风季转换对毛乌素沙地南缘横向沙丘断面形态及表面沉积物的影响

风季转换对毛乌素沙地南缘横向沙丘断面形态及表面沉积物的影响

砂的沉积粒度特征是沙区地形研究的主要内容之一。由于沙源沉积物结构及风况等环境的不同，各地沙丘在沉积物组成上具有明显的区别。同时，沙丘形态与气流之间相互作用，使风力分选作用在不同形态和同一形态沙丘各部位之间也都出现不同程度的差异。这些差异以最大程度表现在沙丘沙粒度组成上，并导致不同类型沙丘由两侧坡脚至丘顶的多种粒度分布模式。然而，这些粒度分布模式几乎都是基于某一时期一次采样分析的结果。对Namib沙漠纵向沙丘表面沉积物的逐月多次采样分析结果显示，粒径及分选参数分布具有明显的月变化，且这种差异在不同风季月份之间较大，在相同风季月份之间较小。这表明不同方向风的交替作用使沙丘表面沉积物粒度分布发生季节性变异，而且在风向发生转换期间也可能发生逐旬逐日的变化。为此，我们选择东南季风西北边缘的毛乌素沙地南缘横向沙丘，在风向转换期间，通过多次形态测量和沉积物样品采集，对风向和沙丘形态变化的沉积物粒度响应作一探讨。1采样时采样样品毛乌素沙地南缘地貌景观以成片状的流动、半固定沙丘（地）与河谷、湖盆滩地相间为特色。其中，沙丘走向呈SSW-NNE向，西北坡长而缓，东南坡短而陡，高度10m左右，间距100～150m，为典型的横向沙丘。该区属大陆型温带季风半干旱气候，夏季炎热多暴雨、冬季干冷多风，年均温7.9℃，年均降水量390mm，年均风速3ms-1。冬春季节盛行西北风，夏秋两季以东南风为主，起沙风集中出现在冬末春季。一分钟平均风速≥6ms-1的起沙风占全年的28.2%，其中，来自西北方向的起沙风占54.5%，来自东南方向的起沙风占28.9%；西北风频率以3月份最高，5月份以后开始剧降至7、8、9月达到最低水平，东南风频率以5月最高，10月至次年4月降至最低（图1）。5、6月份是该区两个方向风相持并转换的月份，也是该区横向沙丘丘顶前后摆动和迎风坡与背风坡的转换时期。采样沙丘位于毛乌素沙地南缘的连片沙地中(东经108°53′06″～108°53′51″，北纬36°46′33″～37°47′06″)。沙丘高度8m，垂直于脊线的断面长度48m。于2004年5月15日至6月16日，根据某一方向风的持续时间，以4～7天为间隔共7次采集了沙丘表面由两侧坡脚至丘顶沉积物样品。采样点均匀分布在垂直于沙丘脊线的断面（图2），间隔2m，深度距沙面5cm，面积20cm×20cm。样品总计180个，每一样品重500g左右。室内对所采样品以1/3Φ间隔筛析称重后，以重量百分比表示各粒级含量。粒度参数采用Folk和Ward图解法计算。此外，在每次取样的同时还测量了沙丘断面形态，收集了临近气象站24小时风向风速记录，以分析不同方向风对沙丘形态和沉积物的作用。2结果分析2.1丘顶摆动特征图2图3是在7次采样期间（a～g）沙丘断面形态和相应的起沙风况。在采样期间，沙丘断面总体上保持西北坡长而缓和东南坡短而陡的横向沙丘形态。随着西北风与东南风的多次转换，沙丘断面形态发生了一定的变化，主要表现在沙丘顶部的前后摆动和两侧坡度的变化。第一次采样的前几日东南及偏南风持续作用了一段时间（图3a），此时沙丘断面呈尖顶状，西北坡丘顶附近形成小型滑落面（坡度30°），其余部分舒缓（平均坡度为12°），东南坡呈上缓下陡。第二和第三次采样时期盛行西北风，起初即第二次采样期间（图3c），风力较小且风向变化范围较宽，丘顶附近坡度较缓而断面呈浑圆，西北坡丘顶附近坡度逐渐由28°降至7.5°，其余部分变陡（13°），东南坡丘顶附近坡度降至19°，中下部无明显变化；到第三次采样期间（图3c），强西北风持续作用使沙丘断面呈尖顶状，几乎整个东南坡发育滑落面，西北坡变缓（11）。由第一次采样到第三次采样期间，沙丘丘顶向东南移动了1.8m，沙丘高度降低了近1m。自第四次开始到第六次采样期间（图3d至图3f），又转为东南风并逐渐强盛，开始微弱的东南风加之少量降水使沙丘丘顶呈浑圆状，随后较强的东南风使沙丘东南坡变缓（丘顶附近12，中下部21），西北坡丘顶附近形成小型滑落面（坡度达33°），丘顶向西北方向移动了4m，高度增加了0.5m。最后一次采样，（图2.g），转为弱的西北偏北风，且持续时间较短，丘顶两侧坡度有稍许变化，东南坡形成小型滑落面而变陡，西北坡变缓。在整个采样期间，沙丘丘顶前后摆动的总量达6m以上，向西北净移动了2.5m；丘顶高度变化总量达3m，降低了0.5m。2.2沙粒度与沙粒粒径的关系利用Folk和Ward图解法计算的沙丘沙粒度参数见图4和表1。毛乌素沙地横向沙丘沙以细沙为主（占90%以上）,粉沙含量极少，不含粗沙。平均粒径为2.23～2.94Φ（0.130～0.213mm）。与其他沙漠同一类型沙丘沙相比，细于南部非洲Namib沙漠沙（2.1～2.2Φ）、阿拉伯半岛的Jafurah沙漠沙丘沙（1.85～2.63Φ）和Nafud沙漠沙（1.21～2.21Φ）,粗于我国塔克拉玛干沙漠沙（2.39～3.47Φ），腾格里沙漠东南缘（2.57～3.15Φ）。标准偏差介于0.28～0.48，属分选性好至极好，好于上述沙漠（Namib,0.55～0.84;Jafurah,0.3～1.13;Nafud,0.54～1.23）。频率曲线偏度负偏至极正偏（-0.19～0.35），峰度值介于0.72～1.43，多数为单峰尖窄型。沙丘沙粒度参数相互之间具有良好的相关性(图4)。平均粒径与标准差和峰度之间呈线性正相关，即随平均粒径变细，分选性变好，频率曲线由粗偏（负偏）的双峰宽平变为对称或稍细偏（正偏）的单峰尖窄。平均粒径与偏度之间呈明显的二次多项式关系（R2=0.59,p<0.001），且约以2.6Φ为分界，在粗粒径区间，随着平均粒径变细，偏度趋于负偏；在细粒径区间，随平均粒径的减小，偏度趋于正偏。在沙丘断面，同一部位不同时期采集样品的粒度参数都有不同程度的变化（表1）。其中，以平均粒径和偏度的变化最为明显，表明这两个参数对风的作用最敏感；标准偏差变化较小。粒径和偏度变化最大部位是丘顶区域和东南坡脚，其次为西北坡中、上部，西北坡下部和坡脚变化最小。图5是在强西北风作用时期（第三次采样，图3中的c断面）和东北风强盛时期（第六次采样，图3中的f断面）的沙丘断面及其平均粒径的变化。沙丘西北坡上同一部位的粒径在两个方向相反的风力作用下差异显著。在西北风作用时期，最细粒径出现在东南坡的丘顶附近、西北坡上部和坡脚，最粗粒径出现在东南坡坡脚和西北坡丘顶附近和中坡；在东南风作用时期，最细粒径出现在西北坡丘顶附近和中部，最粗粒径出现在东南坡下部和丘顶。在西北风作用下的西北坡粒径明显粗于东南风作用的同一坡，且平均粒径由坡脚至丘顶的变化幅度也以西北风作用时期大于东南风作用时期。图6是西北风和东北风作用时期沙丘丘顶（I）、西北坡上部（K,M）和中部（Q）沙粒粒径频率曲线。丘顶沙粒在西北风作用下粒径主要集中在3Φ附近，频率曲线呈对称的单峰尖窄型，而在东南风作用下沙粒粒径百分含量在2～3Φ之间相差很小，频率曲线变为粗偏的双峰宽平型，表明丘顶区域在西北风作用下细颗粒积累，粒径变细，分选变好；而在东南风作用下细颗粒损失而粗颗粒相对聚集，粒径变粗，分选相对变差。西北坡中、上部沙粒在两个方向风作用时期的粒径频率曲线与丘顶情况恰好相反，表明这些部位在西北风作用时期粗颗粒增多，而在东北风作用时期细颗粒含量增加。图7是沙丘特征部位平均粒径、偏度随第一次到第七次采样时间的依次变化。显示从采样初期到最后一次，沙粒粒径和偏度随风向、风速变化具有明显的变化趋势。在前三次采样期间西北风的作用下，丘顶平均粒径变细，偏度趋于负偏；西北坡中、上坡粒径逐渐变粗、偏度趋于负偏。第四次至第六次东南风作用加强，丘顶粒径变粗，偏度趋于正偏，西北坡中上部粒径变细，偏度趋于对称。3沙粒粒度参数与形态的关系毛乌素沙地南缘横向沙丘沙主要由细沙组成，平均粒径与分选参数之间存在良好的相关性。其中，平均粒径与标准偏差和峰度之间同样的关系趋势也存在于其他沙区同一类型沙丘沙中。至于平均粒径与偏度之间的关系，许多学者认为二者之间有明显相关性，但关系趋势却截然不同。Ahlbrandt认为以平均粒径1.75Φ为界限，偏度随平均粒径的变化出现两种相反的趋势。在非洲南部沙漠和澳大利亚海岸沙丘发现沙丘沙偏度随平均粒径的减小趋于负偏。在塔克拉玛干沙漠沙丘沙显示偏度随平均粒径的变细趋于正偏。这种相反关系趋势的存在，可能与沙粒本身的粒径有关，前一趋势出现的地区沙粒粒径均比较粗，而后一趋势出现在目前所知沙漠沙丘沙中最细的沙丘沙。本区沙丘沙平均粒径介于二者之间，但也出现两种关系趋势。这说明沙丘沙偏度与平均粒径的关系仅在某一粒径范围内比较明显，而且因各地沙丘本身粒径级配之间的差异，偏度随平均粒径变化趋势不可能一致。各地沙丘表面粒度分布模式主要有两种：一种是由两侧坡脚到丘顶，粒径变细，分选变好；另一种，由丘底到丘顶，粒径变粗，分选变好。本区横向沙丘沙的粒径及分选参数由两侧坡脚至丘顶的变化是渐变的，没有出现能够代表沙丘丘顶、坡部、坡脚及丘间地亚环境的明显粒度组分。尽管风成沙粒度参数在沙丘表面的变化幅度较其他沙区小，但就其同一部位粒度参数的平均值而言（表1），丘顶沙粒粒径最粗（除东南坡较粒径最粗外）、分选最好，并向两侧变细、变差。但是，在单一采样结果中，沙丘断面尤其在西北坡上都没有显示由两侧坡脚至丘顶逐渐变细或变粗的趋势。沙丘表面粒度分布是沙丘形态与气流之间相互作用导致的沙丘表面输沙率及蚀积格局变化的产物。沙丘通过改变其形态以适应当时气流环境，并通过形态-气流相互作用形成自身的表面气流气流。在不同区域气流环境下的这种特征气流控制着沙丘输沙率和蚀积格局，进而决定表面沉积物的粒度分异。沙丘表面的侵蚀与堆积主要取决于沙丘表面气流的剪切风速大小。风速在横向沙丘迎风坡放大且在丘顶达到最高值时,最大剪切力出现在迎风坡坡度最陡的部位,气流在丘顶及其背风侧的分离使剪切力在此处降至最低值，从而最大侵蚀发生在迎风坡坡度最陡的部位,最大沉积发生在丘顶附近的背风侧。沙粒冲击起动风速在粒径3.2Φ（0.1mm）处最小，该粒径范围的沙粒在风力作用下最易移动。在正常情况下，如果侵蚀作用加强，跃移质细颗粒组分损失，粒径变粗。反之，堆积作用加强，则跃移质细颗粒积累，沙粒粒径变细。因此，在毛乌素沙地南缘，区域风的方向及强度的变化，改变了沙丘表面蚀积格局，也改变了沙丘表面沉积物的粒度分布形式。本区沙丘在西北风和东南风交替作用下，表面沉积物粒径与分选参数的分布及其变化与断面形态尤其丘顶区域和两侧坡形等变化之间存在良好的一致性（图4）。在西北风作用时期，其西北坡成为迎风坡处在侵蚀环境，东南坡成为背风坡处于堆积环境。其中，西北坡上部丘顶附近和中部，因坡度陡、坡形下凹而侵蚀作用相对强，粒径较粗，分选较差，频率曲线为粗偏的双峰态宽平型（图6）；气流在丘顶及其背风侧的分离使风速降低，沙粒沉积，导致丘顶的沙粒粒径变细分选变好；来自西北坡（迎风坡）的沙粒在东南坡上的堆积，使坡度增加最终出现滑落面，滑落面上重力作用使粗颗粒优先向下积累，在东南坡沙粒粒径向下变粗、分选变差。在东南风作用时期，东南坡作为迎风坡，因坡度陡，气流在丘顶附近异常加速使此处侵蚀加强，导致细颗粒缺失粗颗粒相对富集而粒径变粗。由于西北坡（背风坡）坡度较缓，越过丘顶的气流在短距离内分离后重附着并沿坡向下携带沙粒。沙粒在西北坡上主要以沉降和沙纹迁移形式堆积，从而导致滑落面底沙粒粒径变粗，滑落面下风测粒径变细、分选变好，频率曲线为单峰态尖窄型（图6）。此外沙丘西北坡下部沉积物粒度参数随时间或随风向变化没有出现明显的差异，可能与西北风作用时期受上风侧沙丘的屏障作用，以及东南风作用时期背风坡气流流速向下坡减小等有关。Livingstone对Namib沙漠线形沙丘表面沉积物的逐月多次采样分析结果表明，沙丘粒径及分选参数分布存在明显的月变化。在本区，沙丘同一部位的粒度参数随采样时间的变化（图7）不仅与风向变化之间存在较好的一致性，而且随同一方向风的强弱变化也出现相应的差异。原因在于，弱风环境中沙丘迎风坡侵蚀范围和强度小但丘顶发生侵蚀；在强风环境中沙丘迎风坡侵蚀范围和强度增加但丘顶发生沉积。同时，在区域风向转换时期，风的方