古沙漠沙丘形態(tài)定量重建研究

馬 靜1,，曹 碩，張之輝，王成善

(1.中國冶金地質(zhì)總局 礦產(chǎn)資源研究院，北京 100000； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

沙丘形態(tài)學(xué)是認(rèn)識和研究沙漠地貌的基礎(chǔ)，近年來高分辨率衛(wèi)星影像等技術(shù)的廣泛應(yīng)用大大推進(jìn)了現(xiàn)代沙丘形態(tài)參數(shù)定量化的研究進(jìn)程[1]，隨著無人機(jī)技術(shù)的引入，古沙漠沙丘形態(tài)參數(shù)的測量具備了可操作性。目前，重建內(nèi)部沉積架構(gòu)和時空演化模型是古沙漠研究的重點內(nèi)容[2]，但一直存在缺少定量數(shù)據(jù)約束其規(guī)模的問題，古沙丘形態(tài)參數(shù)定量化有望為恢復(fù)古沙漠沉積模型規(guī)模及識別高大沙山等特殊沉積單元提供有效支撐[3-4]。與較易獲得替代性指標(biāo)的古風(fēng)向重建相比[5]，古風(fēng)力研究相對薄弱，是古風(fēng)場乃至古氣候重建研究的難點之一[6]，古沙丘作為古風(fēng)場的直接地質(zhì)記錄，其形態(tài)參數(shù)定量數(shù)據(jù)是恢復(fù)古風(fēng)力條件的良好指征。因此古沙丘形態(tài)參數(shù)研究，符合當(dāng)前地球科學(xué)研究的需要，有助于古地理及古環(huán)境的重建。古沙漠是干旱氣候條件的靈敏指針，其內(nèi)部古沙丘的形態(tài)受到古風(fēng)場、古地形的直接控制，對古沙漠沙丘形態(tài)參數(shù)的定量重建，有助于重建古風(fēng)場并約束古地形展布，具有重要的古地理及古氣候意義，同時也可對未來沙漠的演化提供重要參考，以期為古沙丘形態(tài)參數(shù)定量重建提供有效的方法學(xué)支撐。

“將今論古”是研究深時地球強(qiáng)有力的工具，定量重建古沙丘形態(tài)需依靠現(xiàn)代沙漠沙丘形態(tài)學(xué)。雖然通過現(xiàn)代沙漠開展的大量沙丘形態(tài)學(xué)研究，已基本明確沙丘形態(tài)參數(shù)測量及評價的指標(biāo)體系，但由于不同因素的差異影響，導(dǎo)致不同沙漠沙丘形態(tài)參數(shù)之間的換算關(guān)系存在較大差異性[7-8]，這大大增加了建立古沙丘形態(tài)參數(shù)定量恢復(fù)方法學(xué)的難度。因此，對沙丘形態(tài)參數(shù)及其換算關(guān)系開展系統(tǒng)的方法學(xué)研究極為重要。本研究通過綜述大量現(xiàn)代地貌學(xué)對沙丘形態(tài)的研究，在前人研究基礎(chǔ)上總結(jié)沙丘形態(tài)參數(shù)函數(shù)關(guān)系，探討形態(tài)參數(shù)換算公式差異性的影響因素，結(jié)合古沙漠沙丘沉積特征和演化規(guī)律，建立古沙丘形態(tài)參數(shù)測量和計算方案，為構(gòu)建古沙漠沉積模型、沉積機(jī)制以及重建其古地理古環(huán)境提供借鑒，并為定量恢復(fù)古風(fēng)場等古氣候研究奠定基礎(chǔ)。

1 沙丘形態(tài)學(xué)分析方法

1.1 沙丘形態(tài)描述(形態(tài)參數(shù))

早期風(fēng)沙地貌學(xué)家通過對沙丘開展基礎(chǔ)形態(tài)描述和水槽模擬實驗，形成了大量沙丘基本形態(tài)的重要理論[9-13](表1)，遵循描繪客觀詳細(xì)和便于在遙感影像上量測的基本原則，沙丘形態(tài)基本參數(shù)包括：高度、波長、寬度、間距、橫截面面積、脊線軸長與軸向等[11，14](圖1)。

表1 沙丘形態(tài)參數(shù)表

1.2 古沙丘形態(tài)參數(shù)體系

沙丘經(jīng)過遷移堆積固結(jié)成巖形成的沉積亞相主要包括沙丘相和丘間相。沙丘相按規(guī)?？蛇M(jìn)一步劃分為簡單型沙丘和復(fù)合型沙丘群[15-16](圖2)。簡單型沙丘為獨立沙丘形成的中厚層砂巖層，其上下可能夾有丘間、沙席沉積，沙漠邊緣到中心地區(qū)均有分布。復(fù)合型沙丘群由大型沙丘群組成，只在沙漠中心地區(qū)發(fā)育。在平行于主風(fēng)向的剖面中，沙丘相內(nèi)部發(fā)育大型板、楔狀交錯層理(圖3)；在垂直于主風(fēng)向的剖面上，可見大型連續(xù)槽狀交錯層系組[11]。丘間相根據(jù)沉積過程干濕狀態(tài)可分為干丘間和濕丘間，干丘間為薄層或透鏡狀砂巖，發(fā)育平行狀層理；濕丘間沉積則一般具有水成沉積特征，為泥質(zhì)-細(xì)粉砂巖，具粒序、水平或波狀層理，呈層狀發(fā)育在沙漠邊緣[17]。

(a)平面衛(wèi)星影像圖;(b)切面示意圖

古沙漠沉積體系內(nèi)部發(fā)育有不同級別的風(fēng)成界面[18]，根據(jù)沙丘底形遷移形式可分為再活化界面(reactivation surface，簡稱R)、疊置界面(superimposition surface，簡稱S)、丘間遷移界面(interdune migration surface，簡稱I)和超界面(supersurface，簡稱SS)(圖2)。再活化界面(R)是由風(fēng)向等變化引起底形遷移改變形成的階段性再沉積；疊置界面(S)形成于大型底形之上小型沙丘的疊置遷移，以板狀、大型扇狀侵蝕面為特征，傾向變化較大[19]；丘間遷移界面(I)形成于沙丘與丘間沉積之間，以板狀或微扇狀展布，傾角較小延伸較長；超界面(SS)代表著相變或沉積間斷，其形成與發(fā)育可作為沉積層序的分界，可延伸幾百至上千米[20]。

圖2 古沙漠沉積系統(tǒng)沉積界面幾何學(xué)模型(修改自Kocurek等[15]、Mountney[16])

在沙丘遷移堆積固結(jié)成巖過程中，通常只有沙丘的下半部分可以保存下來，沙丘的上部(90%或更多)被上覆沙丘推進(jìn)截斷[21]，大部分原始沙丘沉積物被剝蝕(圖3)，因此古沙丘沉積并不能反映沙丘的原始形態(tài)。本研究借鑒近年來現(xiàn)代沙丘形態(tài)參數(shù)體系，結(jié)合古沙丘遷移、疊置、固結(jié)成巖的特點，選取古沙丘形態(tài)參數(shù)識別及測量方法如下：

1) 古沙丘高度(H)：古沙丘頂最高點至底部的垂直高程，遠(yuǎn)大于地質(zhì)記錄中巖層厚度。

2) 古沙丘波長(DW)：古沙丘底面在垂直于沙脊線上的延伸，根據(jù)古沙丘沉積機(jī)制，在地層記錄中，通過測量超界面(SS)或與之平行的表面上沙丘連續(xù)遷移爬升的點之間的順風(fēng)距離，即可得到原始波長[16,18](圖3)。

3) 古沙丘間距(SP)：古沙丘迎風(fēng)坡坡腳到緊鄰沙丘迎風(fēng)坡坡腳的水平距離，剖面超界面或與之平行的表面上連續(xù)丘間遷移點之間的順風(fēng)距離[11](圖3)。為波長與丘間順風(fēng)方向長度之和，在沙漠中心相，丘間沉積幾乎不發(fā)育，沙丘間距與沙丘波長近乎相等(圖1)。

4) 古沙丘寬度(WA)：指古沙丘兩翼端點間的水平距離，通過在垂直于主風(fēng)向的剖面上測量槽狀層理兩翼角之間的最大距離得到(圖2)。古沙丘翼角部分可根據(jù)出露情況進(jìn)行數(shù)據(jù)可信度分類。

5) 粒流層平均厚度(t)：粒流層(grainflow strata)是指由于重力作用，背風(fēng)坡表面砂體發(fā)生崩塌，砂粒沿滑落面向下滑落沉積形成的層理[22]。在現(xiàn)代沙漠中通常為背風(fēng)坡表面砂粒的流動軌跡，在地質(zhì)剖面中常與粒落層(grainfall laminae)、沙波層(ripplecross-strata)交替沉積組成沙丘前積層(圖4)， 內(nèi)部微逆粒序且呈舌狀延伸[23]。實測需選擇垂直或平行于古風(fēng)向的地質(zhì)剖面，避免測量粒流層斜截面使測量值偏大[19]。為保證數(shù)據(jù)測量具備統(tǒng)計學(xué)意義，對單一粒流層厚度的測量次數(shù)應(yīng)多于100次并取平均值。

(a)古沙丘保存層厚與沙丘高度關(guān)系圖；(b)沙丘相與丘間相沉積架構(gòu)模式圖；(c)平行風(fēng)向露頭剖面；(d)平行風(fēng)向剖面架構(gòu)示意圖；(e)垂直風(fēng)向露頭剖面；(f)垂直風(fēng)向剖面架構(gòu)示意圖

(a)沙丘背風(fēng)坡前積層層理結(jié)構(gòu)示意圖；(b)沙丘底部橫切面層理結(jié)構(gòu)示意圖；(c)現(xiàn)代沙丘背風(fēng)面；(d)現(xiàn)代沙丘粒流層形態(tài)參數(shù)；(e)古沙丘沉積粒流層；(f)沙丘沉積粒流層形態(tài)參數(shù)

6) 巖層厚度(λ)：大型復(fù)合沙丘群組中邊界面(I)圈定出的單層沙丘層的垂直高度，可間接計算出沙丘的原始波長(圖5)。

(a)底形爬升模型示意圖；(b)鄂爾多斯盆地白堊紀(jì)洛河組洛河剖面復(fù)合古沙丘群組形態(tài)參數(shù)

7) 爬升角度(Φ)：復(fù)合型沙丘群組中邊界面(I)平面上沿古風(fēng)向爬升[21]，與超界面之間存在的傾角差即為底形(bedform)的爬升角度。

2 沙丘形態(tài)參數(shù)定量計算方法

根據(jù)現(xiàn)代沙丘形態(tài)的大量實測及水槽模擬實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)盡管不同沙漠中沙丘的類型、規(guī)模有差異，但大多數(shù)沙丘的形態(tài)存在普遍規(guī)律，同時各形態(tài)參數(shù)之間具有良好的相關(guān)性[22-23]。

新月形、類新月形沙丘作為沙漠中最基礎(chǔ)的沙丘類型，分布廣泛且結(jié)構(gòu)簡單，在長距離順風(fēng)遷移的過程中為封閉系統(tǒng)，不會經(jīng)歷大小或形狀的重大變化[24]，且可組合成多種類型沙丘群[25]，因此常被作為典型的風(fēng)沙地貌體來研究其形態(tài)變化及移動規(guī)律。在地層記錄中新月形、類新月形沙丘在沙漠中心、邊緣相均有發(fā)育，形成厚層沉積記錄，表示風(fēng)場或供沙環(huán)境單一穩(wěn)定[12]。對沙丘形態(tài)特征的分析，有助于揭示沙丘形成發(fā)展的一般規(guī)律，為解決其他復(fù)雜類型的巨大沙丘提供參考，故本研究以新月形、類新月形沙丘為典型古沙丘類型為主來研究其形態(tài)參數(shù)規(guī)律。

2.1 沙丘高度與間距(H-SP)

沙丘高度和間距之間具有良好的相關(guān)性(表2)。Lancaster[29]通過對納米比亞沙漠沙丘的野外測量，結(jié)合已有的同類數(shù)據(jù)，提出可以用冪函數(shù)來表示沙丘高度和間距之間的關(guān)系，指數(shù)為0.52～1.72；Blumberg[27]通過SRTM方法估算出納米比亞沙漠、墨西哥Gran沙漠中沙丘高度和間距之間關(guān)系式為H=0.058SP0.90。我國大型沙漠中沙丘也表現(xiàn)出類似的關(guān)系，哈斯[28]測量了騰格里沙漠東南緣的沙丘形態(tài),得到其冪指數(shù)為0.86～1.68；Dong等[3]通過對巴丹吉林沙漠東南部高大沙山形態(tài)研究，結(jié)合前人結(jié)論進(jìn)一步歸納得出沙丘高度和間距之間的關(guān)系為H=0.12SP；寧文曉等[7]對巴丹吉林沙漠同區(qū)域開展沙丘形態(tài)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，沙丘間距每增加1 m，沙丘高度就會升高55 m；白旸[4]通過對巴丹吉林沙漠高大沙山數(shù)據(jù)進(jìn)一步擬合，得出高大沙山沙丘高度與間距間關(guān)系為H=0.08SP1.01，小型沙丘、沙波紋層高度和間距之間的關(guān)系為H=0.12SP0.8；汪克奇等[8]基于DEM方法對巴丹吉林沙漠6 033個獨立沙丘進(jìn)行形態(tài)學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)各類沙丘的沙丘間距與沙丘高度均表現(xiàn)為線性正相關(guān)關(guān)系。

表2 全球不同沙漠沙丘高度-間距關(guān)系表

綜上，不同類型的沙丘高度與間距之間存在相關(guān)關(guān)系，可用冪函數(shù)H=a×SPb(a、b為自然數(shù))表示，同時由于沙丘所處位置、大小等屬性不同，公式系數(shù)存在一定差異。

2.2 沙丘寬度與高度(WA-H)

根據(jù)地貌動力學(xué)研究結(jié)果，沙丘寬度與高度的關(guān)系受休止角控制，向沙丘頂部添加顆粒將自動導(dǎo)致沙丘加寬，兩者之間存在線性關(guān)系[30](圖6)。

Finkel[31]測量了秘魯南部高度<6 m的新月形沙丘的形態(tài)參數(shù)，得出WA=10.3H+4；Hastenrat[34]分析了同一地區(qū)的沙丘，得出WA=8.19H+9.52；Mabbutt[34]分析得到WA=9.58H+5.75，并且發(fā)現(xiàn)全球沙漠新月形沙丘的高度約為沙丘寬度的十分之一；Hesp等[30]根據(jù)秘魯南部、納米比亞沙漠的數(shù)據(jù)，得出WA=8.82H+7.65，加上加利福尼亞帝王谷數(shù)據(jù)，得出WA=18.37H-15.77[33]。李志忠等[35]在塔里木沙漠石油公路沿線的測量結(jié)果表明，新月形沙丘最大高度多為其兩翼寬度的1/10；Wang等[36]在民勤綠洲觀測表明沙丘高度與寬度呈正比例關(guān)系，比例系數(shù)為15.61；任孝宗等[37]對巴丹吉林、騰格里沙漠沙丘形態(tài)測量，得出比例系數(shù)為15.14，庫姆塔格沙漠比例系數(shù)為11.29；郭建英等[38]對烏蘭布和沙漠實測，發(fā)現(xiàn)沙丘高度與寬度關(guān)系式為WA=16.7H-58.5；劉宇勝等[39]發(fā)現(xiàn)阿拉善戈壁地區(qū)新月型沙丘形態(tài)存在WA=22.617H-17.106的關(guān)系。

因此，沙丘寬度與高度的關(guān)系可以用WA=a×H+b(a、b為自然數(shù))表示(表3)，系數(shù)的不同，可能是由于沙丘未達(dá)到平衡高度(即穩(wěn)定狀態(tài))、坡度角未達(dá)到休止角[27]等原因。

2.3 粒流層厚度與沙丘高度(t-H)

隨著沙丘高度增加，沙流中攜沙量增加，粒流層沉積也會隨著斜坡長度的增加而變厚[19]，但這種關(guān)系僅應(yīng)用在粒流層到達(dá)底部的中小型沙丘中[12]。Hunter[40]通過美國Entrada砂巖研究發(fā)現(xiàn)，單個沙丘中的粒流層厚度隨沙丘高度以非嚴(yán)格線性方式增加；Kocurek等[12]通過對其數(shù)據(jù)進(jìn)一步校正擬合，得到H與t之間的關(guān)系式：H=988.78t1.479 6；Romain等[13]通過對雪松臺地砂巖和納瓦霍砂巖研究發(fā)現(xiàn)，H與t之間存在關(guān)系H=1 532.7t1.600 6。

因此，中小型古沙丘的粒流層厚度與沙丘高度之間存在相關(guān)關(guān)系式，可用冪函數(shù)H=a×tb(a、b為自然數(shù))表示，參數(shù)之間存在差異，可能與沙丘規(guī)模有關(guān)[13](圖7)。

2.4 巖層厚度、爬升角度與沙丘波長(λ,Φ-DW)

對于風(fēng)成巖層的成巖機(jī)制，目前底形爬升機(jī)制仍是最有力的解釋[41]。根據(jù)底形爬升機(jī)制理論，在泥沙供應(yīng)和風(fēng)力條件下，形成不同規(guī)模底形(bedform)[16]，風(fēng)積作用強(qiáng)，堆積面上升時，底形相對于沉積表面向上移動(爬升)，隨著潛水面垂直上升，砂粒吸水固結(jié)并逐步形成地層，最終形成巖石記錄[18]。由底形爬升而形成的沙丘巖層，其層厚和原始床身波長及沉積過程中的爬升角度具備三角函數(shù)關(guān)系：DW=λ×cotΦ[11](圖5)。

表3 全球不同沙漠沙丘高度-間距關(guān)系表

圖7 納瓦霍砂巖和現(xiàn)代撒哈拉沙丘粒流層厚度-高度關(guān)系比較(引自Romain等[13])

2.5 沙丘高度及對比性分析

對于古沙漠的規(guī)模及其內(nèi)部變化規(guī)律一直缺乏深入的研究。沙漠體系從邊緣到中心環(huán)境沙丘具有怎樣的演化規(guī)律?在時間和空間尺度上，如何對比不同地質(zhì)時期或是同一時期不同地點沙漠的規(guī)模?地質(zhì)歷史中特殊的溫室氣候階段以及未來的溫室地球，沙漠具有怎樣的演化特征？為解決這一系列的科學(xué)問題，需選定具有可對比性并可測量、計算的沙丘形態(tài)指標(biāo)。

對于現(xiàn)代沙漠，借助遙感影像和數(shù)字高程圖像等軟件的空間分析功能，前人統(tǒng)計分析了現(xiàn)代不同沙漠中沙丘形態(tài)參數(shù)在沙漠中心和邊緣之間的差異，其中高度作為沙丘形態(tài)最直觀的指標(biāo)，常用來對比分析整個沙漠的沙丘空間布局，進(jìn)而分析該沙漠沉積體系的物源供給、風(fēng)力狀態(tài)等[1]。不同沙漠間的沙丘高度存在差異，納米比亞沙丘高度通常分布在20～50 m，美國Algodones沙丘高度多為50～80 m[10]，我國巴丹吉林沙漠的東南部高大沙丘密集分布，沙丘高度多分布在200～450 m[7]。這種差異可能與沙漠地形、風(fēng)場、規(guī)模有關(guān)[28]，故沙丘高度是反映沙丘規(guī)模、形成時間和動態(tài)變化的重要指標(biāo)，可作為重要的對比參數(shù)來反映沙丘宏觀形態(tài)以及沙漠中不同沙丘的空間分布。

古沙丘形態(tài)參數(shù)體系中，沙丘原始高度(H)也可作為對比指標(biāo)反映沙丘空間組合趨勢，進(jìn)而恢復(fù)當(dāng)時沉積環(huán)境動力學(xué)過程。但巖層中保留的沙丘層厚并不能代替沙丘原始高度，沙丘高度無法直接測得。通過對上述形態(tài)參數(shù)關(guān)系式的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，沙丘間距、波長、寬度、粒流層厚度等要素均可與沙丘原始高度建立相應(yīng)函數(shù)關(guān)系。可通過實測參數(shù)加上相關(guān)關(guān)系式計算，最終恢復(fù)古沙丘的原始高度(H)。

3 古沙丘形態(tài)參數(shù)定量重建

3.1 沙丘形態(tài)參數(shù)換算公式差異性的影響因素

不同沙漠中沙丘形態(tài)參數(shù)換算公式系數(shù)存在明顯的區(qū)別，即使是同一沙漠空間內(nèi)相鄰的沙丘之間參數(shù)關(guān)系也存在些許差異[10]，這可能是受內(nèi)外部因素共同影響的結(jié)果，主要包括砂粒性質(zhì)、地表形態(tài)、風(fēng)力性質(zhì)和植被覆蓋等。

1) 砂粒性質(zhì)：主要包括砂粒的粒度和分選性。全球不同沙漠沙丘砂粒性質(zhì)存在差異，在墨西哥Grand、印度Thar、澳大利亞Simpson 和西班牙Gran沙漠中的沙丘砂粒粒度細(xì)(150～180 μm)，分選好；Namib和撒哈拉西北部沙漠的沙丘砂粒粒度中等(200～240 μm)，分選一般，粗砂出現(xiàn)在海岸沙丘；美國Kelso、Algodones沙漠和西班牙Gran沙漠北緣，分選較差[42]。風(fēng)力對大量砂粒的攜帶從有限到大規(guī)模的級聯(lián)躍遷的轉(zhuǎn)變可以在非常小的風(fēng)速范圍內(nèi)發(fā)生，這種轉(zhuǎn)變值即為有效風(fēng)力臨界值，砂粒的大小、分選通過影響該轉(zhuǎn)變值進(jìn)而對沙丘形態(tài)的塑造進(jìn)行干擾[43]。一些學(xué)者也通過模擬實驗證實了砂粒性質(zhì)與沙丘形態(tài)的關(guān)系，Lancaster[29]和Tsoar[44]研究表明，砂粒較粗時，沙丘底部和頂部之間的輸沙率差異可能很大，砂粒搬運(yùn)集中在頂部，因此沙丘形態(tài)傾向于平坦，具有較低的寬高比。Hersen等[45]也通過不同粒度的砂粒形成沙丘的模擬實驗發(fā)現(xiàn)，砂粒粒度較細(xì)、分選較好時，沙丘坡度更陡，粗沙較多時，新月形沙丘的坡度較平緩。

2) 地表形態(tài)：主要包括地表的粗糙度以及地形起伏。在不同基底下，例如粗糙的石質(zhì)地面和光滑的鹽田之間發(fā)育的新月形沙丘形態(tài)存在明顯差異[42]。Kocurek等[15]記錄了德克薩斯州Padre島沙丘的形成和生長，由于地形的微變化，風(fēng)速降低從而形成波紋。隨著沙子供應(yīng)量增大，一些波紋發(fā)展成沙丘。在波紋形成沙丘過程中，并不是所有的波紋都以相同的速度發(fā)展，許多小的波紋甚至消失，這種發(fā)展模式與地表形態(tài)密切相關(guān)。地表的粗糙度影響著有效風(fēng)力臨界值，隨著粗糙度的增加，施加在風(fēng)上的表面阻力也增加[46]。低風(fēng)速下，只能在較光滑的表面上輸砂；中等風(fēng)速下，較光滑的表面上輸砂量大；高風(fēng)速下，粗糙表面上的輸砂量反超，沙丘的增長受到正反饋，高寬比增加[42]。

3) 風(fēng)力性質(zhì)：主要包括風(fēng)向和風(fēng)速[47]。沙丘形態(tài)是迎風(fēng)坡侵蝕和背風(fēng)坡沉積作用的產(chǎn)物。在沙丘迎風(fēng)坡，風(fēng)力加速，使頂部的泥沙通量增加和泥沙的凈侵蝕；在沙丘背風(fēng)坡氣流通常是復(fù)雜的，一般發(fā)生砂粒沉積和沿坡砂粒的流動。風(fēng)力的大小與方向變化影響著泥沙輸移速率的空間變化，風(fēng)力大小影響著沙丘的坡度、高寬比，在低風(fēng)速時期，沙丘的坡度更陡，隨著風(fēng)速的增加，沙丘寬度增加，整體形態(tài)愈加圓潤[48]。在風(fēng)向變化的地區(qū)，風(fēng)向改變著侵蝕和沉積的空間格局，沙丘形態(tài)也向著新的平衡方向調(diào)整。

4) 植被覆蓋：植被配置結(jié)構(gòu)和生長特征、高度等會對沙丘形狀產(chǎn)生一定影響[12]。植被覆蓋的沙丘形態(tài)要素的比例關(guān)系主要取決于植被的性質(zhì)和隨后由于風(fēng)力作用沖刷而形成的狀態(tài)[10]。被匍匐莖植被覆蓋的沙丘，一般兩翼之間較寬闊、高度較低，常見于海洋沿岸；被草叢(如冰草、披堿草等)覆蓋的沙丘，一般垂直高度較高、坡腳較陡，常見于溫帶內(nèi)陸盆地[42]。Kocurek等[12]利用在羊茅等植物覆蓋型金字塔形沙丘的形成模擬實驗，證明沙丘的高度主要由植物的寬度和沙的休止角決定。植物底部越寬，在達(dá)到休止角之前可以建造的沙丘高度就越高。

3.2 古沙丘形態(tài)參數(shù)函數(shù)關(guān)系選擇方法

由于現(xiàn)代沙漠中沙丘的砂粒性質(zhì)、地表形態(tài)、風(fēng)力狀況、植被覆蓋情況等因素存在差異，導(dǎo)致不同沙丘形態(tài)參數(shù)之間換算公式系數(shù)不同，部分?jǐn)M合曲線相關(guān)系數(shù)較低，統(tǒng)計學(xué)意義較弱，因此在選擇公式進(jìn)行古沙丘形態(tài)參數(shù)定量計算時存在一定困難。

砂粒的粒度和分選性影響著沙丘形態(tài)參數(shù)換算公式的系數(shù)。在利用野外實測數(shù)據(jù)計算恢復(fù)古沙丘其余形態(tài)參數(shù)時，應(yīng)對巖石樣品進(jìn)行粒度分析，與可選公式區(qū)域內(nèi)砂粒性質(zhì)進(jìn)行對比，選擇相似程度高的公式進(jìn)行計算可轉(zhuǎn)大程度地規(guī)避砂粒性質(zhì)對形態(tài)產(chǎn)生的影響。

地表的粗糙度、地形起伏通過影響有效風(fēng)力臨界值、輸沙率的空間變化等影響沙丘的形狀。而古沙漠露頭大多形成于大型盆地內(nèi)，古沙丘均沉積在沙覆蓋或半覆蓋的表面，由于輸砂量高使沙丘底形不斷爬升、疊置，最終固結(jié)成巖。所以地表形態(tài)對換算公式的選擇影響不大。

風(fēng)力的大小與方向變化影響著沙丘的坡度、高寬比。古風(fēng)場的恢復(fù)目前主要根據(jù)沙丘前積層傾角利用玫瑰花圖來重建。但古沙漠形成地層記錄需要相當(dāng)長的時間，在沙漠中心相風(fēng)力狀況較為規(guī)律，偶然間的風(fēng)場改變幾乎沒有。所以可根據(jù)獲得的大部分風(fēng)力狀況數(shù)據(jù)對古沙丘形態(tài)參數(shù)換算公式進(jìn)行選擇，力求公式數(shù)據(jù)所在的現(xiàn)代沙漠與古沙漠基本風(fēng)向一致，風(fēng)力類似。

植被對沙丘形態(tài)產(chǎn)生影響。古沙漠中植被的發(fā)育情況可以根據(jù)沉積相地層序列及平面展布進(jìn)行分析，例如：沙漠相上下地層出現(xiàn)湖泊、沼澤等水成相，則代表植物比較發(fā)育。一般古沙漠中心地區(qū)植物鮮少發(fā)育，在邊緣相地區(qū)偶爾出現(xiàn)，在地層中表現(xiàn)為遺留古生物化石或者巖石顏色較黑，有機(jī)質(zhì)含量較高等。可根據(jù)地層序列中沉積相組合及特殊巖性特征來推測植被情況，選擇與植被發(fā)育情況類似的現(xiàn)代沙漠的沙丘形態(tài)參數(shù)公式來規(guī)避植被的影響。

綜上，在定量恢復(fù)古沙漠中古沙丘形態(tài)參數(shù)時，為提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)結(jié)合粒度分析實驗、古風(fēng)場等數(shù)據(jù)結(jié)果，選擇條件相似的現(xiàn)代沙漠的形態(tài)參數(shù)公式，最大限度地減小影響因素的差異性。另外，由于研究程度的加深和技術(shù)手段的改進(jìn)，現(xiàn)代沙漠?dāng)?shù)據(jù)的不斷更新充實，在運(yùn)用公式時應(yīng)進(jìn)一步整理統(tǒng)計、篩選分析，并再次計算擬合獲取更準(zhǔn)確的現(xiàn)代沙漠形態(tài)參數(shù)公式。并對計算出的古沙漠形態(tài)參數(shù)進(jìn)行驗證，通過同一層風(fēng)成巖層的多個形態(tài)參數(shù)的測量，根據(jù)相應(yīng)參數(shù)公式計算得到兩個高度(H)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，若差別不大，即可保證公式選擇與古沙漠形態(tài)恢復(fù)的準(zhǔn)確性。

3.3 研究不足與展望

本研究依據(jù)現(xiàn)代沙漠沙丘形態(tài)參數(shù)及其對應(yīng)換算關(guān)系，定量重建古沙丘形態(tài)參數(shù)體系，補(bǔ)充古沙丘形態(tài)參數(shù)測量及定量計算方法的空缺，有望為恢復(fù)古沙漠沉積模型規(guī)模及識別高大沙山等特殊沉積單元提供有效支撐，為探究古沙漠沉積機(jī)制提供新的研究思路，但仍存在以下不足：

1) 沙丘形態(tài)參數(shù)計算方法尚不成熟。雖然前人對現(xiàn)代沙丘形態(tài)學(xué)已經(jīng)開展了理論研究和參數(shù)計算，但不同地區(qū)或不同類型的沙丘形態(tài)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系仍存在明顯差異性[4,7-8]，缺少形態(tài)參數(shù)之間的通用換算公式，亦或是不同系數(shù)的函數(shù)公式應(yīng)用范圍不明確，增加了開展古沙丘形態(tài)定量重建的難度。

2) 古沙丘出露完整性不足以及實測難度較大。由于古沙丘經(jīng)歷了沉積疊置、截切風(fēng)化等多階段作用，多數(shù)保存不完整[21]，因此實測數(shù)據(jù)往往小于沙丘原始數(shù)值；另外，一些保存完好的古沙丘露頭規(guī)模較大或出露位置陡峭，人力較難完成實測。

3) 對古沙丘形態(tài)學(xué)研究的古地理及古氣候意義挖掘不足。對地質(zhì)歷史時期中的古沙丘形態(tài)參數(shù)的定量重建，為重建古大氣環(huán)流模式提供了直接的地質(zhì)證據(jù)[17]，地質(zhì)歷史特殊氣候時期古沙丘的形態(tài)學(xué)研究可為未來沙丘的演化提供借鑒。古沙丘的發(fā)育不僅受氣候控制，還與山脈、峽谷等地形條件緊密相關(guān)，對沙丘形態(tài)演化及分布規(guī)律的研究有助于重建古地理格局[12,16]。

4) 缺少古沙丘形態(tài)學(xué)研究實例。實例應(yīng)用是檢驗理論分析最好的方法，隨著對古沙漠等風(fēng)成沉積記錄識別的不斷完善，為古沙丘形態(tài)學(xué)研究的開展提供了很好的素材。古沙丘形態(tài)參數(shù)定量重建實例研究不僅有助于完善古沙丘沉積及演化規(guī)律，還可以驗證及修正現(xiàn)有形態(tài)參數(shù)函數(shù)關(guān)系的正確性和相關(guān)應(yīng)用條件，同時提供有效數(shù)據(jù)支撐。

盡管目前古沙丘形態(tài)學(xué)研究及定量形態(tài)參數(shù)重建存在以上諸多不足，但隨著研究方法及技術(shù)的改進(jìn)和數(shù)據(jù)量的不斷強(qiáng)化，對現(xiàn)代沙丘和古沙丘形態(tài)學(xué)的研究進(jìn)行展望。

1) 優(yōu)化數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析方法。借助大數(shù)據(jù)平臺，進(jìn)一步分區(qū)、分類型統(tǒng)計現(xiàn)代大中小型沙漠中心、邊緣地區(qū)的可測沙丘形態(tài)參數(shù)，借助數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行公式擬合，以期得出更準(zhǔn)確的形態(tài)參數(shù)通用計算公式。

2) 提高沙丘形態(tài)參數(shù)野外數(shù)據(jù)實測的準(zhǔn)確性和全面性。受限于人力測量的操作難度，大量沙丘形態(tài)參數(shù)未開展實測或測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不足，通過引入無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，可以大大增加沙丘形態(tài)參數(shù)實測的準(zhǔn)確度和數(shù)據(jù)量。

3) 選定典型古沙漠開展古沙丘形態(tài)參數(shù)定量重建，并探究其古地理及古氣候意義。由于古沙丘形態(tài)重建的難度遠(yuǎn)大于現(xiàn)代沙丘，因此對出露條件的要求較高，早白堊世鄂爾多斯盆地發(fā)育典型的大型沙漠沉積，具備分布范圍廣、地層連續(xù)性高、出露完整且沉積特征典型等特點[49]，為開展古沙丘形態(tài)參數(shù)重建提供了絕佳素材，可為后續(xù)古沙丘形態(tài)學(xué)研究建立模板。另外，由于早白堊世是地質(zhì)歷史中典型的溫室時期，對該時期古沙漠沙丘形態(tài)參數(shù)定量重建，具有重要的古地理及古氣候意義，同時也可為未來溫室地球沙漠演化提供重要參考[17]。

4 結(jié)論

現(xiàn)代沙丘形態(tài)參數(shù)體系的建立是沙丘形態(tài)學(xué)研究的重要突破，為古沙丘形態(tài)學(xué)研究特別是形態(tài)參數(shù)定量重建提供重要的方法學(xué)支撐。定量重建古沙丘的形態(tài)參數(shù)為古沙漠時空演化模型的構(gòu)建提供定量約束，有利于恢復(fù)其沉積環(huán)境動力學(xué)過程，為探究古沙漠沉積機(jī)制及其古氣候和古地理意義提供了新的研究思路。

本研究依據(jù)“將今論古”思想，借助現(xiàn)代沙漠沙丘形態(tài)學(xué)研究方法，引入現(xiàn)代沙丘形態(tài)參數(shù)：沙丘波長(DW)、沙丘間距(SP)、沙丘寬度(WA)、沙丘高度(H)，結(jié)合古沙丘沉積特征，補(bǔ)充參數(shù)：層厚(λ)、爬升角度(Φ)和粒流層厚度(t)，最終建立古沙丘形態(tài)參數(shù)體系。闡述大量前人關(guān)于沙丘形態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)及函數(shù)換算關(guān)系，最終選定沙丘高度(H)作為沙丘形態(tài)的統(tǒng)一對比指標(biāo)。并總結(jié)函數(shù)關(guān)系差異性的影響因素，主要包括砂粒性質(zhì)、地表形態(tài)、風(fēng)力性質(zhì)和植被覆蓋等。提出在重建古沙丘形態(tài)方法時，應(yīng)綜合考慮上述影響因素，以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選擇與古沙丘發(fā)育區(qū)條件相似的區(qū)域，依據(jù)該區(qū)域公式定量重建，最大限度地縮小影響因素造成的重建誤差，并對計算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)對比驗證，進(jìn)一步提高公式選擇的準(zhǔn)確性。