烏日查呼，春 喜,張衛(wèi)青，張樣洋

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)蒙古高原環(huán)境與全球變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；2.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)濕地環(huán)境修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

我國是世界上受荒漠化危害最嚴(yán)重的國家之一[1-2]，荒漠化土地面積已超過260×104km2，占國土總面積的27%[3-4]。廣泛分布于西部和北部的沙漠及沙地，不僅是我國沙塵暴塵源的重要提供區(qū)，也是亞洲沙塵的釋放中心[5,6]。粒度是沉積物的重要結(jié)構(gòu)特征，在分析和判別沉積物來源、搬運(yùn)條件、沉積過程及沉積環(huán)境等方面具有重要意義。因而在我國沙漠研究中得到了廣泛的應(yīng)用[7]。研究結(jié)果顯示，我國沙漠粒度特征存在一定的區(qū)域差異，并與其物質(zhì)來源和沉積環(huán)境有密切關(guān)系。例如，平均粒徑最小的為塔克拉瑪干沙漠[8]，其南緣綠洲沙主要來源于上風(fēng)向的沙漠區(qū)，北緣流動沙丘沙則源于下伏河床沉積沙[9-10]；而巴丹吉林沙漠粒度組成較粗，粒徑自西北向東南有微弱變細(xì)的趨勢，其物源主要為沙漠北部的湖泊沉積、戈壁以及南部的山體碎屑物等[11-13]。此外，庫姆塔格沙漠和烏蘭布和沙漠也在河流、湖泊沉積及周圍山體等多種物源影響下，其不同部位沉積物表現(xiàn)出了較大的差異[14-15]。由此可見，現(xiàn)代沙漠化的發(fā)生發(fā)展大多是地質(zhì)歷史時(shí)期荒漠景觀及地質(zhì)作用過程的繼續(xù)[16]，沙漠區(qū)域尺度上對其進(jìn)行系統(tǒng)的粒度特征研究，尋找其源區(qū)沙土類物質(zhì)對抑制沙漠化發(fā)展有重要作用。

渾善達(dá)克沙地位于農(nóng)牧交錯(cuò)帶，是影響京津地區(qū)北路沙塵暴的必經(jīng)之地和沙塵源區(qū)之一。目前，該沙地沙漠化過程雖已得到初步控制，但西部仍有惡化的趨勢[17-18]。對其沉積物的粒度及來源，前人從不同土地覆被及植被蓋度下粒度特征[19-20]、不同沙漠/沙地粒度對比[7]、土地退化與粒度關(guān)系[21]等角度，或通過礦物學(xué)與鋯石年代學(xué)、同位素地球化學(xué)[22-24]等方法進(jìn)行了較多的研究。綜合其結(jié)果，大致總結(jié)為渾善達(dá)克沙地沙大部分物質(zhì)來源于周邊地區(qū)的造山帶，受區(qū)域風(fēng)沙環(huán)境的影響，沉積物平均粒徑僅次于呼倫貝爾沙地，局部地區(qū)細(xì)物質(zhì)含量隨著植被蓋度的增加而增加。這些研究對我們了解該沙地形成原因及沙粒特征有一定的幫助，但由于其關(guān)注的重點(diǎn)主要集中于物源尋找或與各沙漠對比的大尺度性問題，因此缺乏對沙地內(nèi)部不同區(qū)域粒度特征及分異規(guī)律、物質(zhì)貢獻(xiàn)的系統(tǒng)性分析，這對全面詳細(xì)了解該沙地粒度分布情況，并制定針對性治理措施造成一定的困難。本研究對渾善達(dá)克沙地進(jìn)行了系統(tǒng)的采樣，利用粒度分析，對其內(nèi)部不同區(qū)域的物質(zhì)組成及其空間分異規(guī)律、沉積環(huán)境進(jìn)行研究，并為抑制該沙地繼續(xù)擴(kuò)展及其治理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

渾善達(dá)克沙地(42°-45°N、112°-118°E)位于錫林郭勒盟中部和西南部，東西長約360 km，南北寬約30 km。處于干旱、半干旱過渡帶，屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，風(fēng)力強(qiáng)勁，平均風(fēng)速3.5～5 m·s-1，4-5月風(fēng)速較大，年大風(fēng)日數(shù)50～70 d，主風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，熱量和蒸發(fā)量則從東南向西北遞增[25]。在地質(zhì)構(gòu)造上為地塹式的凹陷帶，沙地邊緣為剝蝕低山、丘陵，地勢由東南向西北緩慢降低，第四紀(jì)以來構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，使其存在眾多湖泊、水泡子和泉眼以及內(nèi)流河[26]。

2 研究方法

2.1 樣品采集

為了對渾善達(dá)克沙地進(jìn)行粒度區(qū)域?qū)Ρ确治?，主要沿該沙地東西方向，局部為南北方向，距離約20 km隨機(jī)采樣(圖1)。樣品采集量及方法參考相關(guān)學(xué)者的研究[8,26]，取范圍為20 cm×20 cm，深度大約0～5 cm的50～100 g表層沉積物樣品；采集范圍基本覆蓋沙地的主要區(qū)域，供計(jì)76件。

圖1 渾善達(dá)克沙地界限及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Map of the Otindag sandy land and the locations of the sampling sites

2.2 粒度測量與計(jì)算

粒度分析試驗(yàn)在內(nèi)蒙古師范大學(xué)蒙古高原環(huán)境與全球變化自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，前處理試驗(yàn)按照Y.J.Peng et al[28]提出的方法進(jìn)行。1)稱取0.8 g沉積物樣品于燒杯中，加入30%的雙氧水和10%的稀鹽酸；2)加熱，去除樣品中的有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽等雜質(zhì)；3)加入0.05 mol·L-1的六偏磷酸鈉溶液，震蕩，消除樣品膠結(jié)作用。之后采用Malvern Mastersizer 3000激光粒度儀進(jìn)行粒度測試。該儀器粒度測量范圍為0.01～3 500 μm，重復(fù)測量3次，測量精度優(yōu)于0.6%。根據(jù)Folk-Ward的圖解法公式計(jì)算粒度參數(shù)(表1)，粒度單位用φ值，并用Udden-Wentworth粒級劃分法分類樣品粒度級配(粒度級配指粒度組成，見表2)。采用Arcgis平臺選擇反距離權(quán)重插值法對渾善達(dá)克沙地粒度參數(shù)進(jìn)行空間插值分析。

表1 粒度參數(shù)Table 1 Grain-size parameters and implications

3 結(jié)果與分析

3.1 級配及分析

渾善達(dá)克沙地表層物質(zhì)以細(xì)沙為主，中沙為次，粉沙、極細(xì)沙和粗沙含量較少；黏土及極粗沙含量極少。從變異系數(shù)來看不同樣點(diǎn)同一粒級的百分含量差異較大，表明沙地內(nèi)部各沉積物組成上有較大的空間差異(表2)。

表2 渾善達(dá)克沙地表層沉積物粒度組成Table 2 The grain size composition of surface sediments in Otindag sandy land

前人研究證明，粉沙組分是塵暴中可遠(yuǎn)距離搬運(yùn)的細(xì)粒組分[29]。渾善達(dá)克沙地粉沙組分含量百分比區(qū)間為0%～34.4%，平均值為4.59%。在空間分布上，西部含量相對于東部較多，高含量出現(xiàn)在西北部及西南部，整體從西到東呈逐漸減少的趨勢(圖2a)。極細(xì)沙組分含量百分比區(qū)間為0%～34.8%，均值為9.39%，較高含量出現(xiàn)在中部及東部，從西到東呈波動變化狀態(tài)(圖2b)。細(xì)沙和中沙為風(fēng)沙運(yùn)動中的躍移組分，是風(fēng)沙運(yùn)動的運(yùn)動主體，也是渾善達(dá)克沙地重要組分，合計(jì)占總量的75%以上。其中，細(xì)沙組分含量在14.4%～76.1%，平均值43.9%，總體分布規(guī)律為西部少，中、東部偏多，從中到東呈不明顯的增大趨勢(圖2c)。而中沙組分含量區(qū)間則在3.1%～59.9%，平均值為33.9%，高含量主要集中于西部(圖2d)。粗沙組分為風(fēng)較難吹蝕的粗粒組分[28]，含量百分比區(qū)間為0%～26.67%，均值為5.40%，高、低含量分布區(qū)與細(xì)沙分布情況相反(圖2e)。

圖2 渾善達(dá)克沙地表層沙粒徑組分Fig.2 Grain size component of the surface layer sand in the Otindag sandy land

總之，該沙地沉積物從西到東表現(xiàn)出了不同的分布特征，主要體現(xiàn)在西部中沙及粗沙含量相對較高，粉粒組分少量分布。而中、東部中沙、粗沙及粉沙成分均減少，細(xì)沙成分增多，這可能指示沙地內(nèi)部躍移質(zhì)組分在西部侵蝕，東、中部積累，懸疑質(zhì)組分則被分選并搬運(yùn)到更遠(yuǎn)處。而在西部少量分布的粉沙，可能與其沉積環(huán)境條件有關(guān)。

3.2 粒度參數(shù)特征

沉積物粒度變異系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3，各樣品粒度參數(shù)之間差異性較大。平均粒徑分布范圍較寬，在4.83～580 μm，從粗沙到粉沙均存在。均值為243 μm，屬于細(xì)沙粒級。中值粒徑和平均粒徑相差較小，均值為247 μm。其在不同區(qū)域的變化規(guī)律為西部粒徑偏粗，從西到東粒徑大致由粗變細(xì)(圖3a)。分選系數(shù)為0.43～2.37，均值為0.94，總體分選性較差。西部分選系數(shù)最大，分選性最差，而東部分選性表現(xiàn)為良好，從西北到東南呈變好的趨勢(圖3b)，可能受到西北風(fēng)的影響，盛行風(fēng)向上逐漸篩選的結(jié)果。前人研究也表明，在某些沙漠確實(shí)存在這一規(guī)律[12,30]。偏度的變化范圍為-0.08～0.63，均值為0.16，對稱偏態(tài)較多。從西到東由極正偏趨于對稱(圖3c)，表明西部樣品粒度整體上集中在粗端部分，而往東樣品顆粒粗細(xì)含量變得相近，分布趨于均勻。峰度在0.83～2.93，平均值1.23，西部除個(gè)別樣點(diǎn)外峰態(tài)值均表現(xiàn)為很尖或尖峰態(tài)(圖3d)，越往東其峰態(tài)值趨于平峰態(tài)。

圖3 渾善達(dá)克沙地粒度參數(shù)分布Fig.3 The spatial distribution of grain-size parameters in Otindag sandy land

表3 渾善達(dá)克沙地表層沉積物粒度參數(shù)Table 3 The grain-size parameters of surface sediments in Otindag sandy land

渾善達(dá)克沙地沉積物粒度分布隨樣品所在地的不同而存在差異，物源及搬運(yùn)方式的不同，后期風(fēng)力分選及沉積都有可能造成這種差異。

從圖4可知，散點(diǎn)分散程度較強(qiáng)，各粒級沙均可見到，分選系數(shù)等級齊全，偏度及峰度變化局部較大。表明沙地沉積物混雜，沉積動力條件多樣，沉積過程受到多種復(fù)雜條件的影響。其中平均粒徑和分選系數(shù)呈不顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4a)，隨著粒徑的減小，分選性呈微弱變好的趨勢。而分選系數(shù)和偏度呈正相關(guān)關(guān)系(圖4b)，隨著分選性的變好，偏態(tài)趨于0，即趨于對稱，這表明分選是通過分選相對較粗和較細(xì)的顆粒來完成的。除此之外還發(fā)現(xiàn)，散點(diǎn)中有一部分樣品始終集中在一處，平均粒徑分布范圍140～330 μm，分選系數(shù)為0.4～0.8(圖4a)，呈偏度近對稱和中等峰態(tài)，屬于粗及細(xì)組分含量相近，均一化程度較高，分選良好的細(xì)沙到中沙粒級，反映了營力作用機(jī)制的相同性。與散布于圖右上部的樣品成明顯的對比，二者能較清楚地區(qū)分，表明樣點(diǎn)存在明顯的沉積環(huán)境差異。

圖4 渾善達(dá)克沙地粒度參數(shù)散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter diagrams between grain-size parameters in Otindag sandy land

3.3 頻率分布曲線

渾善達(dá)克沙地沉積物分布頻率曲線主要有3種類型(圖5)，針對不同類型選取了幾條具有代表性的樣品曲線進(jìn)行分析。

類型1：分布曲線呈不對稱的雙峰分布(圖5a)，主次峰相差懸殊，主峰位于170～300 μm，屬于細(xì)沙及中沙粒級，與風(fēng)成沙眾數(shù)粒徑分布范圍相似[30]，次峰位于1～30 μm，屬于粉沙粒級，該范圍內(nèi)的粒度含量均<3%。在粉沙級峰向細(xì)沙級峰過度范圍(30～70 μm)出現(xiàn)一低谷。屬于此類型分布曲線的樣品主要出現(xiàn)在沙地西部及中西部。

類型2：分布曲線呈近似對稱的雙峰及“馬鞍形”的雙峰分布(圖5b)，與類型1相比，主次峰峰值差異較小，具有此消彼長的特征，峰值粒徑較粗，眾數(shù)粒徑分別為90～200、400～630 μm，屬于較粗的極細(xì)沙到較細(xì)的粗沙粒級。該類型分布曲線的樣品集中分布于沙地的西部。

類型3：分布曲線呈單峰分布(圖5c)，該類型曲線樣品數(shù)量較多，沙地范圍內(nèi)均存在，但曲線峰值位置及展開度在不同區(qū)域表現(xiàn)出了不同的特征，整體來講中部及東部的該曲線粒度區(qū)間較窄，峰值粒徑偏細(xì)，為170～300 μm屬于細(xì)沙及中沙粒級，且含量較高，是典型的風(fēng)成沉積，隆浩等[31]對騰格里沙漠現(xiàn)代風(fēng)成沙的研究也表明風(fēng)成沙具有類似的特征。西部沉積物曲線則展開度大，峰相對變矮且右偏，說明此處沉積物顆粒較粗且分選性較差。

綜上，由渾善達(dá)克沙地中、西部沉積物分布頻率曲線的單峰及雙峰混合分布情況可知，該區(qū)域沉積物搬運(yùn)方式不唯一，沉積環(huán)境較復(fù)雜。向東沉積物分布頻率曲線趨于單窄峰，指示其動力過程較單一，物質(zhì)分布集中。

注:a.不對稱的雙峰曲線；b.對稱的雙峰曲線及“馬鞍形”的雙峰；c.單峰曲線圖5 渾善達(dá)克沙地樣品典型粒度頻率曲線Fig.5 Typical grain size frequency distribution curve of Otindag sandy land

4 結(jié)論與討論

渾善達(dá)克沙地表層物質(zhì)整體上以細(xì)沙為主，含量占43.9%，其次為中沙，含量30%以上。粉沙、極細(xì)沙和粗沙含量合計(jì)占總數(shù)的20%，黏土及極粗沙含量極少。內(nèi)部沉積物粒度存在明顯的區(qū)域差異，沙顆粒從西到東呈變細(xì)的趨勢。西部沉積物粒度分布范圍相對較寬，粉沙、中沙及粗沙含量相對較高，東部則主要集中于細(xì)沙。

該沙地沉積物平均粒徑分布范圍較寬，分布于4.83～580 μm，均值為243；分選系數(shù)平均值為0.94，分選性整體較差，從西北到東南呈變好的趨勢；偏度的變化范圍為-0.08～0.63，其中對稱偏態(tài)偏多；峰度介于0.83～2.93，平均值1.23。

該沙地沉積環(huán)境多樣，沉積過程復(fù)雜，中西部沙物質(zhì)以河流及湖泊沉積為主，其懸浮組分粉沙的存在可能表明侵蝕還在進(jìn)行中，尚未進(jìn)一步擴(kuò)散到整個(gè)沙漠。東部則主要分布風(fēng)成沉積，部分物質(zhì)可能來源于沙地內(nèi)部的河流碎屑物或更西部的河湖相沉積。

從渾善達(dá)克沙地的粒度參數(shù)空間分布圖可知(圖3)，沙地西部中值粒徑及偏態(tài)值相對較大，分選性較差，與此相應(yīng)，主要以粗顆粒物質(zhì)為主，但粉沙等細(xì)顆粒含量也相對較高，頻率分布曲線呈單峰及雙峰混合分布，指示其沉積環(huán)境較復(fù)雜。前人研究[32-35]認(rèn)為出現(xiàn)雙峰或多峰時(shí)，其形成的原因可能不同，譬如有季節(jié)韻律的風(fēng)動力或水動力機(jī)制，不同強(qiáng)度水動力條件下沉積的河流及湖泊沉積，不同風(fēng)速堆積而成的層狀風(fēng)成沙，或者多種物源的混合沉積物等均出現(xiàn)雙峰態(tài)。因?yàn)椴煌＜壍慕M分由特定的搬運(yùn)營力產(chǎn)生和沉積[36]，為進(jìn)一步確定西部沉積環(huán)境情況，將該區(qū)雙峰曲線(圖5)與前人研究的不同沉積物類型的粒度頻率分布曲線進(jìn)行了比對，發(fā)現(xiàn)類型1與毛烏素沙地泊江海子及巴丹吉林沙漠西諾爾圖等干旱區(qū)湖泊沉積的特征基本一致[37-38]，都呈不對稱的雙峰分布，170～300 μm組分與入湖沉降的風(fēng)成沙組分相似，表明類型1的樣品為湖相沉積來源。而類型2可能為沖洪積與風(fēng)成沙的混雜沉積，90～200 μm峰表示風(fēng)成沙，400～630 μm峰為沖洪積沙，殷志強(qiáng)等[33]提出水動力條件較強(qiáng)的河流沉積或洪水沉積以150～700 μm及>700 μm組分為主，風(fēng)成沙組分與沖洪積沙組分可輪流為優(yōu)勢組分[38]，表明沉積環(huán)境變化較大。因此我們初步推測渾善達(dá)克沙地中西部沉積物主要屬于河流及湖相沉積，且沉積過程復(fù)雜。與此相比，中東部沉積物中值粒徑較小，偏態(tài)呈對稱及近對稱，表明粗、細(xì)組分含量相近，均一化程度較好，以分選良好的細(xì)沙及中沙組成，頻率分布曲線呈高而窄的單峰，表明其沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，物質(zhì)來源單一，為典型的風(fēng)成沉積[31]。然而，通過分析粒度頻率曲線只能做到定性地區(qū)分沉積物類型，因此，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。B.L.Liuetal[39]和Z.C.Zhangetal[40]在庫姆塔格沙漠和河西走廊沙漠研究中驗(yàn)證了sahu判別函數(shù)在內(nèi)陸沙丘中應(yīng)用的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明，除了對戈壁風(fēng)成沉積物有誤判外，其余的判別均與實(shí)際環(huán)境一致，認(rèn)為sahu判別函數(shù)對沙漠沉積物沉積環(huán)境判別提供了一個(gè)較好的指標(biāo)。本研究樣品未涉及到戈壁沉積物，因此利用該公式驗(yàn)證了上述判斷，進(jìn)而計(jì)算出了不同沉積環(huán)境的貢獻(xiàn)比例，結(jié)果表明，渾善達(dá)克沙地由28%的風(fēng)成沉積、36%的湖相沉積、23%的河流沉積及14%的濁流沉積物組成，沉積類型及分布位置與上述判斷基本一致。其中，濁流沉積為靠重力作用沿斜坡呈片狀向下流動的高密度水流沉積[31]，與洪水沉積性質(zhì)相似，因此推測洪流攜帶大量碎屑物注入湖泊之時(shí)攪動原來的湖泊沉積形成了類似于濁流沉積的洪流沉積。

渾善達(dá)克沙地古沙和現(xiàn)代沙源區(qū)的對比研究表明，它們有相似的U-Pb年齡組成特征，現(xiàn)代沙是由古沙翻新而成，或沙地源區(qū)自LGM以來未發(fā)生改變[23]。根據(jù)氧同位素組成[24]及微量元素Zr、Hf[41]的研究，該沙地可能的物源有沙地以西的火成巖及南緣的山地，這些山體的風(fēng)化物通過風(fēng)力、河流及洪積過程被輸送至沙地中沉積[23]。進(jìn)一步的研究[42-43]也顯示，沙地西部在晚第四紀(jì)時(shí)期存在一個(gè)統(tǒng)一的大湖，水源主要來自發(fā)源于南部山區(qū)的河流，且西部的朱日和等地區(qū)至今也存在著古河谷[44]。由此推測分布于沙地西部的這些河、湖相沉積，一部分應(yīng)是古湖泊及河流沉積物就地侵蝕起沙產(chǎn)生，而懸浮組分粉沙的存在表明侵蝕還在進(jìn)行中，尚未進(jìn)一步擴(kuò)散到整個(gè)沙漠。

源于沙地南部丘陵一帶的高格斯臺河、恩格爾河等河流碎屑物，經(jīng)盛行風(fēng)吹揚(yáng)并沉積在下風(fēng)區(qū)，成為沙地內(nèi)部風(fēng)成沉積的物源[45]。而分布在更西部的湖泊及河流沉積物、火成巖風(fēng)化產(chǎn)物等都有可能經(jīng)風(fēng)力作用被攜帶至下風(fēng)向的東部沉積，從而使渾善達(dá)克沙地沉積物中值粒徑及分選性在盛行風(fēng)向上變細(xì)、變好。但要證明這一觀點(diǎn)，還需通過對比東西部地表沉積物的輕/重礦物組成，分析微量元素的地球化學(xué)特征差異等方面進(jìn)行深入探討。