别里库姆沙漠胡杨回涡沙丘表层沉积物粒度特征

2021-07-14来风兵陈蜀江

现代地质 2021年3期

孔霄，来风兵，陈蜀江，朱选

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木齐 830054；2.乌鲁木齐空间遥感应用研究所，新疆乌鲁木齐 830054；3.蒙纳士大学，维多利亚墨尔本 3800)

0 引言

粒度是碎屑沉积物重要的物理指标，表示不同粒径颗粒在样品中所占的百分比[1]。受物源、沉积环境、搬运条件及沉积后风化作用的影响，沙丘表层沉积物的粒度反映沉积物的重要结构特征，在此基础上结合地形地势、植被覆盖和地表风动力等因素可分析风沙地貌的形成机制[2-4]。回涡沙丘是风沙流运移至障碍物前遇阻堆积形成的一种沙丘类型[5]。在别里库姆沙漠，胡杨是主要的障碍物，风沙流遇其导致风速减慢，沙粒堆积，形成胡杨回涡沙丘。因此，研究胡杨回涡沙丘表层沉积物粒度特征在了解近地表输沙动力、分析风沙沉积环境以及反演风沙环境变化等方面均有重要意义。

目前，关于沉积物粒度特征的研究主要集中在海洋沉积物、湖泊沉积物、河流沉积物、黄土和沙漠沙5个方面。如Shuut等[6]、张晓东等[7]、司贺园等[8]通过分析粒径趋势以判断海洋沉积物的运输方向；华春[9]、Folk[10]、王苏民等[11]、王丽媛等[12]根据湖泊沉积物粒度组成及特点，阐明沉积环境或湖面水位高低情况；谢裕江等[13]研究河流疏松砂岩的粒度特征，并对其进行成因判别；阳辉等[14]、刘红等[15]研究河流表层沉积物样品的粒度分布特征，认为地貌条件、自然条件是影响粒度组成的重要因素；Pye[16]、李越等[17]说明黄土沉积物的粒度组成受风力、地形等因素影响；古启慧[18]、Folk[19]探讨了风成沙粒度组成特征及与物源之间的关系，认为沙物质粒度分布特征和物源间存在直接关系。关于回涡沙丘粒度的研究，钱广强等[5]通过对比同一地区回涡沙丘与新月形沙丘表面沉积物特征，认为前者经历风力风选过程更为强烈；毛东雷等[20]对比研究灌丛沙堆与回涡沙丘表面粒度特征，发现后者表面沙粒平均粒径和偏度值大于前者，而分选系数和峰度值小于前者。

综上所述，虽然国内外学者对沉积物粒度特征已做出了系统研究，但关于别里库姆沙漠胡杨回涡沙丘表面沉积物粒度特征鲜见报道。本文通过对别里库姆沙漠胡杨回涡沙丘进行现场考察，采集胡杨回涡沙丘不同地貌部位表层沉积物样品195个，利用Mastersizer-2000激光粒度仪进行粒度测试并分析粒度特征，以期为探明回涡沙丘的形成机制提供基础数据，并为植物固沙工程建设提供科学参考。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

别里库姆沙漠位于塔克拉玛干沙漠的西南部，北接麻扎塔格山南部，东邻和田河，地理坐标为37°35′—38°44′N、79°52′—80°40′E(图1)。研究区深处内陆，属于温带大陆性极端干旱荒漠气候，历年最高极端气温为43.20 ℃，极端最低气温为-28.40 ℃，年均蒸发量为2 648.70 mm，年均降水量仅为39.61 mm且主要集中在5月至8月[21]。利用自建的测风站(风速风向传感器高度2 m)数据(2018-01—2018-12)统计分析表明，研究区的最大风速可达11.7 m/s，春季风速较大，平均风速为1.86 m/s，并多伴有浮尘，偶有沙尘暴。全年起沙风日数90 d，主要风向为N、NNW向。该区的植被构成单一，主要以乔木层(胡杨)为主，有少量的柽柳(TamarixchinensisLour.)分布，地表以风沙土为主[22]。因古河流多次自西向东发生改道，地下水位埋深范围为0.15～83.20 m[23]，为胡杨的生长提供了有利的水源条件。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location of the study area

1.2 样品采集与分析方法

1.2.1 样品采集

基于多次野外考察及道路的可达性，笔者所在的研究团队于2019年5月赴研究区进行调查采样，以两条沙漠公路作为研究区的两条纵、横断线，纵断线从南部绿洲荒漠过渡带边缘到北部麻扎塔格山南麓山脚下，每隔约30 km处选择1个样区，而在100 km处，未发现有胡杨的存在及胡杨回涡沙丘的发育，故而选择4个样区；横断线因可进入性，从东到西选择两个样区，大致间隔30 km。合计6个样区(表1)，每个样区选择1～3个典型胡杨回涡沙丘，用GPS定位并编号，按0.3 m×0.3 m的样方对角线采集左翼尾、左翼中外坡脚、左翼中坡顶、左翼中内坡脚、背风坡后丘间地、背风坡坡脚、背风坡坡中、丘顶、迎风坡坡中、迎风坡坡脚、迎风坡前丘间地、右翼中内坡脚、右翼中坡顶、右翼中外坡脚、右翼尾15个部位表层3 cm的物质样品以代替整个胡杨回涡沙丘的表层物质(图2)。

表1 6个样区胡杨回涡沙丘的基本情况

图2 别里库姆沙漠胡杨回涡沙丘盛行风向(a)与采样点(b)Fig.2 Prevailing wind direction (a) and sampling point sketch (b) of populus euphratica echo dunes in the BrikumDesertA.左翼尾；B.左翼中外坡脚；C.左翼中坡顶；D.左翼中内坡脚；E.背风坡后丘间地；F.背风坡坡脚；G.背风坡坡中；H.丘顶；I.迎风坡坡中；J.迎风坡坡脚；K.迎风坡前丘间地；L.右翼中内坡脚；M.右翼中坡顶；N.右翼中外坡脚；O.右翼尾

1.2.2 粒度分析

样品经自然风干后进行筛分，将粒径<2 mm的组分装袋编号并于2019年7月送往兰州大学西部环境教育部重点实验室进行分析。取0.2～0.4 g样品放置于100 ml的烧杯，加入10 ml的双氧水(H2O2)，加热至变清且无细小泡沫以去除有机质；其后加入10 ml的盐酸(HCl)溶液煮沸以去除碳酸盐；待烧杯冷却后，将烧杯内注满蒸馏水，静置12 h，去除Ca2+、H+等离子；最后加入10 ml的10%的分散剂六偏磷酸钠(NaPO3)6，使用超声波振荡10 min后进行测量。经上述处理后的粒度样品采用Matersizer 2000激光粒度测试仪进行测定，其测试范围为0.02～2 000 μm，重复测量相对误差小于2%。根据测量结果，用Folk-Ward粒度公式和GRADISTAT软件求出各粒度参数，并应用Wentworth分类方法进行粒度分级[24]。

1.2.3 粒级-标准偏差法

以粒级为横坐标、每一粒级的所有样品数据计算的标准偏差为纵坐标绘制粒级标准偏差曲线，进而以此曲线反映各样品颗粒在某粒级上含量的差异性，并获取环境敏感粒度组分[1,25-26]。标准偏差的计算公式如下:

(1)

式中:s为偏差；n为样本数；si为样本值。

1.2.4 Sahu成因判别

粒度参数能够反映沉积物的形成环境[27-28]。Sahu通过对风成沙丘、风成坪地、浅海、三角洲和河床等碎屑沉积物进行大量采样分析，根据Folk-Ward粒度参数公式计算出平均粒径、分选系数、偏度和峰度，应用线性多元类别分析方法，建立用以区别沙丘、海滩、浅海、河流和浊流这5种常见沉积环境的经验判别公式[29]。由于Sahu判别公式的建立以世界各地大量的现代沉积环境样品为基础，在中国的地质研究中被广泛应用。本研究在Folk-Ward粒度参数公式计算出4个基本参数的基础上，采用Sahu判别公式[29]计算6个样区胡杨回涡沙丘的判别值，对沉积作用和沉积环境进行判别，计算公式如下:

Y= -3.5688Mz+3.7016σ2-
2.0766SK+3.1135K

(2)

式中:Y为判别参数，Mz、σ、SK、K分别为平均粒径、标准偏差、偏度和峰度。

2 结果与分析

2.1 6个样区胡杨回涡沙丘表层沉积物粒度组成与粒度参数

2.1.1 胡杨回涡沙丘表层沉积物粒度组成

根据粒度测试结果可知，别里库姆沙漠胡杨回涡沙丘表层沉积物粒度组成(图3)以砂为主，其体积百分含量均值为90.234%；其次是粉砂，其体积百分含量均值为9.766%；无黏土和砾。胡杨回涡沙丘各粒级的体积百分含量分布特征是:极细砂的含量均值为49.121%，位于各粒级含量之首；细砂的含量次之，均值为36.356%；再次为极粗粉砂，含量均值为8.297%；第4位的是中砂含量，均值为4.917%；其余粒级的含量相对较少，依次是中粉砂、粗粉砂、细粉砂、粗砂，均值含量分别为1.369%、0.218%、0.053%、0.011%。

图3 6个样区胡杨回涡沙丘表层沙物质粒级组成Fig.3 Grain size of the surficial sediment samples from the populus euphratica echo dunes in the six sampling sites

从6个样区来看，样区1的极粗粉砂和中粉砂含量较高，分别为9.460%和1.539%；样区2的中砂、粗砂和细粉砂含量较高，分别为8.214%、0.040%和0.073%；样区3的极细砂含量较高，为56.306%；样区5细砂和粗粉砂的含量较高，分别为42.356%和0.360%。从样区1到样区4，粉砂含量逐渐降低，砂含量不断增加；样区5的砂含量高于样区6，粉砂含量则低于样区6。综上，别里库姆沙漠从南向北、从西向东胡杨回涡沙丘表面沉积物粒级均呈现变粗趋势。

2.1.2 胡杨回涡沙丘表层沉积物粒度参数

通过对别里库姆沙漠6个样区胡杨回涡沙丘195个表层沉积物样品的测试结果进行统计分析，发现别里库姆沙漠胡杨回涡沙丘表层沉积物粒径分布在4.477～796.214 μm之间。胡杨回涡沙丘表面沉积物的粒级为31～250 μm的沙物质颗粒超过93%，即主要集中在极细砂、细砂和极粗粉砂3个粒级范围。根据Folk等[10]提出的方法对6个样区的样品进行计算，结果(表2)显示，6个样区胡杨回涡沙丘平均粒径、中值粒径的变化范围分别为2.514φ～3.483φ(89.427～175.107 μm)、2.405φ～3.428φ(89.337～178.250 μm)，均值分别为3.109φ(117.381 μm)、3.172φ(111.548 μm)，这表明别里库姆沙漠胡杨回涡沙丘的粒度集中分布在细砂和极细砂的范围内；分选系数介于0.527 ～0.944之间，均值为0.650，且较好分选者占比为71.79%，这反映出别里库姆沙漠胡杨回涡沙丘分选程度整体较好；偏度介于-0.063～0.188之间，均值为0.019，且97.94%的表层物质样品属于近对称分布，而正偏的仅占2.06%；峰度值在0.922～1.015之间，均属于中等峰态。

由6个样区胡杨回涡沙丘表层沉积物粒度参数(表2)可知，6个样区胡杨回涡沙丘平均粒径、中值粒径按粒径均值大小进行排序，即样区5>样区2>样区6>样区4>样区1>样区3，这表明样区5的表层沉积物的粒径偏大，而样区3的偏小；分选系数的均值排序为样区3<样区4<样区1<样区6<样区5<样区2，说明样区3的分选性最好，而样区2的分选性最差，且样区2分选中等者占57.78%；样区4的偏度值最小，样区6的偏度值最大、峰度值最小，样区3的峰度值最大。

表2 6个样区胡杨回涡沙丘表层沉积物粒度参数

2.2 粒级-标准偏差法提取环境敏感组分

6个样区胡杨回涡沙丘表层沉积物的粒级-标准偏差曲线均呈现多峰分布特征(图4)，表明别里库姆沙漠胡杨回涡沙丘表层沉积物粒度受多因素影响，沉积环境不稳定。6个样区均呈现出明显的双峰分布，粒级-标准偏差曲线相对一致，环境敏感粒级组分集中在79.621～251.785 μm之间，指示6个样区的沉积环境相近。

图4 胡杨回涡沙丘表层沉积物粒级-标准偏差曲线Fig.4 Surficial sediment grade-standard deviation curves of the populus euphratica echo dunes

样区1、样区2、样区5和样区6的第一个明显峰值均出现在89.337 μm处，样区3和样区4的第一个明显峰值则均出现在79.621 μm处；样区1、样区3、样区4和样区6的第二个明显峰值均出现在224.404 μm处，样区2和样区5的第二个明显峰值则均出现在251.785 μm处，且每个样区的峰值对应的敏感粒级组分存在差异，这可能是局部地形地貌、物源等原因造成的沉积环境差异。样区5和样区6的两个明显峰值处对应的标准偏差分别为1.817、1.877、2.066、2.042，而其他样区明显峰值对应的标准偏差介于1.593～1.817之间，即表明横断线的标准偏差略大于纵断线的标准偏差；由此认为，横断线对环境变化的响应较为敏感，产生沉积动力条件或沉积过程等的沉积环境较不稳定。

2.3 胡杨回涡沙丘表层沉积物成因判别分析

Sahu运用数学分析方法推导出不同沉积环境的判别公式(公式(2))，并认为判别值小于-2.741 1属于风成沉积，大于-2.741 1属于海滩沉积[29]。

将各个样区胡杨回涡沙丘的表层沉积物基本参数的均值(表2)代入到公式(2)中，计算出样区1到样区6的判别值依次为-6.870、-5.965、-7.277、-6.958、-5.912、-6.495，均小于-2.741 1。因此，别里库姆沙漠胡杨回涡沙丘表层沉积物属于风成沉积。这与文星跃等[30]通过判别公式计算出青藏高原风成土壤的判别参数及研究结论基本一致。

3 讨论

第四纪气候较为湿润，昆仑山大量冰川融化，补给发源于该山的诸多河流，北坡皮山河、和田河、古克里雅河等地带在山前形成规模相当的三角洲平原[31]。塔克拉玛干沙漠的沙主要源于古代河流的三角洲、冲积平原和河湖相平原的沉积沙层[32]，绿洲发源于深厚的第四纪冲洪积平原及三角洲[33]。王涛[31]通过对皮山、墨玉绿洲的钻孔研究，发现剖面沉积层的岩性为灰色细砂和粉砂，判定此三角洲平原沉积属河流冲积物。胡杨回涡沙丘是广泛分布于别里库姆沙漠的一种风成地貌类型，本文通过Sahu判别公式对6个样区的胡杨回涡沙丘表层沉积物的成因进行简单判定，认为别里库姆沙漠表层沉积物属于风成沉积。由此推测，别里库姆沙漠胡杨回涡沙丘表层物源受和田河及其古河道、南部绿洲下伏沉积层影响不大，而与其所处的风沙环境关系密切。

根据自建的测风站(风速风向传感器高度2 m)数据(2018-01—2018-12)，别里库姆沙漠受北风(约占14.375%)、偏西北风(约占34.375%)和偏东北风(约占23.750%)共同控制，“就地起沙”满足本区沙物质的供给，但在近地表10 cm高度内输送的沙物质约占90%；而粒径较细的沙物质则以悬移方式在较高的高度进行长途输送，沿途的补给量大于沙物质的沉降量[34]，所以运移风沙流中的沙物质沿程遇阻发生沉降堆积，因此导致别里库姆沙漠从北向南胡杨回涡沙丘表面沉积物粒级呈现变细趋势。样区6位于横断线的拐角处，来自和田河的河道风沿沙漠石油公路的东半段贯入，风力较样区5略为强劲，细粒物质更易被风挟带长途输送，故而从西向东粒径呈现变粗趋势。

已有研究[20]表明，新疆策勒绿洲-沙漠过渡带灌丛沙堆上风向回涡沙丘表面沙物质主要以极细砂、极粗粉砂和细砂组成，这与本研究的结果“别里库姆沙漠胡杨回涡沙丘表层沉积物的粒级组成以极细砂、细砂和极粗粉砂为主”相类似。但别里库姆沙漠胡杨回涡沙丘表层沉积物的细砂含量高于策勒(策勒<16.78%，胡杨回涡沙丘>31.647%)，极粗粉砂含量低于策勒(策勒>18.99%，胡杨回涡沙丘<9.461%)。这是因为策勒处于绿洲-沙漠过渡带，地表覆盖高、地下水埋深较浅等生境条件优于沙漠腹地，且植物阻挡风沙流并捕获黏浮粉砂颗粒[35]，因此导致该地区的粉砂含量(主要为极粗粉砂)含量高于别里库姆沙漠腹地胡杨回涡沙丘表层沉积物的粉砂含量。而沙漠大沙丘沙物质粒级由细砂组成，粉砂含量较低(占比6.67%，胡杨回涡沙丘占比9.936%)[33]，即在沙漠大沙丘所处地带，气候条件相对恶劣，下垫面性质单一，地表的起伏状况反映地面的粗糙程度，风沙流运移过程中不受类似植被等障碍物因素的影响，当瞬时起沙风速足够大时，致使较粗的沙物质可被风沙流远距离挟带，从而使沙漠大沙丘沙的粒级较别里库姆沙漠偏粗。此外，植物枝叶阻挡风沙流运移，根系的生长以及微生物的活动使颗粒变细[35]。胡杨作为乔木植被，其捕获沙物质依赖距离地面有一定高度的枝叶，且实地考察中发现别里库姆沙漠的胡杨大多单株存活；灌草植物大多多株匍匐地面共同生长。由于生物学特性的差异，导致两者对风场的干扰影响不同，进而影响蓄沙的沙物质粒度。