阿拉善沙漠风积砂元素空间分布规律及环境敏感性研究
沉积物的元素组成及相关指标的变化，可以指示区域气候变化和示踪沉积物来源。然而，当不同区域的气候条件和源岩物理化学性质等因素发生变化时，元素指标对气候变化和物源的指示意义也可能发生改变。因此，探究指示气候变化和物源的元素代用指标，在特定区域的环境敏感性，不仅有助于提高区域过去气候重建的可靠性，同时也是揭示区域沉积物来源的前提条件和关键。 沙漠是干旱-半干旱地区分布最广的地表景观之一，约占全球陆地面积的1/5。由于沙漠地区降水稀少，风积砂的风化、侵蚀、搬运和沉积过程与其他地区存在较大差异。因此，以往在其他地区指示气候变化和物源的元素代用指标在沙漠地区是否仍然适用，目前尚不清楚。本研究选择阿拉善沙漠（包括巴丹吉林、腾格里和乌兰布和沙漠）为研究区，采集了249个阿拉善沙漠现代表层风积砂样品、36个沙漠外围戈壁样品、32个基岩碎屑样品以及14个河湖相沉积物样品，通过X-射线荧光光谱仪（XRF）和电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测试了上述样品全样和不同粒径组分的常量、微量和稀土元素含量。根据这些样品的元素组成、含量及空间变化，揭示了阿拉善沙漠风积砂元素空间分布规律及其影响因素，探讨了沙漠/沙地风积砂多种化学风化指数的受控因素及其气候敏感性，发掘了沙漠地区新的降水代用指标，确定了干旱沙漠地区风积砂中可以准确揭示物源的稀土元素指标。主要得出以下认识： （1）明确了源岩物质组成、沉积分选以及再循环作用是阿拉善沙漠风积砂元素含量空间变化的主要控制因素。源岩物质组成的差异，不仅造成了巴丹吉林、腾格里和乌兰布和沙漠间Cr、Co、Ni等元素含量的明显差异，同时也导致了沙漠腹地风积砂元素含量显著区别于边缘地区。沉积分选作用主要影响了巴丹吉林和腾格里沙漠腹地风积砂SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O和Sr等元素含量的空间变化特征。而沉积再循环作用则影响了巴丹吉林、腾格里和乌兰布和沙漠间SiO2和K2O元素含量的变化特征。此外，由于区域气候条件对于阿拉善沙漠风积砂元素含量的空间分布影响较小，元素含量不能直接反映区域气候的变化。 （2）评估了阿拉善沙漠化学蚀变指数CIA(ChemicalIndexofAlteration)和Rb/Sr比值的气候敏感性。在阿拉善沙漠风积砂中，CIA和Rb/Sr比值并不随着气候因子（气温和降水）的变化而发生改变。这表明，气候条件对于CIA和Rb/Sr比值影响较小，非气候因素对于CIA和Rb/Sr比值的影响极其显著。源岩物质组成的差异、沉积分选作用所造成的粒度变化以及碳酸盐含量是影响阿拉善沙漠CIA和Rb/Sr比值空间变化的主要因素。因此，CIA和Rb/Sr比值变化不能指示该区域的化学风化强度，无法反映该区域的气候变化。 （3）在集成了中国北方沙漠/沙地风积砂元素数据的基础上，评估了中国北方沙漠/沙地10余种化学风化指数的气候敏感性。发现在中国北方沙漠/沙地风积砂全样中，10余种化学风化指数存在显著的区域差异，其变化主要受控于源岩物质组成的差异和粒度大小的变化，而非降水变化。因此，风积砂全样中化学风化指数无法反映沙漠/沙地化学风化的强度和降水的变化。此外，风积砂细粒（lt;125μm）组分中帕克风化指数WIP(WeatheringIndexofParker)与年平均降水量之间的强相关关系，表明WIP可以指示沙漠/沙地化学风化的强度和降水的变化。 （4）在评估沙漠/沙地常用化学风化指数气候敏感性的同时，进一步提出了DW指数，即(Al2O3+K2O)/Na2O（摩尔含量），用于指示沙漠/沙地斜长石化学风化的强度以及降水的变化。DW指数高值指示区域降水较多，反之，DW指数低值指示降水较少。由于DW指数可以揭示沙漠/沙地斜长石的早期风化过程，且具有不受次生碳酸盐影响以及粒度依赖性低等优势。因此，相对于其他化学风化指数，该指数更适用于沙漠/沙地。在沙漠表层风积砂中，当源岩物质组成未发生显著变化时，DW指数的变化与降水有较好的对应关系，证实了该指数对于沙漠/沙地降水的空间变化相对敏感。在腾格里沙漠南部的香山剖面中，DW指数重建的该区域19ka以来的降水变化，与腾格里沙漠及其周边地区的降水重建结果具有很好的一致性，证明了在风成沉积序列中DW指数的大小可以指示降水的变化。 （5）确定了Ce/Ce*、(La/Sm)N、(La/Gd)N、Y/Tb、Y/Er和Ce/Nd在干旱沙漠地区风积砂中可以准确揭示物源。在巴丹吉林沙漠中，沉积分选和再循环作用显著影响了(La/Yb)N和Y/REE的变化。因此，(La/Yb)N和Y/REE不能用于揭示沙漠风积砂来源。而Ce/Ce*、(La/Sm)N、(La/Gd)N、Y/Tb、Y/Er和Ce/Nd主要受到物源的控制，受化学风化作用、沉积分选和再循环作用影响小。此外，本研究使用(La/Sm)N和(La/Gd)N作为物源示踪指标，确定了巴丹吉林沙漠风积砂的粗粒（250-500μm和gt;500μm）组分主要来源于黑河的河流沉积物和沙漠西北部的戈壁物质。而巴丹吉林沙漠风积砂的细粒（lt;125μm）组分与其他粒径组分具有不同的物质来源，沙漠腹地的湖相沉积可能是风积砂lt;125μm组分的重要来源。 本研究评估了多种元素指标在沙漠地区的环境敏感性，为重建沙漠环境变化历史提供了明确的环境代用指标，为现代地表过程研究相对匮乏的干旱沙漠地区从地球系统科学的角度提供了新的认识和研究范例。
沙漠;风积砂;元素空间分布;环境敏感性
兰州大学
博士
地理学
李卓仑
2023
中文
P931.3
2023-09-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）