巴丹吉林沙漠沙丘形态与风动力关系的初步研究

响，其形态反作用局部气流场所致。沙山尾部和丘间 带 表 沙 常 有 多 峰 态 的 粒 度 分 布 特 征 ，各 峰 指 示 了 不 同 的 风 沙
运移方式。
关 键 词 ：沙 丘 形 态 ；风 动 力 ；粒 度 ；巴 丹 吉 林 沙 漠
中 图 分 类 号 ：Ｐ９３１．３
文 献 标 识 码 ：Ａ
地处内蒙古西部阿拉善高原的巴丹吉林沙漠， 位于东亚季风系统 中 东 南 季 风 的 末 端，特 殊 的 地 理 位置决定了该沙漠有别于世界上受副热带高压或冷 洋流控制 的 热 带－亚 热 带 沙 漠 和 海 岸 带 沙 漠。 巴 丹 吉林沙漠受东 南 季 风 和 蒙 古－西 伯 利 亚 内 陆 高 压 季 节性交替控制，沙漠 的 内 部 发 育 着 众 多 的 内 陆 湖 泊 和世界上最为高大的复 合 型 沙 山 群 。 ［１－２］ 这 种 湿 地 与沙丘并存的地貌景观是多重气候系统综合作用下 的产物。因此，它可 能 成 为 气 候 变 化 信 号 的 良 好 载 体。现代沙丘 的 固 定－活 化 与 古 沙 丘 证 据 所 反 映 的 沙漠范围变化可能是区域性季风气候变化和全球气 候波动的重要标志 。 ［３－４］ 风沙 沉 积 过 程 中 沙 颗 粒 会 在各方向上运移，沉 积 过 程 与 侵 蚀 过 程 相 伴，因 此， 对沙漠沙丘的形成 演 化 研 究 应 该 结 合 沙 丘 形 态、沉 积结构、动力机制三方面来考虑 。 ［５－６］
分析表明，表沙的平均粒径和分选系数与规则走向沙 山 的 沙 丘 形 态 具 有 较 好 的 相 关 性 ，这 种 相 关 性 与 沙 漠 东 南 缘
的气流场总体对应。不规则走向沙山的 表 沙 粒 度 分 布 特 征 较 为 复 杂，可 能 是 沙 丘 发 育 过 程 中 受 下 伏 地 形 起 伏 影
样品粒度分析和前处理在中国科学院地质与地 球物理研究所沙分 析 实 验 室 进 行，采 用 高 频 三 维 电 动筛析法测量样 品 粒 度。 主 要 实 验 步 骤 如 下：① 去
除样品中的植物根 须、残 骸、种 子 等 杂 质；② 以 稀 盐 酸去除样品中的钙 质 胶 结 或 其 他 胶 结 物，并 用 去 离 子 水 多 次 冲 洗 后 烘 干 ；③ 称 取 处 理 样 品６０ｇ，在 电 动 机械振筛 仪 （Ｒｅｔｓｃｈ－ＡＳ２００ｃｏｎｔｒｏｌ）中 高 频 三 维 振 动１０ｍｉｎ后，直至 悬 沙 静 止；④ 对 各 筛 层 沙 分 别 精 确称 重 （精 确 到 ０．００１ ｇ）；⑤ 用 Ｆｏｌｋ－Ｗａｒｄ 图 解 法 计 ［２６］ 算平均粒径 （Ｍｚ），分 选 系 数 （σ），峰 度 （ＫＧ） 等基本粒度参数。基本公式如下：
３ 研究结果
３．１ 风 场 与 输 沙 势
根据 Ｆｒｙｂｅｒｇｅｒ分类标准［３０］，沙漠西北缘（额济 纳旗地区）为典型 的 单 向 风 系 统，主 要 为 西 北 风 向。 沙漠西缘和东北缘（鼎 新、巴 音 毛 道 地 区）为 典 型 的 双 峰 风 向 系 统 ，主 要 为 西 风 、西 北 风 。 沙 漠 东 南 部 和 东部外围地区（阿拉 善 右 旗、阿 拉 善 左 旗）体 现 出 以 东南风为主的双 峰 风 向 体 系。 张 掖、山 丹 等 地 位 于 河 西 走 廊 ，地 处 山 间 凹 地 ，不 能 代 表 巴 丹 吉 林 沙 漠 西 南部实际的输沙势。沙漠东南外围为主的几个测站 数 据 分 析 结 果 与 Ｍｉｓｃｈｋｅ［３１］所 得 出 的 输 沙 向 结 果 差异较大（图２），这 可 能 因 为 Ｍｉｓｃｈｋｅ仅 采 用 了 ２０ 世纪 ６０ 至 ８０ 年 代 的 气 象 数 据。 自 大 约 １９７３ 年 以 来 这 一 区 域 的 输 沙 势 有 逐 年 下 降 的 趋 势 ，２０ 世 纪 ９０ 年 代 末 输 沙 势 的 均 值 仅 为 ７０ 年 代 初 的 一 半 左 右 ，导 致了这一区域由西北风为主的双峰风向体系转变为
１ 区域概况
巴丹吉林沙 漠 面 积 约 ５ 万 ｋｍ２，是 我 国 第 二 大 流动沙漠。其西部、北 部 分 别 毗 邻 古 日 乃 湖 和 拐 子 湖两大古湖盆，东部 和 南 部 分 别 与 雅 布 赖 山 和 北 大 山接界（图 １）。 海 拔 自 西 北 向 东 南 由１ ０００ｍ左 右 升至１ ５００ｍ左 右，年 均 降 水 量 由 约 ４０ ｍｍ 增 加 至 １２０ｍｍ［１－２］。沙 漠 东 南 部 发 育 着 众 多 高 大 沙 山 和 丘间地湖泊，最 大 沙 山 与 湖 面 的 相 对 高 度 超 过 ４００ ｍ。在地质构 造 上，巴 丹 吉 林 沙 漠 主 体 位 于 华 北 板 块、塔里木板块和蒙 兴 造 山 带 接 壤 处 的 阿 拉 善 微 地 块的南部 。 ［２２］ 勘察及钻井资料 表 ［２３］ 明，阿拉善微地 块 有 明 显 的 基 底 及 盖 层 ；晚 古 生 代 岩 浆 活 动 强 烈 ，区 域内有侵入岩形 成，分 布 面 积 广；新 生 代 以 来，受 到 剥 蚀 、夷 平 作 用 ，盖 层 上 部 新 生 界 厚 度 的 区 域 差 异 明 显 ，但 总 体 较 薄 ，新 近 纪 以 来 多 为 湖 相 和 风 沙 沉 积 。
过去，国 内 外 学 者 通 过 多 种 方 法 对 亚 洲 内 陆 干 旱区的沙丘形态和风沙运移进行了一定的描述和统 计分析研 究 。 ［７－１５］ 自 ２０ 世 纪 ６０ 年 代 中 国 科 学 院 治沙队对巴丹吉林 沙 漠 地 貌、湖 泊 景 观 进 行 综 合 考 察 以 来 ，众 多 学 者 深 入 沙 漠 腹 地 开 展 工 作 ，探 究 高 大 沙山的形成、演化机制 。 ［５，１６－２１］ 其中，王涛 强 ［５］ 调 指 出 了 基 岩 或 下 伏 地 形 对 沙 漠 正 地 形 （沙 山 ）形 成 的 重 要作用。杨小 平 认 ［１６］ 为 沙 山 是 多 期 古 风 成 沙 叠 加 形成的。张伟 民 等 提 ［１８］ 出 了 高 大 沙 山 在 气 候 波 动
第６期
刘 陶等：巴丹吉林沙漠沙丘形态与风动力关系的初步研究
１ ２８ ７
输沙势的经验公式 ： ［３０］ ＤＰ ＝ Ｖ２（Ｖ －Ｖｔ）ｔ
式中：Ｖ 为起沙风速；Ｖｔ为临界起沙风速；ｔ为起沙风 频率。通过各方向上的输沙势的矢量合成可以计算 合成输沙势（ＲＤＰ），合成 输 沙 势 的 方 向 称 为 合 成 输 沙向（ＲＤＤ）。 两 者 反 映 了 某 一 时 段 内 的 净 输 沙 量 和输沙方向。合成输沙势与输沙势的模比值称作风 变率指数Ｉ（即Ｉ＝ＲＤＰ／ＤＰ），反 映 了 一 定 时 间 尺 度下风向变化的 复 杂 程 度。 其 值 接 近 于 １ 时，表 明 风 向 较 单 一 ，越 接 近 于 ０ 表 明 风 向 越 复 杂 。
刘 陶１，２，杨小平１，董巨峰１，范兴燕１，李鸿威１，２，朱秉启１
（１．中国科学院 地质与地球物理研究所 新生代地质与环境重点实验室 ，北京 １０００２９；２．中国科学院 研究生院，北京 １０００４９）
摘 要 ：通 过 气 象 资 料 分 析 、遥 感 解 译 、野 外 地 貌 调 查 、沙 丘 形 态 测 量 和 沙 丘 表 沙 粒 度 沉 积 学 分 析 ，对 巴 丹 吉 林 沙 漠
收 稿 日 期 ：２０１０－０１－１８；改 回 日 期 ：２０１０－０４－２９ 基 金 项 目 ：中 国 科 学 院 知 识 创 新 重 要 方 向 项 目 （ＫＺＣＸ２－ＹＷ－１１９）和 国 家 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 （４０９３０１０５）资 助 作 者 简 介 ：刘 陶 （１９８４— ），男 （汉 族 ），辽 宁 锦 州 人 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事 沙 漠 环 境 地 质 研 究 。Ｅｍａｉｌ：ｍａｒｉｎｅ＿ｉｓｏｔｏｐｅ＠１６３．ｃｏｍ
野外还对多个典型高大沙丘横断面进行了表层 沙的系统采样，并 进 行 粒 度 沉 积 学 分 析。 一 般 选 取 垂直沙丘走向的横 断 面 确 立 采 样 线 路，避 开 植 被 覆 盖区，每 一 样 品 采 样 范 围 为 ３０ｃｍ２，深 度 距 地 表 ５ ｃｍ 以内。用双层聚乙烯样品袋密封样品，保持样品 原始状态下的水汽湿度等自然属性。
Ｍｚ
＝
Φ１６
＋Φ５０ ３
＋Φ８４
σ＝
Φ８４
－Φ１６ ４
＋Φ９５６－．６Φ９
ＫＧ
＝
Φ９５ ＋Φ５ ２．４４（Φ７５ －Φ２５）
式中：Фｎ为ｎ％积累含量的粒径 Ф 值。
根据１１个 气 象 站 （图 ２）近 ４０ａ 风 速、风 向 资
料，估算了 巴 丹 吉 林 沙 漠 边 缘 不 同 地 区 的 输 沙 势。
由于风沙活动的发生与否及其危害程度是风沙作用 的结果，因此风沙灾 害 在 本 质 上 是 由 风 力 作 用 下 的 沙 粒 运 动 造 成 的 ，而 引 起 土 地 沙 漠 化 、风 沙 活 动 频 发
的最直 接 的 动 力 因 素 也 是 具 有 一 定 强 度 的 起 沙 风 。 ［２７］ 输沙势（ＤＰ）是通过计 算 起 沙 风 的 风 频 和 风 能来衡量区域风沙活动强 度 的 一 个 重 要 指 标［２８］，也 是目前计 算 风 沙 活 动 强 度 最 普 遍 的 方 法 。 ［２９］ 计 算
第 ３０ 卷 第 ６ 期
中 国 沙 漠
Ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．６
２０１０ 年 １１ 月
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＤＥＳＥＲＴ ＲＥＳＥＡＲＣＨ
Ｎｏｖ．２０１０
文 章 编 号 ：１０００－６９４Ｘ（２０１０）０６－１２８５－０７
巴丹吉林沙漠沙丘形态与风动力关系的初步研究
不同沙丘的形态特征及其动力机制 进 行 了 系 统 研 究。 研 究 结 果 显 示，巴 丹 吉 林 沙 漠 近 ４０ａ来 的 输 沙 势 有 高 频 变
率、多向变化的特点，并在沙漠东南缘更为显著。宏观尺度上，在特征输沙场 作 用 下，绝 大 部 分 沙 山 的 走 向 很 规 则 ，
且在沙丘形态上既表现出横向沙丘的部分特征，也有高大沙山独有的特点。不同 走 向 沙 丘 的 表 沙 粒 度 沉 积 学 对 比
主导 作 用 下 的 固 定－加 积 循 环 演 化 模 式。 陈 建 生 等 指 ［２１］ 出远源地下水是高大 沙 丘 存 在 的 主 要 原 因。 为了能进一步认识巴丹吉林沙漠高大沙山的形成和 演化，笔者拟通过 气 象 资 料、地 形 测 量、遥 感 影 像 判 读和沉积学分析，从 宏 观 和 微 观 尺 度 来 探 讨 巴 丹 吉 林沙漠复合沙山的 形 态 和 动 力 形 成 机 制，试 图 基 于 现代过程的地貌研究为解释沙丘发育与区域沉积环 境和风场演变历史提供依据。
１２ ８６ 中 国 沙 漠 第３０卷
图 １ 巴 丹 吉 林 沙 漠 区 域 图 Ｆｉｇ．１ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ Ｂａｄａｉｎ Ｊａｒａｎ Ｄｅｓｅｒｔ
２ 野外工作及实验方法
在多 次 对 巴 丹 吉 林 沙 漠 地 貌 考 察 的 基 础 上，应 用电子全站仪在野外对典型沙丘形态进行了测量。 电子全站仪是一种采用光学镜面反射原理对测点的 相 对 三 维 坐 标 进 行 及 时 、高 精 度 测 量 的 仪 器 ，近 年 来 已被应用到 沙 丘 的 形 态 学 研 究 中 。 ［２４－２５］ 本 研 究 选 用的全站 仪 （拓 普 康 ＧＴＳ－１００Ｎ 型 ）主 要 分 为 主 机 和反射棱镜两个部 分，测 量 过 程 中 主 机 发 射 红 外 激 光 ，经 过 反 射 棱 镜 反 射 后 再 被 主 机 接 收 ，通 过 记 录 反 射时间计算路程和 射 线 方 向，最 终 得 出 反 射 棱 镜 所 在测点的空间三维坐标。测量过程中须保持主机和 反射棱镜之间的通 视 状 态，这 也 是 在 高 大 复 杂 的 沙 山起伏面上用全站 仪 工 作 的 难 点，完 成 一 条 全 剖 面 勘测需要选取良好通视点并在测量中多次衔接。
结合１∶１００ ０００地形图，通过 ＥＴＭ 遥感影像， 本研究还对巴 丹 吉 林 沙 漠 全 境１ ７５８个 高 大 沙 山 的 走向进行了解译wenku.baidu.com虽然栅格影像中高大沙山呈现了 “Ｓ”型、“分支”型，形 状 复 杂，但 受 阳 光 阴 影 的 影 响， 沙山脊线两侧亮 暗 分 明。 因 此，影 像 中 沙 丘 主 体 走 向具有良好的目视 判 读 性，能 够 保 证 沙 丘 脊 线 长 度 偏差在±５％之内。 解 译 结 果 将 走 向 按 ２２．５°划 分， 统计不同走向的沙山的分布比率。