额济纳盆地戈壁沉积物粒度特征分析

董智，王丽琴，杨文斌，李红丽，李卫，张志鹏，丛日春

(1.山东农业大学林学院，山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室，泰山森林生态站，271018，山东泰安;2.中国林业科学研究院荒漠化研究所，100091，北京)

沉积物是在地球表面由于外力和内力共同作用于岩石圈而生成的，各种沉积物的形成受地形、气候和构造条件的影响，沉积相特征则是这些条件的综合反映［1］。粒度作为沉积物和沉积岩的主要特征之一，可以反映搬运介质的动力类型和搬运方式，并在粒度分布特征、频率曲线上表现出单组分或多组分分布曲线［2-3］。粒度指标可作为分析与对比环境的一种依据［3］。近20年来，在深海沉积物、黄土、古土壤、湖泊沉积物等地质记录体的研究中，作为恢复古气候与古环境、判断动力成因与方式的一种重要手段，粒度指标得到了广泛应用［4-11］。戈壁是我国干旱、半干旱区广泛分布的风成地貌类型和荒漠景观类型之一［12-13］，在干旱多风的气候环境下，地表逐渐演变为可蚀性物质减少、不可蚀性物质相对富集的以砾石、砂砾堆积体为特征的覆盖层—戈壁风蚀面［13］。戈壁面覆盖的沉积物因经历的风化作用与蚀积搬运作用不同，在粒度特征上呈现出明显的差异。从组成上看，戈壁沉积物颗粒主要由石、砾、砂为主，但其颗粒的级配变幅很大，从直径大于1 m的巨砾到黏粒均有分布，粒径级配范围跨越多个数量级。对戈壁地表覆盖物及其下沉积物的粒度构成进行研究是揭示戈壁形成过程的重要内容。目前，常用的粒度参数有粒度平均值、标准差、偏度、峰态等，这些粒度参数分别可反映颗粒的集中趋势、颗粒大小的均匀程度、不对称程度等。笔者在中国黑戈壁科学考察野外调查的基础上，以额济纳荒漠戈壁为研究对象，通过采集典型剖面地表及剖面上不同发生层次的沉积物样品，分析其粒度特征各项参数指标的变化，以期揭示戈壁地表覆盖物的沉积环境与形成过程，为阐明沉积物搬运方式及戈壁地表特征分类提供理论参考。

1 研究区概况

额济纳旗位于内蒙古自治区最西端，E97°10′～103°7′，N39°52′～ 42°47′。研究区地处中亚荒漠东南部，西、西南、北三面环山，属大陆性干燥气候，常年干旱少雨。根据1971—2010年的内蒙古自治区地面气候整编资料，该区年均气温8.9℃，年均降水量35.2 mm，年均蒸发量3 136.6 mm，蒸发量是降水量的89倍。年均风速3.2 m/s，年均≥8级以上大风时间38.4 d，年均沙尘暴时间10.7 d。

研究区地势南高北低，海拔820～1 200 m。西部与南部多为低山丘陵，中部为高原盆地，其间湖泊、沼泽星罗棋布，东部是巴丹吉林沙漠。发源于祁连山的黑河在额济纳境内经过狼心山分水闸后，分为东、西河，分别汇入东居延海(苏泊淖尔)和西居延海(嘎顺淖尔)，东、西两河由西南向东北冲积形成了超过3万km2的绿洲。研究区地貌主要由戈壁、低山丘陵、沙漠湖沼和平原绿洲等类型构成。戈壁是区内的主要地貌类型，占研究区土地面积的58.3%，低山丘陵面积占9.3%，沙漠占4.36%，绿洲及湖盆洼地占27.57%。戈壁平原和低山丘陵区土壤多为石膏性的灰棕荒漠土，河流三角洲平原和湖洼地区多为草甸土和草甸盐土，沙漠地段主要为风沙土。

受水分条件制约，研究区大部分地区植被稀疏，种群单一。在干旱的低山丘陵和戈壁上，生长有耐旱荒漠植被，主要建群植物种类有红砂(Reaumuria soongorica(Pall.)Maxim.)、泡泡刺(Nitraria sphaerocarpa Maxim.)、膜果麻黄(Ephedra przewalskii Stapf)等，总覆盖度不超过3%。基质松疏的沙丘、戈壁上主要生长有梭梭(Haloxylon ammodendron Bunge)、沙拐枣(Calligonum mongolicum Turcz.)、白刺(Nitraria tangutorum Bobr.)等，总覆盖度在10% ～20%。河流平原和湖盆洼地，乔木、灌木和草本植物生长茂盛，主要建群植物种类有胡杨(Populus euphratica Oliv.)、沙枣(Elaeagnus angustifolia L.)、柽柳(Tamarix ramosessima Ledeb.)、苦豆子(Sophora alopecuroides L．)、芦苇(Phragmites australis(Cav.)Trin.ex Steud)和甘草(Glycyrrhizae uralensis Fisch.)等。

2 研究方法

2.1 样品采集与粒径测量

在额济纳戈壁，依据地表沉积物形成的方式与典型环境，分别在黑鹰山镇周边、黑鹰山镇至额济纳旗沿途、东居延海沿岸、策克口岸附近、大同城遗址等戈壁分布区设置13个采样点进行沉积物样品采集，各样点的编号、地理位置、海拔、地貌类型见表1。

表1 额济纳盆地戈壁沉积物取样点位置及地貌类型Tab．1 Gobi sediment position and geomorphic types of sampling points in Ejina Basin

在各个采样点，尽可能利用自然出露剖面、打井或修路时机械挖掘的剖面，经过修整后进行采样，没有上述剖面时，人工挖取沉积物剖面，各剖面深60～150 cm。在剖面上，先按沉积物的外貌特征与发生层次划分取样层次，绘制剖面图并拍照;然后根据发生层次，利用地质锤和铁锨由下而上采集原状沉积物样品，每层采样2 kg以上，装入土样袋并编号，带回室内分析。对于表层样品(出露于地表及其下1 cm的沉积物)，在采样点附近随机设置3个1 m×1 m样方，收集3个样方内的所有沉积物并混合后带回室内进行分析。鉴于各样点取样层次各异，仅对表层及下层(紧邻表层1 cm以下的层次，厚度根据沉积物发生层次而不同)的粒度组成与特征进行分析。

粒度分析的方法依样品粗细而不同，对于＜2 mm的样品采用震筛机筛析法分析，＞2 mm的样品则分别选取100个颗粒，用游标卡尺量测其3个成正交方向的长轴(A)、中轴(B)与短轴(C)，用三轴的几何平均值作为该颗粒的特征尺度［1］，不足100个的全部测量。对筛析与量测样品按照卡庆斯基分类标准分为细砂、中砂、粗砂、砾石和石块5级，称量各级别的质量，计算其质量比例。

2.2 粒度特征及形状分析

粒径采用克鲁宾(Krumbein)粒级标准划分，将粒径真值转化为φ值，即以1 mm为基准，将2的几何级数制标度转化为中值标度［14］，其转化公式为

式中:φ为粒径的对数值;d为颗粒的直径，mm，其中d=2n，log2d=n，所以 φ =-n，n 为 2 的几何级数。

粒度参数采用福克和沃德方法求算，包括平均粒径(Mz)、分选系数(δ)、偏度(Sk)和峰态(Kg)［15］。各参数的计算公式为:

式中 φ5、φ16、φ25、φ50、φ75、φ84、φ95分别是质量比例为5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%所对应的粒径。

平均粒径Mz表示沉积物颗粒的粗细，是研究沉积韵律和追索物质来源的依据之一。

分选系数δ表示沉积物的分选程度，其值均大于0，可采用规定的δ标准划分分选级别，即分选极好(δ＜0.35)，分选好(0.35～0.50)，分选较好(0.50～0.71)，分选中等(0.71～1.00)，分选较差(1.00～2.00)，分选差(2.00～4.00)，分选极差(δ ＞4.00)［1］。

偏度Sk表示沉积物粗细分布的对称程度，是偏态的定量描述。Sk=0，粒度呈正态分布，近于对称;Sk＞0，粒度呈正偏态分布，集中于粗端部分;Sk＜0，粒度呈负偏态分布，集中于细端部分。福克将偏态Sk分为5个等级级:极负偏态(-1～-0.3)，负偏态(-0.3～ -0.1)，近于对称(-0.1～0.1)，正偏态(0.1 ～0.3)，极正偏态(0.3 ～1.00)［1］。

峰态Kg是衡量频率曲线尖峰凸起程度的参数。福克将Kg等级划分为很宽平(＜0.67)，宽平(0.67～0.90)，中等(0.90～1.11)，尖窄(1.11～1.56)，很尖窄(1.56 ～3.00)，极尖窄(＞3.00)［1］。

3 结果与分析

3.1 戈壁地表沉积物粒度组成

表2为额济纳地区戈壁地表沉积物的粒度组成。可知:按卡庆斯基分级标准，各样点沉积物均以石块(φ＜-1.59)为主，其质量分数在22.14% ～97.30%之间，平均为70.04%，变异明显;其次为细砂质量分数，平均为13.82%，变动于1.25% ～32.23%之间;除低山残丘与个别冲积平原外，其余样点的细砂质量分数多数接近平均值;砾石质量分数最低，平均为4.52%，在0.70% ～14.61%之间变动;中砂和粗砂质量分数相对较低，平均为6.30%和5.32%，相对变异也非常显著，其质量分数分别在0.25%～20.45%和0.29%～18.56%之间。各样点表层以下第2层沉积物的粒度组成与表层明显不同，其组成主要以细砂和中砂为主，其质量分数平均值分别为39.79%和20.11%，其次为石块、粗砂和砾石，平均质量分数分别为18.78%、13.06%和8.26%。各样点不同层次粒度组成的差异主要反映了沉积物的形成与搬运堆积方式的差异。

对于低山残丘坡麓(32点)而言，其地表沉积物主要是基岩受物理风化形成碎屑残积物，其特征是沉积物与基岩特性相同，残积物就地堆积，细颗粒较少;但该点地表沉积物也受化学与少量生物风化作用影响，同时该区风沙活动频繁，周边有工矿区，风沙活动易在此处发生受阻堆积和沉降堆积，因而细砂含量也相对较多。因此，低山残丘的残积物主要是基岩物理风化形成的碎屑物的堆积及少量化学风化、生物风化及山体对区域沙尘、风沙流的阻滞堆积与沉降堆积的反映。

冲积—洪积扇上部河道(33点)为上游低山残丘形成的间歇性河流或洪水出山后形成的河道，河槽较浅，呈乱流泛滥之态，洪水时在地面形成漫流，在河道横剖面的边岸上形成河漫滩，在河道下部方向则为广阔的洪积-冲积平原。冲积-洪积扇上部河漫滩(34点)沉积物属于漫洪沉积，其典型特征是上层细、下层粗的河流冲积物二元沉积相结构［16］:上层的细粒物质主要是河道洪水泛滥或漫流时，悬移质沉积物向河道两侧溢出，从而在河漫滩上层形成了以细砂、粉砂等细粒物质为主体的沉积物，虽经风力侵蚀，部分细粒物质吹失，但仍保留有较多细砂和中砂;而在下层则沉积了粗砂、石砾，因而在垂直剖面上，构成了典型的二元相沉积互层。与河漫滩沉积相平行的季节性河道(33点)，属于槽洪沉积，沟槽中通常为砾石所充填，其表层颗粒组成相对较粗，下层组成与河漫滩沉积相一致。河道与河漫滩沉积物特征的差异主要缘于河道仍受季节性流水冲刷携带的较粗颗粒在河道内的蚀余堆积的影响，在原二元沉积相结构上不断迭加河流搬运的来自于低山残丘的粗砂、砾石和石块等粗大的沉积物，使得表层表现出粗粒化的特征。

其他取样点均为冲积-洪积平原的下部或冲积-湖积平原边岸与湖岸部位，这些部位的沉积相相对较细，且存在砂、砾、石的互层，因而其沉积物组成以砂粒(细、中、粗砂)为主，砾石和石块质量含量明显下降，这在各样点的第2层表现的尤为明显。如在冲积-洪积扇中部(31点)第2层剖面层中，石块和砾石所占质量分数分别为6.84%和6.65%，而细砂粒和中砂粒的质量分数分别为53.53%和23.00%。35～43点第2层的细砂质量分数为37.8% ～62.61%，而砾石与石块的质量分数分别为5.63%～11.46%和4.06% ～39.96%;但各样点的表层却形成明显的以石块为主的沉积特征，这与额济纳地区风大风频，且戈壁具有较大搬运能力的风沙流有关［17］。戈壁风沙流以粒径 ＜0.5 mm 沙粒为主［18］，因而，沉积于地表的细粒物质易在风沙流或沙尘暴的作用下搬运离开原地表，使得地表颗粒组成呈现颗粒粗化、石块增多的趋势;但戈壁地表沉积物中仍可见部分细粒物质，这些细粒物质因受到石块、砾石的遮蔽而得以在原地表保留下来。

表2 额济纳盆地戈壁沉积物颗粒组成及粒度参数Tab．2 Grain size composition and granularity parameter of gobi sediment in Ejina Basin

3.2 戈壁沉积物颗粒粒度参数

3.2.1 平均粒径(Mz) 从表2可以看出:13个样点地表平均粒径(Mz)的平均值φ为-2.03，变化范围在-4.14(17.63 mm)～0.58(0.67 mm)之间;表层沉积物颗粒的平均粒径最细的样点出现在冲积-洪积扇上部河漫滩(34点)，平均粒径为0.58;低山残丘坡麓部位表层沉积物的平均粒径最粗，为-4.14。就一个完整的冲积-洪积扇而言(31～35点)，其平均粒径总体上呈现由低山残丘坡麓向洪积扇边缘逐渐细化的趋势，平均粒径由-4.14增大到-1.0，整体上反映了由上游向下游河流冲积物由粗至细的沉积特点。36～43点中，除东居延海岸边浅滩(40点，Mz=-0.43)与大同城冲积平原(43点，Mz=-0.65)的平均粒径属于砾石外，其余各点的平均粒径均达到石块级别，这说明湖岸浅滩的湖相沉积与冲积-洪积沉积存在差异，靠近湖岸的湖相沉积物的颗粒更细。有研究表明，湖相沉积的颗粒沉积物呈同心圆式辐射分布，距离湖心越近颗粒越细，反之则越粗［1，17］。40 与 41点分别处于东居延海岸边浅滩与远离浅滩的东居延海湖岸，二者高差13 m(表1)，与岸边浅滩(40点)相比，东居延海湖岸(41点)沉积远离浅滩与湖心，剖面上砂砾互层明显，加之地势较岸边浅滩高亢，风蚀强烈，因而其平均粒径较浅滩沉积更粗。

相对于上层平均粒径以石块、砾石为主而言，各取样点下层的沉积物颗粒明显呈细化趋势，除32～34点和39点外，其余各点的平均粒径φ值在0.19～2.09之间，主要以砂粒为主;32～34点则以砾石为主，φ值为-1.02～-0.36;39点则以石块为主，其φ值为-3.05。

3.2.2 分选系数(δ) 分选系数是表示颗粒分选程度的参数，它表示颗粒在风力、水力等动力作用下按粒度的富集现象，表示固体颗粒大小的均匀程度。分选系数越小，分选性越好，分选系数越大，则分选性越差。根据福克和沃德的分选性等级标准，13个样点表层沉积物颗粒的分选系数(δ)的取值范围在0.85～2.91之间，下层沉积物的分选系数的取值范围为0.95～2.96，即整体上戈壁地区的沉积物其分选状况表现为较差或差，仅低山残丘坡麓部位表层、东居延海岸边浅滩表层和大同城冲积平原下层沉积物分选为中等状况。这也反映了不同沉积物沉积过程的复杂性及沉积动力的差异性，多种粒径的沉积物互相混杂，造成分选较差坡积物和近岸湖积物颗粒较为一致、分选性中等的特点。

从一个完整的冲积-洪积地貌(31～35点)来看，处于最上端的低山残丘坡麓主要以物理风化为主，碎屑物就地堆积，尚未发生大量的蚀积搬运，因而其分选中等;而冲积-洪积扇上部河道以水力与风力复合侵蚀为主、中部及下部则以水力堆积与风力侵蚀共同作用为主，整个冲积-洪积扇的分选性由上部至下部变差。这表明在戈壁地表的蚀积形成过程中，沉积物的不断加入及风蚀的不断加剧，是造成其分选性变差的主要原因。

3.2.3 偏度(Sk) 由表2可知，13个样点表层和下层偏度变化范围在 -0.29～0.70和 -0.43～0.05之间，即表层沉积物呈现从负偏到极正偏的分布趋势，而下层则表现出从极负偏到近对称的分布趋势。这反映了不同沉积位置、环境和层次上沉积物的不对称分布状况，也是不同位置蚀积营力组合不同的反映。极正偏、正偏＞0，说明了沉积物以粗大砾石为主，分选差或较差;负偏与极负偏＜0，说明沉积物以砂物质为主，其曲线尾部向细粒方向延伸，分选同样差或较差。大同城冲积平原(43点)表层、下层与低山残丘坡麓(32点)下层的Sk在-0.1～0.1之间，沉积物集中于中、粗砂和砾石，且在粗粒和细粒两端分布较为均匀，因而呈近对称分布。

13个样点的表层，正偏、极正偏比例占76.93%，负偏占15.38%，近对称占7.69%，这说明表层沉积物主要以侵蚀过程为主，地表粗化明显;而负偏仅出现于冲积-洪积扇的上部，表明此处依然有着现代沉积的不断堆积。13个样点下层除低山残丘坡麓和大同城冲积平原(43点)为近对称外，其余均为负偏、极负偏，占84.62%。这表明各点的沉积环境多处于冲洪积扇的中、下部位，地表过程均以堆积为主，整个沉积过程黏粒、砂、砾、石混杂;但颗粒物以细砂、黏粒等物质为主，因埋藏于地下，缺乏风蚀作用的修饰改造，因而粒度集中在细端部分，呈负偏、极负偏。

3.2.4 峰度(Kg) 峰度是用来衡量粒度频率曲线尖锐程度的，也就是度量粒度分布的中部与两尾端的展形之比。由表2可知，13个样点表层沉积物颗粒峰度值的变化范围在0.56～2.31之间，从很宽平到极尖窄均有分布，且尖窄、很尖窄占整体的69.23%，中等占15.38%，很宽平占15.38%。说明调查区戈壁表层沉积物相对集中于石砾与石块一端，沉积物属偏态分布，峰态较为单一。下层沉积物颗粒峰度值变化范围为0.54～1.66，宽平、很宽平分别占总体的46.15%和7.69%，中等占23.07%，尖窄、很尖窄分别占15.38%和7.69%。峰态宽平表明沉积物粒度在各级别的优势不明显，这与各点的粒径组成较为一致。实质上，下层沉积物以宽平与中等为主的峰态分布也表明该处未遭受风蚀影响，戈壁尚未发育形成。一旦这些地段因人为因素而出露于地表，则很快遭受风蚀而使细粒物质搬运迁移，使得峰态进一步尖窄化。

4 结论

1)额济纳盆地戈壁各取样点沉积物粒度组成因其形成环境与搬运、堆积方式的差异而不同，戈壁面形成了以石质、石砂质为堆积体的风蚀物堆积层。表层沉积物粒度组成受侵蚀过程影响，总体上以石块为主，其次是细砂，砾石质量含量最低;下层沉积物颗粒组成则主要受沉积过程影响，以砂粒为主，其次为石块和砾石，但冲积-洪积扇上部则例外，石块质量含量占1/3，其他各粒级质量含量相差不大。

2)额济纳盆地戈壁不同沉积环境颗粒物粒度特征是风化、侵蚀、堆积等地表过程与干旱多风的气候环境共同作用的结果。颗粒平均粒径表层多数较粗，下层沉积物平均粒径较表层具明显的细化趋势，从低山残丘至洪积扇下部，平均粒径总体上呈现由粗变细的趋势。冲积-洪积物受水力、风力侵蚀搬运的协同作用，分选性整体较差或差，表层与下层沉积物的分选系数范围为0.85～2.91和0.95～2.96，而低山残丘与湖泊边岸浅滩呈分选中等的特征，前者主要体现了物理风化为主的残积物自然堆积的分选特征，后者则体现了湖滨浅水相沉积物的分选特点。

3)额济纳盆地戈壁沉积物表层与下层的偏度与峰态均表明了颗粒物地表过程的差异性。表层沉积物的偏度以正偏、极正偏占主导，占总数的76.93%，峰态以尖窄、很尖窄为主，占69.23%，反映了地表以侵蚀作用为主、颗粒物粗化的特点;而下层沉积物的偏度以负偏、极负偏为主，占总体的84.62%，峰态以宽平、很宽平和中等为主，三者共占76.93%，反映了下层各粒级颗粒物质量含量优势不明显，地表过程以堆积作用为主、缺乏风力修饰改造的特征。

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