Investigación sobre las fuentes de las tormentas de arena en el norte de China y debate sobre las fuentes materiales

(Instituto de Geología, Academia China de Ciencias Geológicas, Beijing, 100037)

A través de la geoquímica y los isótopos de Beijing-Helin-Ejina Banner muestras de arena y polvo El estudio de composición analiza las causas y las condiciones climáticas de la tormenta de arena Ejina Banner, una de las tormentas de arena en el norte de China, y explora la composición del material y la fuente de las muestras de polvo de Beijing-Ejina Banner. Las características de los isótopos y óxidos de Sm/Nd indican que el polvo de la superficie en el área de Ejina Banner-Beijing se origina principalmente por la erosión y la erosión in situ del lecho de roca o del suelo, con contribuciones menores de componentes externos. La aparición de tormentas de arena en el norte de mi país se debe principalmente al deterioro de las condiciones climáticas y del entorno ecológico locales.

Palabras clave tormenta de arena; composición geoquímica; fuente

1 Descripción general de las tormentas de arena

Las tormentas de arena se dividen en cuatro categorías: polvo flotante, arena que sopla, tormentas de arena y tormentas de arena fuertes. . Una tormenta de arena se refiere a un fenómeno meteorológico en el que los fuertes vientos arrastran una gran cantidad de arena y polvo al suelo, haciendo que el aire esté muy turbio y con una visibilidad horizontal de menos de 1 km. Hay al menos tres condiciones para la formación de una tormenta de arena. Una es la situación climática que propicia vientos fuertes o vientos fuertes, la otra es la distribución de fuentes de arena y polvo, y la tercera son las condiciones del aire inestables. Los fuertes vientos son la fuerza impulsora de las tormentas de arena y la fuente de polvo es la base material para la formación de las tormentas de arena. Las condiciones inestables del aire son condiciones térmicas locales importantes, que favorecen el aumento del viento y el desarrollo de una fuerte convección, lo que lleva más polvo.

Hay muchos estudios sobre tormentas de arena en el país y en el extranjero, pero la mayoría de ellos son descripciones de fenómenos y desastres, limitados al análisis de casos o al análisis de las características de la situación climática. Hasta ahora, no estaba claro cómo se mueve el polvo arrastrado por el viento porque ha sido imposible seguir su movimiento completo. Las imágenes de satélite sólo muestran polvo volando a través del Océano Pacífico, no movimiento en tierra. Debido a la falta de diversos datos, actualmente es imposible establecer un modelo computacional de tormentas de arena y polvo. La distancia que puede viajar el polvo depende de qué tan alto floten sus granos en el aire. Hasta ahora sólo se puede observar a qué altura flota el polvo con un instrumento de medición láser especial. La desventaja del instrumento de medición láser es que el rango de medición es pequeño, solo puede detectar un área pequeña en el aire y no puede determinar la dirección de la arena y el polvo.

La tormenta de arena es un fenómeno meteorológico muy desastroso en el norte de China. Es repentino y destructivo, difícil de predecir y defenderse. El número promedio anual de días de tormenta de arena en el noroeste, la mayor parte del norte de China, la meseta Qinghai-Tíbet y la llanura nororiental es generalmente de más de 1 día (Qian Zhengan et al., 1997), y es la principal zona afectada por las tormentas de arena. (Gao Shangyu, 2000; Hu Jinming, 1999). Al sur de las montañas Tianshan. El número promedio anual de días de tormenta de arena en algunas áreas es más de 10, lo que las hace propensas a sufrir tormentas de arena en la cuenca del Tarim y sus alrededores, Alxa y el noreste; parte del corredor Hexi son áreas con alta frecuencia de tormentas de arena. El número promedio anual de tormentas de arena es de más de 20 días, y algunas se acercan o superan los 30 días, como 36 días en Minfeng, Xinjiang, 365,438+0 días en Keping y 30 días en Minqin, Gansu (Xu et al. , 65.438+0997).

Actualmente, nuestro país se encuentra en un periodo de aumento de tormentas de arena poco frecuentes. En los últimos años ha aumentado la intensidad de las tormentas de arena en nuestro país y ha aumentado el número de tormentas de arena severas. Según las estadísticas, hubo 8 tormentas de arena en China en los años 1960, 13 en los años 1970, 14 en los años 1980 y más de 20 en los años 1990. El alcance de las tormentas de arena es cada vez más amplio y las pérdidas causadas son cada vez mayores.

Este artículo parte de la geología y geoquímica de los sedimentos superficiales en una fuente de tormenta de arena y un área de paso en el norte, analiza las características cambiantes de los sedimentos superficiales en diferentes áreas y estudia la interacción de los materiales fuente durante la ocurrencia. y movimiento de tormentas de arena. La contribución de las tormentas de arena locales y la exploración de las fuentes y rutas de propagación de las tormentas de arena. Las muestras de este trabajo se tomaron de depósitos de viento superficiales a lo largo de la ruta de Beijing a Ejina Banner (Figura 1).

Figura 1 Ruta de muestreo de polvo superficial de Beijing-Ejina Banner

2 Analice las características de la composición del material y las fuentes de las tormentas de arena en el norte de China

Ejina Banner en el interior. Mongolia está situada en Bataan, al borde del desierto de Jilin, al norte del corredor Hexi. La zona está cercana al desierto y presenta abundantes condiciones de fuente de arena. El Corredor Hexi es un canal de actividad de aire frío y también es una de las principales fuentes de tormentas de arena en mi país. Según las estadísticas, entre 1952 y 1994, entre las 48 tormentas de arena fuertes y extremadamente fuertes registradas en China, hubo 6 sólo en Ejina Banner. No sólo causó graves pérdidas a la producción agrícola, sino que también causó víctimas entre humanos y animales. Investigar y analizar las características de las tormentas de arena en la zona y explorar sus condiciones climáticas puede proporcionar una base para pronosticar y prevenir tormentas de arena.

2.1 Características de los isótopos de samario y neodimio en muestras de polvo

2.1.1 Principio de los isótopos de samario y neodimio

El elemento de tierras raras Nd tiene dos isótopos en la naturaleza : 143Nd y 144Nd. El 144Nd proviene de la desintegración del elemento radiactivo 147Sm, por lo que también se le llama Nd radiactivo. El 143Nd se concentra principalmente en aluminosilicatos ácidos, a menudo llamados Nd terrestre. La composición isotópica del neodimio se expresa como la relación 143Nd/144Nd. En general, se cree que en muchos procesos geológicos, la diferenciación de w(Sm)/w(Nd) es muy pequeña y el sistema Sm-Nd puede permanecer cerrado.

El uso de isótopos de Nd para estudiar la evolución de procedencias y el paleoambiente (Liu Jihua, 1998; Meng Xianwei, 2001) comienza con el estudio de los sedimentos marinos. En los últimos años, algunas personas han comparado la composición de isótopos nd de sedimentos de grano fino (arcilla), polvo y aerosoles en la superficie del océano con los valores de isótopos Nd de escudos y desiertos antiguos para determinar la fuente de materiales eólicos (Grousset, 1988; Donald, 1988). Muchos estudios han demostrado que los sedimentos clásticos finos pueden representar la composición promedio de la corteza continental en un área considerable, y se considera que la edad del segundo modo de las rocas sedimentarias clásticas refleja la casi insignificante diferenciación Sm/Nd durante la deposición. La edad cortical promedio del área de fuente de sedimentos. Los propios sedimentos clásticos también pueden reflejar las características de composición química y composición isotópica del área de origen.

Utilizar la composición isotópica de Nd de los sedimentos continentales para identificar fuentes es un nuevo intento y aún se encuentra en etapa exploratoria. Las rocas sedimentarias clásticas finas son producto de la destrucción mecánica de la roca original. Durante la erosión, trituración, transporte y deposición de rocas, la relación SM/ND permanece sin cambios. La roca sedimentaria formada mantiene la relación Sm/Nd y las características isotópicas de la roca original. La edad del modelo es la misma que la de la roca original. Se puede identificar la edad del sedimento.

2.1.2 Método de análisis experimental

La determinación de isótopos Sm-Nd se llevó a cabo en el Laboratorio de Isótopos del Instituto de Geología de la Academia China de Ciencias Geológicas, utilizando un sólido MAT-261. espectrómetro de masas isotópicas. La banda de ionización usa una banda Re, la banda de evaporación usa una banda Ta y los iones M+ se reciben con un receptor cilíndrico ajustable de múltiples faradios. El fraccionamiento de masa se calibra con 143 nd/144 nd = 0,7219 y el resultado de la medición estándar es j nd2o 3 143 nd/1444 nd = 0,5165438+. El blanco de proceso Sm, Nd ND es 5×10-11g. La edad se calculó utilizando ISOPLOT EX2 y la constante de desintegración fue 6,54 × 10-12a-1.

2.1.3 Resultados de las pruebas

Los resultados de las pruebas se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Resultados de pruebas de isótopos de muestras de polvo superficial de Sm-Nd de Helin-Ejina Banner

Las edades del modelo de todas las muestras se encuentran dentro de la Era Proterozoica Media a Tardía. La fuente de estas muestras de superficie puede ser principalmente corteza antigua del Proterozoico Medio a Tardío. Estos sedimentos clásticos pueden representar el producto de la mezcla de dos componentes de miembros finales en proporciones variables durante el Proterozoico Medio a Tardío. Por tanto, las muestras de polvo superficial pueden ser corteza que se diferenciaron del manto durante el Mesoproterozoico. La edad del modelo Nd (TDM) de los sedimentos clásticos es 0,9 ~ 65438 ± 0,75 ga, lo que respalda esta conclusión. La edad más joven de las modelos se debe obviamente a la incorporación de una gran cantidad de gente joven. Como se puede ver en la Tabla 1, los valores de Nd de 147Sm/143Nd para la mayoría de las muestras están entre 0,11 y 0,13, lo que indica que no hay una diferencia obvia en Sm/Nd durante el proceso de deposición. Por lo tanto, estas edades del modelo de Nd se calculan en base. en el supuesto de una evolución lineal del manto empobrecido, de hecho existen. Los isótopos altos de Nd en muestras de polvo de la superficie indican que la corteza antigua (Mesoproterozoico) puede ser la principal región fuente.

A partir de la relación Sm-Nd, la relación Sm/Nd de todas las muestras de polvo no cambia mucho, pero hay un cierto cambio en 143Nd/144Nd, y la antigüedad del modelo también cambia mucho (Figura 2). . No se muestran las características de las mismas áreas de origen.

Figura 2 Edades del modelo de 143Nd/144Nd y muestras de polvo.

2.2 Características geoquímicas de las muestras de polvo

Los métodos geoquímicos son intuitivos, económicos y efectivos para identificar fuentes de sedimentos, y utilizan la especificidad de causa de las combinaciones geoquímicas para identificar cualitativamente los materiales de sedimentos. Los atributos de la fuente tienen convertirse en una nueva tendencia. Sin embargo, para los sedimentos clásticos terrígenos, debido a sus orígenes complejos, se necesitan otros métodos para identificar más eficazmente las características cambiantes de la procedencia.

Para comprender las características del cambio geoquímico de las muestras de polvo de la superficie de Beijing-Ejina Banner y explorar las posibles fuentes de polvo, se utilizó el método XRF para analizar el contenido de óxido de las muestras de polvo de la superficie de Beijing-Ejina Banner.

La Tabla 2 muestra las características del contenido de óxido de las muestras de prueba. Como puede verse en la tabla, los contenidos de SiO2 y CaO varían mucho.

Las muestras Sc24 y Sc25 tienen el menor contenido de SiO2 y el mayor contenido de CaO. Las muestras fueron recolectadas de la zona montañosa del noroeste de Beijing, y las áreas circundantes están dominadas por rocas carbonatadas, lo que indica que las muestras de arena de la superficie son producto de la erosión in situ. Las muestras de Sc29 y Sc30 recolectadas en el área de Guyang-Wuyuan en el oeste de Mongolia Interior tienen el contenido más alto de SiO2 y el contenido más bajo de CaO.

Silicio, aluminio, calcio, potasio, magnesio, manganeso, sodio, titanio, etc. Son elementos litófilos. Su estructura atómica es de tipo gas inerte, por lo que son estables durante la migración natural. El hierro y el fósforo son elementos siderófilos. La Figura 3 muestra que el contenido de elementos litófilos y siderófilos en las muestras de arena cambia mucho desde el área de origen del polvo hasta el área de origen alejada del área de origen del polvo, lo que indica que la fuente principal de polvo cambia con el proceso de transporte. Es posible que la erosión local de las rocas tenga el mayor impacto en el contenido de óxido en las muestras de arena.

Tabla 2 Características de los óxidos en muestras de polvo superficial de Beijing a Ejina Banner Unit: %

Figura 3 Características de cambio de los óxidos principales en muestras de arena superficial de Beijing a Ejina Banner.

El polvo proviene del polvo arrastrado por el viento sobre la superficie del suelo de un área determinada. Los elementos químicos de varios suelos tienen ciertas características y diferencias, y los suelos específicos tienen ciertas áreas de distribución concentrada. Para diferentes tipos de capa superficial del suelo, la relación silicio-aluminio W(SiO_2)/W(al2o_3) y la relación silicio-aluminio-hierro [W(SiO_2)/W(al2o_3+fe2o_3)] entre elementos son relativamente estables, a menudo es Se utiliza para identificar inicialmente cualitativamente la fuente del suelo. Estas dos proporciones entre los componentes elementales de las muestras de polvo superficial se compararon con las proporciones entre los componentes elementales de varios suelos superficiales típicos en China (Tabla 3). Como puede verse en la tabla, la diferencia entre las dos proporciones para diferentes tipos de suelo superficial es muy obvia. Estas dos proporciones de muestras de polvo superficial se acercan a las del suelo de loess y al suelo marrón del desierto. Según el mapa nacional de distribución de tipos de suelo, el suelo desértico marrón se distribuye principalmente en el norte de Xinjiang, mientras que el suelo de loess se distribuye principalmente en Xinjiang, el noroeste de Gansu, Mongolia Interior, el noroeste de Ningxia y Shaanxi. Por lo tanto, esta zona puede ser una fuente importante de polvo.

Según el análisis anterior, la relación silicio-aluminio W(SiO_2)/W(al2o_3) y la relación silicio-aluminio-hierro W(SiO_2)/W(al2o_3+ fe2o _ 3) es cercana a suelo pardo, y su fuente es principalmente polvo del suelo, incluida la región noroeste. Por supuesto, el polvo también puede incluir polvo local mezclado a lo largo del camino y polvo secundario en el suelo compuesto por ellos.

Tabla 3 Proporciones de silicio a aluminio de muestras de polvo de superficie de Beijing-Ejina Banner y varios suelos típicos

El sistema de suelo desértico es un recurso de suelo importante en la zona desértica del noroeste mi país, incluido el suelo desértico gris, el suelo desértico marrón grisáceo, el suelo desértico marrón y el suelo agrietado, etc. * * *Tienen las mismas características que las siguientes: corteza desértica porosa con bajo contenido de humus y fuerte agregación superficial, yeso y sales solubles se acumulan a pequeñas profundidades en el perfil, y hay adherencia residual evidente y manchas de hierro, y el espesor de toda la superficie El perfil es delgado, alto contenido de grava (excepto suelo agrietado y suelo gris del desierto). Durante el proceso de formación del suelo, las principales manifestaciones son la calcificación (acumulación de cal), yesificación, salinización, ironización débil y los efectos eólicos son bastante evidentes.

El suelo desértico pardo es un suelo desarrollado en condiciones desérticas templadas, tiene una matriz ósea gruesa y ocupa una gran superficie en el noroeste de mi país. En comparación con el suelo gris del desierto, la acumulación de humus es débil, casi no hay capa de humus, el contenido de materia orgánica en la capa superficial rara vez excede el 0,5% y el contenido no cambia mucho con la profundidad.

En comparación con las características geoquímicas del suelo de la zona desértica del noroeste, las muestras de polvo de la superficie obviamente tienen una relación W(SiO _ 2)/W(al2o _ 3) más alta. La razón puede ser la mayor madurez de las muestras de polvo después de largos períodos de exposición a la intemperie y abrasión.

Discusión sobre las fuentes materiales y las rutas de propagación de las tormentas de arena en el norte de China

La formación de tormentas de arena debe cumplir con las condiciones dinámicas de las partículas finas sueltas y el transporte del viento en la superficie, así como condiciones de aire inestables (Qiu Xinfa, 2001; Zhang, 2002). Cuando se cumplen condiciones dinámicas, la aparición y desarrollo de tormentas de arena dependen de diferentes condiciones de la superficie.

Las superficies y tierras cultivadas protegidas por vegetación tienen una fuerte resistencia a la erosión eólica y tienen menos probabilidades de convertirse en fuentes de tormentas de arena, mientras que las superficies sin cobertura vegetal o con poca cobertura vegetal pueden ser fuentes potenciales de tormentas de arena. Debido al clima húmedo, la buena cobertura vegetal y la pequeña erosión eólica del suelo, varios sistemas montañosos en el noroeste no son áreas fuente de tormentas de arena, mientras que otras áreas, debido al clima seco y la escasa vegetación, pueden ser áreas fuente de tormentas de arena con una gran cantidad de fuentes de material de tormenta de arena. Al mismo tiempo, debido a la mejora del nivel de industrialización y la expansión de la escala urbana, en algunas áreas existen diferencias significativas de temperatura entre las ciudades y sus alrededores, lo que aumenta el gradiente geotérmico local, forma un estado térmico del aire inestable y promueve la aparición de tormentas de arena.

La base para juzgar la fuente de material de arena eólica en el área de origen de arena eólica es: la roca desnuda, los cuerpos de agua y los terrenos de construcción no tienen las condiciones para la materia de grano fino en el tipo de recurso terrestre , por lo que no pueden formar fuentes de material de arena eólica. Debido a la alta cobertura vegetal de los bosques y pastizales de cobertura media a alta, los materiales de la superficie no son fácilmente erosionados por el viento bajo la protección de la vegetación y no tienen las condiciones para formar una fuente de materiales de tormentas de arena y polvo. Existe un alto grado de coherencia entre las tierras cultivadas y las actividades agrícolas debido a los cambios en la cubierta vegetal de la superficie a lo largo del año. El hecho de que las tierras cultivadas sean la fuente de las tormentas de arena está determinado por las características del sistema de plantación y las actividades agrícolas. El período de barbecho es desde junio 165438+octubre hasta marzo del año siguiente, con escasas precipitaciones. El suelo cultivado destruye la vegetación superficial y la cohesión del suelo, debilitándolo para resistir la erosión eólica y convirtiéndose en fuente de fuertes tormentas de arena. Desde principios de abril hasta finales de mayo se siembran y brotan cultivos de secano. Aunque la cobertura vegetal es baja, el suelo irrigado es fuente de débiles tormentas de arena debido a su alto contenido de agua y su fuerte resistencia a la erosión eólica. Desde principios de mayo hasta finales de octubre, los cultivos crecen vigorosamente, las lluvias son abundantes y la tasa de cobertura de la superficie terrestre es alta. Durante este período, la tierra cultivada es una fuente de material que no se encuentra en tormentas de arena. Los pastizales con baja cobertura en zonas áridas tienen escasa vegetación, lo que dificulta proteger eficazmente el suelo superficial y evitar que los materiales finos del suelo sean erosionados por el viento, y son una fuente de débiles tormentas de arena. El Gobi también es una fuente de material para tormentas de arena débiles, ya que la arena fina se intercala entre gravas.

Por tanto, los focos de tormentas de arena se componen principalmente de 6 tipos en invierno y primavera (junio 165438 + octubre del año anterior a abril de este año) y 5 tipos en verano y otoño (mayo a 10 de junio) Incluyendo arena, suelo salino-álcali, grava, suelo desnudo y pastizales de baja cobertura.

De acuerdo con la composición isotópica y las características geoquímicas de las muestras de polvo superficial, la principal fuente de polvo superficial en Beijing-Ejina Banner es el producto de la erosión eólica in situ de tierras arenosas relativamente maduras, con menos componentes externos. .

Debido a las diferentes fuentes y rutas de movimiento de la arena y el polvo, el rango de impacto de la arena y el polvo variará mucho. Debido al largo recorrido de transporte, la concentración de arena y polvo se reducirá significativamente debido al asentamiento y la eliminación, y generalmente evolucionará hasta convertirse en polvo flotante, por lo que su contribución a la muestra de arena de la superficie será significativamente menor.

4 Conclusión

La principal fuente de polvo superficial en Beijing-Ejina Banner es producto de la erosión eólica local, con mayor madurez y menos componentes externos. Debido al largo recorrido de transporte, la concentración de arena y polvo se reducirá significativamente debido al asentamiento y la eliminación, y generalmente evolucionará hasta convertirse en polvo flotante, por lo que su contribución a la muestra de arena de la superficie será significativamente menor.

Al analizar las tormentas de arena registradas en los datos climáticos de Ejina Banner, Lanzhou y Beijing, se encontró que las tormentas de arena en los dos primeros lugares pueden aumentar el polvo flotante sobre Beijing, pero más tormentas de arena no se ven afectadas por las tormentas de polvo en los dos primeros lugares El impacto directo, el clima regional es la principal causa de las tormentas de arena en Beijing.

La aparición de tormentas de arena en el norte de China se debe principalmente a la erosión eólica de los sedimentos superficiales locales. Con la mejora del nivel de industrialización, la expansión de la escala urbana y el aumento de la población, el efecto isla de calor también ha aumentado la diferencia de temperatura entre esta zona y las áreas circundantes, y el gradiente geotérmico ha aumentado, promoviendo la aparición de tormentas de arena. .

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