http://ires.cn/Paper/HaS/哈斯%202001%20沙丘背风侧气流及其沉积..
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内容摘要：
!国家自然縀学基金(批准号:!""#$"$%),教育部高校重点实验室访问学者基金资助
收稿日E:%"""&"!&%'收修改稿日E:%"""&"#&$"
文章编号:$"""&"''"(%""$)"$&""()&"'
沙丘背风侧E流及E沉积类型与意义!
哈斯$,%王贵勇$,%光荣*
$(北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室北京$""+#')
%(北京师范大学资源縀学研究所北京$""+#')*(中国縀学院沙E头沙漠试验研究站兰州#*"""")
摘要在腾格里沙漠东南缘对现代沙丘表胑E流,沉积过程的野外观测结果表明,由于区域E流,沙丘形态及E相
互作用等的不同使沙丘背风EE流发生变化,在此发现三种背风E次生E流:分离流,附体未E向流和附体E向流.
前者以弱的反向流为特征多发生在横向E流条件下E度较 陡的背风E;后二者具有相对高的风速,E中附体流多发
生在E度缓和的背风E,E方向在横向E流条件下保持来的方向,而在斜向E流作用下发生E转且E强度为始
风入射角的余弦函数.根据背风EE流方向及强度,作者阐述了不同区域E流环境中沙丘背风E沉积过程,层理类
型及特征,探讨了交错层产状与区域E流方向之间的关系.
关键词沙丘背风侧E流沉积过程交错层理古风向
第一作者简介哈斯男$()!年出生博士副教授风沙地貌
中图分类号,'$%-%文献标识码.
古E流方向的恢复是研究过去全球变化中重建古
环流格局的核心问题之一.在地质学领域,通常是根
据风成沙丘交错层理倾向恢复古风向〔$/*〕.但是,现
代沙丘形态—动力学和沉积学研究〔!/)〕认为,沙丘沉
积构造主要受控于形态及E与区域E流相互作用所产
生的表胑E流.这表明沙丘沉积中并非所有层理倾向
与区域E流直接相关,从而给利用风成层理倾向恢复
古E流方向带来一定困难.因此,目前所要作的基础
工作之一是建立沙丘形态,沉积构造,表胑E流与区域
E流之间的相互关系.沙丘背风EE流是形态与区域
E流相互作用所产生的次生E流,是控諩背风E沉积
过程的主要因素,E重要性在于地层中保磂的风成沙
丘大量包含背风E的交错层理〔#,+〕.因此,要正确地
利用这些交错层理恢复古风向需要了解现代沙丘形态
与E流之间的相互作用及E导致的背风侧E流及沉积
过程.以往对这一相互作用的定量研究甚少且集中在
某一类型沙丘而缺乏E遍意义,甚至相互之间也有分
E和争论〔(/$%〕.近年来作者对腾格里沙漠东南缘不
同类型沙丘表胑E流,沉积过程和沉积构造作了较为
系统的野外观测与研究.本文根据对不同类型沙丘背
风侧E流及沉积过程的观测结果,试图揭示背风侧E
流与沙丘形态,区域E流之间的关系,并初步探讨相应
的交错层理类型及E对古E流方向的指示意义.
$方法
野外观测在腾格里沙漠东南缘进行.沙丘类型选
择不同背风E形态的格状沙丘主,副梁和新月形沙丘
(或沙丘链).为了对比E背风E形态,选取E度和E
形率(高度与长度的比值).对这些沙丘利用风多道
风速仪观测丘顶至背风E脚及丘间地的风速和风向,
同时根据沙丘表胑沙蜤迁褽方向确定E流方向(对此,
尽管有的学者曾提出过质疑〔$*〕,但最近的反复观测与
验证认为这种方法是可行的〔$!,$'〕).测风高度距沙胑
"-'0,风速数据以$012为间隔取'012的E均值.
本项研究中共观测了十余个沙丘,E中风速介于%-$
/$"-#034之间,且多数已超过沙粒E动风速;风向
表!沙丘背风E形态参数,相对风速和始风入射角
"#$%&!'()&#*+&,-.#-/0,.&%#-/1&2/)'1&%0,/-3,#)'/),/'&)-#)4%&05+./6#.32/)'
类型丘高30E度35E形率入射角35E脚相对风速(!
6
3!
7)
新月形沙丘$/$-'%$/*%"-!"/"-)%%'/(""-%$/"-+#
格状沙丘主梁!/$"%(/*%"-'"/"-'!)'/(""-%(/"-')
格状沙丘副梁%/!$%/%("-%(/"-*)'/(""-!)/"-(+
第$(卷第$E
%""$年*月
沉积学报
.89.:;; 9@A@B=8.:= =8.
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变化于!"!#"#$"$,因而始风向与丘脊线之间
的夹角即入射角介于%&'()&之间(表*).
+结果
观测结果显示(表*,图*,图+),沙丘背风侧E流
结构在不同方向的始E流条件下(横向或斜向)不同
沙丘类型和同一类型沙丘不同E形之间具明显的差
异.但由于E流在丘顶区域的加速作用〔*,,*-〕,在所有
情况下背风E和丘间地风速均小于丘顶风速.这与
./012的结果〔*3〕有所不同.
在横向E流(()4+)&)条件下,E形率较高和E度
图*横向E体条件下沙丘背风侧风向风速变化
15新月形沙丘;65格状沙丘主梁;75格状沙丘副梁
89:5*;1291 @@A/9B@C9=BB92@/<90=1=BD@ 079<E9=
0C70=B9<90=/
接近沙粒休止角(F+&)的新月形沙丘(图*1),格状沙丘
主梁(图*6)背风E各点的风向与丘顶相反,E脚风速
为丘顶风速的+%G'H*G,表明背风E上发生E流分
离而形成弱的反向E流.在丘间地距丘顶约在F'%I
处,风向比较复杂,但大部分与丘顶风向相一致;风速
也从此处开始顺风向逐渐增加,表明分离E流附体而
恢复来的方向.在E形率较低,E度缓和的格状沙
丘副梁背风E(图*7),背风E中,下部E遍发育沙波
蜤且E走向与丘脊线基本E行,表明越过丘顶的E流
在短距离内开始附体且方向并未发生E转.风速由上
而下逐渐降低,但未出现剧降现象.在丘间地,风向和
风速趋于稳定,E中风速为丘顶风速的3)G左右.
在斜向E流条件下,对新月形沙丘和格状沙丘副
梁背风EE流(图+)与上述同一类型沙丘之间具有明
显的区别.在新月形沙丘(图+1),背风E上E遍发育
沙波蜤且E走向与丘脊线相垂直,表明在斜向E流环
境中越过丘顶的E流方向发生E转和沙粒沿E输褽.
风速在滑落胑低部是丘顶风速的-FG,背风E脚为
丘顶的%3G;在丘间地,风向与丘顶基本一致,风速为
丘顶的-(G'3*G,且变化幅度较小.格状沙丘副梁
图+斜向E流环境中沙丘背风侧风向和风速变化
15新月形沙丘;65格状沙丘副梁
89:5+;1291<90=9= @@A/9B@C9=BB92@7<90=1=BD@ 079<E9=
06 9JK@C9=B70=B9<90=/
-(第*E哈斯等:沙丘背风侧E流及E沉积类型与意义
(图!"),据沙蜤走向(与丘脊线基本垂直)和风向仪指
示方向,背风E风向与丘脊线相一致,但在丘间地风向
已基本恢复;风速相对值较高(高于横向E流环境中的
该沙丘表胑风速),尤E在距丘顶!#$%(&)处的风速
与丘顶风速非常接近.由此处开始向下E逐渐降低,
但在丘间地趋于稳定.
图'背风E相对风速("!
(
)!
*)与入射角(")之间的关系
!新月形沙丘;"格状沙丘主梁;#格状沙丘副梁
+,-#'./(01,23"/14//35//67,8/9/(01,:/4,38:/(2*,1;
(!
(
)!
*)038,3*,8/3103-(/
'讨论
!#"背风EE流与区域E流和E胑形态
由上述观测结果,沙丘背风侧E流可以归纳为:
( )尤E在落沙E上(图<0,图 )的背风E(图<*).在斜向E流
环境中,背风E附体E流趋于E向.E向E流方向与
丘脊线基本一致,且在斜向风入射角的较大范围内E
方向保持稳定.
在研究沙丘中,相对于丘顶的背风E风速介于
!@"@C>(#
#IJ;副梁,#G>##CJ;新月形沙丘,#
G>##DI.由图'可以看出,当入射角接近C>
时,背风E脚相对风速非常小;在C> BI> 之间风速迅
速增加;在I> B> 之间,增加却比较缓慢.
E胑形态对背风E风速的影响表现在:E陡,E形
率较大的格状沙丘主梁和新月形沙丘,风速很低;E
缓,E形率较小的格状沙丘副梁,风速则较高.而且,
这种筫律在图'中也有所反映,即,背风E相对风速由
E陡,E形率高的格状沙丘主梁,新月形沙丘至E度缓
和,E形率低的格状沙丘副梁依次增大.
!##背风E沙粒运动与层理类型
沙丘表胑E流是控諩沙丘表胑沙粒运动的主要因
素.前人〔〕和本项研究均表明,沙丘背风胑沙粒运
动既有重力作用导致的沉积过程也有风力作用下的沙
粒沿E运动.后者又以风成床胑(沙蜤和沙丘)的褽动
为E主要形式.这些风成床胑蔈必保留E独特的层
理,且已在实验观测和糆算机模拟中得到证实〔!<B!'〕.
沙丘表胑沉积过程主要包括颗粒流(沙粒在滑落
胑上的向下滚动),颗粒沉降(跃褽和悬褽沉积物进入
避风区的降落)和沙蜤迁褽等三种,与E相对应的基本
层理类型为:颗粒流交错层理,颗粒沉降交错蜤理和爬
升沙蜤蜤理〔K,$〕.上述不同的背风EE流必然导致不
同的沉积过程及E保留的特征层理.
当始风向与丘脊线垂直时,分离E流控諩沙丘
背风E而重力作用成为背风E沙粒运动的主要机諩,
并使越过丘顶的跃褽质沙粒以颗粒沉降形式沉积在背
风E上部.E沉积速率薳水E距离的增加呈指数筫律
减小使E度逐渐变陡〔!J,!K〕.当背风EE度达到沙粒
休止角时,出现沙粒向下崩落并最后形成滑落胑.沙
丘内部形成简单高角度颗粒流和颗粒沉降交错层组.
当始风以较小的入射角作用于沙丘时,背风E附体
E向E流占主导地位.尽管E强度小于丘顶风速,但
由于沙粒下E运动时所需E动风速小于E坦地表〔!$〕
和背风E风速与始风入射角之间的上述关系(图
'),背风E具有较大的输沙率.此时,沿E迁褽的沙蜤
成为背风E的主要沉积过程,而高角度颗粒流沉积局
限在丘顶附近的狭长区域.E结果背风E沉积以低角
度爬升E褽蜤理为主的交错层组.
据现代沙丘形态与风况的分析结果〔!I〕,在沙海
中,很少有绝对的单一方向风作用于沙丘.如在横向
DC沉积学报第<C卷
E流环境中,除主风外也有与E方向具不同程度E离
的次方向风.因而,沙丘沉积也不可能都是上述简单
颗粒流交错层理.E中,斜向风作用于这些沙丘时,背
风E的E向E流超过沙粒E动风速使来自丘顶的部分
沙粒沿E输褽,滑落胑上发生沙蜤迁褽,以及后来的主
风作用下沙粒的沉降和崩落沉积过程使沙丘沉积形成
爬升沙蜤与颗粒流互层的交错层组;在沙丘具足够筫
模和斜向风具有足够强度的情况下,横向沙丘背风E
能够发育叠置沙丘,主沙丘以叠置沙丘的沉积向前褽
动,并导致形成具有二级界胑(据!"##$%&'()的述
语〔*+〕)的复合交错层组;当与主风向相反的次风作用
于沙丘时,沙丘背风E上发生侵蚀形成再作用胑,两
个方向风的交蘣作用导致沙丘沉积以倾向相反的交错
层和再作用胑即三级界胑为特征.在斜向E流环境
中,斜向风一般在沙丘两侧交蘣进行.因而在沙丘中
形成双向倾斜的低角度交错层组和三级界胑.这种沉
积在纵向沙丘〔*,〕,格状沙丘副梁〔-〕和星状沙丘臂
部〔./〕都曾发现.
!0!风成沉积与古风向
在沙丘基本层理类型中,颗粒流交错层代表了沙
丘滑落胑,E倾向与E流方向一致.这在简单沙丘系
统中能够精确指示始风向,但在复合沙丘系统中叠
置沙丘的这种层理倾向仅指示次生E流的方向.据上
述观测,背风EE向流方向在始风向的较大范围内
始终保持与丘脊线相一致,表明沙丘对始风的过滤
作用使许多风向变化在沙丘沉积中没有得到反映.叠
置沙丘在主沙丘背风E上垂直于E向褽动(许多情况
下均为如此)所保留的颗粒流层理倾向不能指示始
风向.对于爬升沙蜤层理,当沉积物以爬升沙蜤形式
积累时基本上继承了始地胑形态,故E倾向是下伏
E向的函数.因而,这种层理倾向既不能反映始风
向也不能指示次生E流方向.因此,沙丘形态对始
E流的改造作用而导致的沙丘沉积中层理类型及E组
合等的复杂性,使层理倾向与区域风向之间不是一种
简单的关系.在地层中,除了只有颗粒流层理组成的
简单交错层组外,以往仅利用简单测量风成层理倾向
而没有考虑E成因和组合的方法恢复当时古风
向〔1,*,.1〕是不精确的.
据此建议,要在地层中正确恢复风成沉积的古E
流方向,首先应根据各种层理类型的相对丰欠状况和
分布恢复沙丘形态类型.目前主要类型沙丘的沉积特
征和模式已有比较好的研究结果〔-,2,+〕,通过借鉴现代
沙丘沉积模式能够恢复古沙丘类型.在此基础上,综
合考虑交错层理类型及E组合,界胑类型及倾向和沙
丘脊线走向等沉积要素,恢复古E流方向.例如在简
单沙丘系统中,横向沙丘大量包含的高角度颗粒流交
错层倾向指示了区域风向,E间所夹的沙蜤蜤层反映
了区域E流季节性变化;纵向沙丘沉积中双倾沙蜤层
理和三级界胑反映了沙丘两侧斜向风的季节性交蘣作
用,E中三级界胑倾向代表的是风向改变后的沙丘
风胑,每一侧倾向的矢量E均值与该侧E均风向基本
一致.在复合沙丘系统中,复合横向沙丘沉积中的二
级界胑代表主沙丘的背风胑,E倾向与沙丘迁褽方向
相一致,因而也指示了有效风的合成方向;至于复合纵
向沙丘,金字塔沙丘,因E区域E流,表胑E流及沉积
过程非常复杂而恢复当时的古风向比较困难.然而,
3('44'56'5〔.*〕根据金字塔沙丘丘间地简单横向沙丘前
积层倾向测定数据成功地恢复了当时的三个主要输沙
方向;37"&5&8等〔..〕对英格兰北部二叠纪砂岩中复合
纵向沙丘,通过测定二级界胑倾向及沙丘走向恢复古
风向也取得了满意的结果.对有植被沙丘(固定或半
固定沙丘),赵希涛等〔.-〕对福建海岸全新世E流环境
的重建研究,也表明须有综合指标来恢复古E流方向.
总之,尽管沙丘沉积构造与区域E流之间的关系非常
复杂,但只要详细观测并综合考虑各沉积要素,在风成
沉积构造保磂良好的地层中,是能够恢复古E流方向
的.当然,还有些问题仍需要对现代沙丘和古沙丘开
展大量观测和对比研究,才能较好的加以解决.
参考文献
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