龔逸夫， 潘美慧， 李 娜， 郝澤文， 陳有桂， 李晨露

（西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

風(fēng)成沉積是地球沉積系統(tǒng)中重要的組成部分，也是全球氣候變化、環(huán)境變化和人類活動等諸多因素綜合作用的結(jié)果。風(fēng)成沉積不僅廣泛分布于干旱和半干旱的沙漠地區(qū)，也分布于沿海地區(qū)和高原地區(qū)，該過程對當(dāng)?shù)貧夂?、生態(tài)環(huán)境和人類生活有著重大影響［1-4］。粒度特征被廣泛運用于風(fēng)沙地貌研究中，不同沉積環(huán)境、物源及風(fēng)況等因素導(dǎo)致不同的沉積物粒度特征差異較為明顯［5］，是分析風(fēng)沙沉積物的物質(zhì)來源、搬運動力機制及沉積環(huán)境的關(guān)鍵［6-7］。研究沙丘沉積物的粒度及其參數(shù)特征，有助于沙丘沉積環(huán)境的反演和解釋［8-13］。早期國外學(xué)者對于風(fēng)成沉積物粒度特征的研究，主要用于反映氣候變化情況、搬運動力狀況以及沉積環(huán)境變化［14-15］。國內(nèi)關(guān)于風(fēng)成沉積物的研究主要集中在北方地區(qū)和青藏高原地區(qū)。在北方地區(qū)的研究中，以往學(xué)者通常以沙漠地區(qū)為對象展開研究，例如科爾沁沙地［16］、渾善達克沙地［17-18］、庫姆塔格沙漠［19-20］、騰格里沙漠［21-23］等，通過分析其粒度特征，從而揭示其環(huán)境意義。在青藏高原地區(qū)，研究主要集中在青藏高原東北部及中部地區(qū)，更多學(xué)者通過對區(qū)域不同類型沙丘粒度特征分析，闡明沙丘的形成過程，并揭示地區(qū)沙丘沉積物的物源及風(fēng)沙活動過程［24-26］；也有學(xué)者通過對鐵路沿線沉積物粒度特征展開研究，分析危害鐵路沿線的沙物質(zhì)來源，以期為鐵路沿線風(fēng)沙運動及科學(xué)防治提供有益參考［27］。

青藏高原作為一個獨特的巨型地貌單元，其演化過程對全球環(huán)境變化產(chǎn)生非常重要的影響。青藏高原從地質(zhì)歷史時期到現(xiàn)在，風(fēng)沙活動一直處于十分活躍的狀態(tài)，致使該地區(qū)風(fēng)成沉積物廣泛分布，沙塵天氣頻發(fā)，土地沙漠化處于正在發(fā)展的態(tài)勢，生態(tài)環(huán)境脆弱［28］。西藏定結(jié)地區(qū)風(fēng)沙地貌廣泛分布，沙丘類型多樣。近年來，團隊以西藏定結(jié)為研究區(qū)開展了大量的研究，在古風(fēng)沙活動研究方面，通過進行粒度、磁化率、碳酸鈣含量、有機質(zhì)含量和色度等分析試驗，根據(jù)試驗結(jié)果綜合對比，重建定結(jié)地區(qū)全新世風(fēng)沙活動過程［7］；在風(fēng)沙地貌格局演變方面，對定結(jié)地區(qū)風(fēng)沙地貌特征及近20 a來風(fēng)沙地貌格局動態(tài)變化進行定量研究［29］；在元素地球化學(xué)特征方面，對不同類型沙丘樣品的主量、微量元素分析，并探討其環(huán)境意義［30-31］；在粒度特征方面，對流動沙丘和爬坡沙丘按不同地貌部位進行采樣，分析其粒度特征，發(fā)現(xiàn)不同地貌部位的粒度特征存在顯著差異［32-33］。針對定結(jié)地區(qū)粒度特征的研究，以往學(xué)者僅對一種沙丘從不同地貌部位分析描述，而本文以多種類型沙丘為研究對象，分析不同類型沙丘的粒度特征，并對不同類型沙丘粒度特征進行綜合性的對比，得出不同類型沙丘粒度特征差異，進一步揭示該地區(qū)的風(fēng)沙沉積特征。本文系統(tǒng)采集了定結(jié)地區(qū)3 種不同類型沙丘表層沉積物（流動沙丘、灌叢沙堆和爬坡沙丘），以及區(qū)域內(nèi)潛在沙源（古風(fēng)成砂、河漫灘和湖灘）的表層沉積物，分析其粒度特征，以期進一步明確青藏高原風(fēng)沙沉積特征，并為區(qū)域沙漠化防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處于青藏高原南部（圖1a），屬于西藏自治區(qū)日喀則地區(qū)，行政區(qū)劃包括薩迦縣、定結(jié)縣和定日縣，呈現(xiàn)出南北高、中部低的地貌特征（圖1c）［34］。該區(qū)域為高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候，春冬季干旱多風(fēng)，夏季溫暖濕潤，日照非常充足，蒸發(fā)劇烈［35］。年平均氣溫約2 ℃，年降水量為240 mm，雨季為7—8月，蒸發(fā)量約為降水量的10倍多，年大風(fēng)天數(shù)多達230 d，擁有充足的風(fēng)力資源，風(fēng)力作用是造成該區(qū)域風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重的重要原因之一［7-8］。定結(jié)地區(qū)現(xiàn)代風(fēng)沙分布范圍廣泛，沙丘地貌十分典型，形態(tài)復(fù)雜多樣，大多分布在河谷地區(qū)以及部分山坡上［6］。

圖1 研究區(qū)概況及采樣位置Fig.1 Overview of the study area and sampling locations

1.2 樣品采集與研究方法

2012、2020年2次前往西藏定結(jié)地區(qū)采集樣品，本文選取定結(jié)地區(qū)23個不同類型的現(xiàn)代沙丘，采集沙丘表層沉積物（圖1A～C）。其中流動沙丘7 個（LDSQ1～LDSQ7）、灌叢沙堆8 個（GCSD1～GCSD8）、爬坡沙丘7 個（PPSQ1～PPSQ7），采集河漫灘表層沉積物1個（HMT）、古風(fēng)成砂沉積剖面1個（GS）、湖灘表層沉積物1 個（HT），共計186 個樣品。流動沙丘與爬坡沙丘從迎風(fēng)坡坡底向坡頂以5 m或10 m等間距采樣（根據(jù)沙丘大?。筹L(fēng)坡取上、中、下3 個樣品；灌叢沙堆分別在迎風(fēng)坡底部、背風(fēng)坡中部與背風(fēng)坡底部采樣，所有樣品均取表層以下5 cm 樣品；河漫灘樣品由河至沙丘方向表層去除2 cm采集；古風(fēng)成砂沉積剖面位于協(xié)林藏布北岸的三級河流階地上，先對剖面表層5 cm 進行去除，再以5 cm 等間距進行采樣；湖灘樣品在濕地和山坡之間間隔10 m采集。

沙丘樣品的粒度前處理和測量工作在西北師范大學(xué)土壤地理學(xué)實驗室完成。實驗采用Mastersizer 3000激光粒度儀進行粒度測試，測試結(jié)果按照《風(fēng)沙地貌學(xué)》［5］中的粒級標(biāo)準(zhǔn)進行劃分，即黏土（<0.004 mm）、粉砂（0.004～0.063 mm）、極細砂（0.063～0.125 mm）、細砂（0.125～0.250 mm）、中砂（0.250～0.500 mm）、粗砂（>0.500 mm）。粒度參數(shù)采用Folk等［36］計算平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度與峰度等粒度參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒級組成特征

定結(jié)地區(qū)沙丘表層沉積物粒徑分布范圍較寬，從粗砂到黏土各個組分均有分布，主要以細砂、中砂和極細砂為主，其余組分相對較少。

流動沙丘表層沉積物主要以細砂（47.45%）和中砂（36.35%）為主，其次為極細砂（10.72%）和粗砂（3.70%），黏土與粉砂含量最低，共僅占總含量的1.78%（圖2a）。灌叢沙堆表層沉積物主要以極細砂（51.00%）、細砂（26.83%）和粉砂（17.64%）為主，其次為中砂（2.48%）和黏土（1.12%），粗砂含量最低（<1%）（圖2b）。爬坡沙丘表層沉積物以細砂（48.95%）和中砂（38.63%）為主，其次為極細砂（8.75%）和粗砂（3.40%），粉砂含量占比較少，不含黏土組分（圖2c）。

圖2 不同類型沉積物粒級組成Fig.2 Grain composition of different types of sediments

不同類型沙丘表層沉積物和潛在沙源沉積物粒級組成存在明顯的差異。由圖2d 可知，流動沙丘、爬坡沙丘和河漫灘表層沉積物以細砂為主，其次為中砂；灌叢沙堆表層沉積物和古風(fēng)成砂以極細砂為主，其次為細砂；湖灘表層沉積物以細砂為主，其次為極細砂，湖灘表層沉積物粒級組成與其余類型差異較大。

2.2 粒度參數(shù)特征

流動沙丘表層沉積物平均粒徑Ф1.97～2.19，平均值為Ф2.19；分選系數(shù)Ф0.60～0.71，平均值為Ф0.67，分選較好；偏度0.02～0.07，平均值為0.04；峰度0.97～1.03，平均值為0.99。灌叢沙堆表層沉積物平均粒徑Ф3.17～3.49，平均值為Ф3.36；分選系數(shù)Ф0.84～1.07，平均值為Ф0.95，分選中等；偏度0.20～0.26，平均值為0.24；峰度1.61～1.85，平均值為1.74。爬坡沙丘表層沉積物平均粒徑Ф1.78～2.74，平均值為Ф2.13；分選系數(shù)Ф0.45～0.75，平均值為Ф0.55，分選較好；偏度-0.01～0.12，平均值為0.03；峰度0.94～1.01，平均值為0.96。

由圖3 可知，不同類型沙丘沉積物的粒度參數(shù)特征差異較為明顯。灌叢沙堆和古風(fēng)成砂的平均粒徑較大，流動沙丘和爬坡沙丘的平均粒徑較?。▓D3a～c）；流動沙丘和爬坡沙丘分選性較好，灌叢沙堆分選性中等，古風(fēng)成砂、河漫灘和湖灘的分選性較差（圖3a）；流動沙丘和爬坡沙丘偏度為近對稱，灌叢沙堆、古風(fēng)成砂和湖灘偏度為正偏，河漫灘偏度為極正偏（圖3b）；流動沙丘和爬坡沙丘峰度集中在中等尖銳，灌叢沙堆和古風(fēng)成砂集中在很尖銳（圖3c）。綜上所述，流動沙丘和爬坡沙丘表層沉積物粒度參數(shù)特征較為相似，灌叢沙堆表層沉積物與古風(fēng)成砂粒度參數(shù)特征較為相似。

圖3 不同類型沉積物粒度參數(shù)散點圖Fig.3 Scatter plot of grain size parameters of different types of sediments

2.3 頻率分布曲線與概率累積曲線

流動沙丘表層沉積物頻率分布曲線均為典型單峰形態(tài)，峰值均位于Ф2 附近，峰態(tài)均為近似正態(tài)峰，曲線較高、較窄，曲線斜率高（圖4a）；灌叢沙堆表層沉積物頻率分布曲線呈現(xiàn)出雙峰分布，主峰呈現(xiàn)出“高窄”形，主峰峰值位于Ф4附近，但在Ф6 附近出現(xiàn)一個微弱次峰（圖4b）；爬坡沙丘表層沉積物頻率分布曲線均為典型單峰分布，其峰態(tài)均為近似正態(tài)峰，峰值位于Ф0～4 之間，曲線呈現(xiàn)出“高窄”形（圖4c）。

圖4 不同類型沙丘頻率分布曲線圖Fig.4 Frequency distribution curves of different types of dunes

綜合分析3種類型沙丘表層沉積物和潛在沙源沉積物的頻率分布曲線，由圖4d 可知，流動沙丘和河漫灘的頻率分布曲線形態(tài)相似，峰值所對應(yīng)的平均粒徑相近；爬坡沙丘、灌叢沙堆和古風(fēng)成砂的頻率分布曲線形態(tài)相似，峰值所對應(yīng)的平均粒徑相近；湖灘的頻率分布曲線與其他類型相比較為寬矮，峰值所對應(yīng)的平均粒徑較大。

流動沙丘表層沉積物概率累積曲線形態(tài)相似且均呈現(xiàn)為三段式（圖5a），分別指示為躍移、蠕移和懸移3種不同的組分，以躍移為主（占95%以上），蠕移與躍移截點位于Ф1左右，懸移與躍移截點位于Ф4 左右。灌叢沙堆表層沉積物概率累積曲線以三段式為主（圖5b），指示為躍移、蠕移和懸移，以躍移為主，蠕移與躍移截點位于Ф1 左右，懸移與躍移截點位于Ф4左右，僅有GCSD8為二段式，指示為懸移和躍移，以躍移為主，懸移與躍移截點位于Ф5 左右。爬坡沙丘表層沉積物的概率累積曲線最為復(fù)雜，PPSQ1、PPSQ2、PPSQ4 表層沉積物概率累積曲線為一段式，指示為躍移，PPSQ5～PPSQ7 表層沉積物概率累積曲線為二段式，PPSQ5 和PPSQ6 指示為懸移和躍移，PPSQ7指示為蠕移和躍移，PPSQ3表層沉積物的概率累積曲線為三段式，分別指示為蠕移、躍移和懸移，蠕移與躍移截點位于Ф1左右，懸移與躍移截點位于Ф3 左右，爬坡沙丘均以躍移為主（圖5c）。

圖5 不同類型沙丘概率累積曲線圖Fig.5 Probability accumulation curves of different types of dunes

綜合分析3種類型沙丘表層沉積物和潛在沙源沉積物的概率累積曲線，由圖5d 可知，湖灘表層沉積物概率累積曲線與其他類型差異較大，其他類型均以躍移為主，流動沙丘和爬坡沙丘曲線形態(tài)相似，躍移占比相近，灌叢沙堆、古風(fēng)成砂和河漫灘曲線形態(tài)相似，躍移占比相近。

3 討論

3.1 不同類型沙丘表層沉積物粒度特征反映的沉積環(huán)境

本文采用Sahu 經(jīng)驗判別模型［37］來對不同類型沙丘表層沉積物進行沉積環(huán)境判別。將4個粒度參數(shù)分別代入Sahu經(jīng)驗判別模型［37］中進行計算，對其沉積環(huán)境進行分析，具體如下：

式中：Y1、Y2、Y3、Y4分別為風(fēng)成與海灘判別、海灘與淺海判別、淺海與河流判別、河流與濁流判別；Mz為平均粒徑；σ1為分選系數(shù)；Sk1為偏度；KG為峰度。

Y1<-2.7411，則判定為風(fēng)成沉積，Y1>-2.7411，則判定為海灘沉積；Y2<65.3650，則判定為海灘沉積，Y2>65.3650，則判定為淺海沉積；Y3<-7.4190，則判定為河流沉積，Y3>-7.4190，則判定為淺海沉積；Y4<9.8433，則判定為濁流沉積，Y4>9.8433，則判定為河流沉積。沉積環(huán)境判定結(jié)果表明：LDSQ1 和PPSQ6為淺海沉積、GCSD8 為河流沉積，其余沙丘均屬于風(fēng)成沉積。總體來看，定結(jié)地區(qū)沙丘表層沉積物沉積環(huán)境主要以風(fēng)成沉積為主。

根據(jù)表1 可知，定結(jié)地區(qū)沙丘表層沉積物主要以風(fēng)成沉積物為主，靠近河流的LDSQ1、PPSQ6 和GCSD8沉積環(huán)境較為復(fù)雜，這可能受水動力和風(fēng)動力交互作用的影響，風(fēng)動力作用小，水動力作用顯著。LDSQ1 和PPSQ6 通過Sahu 經(jīng)驗判別模型［37］得出結(jié)果為淺海沉積，但根據(jù)以往學(xué)者研究認為定結(jié)地區(qū)第四紀(jì)以來不具備海相沉積條件，而是區(qū)域內(nèi)湖泊發(fā)育廣泛，存在大型堰塞湖［38-39］，因此采用蘭迪姆判別公式（冰磧物與沖積扇）［40］和李昌志判別模型［41］對LDSQ1 和PPSQ6 予以判別，判定LDSQ1 與PPSQ6為河流沉積。

表1 沉積環(huán)境判別結(jié)果Tab.1 Discriminant result of sedimentary environment

3.2 不同類型沙丘表層沉積物粒度特征差異的成因分析

沙源是導(dǎo)致沙丘粒度特征差異的影響因素，流動沙丘、爬坡沙丘和河漫灘表層沉積物的粒度特征較為相似，灌叢沙堆表層沉積物和古風(fēng)成砂的粒度特征較為相似，湖灘表層沉積物粒度特征與其余類型差異較大。結(jié)合團隊以往研究結(jié)果，對不同類型沙丘表層沉積物地球化學(xué)特征分析，選擇比值穩(wěn)定和含量穩(wěn)定的元素，通過示蹤元素和元素比值的主成分分析和多維尺度分析，推測出流動沙丘和爬坡沙丘物質(zhì)來源為附近的河漫灘沉積物，灌叢沙堆物質(zhì)來源主要是古風(fēng)成砂，附近河漫灘沉積物也為其提供沙源［30-31］。本文通過不同類型沙丘沉積物粒度特征對比所反映出的物源結(jié)果與地球化學(xué)特征分析出的結(jié)果相符，佐證粒度特征所反映結(jié)果的有效性。本研究與雅魯藏布江山南寬谷段爬坡沙丘、雅魯藏布江米林寬谷爬坡沙丘以及美國加利福尼亞莫哈韋沙漠中爬坡沙丘所分析出的物質(zhì)來源較為相似，均以河漫灘沉積物所提供，沉積物在受風(fēng)力作用下不斷前移堆積擴展，但粒度特征之間存在顯著差異，與區(qū)域風(fēng)力環(huán)境、沙丘與物源區(qū)的距離等因素有關(guān)［33,42-43］。

植被覆蓋度影響沙丘表層沉積物粒度特征的重要因素之一，也是分析不同類型沙丘粒度特征差異的關(guān)鍵指標(biāo)，植被覆蓋度高，地表風(fēng)沙活動不明顯，植被覆蓋度低，則地表風(fēng)沙活動強烈。定結(jié)地區(qū)植被覆蓋度介于0.10～0.25之間，且流動沙丘介于0.10～0.14 之間，灌叢沙堆介于0.20～0.25 之間、爬坡沙丘介于0.11～0.20 之間（圖6），流動沙丘和爬坡沙丘地表植被覆蓋狀況接近，灌叢沙堆地表植被覆蓋狀況最好。植被覆蓋度對灌叢沙堆表層沉積物粒度特征的影響較大，由于其植被覆蓋度較高，細顆粒物沉降，導(dǎo)致粒徑明顯細于流動沙丘和爬坡沙丘，呈現(xiàn)出灌叢沙堆表層沉積物整體粒徑較細，以極細砂為優(yōu)勢粒級。

圖6 不同類型沙丘表層沉積物植被覆蓋度Fig.6 FVC of surface sediments of different types of dunes

定結(jié)地區(qū)冬季寒冷干燥，風(fēng)力強勁，風(fēng)向主要以SSW為主（圖1b），且風(fēng)向與河谷走向幾乎處于平行狀態(tài)，該狀態(tài)致使風(fēng)力更加強勁［44］，因此沙丘表層沉積物粒度特征受風(fēng)動力影響較明顯。流動沙丘和爬坡沙丘沿風(fēng)向平均粒徑逐漸變粗，分選能力逐漸增強，由于山坡頂部風(fēng)的剪切力弱，當(dāng)砂粒被風(fēng)搬運至坡頂時，較粗砂粒在受重力作用影響下在山坡頂部沉積，而較細砂粒在風(fēng)力作用下翻過頂部，在背風(fēng)坡沉積，從而山坡頂部平均粒徑較粗，兩側(cè)平均粒徑較細；灌叢沙堆沿著風(fēng)向平均粒徑大體上呈現(xiàn)逐漸變細的變化趨勢，分選性變好，坡底靠近河流，河流提供了許多沙物質(zhì)，分選性較差，且又受到植被的影響，較粗顆粒難以搬運，因此隨著高度的增加，平均粒徑逐漸變細。風(fēng)況導(dǎo)致3 種不同類型沙丘呈現(xiàn)出差異，流動沙丘和爬坡沙丘差異較小，灌叢沙丘差異較大，靠近河流風(fēng)況影響較小，遠離河流風(fēng)況影響較大，且海拔越高風(fēng)速越大，沙丘表層沉積物粒度特征受風(fēng)況影響越明顯。毛東雷等［45］認為這是由于不同類型沙丘形成的風(fēng)動力條件不同，在風(fēng)動力條件下對砂物質(zhì)搬運產(chǎn)生影響，在地形、植被等綜合作用下，導(dǎo)致區(qū)域不同類型沙丘在粒度特征上存在差異。

4 結(jié)論

（1）流動沙丘表層沉積物主要以細砂和中砂為主，其次為極細砂和粗砂，分選性較好，近對稱，中等尖銳，頻率分布曲線為典型單峰態(tài)，概率累積曲線為三段式分布，躍移組分為主；灌叢沙堆表層沉積物主要以極細砂、細砂和粉砂為主，其次為中砂和黏土，分選性中等，正偏，很尖銳，頻率分布曲線呈雙峰態(tài)分布，概率累積曲線為二、三段式分布，躍移組分為主；爬坡沙丘表層沉積物主要以細砂和中砂為主，其次為極細砂和粗砂，分選較好，近對稱，中等尖銳，頻率分布曲線為典型單峰態(tài)，概率累積曲線為一、二、三段式均有分布，躍移組分為主。

（2）根據(jù)研究區(qū)各粒度參數(shù)，結(jié)合Sahu 經(jīng)驗判別模型、蘭迪姆判別公式、李昌志判別模型計算得出，LDSQ1、GCSD8 和PPSQ6 為河流沉積，其余沙丘均為風(fēng)成沉積。

（3）不同類型沙丘表層沉積物粒度特征差異主要受沙源、植被覆蓋度和風(fēng)況的影響。根據(jù)粒度特征結(jié)合已有研究，流動沙丘、爬坡沙丘的物源可能為河漫灘沉積，灌叢沙堆物源為古風(fēng)成砂和河漫灘沉積；流動沙丘和爬坡沙丘植被覆蓋度低，植被對其粒度特征影響較小，灌叢沙堆植被覆蓋度較高，細顆粒物沉降，導(dǎo)致細顆粒組分增加；在水平方向上，隨著主導(dǎo)風(fēng)向上，沙丘分選性逐漸變好，在垂直方向上，隨海拔升高，流動沙丘和爬坡沙丘粒徑變粗，灌叢沙堆粒徑變細，分選性均為變好。