肖靖安, 裴 亮, 孫莉英, 馬文秀

(1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室,北京 100101; 2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3.河北廊坊市環(huán)境監(jiān)測中心, 河北 廊坊 065000)

戈壁是指在干旱或極端干旱區(qū)長期受物理風(fēng)化作用、風(fēng)蝕作用，廣泛分布于地勢開闊地帶，地表為粗砂或礫石所覆蓋的一類荒漠景觀[1]。額濟納旗戈壁位于中亞極端干旱區(qū)，在強烈的風(fēng)沙活動作用下，戈壁地表大量的細(xì)顆粒被吹蝕、搬運和沉積，是全球沙塵暴的主要物源區(qū)[2]，按成因額濟納旗戈壁可劃分為侵蝕型和堆積型，或劃分為洪積成因的礫質(zhì)戈壁、剝蝕殘丘型的石質(zhì)戈壁和沖積型戈壁等類型[3]，其形成時代可追溯至晚更新世或全新世[4-6]。戈壁沉積物是由外力和內(nèi)力作用于巖石圈而生成的，它受地形、氣候和構(gòu)造條件的共同作用影響[7]。粒度作為戈壁沉積物的主要特征之一，是戈壁區(qū)物源屬性、外營力環(huán)境和搬運能力的綜合反映[7-10]。對戈壁縱剖面沉積物的粒度組成進(jìn)行分析是揭示戈壁形成過程的重要手段。常用的粒度指標(biāo)有粒度平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、峰態(tài)等，這些粒度參數(shù)分別可反映顆粒的集中趨勢、顆粒大小的均勻程度、不對稱程度等。近20 a來，粒度指標(biāo)廣泛應(yīng)用于沉積物的調(diào)查研究中，為沙漠、黃土高原以及湖泊沉積物等地質(zhì)記錄體的研究中判定動力成因與方式的重要依據(jù)[11-16]。

對戈壁縱剖面沉積物的粒度構(gòu)成進(jìn)行研究可以反映戈壁形成過程中的沉積環(huán)境[17]，是揭示戈壁形成過程的重要內(nèi)容。前人[8-18]采用圖解法計算粒度參數(shù)分析對比了額濟納盆地不同地貌類型戈壁表層、下層及整個縱剖面沉積物的粒度特征，本研究采用不同的粒度分析方法與粒度參數(shù)計算方法在額濟納盆地兩種典型戈壁區(qū)域進(jìn)行了研究分析。本文在額濟納旗戈壁野外實際調(diào)查的基礎(chǔ)上，以額濟納荒漠戈壁典型區(qū)域為研究對象，通過采集東居延海湖岸區(qū)域和古河道區(qū)域典型剖面地表及剖面上不同發(fā)生層次的沉積物樣品，粒度分析方法使用激光法和篩析法，采用矩法計算粒度參數(shù)分析地表沉積物粒度組成及其粒度特征各項參數(shù)指標(biāo)的變化，以期為深入探討戈壁沉積物的沉積環(huán)境與形成過程提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

額濟納旗位于內(nèi)蒙古阿拉善高原荒漠的最西端，地理坐標(biāo)為97°10′—103°7′E，39°52′—42°47′N，屬于極端干旱地區(qū)，地處中亞荒漠東南部，西、西南、北三面環(huán)山，為大陸性干燥氣候，常年干旱少雨，年降水量僅38.2 mm，年蒸發(fā)量約4 000 mm。該區(qū)氣候溫暖，年均氣溫8.2℃。全年溫度大于10℃的持續(xù)天數(shù)為170 d，無霜期超過145 d。年均風(fēng)速3.3 m/s，最大風(fēng)速27.0 m/s，年均沙塵暴日數(shù)10.7 d。

研究區(qū)地形整體呈扇狀，地勢南高北低，中間呈低平狀，海拔高度在820～1 200m。額濟納盆地構(gòu)造上屬于一個左旋拉分盆地[19]，發(fā)源于祁連山的黑河在盆地內(nèi)形成了巨大的洪積扇，向北延伸近300 km，由南向北從洪積平原演變成湖積平原[20-21]。洪積扇末端形成了一系列的湖泊，主要包括居延澤、蘇泊淖爾和嘎順淖爾等。研究區(qū)西部以中低山和山間的洼地、洪積扇群為主；中部以黑河流域沖—洪積平原為主，包括山前的湖積臺地、洪積平原及沖積平原綠洲；中東部地區(qū)以湖積盆地為主；東南部以巴丹吉林沙漠的風(fēng)沙地貌為主。戈壁占額濟納旗土地面積的58.3%，為研究區(qū)主要地貌；綠洲及湖盆洼地占27.57%，低山丘陵占9.3%，沙漠占4.36%[18]。戈壁、平原和低山丘陵區(qū)土壤多為石膏性的灰棕荒漠土，河流沖積洪積平原和湖洼地區(qū)多為草甸土和草甸鹽土，巴丹吉林沙漠和額濟納河西岸主要為風(fēng)沙土。

2 研究方法

2.1 樣品采集

2.1.1 采樣點布設(shè) 2019年10月在額濟納旗戈壁，依據(jù)地表沉積物形成的方式與典型環(huán)境，主要選取以湖積物為戈壁面和以沖積物為戈壁面的兩類典型戈壁，結(jié)合野外實際調(diào)查情況確定6個采樣點，采集地表及縱剖面沉積物，采樣點1,2，3位于居延海西南側(cè)戈壁分布區(qū)，地貌類型為東居延海湖岸，地貌單元屬湖積盆地；采樣點4,5，6位于額濟納旗至拐子湖氣象站沿途戈壁分布區(qū)，地貌類型為古河道，地貌單元屬于沖—洪積平原(圖1)。各樣點的編號、地理位置、海拔、坡度、地表礫石覆蓋度見表1。

圖1 采樣點分布

表1 額濟納戈壁沉積物取樣點位置及地表礫石覆蓋度

2.1.2 樣品采集方法 在采樣點及周邊約1 km2的區(qū)域內(nèi)，地表無任何植被發(fā)育，盡可能避免人類活動的影響。每個采樣點采集兩組樣品，相隔100～200 m。采樣時分層采集30×30×40 cm(長×寬×高)的樣品，人工開挖剖面，在剖面上，按沉積物的外貌特征與發(fā)生層次劃分取樣層次，繪制剖面圖并拍照；根據(jù)發(fā)生層次，利用地質(zhì)錘和鐵锨由上而下分層采集原狀沉積物樣品，每層將30×30 cm樣方內(nèi)沉積物全部采集，裝入土樣袋中并編號帶回室內(nèi)分析，采集樣方內(nèi)出露于地表及其下1 cm的沉積物作為表層樣品。其中采樣點1，2，3，4～1采集深度為40 cm，采樣點4～2，5，6由于下部埋藏大量大粒徑礫石，難以采集，故只采集到20 cm深度樣品。在每一采樣點(6個采樣點)，采集2組樣品，總計采集12組樣品。

2.2 樣品分析

2.2.1 粒度組成分析方法 根據(jù)美國土壤科學(xué)學(xué)會劃分標(biāo)準(zhǔn)方法(黏土粒徑d≤2 μm、粉土粒徑2 μm2 000 μm)，對野外采集的戈壁樣品進(jìn)行粒度分析，分析得到不同層間礫石、沙粒、粉土和黏土含量。粒度分析方法使用激光法和篩析法。首先使用1 mm，2 mm，4 mm，8 mm，16 mm土樣篩對樣品進(jìn)行分篩，稱重得出不同粒徑顆粒占比，再在中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所粒度實驗室使用英國MALVERN公司的MasterSize 2000激光粒度儀對小于1 mm顆粒物進(jìn)行粒度測量與分析，儀器測量的粒徑范圍為0.020～2 000 μm，重復(fù)測量誤差小于±2%。最終通過計算得到礫石、沙粒、粉土和黏土顆粒含量。

2.2.2 粒度特征參數(shù)分析方法 粒徑采用克魯賓(Krumbein)粒級標(biāo)準(zhǔn)劃分，將粒徑真值轉(zhuǎn)化為φ值，即以1 mm為基準(zhǔn)，將2的幾何級數(shù)制標(biāo)度轉(zhuǎn)化為中值標(biāo)度[22]，其轉(zhuǎn)化公式為

φ=log2d

(1)

式中:φ為粒徑的對數(shù)值;d為顆粒的直徑(mm),其中d=2n，log2d=n,所以φ=-n,n為2的幾何級數(shù)。

粒度參數(shù)采用McManus矩法公式方法求算，前人研究發(fā)現(xiàn)矩法相比圖解法在計算上具有更高的靈敏度和可靠性[23-29]，包括平均粒徑(Mz)、分選系數(shù)(δ)、偏度(Sk)和峰態(tài)(Kg)[30]。各參數(shù)的計算公式為:

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:Xi為一定粒級范圍內(nèi)中值(φ);fi為各粒級范圍的百分含量。以上粒度參數(shù)計算通過GRADISTAT軟件[31]自動完成。

平均粒徑(Mz)表示沉積物顆粒的粗細(xì)，用于研究沉積韻律和探求物質(zhì)來源。分選系數(shù)(δ)是表示顆粒分選程度的參數(shù)，它表示顆粒在風(fēng)力、水力等動力作用下按粒度的富集現(xiàn)象，表示固體顆粒大小的均勻程度。分選系數(shù)越小，分選性越好，分選系數(shù)越大，則分選性越差。分選系數(shù)值均大于0，可采用規(guī)定的δ標(biāo)準(zhǔn)劃分分選級別，即分選極好(δ<0.35 )，分選好(0.35～0.50)，分選較好(0.50～0.71)，分選中等(0.71～1.00)，分選較差(1.00～2.00)，分選差(2.00～4.00)，分選極差(δ>4.00)[23]。偏度(Sk)表示沉積物粗細(xì)分布的對稱程度，是偏態(tài)的定量描述，沉積物的頻率曲線形態(tài)差別反映了沉積環(huán)境的不同，頻率曲線的偏度可以幫助研究者了解沉積物的成因。Sk=0，粒度呈正態(tài)分布，近于對稱；Sk>0，粒度呈正偏態(tài)分布，集中于粗端部分；Sk<0，粒度呈負(fù)偏態(tài)分布，集中于細(xì)端部分。賈建軍等人根據(jù)圖解法與矩法的對應(yīng)關(guān)系將偏態(tài)Sk分為5個等級級:極負(fù)偏態(tài)(<-1.50)，負(fù)偏態(tài)(-1.50～-0.33)，近于對稱(-0.33～0.33)，正偏態(tài)(0.33～1.50)，極正偏態(tài)(>1.50)[23]。峰態(tài)(Kg)是用來衡量粒度頻率曲線尖銳程度的，表征的是顆粒大小在中間段與兩端的分布情況，也就是定量曲線的峰凸程度，代表了不同物源混雜的混合程度。Kg等級劃分為非常寬平(>4.5)，很寬平(2.75～4.50)，寬平(1.42～2.75)，中等(1.03～1.42)，很尖窄(0.72～1.03)，非常尖窄(<0.72)[23]。表2為賈建軍等根據(jù)圖解法與矩法的對應(yīng)關(guān)系，給出的矩法粒度參數(shù)的分級表[23]。

表2 矩法粒度參數(shù)[23]的定性描述術(shù)語

2.3 統(tǒng)計分析方法

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2019軟件進(jìn)行整理后，利用SPSS 25.0對兩種地貌類型采樣點戈壁沉積物的粒度組成與粒度參數(shù)進(jìn)行獨立樣本均值t檢驗(雙側(cè)檢驗)，比較其均值，顯著性水平α值取0.05，p<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

3 結(jié)果與討論

3.1 東居延海湖岸采樣點縱剖面沉積物粒度組成及特征參數(shù)

3.1.1 沉積物粒度組成 圖2為東居延海湖岸采樣點1(圖2A)，2(圖2B)，3(圖2C)戈壁沉積物黏土、粉土、沙子、礫石百分比含量隨采樣深度的變化情況?？芍焊鶕?jù)美國土壤科學(xué)學(xué)會劃分標(biāo)準(zhǔn)，在東居延海湖岸采樣點中(采樣點1,2，3)，各采樣點上層(0—10 cm)沉積物顆粒主要以沙子(50 μm～2 mm)為主，其含量變化范圍為33.3%～68.3%，平均值為49.2%；其次為礫石(>2 mm)和粉土(2～50 μm)，其含量變化范圍分別為9.6%～32.4%和11.8%～39.7%，平均值分別為23.4%和23.3%；黏土(<2 μm)含量較低，變化范圍為3.2%～4.8%，平均值為4.1%。在縱剖面上，沿垂直方向各剖面層的粒度組成與上層存在差異，主要以沙子和粉土為主，平均含量分別為41.1%和40.6%，礫石和黏土含量較低，平均含量為9.6%和8.8%。

圖2 東居延海湖岸采樣點顆粒級配隨采樣深度變化

在東居延海湖岸采樣點中，沉積相相對較細(xì)，采樣點1,2中存在砂、礫、石的互層，其沉積物組成以沙子為主，在縱剖面上其粒度組成逐漸變細(xì)，礫石含量下降，粉土和黏土含量上升，變化較明顯。采樣點1僅0—5 cm層存在礫石，礫石、沙子和粉土的比重分別為20.4%，53.7%，21.3%，在其余剖面層中，主要以沙子為主，平均含量達(dá)到62.1%，粉土和黏土含量較低，但沿垂直方向從上至下有增加趨勢。采樣點2礫石主要存在于0—2 cm層，礫石、沙子和粉土的比重分別為22.5%，33.3%，39.7%，2—40 cm剖面層主要以沙子和粉土為主，基本不含礫石，沿縱剖面方向，沙子含量逐漸下降，由76.4%下降到29.8%；黏土和粉土含量上升，分別由1.9%到9.5%和由21.7%到60.6%。采樣點3均為僅0—10 cm層存在礫石，比重為7.8%，該層主要以沙子為主，含量達(dá)67.1%，10—40 cm剖面層主要以粉土為主，含量達(dá)74.9%，沿垂直方向從上至下，沙子含量逐漸下降，粉土和黏土含量上升。采樣點3粒度組成較細(xì)，地表基本無礫石覆蓋，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采樣點3位置區(qū)域地表存在結(jié)皮和侵蝕溝，可能是由于現(xiàn)代流水的沖刷作用，粒徑大的顆粒被流水帶走，形成結(jié)皮保護下層細(xì)顆粒不被風(fēng)蝕。采樣點1,2表層形成明顯的以石塊為主的沉積特征，這可能由于研究區(qū)常年的大風(fēng)天氣，且戈壁具有較大搬運能力的風(fēng)沙流[32]。由于環(huán)境中風(fēng)力作用很強、風(fēng)沙活動頻繁，加之戈壁具有較大搬運能力的風(fēng)沙流，地表的細(xì)顆粒沉積物被風(fēng)搬運離開原地表，使沉積物質(zhì)粗化，表面呈現(xiàn)大量石塊、礫石分布，下層部分細(xì)顆粒物質(zhì)在上部礫石的保護作用下，長期積累，沉積下來。

3.1.2 沉積物粒度特征參數(shù) 通過表3可看出，采樣點1的5—25 cm、采樣點2的10—40 cm、采樣點3的10—40 cm剖面層平均粒徑屬于粉土(4.321.50)，其余各采樣點剖面層均為正偏(0.33～1.50)，這說明沉積物主要以侵蝕過程為主，顆粒粗化明顯。峰態(tài)值的變化范圍在2.67～9.00，寬平占8.3%，很寬平占50%，非常寬平占41.7%。這說明沉積物屬于單峰態(tài)分布，物源單一，較寬的峰態(tài)表明沉積物粒度在各級別的優(yōu)勢不明顯，沉積物質(zhì)可能是由不同的物源分選之后形成的混合物。下層沉積物峰態(tài)分布表現(xiàn)為很寬平或非常寬平，表明該處受風(fēng)蝕影響較小，細(xì)粒物質(zhì)沒有流失，一旦這些地段因人為因素而出露于地表，細(xì)粒物質(zhì)將很快被風(fēng)蝕作用搬運遷移，峰態(tài)將進(jìn)一步尖窄化[13]。

表3 東居延海湖岸采樣點粒度參數(shù)

3.2 古河道采樣點縱剖面沉積物粒度組成及特征參數(shù)

3.2.1 粒度組成 圖3為古河道采樣點4(圖3A)，5(圖3B)，6(圖3C)縱剖面沉積物粒度組成隨采樣深度變化情況。可知，在古河道采樣點中：各采樣點0—10 cm層沉積物顆粒主要以沙子為主，比重達(dá)67.3%；其次為礫石，比重達(dá)27.6%；粉土和黏土含量較低，分別為4.0%和1.0%。10—20 cm層沉積物顆粒主要以礫石和沙子為主，比重分別為44.3%和43.4%；粉土和黏土含量較低，分別為9.7%和2.6%。

圖3 古河道采樣點顆粒級配隨采樣深度變化

古河道采樣點粒度組成主要表現(xiàn)為上層細(xì)、下層粗的特點，上層細(xì)砂含量為64.4%，下層石塊含量為33.4%，屬于典型的河流沖積物二元沉積相結(jié)構(gòu)[33-34]。表層的細(xì)粒物質(zhì)較多是由于河漫灘沉積物在洪水泛濫時，懸移質(zhì)沉積物向河道兩側(cè)溢出，形成以沙子、粉土等細(xì)粒物質(zhì)為主的沉積層，在下層則形成了以礫石、粗砂為主的沉積層，因而在垂直剖面上構(gòu)成了典型的二元相沉積互層。其中采樣點6地表基本無礫石覆蓋，主要由于該區(qū)域地勢較低，頻繁的風(fēng)沙作用，細(xì)顆粒物質(zhì)在該處大量堆積。

3.2.2 特征參數(shù) 通過表4可看出，3個采樣點沉積物平均粒徑均屬于沙子(-1

表4 古河道采樣點粒度參數(shù)

3.3 兩種典型區(qū)粒度組成及特征參數(shù)差異分析

額濟納旗戈壁不同沉積環(huán)境顆粒物粒度特征是風(fēng)化、侵蝕、堆積等地表過程與干旱多風(fēng)的氣候環(huán)境共同作用的結(jié)果。對比兩種典型區(qū)域樣品沉積物的粒度組成及特征參數(shù)發(fā)現(xiàn)，東居延海湖岸樣品沉積相相比于古河道采樣點更細(xì)，其沉積物組成以沙子為主，細(xì)粒組分粉土和黏土含量明顯高于古河道采樣點。戈壁沉積物粒度組成有一定的變化規(guī)律，采樣點1,2，3沿縱剖面方向，其粒度組成逐漸變細(xì)，且以砂礫為主；采樣點4,5，6表層以沙粒為主，下部以礫石為主。各樣點不同層次粒度組成主要與顆粒的搬運堆積方式有關(guān)。整體來看，古河道采樣點(采樣點4,5，6)平均粒徑小于湖岸采樣點(采樣點1,2，3)，沉積物顆粒粒徑較湖岸采樣點更粗。兩種地貌類型采樣點沉積物分選狀況均呈分選差或分選較差，這也反映了不同沉積物沉積動力的差別與沉積過程的復(fù)雜性，不同粒徑的沉積物互相混合，造成戈壁沉積物分選性差。兩種地貌類型采樣點沉積物偏度范圍在-0.77～1.70，除采樣點6的0—10 cm層沉積物偏度為負(fù)偏，采樣點1的5—40 cm層為極正偏，采樣點2的0—2 cm層為近對稱，其余層均為正偏。這說明沉積物主要以侵蝕過程為主，顆粒粗化明顯。僅在采樣點6的0—10 cm層依然有著現(xiàn)代沉積的不斷堆積。兩種地貌類型采樣點沉積物峰態(tài)接近，范圍在2.67～9.00，頻率曲線形態(tài)基本表現(xiàn)為很寬平和非常寬平，表明沉積物粒度在各級別的優(yōu)勢不明顯，沉積物質(zhì)可能是由不同的物源分選之后形成的混合物。

獨立樣本均值t檢驗結(jié)果表明(表5)，兩種地貌類型采樣點戈壁沉積物粒度組成中，湖岸采樣點黏土組分含量(7.44±4.38)%明顯高于古河道采樣點(1.85±1.48)%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=2.606，p=0.02<0.05)；湖岸采樣點粉土組分含量(38.42±19.33)%明顯高于古河道采樣點(6.85±5.49)%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=3.23，p=0.006<0.05)；湖岸采樣點沙子組分含量(48.09±21.34)%低于古河道采樣點(55.37±16.98)%，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(t=-0.669，p=0.514>0.05)；湖岸采樣點礫石組分含量(6.03±10.35)%明顯低于古河道采樣點(35.96±15.18)%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=-3.855，p=0.002<0.05)?？梢?，湖岸采樣點黏土和粉土含量明顯高于古河道采樣點，沙子含量相接近，礫石含量則明顯更低，這也體現(xiàn)了湖相沉積較河流相沉積，沉積物顆粒較細(xì)的特點。兩種地貌類型采樣點戈壁沉積物粒度參數(shù)中，湖岸采樣點平均粒徑(4.65±1.52)明顯大于古河道采樣點(1.47±0.81)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=3.567，p=0.003<0.05)；湖岸采樣點分選系數(shù)(2.72±0.59)與古河道采樣點(2.82±0.76)接近，無顯著差異(t=-0.315，p=0.759>0.05)；湖岸采樣點偏度(0.91±0.58)大于古河道采樣點(0.43±0.61)，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(t=2.047，p=0.59>0.05)；湖岸采樣點峰態(tài)(5.17±2.17)與古河道采樣點(4.94±1.77)接近，無顯著差異(t=0.26，p=0.798>0.05)。

表5 兩種地貌類型戈壁沉積物顆粒組成及粒度參數(shù)t檢驗

4 結(jié) 論

(1) 額濟納旗戈壁各采樣點沉積物粒度組成因其形成環(huán)境與搬運、堆積方式的差異而不同。湖岸采樣點上層沉積物粒度組成受侵蝕過程影響，顆粒組成以沙子和礫石為主，粉土和黏土質(zhì)量含量相對更低；下層沉積物顆粒組成則主要受沉積過程影響，主要以沙子和粉土為主；古河道采樣點0—10 cm層沉積物顆粒主要以沙子為主，10—20 cm層沉積物顆粒主要以礫石和沙子為主。

(2) 湖岸采樣點下層顆粒平均粒徑大于上層，下部沉積物較上部更細(xì)，沉積物有細(xì)化趨勢；河道采樣點0—10 cm層與10—20 cm層平均粒徑相近，但下層沉積物較上層含有更多礫石組分。湖岸采樣點平均粒徑顯著大于古河道采樣點，兩種地貌類型分選系數(shù)則無明顯差異，取值范圍為1.48～3.84，分選狀況均呈分選差或分選較差。

(3) 兩種地貌類型采樣點偏度無顯著差異，偏度變化范圍為-0.77～1.70，正偏、極正偏比例占88.8%，近對稱和負(fù)偏均占5.6%。兩種地貌類型采樣點沉積物主要以侵蝕過程為主，顆粒粗化明顯，僅在采樣點6的0—10 cm層依然有著現(xiàn)代沉積的不斷堆積。兩種地貌類型采樣點峰態(tài)無顯著差異，峰態(tài)值的變化范圍為2.67～9.00，寬平占5.1%，很寬平占整體的50%，非常寬平占44.4%。表明沉積物粒度在各級別的優(yōu)勢不明顯。