纳米比亚红沙漠沙粒特征及其成因

王树树，董国臣

中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院,北京100083

0 引言

红沙漠在世界上并不多见，目前已知的仅有澳大利亚的吉步生沙漠(Gibson Desert)以及纳米比亚红沙漠(Namib Sand Sea)，其中当属纳米比亚红沙漠最为典型和壮观。纳米比亚红沙漠的研究工作很多，主要集中于沙丘的地形地貌及沉积结构方面[1-5]，但有关沙漠呈现红色原因研究较少[6-8]，对于具体致色因素及其形成环境尚无定论。之所以讨论其“红色”特征，是因为可以通过颜色变化研究其风化沉积体系和沙漠的形成环境等。根据已有研究成果，颜色变化主要是由于石英颗粒外部的铁氧化物和黏土矿物包裹物的富集程度的差异[6, 9-11]，但对于具体的矿物成分尚无定论。笔者主要对东部的红棕色沙粒进行研究，分析红棕色包裹物的分布及其元素含量，探讨沙漠红色成因。

1 沙漠基本特征

纳米比亚红沙漠位于非洲西南部，沿海岸延伸大约1 000 km，是典型的沿海沙漠[12]，南抵卢德立次，北达奎斯布河流，西接大西洋海岸，东连大陡崖(图1)。在纳米比亚红沙漠上有许多季节性的河流，例如津达布河，水流主要由降雨提供，自东向西流入沙漠的东部边缘。纳米比亚红沙漠是一个规模巨大而复杂的沙丘系统，普遍认为是从上新世开始发育[13]。其下伏地层主要为Tsondab砂岩和Karpfenkliff砾岩。Tsondab砂岩形成于古近纪，厚50～100 m，岩性为铁氧化物和碳酸钙胶结的红色砂岩[13]。在沙漠东部沙丘间可见岩体出露，在西北部则被河流相砾岩所覆盖。

纳米比亚沙漠的颜色极具标志性，由西到东其颜色呈现显著的变化特征，西部为浅黄色，到中部逐渐过渡为棕黄色，再向东则变为红棕色。前人对于这种颜色特征的形成原因提出了多种假设[14-17]，包括由西到东沙漠年龄差异、搬运磨蚀程度、源区差异以及气候梯度问题等，但尚未得出统一结论。

图1 纳米比亚沙漠砂体分布图[7]Fig.1 Sand distribution map of Namibia desert

2 沙粒特征

样品采自纳米比亚红沙漠东北部的红棕色沙区(图1)，取沙漠样品共1 486粒，在双目镜(型号XTL-340P)下对沙粒的形态特征、表面红棕色物质进行初步观察分类，借助电子显微镜观察了沙粒的成分，蚀变特征。

2.1 沙粒类型

沙漠样品中随机取出1 486粒砂，经鉴别分析表明，沙粒绝大部分为石英，占91%，还有岩屑5%，长石4%，大部分沙粒表面均有红色包裹物，呈斑驳状分布，表面凹陷处尤其富集(图2，表1)：

图2 沙粒矿物成分饼图Fig.2 Pie chart of mineral compositions of sand

表1 沙粒矿物成分统计表

石英根据其形貌可以分为5大类(表1)，其中浅黄糙面石英数量最多，占样品总量74.36%(图3a)，以次棱角状为主，红色包裹物主要充填在凹陷处；浅黄光滑石英占总数的10.16%，多呈半透明浅黄色，大部分表面红色包裹物较少；含杂质石英颗粒内有斑状的黑色或红色杂质(图3c)，杂质通常占据石英颗粒体积的10%～40%，不透明，杂质多呈椭球状被石英包裹，个别杂质为不规则状。浅色糙面石英(图3c)多为无色透明、灰白色半透明，粒径偏小，含量很少；另有一些深色石英颗粒(图3c)，多为椭球状，颜色以深红棕色为主，表面红色包裹物不明显；岩屑(图3d)和长石颗粒(图3c)含量都较少，其中岩屑多为深色或浅绿色，浅绿色多为粉砂岩岩屑，深红色岩屑多含石英，有油脂光泽，其余为深灰色岩屑；长石颗粒均为白色，棱角状，表面基本无红色包裹物。

2.2 沙粒形态特征

从双目镜及显微镜下进行观察，整体来看沙粒的磨圆程度低(图3、4)，球状、椭球状约30%，次棱角状约60%，尖棱角状约10%。沙粒分选性好，区域内粒径呈正态分布(2.1±0.2φ, σ 0.37±0.02φ, Sk 0.0±0.0, Ku 2.7±0.0)[17-18]。

不同的沙粒磨圆度稍有不同，第一种是沙粒中含量最多的浅黄糙面石英颗粒(图3a)，以棱角状-次棱角状为主，少见椭球状，颗粒大小相差不大，表面凹陷处有红色包裹物充填。第二种是浅黄光滑石英颗粒，以次棱角状-椭球状为主(图3b)，椭球状颗粒相对较多，其表面凹槽较少，红色包裹物的富集程度呈现出两种特点：①表面较圆滑，凹槽少，富集点少，红色包裹物在颗粒表面附着；②红色包裹物较多，除在凹槽处富集外，在颗粒表面大量附着。第三种是浅色糙面石英颗粒(图3c)，以次棱角状为主，表面红色包裹物较少。第四种是含杂质石英(图3c)，以椭球状为主，表面光滑，红色包裹物少。深色光滑石英主要为椭球状，磨圆度与岩屑及浅黄光滑石英相近，表面红色包裹物少。岩屑颗粒(图3d)为次棱角状-椭球状，以椭球状居多，颜色杂乱，以深色颗粒为主，表面红色包裹物含量较少，呈现其本身的颜色。

3 沙粒成分特征

本次研究中将沙粒制成薄片，针对不同的沙粒沙体及其红色包裹物进行了分析测试，确定其成分特征。

沙粒不同于块状岩石，在制备薄片时，要先在毛玻璃上铺一层较厚的环氧基树脂，并及时将沙粒撒在环氧基树脂上，以50℃低温烘烤约6～8 h，以便固结、硬化，完成后进行切割、研磨及抛光的工作。借助电子显微镜观察沙子的成分特征、剥蚀程度及包裹物的分布情况。

按照锆石制靶的方法处理样品，在核工业北京地质研究院进行扫描电镜的实验，所使用的仪器是场发射扫描电镜FEI Nova Nano SEM450，分析沙粒表面元素的分布特征。

3.1 沙粒成分

电子显微镜分析表明，沙粒成分以石英单矿物颗粒为主，约91%，少量的岩屑(5%)及少量的长石(4%)。

石英以次棱角状为主，粒径为100～400 μm，约80%的颗粒粒径为300～400 μm(图4a)。颗粒表面大部分有红色的包裹物，厚约5～10 μm，包裹物在颗粒的凹陷处尤其富集(图4a)。

长石以次棱角状为主，可见少量红色包裹物，表面不同程度蚀变，主要为绢云母化(图4c)，从镜下观察结果来看，长石中钾长石偏多，占长石总量约60%，其余为斜长石，钾长石普遍发育格子双晶(图4b, 4c)和简单双晶，斜长石主要发育聚片双晶。

岩屑颗粒包括火山碎屑岩、粉砂岩、泥岩和岩体岩屑(图4a, 4b)，以椭球状为主，表面的红色包裹物较少。其中粉砂岩岩屑颗粒为棕色，火山碎屑岩岩屑颗粒相对复杂，颗粒内部可见多种硅酸盐矿物颗粒(长石、石英、角闪石、辉石和绿帘石等)，常见角闪石、石榴子石(图4a, 4d)和绿帘石，偶见辉石，见圆形石榴子石颗粒内包裹镁橄榄石颗粒(图4d)。

沙粒中常见一种深红棕色颗粒(图4a)，单偏光和正交光下均为深红棕色，是不透明的Fe-Ti-Cr氧化物颗粒[18]。

在扫描电镜下针对沙粒表面中心不同位置进行分析，确定元素分布特征及矿物种类。

分析结果(表2)可以初步分为两大类：单矿物颗粒、岩屑颗粒，其中单矿物颗粒主要为石英和长石颗粒。通过扫描电镜能谱分析表明，大部分矿物颗粒成分单一，少数单矿物颗粒内包裹其他矿物颗粒，如斜长石颗粒内部包裹氟磷灰石(图5)，主矿物为斜长石(O 47.99 wt.%，Si 28.62 wt.%，Al 13.04 wt.%，Na 6.23 wt.%，Ca 3.94 wt.%)，内部氟磷灰石颗粒(O 39.55 wt.%，Ca 37.48 wt.%，P 18.29 wt.%)，直径约160 μm，椭圆状。还有石英内部包裹独居石(图5)，主矿物为石英(O 53.26 wt.%，Si 46.74 wt.%)，内部包裹独居石矿物颗粒(O 30.2 wt.%，Ce 21.98 wt.%，P 12.66 wt.%，La 10.91 wt.%，Nd 8.12 wt.%)，独居石颗粒直径约402 μm，截面为椭圆状。

岩屑颗粒成分复杂，通常包含两种或两种以上矿物，且为硅酸盐矿物(图6)，包括由石英(60号点)和钾长石(59号点)组成的颗粒以及中长石(63号点)和多种矿物(64号点)(图6)组成的岩屑颗粒，前者的成分分别为石英(O 53.26 wt.%和Si 46.74 wt.%)(图6a)和钾长石(O 46.08 wt.%，Si 30.12 wt.%，Al 10.04 wt.%，K 12.74 wt.%)(图6b)，钾长石穿插在石英内部。而后者的成分分别为具有裂纹的中长石(O 47.36 wt.%，Si 26.65 wt.%，Al 14.25 wt.%，Na 4.88 wt.%，Ca 6.16 wt.%)(图6d)和其他矿物颗粒(O 42.29 wt.%，Si 23.66 wt.%，Fe 12. 1 wt.%，Ca 11.26 wt.%, Mg 6.8 wt.%)(图6c)，该点不止由一种矿物组成，其中，中长石沿不明矿物颗粒裂隙生长。

3.2 沙粒表面红色包裹物

目前普遍认为沙子颗粒表面的红色包裹物为铁氧化物和黏土矿物，发红的程度主要取决于红色包裹物中氧化铁的含量。研究过程中借助扫描电镜，对这种红色包裹物的成分进行了分析(图7)。

针对沙粒边缘的红色包裹物(图7)的分析结果表明，不同颗粒上的红色包裹物的元素含量特征基本一致(图8a)，其中O的质量分数稳定在43.5 wt.% ～ 50.12 wt.%， Si的质量分数在23.06 wt.% ～ 38.15 wt.%范围内变化，同时，Fe，Al呈现明显的富集(Fe: 2.59 wt.% ～ 15.06 wt.%; Al: 3.67 wt.% ～ 18.48 wt.%)，Mg，K，Ca，Ti相对富集(Mg: 0.67 wt.% ～ 7.26 wt.%；K: 0.56 wt.% ～ 3.66 wt.%; Ca: 4.03 wt.% ～ 0.15 wt.%; Ti: 0.27 wt.% ～ 1.94 wt.%)，说明除铁氧化物外，主要成分为硅酸盐矿物。对26组红色包裹物分析表明，红色包裹物具有明显的元素分布特征，表现为O，Si元素含量稳定偏高，均值分别为46.23 wt.%和27.24 wt.%；Fe，Al含量较高，分别为9.41 wt.%和10.28 wt.%，Mg，K，Ca，Ti含量较低，个别点还有极少量的Cl和P元素，含量均<0.7 wt.%(图5)。

a. 浅黄糙面石英；b. 浅黄光滑石英；c. 杂色石英(浅色糙面，含杂质、深色光滑)；d. 岩屑颗粒。图3 沙粒特征(双目镜下)Fig.3 Characteristics of sand (under binocular)

a. 单偏光下沙粒特征；b. 正交光下沙粒特征；c.长石；d. 石榴子石包裹镁橄榄石。图4 沙粒显微镜下特征Fig.4 Characteristics of sand under microscope

a.斜长石；b.氟磷灰石；c.石英；d.独居石。图5 包含结构矿物成分分析Fig.5 Mineral composition analysis of poikilitic texture

a.石英；b.钾长石；c.中长石；d. 岩屑。图6 矿物及岩屑颗粒分析结果Fig.6 Analysis results of minerals and rock fragment grains

a. 不规则石英；b. 空心石英；c.椭球状石英；d. 凹陷石英；e. 不规则沙粒；f. 不规则沙粒。图7 红色包裹物沙粒的点扫描照片Fig.7 Point scan photographs of sand with red coating

对红色包裹物中Fe，Mg，Al，K这4种主要元素进行分析，可以看出Fe，Mg元素具有一定的正相关性(图8b)，但相关度不高，且非线性相关，是由于红色包裹物中的一部分Fe与Mg一起进入黏土矿物晶格，另一部分则作为铁氧化物存在，且Mg与K的相关性很高，为正相关关系，接近线性相关(图8f)，说明Mg主要赋存于富K的黏土矿物中，如伊利石。Fe与K相关性较差，但同样有正相关关系(图8e)，说明赋存在黏土矿物中的Fe与Mg一致，均存在于富K的黏土矿物中。从Fe与Al的关系图中可以看出，大部分红色包裹物中的Al集中在10 wt.%±，且在这个范围内，Fe含量变化较大，但大部分都>8 wt.%，当Al含量<5 wt.%时，Fe含量集中在8 wt.%±，当Al含量>15 wt.%时，Fe含量<4 wt.%(图8c)。Mg与Al 同样可以分为3类(图8d)，低Mg低Al(Mg含量<3wt.%，Al含量<9 wt.%)，高Mg高Al(Mg含量>2.5wt.%，Al含量>9 wt.%)，以及低Mg高Al(Mg含量<2.5wt.%，Al含量>15 wt.%)。

a.红色包裹物成分特征；b.Mg-Fe图解；c.Fe-Al图解；d.Mg-Al图解；e.Fe-K图解；f.Mg-K图解。图8 红色包裹物分析数据图解Fig.8 Diagrams for analysis data of red coating materials

选取不同大小的颗粒进行面扫描，统一调节对比度对比分析确定了颗粒表面红色包裹物成分。石英颗粒红色包裹物扫描可以看出，由于沙粒本身为石英，其Si和O含量很高(图9b, c)，Al、Fe、Mg、K、Ca、Cl等元素也明显富集(图9d-i)，其中Al含量最高，Fe和Mg次之，K和Ca含量较低，Cl含量最低。扫描图中还显示，红色包裹物主要集中在颗粒凹陷和裂隙部分，在颗粒平滑表面少而薄，且在表面凹陷和裂隙处成分存在差异，在颗粒裂隙处Al、K、In两种元素富集明显，Mg、Fe含量较少；在颗粒凹陷处Al、Mg、Fe富集明显，另有少量的K、 Ca和极少量的Cl。

4 讨论

4.1 沙粒特征及其搬运距离

根据本文鉴别，纳米比亚沙漠颗粒形态变化较大，主体以次椭球状和次棱角状颗粒为主，而非次椭球状[20]。不同种类的沙粒磨圆度也存在差异，浅黄色透明石英磨圆度最低，表明搬运距离较短；浅黄色半透明的平滑石英颗粒磨圆度最高，均为椭球状，显然搬运距离最长；而杂色石英和岩屑主要为次椭球状颗粒，介于二者之间。整体说明沙漠东部(采样位置)沙粒是不同距离搬运而来，而非单一源区。

a.背散射电子像片；b. Si；c. O；d. Al；e. Fe；f. Mg；g. K；h. Ca；i. Cl。图9 沙粒红色包裹物表面成分Fig.9 Composition of red coating of sand

从颗粒表面红色包裹物分析，不同颗粒表面红色包裹物的量存在差异。浅黄色透明石英颗粒表面最为粗糙，红色包裹物最多，在表面凹陷处大量富集，使颗粒整体呈现浅红棕色，与其搬运距离相对应，同时反映红色物质偏多。浅黄色半透明的平滑石英颗粒表面红色包裹物较少，以薄层状分布于颗粒表面，在颗粒凹陷处少量聚集；深红棕色岩屑表面的红色包裹物的分布与浅黄色平滑石英颗粒类似；另有少量无色、浅灰色石英颗粒、长石颗粒表面几乎没有红色包裹物。红色包裹物少，一方面受风化岩石中铁矿成分和含量的影响，另一方面受搬运距离的影响。本文所研究颗粒可能主要受后者影响，即随着搬运距离的增加其沙粒表面的红色包裹物被磨蚀殆尽；当然还受风化岩石年龄和搬运过程的影响[14-17]。

4.2 沙粒源区特征

纳米比亚沙漠主要由石英、长石等单矿物颗粒和岩屑颗粒组成，浅黄糙面石英颗粒占74.36%，浅黄光滑石英占10.16%，杂色石英(浅色糙面石英、含杂质石英和深色光滑石英)占6.73%，长石占3.77%，岩屑颗粒占4.98%。其中浅黄糙面石英与大部分长石颗粒均为次棱角状，长石以钾长石居多，且表面多发生绢云母化，说明花岗岩是沙粒的主要来源，且该源区位置较近，在扫描电镜下发现有糙面石英颗粒内部包裹独居石颗粒，还见次棱角状斜长石颗粒内部包裹氟磷灰石，说明原岩体可能经历过温度较高的偏基性岩浆和温度较低的偏酸性岩浆的混合过程。杂色石英和岩屑颗粒磨圆度中等，岩屑成分复杂，在镜下观察到有火山碎屑岩、粉砂岩、泥岩和岩体岩屑颗粒，其中岩体岩屑颗粒主要由石英和长石等矿物组成，说明该源区岩石类型复杂，原岩包括花岗岩、火山碎屑岩、泥岩和粉砂岩。磨圆度最高的为浅黄光滑石英，接近椭球状，原岩主要为花岗岩，且源区较远。

表2 红色包裹物扫描电镜分析结果一览表

4.3 沙粒红色包裹物矿物成分特征及其形成环境

纳米比亚沙漠由西到东从浅黄色逐渐变化为红棕色，其主要的致色因素是沙粒表面的红色包裹物，其次是深红棕色的矿物颗粒，当具有红色包裹物的颗粒含量超过75%时，沙漠即可呈现红棕色，结合前人对纳米比亚沙漠铁氧化物含量的测定[20]，可推测，东部浅黄色沙漠具有红色包裹物的颗粒<25%，向东含量逐渐升高且稳定在75%。沙粒表层的红色包裹物主要为O、Si、Fe、Al、Mg，还有少量的K、Ca、Ti和极少量的Cl、P。矿物组分为黏土矿物和铁氧化物，根据沙粒成分特征得出花岗岩为主要原岩，还有一部分沙粒来源于火山碎屑岩、泥岩和粉砂岩。结合红色包裹物各元素的含量，推测黏土矿物有伊利石、高岭石、蒙脱石和绿泥石，高岭石由长石风化而成，蒙脱石由基性火山碎屑岩在碱性环境中风化而成，绿泥石则来源于花岗岩体中的角闪石和黑云母。伊利石是由白云母、钾长石风化而来，同时是红色包裹物中的K、Mg和部分Fe的主要来源。铁氧化物为赤铁矿与针铁矿和少量的钛铁矿，是磁铁矿、黄铁矿经历风化作用，先生成黄橙色的针铁矿，进一步脱水而转化成红色的赤铁矿，与黏土矿物共同组成红色包裹物。

黏土矿物及其组合可以揭示古气候和沉积环境，伊利石是在气温稍低，弱碱性条件下风化形成的，在干冷气候下利于保存。高岭石是酸性介质下由富铝硅酸盐风化，也可在低温下热液交代形成的，在温暖潮湿的地方有利于形成和保存。蒙脱石形成于气候相对湿润较冷的环境中，而绿泥石则是在化学风化作用低的环境中保存。红色包裹物的这种矿物组合说明，由于原岩成分、形成环境和搬运过程的影响，生成不同种类的黏土矿物，而纳米比亚沙漠地区属于亚热带半干旱气候，气温较同纬度地区偏低，有利于黏土矿物和铁氧化物的保存，形成了典型的红色沙漠。

5 结论

(1)纳米比亚红沙漠沙粒成分以石英为主，有少量长石和岩屑颗粒，其成分特征显示主要来源于花岗岩、火山碎屑岩、泥岩和粉砂岩等岩区。

(2)不同种类的沙粒磨圆度不等，其表面红色包裹物含量有差异，暗示沙漠中沙粒经不同距离搬运后堆积而成。

(3)红沙漠主要致色因素为表面的红色包裹物，由铁氧化物与黏土矿物(伊利石、高岭石、蒙脱石和绿泥石)构成，反映形成于偏冷潮湿环境。

致谢论文取样过程中，得到了王根厚教授、史晓颖教授、王明启教授及刘典波老师的帮助，样品分析和解释过程中扫描电镜实验室老师给与了热情指导，核工业研究所实验室的葛祥坤老师也帮助分析了部分数据，在此一并表示感谢。