克里雅河沿線沙丘沉積物石英砂表面特征分析

王姣，王笑辰，張峰

新疆大學地理與遙感科學學院，烏魯木齊 830046

0 引言

塔克拉瑪干沙漠面積約3.37×105km2[1]，是世界第二大流動性沙漠[2]，也是我國面積最大的沙漠。對該沙漠沙物質來源、搬運機制以及沉積環境[3]的認識，有利于了解沙漠形成和演化[4]，為合理治理沙漠化提供有效數據。石英砂顆粒分布廣泛，具有較大的硬度和較高的化學穩定性[5-6]，各種外力作用都會在顆粒表面留下不易消失的微形態結構特征[7-8]，因此其表面特征在追溯沙物質來源、探討環境變遷等方面[9-14]應用廣泛。

目前對塔克拉瑪干沙漠石英砂微形態特征已有一些研究。麻扎塔格山一帶的工作發現該區域沙丘砂既保留了冰川作用特征，也存有后期流水和風作用特征[15]；沙漠腹地鉆井巖心石英砂表面呈現出多種外力作用疊加痕跡，而地表風沙較為年輕，并不具備發育成熟的風成結構及形態[16]；克里雅河研究發現沙物質同時具備河流帶入的冰川成因特征和原地下伏沉積物特征（康定國等[17]推斷）。這些研究已經初步判斷沙漠石英顆粒來源的冰川和戈壁成因，以及搬運過程中水與風營力作用，但相對于如此廣袤的沙漠，工作依然較少，且多局限于某區域，在塔克拉瑪干沙漠沿著一條具有代表性河流進行的研究較少。由于塔克拉瑪干沙漠沙物質主要為河流沉積[1,18-22]，而河流沉積又主要來自盆地周圍山地冰磧物[23-25]、山前戈壁等[26]，因此，系統地沿河流研究沙粒微形態有助于揭示沙粒物源、搬運和沉積環境等。沿克里雅河流域丹丹烏里克到塔河南部縱穿沙漠，在各期干三角洲一帶的沙丘采集5件表沙樣品，提供表面微形態和粒度數據，為豐富塔克拉瑪干沙漠地區物源與沉積環境的研究材料提供了可靠依據。

1 研究區概況

克里雅河位于塔里木盆地南緣，發源于昆侖山主峰烏什騰格山北坡，向北經山前戈壁、綠洲，進入塔克拉瑪干沙漠腹地，并在下游平緩的地形條件下河流改道漫流分散為辮狀多枝叉的河流[27]，全長438 km，河流年輸沙量3.51×106t[28]。克里雅河處于塔里木地塊中軸部位，使其成為塔克拉瑪干沙漠東北風和西北風的交匯地帶（圖1），從而造成了河流東西兩岸不同的地貌類型[30]。克里雅河下游下段為季節性洪水作用段，地勢較為平坦，河流作扇狀分散，東部為一處天然綠洲，以孤立復合形的沙丘地貌類形為主[28]，西部干三角洲上斷斷續續分布著干河床，新月形沙丘和沙丘鏈分布在河床內[30]。沙漠中古河道等痕跡顯示古克里雅河曾流入古塔里木河，形成一條貫穿塔克拉瑪干沙漠的綠洲地帶[28]，西部干三角洲上存在多個古遺址[31-34]，代表河流曾在那里活動。

2 材料與方法

2.1 野外采樣

在克里雅河下游自丹丹烏里克、喀拉墩、圓沙、北方干三角洲至塔里木河（圖1），使用套管法采集現代沙丘頂部0～15 cm 表沙5 件。MG-03 樣品采集于丹丹烏里克遺址的西北方向，距遺址中心點約0.5 km，位于沙丘頂部，沙丘類型為新月形沙丘，周圍分布有多個新月形沙丘鏈（圖2a）。080327-2樣品采集于喀拉墩遺址北部，距遺址點約0.1 km，采樣點同樣位于沙丘頂部，沙丘類型為流動新月形沙丘，周圍除分布有新月形沙丘鏈外，還有多個紅柳沙包（圖2b）。值得注意的是，圖2b拍攝于2018年，距離采樣時間較遠，周圍的沙丘和紅柳沙包的情況可能有所改變。081106-10 樣品采樣點位于圓沙古城東南方向，距遺址區域約10 km，樣品采集于風蝕河谷東岸的沙丘頂部，沙丘類型為新月形沙丘，周圍分布著新月形沙丘鏈（圖2c）。20181120-1樣品采集于北方墓地東北方向的沙丘頂部，距離遺址區域約60 km，沙丘類型為新月形沙丘，周圍分布著多個高大沙丘（圖2d）。20181113-1 樣品采集于塔里木河南部的沙丘頂部，與塔河的直線距離大致為50 km，沙丘類型為魚鱗狀沙丘，周圍分布著大量的同類型沙丘（圖2e）。

圖1 研究區及采樣點分布[29]Fig.1 Map of study area and sampling sites[29]

圖2 樣品采集點的部位與環境（a）丹丹烏里克采樣點MG-03；（b）喀拉墩采樣點080327-2；（c）圓沙采樣點081106-10；（d）北方采樣點20181120-1；（e）塔河南部采樣點20181113-1Fig.2 Location and environment of samples

2.2 室內實驗

實驗室樣品置于錐形瓶中，先后使用30%H2O2和10%HCl去除有機質與碳酸鹽等；去離子水洗至中性并烘干后選取0.125～0.5 mm[10]各樣品80～120 顆于光學顯微鏡下目視挑選石英，并成行粘在導電膠帶上真空鍍金120 s，在新疆大學理化測試中心經Oxford 能譜篩選石英，用LEO1430VP 掃描電子顯微鏡觀察172 顆石英表面形態，其中丹丹烏里克樣品（MG-03）和圓沙樣品（081106-10）均有34 顆石英顆粒用于觀察；喀拉墩樣品（080327-2）有25顆；北方樣品（20181120-1）有37 顆；塔河南部樣品（20181113-1）共有42 顆石英顆粒。以機械成因和化學成因[35]劃分石英砂顆粒表面特征。稱取經過前處理樣品50 g 并使用新疆大學（教育部）綠洲重點實驗室Retsch200震篩儀Tyler篩測定粒度。

3 結果

3.1 粒度特征

五件表沙樣品的粒度分布均呈單眾數（圖3）。喀 拉 墩（080327-2）、北 方（20181120-1）和 塔 河（20181113-1）樣品粒度分布較為接近，峰值主要出現在0.25～0.125 mm，占比均大于50%，分選好，峰態較寬，偏度為近對稱。丹丹烏里克（MG-03）和圓沙（081106-10）樣品粒徑眾數出現在0.075 mm，但MG-03樣品0.25～0.063 mm粒級占總含量90%左右，分選好；081106-10樣品分選中等，峰態較寬，偏度為近對稱。根據Udden-Went-worth 標準[36]來看，樣品除MG-03以極細沙為主外，其余皆以細沙為主，極細沙次之，所有樣品粉沙含量少，幾乎不含黏土組分。

圖3 表層沙樣粒度分布的直方圖與累積概率曲線（a）丹丹烏里克樣品MG-03；（b）喀拉墩樣品080327-2；（c）圓沙樣品081106-10；（d）北方樣品20181120-1；（e）塔河南部樣品20181113-1Fig.3 Histogram and cumulative probability curve of grain size distribution of surface sand samples

3.2 石英砂表面形態特征

3.2.1 機械作用形態特征

磨圓度劃分參照陳麗華等[37]標準，分為棱角狀、次棱角狀、次圓狀、圓狀及渾圓狀5 個圓度等級。各樣品石英顆粒磨圓度特征以次棱（平均頻率55.52%）和次圓狀（41.49%）為主，二者存在明顯的消長關系（圖4）。次棱狀出現頻率以沙漠南北邊緣高，內部較低，而次圓狀則相反，呈現出從沙漠邊緣到腹地遞增趨勢。最南端的丹丹烏里克（MG-03）樣品石英顆粒次棱狀最多，占67.65%，次圓狀較其他樣品最少，為29.41%；塔河南部（20181113-1）樣品次棱狀出現頻率僅次于MG-03樣品，為59.52%，次圓狀出現頻率較MG-03 樣品高，占38.10%；北方墓地樣品（20181120-1）與喀拉墩樣品（080327-2）磨圓度分布相近，次棱狀出現頻率分別為51.35%和52%，次圓狀出現頻率分別為45.95%與44%，兩件樣品中次棱狀出現頻率均高于次圓狀；圓沙樣品（081106-10）次棱狀與次圓狀出現頻率相當，分別為47.06% 和50.00%，次圓狀出現頻率最多。各樣品中圓狀均極少出現（低于5%），棱狀特征則未出現（圖4）。

圖4 各樣品磨圓度特征對比Fig.4 Comparison of the psephicity features of quartz sand grains

新月形撞擊坑和碟形坑出現的平均概率相近，分別為39.24%、38.65%。其中新月形撞擊坑在丹丹烏里克、塔河及圓沙樣品中出現頻率較高，分別為47.06%、50%和44.12%，在其他兩個樣品中出現頻率均較低，喀拉墩樣品為28%，北方樣品為27.03%（圖5）。蝶形坑特征主要出現在塔河、喀拉墩和圓沙樣品中，出現概率分別為40.48%、64%和41.18%。

圖5 石英顆粒表面特征成因類型的顆粒頻率統計Fig.5 Statistical grain frequency for genetic types of quartz grain surface features

麻面結構出現頻率最高，均高達80%以上，其中喀拉墩樣品（080327-2）出現頻率最高，為96%。V形坑出現的平均概率較高，為73.8%，具有沙漠邊緣高腹地低的特征。位于沙漠南北緣的丹丹烏里克樣品（MG-03）和塔河樣品（20181113-1）出現頻率分別為82.35%和80.95%；沙漠腹地的喀拉墩樣品、圓沙樣品（081106-10）和北方樣品（20181120-1）出現頻率分別為68%、64.71%和72.97%。貝殼狀斷口出現的平均頻率為37.03%，樣品中靠近現代克里雅河流域的樣品出現頻率相對較高，丹丹烏里克、喀拉墩和圓沙樣品出現頻率分別為35.29%、44%和52.94%。黏附碎片在5件樣品中出現頻率較低，不超過30%。

3.2.2 化學作用形態特征

樣品中出現溶蝕坑/溝和硅質沉淀典型特征的平均概率較為接近，分別為44.65%和44.96%（圖5）。溶蝕坑/溝和硅質沉淀結構在沙漠腹地較高，其中北方樣品（20181120-1）為54.05%和43.24%，喀拉墩樣品（080327-2）均為44%，圓沙樣品（081106-10）為47.06%和55.88%（圖5）；在沙漠邊緣則較少，丹丹烏里克（MG-03）樣品中出現頻率分別為35.29%和41.18%，塔 河 樣 品（20181113-1）為42.86% 和40.48%。

3.2.3 不同樣品的石英微形態特征

圖6 顯示了不同樣品中石英顆粒微形態特征出現的頻率。五件樣品中均含有較多次棱狀形態的石英顆粒，麻面和V形坑出現頻率都較高，通常還會出現新月形撞擊坑、硅質沉淀、貝殼狀斷口和溶蝕坑。丹丹烏里克樣品中石英微形態特征以V形坑和麻面為主，化學作用相對較少；喀拉墩樣品的石英表面形態主要為麻面、V 形坑和蝶形坑；圓沙樣品中石英顆粒表面微形態特征主要有貝殼狀斷口、V 形坑、麻面和硅質沉淀，化學作用較前兩個樣品多；北方樣品以V 形坑、麻面和溶蝕坑為主；塔河南部樣品中石英的微形態特征與丹丹烏里克樣品較為相似，主要有V形坑和麻面，化學作用也較少。

圖6 不同樣品石英表面微形態特征出現頻率統計（a）丹丹烏里克樣品MG-03；（b）喀拉墩樣品080327-2；（c）圓沙樣品081106-10；（d）北方樣品20181120-1；（e）塔河南部樣品20181113-1Fig.6 Frequency distribution of quartz grains with microtextures in different samples

4 討論

本文觀察的石英顆粒粒徑分布于0.125～0.5 mm，累積百分比曲線均達60%，以中沙和細沙為主（圖3）。該沙粒為沉積物中最活躍組分之一[38]，在流水中主要以推移方式運動[39-42]，在風力（2 m高度的起沙風風速一般在4.0～5.6 m/s[43]，塔克拉瑪干沙漠2 m 高度的起沙風速約4.1～5.0 m/s[44-45]）作用下通常以躍移形式運動，表面結構成因組合發育齊全，比較靈敏和全面地記錄了石英砂的成因信息。巖石分化后，石英砂顆粒在侵蝕、搬運和沉積的過程中，必然受到外營力、氣候及沉積速度等因素的影響，產生各種表面形態，且不同環境下對石英砂顆粒的作用是各不相同的[46]。

4.1 石英顆粒表面特征與形成環境

石英砂顆粒磨圓度特征可以反映沉積物在特定環境下的搬運距離和動力條件[47-48]。距離較短、搬運動力較弱或經歷過冰川作用的樣品石英砂顆粒磨圓度較差[48-50]，在流水和風成環境下磨圓度較好，多呈次圓狀[51]。沙漠邊緣的丹丹烏里克和塔河南部樣品磨圓度總體較差，主要呈次棱狀，應該是保留了較多的原始特征（圖7a，e），說明其可能經歷了冰川擠壓、水下撞擊、戈壁碰撞破碎等作用，且風對沙物質的磨損等作用時間較短；位于腹地的喀拉墩、圓沙和北方古綠洲樣品，磨圓度較好，以次圓狀為主，顯示流水和風力中碰撞磨蝕作用明顯，或經歷了相對較久的搬運過程（圖7b～d）。

圖7 沙丘砂樣品部分石英顆粒形態（a）次棱狀，平整解理面；（b）次圓狀，撞擊坑，溶蝕坑；（c）次圓狀，溶蝕坑，翻卷薄片；（d）次圓狀，溶蝕坑，裂隙；（e）次棱狀，解理面；（f）次圓狀，翻卷薄片，擦痕Fig.7 Morphology of quartz grains in sand dune samples

V 形坑形成與水下環境的能量密切相關[52]，代表高能的機械環境[53]，是水下磨蝕作用的標志特征[52]。5 件樣品中V 形坑出現頻率較高，均超過了60%，這些沙物質應均經歷過流水作用。解理面特征一般在較強的外力碰撞、物理分化條件下較為發育[54]。本文樣品均有不同程度類似擦痕的平行解理發現，或形成于流水和戈壁環境，但解理已受磨損并不清晰（圖7f），可能是后期風沙作用的結果。貝殼狀斷口在流水作用下，石英顆粒之間高強度的擠擦和碰撞會導致顆粒破碎形成[37]；雖然沙粒之間或沙粒與粗糙表面之間因風力相互擠壓也會導致破碎[55]，但多發生在戈壁，其原因可能是戈壁地表裸露，風力強勁，沙粒運動速度快而能量較大[56-57]，沙粒擠壓碰撞破裂形成貝殼狀斷口，但沙漠內部應少見[58]。本文樣品貝殼狀斷口大部分有不同程度磨損，表明石英砂顆粒經歷了風力磨蝕作用。黏附碎片是冰川環境的典型特征[59]，是冰川運動時石英顆粒處于高壓擠擦的環境中形成的[60]。本文所分析的樣品中黏附碎片出現頻率較低，或因后期受到流水和風力侵蝕作用。

康國定等[17]認為，沙漠環境晝夜溫差大，熱脹冷縮會使石英砂表面出現裂隙（紋）。夜間水汽的pH值因有溶解鹽類而升高，使得石英砂表面少量SiO2被溶解，白晝氣溫升高，水汽蒸發，SiO2重新沉淀在顆粒表面，形成硅質沉淀[61]。塔克拉瑪干沙漠古河道眾多，許多丘間地地下水埋深較淺，在強烈蒸發條件下，地下水中的K 和Na 等析出[62]，表層沉積物濕度大，且pH 值高[63]，在這種條件下石英容易遭受化學侵蝕[64]。研究區樣品石英表面有硅質沉淀和溶蝕坑出現，代表塔克拉瑪干沙漠干旱的蒸發環境下所具備的化學風化條件（圖7d）。克里雅河流域樣品石英砂顆粒表面呈現后期風力作用特征疊加早期水成環境下的特征，同時經歷了化學環境作用。

4.2 關于物源

沉積物的物質來源及其復雜，除母巖類型會影響沉積物的最終組成外，搬運過程中經歷的磨蝕和分選等作用也會改變沉積物的組成。沙漠發育必須具備一定的物質基礎，許多學者認為河流為塔克拉瑪干沙漠的發育提供了大量物質[1,65-66]。在塔里木盆地南緣，發源于昆侖山脈的河流自南至北為沙漠提供物源[66]，特別是克里雅河，將大量山區及沿途沙物質帶到丹丹烏里克、喀拉墩、圓沙和北方遺址一帶沉積[17]，河床經風蝕后為沙丘提供物源。Rittneret al.[21]也認為發源于昆侖山和阿爾金山的河流為沙漠沙丘砂提供了主要物源。在丹丹烏里克（MG-03）、圓沙（081106-10）和喀拉墩（080327-2）樣品中，代表水流、冰川作用或戈壁風能環境的貝殼狀斷口出現頻率較其他兩件離克里雅河較遠的樣品高，而具有這類特征的沙粒多在河流上游，說明克里雅河上游沙物質進入沙漠，特別是樣品石英顆粒中還可見冰川成因的黏附碎片（圖7b）。同時位于沙漠邊緣的丹丹烏里克樣品中代表河流成因特征的V形坑出現頻率較沙漠腹地高，這與河流對沙漠物源的供給自沙漠邊緣向腹地遞減也是一致的。沙漠邊緣丹丹烏里克樣品麻面和表面化學特征頻率也比沙漠腹地的樣品少，而這兩類特征主要是沙漠內部物理和化學作用的結果，顯示沙漠邊緣沙粒所經歷的化學侵蝕和風沙撞擊過程不及腹地久遠。位于沙漠腹地的3 件樣品次圓狀出現頻率明顯比丹丹烏里克高，可能是由于沙物質經過了較遠地搬運，所受外力作用較久。

在盆地北緣，塔里木河自西向東所攜帶大量沙物質在主干河道擺動過程中沉積下來[67]，成為塔河兩側沙物質主要來源。同時，由于沙漠北部邊緣多數以北風為主[68]，使得沉積的河流沙物質向偏南方向移動。20181113-1 樣品貝殼狀、V 形坑、次棱狀出現頻率均較高，表明塔河樣品離物源區較近，北部河床和戈壁沉積物均有可能是其主要物質來源。

塔克拉瑪干沙漠周緣分布的砂質沉積如麻扎塔格第三紀砂巖[69-71]，以及塔克拉瑪干沙漠早期形成階段[1,72-73]發源于天山和昆侖山山系的河流攜帶的泥沙，也均可能為塔克拉瑪干沙漠提供物源[74]。本文研究的172 顆石英砂以次棱狀為主，經歷冰川擠壓、流水搬運及后期風力磨蝕等作用，結構較為清晰，表明塔克拉瑪干沙漠大多現代沙丘砂顆粒是較新形成的，沙丘也應較為年輕，這與高存海等[16]的研究結論是一致的。丹丹烏里克、喀拉墩、圓沙和北方墓地等遺址的年代大致處于夏商時期—唐代[75-76]；周興佳等[77]認為克里雅綠洲形成時間大致在全新世以后；曹瓊英等[78]認為自中更新世晚期開始，沙漠面積才逐漸擴大；李保生等[79]測得沙漠腹地沙丘頂部年代為8 600±430 a B.P.；張峰等[80]測得圓沙遺址附近相關剖面的光釋光年代約13.8 ka，大致位于晚更新世末與全新世初；朱震達等[28]根據沙丘形成的“就地起沙”，及克里雅河西岸保留有漢唐時代的遺址，認為沙丘發育也是漢唐以來的產物。綜上表明克里雅河沿線沉積物時間并不久遠，沙丘形成年代較晚。

5 結論

本文從丹丹烏里克至塔河南部縱貫塔克拉瑪干沙漠采集5件現代沙丘表沙樣品，通過掃描電鏡和篩析法對沉積物的表面特征與粒度進行測定，得出以下結論：

（1）研究區樣品粒度分布呈單眾數，以細沙和極細沙為主，不含黏土顆粒。沉積物中石英砂顆粒磨圓度特征以次棱狀和次圓狀為主，并具有明顯的消長關系。

（2）麻面和V 形坑特征結構的石英顆粒出現頻率高，V形坑出現頻率沙漠邊緣高，腹地低，而化學作用形成的表面結構出現頻率則相反。克里雅河流域樣品石英砂顆粒表面特征結構以機械作用為主，后期風力作用特征疊加早期水成環境下的特征十分顯著，同時具有一定程度的化學作用特征。

（3）克里雅河、塔里木河和和田河等河流帶來的沉積物成為克里雅河沿線沉積物的主要物質來源；冰川、河流與風力作用使得沙漠物質來源具有多樣性；現代沙丘砂表面外營力作用特征較為清晰，沙丘形成時期較晚。

致謝 感謝新疆大學理化測試中心王濤博士對石英微形態的測定；感謝編輯與各位外審專家對論文提出的寶貴意見。