噶順戈壁地表礫石粒度特征分析

曹曉陽, 馮益明

(中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所,100091,北京)

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噶順戈壁地表礫石粒度特征分析

曹曉陽, 馮益明?

(中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所,100091,北京)

摘要：對戈壁表面礫石粒徑的研究，可幫助了解戈壁特征，分析戈壁造成自然災(zāi)害的原因，認(rèn)識沙粒遷移、沙漠?dāng)U展以及指導(dǎo)防沙工程。本研究結(jié)合野外調(diào)查，分析噶順戈壁洪積扇21個樣點礫石的粒度組成、平均粒徑、分選系數(shù)、偏度和峰度等粒度特征。結(jié)果表明：1)受洪水、重力與風(fēng)蝕等作用的影響，戈壁地表礫石均以中礫為主(66.35%～95.04%)。海拔最高處以石質(zhì)為主(85.54%)，平均粒徑φ值為-9.09 (545.2 mm)。礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出隨海拔增加，中礫質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，而粗礫質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高的趨勢。2) 粒度特征為：平均粒徑φ值變化范圍為-9.09(545.2 mm)～-6.15 (153.9 mm)；除樣點12為分選中等外，其余樣點的均處于分選較好以上水平(0.28～0.53)；偏度以負(fù)偏為主導(dǎo)(80.95%)，地表以細礫和中礫等細粒徑礫石為主；峰度中，寬平和很寬平占整體的57.14%，中等占23.81%，尖窄和極尖窄占19.05%，顯示礫石分布相對較均勻，在不同位置的礫石，具有微弱的地表過程差異性。3) 分選系數(shù)與平均粒徑之間，無明顯的相關(guān)關(guān)系；而偏度與平均粒徑間，存在正相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果對物源的巖性及戈壁發(fā)育環(huán)境具有重要的指示意義。

關(guān)鍵詞：噶順戈壁； 洪積扇； 礫石； 粒度分析

戈壁是指在干旱或極端干旱區(qū)受長期、強烈的風(fēng)蝕或物理風(fēng)化作用，廣泛分布于地勢開闊地帶，地表由礫石覆蓋的一類荒漠景觀[1]。戈壁地表沉積物為礫石，是地表由于外力和內(nèi)力共同作用形成的，地表礫石的屬性及分布特征受地形、氣候和構(gòu)造條件的影響。趙松喬[2]認(rèn)為，在外營力(主要為流水)作用下，“就地”或“近地”補給的礫石為戈壁礫石的主要來源。粒度作為礫石的主要特征之一，是戈壁區(qū)物源屬性、外營力環(huán)境和搬運能力的綜合反映[3-6]。近20年來，粒度指標(biāo)在沉積物的調(diào)查研究中具有廣泛應(yīng)用，在沙漠、黃土高原以及湖泊沉積物等地質(zhì)記錄體的研究中，成為判定動力成因與方式的重要依據(jù)[7-12]。

噶順戈壁形成發(fā)育的動力條件主要為在重力、洪水作用下，發(fā)生的洪積、沖積等搬運過程[13]。由于戈壁屬于干旱和極端干旱區(qū)，在發(fā)育的后期受到的風(fēng)蝕作用，對地表礫石的分布也有重要的影響[14-16]。由于外營力作用的不同，礫石的粒度特征呈現(xiàn)出一定的差異性，而且粒度因其物理意義明確、對氣候變化敏感等特點，近年來被廣泛應(yīng)用于各種沉積環(huán)境研究中[17-20]。筆者擬通過對戈壁地表礫石粒度參數(shù)的分析，更深入了解戈壁區(qū)礫石受到搬運作用(主要為推移、躍移)的動力條件，對未來戈壁區(qū)開發(fā)過程中，更好地避免水土流失提供指導(dǎo)，并對物源的巖性及戈壁發(fā)育環(huán)境具有重要的指示意義，也將對戈壁的形成環(huán)境、礫石來源及發(fā)育相對年代的研究提供參考。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆東部哈密市境內(nèi)的天山山脈東端(E 93°55′～94°18′ ,N 41°35′～42°36′)。土壤主要發(fā)育于剝蝕的準(zhǔn)平原以及山前洪積傾斜平原[13]，該地區(qū)土壤主要為干旱土，洪積物為土壤母質(zhì)，海拔800～2 000 m[16]。在殘丘間平地分布有稀疏的泡泡刺(NitrariasphaerocarpaMaxim)和檉柳(TamarixchinensisLour.)，大部分地區(qū)無高等植物;在南天山東段北麓山間谷地，分布有麻黃(EphedrasinicaStapf)和鹽生草(Halogetonglomeratus)群落。地表礫石分布特征由洪水沖積及長期的風(fēng)化剝蝕形成。降水稀少，年降水量僅34.6 mm，蒸發(fā)強烈，干旱指數(shù)(即年蒸發(fā)能力與年降水量的比值)>50，屬于極端干旱區(qū)[21]。冬冷夏熱，春秋短暫且多風(fēng)沙，晝夜溫差大，自然條件極其惡劣[22]。

2研究方法

2.1樣品采集與粒徑測量

在噶順戈壁，按照沖積-洪積平原的洪水沖積方向，自海拔低到高處(洪積扇底部至頂部)，分別設(shè)置21個采樣點，進行戈壁地表礫石樣品采集，各采樣點間海拔差距為20 m，礫石粒徑測量樣方大小為30 m×30 m，各樣點的編號與海拔見表1。在樣方的頂點及中心位置，進行小樣方的設(shè)置，小樣方大小為1 m×1 m[23]，在設(shè)置好的小樣方內(nèi)，隨機選取并測量25個粒徑值，共得到125個粒徑值。

由于在沉積物顆粒的研究中，對沉積物粒度的定義各有不同，一般將粒度理解為顆粒的直徑。在沉積學(xué)中常用的“直徑”定義，主要有統(tǒng)稱為線性值直徑的篩洗直徑、自由降落直徑、視直徑與真直徑[24]以及體積值直徑[25]。其中，視直徑定義為，在顆粒任意切面上于所規(guī)定的方向上所測定的直徑。一般測定最長或最短視直徑。本研究在野外實地測量中，測得的礫石最長直徑為視直徑。對采集的礫石粒徑進行方差分析，顯示樣本差異性顯著(表2)。

2.2粒度特征參數(shù)分析方法

對戈壁地表礫石的粒級分級中，采用Krumbein粒級標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將野外的實測值轉(zhuǎn)化為以1 mm為基準(zhǔn)，將2的幾何級數(shù)制標(biāo)度轉(zhuǎn)化為中值標(biāo)度，標(biāo)記為φ值[26]，公式為

φ=-log2d。

(1)

式中φ為粒徑的對數(shù)值，d為礫石直徑，mm。這種方法的優(yōu)點是分界為等間距，可在較粗或較細的兩端任意延伸至極限。不同粒級沉積物的粒度范圍和類別名稱見表3。

表1　噶順戈壁礫石取樣點地理位置及海拔

表2　礫石粒徑顯著性檢驗

分析粒度特征采用的參數(shù)(平均粒徑Mz、分選系數(shù)δ、偏度Sk和峰度Kg)，經(jīng)由Folk與Ward方法求得[27]。計算公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中φ5、φ16、φ25、φ50、φ75、φ84和φ95分別為礫石樣品中占5%、16%、25%、50%、75%、84%和95%的礫石所對應(yīng)的粒徑對數(shù)值。

代表礫石粗細的平均粒徑，在對沉積物質(zhì)韻律及來源的研究及追溯中為主要依據(jù)之一，顯示了礫石分選程度的分選系數(shù)δ，根據(jù)規(guī)定的δ標(biāo)準(zhǔn)，分選級別分為：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)和分選極差(δ≥4.00) 7個等級[27]；作為偏態(tài)的定量描述，并對礫石粗細分布的對稱程度進行描述，使用偏度。在偏度中：粒度呈正態(tài)分布，近于對稱；粒度呈正偏態(tài)分布，礫石集中于較粗部分。在較為通用的偏態(tài)分級中，F(xiàn)olk將偏態(tài)分為5個等級，分別為極負(fù)偏態(tài)(-1～-0.3)，負(fù)偏態(tài)(-0.3～-0.1)，近于對稱(-0.1～0.1)，正偏態(tài)(0.1～0.3)和極正偏態(tài)(0.3～1.00)[28]；在對頻率曲線尖峰凸起程度的衡量中應(yīng)用峰度參數(shù)。其中，分為6個等級：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)和極尖窄(>3.00)[28]。

表3　沉積物粒度范圍和類別名稱

Note:φmeans the logarithm value of particle size.

3結(jié)果與分析

3.1戈壁地表礫石粒度組成

戈壁洪積扇地表不同海拔各粒級礫石的組成，不僅與物源相關(guān)，還與洪水與重力的搬運過程密切相關(guān)。噶順戈壁洪積扇地表礫石粒度參數(shù)如表4所示。除個別樣點外，戈壁地表礫石均以中礫為主，其所占比例為66.35%～95.04%，其中，樣點1、12包含少量細礫(1.72%、15.52%)，其次為樣點13、14、17、20以粗礫為主，而所選樣點海拔最高處粒徑最大，以石質(zhì)為主，所占比例為85.54%，平均粒徑φ值為-9.09(545.2 mm)。各樣點礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)大體呈現(xiàn)出：隨海拔增加，中礫質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，而粗礫質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高的趨勢。

洪積扇上部較高海拔處，靠近天山底部的樣點，地表以大粒徑石塊為主(85.54%)，主要與山地基巖受到強烈的機械風(fēng)化作用有關(guān)，提供了大量的粗粒碎屑物，且由于位于天山南麓，年降雨量較為集中，易形成分散的洪流，并在強烈的蒸發(fā)和滲透作用下，受水流推移至此的大粒徑石塊物質(zhì)，在洪積扇上部位置堆積下來。

表4　礫石組成與粒度參數(shù)

樣點11包含少量石質(zhì)礫石(1.04%)，是由于洪積扇在初級發(fā)育階段，水流下切能力較強，易形成由于洪水沖刷形成的較短的泄洪溝槽，而溝槽中通常被石質(zhì)礫石所填充，屬于槽洪沉積。也可能由于該地區(qū)山體巖性較堅硬，粉砂和黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少，出山河流搬運的物質(zhì)較粗，使得洪水較早滲入地下，篩濾沉積使得大粒徑礫石在洪積扇上、中部有所堆積[3]。樣點12仍包含少量細礫礫石(15.52%)，與較大粒徑的阻擋作用有關(guān)，使部分細礫免于受到洪水或重力的搬運作用，因此，堆積在較大礫石的空隙中間[29]。

對低海拔樣點而言，由于位于洪積扇下部，這些區(qū)域的地表礫石粒徑相對較細，且存在中礫與粗礫的混合特征，隨海拔增加，粗礫質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高。在海拔最低處(970m)，并包含細礫成分(1.72%)，這與戈壁區(qū)具有較大風(fēng)力及高頻率的起風(fēng)相關(guān)，且形成的風(fēng)沙流具有較大的搬運能力[30]。在戈壁地表沉積的礫石，隨著粒徑的減小，更易在風(fēng)沙流或沙塵暴的作用下，搬運至低海拔地表，使得地表礫石組成，呈現(xiàn)出粒徑由高到低逐漸減小的趨勢。

3.2戈壁地表礫石粒度參數(shù)

戈壁地表礫石粒度參數(shù)值變化趨勢如表4及圖1所示。

圖1　粒度參數(shù)之間的關(guān)系Fig.1　Relationship between granularity parameters

3.2.1平均粒徑從平均粒徑的變化來看(表4)，整體呈現(xiàn)出隨海拔的升高，粒徑逐漸增大的趨勢，21個樣點的礫石平均粒徑φ值為-6.9(123.6 mm)，變化范圍為-9.09(545.2 mm)～-6.15(153.9 mm)。

3.2.2分選系數(shù)從分選系數(shù)看，除樣點12為0.73，分選中等外，其余20個樣點的分選程度均處于較好以上水平(0.28～0.53)。分選系數(shù)顯示礫石顆粒在水力和重力等外營力作用下，粒徑大小的分布均勻程度。研究區(qū)屬于戈壁區(qū)山前洪積扇，地勢平緩，洪水作用相對均勻，使得地表礫石分布也相對均勻。

3.2.3偏度偏度值體現(xiàn)礫石在不同沉積位置和環(huán)境中的分布狀況，也是對外營力作用的反映。從偏度值來看，樣點3、6、19近于對稱，顯示出該樣點處，不同粒徑礫石分布較為均勻，因而呈現(xiàn)近對稱分布狀態(tài)。其余樣點中，除樣點12屬于正偏態(tài)，礫石分布以大粒徑為主之外，均顯示負(fù)偏狀態(tài)。由此可見，研究區(qū)地表主要以細礫、中礫等細粒徑礫石為主。

3.2.4峰度由表4可知，21個樣點的地表礫石粒徑的峰度值變化范圍為0.46～1.65，各等級范圍內(nèi)均有分布，其中，寬平、很寬平占整體的57.14%，中等占23.81%，尖窄和極尖窄占19.05%。由此可見，研究區(qū)戈壁地表礫石粒度，在各級別的優(yōu)勢不明顯，分布相對較均勻。

3.2.5粒度參數(shù)之間的關(guān)系在對沉積物的粒度分析中，較為通用的做法是對粒度參數(shù)的關(guān)系進行分析。對各參數(shù)值與平均粒徑的關(guān)系，進行散點圖的繪制，從中發(fā)現(xiàn)戈壁洪積扇地表在不同位置下，礫石粒徑分選的差異。從礫石粒度參數(shù)關(guān)系散點圖(圖1)中可知，分選系數(shù)與平均粒徑之間的相關(guān)關(guān)系不明顯，在不同粒徑大小處，均具有較好分選水平。而從偏度與平均粒徑之間的關(guān)系來看，整體隨著平均粒徑的增大，而呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系：當(dāng)平均粒徑φ值<-6.55時，峰度表現(xiàn)出隨平均粒徑增大而增大的較弱正相關(guān)；當(dāng)平均粒徑φ值>-6.55時，則存在一定的負(fù)相關(guān)性。

4結(jié)論

本文研究了噶順戈壁洪積扇區(qū)地表礫石的粒度特征，洪積扇不同位置的礫石，由于受到的外營力作用的不同，其粒度組成有所差異。

1) 噶順戈壁地表礫石的粒度特征是洪水與重力的搬運、風(fēng)蝕作用等地表過程以及干旱的氣候環(huán)境共同作用的結(jié)果。戈壁地表礫石以中礫為主，并隨著海拔的升高，中礫所占比例呈現(xiàn)減小的趨勢，而粗礫比例增加，并有石質(zhì)礫石出現(xiàn)。由于洪水沖刷形成的溝槽，使洪積扇中部位置出現(xiàn)石質(zhì)礫石，以及由于大粒徑礫石的阻擋作用，使得洪積扇中部位置的細礫一部分免于洪水的沖刷及風(fēng)力搬運作用而留存下來。

2) 礫石的平均粒徑隨海拔的升高而呈現(xiàn)明顯增大的趨勢，φ值變化范圍為-9.09(545.2 mm)～-6.15 (153.9 mm)。由于該位置坡度較緩，洪積扇所有礫石的分選程度，除個別位置由于局部較大外營力的作用外(樣點12分選系數(shù)0.73，分選中等)，均處于較好以上水平(0.28～0.53)。

3) 噶順戈壁礫石偏度和峰度的特征顯示出，研究區(qū)不同粒徑礫石分布相對較均勻，且在不同位置的礫石，具有微弱的地表過程差異性。平均粒徑與其他粒度特征之間不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。偏度隨平均粒徑的增大，而呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系。平均粒徑與峰度之間在φ值>-6.55時，具有一定的負(fù)相關(guān)性，而在平均粒徑φ值<-6.55時，具有較弱的正相關(guān)性。

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(責(zé)任編輯：程云郭雪芳)

Size characteristics of surface gravels in Gaxun Gobi

Cao Xiaoyang, Feng Yiming

(Institute of Desertification Studies, Chinese Academy of Forestry, 100091, Beijing, China)

Abstract:[Background] Study on the gravel size of gobi surface provides a better understanding about gobi characteristics, and analyzing the reasons of natural disasters in association with gobi. It can also be used to know better about sand migration, desert spread and provide the guidance of sand control engineering. [Methods] In alluvial fanof Gaxun Gobi, the grain size composition,average grain size, sorting coefficient, skewness and kurtosis from 21 gravel samples were analyzed by means of field investigation and granulometry. [Results] The results showed: 1) The major grain size of surface gravels was occupied by mediumsize ones (66.35%-95.04%) due to the effect of flooding, gravity and wind erosion. The size on the top of altitude was dominant by stone (85.54%), average size was -9.09φ (545.2 mm). The content of mediumsize gravels decreased while the coarse size gravels increased with the altitude increasing. 2) The average range of size variation was -9.09φ (545.2 mm)--6.15φ(153.9 mm); the gravels were well sorted (0.28-0.53) except for sample 12. The grain skewness of surface gravels was dominant by negative, accounting for 80.95%, and the surface gravel size was mainly fine and medium.The kurtosis was flat and very flat (80.95%), followed by medium (23.81%), while sharp or very sharp accounted for 19.05%, which showed the granularity characteristics were evenly distributed. 3) There was no significant correlation between sorting coefficient and average grain size, while there was positive correlation between skewness and average grain size. [Conclusions] The research result can provide useful instructions for lithology of the provenance and gobi development condition.

Keywords:Gaxun Gobi; alluvial fan; gravels; granularity analysis

收稿日期：2015-07-18修回日期： 2016-01-06

第一作者簡介：曹曉陽(1988—)，男，博士研究生。主要研究方向：遙感技術(shù)應(yīng)用。E-mail: shadowcxy@163.com ?通信 馮益明(1971—)，男，博士，研究員。主要研究方向：景觀生態(tài)與信息技術(shù)。E-mail: fengym@caf.ac.cn

中圖分類號：P588.21

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-3007(2016)01-0046-07

DOI:10.16843/j.sswc.2016.01.006

項目名稱： 國家自然科學(xué)基金“戈壁表面礫石粒徑遙感定量反演及其空間分異機制研究”(31370708)