巴丹吉林沙漠横向沙山的研究现状与问题

巴丹吉林沙漠横向沙山的研究现状与问题1李孝泽1,2, 陈发虎1,2, 李 馨1, 孙庆峰2, 董光荣11.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所及沙漠与沙漠化重点实验室，甘肃 兰州 7300002.干旱环境与古气候研究中心(CAEP)；教育部中国西部环境系统重点实验室；兰州大学地球与环境科学学院资源与环境科学系，甘肃 兰州 730000E-mail: leeyan@摘 要：处于我国西北内陆干旱荒漠地带的世界最高大的沙丘系统——巴丹吉林沙漠横向沙山系统，具有重要的风沙地貌与沙漠第四纪地质及水文学研究价值。

以往的研究主要取得了对该沙漠及其沙山的近13万年来环境变化历史的框架性认识。

沙漠的形成时代、沙源、沙山及其间湖泊的成因与演化过程等及其与区域及全球气候环境变化的关系等是需要进一步研究的重要问题。

在研究方法上需要重视沉积学方法的应用。

对这些问题的深入研究，不仅对认识其自身奥秘，促进风沙地貌学与沙漠第四纪地质学的进展，而且对认识区域气候、环流、水循环、大地构造等重大环境问题具有重要作用。

关键词：巴丹吉林沙漠 横向沙山 研究现状 存在问题1. 引言最近,世界著名科学杂志《nature》刊出了我国河海大学陈建生教授等撰写的题为“Groundwater maintain dune landscape（中文意思为：地下水维系巴丹吉林沙漠高大沙山）”的研究论文[1]，正在地学界引起震动。

作为世界上规模最宏大的沙丘系统——巴丹吉林沙漠及其高大沙山与湖泊究竟是怎样形成的？其实这一直是困惑地学界尤其是沙漠界的世界性难题。

近年，随着沙尘暴源区、亚洲内陆干旱化、西部水资源与生态恢复研究的不断深入，巴丹吉林高大沙山及其湖泊的形成研究已经是国内外十分关切的问题。

横向沙丘是指沙丘形态走向和起沙风合成风向垂直或成60～90°交角的沙丘，主要包括新月形沙丘及其沙丘链与复合新月形沙丘及其沙丘链等[2]。

与线性沙丘相比，其特征主要表现在三个方面：一是它的长宽比值较小；二是沿短轴方向的横切面呈显著不对称状，即迎风坡平缓而背风坡偏陡；三是它的空间密集度较大，即丘间地与沙丘宽度比值较小[3]。

它是风沙地貌的最基本与最重要的类型, 广泛分布于地球内陆及海岸沙漠中，在火星沙海中的分布比重比在地球沙海中还要大[4]。

其中，中、大型横向沙丘（在我国把高度大于100m的沙丘称为沙山[5]，约占世界沙海面积的20% [6]到40%[7]， 且主要分布在北半球，尤其是我国的塔克拉玛干沙漠和巴丹吉林沙漠[8]。

1基金项目：国家自然科学基金（编号：40272079）、科技部国际合作重点项目（纳入国家重点研究发展规划项目）课题（编号：International Collaboration Project 2002CB714004）、中国博士后科学基金（No. 2003033404）资助。

- 1 -2．研究进展国内外对横向沙丘形成过程的研究主要集中于其现代形态-动力学过程方面。

朱震达认为，新月形沙丘起始于沙斑，并经由盾状沙丘演进而来。

这个过程被看作是新月形沙丘形成过程的基本模式，可用二次流理论[9]、风沙湍流理论的“波粒学说”[10]等进行解释。

新月形沙丘一旦发育成型后，其形态的微妙变化取决于供沙量、风沙流饱和度和风信状况之间的关系[11]。

多数学者认为，在沙源比较充足的情况下，密集的新月形沙丘在移动中相互连接形成新月形沙丘链。

新月形沙丘或其沙丘链在不断增高或扩大的同时，其上逐渐发育次生沙丘，形成复合新月形沙丘和复合型沙丘链。

对此有两种看法，第一种认为在沙源和形成时间足够的条件下，个体小、运动快的沙丘能够在运动中追上运动慢、个体大的沙丘，并爬上其迎风坡，层层叠置，形成复合型沙丘[12]；第二种认为局部地形起伏对气流的阻滞作用导致形成复合型沙丘链[13]。

Schwämmle等[14]用模拟实验证实新月形沙丘移动过程中具有孤波性质，即较小新月形沙丘可以追上并越过较大新月形沙丘而保持形态不变。

利用形态-动力学现代过程做出的解释，有必要与沙丘的地质过程相结合，以便认识沙丘的发育过程。

例如，通过结合沙丘沉积，张伟民等[15]对金字塔沙丘、哈斯等[16]对格状沙丘的研究均取得了进展。

McKee[17]的研究表明，横向沙丘的沉积构造与线性沙丘、抛物状沙丘等有显著区别。

一般在迎风坡可以观察到新月形沙丘平行于背风坡面的前积纹层序列。

复合型横向沙丘一般表现为多层次前积纹层系形成的平缓板状层在垂向上的叠置层序。

复合型沙丘的平缓叠置层的形成可能与沙丘前移[18]和地下水位阶段性抬升[19]有关。

关于横向沙丘的寿命，Glennie[20]认为，高大沙山是第四纪冰期强风能条件下形成的，强度较弱的现代风只形成原始沙山上的叠置沙丘，Warren[21]根据对阿曼复合型沙丘研究认为，大型沙丘与气候变迁旋回有关。

李孝泽等[22]发现青藏高原冰缘新月形沙丘迎风坡存在近1万年的沉积序列。

总之，以往有关横向沙丘形态变化与动力关系的野外及室内研究较多，但从解析其地貌过程的事实——沙丘沉积序列来揭示其过程的研究进展不大。

这主要是两方面原因所致，一是过去很长时间缺少较好的用于沙丘沉积的测年方法；二是一般沙丘流动性使覆沙在表层覆盖严重，很难洞察沙丘的内部地层。

巴丹吉林沙漠既是阿拉善高原上最大的沙漠，也是我国的第三大沙漠，面积约 5.051万Km2[23]。

大范围密集分布的高大沙山、点缀于其间的五彩斑斓的湖泊以及响亮动听的鸣沙是该沙漠的三大特点。

高度大于100m的高大沙山分布面积约占该沙漠总面积的68%[24]。

沙山高度一般为200～300m。

特别是在沙漠东南部，相当大面积的沙山高度达到350m以上。

据查，沙山目前的确切最大高度为465m[25]，是我国乃至世界最高大的沙山或沙山系统[26]。

杨萍等认为，沙山类型主要有三种：一是在迎风坡上叠置沙丘的复合型横向沙山；二是在迎风坡上没有叠置沙丘的单一横向沙山；三是星状沙山。

其中，横向沙山是主体。

屈建军等[25] 对沙山的分维研究表明，与该沙漠其它类型沙丘相比，横向沙山规模最大，分形度最高，形态复杂程度也最高。

宏伟、壮观、神奇的巴丹吉林沙漠高大沙山是罕见而珍贵的世界性地质遗产，自上世纪30年代以来，已经吸引众多国内外学者对其进行研究。

最初在本区开展工作的是北欧地质学家[27][28]。

1957年中国黄河综合考察队的部分中苏队员曾到这里考察风成过程。

1959—- 2 -1960年中国科学院治沙队对沙山及沙漠开展了专门研究[29]，Petrov[30][31][32]还在国外报导了这些考察成果。

1970年以后遥感方法应用于沙山研究，特别是Breed通过卫星相片的解译研究，是巴丹吉林沙漠及其风沙地貌研究的新阶段。

1988年以来中-德联合考察多次[24][33][34]。

1992—1994年，董光荣、王涛等获国家自然科学基金项目“巴丹吉林沙漠形成、演变与季风进退变化”。

2000—2002年，杨小平等获国家自然科学基金项目“巴丹吉林沙漠东南部沙丘、湖泊近十万年来的动态演变”。

2004—2006年，马金珠等获国家自然科学基金项目“巴丹吉林沙漠水文气候的包气带记录与2ka来降水重建”。

3. 存在问题尽管已开展了较多的研究工作，并取得了许多喜人的成果，但终因未能发现较理想的剖面地点和沙丘沉积测年技术问题，有关横向沙山形成的许多重大问题仍有待进一步研究解决。

3.1沙山及其所在沙漠的形成时代形成时代关系到对沙山与沙漠历史的总体把握，是十分重要的时空边界。

由于沙山高度大，沉积厚度也巨大，只在许多丘间地可见基岩裸露，因此沙山的形成时代与整个巴丹吉林沙漠的形成时代密切相关。

关于巴丹吉林沙漠的形成时代，王志超（1959）2认为最早形成于上新世到更新世初期；谭见安[35]认为早更新世晚期开始形成；孙培善[36]则认为要晚得多，自晚更新世末期开始形成；王涛[37]根据水文地质资料，认为是中更新世以来；高全洲等[38]依据区内古风成砂分布，认为沙漠自早更新世以来持续存在；闫满存等[39]在沙漠南缘沙山上部砂层和沙漠西缘雅丹地貌地层中的沙丘相砂层，分别取样测得热释光年龄分别为68±10Ka 和139±20Ka，并认为沙漠形成于第四纪初期以来。

杨小平等[40]对410m、280m、450m高沙山坡折部位分别取样得到6110±500a、6120±500a；18500±1500a等年龄值，说明沙山顶部沙丘主要形成于末次冰期以来。

迄今，关于沙山的最老测年数据是杨小平对沙山钙质根管用铀系法测年获得的207±10Ka。

总的看来，目前缺少对末次冰期以前沙山沉积的测年数据。

此外，德日进[41]、周廷儒[42]、李吉均[43]、董光荣[44]等等许多学者认为亚洲内陆干旱环境早在中生代已经存在；我国北方内陆已经发现侏罗纪以来的众多沙漠沉积地点[45] [46] [47] ；祁连山北坡存在830Ka以来黄土预示巴丹吉林沙漠可能至少形成于中更新世以来；中部沙区沙漠是黄土高原黄土的主要源地，而郭正堂等[48]认为包括巴丹吉林沙漠在内的北方干旱化在22Ma.BP已经存在。

可见，要使高大沙山与区域环境在形成时代上达到和谐，尚有许多路程要走。

3.2沙山及沙漠的物源巴丹吉林沙漠沙山高大，丰富的沙源是必要的物质条件，尤其是高大沙山系统如此多的沙物质供给条件是如何具备的？这也是理解沙漠及其沙山形成的十分重要的问题。

研究表2王志超, 1959. 巴丹吉林沙漠考察报告（铅印本）.- 3 -明，巴丹吉林沙漠砂粒石英矿物的δ18O不同于东部沙漠（地）；笔者等的初步实验研究表明，在90-125μm粒径，长石占据绝对优势，而石英甚少，这与传统认为一般沙漠砂主要是石英与长石组成的概念差别较大。

总之，尽管沙山沙源问题十分重要，但仍缺少专门研究资料。

3.3 沙山发育的气流场条件气流场是沙山形成的动力条件。

根据沙漠外围地区的气象资料研究初步表明，沙山及其叠置沙丘均处于统一的低风能环境（DP约<100）,并具有较高的输沙势比值(ODP/DP约为0.5～0.8)[49]，Fryberger认为这与沙山处于蒙古高压腹地及山脉对气流的阻挡有关。

但Lancaster[50]对纳米布沙漠沙丘研究表明，输沙势会随沙丘高度的变化而变化，如年潜在输沙势与原始沙丘高度呈反相关，与叠置沙丘高度呈正相关等。

关于巴丹吉林沙漠高大沙山与局地气流的关系，由于尚缺少沙漠内部实地观测资料，迄今仍不清楚。

3.4 丘间湖泊形成与沙山水文过程与高大沙山类似，巴丹吉林沙漠中的湖泊形成问题也是有关学者十分关注的问题。

它不仅与沙山、沙漠的形成密切相关，而且与区域水循环机理及水资源利用密切相关。