柴達木盆地中東部表土鹽類礦物分布特征及其與鹽塵暴物源聯系

耿 鋆，張西營，李雯霞，郭曉寧，張海瀟，唐啟亮，陳 亮

(1. 中國科學院 青海鹽湖研究所 ， 中國科學院 鹽湖資源綜合高效利用重點實驗室， 青海 西寧 810008； 2. 青海省鹽湖地質與環境重點實驗室， 青海 西寧 810008； 3. 中國科學院大學， 北京 100049； 4 青海省氣象臺， 青海 西寧 810001)

在干旱和半干旱地區，干涸湖床釋放的粉塵中含有大量危害人體健康的細顆粒物質(可溶鹽離子、殺蟲劑、重金屬等)(Jilili Abuduwaili, 2010; Kingetal., 2011)，因而受到人們越來越多的關注(Osamuetal., 2003; Jilletal., 2019)。這些有害的細顆粒物質經長距離搬運，會對更廣泛區域的生態環境造成負面影響(吐爾遜 ·吐爾洪等, 2009; 劉東偉等, 2011; Pan and Wang, 2015; Tangetal., 2019)。因此，國內外許多學者針對此類粉塵污染開展了大量研究工作(Gilletal., 2002; 胡克等, 2006; 吉力力·阿不都外力等, 2007; Baddocketal., 2016; Kloseetal., 2019)。

一般認為，鹽塵暴主要是由于干旱半干旱地區干涸湖底富鹽沉積物和鄰近強鹽漬化土壤風蝕所致的一種特殊塵暴。位于干旱或半干旱地區的內陸湖泊，由于氣候變暖和人類不合理的開發利用，使處在內陸河流尾閭的湖泊水源補給大大減少，加上區域降水量少、蒸發量大的氣候特征，使湖泊逐漸萎縮并積累大量鹽分，一旦湖床裸露地表則成為釋放鹽塵的主要源地(吉力力·阿不都外力, 2012)。但含鹽量具體多少能被稱為鹽塵暴，目前還沒有明確的定義，但根據被稱為鹽塵暴的相關研究來看，北京降塵中的可溶鹽含量為2.36%(韓同林等, 2007; 劉艷菊等, 2010)，新疆艾比湖下風向不同監測點大氣降塵的含鹽量為4.3%～18.5%(吉力力·阿不都外力, 2012)，吉林西部堿塵氣溶膠含碳酸鹽和氯鹽分別為4.4%和2.7%(陳兵等, 2004)，天津濱海新區鹽塵含量為9.2%～13.7%(張民勝等, 2006)，這些塵暴均被研究者稱為鹽塵暴且得到較為廣泛的認同。格爾木市位于柴達木盆地中南部，是盆地內最重要的居民聚集區和經濟最發達的城市(田森等, 2017)。格爾木市沙塵暴頻發，由于這些沙塵氣溶膠中含有大量可溶鹽組分，含量為19.8%(盛陽, 2015)，其本質上就是鹽塵暴(吉力力·阿不都外力等, 2007)。盆地內常年以西風為主(祁貴明等, 2010)，在盛行風作用下，盆地地表各類含鹽物質以鹽塵暴的形式對格爾木市及周邊地區居民的健康和生態環境造成嚴重損害。為了深入了解鹽塵暴物源區含鹽物質分布情況，本文以塵暴頻發的柴達木盆地中東部地區(包括格爾木市)為研究區，對該區域表土進行了系統采樣及礦物學分析，以期為研究區鹽塵暴物源及形成機制研究提供科學依據。

1 區域概況

柴達木盆地位于青藏高原東北部，四周被阿爾金山、昆侖山和祁連山所圍限，是我國內陸大型山間斷陷盆地之一。侏羅紀以來，盆地大體經歷了山前拗陷、整體拗陷和隆起褶皺3個階段，盆地內主要分布著新生代以來的沉積物，尤其以第四系分布最為廣泛(王春男等, 2008)。隨著青藏高原的不斷隆升，柴達木盆地湖盆先后經歷了發生、發展、衰退的演變過程，最終從統一的柴達木古湖逐漸演變為次級成鹽凹陷普遍發育的現代分布格局(張彭熹, 1987; 朱筱敏等, 2003; 袁四化等, 2008)。

柴達木盆地內部平均海拔為3 000 m，氣候極端干旱，西北部年平均降水量少于20 mm，而蒸發量超過2 000 mm，植被種類稀少且覆蓋度很低，植被覆蓋度較高的區域主要分布在盆地東南低山區和中部格爾木—諾木洪一帶綠洲核心區前緣以及蘇干湖東部沖積平原區(張斯琦等, 2019)。柴達木盆地鹽湖眾多，表土鹽漬化和鹽漠化極為發育。隨著氣候的變遷，一些湖泊萎縮或干枯變為干鹽灘，為地表風蝕和風積地貌的形成演化提供了大量物質基礎(張西營等, 2020)。盆地年平均風速為2.5 m/s，由于受海拔和地形的影響，各地的風速差異較大，其中茫崖地區風速最大，年平均風速在5.0～6.5 m/s之間，年平均大風日數高達62天；其次是冷湖、德令哈北部哈拉湖地區(年平均風速在4.0～6.0 m/s)和處于中東部盆地底部的諾木洪地區(年平均風速在4.5～6.5 m/s)，風速最小的區域位于盆地東部的都蘭和烏蘭地區(李萬志, 2017)。盆地西北部強勁的風力使得這些地區頻繁出現沙塵暴。這些自然條件非常有利于鹽塵暴的發生發展，柴達木盆地由此也成為我國重要的鹽塵暴頻發地區之一。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2019年11月，筆者在柴達木盆地中東部對表土開展了大范圍實地采樣工作，以期深入了解不同表土類型分布及其含鹽情況。樣品采集主要集中于柴達木盆地昆侖山北緣、祁連山南緣和沿著315國道南側的沉積區(圖1)。圖1中柴達木盆地邊界由DEM遙感影像提取獲得，DEM遙感影像下載網址為http://glovis.usgs.gov/。采樣點盡量遠離人類活動范圍，樣品具有較好的代表性，采樣面積為15 cm×15 cm，采樣深度為5～10 cm，樣品采集后放入自封袋編號，并對周圍環境進行拍照和描述。共采集表土樣品129個。

圖 1 研究區表土采樣點位置示意圖

研究區域主要的地表覆蓋類型為戈壁灘、鹽化草原、沙漠、雅丹、干鹽灘等(圖2)，宏觀上基本以鹽湖為中心向四周呈環帶狀分布。戈壁灘廣泛分布在昆侖山北麓的沖洪積平原上，植被稀疏，主要為礫石和粗砂。鹽化草原主要是發育在地下水溢出地帶的鹽漬化土分布區，植被以耐鹽堿的鹽生植物為主，裸地則為白色鹽堿所覆蓋。沙漠主要集中分布在西起尕斯庫勒湖、東至烏圖美仁一帶以及格爾木以南的昆侖山北麓和夏日哈—香日德一帶，是柴達木盆地主要的沙漠分布區之一。在盆地中部平坦的一里坪、臺吉乃爾地區，分布著大面積的古湖相地層風蝕后形成的雅丹地貌，沉積物以細砂、粉砂和粘土組成，可見較多無色透明石膏碎片。鹽湖主要分布在環帶狀中心部位，包括察爾汗、東臺吉乃爾、西臺吉乃爾、一里坪等鹽湖(有湖表水的鹽湖和大面積的干鹽灘)。

2.2 樣品處理

取樣品50 g左右放置在蒸發皿中， 在烘箱中進行低溫烘干， 風速調至最低， 防止樣品間相互污染， 時間為12 h。采集的樣品中有礫石等粗顆粒物質，而可蝕性顆粒粒徑一般≤84 mm，其中粒徑為0.05～0.50 mm的土粒為最易蝕性顆粒(劉連友等, 1998)，因此，烘干后的樣品用孔徑為690 μm的篩子進行篩分，以去除不易被風蝕的顆粒和較大的植物殘體，然后放入自封袋中。取經過上述處理的樣品1 g研磨至200目后放入自封袋，在中國科學院青海鹽湖研究所鹽湖化學分析測試中心進行XRD分析以測定樣品的礦物種類及其質量分數，分析儀器為荷蘭帕納科公司的X pert Pro型X射線衍射儀，電壓40 kV，電流30 mA，銅靶，連續掃描。

圖 2 研究區各種地表類型

3 結果

分析結果(表1)顯示，樣品主要礦物成分為石英、長石類礦物和白云母，粘土礦物(斜綠泥石)和碳酸鹽礦物(方解石、白云石和文石等)也較多，鹽類礦物整體含量相對較小。鹽類礦物主要是石鹽和石膏，個別樣品含有無水芒硝(Σ總鹽表示石鹽、石膏和無水芒硝之和，其中無水芒硝僅存在于兩個樣品中，含量分別為7%和11%，未在表中標出)。經統計，表土中的含鹽量一般介于0～39%之間，僅有1個含石膏的樣品例外，鹽類礦物含量高達88%。由于盆地是一個巨大的成鹽盆地，到現在仍不斷接受周圍水系補給的成鹽離子，再加上盆地極度干旱的氣候特征，使得石鹽和石膏廣泛分布于盆地的表土中。相對于石鹽、石膏而言，無水芒硝在盆地表土中并不常見，這與它的形成條件有關。芒硝是典型的冷相礦物，即使是形成不穩定的芒硝層，年均溫度也需在0～2℃，只要溫度升高，便會消融(張雪飛等, 2017)。在一里坪鹽湖、西臺吉乃爾湖和東臺吉乃爾湖附近的表層沉積物中，還發現了原生的文石礦物，推測其可能來源于古湖相地層(雅丹)。

4 討論

4.1 表土主要鹽類礦物分布特征

利用Arcgis10.0對獲取的129個樣品進行Kriging插值處理，得到盆地中東部主要鹽類礦物的空間分布圖(圖3)。

表 1 研究區表土物質組成 wB/%

圖3a顯示，盆地內石鹽的分布特征表現為靠近山區的部分含鹽量較少，越靠近中心鹽湖區含鹽量越高。石鹽高含量分布區主要位于兩個區域： 靠近一里坪鹽湖、西臺吉乃爾湖和東臺吉乃爾湖附近的區域，石鹽含量9%～35%；格爾木—諾木洪一帶綠洲核心區前緣，石鹽含量也普遍較高，介于5%～13%之間。石膏除了在盆地東南部含量極低之外，在盆地的中西部分布較為普遍(圖3b)。與石鹽的分布規律相反，石膏在遠離鹽湖區的山前戈壁帶便已沉淀下來，石膏高含量分布區集中在油沙山—甘森—一里坪鹽湖以西、尕斯庫勒湖以東的范圍內，在這一范圍內，石膏的平均含量為8%左右。需要注意的是，由于在格爾木附近采集的1個樣品中的石膏含量高達82%，異常高于其余表土中的含量，可能是植被與土壤共同作用所致，故剔除該樣品以免影響插值結果。含有無水芒硝的兩個表土樣品，一個位于格爾木附近的鹽化草原中，另一個位于甘森附近的鹽化草原(用黑色三角形代表)。據鹽類礦物總量分布圖(圖3c)分析發現，盆地中東部含鹽量高值區域集中分布在鹽湖及附近區域，總體上疊加了石鹽和石膏的范圍。

圖 3 研究區表土中各種鹽類礦物含量的空間分布(黑色三角形代表無水芒硝采樣位置)

盆地內各種地表類型的表土含鹽量存在明顯差異(表2)。不同地表類型的平均含鹽量從大到小依次為： 鹽殼、雅丹、鹽化草原、戈壁灘、沙漠。鹽殼和雅丹的含鹽量明顯高于其他地表類型，而沙漠的含鹽量最低。干旱區干涸湖底鹽分表聚一般有兩種形式：一是隨湖水礦化度的升高，鹽類礦物自行沉降；二是湖面萎縮后，裸露的干涸湖底在蒸發作用下，地下鹽水的溶解質隨毛管移至地表聚集(劉東偉等, 2009)。此次實地考察發現，在鹽湖周邊，采樣位置的表面均已形成了堅硬的外殼，即鹽殼。表面結殼的干鹽灘，在所有地貌類型中含鹽量最高，為32%，劉東偉等(2009)在分析艾比湖干涸湖底不同地表形態之間的鹽分差異時，同樣發現結晶鹽殼的含鹽量最高。雅丹地貌的含鹽量為22.80%，這與鮑鋒(2016)得到的察爾汗鹽湖區雅丹沉積物中易溶鹽含量最高的結果一致。雅丹地層軟硬互層、疏松且多斷層與節理，主要由細顆粒的粘土或細粉砂等組成(李玉輝等, 2017； 郜學敏等, 2019)，表土中的含鹽量最高可達36%，平均含鹽量比沙漠高7倍，比戈壁灘高4倍。鹽化草原不同于其他地貌類型，土壤鹽分與生長在該區域的植被之間存在一定的相互作用，有研究表明表層土壤20 cm深度所含的鹽分類型對植被物種的分布影響最大(姜小妮, 2019)，同時這些植物通過強大的根系從底層吸取鹽分，并以殘落物的形式返回地面，隨著植物遺體被分解，會使土壤重新聚集一定的鹽分，因此鹽化草原的積鹽情況相對復雜，含鹽量的范圍變幅很大(0～88%)。研究區沙漠主要分布在西起尕斯庫勒湖東至烏圖美仁一帶以及格爾木以南的昆侖山北麓，個別出現在鹽湖區附近。沙丘多為流動性沙丘，表層沉積物以細砂為主，含鹽量偏低，為2.92%。盆地內戈壁灘的分布面積最廣，超過3/4的戈壁無植被覆蓋，平均含鹽量高于沙漠，為5.84%。圖4表示各種地表中不同類型鹽類礦物的含量，從中可以看出戈壁灘和鹽殼中石鹽和石膏的含量有明顯差異，其余類型表土中石鹽和石膏的含量基本一致。戈壁灘主要以石膏為主，鹽殼中石鹽的含量明顯大于石膏。總體上，研究區各種表土類型基本呈環帶狀分布，即從四周山區向鹽湖區過渡依次出現戈壁灘、沙漠、鹽化草原、干鹽灘、雅丹，含鹽量也隨之逐漸增大。

表 2 研究區不同類型表土含鹽量 wB/%

圖 4 研究區鹽類礦物在不同表土中的含量

4.2 表土鹽類礦物空間分布的影響因素

盆地內鹽類礦物的空間分布格局與盆地自中生代以來發生的構造運動密不可分。受到區域構造作用的影響，從漸新世到上新世，盆地內先后出現了一里坪凹陷沉降區和三湖凹陷沉降區，直至第四紀末期形成了以盆地中南部為主要匯水區域的現代鹽湖(楊津等, 2009)。一里坪鹽湖、西臺吉乃爾鹽湖和東臺吉乃爾鹽湖及其附近區域以及格爾木—諾木洪一帶綠洲前緣區的表土依然呈現出高含鹽量的特征，現代的高含鹽量區域仍然受控于曾經因構造運動所引起的鹽湖沉積中心的變化造成的多個早期的沉積區域。盡管盆地西部相對于東部而言地勢較高，但含鹽量仍然比較高，原因在于盆地西部新近系、古近系含鹽地層大面積出露，受新構造運動影響，構造裂隙發育，其含鹽地層中的鹽分大部分被地下水或地表水溶淋帶入湖區，部分由于盆地內強烈的蒸發作用直接在地表析出(王春男等, 2008)。因此，盆地早期構造運動導致的古含鹽地層的分布很大程度上影響了現代表土中含鹽量的空間分布格局。

盆地內鹽類礦物的空間分布格局與盆地內降水量、地表和地下徑流量以及蒸發量的空間變化具有一定的相關性。盆地內年降水量各地差異極為顯著，整體表現為由東向西逐漸減少，靠近山區附近的降水多，鹽湖區降水少。同時，盆地東南部河網較發育，西北部河網稀疏，徑流量的分布規律與降水量大致相同，表現為由四周山區向盆地中心匯集，最后補給到各個湖泊中。盆地內的年蒸發量在1 200～3 500 mm之間，其地區分布與降水量相反，在察爾汗最大為3 501.6 mm，在盆地西部的茫崖和冷湖地區也相對較高，為3 000 mm左右，而越往東或靠近山區附近的蒸發量相對較低(楊貴林等, 1996)。整個盆地內的含鹽量在鹽湖區及其附近表土達到最高；相反，靠近山區的部分，含鹽量情況基本一致，普遍較低。這可能是因為降水多、徑流量大的區域，地勢也相對較高，因此形成的地下水主要以溶濾作用為主，可溶性離子隨水遷移，不易積聚地表。越向鹽湖區靠近，蒸發量越大，地下水位埋藏變淺，鹽化作用加強，可溶性離子逐漸富集，最終通過毛細作用在地表析出大量的鹽類礦物。由于石鹽和石膏的溶解度存在差異，所以在空間上表現出明顯的沉積分異和分帶性：在地下水位較淺的戈壁帶常分布著石膏，而在湖積平原積聚大量的石鹽。

在強風條件下，具有表面鹵水或海水的地區會出現強風移送鹽分的現象。在美國的索爾頓海附近及其他一些靠近海岸的區域的土壤中均發現高的鹽分含量(張民勝等, 2006; Kingetal., 2011)，研究認為是因為當風吹過富含鹽的鹵水時，使湖水不斷向岸邊沖刷，或將富含鹽的泡沫直接吹向空中，并降落到附近表土中。就柴達木盆地而言，僅察爾汗鹽湖鹽田面積就多達1 000 km2，并且湖區強風天氣頻發，很容易將鹵水飛沫吹揚起來，這將有可能是盆地內鹽湖區附近表土含鹽量較高的另一個因素。總之，由于受到構造、降水、地表和地下徑流量以及蒸發量等多種因素之間的相互作用，盆地內鹽類礦物易于在古含鹽地層和鹽湖區附近積聚，表土含鹽量主要表現為由山區向中心凹陷區逐漸增加，最終在尕斯庫勒湖以東的一里坪鹽湖、西臺吉乃爾湖和東臺吉乃爾湖附近以及中部格爾木—諾木洪一帶綠洲前緣形成了高含鹽區。盆地內表土鹽分空間分布特征是多種因素相互影響和疊加作用的結果。

4.3 柴達木盆地鹽塵暴物質來源初步分析

高含鹽表土是釋放含鹽粉塵的重要源區。粉塵釋放一般需要3個條件：強勁的風力、豐富的塵源和不穩定的空氣層結，豐富的塵源是鹽塵暴形成的物質基礎(王濤等, 2001)。不同的地表覆蓋類型將影響表土的風蝕能力，進而影響粉塵的排放量。因此，需要通過分析不同地貌類型的地表粗糙度來進一步確定盆地內哪些區域可以成為產生鹽塵暴的主要源區。

表面結殼是干鹽湖的一個重要特征，盡管含鹽量最高，但其固結的表面可以有效減少表面受風蝕的能力，直接影響細顆粒的供應。固結的鹽殼被許多學者認為是供應能力有限的塵源(Macphersonetal., 2008; Baddocketal., 2016)，但一些研究發現，經過鹽殼表面的躍移顆粒通過不斷的磨蝕和撞擊作用成為其持續釋放粉塵的主要驅動因素(Shaoetal., 1993; Macphersonetal., 2008; Baddocketal., 2011)。可見，盡管堅硬的鹽殼可以防止風蝕，但是受到物理磨蝕后依然可以成為重要的粉塵源區。同時，干涸湖底富鹽沉積物的結殼類型和結殼強度也會隨著鹽分含量、地下水深淺、季節變化、水文特征等因素的相互作用在時空上呈現出高度可變性，進而使得供應粉塵的能力有所差異(Reheis, 2006; Reynoldsetal., 2007; Kingetal., 2011)。柴達木盆地鹽湖面積分布廣泛，干鹽湖或干鹽灘總面積約10 000 km2(張彭熹, 1987)，在鹽湖區附近不同的地理位置，含鹽沉積物表面形態與強度存在差異，蓬松或弱結殼的表面在低風速作用下便會被吹蝕，而已經形成的堅硬鹽殼在受到躍移顆粒物撞擊或強風吹蝕造成表層鹽殼粉碎后也能提供一定量的鹽塵，因此位于盆地內的干鹽灘是重要的鹽塵物源(吉力力·阿不都外力, 2012)。

一里坪、東西臺吉乃爾鹽湖周邊地區廣泛發育雅丹地貌，該類型表土具有含鹽量高、突出地表、土質相對松軟等特征，極易被風力侵蝕，很可能也是鹽塵的主要來源之一。而分布在盆地不同區域內的裸露沙地，因為含鹽量低而難以成為鹽塵釋放的主要來源，但其可以為下風向提供大量的碎屑物質。盆地內戈壁灘的空間覆蓋面積廣闊，表土主要為難以被吹揚的礫石和粗砂，起到削弱風力的作用，雖然可以提供一定的粉塵，但很難提供大量的含鹽細顆粒物質。梅凡民等(2004)研究發現，相比其他地表覆蓋類型，草原分布區下墊面粗糙度最大，雖然鹽化草原表土的含鹽量相對較高，但難以被風力吹揚至大氣中，因而不會成為主要的粉塵源區。除了上述表土類型外，湖表鹵水的飛沫也可能是釋放鹽分的來源。

總之，干鹽灘和雅丹是盆地內含鹽量最高的兩種地表類型，并且集中分布在鹽湖區附近，地表裸露，基本沒有植被覆蓋，雖然由于表面粗糙度的不同，提供粉塵的能力有所差異，但將會是最有可能為鹽塵暴提供鹽分的區域。

5 結論

(1) 柴達木盆地中東部表土物質中含有較多的鹽類礦物，主要包括石鹽、石膏和少量的無水芒硝，平均含量為8.79%。空間上，表土含鹽量以鹽湖為中心，向四周逐漸減小；不同類型表土含鹽量從大到小的順序依次為：鹽殼、雅丹、鹽化草原、戈壁灘、沙漠。

(2) 各類表土中，雅丹和干鹽灘分布區很可能是盆地內鹽塵暴中可溶性鹽分的主要源區；其他類型表土由于含鹽量低或難以被風力揚起，貢獻較小。

(3) 研究區含鹽表土一旦經強風吹蝕后將產生大量的鹽塵，經過本地沉降和一定距離的遠程輸送，將對柴達木盆地的生態環境和人類健康產生危害，有必要采取措施遏制其帶來的不利影響。

致謝中國科學院青海鹽湖研究所的苗衛良副研究員、李永壽副研究員以及王二龍、李姜瑤參加了野外工作，王波、李園、薛園、朱廣琴、馬修臻老師在分析過程給予大量幫助，在此一并致謝。