中国阿拉善沙漠和黄土之间物源分析

中国阿拉善沙漠和黄土之间物源分析王立强1，李明治11兰州大学西部环境教育部重点实验室，兰州(730000)E-mail：wanglq04@摘要：中国北方沙漠、黄土高原和青藏高原是亚洲粉尘释放的关键区域，元素示踪研究表明中国西部沙漠和北部沙漠是亚洲粉尘和黄土高原黄土的主要源区。

通过收集总结大量的大气观测、地球化学、地形数据以及粒度数据，对比当前研究已得到粉尘的成果和释放模式，初步认为中国黄土物质来源于阿拉善高原的巴丹吉林沙漠与腾格里沙漠。

这两个沙漠（包括阿拉善高原的戈壁）的源区是发育于祁连山北麓的弱水和石羊河山前冲洪积平原，近地面风是粉尘传输到阿拉善沙漠和中国黄土的主要动力。

物质从发育于祁连山北麓的弱水、石羊河山前冲洪积平原到阿拉善高原沙漠最后到黄土的搬运方式可能是以一种接力棒的型式进行的。

关键词：中国黄土、阿拉善高原沙漠、源区分布、示踪体系中图分类号：P512 . 21 引言前人研究[1-8]表明沙漠和黄土是同一风力作用下的孪生沉积，但因所在生物气候带、地形和风力大小等条件的差异，两者在空间上具有明显的沉积分异，对于两者物质的源区学术界众说纷纭。

我国北方的沙漠和黄土高原作为两个独立的环境地质单元，在晚新生代它们应有各自的演化历史，但从更大的时空尺度考虑，二者亦有密切的关联：主要都是由冬季风和西风从西部和北部沙漠搬运而来。

在第四纪干旱、寒冷的冰期，随着沙漠的东扩，黄土高原所接受的粉尘堆积通量和粉尘颗粒大小亦相应增加；而在温暖、湿润的间冰期，粉尘通量和颗粒随沙漠向西收缩而减小。

从这个意义上应将我国的沙漠、黄土视为一耦合的环境体系。

中国北方广泛分布着沙漠、戈壁以及沙化土地，这些地区主要受高空的西风环流和近地面的东亚季风所控制，其中北方向和西北方向的东亚冬季风是粉尘产生和输送的主要驱动力。

从广义上讲，靠近黄土高原北部的戈壁和沙漠以及西北的内陆盆地都可能是黄土高原的源区[19]。

那么黄土高原的风尘物质究竟来自何处呢？Bowler等认为柴达木盆地是黄土高原的重要粉尘源区，Derbyshire 等的工作表明祁连山北部巨大的山麓冲积扇是黄土高原西部黄土的主要源区，而方小敏等认为青藏高原是其东部邻近地区和远东-太平洋地区的重要粉尘源区。

中国北方粉尘释放区是全球粉尘释放源区的重要部分，国际上笼统地将中国干旱、半干旱区视为亚洲粉尘的主要源区，部分报道特别指出中国黄土高原为主要源区[38-39]。

卢演侍等[l4]比较早地提出了黄土源于中国沙漠的论点，张德二[40]根据历史时期降尘的天气学分析，也指出中国历史时期的降尘源于沙漠而不是黄土。

张小曳等[4]通过对“近源”中国沙漠与“远源”高空西风粉尘的元素示踪分析，证明晚第四纪以来输入黄土高原的粉尘其源地主要是中国沙漠。

所以，黄土的源区在目前来讲仍存在很大争议，需要进一步研究。

2 相关证据2.1 大气监测证据中国北方的沙尘暴源区主要分布在河西走廊和阿拉善高原、南疆盆地南缘以及内蒙古中部三地区[9]。

张小曳[26]通过统计近40年(1960～1999) 3～5 月份中国中等、强沙尘暴(持续时间在两天以上，且粉尘被中、长距离搬运的沙尘暴)的发生、发展规律，结合对中国戈壁、沙漠地区的野外调查，讨论了粉尘的源区与输送过程。

结果表明：中国有两个沙尘暴中心，其一为蒙古国南部及与之相邻的包括中国巴旦吉林、腾格里、乌兰布和、库布其、毛乌素等在内的戈壁、沙漠地区；其二为南疆的塔里木盆地。

周自江[10]利用1954到1998年中国681个气象站的气象实测资料，分析了近45年来我国扬沙和沙尘暴天气的时空分布特征。

结果显示：我国西北、华北、东北和肯藏高原地区是扬沙和沙尘暴的主要影响区，其中西北地区是多发区，并有两个明显的高频中心。

中国北方春季的沙尘天气与冷空气活动产生的大风是相伴出现的，而冷空气影响中国的路径主要有三条：东路从蒙古国东中部南下，影响中国东北、内蒙古东部、中部和山西、河北及以南地区；中路从蒙古国中西部东南下，影响中国内蒙古中西部、西北东部、华北中南部及以南地区；西路从蒙古国西部和哈萨克斯坦东北部东南移，影响新疆在内的西北、华北及以南地区[11]。

因此，河西走廊和阿拉善高原、南疆盆地南缘以及内蒙古中部三地区才有可能是中国黄土的物质源区，这就为河西走廊和阿拉善高原能够作为中国黄土的物质来源提供了足够的大气观测证据。

图1亚洲粉尘观测站点，源区，沉降分布（周自江，近45年中国扬沙和沙尘暴天气，2001）Fig 1Asian dust observation sites, the source area, the settlement distribution2.2 地球化学证据早期的研究笼统地认为中国的干旱半干旱区是中国粉尘释放源区，对于各沙漠及其邻近区、主要粉尘沉降堆积而成的黄土高原区是否是有效的粉尘释放源以及各自对大气中粉尘气溶胶的贡献究竟有多大无明确认识。

近年来，一些学者从Sr-Nd同位素地球化学的角度探讨了沙漠与黄土的内在联系。

例如Liu 等在对比了塔里木盆地、北天山和黄土高原中各类沉积物全样Sr、Nd 同位素地球化学特征的基础上提出塔里木盆地是黄土高原的一个源区，而北天山不是[15]；Yokoo 等的Sr-Nd 同位素工作暗示了塔克拉玛干沙漠不是黄土高原的主要源区[35]；陈骏[13]认为经过合理的前处理，Sr仍可作为良好的示踪指标。

他全面调查了中国北方的可能粉尘释放源区，选取＜70µm受后期风化作用影响较弱的硅酸盐组分进行Sr-Nd 同位素分析，最终认为巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和柴达木地区的沙漠是黄土高原的主要物源区。

由于这些工作是基于黄土高原沙漠来源的观点展开的，所以未形成一致认识。

稀土元素(REE)作为一种重要的物源示踪指标也被成功的应用于黄土物源研究中。

文启忠等[15]通过研究黄土稀土元素地球化学特征发现沙漠物质与黄土具有相似的REE配分模式，从而证明了黄土源于沙漠的观点；Sun[16]分析了柴达木盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地和黄土高原地区的黄土堆积中一些微量元素的比值和同位素特征及矿物组成，发现四个地区黄土的上述特征值都有自己特定的分布区域，表明了它们的不同物质来源区（图1）。

图2柴达木盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地和黄土高原沉积物微量元素特征对比图（据Sun et al，2002）Fig 2Qaidam Basin, Tarim Basin, Junggar Basin and the Loess Plateau, sediment trace element comparison chart 同时，张小曳等[5]利用Al、Fe、Mg和Sc作为示踪元素，通过以上元素的组配特征首次提出西北部沙漠（以塔克拉玛干沙漠为中心）、北部沙漠高粉尘区（以巴丹吉林沙漠为主，包括腾格里沙漠及乌兰布和沙漠）和北部沙漠低粉尘区这三个区域为有效粉尘释放源区，而古尔班通古特沙漠区，柴达木盆地（即青藏高原粉尘区）被排除在外。

众多学者的研究表明：就Sr-Nd同位素特征而言，巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠地区与柴达木盆地和黄土高原最为吻合，说明巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和柴达木地区的沙漠是黄土高原的可能物源区，但同位素特征的相似只能说明它们作为物源区的必要条件，而非充分条件。

柴达木盆地作为一个封闭的地形，无论从地貌还是环流条件都不太可能对黄土高原的堆积起重要的贡献[14]。

以上所有证据说明中国黄土的物质源区最大可能就是中国西北的巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠。

2.3 地形证据：第四纪冰期的来临使更多高海拔的年轻造山带遭受剥蚀而成为黄土的来源物质[3;8]。

曾经黄土高原的物质来源被认为来自包括西北三大内陆盆地(准噶尔、塔里木、柴达木)在内的广阔的沙漠、戈壁地区，但最新的研究揭示出，源自准噶尔和柴达木盆地的粉尘主要由低空气流搬运，受下风方向的山脉阻挡就近堆积成山麓黄土。

源自塔里木盆地的粉尘如果被近地面风搬运，则不可能移出盆地，而是堆积在昆仑山北麓；但如果被飙升到高空，则被西风急流携带，移出盆地而降落在北太平洋地区。

无论哪种情况，该盆地的粉尘都不可能对黄土高原有重要贡献。

因此，西北三大内陆盆地并非黄土高原的重要物源。

如前所述，张小曳[26]认为：来自南疆的塔里木盆地的粉尘对黄土高原的贡献极小。

由于该盆地北、西、南3 个方向均被平均海拔在4 000～5 000m左右的高山所阻挡，仅在东部有一通道，在盛行的东北风下，海拔在5 000m以下的粉尘既不可能从东部的出口移出，也不可能穿越山脉移出盆地，所以源自塔里木盆地被近地面风搬运的粉尘不可能是黄土高原的物源。

同样，柴达木盆地作为一个封闭的地形，无论从地貌还是环流条件都不太可能对黄土高原的堆积起重要贡献[14]。

2.4粒度证据粉尘记录有不同的沉积指标, 如粒度、数量浓度、质量浓度、沉积速率、沉积通量等[16-17]。

总的来说, 粉尘的通量代表的是源区的干旱程度, 而粉尘颗粒的大小则被认为是风力的反映。

黄土一般采用粒度指标, 反映的是搬运粉尘的风力(主要是低空冬季风)的强度.。

系统的粒度测量和沉积动力学研究发现，中国黄土由粗粒与细粒组分叠加组成，粗粒组分主要是低空季风环流产生的粉尘沉积;细粒组分代表主要由高空西风环流控制的背景粉尘。

粉尘搬运与沉积的气候动力学研究表明，构成黄土主要碎屑组分的粉砂级粉尘[19]。

而且具有高粉尘通量的中国西部沙漠源和北部沙漠源以及远源西风粉尘的元素示踪特征在统计上显著不相关，而且证明了黄土区现代粉尘、黄土一古土壤的主要物源是中国沙漠，并且主要供给区应该是中国北部，西北部以及东部沙漠中的一个。

[5]在过去的研究中,黄土的粒度变化一般被解释为受控于风力强度的改变,即它是冬季风变化的替代性指标。

但是从目前已有的研究看，以前的结论可能有些简单化，因为黄土高原西北部黄土沉积中出现大量的砂粒是不可能用风力强度增加所能解释的，而必须首先考虑沙漠范围变化这个因素.而古沙漠的研究已经表明，冰期- 间冰期波动过程中，我国沙地范围变化非常之大.在冰期气候发展到一定程度时，沙漠分布同现代大致相同; 而在间冰期如全新世温暖期,东部沙区基本为草原所覆盖,西部沙区的沙漠范围也大大缩小。

沙漠范围在全球或区域气候背景控制下的大幅度波动,势必要促使粉尘源区范围的改变,从而导致在同一地点沉积下来的黄土粒度的变化。

从沙漠-黄土过渡带的榆林到黄土高原的南缘渭南, 在这南北向的断面中,对9个黄土剖面进行了系统的采样和粒度分析. 通过观察晚更新世不同时期黄土沉积中砂粒( > 63μm)百分含量的空间变化后发现, 沙漠的进退变化是控制黄土沉积中颗粒变化, 尤其是砂粒含量变化的一个重要因素。

20 多年来粉尘释放的模拟研究取得了重要进展,主要表现在通过室内和野外实验证实了粉尘释放的主要机制为跃移颗粒的冲击,并分别从粉尘的结合能与跃移颗粒动能及跃移颗粒产生的弹坑体积角度来描述这个微观机制。