中國古代溝壑區(qū)壁畫墓沉積物主要元素組成特征分析

中國古代溝壑區(qū)壁畫墓沉積物主要元素組成特征分析

1中國北方束干旱區(qū)的物質(zhì)組成所有古代和現(xiàn)代沉積物都包含有關(guān)起源和發(fā)展的礦物和地球化學(xué)信息的信息。地層中各種元素的分布、遷移,除受元素本身理化性質(zhì)影響具有不同特性外,還因其在風(fēng)化、遷移和沉積過程中受氣候環(huán)境等變化影響而產(chǎn)生地球化學(xué)行為差異。這些條件決定了沉積物中化學(xué)元素和化合物的分布及其地球化學(xué)特征,據(jù)此可以討論它們的沉積環(huán)境及其與影響因素的關(guān)系,在分析物源和古環(huán)境重建等方面都有積極的作用。自20世紀(jì)50年代后期以來,學(xué)者們先后對黃土沉積物的主要化學(xué)成分和分布進行了較全面的研究,其后,又開展了微量元素、稀土元素研究。這些研究成果為討論黃土沉積物的物質(zhì)來源,堆積過程中的古氣候,古環(huán)境變遷及黃土的改造、利用提供了重要的資料。由于受交通和通信設(shè)施限制,目前有關(guān)中國北方沙漠和戈壁區(qū)沉積物的礦物和地球化學(xué)元素組成的報道也僅是一些從沙漠邊緣及東北沙地采集的樣品分析而來的珍貴資料,而對于廣袤的戈壁而言,要取得大量一手的資料困難很大。所以,真正有關(guān)沙漠沙物質(zhì)組成較為詳細(xì)的資料是從20世紀(jì)80、90年代才開始零星見于報道,主要涉及物源分析、侵蝕和沉積過程、粉塵輸送及大陸風(fēng)化與古環(huán)境重建等各個方面。這些報道使用礦物組成、元素和同位素示蹤的方法追溯沙漠沙的物質(zhì)來源,探討了沙漠和黃土沉積的地質(zhì)演化過程及產(chǎn)生的粉塵對現(xiàn)代環(huán)境影響。相比沙漠和黃土而言,國內(nèi)外關(guān)于戈壁形成和物質(zhì)遷移過程的研究要稍晚一些。經(jīng)過半個多世紀(jì)的探索,人們雖然對戈壁礫石面的形成過程有了初步的認(rèn)識,但關(guān)于戈壁的形成及物質(zhì)遷移過程的研究尚處在探索階段。在長期的風(fēng)化和成壤作用下,戈壁表層的礫石和其下伏沙物質(zhì)經(jīng)過風(fēng)力吹揚后在粒度和礦物組成發(fā)生變化的同時,也改變著化學(xué)成分,不同地貌位置、不同類型戈壁沉積物的化學(xué)成分也應(yīng)不盡相同。對戈壁表層沉積物的組成進行研究,既可以對它的形成年代和沉積環(huán)境做出判斷,也可以對其表面物質(zhì)遷移過程做出定性的分析。中國的西北干旱、半干旱區(qū)戈壁類型齊全,分布面積大,是研究戈壁形成和發(fā)育過程的天然實驗場,但真正有關(guān)戈壁的形成演化及開發(fā)利用的研究還非常薄弱,尤其針對不同類型戈壁沉積物元素地球化學(xué)特征尚缺乏系統(tǒng)的調(diào)查,這與中國西北廣袤分布的戈壁景觀特征極不相符。在國家科技項目的資助下,我們對中國西北天山南麓的哈密盆地、馬鬃山及黑河下游一帶的戈壁進行了詳細(xì)考察,并采集不同類型戈壁表層的沉積物樣品進行物質(zhì)組成分析。關(guān)于戈壁表面礫石形貌特征已另有行文討論,本文主要從地球化學(xué)組成方面討論了戈壁表層的沉積物特征,以探討戈壁沉積物在物質(zhì)組成和沉積過程方面的空間異質(zhì)性,從而揭示其物源信息及沉積意義。2學(xué)習(xí)方法2.1沉積物的采集和分級本次考察主要包括黑河下游兩岸、河西走廊和疏勒河下游的堆積戈壁,以及中蒙邊境馬鬃山和黑鷹山一帶的剝蝕戈壁。這一區(qū)域為中國戈壁的集中分布區(qū),基本包括了趙松喬所提出的各類型戈壁(圖1)。由于戈壁面積很廣,本次科考僅選擇各類典型戈壁做線路考察和取樣。鑒于戈壁表面多為粗大的礫石和碎屑所覆蓋,野外采樣時首先用數(shù)碼相機做垂直拍照,然后用鋼尺將戈壁表面所覆蓋的礫石輕輕撥開,用取樣鏟在50cm×50cm的區(qū)域內(nèi)隨機取0~5cm厚的下伏沉積物約1.5kg裝入事先編號的布袋,帶回實驗室分析。由于戈壁表層的沉積物多為礫石和沙土的混合物,無法直接磨樣和壓樣。首先對采集到的戈壁表層沉積物全樣用篩分法進行分級處理,然后再進行元素分析。沉積物分級處理用RetschAS200型全自動振篩機完成,考慮到戈壁沉積物有粘附現(xiàn)象,篩分前先用研缽對樣品適度研磨,將粘附于礫石表面或團聚在一起的沙粒分散開。沉積物全樣共篩分為6個粒級:>2mm(礫石)、0.5~2mm(粗沙)、0.25~0.5mm(中沙)、0.125~0.25mm(細(xì)沙)、0.063~0.125mm(極細(xì)沙)、<0.063mm(粉沙或塵),篩分定時2min,篩分完畢將各級沉積物分別裝袋、編號以備制樣。>2mm的礫石由于壓樣困難,不再參與分析。篩分后的沉積物樣品采用粉末壓片法制樣。具體步驟為:稱取4g粒度小于200目(約75μm)的樣品,將其在105℃下烘干后放入制樣模具,用硼酸鑲邊墊底,在30t的壓力下壓成鑲邊外徑為32mm的樣片放入干燥器中待測。2.2分析方法和標(biāo)準(zhǔn)樣品沉積物化學(xué)元素組成分析儀器為荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的順序式波長色散型X射線熒光光譜儀(型號Axios)。此儀器采用超尖銳陶瓷銠靶X射線光管,功率可達4kW,管流可達160mA。分析軟件為SuperQVersion5.0。所用的輔助分析設(shè)備均為中國北京眾合公司生產(chǎn),其中碳化鎢磨樣機型號為ZHM-1A,半自動壓樣機型號為ZHY-401A,儀器冷卻水循環(huán)系統(tǒng)型號為BLK2-8FF-R。選用國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的巖石成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07103-GBW07114、GBW07120-GBW07122、土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07401-GBW07408、GBW0743-GBW07430和水系沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07301a-GBW07318作為標(biāo)準(zhǔn)樣品。以國標(biāo)GB/T14506.28-93硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法X射線熒光光譜法為依據(jù),確定了各元素的最佳測試條件。3結(jié)果與分析3.1不同粒徑和粒徑沉積物中微量元素含量隨立地質(zhì)量的變化表1和表2分別列出了各類戈壁表層不同粒級沉積物的常量和微量元素組成?？傮w上看,戈壁表層沉積物的主要元素氧化物組成特征基本相似,各主要元素的含量差異不是很明顯,但不同粒級沉積物之間主要元素的含量還是略有差異。在全部戈壁表層沉積物樣品中,元素均以SiO2、Al2O3和CaO為主,平均含量分別為62.71%,10.50%和6.04%,三者之和達77.52%;其次為Fe2O3和Na2O,平均含量分別為4.31%和3.02%;而K2O和MgO含量相當(dāng),平均值分別為2.28%和2.21%;TiO2、P2O5和MnO的含量較少,分別占0.40%、0.08%和0.06%。這與McFadden等在美國加利福尼亞莫哈韋沙漠(MojaveDesert)區(qū)對漠蓋層(desertpavement)碎屑物化學(xué)組成研究的結(jié)果一致,只是本研究中戈壁表層SiO2含量略高一些。氧化物含量在不同粒徑沉積物中的差異與氧化物的種類有很大的關(guān)系,具體表現(xiàn)為:除剝蝕-殘積積-坡積石質(zhì)和粗礫戈壁外,SiO2的含量在其他幾種類型的戈壁中均表現(xiàn)出隨粒徑增大而增大的趨勢;Al2O3的含量在剝蝕(侵蝕)-堆積型戈壁中均表現(xiàn)為隨沉積物粒徑的增大而增大的趨勢,而在堆積型戈壁中則隨粒徑的增大而減小;Fe2O3和MgO的含量則在各類戈壁中均隨沉積物粒徑的增大而減小;其他主要元素的氧化物含量在各類戈壁中隨沉積物粒徑的變化不明顯。戈壁表層沉積物中微量元素的含量以Cl、Ba、Zr和Sr為主,而且除Cl外微量元素含量在各類戈壁之間基本上都沒有明顯差異。Cl元素在侵蝕-坡積-洪積礫石戈壁和洪積-沖積礫石戈壁中的含量變化明顯低于其他類型的戈壁,而且Cl元素在各粒級沉積物中的含量變化除剝蝕-坡積-洪積碎石和沙礫戈壁不規(guī)律外,在其他各類戈壁中均表現(xiàn)為隨粒徑的增大而減小的趨勢;Co元素在不同粒級沉積物中的含量隨粒徑的增大而增大,與Cl元素有相似規(guī)律,也表現(xiàn)出在粗顆粒中富集的明顯趨勢;V、Cr、Cu、Zn、Zr、Ce、Nd等元素在各類戈壁中的含量都隨沉積物粒徑的增大而減小,均表現(xiàn)為在細(xì)顆粒中富集的特征。3.2成分含量隨沉積物粒徑的變化為了更加明確地判斷戈壁表層沉積物在長期的風(fēng)化和成壤過程中的富集和淋失特征,將測得的各主要和微量元素組成與上部陸殼(UCC)的含量進行了比較,以分析戈壁演化過程中風(fēng)化物質(zhì)的遷移過程。圖2和圖3所示為戈壁表層沉積物的主要和微量化學(xué)元素經(jīng)UCC平均化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)果?？傮w上可以看出:與UCC的平均化學(xué)組成相比,戈壁表層沉積物中的主要元素除Si基本與UCC保持一致外,其余各元素均在不同程度上表現(xiàn)出了富集和淋失特征。在剝蝕(侵蝕)-堆積戈壁中各主要元素富集和淋失特征隨沉積物的粒徑變化不明顯,而在堆積型戈壁中,除Si元素和K元素隨粒徑變化不明顯外,其余元素都呈現(xiàn)出隨沉積物粒級變化而變化的特點,尤其在洪積-沖積礫石戈壁中各個元素隨粒徑的變化非常明顯,這可能與戈壁的洪積-沖積戈壁的物源和沉積風(fēng)化過程比較復(fù)雜有關(guān)。在所有主要元素中,P、K和Na元素在各種類型戈壁中的不同粒級沉積物中都表現(xiàn)出淋失特征,其中以P元素的虧損最為嚴(yán)重,其次為K元素和Na元素。Al元素在剝蝕(侵蝕)-堆積戈壁中的淋失比較輕微,但在堆積型戈壁中均表現(xiàn)出了明顯的淋失。Ca元素在剝蝕(侵蝕)-堆積戈壁中發(fā)生了富集,尤其在剝蝕-殘積-坡積石質(zhì)和粗礫戈壁中的富集程度最為明顯,但在堆積型戈壁中只有洪積礫石戈壁發(fā)生了富集,其余兩類戈壁中還表現(xiàn)出了不同程度的淋失特征。Ti和Mn元素在剝蝕-坡積-洪積碎石和沙礫戈壁和侵蝕-坡積-洪積礫石戈壁中的富集相對明顯,但在其他類型戈壁中卻表現(xiàn)出粗顆粒中淋失而細(xì)顆粒中富集的特征。Fe元素和Mg元素除在洪積-沖積礫石戈壁發(fā)生明顯的淋失外,在其余幾種類型戈壁中的淋失和富集與沉積物的粒徑有關(guān),也基本上表現(xiàn)為粗顆粒中淋失而細(xì)顆粒中富集的特征。對比UCC而言,Ba元素在各類戈壁中的含量與UCC接近,沒有發(fā)生明顯的淋失和富集過程,Co元素顯示明顯的富集而Nb元素發(fā)生明顯的淋失。微量元素在兩大類型戈壁中隨沉積物粒徑的變化與主要元素基本一致,即:各微量元素富集和淋失特征隨沉積物的粒徑變化在剝蝕(侵蝕)-堆積戈壁中不大,而在堆積型戈壁中比較明顯。其余的微量元素中,V和Cr元素在剝蝕(侵蝕)-堆積戈壁中表現(xiàn)了富集特征,而在堆積型戈壁中Zn元素表現(xiàn)了明顯的淋失特征,尤以0.5~2mm的粗顆粒中Zn的淋失最為嚴(yán)重。Rb元素在各類戈壁在中都表現(xiàn)了淋失特征,而Sr元素除在剝蝕-殘積積-坡積石質(zhì)和粗礫戈壁中有富集外在其余類型戈壁中也都表現(xiàn)出淋失特征。其余各微量元素的富集和淋失都與戈壁類型和沉積物粒徑大小有關(guān)。這表明戈壁表層的沉積物在經(jīng)過長期的風(fēng)化和搬運沉積后,發(fā)生充分的物質(zhì)遷移和交換,使之化學(xué)組成一部分趨近與UCC的平均化學(xué)組成,一部分發(fā)生風(fēng)化淋失與富集。3.3壁后ba-sr散點分布干旱區(qū)陸表沉積物中,Ba和Sr的載體礦物主要是鉀長石、斜長石。相對其他微量元素,Ba和Sr的性質(zhì)較穩(wěn)定,在礦物分解的過程中基本保持著原生時的Ba、Sr豐度特征。加之這些礦物是風(fēng)成沉積的主要成分,所以Ba和Sr在一定條件下可作為了解沙物質(zhì)來源的示蹤元素。將全部戈壁樣品的微量元素Ba和Sr的含量投影到Ba-Sr散點圖上,可以看出,不同類型戈壁的Ba-Sr散點投影總體比較分散,但每一類戈壁中不同粒級沉積物中的BaSr散點還是相對集中分布,不同類型的戈壁Ba-Sr散點分布相差很遠(圖4)。另外,圖4還顯示,同一類型的戈壁不同粒徑沉積物的Ba-Sr散點圖投影非常分散,沒有集中在一起,同一粒級的沉積物分布更加分散。這些現(xiàn)象都表明,戈壁表層沉積物的物質(zhì)混合或遷移只發(fā)生在局部范圍內(nèi),沒有發(fā)生大范圍、長距離的遷移和混摻。4討論4.1化學(xué)風(fēng)化及其所指示的沉積意義4.1.1化學(xué)風(fēng)化程度的測量化學(xué)蝕變指數(shù)(ChemiealIndexofAlteration,簡稱CIA)最早是由Nesbitt等在對加拿大太元古代Huronian超群的碎屑巖研究時作為一個反映源區(qū)風(fēng)化程度的指標(biāo)所提出。后來,隨著相關(guān)研究的深入,它被用于定量判定沉積物遭受的化學(xué)風(fēng)化程度以及沉積時的氣候環(huán)境。CIA值排除了碳酸鹽礦物的影響,主要反映硅酸鹽礦物的風(fēng)化程度,可有效指示樣品中長石風(fēng)化成黏土礦物的程度,與樣品中黏土礦物和長石的比值呈正相關(guān),故可定量表示硅酸鹽礦物的化學(xué)風(fēng)化強度。所以,通常認(rèn)為沉積物的風(fēng)化越強,則CIA值越大,未風(fēng)化的長石CIA值為50,而伊利石和蒙脫石的CIA值為75~85,而高嶺石和綠泥石的CIA值約為100(表3)。根據(jù)Nesbitt等的研究,現(xiàn)代沉積物CIA值為50~65,反映寒冷、干燥的氣候條件下低等的化學(xué)風(fēng)化程度;CIA值為65~85,反映溫暖、濕潤條件下中等的化學(xué)風(fēng)化程度;CIA值為85~100,反映炎熱、潮濕的熱帶亞熱帶條件下的強烈的化學(xué)風(fēng)化程度?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)CIA的表達式為:式中:主要成分均以摩爾份數(shù)表示,CaO*指硅酸鹽中的CaO,即全巖中的CaO扣除掉化學(xué)沉積的碳酸鹽和磷酸鹽中的CaO的摩爾份數(shù)。根據(jù)測試條件和研究對象不同,對于CaO*的計算和校正有多種處理方法,其中,Honda等在計算塔克拉瑪干沙漠沙質(zhì)沉積的CIA時采用公式為:式中:62是Na2O的摩爾質(zhì)量,2表示1摩爾Na2O中含有2摩爾Na。Honda等的公式假定塔克拉瑪干沙漠中斜長石(Plagioclase)的含量與平均上部陸殼UCC的含量相似,Ca和Na的摩爾份數(shù)之比約為1∶3。由于沙子中沒有其他的礦物含Na,Na2O的含量必然和鈉長石有密切聯(lián)系。然而,Honda等發(fā)現(xiàn),用該方法計算出的CIA值具有很大的不確定性,尤其在計算細(xì)顆粒的CIA時,要比真實值大。McLennan等提出的關(guān)于CaO*含量的校正方法為:式中,如果校正后的CaO的摩爾份數(shù)小于Na2O的摩爾份數(shù),則采用校正后的CaO摩爾數(shù)作為CaO*的摩爾份數(shù);反之,則采用Na2O的摩爾份數(shù)作為CaO*的摩爾份數(shù)。該方法被眾多的研究者用于計算不同沉積物的CIA值,取得了良好的效果,因此,本文中所有的CaO*的值據(jù)此方法獲得。戈壁表層沉積物的CIA值為34.98~64.17,平均值為50.36,與中國黃土的平均CIA值接近(59.2),略高于UCC值(48),小于陸源頁巖的CIA值(70.4,表3)。戈壁沉積物CIA值在各個粒徑之間的差別也很大,總體上表現(xiàn)為粗顆粒CIA值偏小,而細(xì)顆粒偏大,這與粉沙級顆粒經(jīng)歷的風(fēng)化程度較高有關(guān)(圖5)。各個類型戈壁沉積物CIA之間的差異與戈壁的物源和沉積環(huán)境有關(guān)。戈壁表層沉積物遭受了中等的化學(xué)風(fēng)化,比中國沙漠中的風(fēng)沙所經(jīng)歷的化學(xué)風(fēng)化程度高。從大的區(qū)域上看,靠近山體的戈壁沉積物CIA值略高于黑河流域中央戈壁沉積物的CIA值(圖5),這種情況說明,戈壁長期處于干燥、多風(fēng)的氣候條件下,首先經(jīng)受的主要是巖石碎屑的物理破碎過程,即物理風(fēng)化,而在后期的成壤改造過程在中根據(jù)沉積環(huán)境和氣候條件的差異,發(fā)生了不同程度的化學(xué)風(fēng)化。由于天山東南的山前洪積扇戈壁受山體影響,降水條件要比黑河中下游戈壁較好,所以其化學(xué)蝕變指數(shù)CIA值略大一些。4.1.2大陸風(fēng)化趨勢CIA值既可以用無量綱的數(shù)值來表示,如表3所列的常見巖石和礦物的CIA值,也可以用A-CN-K圖解來形象、直觀地表現(xiàn)不同樣品CIA值在三角圖解中的分布情況(圖6A),并可判斷樣品的源巖成分及風(fēng)化特征。該圖解是基于質(zhì)量平衡原理、長石淋溶實驗和礦物穩(wěn)定性熱力學(xué)計算的大陸風(fēng)化趨勢預(yù)測模型,被廣泛地運用于反映陸殼化學(xué)風(fēng)化趨勢及化學(xué)風(fēng)化過程中沉積物的主成分和礦物學(xué)變化。圖6A的A端代表Al2O3的摩爾值(%);CN端代表CaO*+Na2O的摩爾值(%);K端代表K2O摩爾值(%)。通常,氣候因素控制著沉積物(巖)的化學(xué)風(fēng)化程度,構(gòu)造因素則控制著源巖的剝蝕和供應(yīng)程度。如果沉積物主元素成分變化不大或A-CN-K三角圖解中樣品點的分布區(qū)域緊湊集中,反映出源巖化學(xué)風(fēng)化和剝蝕的相對穩(wěn)定狀態(tài)。反之,若源巖的主化學(xué)元素成分變化大,三角圖中樣品點分布分散而且不緊湊,則表明氣候和構(gòu)造環(huán)境都處在非穩(wěn)定狀態(tài)。已有的資料表明,上部陸殼主要由斜長石和鉀長石構(gòu)成(約占礦物總量的50%以上),由于長石屬于易風(fēng)化的不穩(wěn)定礦物,因此在大氣圈、水圈和生物圈的直接作用下,大陸風(fēng)化是地球表層系統(tǒng)中最活躍的地質(zhì)作用之一。根據(jù)質(zhì)量平衡原理,長石淋溶實驗和礦物穩(wěn)定性的熱力學(xué)計算,Nesbitt等提出大陸化學(xué)風(fēng)化趨勢預(yù)測的A-CN-K三角模型圖,并以此來判斷預(yù)測各種巖石和沉積物的風(fēng)化趨勢。從該模型中可以看出,大陸風(fēng)化的早期階段以斜長石的風(fēng)化為標(biāo)志,風(fēng)化產(chǎn)物以伊利石、蒙脫石和高嶺石為特征,風(fēng)化趨勢線(圖6A,長實線箭頭)準(zhǔn)平行于A-CN連線,屬典型的大陸風(fēng)化趨勢線。同時,由于河流溶質(zhì)代表了大陸風(fēng)化過程中的可溶組分,其組成點落在風(fēng)化趨勢線的反向延長線上。當(dāng)風(fēng)化趨勢點抵達A-K連線,表明風(fēng)化剖面中斜長石全部消失,風(fēng)化作用進入以鉀長石和伊利石風(fēng)化為標(biāo)志的中級階段,風(fēng)化趨勢線(圖6A,短實線箭頭)平行于A-K連線。在大陸風(fēng)化的晚期階段,風(fēng)化產(chǎn)物的組成落在A點附近,風(fēng)化產(chǎn)物以高嶺石-三水鋁石-石英-鐵氧化物組成為特征。這種化學(xué)風(fēng)化趨勢模型已經(jīng)在不同地區(qū)和各種母質(zhì)的風(fēng)化剖面中得到驗證。從圖6A可以看出,戈壁表層沉積物的A-CN-K三角投影點大多集中分布在UCC的風(fēng)化趨勢線的端點和中部,僅有個別分布在化學(xué)風(fēng)化線的外圍,總體風(fēng)化趨勢基本與UCC相近。這進一步說明,戈壁表層沉積物的化學(xué)組成類似于大陸地殼平均組成,反映了戈壁沙沉積物組成的均一性,與UCC化學(xué)組成相近,有相似的A12O3、CaO、Na2O、K2O、TFe2O3和MgO的相對含量,處在基本未受或較弱的大陸化學(xué)風(fēng)化的初、中級階段。在極端干旱的氣候條件下戈壁表層沉積物缺少有效的化學(xué)風(fēng)化過程。個別分散在風(fēng)化趨勢線外圍的點也反映出不同類型戈壁物質(zhì)組成和風(fēng)化特征還是有些差異,這與其物源和發(fā)育環(huán)境有關(guān)。由于經(jīng)歷了長距離的搬用、分選和再沉積過程,沖積-洪積戈壁的沉積物物理組分中的細(xì)粒組分所占比例較大,所以其化學(xué)組成和風(fēng)化特征與中國黃土一致,在A-CN-K三角圖中落在相同的區(qū)域,甚至風(fēng)化程度還要略高于黃土。從圖6A中還可以看出,戈壁沉積物的化學(xué)組成及風(fēng)化特征與陸源頁巖的平均化學(xué)成分有明顯的差別,但與UCC的平均化學(xué)成分及風(fēng)化特征相近似,而且戈壁表層沉積物的成分變異指數(shù)(ICV)全部都大于1,最大為8.4,平均為4.1(表1),反映了戈壁表層的沉積物是在干燥、寒冷條件下的初期沉積。此外,同類戈壁組成點在風(fēng)化趨勢線上的分散情況表明,戈壁表層不同粒級的沉積物遭受的化學(xué)分化程度有所差異,這與戈壁下伏沉積層經(jīng)歷的成壤過程有關(guān)。4.1.3fe、mg元素組合A-CN-K圖解通過堿金屬元素和Al元素含量組合反映化學(xué)風(fēng)化程度和礦物學(xué)變化,無法反映其他金屬元素的遷移特征和風(fēng)化過程。A-CNK-FM圖解(圖6B)則通過指示Fe和Me元素的組成差異來反映沉積風(fēng)化過程中元素的遷移和富集過程。在該圖解中,A端代表Al2O3的摩爾值(%);CNK端代表CaO*+Na2O+K2O的摩爾值(%);FM端代表Fe2O3+MgO摩爾值(%)。FM值的大小可以預(yù)測風(fēng)化過程中含F(xiàn)e和含Mg礦物的分解及元素流失方向。圖6B的A-CNK-FM圖解顯示,各類戈壁表層沉積物基本上集中投影在中心區(qū)域,不同類型戈壁之間的各元素組合差異不明顯,但不同粒徑沉積物之間的元素組合還是有所差異。相對而言,Fe、Mg元素組合在不同粒徑顆粒之間的差異比堿金屬和Al元素含量在空間上差異略大。出現(xiàn)這種情況的可能原因是戈壁表層沉積物質(zhì)在搬運、沉積過程中含Na、K、Al的礦物含量基本穩(wěn)定,而富含F(xiàn)e、Mg等元素的鐵鎂質(zhì)礦物(黑云母+角閃石)分化比較明顯,從而導(dǎo)致Fe、Mg含量的空間分異。這主要是由于鐵鎂質(zhì)礦物物理化學(xué)穩(wěn)定性較差、礦物解理較為發(fā)育導(dǎo)致其在沉積和搬運過程中由于機械作用(磨損、分選)易遭破碎和風(fēng)化,經(jīng)過后期的分選將傾向在較細(xì)的組分中富集,從而使粒度較粗的沙物質(zhì)缺少鐵鎂質(zhì)組分,Fe、Mg等金屬元素相對虧損,但粒度較細(xì)的粉塵級沉積物Fe、Mg元素相對含量較高(表1)。4.2化學(xué)組成及風(fēng)化干旱的氣候條件下,沙漠、戈壁又是沙、礫石的侵蝕(剝蝕)、搬運、堆積過程的產(chǎn)物。戈壁礫石的物質(zhì)來源基本上是“就地”或“近地”補給,而其搬運過程以流水和風(fēng)力作用為主。過去,傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為戈壁的形成過程主要是“風(fēng)蝕”作用,不論是剝蝕戈壁或者是堆積戈壁,都系基巖或巖屑經(jīng)過長期的風(fēng)化就地殘積,或者通過坡積、沖積和洪積作用,在短距離內(nèi)搬運和堆積而成。風(fēng)力又在原來的剝蝕和堆積面上進行分選、吹蝕,把細(xì)粒物質(zhì)帶走,粗粒物質(zhì)殘余原地,這樣長期的“風(fēng)蝕”作用下,地表越變越粗,從而形成“礫面”。但這種“風(fēng)蝕”觀遭到了部分學(xué)者的反對,他們通過野外觀測和室內(nèi)實驗驗證后發(fā)現(xiàn),礫石覆蓋面的形成是一種表面累集過程,也就是說粉塵沉淀和風(fēng)化成壤、鹽脹、干濕、凍融循環(huán)等作用導(dǎo)致礫石向表面聚集,長期作用后形成穩(wěn)定礫石面。這些作用加劇了礫石面下伏碎屑物的風(fēng)化破碎,從而補充到礫石縫隙,逐漸抬高整個礫石面。但這些研究大多局限在空間尺度較小的范圍內(nèi),沒有進行過大范圍、跨單元的全面考察和取樣分析。我們對各種類型的戈壁都進行了沉積物采樣分析,對其化學(xué)組成做詳細(xì)研究。我們的結(jié)果更加趨向于支持后一種觀點,即:戈壁的原位風(fēng)化和沉積循環(huán)過程。不論是從主要化學(xué)的元素組成,還是微量元素Ba-Sr圖示,以及化學(xué)蝕變指數(shù)CIA都反映出戈壁表面沉積物的這種就地分選過程。在圖4中,同類型戈壁的Ba-Sr散點集中在一起,而不同類戈壁之間相差很大。這更加有力地說明,在同一類型戈壁的下伏沉積物具有相同或相近的物質(zhì)來源,沉積物在長期的風(fēng)化和成壤過程中所發(fā)生的物質(zhì)遷移和交換空間有限,沒有經(jīng)歷大范圍、長距離的搬運、摻混和沉積。同時,在圖4中的同類戈壁不同粒徑沉積物Ba-Sr散點的分布也同時證明,各個粒級的沉積物在經(jīng)歷侵蝕和風(fēng)化成壤過程中有很好的繼承關(guān)系。按照以往傳統(tǒng)觀念(戈壁粉塵沉積物是外源長距離輸送而來),那么在不同類型的戈壁下伏沉積物中粉塵的來源應(yīng)當(dāng)是一致的,在Ba-Sr散點圖上粉塵一級的都應(yīng)當(dāng)集中在一起,而不應(yīng)呈分散狀。然而,在圖4中,我們發(fā)現(xiàn)對粒徑<0.063mm的粉塵沉積物而言,其Ba-Sr散點在每一種戈壁類型中都沒有偏離它的所在的戈壁類群,這恰好說明戈壁礫石層下伏的黏土不是外源搬運沉淀而來,而是局地巖屑就地風(fēng)化后再經(jīng)過后期的成壤作用沉淀而來。另外,不論是從CIA值反映的情況還是圖6中主要金屬元素三角圖解所指示的結(jié)果均表明,不同類型戈壁表層的沉積物化學(xué)組成和風(fēng)化程度在區(qū)域上雖有所差異但不明顯,而不同粒徑沉積物的物質(zhì)組成和風(fēng)化還是有明顯的差異。這揭示出在其長期形成和演化的過程中,戈壁表層的物質(zhì)在大范圍的遷移不太可能,而多數(shù)發(fā)生在局地的風(fēng)化和沉積循環(huán)過程中。5化學(xué)風(fēng)化和沉積相本文通過篩分法將戈壁表層沉積物進行分級處理后,對不同粒徑的沉積物地球化學(xué)元素組成進行了分析?？傮w來講,各類戈壁表層沉積物的主要元素氧化物組成特征基本相似,但不同粒級沉積物之間主要元素的含量還是略有差異。與UCC的平均化學(xué)組成相比,戈壁表層沉積物中的主要元素除Si基本與UCC保持一致外,其余各主要元素均在不同程度上表現(xiàn)出了富集和淋失特征。微量元素在兩大類型戈壁中隨沉積物粒徑的變化與主要元素基本一致,即:各微量元素富集和淋失特征隨沉積物的粒徑變化在剝蝕(侵蝕)-堆積戈壁中不大,而在堆積型戈壁中比較明顯。戈壁表層的沉積物在經(jīng)過長期的風(fēng)化和搬運