察爾汗鹽湖沙漠沙丘沉積物粒度特征分析

鮑 鋒，董治寶

（1.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710062；2.西安文理學(xué)院 文化與旅游學(xué)院，陜西 西安710065；3.中國(guó)科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730000）

沙丘沉積物粒度特征作為研究風(fēng)沙地貌形態(tài)及形成演化的重要參數(shù)，已得到許多學(xué)者的認(rèn)可［1－7］。近年來(lái)，不斷有關(guān)于沙丘沉積物粒度特征方面的成果發(fā)表，主要是通過(guò)沉積物粒度特征分析沙丘形態(tài)和物質(zhì)組成并重建其形成發(fā)育的沉積環(huán)境。察爾汗鹽湖沙漠中有理想的類似火星的沙丘形態(tài)，研究其風(fēng)沙地貌有助于對(duì)火星表面地貌形成環(huán)境的判斷，因而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注［8］。目前有關(guān)柴達(dá)木盆地沙漠形成和演化等問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和分析還不系統(tǒng)［9－12］，尤其是作為不同沉積環(huán)境下的線形沙丘和新月形沙丘在同一區(qū)域出現(xiàn)并沿著盛行風(fēng)向分布，尚缺乏系統(tǒng)的論證。因此，本研究在對(duì)柴達(dá)木盆地沙漠兩次野外考察的基礎(chǔ)上，選取察爾汗鹽湖沙漠中的線形沙丘、新月形沙丘，對(duì)其沉積物粒度進(jìn)行對(duì)比分析，以期為柴達(dá)木盆地沙漠物質(zhì)來(lái)源、沙丘的形成發(fā)育以及沉積環(huán)境的恢復(fù)和重建提供參考。

1 材料與方法

柴達(dá)木盆地是我國(guó)海拔最高的內(nèi)陸盆地，也是世界上風(fēng)沙地貌的典型分布地區(qū)之一。該區(qū)年平均降水量不足30mm，集中在夏季；主風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，歷年大風(fēng)日數(shù)都在30d以上，強(qiáng)勁的風(fēng)力為風(fēng)沙地貌的發(fā)育提供了動(dòng)力條件。采樣點(diǎn)位于柴達(dá)木盆地中部達(dá)布遜湖的北岸，沙丘沿湖岸大致呈現(xiàn)出自西北向東南分布的趨勢(shì)。區(qū)內(nèi)主要分布有雅丹、新月形沙丘、線形沙丘等風(fēng)成地貌。沙丘下伏地層為湖積層，含鹽量較高并夾有巖鹽沉積。

2009年7月和2010年8月在對(duì)察爾汗鹽湖附近沙漠進(jìn)行科學(xué)考察中，采集地表不同沙丘的沙樣300多個(gè)。采樣方法與Lancaster［13］在納米布沙漠的采樣標(biāo)準(zhǔn)類似，選取0.2m×0.2m面積的沙面，均勻采集表面0—1cm深度的沙粒，樣品重量500g。為了便于對(duì)比分析，采用統(tǒng)一的采樣規(guī)范：新月形沙丘的表面沙樣均采自迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡中部以及沙丘頂部，線形沙丘表面沙樣采自兩側(cè)坡面和頂部。樣點(diǎn)的地理位置用衛(wèi)星定位儀（GPS）精確定位。選取線形沙丘和新月形沙丘共4組沙樣，并沿盛行風(fēng)向自上而下依次命名為：線形沙丘（A組），新月形沙丘（B組），線形沙丘（C組），新月形沙丘（D組）。利用英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000激光粒度儀對(duì)樣品粒度組成進(jìn)行測(cè)定，獲得各粒級(jí)的百分含量，各粒級(jí)含量以體積百分比表示。沉積物粒徑大小表示方法一般有兩種：一種是直接以毫米或微米為單位直接表示顆粒直徑；另一種是在Udden—Wentworth粒度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Krumbein公式進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化，將粒徑表示為Φ值：

式中：d——直徑（mm）。MZ（平均粒徑），σ1（標(biāo)準(zhǔn)離差），SKI（偏度），KG（峰態(tài)）等粒度特征參數(shù)值的計(jì)算均采用 Folk和 Ward公式［14－15］。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒度組成特征

為了研究不同沙丘類型的粒度組成變化，依據(jù)樣品粒度分析數(shù)據(jù)，計(jì)算了沉積物各粒級(jí)級(jí)配（圖1）。由圖1可知，從各粒級(jí)的百分含量來(lái)看，線形沙丘（A組）中黏土含量變化范圍為0～2.56%，平均值為0.93%；粉沙含量變化范圍為0.12%～3.35%，平均值為1.23%；極細(xì)沙含量變化范圍為3.46%～15.02%，平均值為7.57%；細(xì)沙含量變化范圍為9.05%～51.07%，平均值為23.95%；中沙含量變化范圍為26.38%～39.82%，平均值為33.09%；粗砂含量變化范圍為1.62%～50.65%，平均值為33.24%。新月形沙丘（B組）中黏土和粉沙含量為0；極細(xì)沙含量變化范圍為3.08%～10.28%，平均值為6.23%；細(xì)沙含量變化范圍為26.82%～55.45%，平均值為39.41%；中沙含量變化范圍為33.76%～51.95%，平均值為44.04%；粗砂含量變化范圍為0.51%～21.44%，平均值為10.32%。線形沙丘（C組）中黏土含量變化范圍為1.32%～2.32%，平均值為1.89%；粉沙含量變化范圍為2.12%～2.88%，平均值為2.43%；極細(xì)沙含量變化范圍為7.30%～14.27%，平均值為9.83%；細(xì)沙含量變化范圍為71.74%～76.45%，平均值為74.75%；中沙含量變化范圍為10.30%～12.02%，平均值為10.91%；在沙丘頂部和北坡中部還有少量粗沙，變化范圍為0～0.31%，平均值為0.19%。新月形沙丘（D組）中黏土含量變化范圍為0.22%～0.82%，平均值為0.53%；粉沙含量變化范圍為1.94%～2.06%，平均值為2.01%；極細(xì)沙含量變化范圍為0.37%～5.66%，平均值為3.14%；細(xì)沙含量變化范圍為32.46%～58.72%，平均值為48.76%；中沙含量變化范圍為32.98%～58.66%，平均值為43.38%；粗沙含量變化范圍為0.04%～6.34%，平均值為2.17%?？梢姡€形沙丘（A組）的優(yōu)勢(shì)粒徑為粗砂和中沙，新月形沙丘（B組）的沙粒粒徑主要集中在中沙、細(xì)沙，線形沙丘（C組）的優(yōu)勢(shì)粒徑為細(xì)沙，新月形沙丘（D組）的粒徑則集中在細(xì)沙、中沙。

圖1 新月形沙丘與線形沙丘沉積物顆粒級(jí)配

2.2 粒度參數(shù)特征

由圖2可以看出，線形沙丘（A組）的平均粒徑變化范圍為1.09～2.43Φ；其中沙丘南坡（A1）的平均粒徑值為1.10Φ，北坡（A3）的平均粒徑值為1.09 Φ，沙丘頂部（A2）的平均粒徑值為2.43Φ。新月形沙丘（B組）的平均粒徑變化范圍為1.65～2.25Φ；其中沙丘迎風(fēng)坡（B1）的平均粒徑值為1.65Φ，背風(fēng)坡（B3）的平均粒徑值為2.25Φ，沙丘頂部（B2）的平均粒徑值為1.83Φ。線形沙丘（C組）的平均粒徑變化范圍為2.48～2.57Φ；其中沙丘南坡（C1）的平均粒徑值為2.51Φ，沙丘北坡（C3）的平均粒徑值為2.48 Φ，沙丘頂部（C2）的平均粒徑值為2.57Φ。新月形沙丘（D組）的平均粒徑變化范圍為1.79～2.24Φ；其中迎風(fēng)坡（D1）的平均粒徑值為1.79Φ，背風(fēng)坡的平均粒徑值為2.24Φ，沙丘頂部（D2）的平均粒徑值為2.16Φ?？梢钥闯觯€形沙丘中C組沙樣平均粒徑值要大于A組，線性沙丘南北坡的平均粒徑值要小于沙丘頂部。新月形沙丘中D組沙樣平均粒徑值大于B組，同一沙丘中平均粒徑值存在沿迎風(fēng)坡、沙丘頂部至背風(fēng)坡變小的規(guī)律。

圖2 察爾汗鹽湖沙漠不同沙丘粒度參數(shù)變化

按Folk和Ward的分選程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，線形沙丘（A組）的分選系數(shù)為0.78～1.02，均值為0.90，表明分選中等至較差，且沙丘兩翼略好于沙丘頂部；新月形沙丘（B組）的分選系數(shù)為0.59～0.78，均值為0.67，表明分選中等至較好，且沿迎風(fēng)坡、沙丘頂部至背風(fēng)坡分選變好；線形沙丘（C組）沙樣的分選系數(shù)為0.44～0.72，均值為0.54，表明分選較好至很好，且沙丘南坡、沙丘頂部至沙丘北坡分選變好；新月形沙丘（D組）的分選系數(shù)為0.52～0.54，平均值為0.53，表明分選較好且沿迎風(fēng)坡、沙丘頂部至背風(fēng)坡分選變好。從平均結(jié)果來(lái)看，位于下風(fēng)向的沙丘分選性好于上風(fēng)向沙丘。偏度體現(xiàn)了粒度分布的對(duì)稱性。線形沙丘（A組）沉積物的偏度值介于0.18～0.27，平均值0.22為正偏；新月形沙丘（B組）沉積物的偏度值介于0～0.11，平均值0.05，為近對(duì)稱分布；線形沙丘（C組）沉積物的偏度值介于0.06～0.33之間，平均值0.16為正偏；新月形沙丘（D組）沉積物的偏度介于0.04～0.06之間，平均值0.05，為近對(duì)稱分布。研究區(qū)沙丘沉積物的峰度平均值介于0.93～1.52之間，其中線形沙丘的峰度平均值為1.37和1.52，新月形沙丘的峰度平均值為0.93和1.00。由此可見，線形沙丘峰度呈現(xiàn)為很窄型和窄型，新月形沙丘呈現(xiàn)為中等峰度。

累計(jì)概率曲線能夠反映沙丘粒度分布并揭示各種搬運(yùn)方式（滾動(dòng)、跳躍和懸移），藉此可以推斷沙丘的沉積環(huán)境；風(fēng)沙活動(dòng)愈頻繁、愈強(qiáng)烈，曲線特征就越陡；對(duì)于風(fēng)成沉積而言，概率累積曲線一般存在1～3個(gè)截點(diǎn)，可將粒徑分布劃分為2～4段相互獨(dú)立的線段［3，6，16］。察爾汗鹽湖沙漠不同沙丘形態(tài)沉積物樣品典型累積概率曲線圖式為一段式、二段式和三段式（圖3）。其中位于上風(fēng)向的線形沙丘（A組）表現(xiàn)最為復(fù)雜，沙丘南坡為一段式，沙丘頂部為典型的三段式，沙丘北坡為二段式。其特點(diǎn)為滾動(dòng)體小于0.2%或不發(fā)育；以躍移體為主，總體含量一般為93.7%～99.9%，且分選較好；懸移體含量為0.3%～6.2%，分選較差或很差；懸移體和躍移體之間的交切點(diǎn)為3.8～4.2Φ，滾動(dòng)體和躍移體之間的交切點(diǎn)為0.2 Φ。新月形沙丘（B組）表現(xiàn)為一段式，其特點(diǎn)為躍移體為主，含量為99%，滾動(dòng)體和懸移體不發(fā)育，線段斜率高，分選好。線形沙丘（C組）概率累計(jì)曲線圖式為二段式和三段式，沙丘北坡為三段式，南坡和頂部為二段式。其特點(diǎn)為滾動(dòng)體小于0.3%或不發(fā)育；躍移體含量為92.4%～95.3%，分選較好；懸移體含量為4.3%～7.6%，分選較差；懸移體和躍移體之間的交切點(diǎn)為3.5～4.2Φ，滾動(dòng)體和躍移體之間的交切點(diǎn)為1.2Φ。新月形沙丘（D組）表現(xiàn)為二段式，其特點(diǎn)為的躍移體含量為97.3%～97.8%，且分選較好；懸移體含量為2.1%～2.6%，分選較差；懸移體和躍移體之間的交切點(diǎn)為3.2～3.5Φ。

3 結(jié)果討論

3.1 察爾汗鹽湖沙漠沙丘沉積物粒度組成變化特點(diǎn)

察爾汗鹽湖沙漠沿區(qū)域盛行風(fēng)方向上的不同沙丘沉積物粒度組成存在明顯差異。從同一沙丘形態(tài)看，線形沙丘（A組）沉積物以粗沙和中沙為主，但粒級(jí)分布較為分散，各粒級(jí)均有出現(xiàn)；位于下風(fēng)向的線形沙丘（C組）沉積物中細(xì)沙占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。新月形沙丘（B組）沉積物以中沙和細(xì)沙的組分為主，其它粒級(jí)比重很??；位于下風(fēng)向的新月形沙丘（D組）沉積物以細(xì)沙和中沙的組分占優(yōu)?？傊?，研究區(qū)沉積物粒度分布整體存在自西北向東南沿盛行風(fēng)向粒徑變細(xì)的規(guī)律，說(shuō)明形成沙丘的物質(zhì)來(lái)源是相對(duì)單一的沉積物。研究中發(fā)現(xiàn)察爾汗鹽湖沙漠沉積物中含有一定量的粉沙與黏土。就這一粒徑組分來(lái)看，除在新月形沙丘（B組）中未出現(xiàn)外，在其他3組沉積物樣品中均有分布，最大含量為5.91%；線形沙丘中粉沙與黏土的總含量明顯高于新月形沙丘，線形沙丘（C組）和新月形沙丘（D組）沉積物中粉沙、黏土含量高于線形沙丘（A組）和新月形沙丘（B組），基本呈現(xiàn)出處于下風(fēng)向的沙丘粉砂黏土含量偏高的特征。

圖3 新月形沙丘和線性沙丘沉積物累計(jì)概率曲線

3.2 察爾汗鹽湖沙漠沙丘沉積物粒度參數(shù)變化特點(diǎn)

察爾汗鹽湖沙漠沉積物的平均粒徑值（MZ）為1.09～2.57Φ，均值約為2.04Φ，這與我國(guó)庫(kù)姆塔格沙漠（MZ＝2.43）、巴丹吉林沙漠（MZ＝2.25）、騰格里沙漠（MZ＝2.59）、塔克拉瑪干沙漠（MZ＝3.08）相比粒徑偏粗；其中線形沙丘（A組）沉積物平均粒徑最大、其次為新月形沙丘（B組）和新月形沙丘（D組），處于下風(fēng)向的線形沙丘（C組）沉積物平均粒徑最小。另外，從察爾汗鹽湖沙漠沙丘表面不同地貌部位的粒度參數(shù)變化規(guī)律可以看出，新月形沙丘表現(xiàn)為由迎風(fēng)坡至背風(fēng)坡平均粒徑變細(xì)、線形沙丘兩側(cè)坡面沙粒粒徑基本相當(dāng)?shù)钟谇痦敗３练e物的分選系數(shù)為0.44～1.02，從沉積物分選狀況來(lái)看，D組分選最好，其次是C組、B組，A組分選最差；和國(guó)內(nèi)其他沙漠相比，整體表現(xiàn)為沉積物分選較差。從察爾汗鹽湖沙漠沙丘沉積物偏度平均結(jié)果來(lái)看，偏度值介于0.05～0.16之間，總體上呈近對(duì)稱和正偏分布。其中，線形沙丘沉積物呈正偏分布，新月形沙丘呈近對(duì)稱分布。線形沙丘為尖峰態(tài)，說(shuō)明風(fēng)力作用過(guò)程較久，風(fēng)成沙成熟度較高［17］。新月形沙丘峰度值差異不大，均為中等峰度。

3.3 察爾汗鹽湖沙漠沙丘沉積物累計(jì)概率曲線變化特點(diǎn)

已有的研究［16］表明，粗沙和極粗沙一般以蠕移的形式在地表滾動(dòng)或滑動(dòng)，較細(xì)的沙粒如細(xì)沙和中沙會(huì)在風(fēng)力作用下以躍移的形式向前搬運(yùn)，而對(duì)于粒徑更細(xì)的沙粒則會(huì)以懸移的形式隨風(fēng)運(yùn)動(dòng)。研究區(qū)沙丘沙累積概率曲線圖式為一段式、二段式和三段式，說(shuō)明近地表風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)中以躍移為主，這種運(yùn)動(dòng)方式不僅造成地表沉積物的搬運(yùn)堆積形成各種風(fēng)沙堆積形態(tài)，在搬運(yùn)過(guò)程中也造成了物質(zhì)分選，使地表沉積物的粒度特征發(fā)生變化。同時(shí)發(fā)現(xiàn)處于下風(fēng)向的線形沙丘和新月形沙丘還存在較為明顯的懸移搬運(yùn)，可能與柴達(dá)木盆地分布普遍的泥質(zhì)和粉沙質(zhì)湖相沉積物在干燥多風(fēng)的氣候下就地起沙有關(guān)［9］。根據(jù)維謝爾給出的不同沉積作用下典型的概率累積曲線圖，對(duì)比察爾汗鹽湖沙漠沙丘沉積物的概率累計(jì)曲線特征，發(fā)現(xiàn)其與古河流或三角洲上的沉積物累計(jì)概率曲線特征比較接近。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)察爾汗鹽湖沙漠不同沙丘沉積物從粒度組成特征、粒度參數(shù)特征和累計(jì)概率曲線特征3個(gè)方面的分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)沙丘沉積物粒度組成以細(xì)沙和中沙含量較高，粉沙和黏土含量較我國(guó)其他沙漠高；沉積物平均粒徑偏粗，分選較差；沙丘沉積物粒度呈正偏分布或呈近對(duì)稱分布；沙丘沉積物峰度呈現(xiàn)為很窄型和窄型或中等峰度。累計(jì)概率曲線特征結(jié)果為沙丘沙以躍移搬運(yùn)為主，但存在懸移搬運(yùn)。

（2）選取沿區(qū)域盛行風(fēng)向分布的兩組線形沙丘和新月形沙丘進(jìn)行了沉積物粒度特征對(duì)比分析，結(jié)果表明沉積物粒度參數(shù)特征沿風(fēng)向分布存在一定的規(guī)律，如平均粒徑值自A組沙丘至D組沙丘逐漸變小，沉積物分選逐漸變好等。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)不同類型的沙丘，其沉積物粒度參數(shù)也存在差異，如線形沙丘沉積物粒度呈正偏分布，新月形沙丘沉積物粒度呈近對(duì)稱分布；峰度值顯示線形沙丘成熟度比新月形沙丘高；累計(jì)概率曲線特征顯示沙丘沉積物以躍移搬運(yùn)為主，但處于區(qū)域盛行風(fēng)向下風(fēng)向的線形沙丘和新月形沙丘的沉積物還存在懸移搬運(yùn)。

（3）由于線形沙丘和新月形沙丘是不同沉積環(huán)境下的兩種沙丘類型，以往的研究多側(cè)重于單個(gè)沙丘類型研究或不同區(qū)域沙丘類型的對(duì)比研究，目前還缺少對(duì)于同一區(qū)域線形沙丘和新月形沙丘的對(duì)比分析。本研究針對(duì)柴達(dá)木盆地獨(dú)特的風(fēng)沙地貌，選取察爾汗鹽湖沙漠中沿盛行風(fēng)向分布的線形沙丘和新月形沙丘，就沙丘沉積物粒度特征進(jìn)行對(duì)比分析，揭示了柴達(dá)木盆地沙漠沙丘沉積物的基本特征及其沉積環(huán)境。但是沙丘沉積環(huán)境是一個(gè)多因素控制的復(fù)雜系統(tǒng)，還需要從風(fēng)況、沙源、沙丘沉積構(gòu)造等方面系統(tǒng)研究柴達(dá)木盆地沙丘沉積的基本機(jī)理［18］。

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