柴达木盆地中东部表土盐类矿物分布特征及其与盐尘暴物源联系

耿 鋆，张西营，李雯霞，郭晓宁，张海潇，唐启亮，陈 亮

(1. 中国科学院 青海盐湖研究所 ， 中国科学院 盐湖资源综合高效利用重点实验室， 青海 西宁 810008； 2. 青海省盐湖地质与环境重点实验室， 青海 西宁 810008； 3. 中国科学院大学， 北京 100049； 4 青海省气象台， 青海 西宁 810001)

在干旱和半干旱地区，干涸湖床释放的粉尘中含有大量危害人体健康的细颗粒物质(可溶盐离子、杀虫剂、重金属等)(Jilili Abuduwaili, 2010; Kingetal., 2011)，因而受到人们越来越多的关注(Osamuetal., 2003; Jilletal., 2019)。这些有害的细颗粒物质经长距离搬运，会对更广泛区域的生态环境造成负面影响(吐尔逊 ·吐尔洪等, 2009; 刘东伟等, 2011; Pan and Wang, 2015; Tangetal., 2019)。因此，国内外许多学者针对此类粉尘污染开展了大量研究工作(Gilletal., 2002; 胡克等, 2006; 吉力力·阿不都外力等, 2007; Baddocketal., 2016; Kloseetal., 2019)。

一般认为，盐尘暴主要是由于干旱半干旱地区干涸湖底富盐沉积物和邻近强盐渍化土壤风蚀所致的一种特殊尘暴。位于干旱或半干旱地区的内陆湖泊，由于气候变暖和人类不合理的开发利用，使处在内陆河流尾闾的湖泊水源补给大大减少，加上区域降水量少、蒸发量大的气候特征，使湖泊逐渐萎缩并积累大量盐分，一旦湖床裸露地表则成为释放盐尘的主要源地(吉力力·阿不都外力, 2012)。但含盐量具体多少能被称为盐尘暴，目前还没有明确的定义，但根据被称为盐尘暴的相关研究来看，北京降尘中的可溶盐含量为2.36%(韩同林等, 2007; 刘艳菊等, 2010)，新疆艾比湖下风向不同监测点大气降尘的含盐量为4.3%～18.5%(吉力力·阿不都外力, 2012)，吉林西部碱尘气溶胶含碳酸盐和氯盐分别为4.4%和2.7%(陈兵等, 2004)，天津滨海新区盐尘含量为9.2%～13.7%(张民胜等, 2006)，这些尘暴均被研究者称为盐尘暴且得到较为广泛的认同。格尔木市位于柴达木盆地中南部，是盆地内最重要的居民聚集区和经济最发达的城市(田森等, 2017)。格尔木市沙尘暴频发，由于这些沙尘气溶胶中含有大量可溶盐组分，含量为19.8%(盛阳, 2015)，其本质上就是盐尘暴(吉力力·阿不都外力等, 2007)。盆地内常年以西风为主(祁贵明等, 2010)，在盛行风作用下，盆地地表各类含盐物质以盐尘暴的形式对格尔木市及周边地区居民的健康和生态环境造成严重损害。为了深入了解盐尘暴物源区含盐物质分布情况，本文以尘暴频发的柴达木盆地中东部地区(包括格尔木市)为研究区，对该区域表土进行了系统采样及矿物学分析，以期为研究区盐尘暴物源及形成机制研究提供科学依据。

1 区域概况

柴达木盆地位于青藏高原东北部，四周被阿尔金山、昆仑山和祁连山所围限，是我国内陆大型山间断陷盆地之一。侏罗纪以来，盆地大体经历了山前拗陷、整体拗陷和隆起褶皱3个阶段，盆地内主要分布着新生代以来的沉积物，尤其以第四系分布最为广泛(王春男等, 2008)。随着青藏高原的不断隆升，柴达木盆地湖盆先后经历了发生、发展、衰退的演变过程，最终从统一的柴达木古湖逐渐演变为次级成盐凹陷普遍发育的现代分布格局(张彭熹, 1987; 朱筱敏等, 2003; 袁四化等, 2008)。

柴达木盆地内部平均海拔为3 000 m，气候极端干旱，西北部年平均降水量少于20 mm，而蒸发量超过2 000 mm，植被种类稀少且覆盖度很低，植被覆盖度较高的区域主要分布在盆地东南低山区和中部格尔木—诺木洪一带绿洲核心区前缘以及苏干湖东部冲积平原区(张斯琦等, 2019)。柴达木盆地盐湖众多，表土盐渍化和盐漠化极为发育。随着气候的变迁，一些湖泊萎缩或干枯变为干盐滩，为地表风蚀和风积地貌的形成演化提供了大量物质基础(张西营等, 2020)。盆地年平均风速为2.5 m/s，由于受海拔和地形的影响，各地的风速差异较大，其中茫崖地区风速最大，年平均风速在5.0～6.5 m/s之间，年平均大风日数高达62天；其次是冷湖、德令哈北部哈拉湖地区(年平均风速在4.0～6.0 m/s)和处于中东部盆地底部的诺木洪地区(年平均风速在4.5～6.5 m/s)，风速最小的区域位于盆地东部的都兰和乌兰地区(李万志, 2017)。盆地西北部强劲的风力使得这些地区频繁出现沙尘暴。这些自然条件非常有利于盐尘暴的发生发展，柴达木盆地由此也成为我国重要的盐尘暴频发地区之一。

2 材料与方法

2.1 样品采集

2019年11月，笔者在柴达木盆地中东部对表土开展了大范围实地采样工作，以期深入了解不同表土类型分布及其含盐情况。样品采集主要集中于柴达木盆地昆仑山北缘、祁连山南缘和沿着315国道南侧的沉积区(图1)。图1中柴达木盆地边界由DEM遥感影像提取获得，DEM遥感影像下载网址为http://glovis.usgs.gov/。采样点尽量远离人类活动范围，样品具有较好的代表性，采样面积为15 cm×15 cm，采样深度为5～10 cm，样品采集后放入自封袋编号，并对周围环境进行拍照和描述。共采集表土样品129个。

图 1 研究区表土采样点位置示意图

研究区域主要的地表覆盖类型为戈壁滩、盐化草原、沙漠、雅丹、干盐滩等(图2)，宏观上基本以盐湖为中心向四周呈环带状分布。戈壁滩广泛分布在昆仑山北麓的冲洪积平原上，植被稀疏，主要为砾石和粗砂。盐化草原主要是发育在地下水溢出地带的盐渍化土分布区，植被以耐盐碱的盐生植物为主，裸地则为白色盐碱所覆盖。沙漠主要集中分布在西起尕斯库勒湖、东至乌图美仁一带以及格尔木以南的昆仑山北麓和夏日哈—香日德一带，是柴达木盆地主要的沙漠分布区之一。在盆地中部平坦的一里坪、台吉乃尔地区，分布着大面积的古湖相地层风蚀后形成的雅丹地貌，沉积物以细砂、粉砂和粘土组成，可见较多无色透明石膏碎片。盐湖主要分布在环带状中心部位，包括察尔汗、东台吉乃尔、西台吉乃尔、一里坪等盐湖(有湖表水的盐湖和大面积的干盐滩)。

2.2 样品处理

取样品50 g左右放置在蒸发皿中， 在烘箱中进行低温烘干， 风速调至最低， 防止样品间相互污染， 时间为12 h。采集的样品中有砾石等粗颗粒物质，而可蚀性颗粒粒径一般≤84 mm，其中粒径为0.05～0.50 mm的土粒为最易蚀性颗粒(刘连友等, 1998)，因此，烘干后的样品用孔径为690 μm的筛子进行筛分，以去除不易被风蚀的颗粒和较大的植物残体，然后放入自封袋中。取经过上述处理的样品1 g研磨至200目后放入自封袋，在中国科学院青海盐湖研究所盐湖化学分析测试中心进行XRD分析以测定样品的矿物种类及其质量分数，分析仪器为荷兰帕纳科公司的X pert Pro型X射线衍射仪，电压40 kV，电流30 mA，铜靶，连续扫描。

图 2 研究区各种地表类型

3 结果

分析结果(表1)显示，样品主要矿物成分为石英、长石类矿物和白云母，粘土矿物(斜绿泥石)和碳酸盐矿物(方解石、白云石和文石等)也较多，盐类矿物整体含量相对较小。盐类矿物主要是石盐和石膏，个别样品含有无水芒硝(Σ总盐表示石盐、石膏和无水芒硝之和，其中无水芒硝仅存在于两个样品中，含量分别为7%和11%，未在表中标出)。经统计，表土中的含盐量一般介于0～39%之间，仅有1个含石膏的样品例外，盐类矿物含量高达88%。由于盆地是一个巨大的成盐盆地，到现在仍不断接受周围水系补给的成盐离子，再加上盆地极度干旱的气候特征，使得石盐和石膏广泛分布于盆地的表土中。相对于石盐、石膏而言，无水芒硝在盆地表土中并不常见，这与它的形成条件有关。芒硝是典型的冷相矿物，即使是形成不稳定的芒硝层，年均温度也需在0～2℃，只要温度升高，便会消融(张雪飞等, 2017)。在一里坪盐湖、西台吉乃尔湖和东台吉乃尔湖附近的表层沉积物中，还发现了原生的文石矿物，推测其可能来源于古湖相地层(雅丹)。

4 讨论

4.1 表土主要盐类矿物分布特征

利用Arcgis10.0对获取的129个样品进行Kriging插值处理，得到盆地中东部主要盐类矿物的空间分布图(图3)。

表 1 研究区表土物质组成 wB/%

图3a显示，盆地内石盐的分布特征表现为靠近山区的部分含盐量较少，越靠近中心盐湖区含盐量越高。石盐高含量分布区主要位于两个区域： 靠近一里坪盐湖、西台吉乃尔湖和东台吉乃尔湖附近的区域，石盐含量9%～35%；格尔木—诺木洪一带绿洲核心区前缘，石盐含量也普遍较高，介于5%～13%之间。石膏除了在盆地东南部含量极低之外，在盆地的中西部分布较为普遍(图3b)。与石盐的分布规律相反，石膏在远离盐湖区的山前戈壁带便已沉淀下来，石膏高含量分布区集中在油沙山—甘森—一里坪盐湖以西、尕斯库勒湖以东的范围内，在这一范围内，石膏的平均含量为8%左右。需要注意的是，由于在格尔木附近采集的1个样品中的石膏含量高达82%，异常高于其余表土中的含量，可能是植被与土壤共同作用所致，故剔除该样品以免影响插值结果。含有无水芒硝的两个表土样品，一个位于格尔木附近的盐化草原中，另一个位于甘森附近的盐化草原(用黑色三角形代表)。据盐类矿物总量分布图(图3c)分析发现，盆地中东部含盐量高值区域集中分布在盐湖及附近区域，总体上叠加了石盐和石膏的范围。

图 3 研究区表土中各种盐类矿物含量的空间分布(黑色三角形代表无水芒硝采样位置)

盆地内各种地表类型的表土含盐量存在明显差异(表2)。不同地表类型的平均含盐量从大到小依次为： 盐壳、雅丹、盐化草原、戈壁滩、沙漠。盐壳和雅丹的含盐量明显高于其他地表类型，而沙漠的含盐量最低。干旱区干涸湖底盐分表聚一般有两种形式：一是随湖水矿化度的升高，盐类矿物自行沉降；二是湖面萎缩后，裸露的干涸湖底在蒸发作用下，地下盐水的溶解质随毛管移至地表聚集(刘东伟等, 2009)。此次实地考察发现，在盐湖周边，采样位置的表面均已形成了坚硬的外壳，即盐壳。表面结壳的干盐滩，在所有地貌类型中含盐量最高，为32%，刘东伟等(2009)在分析艾比湖干涸湖底不同地表形态之间的盐分差异时，同样发现结晶盐壳的含盐量最高。雅丹地貌的含盐量为22.80%，这与鲍锋(2016)得到的察尔汗盐湖区雅丹沉积物中易溶盐含量最高的结果一致。雅丹地层软硬互层、疏松且多断层与节理，主要由细颗粒的粘土或细粉砂等组成(李玉辉等, 2017； 郜学敏等, 2019)，表土中的含盐量最高可达36%，平均含盐量比沙漠高7倍，比戈壁滩高4倍。盐化草原不同于其他地貌类型，土壤盐分与生长在该区域的植被之间存在一定的相互作用，有研究表明表层土壤20 cm深度所含的盐分类型对植被物种的分布影响最大(姜小妮, 2019)，同时这些植物通过强大的根系从底层吸取盐分，并以残落物的形式返回地面，随着植物遗体被分解，会使土壤重新聚集一定的盐分，因此盐化草原的积盐情况相对复杂，含盐量的范围变幅很大(0～88%)。研究区沙漠主要分布在西起尕斯库勒湖东至乌图美仁一带以及格尔木以南的昆仑山北麓，个别出现在盐湖区附近。沙丘多为流动性沙丘，表层沉积物以细砂为主，含盐量偏低，为2.92%。盆地内戈壁滩的分布面积最广，超过3/4的戈壁无植被覆盖，平均含盐量高于沙漠，为5.84%。图4表示各种地表中不同类型盐类矿物的含量，从中可以看出戈壁滩和盐壳中石盐和石膏的含量有明显差异，其余类型表土中石盐和石膏的含量基本一致。戈壁滩主要以石膏为主，盐壳中石盐的含量明显大于石膏。总体上，研究区各种表土类型基本呈环带状分布，即从四周山区向盐湖区过渡依次出现戈壁滩、沙漠、盐化草原、干盐滩、雅丹，含盐量也随之逐渐增大。

表 2 研究区不同类型表土含盐量 wB/%

图 4 研究区盐类矿物在不同表土中的含量

4.2 表土盐类矿物空间分布的影响因素

盆地内盐类矿物的空间分布格局与盆地自中生代以来发生的构造运动密不可分。受到区域构造作用的影响，从渐新世到上新世，盆地内先后出现了一里坪凹陷沉降区和三湖凹陷沉降区，直至第四纪末期形成了以盆地中南部为主要汇水区域的现代盐湖(杨津等, 2009)。一里坪盐湖、西台吉乃尔盐湖和东台吉乃尔盐湖及其附近区域以及格尔木—诺木洪一带绿洲前缘区的表土依然呈现出高含盐量的特征，现代的高含盐量区域仍然受控于曾经因构造运动所引起的盐湖沉积中心的变化造成的多个早期的沉积区域。尽管盆地西部相对于东部而言地势较高，但含盐量仍然比较高，原因在于盆地西部新近系、古近系含盐地层大面积出露，受新构造运动影响，构造裂隙发育，其含盐地层中的盐分大部分被地下水或地表水溶淋带入湖区，部分由于盆地内强烈的蒸发作用直接在地表析出(王春男等, 2008)。因此，盆地早期构造运动导致的古含盐地层的分布很大程度上影响了现代表土中含盐量的空间分布格局。

盆地内盐类矿物的空间分布格局与盆地内降水量、地表和地下径流量以及蒸发量的空间变化具有一定的相关性。盆地内年降水量各地差异极为显著，整体表现为由东向西逐渐减少，靠近山区附近的降水多，盐湖区降水少。同时，盆地东南部河网较发育，西北部河网稀疏，径流量的分布规律与降水量大致相同，表现为由四周山区向盆地中心汇集，最后补给到各个湖泊中。盆地内的年蒸发量在1 200～3 500 mm之间，其地区分布与降水量相反，在察尔汗最大为3 501.6 mm，在盆地西部的茫崖和冷湖地区也相对较高，为3 000 mm左右，而越往东或靠近山区附近的蒸发量相对较低(杨贵林等, 1996)。整个盆地内的含盐量在盐湖区及其附近表土达到最高；相反，靠近山区的部分，含盐量情况基本一致，普遍较低。这可能是因为降水多、径流量大的区域，地势也相对较高，因此形成的地下水主要以溶滤作用为主，可溶性离子随水迁移，不易积聚地表。越向盐湖区靠近，蒸发量越大，地下水位埋藏变浅，盐化作用加强，可溶性离子逐渐富集，最终通过毛细作用在地表析出大量的盐类矿物。由于石盐和石膏的溶解度存在差异，所以在空间上表现出明显的沉积分异和分带性：在地下水位较浅的戈壁带常分布着石膏，而在湖积平原积聚大量的石盐。

在强风条件下，具有表面卤水或海水的地区会出现强风移送盐分的现象。在美国的索尔顿海附近及其他一些靠近海岸的区域的土壤中均发现高的盐分含量(张民胜等, 2006; Kingetal., 2011)，研究认为是因为当风吹过富含盐的卤水时，使湖水不断向岸边冲刷，或将富含盐的泡沫直接吹向空中，并降落到附近表土中。就柴达木盆地而言，仅察尔汗盐湖盐田面积就多达1 000 km2，并且湖区强风天气频发，很容易将卤水飞沫吹扬起来，这将有可能是盆地内盐湖区附近表土含盐量较高的另一个因素。总之，由于受到构造、降水、地表和地下径流量以及蒸发量等多种因素之间的相互作用，盆地内盐类矿物易于在古含盐地层和盐湖区附近积聚，表土含盐量主要表现为由山区向中心凹陷区逐渐增加，最终在尕斯库勒湖以东的一里坪盐湖、西台吉乃尔湖和东台吉乃尔湖附近以及中部格尔木—诺木洪一带绿洲前缘形成了高含盐区。盆地内表土盐分空间分布特征是多种因素相互影响和叠加作用的结果。

4.3 柴达木盆地盐尘暴物质来源初步分析

高含盐表土是释放含盐粉尘的重要源区。粉尘释放一般需要3个条件：强劲的风力、丰富的尘源和不稳定的空气层结，丰富的尘源是盐尘暴形成的物质基础(王涛等, 2001)。不同的地表覆盖类型将影响表土的风蚀能力，进而影响粉尘的排放量。因此，需要通过分析不同地貌类型的地表粗糙度来进一步确定盆地内哪些区域可以成为产生盐尘暴的主要源区。

表面结壳是干盐湖的一个重要特征，尽管含盐量最高，但其固结的表面可以有效减少表面受风蚀的能力，直接影响细颗粒的供应。固结的盐壳被许多学者认为是供应能力有限的尘源(Macphersonetal., 2008; Baddocketal., 2016)，但一些研究发现，经过盐壳表面的跃移颗粒通过不断的磨蚀和撞击作用成为其持续释放粉尘的主要驱动因素(Shaoetal., 1993; Macphersonetal., 2008; Baddocketal., 2011)。可见，尽管坚硬的盐壳可以防止风蚀，但是受到物理磨蚀后依然可以成为重要的粉尘源区。同时，干涸湖底富盐沉积物的结壳类型和结壳强度也会随着盐分含量、地下水深浅、季节变化、水文特征等因素的相互作用在时空上呈现出高度可变性，进而使得供应粉尘的能力有所差异(Reheis, 2006; Reynoldsetal., 2007; Kingetal., 2011)。柴达木盆地盐湖面积分布广泛，干盐湖或干盐滩总面积约10 000 km2(张彭熹, 1987)，在盐湖区附近不同的地理位置，含盐沉积物表面形态与强度存在差异，蓬松或弱结壳的表面在低风速作用下便会被吹蚀，而已经形成的坚硬盐壳在受到跃移颗粒物撞击或强风吹蚀造成表层盐壳粉碎后也能提供一定量的盐尘，因此位于盆地内的干盐滩是重要的盐尘物源(吉力力·阿不都外力, 2012)。

一里坪、东西台吉乃尔盐湖周边地区广泛发育雅丹地貌，该类型表土具有含盐量高、突出地表、土质相对松软等特征，极易被风力侵蚀，很可能也是盐尘的主要来源之一。而分布在盆地不同区域内的裸露沙地，因为含盐量低而难以成为盐尘释放的主要来源，但其可以为下风向提供大量的碎屑物质。盆地内戈壁滩的空间覆盖面积广阔，表土主要为难以被吹扬的砾石和粗砂，起到削弱风力的作用，虽然可以提供一定的粉尘，但很难提供大量的含盐细颗粒物质。梅凡民等(2004)研究发现，相比其他地表覆盖类型，草原分布区下垫面粗糙度最大，虽然盐化草原表土的含盐量相对较高，但难以被风力吹扬至大气中，因而不会成为主要的粉尘源区。除了上述表土类型外，湖表卤水的飞沫也可能是释放盐分的来源。

总之，干盐滩和雅丹是盆地内含盐量最高的两种地表类型，并且集中分布在盐湖区附近，地表裸露，基本没有植被覆盖，虽然由于表面粗糙度的不同，提供粉尘的能力有所差异，但将会是最有可能为盐尘暴提供盐分的区域。

5 结论

(1) 柴达木盆地中东部表土物质中含有较多的盐类矿物，主要包括石盐、石膏和少量的无水芒硝，平均含量为8.79%。空间上，表土含盐量以盐湖为中心，向四周逐渐减小；不同类型表土含盐量从大到小的顺序依次为：盐壳、雅丹、盐化草原、戈壁滩、沙漠。

(2) 各类表土中，雅丹和干盐滩分布区很可能是盆地内盐尘暴中可溶性盐分的主要源区；其他类型表土由于含盐量低或难以被风力扬起，贡献较小。

(3) 研究区含盐表土一旦经强风吹蚀后将产生大量的盐尘，经过本地沉降和一定距离的远程输送，将对柴达木盆地的生态环境和人类健康产生危害，有必要采取措施遏制其带来的不利影响。

致谢中国科学院青海盐湖研究所的苗卫良副研究员、李永寿副研究员以及王二龙、李姜瑶参加了野外工作，王波、李园、薛园、朱广琴、马修臻老师在分析过程给予大量帮助，在此一并致谢。