韓 菲,田明中*,劉斯文,武法東,王璐琳

1)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083;2)中國地質(zhì)科學(xué)院國家地質(zhì)實驗測試中心,北京 100037

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中國北部地區(qū)沙漠鳴沙對比研究

韓 菲1),田明中1)*,劉斯文2),武法東1),王璐琳1)

1)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083;
2)中國地質(zhì)科學(xué)院國家地質(zhì)實驗測試中心,北京 100037

摘 要:鳴沙發(fā)聲機(jī)制是一個長期懸而未決的問題。中國北部地質(zhì)公園內(nèi)的沙漠鳴沙地質(zhì)遺跡沿北方沙漠弧形帶分布,但較少被報道和研究。本文選取位于內(nèi)蒙古、甘肅和新疆的沙漠鳴沙及啞沙,對其地貌特征﹑粒度組分和礦物成分進(jìn)行了對比研究。結(jié)果表明鳴沙一般發(fā)育在新月型沙丘鏈或新月型沙丘上,緊鄰湖泊或泉水,背風(fēng)坡和迎風(fēng)坡上都會發(fā)育鳴沙,但主要集中在背風(fēng)坡,研究結(jié)果與馬玉明提出的“共鳴箱”理論中的“響沙都發(fā)育在背風(fēng)坡”不符;啞沙粒度明顯較鳴沙粗,啞沙的平均粒徑分布峰值集中在0.5φ～1φ,鳴沙粒徑頻率分布峰值集中在2φ～3φ;主要差別在于細(xì)砂和粗砂的組分,所有鳴沙中的細(xì)砂含量所占比例均高于52.012%,啞沙中的細(xì)砂含量低于0.881%;響沙中粗砂的含量均小于1.221%,啞沙中粗砂的含量大于48.091%。鳴沙和啞沙主要礦物成分都以石英和長石為主;鳴沙中含有高嶺石,鈉長石,微斜長石及方解石等,而啞沙中幾乎未含這些次要礦物。本文結(jié)果表明,地貌特征和物質(zhì)組成是區(qū)別鳴沙和啞沙的重要特征,對于研究鳴沙的成因具有參考價值。

關(guān)鍵詞:鳴沙;地貌特征;粒度組分;礦物成分;對比分析;共鳴箱理論

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本文由甘肅省國土資源廳敦煌雅丹地貌物質(zhì)組成基金項目(編號:53200859491)資助。

鳴沙是指在風(fēng)力作用下的沙粒堆積在高大沙山的頂部并崩塌時發(fā)出的轟鳴聲,其主頻集中在50～200 Hz(Lewis,1936;Bagnold,1954;Humphries,1966;Criswell et al.,1975;Lindsay et al.,1976;Haff,1986;Nori et al.,1997;Sholtz et al.,1997)。鳴沙現(xiàn)象記錄并反映了沙漠形成和演化過程中的環(huán)境細(xì)節(jié),是一種重要的地質(zhì)遺跡,也是一種旅游資源(原佩佩等,2006)。地質(zhì)遺跡是最重要的自然遺產(chǎn),是追溯地球演化歷史,了解自然環(huán)境現(xiàn)狀,預(yù)測天人和諧愿景的對象,地質(zhì)遺產(chǎn)的保護(hù)是不可忽視的要務(wù),地質(zhì)公園建立則是達(dá)成這一人類共同責(zé)任的最佳選擇(趙遜和趙汀,2009)。地質(zhì)公園是地質(zhì)遺產(chǎn)與風(fēng)景景觀的完美結(jié)合,因此它在推動地質(zhì)現(xiàn)象在公眾的認(rèn)知度方面起了十分重要的作用。它不僅推動了全球地質(zhì)遺跡保護(hù)的進(jìn)程,而且加大了環(huán)境保護(hù)和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展雙手齊抓的力度(吳勝明,2003;趙遜和趙汀,2009)。鳴沙作為一種神奇的自然現(xiàn)象和重要的地質(zhì)遺跡,自19世紀(jì)末期開始對其進(jìn)行科學(xué)研究以來,已經(jīng)經(jīng)歷了大約150多年的研究歷史,然而,到目前為止尚無一個系統(tǒng)而完整的模型對其進(jìn)行科學(xué)解釋。對鳴沙進(jìn)行對比是發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)鳴沙的差異,尋找鳴沙鳴響原因的一種重要途徑和方法。中國的鳴沙地質(zhì)遺跡也主要沿北方弧形沙漠帶分布,從東部的沙地到西部的沙漠都有鳴沙分布,如內(nèi)蒙古翁牛特自治區(qū)級地質(zhì)公園內(nèi)的勃隆克沙湖鳴沙,鄂爾多斯國家地質(zhì)公園內(nèi)的庫布齊沙漠銀肯響沙灣,甘肅敦煌雅丹國家地質(zhì)公園內(nèi)的鳴沙山等,但被報道和研究的較少。而不同區(qū)域內(nèi)鳴沙及鳴沙和啞沙的對比研究也很少。Igarashi和Shikazono(2003)對鳴沙利用X光熒光光譜和X光衍射的方法對從日本本州島的烏取海灘采集的海灘鳴沙和啞沙進(jìn)行了元素和礦物分析,Humphries(1966)曾對撒哈拉的Korizo鳴沙和夏威夷的考艾島(Gower)響沙的分選性、圓度和球度等基本沉積學(xué)特征進(jìn)行了對比。

地貌特征、粒度特征和礦物學(xué)特征是研究關(guān)注的主要問題。風(fēng)沙沉積物是風(fēng)力塑造風(fēng)沙地貌的物質(zhì)基礎(chǔ),其粒度特征是研究沙丘地貌的主要指標(biāo)之一。由于沙源沉積物結(jié)構(gòu)及風(fēng)況等環(huán)境的不同,各地沙丘在沉積物組成上具有明顯的差別(吳正,2003)。沙丘形態(tài)對氣流的改造作用使風(fēng)力分選作用在不同形態(tài)和各部位之間出現(xiàn)不同程度的差異,而且這些差異最大程度地表現(xiàn)在沙丘粒度組成上(哈斯和王貴勇,2001)。因此,沙丘的沉積物組成、粒度成分和沙漠地貌的研究在沙漠形成與研究中得到了廣泛的重視。王文彪和馬俊杰(2011)曾對鄂爾多斯國家地質(zhì)公園的庫布齊沙漠的銀肯響沙進(jìn)行過砂粒粒徑分析,認(rèn)為銀肯響沙所處區(qū)域已滿足馬玉明提出的“共鳴箱”理論。孫顯科等(2006)提出了敦煌鳴沙山成因的猜想,并證明了風(fēng)成沙地地形1/10定律。姚洪林等(2000)論證了庫布齊沙漠銀肯響沙灣砂粒特征與風(fēng)選程度關(guān)系。張克存等(2012)對敦煌鳴沙山月牙泉景區(qū)風(fēng)沙環(huán)境進(jìn)行過分析。本文旨在通過對中國北部地區(qū)鳴沙和啞沙的對比,發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)鳴沙和啞沙在地貌特征和物質(zhì)組成上的差異,這種對鳴沙和啞沙的比較分析在前人的研究中很少發(fā)現(xiàn)。本文通過對內(nèi)蒙古翁牛特自治區(qū)級地質(zhì)公園的勃隆克沙湖響沙,鄂爾多斯國家地質(zhì)公園的庫布齊沙漠銀肯響沙,甘肅敦煌雅丹國家地質(zhì)公園的鳴沙山鳴沙三處鳴沙及啞沙的地貌特征、粒度和礦物成分角度的對比研究,分析鳴沙和啞沙在地貌特征和物質(zhì)組成上的區(qū)別,為研究鳴沙發(fā)聲機(jī)制,沙漠地質(zhì)遺跡保護(hù)和科學(xué)普及提供科學(xué)依據(jù)。

本文選取翁牛特自治區(qū)級地質(zhì)公園內(nèi)的勃隆克沙漠、內(nèi)蒙古鄂爾多斯國家地質(zhì)公園的庫布齊沙漠銀肯響沙和甘肅敦煌雅丹國家地質(zhì)公園的鳴沙山的三處響沙沙漠遺跡同甘新庫姆塔格沙漠和敦煌鳴沙山外圍的啞沙進(jìn)行對比研究。

翁牛特旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市中部。翁牛特全旗年平均氣溫在0～7℃之間,平均年降水量300～450 mm。2009年12月由內(nèi)蒙古國土資源廳批準(zhǔn)建立內(nèi)蒙古翁牛特自治區(qū)級地質(zhì)公園(圖版I-a)。此處樣品采集數(shù)量為3個,勃隆克沙漠旅游區(qū)內(nèi)分布有大約20～30個沙湖,采樣地勃隆克沙湖中間是一處1.3萬畝的淡水湖。三個樣品采樣區(qū)的海拔高度分別為15 m、12 m和30 m。采樣地勃隆克玉湖響沙的的沙山腳下為淺湖,水草遍長(圖版I-b)。以新月型沙丘﹑沙丘鏈為主,也有復(fù)式新月形沙丘鏈和盾形沙丘。響沙樣品采自迎風(fēng)坡。

2011年11月國土資源部批準(zhǔn)建立了鄂爾多斯國家地質(zhì)公園。庫布齊沙漠位于鄂爾多斯臺地北緣,鄂爾多斯年平均氣溫6℃ ,年降水量311.75 mm,干燥度1.5～4,年平均風(fēng)速3～4 m/s,大風(fēng)日數(shù)25～35 d。銀肯響沙位于庫布齊沙漠的東端,地形呈月牙形分布,坡度為45°傾斜(圖版I-c)。采樣地海拔高度為75 m和65 m,主要地貌特征為連綿起伏的新月型和鏈狀流動沙丘為主,流動沙丘居多,約占80%。固定、半固定的灌叢沙堆僅分布在沙漠邊緣。兩個響沙樣品均采自背風(fēng)坡(圖版I-d),背風(fēng)坡腳有一條常年性河流經(jīng)過。

圖1　研究區(qū)遙感影像圖Fig.1 Remote sensing image of the sand sample collection area

2001年12月國土資源部批準(zhǔn)建立了甘肅敦煌雅丹國家地質(zhì)公園。鳴沙山位于甘肅省敦煌市區(qū)南側(cè),由黃沙聚積而成,鳴沙山現(xiàn)縮至150 m2。鳴沙山上,年均降雨量只有39.9 mm,年蒸發(fā)量卻達(dá)2400 mm。樣品采集數(shù)量為2個,采集海拔高度為800 m和1000 m。采樣地沙山上的沙丘形態(tài)主要有新月形及金字塔沙丘鏈等,沙峰之中有新月狀的月牙泉,月牙泉被鳴沙山環(huán)抱(圖版I-e)。響沙樣品均采自背風(fēng)坡(圖版I-g)。

甘新庫姆塔格沙漠為啞沙沙漠,位于甘肅西部和新疆東南部交界處,西以羅布泊大耳朵為界、東接敦煌鳴沙山。面積約2.2萬km2。具有典型的雅丹、風(fēng)棱石、風(fēng)蝕坑等風(fēng)蝕地貌和格狀沙丘、新月形沙丘、蜂窩狀沙丘等沙丘類型。氣候極端干旱,沙漠腹地幾乎無植被分布,沙丘流動性大。樣品采集數(shù)量為1個,海拔高度為17 m。采樣地歷史上湖水較多,現(xiàn)干涸,僅為大片鹽殼,樣品采自迎風(fēng)坡(圖版I-f)。

鳴沙山外圍地區(qū)位于敦煌鳴沙山東北方向的外圍,地貌和水文環(huán)境同鳴沙山。樣品采集數(shù)量為1個,海拔高度為1146 m,采自迎風(fēng)坡(圖版I-h)。

1 實驗材料與方法

1.1 樣品采集

本次實驗分別從翁牛特自治區(qū)級地質(zhì)公園內(nèi)的勃隆克沙湖響沙,鄂爾多斯國家地質(zhì)公園內(nèi)的庫布齊沙漠銀肯響沙,敦煌雅丹國家地質(zhì)公園內(nèi)的鳴沙山三處鳴沙山表層2～3 cm的沙樣,及甘新庫姆塔格沙漠內(nèi)和敦煌雅丹國家地質(zhì)公園內(nèi)的鳴沙山的東北部外圍采集的兩處啞沙,共7個響沙樣品及2個啞沙樣品。單個樣品的采樣重量為500 g。

1.2 粒度組成分析

在實驗室將采集到的9個砂樣各稱取10 g放入50 mL燒杯中,加入45 mLⅢ級超純水浸泡樣品,同時,加入2～3滴10% H2O2,靜置24 h,目的在于去除樣品中的有機(jī)質(zhì)。待到燒杯內(nèi)無氣泡產(chǎn)生時,用電熱板將樣品干燥,使反應(yīng)剩余的H2O2完全揮發(fā)。之后,待樣品放涼后,再加入水,并加適量10% HCl(1～2 mL),溶解樣品中的生物鈣,再靜置24 h,然后用滴管析出清液。用pH試紙測試樣品的pH值,加入純凈水稀釋3～4遍,直至pH值呈中性。

試驗使用Malvern公司的Mastersizer 2000型激光粒度儀測定。粒度分級采用沃德-溫特華斯(Udden-Wentworth)粒度分級(Folk and Ward,1957),粒級采用φ值標(biāo)度克魯賓方案,將粒度分級轉(zhuǎn)化。

1.3 礦物成分分析

將前處理好后的9個砂樣各取1～2 g,用機(jī)器研磨各砂樣至300 μm的粒徑,委托中國地質(zhì)大學(xué)(北京)科學(xué)研究院實驗中心運(yùn)用X射線粉晶衍射儀進(jìn)行粉晶X射線衍射,物相鑒定和半定量測試。測試出各樣品的礦物組成和百分含量。

表1　研究區(qū)采樣表Table 1 Sampling locations of comparable sand samples of China

2 結(jié)果與討論

通過對比四處地質(zhì)公園內(nèi)的沙漠地質(zhì)遺跡地貌特征和類型,各沙漠地質(zhì)遺跡中鳴沙和啞沙的粒度組分及礦物成分,可以分析出鳴沙和啞沙在地貌特征﹑粒度組分及礦物成分方面的相似點(diǎn)和區(qū)別。

2.1 地貌形態(tài)

綜合以上三處地質(zhì)公園內(nèi)的鳴沙及兩處啞沙的地貌特征,可以歸納出以下相似點(diǎn):

(1)以上三處地質(zhì)公園內(nèi)的沙漠地質(zhì)遺跡類型都包含有新月形沙丘,其中內(nèi)蒙古翁牛特自治區(qū)級地質(zhì)公園、甘肅敦煌雅丹國家地質(zhì)公園和內(nèi)蒙古鄂爾多斯國家地質(zhì)公園內(nèi)的沙漠地質(zhì)遺跡類型都包括新月型沙丘鏈,說明了此三處地質(zhì)公園內(nèi)的鳴沙都發(fā)育在沙漠腹地。鳴沙和啞沙采集地的地貌也都包含新月形沙丘,其中的庫布齊沙漠銀肯響沙發(fā)育在新月形沙丘上;

(2)三處鳴沙采集地并都緊鄰湖泊或泉水。內(nèi)蒙古翁牛特的玉龍沙湖鳴沙中有淡水湖發(fā)育;內(nèi)蒙古鄂爾多斯的庫布齊沙漠銀肯響沙發(fā)育在新月形沙丘上,并有泉水從坡地流出;甘肅敦煌雅丹國家地質(zhì)公園的鳴沙山也是主要以金字塔形沙丘為主,沙峰中有月牙泉;內(nèi)蒙古阿拉善沙漠世界地質(zhì)公園的巴丹吉林沙漠內(nèi)高大沙山發(fā)育,沙漠中河流較少,而湖泊眾多;而兩處啞沙的采集地都位于較干旱的沙漠中;

(3)其中翁牛特自治區(qū)級地質(zhì)公園內(nèi)的玉龍沙湖鳴沙采自迎風(fēng)坡,鄂爾多斯國家地質(zhì)公園內(nèi)的響沙和敦煌雅丹國家地質(zhì)公園內(nèi)的響沙采自背風(fēng)坡上,其他地方的響沙和啞沙均采自迎風(fēng)坡上。

圖2　粒度頻率分布圖Fig.2 Particle size frequency distribution diagram

圖3　粒度累積頻率曲線圖Fig.3 Cumulative frequency curve of particle sizes

2.2 粒度分析

所采集樣品的粒度分布均為單峰,正態(tài)分布,啞沙粒度明顯較響沙粗。從圖2粒度頻率分布圖和圖3粒度累積頻率曲線圖中可以看出,響沙粒徑頻率分布峰值集中在2φ～3φ,啞沙粒徑分布峰值集中在0.5φ～1φ。啞沙粒度明顯較響沙粗。

響沙樣品以細(xì)砂和中砂細(xì)粒組分為主,啞沙樣品以中砂和粗砂粗粒組分為主,含量分別達(dá)到了99.346%和97.585%。啞沙粒度明顯較響沙粗,其中響沙粒徑頻率分布峰值集中在2φ～3φ,啞沙粒徑分布峰值集中在0.5φ～1φ;鳴沙和啞沙粒度參數(shù)差別最大的為平均粒徑,分選和峰度較為接近,鳴沙基本為正偏,啞沙全部為負(fù)偏。分選性上,敦煌鳴沙山的響沙樣品分選性好于翁牛特旗的勃隆克沙湖響沙和鄂爾多斯銀肯響沙;甘新庫塔格沙漠啞沙的分選介于敦煌響沙﹑翁牛特及鄂爾多斯響沙之間,而敦煌鳴沙山外圍的啞沙的分選低于以上所有響沙和啞沙。

2.2.1 粒度組分

表2　各樣品不同組分百分含量表Table 2 Percentage of different particle sizes of sampling sands

從表2中可以看出,響沙樣品以細(xì)粒組分為主,啞沙沙樣以粗粒組分為主。響沙樣品S1至S5,及S7和S8以細(xì)砂和中砂為主,而Y6和Y9啞沙樣品中以中砂和粗砂為主。所有響沙中的細(xì)砂和中砂的含量所占比例最高值為99.346%,最低值為84.795%,平均值為93.944%;啞沙中中砂和粗砂所占比例最高值為97.585%,兩者百分含量大致相等;響沙中極細(xì)砂和粗砂含量很低,其中極細(xì)砂含量最高值為15.203%,最低值為0.635%,平均值為5.79%;粗砂最高值為1.221%,而響沙S4和S5中不含粗砂;所有響沙樣品均不含極粗砂組分;響沙樣品中細(xì)砂的含量最高,在響沙中所占比例均大于50%;其次為中砂,其所占比例從17%到44%不等。所占比例最高值為97.585%,兩者百分含量大致相等,極粗砂含量很低,極細(xì)砂、細(xì)砂含量極少。啞沙樣品中細(xì)砂含量極少,幾乎不含極細(xì)砂。

2.2.2 粒度參數(shù)

從表3粒度參數(shù)表可以看出,鳴沙(S1至S5,S7,S8)和啞沙(Y6和Y9)粒度參數(shù)差別最大的為平均粒徑,分選和峰度較為接近;鳴沙基本為正偏,啞沙全部為負(fù)偏。從樣品粒度參數(shù)可以看出,甘新庫姆塔格沙漠啞沙樣品Y6的平均粒徑在0.998φ,敦煌啞沙樣品Y9的平均粒徑為0.82φ,遠(yuǎn)大于其他地區(qū)響沙的平均粒徑;在分選性上,翁牛特旗響沙S1 至S3和鄂爾多斯響沙S4和S5的分選系數(shù)均大于0.5,分選性較好,敦煌鳴沙山響沙樣品分選系數(shù)在0.39～0.47之間,分選性好于上述兩地響沙樣品;甘新庫姆塔格沙漠啞沙沙樣分選性介于敦煌響沙和翁牛特及鄂爾多斯響沙之間;所有樣品峰態(tài)值在0.95左右,相差不大,在粒度分布曲線上表現(xiàn)為尖峰態(tài)。

2.3 礦物成分

表3　粒度參數(shù)表Table 3 Particle size parameters

表4　礦物成分百分含量表Table 4 Percentages of mineral components

無論是鳴沙還是啞沙主要礦物成分都以石英和長石為主。鳴沙和啞沙中次要礦物成分存在差別,鳴沙中含有高嶺石、鈉長石、微斜長石及方解石等,而啞沙中幾乎未含這些次要礦物。Richardson(1919)曾研究表明鳴沙和啞沙都具有相同的礦物成分,此研究結(jié)論與本文實驗分析的結(jié)果不相符,本文通過實驗得出的結(jié)論是鳴沙和啞沙的主要礦物成分相同,但含有的次要礦物成分存在差別。

從表4中可以看出,鳴沙和啞沙的主要礦物組成都以石英﹑長石(斜長石和鉀長石)為主,其他次要礦物含量較低(<20%)。沙樣(包括鳴沙和啞沙)中的主要礦物中的石英含量均為最高。

S1、S2和S3為采自翁牛特玉龍沙湖響沙的沙樣,石英含量均達(dá)75%以上;﹑其次為鉀長石斜長石、鈉長石,微斜長石含量均小于10%,而且沙樣中都含有微量重礦物輝石,含量均小于1%。S4和S5為采自鄂爾多斯庫布齊沙漠銀肯響沙的沙樣,其中,石英含量最高,均達(dá)75%以上;其次為鉀長石、斜長石、鈉長石、微斜長石含量均小于10%,而且沙樣中都含有微量重礦物輝石,含量均小于1%。S4 和S5為采自鄂爾多斯庫布齊沙漠銀肯響沙的沙樣,其中,石英含量最高,均達(dá)70%以上;斜長石和鉀長石的含量較少,在5%以下。與S1、S2、S3相比,沙樣S4和S5中均含有少量的高嶺石和云母及少量的微量重礦物輝石和綠泥石;而只有S4中含有少量的鈉長石和微斜長石。樣品Y6采自甘新庫姆塔格沙漠的東緣的啞沙,石英含量達(dá)到75%,斜長石的含量達(dá)15%;鉀長石和云母的含量和S4及S5響沙中的含量大體相差不多;而且也含有不到1%的微量重礦物輝石和綠泥石。樣品S7﹑S8和Y9采自敦煌鳴沙山,其中,S7和S8為響沙沙樣,Y9為啞沙。S7和S8樣品中的石英含量低于Y9中的,但含量都遠(yuǎn)高于其他礦物含量;S7和S8中也含有少量輝石和綠泥石微重礦物,而Y9中不含有這些微重礦物,而且只含有石英,斜長石和鉀長石三種礦物。

根據(jù)表4礦物成分?jǐn)?shù)據(jù)可以看出,響沙和啞沙砂樣均含有比重比較高的石英含量,分析數(shù)據(jù)得出:

(1)無論鳴沙還是啞沙主要礦物成分都以石英和長石為主,其中石英含量分布范圍是55%～90%之間,長石含量(斜長石、鉀長石、鈉長石、和微斜長石)分布范圍為12%～25%之間。石英+長石(所有長石類型)含量分布范圍為84%～100%。鳴沙和啞沙的主要礦物存在差別,表現(xiàn)為啞沙中主要礦物含量高于鳴沙含量。鳴沙的石英含量為55%～90%,啞沙的石英含量均為75%。長石含量分布范圍為20%～25%。石英+長石的含量分布范圍為95%～100%。鳴沙中石英的平均含量為78%,啞沙中石英的平均含量75%,所有沙樣中石英的平均含量為71.2%,鳴沙中長石+石英的平均含量為91.1%。

(2)鳴沙和啞沙中次要礦物成分存在差別,主要表現(xiàn)為,鳴沙中含有高嶺石,鈉長石,微斜長石及方解石等,而啞沙中幾乎未含這些次要礦物。

3 結(jié)論

通過對中國北方弧形沙漠帶上發(fā)育的鳴沙的地貌特征、粒度特征以及礦物特征進(jìn)行對比分析,主要有以下結(jié)論:

(1)對比鳴沙發(fā)育的地貌形態(tài)發(fā)現(xiàn),鳴沙主要發(fā)育在位于沙漠腹地的新月型沙丘鏈或巨型沙丘上,緊鄰湖泊或泉水,背風(fēng)坡和迎風(fēng)坡上都會發(fā)育鳴沙,但主要集中在背風(fēng)坡。啞沙也發(fā)育在新月形沙丘上,但位于較干旱的沙漠中。這與馬玉明(2000)提出的“共鳴箱”理論中的“響沙都發(fā)育在背風(fēng)坡向陽面”不一致。背風(fēng)坡呈月牙狀,說明背風(fēng)坡不但在大風(fēng)時存在一個強(qiáng)大的渦旋氣流,而且還有一個與主風(fēng)方向垂直或近乎垂直的相反風(fēng)向。其中,翁牛特勃隆克玉湖響沙的主要風(fēng)向為西北風(fēng),次要風(fēng)向為西南風(fēng);敦煌鳴沙山的優(yōu)勢風(fēng)為偏東北風(fēng),次要風(fēng)為偏西風(fēng);銀肯響沙的主風(fēng)為冬春季的西北風(fēng),次要風(fēng)為夏秋季的偏南風(fēng),“共鳴箱”理論中提到鳴沙鳴響的條件之一是位于背風(fēng)處落沙坡向陽,這樣氣溫高,沙面溫度也高;因此月牙形的地貌是符合“共鳴箱”理論的。以上地貌特征的發(fā)現(xiàn)也與屈建軍(1993)提到的鳴沙形成的必要條件——“鳴沙坡的沙丘形態(tài)為新月型沙丘、沙丘下要有水源、水經(jīng)過毛細(xì)作用通過沙面蒸發(fā)到空中,在新月形落沙坡處形成天然的‘水分共鳴箱’”相一致。他們的理論和本文總結(jié)出的三處鳴沙的地理特征一致,即都發(fā)育在新月型沙丘或沙丘鏈上,且都距水源較近。

(2)鳴沙、啞沙粒度分析表明:啞沙粒徑明顯較響沙粗,啞沙的平均粒徑分布峰值集中在0.5φ～1φ,響沙粒徑頻率分布峰值集中在2φ～3φ;主要差別在于細(xì)砂和粗砂的組分,所有響沙中的細(xì)砂含量所占比例均高于52.0%,啞沙中的細(xì)砂含量低于0.9%;響沙中粗砂的含量均小于1.2%,啞沙中粗砂的含量大于48.1%。

(3)鳴沙和啞沙主要礦物成分都以石英和長石為主,次要礦物成分存在差別。鳴沙中含有的一些啞沙中幾乎未含有的次要礦物,其來源主要由沙粒物源和氣候條件所決定。其微少的含量是否是控制鳴沙鳴響的主要因素尚需要進(jìn)一步的實驗驗證。

我國北部弧形沙漠帶上發(fā)育的鳴沙沙漠是重要的地質(zhì)遺產(chǎn),是人類共同的財富,需要對其進(jìn)行深入的調(diào)查,并采取一定的保護(hù)措施。要建立科學(xué)合理的地質(zhì)遺跡管理體系,注重長遠(yuǎn)的機(jī)制?？梢栽邙Q沙山前緣流動沙丘和平坦沙地建立沙地阻固區(qū)和防護(hù)保護(hù)區(qū),防止沙體在風(fēng)的作用下形成風(fēng)沙流和旅客對鳴沙的踩踏破壞。要吸收先進(jìn)的保護(hù)理念,采取積極有效的科技手段,對稀有的鳴沙地質(zhì)遺跡進(jìn)行保護(hù)。

鑒于本文主要是基于響沙和啞沙的地貌以及沙子的物理和礦物屬性進(jìn)行鳴沙特征的探討,野外采集過程中對鳴沙和啞沙進(jìn)行了明確的辨識,因此,未做進(jìn)一步的聲學(xué)實驗室試驗。在下一階段的研究中將會結(jié)合聲學(xué)的實驗室試驗進(jìn)行鳴沙和啞沙的對比研究。

Acknowledgements:

This study was supported by Land and Resources Department of Gansu Province(No.53200859491).

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圖版說明

圖版I Plate I

a-翁牛特勃隆克玉湖響沙全景圖;

b-翁牛特勃隆克玉湖響沙(S1,S2,S3);

c-鄂爾多斯庫布齊銀肯響沙全景圖;

d-鄂爾多斯庫布齊銀肯響沙(S4,S5);

e-敦煌鳴沙山全景圖;

f-甘新庫姆塔格沙漠啞沙(Y6);

g-敦煌鳴沙山響沙(S7,S8);

h-鳴沙山外圍啞沙(Y9)

a-panoramic view of Yu Hu booming sands of Bo Longke Sand Lake of Ongniud Geopark at the Autonomous Region level;

b-Yu Hu booming sands of Bo Longke Sand Lake of Ongniud Geopark at the Autonomous Region level(S1,S2,S3);

c-panoramic view of Yin Ken Sound-Producing Sand Bay of Ordos National Geopark;

d-Yin Ken Sound-Producing Sand Bay of Ordos National Geopark(S4,S5);

e-panoramic view of Mount Mingshashan of Dunhuang Yardang National Geopark;

f-silent sands of the Kumtag Desert(Y6);

g-booming sands of Mount Mingshashan of Dunhuang Yardang National Geopark(S7,S8);

h-silent sands of the northeast of the Mount Mingshashan of Dunhuang Yardang National Geopark(Y9)

圖版I Plate I

A Comparative Study of the Desert Singing Sands in Northern China

HAN Fei1),TIAN Ming-zhong1)*,LIU Si-wen2),WU Fa-dong1),WANG Lu-lin1)
1)School of Earth Science and Resources,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083;
2)National Center for Geoanalysis,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037

Abstract:The sound-producing sand grains have long been a puzzling and pending problem in nature.The singing sands within the geoparks of northern China are scattered along a discontinuous curved desert zone,which,however,have been rarely studied and reported.The singing sands record and reflect the evolution process of deserts,and hence serve as an important geo-relic.In this study,the authors tried to investigate and compare the booming sands and silent sands from several deserts within the geoparks of northern China in the aspects of geomorphic features,distribution,particle size composition and major mineral components,and attempted to figure out the similarities and differences between the singing and silent sands.The booming sands of Bo Longke Sand Lake of Ongniud Geopark at the Autonomous Region level,the Yin Ken Sound-Producing Sand Bay of Ordos National Geopark,the Mount Mingshashan of Yardang National Geopark of Dunhuang,and the silent sands of the Kumtag Desert and the northeast of the Mount Mingshashan of Dunhuang Yardang National Geopark were all included in the study.And these singing and silent sand examples were investigated by using particle size analysis and X-ray diffraction and fluorescence.Some conclusions have been reached:1)Singing sands from the above desert geo-relics mainly are developed on meniscus dune or barchan chain,and these singing sands are close to lake or spring water;both the leeward slope and windward slope develop singing sands,with the latterbook=248,ebook=123slope being more important;the silent sands,however,are developed on the windward slope.This result is inconsistent with the sound-box theory put forward by Ma Yu-ming that holds that all the singing sands are developed on the leeward slope;2)The silent sands have apparently coarser particle sizes than the singing sands.The average particle size peaks of the silent sands are between 0.5φ and 1φ,whereas those of the singing sands are between 2φ and 3φ;among the four particle size parameters,the average grain sizes of the singing sands and silent sands are obviously different from each other.The average size particle of the silent sand sample from the Kumtag Desert is 0.998φ,and that of the silent sand sample from the Mount Mingshashan of Dunhuang is 0.82φ,much larger than that of other singing sand samples;the percentages of the fine sands and coarse sands are evidently different from each other,among which the fine sand percentages of all the singing sand samples are higher than 52.012%,and those of the silent sand sample are lower than 0.881%;the content of coarse sands of all the singing sands samples is lower than 1.221%,while that of the silent sand samples is higher than 48.091%;the size grading factor and coefficient of kurtosis of the singing and silent sands are similar;in terms of the sorting feature,the singing sand sample from the Mount Mingshashan of Dunhuang exhibits better sorting features than any other singing and silent sand samples,while the silent sands from the northeast of the Mount Mingshashan exhibit the poorest sorting features;3)The major minerals of both the singing sands and the silent sands are quartz and feldspar;the singing and silent sands comprise different secondary mineral components:the singing sands contain kaolinite,albite,microcline and calsite,while the silent sands rarely contain such secondary mineral components,which is mainly determined by the source of the sand grains and climate;in addition,the problem whether the minor content in the singing sands is the defining factor for the booming of the singing sands remains to be investigated.The results obtained by the authors indicate that the geomorphic features and material composition can contribute to differentiating the singing sands and silent sands as well as figuring out the cause of the formation of the singing sands.

Key words:singing sands;geomorphic feature;particle size composition;mineral components;comparative analysis;resonance box theory

*通訊作者:田明中,男,1951年生。教授,博士生導(dǎo)師。主要從事第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)與地貌學(xué)研究。

作者簡介:第一韓菲,女,1981年生。博士研究生。主要從事第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)與地貌學(xué)研究。

通訊地址:100083,北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號。E-mail:fayehan0731@126.com。 100083,北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號。E-mail:tianmz@cugb.edu.cn。

收稿日期:2015-09-23;改回日期:2015-12-20。責(zé)任編輯:魏樂軍。

中圖分類號:P931.3;P575

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.02.13