噶顺戈壁地表砾石粒度特征分析

曹晓阳, 冯益明

(中国林业科学研究院荒漠化研究所,100091,北京)



噶顺戈壁地表砾石粒度特征分析

曹晓阳, 冯益明†

(中国林业科学研究院荒漠化研究所,100091,北京)

摘要：对戈壁表面砾石粒径的研究，可帮助了解戈壁特征，分析戈壁造成自然灾害的原因，认识沙粒迁移、沙漠扩展以及指导防沙工程。本研究结合野外调查，分析噶顺戈壁洪积扇21个样点砾石的粒度组成、平均粒径、分选系数、偏度和峰度等粒度特征。结果表明：1)受洪水、重力与风蚀等作用的影响，戈壁地表砾石均以中砾为主(66.35%～95.04%)。海拔最高处以石质为主(85.54%)，平均粒径φ值为-9.09 (545.2 mm)。砾石质量分数呈现出随海拔增加，中砾质量分数降低，而粗砾质量分数升高的趋势。2) 粒度特征为：平均粒径φ值变化范围为-9.09(545.2 mm)～-6.15 (153.9 mm)；除样点12为分选中等外，其余样点的均处于分选较好以上水平(0.28～0.53)；偏度以负偏为主导(80.95%)，地表以细砾和中砾等细粒径砾石为主；峰度中，宽平和很宽平占整体的57.14%，中等占23.81%，尖窄和极尖窄占19.05%，显示砾石分布相对较均匀，在不同位置的砾石，具有微弱的地表过程差异性。3) 分选系数与平均粒径之间，无明显的相关关系；而偏度与平均粒径间，存在正相关关系。研究结果对物源的岩性及戈壁发育环境具有重要的指示意义。

关键词：噶顺戈壁； 洪积扇； 砾石； 粒度分析

戈壁是指在干旱或极端干旱区受长期、强烈的风蚀或物理风化作用，广泛分布于地势开阔地带，地表由砾石覆盖的一类荒漠景观[1]。戈壁地表沉积物为砾石，是地表由于外力和内力共同作用形成的，地表砾石的属性及分布特征受地形、气候和构造条件的影响。赵松乔[2]认为，在外营力(主要为流水)作用下，“就地”或“近地”补给的砾石为戈壁砾石的主要来源。粒度作为砾石的主要特征之一，是戈壁区物源属性、外营力环境和搬运能力的综合反映[3-6]。近20年来，粒度指标在沉积物的调查研究中具有广泛应用，在沙漠、黄土高原以及湖泊沉积物等地质记录体的研究中，成为判定动力成因与方式的重要依据[7-12]。

噶顺戈壁形成发育的动力条件主要为在重力、洪水作用下，发生的洪积、冲积等搬运过程[13]。由于戈壁属于干旱和极端干旱区，在发育的后期受到的风蚀作用，对地表砾石的分布也有重要的影响[14-16]。由于外营力作用的不同，砾石的粒度特征呈现出一定的差异性，而且粒度因其物理意义明确、对气候变化敏感等特点，近年来被广泛应用于各种沉积环境研究中[17-20]。笔者拟通过对戈壁地表砾石粒度参数的分析，更深入了解戈壁区砾石受到搬运作用(主要为推移、跃移)的动力条件，对未来戈壁区开发过程中，更好地避免水土流失提供指导，并对物源的岩性及戈壁发育环境具有重要的指示意义，也将对戈壁的形成环境、砾石来源及发育相对年代的研究提供参考。

1研究区概况

研究区位于新疆东部哈密市境内的天山山脉东端(E 93°55′～94°18′ ,N 41°35′～42°36′)。土壤主要发育于剥蚀的准平原以及山前洪积倾斜平原[13]，该地区土壤主要为干旱土，洪积物为土壤母质，海拔800～2 000 m[16]。在残丘间平地分布有稀疏的泡泡刺(NitrariasphaerocarpaMaxim)和柽柳(TamarixchinensisLour.)，大部分地区无高等植物;在南天山东段北麓山间谷地，分布有麻黄(EphedrasinicaStapf)和盐生草(Halogetonglomeratus)群落。地表砾石分布特征由洪水冲积及长期的风化剥蚀形成。降水稀少，年降水量仅34.6 mm，蒸发强烈，干旱指数(即年蒸发能力与年降水量的比值)>50，属于极端干旱区[21]。冬冷夏热，春秋短暂且多风沙，昼夜温差大，自然条件极其恶劣[22]。

2研究方法

2.1样品采集与粒径测量

在噶顺戈壁，按照冲积-洪积平原的洪水冲积方向，自海拔低到高处(洪积扇底部至顶部)，分别设置21个采样点，进行戈壁地表砾石样品采集，各采样点间海拔差距为20 m，砾石粒径测量样方大小为30 m×30 m，各样点的编号与海拔见表1。在样方的顶点及中心位置，进行小样方的设置，小样方大小为1 m×1 m[23]，在设置好的小样方内，随机选取并测量25个粒径值，共得到125个粒径值。

由于在沉积物颗粒的研究中，对沉积物粒度的定义各有不同，一般将粒度理解为颗粒的直径。在沉积学中常用的“直径”定义，主要有统称为线性值直径的筛洗直径、自由降落直径、视直径与真直径[24]以及体积值直径[25]。其中，视直径定义为，在颗粒任意切面上于所规定的方向上所测定的直径。一般测定最长或最短视直径。本研究在野外实地测量中，测得的砾石最长直径为视直径。对采集的砾石粒径进行方差分析，显示样本差异性显著(表2)。

2.2粒度特征参数分析方法

对戈壁地表砾石的粒级分级中，采用Krumbein粒级标准，该标准将野外的实测值转化为以1 mm为基准，将2的几何级数制标度转化为中值标度，标记为φ值[26]，公式为

φ=-log2d。

(1)

式中φ为粒径的对数值，d为砾石直径，mm。这种方法的优点是分界为等间距，可在较粗或较细的两端任意延伸至极限。不同粒级沉积物的粒度范围和类别名称见表3。

表1　噶顺戈壁砾石取样点地理位置及海拔

表2　砾石粒径显著性检验

分析粒度特征采用的参数(平均粒径Mz、分选系数δ、偏度Sk和峰度Kg)，经由Folk与Ward方法求得[27]。计算公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中φ5、φ16、φ25、φ50、φ75、φ84和φ95分别为砾石样品中占5%、16%、25%、50%、75%、84%和95%的砾石所对应的粒径对数值。

代表砾石粗细的平均粒径，在对沉积物质韵律及来源的研究及追溯中为主要依据之一，显示了砾石分选程度的分选系数δ，根据规定的δ标准，分选级别分为：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)和分选极差(δ≥4.00) 7个等级[27]；作为偏态的定量描述，并对砾石粗细分布的对称程度进行描述，使用偏度。在偏度中：粒度呈正态分布，近于对称；粒度呈正偏态分布，砾石集中于较粗部分。在较为通用的偏态分级中，Folk将偏态分为5个等级，分别为极负偏态(-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)和极正偏态(0.3～1.00)[28]；在对频率曲线尖峰凸起程度的衡量中应用峰度参数。其中，分为6个等级：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)和极尖窄(>3.00)[28]。

表3　沉积物粒度范围和类别名称

Note:φmeans the logarithm value of particle size.

3结果与分析

3.1戈壁地表砾石粒度组成

戈壁洪积扇地表不同海拔各粒级砾石的组成，不仅与物源相关，还与洪水与重力的搬运过程密切相关。噶顺戈壁洪积扇地表砾石粒度参数如表4所示。除个别样点外，戈壁地表砾石均以中砾为主，其所占比例为66.35%～95.04%，其中，样点1、12包含少量细砾(1.72%、15.52%)，其次为样点13、14、17、20以粗砾为主，而所选样点海拔最高处粒径最大，以石质为主，所占比例为85.54%，平均粒径φ值为-9.09(545.2 mm)。各样点砾石质量分数大体呈现出：随海拔增加，中砾质量分数降低，而粗砾质量分数升高的趋势。

洪积扇上部较高海拔处，靠近天山底部的样点，地表以大粒径石块为主(85.54%)，主要与山地基岩受到强烈的机械风化作用有关，提供了大量的粗粒碎屑物，且由于位于天山南麓，年降雨量较为集中，易形成分散的洪流，并在强烈的蒸发和渗透作用下，受水流推移至此的大粒径石块物质，在洪积扇上部位置堆积下来。

表4　砾石组成与粒度参数

样点11包含少量石质砾石(1.04%)，是由于洪积扇在初级发育阶段，水流下切能力较强，易形成由于洪水冲刷形成的较短的泄洪沟槽，而沟槽中通常被石质砾石所填充，属于槽洪沉积。也可能由于该地区山体岩性较坚硬，粉砂和黏土质量分数较少，出山河流搬运的物质较粗，使得洪水较早渗入地下，筛滤沉积使得大粒径砾石在洪积扇上、中部有所堆积[3]。样点12仍包含少量细砾砾石(15.52%)，与较大粒径的阻挡作用有关，使部分细砾免于受到洪水或重力的搬运作用，因此，堆积在较大砾石的空隙中间[29]。

对低海拔样点而言，由于位于洪积扇下部，这些区域的地表砾石粒径相对较细，且存在中砾与粗砾的混合特征，随海拔增加，粗砾质量分数逐渐升高。在海拔最低处(970m)，并包含细砾成分(1.72%)，这与戈壁区具有较大风力及高频率的起风相关，且形成的风沙流具有较大的搬运能力[30]。在戈壁地表沉积的砾石，随着粒径的减小，更易在风沙流或沙尘暴的作用下，搬运至低海拔地表，使得地表砾石组成，呈现出粒径由高到低逐渐减小的趋势。

3.2戈壁地表砾石粒度参数

戈壁地表砾石粒度参数值变化趋势如表4及图1所示。

图1　粒度参数之间的关系Fig.1　Relationship between granularity parameters

3.2.1平均粒径从平均粒径的变化来看(表4)，整体呈现出随海拔的升高，粒径逐渐增大的趋势，21个样点的砾石平均粒径φ值为-6.9(123.6 mm)，变化范围为-9.09(545.2 mm)～-6.15(153.9 mm)。

3.2.2分选系数从分选系数看，除样点12为0.73，分选中等外，其余20个样点的分选程度均处于较好以上水平(0.28～0.53)。分选系数显示砾石颗粒在水力和重力等外营力作用下，粒径大小的分布均匀程度。研究区属于戈壁区山前洪积扇，地势平缓，洪水作用相对均匀，使得地表砾石分布也相对均匀。

3.2.3偏度偏度值体现砾石在不同沉积位置和环境中的分布状况，也是对外营力作用的反映。从偏度值来看，样点3、6、19近于对称，显示出该样点处，不同粒径砾石分布较为均匀，因而呈现近对称分布状态。其余样点中，除样点12属于正偏态，砾石分布以大粒径为主之外，均显示负偏状态。由此可见，研究区地表主要以细砾、中砾等细粒径砾石为主。

3.2.4峰度由表4可知，21个样点的地表砾石粒径的峰度值变化范围为0.46～1.65，各等级范围内均有分布，其中，宽平、很宽平占整体的57.14%，中等占23.81%，尖窄和极尖窄占19.05%。由此可见，研究区戈壁地表砾石粒度，在各级别的优势不明显，分布相对较均匀。

3.2.5粒度参数之间的关系在对沉积物的粒度分析中，较为通用的做法是对粒度参数的关系进行分析。对各参数值与平均粒径的关系，进行散点图的绘制，从中发现戈壁洪积扇地表在不同位置下，砾石粒径分选的差异。从砾石粒度参数关系散点图(图1)中可知，分选系数与平均粒径之间的相关关系不明显，在不同粒径大小处，均具有较好分选水平。而从偏度与平均粒径之间的关系来看，整体随着平均粒径的增大，而呈现出正相关的关系：当平均粒径φ值<-6.55时，峰度表现出随平均粒径增大而增大的较弱正相关；当平均粒径φ值>-6.55时，则存在一定的负相关性。

4结论

本文研究了噶顺戈壁洪积扇区地表砾石的粒度特征，洪积扇不同位置的砾石，由于受到的外营力作用的不同，其粒度组成有所差异。

1) 噶顺戈壁地表砾石的粒度特征是洪水与重力的搬运、风蚀作用等地表过程以及干旱的气候环境共同作用的结果。戈壁地表砾石以中砾为主，并随着海拔的升高，中砾所占比例呈现减小的趋势，而粗砾比例增加，并有石质砾石出现。由于洪水冲刷形成的沟槽，使洪积扇中部位置出现石质砾石，以及由于大粒径砾石的阻挡作用，使得洪积扇中部位置的细砾一部分免于洪水的冲刷及风力搬运作用而留存下来。

2) 砾石的平均粒径随海拔的升高而呈现明显增大的趋势，φ值变化范围为-9.09(545.2 mm)～-6.15 (153.9 mm)。由于该位置坡度较缓，洪积扇所有砾石的分选程度，除个别位置由于局部较大外营力的作用外(样点12分选系数0.73，分选中等)，均处于较好以上水平(0.28～0.53)。

3) 噶顺戈壁砾石偏度和峰度的特征显示出，研究区不同粒径砾石分布相对较均匀，且在不同位置的砾石，具有微弱的地表过程差异性。平均粒径与其他粒度特征之间不存在明显的相关关系。偏度随平均粒径的增大，而呈现出正相关的关系。平均粒径与峰度之间在φ值>-6.55时，具有一定的负相关性，而在平均粒径φ值<-6.55时，具有较弱的正相关性。

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(责任编辑：程云郭雪芳)

Size characteristics of surface gravels in Gaxun Gobi

Cao Xiaoyang, Feng Yiming

(Institute of Desertification Studies, Chinese Academy of Forestry, 100091, Beijing, China)

Abstract:[Background] Study on the gravel size of gobi surface provides a better understanding about gobi characteristics, and analyzing the reasons of natural disasters in association with gobi. It can also be used to know better about sand migration, desert spread and provide the guidance of sand control engineering. [Methods] In alluvial fanof Gaxun Gobi, the grain size composition,average grain size, sorting coefficient, skewness and kurtosis from 21 gravel samples were analyzed by means of field investigation and granulometry. [Results] The results showed: 1) The major grain size of surface gravels was occupied by mediumsize ones (66.35%-95.04%) due to the effect of flooding, gravity and wind erosion. The size on the top of altitude was dominant by stone (85.54%), average size was -9.09φ (545.2 mm). The content of mediumsize gravels decreased while the coarse size gravels increased with the altitude increasing. 2) The average range of size variation was -9.09φ (545.2 mm)--6.15φ(153.9 mm); the gravels were well sorted (0.28-0.53) except for sample 12. The grain skewness of surface gravels was dominant by negative, accounting for 80.95%, and the surface gravel size was mainly fine and medium.The kurtosis was flat and very flat (80.95%), followed by medium (23.81%), while sharp or very sharp accounted for 19.05%, which showed the granularity characteristics were evenly distributed. 3) There was no significant correlation between sorting coefficient and average grain size, while there was positive correlation between skewness and average grain size. [Conclusions] The research result can provide useful instructions for lithology of the provenance and gobi development condition.

Keywords:Gaxun Gobi; alluvial fan; gravels; granularity analysis

收稿日期：2015-07-18修回日期： 2016-01-06

第一作者简介：曹晓阳(1988—)，男，博士研究生。主要研究方向：遥感技术应用。E-mail: shadowcxy@163.com †通信 冯益明(1971—)，男，博士，研究员。主要研究方向：景观生态与信息技术。E-mail: fengym@caf.ac.cn

中图分类号：P588.21

文献标志码：A

文章编号：1672-3007(2016)01-0046-07

DOI:10.16843/j.sswc.2016.01.006

项目名称： 国家自然科学基金“戈壁表面砾石粒径遥感定量反演及其空间分异机制研究”(31370708)