劉瑞,李志忠,2*,靳建輝,2,鄒曉君,馬運(yùn)強(qiáng),譚典佳,陶通煉

(1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院/濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,福建 福州 350117;2 福建師范大學(xué)地理研究所,福建 福州 350117)

新月形沙丘是平面形態(tài)呈新月形的風(fēng)積沙丘地貌,一般形成在供沙量不足、輸沙風(fēng)向單一的無(wú)植被區(qū)域[1-3]。沙丘表層砂粒度特征是反映沙丘物源背景、沙丘砂運(yùn)移機(jī)制、分選規(guī)律和蝕積過(guò)程的重要信息載體,是風(fēng)力與沙丘形態(tài)、沙質(zhì)地表共同作用的綜合產(chǎn)物,可以反映地形和風(fēng)動(dòng)力導(dǎo)致的沙物質(zhì)遷移規(guī)律和區(qū)域地貌演化過(guò)程[2-5]。研究表明[2-3],不同沙漠的新月形沙丘表層砂粒度變化特征有共性也存在區(qū)域差異,區(qū)域差異可能反映了沙漠自然地理背景的不同,尤其是沙源條件、植被特征的區(qū)別,不同發(fā)育階段新月形沙丘表層砂粒度分布特征也有明顯變化。

古爾班通古特沙漠是中國(guó)最大的固定、半固定沙漠,線(xiàn)形沙丘(沙壟)是該沙漠最主要的沙丘形態(tài),在沙漠西部也分布有一定面積的新月形沙丘(鏈)[6-8]。近60年來(lái)北疆年均降水量增加[9]、近地表平均風(fēng)速降低[10],沙區(qū)土壤濕度增加、植被生長(zhǎng)條件轉(zhuǎn)好;同時(shí),國(guó)家加大了沙漠生態(tài)保護(hù)力度和生態(tài)建設(shè),一系列綜合治理措施促進(jìn)了沙區(qū)植被保育,改善了沙區(qū)植被蓋度狀況[11]。這些過(guò)程導(dǎo)致古爾班通古特沙漠流動(dòng)沙丘面積減少,日趨擴(kuò)展的草灌叢植被攔截風(fēng)沙,沙丘表層的風(fēng)沙蝕積過(guò)程發(fā)生重大變化,在沙漠西部形成了眾多侵蝕型新月形沙丘。關(guān)于侵蝕型新月形沙丘的研究較少,且主要集中在形態(tài)特征變化方面,其表層砂粒度特征尚未得到關(guān)注[12]。目前關(guān)于古爾班通古特沙漠不同形態(tài)沙丘粒度特征及其環(huán)境意義的研究[13-16]主要集中在表層沉積物的基本特征和空間分異方面,關(guān)于侵蝕型的固定新月形沙丘與流動(dòng)新月形沙丘粒度特征變化對(duì)比分析及其環(huán)境意義的研究較少。

因此,本文通過(guò)采集古爾班通古特沙漠西部侵蝕型新月形沙丘(鏈)不同地貌部位的表層砂樣,利用粒度特征對(duì)比分析方法,探討研究區(qū)不同發(fā)育階段、不同規(guī)模的固定新月形沙丘表層砂的粒度組成、粒度參數(shù)變化特征及其成因,并結(jié)合表層砂石英顆粒微結(jié)構(gòu)特征分析,獲取研究區(qū)沙丘近地表風(fēng)沙侵蝕搬運(yùn)過(guò)程與砂物質(zhì)來(lái)源信息,為研究區(qū)侵蝕型固定、半固定沙丘長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)科學(xué)資料,同時(shí)為該區(qū)土地沙漠化防治和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

古爾班通古特沙漠位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地中央,面積4.88×104km2,是中國(guó)最大的固定、半固定沙漠和受西風(fēng)環(huán)流影響最明顯的沙漠,平均海拔高度為677 m,西南部海拔高度最低(<400 m)[7-8,13]。區(qū)域氣候具有典型的大陸性特征,年平均氣溫4～7 ℃,年蒸發(fā)量超過(guò)1 590 mm,年降水量不足150 mm且集中在春季和冬季,穩(wěn)定積雪日數(shù)約100～160 d,春季積雪融化后沙體可形成50～60 cm的懸濕沙層,沙漠中的土壤以固定、半固定風(fēng)沙土占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[7,17-18]。對(duì)沙漠風(fēng)沙地貌起控制性作用的是西風(fēng)環(huán)流主導(dǎo)的西北風(fēng),蒙古高壓風(fēng)系受季節(jié)性和區(qū)域的局限性,僅在冬、春季對(duì)沙漠中部和東北部地區(qū)有較大意義[7-8],沙漠西部毗鄰準(zhǔn)噶爾盆地西部各大山口,風(fēng)能較高(>400 VU),但在莫索灣地區(qū)已被削弱至低風(fēng)能環(huán)境,年輸沙勢(shì)僅為14.03 VU,合成輸沙向?yàn)?04.64°(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置和風(fēng)沙地貌特征(圖b據(jù)錢(qián)亦兵等[13]改繪)

古爾班通古特沙漠沙丘類(lèi)型豐富多樣,線(xiàn)形沙丘(縱向沙壟)占固定、半固定沙丘總面積的80%以上,沙漠中南部分布有蜂窩狀沙壟和復(fù)合沙壟;西部莫索灣地區(qū)以新月形沙丘(鏈)和梁窩狀沙丘為主,自西北向東南的沙丘形態(tài)由新月形沙丘與線(xiàn)形沙丘共生轉(zhuǎn)向新月形沙丘鏈、梁窩狀沙丘等,新月形沙丘為研究區(qū)基本風(fēng)積地貌類(lèi)型,在西北風(fēng)的作用下總體呈西北-東南走向[7-8]。沙漠西部毗鄰準(zhǔn)噶爾盆地西部大風(fēng)區(qū)域、莫索灣地區(qū)上風(fēng)向分布有面積廣大的鹽堿地,下風(fēng)區(qū)域總體上屬于沙源不足的風(fēng)沙環(huán)境。在近幾十年全球變暖、中亞干旱區(qū)濕度增加和大規(guī)模封沙育林等生態(tài)保護(hù)措施的背景下,不僅廣泛發(fā)育灌叢沙丘,流動(dòng)、半流動(dòng)的新月形沙丘也大多被植被固定下來(lái),且多年處于風(fēng)蝕狀態(tài),迎風(fēng)坡和丘脊廣泛發(fā)育不同規(guī)模的風(fēng)蝕坑、疊置灌叢沙堆和順主風(fēng)向延伸的風(fēng)蝕槽等,大部分沙丘的背風(fēng)坡(落沙坡)也普遍發(fā)育稀疏草叢和小灌木,僅在沙丘丘頂存在寬度不等的流動(dòng)帶[13,18](圖2)。

圖2 研究區(qū)新月形沙丘(鏈)地貌特征

1.2 樣品采集

選取古爾班通古特沙漠西部不同發(fā)育階段、不同形態(tài)規(guī)模的13個(gè)新月形沙丘樣方(圖1c,表1)。自每個(gè)沙丘迎風(fēng)坡坡腳至背風(fēng)坡坡腳,垂直丘脊線(xiàn)(縱向)方向上,以采樣面積為25 cm×25 cm的五點(diǎn)取樣法采集坡腳、坡下部、坡中、坡上部、丘頂?shù)炔煌孛膊课?～2 cm深度的表層沙樣200～300 g,合計(jì)109個(gè)樣品。通過(guò)在采樣點(diǎn)GPS實(shí)地測(cè)量和Google Earth高分影像判讀獲取各沙丘的形態(tài)參數(shù)(表1),依據(jù)沙丘形態(tài)特征和規(guī)模大小判斷沙丘的發(fā)育階段。

表1 采樣沙丘形態(tài)參數(shù)

1.3 研究方法

本文所有樣品的前處理和上機(jī)測(cè)試均在福建師范大學(xué)濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地粒度分析實(shí)驗(yàn)室完成。粒度樣品預(yù)處理過(guò)程參考前人方法[15-16]:稱(chēng)重4.5 g樣品放入燒杯置于加熱板上,依次加入10%的H2O2和10%的HCl以去除有機(jī)質(zhì)和碳酸鈣等膠結(jié)物質(zhì);待樣品充分反應(yīng)后,重復(fù)靜置、抽取上層清液步驟,直至溶液呈中性;加入0.05 mol·L-1六偏磷酸鈉作為分散劑,超聲振蕩4～5 min充分分散顆粒,即刻上機(jī)測(cè)試。

粒度測(cè)試儀器為Malven Mastersizer 2000型激光衍射粒度儀,測(cè)量范圍為0.02～2 000 μm,每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量3次,重復(fù)測(cè)量誤差小于2%時(shí)取其平均值,粒級(jí)分辨率0.01 Φ。粒度分級(jí)依據(jù)Udden-Wentworth方法采用Φ值表示[19];參考Folk-Ward公式[20]得出每個(gè)樣品的粒度參數(shù):

砂樣石英顆粒的掃描電鏡觀(guān)察實(shí)驗(yàn)樣品前處理過(guò)程參考前人方法[14-15]:稱(chēng)取2～3 g砂樣放入燒杯置于加熱板上,加入30% HCl加熱至180 ℃,充分反應(yīng)后將樣品反復(fù)換水中和后烘干,用導(dǎo)電雙面膠將樣品單層均勻地粘在樣品柱上真空噴金,即刻上機(jī)拍攝。掃描電子顯微鏡儀器為日本JCM-6000 Plus,可清楚地判讀樣品表面結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。每個(gè)沙丘選擇丘頂部位的1個(gè)砂樣,在每個(gè)砂樣中隨機(jī)選擇約20顆石英顆粒,觀(guān)察并統(tǒng)計(jì)其微結(jié)構(gòu)特征,合計(jì)觀(guān)察了13個(gè)砂樣約260顆石英顆粒。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒度組成特征

2.1.1 粒徑級(jí)配

古爾班通古特沙漠西部新月形沙丘表層砂的粒級(jí)分布范圍較廣,細(xì)砂在各沙丘占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(54.53%),其次為極細(xì)砂(21.92%)和中砂(19.83%);粉砂(2.62%)、粗砂(0.61%)和黏土(0.46%)含量較少,僅在3個(gè)沙丘(M4、M8、M9)中出現(xiàn)極少量極粗砂(0.04%)。自西北向東南,不同發(fā)育階段、不同形態(tài)規(guī)模新月形沙丘的粒度組成有較明顯區(qū)域差異。

從粒度組成的變化趨勢(shì)看,西北部沙丘的極細(xì)砂與細(xì)砂含量(78.34%)高于東南部(70.61%),黏土與粉砂含量(2.74%)略低于東南部(4.35%);東部沙丘極細(xì)砂與細(xì)砂含量?jī)H為65.48%,但中砂、粗砂含量(29.41%)顯著高于其他地區(qū)(18.75%)?？傮w上,自西北至東南(沿盛行風(fēng)向)分布的沙丘表層砂粒級(jí)組成略有增粗趨勢(shì),但差異不顯著(表2)。

表2 研究區(qū)沙丘砂樣粒度組成與粒度參數(shù)

從不同發(fā)育階段沙丘砂粒度組成來(lái)看,餅狀沙堆和盾形沙堆細(xì)砂占比分別為56.02%和56.86%,高于雛形新月形沙丘(54.37%)和成熟新月形沙丘(52.61%);餅狀沙堆、盾形沙堆和雛形新月形沙丘的中砂占比分別為17.95%、19.35%和18.02%,顯著低于成熟新月形沙丘(22.67%);餅狀沙堆、盾形沙堆和雛形新月形沙丘的極細(xì)砂占比分別為23.02%、22.06%和23.66%,顯著高于成熟新月形沙丘(19.66%)。尺度較小的餅狀沙堆和盾形沙堆各粒級(jí)組分含量的波動(dòng)范圍顯著低于尺度較大的雛形新月形沙丘和成熟新月形沙丘,隨著沙丘尺度增加、形態(tài)起伏增大并逐漸趨于成熟,細(xì)砂、極細(xì)砂比例呈下降趨勢(shì),而中砂、粉砂含量明顯升高,各粒級(jí)組分含量波動(dòng)范圍逐漸增大(圖3)。

圖3 不同發(fā)育階段新月形沙丘的粒度組成差異

2.1.2 粒度頻率分布和概率累積曲線(xiàn)

研究區(qū)新月形沙丘表層沙的粒度頻率分布曲線(xiàn)均呈相似的窄單峰正態(tài)分布,在粒徑4.50～6.50 Φ之間有一細(xì)尾,整體上樣品分選性較好,沉積環(huán)境穩(wěn)定,具有風(fēng)成沙的典型特征(圖4,圖5)。粒度眾數(shù)區(qū)間大體一致,以1.15～3.82 Φ的顆粒為主,峰值粒徑2.49 Φ,對(duì)應(yīng)含量9.73%。不同發(fā)育階段新月形沙丘的粒徑分布則有一定差異,雛形和成熟新月形沙丘中0.16～1.65 Φ較粗顆粒含量略高,餅狀沙堆和盾形沙堆中1.95～3.15 Φ較細(xì)顆粒含量略高。成熟新月形沙丘的峰值分布為2.32 Φ,其他3個(gè)階段的峰值分布為2.55 Φ。

沿沙丘縱剖面自迎風(fēng)坡坡腳至背風(fēng)坡坡腳采樣,沙丘1為迎風(fēng)坡坡腳,M14、M6、M3、M5沙丘5為丘頂,其余沙丘6為丘頂。圖4 各沙丘不同部位沙樣的頻率分布曲線(xiàn)

圖5 沙丘沙樣的頻率分布和概率累積曲線(xiàn)

從沙丘的不同地貌部位粒度特征來(lái)看,餅狀沙堆不同位置的粒度頻率分布曲線(xiàn)差異不大,但隨著沙丘規(guī)模的增大,可以發(fā)現(xiàn)同一沙丘不同部位的粒度頻率分布曲線(xiàn)之間的差異有所增大,特別是沙丘丘頂?shù)牧６冉M分逐漸偏粗、粗顆粒占比逐漸增大的趨勢(shì)非常明顯。

風(fēng)成沉積的粒度概率累積曲線(xiàn)一般存在1～3個(gè)截點(diǎn),不同線(xiàn)段及其斜率大小可以反映不同的動(dòng)力組分和分選性差異[19]。研究區(qū)新月形沙丘表層砂的搬運(yùn)方式和沉積環(huán)境相差不大,概率累積曲線(xiàn)主要由三段式構(gòu)成,即推移、躍移和懸移組分,推移和躍移的截點(diǎn)多位于1.12 Φ左右,兩組分斜率均較大,分選性好,推移組分含量較少,躍移組分占比可達(dá)90%以上,符合風(fēng)成沙的特征;躍移和懸移的截點(diǎn)多位于3.82 Φ左右,懸移組分斜率小,分選性差,含量較少(圖5)。在沙丘迎風(fēng)坡坡腳和丘頂?shù)谋韺由傲６雀怕世鄯e曲線(xiàn)向粗端偏移,多表現(xiàn)為斜率較大的二段式分布,即分選性較好的推移和躍移組分,幾乎不存在懸移組分。

2.2 粒度參數(shù)特征

平均粒徑代表了粒度分布的集中趨勢(shì),標(biāo)準(zhǔn)偏差反映了近地表風(fēng)沙動(dòng)力過(guò)程的復(fù)雜性,偏度和峰度是衡量粒度分布對(duì)稱(chēng)性與峰凸程度的定量指標(biāo)[19]。由表2可知,研究區(qū)新月形沙丘表層沙的平均粒徑介于2.03～2.88 Φ之間,平均值為2.55 Φ;分選性介于好與較差之間(0.45～1.36);偏度多為負(fù)數(shù),但仍呈近對(duì)稱(chēng)分布(-0.36～0.08),沉積物偏向于較粗的物質(zhì);峰度為中等至很窄(0.92～2.33)。西北部(上風(fēng)區(qū))沙丘平均粒徑(2.62 Φ)較東南部(2.52 Φ)更細(xì),東部(下風(fēng)區(qū))最粗(2.43 Φ);沿著盛行風(fēng)向,自西北(0.65)至東南(0.76)表層砂的分選性逐漸變差,偏度無(wú)明顯差異;且西北部沙丘沉積物呈窄峰度分布(1.15),東南部則表現(xiàn)為中等峰度(1.03)。

不同部位表層砂的粒度參數(shù)特征具有一定的規(guī)律性?？傮w來(lái)看,沙丘丘頂?shù)钠骄阶畲?背風(fēng)坡坡中最細(xì),自迎風(fēng)坡坡腳至丘頂、丘頂至背風(fēng)坡坡腳多呈現(xiàn)先變細(xì)后變粗的“M”狀變化趨勢(shì)。多數(shù)沙丘的平均粒徑與標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化趨勢(shì)類(lèi)似,但M4雛形新月形沙丘的平均粒徑與標(biāo)準(zhǔn)偏差卻呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,M2、M9和M11等新月形沙丘的平均粒徑與標(biāo)準(zhǔn)偏差沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。多數(shù)沙丘各個(gè)部位表層沙偏度表現(xiàn)為近對(duì)稱(chēng)分布,M6和M8沙丘在坡中出現(xiàn)了較大程度的負(fù)偏;所有沙丘的峰度與偏度變化趨勢(shì)呈明顯的反比關(guān)系?？傮w上反映了在不同尺度、不同起伏度和植被蓋度沙丘上,貼近地表運(yùn)行的風(fēng)沙流運(yùn)移、沉積過(guò)程變化的復(fù)雜性。

在不同發(fā)育階段的沙丘中,表層砂平均粒徑最小為餅狀沙堆(2.59 Φ),其次是盾形沙堆(2.57 Φ)、雛形新月形沙丘(2.56 Φ)和成熟的新月形沙丘(2.50 Φ)。從分選性看,不同發(fā)育階段沙丘表層砂的分選性均較好,但隨著沙丘尺度增加、起伏度增大,即由餅狀沙堆、盾形沙堆到成熟的新月形沙丘,沙丘表層砂分選性略有變差趨勢(shì)。從峰度變化看,以餅狀沙堆的表層砂樣峰度最高,不同部位間的峰度值變異最大,坡中部位峰度值最高;雛形新月形沙丘與成熟新月形沙丘的峰度變化趨勢(shì)較為一致,在沙丘坡腳部位峰度最高;盾形沙堆峰度最小,不同部位間的變化也最小。砂樣的偏度在不同發(fā)育階段沙丘上的變化趨勢(shì)與峰度恰好相反,但彼此差異不大,均呈近對(duì)稱(chēng)分布(圖6)。

沿沙丘縱剖面自迎風(fēng)坡坡腳至背風(fēng)坡坡腳采樣,沙丘1為迎風(fēng)坡坡腳,M3、M5、M6、M14沙丘5為丘頂,其余沙丘6為丘頂。圖6 沙丘不同部位粒度參數(shù)

2.3 粒度參數(shù)間的相關(guān)性

總體上看,隨著沙丘表層砂樣平均粒徑逐漸變細(xì),砂樣分選性總體上有變好的趨勢(shì),偏度和峰度略有趨于負(fù)偏和變窄的趨勢(shì)。不同發(fā)育階段新月形沙丘粒度參數(shù)之間的相關(guān)性存在較大差異,只有餅狀沙堆的平均粒徑與標(biāo)準(zhǔn)偏差(R2=0.40)、偏度(R2=0.64)和峰度(R2=0.66)之間相關(guān)性較好,其余階段沙丘均無(wú)相關(guān)性;且隨著新月形沙丘發(fā)育逐漸成熟,砂樣各粒度參數(shù)之間的相關(guān)性依次降低,平均粒徑與標(biāo)準(zhǔn)偏差的線(xiàn)性回歸直線(xiàn)斜率依次減小;雛形的與成熟的新月形沙丘的偏度與峰度分布與平均粒徑無(wú)關(guān),分布范圍較大(圖7)。

圖7 不同發(fā)育階段新月形沙丘表層沙粒度參數(shù)的相關(guān)性

2.4 石英砂表面結(jié)構(gòu)特征

在風(fēng)成沙丘發(fā)育過(guò)程中,石英砂顆粒所受的撞擊、溶蝕、沉淀等機(jī)械與化學(xué)作用存在明顯的空間異質(zhì)性,在其表面會(huì)產(chǎn)生不同的特征標(biāo)志,其微形態(tài)特征可以反映物源、外營(yíng)力類(lèi)別與沉積環(huán)境,這為還原砂礫搬運(yùn)的動(dòng)力和過(guò)程提供了較為可靠的依據(jù)[14,21]。從研究區(qū)新月形沙丘表層砂樣電鏡觀(guān)察統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果看,石英砂磨圓度較差,次棱角狀最多(圖8a～d),南部沙丘石英砂樣的磨圓度略佳,但仍以次棱角狀為主。在沙丘不同地貌部位上,丘頂?shù)哪A度最佳,但各部位石英砂磨圓度差異不明顯(表3)。

表3 古爾班通古特沙漠石英砂表面結(jié)構(gòu)特征已有研究對(duì)比

圖8 石英砂顆粒表面形態(tài)特征

前人研究表明,古爾班通古特沙漠沙丘沙物質(zhì)來(lái)源主要是“就地起沙”[7],是風(fēng)力作用吹揚(yáng)下伏砂物質(zhì)再堆積形成了不同形態(tài)的沙丘,且下伏砂物質(zhì)搬運(yùn)距離很短[8,13]。對(duì)研究區(qū)風(fēng)沙石英顆粒微形態(tài)結(jié)構(gòu)觀(guān)察表明,除了碟形坑、麻坑等典型風(fēng)力作用下的撞擊特征外(圖8e,圖8f),石英砂殘留較多原生外營(yíng)力作用特點(diǎn),例如次棱角狀形態(tài)、V形坑、直線(xiàn)形擦痕等(圖8i～圖8l)。

在長(zhǎng)期的風(fēng)力作用下,石英砂在搬運(yùn)過(guò)程中彼此撞擊,磨圓度較好的石英顆粒撞擊到較大的顆粒表面上會(huì)形成碟形坑,受到大量細(xì)顆粒撞擊時(shí)會(huì)形成麻坑,由于落地時(shí)撞擊的方向、部位以及撞擊力的大小不同,顆粒表面會(huì)形成不規(guī)則撞擊坑,多個(gè)撞擊坑匯合相交后便形成了蛇曲脊,這些都是沙漠風(fēng)成環(huán)境的典型特征。古爾班通古特沙漠晝夜溫差大,冬季穩(wěn)定積雪日數(shù)長(zhǎng),因此在石英砂顆粒表面普遍可以觀(guān)測(cè)到較多由于化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)烈而出現(xiàn)的次生硅質(zhì)沉淀或硅質(zhì)球(圖8g)。此外,在個(gè)別石英顆粒上發(fā)現(xiàn)了也明顯的溶蝕痕跡(圖8h)。這些石英顆粒的微結(jié)構(gòu)特征,反映了在干旱多風(fēng)沙條件下,砂物質(zhì)經(jīng)歷搬運(yùn)和風(fēng)積后的化學(xué)風(fēng)化特點(diǎn)。

除了風(fēng)沙環(huán)境下形成的石英顆粒微形態(tài)結(jié)構(gòu)特征,在研究區(qū)沙丘砂的石英顆粒表面微形態(tài)中,還保留較多下伏沙源的原生外營(yíng)力作用特征。例如,在水動(dòng)力環(huán)境下,顆粒棱角產(chǎn)生碰撞會(huì)形成V形撞擊坑;顆粒同一平面上彼此近似平行、深度較淺的擦痕說(shuō)明早期可能經(jīng)歷過(guò)冰川作用環(huán)境。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 區(qū)域新月形沙丘粒度分布的成因分析

在地形因素的影響下,三面環(huán)山的準(zhǔn)噶爾盆地形成了獨(dú)特的風(fēng)系統(tǒng),西風(fēng)氣流自準(zhǔn)噶爾西部山地各大風(fēng)口匯入,由此形成的風(fēng)沙搬運(yùn)通道大風(fēng)頻繁且風(fēng)向穩(wěn)定,對(duì)沙漠地貌的塑造具有重要影響。一般而言,沙漠山地地形控制的風(fēng)沙搬運(yùn)通道風(fēng)向變率較低,所產(chǎn)生的強(qiáng)風(fēng)往往具有很強(qiáng)的輸沙能力,并在下風(fēng)向分布有快速移動(dòng)的沙丘[22]。抵近西部風(fēng)口的莫索灣地區(qū)盛行風(fēng)向穩(wěn)定的西北風(fēng)和偏西風(fēng),廣泛發(fā)育新月形沙丘(鏈)[7-8],且沿盛行風(fēng)向沙丘規(guī)模逐漸增加、沙丘起伏度增大。從以上粒度分析結(jié)果看,上風(fēng)向(西北部)新月形沙丘表層砂中的黏土、粉砂等細(xì)顆粒組分含量顯著低于下風(fēng)向(東南部),且砂樣的分選性好,反映了砂物質(zhì)沿著盛行風(fēng)向的風(fēng)蝕搬運(yùn)和沉積分異特點(diǎn)。

在沙丘尺度上,近沙丘表層氣流沿迎風(fēng)坡向上的過(guò)程中不斷加速,并在丘頂達(dá)到峰值,而后隨著邊界層的分離和氣流的迅速膨脹形成紊流尾跡區(qū),導(dǎo)致沙粒在背風(fēng)坡上堆積下來(lái),因此不同形態(tài)的沙丘和沙丘不同地貌部位的風(fēng)沙活動(dòng)特點(diǎn)不同,反映在沙物質(zhì)粒度特征方面存在差異[1]。隨著新月形沙丘發(fā)育趨于成熟、規(guī)模逐漸擴(kuò)大,微地形的起伏會(huì)加劇風(fēng)沙流的輻合加速,沙丘形態(tài)與地面氣流的相互作用導(dǎo)致沙丘不同部位的蝕積狀況存在差異[1-2]。其中,餅狀沙堆和盾狀沙堆背風(fēng)坡平緩,沙丘背風(fēng)側(cè)近地表氣流的分離作用較弱,但瞬時(shí)分離和反向氣流不斷促進(jìn)滑落面的演變,2種沙丘表層沉積物的粒級(jí)組成較為相似,各粒級(jí)組分含量的波動(dòng)也較小。而雛形和成熟新月?tīng)钌城鹨?guī)模較大,且由于落沙坡的存在,各粒級(jí)組分含量的波動(dòng)較大,其粒度分布與早期沙丘發(fā)育階段的粒度分布明顯不同。

研究區(qū)新月形沙丘在各發(fā)育階段的粒度特征均為丘頂?shù)纳傲Ｗ畲?、分選性最好,說(shuō)明無(wú)植被覆蓋的丘頂風(fēng)速最大、風(fēng)沙流動(dòng)性更強(qiáng),這與王雪芹等[18]在沙漠腹地的風(fēng)沙活動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果是吻合的。此外,多數(shù)沙丘背風(fēng)坡坡中的砂粒最細(xì),印證了沙丘背風(fēng)側(cè)氣流的瞬時(shí)分離和反向渦流搬運(yùn)。沙丘迎風(fēng)坡坡腳砂粒分選性更差應(yīng)當(dāng)是植被強(qiáng)烈影響下的結(jié)果,坡腳密集分布的植被和生物結(jié)皮通過(guò)“捕獲固定”細(xì)顆粒、促進(jìn)生物作用下的成壤過(guò)程,使坡腳出現(xiàn)少量黏土組分,同時(shí)植被對(duì)近地表氣流和風(fēng)力作用強(qiáng)烈擾動(dòng)也削弱了風(fēng)力的分選作用、降低了風(fēng)沙搬運(yùn)能力。隨著沙丘規(guī)模增加,丘頂砂物質(zhì)的粒度組分有逐漸偏粗、粗顆粒占比逐漸增大的趨勢(shì),而在迎風(fēng)坡上砂物質(zhì)的粒級(jí)組分和粒度參數(shù)特征并未體現(xiàn)出較為規(guī)律的變化,這也說(shuō)明植被對(duì)氣流的削弱和影響顯著地降低了沙丘規(guī)模所帶來(lái)的差異,使得沙丘表面受到的風(fēng)沙動(dòng)力過(guò)程趨于復(fù)雜。

總體上看,在迎風(fēng)坡從坡腳到丘頂,平均粒徑和分選性大多呈不規(guī)則變化,粒度參數(shù)之間也沒(méi)有明顯的相關(guān)性,這種粒度分布特征反映了侵蝕型新月形沙丘迎風(fēng)坡在風(fēng)蝕作用的影響下產(chǎn)生了以風(fēng)蝕坑、風(fēng)蝕凹槽為子單元的近地表風(fēng)沙蝕積過(guò)程,打破了沙丘尺度上粒度分布的規(guī)律性,這和流動(dòng)新月形沙丘是不同的。研究區(qū)具有侵蝕特點(diǎn)的固定新月形沙丘粒度分布特征也表現(xiàn)出植被影響下的特殊性,與Purkait[23]和Zhang等[24]研究發(fā)現(xiàn)的受植被影響的沙丘粒度分布特點(diǎn)有一定的相似性。也有研究表明,植被對(duì)于穩(wěn)定沙丘表面的作用是顯著的,且兩者之間建立了有效的正反饋機(jī)制[25]。

3.1.2 沙丘表層砂粒度及石英砂微結(jié)構(gòu)特征反映的物源差異

由于古爾班通古特沙漠沙丘物質(zhì)主要是“就地起沙”產(chǎn)生的,因此研究區(qū)沙丘砂粒度參數(shù)的空間異質(zhì)性與下覆沙源的不同物質(zhì)來(lái)源的空間變異有直接聯(lián)系。Sahu[26]通過(guò)大量粒度分析資料的統(tǒng)計(jì),建立了基于粒度參數(shù)計(jì)算分析沉積環(huán)境的判別函數(shù),具體判別分析過(guò)程如下:

Yx(風(fēng)成∶海灘)=-3.568 8MZ+3.701 6σ2-2.076 6SK+3.113 5KG。若Yx<-2.741 1,屬風(fēng)成;若Yx>-2.741 1,屬海灘。

Yx(海灘∶淺海)=15.653 4MZ+65.709 1σ2+18.107 1SK+18.504 3KG。若Yx<65.365 0,屬海灘;若Yx>65.365 0,屬淺海。

Yx(淺?！脹_積)=0.285 2MZ-8.706 4σ2-4.893 2SK+0.048 2KG。若Yx<-7.419 0,屬?zèng)_積;若Yx>65.365 0,屬淺海。

Yx(沖積∶濁流)=0.721 5MZ-0.403 0σ2+6.732 2SK+5.292 7KG。若Yx<9.843 3,屬濁流;若Yx>9.843 3,屬?zèng)_積。

將采集樣品粒度參數(shù)代入上述公式計(jì)算發(fā)現(xiàn),西北部新月形沙丘表層砂物質(zhì)的來(lái)源較為復(fù)雜且具有多源性,風(fēng)成沉積與淺海沉積、河流沉積、濁流沉積特征組分均有出現(xiàn)。其中,風(fēng)成沉積(80.95%)是研究區(qū)最主要的沉積成因類(lèi)型,但在風(fēng)成砂樣中殘留不少具有淺海沉積(11.91%)特征組分,且主要分布在研究區(qū)東部和北部,由于Sahu[26]公式不能判別湖泊沉積環(huán)境,因此這種反映淺海沉積環(huán)境的組分,可能與第四紀(jì)盆地西南部的湖泊沉積環(huán)境有關(guān)[8]。此外,還有極少部分的河流沉積主要分布在南部、東南部。

從研究區(qū)沙丘表層砂樣的粒度組成特征來(lái)看,西北部沙丘表層沙樣的平均粒徑細(xì)于東南部,東部粗砂含量顯著高于其他區(qū)域。對(duì)比前人在研究區(qū)河流演變研究結(jié)果[8,27-28],應(yīng)當(dāng)是南部、東南部的呼圖壁河、塔西河和瑪納斯河等河流在第四紀(jì)濕潤(rùn)期攜帶豐富沙物質(zhì)沉積于此地所致;同時(shí),南下的西北部氣流在天山北坡的抑制阻擋下產(chǎn)生渦動(dòng)作用,共同將這些粗顆粒近距離搬運(yùn)至沙漠東南部。因此,天山和準(zhǔn)噶爾周邊山地為古爾班通古特沙漠的重要物源,碎屑物質(zhì)可以通過(guò)河流作用輸送到沙漠中,西北風(fēng)和西南風(fēng)是引起砂物質(zhì)再搬運(yùn)和混合的重要營(yíng)力。

研究區(qū)新月形沙丘的石英砂表面結(jié)構(gòu)特征顯示,下伏砂物質(zhì)被吹揚(yáng)、向沙丘沙演化過(guò)程中風(fēng)成機(jī)械作用的改造是顯著的,同時(shí)也保留了一些流水作用與冰川作用的原生動(dòng)力環(huán)境特征。這些石英顆粒殘留較多原生微形態(tài)特征的原因,一方面是源于研究區(qū)地處準(zhǔn)噶爾盆地西南低地,為瑪納斯河、呼圖壁河等多條河流下游尾閭匯聚地,物源更新頻繁、砂物質(zhì)成熟度低,且天山北坡河流流程較短、砂物質(zhì)在搬運(yùn)沉積過(guò)程中的磨圓度很差。另一方面研究區(qū)沙漠水熱條件較好、植被蓋度較高,因植被影響“就地起沙”致風(fēng)成沙丘的活動(dòng)性受限、風(fēng)力作用吹揚(yáng)砂物質(zhì)再搬運(yùn)沉積距離很短,因而原生動(dòng)力環(huán)境的微結(jié)構(gòu)特征被保留下來(lái)。

3.2 結(jié)論

(1)研究區(qū)新月形沙丘表層砂以細(xì)砂為主,平均粒徑范圍2.03～2.88 Φ,總體分選較好,偏度為近對(duì)稱(chēng),峰度為中等;迎風(fēng)坡受風(fēng)蝕作用與植被影響,粒度參數(shù)多呈不規(guī)則變化,丘頂風(fēng)沙作用最強(qiáng)、平均粒徑最粗;各粒度參數(shù)之間無(wú)明顯相關(guān)。隨著沙丘形態(tài)趨于成熟、規(guī)模逐漸增大,表層砂的平均粒徑變粗、分選性變差,各粒級(jí)組分含量波動(dòng)范圍和不同部位粒度頻率分布曲線(xiàn)之間的差異增大。

(2)研究區(qū)沙丘表層砂石英顆粒的磨圓度普遍較差,其微形態(tài)特征無(wú)明顯空間分異,物質(zhì)來(lái)源較為復(fù)雜多元。這些砂物質(zhì)雖經(jīng)后期風(fēng)力搬運(yùn)再堆積,但因研究區(qū)位于河流下游尾閭匯聚地,物源更新頻繁、砂物質(zhì)成熟度低,且沙漠水熱條件較好、植被蓋度較高,沙丘流動(dòng)性不佳、搬運(yùn)距離受限,沙丘物質(zhì)主要為“就地起沙”,因此砂粒保存了較多原生沉積環(huán)境特點(diǎn)。

(3)從粒度與石英砂微結(jié)構(gòu)特征反映的環(huán)境意義來(lái)看,研究區(qū)沙丘具有侵蝕型沙丘的獨(dú)特性,迎風(fēng)坡產(chǎn)生了以風(fēng)蝕坑、風(fēng)蝕凹槽為子單元的近地表風(fēng)沙蝕積過(guò)程,打破了沙丘尺度上粒度分布的規(guī)律性。植被對(duì)沙丘近地表氣流風(fēng)速的削弱和影響也使不同發(fā)育階段沙丘表層砂粒度分布特征的差異減小、粒度參數(shù)之間的相關(guān)性降低,同時(shí)導(dǎo)致石英砂磨圓度普遍較差、保留了一些原生作用痕跡。