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2015 , Vol. 34 >Issue 6: 1066 - 1076

DOI: https://doi.org/10.11821/dlyj201506006

呼伦贝尔沙地末次冰盛期晚期至全新世风成沙表面矿物特征及环境意义

  • 杨利荣 , 1 ,
  • 岳乐平 1, 2 ,
  • 弓虎军 1
展开
  • 1. 大陆动力学国家重点实验室,西北大学地质学系,西安 710069
  • 2. 中国科学院地球环境研究所,黄土与第四纪地质国家重点实验室,西安 710075

作者简介：杨利荣（1978- ）,女,山西新绛人,讲师,研究方向为干旱区第四纪环境与光释光年代学。E-mail:

收稿日期: 2014-11-28

  要求修回日期: 2015-03-13

  网络出版日期: 2015-07-12

基金资助

国家自然科学基金项目（40802039,4172036）

收起

The environmental implication from microscopic texture of eolian sand of Hulun Buir duneland centred on late last glacial maximum and Holocene

  • YANG Lirong , 1 ,
  • YUE Leping 1, 2 ,
  • GONG Hujun 1
Expand
  • 1. State Key Laboratory for Continental Dynamics of the Ministry of Education, Geology Department, Northwest University, Xi'an 710069, China
  • 2. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, CAS, Xi'an 710075, China

Received date: 2014-11-28

  Request revised date: 2015-03-13

  Online published: 2015-07-12

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《地理研究》编辑部
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摘要

运用扫描电镜与能谱分析,研究呼伦贝尔沙地末次冰盛期晚期以来全样风成沙的微区形态和粘土矿物成分。呼伦贝尔沙地的沙粒磨圆度较好,在扫描电镜观察下保存了水成沙粒的特征,意味着沙地物源曾经流水作用到达该区域。颗粒表面同时留有风力搬运的碟型坑等撞击痕迹,为干枯河床沙丘活化、风力搬运流动扩张的过程提供证据。末次冰盛期晚期风成沙颗粒大且表面光滑洁净,未见次生粘土矿物,反映出冰期地表无植被发育,区域沙漠活化、流动性加强。而全新世适宜期的褐色沙质土壤砂粒表面同时发育鳞片状自生粘土矿物和同沉积粘土颗粒及团块。能谱分析表明：全新世适宜期,风化自生粘土矿物有蒙脱石和伊利石,在相对温湿气候条件下,发育干旱碱性土壤,反映出冰后期植被发育、土壤化作用增强。

关键词： 扫描电镜; 能谱分析; 全新世; 粘土矿物; 呼伦贝尔沙地

本文引用格式

杨利荣 , 岳乐平 , 弓虎军 . 呼伦贝尔沙地末次冰盛期晚期至全新世风成沙表面矿物特征及环境意义[J]. 地理研究, 2015 , 34(6) : 1066 -1076 . DOI: 10.11821/dlyj201506006

Abstract

Scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectrometry (EDS) have been applied simultaneously in order to observe micromorphology and clay mineral for the whole grains from aeolian sand of Hulun Buir dunefield since the late last glacial maximum. Based on the OSL age of the alternate layers, climatic proxies including grain size, magnetic susceptibility, organic carbon content and chroma have also been measured to correlate with the environmental indications from SEM and EDS. The fairly roundness indicated the fluvial sedimentary origin. The collision pits were also been observed which are typical eolian evidence. The coexistence of fluvial and eolian surface texture of the depositing sands in this duneland implies that the dried fluvial sand in river-bed was reworked by wind erosion. Glacial sand has clear surface without any clay mineral attachment, which suggests slightly weathering resulting from intensified winter monsoon erosion and barren mobile desert. However, sandy soil of Holocene optimum has not only developed flaky authigene clay, but also adhered immigrated clay grain and block. The authigene clay minerals are montmorillonite and illite evidenced from EDS, which are typical indicative clays of alkaline soil. The abundance of clay minerals states that relatively humid and warm climate and developed vegetation cover. The depositing alternations of aeolian sand of last glacial maximum and sandy soil of Holocene optimum were also developed in other eastern China dunefields. The combination of SEM and EDS aiming to observe clay mineral in this study can definitely be referred to the environmental research in other dunefields. The analyses of grain surface are effective methods to reveal the sand source and transportation process apart from environmental information. Fixed dunes under the vegetation cover in Holocene optimum not only decreased the output of sand grains, but also degraded the grain-size resulting from physical and chemical weathering. Hence, being finer of accumulated sandy soil was mainly affected by sand decrease and degradation of regional output rather than weakened winter monsoon during the humid and warm Holocene optimum.

Key words： scanning electron microscope (SEM); energy dispersive spectrometry (EDS); Holocene; clay mineral; Hulun Buir dunefield

1 引言

呼伦贝尔沙地位于蒙古高原东北缘,沙地发育于呼伦贝尔盆地内,是中国纬度最高的沙地。海拔在500~800 m,地势较平坦。现今呼伦贝尔沙地的活动沙丘主要分布在海拉尔河左岸的北部沙带、新巴尔虎左旗的东部沙带、莫达木吉以东沙带以及呼伦湖东岸的沙带[1]（图1）,沙丘面积约为6411 km2。该区属温带半湿润和半干旱气候,年均温度-3~0ºC,年降水量在250~350 mm之间,集中于7-8月,降水较多,蒸发量较小。沙区植被生长良好,以榆、樟子松、黄柳、蒿属植物和丛生禾草等为主,是中国优良的草原牧区之一。土壤以黑土、黑钙土、草甸土和风沙土为主[2,3]。
Fig. 1 Map of the study area and sampling locations

图1 研究区采样位置图

末次冰盛期至全新世是第四纪以来距今最近的、变化幅度很大的气候转型期[4]。随着光释光测年单片再生技术的发展[5],研究学者对包括呼伦贝尔沙地、毛乌素沙地、浑善达克沙地和科尔沁沙地在内的中国东部沙地环境演化开展了大量研究,揭示了这一时期中国东部沙地巨大的环境变化,包括沙漠的活化扩张与固定退缩[6-19]。此外在沙地可能的物源[20]以及沙漠化[21,22]等方面还取得很多研究成果。研究学者对于土壤发育与植被特征的研究多建立在孢粉分析的基础上。本文运用扫描电镜（scanning electron microscope,SEM）及能谱分析（energy dis-persive spectrometry,EDS）,在直观颗粒表面特征和同位鉴定特征粘土矿物的基础上,分析该沙地末次冰盛期晚期至全新世适宜期这一气候转型期的土壤特征和植被覆盖;并与粒度、磁化率、总碳、色度等常规气候指标进行对比,研究沉积环境和气候环境变化。研究区典型剖面的光释光年代参考Yang等的研究成果[7]。通过微观角度观察沉积物颗粒表面特征,综合分析传输动力、物源供应和风化作用对沙漠沙的控制,为重建冰期至间冰期时间尺度沙漠古环境开辟新的视角。对认识沙地沉积演化历史和气候环境变迁有重要意义。将进一步完善中国东北部季风区对全球气候的响应,同时也为区域环境保护和沙漠化治理提供理论依据。

2 扫描电镜—能谱分析和粒度、磁化率、总碳含量及色度测试

在呼伦贝尔沙地观测了9个末次冰盛期晚期至全新世风沙沉积剖面（图1、表1）,重点对比冰期风成沙和冰后期砂质土壤表面结构及环境指标的差异。对地层发育最为完整的磋岗剖面（CG）进行5 cm间距连续采样,在完成粒度、磁化率、全碳含量和色度常规环境指标测试的基础上,对每一地层单元完成数幅扫描电镜和能谱分析。
Tab. 1 OSL age of samples

表1 测试样品年代清单

点号 样品名 深度(m) 岩性 光释光年龄 (a)
1 EWK 0.6 风成沙 13400±2100
4 XBEH-2 0.8 砂质土壤 7900±1100
8 CG-7 0.6 风成沙 50±10
8 CG-6 0.9 砂质土壤 680±120
8 CG-4 1.4 风成沙 2300±310
8 CG-3 1.6 砂质土壤 4900±500
8 CG-1 2.5 风成沙 11800±1500
9 XYQ 0.6 风成沙 15300±2900
11 XZQ-2 0.5 砂质土壤 8300±1500
12 HLR-2 8.1 风成沙 12500±2300
14 BYCG 0.6 风成沙 11400±1400
16 YM 0.6 风成沙 10400±2000
18 HDG 0.5 风成沙 9500±1800
粒度样品测试前处理参考鹿化煜等对黄土粒度前处理的流程[23],测试所用仪器为Mastersizer 2000型激光粒度仪,测试范围0.02~2000 μm。磁化率测试样品在室内自然风干后在Bartington MS2B型双频磁化率仪上完成低频磁化率的测试。总有机碳含量（TOC）的测试是采用High TOC II测试系统,通过样品中全碳含量去除无机碳含量而间接得到。色度是定量描述物体颜色特征的指标。天然沉积物的颜色主要受化学成分和矿物成分的影响,而化学成分和矿物成分又同时受物质来源和沉积环境变化控制。此外,含水量和有机质也是重要因素。采用CM-2002分光测色仪量化输出颜色。颜色结果用La*b*色度体系来表示,其中：L代表亮度,即反射度高低;a*、b*分别表示颜色色调的红绿值和黄蓝值。从风沙地层序列颜色参数变化可以看出,a*值和b*值变化不大,即地层呈基本单一色调。L变化随风沙层和土壤层的变化呈较为显著的变化。土壤层L值低,砂层L值高。地层中黑色有机质含量会直接影响到色彩饱和度,因此在变化不大的a*值和b*值控制的地层色调下,L可间接指示黑色有机质的含量。
在西北大学大陆动力学国家重点实验室,使用FEI Quanta 400 FEG型扫描电子显微镜系统完成扫描电镜分析。该电子显微系统可在高分辨率观测颗粒表面结构的同时,能够通过能谱分析某一点的矿物化学成分。为避免颗粒重叠或太散,样品经过低温烘干后取少量（30~40粒）代表全样粒度组成的颗粒粘放在透明胶纸上。将此标本置于标准真空镀膜机中,使砂粒表面镀上一层金粉便于导电以便观测。样品贴在样品敦上后即可用扫描电镜观察。为了便于同时观测形态和组构特征,尤其是大小颗粒的赋存状态,样品没有进行前处理、粒级筛选和石英的提取,而是全样观测。这主要是基于沙漠地层中有机质含量有限,不影响形态的观察。观察中参考《中国石英砂表面结构特征图谱》[24]和《石英砂表面结构模式图集》[25]。

3 嵯岗剖面扫描电镜—能谱分析和气候环境指标

嵯岗全新世剖面位于呼伦贝尔沙地北部沙带西段（图1）,发育在古风成固定沙丘上,上覆沙柳等耐旱植被。周边地貌为半固定半流动沙丘。出露剖面厚约2.6 m。第1层（2.4~2.6 m深度）为灰白色松散沙层（未见底）,系末次冰盛期晚期风成沙。光释光年龄为11.8 ka。中值粒径达到300 µm,为全剖面最粗沙,磁化率值为10（SI）,为全剖面最低值,TOC含量近乎为零。粒度、磁化率与TOC指标均显示出末次冰盛期晚期风成沙特征。扫描电镜显示出颗粒形态表现为浑圆状（图2中①）,表面洁净且没有任何风化的粘土物质,也没有粘结的微细颗粒,颗粒表面不规则,圆化现象发育。
Fig. 2 Environmental proxies and SEM of CG profile

图2 嵯岗剖面环境指标及颗粒扫描电镜结果

Fig. 3 SEM and EDS of flaky authigene clay on the sureface of feldspar (CG-2)

图3 长石表面鳞片状自生粘土矿物扫描电镜—能谱(CG-2)

2.4~1.6 m深度为第2层,系黑褐色粘土质细沙,光释光年龄为10.2~4.9 ka。为全新世早中期产物。在2 m深度大约为全新世适宜期的8~6 ka期间沉积,中值粒径虽然达到150 µm为细沙粒级,但却是剖面中颗粒最细的层段,颗粒中不乏粘土颗粒。磁化率值达到60（SI）最大值,TOC含量达到0.5%的最大值,显示出当时植被覆盖较好,土壤有机质较多,土壤化作用较强。色度也降低。扫描电镜显示细颗粒（图2中②）粘土物质的增加来自自生粘土和外来粘土矿物。图3是采自全新世黑色砂质土壤（第2层）的长石颗粒（CG-2）,颗粒表面由于土壤化作用,被风化成呈鳞片状的粘土矿物。能谱分析数据显示,矿物成分以Si、Al、K为主,且有Mg、Fe出现,说明有蒙脱石产生。同时有K、Ca和Al的出现,并且Al的含量小于20%,显示有伊利石产生。图4和图5是来自同一样品的不同石英颗粒,均显示表面附着大小不等的粉砂级、粘土级颗粒的粘接结构。能谱显示其中一颗为蒙脱石（图4）。
Fig. 4 SEM and EDS of adhered immigrated clay grain on the sureface of quartz (CG-2)

图4 石英表面附着外来粘土矿物颗粒扫描电镜—能谱特征（CG-2）

Fig. 5 SEM and EDS of adhered immigrated clay grain on the sureface of quartz (CG-2)

图5 石英颗粒表面附着的粘土颗粒的扫描电镜—能谱特征(CG-2)

1.6~1.2 m深度为第3层,系黄色细沙,光释光年龄为2.3 ka,为全新世晚期产物。中值粒径达到200~250 µm为全剖面较高值,磁化率值为20（SI）,为剖面较低值,TOC含量达0.15%~0.10%较低值。粒度、磁化率与TOC指标均显示出全新世晚期气候转为干旱,风沙活动的风成沙特征。扫描电镜的颗粒（图2中③）显示出颗粒表面相对第2层洁净的特征,没有细小粘土颗粒沾着,但与末次冰盛期风成沙颗粒表面对比,还是有少量风化物质存在,显示出气候环境相对第2层干旱一些。
0.75~1.2 m深度为第4层,系浅灰黑色细沙,光释光年龄为2.3~0.7 ka。为全新世最晚期期产物。该层中值粒径大约为180 µm为细沙粒级,磁化率值约20（SI）,TOC含量达到0.45%的较大值。扫描电镜显示出颗粒（图2中④）表面见少量鳞片状风化物,但不及第2层风化程度深,没有细小粘土颗粒沾着,显示了全新世晚期中的一个气候较温湿阶段。扫描电镜照片显示是采自浅灰色细沙（第4层）颗粒（图2中④）。能谱分析数据显示（图6）：粘土矿物主要为含Mg、Fe的蒙脱石,少量含K、Ca的伊利石。该层细沙颗粒表面有粘土矿物产生,说明当时地表有少量植被出现,形成弱风化土壤层,细沙也呈现灰黑色,但是粘土矿物以更加偏碱性的蒙脱石为主,说明该层细沙沉积时气候环境比沉积第2层（黑色沙质土壤层）气候略微干旱。
第5层（地表下0.75 m~地表）系现代黄色风成沙,下部光释光年龄为0.05 ka。该层中值粒径大约为200 µm,为细沙粒级,磁化率值约15（SI）,TOC含量约为0.15%~0.20%。扫描电镜（图2中⑤）显示出颗粒表面较为洁净,没有细小粘土颗粒沾着,与第3层颗粒表面特征相似,但有少量风化物质存在。能谱分析结果显示没有明显的粘土矿物产生,图7为未风化的钾长石颗粒,成分主要为SiO2（67.7%）,Al（16.8%）以及少量K（15.4%）,显示出气候环境相对末次冰盛期温湿一些的干旱环境。
Fig. 6 SEM and EDS of montmorillonitizated grain (CG-4)

图6 颗粒表面蒙脱石化的扫描电镜—能谱特征(CG-4)

Fig. 7 SEM and EDS of unweathered feldspar grain (CG-5)

图7 颗粒表面未风化长石的扫描电镜—能谱特征(CG-5)

4 结果分析

从早期扫描电镜开始应用于寻找具有特殊沉积环境的、有代表性的和特征性的表面结构,到后来Krinsley等更进一步系统收集了各种环境的颗粒,并研究各种环境的特征,力图在实验室中复现所观察到的这些特征[26]。至今,用扫描电镜手段来判别沉积环境和颗粒搬运动力已成为较为常用的手段,不仅可以反映最终的沉积环境,而且也可判断沉积历史过程[27]。

4.1 颗粒表面特征指示的沉积环境

无论是冰期还是间冰期,呼伦贝尔沙地风成沙颗粒都呈次圆—圆型较高程度的磨圆度（图8中a、b和c）,即使是长条形颗粒,边角也呈浑圆状,表明颗粒经过了较长距离的搬运。结合谢静等[20]通过锆石年代和重矿物组合对呼伦贝尔沙地物源的分析,认为初始物源来自南北两个方向：北面的中亚造山带和南部的华北克拉通。中亚造山带的原岩经风化,通过河流搬运和冲洪积扇经北西向冬季风风力的远距离输送,在呼伦贝尔凹陷盆地里沉积。而南部华北克拉通的物源可能是经过古老沉积物风化再循环沉积在该沙地中。发源于大兴安岭西麓的水系,如海拉尔河、伊敏河、辉河、哈拉哈河、乌尔逊河很可能参与了古老砂岩搬运再循环的过程。伴随冰期干冷环境,河流水位下降,河床沙暴露并遭受风蚀改造,为流沙扩张提供物源。这些来自河流的沙颗粒被风力二次搬运重新分布,甚至再次被搬运回东部地区到达大兴安岭西麓。
Fig.8 Microscopic texture of eolian sand of late last glacial and holocene

图8 末次冰盛期晚期至全新世风成颗粒表面特征扫描电镜（a：颗粒整体磨圆;b：颗粒团块;c：土壤团块;d和e：蝶形坑;f：蝶形坑、表面原化;g：表面原化;h：鳞片状自生粘土;i：粘着的外来粘粒）

另外注入呼伦湖的众多河流都是流经草原的平原性河流,如来自蒙古的克鲁伦河,流速缓慢、水动力弱,颗粒之间相互碰撞作用不强,因此少见蝶形坑、撞击麻点和贝壳状断口等强动力的表面特征。盆地中的沉积物在冰期干冷气候背景下,活化程度加强,经风力作用二次搬运。结合区域上未见高大沙丘和颗粒表面撞击痕迹不发育,推测在末次冰盛期晚期该沙地虽活化,但流动性不强。在球形背景下,颗粒表面发育少量浅的碟形坑（图8中d、e和f）是较大风暴时颗粒碰撞的结果。因此初始物源的搬运沉积历史奠定了呼伦贝尔沙地风积物颗粒的表面形态的动力学特征,既保留了颗粒的磨圆特征又伴有风力搬运途中碰撞留下的痕迹。

4.2 颗粒表面特征指示的气候环境特征

砂粒遭受的不同程度后期风化在颗粒表面留下明显记录。如剖面中底部沙漠沙颗粒表面发育的不规则圆化现象（图8中f和g）。这是因为沙漠地区昼夜温差大,夜间冷凝水pH因有溶解的盐类而升高,使得砂粒表面少量SiO2被溶解,白天升温后的蒸发作用又使SiO2重新沉淀在颗粒表面而成为不规则圆化。从发育程度判断,是干冷环境的产物。此外扫描电镜下颗粒之间相互独立,能谱分析也表明颗粒表面没有产生或附着任何粘土矿物（图8中a、d、e、f和g）。这些均说明冰期气候寒冷干旱,沙地活化扩张,地表植被丧失,地层中的细颗粒被风力吹蚀。
全新世适宜期黑色沙质土壤颗粒浑圆的表面上发育有粉砂—粘粒级的多种矿物碎屑,这些细颗粒物质的来源一直被研究学者所关注。在全新世适宜期,植被的发育是否产生了自生粘土矿物?外区域是否携带来细小的颗粒?细小的颗粒以何种形式赋存?本文有了一个初步的答案：在全新世适宜期颗粒表面见到了新产生的鳞片状粘土矿物（图3、图9）,能谱分析表明其元素组成与颗粒本身已经有很大的不同,有新的成分加入和颗粒表面反应形成了新的粘土矿物。粘土矿物的生成与植被的土壤化作用有关。片状粘土颗粒的剥落丰富了土壤中粘粒和养分。全新世适宜期风力减弱,植被发育,粗大颗粒被固定停止搬运,而细小的可以从外区域携带来加入到土壤层中,即图9中看到的大颗粒上附着的小颗粒。细小颗粒的增加改善了土壤环境,使水分得以保存,从而更加有利于植被的生长。
Fig. 9 SEM and EDS of flaky authigene clay on the sureface of feldspar (XBEH-2)

图9 长石表面鳞片状自生粘土矿物的扫描电镜—能谱特征（XBEH-2）

全新世适宜期地表植被茂盛,地层土壤化作用加强,细颗粒物质增加,沙质土壤颗粒表面鳞片状风化物,产生新的粘土矿物蒙脱石与伊利石,二者都是碱性粘土矿物,其中蒙脱石更加偏碱性,说明呼伦贝尔沙地即使在全新世适宜期其湿润程度依然没有达到产生高岭土矿物的条件,土壤仍然为半干旱区碱性土壤。汪佩芳等对该时期砂质土壤中孢粉组合的研究表明,孢粉种类单调,基本上以蒿为主（一般占50%以上）,其次为茜草科,藜科,麻黄属等[28,29]。这与能谱分析观测到的指示碱性土壤的自生粘土矿物所反映的气候环境一致。表明全新世适宜期发生时,呼伦贝尔沙地应为以蒿为主的草原环境。综合地层中粘粒和粉砂的增多,有机质的增加以及扫描电镜观测到的矿物风化程度的加强,都指示了适宜期沙地水热配置的同步加强,为半干旱半湿润气候带,推测年降雨量不少于400 mm。

5 结论

进一步完善了呼伦贝尔沙地在全新世适宜期粘粒的两大成因模式：① 风化产生的鳞片状自生粘土颗粒和在碳酸钙胶结作用下粘附在大颗粒上的外来粘土颗粒、团块。② 从颗粒表面光洁到颗粒表面附着粘粒和粉砂的组构转变正是流动沙坪环境向固定沙地环境转变的直观反应。流动状态下即使有细颗粒也在颗粒相互碰撞中被风吹蚀,而有了植被的固定,细颗粒累积和保存就有所保障（图8中b、c和i）。
嵯岗剖面中发育的末次冰盛期风成沙（第1层）和全新世适宜期砂质土壤（第2层）的地层结构不仅在呼伦贝尔沙地广泛发育,在其他东部沙地也十分发育[6-19]。但全新世适宜期后的地层在区域上发育不完整,表明此时沙地处于半固定半流动环境下,地层的侵蚀和沉积在各地的沉积历史有所差异,导致地层不能很好对比。这与鹿化煜等[30]揭示的冰盛期以来降雨量的变化所影响的区域环境背景相符。因此在呼伦贝尔沙地开展的末次冰盛期至全新世适宜期颗粒表面特征的研究可为中国东部其他沙地研究提供借鉴。
第四纪风积物的堆积受搬运动力、物源供应和后沉积风化作用的共同影响。中国黄土的研究已充分证明了这一过程[31,32]。沙漠沙与黄土由于粒径差异,不可能通过高空搬运方式运移沉积,而是近地面跃迁沉积。因此周边物源的物质供应对沙漠沙的粒度影响很大。大量研究表明,全新世适宜期中国东部沙漠演化为固定沙丘,植被对地表沙的大面积覆盖不仅降低了风沙的输出量,还由于成壤作用（物理风化和化学风化）细化了风沙的粒度。因此在温湿条件适宜的间冰期,东部沙地加积型砂质土壤的变细更多地体现了区域环境供沙量的减少和细化。扫描电镜和能谱分析观测到的粘附在大颗粒上的团块状粘土颗粒和鳞片状粘土矿物分别指示了同沉积粘土矿物和风化型粘土矿物。与冰期时颗粒表面光洁的表面特征相比,间冰期团块状粘土的附着吹蚀指示其搬运动力——冬季风吹蚀的减弱。

The authors have declared that no competing interests exist.

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