源區(qū)

一些性質(zhì)穩(wěn)定的過(guò)渡元素（例如Co、Sc元素等），稀土元素（例如Al、Ti、Sc、Th、Zr元素等）和高場(chǎng)強(qiáng)元素（例如Th、Ti、Zr、Hf元素等）在風(fēng)化、遷移、成巖和變質(zhì)作用的地質(zhì)過(guò)程中不易轉(zhuǎn)移和淋失，因此這些穩(wěn)定的元素被廣泛應(yīng)用于辨別陸源碎屑沉積的物源類型。圖7b中渾善達(dá)克與科爾沁沙地樣品均在大興安嶺中東部花崗質(zhì)巖漿巖與花崗巖的附近聚集，并沿花崗巖、PASS和UCC的趨勢(shì)線分布，表明科爾沁沙地與渾善達(dá)克沙地的初始物源區(qū)可能為中酸性母巖。通常認(rèn)為酸性巖的Sc、Cr和Co元素明顯虧損，而La和Th元素明顯富集，因此La/Sc和Th/Co參數(shù)可用于判斷物源的組成成分[31]。渾善達(dá)克沙地＜63μm組分樣品中La/Sc為3.236～7.215，平均值為5.146，Th/Co為0.998～3.391，平均值為1.942；渾善達(dá)克沙地＜10μm組分樣品中La/Sc為3.373～7.589，平 均 值 為5.266，Th/Co為0.771～3.927，平均值為1.779?？茽柷呱车貥悠罚?3μm組 分 中La/Sc為3.039～6.390，平 均 值為4.499，Th/Co為1.007～3.935，平均值為1.937；科爾沁沙地樣品＜10μm組分中La/Sc為3.079～10.884，平均值為5.587，Th/Co為1.370～5.683，平均值為3.043，所得比值均與酸性物源相符，并且在La/Sc-Th/Co二元判別圖解中觀測(cè)到二者數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在酸性來(lái)源的沉積物范圍附近（圖8a）。在La-Th-Sc判別圖解[32]中（圖8b），所有樣品都聚集在花崗巖、TTG和長(zhǎng)英質(zhì)火山巖周圍，進(jìn)一步確定渾善達(dá)克沙地與科爾沁沙地的物源均以長(zhǎng)英質(zhì)中酸性花崗巖類為主。

圖8 陸源碎屑物源判別圖解a.La/Sc-Th/Co圖解，b.La-Th-Sc三角圖解。Fig.8 Identification diagram of terrigenous clastic sourcea.La/ Sc-Th/Co diagram,b.La-Th-Sc triangle diagram.

謝靜[11]等通過(guò)U-Pb測(cè)年分析發(fā)現(xiàn)渾善達(dá)克沙地的沙沉積物主要來(lái)自華北克拉通的燕山褶皺帶和中亞造山帶，證明了周圍山地是附近低地的沙地物質(zhì)源區(qū)[8]，這也符合沙地物質(zhì)的近源性特征?？紤]到中亞造山帶位于渾善達(dá)克沙地和科爾沁沙地的北部，并且渾善達(dá)克沙地的粒徑自西北向東南方向上有逐漸變小的趨勢(shì)，而科爾沁沙地是自西南向東北方向上有逐漸減少的趨勢(shì)，根據(jù)它們的空間位置和主導(dǎo)風(fēng)向?qū)Ρ?，認(rèn)為風(fēng)力是搬運(yùn)中亞造山帶物質(zhì)的主要?jiǎng)恿Α牡乩砦恢煤椭鲗?dǎo)風(fēng)向之間的空間關(guān)系（圖1）來(lái)看，由于受到冬季西北風(fēng)的影響，渾善達(dá)克沙地與科爾沁沙地的潛在源區(qū)可能為華北克拉通的燕山褶皺帶以及中亞造山帶的大興安嶺山脈。渾善達(dá)克沙地和科爾沁沙地的Sr-Nd同位素組成與中國(guó)干旱區(qū)（OD鄂爾多斯干旱地區(qū)、NMPT青藏高原北緣干旱地區(qū)）均具有明顯的成分差異，但與中國(guó)北方邊界附近干旱地區(qū)（NBC）有所交集（圖9），推測(cè)可能是大興安嶺中東部對(duì)科爾沁與渾善達(dá)克沙地進(jìn)行了物質(zhì)輸送。圖9中顯示出NBC與兩個(gè)沙地的共同區(qū)域范圍略有不同，與科爾沁沙地的交匯范圍要略微大于渾善達(dá)克沙地，表明中亞造山帶的大興安嶺山脈對(duì)科爾沁沙地的輸送程度要明顯高于渾善達(dá)克沙地。渾善達(dá)克和科爾沁沙地87Sr/86Sr值較低，εNd（0）值較高，暗示了在中亞造山帶的基礎(chǔ)上，可能有華北克拉通物質(zhì)的混入，且二者的87Sr/86Sr和εNd（0）值介于中亞造山帶（分別為0.710 587～0.713 900和-8.7～-0.9）[33]和華北克拉通（分別為0.714 824～0.719 218和-17.2～-11.8）[33]之間，顯示了中亞造山帶的大興安嶺西部和華北克拉通北部燕山山脈的物質(zhì)混合物為渾善達(dá)克沙地和科爾沁沙地的物質(zhì)來(lái)源。但是渾善達(dá)克沙地的εNd（0）均值更接近于華北克拉通，科爾沁沙地的εNd（0）均值更接近于中亞造山帶，表明渾善達(dá)克沙地的主要物質(zhì)源區(qū)為華北克拉通的燕山山脈，而科爾沁沙地的主要物質(zhì)源區(qū)為中亞造山帶的大興安嶺山脈。

圖9 科爾沁與渾善達(dá)克沙地和中國(guó)粉塵源區(qū)的Sr-Nd同位素組成對(duì)比NBC、OD、NMPT數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[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 西拉沐淪河對(duì)沙地地球化學(xué)組成的影響

風(fēng)和水的搬運(yùn)作用在干旱-半干旱區(qū)域的粉塵“源-匯”系統(tǒng)中扮演著重要的角色，它在不同時(shí)空尺度上受地形、氣候、水文、植被等因素的影響而表現(xiàn)不同。河流在風(fēng)沙地貌發(fā)育的過(guò)程中起到關(guān)鍵作用，一方面河流起到輸沙的動(dòng)力運(yùn)輸作用，為沙地與外界提供物質(zhì)聯(lián)系，另一方面基底床面也可以為風(fēng)沙地貌的發(fā)育提供場(chǎng)所[36]。西拉沐淪河為西遼河的北源，發(fā)源于克什克騰旗西南部的渾善達(dá)克沙地，流經(jīng)整個(gè)科爾沁沙地。本文采集的渾善達(dá)克沙地東緣樣品分布在克什克騰旗的南部（東南、西南），主要分布在正南（西拉沐淪河流域）和西南一帶，因此可以將渾善達(dá)克沙地東緣的樣品視為西拉沐淪河流域的上游。

在本文的研究中渾善達(dá)克沙地和科爾沁沙地在物源上主要分別受到華北克拉通北部的燕山山脈以及中亞造山帶東緣的大興安嶺山脈的約束，但是渾善達(dá)克與科爾沁沙地卻在地球化學(xué)組成中呈現(xiàn)出很大的相似性，例如二者具有相似的稀土元素配分模式、低等級(jí)的化學(xué)風(fēng)化程度、成熟度和沉積再循環(huán)程度。由于某些不活動(dòng)元素在風(fēng)化、沉積和搬運(yùn)的地質(zhì)過(guò)程中表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定，較好地保存了母巖的特性，因此可以用地球化學(xué)組成中的不活動(dòng)元素來(lái)追蹤沉積物的物源及源區(qū)組成[27,32,37]。在圖10a和10b中，僅用單一元素的比值可能存在偏差，因此在圖10c中選取了多個(gè)元素比值來(lái)消除誤差。在圖10c中，渾善達(dá)克沙地東部＜10μm的細(xì)顆粒組分與科爾沁沙地相同粒級(jí)組分有更緊密的親緣關(guān)系。在圖10中，科爾沁沙地的樣品均與渾善達(dá)克沙地東部有較多的地球化學(xué)親緣關(guān)系，暗示了發(fā)源于渾善達(dá)克沙地東部的西拉沐淪河可能起到紐帶連接作用，為科爾沁沙地提供了部分顆粒物質(zhì)。

圖10 不活動(dòng)元素比值的物源辨別圖解Fig.10 Provenance discrimination diagrams involving immobile elements

在物源示蹤方面，沉積物的Sr-Nd同位素組成提供了更為精確的信息，因此在沉積物物源鑒別方面具有更大的潛力[38]。來(lái)自不同地質(zhì)體的沉積物由于物源和沉積年齡不同有明顯不同的Sr-Nd同位素組成，并且Sr-Nd 同位素組成在風(fēng)化、搬運(yùn)和沉積等過(guò)程中能保持很高的穩(wěn)定性[39]，所以Sr-Nd同位素比值被廣泛用來(lái)解譯亞洲風(fēng)塵物源示蹤[33-35,39,40]。將渾善達(dá)克與科爾沁沙地?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)投影到圖9中，發(fā)現(xiàn)渾善達(dá)克沙地（特別是＜10μm組分）（87Sr/86Sr值為0.710 638～0.712 339，εNd（0）值為-12.37～-6.38）與 科 爾 沁 沙 地（87Sr/86Sr值 為0.709 436～0.712 122，εNd（0）值為-12.39～-4.27）樣品的Sr-Nd同位素含量較為接近（圖9中科爾沁沙地＜63μm和＜10μm組分充分混合，不易區(qū)分），表明渾善達(dá)克沙地可能經(jīng)過(guò)西拉沐淪河的搬運(yùn)作用向科爾沁沙地提供了部分顆粒物質(zhì)。但是，相比于＜63μm的顆粒組分，渾善達(dá)克沙地＜10μm組分與科爾沁沙地不同粒級(jí)組分有更緊密的同位素親緣關(guān)系，表明＜10μm組分更容易受到河流搬運(yùn)作用的影響，西拉沐淪河可能會(huì)攜帶更多的細(xì)顆粒物質(zhì)以懸浮搬運(yùn)的方式到下游，而粗顆粒物質(zhì)則只能通過(guò)跳躍或滾動(dòng)的方式在河流中搬運(yùn)。由于西拉沐淪河流域地處于干旱區(qū)，自然降水補(bǔ)給量逐年減少，并且上游農(nóng)業(yè)水土流失嚴(yán)重，根據(jù)下游水文站歷年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，西拉沐淪河在近25年內(nèi)共有12年斷流，水動(dòng)力條件弱，所以粗顆粒物質(zhì)只能近距離搬運(yùn)[41]。以上證據(jù)表明渾善達(dá)克沙地與科爾沁沙地通過(guò)西拉沐淪河進(jìn)行了物質(zhì)交換，西拉沐淪河是兩個(gè)沙地間細(xì)顆粒物質(zhì)搬運(yùn)的橋梁。

風(fēng)力搬運(yùn)在沙漠、沙地的形成和發(fā)展過(guò)程中也是一種必不可少的動(dòng)力介質(zhì)[42]。20μm通常被大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為是不同粉塵沉積物搬運(yùn)方式的粒級(jí)界限，地表風(fēng)通常能把＜20μm的細(xì)顆粒組分的粉塵搬運(yùn)數(shù)百甚至數(shù)千千米[43]。在圖9中，科爾沁沙地與渾善達(dá)克沙地＜10μm的細(xì)顆粒組分相似程度更高。渾善達(dá)克沙地與科爾沁沙地由于受到長(zhǎng)期穩(wěn)定的干冷氣候影響，使得春季西南風(fēng)的勢(shì)力范圍持續(xù)擴(kuò)大，將細(xì)顆粒粉塵物質(zhì)搬運(yùn)至更遠(yuǎn)的地方。結(jié)合研究區(qū)空間位置關(guān)系（圖1），科爾沁沙地與渾善達(dá)克沙地均位于哈爾濱的西南方向上，并被大興安嶺、小興安嶺以及長(zhǎng)白山等山脈三面包圍，且沙地面積廣闊，使得到達(dá)東北平原的西北風(fēng)只能從西南方向的渾善達(dá)克與科爾沁沙地進(jìn)入。研究表明，哈爾濱現(xiàn)代塵暴天氣主要是受春季的西南風(fēng)所影響，其主要來(lái)源于內(nèi)蒙古中東部和蒙古中部地區(qū)，通過(guò)西南氣流的輸送，先后經(jīng)過(guò)渾善達(dá)克沙地和科爾沁沙地，最后漂浮到哈爾濱[44]。這也與本文沙地的粒徑方向一致?？傊?，這兩個(gè)沙地在同一粉塵搬運(yùn)通道上，渾善達(dá)克沙地的細(xì)顆粒粉塵可以通過(guò)降雨、降雪等方式沉降于科爾沁沙地，沙塵天氣起到了橋梁的溝通作用。因此，根據(jù)研究區(qū)的空間位置、主導(dǎo)風(fēng)向以及地球化學(xué)組成對(duì)比，認(rèn)為風(fēng)力搬運(yùn)在沙地間＜10μm的細(xì)顆粒組分運(yùn)輸中也起到了一定的作用。因此，渾善達(dá)克沙地和科爾沁沙地間細(xì)顆粒物質(zhì)的交換可能是風(fēng)力和流水共同作用的結(jié)果。

5 結(jié)論

（1）渾善達(dá)克與科爾沁沙地具有較低的CIA值、PIA值和CIW值，高的WIP值，結(jié)合A-CN-K圖解，表明它們僅經(jīng)歷了低等程度的化學(xué)風(fēng)化。

（2）渾善達(dá)克與科爾沁沙地具有高的ICV值、低的Zr/Sc比值以及MFW圖解表明沉積物成熟度較低，經(jīng)歷了簡(jiǎn)單的沉積再循環(huán)過(guò)程。

（3）物源判別圖解表明渾善達(dá)克沙地與科爾沁沙地的母巖以中酸性花崗巖石為主，并且具有一個(gè)混合源區(qū)，華北克拉通北部的燕山褶皺帶和中亞造山帶東部的大興安嶺山脈分別為它們提供了物質(zhì)來(lái)源。

（4）渾善達(dá)克沙地的細(xì)顆粒物質(zhì)通過(guò)西拉沐淪河的搬運(yùn)作用進(jìn)行了物質(zhì)交換，輸送到下游的科爾沁沙地，其中＜10μm組分的細(xì)顆粒物質(zhì)還受到了地表盛行風(fēng)搬運(yùn)作用的影響。

致謝：地球化學(xué)組成分析得到中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃俊華研究員的支持。研究生孫磊和王嘉新參加了部分野外取樣和實(shí)驗(yàn)室樣品處理工作，在此一并表示感謝。