地球科学进展, 2020, 35(8): 863-877 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2020.066

青藏高原综合科学考察研究

雅鲁藏布江流域风成沉积研究进展

杨军怀,1, 夏敦胜,1, 高福元2, 王树源1, 陈梓炫1, 贾佳3, 杨胜利1, 凌智永1,4

1.兰州大学 资源环境学院 西部环境教育部重点实验室, 甘肃 兰州 730000

2.兰州城市学院 地理与环境工程学院, 甘肃 兰州 730070

3.浙江师范大学 地理与环境科学学院, 浙江 金华 321004

4.中国科学院青海盐湖研究所, 青海 西宁 810008

Aeolian Deposits in the Yarlung Zangbo River Basin, Southern Tibetan Plateau: A Brief Review

Yang Junhuai,1, Xia Dunsheng,1, Gao Fuyuan2, Wang Shuyuan1, Chen Zixuan1, Jia Jia3, Yang Shengli1, Ling Zhiyong1,4

1.Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems (Ministry of Education), College of Earth and Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

2.College of Geography and Environmental Engineering, Lanzhou City University, Lanzhou 730070, China

3.College of;Geography and Environmental Sciences, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China

4.Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, Xining 810008, China

通讯作者: 夏敦胜(1971-),男,山东乐陵人,教授,主要从事环境磁学与干旱区环境研究. E-mail:dsxia@lzu.edu.cn

收稿日期: 2020-04-28   修回日期: 2020-07-07   网络出版日期: 2020-09-15

基金资助: 第二次青藏高原综合考察研究项目“粉尘气溶胶及其气候环境效应”.  2019QZKK0602
兰州大学西部环境教育部重点实验室开放基金及兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金“雅鲁藏布江中上游地区全新世以来风沙活动演变”.  lzujbky-2020-kb01

Corresponding authors: Xia Dunsheng (1971-), male, Laoling City, Shandong Province, Professor. Research areas include environmental magnetism and arid environment. E-mail:dsxia@lzu.edu.cn

Received: 2020-04-28   Revised: 2020-07-07   Online: 2020-09-15

作者简介 About authors

杨军怀(1994-),男,甘肃秦安人,博士研究生,主要从事干旱区环境与气候变化研究.E-mail:yangjh19@lzu.edu.cn

YangJunhuai(1994-),male,Qin’anCounty,GansuProvince,Ph.Dstudent.Researchareasincludeenvironmentandclimatechangeinaridareas.E-mail:yangjh19@lzu.edu.cn

摘要

雅鲁藏布江位于青藏高原南部,流域内广泛发育着地质历史时期以来的黄土沉积和现代风沙沉积,蕴含着风成过程和环境演化的丰富信息。从风成沉积分布特征、堆积年代、沉积物特征、物源及其可能的形成机制以及风沙活动历史等方面综述了近些年雅鲁藏布江流域风成沉积的主要研究进展。结果表明:黄土主要发育于河流阶地及部分山体顶部,多形成于末次冰盛期以后且主要发育于深海氧同位素1阶段(约14 ka BP)以来,而风沙沉积集中发育于河流宽谷段,堆积时间相对较短。沉积物颗粒以机械搬运和物理风化为主,化学风化微弱。尽管沉积物理化性质呈现出一定的空间变化,但仍存在明显的局地特征,与附近地表堆积物联系密切。在风成背景下,黄土的近源成因得到了普遍认可,河谷底部地表松散物质是风成沉积发育的主要物源。风沙活动演变较为复杂,除大区域气候变化外,局地环境也是影响风沙活动及其区域差异的重要因素。未来应加强研究区风成沉积物理化性质、全新世以来的气候变化以及粉尘释放对人类生存环境影响等方面的系统研究。

关键词: 黄土 ; 风成沙 ; 古气候 ; 雅鲁藏布江 ; 青藏高原

Abstract

The Yarlung Zangbo River is located in the southern Tibetan Plateau. Loess since the geological history and modern aeolian sand dunes are widely developed in the basin, bearing rich information on the aeolian processes and environmental evolution. In this work, we reviewed the main research progress of aeolian deposits in the Yarlung Zangbo River basin in recent years, and discussed the distribution characteristics, accumulation age, sediment characteristics and provenance and the possible formation mechanism of aeolian deposits and the history of aeolian activity. The results show that loess is mainly developed on the river’s terraces and some of the hilltops, and mostly formed since the last glacial maximum and mainly developed since Marine Isotope Stage 1 (about 14 ka BP), while aeolian sand deposit is mainly developed in the river’s wide valley, with relatively short accumulation time. The sediment particles mainly underwent mechanical transport and physical weathering, but chemical weathering was weak. Although the physical and chemical properties of sediments show some spatial changes, there still exist obvious local characteristics, which are closely related to the nearby surface sediments. Under the background of aeolian source, the local-source genesis of loess is generally recognized. The surface loose material at the bottom of valley is main material source of aeolian deposits. The evolution of aeolian activity is relatively complex. In addition to the regional climate change, the local environment is also an important factor affecting the aeolian activity and its regional difference. Based on the previous studies, we suggest that the systematic study on the physical and chemical properties of aeolian sediments, climate change since the Holocene and the impact of dust emission on human living environment should be strengthened in the future research.

Keywords: Loess ; Aeolian sand ; Paleoclimate ; Yarlung Zangbo River ; Tibetan Plateau.

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本文引用格式

杨军怀, 夏敦胜, 高福元, 王树源, 陈梓炫, 贾佳, 杨胜利, 凌智永. 雅鲁藏布江流域风成沉积研究进展. 地球科学进展[J], 2020, 35(8): 863-877 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.066

Yang Junhuai, Xia Dunsheng, Gao Fuyuan, Wang Shuyuan, Chen Zixuan, Jia Jia, Yang Shengli, Ling Zhiyong. Aeolian Deposits in the Yarlung Zangbo River Basin, Southern Tibetan Plateau: A Brief Review. Advances in Earth Science[J], 2020, 35(8): 863-877 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.066

1 引 言

作为风成沉积的两种主要类型,黄土[1~4]和风沙沉积[5~8]记录了过去及现在的风成过程,蕴含了气候变化的重要信息,是研究环境变化的理想材料[9~11]。青藏高原因其关键的地理位置、巨大的面积效应和高度效应使其在全球气候变化中处于重要和关键的地位[12],是以高寒著称的独特地理单元,分布着一定面积的风成沉积,被证明是除中国北方荒漠化区域以外的另一个重要粉尘源区[13~15],可以直接影响东亚乃至整个北半球的生态、大气和海洋环境。因此,开展青藏高原地区的风成沉积研究对理解过去与现在的气候变化以及认识高原及其周边地区的生态环境问题都具有重要的意义。

雅鲁藏布江(简称雅江)流域是青藏高原南部风成沉积物的典型分布地区,由于具备沙源、风动力和堆积场所等理想条件,加之人类活动的直接或间接作用,在河谷附近尤其是河流宽谷段堆积了广泛的风成沉积[16],其中河流阶地及部分山体顶部发育了黄土沉积,而在河谷低地主要堆积风沙沉积,塑造了各类沙丘地貌。20世纪90年代以来,雅江流域的风成沉积研究取得了一系列的成果,大多集中于沉积物物源[17~20]、沉积年代[21~25]、古气候变化[26~28]、风沙地貌[17,29~32]、土地沙漠化演变[33~36]等方面,为科学地认识雅江流域风成沉积及其形成演化过程提供了依据。然而,由于流域内部地理环境特征复杂多样,致使不同区域风成沉积的形成过程及发育模式存在差异,这在很大程度上限制了我们对雅江风成沉积及其环境意义的深入理解。

鉴于此,作者在野外实地考察的基础上,总结了近年来青藏高原南部雅江流域风成沉积的研究进展,阐述了风成沉积分布特征、形成年代、沉积物特征、物源及其可能的形成机制以及风沙活动历史,并对未来研究重点提出展望,以期更好地认识雅江流域风成沉积及其形成发育过程,进一步理解其蕴含的气候与环境变化的重要信息。

2 研究区概况

雅江地处青藏高原南部(图1),地理坐标为28°59′~30°34′N,82°32′~94°28′E,中国境内河流长度约2 000 km,河床平均海拔接近4 000 m,受西风和印度季风的共同作用[37,38]。雅江河谷宽窄相间,宽谷段风成沉积广泛发育,而在宽谷之间较短的局部峡谷地段,由于狭管效应风速加强,几乎无风成堆积出现[31]。本区属干旱半干旱气候向半湿润气候的过渡区,年平均气温为4.7~8.3 ℃,年均降水量为252~580 mm,主要集中于5~9月,年潜在蒸发量为2 293~2 734 mm[39]。流域内年平均风速1.6~3.3 m/s,以大风和扬沙居多,主要集中于冬春两季(12月至次年5月),风蚀作用强烈[40, 41]。土壤类型包括(亚)高山草甸土、(亚)高山草原土、山地灌丛草原土和草原土等[42]。植被低矮稀疏,以砂生槐(Sophora moorcroftiana)和固沙草(Orinus thoroldii)等灌木、半灌木和草本为主,较低的植被覆盖率使得地表物质极易被吹蚀[39]

图1

图1   雅鲁藏布江流域地理位置

Fig.1   Geographical location of the Yarlung Zangbo River Basin


风成沉积集中发育于马泉河段、日喀则段、山南段和米林段等宽谷地带(图1),由于流域东西跨度较大,自然地理特征存在差异。马泉河段年平均气温为-0.3~1.2 ℃,年降水量为136~290 mm[36],辫状水系特别发育,宽度可达25 km,属中等风能环境,输沙势(Drift Potential,DP)为228 VU(本文输沙势数据基于1980—2015年宽谷附近气象站资料计算);日喀则段年平均气温为6.5 ℃,年平均降水量为434 mm[43],辫状水系发育,宽度为8~10 km,风能环境变化较大(DP为92~626 VU);山南段年平均气温为7.9~8.7 ℃,年降水量为397~442 mm[43],辫状水系发育,宽度可达6 km,属低至中等风能环境(DP为13~299 VU);米林段年平均气温为8.2 ℃,年降水量为641 mm[44],河谷宽度为1~3 km,属低风能环境(DP为55 VU)。

3 风成沉积及其形成年代

作为风成沉积的两种类型,黄土沉积通常分布于风沙沉积外围,且沉积海拔较风沙沉积高,形成了黄土沉积在上而风沙沉积在下的“二元”沉积结构[23]

3.1 黄土沉积与分布

雅江黄土沉积物一般呈黄褐色,潮湿时呈棕色,较为松散,垂直节理发育,无层理,发育有古土壤和结核,存在深色的铁斑或条带[45],多为砂质黄土,主要发育于河流宽谷段的阶地和低山基岩顶部(图2a,b),尤其是与其支流交汇处。河流阶地处通常为原生黄土,堆积厚度一般在数米至二三十米不等[45];低山基岩顶部的黄土沉积多为原生黄土,由于沉积区海拔较高,经风力分选后沉积物粒径较细,沉积厚度一般为3~5 m,最厚可达10 m以上[23]。山地坡麓和河谷底部分布着部分具有明显层理的次生黄土(图2c)。

图2

图2   雅鲁藏布江流域黄土沉积与风沙沉积

(a)为披覆在山体基岩上的原生黄土及河谷风沙沉积;(b)和(c)分别为支流阶地附近的原生和次生黄土;(d)~(f)为典型沙丘地貌

Fig.2   Loess and aeolian sand deposits in the Yarlung Zangbo River Basin

(a) Primary loess at the tops of mountains and aeolian sand in the valley; (b) and (c) Primary and secondary loess near the river’s terrace, respectively; (d)~(f) Typical landforms of sand dunes


为了更好地理解雅江黄土沉积的分布规律,基于野外实地考察及前人研究工作已报道的典型剖面,分析了流域内典型黄土沉积的空间分布特征。纬向上,74.5%的黄土沉积主要发育于29.25°~29.75°N(图3a);经向上,70.6%的黄土沉积发育于88°~92°E(图3b);垂直高度上,68.6%的黄土沉积堆积于海拔3 300~4 200 m,平均沉积高度为3 760 m(图3c)。可以看出,雅江典型黄土沉积大致沿河谷分布,多发育于日喀则宽谷和山南宽谷附近(宽谷位置见图1),这是由于宽谷段河流沉积物较为丰富;气流自峡谷进入宽谷后风速降低,所携带的沉积物开始大量堆积;宽谷附近较大坡度的山体为黄土沉积提供了理想场所。

图3

图3   雅鲁藏布江流域典型黄土沉积分布特征

总样本数51个,其中前人工作典型剖面29个,野外考察典型剖面22个

Fig.3   Distribution characteristics of typical loess deposits in the Yarlung Zangbo River Basin

The total number of sections is 51, which includes 29 published typical sections and 22 investigated typical sections


3.2 风沙沉积与分布

除历史时期的风沙沉积外,雅江河谷分布着广泛的现代风沙堆积体。李森等[32]依据地貌成因—形态原则,将雅江河谷风沙地貌划分为4级21个类型,并统计了各类风沙地貌的分布面积,其中风蚀地貌和风积地貌分别占风沙地貌总面积的0.3%和99.7%。因此,雅江河谷风沙地貌主要是叠加在河流地貌之上发育的典型风积地貌。沙丘类型主要包括新月形沙丘及沙丘链、复合新月形沙丘及沙丘链、爬坡沙丘、灌丛沙堆和平沙地等,也存在少量抛物线沙丘、格状沙丘和金字塔沙丘等(图2d~f),部分沙丘类型之间存在一定的演化[46]。除风积地貌外,也包含少量的风蚀地貌如风蚀槽沟和劣地等。

上述风积地貌沿河谷呈带状不连续分布,集中发育于河谷底部(87%)及南北两岸附近山坡上(13%)。江心洲、河漫滩和河流阶地上主要发育着简单新月形沙丘、复合新月形沙丘及沙丘链和灌丛沙丘,而河流两岸山坡上主要为条带状发育的爬升沙片和爬坡沙丘,爬升距离可达6 km,其他沙丘类型零星分布。各宽谷段共占河谷风沙地貌总面积(约2 324 km2)的98.8%[16],其中马泉河段多发育高大沙丘或沙垄;日喀则段以西即拉孜附近主要发育新月形沙丘,以东即日喀则市附近主要发育新月形沙丘、爬坡沙丘及沙片;山南段广泛发育新月形沙丘、爬坡沙丘及沙片;米林段发育相对较少的新月形沙丘。以加查山为界,以西风沙地貌主要发育于河流北岸,南岸较少,以东则主要发育于河流南岸,北岸较少。自西向东,风沙沉积面积逐渐减少,而各宽谷内沙地面积呈逐年增加的趋势[47]

3.3 风成沉积堆积年代

雅江流域风成沉积多形成于末次冰盛期(Last Glacial Maximum,LGM)以后,且主要发育于深海氧同位素(Marine Isotope Stage, MIS)1阶段以来(约14 ka BP)[23, 24]。除日喀则谢通门剖面(约800 ka BP)的风成沉积序列外[26, 45],较老的风成沉积集中分布于雅江支流拉萨河河谷内[22, 25],其他区域鲜有发现。相对雅江中上游地区,中下游区域风成沉积厚度较大,形成年代较老(图4[18,22,24,25,27,28,48~52]。Ling等[24]利用概率密度统计方法,对雅江流域102个风成沉积地层的年代数据进行归一化处理,表明风成砂、黄土和古土壤有80%形成于MIS3(约50 ka BP)以来,69%形成于MIS1(约14 ka BP)以来,其中黄土主要在约48 ka BP开始堆积,略早于风沙沉积(约26 ka BP),古土壤则主要在13 ka BP、8 ka BP、6 ka BP和2 ka BP左右发育,代表了相对短的气候适宜期(图5)。

图4

图4   雅鲁藏布江流域典型风成沉积剖面及其年代

MOG1、MOG4、GRE18 和GYA3 位于拉萨河河谷内,RWS2~ZZ剖面自东向西排列,分布位置见图1。MOG1、MOG4、GRE18和GYA3数据引自参考文献[2225];RWS2数据引自参考文献[48];Zeyi数据引自参考文献[49];YJP1、YJP2、MLP、LXP、SNP、SRP 和LCP数据引自参考文献[24];LS 和RKZ数据引自参考文献[50];STA1 和QUX1数据引自参考文献[2225];Section 49数据引自参考文献[51];Cha’er数据引自参考文献[52];TB-7 和TB-8数据引自参考文献[18];XL和JJ数据引自参考文献[28];ZZ数据引自参考文献[27

Fig.4   Typical aeolian deposits profiles and its chronology in the Yarlung Zangbo River Basin

MOG1, MOG4, GRE18 and GYA3 are located in the Lhasa River valley. All of profiles (from RWS2 to ZZ) are arranged from east to west, and are shown in Figure 1. The data of MOG1,MOG4,GRE18 and GYA3 from references[22,25];The data of RWS2 from reference[48];The data of Zeyi from reference[49];The data of YJP1,YJP2,MLP,LXP,SNP,SRP and LCP from reference[24];The data of LS and RKZ from reference[50];The data of STA1 and QUX1 from references[22,25];The data of section 49 from reference[51];The data of Cha’er from reference[52];The data of TB-7 and TB-8 from reference[18];The data of XL and JJ from reference[28];The data of ZZ from reference[27


图5

图5   雅鲁藏布江流域风成沉积年代概率密度曲线(据参考文献[24]修改)

Fig.5   Probability density curves of chronology of aeolian deposits in the Yarlung Zangbo River Basin (modified after reference [24])


雅江河谷沙丘的测年结果表明,从谷底到谷坡,随着沙丘活动性逐渐减弱,沙丘形成年龄趋于变老(图6[32]。江心洲与河漫滩上的新月形沙丘、灌丛沙丘和平沙地的形成年龄多为数百年,如米林新月形沙丘形成于(0.3±0.1) ka BP;河流阶地上的横向沙丘和灌丛沙丘等类型,其形成年龄在10 ka以内;而谷坡上发育的爬坡沙丘则可能更老,如贡嘎附近垂直爬升高度约400 m的爬坡沙丘,其形成年龄可达(48.7±2.4) ka[32]

图6

图6   雅鲁藏布江河谷风沙沉积年代(据参考文献[32]修改)

Fig.6   Chronology of aeolian sand dunes in the Yarlung Zangbo River valley (modified after reference [32])


4 风成沉积物特征

4.1 黄土沉积物

4.1.1 微结构及粒度特征

雅江黄土沉积物颗粒具有明显的棱角,极少或没有胶结情况[19]。黄土较为新鲜,但石英颗粒的微形态特征却表明仍存在一定的风化现象[17]。石英砂颗粒表面有以小麻坑、碟形坑、V形坑等为主的机械成因特征,也有以SiO2沉淀、硅质鳞片等为主的化学成因特征[53]。除古土壤石英颗粒表面的化学成因相当发育外,大部分沉积物的化学风化并不强烈。

尽管雅江黄土分选较差,但其粒度组成特征与其他区域的黄土大体相似,如雅江基岩顶部及河流附近的黄土沉积物与美国以及德国的风成沉积物表现出了相似的累积频率曲线[19],雅江二级阶地上的黄土粒度特征与黄土高原、昆仑山北坡以及阿根廷东部的黄土分选特征也十分相似[45],而与其他区域的黄土不同的是,本区黄土整体偏粗,粉砂含量更低[18,19]。由于黄土沉积分布在河流冲洪积扇的不同部位以及不同基岩类型的山坡上,不同区域的沉积物在质地和分选上差异很大,黄土沉积物的粒度组成变化较大,如砂含量为43%~55%,粉砂含量为34%~55%,黏土含量为3%~11%[19],这主要取决于沉积物物源的远近、被再次搬运的距离以及与沿坡运动的冲洪积物的混合。

日喀则地区雅江二级阶地上(谢通门剖面[45])的黄土粒度特征表明,本区黄土为粗粉砂(平均粒径为42.4~50.0 μm),其中大于100 μm的颗粒含量为2.2%~7.5%,100~50 μm的颗粒含量为44.7%~63.3%,50~10 μm的颗粒含量为17.2%~51.5%,10~5 μm的颗粒含量为2%~9.6%,小于5 μm的颗粒含量为3.6%~15.6%。然而,与路晶芳等[54]在距离谢通门剖面仅140 km的黄土(大竹卡剖面)粒度测量结果却存在明显差异,平均粒径为62.7~184.0 μm,不同组分的颗粒含量也不同。

4.1.2 地球化学及矿物学特征

雅江黄土沉积物各元素均表现出了与黄土高原黄土的巨大差异,其常量元素以SiO2为主,含量可达60%~70%,Al2O3含量次之(10.5%~13.4%),其他元素含量均低于8%[45],其中SiO2和Al2O3含量普遍高于洛川剖面马兰黄土[55]。雅江黄土中微量元素Li、Ni和Cs的含量明显高于上部陆壳(Upper Continental Crust,UCC)平均化学组成,与黄土高原黄土相似,但这些元素的富集程度明显高于黄土高原(UCC的2倍),为UCC的2~10倍(图7a,b);稀土元素的浓度相对黄土高原明显偏高且相对分散,其中Eu有着显著的负异常(图7c,d)[18]。这种差异可能是因为黄土高原黄土物源较为统一,风成物质经过长距离搬运混合均匀且被稀释,而雅江黄土物质来源相对复杂的缘故。

图7

图7   雅鲁藏布江流域黄土与黄土高原黄土的微量元素(ab)和稀土元素(cd)分布对比(据参考文献[18]修改)

Fig.7   Trace elements (a, b) and rare earth elements (c, d) of loess in the Yarlung Zangbo River Basin and Loess Plateau (modified after reference [18])


Péwé等[19]通过分析雅江黄土的矿物组成,表明黄土沉积物来源于多种岩石矿物,其中石英、长石、方解石、云母包括白云母或伊利石、绿泥石是雅江黄土中的5种主要矿物,含量超过总数的90%,其他矿物包括角闪石、蒙脱石和海泡石等。黄土碎屑矿物中重矿物的含量为0.8%~2.8%,其中不稳定矿物的含量为16.0%~46.5%,较稳定矿物含量为8.5%~19.0%,稳定矿物含量为8.0%~39.8%,极稳定矿物含量较高,可达15.3%~75.5%,而以石英和斜长石为主的轻矿物含量为33.8%~48.5%[18,19]

4.2 风沙沉积物

4.2.1 微结构及粒度特征

石英砂颗粒的微形态特征可以很好地指示沉积物侵蚀、搬运和沉积环境,但关于雅江风沙沉积物微形态特征的报道却很少。通过对比青藏高原、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、古尔班通古特沙漠以及毛乌素沙地的石英砂颗粒的扫描电镜影像发现,青藏高原石英砂颗粒与我国北方沙漠沉积物颗粒的微形态特征存在明显差异(图8)。青藏高原石英砂颗粒多存在棱角、次棱角和次圆形等特征,磨圆度差,指示沉积物搬运距离和搬运时间较短。多数颗粒机械侵蚀特征明显,如颗粒有光泽、存在新鲜的断裂面、贝壳状断口、碟形坑和V形坑[47],而化学特征如溶蚀坑和溶蚀裂缝等相对较少[17],表明相对于中国北方沙漠,青藏高原风沙沉积物经历了更多的机械搬运和物理风化作用。

图8

图8   不同地区石英砂颗粒的扫描电镜影像

(a)青藏高原[17];(b)巴丹吉林沙漠[17];(c)腾格里沙漠[17];(d)古尔班通古特沙漠;(e)毛乌素沙地

Fig.8   Scanning electron microscope images of quartz sands in different regions

(a) Tibetan Plateau[17]; (b) Badain Jaran Desert[17]; (c) Tengger Desert[17]; (d) Gurbantunggut Desert; (e) Mu Us Sandy Land


雅江河谷风成砂的粒度研究集中于个别典型区域,而缺乏对雅江河谷风沙沉积物的整体研究。整体来看,雅江风沙沉积物以细砂和中砂为主,自西向东,黏土、粗粉砂和极细砂含量明显增加,细砂含量变化不大,而中砂和粗砂含量明显减少(表1[44,56~59]。总体上,雅江河谷风成砂在风力作用下,自西向东呈逐渐变细的趋势,平均粒径减小,分选愈好,偏度呈正偏,概率分布曲线由多峰态向单峰态转变[17]。此外,沉积物自谷底至山顶也受到了明显的风力分选,粒度变细,分选变好[44,57,58]。然而,这种粒度变化的区域差异也很明显,例如日喀则[58]、山南[56]和米林[44,59]等宽谷地区,相邻的沙丘却表现出了不同的粒度特征。因此,雅江风成砂受风力作用和局地环境的综合影响。

表1   雅鲁藏布江流域流动沙丘沉积物粒度特征

Table 1  Grain size characteristics of mobile dune sediments in the Yarlung Zangbo River Basin

位置粒度组成/%

平均

粒径/Φ

分选

系数/Φ

偏度峰度
黏土(>5 Φ)粗粉砂(5~4 Φ)极细砂(4~3 Φ)细砂(3~2 Φ)中砂(2~1 Φ)粗砂(1~0 Φ)
定结县[57]00.410.055.332.71.62.230.570.040.97
日喀则市[58]0.7*67.2**31.70.42.370.610.041.08
山南市[56]--2.353.743.20.82.110.460.010.95
米林县[44,59]3.05.636.952.42.20.123.050.790.291.81

注:“-”表示几乎不含粉砂和黏粒;Φ是粒度单位,其与mm之间的转换关系见参考文献[56];*表示为黏土和粗粉砂的含量总和;**表示为极细砂和细砂的含量总和

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4.2.2 地球化学及矿物学特征

雅江风沙沉积物的地球化学和矿物学特征研究相对较少。Du等[60]通过分析雅江典型宽谷中19个风沙沉积物的地球化学特征,表明常量元素以SiO2为主,含量可达75.2%,Al2O3次之(11.2%),其他常量元素含量均低于3.6%,与毛乌素沙地沙丘沉积物的化学特征[61]极其相似。典型宽谷地区风沙沉积物中常量元素和微量元素的UCC标准化曲线表明,除少数元素外,大部分常量元素和微量元素均明显低于UCC值,不同区域存在不同程度的亏损,其中上游马泉河(仲巴)附近的风成砂亏损程度最高(图9),这可能是强烈的盛行西风将矿物中易流失元素形成的细颗粒物质吹蚀的结果。沉积物化学蚀变指数(Chemical Index of Alteration,CIA)平均值为52.2,略高于上部陆壳(CIA=48),但低于中国黄土(CIA=59.2)[62],表明雅江风沙沉积物在寒冷、干燥的气候条件下,经历了低等的化学风化。

图9

图9   雅鲁藏布江宽谷段风沙沉积物常量元素(a)和微量元素(b)特征[60]

Fig.9   Major elements (a) and trace elements (b) of aeolian sands in the wide valleys of Yarlung Zangbo River[60]


以雅江中游日喀则宽谷附近风成砂为例[58]:从重矿物含量和成分来看,不同地貌部位差异较大,河漫滩沙丘砂和山地片沙中重矿物含量普遍高,平均含量可达8%,而河流高阶地沙丘砂重矿物含量较低,平均含量约为1.8%。从矿物组分及其稳定性来看,河漫滩沙丘砂和山地片砂的主要成分为普通闪石、辉石和绿帘石等不稳定矿物,含量可达66.2%,而河流高阶地沙丘砂则主要为钛铁矿、石榴子石等稳定矿物,含量为60%。从河漫滩到高阶地,沙丘砂重矿物含量降低,稳定矿物成分逐渐增多,而从山脚至山顶,山地片沙的重矿物含量也有所减少,但不稳定成分逐渐增多。不同地貌部位风成砂与邻近地表堆积物的矿物特征表明,宽谷地区不同地貌部位沙丘砂的重矿物主要受附近地表堆积物类型的影响,具有明显的继承性[56]

5 物源及其可能的形成机制

雅江流域地表沉积物的物源问题引起了学者的广泛兴趣[18,19]。为解决这一科学问题,先后提出了风化(残余)假说、湖积(冲积)假说和风成假说来解释沉积物的形成过程。由于风化残余物质与下伏地层之间没有化学、矿物和结构上的联系[19],风化(残余)假说缺乏证据支持。一系列的证据也相继表明湖积(冲积)假说可能性较小,难以成立[19]。19世纪80年代以来,风成假说被首次提出[63,64]。Péwé等[19]论证了雅江黄土与原生黄土的相似性,认为山体基岩顶部的非层状黄土是原生黄土,支持风成假说,这也被后续研究所证实[19,45,51,65]。在风成说背景下,目前多数学者支持雅江黄土的近源成因[19,31,45,58],部分学者也提出了黄土的冰川成因[18]

雅江黄土的近源成因得到了广泛的支持,其沉积物大多被证明与当地上风向疏松的地表沉积物有密切的联系。近源成因认为由于高海拔、低气温以及活跃的构造运动导致物理风化加剧,产生了大量的岩屑等地表松散物质,而这些松散物质被冰雪融水、洪水等向下冲刷,沉积物聚集在湖泊和河谷水系中,当沉积物干燥出露时,地表沉积物容易被风吹起,直至被下风向植被捕获形成黄土沉积。

尽管这些沉积物经过了一定的后期改造,但它们仍然保持着源地沉积物的组成特征[19],因此黄土的近源成因在粒度、地球化学和矿物学等方面得到了强有力的支持。基于风洞实验和现代尘暴的研究,Pye[66]认为粒度小于20 μm的粉尘颗粒能进行长距离、较大高度范围的悬浮输送,粒度在20~70 μm的颗粒则只能进行短时间的悬移,而大于70 μm的颗粒只能进行跃移运动。雅江黄土大于20 μm的颗粒组分可达80%以上,表明大多数颗粒物质从当地辫状河道以短时间悬移和短距离跃移相结合的方式进行输送[67]。Sun等[18]通过对比黄土与潜在物源区基岩的地球化学组成和矿物学特征,认为本区黄土很可能来源于雅江北部的花岗岩。黄土的近源成因说也得到了其他的证据支撑。例如,Péwé等[19]发现青藏高原南部黄土来源于雅江广泛的辫状水系、洪积扇和干湖盆,松散沉积物受到山体的影响,就近沉积于山坡、山顶及河谷底部靠近河流处。此外,我们对沉积物理化特征的综合分析(见“风成沉积物特征”一节)也表明,雅江风成沉积物多为河道沉积物的短距离搬运,具有明显的局地特征。

相对于黄土高原普遍接受的沙漠成因黄土即热黄土,Sun等[18]提出了雅江黄土的冰川成因,认为雅江黄土沉积物主要形成于末次冰消期以来,其概念模型见图10。冰期,山坡主要被冰川和冰碛物所覆盖,在冰雪融化的早期阶段,沉积物受冰雪融水的侵蚀作用搬运到河谷,由于河道沉积物负荷过大,河谷发育成为辫状水系(图10a);间冰期尤其是冰消初期之后,辫状河道出露的河流沉积物受风力分选作用,在下风向山坡附近形成了沙丘和黄土沉积(图10b)。

图10

图10   雅鲁藏布江流域黄土冰川成因的概念模型(据参考文献[18]修改)

Fig.10   A conceptual model of glacial genesis of loess in the Yarlung Zangbo River Basin (modified after reference [18])


Dong等[17]也间接地论证了雅江黄土的冰川成因,认为黄土高原具有2.4 Ma的黄土沉积历史[2, 68],而雅江黄土仅形成于末次冰消期以来即大约10 ka,加之沉积物化学风化微弱[53],因此雅江沙地不可能在这段时间内为黄土沉积提供如此丰富的沉积物。雅江流域大多数黄土沉积区上风向的沙地面积均较小,尽管沙丘被风力作用所改造,为下风向的黄土沉积提供了一定的物源,但这种方式产生的黄土沉积通量应该很小,不能作为黄土沉积物主要源区,因此认为雅江沙丘和黄土沉积之间极有可能是同步的。这种可能性在其他区域也得到了证实,如青藏高原东北缘共和盆地中沙丘与黄土沉积之间并未发现相关之处[69]

6 风沙活动历史

青藏高原地区的风成沉积记录承载着高原古气候变化、隆升过程和全球气候系统演化的重要信息[70],因此其风沙活动历史一直备受关注。然而,由于独特的高山环境以及高原内部巨大的区域差异,导致古气候记录的解释较为复杂[17]。雅江流域风成沉积由于受局地环境的影响,其指示意义和古气候解释也表现出了一定的复杂性[23]

地层沉积相是确定自然环境和气候特征的重要方法。靳鹤龄等[26]通过研究雅江中游6个风成沉积剖面,将0.8 Ma BP以来的沙地演化和气候变化划分为4个阶段。800~518 ka BP:气候相对暖湿,风沙沉积速率较小,沙地变化频繁但面积相对稳定,与中国北方沙区气候变化和沙地演化特征一致;518~80 ka BP:气候以干冷多风为主,风沙沉积速率增大,沙地面积变化频繁且逐渐扩大;80~10 ka BP:气候干冷多风,风沙沉积速率显著增大,沙地面积快速扩张;10 ka BP以来气候变化和风沙活动更为频繁,其中全新世早期(10~7 ka BP)气温虽有回升但仍以干冷为主,沙地面积扩张,全新世中期(7~4 ka BP)气候较暖湿,沙地面积缩小或固定,全新世晚期(4 ka BP以来)气候转变为干冷多风,风沙活动再次增强。

中更新世以来尤其是至LGM期间的这种古气候变化及风沙活动变迁与黄土高原黄土—古土壤序列,甚至与全球气候变化大体一致[2,71],表明雅江流域气候变化及风沙活动很大程度上受全球气候变化的控制,冰期风成沉积普遍增强,间冰期相对减弱,即冰期可以促进风成沉积物产生,甚至在LGM时期可能达到最大的粉尘通量。然而,雅江流域LGM时期黄土沉积保存极少[18],这主要是因为:LGM时期的干冷气候环境不适宜植被的生长和沉积物的堆积,流域附近的经向气压梯度被放大,风速和尘暴频率增加,致使沉积物被远距离传输至高原外部[17,18]即使LGM时期由于冰川扩大、碎屑物质增加,存在黄土沉积,沉积物也极易在冰消期初期被冰雪融水侵蚀,搬运至雅江河谷。因此,尽管冰期风成沉积普遍增强,但雅江流域黄土沉积在冰期难以保存,多堆积于间冰期,此时气候温暖湿润,植被状况良好,有利于黄土的沉积与保存。从这个意义上来说,雅江流域黄土沉积的气候指示意义与黄土高原地区明显不同。此外,高原整体的侵蚀环境[23]以及32.3~13.2 ka BP日喀则及贡嘎附近广泛存在的堰塞湖[48,72,73]也可能是导致雅江流域LGM及其以前地质历史时期风成沉积普遍缺失的重要原因。

然而,雅江支流拉萨河附近发现了LGM时期的风成沉积[22,25],当地黄土沉积形成于末次间冰期(甚至更早)至全新世,主要发生在LGM时期之前[(34.1±3.0) ka BP]。Lai等[22]发现在83~79 ka BP和33 ka BP风成沉积显著增强,表明末次冰期的侵蚀作用可能没有之前认为的那么强烈,全新世以前的黄土在某些区域被保存了下来。24个年代的概率密度分布[22]表明除上述2个年龄群外,21~16 ka BP、8 ka BP和3 ka BP 3个年龄群也存在明显的风成沉积,这与靳鹤龄等[26]的研究基本一致,也与高原其他区域存在较好的一致性[21,74~76],表明风成沉积可能在整个高原同时发生,对古气候的响应具有同步性。随着人类在高原上的出现和定居,人类活动对环境的影响显著增强[77,78]。Kaiser等[25]和Hu等[79]表明晚全新世以来,拉萨地区已经受到了人类活动的强烈影响,拉萨河附近的风成沉积可能不是由于干旱气候和高海拔条件造成的,而主要受过去乃至现在人类活动的影响。

尽管雅江流域存在LGM时期之前的风成沉积,但目前广泛存在的风成沉积主要发育于全新世以来。上述研究表明雅江中游地区全新世早期和晚期气候干冷,沙地扩张、风沙活动强烈,而全新世中期气候暖湿,沙地稳定,这也得到了其他研究的支持[28, 80]。然而,这与Li等[27]在雅江上游(仲巴)的研究结果相反,认为全新世早期(7.3 ka BP之前),气候暖湿少风,砂质古土壤发育;全新世中期(7.3~3.8 ka BP),气候干冷,风沙活动强烈;全新世晚期(3.8 ka BP以来),风沙活动先减弱后增强。Zheng等[52]和郑影华[53]等在雅江中游日喀则宽谷和山南宽谷的研究结果表明,即使在雅江中游地区,风沙活动演化过程也存在某些差异。可以看出,雅江中上游地区全新世以来的风沙活动过程存在较大的争议,对风沙活动演变的区域差异的认识还不够清楚。

综合来看,雅江流域在晚更新世以前主要受全球冰期—间冰期气候变化控制,风沙活动经历了多次更迭,但风成沉积保存极少,晚更新世之后尤其是LGM以来,风成沉积广泛发育,风沙活动演化较为复杂,存在区域差异。由于现代气候格局的形成,风沙活动除对大区域气候变化存在响应外,也受局地环境如物源地的变化和侵蚀过程的影响,致使流域内部风成沉积形成发育过程存在差异。

7 结论与展望

雅鲁藏布江流域分布着典型的风成沉积,对气候变化的响应敏感。本文梳理了近年来雅江流域风成沉积的主要研究进展,获得以下主要认识:

作为风成沉积的两种主要类型,黄土沉积主要包括阶地及山顶披覆的原生黄土,存在一定的空间分布特征,多发育于日喀则宽谷和山南宽谷附近,而风沙沉积集中分布于河流宽谷段,其地貌类型多为叠加在河流地貌之上的典型风积地貌。尽管存在末次间冰期(甚至更老)的沉积序列,但整体保存较少,多形成于LGM以后且主要发育于MIS1(约14 ka BP)以来。河谷沙丘相对年轻,从谷底至谷坡,随着沙丘活动性的减弱,形成年龄趋于变老,多为数百年至10 ka BP,部分可能更老。

微结构特征指示沉积物颗粒经历了更多的机械搬运和物理风化,化学风化并不强烈。沉积物粒度整体偏粗,在风力作用下呈现出一定的空间规律,但仍存在明显的局部特征。沉积物来源于多种岩石矿物,与附近地表堆积物联系密切,具有明显的继承性。黄土与风成砂的化学特征表现出了明显的差异,前者化学元素富集且相对分散,而后者存在不同程度的亏损,指示黄土以堆积为主,而风沙沉积遭受了明显的侵蚀。地表沉积物的风成特征毋庸置疑,除目前普遍认可的近源成因外,冰川成因也得到了关注,均认为河谷底部地表松散物质为风成沉积发育提供了主要的物质来源。

晚更新世以前,风沙活动主要受全球冰期—间冰期气候变化控制,但保存极少;晚更新世之后尤其自LGM以来,风成沉积广泛发育,风沙活动演变较为复杂,其中全新世晚期的风成沉积可能受到了人类活动的强烈影响。尽管风沙活动对大区域气候变化有较好的响应,但由于局地环境的复杂性,流域内部风成沉积形成发育过程存在差异。

尽管雅江风成沉积研究取得了一定的成果,但也存在明显不足:风成沉积物理化性质尚不够清楚。区域的差异性加大了研究的难度,缺乏系统深入的针对该区域风成沉积物理化性质的研究,不能很好地论述雅江各类沉积物之间的可能联系。从已有的研究结果来看,该区域风成沉积物多形成于全新世以来,但由于对气候变化代用指标研究不足,各类代用指标的指示意义不明确,导致对该区域全新世以来气候变化时空格局的认识仍不清楚。高原粉尘气溶胶的自然和人为排放对大气环境污染具有重要贡献,可以直接或间接地影响高原及其周边、东亚乃至全球气候环境变化。作为重要的粉尘源区,雅江流域的粉尘释放对人类生存环境的影响研究也亟待加强。

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