中国沙漠
img

官方微信

高级检索
作者投稿 专家审稿 编辑办公

中国沙漠, 2026, 46(2): 95-103 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00146

西北干旱区爬坡沙丘顶部表层沉积物特征

赵华刚,, 王晓旭, 褚佳琦, 高雅婷, 袁文杰, 严平,

北京师范大学 地理科学学部，北京 100875

Characteristics of surface sediments at the tops of climbing dunes in northwestern arid region of China

Zhao Huagang,, Wang Xiaoxu, Chu Jiaqi, Gao Yating, Yuan Wenjie, Yan Ping,

Faculty of Geographical Science，Beijing Normal University，Beijing 100875，China

通讯作者: 严平（E-mail： yping@bnu.edu.cn）

收稿日期: 2025-03-17   修回日期: 2025-05-19  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  42371008
国家自然科学基金项目.  41871010

Received: 2025-03-17   Revised: 2025-05-19  

作者简介 About authors

赵华刚（2001—），男，山东潍坊人，硕士研究生，主要从事干旱区地貌方面的研究E-mail：zhhg@mail.bnu.edu.cn , E-mail：zhhg@mail.bnu.edu.cn

摘要

爬坡沙丘是独特而重要的风沙地貌，本研究以中国西北干旱区雅布赖山和麻扎塔格山的典型爬坡沙丘顶部为对象，通过分析表层沉积物的粒度特征、地球化学元素组成及化学风化指标，揭示其表层沉积物的空间分异规律及成因机制。结果表明：（1）两区域爬坡沙丘顶部表层沉积特征存在显著差异。雅布赖地区沙丘表层沉积物以中砂和细砂为主，呈现从迎风坡经坡顶到背风坡粒度先变粗再变细的分布模式；麻扎塔格地区沙丘表层沉积物则以极细砂为主，表现为从迎风坡经坡顶至背风坡先变细再变粗的分布模式。这种差异主要受控于局地地形对气流结构的改造作用。（2）爬坡沙丘顶部与山体的接触形态与局地气流结构密切相关。（3）雅布赖地区SiO2和Na2O相对富集，麻扎塔格地区CaO显著富集。微量元素的差异富集进一步证实两个区域的主体沙丘物源存在显著差异。化学风化指数表明两区域均处于低等风化阶段，Na/K与Rb/Sr等元素比值进一步指示了雅布赖地区存在更强的风化作用，可能反映了其沙源或搬运路径上更复杂的环境历史。

关键词： 爬坡沙丘 ; 粒度特征 ; 地球化学元素 ; 化学风化指标

Abstract

Climbing dunes represent a unique and significant landform in aeolian geomorphology research. This study focused on the surface deposits at the tops of typical climbing dunes in the Yabrai Mountains and Mazar Tagh Mountains in China's Northwestern arid region. Through analysis of grain size characteristics， geochemical elemental composition， and chemical weathering indices， this research reveals the spatial differentiation patterns and formation mechanisms of surface sediments. Results indicate：（1） Surface sedimentary characteristics at the tops of climbing dunes in the two regions show significant differences. In the Yabrai region， surface sediments are dominated by medium and fine sand， exhibiting a distribution pattern that coarsens from the windward slope to the crest and then fines toward the leeward slope. In contrast， the Mazar Tagh region's surface sediments are primarily very fine sand， displaying a pattern that first fines and then coarsens from the windward slope through the crest to the leeward slope. These differences are mainly controlled by local topographic modifications to airflow structure. （2） The contact morphology between climbing dune tops and mountain bodies is closely related to local airflow structure. （3） Geochemical analysis shows relative enrichment of SiO2 and Na2O in the Yabrai region， while CaO is significantly enriched in the Mazar Tagh region. The differential enrichment of trace elements further confirms significant differences in sediment sources between the two regions. Chemical weathering indices indicate both regions are in a low weathering stage， with Na/K and Rb/Sr ratios suggesting stronger weathering processes in the Yabrai region， potentially reflecting a more complex environmental history in its sand source or transport pathway.

Keywords： climbing dunes ; grain size characteristics ; geochemical elements ; chemical weathering indices

PDF (2038KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

赵华刚, 王晓旭, 褚佳琦, 高雅婷, 袁文杰, 严平. 西北干旱区爬坡沙丘顶部表层沉积物特征. 中国沙漠[J], 2026, 46(2): 95-103 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00146

Zhao Huagang, Wang Xiaoxu, Chu Jiaqi, Gao Yating, Yuan Wenjie, Yan Ping. Characteristics of surface sediments at the tops of climbing dunes in northwestern arid region of China. Journal of Desert Research[J], 2026, 46(2): 95-103 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00146

0 引言

爬坡沙丘是独特而重要的风沙地貌［1］，是沙丘移动受地形阻挡时，沙粒在风力作用下沿坡面上升而形成的沙丘［2］。作为典型的地形障碍沙丘，其常见形态类型包括新月形沙丘（链）、格状沙丘和抛物线沙丘等［3］。深入理解爬坡沙丘的发育机制，对于揭示风沙活动与地形相互作用过程至关重要。

爬坡沙丘的形成与演化主要受沙源、地形和风动力条件等多因素综合影响［4］。地形对近地表气流结构产生显著影响，引起气流方向的多变性和不稳定性［5-6］，使气流产生加速或减速变化，导致沙丘各地貌部位风剪切力差异，从而影响表层沉积物的侵蚀、搬运和沉积过程［7］。迎风坡坡度是影响气流结构的关键因素［8］，可显著改变障碍物上风向和坡面的流场特征，其中障碍物前气流减速，导致携沙风过饱和，而在坡前更易形成稳定堆积［9］。坡形是描述地形的重要指标，王晓旭［10］通过风洞试验证实凹形坡与台阶型坡更有利于爬坡沙丘的形成。微观尺度上，沙丘不同部位的近地表气流特征控制着沙丘的形态塑造与迁移［8，11］。大多数研究普遍认同爬升流和二次流在爬坡沙丘形成中的主导作用［12-13］，并将流场细分为迎风坡前减速区、迎风坡遇阻抬升区、坡顶集流加速区和背风坡减速区［14］。

沉积物粒度特征在风沙过程解析中具有关键意义［15］。沙源粒度组成是导致爬坡沙丘粒度空间差异的决定性因素［16］。就单个沙丘而言，其粒度分布受山体坡度、高程和运输距离共同影响。总体规律表现为：沙丘坡脚的粒度特征与沙源更为接近，而随着爬升高度增加，颗粒逐渐变细，分选性变好，并呈现单峰峰态特征［17］。在区域尺度上，粒度的空间分异则为揭示物源及其输送路径提供了重要依据［18］。沉积物中的化学元素特征因自身性质和气候环境的影响，表现出空间差异性，对于判断沙物质来源和地貌动力演化具有重要意义。同时，地球化学元素组合特征与化学风化指标体系的联合应用，为沉积环境解析提供了多维度研究路径［19-20］。

尽管现有研究在爬坡沙丘的形态与演化过程［6，10，21］、气流结构［10］、沉积物的特征分析［16，22］以及沉积物在古环境重建中的指示意义［23］等方面取得了显著进展，但多数工作仍集中于沙丘主体或整体形态的分析，对于其内部不同地貌单元的差异性关注不足。尤其是顶部区域，即沙丘与山体之间的关键过渡带，不仅承受着复杂气流的扰动，也是风沙物质输送与堆积的前缘位置，其在沙丘发育过程中的作用不可忽视［24］。当前对该地貌单元的沉积学特征及地球化学属性缺乏系统性研究，限制了我们对风沙活动与地形相互作用机制的深入理解。

基于上述问题，本研究聚焦中国西北干旱区3个典型爬坡沙丘的顶部，通过系统分析表层沉积物的粒度特征、化学元素组成和风化指标，旨在揭示顶部沉积物的粒度分布规律、地球化学特征及其成因机制，探讨区域气候等环境因素对顶部沉积过程的影响。本研究将有助于深化对西北干旱区爬坡沙丘发育过程的认识。

1 材料与方法

1.1　研究区概况

研究区Ⅰ属于麻扎塔格地区（38°26′—38°42′N、79°49′—80°51′E，图1），位于塔克拉玛干沙漠腹地。地貌单元属于典型极端干旱沙漠景观区，地表形态以复合型沙丘链和格状沙丘为主体，麻扎塔格山北侧发育典型爬坡沙丘系统。该地气候类型为暖温带极端干旱气候，年平均气温13.6 ℃，年降水量25.9 mm，年蒸发量可达3 798.5 mm［25］。风动力条件具有显著方向性特征，盛行偏东风［26］，年平均风速为1.5~2.5 m·s-1。沙漠腹地的植被主要有芦苇（Phragmites australis）和刺沙蓬（Salsola ruthenica）等。地层以石炭纪的灰色泥岩和二叠纪的砂岩和泥岩的交互沉积为主［27］。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   研究区位置及沙丘采样点示意

注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2020）4619号）制作，底图边界无修改

Fig.1   Schematic of the location of the study area and dune sampling sites


研究区Ⅱ位于雅布赖地区（39°08′—40°18′N、101°52′—103°33′E，图1），地处内蒙古高原西北侧，西接巴丹吉林沙漠，南邻腾格里沙漠，是重要的风沙屏障区［28］。地表覆盖以风成沙为主，发育典型的灌丛沙丘、爬坡沙丘等风积地貌形态。气候类型属于温带大陆性干旱气候，年平均气温9.6 ℃，多年降水量为70~130 mm，年蒸发量3 226 mm。盛行西北及西风，年平均风速为3~4 m·s-1。植被主要包括沙蒿（Artemisia desertorum）和柠条（Caragana korshinskii）等旱生灌木［29］。地层以前寒武纪的中高级变质岩系为主［30］。

1.2　样品采集及分析方法

在研究区Ⅰ选取典型爬坡沙丘顶部MZTG-1，其爬坡沙丘主体平均坡度为15.1°，坡面长度约339 m，爬升高度约88 m，发育有新月形沙丘和格状沙丘等，且下伏地形出露。沿断面线及沙脊线布设采样点并进行表层沉积物采集（图1），采样深度为0~5 cm，每个样品采集500~1 000 g，并对采样点周围环境进行记录，共取样14个。在研究区Ⅱ选取两个典型爬坡沙丘顶部（YBL-1、YBL-2），YBL-1爬坡沙丘主体平均坡度为8.5°，坡面长度约270 m，爬升高度约40 m，其上发育有新月形沙丘链；YBL-2主体坡度为11.2°，坡面长度约335 m，爬升高度约65 m，同样发育有复合新月形沙丘链。采用相同方法进行采样，YBL-1取样23个，YBL-2取样17个。3个沙丘累积采集样品54个。

样品测试在北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室完成。粒度测量采用英国马尔文仪器有限公司生产的Mastersizer-3000型激光粒度仪，实验重复性误差小于1%，采用Folk等［31］的公式计算平均粒径（Mz）、分选系数（σ）、偏度（SK）和峰态（Kg）等相关粒径参数。化学元素含量测定时，首先将风干的样品碾磨至200目以下，称取约4 g放入制样模具，外围放入硼酸，在30 t压力下压制成一个圆形待测样片，采用Axios型顺序式波长色散型X射线荧光光谱仪进行检测，元素测量误差<5%。氧化物用百分比表示，常量氧化物使用归一化值，微量元素用μg·g-1表示。由于风成沉积物中的常量化学元素都是以氧化物的形式呈现，本文所有的常量元素均用氧化物百分含量表示。

化学风化指数是表征地表风化过程中元素迁移和富集规律的重要参数。为准确计算各类风化指数，需先将元素含量统一转换为摩尔质量百分比。其中，化学蚀变系数（CIA）可定量反映源区硅酸盐矿物的风化强度，其计算公式为：

CIA=［Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）］×100%

式中：CaO*代表硅酸盐矿物中的钙含量，不包括碳酸盐和磷酸盐结合的Ca，当CaO的摩尔数大于Na2O时，m（CaO*）=m（Na2O）；当CaO的摩尔数小于Na2O时，m（CaO*）=m（CaO）。

化学蚀变指标（CPA）被认为代表钠长石淋溶强度，是硅酸盐风化产物的最适宜指标［20］。成分变异指数（ICV）是通过沉积物中的黏土矿物含量分析化学风化程度，当ICV>1时，风化程度较低，当ICV<1时，风化程度较高。计算公式如下：

CPA=Al2O3/（Al2O3+Na2O）
ICV=（Fe2O3+K2O+CaO*+Na2O+MgO+MnO+TiO2）/Al2O3

此外，Na/K比值是衡量斜长石风化程度的指标，同样可以表征化学风化程度，斜长石富含Na，而钾长石、伊利石和云母富含K，且由于斜长石的风化速率远大于钾长石，因此Na/K值与化学风化程度呈显著负相关［19］。

2 结果与分析

2.1　爬坡沙丘顶部的粒度特征

沉积物粒度组成可以反映沙丘表层沉积物不同粒径组分的相对含量，这与物源及风动力过程密切相关。雅布赖地区（YBL-1，YBL-2）的样品粒径组分均以中砂和细砂为主，二者的总含量分别为94.06%和91.63%，其他组分占比极少（表1）。相比之下，麻扎塔格地区（MZTG-1）的优势粒级为极细砂，含量为45.47%，同时含有少量中砂和粉砂。区域间粒度组成差异显著，MZTG-1样品整体显著细于YBL样品，而同一区域内的粒径组成则较为相似。

表1   沙丘表层沉积物的粒度组成

Table 1  Grain size composition of surface sediment of dune

沙丘编号含量/%
黏粒（<0.002 mm）粉砂（0.002~0.063 mm）极细砂（0.063~0.125 mm）细砂（0.125~0.25 mm）中砂（0.25~0.5 mm）

粗砂

（0.5~1 mm）

极粗砂（1~2 mm）
YBL-10.000.183.8147.3646.701.960.00
YBL-20.000.474.3134.2257.413.590.00
MZTG-10.015.2345.4742.546.760.000.00

新窗口打开| 下载CSV


粒度参数分析显示（图2），3个沙丘沉积物的平均粒径存在明显区域差异，YBL-1、YBL-2和MZTG-1的平均值分别为2.03、1.89、2.99 Φ。分选系数为0.35~0.56、0.29~0.73、0.49~0.7 Φ，表明3个沙丘分选性总体处于分选较好至中等，其中YBL-1分选较好的样品比例更高，占所有样品的69.57%。偏度与平均粒径的关系显示，YBL-1和MZTG-1样品偏度值多近于对称分布；而YBL-2样品的偏度分布范围较宽，部分样品呈现正偏态，指示可能存在细颗粒组分的少量混入或粗颗粒的相对滞留，且偏度随平均粒径增大总体呈减小趋势。峰态在所有样品中表现为中等峰态，分布相对集中，与平均粒径间未见明显相关性。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2   沙丘沉积物粒度参数特征

Fig.2   Characterization of grain size parameters of different dune sediments


为探究爬坡沙丘顶部不同部位的粒度空间变异，沿剖面（图1）采集样品的粒度参数分析揭示了两种不同的分布模式（图3）。YBL-1和YBL-2呈现丘顶粗化趋势，即粒径从两侧坡脚向丘顶逐渐变粗；而MZTG-1则相反，表现为丘顶细化，粒径从迎风坡脚向丘顶逐渐变细。背风坡粒度方面，YBL-2和MZTG-1均细于迎风坡，而YBL-1两侧粒度相当。分选性空间分布显示，YBL-1和MZTG-1的分选系数均小于0.7，分选性较好，其中YBL-1丘顶分选最佳，MZTG-1各部位分选性差异较小但背风坡中部最优，两者分选最差部位均为背风坡脚；YBL-2除迎风坡脚与背风坡脚分选中等外，其余位置分选性均较好，且丘顶分选最佳。YBL-1和MZTG-1的偏度从迎风坡脚至丘顶整体上逐渐减小，而在背风坡逐渐增大；YBL-2则主要在迎风坡下部呈正偏，其余部位近对称。峰度在3个沙丘各部位均保持相对稳定，处于中等范围。总体而言，尽管存在上述差异，3个沙丘沉积物的粒度参数变化趋势在多数方面表现出共性，反映了典型的风成沉积环境的一致性。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3   沙丘不同地貌部位粒度参数特征

Fig.3   Characterization of grain size parameters in different geomorphic parts of sand dunes


2.2　爬坡沙丘顶部的地球化学元素特征

常量元素分析结果显示（表2），YBL-1和YBL-2的组分含量基本相同，均以SiO2含量最高，其次是Al2O3、Na2O、Fe2O3和K2O，其他常量氧化物含量普遍低于2%。相比其他风成沉积物，该区域SiO2含量显著高于黄土、古土壤、上陆壳（UCC）及陆源页岩（PAAS）；Na2O含量高于黄土、古土壤和PAAS，但低于UCC；CaO含量略高于黄土和古土壤；而其他常量元素的含量均低于黄土、古土壤、UCC和PAAS。MZTG-1的常量氧化物仍以SiO2为主导，其次为Al2O3、CaO和Fe2O3，其他常量氧化物含量均小于3%。与雅布赖地区样品类似，MZTG-1的SiO2含量高于黄土、古土壤、UCC及PAAS；CaO含量显著高于黄土、古土壤、UCC及PAAS；Na2O的含量高于黄土、古土壤和PAAS，但不及UCC。其他常量元素含量均低于黄土、古土壤、UCC和PAAS的水平。相对于UCC，雅布赖沉积物除SiO2外均呈亏损，相对于PAAS则仅SiO2和Na2O相对富集。MZTG-1沉积物相对于UCC仅CaO富集，相对于PAAS则CaO和Na2O相对富集。

表2   沙丘表层沉积物的常量氧化物含量（%）

Table 2  Constant oxide content of dune surface sediments （%）

沙丘编号参数SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaONa2OK2O
YBL-1变化范围80.14~87.186.52~9.181.26~2.920.65~1.400.80~2.071.82~2.421.66~2.17
均值83.538.042.080.991.302.111.94
YBL-2变化范围82.06~87.126.43~8.761.30~2.460.61~1.200.80~1.351.79~2.141.62~2.09
均值85.467.251.650.821.031.931.85
MZTG-1变化范围65.55~74.8710.17~11.402.32~3.781.56~2.785.34~11.742.66~3.112.25~2.68
均值70.2010.833.052.078.552.822.48
黄土均值66.4014.204.812.291.021.663.01
古土壤均值65.1814.795.122.210.831.413.15
UCC均值66.0015.205.002.204.203.903.40
PAAS均值62.8018.907.222.201.301.203.70

注：UCC为上陆壳；PAAS为陆源页岩； 常量氧化物使用归一化值；黄土、古土壤、UCC、PAAS数据来自参考文献［32］。

新窗口打开| 下载CSV


与常量氧化物含量相对应，雅布赖地区样品的Na/K比值（表3）为1.65（YBL-1）和1.59（YBL-2），略低于MZTG-1的1.73，初步反映出雅布赖地区沉积物中斜长石更强的风化作用。同样，Rb/Sr比值（表3）在雅布赖为0.40和0.42，均高于麻扎塔格的0.33，说明其微量元素分布亦可能受风化过程影响。

表3   沙丘表层沉积物化学风化指标

Table 3  Indicators of chemical weathering of dune surface sediments

沙丘编号Na/KRb/Sr淋溶系数βCIAICVCPA
YBL-11.650.4013.4150.341.2379.13
YBL-21.590.4215.2850.641.2078.91
MZTG-11.730.334.5447.51.3479.33
UCC1.030.324.8248.001.5070.32
PAAS0.290.807.4870.400.8090.54

注：CIA为化学蚀变系数；CPA为化学蚀变指标；ICV为成分变异指数；UCC为上陆壳；PAAS为陆源页岩。

新窗口打开| 下载CSV


微量元素分析对于示踪物源和形成过程具有重要意义。经UCC标准化后（图4），雅布赖地区两个沙丘主要表现为Cr、As的相对富集，其余微量元素呈亏损状态，指示其物源及形成环境的相似性。MZTG-1样品中富集的元素有As和Ni，其富集元素组合与雅布赖地区存在差异。总体上，两个研究区的大部分微量元素相对于UCC均显示亏损，但麻扎塔格地区样品的亏损程度普遍低于雅布赖地区。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4   沙丘微量元素UCC标准化分布

Fig.4   Standardized UCC distribution of trace elements in different sand dunes


3 讨论

3.1　爬坡沙丘顶部的粒度分异模式及其地形控制机制

沙丘表层沉积物的粒度分布特征是沙丘动力学过程研究的重要内容，受物源特征、地形条件、动力过程及沉积环境等因素影响［4］。本研究在西北干旱区观测到两种截然不同的粒度分异模式：在雅布赖地区，粒径从迎风坡脚向丘顶逐渐变粗，随后在背风坡变细，YBL-1粒径从迎风坡脚的2.29 Φ变粗至丘顶的1.97 Φ，YBL-2粒径从迎风坡脚的1.97 Φ变粗至丘顶的1.44 Φ；而麻扎塔格地区的MZTG-1呈现出第二种分布模式，粒径从迎风坡脚向丘顶递减，由2.24 Φ变细至丘顶的3.23 Φ，且分选性显著变好。这两种模式不仅揭示了爬坡沙丘顶部在沉积响应上的区域差异，更反映了爬坡沙丘主体前缘在遭遇不同地形障碍时的差异化响应。

爬坡沙丘顶部的沙丘并非孤立存在，其沉积物主要来源于爬坡沙丘主体，并受到主体形态和输沙能力的制约［18］。然而，紧邻山体地形的强烈影响，通过改变局地气流结构，显著改造了从主沙丘体输送而来的沙物质在此处的最终沉积模式［33］。在雅布赖地区，相对平缓的山前坡度或较低的障碍物可能允许气流在爬升过程中维持甚至加速，这种加速效应增强了风蚀作用的分选能力，导致细颗粒被持续搬离，留下较粗的中砂和细砂在丘顶富集［34］。此外，沙丘背风侧形成的二次环流［8，35］可能卷入部分越顶输送的细颗粒及周围环境的沙粒，导致背风坡粒度变细。特别值得注意的是，YBL-1与YBL-2在背风坡粒度分布的细微差异，反映了不同局部山体形态对这种二次环流和沉积过程的控制［36］：YBL-1紧邻较小且坡度陡的山体，可能限制了二次环流的强度和细颗粒的搬运，导致背风坡沉积物粒度与丘顶差异不大；而YBL-2后方更宽的山体可能加强了沙丘背风坡涡流，将山体前的细小颗粒带到沙丘背风坡，使背风坡粒径显著变细。

与之形成鲜明对比的是MZTG-1的粒度分布模式，这里的爬坡沙丘主体经历了更为陡峭高大的山体障碍。这种强烈的地形阻滞导致气流在爬升过程中经历强烈的减速效应。根据伯努利原理［37］，障碍物前方气压升高，风速从坡底较高值逐渐减弱至顶部［38］。这种减速效应直接影响沙粒的搬运能力：在迎风坡脚，较高风速足以搬运包括中砂在内的多种粒径沉积物；但随着气流沿坡面爬升并于坡面中上部减速，导致粗颗粒优先沉积于迎风坡中下部，而细颗粒和极细砂则被输送到能量最低的丘顶区域才得以沉积［39］，从迎风坡经坡顶至背风坡先变细再变粗的分布模式。这种模式清晰地指示了主沙丘体输送的沙物质在强地形阻滞下经历的动力分选过程。

这两种粒度分异模式的差异，从本质上反映了爬坡沙丘主体前缘与不同形态障碍物相互作用时，局地气流加速与减速的主导作用差异［40］。这一差异不仅塑造了沉积物的空间分布，亦可能影响爬坡沙丘顶部与山体的接触形态。雅布赖地区气流沿爬坡沙丘主体加速，在山体前水平气流减速并发生气流反向［8］，导致携沙能力降低，风沙流过饱和在山体前的减速区大量堆积，形成与山体基座可能存在间隙的沙丘，这类似于Rowell等［24］描述的与山体不连续接触的沙坡类型。反之，麻扎塔格地区气流沿沙丘主体在中上部减速，搬运能力逐渐减弱，其后山体更为陡峭，对气流的阻滞作用更强，气流反向作用弱，使沙丘前缘紧贴山坡，形成连续接触。

3.2　爬坡沙丘顶部的物源特征与区域风化环境差异

地球化学分析揭示了研究区爬坡沙丘顶部的物源特征与风化环境呈现明显的区域差异性。地球化学风化指标（表3）显示，两地沉积物均经历了中等强度的化学风化作用，但不同指标在区域间存在显著差异，这可能反映了不同主沙丘系统所依赖的源区岩石类型差异以及区域风化条件的细微差别［19，41］。例如，雅布赖地区相对较高的淋溶系数和残积指数，以及麻扎塔格地区独特的风化淋溶指数，暗示了不同的元素迁移和富集模式［20］。

化学蚀变指数（CIA）分析进一步印证了区域风化环境的差异。尽管所有样本的CIA值（47.5~50.6）均指示研究区总体处于化学风化程度较低的阶段［19］，这与整个西北干旱区的宏观环境背景一致［42］，但雅布赖地区（50.5）相较于麻扎塔格地区（47.5）呈现出较高的CIA值。结合A-CN-K图（图5）中雅布赖地区样品更偏离UCC并有向Al2O3顶点和远离Na2O-CaO*连线方向移动的趋势，指示雅布赖地区的沉积物经历了相对更强的长石类矿物风化和Na、Ca元素的淋失［43］。Na/K和Rb/Sr比值也为沉积物风化强度提供了重要线索。研究显示，雅布赖地区的Na/K略低于麻扎塔格地区，表明前者的斜长石风化程度相对更高。Rb和Sr分别代表稳定矿物和易风化含Ca矿物中的微量元素，Rb/Sr比值越高，说明风化作用越强。雅布赖地区的Rb/Sr值明显高于麻扎塔格地区，反映出雅布赖地区存在更为显著的元素分选与淋溶过程。这与CIA指标中雅布赖略高的风化程度趋势相一致。同时，两地较高的ICV值表明沉积物中仍保留大量未风化的可动阳离子，以非黏土矿物为主，是典型的弱化学风化初级沉积物［44］。这种区域分异性表明，即使在相似的干旱气候背景下，源区母岩性质的差异、沉积物搬运路径中局部环境条件的变异，以及可能的短暂湿润期气候波动，均可能导致风化强度及其产物的空间差异。麻扎塔格地区可能经历了更为极端的干旱条件，导致化学风化过程更弱；而雅布赖地区相对较高的CIA值，则可能暗示其沙源母岩更易风化，或在沉积历史中曾经历过相对更强的化学淋溶作用，与区域内短暂的、有限的湿润气候事件有关［45］。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5   沙丘表层沉积物化学风化参数散点图与A-CN-K三相图

注：CIA为化学蚀变系数；CPA为化学蚀变指标；ICV为成分变异指数；UCC为上陆壳；PAAS为陆源页岩

Fig.5   Scatter plots of chemical weathering parameters of surface sediments from different sand dunes with A-CN-K triphasic plots


4 结论

本研究通过分析西北干旱区爬坡沙丘顶部表层沉积物特征，揭示了其粒度特征、地球化学组成及风化指标的分布规律和成因。主要结论如下：

爬坡沙丘顶部的沉积特征表现出显著的区域差异。雅布赖地区沙丘（YBL-1、YBL-2）以中砂和细砂为主，分选性较好至中等，呈现从迎风坡经坡顶到背风坡粒度先变粗再变细的分布模式。麻扎塔格地区沙丘（MZTG-1）则以极细砂为主，分选性较好，表现为从迎风坡经坡顶至背风坡先变细再变粗的分布模式。这种差异主要受控于局地地形对气流结构的改造作用。

爬坡沙丘顶部与山体的接触形态与局地气流结构密切相关。雅布赖地区气流沿爬坡沙丘加速，山体前形成减速区与沙物质堆积区，形成与山体间有间隙的沙丘；而麻扎塔格地区沙丘坡度较大，使气流沿坡面在中上部减速，且陡峭高大的山体阻滞作用强大，沙丘前缘紧贴山坡形成连续接触，呈现出区域性的地貌适应模式。

地球化学特征显示，常量元素以SiO2为主，雅布赖地区沙丘SiO2、Na2O相对富集，而麻扎塔格地区CaO显著富集。微量元素的差异富集进一步证实两个区域的主体沙丘物源存在显著差异。化学风化参数表明，所有沙丘与西北干旱区物理风化主导、化学风化微弱的总体环境特征一致，结合Na/K和Rb/Sr等元素比值分析，进一步确认雅布赖区域斜长石及含Ca矿物风化作用更为显著，其略高的风化程度可能反映了其沙源或搬运路径上更复杂的环境历史。

参考文献

孟小楠，严平，董苗.

爬坡沙丘的研究进展

［J］.北京师范大学学报（自然科学版），2018，54（3）：391-396.

[本文引用: 1]

Thomas D S G， Bateman M D， Mehrshahi D，et al.

Development and environmental significance of an eolian sand ramp of last-glacial age， Central Iran

［J］.Quaternary Research，1997，48（2）：155-161.

[本文引用: 1]

Blight G B， Blight J， Blight G F.

South Africa's mountain-climbing sand dunes mechanism of formation and present status

［J］.Journal of the South African Institution of Civil Engineering，2013， 21（7）.

[本文引用: 1]

张正偲，董治宝.

风沙地貌形态动力学研究进展

［J］.地球科学进展，2014，29（6）：734-747.

[本文引用: 2]

Rasmussen K R.

Some aspects of flow over coastal dunes

［J］.Proceedings of the Royal Society of Edinburgh，1989，96（4）：1239-1248.

[本文引用: 1]

Arens S M.

Transport rates and volume changes in a coastal foredune on a Dutch Wadden island

［J］.Journal of Coastal Conservation，1997，3（1）：49-56.

[本文引用: 2]

Pye K， Tsoar H.Aeolian Sand and Sand Dunes［M］.Springer Berlin，Germany：1990：185-195.

[本文引用: 1]

钱广强，董治宝，罗万银，等.

不同坡度障碍物前气流场特征及其对回涡沙丘形成的影响

［J］.中国科学：地球科学，2012，42（1）：34-41.

[本文引用: 4]

钱广强，董治宝，罗万银，等.

横向沙丘背风侧气流重附风洞模拟

［J］.中国沙漠，2008，28（1）：16-20.

[本文引用: 1]

王晓旭.

坡度与坡形对爬坡沙丘形成影响的风洞模拟试验

［D］.北京：北京师范大学，2021.

[本文引用: 3]

Walker I J， Nickling W G.

Simulation and measurement of surface shear stress over isolated and closely spaced transverse dunes in a wind tunnel

［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2003，28（10）：1111-1124.

[本文引用: 1]

Tsoar H.

Wind tunnel modeling of echo and climbing dunes

［J］.Developments in Sedimentology，1983，38：247-259.

[本文引用: 1]

Liu X W， Li S， Shen J Y.

Wind tunnel simulation experiment of mountain dunes

［J］.Journal of Arid Environments，1999，42（1）：49-59.

[本文引用: 1]

Wang X X， Yan P， Dong M，et al.

The Effect of gradient and shape on the formation process of climbing dunes in a wind-tunnel experiment

［J］.Journal of Geophysical Research：Earth Surface，2022：e2022JF006858.

[本文引用: 1]

杨岩岩，刘连友，屈志强，等.

新月形沙丘研究进展

［J］.地理科学，2014，34（1）：76-83.

[本文引用: 1]

董苗，严平，王晓旭，等.

青藏高原不同气候带爬坡沙丘沉积物特征及其环境指示

［J］.地理学报，2023，78（7）：1825-1846.

[本文引用: 2]

王晓枝，董治宝，南维鸽，等.

拉萨河谷爬坡沙丘沉积物特征

［J］.中国沙漠，2022，42（4）：22-31.

[本文引用: 1]

Lancaster N.Geomorphology of Desert Dunes［M］.London，UK：Routledge，2013.

[本文引用: 2]

Nesbitt H W， Young G M.

Early Proterozoic climates and plate motions inferred from major element chemistry of lutites

［J］.Nature，1982，299（5885）：715-717.

[本文引用: 4]

Buggle B， Glaser B， Hambach U，et al.

An evaluation of geochemical weathering indices in loess-paleosol studies

［J］.Quaternary International，2011，240（1/2）：12-21.

[本文引用: 3]

Tirsch D， Craddock R A， Platz T，et al.

Spectral and petrologic analyses of basaltic sands in Ka'u Desert （Hawaii）：implications for the dark dunes on Mars

［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2012，37（4）：434-448.

[本文引用: 1]

董苗，严平，孟小楠，等.

青藏高原爬坡沙丘地表沉积物特征分析：以柴达木盆地托拉海河为例

［J］.水土保持学报，2018，32（4）：101-108.

[本文引用: 1]

Thomas D S G.Arid Zone Geomorphology：Process，Form and Change in Drylands［M］.Hoboken，USA：John Wiley & Sons，2011.

[本文引用: 1]

Rowell A， Thomas D， Bailey R，et al.

Controls on sand ramp formation in Southern Namibia

［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2018，43（1）：150-171.

[本文引用: 2]

陈京平，余子莹，杨帆，等.

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴对新月形沙丘表面粒度变化的影响

［J］.干旱区地理，2023，46（12）：1995-2004.

[本文引用: 1]

杨阳，杨帆，买买提艾力·买买提依明，等.

塔克拉玛干沙漠塔中与巴丹吉林沙漠拐子湖地表辐射特征对比

［J］.中国沙漠，2018，38（5）：1068-1077.

[本文引用: 1]

杨逸畴，陆锦华.

塔克拉玛干沙漠中麻扎塔格山的形成及其地理意义

［J］.地理研究，1990，9（3）：24-32.

[本文引用: 1]

丛殿阁.

内蒙古阿拉善东部地区第四纪地层层序研究

［D］.北京：中国地质大学（北京）， 2012.

[本文引用: 1]

司建华，冯起，常宗强，等.

阿拉善雅布赖风沙区荒漠植物群落结构和物种多样性研究

［J］.西北植物学报，2011，31（3）：602-608.

[本文引用: 1]

叶珂.

阿拉善盟雅布赖山地区晚古生代岩浆岩的地球化学特征及构造意义

［D］.北京：中国地质大学（北京），2015.

[本文引用: 1]

Folk R L， Ward W C.

Brazos River bar：a study in the significance of grain size parameters

［J］.Journal of Sedimentary Research，1957，27（1）：3-26.

[本文引用: 1]

Taylor S R， McLennan S M.The Continental Crust：Its Composition and Evolution［M］.Oxford，USA：Blackwell Scientific Publications，1985.

[本文引用: 1]

Wiggs G F S， Livingstone I， Warren A.

The role of streamline curvature in sand dune dynamics：evidence from field and wind tunnel measurements

［J］.Geomorphology，1996，17（1/3）：29-46.

[本文引用: 1]

Livingstone I， Wiggs G F S， Weaver C M.

Geomorphology of desert sand dunes：a review of recent progress

［J］.Earth-Science Reviews，2007，80（3/4）：239-257.

[本文引用: 1]

罗霖炎，高鑫，赵永成.

新月形沙丘表面流场特征

［J］.中国沙漠，2023，43（4）：41-54.

[本文引用: 1]

Xiao J H， Qu J J， Yao Z Y，et al.

Morphology and formation mechanism of sand shadow dunes on the Qinghai-Tibet Plateau

［J］.Journal of Arid Land，2015，7：10-26.

[本文引用: 1]

Hesp P.

Foredunes and blowouts：initiation，geomorphology and dynamics

［J］.Geomorphology，2002，48（1/3）：245-268.

[本文引用: 1]

Jackson P S， Hunt J C R.

Turbulent wind flow over a low hill

［J］.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，1975，101（430）：929-955.

[本文引用: 1]

Hunt J C R， Leibovich S， Richards K J.

Turbulent shear flows over low hills

［J］.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，1988，114（484）：1435-1470.

[本文引用: 1]

Huang N， Zheng X J， Zhou Y H，et al.

Simulation of wind‐blown sand movement and probability density function of liftoff velocities of sand particles

［J］.Journal of Geophysical Research：Atmospheres，2006，111（D20）：D20201.

[本文引用: 1]

Fedo C M， Wayne Nesbitt H， Young G M.

Unraveling the effects of potassium metasomatism in sedimentary rocks and paleosols， with implications for paleoweathering conditions and provenance

［J］.Geology，1995，23（10）：921-924.

[本文引用: 1]

李恩菊.

巴丹吉林沙漠与腾格里沙漠沉积物特征的对比研究

［D］.西安：陕西师范大学，2011.

[本文引用: 1]

Cox R， Lowe D R， Cullers R L.

The influence of sediment recycling and basement composition on evolution of mudrock chemistry in the Southwestern United States

［J］.Geochimica et Cosmochimica Acta，1995，59（14）：2919-2940.

[本文引用: 1]

Price J R， Velbel M A.

Chemical weathering indices applied to weathering profiles developed on heterogeneous felsic metamorphic parent rocks

［J］.Chemical Geology，2003，202（3/4）：397-416.

[本文引用: 1]

Geyh M A， Heine K.

Several distinct wet periods since 420 ka in the Namib Desert inferred from U-series dates of speleothems

［J］.Quaternary Research，2014，81（2）：381-391.

[本文引用: 1]

/

〈 〉

©2018中国沙漠 编辑部

地址: 兰州市天水中路8号 (730000)

电话：0931-8267545

Email：caiedit@lzb.ac.cn;desert@lzb.ac.cn

甘公网安备 62010202000688号      陇ICP备2021001824号-9
访问总数:    当日访问:    当前在线: