额济纳旗两种地貌类型戈壁纵剖面沉积物粒度特征

肖靖安, 裴 亮, 孙莉英, 马文秀

(1.中国科学院 地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,北京 100101; 2.中国科学院大学, 北京 100049; 3.河北廊坊市环境监测中心, 河北 廊坊 065000)

戈壁是指在干旱或极端干旱区长期受物理风化作用、风蚀作用，广泛分布于地势开阔地带，地表为粗砂或砾石所覆盖的一类荒漠景观[1]。额济纳旗戈壁位于中亚极端干旱区，在强烈的风沙活动作用下，戈壁地表大量的细颗粒被吹蚀、搬运和沉积，是全球沙尘暴的主要物源区[2]，按成因额济纳旗戈壁可划分为侵蚀型和堆积型，或划分为洪积成因的砾质戈壁、剥蚀残丘型的石质戈壁和冲积型戈壁等类型[3]，其形成时代可追溯至晚更新世或全新世[4-6]。戈壁沉积物是由外力和内力作用于岩石圈而生成的，它受地形、气候和构造条件的共同作用影响[7]。粒度作为戈壁沉积物的主要特征之一，是戈壁区物源属性、外营力环境和搬运能力的综合反映[7-10]。对戈壁纵剖面沉积物的粒度组成进行分析是揭示戈壁形成过程的重要手段。常用的粒度指标有粒度平均值、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。近20 a来，粒度指标广泛应用于沉积物的调查研究中，为沙漠、黄土高原以及湖泊沉积物等地质记录体的研究中判定动力成因与方式的重要依据[11-16]。

对戈壁纵剖面沉积物的粒度构成进行研究可以反映戈壁形成过程中的沉积环境[17]，是揭示戈壁形成过程的重要内容。前人[8-18]采用图解法计算粒度参数分析对比了额济纳盆地不同地貌类型戈壁表层、下层及整个纵剖面沉积物的粒度特征，本研究采用不同的粒度分析方法与粒度参数计算方法在额济纳盆地两种典型戈壁区域进行了研究分析。本文在额济纳旗戈壁野外实际调查的基础上，以额济纳荒漠戈壁典型区域为研究对象，通过采集东居延海湖岸区域和古河道区域典型剖面地表及剖面上不同发生层次的沉积物样品，粒度分析方法使用激光法和筛析法，采用矩法计算粒度参数分析地表沉积物粒度组成及其粒度特征各项参数指标的变化，以期为深入探讨戈壁沉积物的沉积环境与形成过程提供科学依据。

1 研究区概况

额济纳旗位于内蒙古阿拉善高原荒漠的最西端，地理坐标为97°10′—103°7′E，39°52′—42°47′N，属于极端干旱地区，地处中亚荒漠东南部，西、西南、北三面环山，为大陆性干燥气候，常年干旱少雨，年降水量仅38.2 mm，年蒸发量约4 000 mm。该区气候温暖，年均气温8.2℃。全年温度大于10℃的持续天数为170 d，无霜期超过145 d。年均风速3.3 m/s，最大风速27.0 m/s，年均沙尘暴日数10.7 d。

研究区地形整体呈扇状，地势南高北低，中间呈低平状，海拔高度在820～1 200m。额济纳盆地构造上属于一个左旋拉分盆地[19]，发源于祁连山的黑河在盆地内形成了巨大的洪积扇，向北延伸近300 km，由南向北从洪积平原演变成湖积平原[20-21]。洪积扇末端形成了一系列的湖泊，主要包括居延泽、苏泊淖尔和嘎顺淖尔等。研究区西部以中低山和山间的洼地、洪积扇群为主；中部以黑河流域冲—洪积平原为主，包括山前的湖积台地、洪积平原及冲积平原绿洲；中东部地区以湖积盆地为主；东南部以巴丹吉林沙漠的风沙地貌为主。戈壁占额济纳旗土地面积的58.3%，为研究区主要地貌；绿洲及湖盆洼地占27.57%，低山丘陵占9.3%，沙漠占4.36%[18]。戈壁、平原和低山丘陵区土壤多为石膏性的灰棕荒漠土，河流冲积洪积平原和湖洼地区多为草甸土和草甸盐土，巴丹吉林沙漠和额济纳河西岸主要为风沙土。

2 研究方法

2.1 样品采集

2.1.1 采样点布设 2019年10月在额济纳旗戈壁，依据地表沉积物形成的方式与典型环境，主要选取以湖积物为戈壁面和以冲积物为戈壁面的两类典型戈壁，结合野外实际调查情况确定6个采样点，采集地表及纵剖面沉积物，采样点1,2，3位于居延海西南侧戈壁分布区，地貌类型为东居延海湖岸，地貌单元属湖积盆地；采样点4,5，6位于额济纳旗至拐子湖气象站沿途戈壁分布区，地貌类型为古河道，地貌单元属于冲—洪积平原(图1)。各样点的编号、地理位置、海拔、坡度、地表砾石覆盖度见表1。

图1 采样点分布

表1 额济纳戈壁沉积物取样点位置及地表砾石覆盖度

2.1.2 样品采集方法 在采样点及周边约1 km2的区域内，地表无任何植被发育，尽可能避免人类活动的影响。每个采样点采集两组样品，相隔100～200 m。采样时分层采集30×30×40 cm(长×宽×高)的样品，人工开挖剖面，在剖面上，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；根据发生层次，利用地质锤和铁锨由上而下分层采集原状沉积物样品，每层将30×30 cm样方内沉积物全部采集，装入土样袋中并编号带回室内分析，采集样方内出露于地表及其下1 cm的沉积物作为表层样品。其中采样点1，2，3，4～1采集深度为40 cm，采样点4～2，5，6由于下部埋藏大量大粒径砾石，难以采集，故只采集到20 cm深度样品。在每一采样点(6个采样点)，采集2组样品，总计采集12组样品。

2.2 样品分析

2.2.1 粒度组成分析方法 根据美国土壤科学学会划分标准方法(黏土粒径d≤2 μm、粉土粒径2 μm2 000 μm)，对野外采集的戈壁样品进行粒度分析，分析得到不同层间砾石、沙粒、粉土和黏土含量。粒度分析方法使用激光法和筛析法。首先使用1 mm，2 mm，4 mm，8 mm，16 mm土样筛对样品进行分筛，称重得出不同粒径颗粒占比，再在中国科学院地理科学与资源研究所粒度实验室使用英国MALVERN公司的MasterSize 2000激光粒度仪对小于1 mm颗粒物进行粒度测量与分析，仪器测量的粒径范围为0.020～2 000 μm，重复测量误差小于±2%。最终通过计算得到砾石、沙粒、粉土和黏土颗粒含量。

2.2.2 粒度特征参数分析方法 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[22]，其转化公式为

φ=log2d

(1)

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McManus矩法公式方法求算，前人研究发现矩法相比图解法在计算上具有更高的灵敏度和可靠性[23-29]，包括平均粒径(Mz)、分选系数(δ)、偏度(Sk)和峰态(Kg)[30]。各参数的计算公式为:

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:Xi为一定粒级范围内中值(φ);fi为各粒级范围的百分含量。以上粒度参数计算通过GRADISTAT软件[31]自动完成。

平均粒径(Mz)表示沉积物颗粒的粗细，用于研究沉积韵律和探求物质来源。分选系数(δ)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。分选系数值均大于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)[23]。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，沉积物的频率曲线形态差别反映了沉积环境的不同，频率曲线的偏度可以帮助研究者了解沉积物的成因。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。贾建军等人根据图解法与矩法的对应关系将偏态Sk分为5个等级级:极负偏态(<-1.50)，负偏态(-1.50～-0.33)，近于对称(-0.33～0.33)，正偏态(0.33～1.50)，极正偏态(>1.50)[23]。峰态(Kg)是用来衡量粒度频率曲线尖锐程度的，表征的是颗粒大小在中间段与两端的分布情况，也就是定量曲线的峰凸程度，代表了不同物源混杂的混合程度。Kg等级划分为非常宽平(>4.5)，很宽平(2.75～4.50)，宽平(1.42～2.75)，中等(1.03～1.42)，很尖窄(0.72～1.03)，非常尖窄(<0.72)[23]。表2为贾建军等根据图解法与矩法的对应关系，给出的矩法粒度参数的分级表[23]。

表2 矩法粒度参数[23]的定性描述术语

2.3 统计分析方法

数据经Excel 2019软件进行整理后，利用SPSS 25.0对两种地貌类型采样点戈壁沉积物的粒度组成与粒度参数进行独立样本均值t检验(双侧检验)，比较其均值，显著性水平α值取0.05，p<0.05为差异有统计学意义。

3 结果与讨论

3.1 东居延海湖岸采样点纵剖面沉积物粒度组成及特征参数

3.1.1 沉积物粒度组成 图2为东居延海湖岸采样点1(图2A)，2(图2B)，3(图2C)戈壁沉积物黏土、粉土、沙子、砾石百分比含量随采样深度的变化情况。可知：根据美国土壤科学学会划分标准，在东居延海湖岸采样点中(采样点1,2，3)，各采样点上层(0—10 cm)沉积物颗粒主要以沙子(50 μm～2 mm)为主，其含量变化范围为33.3%～68.3%，平均值为49.2%；其次为砾石(>2 mm)和粉土(2～50 μm)，其含量变化范围分别为9.6%～32.4%和11.8%～39.7%，平均值分别为23.4%和23.3%；黏土(<2 μm)含量较低，变化范围为3.2%～4.8%，平均值为4.1%。在纵剖面上，沿垂直方向各剖面层的粒度组成与上层存在差异，主要以沙子和粉土为主，平均含量分别为41.1%和40.6%，砾石和黏土含量较低，平均含量为9.6%和8.8%。

图2 东居延海湖岸采样点颗粒级配随采样深度变化

在东居延海湖岸采样点中，沉积相相对较细，采样点1,2中存在砂、砾、石的互层，其沉积物组成以沙子为主，在纵剖面上其粒度组成逐渐变细，砾石含量下降，粉土和黏土含量上升，变化较明显。采样点1仅0—5 cm层存在砾石，砾石、沙子和粉土的比重分别为20.4%，53.7%，21.3%，在其余剖面层中，主要以沙子为主，平均含量达到62.1%，粉土和黏土含量较低，但沿垂直方向从上至下有增加趋势。采样点2砾石主要存在于0—2 cm层，砾石、沙子和粉土的比重分别为22.5%，33.3%，39.7%，2—40 cm剖面层主要以沙子和粉土为主，基本不含砾石，沿纵剖面方向，沙子含量逐渐下降，由76.4%下降到29.8%；黏土和粉土含量上升，分别由1.9%到9.5%和由21.7%到60.6%。采样点3均为仅0—10 cm层存在砾石，比重为7.8%，该层主要以沙子为主，含量达67.1%，10—40 cm剖面层主要以粉土为主，含量达74.9%，沿垂直方向从上至下，沙子含量逐渐下降，粉土和黏土含量上升。采样点3粒度组成较细，地表基本无砾石覆盖，调查发现，采样点3位置区域地表存在结皮和侵蚀沟，可能是由于现代流水的冲刷作用，粒径大的颗粒被流水带走，形成结皮保护下层细颗粒不被风蚀。采样点1,2表层形成明显的以石块为主的沉积特征，这可能由于研究区常年的大风天气，且戈壁具有较大搬运能力的风沙流[32]。由于环境中风力作用很强、风沙活动频繁，加之戈壁具有较大搬运能力的风沙流，地表的细颗粒沉积物被风搬运离开原地表，使沉积物质粗化，表面呈现大量石块、砾石分布，下层部分细颗粒物质在上部砾石的保护作用下，长期积累，沉积下来。

3.1.2 沉积物粒度特征参数 通过表3可看出，采样点1的5—25 cm、采样点2的10—40 cm、采样点3的10—40 cm剖面层平均粒径属于粉土(4.321.50)，其余各采样点剖面层均为正偏(0.33～1.50)，这说明沉积物主要以侵蚀过程为主，颗粒粗化明显。峰态值的变化范围在2.67～9.00，宽平占8.3%，很宽平占50%，非常宽平占41.7%。这说明沉积物属于单峰态分布，物源单一，较宽的峰态表明沉积物粒度在各级别的优势不明显，沉积物质可能是由不同的物源分选之后形成的混合物。下层沉积物峰态分布表现为很宽平或非常宽平，表明该处受风蚀影响较小，细粒物质没有流失，一旦这些地段因人为因素而出露于地表，细粒物质将很快被风蚀作用搬运迁移，峰态将进一步尖窄化[13]。

表3 东居延海湖岸采样点粒度参数

3.2 古河道采样点纵剖面沉积物粒度组成及特征参数

3.2.1 粒度组成 图3为古河道采样点4(图3A)，5(图3B)，6(图3C)纵剖面沉积物粒度组成随采样深度变化情况。可知，在古河道采样点中：各采样点0—10 cm层沉积物颗粒主要以沙子为主，比重达67.3%；其次为砾石，比重达27.6%；粉土和黏土含量较低，分别为4.0%和1.0%。10—20 cm层沉积物颗粒主要以砾石和沙子为主，比重分别为44.3%和43.4%；粉土和黏土含量较低，分别为9.7%和2.6%。

图3 古河道采样点颗粒级配随采样深度变化

古河道采样点粒度组成主要表现为上层细、下层粗的特点，上层细砂含量为64.4%，下层石块含量为33.4%，属于典型的河流冲积物二元沉积相结构[33-34]。表层的细粒物质较多是由于河漫滩沉积物在洪水泛滥时，悬移质沉积物向河道两侧溢出，形成以沙子、粉土等细粒物质为主的沉积层，在下层则形成了以砾石、粗砂为主的沉积层，因而在垂直剖面上构成了典型的二元相沉积互层。其中采样点6地表基本无砾石覆盖，主要由于该区域地势较低，频繁的风沙作用，细颗粒物质在该处大量堆积。

3.2.2 特征参数 通过表4可看出，3个采样点沉积物平均粒径均属于沙子(-1

表4 古河道采样点粒度参数

3.3 两种典型区粒度组成及特征参数差异分析

额济纳旗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。对比两种典型区域样品沉积物的粒度组成及特征参数发现，东居延海湖岸样品沉积相相比于古河道采样点更细，其沉积物组成以沙子为主，细粒组分粉土和黏土含量明显高于古河道采样点。戈壁沉积物粒度组成有一定的变化规律，采样点1,2，3沿纵剖面方向，其粒度组成逐渐变细，且以砂砾为主；采样点4,5，6表层以沙粒为主，下部以砾石为主。各样点不同层次粒度组成主要与颗粒的搬运堆积方式有关。整体来看，古河道采样点(采样点4,5，6)平均粒径小于湖岸采样点(采样点1,2，3)，沉积物颗粒粒径较湖岸采样点更粗。两种地貌类型采样点沉积物分选状况均呈分选差或分选较差，这也反映了不同沉积物沉积动力的差别与沉积过程的复杂性，不同粒径的沉积物互相混合，造成戈壁沉积物分选性差。两种地貌类型采样点沉积物偏度范围在-0.77～1.70，除采样点6的0—10 cm层沉积物偏度为负偏，采样点1的5—40 cm层为极正偏，采样点2的0—2 cm层为近对称，其余层均为正偏。这说明沉积物主要以侵蚀过程为主，颗粒粗化明显。仅在采样点6的0—10 cm层依然有着现代沉积的不断堆积。两种地貌类型采样点沉积物峰态接近，范围在2.67～9.00，频率曲线形态基本表现为很宽平和非常宽平，表明沉积物粒度在各级别的优势不明显，沉积物质可能是由不同的物源分选之后形成的混合物。

独立样本均值t检验结果表明(表5)，两种地貌类型采样点戈壁沉积物粒度组成中，湖岸采样点黏土组分含量(7.44±4.38)%明显高于古河道采样点(1.85±1.48)%，差异有统计学意义(t=2.606，p=0.02<0.05)；湖岸采样点粉土组分含量(38.42±19.33)%明显高于古河道采样点(6.85±5.49)%，差异有统计学意义(t=3.23，p=0.006<0.05)；湖岸采样点沙子组分含量(48.09±21.34)%低于古河道采样点(55.37±16.98)%，差异无统计学意义(t=-0.669，p=0.514>0.05)；湖岸采样点砾石组分含量(6.03±10.35)%明显低于古河道采样点(35.96±15.18)%，差异有统计学意义(t=-3.855，p=0.002<0.05)。可见，湖岸采样点黏土和粉土含量明显高于古河道采样点，沙子含量相接近，砾石含量则明显更低，这也体现了湖相沉积较河流相沉积，沉积物颗粒较细的特点。两种地貌类型采样点戈壁沉积物粒度参数中，湖岸采样点平均粒径(4.65±1.52)明显大于古河道采样点(1.47±0.81)，差异有统计学意义(t=3.567，p=0.003<0.05)；湖岸采样点分选系数(2.72±0.59)与古河道采样点(2.82±0.76)接近，无显著差异(t=-0.315，p=0.759>0.05)；湖岸采样点偏度(0.91±0.58)大于古河道采样点(0.43±0.61)，差异无统计学意义(t=2.047，p=0.59>0.05)；湖岸采样点峰态(5.17±2.17)与古河道采样点(4.94±1.77)接近，无显著差异(t=0.26，p=0.798>0.05)。

表5 两种地貌类型戈壁沉积物颗粒组成及粒度参数t检验

4 结 论

(1) 额济纳旗戈壁各采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。湖岸采样点上层沉积物粒度组成受侵蚀过程影响，颗粒组成以沙子和砾石为主，粉土和黏土质量含量相对更低；下层沉积物颗粒组成则主要受沉积过程影响，主要以沙子和粉土为主；古河道采样点0—10 cm层沉积物颗粒主要以沙子为主，10—20 cm层沉积物颗粒主要以砾石和沙子为主。

(2) 湖岸采样点下层颗粒平均粒径大于上层，下部沉积物较上部更细，沉积物有细化趋势；河道采样点0—10 cm层与10—20 cm层平均粒径相近，但下层沉积物较上层含有更多砾石组分。湖岸采样点平均粒径显著大于古河道采样点，两种地貌类型分选系数则无明显差异，取值范围为1.48～3.84，分选状况均呈分选差或分选较差。

(3) 两种地貌类型采样点偏度无显著差异，偏度变化范围为-0.77～1.70，正偏、极正偏比例占88.8%，近对称和负偏均占5.6%。两种地貌类型采样点沉积物主要以侵蚀过程为主，颗粒粗化明显，仅在采样点6的0—10 cm层依然有着现代沉积的不断堆积。两种地貌类型采样点峰态无显著差异，峰态值的变化范围为2.67～9.00，宽平占5.1%，很宽平占整体的50%，非常宽平占44.4%。表明沉积物粒度在各级别的优势不明显。