烏日查呼，春 喜,張衛(wèi)青，張樣洋

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)蒙古高原環(huán)境與全球變化重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；2.內(nèi)蒙古師范大學 地理科學學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)濕地環(huán)境修復工程實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

我國是世界上受荒漠化危害最嚴重的國家之一[1-2]，荒漠化土地面積已超過260×104km2，占國土總面積的27%[3-4]。廣泛分布于西部和北部的沙漠及沙地，不僅是我國沙塵暴塵源的重要提供區(qū)，也是亞洲沙塵的釋放中心[5,6]。粒度是沉積物的重要結構特征，在分析和判別沉積物來源、搬運條件、沉積過程及沉積環(huán)境等方面具有重要意義。因而在我國沙漠研究中得到了廣泛的應用[7]。研究結果顯示，我國沙漠粒度特征存在一定的區(qū)域差異，并與其物質來源和沉積環(huán)境有密切關系。例如，平均粒徑最小的為塔克拉瑪干沙漠[8]，其南緣綠洲沙主要來源于上風向的沙漠區(qū)，北緣流動沙丘沙則源于下伏河床沉積沙[9-10]；而巴丹吉林沙漠粒度組成較粗，粒徑自西北向東南有微弱變細的趨勢，其物源主要為沙漠北部的湖泊沉積、戈壁以及南部的山體碎屑物等[11-13]。此外，庫姆塔格沙漠和烏蘭布和沙漠也在河流、湖泊沉積及周圍山體等多種物源影響下，其不同部位沉積物表現(xiàn)出了較大的差異[14-15]。由此可見，現(xiàn)代沙漠化的發(fā)生發(fā)展大多是地質歷史時期荒漠景觀及地質作用過程的繼續(xù)[16]，沙漠區(qū)域尺度上對其進行系統(tǒng)的粒度特征研究，尋找其源區(qū)沙土類物質對抑制沙漠化發(fā)展有重要作用。

渾善達克沙地位于農(nóng)牧交錯帶，是影響京津地區(qū)北路沙塵暴的必經(jīng)之地和沙塵源區(qū)之一。目前，該沙地沙漠化過程雖已得到初步控制，但西部仍有惡化的趨勢[17-18]。對其沉積物的粒度及來源，前人從不同土地覆被及植被蓋度下粒度特征[19-20]、不同沙漠/沙地粒度對比[7]、土地退化與粒度關系[21]等角度，或通過礦物學與鋯石年代學、同位素地球化學[22-24]等方法進行了較多的研究。綜合其結果，大致總結為渾善達克沙地沙大部分物質來源于周邊地區(qū)的造山帶，受區(qū)域風沙環(huán)境的影響，沉積物平均粒徑僅次于呼倫貝爾沙地，局部地區(qū)細物質含量隨著植被蓋度的增加而增加。這些研究對我們了解該沙地形成原因及沙粒特征有一定的幫助，但由于其關注的重點主要集中于物源尋找或與各沙漠對比的大尺度性問題，因此缺乏對沙地內(nèi)部不同區(qū)域粒度特征及分異規(guī)律、物質貢獻的系統(tǒng)性分析，這對全面詳細了解該沙地粒度分布情況，并制定針對性治理措施造成一定的困難。本研究對渾善達克沙地進行了系統(tǒng)的采樣，利用粒度分析，對其內(nèi)部不同區(qū)域的物質組成及其空間分異規(guī)律、沉積環(huán)境進行研究，并為抑制該沙地繼續(xù)擴展及其治理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

渾善達克沙地(42°-45°N、112°-118°E)位于錫林郭勒盟中部和西南部，東西長約360 km，南北寬約30 km。處于干旱、半干旱過渡帶，屬于中溫帶大陸性季風氣候區(qū)，風力強勁，平均風速3.5～5 m·s-1，4-5月風速較大，年大風日數(shù)50～70 d，主風向為西北風，熱量和蒸發(fā)量則從東南向西北遞增[25]。在地質構造上為地塹式的凹陷帶，沙地邊緣為剝蝕低山、丘陵，地勢由東南向西北緩慢降低，第四紀以來構造運動強烈，使其存在眾多湖泊、水泡子和泉眼以及內(nèi)流河[26]。

2 研究方法

2.1 樣品采集

為了對渾善達克沙地進行粒度區(qū)域對比分析，主要沿該沙地東西方向，局部為南北方向，距離約20 km隨機采樣(圖1)。樣品采集量及方法參考相關學者的研究[8,26]，取范圍為20 cm×20 cm，深度大約0～5 cm的50～100 g表層沉積物樣品；采集范圍基本覆蓋沙地的主要區(qū)域，供計76件。

圖1 渾善達克沙地界限及采樣點分布Fig.1 Map of the Otindag sandy land and the locations of the sampling sites

2.2 粒度測量與計算

粒度分析試驗在內(nèi)蒙古師范大學蒙古高原環(huán)境與全球變化自治區(qū)重點實驗室完成，前處理試驗按照Y.J.Peng et al[28]提出的方法進行。1)稱取0.8 g沉積物樣品于燒杯中，加入30%的雙氧水和10%的稀鹽酸；2)加熱，去除樣品中的有機質和碳酸鹽等雜質；3)加入0.05 mol·L-1的六偏磷酸鈉溶液，震蕩，消除樣品膠結作用。之后采用Malvern Mastersizer 3000激光粒度儀進行粒度測試。該儀器粒度測量范圍為0.01～3 500 μm，重復測量3次，測量精度優(yōu)于0.6%。根據(jù)Folk-Ward的圖解法公式計算粒度參數(shù)(表1)，粒度單位用φ值，并用Udden-Wentworth粒級劃分法分類樣品粒度級配(粒度級配指粒度組成，見表2)。采用Arcgis平臺選擇反距離權重插值法對渾善達克沙地粒度參數(shù)進行空間插值分析。

表1 粒度參數(shù)Table 1 Grain-size parameters and implications

3 結果與分析

3.1 級配及分析

渾善達克沙地表層物質以細沙為主，中沙為次，粉沙、極細沙和粗沙含量較少；黏土及極粗沙含量極少。從變異系數(shù)來看不同樣點同一粒級的百分含量差異較大，表明沙地內(nèi)部各沉積物組成上有較大的空間差異(表2)。

表2 渾善達克沙地表層沉積物粒度組成Table 2 The grain size composition of surface sediments in Otindag sandy land

前人研究證明，粉沙組分是塵暴中可遠距離搬運的細粒組分[29]。渾善達克沙地粉沙組分含量百分比區(qū)間為0%～34.4%，平均值為4.59%。在空間分布上，西部含量相對于東部較多，高含量出現(xiàn)在西北部及西南部，整體從西到東呈逐漸減少的趨勢(圖2a)。極細沙組分含量百分比區(qū)間為0%～34.8%，均值為9.39%，較高含量出現(xiàn)在中部及東部，從西到東呈波動變化狀態(tài)(圖2b)。細沙和中沙為風沙運動中的躍移組分，是風沙運動的運動主體，也是渾善達克沙地重要組分，合計占總量的75%以上。其中，細沙組分含量在14.4%～76.1%，平均值43.9%，總體分布規(guī)律為西部少，中、東部偏多，從中到東呈不明顯的增大趨勢(圖2c)。而中沙組分含量區(qū)間則在3.1%～59.9%，平均值為33.9%，高含量主要集中于西部(圖2d)。粗沙組分為風較難吹蝕的粗粒組分[28]，含量百分比區(qū)間為0%～26.67%，均值為5.40%，高、低含量分布區(qū)與細沙分布情況相反(圖2e)。

圖2 渾善達克沙地表層沙粒徑組分Fig.2 Grain size component of the surface layer sand in the Otindag sandy land

總之，該沙地沉積物從西到東表現(xiàn)出了不同的分布特征，主要體現(xiàn)在西部中沙及粗沙含量相對較高，粉粒組分少量分布。而中、東部中沙、粗沙及粉沙成分均減少，細沙成分增多，這可能指示沙地內(nèi)部躍移質組分在西部侵蝕，東、中部積累，懸疑質組分則被分選并搬運到更遠處。而在西部少量分布的粉沙，可能與其沉積環(huán)境條件有關。

3.2 粒度參數(shù)特征

沉積物粒度變異系數(shù)計算結果見表3，各樣品粒度參數(shù)之間差異性較大。平均粒徑分布范圍較寬，在4.83～580 μm，從粗沙到粉沙均存在。均值為243 μm，屬于細沙粒級。中值粒徑和平均粒徑相差較小，均值為247 μm。其在不同區(qū)域的變化規(guī)律為西部粒徑偏粗，從西到東粒徑大致由粗變細(圖3a)。分選系數(shù)為0.43～2.37，均值為0.94，總體分選性較差。西部分選系數(shù)最大，分選性最差，而東部分選性表現(xiàn)為良好，從西北到東南呈變好的趨勢(圖3b)，可能受到西北風的影響，盛行風向上逐漸篩選的結果。前人研究也表明，在某些沙漠確實存在這一規(guī)律[12,30]。偏度的變化范圍為-0.08～0.63，均值為0.16，對稱偏態(tài)較多。從西到東由極正偏趨于對稱(圖3c)，表明西部樣品粒度整體上集中在粗端部分，而往東樣品顆粒粗細含量變得相近，分布趨于均勻。峰度在0.83～2.93，平均值1.23，西部除個別樣點外峰態(tài)值均表現(xiàn)為很尖或尖峰態(tài)(圖3d)，越往東其峰態(tài)值趨于平峰態(tài)。

圖3 渾善達克沙地粒度參數(shù)分布Fig.3 The spatial distribution of grain-size parameters in Otindag sandy land

表3 渾善達克沙地表層沉積物粒度參數(shù)Table 3 The grain-size parameters of surface sediments in Otindag sandy land

渾善達克沙地沉積物粒度分布隨樣品所在地的不同而存在差異，物源及搬運方式的不同，后期風力分選及沉積都有可能造成這種差異。

從圖4可知，散點分散程度較強，各粒級沙均可見到，分選系數(shù)等級齊全，偏度及峰度變化局部較大。表明沙地沉積物混雜，沉積動力條件多樣，沉積過程受到多種復雜條件的影響。其中平均粒徑和分選系數(shù)呈不顯著負相關關系(圖4a)，隨著粒徑的減小，分選性呈微弱變好的趨勢。而分選系數(shù)和偏度呈正相關關系(圖4b)，隨著分選性的變好，偏態(tài)趨于0，即趨于對稱，這表明分選是通過分選相對較粗和較細的顆粒來完成的。除此之外還發(fā)現(xiàn)，散點中有一部分樣品始終集中在一處，平均粒徑分布范圍140～330 μm，分選系數(shù)為0.4～0.8(圖4a)，呈偏度近對稱和中等峰態(tài)，屬于粗及細組分含量相近，均一化程度較高，分選良好的細沙到中沙粒級，反映了營力作用機制的相同性。與散布于圖右上部的樣品成明顯的對比，二者能較清楚地區(qū)分，表明樣點存在明顯的沉積環(huán)境差異。

圖4 渾善達克沙地粒度參數(shù)散點圖Fig.4 Scatter diagrams between grain-size parameters in Otindag sandy land

3.3 頻率分布曲線

渾善達克沙地沉積物分布頻率曲線主要有3種類型(圖5)，針對不同類型選取了幾條具有代表性的樣品曲線進行分析。

類型1：分布曲線呈不對稱的雙峰分布(圖5a)，主次峰相差懸殊，主峰位于170～300 μm，屬于細沙及中沙粒級，與風成沙眾數(shù)粒徑分布范圍相似[30]，次峰位于1～30 μm，屬于粉沙粒級，該范圍內(nèi)的粒度含量均<3%。在粉沙級峰向細沙級峰過度范圍(30～70 μm)出現(xiàn)一低谷。屬于此類型分布曲線的樣品主要出現(xiàn)在沙地西部及中西部。

類型2：分布曲線呈近似對稱的雙峰及“馬鞍形”的雙峰分布(圖5b)，與類型1相比，主次峰峰值差異較小，具有此消彼長的特征，峰值粒徑較粗，眾數(shù)粒徑分別為90～200、400～630 μm，屬于較粗的極細沙到較細的粗沙粒級。該類型分布曲線的樣品集中分布于沙地的西部。

類型3：分布曲線呈單峰分布(圖5c)，該類型曲線樣品數(shù)量較多，沙地范圍內(nèi)均存在，但曲線峰值位置及展開度在不同區(qū)域表現(xiàn)出了不同的特征，整體來講中部及東部的該曲線粒度區(qū)間較窄，峰值粒徑偏細，為170～300 μm屬于細沙及中沙粒級，且含量較高，是典型的風成沉積，隆浩等[31]對騰格里沙漠現(xiàn)代風成沙的研究也表明風成沙具有類似的特征。西部沉積物曲線則展開度大，峰相對變矮且右偏，說明此處沉積物顆粒較粗且分選性較差。

綜上，由渾善達克沙地中、西部沉積物分布頻率曲線的單峰及雙峰混合分布情況可知，該區(qū)域沉積物搬運方式不唯一，沉積環(huán)境較復雜。向東沉積物分布頻率曲線趨于單窄峰，指示其動力過程較單一，物質分布集中。

注:a.不對稱的雙峰曲線；b.對稱的雙峰曲線及“馬鞍形”的雙峰；c.單峰曲線圖5 渾善達克沙地樣品典型粒度頻率曲線Fig.5 Typical grain size frequency distribution curve of Otindag sandy land

4 結論與討論

渾善達克沙地表層物質整體上以細沙為主，含量占43.9%，其次為中沙，含量30%以上。粉沙、極細沙和粗沙含量合計占總數(shù)的20%，黏土及極粗沙含量極少。內(nèi)部沉積物粒度存在明顯的區(qū)域差異，沙顆粒從西到東呈變細的趨勢。西部沉積物粒度分布范圍相對較寬，粉沙、中沙及粗沙含量相對較高，東部則主要集中于細沙。

該沙地沉積物平均粒徑分布范圍較寬，分布于4.83～580 μm，均值為243；分選系數(shù)平均值為0.94，分選性整體較差，從西北到東南呈變好的趨勢；偏度的變化范圍為-0.08～0.63，其中對稱偏態(tài)偏多；峰度介于0.83～2.93，平均值1.23。

該沙地沉積環(huán)境多樣，沉積過程復雜，中西部沙物質以河流及湖泊沉積為主，其懸浮組分粉沙的存在可能表明侵蝕還在進行中，尚未進一步擴散到整個沙漠。東部則主要分布風成沉積，部分物質可能來源于沙地內(nèi)部的河流碎屑物或更西部的河湖相沉積。

從渾善達克沙地的粒度參數(shù)空間分布圖可知(圖3)，沙地西部中值粒徑及偏態(tài)值相對較大，分選性較差，與此相應，主要以粗顆粒物質為主，但粉沙等細顆粒含量也相對較高，頻率分布曲線呈單峰及雙峰混合分布，指示其沉積環(huán)境較復雜。前人研究[32-35]認為出現(xiàn)雙峰或多峰時，其形成的原因可能不同，譬如有季節(jié)韻律的風動力或水動力機制，不同強度水動力條件下沉積的河流及湖泊沉積，不同風速堆積而成的層狀風成沙，或者多種物源的混合沉積物等均出現(xiàn)雙峰態(tài)。因為不同粒級的組分由特定的搬運營力產(chǎn)生和沉積[36]，為進一步確定西部沉積環(huán)境情況，將該區(qū)雙峰曲線(圖5)與前人研究的不同沉積物類型的粒度頻率分布曲線進行了比對，發(fā)現(xiàn)類型1與毛烏素沙地泊江海子及巴丹吉林沙漠西諾爾圖等干旱區(qū)湖泊沉積的特征基本一致[37-38]，都呈不對稱的雙峰分布，170～300 μm組分與入湖沉降的風成沙組分相似，表明類型1的樣品為湖相沉積來源。而類型2可能為沖洪積與風成沙的混雜沉積，90～200 μm峰表示風成沙，400～630 μm峰為沖洪積沙，殷志強等[33]提出水動力條件較強的河流沉積或洪水沉積以150～700 μm及>700 μm組分為主，風成沙組分與沖洪積沙組分可輪流為優(yōu)勢組分[38]，表明沉積環(huán)境變化較大。因此我們初步推測渾善達克沙地中西部沉積物主要屬于河流及湖相沉積，且沉積過程復雜。與此相比，中東部沉積物中值粒徑較小，偏態(tài)呈對稱及近對稱，表明粗、細組分含量相近，均一化程度較好，以分選良好的細沙及中沙組成，頻率分布曲線呈高而窄的單峰，表明其沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，物質來源單一，為典型的風成沉積[31]。然而，通過分析粒度頻率曲線只能做到定性地區(qū)分沉積物類型，因此，還需要進行進一步的驗證。B.L.Liuetal[39]和Z.C.Zhangetal[40]在庫姆塔格沙漠和河西走廊沙漠研究中驗證了sahu判別函數(shù)在內(nèi)陸沙丘中應用的準確性，結果表明，除了對戈壁風成沉積物有誤判外，其余的判別均與實際環(huán)境一致，認為sahu判別函數(shù)對沙漠沉積物沉積環(huán)境判別提供了一個較好的指標。本研究樣品未涉及到戈壁沉積物，因此利用該公式驗證了上述判斷，進而計算出了不同沉積環(huán)境的貢獻比例，結果表明，渾善達克沙地由28%的風成沉積、36%的湖相沉積、23%的河流沉積及14%的濁流沉積物組成，沉積類型及分布位置與上述判斷基本一致。其中，濁流沉積為靠重力作用沿斜坡呈片狀向下流動的高密度水流沉積[31]，與洪水沉積性質相似，因此推測洪流攜帶大量碎屑物注入湖泊之時攪動原來的湖泊沉積形成了類似于濁流沉積的洪流沉積。

渾善達克沙地古沙和現(xiàn)代沙源區(qū)的對比研究表明，它們有相似的U-Pb年齡組成特征，現(xiàn)代沙是由古沙翻新而成，或沙地源區(qū)自LGM以來未發(fā)生改變[23]。根據(jù)氧同位素組成[24]及微量元素Zr、Hf[41]的研究，該沙地可能的物源有沙地以西的火成巖及南緣的山地，這些山體的風化物通過風力、河流及洪積過程被輸送至沙地中沉積[23]。進一步的研究[42-43]也顯示，沙地西部在晚第四紀時期存在一個統(tǒng)一的大湖，水源主要來自發(fā)源于南部山區(qū)的河流，且西部的朱日和等地區(qū)至今也存在著古河谷[44]。由此推測分布于沙地西部的這些河、湖相沉積，一部分應是古湖泊及河流沉積物就地侵蝕起沙產(chǎn)生，而懸浮組分粉沙的存在表明侵蝕還在進行中，尚未進一步擴散到整個沙漠。

源于沙地南部丘陵一帶的高格斯臺河、恩格爾河等河流碎屑物，經(jīng)盛行風吹揚并沉積在下風區(qū)，成為沙地內(nèi)部風成沉積的物源[45]。而分布在更西部的湖泊及河流沉積物、火成巖風化產(chǎn)物等都有可能經(jīng)風力作用被攜帶至下風向的東部沉積，從而使渾善達克沙地沉積物中值粒徑及分選性在盛行風向上變細、變好。但要證明這一觀點，還需通過對比東西部地表沉積物的輕/重礦物組成，分析微量元素的地球化學特征差異等方面進行深入探討。