腾格里沙漠沙丘沉积物粒度特征及其空间差异

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00028

腾格里沙漠沙丘沉积物粒度特征及其空间差异

古拉依赛木·艾拜都拉^,¹, 张峰^,¹, 吴枫², 吴世新³, 郑江华¹, 孙涛⁴

1.新疆大学地理与遥感科学学院，新疆乌鲁木齐 830046

2.中国科学院地球环境研究所，陕西西安 710061

3.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆乌鲁木齐 830011

4.复旦大学中国历史地理研究所，上海 200433

Grain size characteristics of dune sands and spatial variation in the Tengger Desert

Gulayisaimu Aibaidoula^,¹, Zhang Feng^,¹, Wu Feng², Wu Shixin³, Zheng Jianghua¹, Sun Tao⁴

1.College of Geography and Remote Sensing Sciences，Xinjiang University，Urumqi 830046，China

2.Institute of Earth Environment，Chinese Academy of Sciences，Xi'an 710061，China

3.Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China

4.Institute of Chinese Historical Geography，Fudan University，Shanghai 200433，China

通讯作者: 张峰（E-mail： zhang-f-eng@sohu.com）

收稿日期: 2022-01-17 修回日期: 2022-03-29

基金资助:

国家科技基础资源调查专题. 2017FY101004
国家自然科学基金项目. U1503381

Received: 2022-01-17 Revised: 2022-03-29

作者简介 About authors

古拉依赛木·艾拜都拉（1995—），女，新疆阿克苏人，硕士研究生，研究方向为自然地理与资源环境E-mail：glym_bfg@126.com , E-mail：glym_bfg@126.com

摘要

沉积物粒度特征对于研究物源、衡量搬运能量具有重要意义。分析了腾格里沙漠45个沙丘顶部样品的粒度特征，并计算了30 a输沙势。结果表明：（1）沙丘沙以细沙（71%）和中沙（20%）为主，平均粒径2.38 Φ，分选系数0.40 Φ；平均粒径与分选系数、偏度呈良好的线性关系。（2）分选为“极好”和“好”的样品整体分布在沙漠中部和西南部，前者概率累计曲线趋于近对称、中等峰态，为二段式，后者趋于正偏、中等或尖窄峰态，为三段式；而沙漠边缘分选较差，概率累计曲线为多段式。（3）盛行起沙风为西北风。西北和东北部属中风能环境，风况属单峰型和复杂型；南部和东南部分别属低、中风能环境，均双峰型风况。研究区沙丘沙源应以下伏河湖相沉积物就地起沙为主。沙漠边缘河湖相沉积物应该为中部区沙丘沙提供了物源，西南部沙丘沙可能源自石羊河下游的冲洪积物，风力分选作用较长，边缘沙丘沙则应来源于该区河湖相沉积物就地起沙，风力分选不充分。粒度参数空间分布特征与沙丘类型和规模之间存在一定的耦合关系。

关键词： 腾格里沙漠 ; 沉积物 ; 粒度参数 ; 输沙势 ; 空间差异

Abstract

Sediment grain size parameters are of great significance for studying material sources and measuring the energy size. The grain size characteristics of 45 surface sand samples from the top of the dunes in the Tengger Desert were measured， and the Drift Potential of four weather stations in the past 30 years was calculated. The results show that：（1） Samples are mainly composed of fine （71%） and medium sands （20%）， with main grain size of 2.38 Φ and sorting of 0.40 Φ. There are good linear relationships between grain size and sorting， grain size and skewness. （2） The very well and well-sorted samples are entirely distributed in the middle and southwest of the desert， the former tends to be nearly symmetrical and medium-kurtosis， and the probability cumulative curve is composed of two-distinctive populations， while the latter tends to be positive skewness， medium or leptokurtosis， and the probability cumulative curve is composed of three-distinctive populations. However， the sorting of desert edge is inconsistent， and the probability cumulative curve is composed of multi-different populations. （3） The direction of prevailing sand-driving wind in the study area is northwest wind. The northwest and northeast parts of the desert were characterized by intermediate wind energy environment， with the unimodal and complex wind direction. The southern and southeastern parts of the desert belong to low and intermediate wind energy environment respectively， both of which are bimodal wind direction. The main sources of dunes in this area should be local detritus act of the underlying fluvial and lacustrine sediments. The fluvial and lacustrine sediments at the edge of the desert provide sources for the dune sands in the central region， the dune sands in the southwestern part may have originated from alluvial-lacustrine deposits in the lower reaches of Shiyang River， and the wind sorting effect is long， while the dune sands at the edge of the desert should be derived from local detritus act of the alluvial and lacustrine sediments， and the wind sorting effect is insufficient. There is a certain relationship between the spatial distribution characteristics of grain size parameters and dune type and size.

Keywords： Tengger Desert ; sediments ; grain size parameters ; sand drift potential ; spatial variation

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本文引用格式

古拉依赛木·艾拜都拉, 张峰, 吴枫, 吴世新, 郑江华, 孙涛. 腾格里沙漠沙丘沉积物粒度特征及其空间差异. 中国沙漠[J], 2022, 42(5): 133-145 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00028

Gulayisaimu Aibaidoula, Zhang Feng, Wu Feng, Wu Shixin, Zheng Jianghua, Sun Tao. Grain size characteristics of dune sands and spatial variation in the Tengger Desert. Journal of Desert Research[J], 2022, 42(5): 133-145 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00028

0 引言

物质组成的空间差异及其原因是沙漠研究的核心问题^［1-4］。粒度参数是沉积物颗粒大小的表征，用以衡量沉积物搬运介质能量以及搬运方式指标，能够反映沙漠物质的来源、沉积机制和沉积过程^［5-9］，是研究沉积物粒度特征的空间差异及成因的有效指标^{［2-4，9］}。国内外学者曾通过研究沙丘表沙颗粒的大小和分选特征，识别沉积物粒度特征的空间分异，并将其归因于物源、外营力过程及地形等^{［2，8，10-11］}。

腾格里沙漠总面积为4.2万km²，是中国的第四大沙漠^［1，12］。前人针对腾格里沙漠沉积物的粒度特征、风沙过程、沙漠形成演化等方面做了大量工作。哈斯等^［13-14］、李超等^［15］分别采用筛析法（间隔1/3 Φ）和激光粒度仪法测得沙漠东南缘通湖山以南孟家湾至迎水桥一带的格状沙丘（深度0—3 cm）、沙坡头附近的新月形沙丘（深度0—3 cm）和横向沙丘（深度0—1 cm）沉积物的粒度参数特征，发现沙漠东南缘沙丘沙粒均以细沙为主，分选极好至较好，粒径频率分布曲线大致呈近对称至正偏。Zhang等^［1］用筛析法进行研究，发现腾格里沙漠西南缘与东南缘格状沙丘（深度0—1 cm）粒度特征存在差异，西南缘以极细沙和细沙为主，分选极好至好，频率分布曲线偏度为近对称至正偏，而沙漠东南缘以细沙和中沙为主，分选好，偏度呈负偏、近对称和正偏。李再军^［16］使用激光粒度仪进行研究，发现腾格里沙漠中部风成沙样品粒径呈正态单峰分布，众数粒径2—3 Φ，细粒极少。庞红丽等^［17］通过筛析法进行研究，发现沙漠北缘沙丘沙（深度5—10 cm）从物源区向沉积区粒度逐渐变小，分选依次变好。根据以上工作，可以认为腾格里沙漠的沉积物粒径频率公布曲线大致呈单峰，以细沙为主，同时在空间上存在一定程度的分异。但目前这些工作多限于沙漠局部地区或某种类型的沙丘，而对整个沙漠内部沉积物在空间上的分布特征认识有待分布更广的数据支撑。本文拟增加沙漠整体的采样密度，探讨腾格里沙漠沙丘顶部表沙的粒度参数和空间分布特征，以期为区域分异及其可能原因研究提供基础资料。

1 研究区域概况

腾格里沙漠位于中国西北部阿拉善荒漠地区的东南部，东为贺兰山山前平原，西为雅布赖山脉，西南邻祁连山山前冲洪积扇前缘^［12］。在地质构造上，该区为一断陷盆地，其上覆盖大量细沙及黏土状第四系冲洪积沉积物、湖相沉积物和风沙沉积物^{［16，18］}。由于地处中国西风区和东亚季风区的交汇处^［1，19］，沙区气候干旱，年均气温7.5—9.2 ℃，年降水量90—190 mm，并均自西北向东南递增^［20-21］。该地区存在多条发源于祁连山依靠冰雪融水补给的季节性河流，并自南部流入沙漠^［22］。石羊河是其中重要的一条河流，下游是民勤绿洲，绿洲中部是狭长而平坦的半封闭的荒漠区^［23］，下伏沉积物为石羊河下游冲积、湖积物。腾格里沙漠内部分布着沙丘（71%）、湖盆（7%）和山地、残丘及平原（22%）。沙丘中，流动型沙丘占93%，固定、半固定沙丘仅占7%^［16］。沙丘类型多样，以格状沙丘和新月形沙丘链为主，有格状沙丘、新月形沙丘和沙丘链、沙垄、梁窝状沙丘、复杂横向沙丘（或沙山）、金字塔沙丘和草灌丛沙堆等^［12］（图1）。沙漠地势从南到北逐渐变低，西南部分布着大量南北走向的沙垄，除丘顶为流沙外，丘间低地均为沙土质，并被植被覆盖。沙漠中部多分布南北走向、平行排列的湖泊，沙漠西南部零散分布的湖盆多呈不规则状，沙漠东北地区的湖盆则多位于复杂横向沙丘（或沙山）之间的洼地^［24］。

图1

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图1 腾格里沙漠风沙地貌（据朱震达等^［12］改绘）、采样点、钻孔（WEDP01）^［16］分布和输沙玫瑰图

Fig.1 Location of aeolian landforms （according to Zhu et al^［12］）， sampling sites，WEDP01 core^［16］ and sand drift potential in the Tengger Desert

2 样品采集与研究方法

2019年5月在研究区用套筒法采集不同沙丘顶部（0—15 cm）的45个样品（图1）。粒度测定使用筛析法在新疆大学绿洲生态教育部重点实验室完成。首先称取30 g样品，置于500 mL烧杯，加入200 mL浓度为30%的H₂O₂去除有机质；反应停止后，向烧杯中加入200 mL浓度为10%的HCl，静止24 h，以去除沉积物中的碳酸盐；去离子水洗至中性后，将样品烘干、称重并记录。最后使用1/4 Φ间隔的美国泰勒套筛、德国RETSCH公司生产的AS200型振筛仪测定粒度，频率150 Hz、时长15 min。

粒级划分采用乌登-温特沃斯粒级分级标准（Udden-Wentworth scale）^［5］，粒径采用Φ值来表示，以D=-log₂d转换，D表示粒径（单位Φ），d表示粒径（单位 mm）。采用Folk-Ward图解法^［7］计算平均粒径（M_z）、分选系数（σ）、偏度（SK）和峰度（K_g）。

以6 m·s^-1为站点10 m高度的起沙风速^［25-26］，统计出研究区周围4个气象站30 a（1988—2017年）的盛行起沙风向、频率和输沙势（DP）。气象数据来自于国家气象数据中心（http：//data.cma.cn），每个站点观测或统计频次为日值，日平均风速均由自记仪器时隔6 h 每日4次（02:00、08:00、14:00、20:00）定时观测的值平均得到，风向由采集间隔为10 min的16个方位角的自记仪器测得；风速记录仪的分辨率为0.1 m·s^-1，风向记录仪的分辨率为3°。根据Fryberger^［27］的方法计算30 a的DP、合成输沙势（RDP）、合成输沙方向（RDD）和变率指数（RDP/DP）。对缺失数据（占比均少于0.25%）采用序列均值法在软件SPSS.23上进行数据插补^［28］。依据分选系数（σ）等级，将腾格里沙漠分为3个区。

3 结果与分析

3.1　起沙风和输沙势

据1988—2017年的统计资料，沙漠西北部、南部、东南部和东北部4个气象站点的全年起沙风出现频率比例分别为40.55%、27.14%、48.67%和39.84%，起沙风频率记录最多的是中卫，最少的是景泰（表1）。沙漠西北部民勤气象站主次风向分别为西西北和西北，沙漠南部景泰气象站主次风向分别为北西北和西西北，沙漠东南部中卫气象站主次风向分别为西西北和东，沙漠东北部阿拉善左旗气象站主次风向分别为北西北和东南。可认为，研究区主要受西北风和东风的控制。

表1 1988—2017年腾格里沙漠各站起沙风频率（%）

Table 1 Frequency of sand-driving wind in the Tengger Desert from 1988 to 2017 （%）

站名	风向																合计
站名	N	NNE	NE	ENE	E	ESE	SE	SSE	S	SSW	SW	WSW	W	WNW	NW	NNW	合计
民勤	0.56	0.44	0.42	0.84	2.41	3.90	0.93	0.16	0.16	0.16	0.30	0.45	2.36	13.47	10.14	3.84	40.55
景泰	1.99	0.99	0.00	0.00	0.00	0.70	1.68	2.14	1.89	1.53	0.00	0.40	1.74	5.43	3.00	5.65	27.14
中卫	0.85	1.46	0.57	1.29	10.37	5.09	1.25	0.92	0.45	0.28	0.31	0.76	2.61	12.40	8.99	1.07	48.67
阿拉善左旗	4.38	5.11	1.45	0.92	0.67	4.51	5.72	2.42	1.13	2.33	0.53	0.22	0.93	1.95	1.15	6.42	39.84

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沙漠西北部DP为252.62 VU，属中风能环境（200—399 VU），RDP为207.65 VU，RDP/DP为0.81，属低变率（>0.8），风况属单峰型。沙漠南部DP为95.13 VU，属低风能环境（<200 VU），RDP为51.46 VU，RDP/DP为0.54，属中变率（0.30—0.80），风况属双峰型。沙漠东南部DP为211.04 VU，属中风能环境（200—399 VU），RDP为105.35 VU，RDP/DP为0.50，属中变率（0.30—0.80），风况属双峰型。沙漠东北部DP为239.11 VU，属中风能环境（200—399 VU），RDP为65.59 VU，RDP/DP为0.27，属高变率（<0.30），风况属复杂型。西北部、南部和东南部气象站点RDD 120.28°—131.59°，说明合成输沙方向以西北方向为主，而东北部合成输沙方向（221.82°）以东北方向为主，RDP/DP自西北向南、东南和东北逐步变小，东北部呈最小，风向变为复杂（图1）。与Zhang等^［29］测得的2010年单个年份西北部输沙势相比，本文多年平均数据显得偏低，原因可能在于前者观测位置在戈壁，而本文气象站点位于民勤县内。

3.2　粒度总体特征

腾格里沙漠沉积物机械组成中，细沙（2—3 Φ）含量71.39%±17.65%，中沙（1—2 Φ）含量19.77%±18.62%，二者平均含量合计为91.16%，极细沙（3—4 Φ）和粉沙（4—8 Φ）平均含量合计为8.59%，极粗沙（-1—0 Φ）和粗沙（0—1 Φ）平均含量合计为0.25%，含量极小。可见，腾格里沙漠沙主要由细沙-中沙组成（图2A）。李恩菊^［30］采用激光粒度仪法测定的深度0—1 cm的表沙样品以中沙（45.58%）和细沙（45.55%）为主，粗沙（4.83%）和极细沙（3.28%）次之，沉积物总体偏粗，与本文结果稍有差别。腾格里沙漠沉积物粒径频率曲线多为单峰，峰值粒径1—3.75 Φ，平均值曲线峰值对应的粒径为2.75 Φ，沙漠边缘的少数样品出现双峰或多峰分布（图2B）。

图2

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图2 腾格里沙漠风成沙粒级组分特征（A）和粒度分布曲线（B）

Fig.2 Grain size composition （A） and grain size frequency curves （B） of aeolian sands in the Tengger Desert

腾格里沙漠沉积物平均粒径（M_z）1.85—2.84 Φ（标准偏差为0.24），范围较宽，属中沙和细沙，均值为2.38 Φ（图3A）。分选系数（σ）0.27—0.78 Φ（标准偏差为0.11），属分选性极好至中等范围，平均值为0.40 Φ，属分选性好（图3B）。偏度（SK）分布范围比较广，出现负偏至极正偏（-0.20—0.43，标准偏差为0.12），平均值为0.13，属正偏态分布（图3C）。峰度（K_g）呈宽峰态至尖窄峰态（0.78—1.23，标准偏差为0.08），大多样品以中等峰态为主，平均值为1.03，属中等峰态（图3D）。

图3

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图3 腾格里沙漠风成沙平均粒径（A）、分选系数（B，按分选性不同分为3个区域）、偏度（C）、峰度（D）空间分布

Fig.3 Spatial distribution of grain size parameters of aeolian sands in the Tengger Desert （A：mean grain size； B：sorting coefficient （three regions with different sorting）； C：skewness； D：kurtosis）

腾格里沙漠沉积物大多随着沙粒变细而分选性变好，呈现出显著的线性相关（R²=0.11，P<0.05），且平均粒径在2.25—2.75 Φ的沉积物分选性最好（图4A）。平均粒径与偏度呈良好的线性关系（R²=0.48，P<0.01），随着样品平均粒径变小，偏度从极正偏趋于近对称，甚至变为负偏（图4B）。分选系数和偏度均随着粒径变小而变小，这一趋势与Zhang等^［1］、哈斯等^［14］、庞红丽等^［17］和李恩菊^［30］在该沙漠得到的结论基本一致。而分布于沙漠边缘固定、半固定沙丘的部分样品（如：TL-03和TL-12号样品）的平均粒径与分选系数、偏度之间并没有表现出明显的变化。平均粒径与峰度之间的相关性不显著（图4C）。分选系数与偏度（图4D）、峰度（图4E）以及偏度与峰度（图4F）之间相关性亦不显著。

图4

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图4 腾格里沙漠沉积物粒度参数散点图

Fig.4 Bivariate plots of grain size parameters of sediments in the Tengger Desert

3.3　粒度特征空间差异

按照分选系数差异可将研究区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等3个区（图3B）。分选性为极好的样品整体分布在Ⅰ区，该区主要包括沙漠中部以及偏西北、东南区域。样品以细沙（85.16%）和极细沙（9.91%）为主。样品粒径频率分布基本一致，均呈单峰，偏度趋于近对称，峰度均呈中等峰态（表2）。概率累计曲线呈二段式，1.75—3 Φ组分含量最多，斜率最大；3—4 Φ组分含量最少，斜率最小（图5A）。

表2 腾格里沙漠Ⅰ区沉积物粒度参数

Table 2 Grain size parameters of sediments in region Ⅰ of the Tennger Desert

	样品编号	纬度N/（°）	经度E/（°）	地貌类型	M_z/Φ	σ/Φ	SK	K_g
	TL-05	39.18	103.62	格状沙丘	2.84	0.32	0.11	1.08
	TL-10	38.87	103.85	格状沙丘	2.38	0.34	0.14	0.99
	TL-16	38.68	103.56	新月形沙丘和沙丘链	2.59	0.34	0.06	1.03
	TL-20	39.05	104.27	格状沙丘	2.71	0.32	0.09	1.06
	TL-42	38.41	103.66	格状沙丘	2.62	0.29	0.06	0.99
	TL-46	37.51	104.96	格状沙丘	2.59	0.34	0.08	1.04
	TL-48	37.77	105.03	格状沙丘	2.45	0.31	0.10	0.93
	TL-50	38.25	105.16	新月形沙丘和沙丘链	2.73	0.34	-0.12	1.14
	TL-52	38.47	104.69	格状沙丘	2.52	0.27	0.08	1.01
	TL-56	38.32	104.17	新月形沙丘和沙丘链	2.54	0.29	0.10	1.07
	TL-58	38.77	104.29	格状沙丘	2.68	0.34	-0.05	1.11
	TL-60	38.78	104.47	格状沙丘	2.67	0.30	0.09	1.03
	TL-62	38.26	104.82	草灌丛沙丘	2.53	0.30	0.12	1.07
	TL-64	38.55	104.44	新月形沙丘和沙丘链	2.74	0.30	0.03	1.03
	TL-66	38.35	104.49	新月形沙丘和沙丘链	2.43	0.30	0.08	0.97
	TL-70	38.06	104.32	格状沙丘	2.21	0.31	0.19	1.14
	TL-74	38.01	104.79	格状沙丘	2.84	0.30	0.12	1.07
	TL-76	38.59	104.93	复杂横向沙丘(或沙山)	2.17	0.31	0.21	1.07
	TL-84	39.60	104.38	格状沙丘	2.46	0.34	0.10	0.96
	TL-86	39.91	104.22	格状沙丘	2.32	0.30	0.13	1.07
平均值	—			—	2.55	0.31	0.09	1.04
最小值	—			—	2.17	0.27	-0.12	0.93
最大值	—			—	2.84	0.34	0.21	1.14
标准偏差	—			—	0.19	0.02	0.07	0.06

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图5

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图5 腾格里沙漠不同区域粒度分布特征

Fig.5 Grain size distribution in different regions of the Tengger Desert

分选性为好的样品几近一致地分布在Ⅱ区，该区包括沙漠西部民勤绿洲以东及祁连山山前平原的沙漠西南部。样品以细沙（64.94%）和中沙（30.70%）为主。粒径频率分布均呈单峰，偏度多呈正偏，峰度较中部沙漠略有收窄，呈中等和尖窄（表3）。样品概率累计曲线呈三段式，1.25—1.75 Φ组分含量次之，斜率最大；1.75—2.75 Φ组分含量最多，斜率次之；2.75—4 Φ组分含量最少，斜率最小（图5B）。李恩菊^［30］在中南部流动沙丘-湖泊交替区所测的沙丘沙粒径大小和分选系数分布范围较宽，与本文粒度参数结果不一致。

表3 腾格里沙漠Ⅱ区沉积物粒度参数

Table 3 Grain size parameters of sediments in region Ⅱ of the Tennger Desert

	样品编号	纬度N/（°）	经度E/（°）	地貌类型	M_z/Φ	σ/Φ	SK	K_g
	TL-22	38.62	103.86	格状沙丘	2.22	0.40	0.20	1.02
	TL-24	38.44	103.15	格状沙丘	2.12	0.39	0.08	0.98
	TL-26	37.79	103.29	草灌丛沙丘	2.32	0.39	0.26	1.06
	TL-28	38.18	103.46	草灌丛沙丘	2.21	0.44	0.25	1.08
	TL-30	38.16	102.96	格状沙丘	2.13	0.43	0.26	0.95
	TL-32	38.05	103.04	格状沙丘	2.33	0.35	0.17	1.02
	TL-34	37.85	103.68	新月形沙丘和沙丘链	2.09	0.39	0.21	1.11
	TL-36	37.77	104.10	格状沙丘	2.42	0.35	0.05	0.98
	TL-38	37.64	104.64	格状沙丘	2.36	0.35	0.14	0.95
	TL-40	38.10	103.61	格状沙丘	2.03	0.36	0.31	1.23
	TL-44	38.17	104.01	格状沙丘	2.11	0.39	0.22	1.06
	TL-54	38.46	103.95	新月形沙丘和沙丘链	2.27	0.44	0.12	0.94
	TL-72	37.87	104.46	格状沙丘	2.24	0.41	0.03	1.04
平均值	—			—	2.22	0.39	0.18	1.03
最小值	—			—	2.03	0.35	0.03	0.94
最大值	—			—	2.42	0.44	0.31	1.23
标准偏差	—			—	0.12	0.03	0.09	0.08

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Ⅲ区为沙漠西部石羊河以北、以东冲洪（湖）积平原到雅布赖山一带以及沙漠东北贺兰山山前冲洪（湖）积平原的沙漠边缘区。分布在Ⅲ区的样品分选性不一致，分选好、分选较好和分选中等的样品均有出现，平均粒径分布范围较广（1.85—2.71 Φ）（表4），与庞红丽等^［17］在沙漠北部测得的风沙沉积物的粒径（1.61—2.50 Φ）和分选系数（0.40—0.68 Φ）接近。样品粒级组分以细沙（55.42%）、中沙（32.77%）、极细沙（10.59%）为主，粗沙、中沙、极细沙和粉沙含量均高于其他区域样品。粒径频率分布呈单峰、双峰和多峰，偏度呈负偏至极正偏，峰度呈宽峰态至尖窄峰态（表4）。概率累计曲线呈多段式，样品分选较差，0—1 Φ组分含量最少，斜率最小；1—2.25 Φ组分含量次之，斜率为第三；2.25—3.50 Φ组分含量最多，斜率次之；3.50—4.25 Φ组分含量为第三，斜率最大（图5C）。

表4 腾格里沙漠Ⅲ区沉积物粒度参数

Table 4 Grain size parameters of sediments in region Ⅲ of the Tennger Desert

	样品编号	纬度N/（°）	经度E/（°）	地貌类型	M_z/Φ	σ/Φ	SK	K_g
	TL-01	39.64	103.20	新月形沙丘和沙丘链	2.07	0.54	0.43	0.87
	TL-03	39.40	103.79	草灌丛沙堆	2.71	0.78	-0.20	1.00
	TL-07	40.04	103.89	新月形沙丘和沙丘链	2.22	0.40	0.18	1.01
	TL-09	39.28	103.86	新月形沙丘和沙丘链	2.24	0.47	0.21	0.91
	TL-12	38.81	103.45	草灌丛沙堆	2.62	0.64	-0.15	0.96
	TL-14	38.50	103.45	新月形沙丘和沙丘连	1.85	0.61	0.35	1.08
	TL-18	39.34	104.10	新月形沙丘和沙丘链	2.44	0.40	0.17	1.08
	TL-78	38.55	105.57	新月形沙丘和沙丘链	2.04	0.42	0.32	1.16
	TL-80	38.53	105.12	复杂横向沙丘(或沙山)	2.19	0.56	-0.03	1.14
	TL-82	38.76	105.15	复杂横向沙丘(或沙山)	2.04	0.64	0.20	0.78
	TL-88	39.22	104.75	格状沙丘	2.41	0.43	0.23	1.00
	TL-90	38.94	105.08	格状沙丘	2.34	0.42	0.10	0.87
平均值	—			—	2.26	0.53	0.15	0.99
最小值	—			—	1.85	0.40	-0.20	0.78
最大值	—			—	2.71	0.78	0.43	1.16
标准偏差	—			—	0.25	0.12	0.19	0.12

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总体上，自Ⅲ区（沙漠边缘）、Ⅱ区（沙漠西南部）至Ⅰ区（沙漠中部），样品平均粒径变小、分选系数变小；细沙逐渐增多，粗沙、中沙和粉沙逐渐减少，粒级组分趋于集中；粒径频率曲线趋于近对称、中等峰态、单峰分布。

本文沉积物粒度参数与分布于不同空间的沙丘类型和规模之间存在一定的相关性（图6）。分布在Ⅰ区的格状沙丘呈现出分选极好的特征（0.34 Φ），呈单峰分布，峰值粒径2—3 Φ，分布范围相对集中；新月形沙丘和沙丘链则大部分分布在Ⅲ区，即沙漠边缘地带，分选好（0.40 Φ），呈单峰分布，峰值粒径1.75—3 Φ。复杂横向沙丘（或沙山）和草灌丛沙丘分布在Ⅲ区，二者样品分选均最差（0.53 Φ），呈单峰和双峰分布，其中前者峰值粒径1—2.75 Φ，后者峰值粒径1—3.75 Φ，粒级分布较广，峰态较宽，出现了一个以上的众数。

图6

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图6 腾格里沙漠不同类型沙丘沉积物粒度分布对比

Fig.6 Comparative grain size distributions for different dune types in the Tengger Desert

4 粒度特征空间分布差异可能原因

通过沉积物粒度与自然地理环境的综合分析，可以追溯沉积物的物源、运输及其沉积环境^{［11，31-32］}。腾格里沙漠是在万年、千年为单位的长时间尺度下气候变化的产物^{［21，33］}。地形、河流、湖泊等自然地理因素和水力搬运、风力分选等过程，以及它们之间的紧密联系与相互作用，都会导致腾格里沙漠沉积物粒度空间分布的差异^［34-35］。

4.1　Ⅰ区

朱震达等^［12］、吴正^［24］认为，中国北方沙漠大多起源于河流和湖泊沉积。腾格里沙漠中部现存一些面积比较大的湖泊（图1），为第三纪的残余^{［12，16，24，36］}，这些湖泊可能为附近的沙丘提供了物源。据深度达279 m的查汗池（WEDP01）钻孔^［16］勘察（图1），该地区下伏沉积物包含冲积-河流沉积物、湖泊和风成沉积物等。特别是50 m厚的近地表层（风沙、湖沙沉积互层），出现在一典型的湖相沉积（50—80 m）之上，古地磁年龄大致在0.9 Ma^［16］。在近地表层的下部（28—50 m），沉积物粒径频率出现双峰，主峰1.73—2.94 Φ，与本文该区样品粒径频率特征基本一致（图5A），而2.94—6.64 Φ的细粒次峰差异较大，分选较差。考察近地表层的上部（0—28 m），为现代湖泊沉积，粒径频率呈单峰分布，峰值粒径1.73—2.94 Φ，粒径趋于粗化，分选变好，偏度趋于近对称或正偏，与本文该区沙丘沙粒径频率特征基本一致（图5A和表2），表明该区沙丘沙或与近地表层下伏物源的一致性以及下伏河湖相沉积颗粒“就地起沙”的可能性。

风力的分选作用对沙丘沙粒度特征空间分异亦十分重要^{［12，37］}。陈渭南^［38］认为下伏沉积物在风力的分选、搬运、再堆积等改造过程中趋于达到与当地动力条件均衡的平均粒径。近地表层下部（28—50 m）的大部分细粒次峰物质（2.94—6.64 Φ）应已被吹走，少部分应被裹挟在较粗颗粒之间得以保存^［32］，沉积物粗化，分选变好，偏度趋于正偏，与本文概率累计曲线上1.75—3 Φ组分（跳移组分）含量增高（无外来物质的情况下）、3—4 Φ组分（悬移组分）含量减少的情况一致（图5A）。

从风向和风能环境来看，该区盛行的起沙风受冬季风与夏季风交替控制作用（图1），是多风向、低风能环境区域^［1，25］，因该区处于下风向，风到达该区域时已变得很弱，加之源区距离沙漠腹地较远、风成沙搬运距离长，本文1.75—3 Φ组分（跳移组分）应得到堆积，在概率累计曲线上表现为含量增多（图5A），样品分选变好，粒径频率趋于近对称或负偏、中等峰态（表2），可能就与下风向低风能环境有关。

该区大量分布格状沙丘和高大复杂横向沙丘（图1）。这类形态相对复杂的沙丘需要丰富的沙源（细沙）供应和较久远的风力分选^［12］，沙漠西北及东北边缘的湖相或戈壁沉积物以及该区下伏沉积物正为格状沙丘提供物源，而西北一带的沙粒与巴丹吉林沙漠沙物质远距离输送有关^［39］，特别是西北风或东北风占绝对优势的情况下。这也与Zhang等^［1］和李恩菊^［30］发现的腾格里沙漠沉积物沿主风向存在粒径变小、分选变好的趋势一致。风力对沙丘沙的分选作用较频繁，也有利于格状沙丘的发育^［13］。反之，这些格状沙丘（高度10—20 m）和复杂横向沙山（最高可达185 m）^{［24，36］}也会削弱风速，从而进一步改变沙丘沙的分选程度^{［12，40］}。可见，沙丘沙粒度特征很大程度上与源区物质粒度特征和风力分选作用时间长短均可能有关。

4.2　Ⅱ区

与Ⅰ区相似，石羊河流域第四纪沉积物和该区的晚更新世古湖泊沉积物或许为该区沙丘提供物源^［1，41］。但与Ⅰ区相比，该区沙丘沙分选较差，粒级组分较复杂，平均粒径较大，粒径频率曲线均为正偏、中等或尖窄峰态（表3），这与李恩菊^［30］得出的南部沉积物分选性差于北部的结论基本一致，可能是由于本区物源或沉积环境较为复杂的缘故。

石羊河流域第四纪沉积物和沙漠西南部出露的河流沉积物均暗示着自南部山脉发育河流的注入^{［16，42］}，在石羊河下游冲积平原上堆积的沙物质由西北区盛行的西北风吹扬到沙漠西南部（图1）。而气流在运动过程中，可能因受到沙漠周围山体、沙丘自身起伏和植被等因素的影响而减弱，被气流所搬运的粉粒（悬移组分）和介于其与粗粒（蠕移组分）之间的颗粒（跳移组分）因此而堆积成沙丘^{［12，43］}。另一方面，来自于祁连山的碎屑物质可能随河流进入了该区，并在下游终端形成河湖相沉积^{［1，26，41］}，这些河湖相沉积物很有可能就地起沙形成沙丘。据景泰气象站，该区盛行风向为西北风，年平均风速为1.92 m·s^-1，属低风能区，本区年平均风速和输沙势（DP）均由沙漠西北部向南部减小（图1）。因风速小，风蚀能力弱，沙丘表沙中仅部分粉粒（悬移组分）被吹走或被植被捕获而难以运移（悬移组分）。由河流自祁连山带来的较粗颗粒（蠕移组分）因此得以富集，而由西北区的西北风吹过来的跳移组分也因此得以分选，与本文数据所显示的沙丘沙分选好、偏度呈正偏、概率累计曲线呈现的三段模式一致（图5B）。

4.3　Ⅲ区

该区多处于祁连山、贺兰山河流下游的冲、洪（湖）积平原。河湖相沉积和丘间低地钙结合根管，均暗示着过去的河流或高水位环境^［44］。按照风洞实验结果^［45］，风速达到8 m·s^-1时，细于2 Φ（<0.30 mm）的沙粒最易被风蚀，起动概率达100%。沙漠西北部盛行起沙风为西北风，年最大风速可达20 m·s^-1，一年中起沙风记录可达171次（民勤气象站）；东北部盛行起沙风为西北风和东南风，年最大风速可达20 m·s^-1，一年中起沙风记录达到145次，合成输沙方向为东北方向（阿拉善左旗气象站），二者均处上风向区域，风力均高于沙漠中部和西南部。可见，沙漠边缘湖相沉积物和冲洪积物易在风力作用下就地起沙。

本区大部分的沙丘类型以新发育的低矮新月形沙丘和沙丘链为主，也出现草灌丛沙丘和个别高大沙丘（表4），因强劲的盛行风吹蚀、搬运，沙丘形态始终在变化，大部分沙丘由第四纪河湖相沉积物组成^{［12，24］}。沙丘沙组成物质中的粗沙、中沙、极细沙和粉沙含量较高，粒径1.85—2.71 Φ（表4）。由于源区距离沙丘沉积区较近，加之风力分选的不充分，沙丘沙粒级组分变得复杂、分选差于沙漠中部和西南部（图3B和表4）。

5 结论

腾格里沙漠沙丘沙以细沙和中沙为主；平均粒径（M_z）1.85—2.84 Φ，分选系数（σ）0.27—0.78 Φ，偏度（SK）-0.20—0.43，峰度（K_g）0.78—1.23。平均粒径与分选系数、偏度呈良好的线性关系。

自沙漠边缘、西南部至中部，沙丘沙平均粒径变小、分选性变好；细沙逐渐增多，粗沙、中沙和粉沙逐渐减少，粒级组分趋于集中；粒径频率曲线趋于近对称、中等峰态、单峰。

研究区盛行起沙风为西北风。沙漠西北、东北边缘均属中风能环境，前者为单峰型、后者为复杂型风况；南部和东南部分别属低、中风能环境，均属双峰型风况。

沙漠西北及东北边缘的河湖相沉积物为沙漠中部沙丘沙提供物源，并且下伏河湖相沉积颗粒就地起沙的可能性大，风力分选作用较长。西南部沙丘沙粒除源自石羊河流域的第四纪沉积物外，还接受了该区的古湖泊沉积物，这一带风力分选作用亦较显著。边缘沙丘沙中，湖相沉积物、冲洪积物的风蚀产物影响显著。沙丘类型、空间分布与粒度参数之间存在一定的耦合关系，显著表现于主要分布在中部地带的格状沙丘上。

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