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中国沙漠, 2024, 44(5): 41-49 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00026

库布齐沙漠南缘沙源限制型抛物线形沙丘沉积构造

马奕鑫,, 武子丰, 王卓然, 韩旭娇, 乌友罕, 哈斯额尔敦,

北京师范大学 地理科学学部 自然资源学院，北京 100875

Internal sedimentary structure of source-limited parabolic dune in southern margin of Hobq Desert

Ma Yixin,, Wu Zifeng, Wang Zhuoran, Han Xujiao, Wu Youhan, Eerdun Hasi,

School of Natural Resources，Faculty of Geographical Science，Beijing Normal University，Beijing 100875，China

通讯作者: 哈斯额尔敦（E-mail： hasi@bnu.edu.cn）

收稿日期: 2023-11-07   修回日期: 2024-02-04  

基金资助: 国家重点研发计划课题.  2023YFF1305303
国家自然科学基金项目.  42271005

Received: 2023-11-07   Revised: 2024-02-04  

作者简介 About authors

马奕鑫（2001—），女，山西运城人，硕士研究生，研究方向为干旱区地貌E-mail：202221051173@mail.bnu.edu.cn , E-mail：202221051173@mail.bnu.edu.cn

摘要

沙丘沉积构造常呈现层理，可为研究沙丘形成和演化提供重要信息。选取库布齐沙漠南缘一个相对成熟的抛物线形沙丘，通过遥感动态监测和人工剖面的观察分析，讨论了抛物线形沙丘的动态及沉积构造特征。结果表明：沙丘形态、动态与内部构造之间具有良好一致性。沙丘以内侧侵蚀和外侧植物截留沉积形式向前移动并伴有侧向外扩，沙丘不同单元展现出各自特征的层理类型。受沙源缺失影响，该沙丘弧顶部位的沉积构造主要为粒序交互的平行层理和中-低角度交错层理，丘顶和背风坡层理中夹杂粗砂透镜体；两翼的沉积构造相对一致，主要为平行层理和中-高角度交错层理，内侧下层为倾向向东的前积层，内侧上层为倾向向内的加积层，外侧出现倾向向外的高角度前积层。沙丘的沉积构造特征反映了其主要的沉积过程，该地区抛物线形沙丘的沉积过程为沙波纹沉积与颗粒降落沉积，在两翼外侧伴有重力坍塌形成的颗粒流沉积。由于沙丘表面过程的复杂性，仅依据沙丘层理产状还不能准确判断区域气流方向。

关键词： 抛物线形沙丘 ; 沉积构造 ; 动态 ; 库布齐沙漠

Abstract

The internal sedimentary structure of sand dunes is often manifested as bedding structures， providing crucial information for the study of dune formation and evolution. This study focuses on a relatively mature parabolic sand dune located on the southern margin of the Hobq Desert. This thesis discusses the dynamics and depositional features of parabolic sand dunes through a combination of remote sensing dynamic monitoring and observational analysis of manually excavated profiles. The results indicate a consistent correlation between the dune morphology， dynamics， and internal structures. The dune undergoes forward movement and lateral expansion in the form of inner-side erosion and outer-side interception by vegetation， and here are variations in the types of bedding in different parts of the dune. Due to the absence of a consistent sand source， the sedimentary structures observed at the nose of the parabolic dune primarily consist of parallel bedding with grain sequence interaction and medium-low dip angle cross-bedding， and coarse sand lenses are present in the bedding of the crest and leeward slope. The sedimentary structures on both arms of the dune are relatively consistent， primarily characterized by parallel bedding and middle-high dip angle cross-bedding. The lower layers of inner slopes exhibit eastward-inclined foreset beds， while the upper layers of inner slopes exhibit inward-inclined climbing beds. On the outer slopes of two arms， there is outward-inclined high dip angle foreset beds. The sedimentary structural features of the sand dune reflect its primary depositional processes. In the southern margin of the Hobq Desert， the deposition processes of parabolic sand dunes involve sand ripple deposition and particle fall deposition. Additionally， on the outer slopes of the two arms， there is particle flow deposition resulting from gravity collapse. Due to the complexity of surface processes， relying solely on dune bedding may not accurately determine regional airflow directions.

Keywords： parabolic dunes ; sedimentary structure ; evolution ; Hobq Desert

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本文引用格式

马奕鑫, 武子丰, 王卓然, 韩旭娇, 乌友罕, 哈斯额尔敦. 库布齐沙漠南缘沙源限制型抛物线形沙丘沉积构造. 中国沙漠[J], 2024, 44(5): 41-49 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00026

Ma Yixin, Wu Zifeng, Wang Zhuoran, Han Xujiao, Wu Youhan, Eerdun Hasi. Internal sedimentary structure of source-limited parabolic dune in southern margin of Hobq Desert. Journal of Desert Research[J], 2024, 44(5): 41-49 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00026

0 引言

风成沙丘内部沉积构造能够提供沙丘发育、形态演变和相应风沙环境变化的信息［1］。通过对新月形沙丘［2-4］、纵向沙丘［5］、星状沙丘［6］和格状沙丘［7］沉积构造研究发现，不同类型沙丘有其各自特征的内部构造，表明沙丘的外部形态、沉积过程和内部构造之间具有良好的一致性。现代沙丘沉积构造的研究主要有人工探槽观测和探地雷达探测两种方法。人工探槽是传统的野外调查方法，即通过观察沙丘剖面来分析沉积构造的细微变化［8］，这种方法能够准确刻画出沙丘剖面层理的变化和相应的沉积过程，但较为费时费力。探地雷达是现代技术，能够在较短时间内获取定量数据，有益于较大范围的沙丘调查和快速评估［9］，因而得到广泛应用［10-11］。但是，在雷达探测资料的解译方面，目前仍存在较多主观性，且无法提供细节信息［12］，同时易受后期植物根系扰动的影响，对植被覆盖沙丘难以开展研究［13］。抛物线形沙丘是一种平面形态呈U型或V型的植被覆盖沙丘［14-15］，广泛分布于半干旱沙地、沙质海岸和干旱沙漠外围［16］。由于植被覆盖程度与活动性不同，各地抛物线形沙丘形态及过程也存在明显的差异［17］。有关抛物线形沙丘的研究多在形态类型［18-20］、成因［21-24］、动力过程［25-27］等方面，对其沉积特征的研究多集中在表层沉积物的采样分析［28-30］，鲜见内部沉积构造的研究。本文以库布齐沙漠南缘典型抛物线形沙丘为研究对象，对其不同部位的沉积剖面进行分析，旨在理解抛物线形沙丘的内部沉积特征和动态演化。

1 研究区与数据

研究区位于鄂尔多斯高原中央隆起（伊盟隆起［31］）以北，紧邻库布齐沙漠主体的薄层覆沙剥蚀高原。地表景观以南北向干河床分隔的片状沙丘地与灌丛地相间分布为特色。沙丘类型为新月形沙丘（链）及外围的固定与半固定抛物线形沙丘和灌丛沙丘［32］，灌丛主要是油蒿单优势种的半灌木群落［33］。该区处在温带大陆性干旱气候向半干旱气候过渡带，冬季干冷多风、夏季炎热少雨［34］。根据附近杭锦旗气象站观测数据统计分析，年平均气温6.1~7.6 ℃，多年平均年降水量为312.29 mm且集中在7—9月（图1A）；全年以偏西风为主，年大风天数25~35 d，合成输沙风向为111.38°，总输沙势为201.60 VU，属低风能环境（图1B）。地带性土壤为棕钙土，非地带性土壤包括盐碱土和风沙土。

图1

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图1   研究区杭锦旗气象站气象要素（A）和年输沙风况（B）

Fig.1   Meteorological elements （A） and annual sand rose （B） in Hanggin Banner of study area


研究沙丘为发育成熟且库布齐沙漠南缘具有代表性的抛物线形沙丘，其四周由油蒿灌丛沙堆包围，地理坐标为40°14′34″—40°14′44″N、109°07′42″—109°08′10″E（图2A）。该沙丘平面上呈向风向开口的U形，沙丘弧顶段（前段）顶部浑圆，迎、背风坡均较平缓，迎风坡稍下凹，背风坡上凸且底部流沙向灌丛地裙状蔓延；沙丘两翼顶部出现灌丛沙堆，内侧坡缓，外侧坡陡。沙丘弧顶段和两翼内侧裸露，两翼外侧有灌丛覆盖。沙丘两翼间灌丛植被呈下风向的舌状延伸，其与沙丘之间出现抛物线形风蚀裸地。沙丘总体走向呈WNW-ESE，顺风向总长348 m，两翼间的最大宽度160 m，最大高度（弧顶处）5.5 m，沙丘南翼和北翼最大宽度分别为29 m和23 m（图2B）。

图2

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图2   抛物线形沙丘位置（A）、形态（B）及剖面位置（C）、照片（D）

注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：蒙S（2017）028号）制作，底图边界无修改

Fig.2   Location （A） and morphology （B） of parabolic dune， and location （C） and picture （D） of profile in the Hobq Desert， China


在沙丘南翼、北翼和弧顶段，去除沙丘表层（10~20 cm）松散干沙后开挖多个1 m左右深的人工剖面（图2C、D），观察剖面露出的层理，测量产状与单元厚度，分析层理类型及层系间接触关系和组合形式，确定界面成因类型；对于层理中的粗砂层、透镜体、植物根等构造特别标注。利用2005、2010、2012年高分辨率遥感影像（空间分辨率0.61 m）经正射校正和配准后，提取沙丘轮廓，量算沙丘形态及动态参数。

2 结果

2.1　沙丘动态

由图3可见，随时间推移，尽管沙丘保持原有的形状，但沙丘明显向东移动和向南、北外扩。与此同时，翼间地植被向东扩展，风蚀裸地发生相应的变化。在2005—2012年（表1），沙丘轴长、翼间宽度分别增加了69.38 m和8.95 m，南翼宽度减少了4.91 m，北翼增加了2.76 m；沙丘弧顶部向东移动了66.27 m，移动速率达9.46 m·a-1；南、北两翼分别向南、向北移动了10.45 m和3.25 m，移动速率分别是1.49 m·a-1和0.46 m·a-1；沙丘移动速率在前一时段（2005—2010年）快于后一时段（2010—2012年）。

图3

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图3   2005年（A）、2010年（B）、2012年（C）沙丘形态及不同年份沙丘形态对比（D）

Fig.3   Dune morphology in 2005（A）， 2010（B）， 2012（C）， and comparison of dune morphology in different years（D）


表1   各年份沙丘形态参数

Table 1  Dune morphology parameters in different years

年份沙丘轴长/m翼间宽度/m弧顶段长/m南翼宽度/m北翼宽度/m弧顶段移动距离/m南翼移动距离/m北翼移动距离/m
2005358.71116.4885.9821.1229.38———
2010419.93123.3785.0222.5628.4657.526.782.32
2012428.09125.4389.0916.2132.148.753.670.93

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2.2　沉积构造

对人工探槽剖面的观察和测量结果显示，抛物线形沙丘弧顶段迎、背风坡，以及南北两翼内、外侧，均出现各自特征的层理类型和产状。

2.2.1　沙丘弧顶段

抛物线形沙丘弧顶段迎风坡沉积均为向下风向倾斜的前积层，坡脚出现中低角度板状、楔状交错层（图4A）；坡中为低倾角平行纹层，层理紧实，层系内出现粗砂与细砂的交互层（图4B）。丘顶剖面包括倾向为东的低角度再作用面（三级界面）分隔的3个层系，顶部为低角度平行纹层；中部为低角度楔状交错层，其中还出现粗砂透镜体且不显层理；下部为近水平的平行纹层（图4C）。背风坡以倾向东及南东的低倾角平行纹层为主，粗砂层增多，夹杂粗砂透镜体；层系内部还出现由动物踩踏或植物根穿插形成的扰动构造（图4D）。背风坡脚及蔓延区剖面层理较模糊，显现的多为植物根系扰动的水平层理（图4E）。

图4

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图4   抛物线沙丘弧顶部层理示意图

Fig.4   Schematic diagram of bedding at the nose of parabolic dune. A. The foot of the windward slope； B. The middle of the windward slope； C. Dune crest； D. The middle of the lee slope； E. The foot of the leeward slpoe


2.2.2　北翼

沙丘北翼南坡脚剖面为紧实的加积层，底部以2~4 mm厚粗砂层与原始地面分隔。加积层包括两组层系，厚度均为20 cm，上部层系为倾向向南的低角度平行纹层，下部层系则为倾向南东的低角度板状交错层。北翼南坡中部剖面表现为向东南倾斜的低角度板状交错层，距沙面40 cm处存在植物根穿插或充填形成的扰动构造。北翼顶部沉积比较复杂，上部为3个低角度板状交错层系，倾向自上而下分别是北西、南和北北东，其间还出现个倾向北东的楔状交错层；下部为倾向北及北东的中-高角度板状和楔状交错层，并夹一楔状不显层理的松散沙体。北翼北坡主要为向北倾斜的前积层，为高角度板状交错层理，剖面底部还出现不显层理的干沙层（图5）。

图5

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图5   抛物线沙丘北翼不同部位层理示意图

Fig.5   Schematic diagram of bedding at the north arm of parabolic dune. A. The foot of inner slope the north arm； B. The middle of the inner slope of the north arm； C. The crest of the north arm； D. The lower part of the outer slope of the north arm


2.2.3　南翼

沙丘南翼南坡沉积构造为由多个再作用面分隔的多组层系，上部为倾向南南东的低角度交错纹层，中部为倾向南的高角度楔状交错层和倾向南东的高角度板状交错层，下部为倾向南东的低角度板状交错纹层。这些层系间夹有无层理的松散沙体，剖面底部以粗砂层与原始地面相隔（图6A）。南翼顶部为倾向南南西的低角度板状交错层，层理倾角由上而下递增，层间交替出现扁平状粗砂透镜体（图6B）。北坡剖面包括两组层系与不显层理的松散沙互层，上为向北倾斜的低-中角度交错层，下为倾向南东的楔状交错层，底部是紧实沙层夹松散沙体，松散沙体内含植物根（图6C）。

图6

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图6   抛物线沙丘南翼层理示意图

Fig.6   Schematic diagram of bedding at the south arm of parabolic dune. A. The outer slope of the south arm； B. The crest of the south arm； C. The inner slope of the south arm


2.2.4　层理产状

抛物线形沙丘不同单元间的倾向差异很大，但倾角均以低角度为主。北翼层理倾向集中在北、北偏东和东南（方位角为2°~358°），矢量平均方位角47°；北翼沉积中的中-高倾角的层理倾向集中在北和北北东，而低角度层理倾向各个方位都出现（图7A、D）。南翼层理的倾向集中在南、南南东和南南西方位（方位角为0°~240°），少量出现向北的倾向，平均方位角170°；中-高角度层理主要出现在向南方位，低角度层理倾向多为南东、南和北（图7B、E）。弧顶段层理呈现多个方位，但集中在东南象限，平均方位118°，倾角以低角度为主，多处于1°~10°，平均约5°（图7C、F）。

图7

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图7   抛物线沙丘不同单元交错层产状玫瑰图

Fig.7   Rose diagram of cross-bedding orientations and frequency diagram of dip angles in different units of sand dunes. （A） Rose diagram of orientations on the north arm； （B） Rose diagram of orientations on the south arm； （C） Rose diagram of orientations on the nose of the dune； （D） Frequency diagram of dip angle on the north arm； （E） Frequency diagram of dip angle on the south arm； （F） Frequency diagram of dip angle on the nose of the dune


3 讨论

根据沙丘形态、动态和植被状况的调查结果，研究沙丘呈裸露微下凹的内侧坡和植被覆盖且上凸的外侧坡，沙丘前段即弧顶段相对快速前移和两翼缓慢外扩，反映出该沙丘在形态和动态上具备抛物线形沙丘典型特征。沙丘上风侧已经没有沙源供应，翼间地植被顺风向定植使该沙丘的沙源仅限于沙丘与植被带间的裸露风蚀地。但是，裸露风蚀地未形成风蚀坑且出现砾石、极粗砂等蚀余堆积，给沙丘提供的沙源极其有限［35］。因此研究沙丘是一种沙源限制型抛物线形沙丘。沙源的充裕程度对沙丘的沉积模式和前移速度产生影响，沙源充足时，抛物线形沙丘弧顶段的植被受到接近饱和的沙粒运输水平的抑制，导致沙丘快速沉积与前移，当沙源不足时，沙丘弧顶部遭受侵蚀使得高度下降，沙丘的前移速度也变缓［36］。在2005—2012年，沙丘弧顶段平均长度为86.69 m，随着沙源逐渐减少，植被覆盖度也随之增加，沙丘前移速度逐渐减慢，期间沙丘向东移动了66.27 m，几乎接近整个弧顶段的长度，表明沙丘弧顶段至少经历了一次整体翻转，因此其沉积均为背风坡沉积。

沙丘内部沉积构造是由沙丘形态与气流相互作用所塑造的，这种相互作用导致了沙丘背风坡上的沙粒运动和沉积过程产生差异［37-38］。沙丘表面沉积过程主要包括颗粒流、颗粒沉降和沙纹前移等3种［4］。抛物线形沙丘两翼与弧顶存在不同的内部沉积构造，反映了它们不同的沉积过程。沙丘弧顶段脊线走向与主风向垂直。在风力作用下，弧顶段迎风坡上侵蚀的沙粒在背风坡堆积，形成的层理与背风坡坡面基本一致。在植被的共同影响下，沉积过程主要表现为沙纹的前移。随着主导风向和风速的变化，弧顶段呈现出粗细砂粒交互层的特征。在背风坡，由于植物根的截留吸附作用形成较多的粗砂透镜体。与此同时，在主风向的长期主导作用下，该沙丘以侵蚀-堆积的方式持续向前（东）移动。沙丘两翼脊线走向与主风向小角度斜交，受风蚀裸地地形影响，气流在进入洼地以后向四处扩散，沙丘两翼也存在侵蚀-堆积过程。在沙丘两翼内侧，沙粒主要以沙纹前移的形式加积在前积层上；随着风力强度的改变和风向发生变化，在坡顶以颗粒降落方式沉积。在两翼的外侧，随着沉积量和坡度的增加，受重力垮塌作用影响，形成高角度颗粒流沉积，在南翼外侧还出现了沙粒垮塌形成的松散沙体。因此，两翼的沉积构造表现出双向倾斜的特征。此外，两翼的沉积过程还表明了在沙丘由西向东移动的过程中，伴随着由南向北或由北向南的外扩，沙丘的开口呈现增大的趋势。

沙丘外部形态与内部构造之间具有良好的一致性。Mckee［2］对白沙沙漠抛物线形沙丘开展研究揭示其弧顶段部层理构造为一套几乎水平分布的板状交错层序，在背风坡出现滑落面，两翼存在向外倾斜的交错层理。Bigarella［39］和Pye［40］分别对巴西圣卡塔琳娜地区和澳大利亚昆士兰州北部地区的抛物线形沙丘开展研究，结果表明了与白沙沙漠地区抛物线形沙丘类似的沉积模式。邓涛等［41］使用探地雷达对海岸抛物线形沙丘沉积构造进行探测，发现海岸抛物线形沙丘沉积构造主要为单一的大型低角度缓倾斜的板状交错层理。但本文观察到库布齐沙漠南缘较成熟抛物线形沙丘的弧顶部以低-中角度交错层理为主，两翼为双向倾斜的高角度交错层组的复合交错层系。因此，本研究区代表沙丘的沉积构造与海岸环境和白沙沙漠环境中的抛物线形沙丘存在明显不同，难以确定抛物线形沙丘的典型沉积构造特征。由于抛物线形沙丘存在的双向倾斜的高角度交错层理在纵向沙丘［5，42-43］、格状沙丘副梁［7，44］和星状沙丘臂部［6］同样存在，这也使得无法仅凭层理特征来明确判断沙丘类型。

沙丘的沉积构造不仅可以反映出沙丘的沉积过程，还可以反映当地的风环境［45-47］。在沙丘弧顶部出现的粗砂-细砂交互层反映了当地风速的变化，在沙丘各剖面出现的楔状交错层理则可以反映风向的交替变化。通常，认为中高角度交错层理的倾向可以指示地区的风向与区域输沙方向［45，48］。但研究发现，翼间风蚀地的深宽比会影响主导风在其间的流动方向［49］，同时该沙丘弧顶段的层理倾角以低角度为主，两翼存在双向倾斜的高角度交错层理，因此说明了单从高角度层理分析无法指示该区域气流的方向。

4 结论

库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘各地貌单元因表面过程的不同，出现不同的沉积过程和相应的内部构造。植被作用和沙源供应受限，沙丘的弧顶段主要为沙纹前移沉积和颗粒降落沉积形成的中-低角度的板状交错层理。两翼沉积过程主要是沙纹沉积、颗粒降落沉积以及外侧伴有重力坍塌形成的颗粒流沉积，形成平行层理和双向倾斜的交错层理。成熟抛物线形沙丘内部沉积特征记录了沙丘受主风作用下弧顶段的前移和两翼的外扩等动态演变。区域气流与沙丘不同地貌单元间的相互作用形成的沉积过程不同，目前沙丘内部层理产状不能反映区域气流方向。

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