砾波纹地表风沙颗粒蠕移特征及其地貌学意义

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00136

摘要/Abstract

摘要：

蠕移是风沙颗粒传输的3种基本形式之一，也是目前较少关注的研究领域。砾波纹作为一种独特风沙地貌形态，由双峰型沉积物组成，表面被粗颗粒覆盖，其形成演化与蠕移运动密切相关，但学界对其形态动力过程认知非常有限。因此，以砾波纹为载体，研究了蠕移运动规律并探讨其地貌学意义。本研究在库姆塔格沙漠北部三垄沙地区开展，借助新型蠕移集沙仪，在14个月内进行了10次连续原位观测。结果表明：砾波纹地表的蠕移输沙通量为0.047~0.352 g·cm^-2·min^-1，且随季节存在明显的变化。蠕移质的粒度分布为双峰型，分选较好，粗偏，宽至极宽峰态，中沙和细沙含量可达85%，粗沙及以上颗粒占10%强；不同粒级的蠕移输沙通量存在较大差异，中细沙输沙通量最大，极粗沙和极细砾则呈量级减少。蠕移输沙通量与起沙风平均风速之间存在相关性，最强的蠕移输沙过程发生在夏季沙尘暴期间，而最弱的发生在冬季。除了风况之外，沉积物粒度特征、不同方向的沙源供应程度均影响蠕移输沙通量和物质组成。从沉积学上来看，砾波纹表面的蠕移运动，对其内部“渗入”结构和粗细互层的前积纹层形成具有重要贡献。本研究对揭示风沙蠕移物理过程和砾波纹地貌演化提供了一些新的认识。传统上以粒径划分蠕移的方法值得商榷，更为深入的蠕移运动机理及其在地貌学意义值得深入研究。

关键词: 蠕移, 砾波纹, 集沙仪, 输沙通量, 风况

Abstract:

Creep is one of the three fundamental forms of blown sand movement and is currently a less-studied research area. Granule ripples， as a unique aeolian landform， are characterized by surfaces covered with coarse particles and composed of bimodal sediments. Their formation and evolution are closely related to creep movement， and the scientific community's understanding of their morphodynamic processes is quite limited. Therefore， this paper uses granule ripples as a study subject to investigate the laws of creep movement and explore their geomorphological significance. The research was conducted in the Sanlunsha area of the northern Kumtagh Desert， using a novel creep sand trap. We conducted 10 continuous in-situ observations over a period of 14 months. The results indicate that the creep sand flux on the surface of granule ripples ranges from 0.047 g·cm^-2·min^-1 to 0.352 g·cm^-2·min^-1， with significant seasonal variations. The grain size distribution of the creep material is bimodal， well-sorted， coarse-skewed， and has platy kurtosis. The content of medium and fine sand can reach 85%， while coarse sand and larger particles account for more than 10%. Creep sand fluxes exhibited clear variations depending on grain size， with the highest fluxes occurring in medium and fine sands， and measurably lower fluxes in very coarse sands and very fine gravels. There is a correlation between the creep sand flux and the average sand-driving wind speed. The strongest creep sand flux occurred during summer dust storms， while the weakest occurred in winter. In addition to wind conditions， the grain size characteristics of the sediments and the supply of sand from different directions also influence the creep sand flux and material composition. From a sedimentological perspective， the creep movement on the surface of granule ripples significantly contributes to the formation of their internal poured-in structures and coarse-fine interlayered forest laminations. This research provides new insights into the physical processes of wind-driven creep and the evolution of granule ripple bedforms. The traditional method of classifying creep based on grain size is questionable， and a more in-depth study of the mechanisms of creep movement and its geomorphological significance is necessary.

Key words: creep, granule ripple, sand trap, sand flux, wind regime

中图分类号:

P931.3

钱广强, 杨转玲, 邢学刚, 董治宝, 潘凯佳, 孟雨萱, 郭酉元. 砾波纹地表风沙颗粒蠕移特征及其地貌学意义[J]. 中国沙漠, 2024, 44(6): 287-298.

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图/表 14

图1 研究区位置（A）及埋设在典型砾波纹表面（C）的蠕移集沙仪（B）注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2023）2763号）制作，底图边界无修改

Fig.1 Location of the study area （A） and the creep sand trap （B） installed on the surface of typical granule ripples （C）

图2 蠕移集沙仪外观（A）和结构示意图（B，单位为mm）

Fig.2 Diagram of the appearance （A） and structure of the creep sand trap （B，units in mm）

表1 10次蠕移观测的起讫时间和起沙风风况

Table 1 Start and end times of the ten creep observations and the sand-driving wind conditions

编号	观测日期	天数	起沙风时长 / ×10 min	平均风速 /(m·s^-1)	最大风速 /(m·s^-1)
P1	2021-12-12—2022-01-28	48	114	7.84	11.17
P2	2022-01-29—2022-03-28	59	1 526	8.73	13.84
P3	2022-03-29—2022-05-09	42	1 422	8.98	16.65
P4	2022-05-10—2022-06-03	25	1 682	8.91	15.94
P5	2022-06-04—2022-07-03	31	1 451	8.63	14.01
P6	2022-07-04—2022-07-08	4	260	10.51	18.02
P7	2022-07-09—2022-09-05	59	2 769	9.10	18.50
P8	2022-09-06—2022-11-17	73	2 016	9.04	15.65
P9	2022-11-14—2022-12-31	45	492	8.54	17.28
P10	2023-01-01—2023-02-08	38	422	9.32	16.93

图3 不同观测时段的蠕移输沙通量（qc）及起沙风平均风速和最大风速

Fig.3 Creep sand flux （qc） and average sand-driving and maximum wind speeds for different observation periods

图4 不同粒级颗粒在不同观测时段的蠕移输沙通量变化

Fig.4 Variations in creep sand flux for different grain size fractions during different observation periods

表2 历次观测和地表样品的粒级含量（%）

Table 2 Grain size percentage content of each observation and surface samples （%）

编号	极细砾	极粗沙	粗沙	中沙	细沙	极细沙	粉沙黏土
P1	0.04	0.33	4.70	49.21	42.05	3.64	0.00
P2	0.40	1.95	3.94	42.38	45.74	5.55	0.00
P3	0.04	0.90	6.33	53.78	36.84	2.04	0.00
P4	0.23	3.56	7.29	53.44	33.56	1.90	0.00
P5	1.32	7.21	5.18	46.11	36.26	3.82	0.00
P6	1.66	11.11	4.84	42.23	38.69	1.40	0.00
P7	0.37	2.68	4.95	48.21	41.13	2.56	0.00
P8	0.66	7.74	6.69	47.09	35.23	2.59	0.00
P9	1.50	8.82	5.57	43.36	38.30	2.42	0.00
P10	1.55	8.69	5.51	46.58	35.25	2.39	0.00
地表	2.79	32.29	6.13	27.60	26.31	4.60	0.23

图5 不同粒径组颗粒相对地表沉积物的富集比率

Fig.5 Enrichment ratios of different grain size fractions relative to the surface sediments

图6 历次观测蠕移质和地表沉积物的粒度分布曲线

Fig.6 Grain size distribution curves of creep material and surface sediments from each observation

图7 历次观测收集的蠕移质和地表沉积物主要粒度参数

Fig.7 Grain size parameters of creep material collected during each observation and surface sediments

图8 历次观测期间风速风向玫瑰图

Fig.8 Wind speed and direction rose diagrams for each observation period

表3 历次观测期间不同风速区间的出现频率 (%)

Table 3 Frequency of occurrence of different wind speed intervals during each observation period

风速/（m·s^-1）	P1	P2	P3	P4	P5	P6	P7	P8	P9	P10
[0, 5.87)	97.41	79.46	72.37	47.72	61.94	49.57	63.05	78.02	90.50	90.94
[5.87, 7.84)	1.85	9.15	12.30	22.61	17.96	10.81	14.39	8.68	5.16	4.15
[7.84, 10.42)	0.68	8.32	10.62	19.36	14.63	22.81	15.56	9.35	3.55	2.56
[10.42, 13.8)	0.06	3.06	4.15	9.58	5.35	8.92	6.30	3.29	0.47	2.03
[13.8, ∞)	0.00	0.01	0.56	0.72	0.12	7.89	0.71	0.67	0.32	0.33

表4 历次观测期间的输沙势变化

Table 4 Changes in sand transport potential during each observation period

指示	P1	P2	P3	P4	P5	P6	P7	P8	P9	P10
DP_N/（VU）	0.00	6.09	3.88	4.37	18.63	3.67	28.81	15.35	11.77	9.23
DP_NNE/（VU）	0.05	58.10	67.31	19.90	37.93	32.14	118.76	85.99	10.70	19.44
DP_NE/（VU）	0.01	3.47	8.55	19.43	2.62	1.71	16.94	4.90	1.06	2.58
DP_ENE/（VU）	0.00	0.06	0.23	13.44	0.32	0.00	0.20	0.25	0.00	0.03
DP_E/（VU）	1.95	4.49	0.67	23.42	4.99	0.00	1.33	13.93	1.16	0.14
DP_ESE/（VU）	0.18	0.11	1.00	6.02	0.48	0.00	2.44	0.83	0.10	0.00
DP_SE/（VU）	0.01	0.00	0.07	0.59	0.06	0.00	1.62	0.01	0.00	0.00
DP_SSE/（VU）	0.01	0.00	0.00	0.00	0.01	0.00	0.16	0.03	0.00	0.00
DP_S/（VU）	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.04	0.00	0.00	0.00
DP_SSW/（VU）	0.00	0.01	0.00	0.00	0.00	0.00	0.07	0.00	0.00	0.00
DP_SW/（VU）	0.11	0.03	0.08	1.28	0.00	0.00	0.48	0.04	0.00	0.00
DP_WSW/（VU）	0.46	0.05	0.65	2.62	0.02	0.00	0.28	0.06	0.00	1.43
DP_W/（VU）	0.00	0.43	0.46	0.09	0.08	0.00	0.15	0.19	0.00	0.01
DP_WNW/（VU）	0.00	0.16	0.22	0.01	0.00	0.00	0.13	0.02	0.00	0.00
DP_NW/（VU）	0.00	0.00	0.03	0.00	0.14	0.00	0.52	0.01	0.00	0.00
DP_NNW/（VU）	0.00	0.27	0.29	2.18	0.56	0.00	0.10	0.00	0.00	0.00
$∑ D P$ /（VU）	2.77	73.27	83.44	93.33	65.84	37.53	172.06	121.60	24.78	32.86
RDP/（VU）	1.68	68.43	78.46	70.59	59.93	36.98	159.92	110.07	23.13	29.53
RDD/（°）	279.80	204.56	204.12	236.50	201.14	201.29	202.36	207.48	195.21	195.83
RDP/DP	0.60	0.93	0.94	0.76	0.91	0.99	0.93	0.91	0.93	0.90

表4 历次观测期间的输沙势变化

Table 4 Changes in sand transport potential during each observation period

指示	P1	P2	P3	P4	P5	P6	P7	P8	P9	P10
DP_N/（VU）	0.00	6.09	3.88	4.37	18.63	3.67	28.81	15.35	11.77	9.23
DP_NNE/（VU）	0.05	58.10	67.31	19.90	37.93	32.14	118.76	85.99	10.70	19.44
DP_NE/（VU）	0.01	3.47	8.55	19.43	2.62	1.71	16.94	4.90	1.06	2.58
DP_ENE/（VU）	0.00	0.06	0.23	13.44	0.32	0.00	0.20	0.25	0.00	0.03
DP_E/（VU）	1.95	4.49	0.67	23.42	4.99	0.00	1.33	13.93	1.16	0.14
DP_ESE/（VU）	0.18	0.11	1.00	6.02	0.48	0.00	2.44	0.83	0.10	0.00
DP_SE/（VU）	0.01	0.00	0.07	0.59	0.06	0.00	1.62	0.01	0.00	0.00
DP_SSE/（VU）	0.01	0.00	0.00	0.00	0.01	0.00	0.16	0.03	0.00	0.00
DP_S/（VU）	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.04	0.00	0.00	0.00
DP_SSW/（VU）	0.00	0.01	0.00	0.00	0.00	0.00	0.07	0.00	0.00	0.00
DP_SW/（VU）	0.11	0.03	0.08	1.28	0.00	0.00	0.48	0.04	0.00	0.00
DP_WSW/（VU）	0.46	0.05	0.65	2.62	0.02	0.00	0.28	0.06	0.00	1.43
DP_W/（VU）	0.00	0.43	0.46	0.09	0.08	0.00	0.15	0.19	0.00	0.01
DP_WNW/（VU）	0.00	0.16	0.22	0.01	0.00	0.00	0.13	0.02	0.00	0.00
DP_NW/（VU）	0.00	0.00	0.03	0.00	0.14	0.00	0.52	0.01	0.00	0.00
DP_NNW/（VU）	0.00	0.27	0.29	2.18	0.56	0.00	0.10	0.00	0.00	0.00
$∑ D P$ /（VU）	2.77	73.27	83.44	93.33	65.84	37.53	172.06	121.60	24.78	32.86
RDP/（VU）	1.68	68.43	78.46	70.59	59.93	36.98	159.92	110.07	23.13	29.53
RDD/（°）	279.80	204.56	204.12	236.50	201.14	201.29	202.36	207.48	195.21	195.83
RDP/DP	0.60	0.93	0.94	0.76	0.91	0.99	0.93	0.91	0.93	0.90

图9 蠕移输沙通量与风速之间关系

Fig.9 Relationship between creep sand flux and wind speed

图10 砾波纹表面物质组成与内部沉积构造示意图

Fig.10 Diagram of the material composition on the surface of granule ripples and their internal sedimentary structure

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