風季轉(zhuǎn)換對毛烏素沙地南緣橫向沙丘斷面形態(tài)及表面沉積物的影響

風季轉(zhuǎn)換對毛烏素沙地南緣橫向沙丘斷面形態(tài)及表面沉積物的影響

砂的沉積粒度特征是沙區(qū)地形研究的主要內(nèi)容之一。由于沙源沉積物結(jié)構(gòu)及風況等環(huán)境的不同，各地沙丘在沉積物組成上具有明顯的區(qū)別。同時，沙丘形態(tài)與氣流之間相互作用，使風力分選作用在不同形態(tài)和同一形態(tài)沙丘各部位之間也都出現(xiàn)不同程度的差異。這些差異以最大程度表現(xiàn)在沙丘沙粒度組成上，并導致不同類型沙丘由兩側(cè)坡腳至丘頂?shù)亩喾N粒度分布模式。然而，這些粒度分布模式幾乎都是基于某一時期一次采樣分析的結(jié)果。對Namib沙漠縱向沙丘表面沉積物的逐月多次采樣分析結(jié)果顯示，粒徑及分選參數(shù)分布具有明顯的月變化，且這種差異在不同風季月份之間較大，在相同風季月份之間較小。這表明不同方向風的交替作用使沙丘表面沉積物粒度分布發(fā)生季節(jié)性變異，而且在風向發(fā)生轉(zhuǎn)換期間也可能發(fā)生逐旬逐日的變化。為此，我們選擇東南季風西北邊緣的毛烏素沙地南緣橫向沙丘，在風向轉(zhuǎn)換期間，通過多次形態(tài)測量和沉積物樣品采集，對風向和沙丘形態(tài)變化的沉積物粒度響應作一探討。1采樣時采樣樣品毛烏素沙地南緣地貌景觀以成片狀的流動、半固定沙丘（地）與河谷、湖盆灘地相間為特色。其中，沙丘走向呈SSW-NNE向，西北坡長而緩，東南坡短而陡，高度10m左右，間距100～150m，為典型的橫向沙丘。該區(qū)屬大陸型溫帶季風半干旱氣候，夏季炎熱多暴雨、冬季干冷多風，年均溫7.9℃，年均降水量390mm，年均風速3ms-1。冬春季節(jié)盛行西北風，夏秋兩季以東南風為主，起沙風集中出現(xiàn)在冬末春季。一分鐘平均風速≥6ms-1的起沙風占全年的28.2%，其中，來自西北方向的起沙風占54.5%，來自東南方向的起沙風占28.9%；西北風頻率以3月份最高，5月份以后開始劇降至7、8、9月達到最低水平，東南風頻率以5月最高，10月至次年4月降至最低（圖1）。5、6月份是該區(qū)兩個方向風相持并轉(zhuǎn)換的月份，也是該區(qū)橫向沙丘丘頂前后擺動和迎風坡與背風坡的轉(zhuǎn)換時期。采樣沙丘位于毛烏素沙地南緣的連片沙地中(東經(jīng)108°53′06″～108°53′51″，北緯36°46′33″～37°47′06″)。沙丘高度8m，垂直于脊線的斷面長度48m。于2004年5月15日至6月16日，根據(jù)某一方向風的持續(xù)時間，以4～7天為間隔共7次采集了沙丘表面由兩側(cè)坡腳至丘頂沉積物樣品。采樣點均勻分布在垂直于沙丘脊線的斷面（圖2），間隔2m，深度距沙面5cm，面積20cm×20cm。樣品總計180個，每一樣品重500g左右。室內(nèi)對所采樣品以1/3Φ間隔篩析稱重后，以重量百分比表示各粒級含量。粒度參數(shù)采用Folk和Ward圖解法計算。此外，在每次取樣的同時還測量了沙丘斷面形態(tài)，收集了臨近氣象站24小時風向風速記錄，以分析不同方向風對沙丘形態(tài)和沉積物的作用。2結(jié)果分析2.1丘頂擺動特征圖2圖3是在7次采樣期間（a～g）沙丘斷面形態(tài)和相應的起沙風況。在采樣期間，沙丘斷面總體上保持西北坡長而緩和東南坡短而陡的橫向沙丘形態(tài)。隨著西北風與東南風的多次轉(zhuǎn)換，沙丘斷面形態(tài)發(fā)生了一定的變化，主要表現(xiàn)在沙丘頂部的前后擺動和兩側(cè)坡度的變化。第一次采樣的前幾日東南及偏南風持續(xù)作用了一段時間（圖3a），此時沙丘斷面呈尖頂狀，西北坡丘頂附近形成小型滑落面（坡度30°），其余部分舒緩（平均坡度為12°），東南坡呈上緩下陡。第二和第三次采樣時期盛行西北風，起初即第二次采樣期間（圖3c），風力較小且風向變化范圍較寬，丘頂附近坡度較緩而斷面呈渾圓，西北坡丘頂附近坡度逐漸由28°降至7.5°，其余部分變陡（13°），東南坡丘頂附近坡度降至19°，中下部無明顯變化；到第三次采樣期間（圖3c），強西北風持續(xù)作用使沙丘斷面呈尖頂狀，幾乎整個東南坡發(fā)育滑落面，西北坡變緩（11）。由第一次采樣到第三次采樣期間，沙丘丘頂向東南移動了1.8m，沙丘高度降低了近1m。自第四次開始到第六次采樣期間（圖3d至圖3f），又轉(zhuǎn)為東南風并逐漸強盛，開始微弱的東南風加之少量降水使沙丘丘頂呈渾圓狀，隨后較強的東南風使沙丘東南坡變緩（丘頂附近12，中下部21），西北坡丘頂附近形成小型滑落面（坡度達33°），丘頂向西北方向移動了4m，高度增加了0.5m。最后一次采樣，（圖2.g），轉(zhuǎn)為弱的西北偏北風，且持續(xù)時間較短，丘頂兩側(cè)坡度有稍許變化，東南坡形成小型滑落面而變陡，西北坡變緩。在整個采樣期間，沙丘丘頂前后擺動的總量達6m以上，向西北凈移動了2.5m；丘頂高度變化總量達3m，降低了0.5m。2.2沙粒度與沙粒粒徑的關(guān)系利用Folk和Ward圖解法計算的沙丘沙粒度參數(shù)見圖4和表1。毛烏素沙地橫向沙丘沙以細沙為主（占90%以上）,粉沙含量極少，不含粗沙。平均粒徑為2.23～2.94Φ（0.130～0.213mm）。與其他沙漠同一類型沙丘沙相比，細于南部非洲Namib沙漠沙（2.1～2.2Φ）、阿拉伯半島的Jafurah沙漠沙丘沙（1.85～2.63Φ）和Nafud沙漠沙（1.21～2.21Φ）,粗于我國塔克拉瑪干沙漠沙（2.39～3.47Φ），騰格里沙漠東南緣（2.57～3.15Φ）。標準偏差介于0.28～0.48，屬分選性好至極好，好于上述沙漠（Namib,0.55～0.84;Jafurah,0.3～1.13;Nafud,0.54～1.23）。頻率曲線偏度負偏至極正偏（-0.19～0.35），峰度值介于0.72～1.43，多數(shù)為單峰尖窄型。沙丘沙粒度參數(shù)相互之間具有良好的相關(guān)性(圖4)。平均粒徑與標準差和峰度之間呈線性正相關(guān)，即隨平均粒徑變細，分選性變好，頻率曲線由粗偏（負偏）的雙峰寬平變?yōu)閷ΨQ或稍細偏（正偏）的單峰尖窄。平均粒徑與偏度之間呈明顯的二次多項式關(guān)系（R2=0.59,p<0.001），且約以2.6Φ為分界，在粗粒徑區(qū)間，隨著平均粒徑變細，偏度趨于負偏；在細粒徑區(qū)間，隨平均粒徑的減小，偏度趨于正偏。在沙丘斷面，同一部位不同時期采集樣品的粒度參數(shù)都有不同程度的變化（表1）。其中，以平均粒徑和偏度的變化最為明顯，表明這兩個參數(shù)對風的作用最敏感；標準偏差變化較小。粒徑和偏度變化最大部位是丘頂區(qū)域和東南坡腳，其次為西北坡中、上部，西北坡下部和坡腳變化最小。圖5是在強西北風作用時期（第三次采樣，圖3中的c斷面）和東北風強盛時期（第六次采樣，圖3中的f斷面）的沙丘斷面及其平均粒徑的變化。沙丘西北坡上同一部位的粒徑在兩個方向相反的風力作用下差異顯著。在西北風作用時期，最細粒徑出現(xiàn)在東南坡的丘頂附近、西北坡上部和坡腳，最粗粒徑出現(xiàn)在東南坡坡腳和西北坡丘頂附近和中坡；在東南風作用時期，最細粒徑出現(xiàn)在西北坡丘頂附近和中部，最粗粒徑出現(xiàn)在東南坡下部和丘頂。在西北風作用下的西北坡粒徑明顯粗于東南風作用的同一坡，且平均粒徑由坡腳至丘頂?shù)淖兓纫惨晕鞅憋L作用時期大于東南風作用時期。圖6是西北風和東北風作用時期沙丘丘頂（I）、西北坡上部（K,M）和中部（Q）沙粒粒徑頻率曲線。丘頂沙粒在西北風作用下粒徑主要集中在3Φ附近，頻率曲線呈對稱的單峰尖窄型，而在東南風作用下沙粒粒徑百分含量在2～3Φ之間相差很小，頻率曲線變?yōu)榇制碾p峰寬平型，表明丘頂區(qū)域在西北風作用下細顆粒積累，粒徑變細，分選變好；而在東南風作用下細顆粒損失而粗顆粒相對聚集，粒徑變粗，分選相對變差。西北坡中、上部沙粒在兩個方向風作用時期的粒徑頻率曲線與丘頂情況恰好相反，表明這些部位在西北風作用時期粗顆粒增多，而在東北風作用時期細顆粒含量增加。圖7是沙丘特征部位平均粒徑、偏度隨第一次到第七次采樣時間的依次變化。顯示從采樣初期到最后一次，沙粒粒徑和偏度隨風向、風速變化具有明顯的變化趨勢。在前三次采樣期間西北風的作用下，丘頂平均粒徑變細，偏度趨于負偏；西北坡中、上坡粒徑逐漸變粗、偏度趨于負偏。第四次至第六次東南風作用加強，丘頂粒徑變粗，偏度趨于正偏，西北坡中上部粒徑變細，偏度趨于對稱。3沙粒粒度參數(shù)與形態(tài)的關(guān)系毛烏素沙地南緣橫向沙丘沙主要由細沙組成，平均粒徑與分選參數(shù)之間存在良好的相關(guān)性。其中，平均粒徑與標準偏差和峰度之間同樣的關(guān)系趨勢也存在于其他沙區(qū)同一類型沙丘沙中。至于平均粒徑與偏度之間的關(guān)系，許多學者認為二者之間有明顯相關(guān)性，但關(guān)系趨勢卻截然不同。Ahlbrandt認為以平均粒徑1.75Φ為界限，偏度隨平均粒徑的變化出現(xiàn)兩種相反的趨勢。在非洲南部沙漠和澳大利亞海岸沙丘發(fā)現(xiàn)沙丘沙偏度隨平均粒徑的減小趨于負偏。在塔克拉瑪干沙漠沙丘沙顯示偏度隨平均粒徑的變細趨于正偏。這種相反關(guān)系趨勢的存在，可能與沙粒本身的粒徑有關(guān)，前一趨勢出現(xiàn)的地區(qū)沙粒粒徑均比較粗，而后一趨勢出現(xiàn)在目前所知沙漠沙丘沙中最細的沙丘沙。本區(qū)沙丘沙平均粒徑介于二者之間，但也出現(xiàn)兩種關(guān)系趨勢。這說明沙丘沙偏度與平均粒徑的關(guān)系僅在某一粒徑范圍內(nèi)比較明顯，而且因各地沙丘本身粒徑級配之間的差異，偏度隨平均粒徑變化趨勢不可能一致。各地沙丘表面粒度分布模式主要有兩種：一種是由兩側(cè)坡腳到丘頂，粒徑變細，分選變好；另一種，由丘底到丘頂，粒徑變粗，分選變好。本區(qū)橫向沙丘沙的粒徑及分選參數(shù)由兩側(cè)坡腳至丘頂?shù)淖兓菨u變的，沒有出現(xiàn)能夠代表沙丘丘頂、坡部、坡腳及丘間地亞環(huán)境的明顯粒度組分。盡管風成沙粒度參數(shù)在沙丘表面的變化幅度較其他沙區(qū)小，但就其同一部位粒度參數(shù)的平均值而言（表1），丘頂沙粒粒徑最粗（除東南坡較粒徑最粗外）、分選最好，并向兩側(cè)變細、變差。但是，在單一采樣結(jié)果中，沙丘斷面尤其在西北坡上都沒有顯示由兩側(cè)坡腳至丘頂逐漸變細或變粗的趨勢。沙丘表面粒度分布是沙丘形態(tài)與氣流之間相互作用導致的沙丘表面輸沙率及蝕積格局變化的產(chǎn)物。沙丘通過改變其形態(tài)以適應當時氣流環(huán)境，并通過形態(tài)-氣流相互作用形成自身的表面氣流氣流。在不同區(qū)域氣流環(huán)境下的這種特征氣流控制著沙丘輸沙率和蝕積格局，進而決定表面沉積物的粒度分異。沙丘表面的侵蝕與堆積主要取決于沙丘表面氣流的剪切風速大小。風速在橫向沙丘迎風坡放大且在丘頂達到最高值時,最大剪切力出現(xiàn)在迎風坡坡度最陡的部位,氣流在丘頂及其背風側(cè)的分離使剪切力在此處降至最低值，從而最大侵蝕發(fā)生在迎風坡坡度最陡的部位,最大沉積發(fā)生在丘頂附近的背風側(cè)。沙粒沖擊起動風速在粒徑3.2Φ（0.1mm）處最小，該粒徑范圍的沙粒在風力作用下最易移動。在正常情況下，如果侵蝕作用加強，躍移質(zhì)細顆粒組分損失，粒徑變粗。反之，堆積作用加強，則躍移質(zhì)細顆粒積累，沙粒粒徑變細。因此，在毛烏素沙地南緣，區(qū)域風的方向及強度的變化，改變了沙丘表面蝕積格局，也改變了沙丘表面沉積物的粒度分布形式。本區(qū)沙丘在西北風和東南風交替作用下，表面沉積物粒徑與分選參數(shù)的分布及其變化與斷面形態(tài)尤其丘頂區(qū)域和兩側(cè)坡形等變化之間存在良好的一致性（圖4）。在西北風作用時期，其西北坡成為迎風坡處在侵蝕環(huán)境，東南坡成為背風坡處于堆積環(huán)境。其中，西北坡上部丘頂附近和中部，因坡度陡、坡形下凹而侵蝕作用相對強，粒徑較粗，分選較差，頻率曲線為粗偏的雙峰態(tài)寬平型（圖6）；氣流在丘頂及其背風側(cè)的分離使風速降低，沙粒沉積，導致丘頂?shù)纳沉Ａ阶兗毞诌x變好；來自西北坡（迎風坡）的沙粒在東南坡上的堆積，使坡度增加最終出現(xiàn)滑落面，滑落面上重力作用使粗顆粒優(yōu)先向下積累，在東南坡沙粒粒徑向下變粗、分選變差。在東南風作用時期，東南坡作為迎風坡，因坡度陡，氣流在丘頂附近異常加速使此處侵蝕加強，導致細顆粒缺失粗顆粒相對富集而粒徑變粗。由于西北坡（背風坡）坡度較緩，越過丘頂?shù)臍饬髟诙叹嚯x內(nèi)分離后重附著并沿坡向下攜帶沙粒。沙粒在西北坡上主要以沉降和沙紋遷移形式堆積，從而導致滑落面底沙粒粒徑變粗，滑落面下風測粒徑變細、分選變好，頻率曲線為單峰態(tài)尖窄型（圖6）。此外沙丘西北坡下部沉積物粒度參數(shù)隨時間或隨風向變化沒有出現(xiàn)明顯的差異，可能與西北風作用時期受上風側(cè)沙丘的屏障作用，以及東南風作用時期背風坡氣流流速向下坡減小等有關(guān)。Livingstone對Namib沙漠線形沙丘表面沉積物的逐月多次采樣分析結(jié)果表明，沙丘粒徑及分選參數(shù)分布存在明顯的月變化。在本區(qū)，沙丘同一部位的粒度參數(shù)隨采樣時間的變化（圖7）不僅與風向變化之間存在較好的一致性，而且隨同一方向風的強弱變化也出現(xiàn)相應的差異。原因在于，弱風環(huán)境中沙丘迎風坡侵蝕范圍和強度小但丘頂發(fā)生侵蝕；在強風環(huán)境中沙丘迎風坡侵蝕范圍和強度增加但丘頂發(fā)生沉積。同時，在區(qū)域風向轉(zhuǎn)換時期，風的方