库姆塔格沙漠北部粗颗粒波状沙丘的形成环境与发育过程

The morphology and evolutionary processes of sand dunes are significantly affected by wind regimes, vegetation or topographical obstacles, and characteristics of sediment. The research of aeolian geomorphology focuses mainly on the dunes that are composed of fine to medium sands, and the achievements only reflect the influences of the first two factors. The movement of sands should be changed with grain size because the process of sediment transport is highly characterized by non-linear features. Because of the coarse-grain blanket, the zibar dunes are considered to be a good example to investigate the movement of coarse grains (0.5 to 2mm) and to discuss the influence of grain size on the processes of dune initiation and evolution. The present research will conduct a case study in the Northern Kumtagh Desert. By means of interpretation of high-resolution satellite images, geomorphologic investigation and sedimentologic analysis, as well as by introducing high-frequency measuring equipments, such as the high-speed camera, the ultrasonic anemometer and the Wenglor particle detector, etc., the characteristics of morphology, sedimentology, blown sand movement (especially the coarse grains), and the morphological evolution of zibar dunes will be investigated or measured in-situ. According to these researches, the forming conditions and the evolutionary processes of the zibar dunes in the Northern Kumtagh Desert will be revealed. Meanwhile, the influences of the characteristics of sediments on dune morphology evolution will be discussed. The excepted results of the present study will provide some useful scientific information both on the movement of coarse grains and on the feedbacks between sediments and dune morpho-dynamic processes.

风力作用、地表障碍和沉积物特征是影响沙丘发育的三大要素。风沙地貌研究的成果多反映前两个因素的控制作用，研究对象集中于细沙或中沙组成的沙丘。由于风沙运动呈现高度非线性特征，沙粒粒径的变化势必导致风沙运动规律的差异；粗颗粒波状沙丘（即zibar沙丘）表面被粗沙或细砾覆盖，是研究粗颗粒（0.5～2mm）运动规律、探讨沉积物特征对沙丘形成过程影响的良好载体。本项目以库姆塔格沙漠北部的粗颗粒波状沙丘为研究对象，拟采用高精度遥感影像解译、地貌调查、沉积学分析等方法，并借助高速数字相机、超声风速仪和光电粒子计数器等高频测量设备，在原位条件下，开展粗颗粒波状沙丘形态学、沉积学、风沙流运动（尤其是粗颗粒运动）以及沙丘形态发育过程研究，揭示粗颗粒波状沙丘的形成环境和发育过程，探讨沉积物特征对沙丘形态动力过程的影响。本研究预期可在粗颗粒运动规律、沉积物特征控制风沙地貌发育等方面提供有益的科学积累。

粗颗粒波状沙丘是一种表面被粗颗粒覆盖，形态低矮、沙丘间距较大且无落沙坡的独特沙丘类型。尽管该类型沙丘广泛分布于沙漠的上风向边缘，但对其形态动力过程所知甚少。我们以库姆塔格沙漠北部的粗颗粒波状沙丘为研究对象，开展了该类型沙丘形成发育过程研究。形态测量结果表明，粗颗粒波状沙丘的间距介于130.5～357.5 m之间，沙丘高度则变化于0.6～3.0 m之间。粗颗粒波状沙丘表面几乎全被粗沙覆盖，甚至包括部分粒径达−2.34 φ的砾石组分。借助自行设计的八方向四层梯度集沙仪，我们开展了一个完整年度的粗颗粒波状沙丘表面风沙输移规律观测。观测期间收集的样品总重为314.76 kg，其中约54%的沉积物在近地表0.1 m高度范围内输移。六个观测周期中，输沙率的变化范围介于0.43～64.47 g/m.min之间；不同方向的年平均输沙率变化于11.81～28.49 g/m.min之间，主要的物质来源方向为N，NE和NW，合成输沙方向为SSE（172.92°）。实际观测的沉积物输移模式（输沙率和输沙方向）与通过风速计算得出的输沙势（DP和RDD）并不相符，反映了不同方向的沉积物丰富度差异。输移沙粒的平均粒径介于2.25～0.6 φ之间且随着距地表高度的增加而变粗，产生这一现象的原因，在于输移沙粒与粗颗粒地表之间发生的碰撞和反弹过程；不同方向的输移沉积物粒度存在明显差异，来自于S和NW方向的沉积物最粗。根据风沙运动规律观测结果以及研究区的地貌特征，可以认为研究区东部的湖相沉积物、西北部的线形沙丘沉积物以及北部的河流冲积物均可为粗颗粒波状沙丘形成提供物源。理论分析表明，沉积物粒度是影响沙丘形态动力过程的关键因子之一，粗颗粒的存在不仅影响沙丘形态，而且控制沙丘发育过程；例如，粗颗粒波状沙丘的间距与沉积物的5%分位数粒度密切相关，其内部粗细互层的沉积构造可以用粗颗粒振动假说加以阐释。本研究的结果，不仅揭示了风力作用下粗颗粒输移规律，而且在沉积物特征影响沙丘形态发育方面提供了有益的科学积累，是对风沙地貌动力过程的研究的有益补充和完善。