, 宋友桂Dust accumulation processes of piedmont loess indicated by grain-size end members in northern Ili Basin
LIYue, SONGYougui通讯作者:
收稿日期:2017-11-17
修回日期:2018-11-5
网络出版日期:--
版权声明:《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
基金资助:
作者简介:
-->
展开
摘要
关键词：
Abstract
Keywords：
-->0
PDF (3517KB)元数据多维度评价相关文章收藏文章
本文引用格式导出EndNoteRisBibtex收藏本文-->
1 引言
中亚地处欧亚大陆中纬度地区的中部,从里海向东延伸到中国的东天山。该地区远离海洋,并且处于亚洲高山的雨影区,因此成为世界上最干旱的地区之一。干旱的气候条件有利于地表风蚀过程的发生,促使大量粉砂粒级的颗粒很容易被风从地表吹扬起 来[1],因此粉尘的搬运成为中亚地区重要的地表过程,这使得中亚干旱区成为世界上主要的粉尘源区之一[2]。当前,该地区的粉尘通量占到了全球年平均粉尘排放量的7.5%[3],甚至达到了16%[4]。中亚位于不同气候系统的过渡地区,例如,已有的研究表明,该地区可能受到亚洲季风[5,6]、中纬度西风[7]、北极极锋[8]的影响,因此中亚干旱区也是全球气候变化的敏感区。在“一带一路”建设中,中亚地区也是丝路经济带的核心区域之一。因此,研究中亚的环境变化不仅对认识干旱区气候变化历史具有重要意义,而且对促进中亚区域可持续发展和丝路经济带建设具有重要的现实意义。
作为地质历史时期粉尘记录的黄土沉积物[2]在中亚地区有着十分广泛的发育,更重要的是,它是记录晚新生代古气候与古环境变化的良好的信息载体[9,10,11,12,13]。而其中,粒度是黄土沉积最基本的物理特征,是了解其搬运和沉积过程的重要依据,对揭示古气候和环境变化具有重要的指示作用。黄土粒度分布及粒度参数的变化特征被广泛应用于古气候的重建中[14,15,16,17,18,19,20,21,22,23]。对黄土的粒度进行分析可以了解黄土沉积期间的风动力状况[12, 24-25],源区与沉积区的距离[26],粉尘传播路径[27]以及古大气环流状况[28]。但是作为自然界经受极大分选作用的风成沉积物,黄土沉积的粒度落到了十分狭窄的范围内[11, 29],这就使得通过对粒度来反映风强、距离源区的远近以及源区干旱度过于简单化,因为风成沉积物的粒度分布特征是各种不同影响因素共同作用的结果[30],使用简单的统计学描述会掩盖一些细节性的信息[30]。因此通过黄土粒度来准确地重建古气候变化,就急需更加细致和先进的粒度分析方法[30,31]。近年来,随着粒度研究方法的不断探索,基于不同的操作平台（R语言、Microsoft和Matlab）的粒度频率分布曲线分离模型逐渐发展起来[15-16, 32-38],不同的粒度端元可以指示不同的大气搬运机制、模型和搬运距离[14]。目前,主要有两种不同的粒度分布曲线分解方法：参数法和非参数法[34]。前者认为当搬运介质和搬运方式一定、并且介质动力大小稳定时,它所搬运的沉积物总体是一个单因子控制的单组份分布[38,39],而自然界大多沉积物是受一种或者几种不同的搬运方式、动力类型控制,因而产生了多组分、多模态粒度分布特征,在频率曲线上表现为多峰光滑曲线;后者认为不同物源和搬运过程的组合通常具有分选性,它们偏爱某些粒级,这样有助于沉积物向不同的粒度范围分化,优选出具有某一特征的粒级组合,因此将每个端元本身视为由不同混合和分选过程所影响的初始模态[34]。近些年,聚类分析也被引入到沉积物粒度分析中,它能够用于识别不同的沉积单元,以及黄土—古土壤序列中的粒度群集,其结果类似于非参数法[30]。
在伊犁盆地内黄土沉积广泛发育[40],主要分布在盆地内伊犁河及支流（巩乃斯河、喀什河等）的各级阶地、山麓地带以及沙漠的边缘区域。在盆地南部,黄土分布的最高海拔为1700~2100 m;而在北部,黄土分布最高海拔由西部的1200~1600 m上升到东部的1800~2600 m。黄土的厚度在几米到200 m不等,这可能跟伊犁盆地内巨大的地形特征有关。盆地内复杂多变的地形能够影响到粉尘传播的路径和堆积条件[35, 41],因此伊犁盆地是研究黄土粉尘堆积过程的很好的天然场所。不同地形或者地貌背景下黄土沉积的发育情况之间的对比,有利于深入了解粉尘的搬运和堆积条件,进而为现代沙尘天气的治理提供科学依据。本文主要对位于伊犁盆地北部,北天山南麓的两处发育于不同地形条件下的黄土剖面进行了粒度分析。由于沉积速率是代表干旱度的指标[42],因此笔者重点选取了两个剖面中沉积速率最高的层段进行了聚类分析和参数化粒度曲线分析,这样可以减小沉积后成壤作用对黄土沉积物粒度的影响,从而可以用来代表最接近原始粉尘颗粒堆积的情况。通过对比研究两者各端元的差异,揭示伊犁盆地北部黄土粉尘的粒度组成、搬运和沉积动力特征,进而了解该地区黄土的堆积过程。
2 研究区与剖面概况
天山山脉位于亚洲大陆中部,总体上近东西向延伸,它横贯中亚诸国,从乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦等国,向东至中国西北的新疆维吾尔自治区中部,绵延近2500 km。伊犁盆地是在天山造山带所夹持的微地块上发展演化而成的山间叠合盆地,其现今垂向结构为自下而上由中、新元古代变质基底、石炭纪裂谷火山岩系变形基底和二叠纪以来的盆地沉积岩系组成的3层结构,南北向剖面形态总体为两侧造山带相对向盆地逆冲的对冲构造几何学样式,伊犁盆地内部则呈现为二山三盆的复杂次级山盆构造组合（图1）。伊犁盆地（80°E~85°E;42.5°N~44.5°N）位于中亚干旱区的东部,横跨哈萨克斯坦的东南部和中国的西北部。盆地以南北天山为界,呈现向西开口的喇叭状（图1）,地势东高西地,海拔在500~780 m a.s.l.。盆地内伊犁河向西北方向流入巴尔喀什湖,流域总面积为151.2×103 km2（其中中国境内为94.5×103 km2）[40]。强烈的地表风主要发生在4-7月,风向一般是西、西北、西南。冬季为蒙古高压所控制,夏季受印度热低压影响,高空一年四季盛行西风[43]。虽然该地区位于欧亚大陆中部,远离海洋,属大陆中温带气候。但是其特殊的向西敞开的喇叭形的地形有利于来自大西洋的西风气流和乌拉尔南下的北风气流进入。而受到地形的阻挡作用,形成较丰富的降水,使本区成为多雨区,但降水分布很不均匀,东多西少,山区多平原少,西部平原仅200~500 mm,东部山区最大降水带大于800 mm。据新疆地面气候统编资料[44],伊犁地区地面主要以山谷风为主,其中东风频率最高,而大风主要为西风和偏西风,在3000 m以上的高空,常年盛行西风[43]。上述地形和气候,为伊犁地区风成黄土堆积提供了有利条件。
尼勒克（NLK）（83.25°E、43.76°N）与清水河（QSH）（80.51°E、44.29°N）黄土剖面位于北天山南麓地带（图1）。NLK剖面位于盆地东部喀什河上游二级阶地上,厚20.5 m,顶部海拔1558 m;QSH剖面位于盆地西部,同样堆积在河流阶地上,厚10.1 m,海拔为981 m。具体的剖面描述参见文献[45,46]。2009-2013年间,尼勒克年平均降雨量为353.76 mm,而靠近清水河剖面的伊宁市年平均降雨量为272.67 mm（数据来自中国气象科学数据共享服务网：http://data.cma.cn/）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1研究区剖面的位置图
-->Fig. 1Map showing the locations of the studied loess sections
-->
3 研究方法
3.1 样品的选取
如上文所述,为了减小沉积后成壤作用对沉积物粒度的影响,笔者选取尼勒克与清水河黄土剖面中沉积速率最大的层段（图2）。尼勒克剖面选取8~17.5 m层段,其沉积速率为150 cm/ka[47];清水河剖面选取2~10 m层段,其沉积速率为256 cm/ka[45]。尼勒克剖面以2 cm为间隔采样,本文从其中选取了476个样品进行粒度测试;而清水河剖面以5 cm为间隔采样,本文从其中选取了160个样品进行粒度测试。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2尼勒克与清水河黄土剖面的光释光年龄—深度模型(灰色阴影区代表沉积速率较大的层段)
-->Fig. 2Age-depth models of Nilka and Qingshuihe loess sections (Grey shaded areas represent the selected intervals with highest sedimentation rates)
-->
3.2 粒度分析
粒度测量在中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室的粒度实验室进行,仪器为Mastersizer 2000型激光粒度仪。其测量范围为0.02~2000 μm,共获得100个粒级的百分含量数据,测试结果将给出每一个粒度组分的百分含量。重复性测试表明粒度的测试误差< 2%。粒度测量前处理方法按照Lu等[48]的方法,具体测量步骤如下：① 称量3~5 g左右的待测样品,加入烧杯。② 向装有待测样品的烧杯里面加入5 ml浓度为10%的双氧水,放入电热板上加热除去样品中的有机质。③ 待有机质除尽后,向烧杯里面加入浓度为10%的盐酸,除去碳酸盐,待反应完全后将烧杯取下放在实验台上静置24 h。④ 达到静置时间后,抽掉烧杯上层清澈液体,然后加入10 ml 5%的六偏磷酸钠溶液作为分散剂,将其在超声震荡仪里面震荡5 min左右以达到充分分散的效果。⑤ 将充分分散的待测液在粒度仪上进行测量。
3.3 聚类分析
粒级组分的聚类分析在SPSS软件中进行。将测量的粒度数据输入软件,以样品号为行,以100个粒级组分为列,使用平方Euclidean距离来绘制层状聚类树。3.4 粒度频率分布曲线的参数化端元分析
对于参数化粒度分布曲线分解法,在早期的研究中研究者利用正态分布函数来描述不同的端元[49,50]。21世纪初期,孙东怀等[38]将Weibull函数引入到粒度曲线分解中,并且产生了比正态分布函数更小的拟合残差,表明拟合度更高。然而该方法仅是对单个样品的粒度分布曲线进行分解,没有考虑到粒度分布的地质背景,因而可能并不能很好的对每个端元的成因进行具有物理意义的解释[51,52,53]。因此本文使用一种新的广义Weibull函数参数化粒度端元分析方法（该方法具体的理论和计算过程参见Paterson等[51]）。使用这种方法得出粒度端元组分是基于大量的粒度数据（至少8个样品）来计算的,这也就使得每个端元的解释在统计学和物理学的意义上更具可描述性。4 结果
4.1 粒度频率分布特征
图3为尼勒克与清水河黄土剖面所选层段中样品粒度频率分布热图。结果表明：两个剖面黄土粒度分布都显示为正偏态,在频率分布曲线中表现为有一个细颗粒的尾巴。但是清水河剖面高沉积速率层段的粒度明显比尼勒克剖面粗,并且分选性较好。尼勒克黄土粒度的众数粒径在底部较小（17.5 m）,而后向上逐渐增大,并保持稳定。众数粒径变化范围为15.02~47.51 μm,平均值为29.64 μm。根据Folk等54]的方法计算的分选系数σG的变化范围为2.59~3.43,平均值为3.09;清水河黄土粒度的众数粒径未出现很明显的变化,在上部（2~2.7 m）相对较小。。众数粒径变化范围为53.30~84.48 μm,平均值为63.89 μm。分选系数σG的变化范围为2.24~3.11,平均值为2.70。黄土颗粒按照粒径大小可以分为粘粒（< 5 μm）、细粉砂（5~16 μm）、中粉砂（16~32 μm）、粗粉砂（32~63 μm）以及砂粒（> 63 μm）。尼勒克黄土颗粒粒度主要以细粉砂和中粉砂为主,两者之和位于41%~72%;粗粉砂的含量变化范围在11%~28%之间,平均为21%;粘粒含量较多,为9%~25%,平均为14%;砂粒组分变化于2%~21%,平均为11%。在清水河剖面中,黄土则以砂粒为主,位于23%~59%,平均值占到了40%;其次为粗粉砂,变化范围在21%~32%,平均值为27%;中粉砂含量（6%~25%）类似于细粉砂（7%~18%）;粘粒含量（4%~8%）明显比尼勒克黄土少,平均值仅为6%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3所选择层段的黄土样品的粒度频率分布热图(a. 尼勒克黄土剖面;b. 清水河黄土剖面)
-->Fig. 3Heatmap showing the grain-size frequency distributions of the selected intervals (a. Nilka section; b: Qingshuihe section)
-->
4.2 基于聚类分析的分布特征
通过层状聚类分析,尼勒克与清水河黄土都被分为两类群集（图4）。尼勒克剖面的群集1包括91个样品,其众数粒径变化范围为15.02~33.63 μm,平均值为23.44 μm;群集2包括385个样品,其众数粒径变化范围为26.72~47.51 μm,平均值为35.84 μm。清水河剖面的群集1包括17个样品,众数粒径位于53.30~67.10 μm,平均值为59.95 μm;群集2包括143个样品,众数粒径位于47.51~84.48 μm,平均值为67.82 μm。与粒度频率热图所反映出的结果一致,尼勒克剖面中具有较小众数粒径的群集1主要来自于所选层段的底部,而清水河剖面中具有较小众数粒径的群集1主要来自层段的上部。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4层状聚类分析结果
-->Fig. 4Results of hierarchic cluster analysis
-->
两个剖面的每个群集样品数量都已符合新的参数化粒度端元分析方法的要求。
4.3 基于端元模型的分布特征
在使用广义Weibull函数进行参数化粒度端元分析时,线性相关性（linear correlation）与角偏差（angular deviation）被用于确定各群集黄土的粒度端元数量（图5）,以便对数据做出很好的统计学意义上的解释。线性相关性越大,角偏差越小,参数化粒度端元与样品粒度曲线拟合程度越好。线性相关性表示端元拟合值与实测值之间的线性拟合程度。在各个群集中,端元数量从1变为2和从2变为3时,线性相关系数R2值分别出现相对剧烈的增加和缓慢的增加（图5）。考虑到在对粒度端元进行解释时需要最小的端元数量,因此根据线性相关系数可以将粒度端元模型的端元数量确定为2,此时每个群集的R2值都超过0.95（在95%的置信度上）,表示总体拟合程度较好。从角偏差来看,当端元数量选取为2时,尼勒克群集1对应的角偏差数值仍然在5以上,而其他三者的该值已经基本小于5（图5）,因此综合线性相关性与角偏差的变化,本文将尼勒克群集1黄土的粒度端元数量确定为3,其余群集的确定为2。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5尼勒克与清水河黄土剖面各群集参数化粒度端元数量的选取
-->Fig. 5Determination of number of parametric end-members for each cluster of the Nilka and Qingshuihe loess sections
-->
图6中展示了各个群集中不同黄土端元粒度分布及其相应的众数粒径。众数粒径指的是样品中的高含量粒级所对应的粒径大小,相对于平均粒径和中值粒径来说其更好地反映了混合动力来源的特征,具有更大的成因意义[55]。在尼勒克剖面,群集1中的端元1具有1.69 μm的众数粒径,处于粘土粒级范围内,端元2的众数粒径为15.02 μm,属于细粉砂粒级,而端元3的众数粒径为37.74 μm,到达粗粉砂粒级;群集2仅具有两个粒度端元,端元1的众数粒径为4.75,属于细粉砂粒级,而端元2的众数粒径与群集1的端元3相同,为37.74 μm。在清水河剖面,两个群集都具有两个粒度端元,群集1中的端元1具有16.86 μm的众数粒径,已属于中粉砂粒级,端元2的众数粒径为59.81 μm,处于粗粉砂粒级范围内;群集2的端元1众数粒径为29.97 μm,已达到中粉砂粒级,而端元2的众数粒径属于细砂,为75.29 μm。在各群集中,端元1呈现低矮的峰态,粒度分布范围较大,分选较差;其他端元具有相对尖锐的峰态,分选较好。清水河剖面的两个群集中各个端元的众数粒径都要大于相应的尼勒克剖面。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6尼勒克与清水河剖面各群集黄土的参数化曲线分解结果
-->Fig. 6Results of the parametric curve-fitting by applying Gen. Weibull for each cluster of the Nilka and Qingshuihe loess sections
-->
5 讨论
5.1 黄土粒度分布的端元混合模型及其指示的沙尘活动
沉积物的粒度主要受搬运介质、搬运方式、沉积环境和气候等多种因素控制,对揭示古气候和古环境变化具有重要的指示作用。近年来,粒度分析在风成、湖泊、河流、海洋及冰碛物等沉积环境的鉴别和对比中都有广泛的应用[56,57,58,59,60]。而本文与前人研究的不同之处在于首先使用聚类分析的方法将具有相似粒度分布特征的样品划分到不同的群集,然后分别对各个群集的粒度分布曲线进行分解。这样既可以满足对粒度端元在统计学意义上的解释的要求,又能将不同大气动力系统条件下的粒度端元组分充分识别出来,避免了对全部样品一起分析时对细节性信息的掩盖。由于使用激光粒度仪和沉降法获得的粘土、粉砂和砂粒级之间的界限存在差异[61],因此本文使用4.6/5.5 μm作为粘土粒级的上限,以26 μm作为细粉砂的上限,以52 μm作为粗粉砂的上限。在尼勒克群集1和群集2中,可以发现两者都缺少众数粒径在砂粒级的组分。砂粒级组分是靠近或者发育于河流阶地之上的黄土沉积物的典型组成成分[15],例如在中国黄河与湟水、多瑙河、密西西比河附近堆积的黄土沉积物普遍出现众数粒径为75 μm的端元组分[28, 62-64]。砂粒级组分主要以跳跃式搬运的方式由附近的源区沉积到黄土剖面[11]。然而尼勒克黄土即使在高沉积速率堆积时期也缺少砂粒级端元,这主要取决于物源物质的可及性。尼勒克剖面位于喀什河的上游,缺少可用的砂粒级等相对较细的粒度组分,存在更多的可能是砾石组分。另外,即使是在特大风暴中,砂粒级组分可以从远源被搬运,但是尼勒克剖面相对较高的海拔（1558 m）在一定程度上会阻碍砂粒级组分的搬运和堆积。
在尼勒克群集1中,发现一个众数粒径在1.69 μm处的端元组分。类似的峰在前人使用单一样品进行粒度曲线拟合时已被识别出来[65,66],这可能与沉积后的成壤作用有关。也有研究者认为具有该粒级的组分可能以颗粒聚合体的形式或者吸附在粗颗粒上被搬 运[14, 67]。然而将该粒级组分在黄土中的比例同较粗组分的的比例做了相关性分析,得出相关系数R2为0.036,因此认为不存在相关性,该粒级组分并不是吸附于粗颗粒或者以颗粒聚合体的形式被搬运。尽管风化作用可以产生超细的颗粒,但是他们的粒径一般不会大于1 μm[68,69],甚至有研究认为化学风化作用对粒径大于0.3 μm的粉尘颗粒不会产生很大的影响[35]。群集1的黄土样品来自高速率沉积层段在实验前处理过程中已经将易受风化的碳酸盐和有机质成分去除,因此群集1中众数粒径为1.69 μm组分不是风化或成壤作用的产物,更可能是受高空气流的远距离搬运而来。
尼勒克群集1端元2对应于细粉砂组分,其来源于与地表风有关的“非风暴过程”[70]。通过对塔里木盆地南部现代风沙过程的观测,发现在沙尘暴过后,? 20 μm粒级组分的含量随浮尘出现时间的增加而增加[71]。因此该粒级组分很可能是以浮尘的形式出现,当风力减弱或停止后,便逐渐沉降下来,因此它的含量与风强没有关系[67]。来自吉尔吉斯斯坦天山北麓的现代粉尘记录显示,即使是众数粒径在~10 μm的细粒级组分也会以单矿物颗粒的形式沉降下来[72]。这也证实了尼勒克群集1的端元2组分作为大气粉尘的背景出现,并且很可能是以浮尘方式存在并逐渐沉降下来。端元2组分在群集1黄土沉积物中占59.65%,而端元1和端元3分别占13.98%和26.37%。因此端元2是群集1黄土发育期间主要的粉尘来源形式。当风暴事件出现频率减小,风力减弱时,相应的黄土沉积物粒度减小,此时堆积的粉尘主要是大气粉尘的背景。
群集1的端元3和群集2的端元2对应于粗粉砂粒级。Sun等[36]认为这部分较粗的组分（众数粒径范围为20~50 μm）代表着不连续的沙尘事件。来自现代粉尘沉降事件的观测也发现这一组分来自低空悬浮云[42, 73-74]。因此这一组分以低空或近地表悬浮云的方式在尘暴季节出现[29],并且传播距离为数十公里[15]。尽管这一组分也出现在群集1黄土中,但是其并不是组成黄土沉积物的主体部分（26.37%）,因此相对于群集2来说,这一组分在群集1中出现的频率较低,即沙尘暴天气在群集1黄土发育期间没有频繁出现。
Smalley等[75]认为冰水沉积物与河流冲积平原是粗粉砂组分的主要源区,我们的结果似乎也证实了这一点。尼勒克剖面距伊犁盆地西部的现代沙漠（萨雷阿西克阿特劳沙漠、莫因库姆沙漠、克孜勒库姆沙漠）千余公里,因此这些沙漠可能对该组分没有很重要的贡献[76]。而喀什河与伊犁河的下游冲积物可能提供了重要的粗粉砂粒级组分。
尼勒克群集2中的端元1属于粘土粒级,这一组分一旦被风吹扬起来便不容易再沉降下来,往往能够被搬运至距离源区数千公里外的地区,并且通常是在高空传播[11, 29, 77-78]。在黄土高原地区,相应的粘土粒级组分的众数粒径出现在2~8 μm的范围内[36, 41],被认为是由高空大尺度的环流从远源将该组分搬运至沉积区。但是也有研究者认为该粒级组分是在沉积后的风化和成壤作用过程中产生[22, 79-81]。Sun等[41]认为风化作用很少能影响到风成沉积物中~2至10 μm的粒级组分。如前文所述,风化作用亦不会对该粒级组分产生较大的影响。而根据前人的研究[36, 39, 41, 82-83],也可以排除该粒级组分以聚合体或者依附于粗颗粒的方式传播。因此群集2的端元1亦主要是通过高空气流传播,例如高空西风[36, 41],并且很可能是以湿沉降的方式堆积下来。因为这一粘粒组分仅出现在尼勒克剖面中,处于降雨较少的开阔的河流冲积平原地区的清水河剖面则缺少这一组分。
清水河群集1的端元1与尼勒克群集1的端元2相似,因此其亦属于非风暴过程中产生的粉尘,即此粒级组分以浮尘的方式存在并逐渐沉降下来。与尼勒克剖面不同的是,清水河两个群集出现了砂粒级组分（众数粒径分别为59.81 μm和75.29 μm）。如上文所述,砂粒级组分是靠近或者堆积于河流阶地上的黄土沉积物的典型组成成分。砂粒级一般以跳跃式的方式传播,并且来自于临近的物源,西部远源的沙漠物质不可能为黄土沉积物提供砂粒级物质。因此同样是位于河流阶地上,砂粒级组分在清水河剖面的出现说明了清水河黄土的源区不存在可用物源物质受限的问题。Smalley等[75]认为河流在黄土形成的过程中扮演着十分重要的角色。随着水流搬运距离的增加,水流携带的颗粒物会发生相互碰撞,从而产生更多可用的细颗粒物质[84]。同时喀什河、巩乃斯河与特克斯河作为三大支流最后汇入伊犁河,清水河剖面位于伊犁河的河流阶地上,因此上游的支流也会为伊犁河提供更多可用的黄土物源物质。而本文两个剖面的对比证实了此观点。
清水河两个群集中端元2所占比例相似（分别为60%和56%）,说明沙尘暴发生的频率没有太大差异。而在物源物质充足的情况下,两个端元2不同的众数粒径可能反映了风力强度的大小不同。
尼勒克与清水河的群集2中都缺少细粉砂粒级组分（浮尘）。细粉砂粒级组分的缺少可能由两种原因来引起：① 较高的风速阻碍了细粉砂颗粒物质的沉积[14];② 细粉砂颗粒物质沉积后再悬浮[85,86,87]。然而在上文中提到,作为浮尘形式出现的细粉砂粒级组分一般出现在沙尘天气之后,与风强没有明显的关系,因此本文更倾向于第二种解释。Sweeney等[85]认为,地表的植被可捕获风成颗粒,在植被较为稀疏的条件下,黄土沉积物很容易被风挟持,故植被在黄土粉尘的堆积过程中扮演着非常重要的角色[14, 35, 88]。因此在气候条件较为恶劣的环境中,风强增加的同时,两个剖面没有较好的植被覆盖（植被覆盖度至少没有各自群集1黄土发育期间好）,这也就为细粉砂粒级组分的重新悬浮提供了有利条件。
5.2 伊犁盆地北部粉尘堆积的概念模型
根据上文对不同地形和气候条件下的黄土剖面进行粒度端元分析,判别出了黄土沉积过程中的多种搬运介质,揭示了地形和气候条件对粉尘堆积的影响,由此建立了一个关于伊犁盆地北部粉尘堆积的概念模型。Iriondo等[89]考虑现代全球模式,将主要的粉尘搬运系统分成了4种不同的类型：① 直接与一般大气环流模式相联系的系统;② 季风搬运;③ 大陆性反气旋;④ 中尺度的区域风。根据上文对不同粒度端元的解释,笔者认为两种类型的搬运系统对伊犁盆地北部粉尘的搬运起到重要作用。一个是高空西风,另一个是普遍发生于开阔谷地内的中尺度区域风。伊犁盆地西部的荒漠戈壁（远源）受地面风的影响,其包含的细小的粘粒组分被风带至高空,然后加入到高空西风环流中,并随其向东传播。该粒级的颗粒物质一旦被吹扬起来,便很难沉降下来,除非是作为水汽的凝聚核形成雨滴,然后以湿沉降的方式沉积到地表（图7）。这样高空西风挟持的粘粒在经过伊犁盆地降雨较少的西部的河流冲积平原时,并不会发生沉降,而是继续向东传播（图7）。随着盆地内地势增高,降雨增加,造成了粘粒组分在盆地的东部随雨滴一起降落至黄土沉积区。然而黄土剖面所在地区的中尺度区域风才是黄土沉积物形成的重要搬运介质。沙尘暴天气中的区域风将较粗的颗粒物质从近源搬运至当前的黄土沉积区（图7）。这其中,地形与河流对物源物质可用性具有十分重要的影响：在河流上游的狭窄河谷中,邻近的物源区并不能提供足够的砂粒级的颗粒,风只能从相对较远的源区（数十公里远,可能位于喀什河的下游）将粗粉砂粒级的颗粒搬运至黄土沉积区（图7）。在特大风暴中,砂粒级组分可以从远源被搬运,但是相对较高的海拔也足以对砂粒级组分的搬运和堆积起到一定的阻碍作用;而在河流下游相对开阔的河流冲积平原上,可用源区沉积物的粒度分布范围较宽,区域风暴环境下不仅可以将粗粉砂颗粒,而且还能将砂粒级颗粒带至沉积区。风暴过后,一些在风暴过程中被扬起的细粉砂颗粒（浮尘）开始慢慢沉降下来,随着时间的推移,细粉砂组分在黄土剖面越积越多,并且在区域风相对稳定的地方可能形成了黄土沉积物的主体部分（尼勒克群集1的情况）;而在气候条件相对较为恶劣的时期,植被覆盖度减小,沙尘暴频发,此时风暴过后的浮尘在沉降下来之后,又被频繁出现的气流扰动重新带至大气中（图7）。认识自然背景下高浓度粉尘天气过程可以为现代的沙尘天气治理提供一些建议,指导人们在日常生产实践过程中,避免人为因素所引起的沙尘天气频发,甚至通过大范围恢复自然植被,积极开展植树造林等活动来减少沙尘天气的发生,改善生存环境。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图7伊犁盆地北部粉尘堆积的概念模型
-->Fig. 7A conceptual model about dust accumulation in the northern Ili Basin
-->
6 结论
本文首次结合聚类分析和粒度端元模型统计方法对新疆伊犁盆地北部两处不同地貌单元上的黄土高沉积层段的堆积过程进行了重建。通过对比研究两者堆积过程的差异,详细地揭示了不同大气动力系统背景中黄土沉积物的粒度组成、搬运和沉积动力特征。结果表明位于盆地西部的清水河剖面的粒度明显要比位于东部的尼勒克剖面粗,前者以砂粒为主,变化于23%~59%,平均为40%,而后者则以细粉砂和中粉砂为主,两者之和占41%~72%,平均为54%。并且清水河剖面较尼勒克剖面分选较好。两个剖面的聚类分析结果都显示2个群集,代表着不同的大气动力条件。根据粒度端元分析中的线性相关系数和角偏差,除尼勒克的群集1确定出3个粒度端元外,尼勒克群集2以及清水河的2个群集都确定了2个粒度端元,每个端元指示了不同的粉尘搬运和堆积模式,反映了不同的风尘来源。伊犁盆地黄土主要由远源和近源物质组成,两者分别由高空西风和中尺度的区域风搬运而来。高空西风所携带的远源粘粒级颗粒对盆地东部降雨较高地区有一定的贡献,而在盆地西部不容易沉降下来;中尺度区域风所搬运的近源物质组成了黄土沉积物的主体,而近源区沉积物的可用性对黄土的形成起到重要的作用。除此之外,非风暴过程中（沙尘暴过后）出现的浮尘在沙尘暴天气频率减少的时期对黄土的发育有着重要影响,尤其是在盆地东部地区。通过对粉尘堆积过程的认识和总结,建立了一个伊犁盆地粉尘堆积的概念模型。认识黄土粉尘高沉积速率阶段的粉尘搬运动力特征和堆积过程,揭示影响沙尘天气出现的因素,对现代沙尘天气治理和改善生存环境等方面具有重要意义。
The authors have declared that no competing interests exist.
