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巴丹吉林沙漠及其高大沙山研究评述

本站小编 Free考研考试/2021-12-29
肖南,, 董治宝,, 刘铮瑶, 拓宇, 石寰宇陕西师范大学地理科学与旅游学院/行星风沙科学研究院,西安 710119

A review of the Badain Jaran Sand Sea and its megadune

XIAO Nan,, DONG Zhibao,, LIU Zhengyao, TUO Yu, SHI HuanyuSchool of Geography and Tourism/Planetary Aeolian Research Institute, Shaanxi Normal University, Xi′an 710119, China

通讯作者: 董治宝（1966-）,男,陕西榆林市人,教授,博士生导师,主要从事风沙物理与风沙地貌研究。E-mail: zbdong@snnu.edu.cn

收稿日期:2020-07-24接受日期:2020-09-2网络出版日期:2021-07-10
基金资助:中央高校基本科研业务费专项资金.2018TS071
国家自然科学基金.41871008
国家自然科学基金.41930641
国家自然科学基金.41871011
国家自然科学基金.41571008


Received:2020-07-24Accepted:2020-09-2Online:2021-07-10
作者简介 About authors
肖南（1992-）,男,湖南涟源市人,博士研究生,主要从事干旱区资源与环境研究。E-mail: nanxiao1992@outlook.com







摘要
亚洲内陆干旱化是国际古环境研究的热点问题。巴丹吉林沙漠是亚洲内陆第二大流动沙漠,拥有世界最高大的风积地貌——沙山,是亚洲内陆干旱化研究的重要载体。沙山的形成演化与其所在沙漠的环境变迁有关,且真实地记录了区域与全球的气候变化。沙山形成过程研究应从区域地质和环境演化入手。本文从地质演化、环境演化、沙漠沉积、沙漠水文、沙山地貌和沙山形成发育等6个方面阐述了有关巴丹吉林沙漠的高大沙山、沙漠湖泊和沙漠自身的形成演化。认为构造-气候事件是亚洲内陆干旱化的一级控制,地球运行轨道变化是二级控制。自新构造运动始至其趋缓,构造-气候事件始终是巴丹吉林沙漠环境气候的主控因素,地球运行轨道变化也起很大的作用。此时西风环流是中国北方沙漠带环境气候的主要驱动力。新构造运动趋缓后,地球运行轨道变化是中国北方沙漠带环境气候的主控因素,青藏高原对大气环流的影响逐渐显现,东亚季风环流是该地区环境气候的主要驱动力。古水说可以很好地解释沙漠湖泊水的来源问题,沙漠湖泊是通过浅层的地下水路依靠保存在地下的古水来相互补给的。宏观上沙漠湖泊是风蚀湖,高大沙山的维持与沙漠湖泊之间不存在必然的因果关系。风成说可以较好地解释沙山的成因。未来的重要研究方向之一是将沙山、沙漠及其演化一同进行研究,重建沙山和沙漠的演化历史,并探讨它们之间的关系。
关键词： 沙山地貌;形成;演化;气候;巴丹吉林沙漠

Abstract
The inland aridification in Asia is a hot topic in paleoenvironmental research. The Badain Jaran Sand Sea is the second largest mobile sand sea in the Asian inland. It has the world′s highest aeolian landforms—megadune. Thus, it is an important carrier for the study of inland aridification in Asia. The formation and evolution of megadune are related to the environmental changes of the sand sea where they are located. Megadune recorded the regional and global climate changes. Therefore, the study on the formation and development of megadune should start from regional geology and environmental evolution. This paper expounded the formation and evolution of megadune, lakes and the sand sea itself in the Badain Jaran Sand Sea from six aspects: geological evolution, environmental evolution, sedimentology, hydrology, megadune landforms, and the formation and development of megadune. It is considered that for inland aridification in Asia tectonic/climatic events are the primary factor and the Earth′s orbital changes are the secondary factor. From the beginning of the neotectonic movement to its slowing down, tectonic/climatic events had always been the main factor controlling the climate in the Badain Jaran Sand Sea, and the Earth′s orbital changes had also played a significant role. At that time, the westerly circulation was the main driving force of the climate for these areas. After the moderating of neotectonic movement, the Earth′s orbital changes were the main controlling factor of climate in the sand sea belt of northern China. The influence of the Qinghai-Tibet Plateau on atmospheric circulation had gradually emerged. The East Asian monsoon circulation was the main driving force of climate in this region. In addition, effective moisture was controlled by summer monsoon, while winter monsoon dominated aeolian activities. These were different from the unified model under the action of westerly circulation. The paleo-source recharge hypothesis can better explain the origin of lake water. Lakes are replenished by the ancient water preserved underground through shallow underground waterways. On the macro level, lakes are wind-eroded lakes. Thus, there is no inevitable causal relationship between lakes and the maintenance of megadune. The aeolian hypothesis can better explain the formation of megadune. One of the important researches in the future will be to reconstruct the evolutionary history of megadune and sand seas and to explore the relationship between them.
Keywords：megadune landforms;formation;evolution;climate;the Badain Jaran Sand Sea


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本文引用格式
肖南, 董治宝, 刘铮瑶, 拓宇, 石寰宇. 巴丹吉林沙漠及其高大沙山研究评述. 地理研究[J], 2021, 40(7): 1887-1901 doi:10.11821/dlyj020200713
XIAO Nan, DONG Zhibao, LIU Zhengyao, TUO Yu, SHI Huanyu. A review of the Badain Jaran Sand Sea and its megadune. Geographical Research[J], 2021, 40(7): 1887-1901 doi:10.11821/dlyj020200713


1 引言

风沙活动是重要的地表过程之一,是一种贴近地面的风沙两相运动[1]。而风沙地貌的发育涉及地球各个圈层,同时也记录了全球变化的信息,因此,需要在地球系统科学的思想下进行研究,这也会对其他学科具有重要推动作用[2,3,4,5]。

亚洲内陆干旱区是世界面积最大、最典型的中纬度非地带性内陆干旱区[3]。亚洲内陆干旱化是国际古环境研究的热点问题,与构造-气候事件联系紧密,如副特提斯海消亡、青藏髙原隆升、新生代全球降温和亚洲风沙（尘）沉积[6,7,8]。大型沙漠的出现标志着现今内陆干旱环境的形成[3]。

巴丹吉林沙漠是亚洲内陆（也是中国）第二大流动沙漠[7,9],拥有世界上最高大的风积地貌——沙山,也是全球唯一发育密集分布的高大沙山群的沙漠[6,10]。较其它记录而言,其形成演化能够更为直接客观地反映内陆干旱化的历史[3,7,8]。因此,作为内陆干旱化研究的重要载体,其在沙漠第四纪地质学、沙漠水文学和风沙地貌学等领域,尤其是西风环流与东亚季风环流在中国西北地区的变迁史具有重要的研究价值[6,7,8]。

沙山是在长期大尺度的地质和环境演化中形成的,其形成发育与特定的古地理环境背景有关,且真实地记录了区域与全球的气候环境变化[6,11,12]。巴丹吉林沙漠高大沙山是古气候和古环流历史的重要记录,与亚洲内陆干旱化紧密相关[6]。因此,将沙山的形成发育与区域地质和环境演化相联合是沙山形成过程研究的切入点[13]。高大沙山的研究主要集中于沙山的沉积物、形态和形成过程等方面[14]。虽然这些问题密切相关,但研究工作各有侧重,风沙地貌****着重关注沙山的形态及其形成过程。

本文从地质演化、环境演化、沙漠沉积、沙漠水文、沙山地貌和沙山形成发育等6个方面阐述了有关巴丹吉林沙漠的高大沙山、沙漠湖泊和沙漠自身的形成演化历史。未来的重要研究方向之一是将沙山、沙漠及其演化一同进行研究,重建沙山和沙漠的演化历史,并探讨它们之间的关系。

2 地质演化

额济纳-巴丹吉林坳陷盆地的基底在新构造运动（如青藏运动、昆黄运动和祁连山-阿尔金山运动）的作用下发生掀斜抬升,形成由东南向西北倾斜的大地构造特征[15,16]。

第四纪期间,由于盆地主要是在中生代-新近纪盆地的基础上发展起来的,因此具有明显的继承性,其演化明显受盆地边缘的山前断裂带的控制[15]。自早更新世以来,总的趋势为地壳大幅度沉降,而盆地边缘的山地则遭受强烈剥蚀。上新世-早更新世的构造抬升运动形成了苏泊淖尔Ⅱ级湖积阶地[17]。闫满存等[13]推测,高大沙山下部的古沙山大致形成于末次间冰期以前的早-中更新世。最新研究表明,截至1.2 Ma,本区的沉积间断终止并开始沉降,这标志着额济纳-巴丹吉林坳陷盆地就此形成,现代意义的巴丹吉林沙漠出现于1.1 Ma [7,8]。1.10~0.62 Ma,沙漠形成并不断扩张[7]。中更新世（750±60 ka）发生了明显地构造抬升,形成东、西居延海间的台地[17]。620~470 ka,沙漠收缩,但地表景观依然以沙漠为主[7]。中更新世-晚更新世（470~120 ka）,沙漠再次扩张,并在后期逐渐收缩[7,16]。古沙山发育形成,其形成时间与祁连山第1和第2次冰期相对应,且与共和运动（150~100 ka）有关。

149±60 ka之后,即中更新世-晚更新世,共和运动等形成了黑城冲湖积台地[16,17]。闫满存等[13]推测,末次间冰期时,大部分沙山已达到60~150 m的高度。更新世晚期-全新世早期（78~9 ka）,沙漠显著扩张,进入全面发育阶段[7,16,18]。高大沙山上部的新沙山大致形成于末次冰期以来,其形成时间与祁连山第3次冰期相对应,约20 ka以来风成沙沉积加快,新沙山发育形成,这标志着高大沙山就此形成,即高大沙山在末次冰盛期开始出现[7,13,16]。末次冰期后,第四纪早期的松散沉积物遭受风蚀[19]。全新世中期以来,沙漠快速发展并逐渐达到现今规模[7, 16, 18]。

3 环境演化

干旱化是本区新生代以来的最显著特征。冰期-间冰期的变化和大气环流改变所导致的祁连山气温与降水的变化,促使黄河与内陆河流发育[16]。第四纪以来,中国西部沙漠区的气候变化与祁连山冰川的消长关系紧密[20,21,22]。

古近纪-新近纪,本区处于气候干旱的湖盆环境[23]。沙漠湖泊可能形成于上新世晚期-更新世早期,即沙漠湖泊的形成时间早于沙漠的形成时间[16]。青藏高原大面积隆升后,西风环流及其所携带的水汽显著受到了阻挡,本区气候更趋干旱多风[24, 25]。

自第四纪以来,巴丹吉林沙漠存在4个湿润阶段：MIS 13-15、MIS 5、MIS 3和早中全新世[26],但总的趋势是向干旱气候发展[15,23]。1.2 Ma之前,即沙山基底最新地层上新世红黏土层形成之时,沙漠具有温暖湿润（14~22℃）的沉积环境[7,13]。1.2~1.1 Ma,沉积环境较之前冷干（10℃以下）,气候波动频繁,近地面风力加强[7]。1.10~0.62 Ma,气候冷干化进一步加剧。620~470 ka（MIS 13-15）,沉积环境转为暖湿,发育了中更新世以来最大的湖泊。中更新世-晚更新世（470~120 ka）,沙漠再次扩张,但后期逐渐收缩。

自晚更新世以来,河湖水系萎缩并逐渐消亡[24,25]。晚更新世的末次间冰期（120~78 ka, MIS 5）,东亚季风进一步增强,气候转为暖湿,沙漠腹地湖泊再次发育[7,10,16,18,23,27-31]。河流径流量增大,沙漠西北部的古日乃湖-拐子湖地区发育大湖泊[16]。末次冰期早冰阶（79.3~66.8 ka, MIS 4）,气候冷干,冬季风盛行,雨水较少,沙漠湖泊盐度升高[10]。

末次冰期间冰阶（MIS 3）,总体上本区的气候相对暖湿[10,28,29, 32-36]。66.8~41.0 ka,雨水增加,沙漠湖泊扩张[10]。40~30 ka,沙漠内发育钙质胶结层[32,33,34]。内蒙古西部的年平均气温比现今高2~3℃,中国西北大部分地区的年降水量也比现今的高,为60~300 mm[34]。其变化原因为,地球岁差的周期性变化导致中低纬度地区入射辐射增加,这又使太平洋和印度洋的海表温度（Sea Surface Temperature, SST）增加,海陆热交换和蒸发增强,空气湿度增加,天文因素引起了地球运行轨道的变化,从而导致西风环流增强,促使中国西北部水汽增加。末次冰期盛冰阶（MIS 2）,气候相对干冷,沙漠湖泊收缩,湖水盐度升高[10]。晚更新世,河流由面状泛滥逐渐转为现今在河床内流动,随着径流量的减少和冬季风的加强,古日乃湖-拐子湖地区的大湖泊逐渐萎缩干涸[16]。末次冰期后,气候向干旱方向发展[19]。苏泊淖尔Ⅰ级阶地沉积物中保存有古沙丘,这说明晚更新世气候曾经一度恶化[17,37]。

10 ka以来,气候总体由湿润向干旱转化,这与北半球全新世以来太阳辐射的不断减弱相关联[37]。且亚洲中部干旱区有效水汽的变化与亚洲季风区有效水汽的变化是反相的[38,39]。早全新世（11~8 ka）,气候虽然从之前的干旱在向湿润方向转变,但仍很干旱。8.6~6.3 ka,气候最为湿润,7.7~5.3 ka,年降水量为200 mm,虽然存在短期的干湿波动,但出现了一直持续到全新世中期（4 ka）的高于现今湖面20~30 m的大湖泊[29,31,35,37,40-43]。苏泊淖尔Ⅰ级阶地形成于早中全新世,为干旱气候下湖泊萎缩所形成的气候阶地[17]。全新世中期,强烈的夏季风使得中国北方整个沙漠带的有效水汽增加较多[23,37,42,44]。天鹅湖湖积阶地的形成说明,5 ka之后的一段时间气候相对适宜[17]。全新世中期（4 ka）以来,气候总体趋于干旱[16,17,31, 37,40-43]。河流流量出现波动式衰减,并出现大量干河床,人类活动逐渐增加,沙漠快速发展。2 ka以来,重建的华北水汽及气温的变化趋势似乎不能解释风沙记录的变化,即风沙活动与百年尺度的气候变化之间没有任何有意义的相关关系[45]。这可能是由风沙系统对气候变化响应的复杂性[46]、重建的气候波动的不确定性和人类的干预导致的。Gates等[47]认为,700 a以来本区的地下水补给历史可以广泛反映青藏高原北部几十年至百年尺度的降水变化,而且东亚夏季风强度的变化可以影响沙漠的补给率。

巴丹吉林沙漠的古环流模式主要有5种假说：① 东亚季风说。认为晚更新世末次间冰期,甚至第四纪以来主要受季风环流支配[18,48-50]。② 西风说。认为即使在末次冰期,西风环流影响仍然显著[34,42,44,51]。③ 西风-东亚季风说。认为末次间冰期及其以前的早-中更新世上空为中纬度西风环流主导,近地面盛行风为西风,次为西北风,河湖水系较发育;晚更新世末次冰期以来上空为东亚季风环流主导,近地面盛行风为西北风,次为西风,风沙活动居主导地位[13,28]。风向改变是青藏高原大面积隆升后西风环流受阻加强与东亚季风环流增强的具体体现。④ 冬季风-西风说。认为末次冰期时控制沙漠北部地区气候的环流并非西风环流,而是蒙古高压,且较现今明显增强,即冬季风强度增大,西风环流的位置较现今偏南,因此盛行西北风,有别于现今盛行西风[52]。⑤ 西南季风说。认为来自印度洋的西南季风对沙漠东南缘地区的气候起主导作用,即青藏高原隆升对该地区的气候影响巨大[10]。

近地面风矢量主要受盛行风等大气环流的影响,局部地形特征会对其进行调整[11,53-55]。Sun等[56]重建的60 ka以来东亚冬季风强度的千年尺度变化与格陵兰的温度变化广泛相关,说明温度为其共同的驱动力。使用耦合气候模型模拟研究了伴有北大西洋淡水增加的大西洋经向翻转环流的减弱对季风系统的影响,发现这些变化使得黄土高原上空的向其输送粉尘的冬季风加强,而东亚夏季风降水减少。因此,大西洋经向翻转环流是东亚冬季和夏季季风系统突变的驱动因素。此外,连接了北大西洋与东亚气候的西风环流与西伯利亚-蒙古高压的变化可导致两地气候的改变。因此,西风环流在将此信号从北大西洋传送到亚洲季风区的过程中起了关键作用。随后,王丰年等[57]也认为,东亚季风可受到北大西洋气候的显著影响。

太平洋十年涛动（Pacific Decadal Oscillation, PDO）描述了北太平洋的SST,PDO的变化可导致格陵兰的气候发生改变,进而影响北大西洋的气候,西风环流可将此变化传输到东亚季风区,并诱发东亚季风气候发生快速变化[58]。

4 沙漠沉积

由山前至盆地中央,本区的岩性从山麓堆积逐渐转变为河湖相沉积,具有明显的分带特征[15]。盆地周边山地和盆地基底出露的地层多为海西期和燕山期-印支期岩浆岩,少量为太古代-元古代深变质岩,局部上覆中新生代碎屑岩[16]。

构造和气候都对地表侵蚀产生影响,进而使地貌发生改变,且对区域侵蚀速率而言,构造活动是一级控制[59]。对巴丹吉林沙漠出露花岗岩中宇宙成因核素10Be和26Al进行探测,发现平均侵蚀速率为7.3±2.6 m/Ma,比其他稳定构造背景下的极端干旱地区高出1个数量级,这主要是晚更新世以来的风蚀和周期性的暖湿气候所致。

巴丹吉林沙漠的平均沉积速率为0.2 m/ka,其中,20~9 ka地层的沉积速率最高,为2.4 m/ka,9~0 ka地层的沉积速率为0.6 m/ka[7]。放射性核素210Pbuns-CRS测定的现代平均沉积速率的分布范围为（0.16~0.57）cm/a,137Cs测定的沉积速率在（0.05~0.60）cm/a之间,且测定的沉积速率具有自沙漠腹地向边缘递增的趋势[60]。

巴丹吉林沙漠表沙和苏宏图盆地红色沙丘表沙的源岩主要为长英质花岗岩、花岗闪长岩和类花岗岩的混合,物源区构造背景为大陆岛弧环境[61]。但二者具有不同的物源,苏宏图盆地红色沙丘沙主要来自阿尔泰山-蒙古戈壁。

对巴丹吉林沙漠进行了年侵蚀质量（7.8万 t/a）的估算,尽管侵蚀速率较高,但基岩侵蚀只为沙漠贡献了少量的沉积物,这说明大量的外源物质输入到了沙漠[59]。胡凡根[61]的研究表明,沙漠的物源主要为祁连山和阿尔泰山-蒙古戈壁风化碎屑物质的混合。沙漠的最终物源主要为青藏高原祁连山,因此,巴丹吉林沙漠是青藏高原祁连山重要的沉积汇。

一方面,众多祁连山风化碎屑物被流水带至黑河冲积扇,在风的作用下这些冲积扇物质持续被输送到巴丹吉林沙漠[61]。黄河与内陆河流形成后,流水作用使得河西走廊和额济纳-巴丹吉林坳陷盆地普遍沉积了红色-杂色陆相碎屑沉积物和第四纪河湖相沉积物[16]。第四纪以来,黑河水系的变迁为沙漠的发育供应了大量的沙物质[13]。盆地内堆积的第四系厚度>450 m,主要为灰黄色疏松-半固结陆相堆积[15]。1.2~1.1 Ma,本区发育戈壁沉积[7]。临近的祁连山等山地的2~3次冰期致使沙漠普遍堆积了冰碛砾石层[23]。晚更新世,黑河流域的河（洪）水使得盆地沉积了30~50 m厚的河湖相细粒沉积物,其是沙漠的主要物质来源[16];还围绕着盆地边缘沉积了砂砾卵石层,其以不同的宽度时有时无地出现,构成现今广阔平坦的准平原戈壁滩地貌景观[15,16,61]。

另一方面,沙漠北部的阿尔泰山的物质和蒙古戈壁的河湖相沉积物被流水和风带至额济纳盆地,最终在风力作用下被搬运到巴丹吉林沙漠[61]。然而,阿尔泰山-蒙古戈壁沉积物对巴丹吉林沙漠的贡献较小,且主要集中在沙漠北部。

5 沙漠水文

沙漠水文研究包括沙漠湖泊和与之相关的地下水和沙山水分（包气带水）,应用的方法有水文地质调查、水文化学分析及同位素水文学分析等[14]。研究目标均聚焦于湖水的来源,可归纳为4种假说：① 大气降水补给说。认为沙漠湖泊的主要补给源是当地大气降水和降水入渗所形成的地下水,沙山是主要的储水体[20,41,62-64]。② 远源补给说。认为湖水来源于祁连山和青藏高原等遥远地区的降水和冰雪融水[65]。③ 近源补给说。认为湖水来自沙漠周边地区,例如西部的黑河和南部山前的洪积扇[66,67]。④ 古水说。认为过去甚至是地质历史时期湿润气候期的大气降水是湖水乃至地下水的水源,在气候湿润期形成大湖,因气候恶化湖泊不断萎缩,目前为残存的小湖泊[7,10,26,28]。

地表径流与地下水是使中国西部现今极端干旱区绿洲和湖泊存在的绝对控制因素[68]。额济纳盆地的地下水和水资源（或潜在水资源）是以地表径流补给为主,以地下水补给为辅,其水位和水量的变化是区域蒸发、蒸腾和水资源利用的综合反映。而巴丹吉林沙漠,尤其是其东南部众多的湖泊区,则是以地下水补给为主,以古水为辅。稳定同位素分析表明,湖水与现代补给之间没有联系[69],甚至浅层潜水与深层承压水互不相通[67]。Yang等[42]认为,局地和区域的降雨对维持中国沙漠地区的湖泊至关重要,尤其是在年平均降水量>100 mm的时期。在不同的地质和环境背景下,沙漠与沙漠湖泊之间的快速变化表明,中国的干旱区是非常敏感的短暂系统,并不像以前认为得那样持久。随后,Wang等[43]的研究表明,温暖湿润的气候与地下水补给的增加是沙漠湖泊群在百年和千年尺度上维持与发展的关键因素。

丘间地高程可以指征与沙漠湖泊有关的地下水水位的高度[33,70]。探地雷达（GPR）图像揭示了水位层的存在[28]。GPR连续次水平反射所显示的水位与沙山和沙漠湖泊密切相关[71]。音频大地电磁的电性剖面显示,沙山底部富含水,沙漠湖泊之间的地下水路相通,湖泊可以通过地下水进行补给[72]。Qian等[73]的研究发现,GPR剖面清析地记录了水位由沙山下面逐渐升高至沙山顶部,这意味着沙漠湖泊至少部分是由当地的地下水补给的。

尽管气候干旱多风,但是GPR显示,干湿沙界面大致平行于沙山表面,其深度在沙山下部接近地表,而在沙山中上部在20~30 m之间变化[74]。Qian等[73]利用GPR发现,在不到1 m的干沙层之下有湿沙存在。湿沙的露头和GPR图像上的水平层理表明,沙山内部的水分潜力不同[71]。

6 沙山地貌

宏观上顺主风向（西北向）,巴丹吉林沙漠的风积地貌依次为新月形沙丘、新月形沙丘链、复合新月形沙丘、复合新月形沙丘链、高大沙山和星状沙丘,沙丘形态从简单演化为复杂,从小型发展到巨型[13,28,75,76]。将此沙丘的空间分布序列转换到时间坐标轴上,则形成了可以反映沙丘形成时间的序列,这样一种时空互换的序列可以直观地对沙丘形成发育的整个过程进行分析和研究[13,28,76]。具体表现为沙漠西北部的沙丘较年轻,而东南部的较老,即风积地貌是随着沙丘发育时间和沙源丰富度的增加而演变的。

沙山形态学的研究还处于起步阶段。分形地貌学可以用来描述风积地貌的延展性和复杂性[28,77]。分维数随沙山高度的增加呈增大趋势,即沙山的复杂程度随高度的增加而提高[77]。巴丹吉林沙漠的高大沙山主要分布于沙漠中部和东南部,面积占沙漠总面积的1/2以上[13]。除沙山脊线可反映因风向而导致的变化外,主风向塑造的高大沙山的整体形态很稳定。

沙山的迎风坡和缓,在其上部约1/3处有一个坡度变化：下部坡度为10~15°,上部坡度为24~27°[13]。迎风坡表面发育次生的新月形沙丘（链）和横向沙丘,其延伸方向与沙山的延伸方向基本一致。

根据沙山形态和沙山地层中钙质胶结层是否发育或钙质根管的发育程度,可将沙山划分为古沙山和新沙山两部分[13]。宏观上,古沙山和新沙山之间明显地存在一条连续、起伏和缓且颜色较暗的标志层。古沙山位于沙山下部,体积庞大且稳定性好,高度一般在50~200 m之间,约占沙山总高的3/4。其迎风坡常见残留的钙片和钙质根管的残体。钙质胶结层较为发育,一般厚1~10 mm,主要沿交错层理面发育,这使得古沙山的交错层理非常清晰,因此其为识别新老沙山的首要标志之一。新沙山位于沙山上部,高度约占总高的1/4,近顶部为现代流动沙丘。其钙质胶结层不发育,但钙质根管发育。

7 沙山形成发育

高大沙山的形成过程漫长,支持其形成过程的直接证据难以获得,因此,对其形成过程的描述长期基于推测,主要有3种假说：下伏地形控制说、地下水维持说和风成说[5,14]。

（1）下伏地形控制说。认为沙山的巨大规模是由其下伏地形造成的。即流沙覆盖在下伏基岩上从而形成高大沙山[78,79]。为了证实下伏基岩的控制作用,Yang等[80]对高大沙山进行了重力探测,结果表明有的沙山有下伏基岩,而有的沙山则没有,且有下伏基岩者位于沙漠南缘,距山地较近。白旸等[29]在沙漠南缘用GPR进行了探测,结果显示在流沙覆盖区内下伏地形平坦,古湖相沉积层下伏于风成沙,下伏基岩在沙山的形成过程中不起支撑作用。

（2）地下水维持说。认为沙山是靠地下水在沙山内部的不断向上输送来维持的。高大沙山之所以存在,是因为沙山含水较多,在沙山很高的部位甚至在其顶部都有较高的水分含量,沙山上部有植物生长就是对这一点的证明,沙山的水分是靠湖泊水通过毛管作用在沙山内部不断向上输送来维系的[65]。沙漠湖水来自遥远的青藏高原北部的祁连山或更远的地区,高原的现代降水或大型湖泊的渗漏水进入小断裂,再汇入阿尔金深大断裂,通过SSW-NNE向的深部断裂带向沙漠湖泊区进行补给。

（3）风成说。认为沙山的成因与沙丘的成因一样,均是由近地面风形成的,并无其他特殊的因素。Dong等[81]将地貌格局分析法引入到沙山地貌的研究当中,发现各种尺度的风积地貌呈现一致的地貌格局特征,说明其成因相似,即动力条件一致——风,在近地面风力作用下,各种风积地貌呈现出典型的自组织行为。随后,白旸[28]修正了沙山高度与沙山间距之间的关系（但仍为经验公式）。这些地貌格局特征与全球其他沙漠的沙波纹及横（或纵）向沙丘（山）等的地貌格局特征也具有很好的一致性[81]。

谭见安[19]认为,高大沙山的流沙上覆于古老的钙质胶结层。杨小平[32]的研究表明,高大沙山的中下部存在古沙山,且其表面发育因古时强降水和蒸腾作用而形成的致密钙质胶结层。闫满存等[13]认为,西风环流带来了相对丰沛的降水,这使得河湖水系较为发育,沙山中的碳酸钙大量淋溶。而且沙山的形成时间越久远,其钙化程度越高。GPR剖面的衍射双曲线显示,以钙质胶结层为特征的古沙山参与了高大沙山的维持[71]。音频大地电磁的电性剖面显示,古沙山存在不透水的钙质胶结层[72]。

实际上,沙山的增长过程为新沙丘在原有老沙山的基础上不断地进行叠置[13]。张伟民等[21]认为,气候暖湿期（间冰期）时,沙山主要通过钙质胶结层来固定其表面,从而使其基座增大;气候冷干期（冰期）时,在钙质胶结层上又发育次一级的沙丘,经过若干次气候反转变化后,最终发育成高大的复合型沙山。

然而,任伟等[72]认为,沙山下面的地下水因蒸腾作用而上升,因碰到古沙山的钙质胶结层而受阻。钙质胶结层向沙山迎风坡倾斜,故而水蒸气向沙山背风坡逃逸,由沙山背风坡底部蒸发出来,凝结在沙子表面。由于当沙子的含水率>4%时,沙子抵御风蚀的能力会明显加强[1]。于是抵达沙山顶部的沙子更易于在沙山顶部停留而不是滚落下去,从而促使高大沙山不断发育[72]。

事实上,高大沙山的维持与沙漠湖泊之间不存在必然的因果关系[68]。Bai等[71]的GPR研究显示,沙山的主要沉积过程与横向沙丘相似,但因次生沙丘的叠置,其输沙与沉积机制更为复杂。其顶部结构与星状沙丘的结构相似,即沙山顶部为垂直加积。此外,GPR图像还揭示了古沙山的存在[28]。现代风积沙层厚度从沙山迎风坡下部的<1 m,中部的>2 m,到上部的9 m表明,在现今条件下高大沙山的高度仍在继续增加[82]。沙山迎风坡下部及邻近湖盆以侵蚀作用为主,沙山中-上部以风力堆积为主,沙山上部的现代风积沙来自沙山迎风坡下部或湖盆,沙山背风坡下部以重力堆积为主[28, 82]。

GPR探测剖面显示,沙山的中、上和顶部发育有许多平行于古坡面的层理,这可能是因为古降水所形成的平行于表面的湿沙层和其下伏与上覆沙层的固结程度或密度不同[74]。随后,Qian等[73]利用GPR也发现,沙山迎风坡存在大量准均匀间隔的层理,层理面与沙山背风坡坡面平行,其倾角与干沙的休止角一致。此现象的原因为,沙山背风坡表面的沙子与周期性的降水胶结为层状层理,钙质胶结层可能会导致更多的局部补给水（即渗透水）流向沙山背风坡而不是迎风坡。钙质胶结层作为沙山的“骨架”,增加了沙子的机械强度,从而促使高大沙山不断发育。数值模拟的雷达剖面精确地再现了观测剖面,这有力地支持了沙山内部结构的合理性。该机制可能是维持沙漠湖泊在非常干旱的高蒸发率的环境中存在的关键之一。

8 结论与展望

8.1 结论

构造-气候事件是亚洲内陆干旱化的一级控制,以米兰科维奇旋回为代表的地球运行轨道变化是二级控制。巴丹吉林沙漠的形成与演化记录了亚洲内陆的干旱化。以青藏髙原隆升为代表的新构造运动使得青藏高原与中国西北各大山地及其邻区产生了大量的剥蚀物质。在大地构造上,巴丹吉林沙漠位于一个长期比较稳定的沉积区内。由于几乎不受构造事件的影响,如此长的时间使得大量的外源物质输入到了沙漠[59],形成了全球最高大的风积地貌——沙山[6,10]。

以米兰科维奇旋回为代表的地球运行轨道变化使得地球表面的入射辐射发生变化,该变化可通过PDO的变化导致格陵兰的气候发生改变,进而影响北大西洋的气候,而西风环流与西伯利亚-蒙古高压连接了北大西洋与东亚的气候,因此,西风环流可将此变化传输到东亚季风区,并诱发东亚季风气候发生快速变化[56,58]。

自以青藏髙原隆升为代表的新构造运动始,至以共和运动结束为代表的新构造运动趋缓,构造-气候事件始终是巴丹吉林沙漠环境气候的主控因素,地球运行轨道变化也起很大的作用。沙漠的MIS 13-15和MIS 5湿润阶段,是同期中国北方沙漠带气候湿润的缩影,说明此时西风环流是中国北方沙漠带（包括巴丹吉林沙漠）环境气候的主要驱动力,即既是温暖湿润气候的提供者,又是寒冷干旱气候的制造者,其强弱变化直接控制沙漠环境的进退。同时也说明,此时东亚季风环流对该地区的影响还不是很强。

新构造运动趋缓后,地球运行轨道变化是中国北方沙漠带（包括巴丹吉林沙漠）环境气候的主控因素,青藏高原对大气环流的影响逐渐显现。中国北方沙漠带（包括巴丹吉林沙漠）时有时无地发现MIS 3湿润阶段的证据,且沙漠的降水量及湖泊数量都自东南向西北减少,这些均说明隆升后的青藏高原极大地削弱了西风环流对这些地区的影响,从而使得东亚季风环流成为中国北方沙漠带（包括巴丹吉林沙漠）环境气候的主要驱动力。然而,东亚季风环流是季节性的,且其影响范围十分有限,尤其是夏季风。这使得这些地区的有效水汽不再像西风环流那样可以持续大量地进行补给,从而加剧了干旱化。此外,还形成了夏季风控制其有效水汽,而冬季风掌控风沙活动的格局,这不同于西风环流作用下的统一模式。

根据上面的结论,由于西风环流与西伯利亚-蒙古高压连接了北大西洋与东亚的气候,因此,西风环流可将由地球运行轨道变化所产生的改变传输到东亚季风区[56,58]。于是,当西风环流变弱时,东亚季风环流尤其是夏季风就转强,反之亦然。因此亚洲中部干旱区有效水汽的变化与亚洲季风区的变化是反相的[38,39]。这说明中国的干旱区是非常敏感的短暂系统,沙漠与沙漠湖泊之间在不断地快速转换,并不像以前认为得那样持久[42]。

就沙漠湖泊个体来说,其见证了沙漠环境气候的演变。目前的年降水量难以平衡强烈的蒸发[83,84];沙漠周边的山地能否明显地增加降水尚需要观测。因此,古水说可以很好地解释湖水的来源问题,即湖水乃至地下水来自于地质历史时期湿润气候期的大气降水。然而,这只是从宏观的尺度上讲的,有关中微观方面的研究,尤其是量化沙漠湖泊的消长及其条件目前仍很薄弱。

受东亚季风环流的控制,沙漠的降水量及湖泊数量都自东南向西北减少,但盆地的基底却是由东南向西北倾斜[15,16]。这说明沙漠内部不存在巨大的深层导水构造。钻孔研究发现沙漠发育有巨厚的第四纪松散沉积物;众多的研究表明,沙漠湖泊之间的浅层地下水路是相通的。这说明大量的古水保存在地下深厚的沉积物中,而非在沙山的内部,沙漠湖泊是通过这些浅层的地下水路依靠保存在地下的古水来相互补给的。

沙山迎风坡下部及邻近的湖盆是以侵蚀作用为主,沙山中-上部以风力堆积为主,沙山上部的现代风积沙来自沙山迎风坡下部或湖盆[28,82];顺主风向沙丘形态从小型发展到巨型,且沙漠湖泊的数量也在增多。这说明宏观上沙漠湖泊是风蚀湖。因此,高大沙山的维持与沙漠湖泊之间不存在必然的因果关系[68]。

下伏地形控制说看似可以说明沙山宏大的规模,却不能解释沙丘空间分布序列和规律的地貌格局特征等问题,此外,时有时无地探测到下伏地形使得其更受质疑。因此,广大沙漠腹地的沙山很可能与下伏基岩无关。作为地下水维持说的核心之一的毛管作用能够达到何种程度仍需要深入研究和论证。综合来看,风成说可以较好地解释沙山的成因。

沙山形成过程研究应从区域地质和环境演化入手。沙山拥有巨大的沙量,这表明对沙山来说沙源丰富度并非首要的限制因素。因此,在供沙充足的情况下,中更新世-晚更新世,构造-气候事件叠加地球运行轨道变化使得古沙山得以发育。新构造运动趋缓后,由于地球运行轨道的变化,末次冰期出现,新沙山开始发育,至晚更新世结束,新沙山发育完成,这标志着高大沙山就此形成。

沙山内的钙质根管等少量钙质沉积物的成因可能是,远古时期的极端降水导致沉积物中的钙质发生淋溶,并顺植物的根系向下运移,植物死亡后形成钙质沉积的管状物。而钙质胶结层的成因可能为,地质历史时期湿润气候期的大气降水致使沉积物中的钙质发生大量淋溶,向下运移并胶结在已沉积的沙子上或充填进沙子的孔隙内,这刚好使得原有的沉积层理清晰地显示出来,而非湿润与干旱气候交替所致。钙质胶结物与裸沙相比更易潮解,因而沙山内部因保留了少许湿润气候期的降水而较为湿润。沙山虽然高大,但其内部的沉积物仍未固结成岩,因此,较为致密的钙质胶结层也并非完全不透水,但其对沙山内部水分输移的作用仍不是很清楚。

沙山地貌的形成演化可概括为,当气候寒冷干旱时,强风使得沙漠的沉积速率加快,沉积的物质粒径较粗,沙山快速生长;当气候温暖湿润时,风速较小,沙漠的沉积速率减缓或停滞甚至转为负,沉积物粒径变细,沙山缓慢增大或维持原貌甚至被削减。同时,沙山的不断演化也反作用于气候及大气环流。经过若干次气候反转变化后,沙山达到了现今如此宏大的规模。

8.2 展望

沙山的形成演化与其所在沙漠的环境变迁有关,并真实地记录了区域与全球的气候变化[6,11,12]。因此,未来的重要研究方向之一是将沙山、沙漠及其演化一同进行研究,重建沙山和沙漠的演化历史,并探讨它们之间的关系。还原论试图通过单颗沙粒运动和群体沙粒（风沙流）运动来理解沙丘的形成,然而风沙运动和风沙地貌的形成过程均是高度非线性的,这使得传统的基于还原论的研究方法、野外观测与模拟实验和基于归纳法与演绎法的区域综合研究暴露出局限性,因此需要整体论的补充[4]。重建沙山和沙漠的演化历史正是在地球系统科学的视野下进行综合判断推理,因此其在探索风沙科学研究方法的道路上向前迈出了重要一步,给发展缓慢的风沙科学注入了新鲜血液,风沙科学的许多理论和研究方法等将迎来重大革新。

地貌与气候是自然环境的两个最主要的基本要素[3]。在综合集成研究中,应着力研究风成沉积（有无和厚度）和湖泊（水位高低）等与温度（冷暖）、湿度（干湿）和风力强度（强弱）等之间的关系。其中,最容易忽视的指标就是风力强度。由于近地面风况和沉积物是风沙地貌形成与发育的两个最基本条件[4],风成沉积的出现常与风力强盛和干旱相联系。然而,风沙活动与温度和湿度的关系还需进一步探究,如温带沙漠与热带沙漠的区别与联系。就巴丹吉林沙漠而言,在与温度和湿度变化有关的冰期-间冰期旋回中,其风沙活动的具体变化过程还未达成一致。其中一个很重要的原因是,寒冷或干旱的气候不一定产生风成沉积,因为该气候条件的风力不一定很强盛。这是由于近地面风况主要受控于大气环流[11, 53-55]。

大气环流的运行模式以及其与气候变化之间的关系是未来风沙科学乃至地学的重要研究方向之一。地球运行轨道变化使得地球表面的入射辐射发生改变,从而引起了大气环流的变化。各种时空尺度的大气环流强烈影响局地乃至区域的气候特征,进而改变这些地区的地貌特征。地球各圈层的相互作用实则为各种物质与能量的循环,因此应在地球系统科学的视野下进行综合判断推理,阐释机理,配置要素,实现过程,重建格局。

未来的研究应采取采集或定位观测-定量化分析-模型模拟-预测相结合的现代化研究手段和方法,建立星空地定位观测体系,达到理解过去,把握现状,预测未来的目标[3]。应建立可靠的长时间高分辨率年代序列,大力发展数值模拟研究,探寻更好的研究方法及探测手段,并结合模型模拟研究,在各时空尺度下进行四维、数字化、高时空分辨率、多源数据和多领域研究,精细刻画沙丘（山）及沙漠的形成演化过程,逐步完善形成演化机理的假设检验,重建世界各大沙漠的演化历史,按照“机理-要素-过程-格局”的综合研究模式来扩充与丰富风沙科学的理论与实践。

致谢：

真诚感谢二位匿名评审专家及编辑在论文评审中所付出的时间和精力,评审专家及编辑对本文文章结构和措辞表述方面的修改意见使本文获益匪浅。


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自然地理学是地理学的基础学科,也是地理学综合研究的基石。本文在梳理自然地理学主要研究进展的基础上,思考了新时代自然地理学的发展方向。在全球环境变化驱动下,自然地理学及其分支学科在传承中得到新的发展。自然地理学近年来的研究进展主要表现为自然地理过程综合与深化、陆地表层系统集成、陆海相互作用和区域生态环境管理应用等方面。自然地理学及其分支学科的发展需要面向全球环境变化和人类需求,探索应用新技术新方法,开展多要素多过程集成研究,发展并完善地理模型,模拟和预测环境变化与可持续发展,服务于国家重大需求和政府决策。在发展过程中,亟待关注以下前沿领域与方向：①地貌学需要重点加强地貌学与全球环境变化及人类活动关系研究;②生物地理学有待深化属性地理学、全球变化生物地理学等前沿领域的探索,连接变化背景下的生物地理空间分布与人类需求;③水文学需要开展多要素、多过程、多尺度的综合集成研究,发展生态水文学、社会水文学、水文形态学等新兴学科领域;④自然地理学有待全方位介入气候变化研究,在气候变化国际重大研究计划、气候变化框架公约等方面发挥更加积极的支撑功能;⑤综合自然地理需要面向国家重大需求,聚焦人地系统耦合研究,在资源环境承载力评估、生态安全格局与生态文明建设等领域作出积极贡献;⑥自然地理学需深化耦合自然与人文要素及过程研究,建立发展复杂系统模拟模型,分析和模拟变化环境下的自然、人文要素耦合机制和陆地表层系统动态变化规律。
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风是除流水之外塑造地球景观的第二大流体,以其为外营力形成的风沙地貌在全球干旱区广泛分布,超过40%的全球陆地面积受风沙地貌过程的影响,与人类生存环境存在着密切的关系,19世纪末以来受到国际学术界的持续关注。中国干旱半干旱地区广泛发育风沙地貌,但风沙地貌研究比国际研究晚半个多世纪,始于20世纪50年代后期。本文总结了新中国成立70年来中国风沙地貌学发展的3个阶段：初创阶段（1949—1977年）、充实发展阶段（1978—1999年）和国际化研究阶段（2000年至今）。现在中国风沙地貌研究的水平整体与国际并行,部分领先。中国具有重要国际影响力的风沙地貌研究工作包括沙丘移动规律、风沙地貌区域综合研究、中国独特风沙地貌发育演变过程、戈壁地貌学研究、沙丘二次流以及地外星球的探索研究。中国风沙地貌学研究有在未来领跑国际研究的潜势,但风沙地貌学家必需有4个方面的战略思考,即综合集成、地球系统科学引领、全球视野和深空时代的发展。
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The Badain Jaran Desert in northern China is well known for the highest mega-dunes on Earth and unique alternating megadune-lake landform, and various formation mechanisms have been proposed. Although the relics of interdune lakes are generally considered as good palaeoenvironmental records, their evolutions and relevance to paleoenvironment change are poorly understood due to limited age control. In this study, quartz optically stimulated luminescence (OSL) and K-feldspar post-infrared infrared stimulated luminescence (pIRIR) were used to establish a chronological framework for limnic relics in order to reconstruct the evolution of interdune lakes. Our results indicate that limnic relics were deposited in MIS 5 and MIS 1, due to a lake level transgression and humid environmental condition. During the Holocene, humid conditions occurred at early to middle Holocene, immediately preceded and followed by aridity. The last 600 years have been characterized by high rates of aeolian activity. Based on field observation and luminescence ages, we propose that climate fluctuations since the Late Pleistocene have played a pivotal role in the formation of the unique landform assemblages.

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Both tectonics and climate affect surface erosion and change the landform. Long-term surface erosion rates determined by in situ produced cosmogenic nuclides are useful quantitative constraints for landform evolution in geological time scale. Measurements of cosmogenic Be-10 and Al-26 in the granitic rocks exposed in the Badain Jaran Desert, give a mean erosion rate of 7.3 +/- 2.6 m/Ma, which is an order of magnitude higher than those reported in other extremely arid regions. Tectonic activity is supposed to be the first order control on regional erosion rate by comparing the 10Be erosion rates of arid regions with different precipitation ranges and tectonic activities worldwide. However the higher erosion rates in the Badain Jaran Desert compared with other arid regions within the stable tectonic background were attributed to the wind erosion and periodically warmer and wetter climate since late Pleistocene. Besides, the estimated eroded mass flux of 7.8 x 10(4) t/y suggests that erosion products of bedrocks in the Badian Jaran Desert only contribute minor desert deposits, which indicates massive exogenous materials input to the desert.

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