別里庫姆沙漠胡楊回渦沙丘表層沉積物粒度特征

孔 霄，來風兵，陳蜀江，朱 選

(1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054；2.烏魯木齊空間遙感應用研究所，新疆 烏魯木齊 830054；3.蒙納士大學，維多利亞 墨爾本 3800)

0 引 言

粒度是碎屑沉積物重要的物理指標，表示不同粒徑顆粒在樣品中所占的百分比[1]。受物源、沉積環(huán)境、搬運條件及沉積后風化作用的影響，沙丘表層沉積物的粒度反映沉積物的重要結(jié)構(gòu)特征，在此基礎上結(jié)合地形地勢、植被覆蓋和地表風動力等因素可分析風沙地貌的形成機制[2-4]?；販u沙丘是風沙流運移至障礙物前遇阻堆積形成的一種沙丘類型[5]。在別里庫姆沙漠，胡楊是主要的障礙物，風沙流遇其導致風速減慢，沙粒堆積，形成胡楊回渦沙丘。因此，研究胡楊回渦沙丘表層沉積物粒度特征在了解近地表輸沙動力、分析風沙沉積環(huán)境以及反演風沙環(huán)境變化等方面均有重要意義。

目前，關于沉積物粒度特征的研究主要集中在海洋沉積物、湖泊沉積物、河流沉積物、黃土和沙漠沙5個方面。如Shuut等[6]、張曉東等[7]、司賀園等[8]通過分析粒徑趨勢以判斷海洋沉積物的運輸方向；華春[9]、Folk[10]、王蘇民等[11]、王麗媛等[12]根據(jù)湖泊沉積物粒度組成及特點，闡明沉積環(huán)境或湖面水位高低情況；謝裕江等[13]研究河流疏松砂巖的粒度特征，并對其進行成因判別；陽輝等[14]、劉紅等[15]研究河流表層沉積物樣品的粒度分布特征，認為地貌條件、自然條件是影響粒度組成的重要因素；Pye[16]、李越等[17]說明黃土沉積物的粒度組成受風力、地形等因素影響；古啟慧[18]、Folk[19]探討了風成沙粒度組成特征及與物源之間的關系，認為沙物質(zhì)粒度分布特征和物源間存在直接關系。關于回渦沙丘粒度的研究，錢廣強等[5]通過對比同一地區(qū)回渦沙丘與新月形沙丘表面沉積物特征，認為前者經(jīng)歷風力風選過程更為強烈；毛東雷等[20]對比研究灌叢沙堆與回渦沙丘表面粒度特征，發(fā)現(xiàn)后者表面沙粒平均粒徑和偏度值大于前者，而分選系數(shù)和峰度值小于前者。

綜上所述，雖然國內(nèi)外學者對沉積物粒度特征已做出了系統(tǒng)研究，但關于別里庫姆沙漠胡楊回渦沙丘表面沉積物粒度特征鮮見報道。本文通過對別里庫姆沙漠胡楊回渦沙丘進行現(xiàn)場考察，采集胡楊回渦沙丘不同地貌部位表層沉積物樣品195個，利用Mastersizer-2000激光粒度儀進行粒度測試并分析粒度特征，以期為探明回渦沙丘的形成機制提供基礎數(shù)據(jù)，并為植物固沙工程建設提供科學參考。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

別里庫姆沙漠位于塔克拉瑪干沙漠的西南部，北接麻扎塔格山南部，東鄰和田河，地理坐標為37°35′—38°44′N、79°52′—80°40′E(圖1)。研究區(qū)深處內(nèi)陸，屬于溫帶大陸性極端干旱荒漠氣候，歷年最高極端氣溫為43.20 ℃，極端最低氣溫為-28.40 ℃，年均蒸發(fā)量為2 648.70 mm，年均降水量僅為39.61 mm且主要集中在5月至8月[21]。利用自建的測風站(風速風向傳感器高度2 m)數(shù)據(jù)(2018-01—2018-12)統(tǒng)計分析表明，研究區(qū)的最大風速可達11.7 m/s，春季風速較大，平均風速為1.86 m/s，并多伴有浮塵，偶有沙塵暴。全年起沙風日數(shù)90 d，主要風向為N、NNW向。該區(qū)的植被構(gòu)成單一，主要以喬木層(胡楊)為主，有少量的檉柳(TamarixchinensisLour.)分布，地表以風沙土為主[22]。因古河流多次自西向東發(fā)生改道，地下水位埋深范圍為0.15～83.20 m[23]，為胡楊的生長提供了有利的水源條件。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the study area

1.2 樣品采集與分析方法

1.2.1 樣品采集

基于多次野外考察及道路的可達性，筆者所在的研究團隊于2019年5月赴研究區(qū)進行調(diào)查采樣，以兩條沙漠公路作為研究區(qū)的兩條縱、橫斷線，縱斷線從南部綠洲荒漠過渡帶邊緣到北部麻扎塔格山南麓山腳下，每隔約30 km處選擇1個樣區(qū)，而在100 km處，未發(fā)現(xiàn)有胡楊的存在及胡楊回渦沙丘的發(fā)育，故而選擇4個樣區(qū)；橫斷線因可進入性，從東到西選擇兩個樣區(qū)，大致間隔30 km。合計6個樣區(qū)(表1)，每個樣區(qū)選擇1～3個典型胡楊回渦沙丘，用GPS定位并編號，按0.3 m×0.3 m的樣方對角線采集左翼尾、左翼中外坡腳、左翼中坡頂、左翼中內(nèi)坡腳、背風坡后丘間地、背風坡坡腳、背風坡坡中、丘頂、迎風坡坡中、迎風坡坡腳、迎風坡前丘間地、右翼中內(nèi)坡腳、右翼中坡頂、右翼中外坡腳、右翼尾15個部位表層3 cm的物質(zhì)樣品以代替整個胡楊回渦沙丘的表層物質(zhì)(圖2)。

表1 6個樣區(qū)胡楊回渦沙丘的基本情況

圖2 別里庫姆沙漠胡楊回渦沙丘盛行風向(a)與采樣點(b)Fig.2 Prevailing wind direction (a) and sampling point sketch (b) of populus euphratica echo dunes in the BrikumDesertA.左翼尾；B.左翼中外坡腳；C.左翼中坡頂；D.左翼中內(nèi)坡腳；E.背風坡后丘間地；F.背風坡坡腳；G.背風坡坡中；H.丘頂；I.迎風坡坡中；J.迎風坡坡腳；K.迎風坡前丘間地；L.右翼中內(nèi)坡腳；M.右翼中坡頂；N.右翼中外坡腳；O.右翼尾

1.2.2 粒度分析

樣品經(jīng)自然風干后進行篩分，將粒徑<2 mm的組分裝袋編號并于2019年7月送往蘭州大學西部環(huán)境教育部重點實驗室進行分析。取0.2～0.4 g樣品放置于100 ml的燒杯，加入10 ml的雙氧水(H2O2)，加熱至變清且無細小泡沫以去除有機質(zhì)；其后加入10 ml的鹽酸(HCl)溶液煮沸以去除碳酸鹽；待燒杯冷卻后，將燒杯內(nèi)注滿蒸餾水，靜置12 h，去除Ca2+、H+等離子；最后加入10 ml的10%的分散劑六偏磷酸鈉(NaPO3)6，使用超聲波振蕩10 min后進行測量。經(jīng)上述處理后的粒度樣品采用Matersizer 2000激光粒度測試儀進行測定，其測試范圍為0.02～2 000 μm，重復測量相對誤差小于2%。根據(jù)測量結(jié)果，用Folk-Ward粒度公式和GRADISTAT軟件求出各粒度參數(shù)，并應用Wentworth分類方法進行粒度分級[24]。

1.2.3 粒級-標準偏差法

以粒級為橫坐標、每一粒級的所有樣品數(shù)據(jù)計算的標準偏差為縱坐標繪制粒級標準偏差曲線，進而以此曲線反映各樣品顆粒在某粒級上含量的差異性，并獲取環(huán)境敏感粒度組分[1,25-26]。標準偏差的計算公式如下:

(1)

式中:s為偏差；n為樣本數(shù)；si為樣本值。

1.2.4 Sahu成因判別

粒度參數(shù)能夠反映沉積物的形成環(huán)境[27-28]。Sahu通過對風成沙丘、風成坪地、淺海、三角洲和河床等碎屑沉積物進行大量采樣分析，根據(jù)Folk-Ward粒度參數(shù)公式計算出平均粒徑、分選系數(shù)、偏度和峰度，應用線性多元類別分析方法，建立用以區(qū)別沙丘、海灘、淺海、河流和濁流這5種常見沉積環(huán)境的經(jīng)驗判別公式[29]。由于Sahu判別公式的建立以世界各地大量的現(xiàn)代沉積環(huán)境樣品為基礎，在中國的地質(zhì)研究中被廣泛應用。本研究在Folk-Ward粒度參數(shù)公式計算出4個基本參數(shù)的基礎上，采用Sahu判別公式[29]計算6個樣區(qū)胡楊回渦沙丘的判別值，對沉積作用和沉積環(huán)境進行判別，計算公式如下:

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

(2)

式中:Y為判別參數(shù)，Mz、σ、SK、K分別為平均粒徑、標準偏差、偏度和峰度。

2 結(jié)果與分析

2.1 6個樣區(qū)胡楊回渦沙丘表層沉積物粒度組成與粒度參數(shù)

2.1.1 胡楊回渦沙丘表層沉積物粒度組成

根據(jù)粒度測試結(jié)果可知，別里庫姆沙漠胡楊回渦沙丘表層沉積物粒度組成(圖3)以砂為主，其體積百分含量均值為90.234%；其次是粉砂，其體積百分含量均值為9.766%；無黏土和礫。胡楊回渦沙丘各粒級的體積百分含量分布特征是:極細砂的含量均值為49.121%，位于各粒級含量之首；細砂的含量次之，均值為36.356%；再次為極粗粉砂，含量均值為8.297%；第4位的是中砂含量，均值為4.917%；其余粒級的含量相對較少，依次是中粉砂、粗粉砂、細粉砂、粗砂，均值含量分別為1.369%、0.218%、0.053%、0.011%。

圖3 6個樣區(qū)胡楊回渦沙丘表層沙物質(zhì)粒級組成Fig.3 Grain size of the surficial sediment samples from the populus euphratica echo dunes in the six sampling sites

從6個樣區(qū)來看，樣區(qū)1的極粗粉砂和中粉砂含量較高，分別為9.460%和1.539%；樣區(qū)2的中砂、粗砂和細粉砂含量較高，分別為8.214%、0.040%和0.073%；樣區(qū)3的極細砂含量較高，為56.306%；樣區(qū)5細砂和粗粉砂的含量較高，分別為42.356%和0.360%。從樣區(qū)1到樣區(qū)4，粉砂含量逐漸降低，砂含量不斷增加；樣區(qū)5的砂含量高于樣區(qū)6，粉砂含量則低于樣區(qū)6。綜上，別里庫姆沙漠從南向北、從西向東胡楊回渦沙丘表面沉積物粒級均呈現(xiàn)變粗趨勢。

2.1.2 胡楊回渦沙丘表層沉積物粒度參數(shù)

通過對別里庫姆沙漠6個樣區(qū)胡楊回渦沙丘195個表層沉積物樣品的測試結(jié)果進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)別里庫姆沙漠胡楊回渦沙丘表層沉積物粒徑分布在4.477～796.214 μm之間。胡楊回渦沙丘表面沉積物的粒級為31～250 μm的沙物質(zhì)顆粒超過93%，即主要集中在極細砂、細砂和極粗粉砂3個粒級范圍。根據(jù)Folk等[10]提出的方法對6個樣區(qū)的樣品進行計算，結(jié)果(表2)顯示，6個樣區(qū)胡楊回渦沙丘平均粒徑、中值粒徑的變化范圍分別為2.514φ～3.483φ(89.427～175.107 μm)、2.405φ～3.428φ(89.337～178.250 μm)，均值分別為3.109φ(117.381 μm)、3.172φ(111.548 μm)，這表明別里庫姆沙漠胡楊回渦沙丘的粒度集中分布在細砂和極細砂的范圍內(nèi)；分選系數(shù)介于0.527 ～0.944之間，均值為0.650，且較好分選者占比為71.79%，這反映出別里庫姆沙漠胡楊回渦沙丘分選程度整體較好；偏度介于-0.063～0.188之間，均值為0.019，且97.94%的表層物質(zhì)樣品屬于近對稱分布，而正偏的僅占2.06%；峰度值在0.922～1.015之間，均屬于中等峰態(tài)。

由6個樣區(qū)胡楊回渦沙丘表層沉積物粒度參數(shù)(表2)可知，6個樣區(qū)胡楊回渦沙丘平均粒徑、中值粒徑按粒徑均值大小進行排序，即樣區(qū)5>樣區(qū)2>樣區(qū)6>樣區(qū)4>樣區(qū)1>樣區(qū)3，這表明樣區(qū)5的表層沉積物的粒徑偏大，而樣區(qū)3的偏??；分選系數(shù)的均值排序為樣區(qū)3<樣區(qū)4<樣區(qū)1<樣區(qū)6<樣區(qū)5<樣區(qū)2，說明樣區(qū)3的分選性最好，而樣區(qū)2的分選性最差，且樣區(qū)2分選中等者占57.78%；樣區(qū)4的偏度值最小，樣區(qū)6的偏度值最大、峰度值最小，樣區(qū)3的峰度值最大。

表2 6個樣區(qū)胡楊回渦沙丘表層沉積物粒度參數(shù)

2.2 粒級-標準偏差法提取環(huán)境敏感組分

6個樣區(qū)胡楊回渦沙丘表層沉積物的粒級-標準偏差曲線均呈現(xiàn)多峰分布特征(圖4)，表明別里庫姆沙漠胡楊回渦沙丘表層沉積物粒度受多因素影響，沉積環(huán)境不穩(wěn)定。6個樣區(qū)均呈現(xiàn)出明顯的雙峰分布，粒級-標準偏差曲線相對一致，環(huán)境敏感粒級組分集中在79.621～251.785 μm之間，指示6個樣區(qū)的沉積環(huán)境相近。

圖4 胡楊回渦沙丘表層沉積物粒級-標準偏差曲線Fig.4 Surficial sediment grade-standard deviation curves of the populus euphratica echo dunes

樣區(qū)1、樣區(qū)2、樣區(qū)5和樣區(qū)6的第一個明顯峰值均出現(xiàn)在89.337 μm處，樣區(qū)3和樣區(qū)4的第一個明顯峰值則均出現(xiàn)在79.621 μm處；樣區(qū)1、樣區(qū)3、樣區(qū)4和樣區(qū)6的第二個明顯峰值均出現(xiàn)在224.404 μm處，樣區(qū)2和樣區(qū)5的第二個明顯峰值則均出現(xiàn)在251.785 μm處，且每個樣區(qū)的峰值對應的敏感粒級組分存在差異，這可能是局部地形地貌、物源等原因造成的沉積環(huán)境差異。樣區(qū)5和樣區(qū)6的兩個明顯峰值處對應的標準偏差分別為1.817、1.877、2.066、2.042，而其他樣區(qū)明顯峰值對應的標準偏差介于1.593～1.817之間，即表明橫斷線的標準偏差略大于縱斷線的標準偏差；由此認為，橫斷線對環(huán)境變化的響應較為敏感，產(chǎn)生沉積動力條件或沉積過程等的沉積環(huán)境較不穩(wěn)定。

2.3 胡楊回渦沙丘表層沉積物成因判別分析

Sahu運用數(shù)學分析方法推導出不同沉積環(huán)境的判別公式(公式(2))，并認為判別值小于-2.741 1屬于風成沉積，大于-2.741 1屬于海灘沉積[29]。

將各個樣區(qū)胡楊回渦沙丘的表層沉積物基本參數(shù)的均值(表2)代入到公式(2)中，計算出樣區(qū)1到樣區(qū)6的判別值依次為-6.870、-5.965、-7.277、-6.958、-5.912、-6.495，均小于-2.741 1。因此，別里庫姆沙漠胡楊回渦沙丘表層沉積物屬于風成沉積。這與文星躍等[30]通過判別公式計算出青藏高原風成土壤的判別參數(shù)及研究結(jié)論基本一致。

3 討 論

第四紀氣候較為濕潤，昆侖山大量冰川融化，補給發(fā)源于該山的諸多河流，北坡皮山河、和田河、古克里雅河等地帶在山前形成規(guī)模相當?shù)娜侵奁皆璠31]。塔克拉瑪干沙漠的沙主要源于古代河流的三角洲、沖積平原和河湖相平原的沉積沙層[32]，綠洲發(fā)源于深厚的第四紀沖洪積平原及三角洲[33]。王濤[31]通過對皮山、墨玉綠洲的鉆孔研究，發(fā)現(xiàn)剖面沉積層的巖性為灰色細砂和粉砂，判定此三角洲平原沉積屬河流沖積物。胡楊回渦沙丘是廣泛分布于別里庫姆沙漠的一種風成地貌類型，本文通過Sahu判別公式對6個樣區(qū)的胡楊回渦沙丘表層沉積物的成因進行簡單判定，認為別里庫姆沙漠表層沉積物屬于風成沉積。由此推測，別里庫姆沙漠胡楊回渦沙丘表層物源受和田河及其古河道、南部綠洲下伏沉積層影響不大，而與其所處的風沙環(huán)境關系密切。

根據(jù)自建的測風站(風速風向傳感器高度2 m)數(shù)據(jù)(2018-01—2018-12)，別里庫姆沙漠受北風(約占14.375%)、偏西北風(約占34.375%)和偏東北風(約占23.750%)共同控制，“就地起沙”滿足本區(qū)沙物質(zhì)的供給，但在近地表10 cm高度內(nèi)輸送的沙物質(zhì)約占90%；而粒徑較細的沙物質(zhì)則以懸移方式在較高的高度進行長途輸送，沿途的補給量大于沙物質(zhì)的沉降量[34]，所以運移風沙流中的沙物質(zhì)沿程遇阻發(fā)生沉降堆積，因此導致別里庫姆沙漠從北向南胡楊回渦沙丘表面沉積物粒級呈現(xiàn)變細趨勢。樣區(qū)6位于橫斷線的拐角處，來自和田河的河道風沿沙漠石油公路的東半段貫入，風力較樣區(qū)5略為強勁，細粒物質(zhì)更易被風挾帶長途輸送，故而從西向東粒徑呈現(xiàn)變粗趨勢。

已有研究[20]表明，新疆策勒綠洲-沙漠過渡帶灌叢沙堆上風向回渦沙丘表面沙物質(zhì)主要以極細砂、極粗粉砂和細砂組成，這與本研究的結(jié)果“別里庫姆沙漠胡楊回渦沙丘表層沉積物的粒級組成以極細砂、細砂和極粗粉砂為主”相類似。但別里庫姆沙漠胡楊回渦沙丘表層沉積物的細砂含量高于策勒(策勒<16.78%，胡楊回渦沙丘>31.647%)，極粗粉砂含量低于策勒(策勒>18.99%，胡楊回渦沙丘<9.461%)。這是因為策勒處于綠洲-沙漠過渡帶，地表覆蓋高、地下水埋深較淺等生境條件優(yōu)于沙漠腹地，且植物阻擋風沙流并捕獲黏浮粉砂顆粒[35]，因此導致該地區(qū)的粉砂含量(主要為極粗粉砂)含量高于別里庫姆沙漠腹地胡楊回渦沙丘表層沉積物的粉砂含量。而沙漠大沙丘沙物質(zhì)粒級由細砂組成，粉砂含量較低(占比6.67%，胡楊回渦沙丘占比9.936%)[33]，即在沙漠大沙丘所處地帶，氣候條件相對惡劣，下墊面性質(zhì)單一，地表的起伏狀況反映地面的粗糙程度，風沙流運移過程中不受類似植被等障礙物因素的影響，當瞬時起沙風速足夠大時，致使較粗的沙物質(zhì)可被風沙流遠距離挾帶，從而使沙漠大沙丘沙的粒級較別里庫姆沙漠偏粗。此外，植物枝葉阻擋風沙流運移，根系的生長以及微生物的活動使顆粒變細[35]。胡楊作為喬木植被，其捕獲沙物質(zhì)依賴距離地面有一定高度的枝葉，且實地考察中發(fā)現(xiàn)別里庫姆沙漠的胡楊大多單株存活；灌草植物大多多株匍匐地面共同生長。由于生物學特性的差異，導致兩者對風場的干擾影響不同，進而影響蓄沙的沙物質(zhì)粒度。

4 結(jié) 論

本文通過對別里庫姆沙漠6個樣區(qū)的胡楊回渦沙丘195個表層沉積物樣品進行粒度分析，得到如下認識:

(1)別里庫姆沙漠胡楊回渦沙丘表面沉積物粒度組成以砂和粉砂為主，6個樣區(qū)從南向北、從西向東胡楊回渦沙丘表面沉積物粒級均呈現(xiàn)變粗趨勢。

(2)6個樣區(qū)平均粒徑的均值基本屬于極細砂的范圍(樣區(qū)5屬于細砂范圍)，71.79%的物質(zhì)樣品分選較好，97.94%的沉積物樣品屬于近對稱分布，100%的樣品屬于中等峰態(tài)。

(3)6個樣區(qū)的粒級-標準偏差曲線均呈現(xiàn)多峰分布，表明多因素影響沉積物粒度，沉積環(huán)境不穩(wěn)定。6條粒級-標準偏差曲線相對一致，6個樣區(qū)的沉積環(huán)境相近。橫斷線對環(huán)境變化的響應較為敏感，產(chǎn)生沉積動力條件或沉積過程等的沉積環(huán)境較不穩(wěn)定。

(4)6個樣區(qū)胡楊回渦沙丘表層沉積物的Sahu成因判別值范圍為-5.912～-7.277，均小于-2.741 1，因此別里庫姆沙漠胡楊回渦沙丘表層沉積物屬于風成沉積。