柴达木盆地东北部穹状沙丘形成演化的动力过程研究

Dome dunes are relatively low dune forms without slipface and they are usually circular or oval in plan view. Compared with the slipfaced dune forms, aeolian researchers know little about the morphdynamic process of dome dunes. Indeed, the dome dunes have been related to different wind regimes in various dune classification systems. To clarify the forming and evolutionary processes of dome dunes, the present proposal will conduct a case study with the principles of dynamic geomorphology and by means of modern measuring equipments in the Northeastern Qaidam Basin. Based on field observations, the morphological characteristics and the evolution process of dome dunes will be investigated. Meanwhile, the airflow patterns and the aeolian sand transport over dome dunes will be measured in-situ. By theoretical analysis, the relationships among dune morphology, local wind regime and sand supply will be discussed quantitatively. Finally, the morphdynamic process of dome dunes in this region will be revealed. The prospective findings of the present study not only will improve our understanding of dune evolution during the early stage, but will provide useful information for dune morphdynamic simulation and dune morphology analogue between the earth and the terrestrial planets.

穹状沙丘是一种外观呈圆形或椭圆形、不发育落沙坡的独特沙丘类型。相对于各种具备落沙坡的沙丘个体或群体而言，风沙地貌学界对穹状沙丘形态动力过程所知甚少，甚至不同沙丘分类系统将其归属于不同的动力环境。为了澄清这一问题，本项目拟以柴达木盆地东北部的穹状沙丘为研究对象，采用现代测量技术并结合动力地貌学理论，从穹状沙丘形态特征与动态演化观测入手，探明沙丘表面近地表风、沙运动规律，分析该地区沙丘形态演化与风况、沙源丰富度等环境因素之间的定量关系，揭示穹状沙丘形成演化的动力过程。本项目的预期成果，不仅可以完善简单沙丘演化序列形态动力学理论框架，而且可为沙丘动力学数值模拟、行星风沙地貌类比研究提供必要的参考。

穹状沙丘是一类独特的沙丘类型，其外观呈圆形或椭圆形，无落沙坡，一般认为处于沙丘发育的初级阶段。学界对该类型沙丘的认知较少，关于该类型沙丘的形成风况也不明确，甚至不同沙丘分类系统将其归属于不同的动力环境。为了揭示穹状沙丘的形成环境和发育过程，本研究在柴达木盆地东北部的哈勒腾河流域，采用野外观测、数值模拟、风洞模拟和理论分析相结合的方法，开展了穹状沙丘形态动力学研究。针对60个典型穹状沙丘的三维高精度形态学测量表明，研究区穹状沙丘大多呈椭圆形外观，其长轴和短轴长度平均值分别为14.5 m和13.3 m，迎风坡和背风坡的平均坡度分别为4.6°和5.1°，而其高度介于0.12 m至0.91 m之间，平均高度为0.52 m。通过统计分析，建立了各形态参数、尤其是二维和三维形态参数之间的几何关系。根据跃移饱和长度理论，计算分析了穹状沙丘幸存和新月形沙丘发育的临界最小尺度分别为13.7 m和15.3 m，意味着研究区61.7%的穹状沙丘将会消散，仅有20%的沙丘可以幸存并进一步发育。相应地，形成稳定穹状沙丘和新月形沙丘的高度分别为0.54 m 和0.60 m。通过分析风况，发现有利于穹状沙丘形成的季节为冬季，此时具有输沙势小、风向变率大的特点。通过沉积物和沉积构造分析，发现组成穹状沙丘的沉积物多来自于哈勒腾河冲洪积物，其内部近水平的沙波纹纹层表明穹状沙丘的初始堆积是松散沙片，并未经历复杂的风成搬运过程。在穹状沙丘表面开展的形态动力过程观测表明，穹状沙丘迎风坡气流加速且处于侵蚀状态，最大输沙通量发生在沙丘顶部，越过沙丘顶部之后气流减速并发生沉积。穹状沙丘是研究区简单沙丘演化序列中的关键环节，根据野外观测和风洞模拟结果，我们提出了一个基于动力学过程的五阶段沙丘演化模式。对穹状沙丘形态学、沉积学、表面动力过程和演化模式的研究成果，不仅可以完善穹状沙丘形态动力学理论框架，而且可为沙丘动力学数值模拟提供更为精确的初始条件、并为行星风沙地貌类比研究提供必要的参考。