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中国沙漠, 2022, 42(3): 74-84 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00168

古尔班通古特沙漠东南部植被线形沙丘内部构造及发育模式

解锡豪,1,2, 李志忠,1,2,3, 靳建辉1,2,3, 刘瑞1,2, 邹晓君1,2, 马运强1,2

1.福建师范大学,地理科学学院,福建 福州 350007

2.福建师范大学,湿润亚热带生态地理过程省部共建国家重点实验室,福建 福州 350007

3.福建师范大学,地理研究所,福建 福州 350007

Preliminary study on sedimentary structure and development model of vegetated linear dune in the southeastern Gurbantunggut Desert

Xie Xihao,1,2, Li Zhizhong,1,2,3, Jin Jianhui1,2,3, Liu Rui1,2, Zou Xiaojun1,2, Ma Yunqiang1,2

1.College of Geographical Sciences /, Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China

2.Key Laboratory for Humid Subtropical Eco-Geographical Processes of the Ministry of Education /, Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China

3.Institute of Geography, Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China

通讯作者: 李志忠(E-mail: lizz@fjnu.edu.cn

收稿日期: 2021-09-09   修回日期: 2021-10-26  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  42071011
福建师范大学地理科学学院研究生科研创新基金项目

Received: 2021-09-09   Revised: 2021-10-26  

作者简介 About authors

解锡豪(1997—),男,安徽宣城人,硕士研究生,从事风沙地貌与环境演变研究E-mail:1049068189@qq.com , E-mail:1049068189@qq.com

摘要

在野外调查基础上,应用探地雷达(GPR)对古尔班通古特沙漠东南部植被线形沙丘内部构造进行探测,获取了沙丘内部构造的雷达相图像信息,结合区域自然地理和沙丘形态特征分析,初步探讨植被线形沙丘内部构造的演化模式。结果表明:(1)GPR探测揭示了沙丘地表以下3—5 m深度的浅层构造信息,可识别沙丘中上部和丘顶部位的高倾角、上凸形和楔状交错层理、沙丘中下部和丘间地的低倾角-近水平层理构造,反映了沙丘上部风沙蚀积活动较强烈,而两翼中下部和丘间地以风沙加积为主。(2)从沙漠边缘到沙漠中心,植被线形沙丘浅层沉积构造组合由两坡不对称分布向对称分布变化,沙丘横剖面形态亦由两坡不对称向对称形态同步变化,但未发现沙丘侧向迁移的沉积构造证据。(3)依据不同规模沙丘内部构造变化序列,可将植被线形沙丘演化划分为灌丛沙丘、风影灌丛沙丘、垄状沙链、植被线形沙丘等4个发育阶段。随着叠置灌丛沙丘不断合并融入,线形沙丘宽度和高度持续增大,沙丘顶部风沙活动性增强,高倾角、上凸形、楔状交错层理增多。(4)在沙丘表层3—5 m以下块状层理以及GPR探测信号衰减、图像分辨率变差的成因,应在今后工作中进一步验证。此外,系统阐明研究区植被线形沙丘演化过程,尚需补充更多GPR探测资料并开展年代学研究。

关键词: 探地雷达 ; 古尔班通古特沙漠 ; 植被线形沙丘 ; 沉积构造 ; 发育模式

Abstract

On the basis of field survey, Ground-penetrating radar (GPR) was used to detect the internal structure of vegetation linear dunes in the southeastern Gurbantunggut Desert, and radar facies image information was obtained. Combined with regional natural geography and morphological characteristics, the evolution model of vegetation linear dunes internal structure was preliminarily discussed. The results indicate that: (1) GPR reveals the shallow (3-5 m) structure information below the dune surface, which can identify high-angle dipping, convex and wedge cross-bedding in the middle-upper part of dunes and crest, and sub-horizontal to low-angle dipping bedding in interdunes and the middle-lower part of dunes, which reflects the strong wind erosion and deposition activity in the upper part of dune, and the accretion in the middle-lower parts of dune wings and interdunes. (2) From desert edge to the center, the shallow sedimentary structure assemblage of dune slope changes from asymmetrical to symmetrical, the dune cross-section morphology showed the same variation, but no evidence of lateral dune migration have been found. (3) According to different scale dune structure sequence, the evolution mode could be divided into four stages: shrub dunes, shadow shrub dunes, longitudinal dune chains and vegetation linear dunes. With the continuous merging and integration of overlapping shrub dunes, the width and height of linear dunes increase, frequent wind activity at the dune crest, and the types of high-angle dipping, convex and wedge cross-bedding increase. (4) The causes of massive bedding (below 3-5 m, not hit the bottom) and GPR signal attenuation should be further verified. Besides, to systematic clarify the evolution process of vegetation linear dunes in study area, it is necessary to supplement more GPR data and chronology study.

Keywords: ground-penetrating radar ; Gurbantunggut Desert ; vegetated linear dune ; sedimentary structure ; development model

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本文引用格式

解锡豪, 李志忠, 靳建辉, 刘瑞, 邹晓君, 马运强. 古尔班通古特沙漠东南部植被线形沙丘内部构造及发育模式. 中国沙漠[J], 2022, 42(3): 74-84 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00168

Xie Xihao, Li Zhizhong, Jin Jianhui, Liu Rui, Zou Xiaojun, Ma Yunqiang. Preliminary study on sedimentary structure and development model of vegetated linear dune in the southeastern Gurbantunggut Desert. Journal of Desert Research[J], 2022, 42(3): 74-84 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00168

0 引言

线形沙丘的长度远远大于宽度,沙丘脊部尖或者圆钝,沙丘笔直或者弯曲,且相互平行、间距规则,可连绵伸展数十千米,沙丘面积与丘间地面积的比率较高1-3。线形沙丘大多发育在单向风尤其是呈锐角相交双向风作用的地区,其走向一般与盛行风向或合成输沙方向平行。线形沙丘是世界沙漠所有沙丘类型中分布最为广泛的一种,全球约有一半的沙漠面积被线形沙丘覆盖4-7,如澳大利亚中西部、北非的撒哈拉地区、非洲南部的卡拉哈里沙漠和纳米布沙漠,以及中国的塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠等区域8,但由于世界各地的地质演化历史和自然地理环境不同,各个沙漠中的线形沙丘形态特征、分布格局、物质结构和演化模式存在明显差异。

关于线形沙丘的内部构造和成因研究,Bagnold9基于两个强度相当、风向随季节变化的双锋风况环境的假设,认为线形沙丘的横剖面为近对称状,沙丘中部和脊部主要由两组倾向相反的高倾角交错层理组(崩塌堆积层)组成,而沙丘两翼的基部则由低倾角-水平层理(加积层)组成,沙丘发育过程中无明显侧向迁移。McKee等10在利比亚沙漠、纳米布沙漠,钱征宇等11在中国柴达木盆地沙漠等地,通过观测开挖沙丘剖面等途径,发现线形沙丘内部构造由向两翼倾斜的高倾角(23°—35°)交错层理组成,下部和坡脚由低倾角(3°—15°)交错层理组成,线形沙丘增长表现为垂向加积的特点;Tsoar等12在以色列内格夫沙漠赛夫沙丘观测研究基础上,提出在两翼交叉叠置并向两翼倾斜的内部构造模式,这些研究工作丰富和完善了Bagnold9线形沙丘内部构造的经典模型。但Rubin等13发现,一个风向主导、强度不对称的双锋风况环境在线形沙丘分布区更为常见,顺着斜交脊线的主风方向,沙丘的一翼发生净侵蚀,而另一翼则净堆积,导致最终形成的内部沉积构造类似于横向沙丘,具有向同一方向倾斜的交错层理,因此在这样的风况条件下线形沙丘的形成过程将伴随明显的侧向移动。

2000年以来,探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)探测结合光释光测年技术被应用于线形沙丘内部构造和发育模式研究,如Bristow等4-514对非洲纳米布沙漠流动线形沙丘的研究表明,在两个风向呈锐角相交、强度近似的双锋风况下,线形沙丘发育向两侧倾斜、相互叠置的交错层理,以垂向加积增长为主4;而在一个风向主导的双锋风况下,则线形沙丘以顺主风向的单向倾斜的交错层理为主,呈明显的侧向迁移增长5。在中国柴达木盆地察尔汗盐湖北侧线形沙丘分布区,通过天然沙丘剖面沉积构造序列观察和OSL年代学综合分析,研究者发现这里的线形沙丘演化经历了早期发育向两侧倾斜的交错层理、垂向加积增长,到晚期发育单向倾斜的交错层理,呈现侧向迁移增长模式,反映了区域风况的重大变化15-16

植被线形沙丘(vegetated linear dunes,VLDs)是线形沙丘中的常见类型,一般具有丘脊圆钝、植被盖度较高、稳定性高的特点,但是关于VLDs的演化模式和内部构造特征等尚存在不同认识17-21。Bristow等19采用GPR探测方法结合OSL测年技术,对澳大利亚中部VLDs进行研究,认为获取图像中呈重叠双曲线状的不连续倾向反射面,可能是围绕植物根系沉积的交错层理,沙丘基底的水平反射面是丘间地表发育的古土壤层。Roskin等21在以色列内格夫沙漠GPR探测获取的VLDs图像解译中发现,沙丘北坡雷达相层理构造存在楔状的切向分异,南坡雷达相中存在风蚀充填构造,生物土壤结皮(Biogenic Soil Crust,BSC)成为不同层系单元的接触面。研究表明,较高的植被盖度和较强的成土作用,使得降水减少、风速加强等沙漠气候波动变化对VLDs表面的影响被削弱,进而沙丘内部构造能够较好地保存下来22-23

古尔班通古特沙漠是中国面积最大的固定半固定沙漠,其中植被线形沙丘(沙垄)是该沙漠的主要沙丘形态,占所有沙丘类型面积的80%以上24-25。关于这些VLDs的现代风沙活动特征,前人已有比较系统深入的观测研究成果26-29,但是这些VLDs的成因尚存争议。吴正30认为古尔班通古特沙漠的VLDs(沙垄)是在双向风作用下风沙吹扬并沿合成风向堆积而成,中国科学院新疆综合考察队31认为是在锐角相交的双向风作用下,由狭长线型发展的灌丛沙丘连接起来成为垄状沙链,进而发育成VLDs,但这两种成因的推测分析均缺少沙丘内部构造证据的支持。Li等32利用GPR技术对沙漠东南部VLDs的内部构造进行了探测分析,但探测图像片段分辨率较低,沙丘内部构造不完整、层理不够清晰,难以反演区域VLDs的演化模式。初步调查研究发现,古尔班通古特沙漠VLDs两坡的对称性具有明显的空间变化特征30-33,那么VLDs形态变化在沙丘内部构造特征上是否有所反映?在VLDs的形成演化过程中,沙丘内部构造组合是否发生变化?针对这些问题,本文选择古尔班通古特沙漠东南部交通便利的区域,以大面积分布的固定半固定的植被线形沙丘(VLDs)为研究材料,在野外考察基础上,主要采用GPR技术探测获取不同形态线形沙丘内部沉积构造的空间变化信息,结合区域自然地理特征综合分析,探讨不同发育阶段植被线形沙丘沉积构造组合的演化序列,以期为区域土地沙漠化中长期变化趋势监测提供参考依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

古尔班通古特沙漠地处新疆北部准噶尔盆地腹地(44°11′—46°20′N,84°31′—90°00′E),属于温带荒漠,面积4.88万km2,是中国最大的固定与半固定沙漠2434图1A)。沙漠的沙丘类型丰富多样,以线形沙丘(沙垄)为主,线形沙丘的丘体较平直,作线状延伸,有的常分叉和连接,平面形态作树枝状。沙丘高度10—50 m,长度从数百米至10 km余不等,一般由北部往沙漠中心,沙丘高度增加,密度也加大25图1B)。

图1

图1   研究区位置及风沙地貌概况

B据钱亦兵等34改绘;D引自钱亦兵等34

Fig.1   The location of the study area and the overview of aeolian landform overview


古尔班通古特沙漠远离海洋,具有大陆性干旱气候特征,年平均气温5—5.7 ℃,极端最高气温40 ℃以上,极端最低气温小于-40 ℃,沙漠年降水量不足150 mm,降水集中在春季和冬季,冬春季的沙漠腹地有10—25 cm稳定积雪,年蒸发量超过2 000 mm。春季沙丘浅表层有厚达50—60 cm的悬湿沙层2830-34

古尔班通古特沙漠冬季在西伯利亚-蒙古高压控制下,东北部、中部盛行东北风,西部和南缘盛行西北风和偏西风。夏季在副热带高压影响下的西风气流从准噶尔界山各山口和峡谷进入盆地,多有西北风和近西风的性质30-31。线形沙丘走向受风向的影响,在沙漠北部和中部近于南北方向(偏西),而在东北部有北偏东走向,到沙漠西部和南部则呈西北西-东南东走向,甚至近乎东西向排列2530图1B)。

研究区位于古尔班通古特沙漠东南部216国道沿线和阜康东北地区(图1C)。216国道北部地区以稳定的偏西风为主,但从准噶尔盆地西部灌入盆地的西北气流受天山北坡大地形反射,在阜康东北部形成稳定的南西西风30-31。南部代表气象观测站阜康生态站的年平均风频图及年平均风速图显示(图1D),年静风天数较多(平均28.25%),年平均风速比沙漠内部低,说明研究区的风沙活动强度较弱,输沙势玫瑰图显示阜康起沙风方向变率指数(RDP/DP)为中等变率,属于窄单锋的风况环境,总体上看研究区的合成输沙方向(RDD)和沙丘走向是一致的34

在研究区的南北方向上,植被线形沙丘形态特征具有明显的空间分异。其中,北部位于沙漠腹地,线形沙丘形态简单、高度低、宽度小、丘间距离较大,丘顶圆钝平缓、脊线顺直,南北两坡的坡长坡度较对称(图2A、B);南部位于沙漠边缘,线形沙丘分布密集,沙丘高度、宽度均较大,局部丘顶较尖锐、脊线弯曲,沙丘南北两坡不对称,南坡缓长、北坡陡短(图2C、D),南坡和丘脊多发育风蚀坑和风蚀槽(图2E),丘间地和沙丘中下部广泛发育生物土壤结皮(图2B、D)。

图2

图2   研究区植被线形沙丘景观及现场探测

Fig.2   Aeolian sand landform landscape and field exploration


研究区沙漠95%以上的土壤为风沙土,具有较好的植被覆盖,以白梭梭群落、梭梭柴群落、蛇麻黄群落、驼绒藜群落等灌木和短命、类短命植物为主,植被覆盖度可达30%以上。丘间地和背风坡植被覆盖度高,大大限制了沙丘移动的活动范围。由于春季水分条件较好,植物特别是短命和类短命植物的大量生长,促进了沙土层的物质循环和积累,导致固定沙丘表层0.5—1 cm有机质含量明显高于下层,地表弱胶结的生物土壤结皮(BSC)广泛分布2833-34。研究区缺乏地表径流,地下水位埋藏较深。

1.2 研究方法

探地雷达(GPR)通过发射和接收高频雷达电磁波来探测目标体的内部构造,是国内外研究者常用的一种研究风成沙丘内部构造的技术手段。与传统的人工钻孔和开挖剖面方法相比,GPR具有简单方便、无损探测、定位准确等优点,在实际应用中,通过布线方式和探测参数调整的灵活组合,能直观、深刻地反映探测目标连续完整的内部构造信息4-51421-36

本项研究主要采用加拿大探头与软件公司生产的pulseEKKO PRO探地雷达(图2F),探测前采用共中心点法(Common Mid-Point,CMP)确定雷达波传播速度为0.15 m·ns-1,实际探测的天线频率采用100 MHz,收发天线间距1 m、移动步长0.2 m。测线高程变化采用Trimble R8GNSS RTK(Real-time kinematic)测量,所测得的GPR数据后期利用EKKO_View 2和EKKO_View Deluxe软件进行地形校正、数字滤波、增益调适等处理,原始图像显示采用了可变强度图(彩色)和wiggle图(黑白色)组合方式。根据反射图像的线条纹理走向、切割交汇关系,结合风积层理发育的基本理论,解译画出沙丘内部的沉积构造。

本文探测研究主要在216国道和阜康-沙南作业区公路沿线(图1C,图2B2F)进行。在4个探测样方(图1C,F2、F3、F4、F5)中,选取了北部两坡对称的直脊型、南部两坡不对称的曲脊型两种不同形态的6条线形沙丘进行探测,以便查明不同形态线形沙丘的内部构造组合特点及其空间变化特征。此外,为比较不同发育阶段线形沙丘内部构造组合特点,对处于不同发展阶段的一条线形沙丘F7进行了多剖面探测分析(图1C)。本文采用的GPR术语及用于解释沉积相的分析过程依据文献[37]和[38]。

2 结果

2.1 植被线形沙丘沉积构造雷达相类型与成因

通过对各个探测样方GPR探测获取的沙丘沉积构造类型综合分析,结合区域植被线形沙丘不同部位风蚀坑、风蚀槽剖面层理构造细节特征的实地考察,可识别归纳出5种层理构造的雷达相类型(表1图3)。

表1   植被线形沙丘雷达相类型及其特征

Table 1  Radar facies and characteristics of vegetated linear dunes

GPR原始图像及解译图雷达相类型特征及描述成因
1高倾角斜层理雷达相反射面倾角一般为28°—35°,倾向下风方向,常见于沙丘迎风坡上部落沙坡上受到相对稳定的较强风力作用纹层逐次崩落形成崩塌层
2低倾角-近水平交错层理雷达相反射面倾角较小,一般为5°—20°,倾向下风方向,分布于沙丘迎风坡中下部丘间地较弱的风力作用,风力堆积形成加积层
3上凸形交错层理雷达相反射面呈凸形构造,向两侧倾斜,在沙丘的两翼和丘顶皆有分布反映了风成的草灌丛沙丘所常见的沉积构造
4楔状交错层理雷达相反射面倾角较小,呈楔形彼此相切,倾向相反,多分布于两坡中部在沙丘表面风蚀坑风蚀槽的充填构造,或在丘顶风向的季节变化所致
5块状层理雷达相微弱反射面弯曲形态与沙垄横断面的起伏形态一致,分布于地表3—5 m以下,层理不明显生物的强烈扰动导致风积物原生层理消失殆尽而形成

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图3

图3   植被线形沙丘雷达相及其组合特点

Fig.3   Radar facies and their combination characteristics of vegetated linear dunes


第1种为高倾角斜层理雷达相,或板状层理雷达相,反射面倾角在30°左右,倾向区域合成风的下风方向,层理厚约2—5 cm,伸展长度可达5—8 m,这些层理的厚度和倾角几乎完全相同,主要分布在植被线形沙丘面向主风向坡面(南坡)上部,应为叠置沙丘落沙坡上逐次崩落的纹层(崩塌层),反映受到相对稳定的较强风力作用3-439-40

第2种为低倾角-近水平交错层理雷达相,反射面倾角3°—15°或近于水平,伸展长度可达10—15 m,其特征与第1种雷达相相似,但主要分布于线形沙丘面向主风向坡面(南坡)的中下部或分布于两翼坡脚的位置,成因为风力堆积而成(加积层),反映两翼坡脚较弱的风力作用31439-40

第3种为上凸形交错层理雷达相,两侧层理倾向相反,呈现向上凸出的弧形,分布于植被线形沙丘所有地貌部位,但在沙丘的两翼中上部和脊顶部分比较集中。这种上凸形的层理构造是灌丛沙丘所常见的沉积构造3,而灌丛沙丘是研究区常见的叠置型风积地貌类型30-31。此外,脊顶部分的上凸形交错层理,还可能是季节性反向风力作用、落沙坡反向交替崩积风沙的结果39

第4种为楔状交错层理雷达相,层理组合呈楔状,多见于中上部和丘脊部分,倾向北侧的反射面被上部低倾角斜面所限制,倾向南侧的反射面被下部的弧形雷达面所限制,总体上层理厚度较薄且缺乏横向连续性,成因为原生沙丘交错叠置形成的沉积构造,或在主沙丘表面叠置发育次生沙丘形成的沉积构造,反映了风向的季节性变化32139-40

第5种为块状层理雷达相,也称均质层理或块状构造,分布于沙丘表层3—5 m深度以下,下界深度不详。这种雷达相没有明显层状反射信号和层理组合形式,但有微弱的反射面呈平行分布,横向连续性好,起伏形态与沙丘横断面一致,在GPR图像上肉眼观察不到任何不均一现象。结合研究区植被盖度较高、植物根系发达的实际3134,本文推测这种雷达相应该是深入沙丘体内部植物根系的强烈扰动,也包括穴居动物活动等,导致风积沙层的原生层理消失殆尽而形成。世界其他沙漠植被线形沙丘内部构造GPR探测图像也有类似情况1921

2.2 不同形态植被线形沙丘GPR探测图像解译

在不同规模形态的线形沙丘内部,以上层理构造雷达相的分布和组合特点是有差异的。图3中A1A2、B1B2给出研究区南部两条线形沙丘的GPR探测图像和解译图,图3中C1C2、D1D2为北部两条线形沙丘剖面的GPR探测图像和解译图。

A、B两个探测剖面位于研究区南部F2(图1C),为彼此相邻的两条线形沙丘,沙丘脊线弯曲度较大,相对高度13—15 m。两条沙丘的横断面形态不对称,南坡缓长,坡度5°—20°,坡面和丘顶叠置发育众多灌丛沙丘,因风蚀风积作用频繁,南坡普遍发育风蚀坑、坡面崎岖不平,脊线部分发育斜交风蚀槽和流沙带,使得脊线走向弯曲变化;北坡较陡短,坡度25°—28°,坡面比较平整、低矮杂草灌丛覆盖度较高,中下部坡脚和丘间地发育稀疏沙质草甸。其中,探测剖面A长度为121 m,B剖面长75 m,从获取图像解译分析(A1、A2,B1、B2),两条沙丘南坡中部或坡脚均发育有高倾角斜层理雷达相,显示叠置沙丘有向丘顶迁移的趋势,但在高倾角斜层理前后分布有上凸交错层理构造,反映沿坡向上运移的风沙流受到叠置灌草丛沙丘扰动和截留;在两条沙丘北坡的浅层沉积构造,均以高倾角斜层理雷达相为主,反映背风坡风沙的崩积作用,而小规模上凸层理的交错扰动,反映灌丛植物的固沙沉积作用。

C、D探测剖面分别位于研究区北部的F4、F5(图1C),这里的线形沙丘脊线顺直,相对高度5—6 m,两翼坡度坡长较对称,坡度10°—25°,坡面较平整,中上部叠置发育灌草丛沙丘,中下部和丘间地普遍发育生物土壤结皮(BSC,图2B)。其中,探测剖面C长49 m, 剖面D长70 m,从获取图像的解译结果看(C1、C2,D1、D2),C剖面在水平距离0—30 m为4—5个上下叠置、规模较大、向上弯曲的弧形反射面,并向两翼中下部收敛,这种弧形反射面不同于规模小、倾角大的上凸交错层理雷达相,应为埋藏的古沙丘面,在水平方向上,各个弧形反射面顶点位置变化不大,反映了这条线形沙丘的主体是以上下叠置方式增长发育的;在弧形层面之上的两坡中上部,尤其在北坡叠置有上凸交错层理,反映近现代风沙活动和灌丛沙丘交替形成的层理构造组合。D剖面在南坡和丘顶部分3—5 m浅层为密集重叠的上凸形交错层理雷达相,反映叠置型灌丛沙丘和现代风沙作用的扰动;北坡以低倾角-近水平层理雷达相为主,主要是风积作用形成的加积层理,再往深处为上下叠置的弧形雷达反射面,弧形顶点位置在水平方向上几乎没有变化,应为叠置发育的埋藏古沙丘面。总体来看,由探测图像获得的内部构造类型及其组合变化特点显示,这里的线形沙丘演化以持续叠置增长为主要特点,其中灌丛沙丘的叠加与融合是研究区植被线形沙丘增长的重要过程。

3 讨论

3.1 植被线形沙丘的沉积构造组合模式

本项探测获得的植被线形沙丘内部构造类型及组合分布特点,与流动性线形沙丘内部构造模式4-514有一些相似之处。例如,在图3的GPR探测图像解译中发现的高倾角斜层理(崩塌层)、楔状交错层理(风向季节性变化所致)、低倾角-水平层理(加积层)等雷达相类型分布位置与流动线形沙丘相似,其中前两种层理构造主要分布在合成输沙方向的背风坡和丘顶部分,后者主要分布于线形沙丘两翼下部和坡脚地带。两者不同之处在于,这些雷达相层理构造在植被线形沙丘中的分布深度较浅、延伸长度较短。

此外,本研究中广泛出现的上凸形交错层理雷达相,在流动线形沙丘沉积构造模式中是很少见到或基本不存在的。因为这种雷达相主要是风沙流运行过程中遭遇灌丛植物的拦截发生风沙沉降41-42、风沙围绕灌木植物沉积发育的沉积构造43-44,这是植被线形沙丘(VLDs)特有的雷达相沉积构造类型1921

3.2 不同发育阶段植被线形沙丘沉积构造组合特征

在阜康生态站东北部的沙漠边缘选择了一条呈SE-NW走向、自东向西展宽、沙丘高度逐渐增大的植被线形沙丘(图1,F7),垂直沙丘脊线、间隔80—100 m,自东向西布设了3条GPR测线(图4),探测获取的图像如图4A、B、C所示。

图4

图4   植被线形沙丘不同发育阶段的沉积构造

Fig.4   Sedimentary structure in different development stages of vegetated linear dunes


探测剖面A,长35 m,位于探测沙丘的东南段,接近沙丘东部端点,丘顶海拔为491 m,相对高度约1 m,地形起伏十分平缓。图像显示沙丘两翼沉积构造均以低倾角-近平行层理为主,丘顶和北坡有叠置的上凸形层理雷达相,在下伏海拔490 m左右有凹凸形的强反射面,可能为埋藏的灌丛沙丘起伏界面,凹形是风沙填充叠置沙丘间的风蚀凹地加积形成的,总体上反映了植被线形沙丘早期阶段沉积构造组合特点。

探测剖面B,长度为51 m,测线丘顶海拔494 m,相对高度约3 m,丘顶较圆钝,剖面有缓坡(南坡)与陡坡(北坡)之分,南坡比北坡长10 m左右。南坡中下部以低倾角-近水平的雷达相为主,而丘顶和北坡仍以大量重叠交错的上凸形交错层理雷达相为主。右侧被一长13 m以上的平缓弧形反射面截断,应为较大规模的埋藏古沙丘面。总体上反映植被线形沙丘发育中期阶段沉积构造的组合变化特征。

探测剖面C,长60 m,测线丘顶高度达到499 m,南坡坡长进一步增加但坡度变化不大,而北坡坡长相对减小,坡度增加到24°—26°。上凸形交错层理雷达相广泛分布在沙丘各个部位,同时左右两侧均发现大规模平缓的弧形反射面,反映叠置加积增长的特点。总体上属于植被线形沙丘发育成熟阶段或晚期阶段的沉积构造组合特点。

根据毗邻阜康生态站观测资料记录的区域风况和输沙势特征(图1D),以上探测区GPR图像揭示的是在不对称双峰风况条件下植被线形沙丘不同发育阶段的沉积构造组合变化特点。总的来看,随着沙丘高度和宽度的不断增大,雷达相类型的数量不断增加、沉积构造组合渐趋复杂(图4A、B、C)。虽然在此植被线形沙丘演化过程中,南北两坡形态(坡度、坡长)和沉积构造组合的不对称性越来越明显,但沙丘中上部、丘顶和北坡的雷达相中未发育大规模向北倾斜的高倾角斜层理,反映本区植被线形沙丘演化过程中不存在整体的横向移动,图像中延伸较长的弧形截断反射面,应当是下伏埋藏的古沙丘面。这些特征与热带非洲纳米布沙漠流动性线形沙丘形态和沉积构造的演化特征差异很大4-514

3.3 研究区植被线形沙丘的演化模式

研究表明,草灌丛等植物是影响风沙流运行和塑造沙丘形态的重要控制因素4245,在草灌丛植物的影响下,风速和供沙量的平衡能够使沙丘长度延伸到几千米174146。Zhao等47基于流体动力学模拟、风洞实验和GPR探测分析发现,线形沙丘的形成与灌丛沙堆有紧密联系,单锋风况下风沙流使得灌丛沙丘顺风延伸,进而发育成风影型灌丛沙丘。在呈锐角相交且风力大小不等的两个风向交互作用下,风影型灌丛沙丘不断增高并顺着合成风向延伸,一系列的风影型灌丛沙丘连接起来便形成了垄状沙链。Roskin等21在以色列内格夫沙漠发现,在早期形成的植被线形沙丘上沉积新的风沙层、叠置发育新的灌草丛沙丘,使得沙丘主体部分在垂直和水平方向上不断生长和扩大,在沙丘固定期有利于促进粉砂、黏土的淋溶和成土作用,进而保存下伏沙丘的内部构造及其雷达反射面。植物在一定程度上拦截风沙流,促进风沙在灌草丛沙丘的风影区沉积下来,这是有利于沙丘固定并呈线形趋势发展的重要原因。植物在截留风沙和灌丛沙丘形成的同时,所产生的生物土壤结皮(BSC)能够截留粉砂、黏土细粒沉积物,可以保护沙丘免遭侵蚀,并在一定程度上保存不同风积单元之间的接触面48

关于植被线形沙丘(VLDs)的发育模式,Tsoar等17提出的模式认为,在双向风况条件下,从两侧植被稀疏的丘间地不断补充沙源给植被线形沙丘,风沙流沿脊线部分缓慢向下风方向移动,是植被线形沙丘的主要演化方式;而在Wopfner等18提出的模式中,上风区流动线形沙丘沙源不断补充给下风区植被覆盖较好的末端区域,是植被线形沙丘生长发育的重要方式。中国科学院新疆综合考察队31认为,古尔班通古特沙漠的植被线形沙丘(沙垄)是在灌丛沙丘基础上发展的垄状沙链演变而来,这得益于古尔班通古特沙漠春季和冬季有一定的降水量、春季悬湿沙层,促进沙漠的植被覆盖度增加等有利自然地理条件2833-34。在冬季沙漠地表被积雪覆盖、春季融雪水补给土壤表层的水分除部分蒸发损失外,迅速下渗至深层,有效地阻止了土壤水分的进一步流失,为荒漠植被生长和发育提供了有利条件。

根据前人观测研究26-29以及我们的实地考察和GPR探测资料综合分析,研究区植被线形沙丘(VLDs)的演化模式可概括如下。第1阶段-灌丛沙丘(图5A),为有灌丛生长的沙席基底,属于最早期的简单形式,地表为平沙地,植被盖度和高度较低,主要发育小型的椭圆形灌丛沙丘,椭圆形沙丘长轴方向与合成风向一致。第2阶段-风影灌丛沙丘(图5B),在不断增长的灌丛沙丘下风区域,受植物灌丛背风涡流影响风沙持续加积形成风影沙丘,随着气候干湿变化、灌丛植物群落和风沙成壤过程的季节变化,灌丛沙丘内部叠加发育上凸形层理构造。第3阶段-垄状沙链(图5C),由于灌丛群落发育扩展、灌丛沙丘体积不断扩大,风影沙丘在背风沉积区不断拉长,并叠置生成新的灌丛沙丘,各个独立风影型灌丛沙丘顺着合成风向相互连接,形成垄状沙链。同时由于植被覆盖度增加、沙丘表层物质循环和积累加快,进而导致弱胶结的BSC生成并覆盖和固定早期的灌丛沙丘表面。第4阶段-植被线形沙丘(图5D),沿着合成输沙方向,垄状沙链呈线形趋势延展,叠置灌草丛沙丘不断合并融入,沙丘主体变宽增高,沙丘内部沉积层理组合形式更复杂、层系规模变大,交替多期次发育的BSC。如果受锐角相交的双向风作用,且两侧风力强度近似,则可能发育成两坡对称、脊线顺直的植被线形沙丘;如果两侧风力强度不等,则发育成两坡不对称、脊线弯曲的植被线形沙丘。在此演化模式中,灌丛沙丘和风影灌丛沙丘发育阶段,来自上风向的沙源在沙丘演化过程中占有重要地位,而在垄状沙链和植被线形沙丘阶段,由于沙丘高度显著增加,丘间地水平螺旋涡流作用增强2-3,来自两侧植被稀疏的丘间地沙源可能占有更重要的地位。

图5

图5   植被线形沙丘演化发育模式

Fig.5   The evolution development model of vegetation linear dune


4 结论

在野外考察基础上,应用探地雷达(GPR)对古尔班通古特沙漠东南部植被线形沙丘(VLDs)内部构造进行了探测,获取了沙丘表面以下约8 m深度内部构造的GPR图像信息,结合研究区自然地理特征、沙丘形态变化的综合分析,探讨了不同类型构造雷达相在沙丘内部的分布特点和成因,据此初步给出研究区植被线形沙丘演化的基本模式。

(1) 本次探测解译识别出了植被线形沙丘3—5 m浅层的高倾角斜层理、上凸形交错层理、楔状交错层理以及低倾角-近水平层理等雷达相类型,在4—5 m以下深度主要是块状层理。其中,在沙丘中上部、丘脊部位常见高倾角、楔状和上凸形等交错层理构造,而沙丘中下部和丘间地多见低倾角-近水平层理,反映了植被线形沙丘上部和丘顶风蚀崩积活动较强烈,而中下部和坡脚以风沙加积为主。

(2) 自南而北,由沙漠边缘向沙漠腹地,在横剖面上,植被线形沙丘浅层不同部位的沉积构造组合序列,由较不对称分布向比较对称分布变化,沙丘横剖面形态亦由起伏较陡的坡面向平缓起伏的线形沙丘变化,反映了沙丘形态-内部构造变化的统一性。在横剖面形态不对称的沙丘的中心部分,探测发现多个被生物土壤结皮保护的埋藏灌丛沙丘面,但未见大规模的高倾角斜层理或板状交错层理,说明研究区植被线形沙丘在发育过程中的侧向迁移非常有限。

(3) 综合实地考察和探测图像解译分析,研究区植被线形沙丘的演化过程可以划分为4个阶段:灌丛沙丘、风影灌丛沙丘、植被垄状沙链、植被线形沙丘。在植被线形沙丘演化过程中,沙源主要补充方式也在不断变化。在灌丛沙丘和风影灌丛沙丘发育阶段,来自上风向的沙源在沙丘演化过程中占有重要地位,而在垄状沙链和植被线形沙丘阶段,来自两侧植被稀疏的丘间地沙源可能占有更重要的地位。在以上演化过程中,始终伴随着新生的叠置灌丛沙丘的合并和融入。

(4) 研究区植被线形沙丘4—5 m以下深部探测图像的分辨率变差,结合研究区自然地理特征并参考国内外其他沙漠植被线形沙丘构造研究案例,本文初步推测沙丘深部风积层原生层理构造消失的可能影响因素,但尚需今后研究工作进行验证。未来应进一步加强探地雷达探测条件验证和测量精度,并补充沙丘内部构造序列的年代学分析,有望形成对区域植被线形沙丘发育模式更为系统和全面的认识。

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