額濟納盆地戈壁沉積物粒度特征分析

董智，王麗琴，楊文斌，李紅麗，李衛(wèi)，張志鵬，叢日春

(1.山東農(nóng)業(yè)大學林學院，山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復重點實驗室，泰山森林生態(tài)站，271018，山東泰安;2.中國林業(yè)科學研究院荒漠化研究所，100091，北京)

沉積物是在地球表面由于外力和內(nèi)力共同作用于巖石圈而生成的，各種沉積物的形成受地形、氣候和構造條件的影響，沉積相特征則是這些條件的綜合反映［1］。粒度作為沉積物和沉積巖的主要特征之一，可以反映搬運介質(zhì)的動力類型和搬運方式，并在粒度分布特征、頻率曲線上表現(xiàn)出單組分或多組分分布曲線［2-3］。粒度指標可作為分析與對比環(huán)境的一種依據(jù)［3］。近20年來，在深海沉積物、黃土、古土壤、湖泊沉積物等地質(zhì)記錄體的研究中，作為恢復古氣候與古環(huán)境、判斷動力成因與方式的一種重要手段，粒度指標得到了廣泛應用［4-11］。戈壁是我國干旱、半干旱區(qū)廣泛分布的風成地貌類型和荒漠景觀類型之一［12-13］，在干旱多風的氣候環(huán)境下，地表逐漸演變?yōu)榭晌g性物質(zhì)減少、不可蝕性物質(zhì)相對富集的以礫石、砂礫堆積體為特征的覆蓋層—戈壁風蝕面［13］。戈壁面覆蓋的沉積物因經(jīng)歷的風化作用與蝕積搬運作用不同，在粒度特征上呈現(xiàn)出明顯的差異。從組成上看，戈壁沉積物顆粒主要由石、礫、砂為主，但其顆粒的級配變幅很大，從直徑大于1 m的巨礫到黏粒均有分布，粒徑級配范圍跨越多個數(shù)量級。對戈壁地表覆蓋物及其下沉積物的粒度構成進行研究是揭示戈壁形成過程的重要內(nèi)容。目前，常用的粒度參數(shù)有粒度平均值、標準差、偏度、峰態(tài)等，這些粒度參數(shù)分別可反映顆粒的集中趨勢、顆粒大小的均勻程度、不對稱程度等。筆者在中國黑戈壁科學考察野外調(diào)查的基礎上，以額濟納荒漠戈壁為研究對象，通過采集典型剖面地表及剖面上不同發(fā)生層次的沉積物樣品，分析其粒度特征各項參數(shù)指標的變化，以期揭示戈壁地表覆蓋物的沉積環(huán)境與形成過程，為闡明沉積物搬運方式及戈壁地表特征分類提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

額濟納旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)最西端，E97°10′～103°7′，N39°52′～ 42°47′。研究區(qū)地處中亞荒漠東南部，西、西南、北三面環(huán)山，屬大陸性干燥氣候，常年干旱少雨。根據(jù)1971—2010年的內(nèi)蒙古自治區(qū)地面氣候整編資料，該區(qū)年均氣溫8.9℃，年均降水量35.2 mm，年均蒸發(fā)量3 136.6 mm，蒸發(fā)量是降水量的89倍。年均風速3.2 m/s，年均≥8級以上大風時間38.4 d，年均沙塵暴時間10.7 d。

研究區(qū)地勢南高北低，海拔820～1 200 m。西部與南部多為低山丘陵，中部為高原盆地，其間湖泊、沼澤星羅棋布，東部是巴丹吉林沙漠。發(fā)源于祁連山的黑河在額濟納境內(nèi)經(jīng)過狼心山分水閘后，分為東、西河，分別匯入東居延海(蘇泊淖爾)和西居延海(嘎順淖爾)，東、西兩河由西南向東北沖積形成了超過3萬km2的綠洲。研究區(qū)地貌主要由戈壁、低山丘陵、沙漠湖沼和平原綠洲等類型構成。戈壁是區(qū)內(nèi)的主要地貌類型，占研究區(qū)土地面積的58.3%，低山丘陵面積占9.3%，沙漠占4.36%，綠洲及湖盆洼地占27.57%。戈壁平原和低山丘陵區(qū)土壤多為石膏性的灰棕荒漠土，河流三角洲平原和湖洼地區(qū)多為草甸土和草甸鹽土，沙漠地段主要為風沙土。

受水分條件制約，研究區(qū)大部分地區(qū)植被稀疏，種群單一。在干旱的低山丘陵和戈壁上，生長有耐旱荒漠植被，主要建群植物種類有紅砂(Reaumuria soongorica(Pall.)Maxim.)、泡泡刺(Nitraria sphaerocarpa Maxim.)、膜果麻黃(Ephedra przewalskii Stapf)等，總覆蓋度不超過3%?；|(zhì)松疏的沙丘、戈壁上主要生長有梭梭(Haloxylon ammodendron Bunge)、沙拐棗(Calligonum mongolicum Turcz.)、白刺(Nitraria tangutorum Bobr.)等，總覆蓋度在10% ～20%。河流平原和湖盆洼地，喬木、灌木和草本植物生長茂盛，主要建群植物種類有胡楊(Populus euphratica Oliv.)、沙棗(Elaeagnus angustifolia L.)、檉柳(Tamarix ramosessima Ledeb.)、苦豆子(Sophora alopecuroides L．)、蘆葦(Phragmites australis(Cav.)Trin.ex Steud)和甘草(Glycyrrhizae uralensis Fisch.)等。

2 研究方法

2.1 樣品采集與粒徑測量

在額濟納戈壁，依據(jù)地表沉積物形成的方式與典型環(huán)境，分別在黑鷹山鎮(zhèn)周邊、黑鷹山鎮(zhèn)至額濟納旗沿途、東居延海沿岸、策克口岸附近、大同城遺址等戈壁分布區(qū)設置13個采樣點進行沉積物樣品采集，各樣點的編號、地理位置、海拔、地貌類型見表1。

表1 額濟納盆地戈壁沉積物取樣點位置及地貌類型Tab．1 Gobi sediment position and geomorphic types of sampling points in Ejina Basin

在各個采樣點，盡可能利用自然出露剖面、打井或修路時機械挖掘的剖面，經(jīng)過修整后進行采樣，沒有上述剖面時，人工挖取沉積物剖面，各剖面深60～150 cm。在剖面上，先按沉積物的外貌特征與發(fā)生層次劃分取樣層次，繪制剖面圖并拍照;然后根據(jù)發(fā)生層次，利用地質(zhì)錘和鐵锨由下而上采集原狀沉積物樣品，每層采樣2 kg以上，裝入土樣袋并編號，帶回室內(nèi)分析。對于表層樣品(出露于地表及其下1 cm的沉積物)，在采樣點附近隨機設置3個1 m×1 m樣方，收集3個樣方內(nèi)的所有沉積物并混合后帶回室內(nèi)進行分析。鑒于各樣點取樣層次各異，僅對表層及下層(緊鄰表層1 cm以下的層次，厚度根據(jù)沉積物發(fā)生層次而不同)的粒度組成與特征進行分析。

粒度分析的方法依樣品粗細而不同，對于＜2 mm的樣品采用震篩機篩析法分析，＞2 mm的樣品則分別選取100個顆粒，用游標卡尺量測其3個成正交方向的長軸(A)、中軸(B)與短軸(C)，用三軸的幾何平均值作為該顆粒的特征尺度［1］，不足100個的全部測量。對篩析與量測樣品按照卡慶斯基分類標準分為細砂、中砂、粗砂、礫石和石塊5級，稱量各級別的質(zhì)量，計算其質(zhì)量比例。

2.2 粒度特征及形狀分析

粒徑采用克魯賓(Krumbein)粒級標準劃分，將粒徑真值轉化為φ值，即以1 mm為基準，將2的幾何級數(shù)制標度轉化為中值標度［14］，其轉化公式為

式中:φ為粒徑的對數(shù)值;d為顆粒的直徑，mm，其中d=2n，log2d=n，所以 φ =-n，n 為 2 的幾何級數(shù)。

粒度參數(shù)采用?？撕臀值路椒ㄇ笏悖ㄆ骄?Mz)、分選系數(shù)(δ)、偏度(Sk)和峰態(tài)(Kg)［15］。各參數(shù)的計算公式為:

式中 φ5、φ16、φ25、φ50、φ75、φ84、φ95分別是質(zhì)量比例為5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%所對應的粒徑。

平均粒徑Mz表示沉積物顆粒的粗細，是研究沉積韻律和追索物質(zhì)來源的依據(jù)之一。

分選系數(shù)δ表示沉積物的分選程度，其值均大于0，可采用規(guī)定的δ標準劃分分選級別，即分選極好(δ＜0.35)，分選好(0.35～0.50)，分選較好(0.50～0.71)，分選中等(0.71～1.00)，分選較差(1.00～2.00)，分選差(2.00～4.00)，分選極差(δ ＞4.00)［1］。

偏度Sk表示沉積物粗細分布的對稱程度，是偏態(tài)的定量描述。Sk=0，粒度呈正態(tài)分布，近于對稱;Sk＞0，粒度呈正偏態(tài)分布，集中于粗端部分;Sk＜0，粒度呈負偏態(tài)分布，集中于細端部分。?？藢⑵珣B(tài)Sk分為5個等級級:極負偏態(tài)(-1～-0.3)，負偏態(tài)(-0.3～ -0.1)，近于對稱(-0.1～0.1)，正偏態(tài)(0.1 ～0.3)，極正偏態(tài)(0.3 ～1.00)［1］。

峰態(tài)Kg是衡量頻率曲線尖峰凸起程度的參數(shù)。?？藢g等級劃分為很寬平(＜0.67)，寬平(0.67～0.90)，中等(0.90～1.11)，尖窄(1.11～1.56)，很尖窄(1.56 ～3.00)，極尖窄(＞3.00)［1］。

3 結果與分析

3.1 戈壁地表沉積物粒度組成

表2為額濟納地區(qū)戈壁地表沉積物的粒度組成?？芍?按卡慶斯基分級標準，各樣點沉積物均以石塊(φ＜-1.59)為主，其質(zhì)量分數(shù)在22.14% ～97.30%之間，平均為70.04%，變異明顯;其次為細砂質(zhì)量分數(shù)，平均為13.82%，變動于1.25% ～32.23%之間;除低山殘丘與個別沖積平原外，其余樣點的細砂質(zhì)量分數(shù)多數(shù)接近平均值;礫石質(zhì)量分數(shù)最低，平均為4.52%，在0.70% ～14.61%之間變動;中砂和粗砂質(zhì)量分數(shù)相對較低，平均為6.30%和5.32%，相對變異也非常顯著，其質(zhì)量分數(shù)分別在0.25%～20.45%和0.29%～18.56%之間。各樣點表層以下第2層沉積物的粒度組成與表層明顯不同，其組成主要以細砂和中砂為主，其質(zhì)量分數(shù)平均值分別為39.79%和20.11%，其次為石塊、粗砂和礫石，平均質(zhì)量分數(shù)分別為18.78%、13.06%和8.26%。各樣點不同層次粒度組成的差異主要反映了沉積物的形成與搬運堆積方式的差異。

對于低山殘丘坡麓(32點)而言，其地表沉積物主要是基巖受物理風化形成碎屑殘積物，其特征是沉積物與基巖特性相同，殘積物就地堆積，細顆粒較少;但該點地表沉積物也受化學與少量生物風化作用影響，同時該區(qū)風沙活動頻繁，周邊有工礦區(qū)，風沙活動易在此處發(fā)生受阻堆積和沉降堆積，因而細砂含量也相對較多。因此，低山殘丘的殘積物主要是基巖物理風化形成的碎屑物的堆積及少量化學風化、生物風化及山體對區(qū)域沙塵、風沙流的阻滯堆積與沉降堆積的反映。

沖積—洪積扇上部河道(33點)為上游低山殘丘形成的間歇性河流或洪水出山后形成的河道，河槽較淺，呈亂流泛濫之態(tài)，洪水時在地面形成漫流，在河道橫剖面的邊岸上形成河漫灘，在河道下部方向則為廣闊的洪積-沖積平原。沖積-洪積扇上部河漫灘(34點)沉積物屬于漫洪沉積，其典型特征是上層細、下層粗的河流沖積物二元沉積相結構［16］:上層的細粒物質(zhì)主要是河道洪水泛濫或漫流時，懸移質(zhì)沉積物向河道兩側溢出，從而在河漫灘上層形成了以細砂、粉砂等細粒物質(zhì)為主體的沉積物，雖經(jīng)風力侵蝕，部分細粒物質(zhì)吹失，但仍保留有較多細砂和中砂;而在下層則沉積了粗砂、石礫，因而在垂直剖面上，構成了典型的二元相沉積互層。與河漫灘沉積相平行的季節(jié)性河道(33點)，屬于槽洪沉積，溝槽中通常為礫石所充填，其表層顆粒組成相對較粗，下層組成與河漫灘沉積相一致。河道與河漫灘沉積物特征的差異主要緣于河道仍受季節(jié)性流水沖刷攜帶的較粗顆粒在河道內(nèi)的蝕余堆積的影響，在原二元沉積相結構上不斷迭加河流搬運的來自于低山殘丘的粗砂、礫石和石塊等粗大的沉積物，使得表層表現(xiàn)出粗粒化的特征。

其他取樣點均為沖積-洪積平原的下部或沖積-湖積平原邊岸與湖岸部位，這些部位的沉積相相對較細，且存在砂、礫、石的互層，因而其沉積物組成以砂粒(細、中、粗砂)為主，礫石和石塊質(zhì)量含量明顯下降，這在各樣點的第2層表現(xiàn)的尤為明顯。如在沖積-洪積扇中部(31點)第2層剖面層中，石塊和礫石所占質(zhì)量分數(shù)分別為6.84%和6.65%，而細砂粒和中砂粒的質(zhì)量分數(shù)分別為53.53%和23.00%。35～43點第2層的細砂質(zhì)量分數(shù)為37.8% ～62.61%，而礫石與石塊的質(zhì)量分數(shù)分別為5.63%～11.46%和4.06% ～39.96%;但各樣點的表層卻形成明顯的以石塊為主的沉積特征，這與額濟納地區(qū)風大風頻，且戈壁具有較大搬運能力的風沙流有關［17］。戈壁風沙流以粒徑 ＜0.5 mm 沙粒為主［18］，因而，沉積于地表的細粒物質(zhì)易在風沙流或沙塵暴的作用下搬運離開原地表，使得地表顆粒組成呈現(xiàn)顆粒粗化、石塊增多的趨勢;但戈壁地表沉積物中仍可見部分細粒物質(zhì)，這些細粒物質(zhì)因受到石塊、礫石的遮蔽而得以在原地表保留下來。

表2 額濟納盆地戈壁沉積物顆粒組成及粒度參數(shù)Tab．2 Grain size composition and granularity parameter of gobi sediment in Ejina Basin

3.2 戈壁沉積物顆粒粒度參數(shù)

3.2.1 平均粒徑(Mz) 從表2可以看出:13個樣點地表平均粒徑(Mz)的平均值φ為-2.03，變化范圍在-4.14(17.63 mm)～0.58(0.67 mm)之間;表層沉積物顆粒的平均粒徑最細的樣點出現(xiàn)在沖積-洪積扇上部河漫灘(34點)，平均粒徑為0.58;低山殘丘坡麓部位表層沉積物的平均粒徑最粗，為-4.14。就一個完整的沖積-洪積扇而言(31～35點)，其平均粒徑總體上呈現(xiàn)由低山殘丘坡麓向洪積扇邊緣逐漸細化的趨勢，平均粒徑由-4.14增大到-1.0，整體上反映了由上游向下游河流沖積物由粗至細的沉積特點。36～43點中，除東居延海岸邊淺灘(40點，Mz=-0.43)與大同城沖積平原(43點，Mz=-0.65)的平均粒徑屬于礫石外，其余各點的平均粒徑均達到石塊級別，這說明湖岸淺灘的湖相沉積與沖積-洪積沉積存在差異，靠近湖岸的湖相沉積物的顆粒更細。有研究表明，湖相沉積的顆粒沉積物呈同心圓式輻射分布，距離湖心越近顆粒越細，反之則越粗［1，17］。40 與 41點分別處于東居延海岸邊淺灘與遠離淺灘的東居延海湖岸，二者高差13 m(表1)，與岸邊淺灘(40點)相比，東居延海湖岸(41點)沉積遠離淺灘與湖心，剖面上砂礫互層明顯，加之地勢較岸邊淺灘高亢，風蝕強烈，因而其平均粒徑較淺灘沉積更粗。

相對于上層平均粒徑以石塊、礫石為主而言，各取樣點下層的沉積物顆粒明顯呈細化趨勢，除32～34點和39點外，其余各點的平均粒徑φ值在0.19～2.09之間，主要以砂粒為主;32～34點則以礫石為主，φ值為-1.02～-0.36;39點則以石塊為主，其φ值為-3.05。

3.2.2 分選系數(shù)(δ) 分選系數(shù)是表示顆粒分選程度的參數(shù)，它表示顆粒在風力、水力等動力作用下按粒度的富集現(xiàn)象，表示固體顆粒大小的均勻程度。分選系數(shù)越小，分選性越好，分選系數(shù)越大，則分選性越差。根據(jù)福克和沃德的分選性等級標準，13個樣點表層沉積物顆粒的分選系數(shù)(δ)的取值范圍在0.85～2.91之間，下層沉積物的分選系數(shù)的取值范圍為0.95～2.96，即整體上戈壁地區(qū)的沉積物其分選狀況表現(xiàn)為較差或差，僅低山殘丘坡麓部位表層、東居延海岸邊淺灘表層和大同城沖積平原下層沉積物分選為中等狀況。這也反映了不同沉積物沉積過程的復雜性及沉積動力的差異性，多種粒徑的沉積物互相混雜，造成分選較差坡積物和近岸湖積物顆粒較為一致、分選性中等的特點。

從一個完整的沖積-洪積地貌(31～35點)來看，處于最上端的低山殘丘坡麓主要以物理風化為主，碎屑物就地堆積，尚未發(fā)生大量的蝕積搬運，因而其分選中等;而沖積-洪積扇上部河道以水力與風力復合侵蝕為主、中部及下部則以水力堆積與風力侵蝕共同作用為主，整個沖積-洪積扇的分選性由上部至下部變差。這表明在戈壁地表的蝕積形成過程中，沉積物的不斷加入及風蝕的不斷加劇，是造成其分選性變差的主要原因。

3.2.3 偏度(Sk) 由表2可知，13個樣點表層和下層偏度變化范圍在 -0.29～0.70和 -0.43～0.05之間，即表層沉積物呈現(xiàn)從負偏到極正偏的分布趨勢，而下層則表現(xiàn)出從極負偏到近對稱的分布趨勢。這反映了不同沉積位置、環(huán)境和層次上沉積物的不對稱分布狀況，也是不同位置蝕積營力組合不同的反映。極正偏、正偏＞0，說明了沉積物以粗大礫石為主，分選差或較差;負偏與極負偏＜0，說明沉積物以砂物質(zhì)為主，其曲線尾部向細粒方向延伸，分選同樣差或較差。大同城沖積平原(43點)表層、下層與低山殘丘坡麓(32點)下層的Sk在-0.1～0.1之間，沉積物集中于中、粗砂和礫石，且在粗粒和細粒兩端分布較為均勻，因而呈近對稱分布。

13個樣點的表層，正偏、極正偏比例占76.93%，負偏占15.38%，近對稱占7.69%，這說明表層沉積物主要以侵蝕過程為主，地表粗化明顯;而負偏僅出現(xiàn)于沖積-洪積扇的上部，表明此處依然有著現(xiàn)代沉積的不斷堆積。13個樣點下層除低山殘丘坡麓和大同城沖積平原(43點)為近對稱外，其余均為負偏、極負偏，占84.62%。這表明各點的沉積環(huán)境多處于沖洪積扇的中、下部位，地表過程均以堆積為主，整個沉積過程黏粒、砂、礫、石混雜;但顆粒物以細砂、黏粒等物質(zhì)為主，因埋藏于地下，缺乏風蝕作用的修飾改造，因而粒度集中在細端部分，呈負偏、極負偏。

3.2.4 峰度(Kg) 峰度是用來衡量粒度頻率曲線尖銳程度的，也就是度量粒度分布的中部與兩尾端的展形之比。由表2可知，13個樣點表層沉積物顆粒峰度值的變化范圍在0.56～2.31之間，從很寬平到極尖窄均有分布，且尖窄、很尖窄占整體的69.23%，中等占15.38%，很寬平占15.38%。說明調(diào)查區(qū)戈壁表層沉積物相對集中于石礫與石塊一端，沉積物屬偏態(tài)分布，峰態(tài)較為單一。下層沉積物顆粒峰度值變化范圍為0.54～1.66，寬平、很寬平分別占總體的46.15%和7.69%，中等占23.07%，尖窄、很尖窄分別占15.38%和7.69%。峰態(tài)寬平表明沉積物粒度在各級別的優(yōu)勢不明顯，這與各點的粒徑組成較為一致。實質(zhì)上，下層沉積物以寬平與中等為主的峰態(tài)分布也表明該處未遭受風蝕影響，戈壁尚未發(fā)育形成。一旦這些地段因人為因素而出露于地表，則很快遭受風蝕而使細粒物質(zhì)搬運遷移，使得峰態(tài)進一步尖窄化。

4 結論

1)額濟納盆地戈壁各取樣點沉積物粒度組成因其形成環(huán)境與搬運、堆積方式的差異而不同，戈壁面形成了以石質(zhì)、石砂質(zhì)為堆積體的風蝕物堆積層。表層沉積物粒度組成受侵蝕過程影響，總體上以石塊為主，其次是細砂，礫石質(zhì)量含量最低;下層沉積物顆粒組成則主要受沉積過程影響，以砂粒為主，其次為石塊和礫石，但沖積-洪積扇上部則例外，石塊質(zhì)量含量占1/3，其他各粒級質(zhì)量含量相差不大。

2)額濟納盆地戈壁不同沉積環(huán)境顆粒物粒度特征是風化、侵蝕、堆積等地表過程與干旱多風的氣候環(huán)境共同作用的結果。顆粒平均粒徑表層多數(shù)較粗，下層沉積物平均粒徑較表層具明顯的細化趨勢，從低山殘丘至洪積扇下部，平均粒徑總體上呈現(xiàn)由粗變細的趨勢。沖積-洪積物受水力、風力侵蝕搬運的協(xié)同作用，分選性整體較差或差，表層與下層沉積物的分選系數(shù)范圍為0.85～2.91和0.95～2.96，而低山殘丘與湖泊邊岸淺灘呈分選中等的特征，前者主要體現(xiàn)了物理風化為主的殘積物自然堆積的分選特征，后者則體現(xiàn)了湖濱淺水相沉積物的分選特點。

3)額濟納盆地戈壁沉積物表層與下層的偏度與峰態(tài)均表明了顆粒物地表過程的差異性。表層沉積物的偏度以正偏、極正偏占主導，占總數(shù)的76.93%，峰態(tài)以尖窄、很尖窄為主，占69.23%，反映了地表以侵蝕作用為主、顆粒物粗化的特點;而下層沉積物的偏度以負偏、極負偏為主，占總體的84.62%，峰態(tài)以寬平、很寬平和中等為主，三者共占76.93%，反映了下層各粒級顆粒物質(zhì)量含量優(yōu)勢不明顯，地表過程以堆積作用為主、缺乏風力修飾改造的特征。

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