青藏铁路格尔木-拉萨段地表松叶沉积物粒度分析

青藏铁路格尔木-拉萨段地表松叶沉积物粒度分析

青藏高原是世界上最高的经济和自然因素，也是沙漠最具特色的发展地区。青藏高原独特的自然条件,如丰富的沙源、强盛的风力、稀疏低矮的植被,为区内的风沙活动提供了必要的物质和动力条件。作为环境演变敏感区域,青藏高原对全球变化的响应极为明显,气温明显上升,20世纪50年代以来的变暖趋势超过北半球及同纬度地区。长江源区60年代降水量自50年代以来经过一系列波动,在80年代末期明显减少,气候的干旱化趋向较为严重。青藏铁路沿线生态环境系统具有原始、敏感、脆弱3大特点。由于自然和人为因素的双重影响,区域内草地退化、水土流失加剧、水环境失衡、生物多样性锐减,生态环境日益恶化。青藏铁路格尔木-拉萨段全长1142km,铁路两侧各25km范围内有流动沙丘558.16km2,占区域总面积的8.86%。据2007年调查,受到风沙灾害的威胁的路段有269.7km,占全路段的23.62%,其中,严重沙害路段10.3km,中度沙害路段49.8km,轻度沙害路段209.5km。严重和中度沙害路段主要集中在红梁河、秀水河、北麓河、沱沱河、通天河、扎加藏布、错那湖;轻度沙害路段主要集中在五道梁,格尔木-西大滩等处。由于地表强烈的风沙活动及铁路修建后对输沙床面的影响,铁路沙害正呈现出迅速增长趋势,风沙危害成为继冻土问题后青藏铁路面临的又一重大难题。1样品与分析方法在考察风沙灾害过程中,从格尔木到错那湖(图1),系统采集了沿线流动沙丘、流动沙片上的沙物质,防沙体系内石方格、防沙栅栏、导风墙阻积的沙物质以及铁路路基边坡、道床堆积的沙物质样品。同时,也采集了丘间地、下伏冲积物、洪积物、古风成沙丘的沙样品,样品总计110个。样品主要采集自地表0~10cm,古风成沙丘除了表面采样外,还在不同深度剖面上采取了样品,最大采样深度1.5~2.0m。对于大于0.1mm颗粒采用套筛进行筛析,套筛间隔1/3Φ,小于0.1mm者采用吸管法分析。粒度分析结果以重量百分数表示。粒度参数用作图法按福克-伍德公式计算求得。2错那湖—沙物质来源在青藏高原上,由于冰川作用、冰水作用、洪积、坡积、湖积以及流水作用,分布着相当广泛的第四纪松散物质。这些松散沉积物为风沙物质的产生提供了丰富的物质来源。沙物质来源按成因分为流动沙丘,古风成沙,现代河流冲积物,古风成沙丘,河流(湖泊)冲积物和洪积物等。1)流动沙丘。流动沙丘主要分布在西大滩、红梁河、扎加藏布和错那湖等地。西大滩段属山谷风沙段,在昆仑河支流河谷,河谷由东向西海拔高度从4100m升高到5300m以上。风沙活动主要集中在西大滩北侧的山坡上,流动沙片、沙带覆盖在山坡及部分山脊上,形成长约20.5km,宽200~800m不等的沙带。沙物质是从平坦的洪积戈壁滩上被地形风吹扬而来,堆积在半山坡,然后在平行于山谷的西风的吹扬作用下向东输移。在整个山谷,由西向东,风沙地貌的演变为:薄层不连续流动沙片→厚层流动沙片→小型沙丘→大型沙丘。在山谷的最东段,形成两个大型新月形沙丘。东沙丘轴向长80m,宽度130m,高度11m,走向NE57°。西沙丘轴向长度为210m,宽度为120m,高度为14m,走向为NE72°。西大滩风沙活动很强烈。西侧沙丘在1956—1974年的22a间,北翼移动了29.4m,南翼移动了88.4m。红梁河的积沙主要是从远处运移而来,沙源可追溯到楚玛尔河上游的错仁德加湖。从错仁德加湖到红梁河,沿多尔改错-贡冒日玛山的南麓,有一条延绵48km的流动沙丘带,上游略宽,宽度在1.7~2.5km,沙丘密集,到红梁河变窄,宽度在300~500m之间,沙丘稀疏。流动沙丘带一直延伸到青藏铁路东侧。沙源物质是错仁德加湖南岸及东岸的冲积、洪积物,可能也有冰水沉积物,地貌为湖积台地、冲洪积平原。流动沙丘带中间有间断,间断处距离红梁河13.5km。红梁河的积沙主要来自这一段流动沙丘,也有少部分沙源物质为山梁南侧的河流冲积平原上的冲积物,这两者粒度上略有差别。红梁河风沙活动也很强烈,红梁河南公路附近一沙丘在不到10a之内由公路西侧越过路面移至公路东侧50m之远。扎加藏布路段,雪查玛车站山前有一流动沙丘带状分布,在山梁附近宽50~60m,海拔4930m,上部沿NE80°展布,下部走向为SE100°,沙带规模逐渐变小,宽度变窄,厚度变薄,最后呈不连续分布、零星的沙丘,从山梁到栅栏延绵2600m。由于流动沙丘沙源丰富,致使雪查玛车站一段的阻沙栅栏积沙严重。错那湖段,沙物质主要来源于湖滨沉积物、巴索曲及桑曲冲积物及岩石风化产物。地表出露的湖相沉积物主要分布在错那湖的周缘,包括湖滨相砂、砾石和湖相砂、黏土层。据地表观察,最新的湖泊沉积物分布于海拔4585~4588m高度,在湖泊南缘表现为一套夹含螺壳化石的灰白色粉沙层和黏土层的灰黄色中细沙层,构成了拔湖(高出现今湖面3~5m的湖泊)第一级阶地。该阶地在湖泊周缘分布比较连续,其后缘常见拔湖6m左右的湖蚀陡坎,延至湖泊南岸逐渐过渡为错那湖与嘎弄湖之间的湖间砂坝或砂堤。河流沉积物主要包括洪积物和冲积物。洪积物主要分布在安多谷地南、北两侧的山麓地带,向谷地中心方向,洪积物逐渐相变为巴索曲及桑曲冲积物。根据2007年8月实地调查,错那湖滨靠近水面线有大片的固定沙丘,由于严重的风蚀,逐步演变为活化固定沙丘。这些沙丘从巴索曲特大桥南侧断断续续延续到北桑曲特大桥东侧,总长度可达7.5km,宽度50m到300m不等,沙丘顶距水面最大高度为5~6m,顶部植被覆盖良好,常有牲畜放牧。侧面遭风蚀,形成陡坎。沙物质的另一个来源是岩石风化产物,铁路东侧山坡出露上古生界花岗片麻岩,表层风化极严重,风化物中的颗粒较粗,一般呈灰白色,与湖滨固定沙丘的沙子有一定差异。由于风力水力的交互作用,致使错那湖段沙源丰富、风力强劲、风沙活动十分强烈,在巴索曲流域一带形成东西平均长17.0km(最长22.6km),南北宽8.7km的流动沙片,覆盖在错那湖东岸的低山丘陵上,给当地的生态环境带来了严重影响。这些沙物质在雨季被雨水冲刷流失到巴索曲,经洪水搬运、沉积到错那湖东岸湖滨滩地,成为新的沙源。2)古风成沙丘。主要分布在五道梁、沱沱河平原、通天河平原,有的文献称为盖沙地,一般叠置在平缓的山坡、宽阔的谷地之上,沙丘一般高1.5~2.0m,物质以中细沙为主,分选好。表面植被长势良好,盖度可达80%~90%,根系发达。由于风沙融蚀坍塌作用,土体变形滑塌,遭风力侵蚀。造成坍塌的原因是由于融化沙层中的水下渗汇集到冻结面附近顺坡流出,掏蚀沙层,使上部沙层失去支撑而坍塌,坍塌下来的细沙又被出露的泉水带离,使坍塌不断发展、后退。这类坍塌对地表形态和植被有很强的再造能力,根据黄以职等的定位观测,其发展(后退)速度平均达到1.3m·a-1左右。青藏铁路格尔木-拉萨段沿线古风成沙丘一般形成于晚更新世或早全新世。3)河流冲积物。青藏铁路格尔木-拉萨段越过了大小14条河流和一个较大湖泊。格尔木河(昆仑河)、巴拉大才曲、清水河、楚玛尔河、红梁河、秀水河、北麓河、日阿尺曲、沱沱河、通天河、布曲、扎加藏布、桑曲以及错那湖。这些河流发育有大片的冲积平原及河漫滩。河流冲积物以含砾中细沙为主,在地表,由于中细沙已被风蚀带走,形成砾质戈壁。河漫滩现代河流冲积物主要以中细沙为主,在枯水季节,正值大风期,现代河流冲积物在风力吹扬作用下跃上河漫滩陡坎,堆积在河漫滩附近。4)洪积物。高山丘陵的山前,分布大片洪积扇,主要分布在西大滩、三岔河等地。此外,冰水沉积物、岩石风化产物也是青藏高原风成沙的来源。冰水沉积物主要发生在高山区冰缘地带;而寒冻作用加速了岩石的物理风化作用,致使岩石机械破碎,成为沙源,这是一些高山丘陵地发生风沙活动的物质条件。3沿线沉积物的粒度特征3.1样品组成和含量分布沙物质样品采集自大片密集、连续的流动沙丘,薄层、不连续的流动沙片和半流动沙丘,也包括铁路修建后,防沙体系内石方格、防沙栅栏、导风墙阻积的沙物质以及铁路路基边坡、道床堆积的沙物质样品。其各粒级颗粒的百分含量图示于表1。56个沙物质样品均以中沙、细沙为主(0.5~0.1mm),重量百分比平均分别20.53%和65.20%。在所有样品中,中沙和细沙合计在80%以上占样品总数的76.78%,其中90%以上者占样品总数的55.36%。极细沙平均含量为7.99%,少数几个样品在30%以上,主要是来自错那湖防沙体系的积沙。粗沙平均含量为5.50%,少数几个样品在30%以上,主要来自错那湖滨的风水两相沉积物。极粗沙和粉沙含量微小,不含黏土。样品大部分为细沙,含量大于中沙。但有少数例外,主要是西大滩新月形沙丘的顶部,中沙含量分别为70.27%和80.17%,细沙含量分别为19.09%和18.64%,与常见沙丘沙粒度有很大的区别,也与沿线大多数沙丘沙不同。沙物质平均粒径分布区间较宽,分布于1.29~3.25Φ之间,平均为2.36Φ(0.19mm)。平均粒径在2~3Φ(0.25~0.125mm)之间的样品占总数的78.57%。可以看出,沿线风成沙的平均粒径皆大于中国各个大沙漠沙丘沙的平均粒径[13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23]。平均粒径较小的样品主要来自错那湖、秀水河、通天河等处石方格和防沙栅栏的积沙,这些沙物质经过防沙体系的层层阻拦,沉积在防沙体系的下风侧的沙粒要比防沙体系上风侧沙粒平均粒径小。平均粒径较大的样品主要来自错那湖滨、西大滩、北麓河等处。3.2样品选取程度沿线流动沙丘沙物质的分选程度受来源母质的影响很大,同时也受风沙活动程度、发育历史等的影响。风成沙标准偏差σ1在0.3~1.26之间,平均为0.58,整体分选程度较好。分选极好者仅有3个样品,占样品总数的5.36%;分选好者24个样品,占42.86%;分选较好者18个样品,占32.14%;分选中等者4个样品,占7.14%;分选较差7个样品,占12.50%。扎加藏布石质山顶积沙,西大滩东新月形沙丘顶部、红梁河附近流动沙丘的风成沙,形成时间久且经过了长距离搬运,分选程度最佳。错那湖滨的沙物质则是来源多样,其分选程度较差些。3.3岔河、错那湖的个别样品k沿线流动沙丘沙物质平均偏度值为-0.01,即总体呈负偏。其中,正态分布的样品30个,占总数的53.57%;正偏者7个,占总数的12.50%;负偏者11个,占总数的19.64%;极负偏者4个,占总数的7.14%;极正偏者4个,占总数的7.14%。三岔河、错那湖的个别样品SK值小于-0.3,呈极负偏。错那湖滨、西大滩样品SK值大于0.3,呈极正偏。3.4峰态和嘴唇检测沿线流动沙丘沙物质平均峰度KG值为1.00,属于中等峰态(正态)。从KG值分布来看,KG值介于0.90~1.11的中等(正态)样品占总数的71.43%。峰态呈平坦(KG值0.67~0.90)和尖锐(KG值1.11~1.56)的样品所占比例相近,分别为14.29%和12.50%。峰态呈很平坦的样品只有1个。错那湖滨、北麓河、通天河、红梁河等处的个别样品KG值较小,峰态平坦。西大滩、扎加藏布、错那湖防沙体系样品KG值较大,峰态尖锐。从分选性、偏度、峰态分析可以看出,青藏铁路格-拉段沿线沙物质的分选性、偏度、峰态等参数与中国各个大沙漠沙丘沙相差不大[13,14,15,16,17,18,19,20,21,22]。4粒度空间分布特征受不同的沙物质来源及风沙环境影响,沿线沙物质粒度特征有很大区别。各风沙活动强烈地段沙物质粒度特征如下。4.1沙物质特征三岔河特大桥北半流动沙丘的沙物质来自戈壁荒滩,粒度以中细沙为主(中沙含量38.67%,细沙含量44.73%),但也有相当可观的极细沙(12.6%)和粗沙(3.53%)以及极少量的极粗沙(0.43%),粒径区间较大,粒度频率曲线双峰型,平均粒径2.26Φ,标准偏差σ1值0.88,分选中等,偏度Sk1值0.13,峰度KG值0.92,属中等峰态。这些粒度特征反映了三岔河流动沙丘发育还很不成熟,风力的分选作用还没有完全体现出来。西大滩两个新月形沙丘的沙物质颜色呈灰黑色,颗粒较粗,粗沙和中沙的含量达到了80%以上(80.33%~80.70%),细沙含量不到20%(18.64%~19.09%),与典型的沙丘沙的粒度特征有显著区别。西大滩的新月形沙丘的沙物质平均粒径1.57~1.72Φ,标准偏差σ1值在0.32~0.57之间,分选较好,偏度Sk1值0.23~0.35,呈正偏,峰度KG值1.04~1.24,峰态中等。4.2防沙体系对沙物质粒度分布的影响红梁河的沙物质是典型的风成沙,以中沙(31.46%)和细沙(66.93%)为主,粗沙(0.70%)和极细沙(0.90%)含量极少。从粒度特征曲线可以看出,红梁河流动沙丘与山坡积沙在粒度上略有差别,山坡积沙对石方格内的积沙粒度有一定影响。而防沙体系对沙物质的粒度分布的影响较大,从红梁河防沙体系内所取沙样分析结果来看,沙物质在经历了栅栏和石方格的层层阻拦之后粒度变细,表现为中沙含量在逐渐减少,而细沙逐渐增加,到达铁路路基下的沙物质基本以细沙为主,细沙含量达到89.07%,中沙含量仅为9.80%。而能跃上5~6m高的路基,沉积在铁路道床的沙物质几乎以细沙为主,含量达到90.60%,与最近石方格内的基本相同,但极细沙含量大大增加,达到7.36%,中沙含量则减少到2.04%。总体来看,红梁河的沙物质平均粒径在2.15~2.54Φ之间,标准偏差σ1值在0.36~0.49,分选好,偏度Sk1在-0.11~0.15,大多近对称,峰度KG值在0.91~1.09,峰态中等。4.3地表细沙含量沙源物质主要来自秀水河河漫滩上河流冲积物,也有部分来自沙质冲积平原上的古河流冲积物。沙质冲积平原的物质以含砾中细沙为主,粒度区间分布较宽。在地表,由于中细沙已被风蚀带走,形成砾质戈壁,砾石含量可以达到18.4%,极粗沙含量可以达到5.9%,粗沙含量4.44%,中沙含量10.63%,细沙含量44.67%,极细沙含量9.37%,粉沙含量6.61%。地表下20cm砾石含量12.34%,极粗沙含量3.03%,粗沙含量在3.43%,中沙含量15.53%,细沙含量51.6%,极细沙含量8.73%,粉沙含量5.33%。可以看出,冲积平原表面砾石、极粗沙、粗沙都有不同程度的增加,而中沙、细沙则大大减少。秀水河导风墙积沙和道床内积沙都是典型的风成沙,中沙含量1.16%~2.04%,细沙含量81.2%~90.6%,极细沙含量7.36%~17.64%,平均粒径2.74~2.94Φ,标准偏差σ1在0.37~0.4,分选好,偏度Sk1值0.06~0.09,近对称,峰度KG值0.97~1.01,峰态中等。4.4颗粒组成和粒度组成沙源物质主要来自北麓河河漫滩上的现代河流冲积物,也有部分来自沙质冲积平原及分布其上的古沙丘。古沙丘的沙物质较细,北麓河桥东的古沙丘颗粒组成如下:细沙含量30.27%,极细沙含量62.37%,粉沙含量6.67%,从颗粒组成可以看出古沙丘的沙物质比道床堆积的积沙还要细。在剖面上,从上到下古沙丘颗粒组成变化不大。而北麓河桥南和桥北的古沙丘粒度组成与北麓河桥东的古沙丘有很大区别。北麓河桥南古沙丘以细沙为主,含量50.45%,极细沙含量33.21%,中沙含量14.82%。北麓河桥北古沙丘细沙含量比桥南略少,为44.65%,中沙含量19.99%,极细沙含量19.02%,粗沙含量13.54%。北麓河道床内积沙粒度较细,中沙含量0.67%,细沙含量81.97%,极细沙含量17.07%,粉沙含量0.3%。平均粒径2.91Φ,标准偏差σ1在0.42,分选好,偏度Sk1值0.15,正偏,峰度KG值0.99,峰态中等。4.5积沙粒度组成沙物质主要来源于沱沱河冲积平原的古河流冲积物和河漫滩现代河流冲积物。另外,沱沱河冲积平原上还零星分布有古风成沙丘,这些沙丘大部分已经活化,成为新的沙源。沱沱河冲积平原的物质以含砾中细沙为主,在地表,由于中细沙已被风蚀带走,形成砾质戈壁,砾石含量可以达到18.23%,极粗沙含量可以达到5.97%。地表下20cm到50cm冲积物粒度组成基本一致,砾石含量在4.63%~4.93%,极粗沙含量在3.84%~4.56%,粗沙含量在5.01%~5.37%,中沙含量在19.3%~24.27%,细沙含量在44.24%~54.10%,极细沙含量在4.00%~5.07%,粉沙含量在8.07%~12.64%。河漫滩现代河流冲积物主要以中细沙为主,粗沙含量在2.70%~5.87%,中沙含量在20.03%~37.16%,细沙含量在47.80%~62.63%,极细沙含量在14.27%~8.90%,粉沙含量在0.27%左右。在枯水季节,正值大风期,现代河流冲积物在风力吹扬作用下跃上河漫滩陡坎,堆积在河漫滩附近。古风成沙丘粗沙及极粗沙含量在5.00%,中沙含量在25.23%,细沙含量在54.37%,极细沙含量在14.40%,粉沙含量在1.00%左右。沱沱河防沙体系积沙的粒度组成差异较大,沱沱河防沙栅栏的积沙平均粒径1.75~2.32Φ,标准偏差σ1值0.67~1.06,分选中等,个别分选较差。偏度Sk1值多在0.01~0.1,个别-0.2,峰度KG值0.73~0.81,峰态平坦,个别KG值1.08,峰态中等。沱沱河导风板的积沙平均粒径较细,Φ值在2.46~3.63,标准偏差σ1值0.43~0.6,分选好或较好。偏度Sk1值-0.14~0.11,正偏负偏皆有,峰度KG值1~1.12,峰态中等。4.6防沙体系积沙细沙和粒径分布通天河冲积平原是沙质平原,植被覆盖尚好,不易起沙。沙物质主要来源于洪积物、河流冲积物,砾石含量4.27%,极粗沙1.04%,粗沙19.00%,中沙29.50%,细沙31.73%,极细沙14.27%。防沙体系积沙以细沙为主,粗沙0.33%~0.6%,中沙22.63%~24.67%,细沙65.03%~69.84%,极细沙6.94%~9.96%。道肩坡积沙更细,粗沙0.96%,中沙6.72%,细沙含量达76.38%,极细沙15.61%。通天河防沙体系积沙平均粒径Φ值在2.44~2.81,标准偏差σ1值0.53~0.65,分选较好。偏度Sk1值-0.02~0.02,近对称,峰度KG值0.88~1.05,峰态中等。4.7沉积相及粒径扎加藏布河流冲积物砾石含量13.57%,极粗沙含量5.34%,粗沙含量3.06%,中沙含量8.7%,细沙含量54.67%,极细沙含量6.87%。扎加藏布山顶流动沙丘沙物质颗粒较细,中沙3.69%,细沙95.5%,极细沙0.8%。在山梁下,由于山坡下岩石风化产物及河流冲积物的混入,颗粒变粗,极粗沙含量0.07%,粗沙含量4.77%,中沙含量34.63%,细沙含量60.2%,极细沙含量0.34%。第一道栅栏积沙则进一步细化,中沙含量13.43%,细沙含量84.6%,极细沙含量1.87%。扎加藏布流动沙丘平均粒径Φ值在2.06~2.54,标准偏差σ1值0.3~0.49,分选好。偏度Sk1值-0.24~0.07,负偏到近对称,峰度KG值1.08~1.11,峰态中等。4.8沙物质粒度特征错那湖段沙物质主要来源于湖滨沉积物(固定沙丘)、巴索曲及桑曲冲积物及岩石风化产物。湖滨固定沙丘的颗粒组成如下:粗沙0.53%,中沙1.40%,细沙28.82%,极细沙67.63%,粉沙1.60%。北桑曲特大桥南侧沙物质相对较细,细沙含量一般超过60%,极细沙含量在30%左右,中沙含量很少,不含粗沙。巴索曲及桑曲冲积物,粒度范围较宽,极粗沙含量1.29%,粗沙含量26.17%,中沙含量33.99%,细沙含量34.82%,极细沙含量4.08%。受沙源物质和风沙环境的影响,错那湖段沙物质粒度组成差异较