不同发育阶段新月形沙丘表面粒度特征

2019-03-17俞祥祥李生宇马学喜贾文茹

沙漠与绿洲气象 2019年6期

俞祥祥，李生宇，马学喜，贾文茹

（1.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆乌鲁木齐830011；2.中国科学院大学，北京100049）

沙丘是当上风方向的输入沙速率超过下风方向的遣出速率时出现的沙的堆积过程并发育而成的[1]。大量研究[2-4]表明，其形成发育过程受沙源、风况、地形等因素的影响。地形、气流和沙粒三者之间的相互作用导致了沙丘的粒度组成具有明显的地域差异，而沙丘形态对气流的改造作用则导致了沙丘表面不同部位的粒度组成出现不同程度的差异。粒度组成不仅反映了风对沙源物质的搬运、堆积和分选情况，而且还体现了地形对风沙流移动过程的影响，同时还是沙丘形成过程中风力强度的重要体现。因此，对沙丘表面粒度进行分析是研究风沙地貌过程的重要手段之一。通过对粒度的分析可以判定沙物质来源和运移方式，有助于分析沙丘形成演变过程中的环境条件[5]。

新月形沙丘作为最简单也最典型的风积地貌，广泛分布于世界各大沙漠，其出现率为21%~84%，平均为41.6%，是最常见的沙丘类型之一[6-9]，其一般形成于供沙量不足和几乎为单向输沙风的无植被区域[10-14]。国内外大量学者对新月形沙丘的形态与移动特征、形成条件与发育环境、流场与蚀积特征、粒度与构造特征以及分布与相互作用等方面进行了大量研究[12-16]。这些研究结果对于全面了解新月形沙丘具有重要意义，但这些研究往往是针对单个或不同地区同一发育阶段的新月形沙丘而言的，研究其不同发育阶段之间粒度组成变化规律的文章却很少。

本文通过对塔克拉玛干沙漠腹地垄间平地不同发育阶段新月形沙丘表面粒度的研究，旨在验证前人研究成果的基础上，揭示新月形沙丘发育过程中表面粒度的变化特征并初步探讨其机理。研究结果对新月形沙丘形成及发育研究具有重要理论意义。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

塔克拉玛干沙漠位于塔里木盆地中心，整个沙漠东西长约1000 km，南北宽约400 km，沙漠的北、南分别被天山、昆仑山包围，西部为帕米尔高原，东部与罗布泊洼地相邻，是我国最大的沙漠，也是世界第二大流动沙漠，面积33.76×104km2，占中国沙漠总面积的47%，其中流动沙丘占85%[17]。该地区属于典型的内陆暖温带荒漠气候，夏季炎热，干旱少雨，光热充足，日照时间长，昼夜温差大，水资源时空分布不均[18]。

根据塔中气象站观测资料，该区年平均气温12.1 ℃，气温年较差平均在33.0~39.0 ℃，极端最高气温可达40.0~46.0 ℃，极端最低气温达-20.0~-25.0 ℃；年平均降水量在25.9 mm 左右，且90%以上集中在春夏两季；区内蒸发量强烈，年平均可达3 812.3 mm；年平均风速为1.5~3.0m/s，平均为2.5 m/s，风向以E、ENE、NE 为主；大风日数年平均为10.5 d；该区还是塔里木盆地沙尘暴的高发中心，年沙尘暴日数可达68~88 d[19-22]。

塔克拉玛干沙漠这些独特的条件使其流沙面积广大，沙丘类型复杂多样，成为研究沙漠学科许多问题的理想场所[23]。试验地位于塔克拉玛干沙漠腹地塔中“K9 公里”试验场（距塔中作业区约3 km）内，其地理位置为83°40′E，39°00′N，海拔高度约为1099 m。垄间区域地势平坦，宽1~3 km，沙物质机械组成以细砂和极细砂为主[24]。高大纵向复合沙垄和宽广的垄间地相间分布构成了主要的风沙地貌格局，在垄间地广泛发育了各种类型的新月形沙丘，它们的形态发育过程也极为特殊，存在成形、保持、发育、退化和消失等全部发育阶段，而且变化很快，是研究新月形沙丘不同发育阶段的良好实验场地[14，18]。

1.2 样品采集与分析方法

Bagnold[1]1941 年提出的新月形沙丘发育模式至今仍被大多数风沙地貌学家视为经典并不断被后来的研究者所验证和完善，其研究结果表明新月形沙丘是风沙流经过障碍物（如草丛、灌丛、砾石等）堆积后，在单一风向作用下，经历了从沙斑、饼状沙堆、盾形沙堆、雏形新月形沙丘、新月形沙丘的发育过程而形成的。因此，本文在试验地顺当地主风向ENE（图1 中箭头所示方向），随机选择饼状沙丘（Pie Dune，简称PD，如图1a，等高距为0.01 m）、盾状沙丘（Shield Dune，简称SD，如图1b，等高距为0.02 m）、雏形新月形沙丘（Prototype Crescent Dune，简称PCD，如图1c，等高距为0.05 m）、典型新月形沙丘（Typical Crescent Dune，简称TCD，如图1d，等高距为0.05 m）4 个不同发育阶段的新月形沙丘作为研究对象。由于新月形沙丘4 个发育阶段沙丘高度差异较大，同时，为保证每个沙丘样品数足够，本文采用均匀矩阵式（1 m×1 m）插钎（关键地形点如脊线、砂丘最高点等也确保有插钎），每个插钎位置即为采样点，并用RTK 基站仪测量每个沙丘和插扦点的地形。采样深度控制在沙面0~1 cm 范围内，采样面积约为20 cm×20 cm，每个样品重量100~200 g，采样时间为2013 年8 月下旬。共采集了271 个样品，其中PD27 个、SD55 个、PCD101 个、TCD87 个。粒度分析在中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠环境与生态修复实验室完成，采用BT-2001 型激光粒度分布仪（湿法）测量样品粒度。粒度分析结果以体积百分含量表示，根据温德华粒级标准划分方法统计了不同沙丘类型、不同地貌部位的沙粒级配[25]。根据Folk-Ward 图解法[26]计算粒度参数（平均粒径MZ、分选系数σI、峰度KG、偏度SkI）。

图1 新月形沙丘4 个发育阶段沙丘形态及采样位置分布

表1 新月形沙丘4 个发育阶段不同地貌部位的沙粒级配

2 结果与分析

2.1 沙粒级配特征

2.1.1 粒级体积百分含量

就总体而言，塔克拉玛干沙漠腹地垄间平地新月形沙丘4 个发育阶段的沙丘沙主要由细砂和极细砂组成，总含量平均可达91.47%，其次为中砂（6.15%），粉砂（2.00%），粗砂含量较少（0.38%），基本不含极粗砂或更粗组分，不含粘土。就单个沙丘而言，虽然各沙丘沙均以细砂和极细砂为主但从PD到SD 其平均含量由85.93%增加至92.91%；从SD到TCD 则逐渐减少至91.62%。与之相对应的中砂和粗砂含量由11.88%减至5.21%再增加至6.49%。细砂及极细砂总含量最大值为97.64%，出现在TCD背风坡脚处；最小值为47.10%，出现在PD 临近沙丘最高点背风处。沙粒各级级配中离散程度最大的是细砂及极细砂，标准偏差为7.66，其次为中砂5.99，粗砂2.18，粉砂0.55 最小。在各沙丘中也基本符合这种离散程度排序。

各沙丘内部不同地貌部位（选自沙丘最高点所在纵断面上5 个代表部位样本点）的粒级体积百分含量存在明显变化规律。由表1 可知，PD 在迎风坡脚处细砂及极细砂含量为94.69%，丘顶处这一含量减少至88.46%而背风坡脚处又增加至92.96%，由此可知PD 自迎风坡脚至背风坡脚的沙粒组成中细砂及极细砂所占含量之和呈现先减小后增大的趋势，且在丘顶处最小，反之，粗砂和中砂含量先增大后减小。此外，其余沙丘的沙粒组成也遵循此规律。不同的是各沙丘内部在不同地貌部位细砂及极细砂含量的变化率不同，最大者为TCD（27.52%），其次为SD（14.55%）和PCD（12.85%），PD（7.04%）最小。而比较不同沙丘在相同地貌部位的机械组成发现，PD 在丘顶处小于0.25 mm（＞2Φ）的沙粒占90.41%，SD、PCD 中这一含量相对减少（86.84%、86.70%），到TCD 时减少至78.29%。因此，随着沙丘的发育丘顶部位的沙粒组成中大于2Φ 的沙粒所占含量之和依次减少。但背风坡中部和背风坡脚的规律却与此相反呈依次增加之势，而迎风坡中部和迎风坡脚的增减性却不明显。

4 个沙丘都受相同沙源和风况的影响，但沙丘形态的变化对近地表气流的改造使得沙丘表面粒级级配产生明显差异，且对含量最多的细砂及极细砂作用最明显。这种差异不仅在沙丘内而且在不同发育阶段之间均具有一定的规律性。

2.1.2 频率曲线特征

从频率曲线（图2）来看，4 个阶段沙丘峰值粒径介于3.077~3.146Φ，其中PCD 最大（3.146Φ），其次为TCD （3.102Φ），SD （3.077Φ）最小但与PD（3.080Φ）较为接近，均属于极细砂。峰值粒径所在频率（15.37%~25.90%）则存在明显差异，最大者为PCD（25.90%）、其次为SD（25.67%）、TCD（20.27%）、PD（15.37%）最小。4 个沙丘表面所有样本的沙粒都表现为单峰，只有TCD 中极少数处于沙丘迎风坡底部位置的沙样出现了双峰。

图2 新月形沙丘4 个发育阶段的粒度频率曲线特征

2.2 粒度参数特征

2.2.1 不同发育阶段沙丘的粒度参数

不同发育阶段沙丘的粒度参数如图3 所示。参与统计的271 个沙丘沙的平均粒径之平均值为3.032Φ（0.122 mm），属于极细砂。与吉启慧[27]的研究结果（0.121 mm）相近。所有样本的平均粒径介于2.162~3.352Φ（0.098~0.224 mm），涵盖了细砂至极细砂的范围，与沙粒级配特征一致，其中25.83%属于细砂，74.17%属于极细砂。由于4 个沙丘的平均粒径分布基本不符合正态分布且方差不齐所以用Kruskal-Wallis H 非参数检验得Sig=0.051（接近于0.05），由此可知各沙丘平均粒径之间的差异具有统计学意义，趋向于显著。依Φ 值排序为PCD（3.067Φ）>SD （3.055Φ）>TCD （3.043Φ）>PD（2.962Φ）。各沙丘平均粒径的极差也存在明显差异，最大为TCD（1.110Φ），其次为PD（1.035Φ）和PCD（0.825Φ），SD（0.487Φ）最小。

所有样本的分选系数介于0.457Φ~1.120Φ，涵盖了分选好至较差的4 个等级。但各沙丘的分选系数平均值介于0.526Φ~0.618Φ，说明各沙丘分选性总体上较好。其中PD 分选较好的占85.19%，其次为中等11.11%和较差3.70%，不含分选好的。SD 中只有分选较好和好两个等级，分别为80%和20%。PCD 中较好的占85.15%，其次为好（10.89%），中等（3.96%），不含分选较差。TCD 中4 个等级都有分布，分别为较好（65.91%），好（30.68%），较差（2.27%），中等（1.14%）。

从所有样本的峰度（0.788Φ~1.144Φ）和偏度（-0.143Φ~0.058Φ）范围来看，峰度涵盖了宽—窄3个等级，偏度涵盖了负偏和近对称两个等级。但从单个沙丘的峰度和偏度平均值来看，4 个沙丘都属于近对称中等峰态。经过对所有样本的统计发现，只有极个别的样本不属于近对称中等峰态，仅占总样本的2.58%。所以，新月形沙丘不同发育阶段对沙丘的峰度和偏度影响不大，都属于近对称中等峰态。

图3 新月形沙丘4 个发育阶段表面沙粒的粒度参数

2.2.2 典型剖面的粒度参数

不同发育阶段沙丘不同地貌部位（取自沙丘最高点所在中轴线上的所有测点）的粒度参数如图4所示，从图中可以看出自迎风坡底至沙丘顶部，沙粒平均粒径变粗，PD 在临近沙丘最高点的背风坡处沙粒最粗（2.162Φ），SD、PCD 在临近沙丘最高点的迎风坡处沙粒最粗，分别为2.914Φ 和2.404Φ，TCD 在沙丘最高点的沙粒最粗（2.749Φ）；自沙丘顶部至背风坡底，沙粒逐渐变细。这与McArthur[28]和赵景峰[29]的研究结果一致，但Lancaster 等[30]却发现迎风坡的沙子比丘顶的粒度要粗，造成这种差异的原因可能是沙源供给、沙源沉积物的粒度组成、风沙流的相对挟沙力等环境背景不同造成的。分选系数的变化规律与沙粒平均粒径一致，沙丘最高点或者临近最高点的分选系数最差，除SD 在临近沙丘最高点背风处分选最差与沙粒最粗点不符外，其他沙丘分选系数最差点出现位置与沙粒最粗点一致，向两侧逐渐变好。峰度与偏度的变化则不明显，即使有上下的波动，但也基本属于近对称中等峰态。各沙丘不同地貌部位的平均粒径差异很大，变差系数依次为PD（0.119）、PCD（0.074）、TCD（0.050）、SD（0.035）。分选系数的变差系数排序为PCD（0.284）、PD（0.250）、TCD（0.111）、SD（0.060）。

图4 典型剖面的粒度参数

为便于比较各发育阶段之间粒度参数的变化，将沙丘地貌部位分为迎风坡和背风坡，各地貌部位的粒度参数取其各点的平均值。结果发现，PD 在迎风坡的平均粒径和分选系数分别为3.049Φ 和0.576Φ，SD 为3.067Φ 和0.509Φ，PCD 为3.039Φ 和0.566Φ，TCD 为3.045Φ 和0.528Φ。因此，在迎风坡各沙丘之间平均粒径和分选系数较为相近。而在背风坡则有明显的差异和变化规律：随着新月形沙丘的发育其平均粒径逐渐变细（PD2.993Φ →SD3.046Φ→PCD3.098Φ→TCD3.155Φ），分选性逐渐变好（PD0.598Φ →SD0.541Φ →PCD0.519Φ →TCD 0.481Φ）。

3 讨论

3.1 沙丘粒度组成的区域性差异

塔克拉玛干沙漠腹地垄间平地（塔中地区）沙丘表面粒度组成与塔克拉玛干沙漠其他区域沙丘粒度组成存在一定差异，塔克拉玛干沙漠腹地沙丘沙以细砂及极细砂为主，含量占47.10%~97.64%，其中细砂含量占26.90%~55.20%，极细砂含量占17.75%~63.45%；塔克拉玛干沙漠北缘沙尘暴源区（肖塘地区）沙丘沙以细砂及极细砂为主，含量分别占46.92%~59.58%和17.51%~41.36%；塔克拉玛干沙漠南缘绿洲边缘沙丘沙以极细砂为主，含量约占70%。在平均粒径方面，塔克拉玛干沙漠腹地沙丘沙平均粒径为2.162~3.352Φ，介于塔克拉玛干砂漠北缘沙尘暴源区（肖塘地区）沙丘沙（2.43~2.98Φ）和塔克拉玛干沙漠南缘绿洲边缘沙丘沙（3.06~4.12Φ）之间。

大量研究[2-4]表明，沙丘粒度组成的区域性差异主要与沙源状况、风况、地形等因素有关，同时还受沙丘历时、植被、湿度等众多因素的影响。内陆沙丘的表层沉积物一般来自冲积扇、冰水沉积物、河流沉积物、湖相沉积物和干盐湖沉积物[31]。本研究中新月形沙丘四个发育阶段表层沉积物粒级级配（均主要由细砂及极细砂组成）和粒度参数的相似性（平均粒径sig=0.051、分选性均整体较好，均属于近对称中等峰态且为单峰型）可初步确定其都受相同沙源和风况的影响，即都为风成环境下多来源的河流沉积物经过风力的再分选形成的[32]。

3.2 沙丘表面粒度的变化特征

新月形沙丘不同发育阶段表面不同部位的粒度分布差异是由于沙丘形态对近地表气流的改造作用而形成的。沙丘通过改变其形态特征以适应当时气流环境，最终形成适应自身的地表气流环境并对沙粒进行再分选，由此决定了沙丘表面沉积物的粒度分布。因此，沙丘表面粒度的变化主要受沙丘形态、近地表气流状况等因素的影响。

单个沙丘内，由于迎风坡的隆起改变了地表微地形加剧了地形的起伏，引起气流辐合加速，较细砂粒更易被吹起，使新月形沙丘各发育阶段沿迎风坡至沙丘顶部细砂及极细砂含量逐渐减少、沙粒逐渐变粗，分选性逐渐变差。由于风沙流中最粗沙在丘顶剪切风速骤减带发生沉积，造成各沙丘丘顶或近丘顶部位细砂及极细砂含量最低、沙粒最粗、分选性最差。沙丘顶部至背风坡底部，由于受到分离气流和涡流的影响，风速下降，较细沙粒越过沙脊线以飘落的形式堆积下来，使细砂及极细砂含量逐渐增加、沙粒逐渐变细、分选性逐渐变好。

各发育阶段之间，迎风坡的粒度分布并不随着沙丘的发育有较大的差异，平均粒径在3.039Φ~3.067Φ，分选系数在0.509Φ~0.576Φ，这可能是由于迎风坡皆为气流辐合加速区，而气流加速效果与迎风坡的隆起高度以及长度有关，即与迎风坡的坡度有关。因此，由于各发育阶段沙丘迎风坡坡度差别不大，分别为PD2.0°、SD3.9°、PCD1.8°、TCD6.2°，使气流加速对沙粒的再分选作用造成的粒度分布变化差异不大。随着沙丘的发育背风坡逐渐形成明显的气流分离和涡流，分离气流和涡流作用逐渐加强造成风速逐渐降低，使得背风坡随着新月形沙丘的发育2Φ 以上沙粒含量逐渐增加，平均粒径逐渐变小，分选性逐渐变好。另外，峰度和偏度并不随着新月形沙丘的发育而改变，271 个测点基本都属于近对称中等峰态且基本为单峰。

3.3 粒度参数间的关系

图5 是不同沙丘类型不同地貌部位的粒度参数关系散点图。4 种沙丘平均粒径与分选系数都呈负相关，相关系数依次为PD（0.94）、TCD（0.77）、PCD（0.73）、SD（0.35），分选性随平均粒径（Φ 值）的增大而变好。分选程度变化速率依次为PCD（-0.57）、TCD（-0.55）、PD（-0.48）、SD（-0.18）。PD 的峰度与平均粒径呈正相关，相关系数0.60，TCD 峰度与平均粒径呈弱正相关，相关系数0.24，但峰度变化速率都很小，不到0.1。而SD 与PCD 的峰度与平均粒径之间不存在明显的相关关系。PCD 与TCD 的偏度与平均粒径都呈弱正相关，相关系数分布为0.43 和0.33，但偏度变化率相差很大，分别为0.14 和0.08，而PD 和SD 的偏度与平均粒径的相关性并不明显。

4 结论

塔克拉玛干沙漠腹地垄间平地新月形沙丘4 个发育阶段沙丘沙的优势粒径是细砂及极细砂，含量可达47.10%~97.64%。单个沙丘不同地貌部位的粒度组成差异明显。细砂及极细砂含量由迎风坡脚至背风坡脚呈现先减小后增大的趋势，且在丘顶处最小，反之，粗砂和中砂含量先增大后减小。

实验样品的平均粒径为3.032Φ，范围为2.162~3.352Φ，均属于细砂及极细砂。分选系数较好及以上占96.31%。单个沙丘的平均粒径在沙丘最高点或者临近最高点最粗，向两侧逐渐变细。分选系数则由差向两侧逐渐变好。

97.42 %的样本为近对称中等峰态说明新月形沙丘不同发育阶段对沙丘的峰度和偏度影响不大。

随着沙丘的发育，背风坡2Φ 以上沙粒含量逐渐增加，平均粒径逐渐变小，分选性逐渐变好。但迎风坡的粒度分布并不随着沙丘的发育有较大的差异。这可能是由于不同发育阶段迎风坡虽有地形起伏变化差异，但总体上呈现隆起趋势，不同于背风坡在雏形新月形沙丘时期出现明显的气流分离和涡流现象使得背风坡粒度分布变化更有规律有关，这方面还需进行进一步的研究论证。