中国北方沙尘暴发生源地调查与沙尘暴物质来源探讨

王永　迟振卿　姚培毅　刘训　闵隆瑞

（中国地质科学院地质研究所，北京，100037）

摘要　本文通过对北京—临河—额济纳旗地表沙尘样品的地球化学、同位素组成等调查，分析了中国北方地区沙尘暴发生源地之一额济纳旗沙尘暴形成的原因与天气条件，并讨论了额济纳旗—北京地表沙尘样品的物质组成与来源问题。Sm/Nd同位素与氧化物特征表明，额济纳旗—北京的地表沙尘主要来源于基岩或土壤就地风化侵蚀，异地成分的贡献较小。北方沙尘暴的发生主要是由于当地气候条件与生态环境的恶化造成的。

关键词　沙尘暴　地球化学　组成　来源

1　沙尘暴概况

沙尘天气分为浮尘、扬沙、沙尘暴和强沙尘暴四类。沙尘暴是指强风将地面大量尘沙吹起，使空气很混浊，水平能见度小于1km的天气现象；沙尘暴的形成至少要有三个条件，一是有利于产生大风或强风的天气形势，二是有利的沙、尘源分布，三是有利的空气不稳定条件。强风是沙尘暴产生的动力，沙、尘源是沙尘暴形成的物质基础，不稳定的空气状态是重要的局地热力条件，利于风力加大、强对流发展，从而夹带更多的沙尘。

关于沙尘暴现象国内外已进行了许多研究，但多数是现象和灾情的描述，仅限于个例分析，或者天气形势的特征分析等方面。迄今尚没有弄清被风刮起的沙尘是以什么样的途径运动的，因为人们无法跟踪沙尘的整个运动过程。卫星所提供的图像也只能看到沙尘飞越太平洋的情景，但在陆地上的运动无法观察。由于缺乏各种数据，目前还无法建立沙尘暴的计算模型。沙尘飘得远近取决于其沙粒在空气中的漂浮高度，到目前为止，观察沙尘漂浮高度还只能靠专门的激光测量仪。但是，激光测量仪的缺陷是测量范围小，只能探测到空中很小区域，还无法判断沙尘的运动方向。

沙尘暴是我国北方地区的一种主要灾害性天气，它突发性强、破坏力大，难以预报和防御。我国西北、华北大部、青藏高原和东北平原地区沙尘暴年平均日数普遍大于1天（钱正安等，1997），是沙尘暴的主要影响区（高尚玉，2000；胡金明，1999），天山以南大部分地区沙尘暴年平均日数大于10天，是沙尘暴的多发区；塔里木盆地及其周围地区、阿拉善和河西走廊东北部是沙尘暴的高频区，沙尘暴年平均日数达20天以上，局部接近或超过30天，如新疆民丰36天、柯坪31天、甘肃民勤30天等（徐启运等，1997）。

目前我国正处于沙尘天气非频发期的上升期。近年来，我国沙尘暴的强度有所增强，强沙尘暴的次数增加，统计表明，上世纪60年代特大沙尘暴在我国发生过8次，70年代发生过13次，80年代发生过14次，而90年代至今已发生过20多次，并且波及的范围愈来愈广，造成的损失愈来愈重。

本文拟从北方沙尘暴发生源地之一及途径地区地表沉积物的地质、地球化学等方面入手，分析不同地区地表沉积物的变化特征，研究沙尘暴发生与移动过程中源地物质对局地沙尘的贡献，探讨沙尘暴发生源地及其传播路径。本次工作中的样品取自北京至额济纳旗沿途地表风积物（图1）。

图1　北京—额济纳旗地表沙尘样品取样路线

2　我国北方沙尘暴物质组成特点及来源探讨

内蒙古额济纳旗位于巴丹吉林沙漠边缘，河西走廊北部。该地区靠近沙漠，具备丰富的沙源条件，河西走廊是冷空气活动的通道，是我国沙尘暴天气发生运移路径（北方路径）中的主要源地之一。据统计，1952～1994年我国有记载的48次强和特强沙尘暴中，仅额济纳旗就发生了6次。不仅给农牧业生产造成严重损失，有时还造成人畜伤亡。对该地区沙尘暴发生的特征进行调查分析，并探讨其发生的天气条件，可以为沙尘暴天气的预报预防工作提供依据。

21　沙尘样品的Sm-Nd同位素特征

211　Sm-Nd同位素原理

稀土元素Nd在自然界中存在143Nd和144Nd两种同位素，144Nd由放射性元素147Sm衰变而来，因而也称其为放射性成因Nd。143Nd则多富集于酸性铝硅酸盐中，通常称为陆源Nd。Nd同位素组成用143Nd/144Nd比值来表示。一般认为，在许多地质过程中w（Sm）/w（Nd）的分异很小，Sm-Nd体系可以保持封闭。

利用Nd同位素进行物源、古环境演化研究（刘季花，1998；孟宪伟，2001）始于对海洋沉积物的研究。近些年来，有人通过将海底沉积物的细粒组分（粘土）、洋面上的尘埃和气溶胶的Nd同位素组成与古地盾、沙漠的Nd同位素值进行比较，借此确定风成物质的来源（Grousset,1988；Donald,1988）。许多研究已经证明，细碎屑沉积物可以代表相当大区域内大陆地壳的平均成分，由于沉积过程中几乎可以忽略不计的Sm/Nd分异，碎屑沉积岩的Nd模式年龄被认为可反映沉积物源区的平均地壳存留年龄；碎屑沉积物本身也可反映物源供给区的化学成分和同位素成分的特征。

利用大陆沉积物Nd同位素组成进行物源识别是一种新的尝试，尚属于探索阶段。细碎屑沉积岩为原岩机械破坏的产物，在岩石风化、破碎、搬运、沉积过程中，Sm//Nd比值保持不变，形成的沉积岩保持原岩的Sm/Nd比值和同位素特征，模式年龄和原岩相同，因而可以鉴别沉积物的源区。

212　实验分析方法

Sm-Nd同位素测定在地科院地质所同位素实验室进行，采用MAT-261固体同位素质谱仪测定。电离带用Re带，蒸发带用Ta带，M+离子形式，可调多法拉弟筒接收器接收。质量分馏用143Nd/144Nd=07219校正，标准测定结果：JMNd2O3143Nd/144Nd=0511125±8,GBW04419143Nd/144Nd=0512725±10。Sm,Nd流程空白为5×10-11g。年龄用ISOPLOT EX2计算，衰变常数为654×10-12a-1。

213　测试结果

测试结果见表1。

表1　临河—额济纳旗地表沙尘样品Sm-Nd同位素测试结果

所有样品的模式年龄都落在中—晚元古代。这些地表样品的物源区可能主要为中—晚元古代的老地壳。这些碎屑沉积物可能代表中—晚元古代两个端元组分以不同比例混合的产物。因此，地表沙尘样品可能是中元古代从地幔分异出来的地壳。碎屑沉积物的Nd模式年龄（TDM）分布在09～175Ga之间，支持这一结论。其中比较年轻的模式年龄显然是由于大量年轻物质的加入而造成的。从表1可以注意到，绝大部分样品的147Sm/143Nd值介于011～013之间，表明在沉积过程中Sm/Nd并没有明显的分异，因而这些以亏损地幔线性演化为假设前提而计算的Nd模式年龄是有意义的。地表沙尘样品中高的Nd同位素表明老的地壳（中元古代）可能是主要源区。

从Sm-Nd关系来看，所有沙尘样品的Sm/Nd比值变化不大，但143Nd/144Nd有一定变化，模式年龄的变化也较大（图2）。并未显示相同源区的特征。

图2　沙尘样品的143Nd/144Nd与模式年龄

22　沙尘样品的地球化学成分特征

地球化学方法用于沉积物的物源判别，具有直观、经济、有效的特点，利用地球化学组合成因专属性来定性识别沉积物物源属性已成为一种新趋势。但对于陆源碎屑沉积物而言，由于其来源复杂，需要配合其他方法才能更有效地识别物源的变化特征。

利用XRF方法对采集自北京—额济纳旗的地表沙尘样品进行氧化物含量分析，了解沙尘样品地球化学的变化特征，探讨可能的沙尘来源问题。

表2为所测试样品的氧化物含量特征，从表中可以看出，SiO2、CaO含量变化较大。

Sc24、Sc25样品SiO2含量最低，而CaO含量最高，该样品采集自北京西北山区，周围主要为碳酸岩区，表明地表沙样为就地风化产物。Sc29、Sc30样品SiO2含量最高，而CaO含量最低，该样品采集自内蒙古西部固阳—五原一带。

Si,Al,Ca,K,Mg,Mn,Na,Ti等属于亲石元素，它们的原子结构呈惰性气体型，因而在自然迁移过程中表现较稳定。Fe、P为亲铁元素。图3显示，沙样中的亲石元素与亲铁元素含量在沙尘源区—远离沙尘源区变化比较大，这表明沙尘的主要来源随搬运过程发生变化。可能局地岩石风化对沙样中氧化物含量影响最大。

表2　北京—额济纳旗地表沙尘样品的氧化物特征　单位：%

图3　北京—额济纳旗地表沙样主要氧化物变化特征

沙尘来源于某一地区地表土的风力起尘，而各类土壤的化学元素组分都有一定的特点，相互间有一定的差别，且特定的土壤都有一定的集中分布区域。对不同种类的地表土其元素之间的硅铝率w（SiO2）/w（Al2O3）和硅铝铁率[w（SiO2）/w（Al2O3+Fe2O3）]是相对稳定的，因此常用于初步定性判别某一土壤的源地。将地表沙尘样品的元素成分之间的这两个比率与我国几个典型地表土壤相应的比率进行比较（表3）。从表中可以看出，不同地表土壤类型其两个比率的差别是十分明显的。地表沙尘样品与黄绵土和棕漠土的两个比值较接近。对照我国土壤类型分布图，棕漠土主要分布于新疆北部，黄绵土主要分布于新疆、甘肃西北、内蒙古和宁夏西北及陕西广大地区。因此，该地区可能是沙尘的主要源地。

根据上述分析，沙样中沙尘的硅铝率w（SiO2）/w（Al2O3）和硅铝铁率w（SiO2）/w（Al2O3+Fe2O3）接近于棕漠土，其来源主要是包括我国西北地区在内的土壤尘。当然沙尘中还可能包括沿途混入的局地沙尘，以及由它们组成的地面二次扬尘。

表3　北京—额济纳旗地表沙尘样品与几种典型土壤的硅铝比

漠土系列是中国西北荒漠地区的重要土壤资源，包括灰漠土、灰棕漠土、棕漠土和龟裂土等，共同特征是：具有多孔状的荒漠结皮层，腐殖质含量低，且表聚性强，石膏和易溶性盐分在剖面不大的深度内聚积，存在较明显的残积粘化和铁质染红现象以及整个剖面的厚度较薄和石砾含量多（龟裂土和灰漠土除外）等。在成土过程中主要表现为钙化作用（石灰聚积）、石膏化与盐化作用、弱的铁质化作用，同时风成作用相当明显。

棕漠土是温带荒漠条件下和粗骨母质上发育的土壤，在西北占有很大的面积，同灰漠土比较，腐殖质的累积作用更弱，几乎无腐殖质层，表层有机质含量很少超过05%，且随深度增加含量亦无多大变化。

与西北荒漠地区的土壤地球化学特征相比较，地表沙尘样品明显具有较高的w（SiO2）/w（Al2O3）比值。其原因可能是由于沙尘样品经过更长时间的风化、磨蚀，具有更高的成熟度。

3　北方沙尘暴物质来源与传播路径讨论

沙尘暴的形成必须满足地表疏松细粒物质和风力搬运的动力条件，同时要具备不稳定的空气状态（邱新法，2001；张仁健，2002）。当动力条件满足时，沙尘暴的发生发展就随不同的地表条件而定，有植被保护的地表和未耕作的耕地抗风蚀力强，难以成为沙尘暴物质源地，而无植被覆盖或植被覆盖度低的裸露疏松细粒物质的地表都可以是潜在的沙尘暴物质源地。西北地区的几大山系由于气候较湿、植被覆盖好，土壤风蚀小，为非沙尘源区，除此以外的其他地区由于气候干旱、植被稀疏都有可能为沙尘暴源区，存在大量沙尘暴物质源地。同时，由于工业化程度的提高，城市规模扩大，在局部地区造成城市与周围地区显著的温度差异，使局部地温梯度增大，形成不稳定的空气热力状态，促进沙尘暴的产生。

在沙尘暴源区内沙尘暴物质源地判定的依据是：在土地资源类型中，裸岩、水体和建设用地都不具备有细粒物质的条件，构不成沙尘暴物质源地。林地和中高覆盖度草地由于植被覆盖度高，地表物质在植被保护下难以被风蚀，也不具备构成沙尘暴物质源地的条件。耕地由于地表植被覆盖率在年内变化与农事活动有极高的一致性，耕地是否是沙尘暴物质源地是由种植制度和农事活动特点决定的，每年的11月至第二年的3月为休耕期，降水少，耕作后的土壤破坏了地表植被和土壤持结力，抗风蚀力弱，成为强尘物暴质源地。从4月初至5月底，为旱地作物播种及发芽出苗期，虽植被盖度低，但由于灌溉土壤含水量高土壤抗风蚀力较强，为弱沙尘暴物质源地；从5月初至10月底，作物生长旺盛期，降水丰富，地表覆盖率高，此期间耕地属于非沙尘暴物质源地。干旱区的低覆盖度草地由于植被稀疏难以对地表土壤进行有效保护和阻止土壤细粒物质被风蚀，属于弱沙尘暴物质源地。戈壁由于砾石间夹有细粒沙土，也属于弱沙尘暴物质源地。

因此，沙尘暴源地的构成冬春季（前年11月至本年4月）主要是沙地、盐碱地、砾质戈壁、裸土、低覆盖度草地和耕地等6种类型，夏秋季（5月至10月）主要是沙地、盐碱地、砾质、裸土和低覆盖度草地等5种类型。

从地表沙尘样品的同位素组成及地球化学特征来看，北京－额济纳旗地表沙尘的主要来源均为成熟度高的沙地就地风蚀产物，异地成分较少。

由于沙尘源地与移动路径的差异，沙尘的影响范围会存在很大的差别。沙尘由于输送路径长，通过沉降清除，浓度会发生显著降低，一般演变为浮尘，因此在地表沙样中的贡献明显较小。

4　结语

北京—额济纳旗地表沙尘的主要来源均为成熟度高的就地风蚀产物，异地成分较少。沙尘由于输送路径长，通过沉降清除，浓度会发生显著降低，一般演变为浮尘，因此在地表沙样中的贡献明显较小。

通过额济纳旗、兰州及北京的气候资料记录的沙尘暴分析，前二者的沙尘暴天气可能增加北京上空的浮尘，但更多的沙尘暴天气不是直接受前二地的影响，区域性气候更是北京沙尘暴天气的主要原因。

北方沙尘暴的发生主要是由于风力作用吹蚀就地地表沉积物而形成。工业化程度提高，城市规模扩大，人口增多，形成热岛效应作用也使该地区与周围地区之间的温差日趋加大，地温梯度增加，促进沙尘暴的发生。

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