巴丹吉林沙漠季节冻土特征

通过巴丹吉林沙漠腹地连续的地温观测和2014年1月的专题考察,发现巴丹吉林沙漠属于季节冻土区,年冻结时间长达4个月.沙漠内部的局地地形和湖泊分布是影响季节冻土分布差异的重要因素.迎风坡和背风坡冻土冻结深度显著大于丘间地冻结深度,湖泊的存在使湖泊周边地区最大冻结深度显著变浅.通过沙漠及其周边地区地温、气温、地气温差的分析,结合我们在巴丹吉林沙漠外围发现的末次冰期砂楔群,表明我国北方沙漠在末次冰期属于不连续的多年冻土区.     

巴丹吉林沙漠湖泊钙华与根状结核的发现对研究湖泊水补给的意义

巴丹吉林沙漠湖泊中的钙华和根状结核的存在证实这些沙丘和湖泊形成的时间约3万年,而且基本上没有发生大的改变。同位素和水化学研究结果证实湖泊水与祁连山深大断裂中的地下水有关,湖泊群正好位于阿尔金断裂东端,祁连山断裂与阿尔金断裂在玉门一带相交,祁连山断裂的地下水汇入阿尔金断裂后最终补到巴丹吉林沙漠的湖泊群中;而钙华与根状结核是地下水通过碳酸盐岩地层后形成的。      

Groundwater characteristics and climate and ecological evolution in the Badain Jaran Desert in the southwest Mongolian Plateau

The Badain Jaran Desert is the third largest desert in China, covering an area of 50000 km². It lies in Northwest China, where the arid and rainless natural environment has a great impact on the climate, environment, and human living conditions. Based on the results of 1∶250000 regional hydrogeological surveys and previous researches, this study systematically investigates the circulation characteristics and resource properties of the groundwater as well as the evolution of the climate and ecological environment since the Quaternary in the Badain Jaran Desert by means of geophysical exploration, hydrogeological drilling, hydrogeochemistry, and isotopic tracing. The results are as follows. (1) The groundwater in the Badain Jaran Desert is mainly recharged through the infiltration of local precipitation and has poor renewability. The groundwater recharge in the desert was calculated to be 1.8684×10⁸ m³/a using the water balance method. (2) The Badain Jaran Desert has experienced four humid stages since the Quaternary, namely MIS 13-15, MIS 5, MIS 3, and the Early–Middle Holocene, but the climate in the desert has shown a trend towards aridity overall. The average annual temperature in the Badain Jaran Desert has significantly increased in the past 50 years. In detail, it has increased by about 2.5°C, with a higher rate in the south than in the north. Meanwhile, the precipitation amount has shown high spatial variability and the climate has shown a warming-drying trend in the past 50 years. (3) The lakes in the hinterland of the Badain Jaran Desert continuously shrank during 1973–2015. However, the vegetation communities maintained a highly natural distribution during 2000–2016, with the vegetation cover has increased overall. Accordingly, the Badain Jaran Desert did not show any notable expansion in that period. This study deepens the understanding of groundwater circulation and the climate and ecological evolution in the Badain Jaran Desert. It will provide a scientific basis for the rational exploitation of the groundwater resources and the ecological protection and restoration in the Badain Jaran Desert.© 2021 China Geology Editorial Office.     

中国北方风沙沉积物气候代用指标对比研究

在浑善达克沙地和巴丹吉林沙漠各选择近NS走向的大断面采集表层样品,用筛析法对样品进行粒度分析,用Eijkelkamp碳酸钙测定仪测定其碳酸钙含量。两地沙质沉积物的粒度参数对比结果显示,巴丹吉林沙漠沙总体上比浑善达克沙地沙粗,分选性比浑善达克沙地沙好,同时在粒度分布频率曲线上表现出明显的双峰,这应与其地处冬夏季风交替地带、冬季风和夏季风搬运营力上的差别有关。巴丹吉林沙漠和浑善达克沙地沙质沉积物粒度参数上的差别反映了两地不同的风动力条件和下垫面性质。浑善达克沙地的沙粒较细在一定程度上也与该地区较湿润条件下的成土作用有关。气候差异应是导致两地沙质沉积物粒度参数区别的主导因素。碳酸钙测量结果说明,浑善达克沙地的碳酸钙含量明显低于巴丹吉林沙漠。巴丹吉林沙漠沙的碳酸钙含量从北往南呈增加趋势,与该地区年降水量的南北方向变化相一致。从对这两个地区沙质沉积物的碳酸钙含量对比中可以看出,即使在干旱背景下,当多年平均降雨量达到一定临界值时,地表碳酸钙含量将达到一最大值,随后则呈降低趋势     

内蒙巴丹吉林沙漠成因的粒度分析和热发光测年新证据

巴丹吉林沙漠位于中国内蒙古自治区的西部,是中国第三大沙漠。过去通常认为该沙漠中沙丘的可能沙源来自附近的各种沉积物和岩石,包括弱水河扇的沉积物,弱固结的二叠纪页岩、白垩纪砂岩和砾岩以及戈壁阿尔泰的古老岩石。根据对风成砂的粒度观测,有证据表明在沙漠内部的风成砂沉积朝东南方向具有较弱的但又确实的变细趋势。这与沙丘横脊线的SW-NE向排列以及坡面的南东指向是一致的。因此,可以认为西北部的弱水河冲积扇是巴丹吉林沙漠风成砂的最可能的沙源。在西北部风成床沙覆盖了较老弱水河扇起源的冲积物。这种沉积物的热发光测年范围在190～100 ka BP之间。由于测量中对沉积物漂白可能不完全以及对其中平均古水含量估算均存在不确定性,同时由于对沙漠该地区风成作用开始之前堆积的沉积物进行了测年,这一数据范围代表了最大的年龄。另外三个风成砂测年结果分别接近133.66和22 ka,代表有关巴丹吉林沙漠西北部风成作用开始的最小年龄。沙漠的沙丘高度平均为200～300m,但在东南部偶尔可达450m。一些学者曾提出风成床沙覆盖了一个陡峭岛山突起的假说,来解释这些异常的空间。本次研究发现,在研究区之下是一个产状水平的白垩纪扇砾岩和砂岩的台地,可以断定在沙漠东南部呈现台地地貌,但进一步向北该台地明显延伸到这些沙丘之下。因此现在可以认为巴丹吉林沙漠中高的沙丘是不同区域气候和地貌因素相互作用的结果,而不是覆盖一个陡峭的岛山突起。对弱水河冲积扇作为巴丹吉林沙漠的主要源区的证实强调区域环境的重要性。在全新世,沿河流的绿洲植被在某种程度上阻碍了冲积扇提供沙源。现在,河西走廊的农业用水量极大地危及沿河森林,因此沿着作为天然拦沙阱的弱水河,维持足够的河水流量来保护区域性密集的沙丘植被,一定会避免具有重大威胁的沙的活动性增加。     

Recharge to the inter-dune lakes and Holocene climatic changes in the Badain Jaran Desert, western China

We present new estimates on evaporation and groundwater recharge in the Badain Jaran Desert, western Inner Mongolia of northwestern China, based on a modified Penman Equation suitable for lakes in China. Geochemical data and water balance calculations suggest that local rainfall makes a significant contribution to groundwater recharge and that past lake-level variations in this desert environment should reflect palaeoclimatic changes. The chronology of lake-level change, established by radiocarbon and U-series disequilibrium dating methods, indicates high lake levels and a wetter climate beginning at ca. 10 ka and lasting until the late mid-Holocene in the Badain Jaran Desert. The greatest extension of lakes in the inter-dune depressions indicates that the water availability was greatest during the mid-Holocene. Relicts of Neolithic tools and pottery of Qijia Culture (2400-1900 BC) suggest relatively intensive human activity in the Badain Jaran Desert during the early and middle Holocene, supporting our interpretation of a less harsh environment. Wetter climates during the Holocene were likely triggered by an intensified East Asian summer monsoon associated with strong insolation.     

黄土高原黄土物源区的同位素证据

系统采集了黄土高原马兰黄土、河西走廊和青藏高原东北部黄土、河床沙和湖泥样品。用酸淋洗去除方解石后,黄土高原马兰黄土εNd(0)值从-9.2到-11.3,87Sr/86Sr比值从0.71784到0.71944,都落在同位素B区内,与青藏高原东北部、巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠的值一致。黄土高原马兰黄土白云石的δ13C值从1.2‰到1.5‰,与青藏高原东北部和河西走廊黄土,巴丹吉林沙漠的白云石的值类似。这些表明青藏高原东北部、巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠可能是黄土高原黄土的源区,从而排除了其他沙漠(古尔班通古特沙漠、塔克拉玛干沙漠、毛乌素沙漠、库布齐沙漠、浑善达克沙地、科尔沁沙地和呼伦贝尔沙地)作为黄土物源区的可能性。同位素研究结果和野外调查进一步揭示,黄土高原黄土、巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠物质可能最终都是来源于青藏高原东北部。     

应用环境示踪剂探讨巴丹吉林沙漠及古日乃绿洲地下水补给

巴丹吉林沙漠位于我国西北部的阿拉善高原。近年来,许多中外学者应用天然水样及土壤水分的水化学、同位素等技术手段研究了该地区地下水补给及环境演化。基于这些研究,试图给出巴丹吉林沙漠和古日乃绿洲一个完整的二维地下水系统概念模型。巴丹吉林沙漠地下水在浅埋区和出露区蒸发,同时接受少量当地降水补给,其最终的排泄区是古日乃绿洲。巴丹吉林沙漠地下水垂向补给微弱,地下水很可能是更新世晚期至全新世早期周边的雅布赖山区降水径流及发源于祁连山的河流古河道补给的古水。在全新世中-晚期,地下水得到有限的降水补给,并且经受蒸发作用。随着千年尺度的气候转型,两千年以来,巴丹吉林沙漠干旱化加剧,正在经历地下水位下降、湖泊绿洲逐渐萎缩消亡的过程。     

Isotopic and hydrochemical data to restrict the origin of the groundwater in the Badain Jaran Desert,Northern China

Despite its extreme aridity, the Badain Jaran Desert is rich in groundwater. In the southeastern part of the desert, it is characterized by coexistence of high megadunes and a great number of lakes. Deuterium and oxygen 18 isotope compositions as well as hydrochemistry of groundwater, lake water, soil water and river water were investigated in detail to gain an insight into their relationships and the origin of the ground-water. The results show that the groundwater and the lake water are genetically related, but unrelated to local precipitation and the leakage of Heine River at northern slope of Qilian mountain. δD and δ¹⁸O values of deep soil water (lower than 40 cm) and groundwater plot on the same evaporation line E11, which shows that they have the same recharge source. The point of intersection between E11 and LMWL suggests that the groundwater originates from the water resource which has a weighted mean value that is lighter by some 6‰ δ¹⁸O than the local precipitation in Badain Jaran Desert. ³H data of water samples shows that the groundwater in Badain Jaran Desert originates from the water recharged after the nuclear test. The deep fault zone underground maybe the water circulation channel based on Helium analysis of groundwater. The result has guiding significance to rational exploitation and utilization of the local groundwater.     

巴丹吉林沙漠石英δ18O值及其物源意义

巴丹吉林沙漠是世界上沙丘最高大的沙漠,其沙源研究对认识沙漠形成、高大沙山发育和防沙治沙工程有重要意义。石英是沙漠沉积物中常见的矿物,其氧同位素值可示踪物源。采集沙漠西北部、东部、东南部高大沙山、丘间低地与湖泊以及雅布赖山前的表层沉积物,测定了样品不同粒级的石英δ18O值。结果表明:①石英δ18O值随粒级减小有增大趋势,同一样品不同粒级石英δ18O值存在较大差异,相同粒级石英δ18O值也有变化。②石英δ18O值介于9.4‰~19.3‰,均值为13.3‰（n=55）;其中沙丘沙的石英δ18O值介于9.5‰~16.6‰,均值为12.9 ‰（n=39）;湖相沉积物的石英δ18O值介于9.4‰~19.3‰,均值为14.2‰（n=16）。③区域内,<16 μm粒级的石英δ18O值与16~64 μm、125~154 μm、200~250 μm、> 300 μm粒级的石英δ18O值都存在显著差异,但200~250 μm与 > 300 μm粒级的石英δ18O值没有显著差异;经区域对比,巴丹吉林沙漠 < 16 μm粒级的石英δ18O值与柴达木盆地沙漠、蒙古戈壁风成沉积物 < 16 μm石英δ18O值无显著差异,但巴丹吉林沙漠16~64 μm粒级的石英δ18O值与蒙古戈壁风成沉积物16~64 μm石英δ18O值存在显著差异;这似乎暗示研究区的细颗粒物质可能是远源的。巴丹吉林沙漠沉积物的石英δ18O值位于火成岩石英、砂岩和变质岩石英δ18O值分布阈值内,受区域地质条件、物源混合、粒级效应等因素的影响,砂粒级的石英δ18O值所指示的母岩成份特征与祁连山区岩石的岩性有较好吻合。     

距今30ka前后我国西北沙漠地区古环境

本文根据实地野外观测和前人的研究,对我国西北干旱地区约30kaB.P.时的环境特征进行了综合分析.选用的古环境指标主要来源于风成沉积、湖泊沉积及河流沉积,年代主要依靠14C测年.依据巴丹吉林沙漠沙丘上的钙质胶结层、植物残体、塔克拉玛干沙漠河流沉积以及巴丹吉林沙漠腹地及其西北缘的高湖面,认为在30kaB.P.前后,我国西北干旱地区雨量较高,气候较湿润.柴达木盆地、腾格里沙漠西部、古尔班通古特沙漠西部及内蒙古地区湖泊同期的高湖面也支持这一观点.     

西菲律宾海现代风尘物质组成特征及其物源指示意义

为识别西菲律宾海现代风尘物质的具体来源及其携带动力,本次研究于2015年冬季对西菲律宾海上空风尘进行了采集,并系统分析了碎屑态组分的矿物组成和常、微量元素组合特征.西菲律宾海现代风尘沉积物中碎屑矿物成分主要有石英、伊利石、斜长石和石膏等,矿物形态均呈次棱角状,具有明显的风成沉积特征.所研究样品的Al₂O₃-TiO₂投影主要与鄂尔多斯沙漠和巴丹吉林沙漠物质相似,而其微量元素Zr-Th-Sc组成则表现为鄂尔多斯沙漠和塔克拉玛干沙漠物质的两端元混合,说明鄂尔多斯沙漠是西菲律宾海现代风尘的主要源区,而塔克拉玛干沙漠和巴丹吉林沙漠的风尘输入对该区的影响较小.后向轨迹分析表明,西菲律宾海冬季的风尘携带动力主要是东亚冬季风.      

应用音频大地电磁法探测内蒙古巴丹吉林高大沙山结构及成因

巴丹吉林沙漠拥有世界罕见的高大沙山群。为了解巴丹吉林高大沙山结构与成因,应用音频大地电磁法进行测量,利用非线性共轭梯度法二维反演得到了沙山的横截电性剖面。沙山电性剖面深部呈现明显的低阻,而沙山中部存在一定规模高阻区域。判断巴丹吉林沙漠众多高大沙山群的形成是由其稳定的西北风作用、源源不断的地下水补给机制和特殊的地层环境共同作用的结果。地下水由于蒸腾作用上升遇到古老沙丘的钙质层阻挡,由背风坡底部蒸发出来。水蒸气凝结在顶部滚落的沙子表面,使其抗风蚀能力增强,起到固沙作用;随着时间推移,沙山越来越大,形成高大沙山。     

巴丹吉林沙漠南缘冲洪积物的光释光年代及其水文学意义

冲洪积物是古气候和古水文信息的重要记录,为了探讨巴丹吉林沙漠南缘地区全新世气候环境及其对区域地下水的影响,对沙漠南缘的水成沉积物进行了沉积学分析和光释光年代学测试,结果表明本文研究的两个沙漠南缘沉积剖面分别为全新世中期（6.6~5.2 ka）的间歇性河流沉积和暂时性流水形成的洪泛沉积.基于前人全新世中期沙漠中湖泊水位、气候环境重建,以及本文研究的冲洪积物的沉积特征与年代,表明在气候湿润的地质时期巴丹吉林沙漠南缘及山区的区域降水形成暂时性洪流和/或间歇性河流会对沙漠地区地下水进行补给.      

内蒙古巴丹吉林沙漠400年来大气沉降 Hg的湖泊沉积记录

Hg污染具有全球性,人类活动较少地区的湖泊沉积物对长距离输入的大气沉降Hg变化敏感。巴丹吉林沙漠中发育了约142个沙漠丘间湖泊,是研究大气沉降Hg记 录的理想材料。选择巴丹吉林沙漠东南部的宝日陶勒盖湖泊进行湖泊钻探,结合²¹⁰Pb_uns和¹³⁷Cs核素测年及THg沉积通量计算,重建了400年来巴丹吉林沙漠湖泊的THg沉积记录,并探讨了影响沙漠湖泊THg沉积的影响因素,评估了自然背景和人类活动的影响。结果表明：(1)沉积物中THg含量分布范围为1.5~17.5 ng/g,富集系数和沉积通量的分布范围分别为0.3~4.5和2.9~38.9 μg/(cm²·a)。 THg含量、富集系数和沉积通量均表现为在岩心上部近几十年富集。(2)近400年来,湖泊沉积物中背景THg(THg_岩石风化)通量变化相对稳定,主要受控于附近物源供给和区域风沙活动。大气沉降THg(THg _大气)通量自20世纪30年代以来呈逐渐增加的趋势,很大程度上反映了近几十年来人为源大气沉降THg的增加。但20世纪30年代以来岩心局部的大气沉降THg通量的峰值可能还受全球变暖和湖泊生产力增加 的影响,而20世纪30年代之前出现的峰值可能与“小冰期”冷期强烈的区域风沙活动有关。巴丹吉林沙漠湖泊400年来的THg_大气沉积通量变化与全球Hg产量和冰心中的大气Hg含量变化记录一致,是沙漠 地区大气沉降THg的可信纪录。     

阿拉善高原盐湖水化学特征的主成分分析研究

运用数理统计的主成分分析法对阿拉善高原腾格里沙漠地区和巴丹吉林沙漠地区的21个盐湖、八种水化学特征变量进行研究,获得四个可以揭示水化学特征的主成分及相应的数学模型,进一步得出各盐湖在四个新的主成分变量上的得分值,从而解释八种水化学成分变量与盐湖类型之间的相关信息。     

巴丹吉林沙漠高大沙山粒度组成及其意义

选取巴丹吉林沙漠东南部全球高差最大(约420m)的诺尔图湖东大沙山和较高的苏木巴润吉林湖西大沙山(高差约400m),对其迎风坡沉积物进行系统采样分析,讨论了高大沙山迎风坡沉积物粒度成分特点、变化规律、原因及其活动性.结果表明,全球高差最大的诺尔图东沙山和苏木巴润吉林湖西沙山迎风坡沉积物具有双层结构,表层沉积物的粒度组成...     

巴丹东、西湖地貌演化及其对湖泊水体特征的影响

巴丹湖区位于巴丹吉林沙漠的东南缘,发育很多被纵向沙垄一分为二、水体化学特征悬殊的双湖系统。前人对此类湖泊成因及风成地貌过程如何影响湖泊水文特征缺乏系统的研究。通过对沙漠东南缘局部风向和巴丹东、西湖湖盆形态的分析反演湖区的地貌演化,从而对湖泊水化学等特征的差异进行解释。水化学测试结果显示：巴丹东湖湖水的TDS为15 g/L左右,为微咸水;西湖的TDS是东湖的上百倍,为盐水。Google Earth遥感影像和DEM反映出巴丹吉林沙漠盛行NW风,东南缘风向及风力多变;巴丹东湖湖盆深于西湖湖盆。反演了巴丹湖地貌演化的3个阶段：(1)月牙湖形成阶段,即巴丹湖的形成阶段;(2)双湖系统形成阶段,气候干旱使湖泊水位降低、湖盆出露,在NW定向风作用下,新的新月形沙丘形成于湖盆上,将其分割从而导致巴丹东湖湖盆遭受风蚀;(3)纵向沙垄形成阶段,由于局部风向的改变,新月形沙丘在SW向风力作用下往NE向不断延伸,并转变成纵向沙垄。综合分析认为：气候变化是风成地貌演化的驱动力,多次风向的改变产生了湖盆地形西高东低的差异,导致东湖接受的浅层地下水补给大于西湖;当气候变得暖湿时,水位上升致两湖水体连通,由于东湖水位高于西湖,使东湖盐分释放、西湖盐分积累。因此,受地貌演化的影响,巴丹东、西湖形成了悬殊的盐度特征。     

黑河下游额济纳地区的环境演变

通过对水系变迁的分析,勾画了黑河下游额济纳地区环境变化的大体框架。黑河下游额济纳地区的环境变迁,演绎了西北干旱地区普遍存在的水系溯源退缩过程。在地质历史时期,这种溯源退缩主要原因是地质运动和气候变化,而近代、现代人类不合理的水土资源开发活动加速了河流水系的溯源退缩,并在一定程度上超过了自然因素的作用。巴丹吉林沙漠曾经是黑河下游的冲积湖积平原。那么如果绿洲消失,额济纳三角洲就有可能再现巴丹吉林沙漠的形成过程,形成新的"额济纳沙漠"。在第四纪早期,额济纳盆地存在两个水流系统,且气候环境较为温暖潮湿;随后两个水流系统逐渐合并,区域气候亦有变干变暖的趋势;至第四纪晚期,气候更加干旱,现代水文网定型。东西居延海不是黑河流域的终端湖,在地质历史上属于黑河流域下游的河道湖。随着黑河水系不断地溯源萎缩,东西居延海及居延泽也存在着一个逐步缩小的过程,并在近现代演变为尾闾湖。显然,东西居延海作为尾闾湖只是一个很短暂的时期。     

巴丹吉林沙漠潜水蒸发的数值模拟研究

为了确定巴丹吉林沙漠潜水蒸发强度与地下水埋深的关系,基于巴丹吉林沙漠的气候背景、砂土特征和不同地下水埋深时的典型植被特点设计了54种情景,利用Hydrus-1D建立不同情景下的SPAC水分运移模型,对周期性气象条件驱动下的潜水蒸发开展数值模拟。模拟结果表明:多年平均潜水蒸发量有着随地下水埋深增大而非线性减小的趋势;不同情景的极限埋深都大于3m,在埋深等于3m时潜水蒸发量都小于最大值的5%;当地下水埋深为0.5~1.5m时,潜水蒸发量对地下水埋深的变化最为敏感;当地下水埋深为1m时,潜水蒸发量对包气带岩性的变化也很敏感;在地下水埋深小于0.5m和大于1.5m的区间,气候、岩性、地下水埋深的变化对潜水蒸发量的影响变得微弱。另外,多年平均潜水蒸发量和地下水埋深的这种非线性关系可以用一个新提出的经验公式进行较为准确的拟合,将这个研究结果用于评价巴丹吉林沙漠湖泊集中区地下水的蒸发消耗,发现潜水蒸发总量显著大于湖面蒸发总量,前者约为后者的2.5~2.6倍,必须在沙漠水分平衡的分析中加以考虑。