額濟納旗兩種地貌類型戈壁縱剖面沉積物粒度特征

肖靖安, 裴 亮, 孫莉英, 馬文秀

(1.中國科學院 地理科學與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室,北京 100101; 2.中國科學院大學, 北京 100049; 3.河北廊坊市環(huán)境監(jiān)測中心, 河北 廊坊 065000)

戈壁是指在干旱或極端干旱區(qū)長期受物理風化作用、風蝕作用，廣泛分布于地勢開闊地帶，地表為粗砂或礫石所覆蓋的一類荒漠景觀[1]。額濟納旗戈壁位于中亞極端干旱區(qū)，在強烈的風沙活動作用下，戈壁地表大量的細顆粒被吹蝕、搬運和沉積，是全球沙塵暴的主要物源區(qū)[2]，按成因額濟納旗戈壁可劃分為侵蝕型和堆積型，或劃分為洪積成因的礫質(zhì)戈壁、剝蝕殘丘型的石質(zhì)戈壁和沖積型戈壁等類型[3]，其形成時代可追溯至晚更新世或全新世[4-6]。戈壁沉積物是由外力和內(nèi)力作用于巖石圈而生成的，它受地形、氣候和構造條件的共同作用影響[7]。粒度作為戈壁沉積物的主要特征之一，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[7-10]。對戈壁縱剖面沉積物的粒度組成進行分析是揭示戈壁形成過程的重要手段。常用的粒度指標有粒度平均值、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。近20 a來，粒度指標廣泛應用于沉積物的調(diào)查研究中，為沙漠、黃土高原以及湖泊沉積物等地質(zhì)記錄體的研究中判定動力成因與方式的重要依據(jù)[11-16]。

對戈壁縱剖面沉積物的粒度構成進行研究可以反映戈壁形成過程中的沉積環(huán)境[17]，是揭示戈壁形成過程的重要內(nèi)容。前人[8-18]采用圖解法計算粒度參數(shù)分析對比了額濟納盆地不同地貌類型戈壁表層、下層及整個縱剖面沉積物的粒度特征，本研究采用不同的粒度分析方法與粒度參數(shù)計算方法在額濟納盆地兩種典型戈壁區(qū)域進行了研究分析。本文在額濟納旗戈壁野外實際調(diào)查的基礎上，以額濟納荒漠戈壁典型區(qū)域為研究對象，通過采集東居延海湖岸區(qū)域和古河道區(qū)域典型剖面地表及剖面上不同發(fā)生層次的沉積物樣品，粒度分析方法使用激光法和篩析法，采用矩法計算粒度參數(shù)分析地表沉積物粒度組成及其粒度特征各項參數(shù)指標的變化，以期為深入探討戈壁沉積物的沉積環(huán)境與形成過程提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

額濟納旗位于內(nèi)蒙古阿拉善高原荒漠的最西端，地理坐標為97°10′—103°7′E，39°52′—42°47′N，屬于極端干旱地區(qū)，地處中亞荒漠東南部，西、西南、北三面環(huán)山，為大陸性干燥氣候，常年干旱少雨，年降水量僅38.2 mm，年蒸發(fā)量約4 000 mm。該區(qū)氣候溫暖，年均氣溫8.2℃。全年溫度大于10℃的持續(xù)天數(shù)為170 d，無霜期超過145 d。年均風速3.3 m/s，最大風速27.0 m/s，年均沙塵暴日數(shù)10.7 d。

研究區(qū)地形整體呈扇狀，地勢南高北低，中間呈低平狀，海拔高度在820～1 200m。額濟納盆地構造上屬于一個左旋拉分盆地[19]，發(fā)源于祁連山的黑河在盆地內(nèi)形成了巨大的洪積扇，向北延伸近300 km，由南向北從洪積平原演變成湖積平原[20-21]。洪積扇末端形成了一系列的湖泊，主要包括居延澤、蘇泊淖爾和嘎順淖爾等。研究區(qū)西部以中低山和山間的洼地、洪積扇群為主；中部以黑河流域沖—洪積平原為主，包括山前的湖積臺地、洪積平原及沖積平原綠洲；中東部地區(qū)以湖積盆地為主；東南部以巴丹吉林沙漠的風沙地貌為主。戈壁占額濟納旗土地面積的58.3%，為研究區(qū)主要地貌；綠洲及湖盆洼地占27.57%，低山丘陵占9.3%，沙漠占4.36%[18]。戈壁、平原和低山丘陵區(qū)土壤多為石膏性的灰棕荒漠土，河流沖積洪積平原和湖洼地區(qū)多為草甸土和草甸鹽土，巴丹吉林沙漠和額濟納河西岸主要為風沙土。

2 研究方法

2.1 樣品采集

2.1.1 采樣點布設 2019年10月在額濟納旗戈壁，依據(jù)地表沉積物形成的方式與典型環(huán)境，主要選取以湖積物為戈壁面和以沖積物為戈壁面的兩類典型戈壁，結合野外實際調(diào)查情況確定6個采樣點，采集地表及縱剖面沉積物，采樣點1,2，3位于居延海西南側(cè)戈壁分布區(qū)，地貌類型為東居延海湖岸，地貌單元屬湖積盆地；采樣點4,5，6位于額濟納旗至拐子湖氣象站沿途戈壁分布區(qū)，地貌類型為古河道，地貌單元屬于沖—洪積平原(圖1)。各樣點的編號、地理位置、海拔、坡度、地表礫石覆蓋度見表1。

圖1 采樣點分布

表1 額濟納戈壁沉積物取樣點位置及地表礫石覆蓋度

2.1.2 樣品采集方法 在采樣點及周邊約1 km2的區(qū)域內(nèi)，地表無任何植被發(fā)育，盡可能避免人類活動的影響。每個采樣點采集兩組樣品，相隔100～200 m。采樣時分層采集30×30×40 cm(長×寬×高)的樣品，人工開挖剖面，在剖面上，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；根據(jù)發(fā)生層次，利用地質(zhì)錘和鐵锨由上而下分層采集原狀沉積物樣品，每層將30×30 cm樣方內(nèi)沉積物全部采集，裝入土樣袋中并編號帶回室內(nèi)分析，采集樣方內(nèi)出露于地表及其下1 cm的沉積物作為表層樣品。其中采樣點1，2，3，4～1采集深度為40 cm，采樣點4～2，5，6由于下部埋藏大量大粒徑礫石，難以采集，故只采集到20 cm深度樣品。在每一采樣點(6個采樣點)，采集2組樣品，總計采集12組樣品。

2.2 樣品分析

2.2.1 粒度組成分析方法 根據(jù)美國土壤科學學會劃分標準方法(黏土粒徑d≤2 μm、粉土粒徑2 μm2 000 μm)，對野外采集的戈壁樣品進行粒度分析，分析得到不同層間礫石、沙粒、粉土和黏土含量。粒度分析方法使用激光法和篩析法。首先使用1 mm，2 mm，4 mm，8 mm，16 mm土樣篩對樣品進行分篩，稱重得出不同粒徑顆粒占比，再在中國科學院地理科學與資源研究所粒度實驗室使用英國MALVERN公司的MasterSize 2000激光粒度儀對小于1 mm顆粒物進行粒度測量與分析，儀器測量的粒徑范圍為0.020～2 000 μm，重復測量誤差小于±2%。最終通過計算得到礫石、沙粒、粉土和黏土顆粒含量。

2.2.2 粒度特征參數(shù)分析方法 粒徑采用克魯賓(Krumbein)粒級標準劃分，將粒徑真值轉(zhuǎn)化為φ值，即以1 mm為基準，將2的幾何級數(shù)制標度轉(zhuǎn)化為中值標度[22]，其轉(zhuǎn)化公式為

φ=log2d

(1)

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McManus矩法公式方法求算，前人研究發(fā)現(xiàn)矩法相比圖解法在計算上具有更高的靈敏度和可靠性[23-29]，包括平均粒徑(Mz)、分選系數(shù)(δ)、偏度(Sk)和峰態(tài)(Kg)[30]。各參數(shù)的計算公式為:

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:Xi為一定粒級范圍內(nèi)中值(φ);fi為各粒級范圍的百分含量。以上粒度參數(shù)計算通過GRADISTAT軟件[31]自動完成。

平均粒徑(Mz)表示沉積物顆粒的粗細，用于研究沉積韻律和探求物質(zhì)來源。分選系數(shù)(δ)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。分選系數(shù)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)[23]。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，沉積物的頻率曲線形態(tài)差別反映了沉積環(huán)境的不同，頻率曲線的偏度可以幫助研究者了解沉積物的成因。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。賈建軍等人根據(jù)圖解法與矩法的對應關系將偏態(tài)Sk分為5個等級級:極負偏態(tài)(<-1.50)，負偏態(tài)(-1.50～-0.33)，近于對稱(-0.33～0.33)，正偏態(tài)(0.33～1.50)，極正偏態(tài)(>1.50)[23]。峰態(tài)(Kg)是用來衡量粒度頻率曲線尖銳程度的，表征的是顆粒大小在中間段與兩端的分布情況，也就是定量曲線的峰凸程度，代表了不同物源混雜的混合程度。Kg等級劃分為非常寬平(>4.5)，很寬平(2.75～4.50)，寬平(1.42～2.75)，中等(1.03～1.42)，很尖窄(0.72～1.03)，非常尖窄(<0.72)[23]。表2為賈建軍等根據(jù)圖解法與矩法的對應關系，給出的矩法粒度參數(shù)的分級表[23]。

表2 矩法粒度參數(shù)[23]的定性描述術語

2.3 統(tǒng)計分析方法

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2019軟件進行整理后，利用SPSS 25.0對兩種地貌類型采樣點戈壁沉積物的粒度組成與粒度參數(shù)進行獨立樣本均值t檢驗(雙側(cè)檢驗)，比較其均值，顯著性水平α值取0.05，p<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

3 結果與討論

3.1 東居延海湖岸采樣點縱剖面沉積物粒度組成及特征參數(shù)

3.1.1 沉積物粒度組成 圖2為東居延海湖岸采樣點1(圖2A)，2(圖2B)，3(圖2C)戈壁沉積物黏土、粉土、沙子、礫石百分比含量隨采樣深度的變化情況?？芍焊鶕?jù)美國土壤科學學會劃分標準，在東居延海湖岸采樣點中(采樣點1,2，3)，各采樣點上層(0—10 cm)沉積物顆粒主要以沙子(50 μm～2 mm)為主，其含量變化范圍為33.3%～68.3%，平均值為49.2%；其次為礫石(>2 mm)和粉土(2～50 μm)，其含量變化范圍分別為9.6%～32.4%和11.8%～39.7%，平均值分別為23.4%和23.3%；黏土(<2 μm)含量較低，變化范圍為3.2%～4.8%，平均值為4.1%。在縱剖面上，沿垂直方向各剖面層的粒度組成與上層存在差異，主要以沙子和粉土為主，平均含量分別為41.1%和40.6%，礫石和黏土含量較低，平均含量為9.6%和8.8%。

圖2 東居延海湖岸采樣點顆粒級配隨采樣深度變化

在東居延海湖岸采樣點中，沉積相相對較細，采樣點1,2中存在砂、礫、石的互層，其沉積物組成以沙子為主，在縱剖面上其粒度組成逐漸變細，礫石含量下降，粉土和黏土含量上升，變化較明顯。采樣點1僅0—5 cm層存在礫石，礫石、沙子和粉土的比重分別為20.4%，53.7%，21.3%，在其余剖面層中，主要以沙子為主，平均含量達到62.1%，粉土和黏土含量較低，但沿垂直方向從上至下有增加趨勢。采樣點2礫石主要存在于0—2 cm層，礫石、沙子和粉土的比重分別為22.5%，33.3%，39.7%，2—40 cm剖面層主要以沙子和粉土為主，基本不含礫石，沿縱剖面方向，沙子含量逐漸下降，由76.4%下降到29.8%；黏土和粉土含量上升，分別由1.9%到9.5%和由21.7%到60.6%。采樣點3均為僅0—10 cm層存在礫石，比重為7.8%，該層主要以沙子為主，含量達67.1%，10—40 cm剖面層主要以粉土為主，含量達74.9%，沿垂直方向從上至下，沙子含量逐漸下降，粉土和黏土含量上升。采樣點3粒度組成較細，地表基本無礫石覆蓋，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采樣點3位置區(qū)域地表存在結皮和侵蝕溝，可能是由于現(xiàn)代流水的沖刷作用，粒徑大的顆粒被流水帶走，形成結皮保護下層細顆粒不被風蝕。采樣點1,2表層形成明顯的以石塊為主的沉積特征，這可能由于研究區(qū)常年的大風天氣，且戈壁具有較大搬運能力的風沙流[32]。由于環(huán)境中風力作用很強、風沙活動頻繁，加之戈壁具有較大搬運能力的風沙流，地表的細顆粒沉積物被風搬運離開原地表，使沉積物質(zhì)粗化，表面呈現(xiàn)大量石塊、礫石分布，下層部分細顆粒物質(zhì)在上部礫石的保護作用下，長期積累，沉積下來。

3.1.2 沉積物粒度特征參數(shù) 通過表3可看出，采樣點1的5—25 cm、采樣點2的10—40 cm、采樣點3的10—40 cm剖面層平均粒徑屬于粉土(4.321.50)，其余各采樣點剖面層均為正偏(0.33～1.50)，這說明沉積物主要以侵蝕過程為主，顆粒粗化明顯。峰態(tài)值的變化范圍在2.67～9.00，寬平占8.3%，很寬平占50%，非常寬平占41.7%。這說明沉積物屬于單峰態(tài)分布，物源單一，較寬的峰態(tài)表明沉積物粒度在各級別的優(yōu)勢不明顯，沉積物質(zhì)可能是由不同的物源分選之后形成的混合物。下層沉積物峰態(tài)分布表現(xiàn)為很寬平或非常寬平，表明該處受風蝕影響較小，細粒物質(zhì)沒有流失，一旦這些地段因人為因素而出露于地表，細粒物質(zhì)將很快被風蝕作用搬運遷移，峰態(tài)將進一步尖窄化[13]。

表3 東居延海湖岸采樣點粒度參數(shù)

3.2 古河道采樣點縱剖面沉積物粒度組成及特征參數(shù)

3.2.1 粒度組成 圖3為古河道采樣點4(圖3A)，5(圖3B)，6(圖3C)縱剖面沉積物粒度組成隨采樣深度變化情況。可知，在古河道采樣點中：各采樣點0—10 cm層沉積物顆粒主要以沙子為主，比重達67.3%；其次為礫石，比重達27.6%；粉土和黏土含量較低，分別為4.0%和1.0%。10—20 cm層沉積物顆粒主要以礫石和沙子為主，比重分別為44.3%和43.4%；粉土和黏土含量較低，分別為9.7%和2.6%。

圖3 古河道采樣點顆粒級配隨采樣深度變化

古河道采樣點粒度組成主要表現(xiàn)為上層細、下層粗的特點，上層細砂含量為64.4%，下層石塊含量為33.4%，屬于典型的河流沖積物二元沉積相結構[33-34]。表層的細粒物質(zhì)較多是由于河漫灘沉積物在洪水泛濫時，懸移質(zhì)沉積物向河道兩側(cè)溢出，形成以沙子、粉土等細粒物質(zhì)為主的沉積層，在下層則形成了以礫石、粗砂為主的沉積層，因而在垂直剖面上構成了典型的二元相沉積互層。其中采樣點6地表基本無礫石覆蓋，主要由于該區(qū)域地勢較低，頻繁的風沙作用，細顆粒物質(zhì)在該處大量堆積。

3.2.2 特征參數(shù) 通過表4可看出，3個采樣點沉積物平均粒徑均屬于沙子(-1

表4 古河道采樣點粒度參數(shù)

3.3 兩種典型區(qū)粒度組成及特征參數(shù)差異分析

額濟納旗戈壁不同沉積環(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。對比兩種典型區(qū)域樣品沉積物的粒度組成及特征參數(shù)發(fā)現(xiàn)，東居延海湖岸樣品沉積相相比于古河道采樣點更細，其沉積物組成以沙子為主，細粒組分粉土和黏土含量明顯高于古河道采樣點。戈壁沉積物粒度組成有一定的變化規(guī)律，采樣點1,2，3沿縱剖面方向，其粒度組成逐漸變細，且以砂礫為主；采樣點4,5，6表層以沙粒為主，下部以礫石為主。各樣點不同層次粒度組成主要與顆粒的搬運堆積方式有關。整體來看，古河道采樣點(采樣點4,5，6)平均粒徑小于湖岸采樣點(采樣點1,2，3)，沉積物顆粒粒徑較湖岸采樣點更粗。兩種地貌類型采樣點沉積物分選狀況均呈分選差或分選較差，這也反映了不同沉積物沉積動力的差別與沉積過程的復雜性，不同粒徑的沉積物互相混合，造成戈壁沉積物分選性差。兩種地貌類型采樣點沉積物偏度范圍在-0.77～1.70，除采樣點6的0—10 cm層沉積物偏度為負偏，采樣點1的5—40 cm層為極正偏，采樣點2的0—2 cm層為近對稱，其余層均為正偏。這說明沉積物主要以侵蝕過程為主，顆粒粗化明顯。僅在采樣點6的0—10 cm層依然有著現(xiàn)代沉積的不斷堆積。兩種地貌類型采樣點沉積物峰態(tài)接近，范圍在2.67～9.00，頻率曲線形態(tài)基本表現(xiàn)為很寬平和非常寬平，表明沉積物粒度在各級別的優(yōu)勢不明顯，沉積物質(zhì)可能是由不同的物源分選之后形成的混合物。

獨立樣本均值t檢驗結果表明(表5)，兩種地貌類型采樣點戈壁沉積物粒度組成中，湖岸采樣點黏土組分含量(7.44±4.38)%明顯高于古河道采樣點(1.85±1.48)%，差異有統(tǒng)計學意義(t=2.606，p=0.02<0.05)；湖岸采樣點粉土組分含量(38.42±19.33)%明顯高于古河道采樣點(6.85±5.49)%，差異有統(tǒng)計學意義(t=3.23，p=0.006<0.05)；湖岸采樣點沙子組分含量(48.09±21.34)%低于古河道采樣點(55.37±16.98)%，差異無統(tǒng)計學意義(t=-0.669，p=0.514>0.05)；湖岸采樣點礫石組分含量(6.03±10.35)%明顯低于古河道采樣點(35.96±15.18)%，差異有統(tǒng)計學意義(t=-3.855，p=0.002<0.05)?？梢?，湖岸采樣點黏土和粉土含量明顯高于古河道采樣點，沙子含量相接近，礫石含量則明顯更低，這也體現(xiàn)了湖相沉積較河流相沉積，沉積物顆粒較細的特點。兩種地貌類型采樣點戈壁沉積物粒度參數(shù)中，湖岸采樣點平均粒徑(4.65±1.52)明顯大于古河道采樣點(1.47±0.81)，差異有統(tǒng)計學意義(t=3.567，p=0.003<0.05)；湖岸采樣點分選系數(shù)(2.72±0.59)與古河道采樣點(2.82±0.76)接近，無顯著差異(t=-0.315，p=0.759>0.05)；湖岸采樣點偏度(0.91±0.58)大于古河道采樣點(0.43±0.61)，差異無統(tǒng)計學意義(t=2.047，p=0.59>0.05)；湖岸采樣點峰態(tài)(5.17±2.17)與古河道采樣點(4.94±1.77)接近，無顯著差異(t=0.26，p=0.798>0.05)。

表5 兩種地貌類型戈壁沉積物顆粒組成及粒度參數(shù)t檢驗

4 結 論

(1) 額濟納旗戈壁各采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。湖岸采樣點上層沉積物粒度組成受侵蝕過程影響，顆粒組成以沙子和礫石為主，粉土和黏土質(zhì)量含量相對更低；下層沉積物顆粒組成則主要受沉積過程影響，主要以沙子和粉土為主；古河道采樣點0—10 cm層沉積物顆粒主要以沙子為主，10—20 cm層沉積物顆粒主要以礫石和沙子為主。

(2) 湖岸采樣點下層顆粒平均粒徑大于上層，下部沉積物較上部更細，沉積物有細化趨勢；河道采樣點0—10 cm層與10—20 cm層平均粒徑相近，但下層沉積物較上層含有更多礫石組分。湖岸采樣點平均粒徑顯著大于古河道采樣點，兩種地貌類型分選系數(shù)則無明顯差異，取值范圍為1.48～3.84，分選狀況均呈分選差或分選較差。

(3) 兩種地貌類型采樣點偏度無顯著差異，偏度變化范圍為-0.77～1.70，正偏、極正偏比例占88.8%，近對稱和負偏均占5.6%。兩種地貌類型采樣點沉積物主要以侵蝕過程為主，顆粒粗化明顯，僅在采樣點6的0—10 cm層依然有著現(xiàn)代沉積的不斷堆積。兩種地貌類型采樣點峰態(tài)無顯著差異，峰態(tài)值的變化范圍為2.67～9.00，寬平占5.1%，很寬平占整體的50%，非常寬平占44.4%。表明沉積物粒度在各級別的優(yōu)勢不明顯。