原创作者：刘海娇、于学峰、孙有斌

 

　　“终风且霾，惠然肯来，莫往莫来，悠悠我思。”两千多年前的诗经之《国风·邶风》中，描述了狂风卷起漫天尘埃的情景，霾的“莫往莫来”引发古人悠悠深思。

 

　　何为霾？在《尔雅·释天》中解译为“风而雨土为霾”，在《伏候古今注》中描述为“天雨黄土、昼夜混霾”。霾自古有之，今称之为“风尘”，即风力搬运的粉尘。

 

　　风尘描述常见于中国古诗中，如汉代焦赣有诗曰：“风尘暝迷，不见南北，行人失路，复反其室。”唐代王昌龄描述：“大漠风尘日色昏，红旗半卷出辕门。”李白《上云乐》：“女娲戏黄土，团作愚下人。散在六合间，濛濛若沙尘。”

 

　　国外对粉尘的观察也至少有200多年历史，如Dobson(1781)描述了非洲哈马丹风造成粉尘含量增加和大气能见度降低，Darwin(1846)在探险航海时发现非洲西海岸外“刮东北风、尘雾弥漫、颗粒极细、颜色红棕”的降尘特征。

 

　　古往今来的文学作品和科技文献，描述了沙尘因风而起、随风飘扬的场景，那么这些风尘来自何方、飘向何处？对我们的生活产生了什么样的影响呢？

 

　　1. 什么是风尘？

　　风尘可定义为大气中悬浮的矿物颗粒(粉尘)，或这种颗粒的沉积物(风尘)，其粒径小于100微米，包括石英、长石、碳酸钙、云母等矿物。粉尘可视为颗粒相的矿物气溶胶，有别于烟、雾、霾，后者通常是极细颗粒物与水汽凝结形成的悬浮物。

 

　　风尘循环指风吹扬地表颗粒物并将其搬运到其它区域的特殊天气过程，当强风把地面大量沙尘物质吹扬到大气中，致使空气能见度小于1千米时，就形成了一种灾害性天气“沙尘暴”(图1)。

 

　　

　　图1. 行进中的沙尘暴（图片来自网络）

　　生活在北方的人，每年春季都能感受到沙尘暴天气的影响。沙尘暴发生时，称得上是天昏地暗、漫天飞沙。在近地面偏西北风(冬季风)吹扬下，沙尘可翻山越岭，吹向黄土高原和华北平原，严重影响了我国北方城市的环境质量(图2)；在高空西风急流的传输下，沙尘还可飘扬过海，散落在北太平洋甚至更远的格陵兰冰心中。

 

　　

　　

　　图2. 沙尘暴影响城市环境（图片来自网络）

　　2. 源自何方、沉降何处？

　　全球风尘排放源区主要集中在南北纬20-40度之间的大陆内部干旱区，呈条带状分布(图3)。据观测统计，全球每年向大气中释放风尘为1000-3000百万吨(Luo et al., 2003)，风尘排放量从多到少的源区依次为：非洲撒哈拉、亚洲中东部戈壁沙漠、阿拉伯半岛、澳大利亚西部、南非、北美和南美。亚洲是世界第二大风尘释放区，每年的风尘排放量约为100-800百万吨，占全球排放量的25%（Zhang et al., 1997; Shao et al., 2011)。

 

　　

　　图3. 全球主要的风尘源区分布(Schepanski, 2018)

　　粉尘一旦被风扬起，粗颗粒通常以跃移方式近距离传输，细颗粒则以悬移方式中长距离传输(Pye, 1987)。风尘主要分布于世界大陆比较干燥的中纬度地带的下风方向，总面积大约有1300万平方公里，占全球陆地面积的十分之一。我国是世界上风尘分布面积最广(60多万平方公里)、厚度最大(~650m)、时代最老(~25Ma)的国家，其中黄河中游地区的风尘沉积最为典型(刘东生，1985)，约占全国黄土分布总面积的70%以上(图4)。

 

　　

　　图4. 东亚粉尘源区和沉降区分布(缩写说明见Sun et al., 2020)

　　东亚风尘主要来源于三个地区(图4)，即蒙古南部戈壁、中国北部沙漠(巴丹吉林、腾格里、毛乌素和库布齐等沙漠)及中国西部的塔克拉玛干沙漠(Sun et al., 2001; Zhang et al., 2003)。东亚地区释放的粉尘中有30%重新沉降在沙漠区或周边，20%在中国内陆沉降(如黄土高原等)，50%输送到北太平洋及更远地区。东亚风尘不仅对下风方向的韩国和日本影响显著，而且在西风环流的携带下，两周可绕北半球循环一圈(图5)，影响到北美、大西洋、欧洲和格陵兰岛(Uno et al.，2009)。

 

　　

　　图5. 沙尘暴两周可绕地球一圈（Uno et al., 2009）

　　3. 如何追踪亚洲风尘？

　　为了解亚洲风尘从哪里来、到哪里去的问题，通过对比风尘颗粒及其母岩中较为特征的信息，科学家们展开了一系列的风尘溯源研究。理想物源示踪指标应具备以下特征：传输过程中不受风力分选影响、沉积之后不受风化成壤改造、能代表风尘主要成分信号。目前广泛应用的示踪指标包括Sr-Nd同位素、锆石U-Pb年龄谱和石英矿物学指标（ESR-CI）等。

 

　　Sr-Nd同位素组成(87Sr/86Sr和143Nd/144Nd)很大程度上反映了物质的壳-幔分离年龄。岩石Sr-Nd同位素值越偏离原始地幔，其所在地壳越早形成，与地幔之间累积的放射性差异就越大。Sr-Nd同位素组成在粉尘传输和沉降过程中基本不变，保留着原岩的同位素特征。基于东亚主要粉尘源区的Sr-Nd同位素组成，可将东亚粉尘来源归结为三大构造分区(图6)，即中亚造山带南侧的蒙古戈壁和准噶尔盆地，青藏高原北缘的柴达木盆地、塔克拉玛干、巴丹吉林和腾格里沙漠，以及鄂尔多斯高原的毛乌素和库布齐沙漠(Chen et al., 2007)。

 

　　

　　图6. 东亚风尘样品Sr-Nd同位素组成(Chen et al., 2007; Chen & Li, 2013)

　　锆石是抗风化的王者矿物，在形成后的搬运沉积过程中，235U、238U和232Th会分别衰变为207Pb、206Pb和208Pb。激光剥蚀可以原位测量单锆石颗粒中U、Th和放射性衰变累积的Pb含量，从而根据衰变定律计算锆石的结晶年龄。受区域岩浆活动历史控制，不同地质单元具有独特的锆石U-Pb年龄谱特征(图7)，如中亚造山带和青藏高原北缘岩石中以年轻锆石为主(300-500 Ma)，而鄂尔多斯高原则含有较老的锆石(1800-2500 Ma)。一些地质单元可能锆石年龄类似，但不同年龄的组分的丰度会有差异，比如黄河上中游、毛乌素沙地东西部的锆石年龄谱明显不同。

 

　　

　　图7. 东亚粉尘源区锆石的U-Pb年龄谱(原始文献见Sun et al., 2020中引用)

　　石英是现代粉尘和黄土的主要组成矿物，不易受到风化成壤作用的改造，其理化性质非常稳定，能更真实反映原始粉尘的来源特征。石英电子自旋共振信号强度(ESR)与母岩的形成时代相关，结晶度指数(CI)反映了石英形成时的结晶温度和速率，氧同位素组成则反映了母岩的类型。不同粒径石英颗粒的电子自旋共振信号强度和结晶度存有显著的差异(图8)，两个指标结合将东亚粉尘源区有效地区分为三个大区，即蒙古戈壁区、塔克拉玛干沙漠和北方沙漠区(Sun et al., 2020)。

 

　　

　　图8. 风成石英ESR信号强度和结晶度(Sun et al., 2020)

　　4. 粉尘工厂或中转站？

　　宏观的说，亚洲内陆的高山大漠均是粉尘的潜在源区，然而，这些源区的作用和贡献却不能简单地混为一谈。通过对亚洲风尘沉积源汇系统变化的系统总结，可将内陆盆地周围的高海拔山地理解为终极源区(粉尘工厂)，分布在内陆盆地的戈壁沙漠则为过渡源区(粉尘中转站)，这种区分有助于理解粉尘循环的时空特征及其与构造-气候的联系。

 

　　从粉尘形成机制来看，风化和冰蚀作用是产生碎屑物质的主要营力，河流的粉碎和沙漠的风蚀促进了细颗粒物质的产生。亚洲内陆的高海拔山地，如青藏高原北部的昆仑山、阿尔金山和祁连山，中亚造山带的戈壁阿尔泰和杭爱山脉等，是亚洲风尘的两个终极源。来自终极源区的碎屑物质首先被搬运到邻近的山前洪冲积扇，然后经流水或风力继续搬运，形成广袤的戈壁和沙漠。这些戈壁沙漠既是终极物源产生碎屑物质的存放区，也是风尘进一步向东传输的排放区(图9)。

 

　　

　　图9. 亚洲风尘终极源和过渡源示意（改编自Chen and Li, 2011）

　　从地形地貌和大气环流特征可以看出(图9)，终极源和过渡源是直接联系的。一个终极源可以向多个过渡源输送物质，例如，青藏高原北部终极源向柴达木和塔里木盆地、巴丹吉林和腾格里沙漠输送碎屑颗粒，同时向黄河上游输送悬浮颗粒。一个过渡源区也可接受两个终极源的碎屑物质，比如巴丹吉林和腾格里沙漠南部碎屑物质主要来自祁连山，而北部则受到戈壁阿尔泰山的影响。粉尘的近距离传输与近地面的偏西北风(冬季风)密切相关，而远距离传输则由高空西风急流完成。

 

　　5. 风尘源汇：变或不变？

　　青藏高原的阶段性生长和全球气候变冷，对东亚粉尘的排放、传输及沉降过程产生了显著影响(An et al., 2001)。黄土高原是亚洲风尘的主要沉降区，保存了厚达百余米的风成沉积，表明亚洲内陆至少在晚渐新世-早中新世已经变干(Guo et al., 2002; Qiang et al., 2011)。多种物源示踪指标揭示出亚洲风尘源区在百万年构造尺度上存在阶段性变动(图10)，最显著变化发生在晚中新世(12-7Ma)，由于青藏高原北部的加速隆升扩张，使得亚洲粉尘终极和过渡源区均发生显著变化，现代意义的塔克拉玛干沙漠也在中新世晚期形成(Sun and Liu., 2006; Liu et al., 2014)。

 

　　

　　图10. 晚新生代亚洲风尘源区阶段变化(Sun et al., 2020)

　　上新世(5百万年)以来随着北半球冰盖的形成和扩展，亚洲内陆干旱化逐渐加剧，中国北方不同沙漠的形成时代由西向东逐渐年轻，风尘的分布范围也从中新世的局地分布，扩展到更新世的黄土高原、华北平原和长江中下游地区(图11)。风尘分布范围的东扩表明沉降区逐渐扩大，与气候变冷影响下的粉尘源区干旱化加剧和冬季风增强密切相关。

 

　　

　　

　　图11. 中新世和更新世风尘分布范围对比(Sun et al., 2020)

　　6. 结语

　　中国广泛分布的风尘沉积，就像一部无字天书，不仅记录了曾经的沧海桑田、风雨变迁，而且目睹了人间冷暖、文明繁衍。经历了几代黄土研究者的不懈努力，自然变化的诸多奥秘，在这本天书中被逐一破解。然天书无垠、行者无疆，在追求人与自然和谐共处的进程中，这本天书仍深深吸引着我们潜心细品。

 

　　主要参考文献