中国北部地区沙漠鸣沙对比研究

韩 菲,田明中*,刘斯文,武法东,王璐琳

1)中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083;2)中国地质科学院国家地质实验测试中心,北京 100037



中国北部地区沙漠鸣沙对比研究

韩 菲1),田明中1)*,刘斯文2),武法东1),王璐琳1)

1)中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083;
2)中国地质科学院国家地质实验测试中心,北京 100037

摘 要:鸣沙发声机制是一个长期悬而未决的问题。中国北部地质公园内的沙漠鸣沙地质遗迹沿北方沙漠弧形带分布,但较少被报道和研究。本文选取位于内蒙古、甘肃和新疆的沙漠鸣沙及哑沙,对其地貌特征﹑粒度组分和矿物成分进行了对比研究。结果表明鸣沙一般发育在新月型沙丘链或新月型沙丘上,紧邻湖泊或泉水,背风坡和迎风坡上都会发育鸣沙,但主要集中在背风坡,研究结果与马玉明提出的“共鸣箱”理论中的“响沙都发育在背风坡”不符;哑沙粒度明显较鸣沙粗,哑沙的平均粒径分布峰值集中在0.5φ～1φ,鸣沙粒径频率分布峰值集中在2φ～3φ;主要差别在于细砂和粗砂的组分,所有鸣沙中的细砂含量所占比例均高于52.012%,哑沙中的细砂含量低于0.881%;响沙中粗砂的含量均小于1.221%,哑沙中粗砂的含量大于48.091%。鸣沙和哑沙主要矿物成分都以石英和长石为主;鸣沙中含有高岭石,钠长石,微斜长石及方解石等,而哑沙中几乎未含这些次要矿物。本文结果表明,地貌特征和物质组成是区别鸣沙和哑沙的重要特征,对于研究鸣沙的成因具有参考价值。

关键词:鸣沙;地貌特征;粒度组分;矿物成分;对比分析;共鸣箱理论

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本文由甘肃省国土资源厅敦煌雅丹地貌物质组成基金项目(编号:53200859491)资助。

鸣沙是指在风力作用下的沙粒堆积在高大沙山的顶部并崩塌时发出的轰鸣声,其主频集中在50～200 Hz(Lewis,1936;Bagnold,1954;Humphries,1966;Criswell et al.,1975;Lindsay et al.,1976;Haff,1986;Nori et al.,1997;Sholtz et al.,1997)。鸣沙现象记录并反映了沙漠形成和演化过程中的环境细节,是一种重要的地质遗迹,也是一种旅游资源(原佩佩等,2006)。地质遗迹是最重要的自然遗产,是追溯地球演化历史,了解自然环境现状,预测天人和谐愿景的对象,地质遗产的保护是不可忽视的要务,地质公园建立则是达成这一人类共同责任的最佳选择(赵逊和赵汀,2009)。地质公园是地质遗产与风景景观的完美结合,因此它在推动地质现象在公众的认知度方面起了十分重要的作用。它不仅推动了全球地质遗迹保护的进程,而且加大了环境保护和地方经济发展双手齐抓的力度(吴胜明,2003;赵逊和赵汀,2009)。鸣沙作为一种神奇的自然现象和重要的地质遗迹,自19世纪末期开始对其进行科学研究以来,已经经历了大约150多年的研究历史,然而,到目前为止尚无一个系统而完整的模型对其进行科学解释。对鸣沙进行对比是发现不同地区鸣沙的差异,寻找鸣沙鸣响原因的一种重要途径和方法。中国的鸣沙地质遗迹也主要沿北方弧形沙漠带分布,从东部的沙地到西部的沙漠都有鸣沙分布,如内蒙古翁牛特自治区级地质公园内的勃隆克沙湖鸣沙,鄂尔多斯国家地质公园内的库布齐沙漠银肯响沙湾,甘肃敦煌雅丹国家地质公园内的鸣沙山等,但被报道和研究的较少。而不同区域内鸣沙及鸣沙和哑沙的对比研究也很少。Igarashi和Shikazono(2003)对鸣沙利用X光荧光光谱和X光衍射的方法对从日本本州岛的乌取海滩采集的海滩鸣沙和哑沙进行了元素和矿物分析,Humphries(1966)曾对撒哈拉的Korizo鸣沙和夏威夷的考艾岛(Gower)响沙的分选性、圆度和球度等基本沉积学特征进行了对比。

地貌特征、粒度特征和矿物学特征是研究关注的主要问题。风沙沉积物是风力塑造风沙地貌的物质基础,其粒度特征是研究沙丘地貌的主要指标之一。由于沙源沉积物结构及风况等环境的不同,各地沙丘在沉积物组成上具有明显的差别(吴正,2003)。沙丘形态对气流的改造作用使风力分选作用在不同形态和各部位之间出现不同程度的差异,而且这些差异最大程度地表现在沙丘粒度组成上(哈斯和王贵勇,2001)。因此,沙丘的沉积物组成、粒度成分和沙漠地貌的研究在沙漠形成与研究中得到了广泛的重视。王文彪和马俊杰(2011)曾对鄂尔多斯国家地质公园的库布齐沙漠的银肯响沙进行过砂粒粒径分析,认为银肯响沙所处区域已满足马玉明提出的“共鸣箱”理论。孙显科等(2006)提出了敦煌鸣沙山成因的猜想,并证明了风成沙地地形1/10定律。姚洪林等(2000)论证了库布齐沙漠银肯响沙湾砂粒特征与风选程度关系。张克存等(2012)对敦煌鸣沙山月牙泉景区风沙环境进行过分析。本文旨在通过对中国北部地区鸣沙和哑沙的对比,发现不同地区鸣沙和哑沙在地貌特征和物质组成上的差异,这种对鸣沙和哑沙的比较分析在前人的研究中很少发现。本文通过对内蒙古翁牛特自治区级地质公园的勃隆克沙湖响沙,鄂尔多斯国家地质公园的库布齐沙漠银肯响沙,甘肃敦煌雅丹国家地质公园的鸣沙山鸣沙三处鸣沙及哑沙的地貌特征、粒度和矿物成分角度的对比研究,分析鸣沙和哑沙在地貌特征和物质组成上的区别,为研究鸣沙发声机制,沙漠地质遗迹保护和科学普及提供科学依据。

本文选取翁牛特自治区级地质公园内的勃隆克沙漠、内蒙古鄂尔多斯国家地质公园的库布齐沙漠银肯响沙和甘肃敦煌雅丹国家地质公园的鸣沙山的三处响沙沙漠遗迹同甘新库姆塔格沙漠和敦煌鸣沙山外围的哑沙进行对比研究。

翁牛特旗位于内蒙古自治区赤峰市中部。翁牛特全旗年平均气温在0～7℃之间,平均年降水量300～450 mm。2009年12月由内蒙古国土资源厅批准建立内蒙古翁牛特自治区级地质公园(图版I-a)。此处样品采集数量为3个,勃隆克沙漠旅游区内分布有大约20～30个沙湖,采样地勃隆克沙湖中间是一处1.3万亩的淡水湖。三个样品采样区的海拔高度分别为15 m、12 m和30 m。采样地勃隆克玉湖响沙的的沙山脚下为浅湖,水草遍长(图版I-b)。以新月型沙丘﹑沙丘链为主,也有复式新月形沙丘链和盾形沙丘。响沙样品采自迎风坡。

2011年11月国土资源部批准建立了鄂尔多斯国家地质公园。库布齐沙漠位于鄂尔多斯台地北缘,鄂尔多斯年平均气温6℃ ,年降水量311.75 mm,干燥度1.5～4,年平均风速3～4 m/s,大风日数25～35 d。银肯响沙位于库布齐沙漠的东端,地形呈月牙形分布,坡度为45°倾斜(图版I-c)。采样地海拔高度为75 m和65 m,主要地貌特征为连绵起伏的新月型和链状流动沙丘为主,流动沙丘居多,约占80%。固定、半固定的灌丛沙堆仅分布在沙漠边缘。两个响沙样品均采自背风坡(图版I-d),背风坡脚有一条常年性河流经过。

图1　研究区遥感影像图Fig.1 Remote sensing image of the sand sample collection area

2001年12月国土资源部批准建立了甘肃敦煌雅丹国家地质公园。鸣沙山位于甘肃省敦煌市区南侧,由黄沙聚积而成,鸣沙山现缩至150 m2。鸣沙山上,年均降雨量只有39.9 mm,年蒸发量却达2400 mm。样品采集数量为2个,采集海拔高度为800 m和1000 m。采样地沙山上的沙丘形态主要有新月形及金字塔沙丘链等,沙峰之中有新月状的月牙泉,月牙泉被鸣沙山环抱(图版I-e)。响沙样品均采自背风坡(图版I-g)。

甘新库姆塔格沙漠为哑沙沙漠,位于甘肃西部和新疆东南部交界处,西以罗布泊大耳朵为界、东接敦煌鸣沙山。面积约2.2万km2。具有典型的雅丹、风棱石、风蚀坑等风蚀地貌和格状沙丘、新月形沙丘、蜂窝状沙丘等沙丘类型。气候极端干旱,沙漠腹地几乎无植被分布,沙丘流动性大。样品采集数量为1个,海拔高度为17 m。采样地历史上湖水较多,现干涸,仅为大片盐壳,样品采自迎风坡(图版I-f)。

鸣沙山外围地区位于敦煌鸣沙山东北方向的外围,地貌和水文环境同鸣沙山。样品采集数量为1个,海拔高度为1146 m,采自迎风坡(图版I-h)。

1 实验材料与方法

1.1 样品采集

本次实验分别从翁牛特自治区级地质公园内的勃隆克沙湖响沙,鄂尔多斯国家地质公园内的库布齐沙漠银肯响沙,敦煌雅丹国家地质公园内的鸣沙山三处鸣沙山表层2～3 cm的沙样,及甘新库姆塔格沙漠内和敦煌雅丹国家地质公园内的鸣沙山的东北部外围采集的两处哑沙,共7个响沙样品及2个哑沙样品。单个样品的采样重量为500 g。

1.2 粒度组成分析

在实验室将采集到的9个砂样各称取10 g放入50 mL烧杯中,加入45 mLⅢ级超纯水浸泡样品,同时,加入2～3滴10% H2O2,静置24 h,目的在于去除样品中的有机质。待到烧杯内无气泡产生时,用电热板将样品干燥,使反应剩余的H2O2完全挥发。之后,待样品放凉后,再加入水,并加适量10% HCl(1～2 mL),溶解样品中的生物钙,再静置24 h,然后用滴管析出清液。用pH试纸测试样品的pH值,加入纯净水稀释3～4遍,直至pH值呈中性。

试验使用Malvern公司的Mastersizer 2000型激光粒度仪测定。粒度分级采用沃德-温特华斯(Udden-Wentworth)粒度分级(Folk and Ward,1957),粒级采用φ值标度克鲁宾方案,将粒度分级转化。

1.3 矿物成分分析

将前处理好后的9个砂样各取1～2 g,用机器研磨各砂样至300 μm的粒径,委托中国地质大学(北京)科学研究院实验中心运用X射线粉晶衍射仪进行粉晶X射线衍射,物相鉴定和半定量测试。测试出各样品的矿物组成和百分含量。

表1　研究区采样表Table 1 Sampling locations of comparable sand samples of China

2 结果与讨论

通过对比四处地质公园内的沙漠地质遗迹地貌特征和类型,各沙漠地质遗迹中鸣沙和哑沙的粒度组分及矿物成分,可以分析出鸣沙和哑沙在地貌特征﹑粒度组分及矿物成分方面的相似点和区别。

2.1 地貌形态

综合以上三处地质公园内的鸣沙及两处哑沙的地貌特征,可以归纳出以下相似点:

(1)以上三处地质公园内的沙漠地质遗迹类型都包含有新月形沙丘,其中内蒙古翁牛特自治区级地质公园、甘肃敦煌雅丹国家地质公园和内蒙古鄂尔多斯国家地质公园内的沙漠地质遗迹类型都包括新月型沙丘链,说明了此三处地质公园内的鸣沙都发育在沙漠腹地。鸣沙和哑沙采集地的地貌也都包含新月形沙丘,其中的库布齐沙漠银肯响沙发育在新月形沙丘上;

(2)三处鸣沙采集地并都紧邻湖泊或泉水。内蒙古翁牛特的玉龙沙湖鸣沙中有淡水湖发育;内蒙古鄂尔多斯的库布齐沙漠银肯响沙发育在新月形沙丘上,并有泉水从坡地流出;甘肃敦煌雅丹国家地质公园的鸣沙山也是主要以金字塔形沙丘为主,沙峰中有月牙泉;内蒙古阿拉善沙漠世界地质公园的巴丹吉林沙漠内高大沙山发育,沙漠中河流较少,而湖泊众多;而两处哑沙的采集地都位于较干旱的沙漠中;

(3)其中翁牛特自治区级地质公园内的玉龙沙湖鸣沙采自迎风坡,鄂尔多斯国家地质公园内的响沙和敦煌雅丹国家地质公园内的响沙采自背风坡上,其他地方的响沙和哑沙均采自迎风坡上。

图2　粒度频率分布图Fig.2 Particle size frequency distribution diagram

图3　粒度累积频率曲线图Fig.3 Cumulative frequency curve of particle sizes

2.2 粒度分析

所采集样品的粒度分布均为单峰,正态分布,哑沙粒度明显较响沙粗。从图2粒度频率分布图和图3粒度累积频率曲线图中可以看出,响沙粒径频率分布峰值集中在2φ～3φ,哑沙粒径分布峰值集中在0.5φ～1φ。哑沙粒度明显较响沙粗。

响沙样品以细砂和中砂细粒组分为主,哑沙样品以中砂和粗砂粗粒组分为主,含量分别达到了99.346%和97.585%。哑沙粒度明显较响沙粗,其中响沙粒径频率分布峰值集中在2φ～3φ,哑沙粒径分布峰值集中在0.5φ～1φ;鸣沙和哑沙粒度参数差别最大的为平均粒径,分选和峰度较为接近,鸣沙基本为正偏,哑沙全部为负偏。分选性上,敦煌鸣沙山的响沙样品分选性好于翁牛特旗的勃隆克沙湖响沙和鄂尔多斯银肯响沙;甘新库塔格沙漠哑沙的分选介于敦煌响沙﹑翁牛特及鄂尔多斯响沙之间,而敦煌鸣沙山外围的哑沙的分选低于以上所有响沙和哑沙。

2.2.1 粒度组分

表2　各样品不同组分百分含量表Table 2 Percentage of different particle sizes of sampling sands

从表2中可以看出,响沙样品以细粒组分为主,哑沙沙样以粗粒组分为主。响沙样品S1至S5,及S7和S8以细砂和中砂为主,而Y6和Y9哑沙样品中以中砂和粗砂为主。所有响沙中的细砂和中砂的含量所占比例最高值为99.346%,最低值为84.795%,平均值为93.944%;哑沙中中砂和粗砂所占比例最高值为97.585%,两者百分含量大致相等;响沙中极细砂和粗砂含量很低,其中极细砂含量最高值为15.203%,最低值为0.635%,平均值为5.79%;粗砂最高值为1.221%,而响沙S4和S5中不含粗砂;所有响沙样品均不含极粗砂组分;响沙样品中细砂的含量最高,在响沙中所占比例均大于50%;其次为中砂,其所占比例从17%到44%不等。所占比例最高值为97.585%,两者百分含量大致相等,极粗砂含量很低,极细砂、细砂含量极少。哑沙样品中细砂含量极少,几乎不含极细砂。

2.2.2 粒度参数

从表3粒度参数表可以看出,鸣沙(S1至S5,S7,S8)和哑沙(Y6和Y9)粒度参数差别最大的为平均粒径,分选和峰度较为接近;鸣沙基本为正偏,哑沙全部为负偏。从样品粒度参数可以看出,甘新库姆塔格沙漠哑沙样品Y6的平均粒径在0.998φ,敦煌哑沙样品Y9的平均粒径为0.82φ,远大于其他地区响沙的平均粒径;在分选性上,翁牛特旗响沙S1 至S3和鄂尔多斯响沙S4和S5的分选系数均大于0.5,分选性较好,敦煌鸣沙山响沙样品分选系数在0.39～0.47之间,分选性好于上述两地响沙样品;甘新库姆塔格沙漠哑沙沙样分选性介于敦煌响沙和翁牛特及鄂尔多斯响沙之间;所有样品峰态值在0.95左右,相差不大,在粒度分布曲线上表现为尖峰态。

2.3 矿物成分

表3　粒度参数表Table 3 Particle size parameters

表4　矿物成分百分含量表Table 4 Percentages of mineral components

无论是鸣沙还是哑沙主要矿物成分都以石英和长石为主。鸣沙和哑沙中次要矿物成分存在差别,鸣沙中含有高岭石、钠长石、微斜长石及方解石等,而哑沙中几乎未含这些次要矿物。Richardson(1919)曾研究表明鸣沙和哑沙都具有相同的矿物成分,此研究结论与本文实验分析的结果不相符,本文通过实验得出的结论是鸣沙和哑沙的主要矿物成分相同,但含有的次要矿物成分存在差别。

从表4中可以看出,鸣沙和哑沙的主要矿物组成都以石英﹑长石(斜长石和钾长石)为主,其他次要矿物含量较低(<20%)。沙样(包括鸣沙和哑沙)中的主要矿物中的石英含量均为最高。

S1、S2和S3为采自翁牛特玉龙沙湖响沙的沙样,石英含量均达75%以上;﹑其次为钾长石斜长石、钠长石,微斜长石含量均小于10%,而且沙样中都含有微量重矿物辉石,含量均小于1%。S4和S5为采自鄂尔多斯库布齐沙漠银肯响沙的沙样,其中,石英含量最高,均达75%以上;其次为钾长石、斜长石、钠长石、微斜长石含量均小于10%,而且沙样中都含有微量重矿物辉石,含量均小于1%。S4 和S5为采自鄂尔多斯库布齐沙漠银肯响沙的沙样,其中,石英含量最高,均达70%以上;斜长石和钾长石的含量较少,在5%以下。与S1、S2、S3相比,沙样S4和S5中均含有少量的高岭石和云母及少量的微量重矿物辉石和绿泥石;而只有S4中含有少量的钠长石和微斜长石。样品Y6采自甘新库姆塔格沙漠的东缘的哑沙,石英含量达到75%,斜长石的含量达15%;钾长石和云母的含量和S4及S5响沙中的含量大体相差不多;而且也含有不到1%的微量重矿物辉石和绿泥石。样品S7﹑S8和Y9采自敦煌鸣沙山,其中,S7和S8为响沙沙样,Y9为哑沙。S7和S8样品中的石英含量低于Y9中的,但含量都远高于其他矿物含量;S7和S8中也含有少量辉石和绿泥石微重矿物,而Y9中不含有这些微重矿物,而且只含有石英,斜长石和钾长石三种矿物。

根据表4矿物成分数据可以看出,响沙和哑沙砂样均含有比重比较高的石英含量,分析数据得出:

(1)无论鸣沙还是哑沙主要矿物成分都以石英和长石为主,其中石英含量分布范围是55%～90%之间,长石含量(斜长石、钾长石、钠长石、和微斜长石)分布范围为12%～25%之间。石英+长石(所有长石类型)含量分布范围为84%～100%。鸣沙和哑沙的主要矿物存在差别,表现为哑沙中主要矿物含量高于鸣沙含量。鸣沙的石英含量为55%～90%,哑沙的石英含量均为75%。长石含量分布范围为20%～25%。石英+长石的含量分布范围为95%～100%。鸣沙中石英的平均含量为78%,哑沙中石英的平均含量75%,所有沙样中石英的平均含量为71.2%,鸣沙中长石+石英的平均含量为91.1%。

(2)鸣沙和哑沙中次要矿物成分存在差别,主要表现为,鸣沙中含有高岭石,钠长石,微斜长石及方解石等,而哑沙中几乎未含这些次要矿物。

3 结论

通过对中国北方弧形沙漠带上发育的鸣沙的地貌特征、粒度特征以及矿物特征进行对比分析,主要有以下结论:

(1)对比鸣沙发育的地貌形态发现,鸣沙主要发育在位于沙漠腹地的新月型沙丘链或巨型沙丘上,紧邻湖泊或泉水,背风坡和迎风坡上都会发育鸣沙,但主要集中在背风坡。哑沙也发育在新月形沙丘上,但位于较干旱的沙漠中。这与马玉明(2000)提出的“共鸣箱”理论中的“响沙都发育在背风坡向阳面”不一致。背风坡呈月牙状,说明背风坡不但在大风时存在一个强大的涡旋气流,而且还有一个与主风方向垂直或近乎垂直的相反风向。其中,翁牛特勃隆克玉湖响沙的主要风向为西北风,次要风向为西南风;敦煌鸣沙山的优势风为偏东北风,次要风为偏西风;银肯响沙的主风为冬春季的西北风,次要风为夏秋季的偏南风,“共鸣箱”理论中提到鸣沙鸣响的条件之一是位于背风处落沙坡向阳,这样气温高,沙面温度也高;因此月牙形的地貌是符合“共鸣箱”理论的。以上地貌特征的发现也与屈建军(1993)提到的鸣沙形成的必要条件——“鸣沙坡的沙丘形态为新月型沙丘、沙丘下要有水源、水经过毛细作用通过沙面蒸发到空中,在新月形落沙坡处形成天然的‘水分共鸣箱’”相一致。他们的理论和本文总结出的三处鸣沙的地理特征一致,即都发育在新月型沙丘或沙丘链上,且都距水源较近。

(2)鸣沙、哑沙粒度分析表明:哑沙粒径明显较响沙粗,哑沙的平均粒径分布峰值集中在0.5φ～1φ,响沙粒径频率分布峰值集中在2φ～3φ;主要差别在于细砂和粗砂的组分,所有响沙中的细砂含量所占比例均高于52.0%,哑沙中的细砂含量低于0.9%;响沙中粗砂的含量均小于1.2%,哑沙中粗砂的含量大于48.1%。

(3)鸣沙和哑沙主要矿物成分都以石英和长石为主,次要矿物成分存在差别。鸣沙中含有的一些哑沙中几乎未含有的次要矿物,其来源主要由沙粒物源和气候条件所决定。其微少的含量是否是控制鸣沙鸣响的主要因素尚需要进一步的实验验证。

我国北部弧形沙漠带上发育的鸣沙沙漠是重要的地质遗产,是人类共同的财富,需要对其进行深入的调查,并采取一定的保护措施。要建立科学合理的地质遗迹管理体系,注重长远的机制。可以在鸣沙山前缘流动沙丘和平坦沙地建立沙地阻固区和防护保护区,防止沙体在风的作用下形成风沙流和旅客对鸣沙的踩踏破坏。要吸收先进的保护理念,采取积极有效的科技手段,对稀有的鸣沙地质遗迹进行保护。

鉴于本文主要是基于响沙和哑沙的地貌以及沙子的物理和矿物属性进行鸣沙特征的探讨,野外采集过程中对鸣沙和哑沙进行了明确的辨识,因此,未做进一步的声学实验室试验。在下一阶段的研究中将会结合声学的实验室试验进行鸣沙和哑沙的对比研究。

Acknowledgements:

This study was supported by Land and Resources Department of Gansu Province(No.53200859491).

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图版说明

图版I Plate I

a-翁牛特勃隆克玉湖响沙全景图;

b-翁牛特勃隆克玉湖响沙(S1,S2,S3);

c-鄂尔多斯库布齐银肯响沙全景图;

d-鄂尔多斯库布齐银肯响沙(S4,S5);

e-敦煌鸣沙山全景图;

f-甘新库姆塔格沙漠哑沙(Y6);

g-敦煌鸣沙山响沙(S7,S8);

h-鸣沙山外围哑沙(Y9)

a-panoramic view of Yu Hu booming sands of Bo Longke Sand Lake of Ongniud Geopark at the Autonomous Region level;

b-Yu Hu booming sands of Bo Longke Sand Lake of Ongniud Geopark at the Autonomous Region level(S1,S2,S3);

c-panoramic view of Yin Ken Sound-Producing Sand Bay of Ordos National Geopark;

d-Yin Ken Sound-Producing Sand Bay of Ordos National Geopark(S4,S5);

e-panoramic view of Mount Mingshashan of Dunhuang Yardang National Geopark;

f-silent sands of the Kumtag Desert(Y6);

g-booming sands of Mount Mingshashan of Dunhuang Yardang National Geopark(S7,S8);

h-silent sands of the northeast of the Mount Mingshashan of Dunhuang Yardang National Geopark(Y9)

图版I Plate I

A Comparative Study of the Desert Singing Sands in Northern China

HAN Fei1),TIAN Ming-zhong1)*,LIU Si-wen2),WU Fa-dong1),WANG Lu-lin1)
1)School of Earth Science and Resources,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083;
2)National Center for Geoanalysis,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037

Abstract:The sound-producing sand grains have long been a puzzling and pending problem in nature.The singing sands within the geoparks of northern China are scattered along a discontinuous curved desert zone,which,however,have been rarely studied and reported.The singing sands record and reflect the evolution process of deserts,and hence serve as an important geo-relic.In this study,the authors tried to investigate and compare the booming sands and silent sands from several deserts within the geoparks of northern China in the aspects of geomorphic features,distribution,particle size composition and major mineral components,and attempted to figure out the similarities and differences between the singing and silent sands.The booming sands of Bo Longke Sand Lake of Ongniud Geopark at the Autonomous Region level,the Yin Ken Sound-Producing Sand Bay of Ordos National Geopark,the Mount Mingshashan of Yardang National Geopark of Dunhuang,and the silent sands of the Kumtag Desert and the northeast of the Mount Mingshashan of Dunhuang Yardang National Geopark were all included in the study.And these singing and silent sand examples were investigated by using particle size analysis and X-ray diffraction and fluorescence.Some conclusions have been reached:1)Singing sands from the above desert geo-relics mainly are developed on meniscus dune or barchan chain,and these singing sands are close to lake or spring water;both the leeward slope and windward slope develop singing sands,with the latterbook=248,ebook=123slope being more important;the silent sands,however,are developed on the windward slope.This result is inconsistent with the sound-box theory put forward by Ma Yu-ming that holds that all the singing sands are developed on the leeward slope;2)The silent sands have apparently coarser particle sizes than the singing sands.The average particle size peaks of the silent sands are between 0.5φ and 1φ,whereas those of the singing sands are between 2φ and 3φ;among the four particle size parameters,the average grain sizes of the singing sands and silent sands are obviously different from each other.The average size particle of the silent sand sample from the Kumtag Desert is 0.998φ,and that of the silent sand sample from the Mount Mingshashan of Dunhuang is 0.82φ,much larger than that of other singing sand samples;the percentages of the fine sands and coarse sands are evidently different from each other,among which the fine sand percentages of all the singing sand samples are higher than 52.012%,and those of the silent sand sample are lower than 0.881%;the content of coarse sands of all the singing sands samples is lower than 1.221%,while that of the silent sand samples is higher than 48.091%;the size grading factor and coefficient of kurtosis of the singing and silent sands are similar;in terms of the sorting feature,the singing sand sample from the Mount Mingshashan of Dunhuang exhibits better sorting features than any other singing and silent sand samples,while the silent sands from the northeast of the Mount Mingshashan exhibit the poorest sorting features;3)The major minerals of both the singing sands and the silent sands are quartz and feldspar;the singing and silent sands comprise different secondary mineral components:the singing sands contain kaolinite,albite,microcline and calsite,while the silent sands rarely contain such secondary mineral components,which is mainly determined by the source of the sand grains and climate;in addition,the problem whether the minor content in the singing sands is the defining factor for the booming of the singing sands remains to be investigated.The results obtained by the authors indicate that the geomorphic features and material composition can contribute to differentiating the singing sands and silent sands as well as figuring out the cause of the formation of the singing sands.

Key words:singing sands;geomorphic feature;particle size composition;mineral components;comparative analysis;resonance box theory

*通讯作者:田明中,男,1951年生。教授,博士生导师。主要从事第四纪地质学与地貌学研究。

作者简介:第一韩菲,女,1981年生。博士研究生。主要从事第四纪地质学与地貌学研究。

通讯地址:100083,北京市海淀区学院路29号。E-mail:fayehan0731@126.com。 100083,北京市海淀区学院路29号。E-mail:tianmz@cugb.edu.cn。

收稿日期:2015-09-23;改回日期:2015-12-20。责任编辑:魏乐军。

中图分类号:P931.3;P575

文献标志码:A

doi:10.3975/cagsb.2016.02.13