地球科学进展, 2021, 36(2): 125-138 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.023

综述与评述

侵蚀型沙丘:来自火星的启示

董治宝,, 李超, 吕萍, 胡光印

陕西师范大学行星风沙科学研究院,陕西 西安 710119

Eroded Dunes: Inspiration from Mars

DONG Zhibao,, LI Chao, LÜ Ping, HU Guangyin

Planetary Aeolian Research Institute,Shaanxi Normal University,Xi'an 710119,China

收稿日期: 2020-11-18   修回日期: 2021-01-28   网络出版日期: 2021-04-13

基金资助: 国家自然科学基金项目“塔里木盆地周围干燥剥蚀山地风化速率研究”.  41930641
“巴丹吉林沙漠高大沙山系统的形成”.  41871008

Received: 2020-11-18   Revised: 2021-01-28   Online: 2021-04-13

作者简介 About authors

董治宝(1966-),男,陕西横山人,教授,主要从事风沙物理与风沙地貌研究.E-mail:zbdong@snnu.edu.cn

DongZhibao(1966-),male,HengshanCounty,ShaanxiProvince,Professor.Researchareasincludephysicsofblownsandandaeoliangeomorphology.E-mail:zbdong@snnu.edu.cn

摘要

风沙地貌分为风积地貌和风蚀地貌两大范畴,风积地貌即指各种沙丘。沙丘地貌虽然是风沙堆积的产物,但其形态和类型是风沙蚀积时空变化规律的表现,在堆积形成之后,风蚀作用在沙丘形态塑造过程中有时会具有重要作用,从而形成独特的侵蚀型沙丘。但由于有悖于传统风积地貌的理解,侵蚀型沙丘长期被忽视。然而,在火星沙丘地貌的形态和分布规律研究中,已发现大量的与地球常见沙丘地貌具有微妙差异的沙丘地貌形态,并将其归咎于沙源供应不充分的发育环境。重温法国学者Mainguet沙丘分类方案中关于侵蚀型沙丘的论述,以及经典风沙地貌学理论关于沙丘形态控制因素的概念框架,明确指出研究侵蚀型沙丘的必要性。系统分析了火星沙丘地貌形态特征后,初步辨认出火星的10种侵蚀型沙丘,分析其形态特征、发育环境及可能的形成机制。地球干旱区广袤的盐碱地是极有可能发育侵蚀型沙丘的地区,具有类似火星沙源供应不足的环境,在中国柴达木盆地沙漠中发现了多种侵蚀型沙丘地貌。据此推断,侵蚀型沙丘在地球上比较普遍,其研究对发展风沙地貌学理论具有重要意义,对中国未来的火星探测与研究具有参考意义。

关键词: 风沙地貌 ; 行星风沙地貌 ; 火星沙丘地貌 ; 侵蚀型沙丘

Abstract

Aeolian landforms are divided into two categories: wind deposition landforms and wind erosion landforms. The former refers to various types of sand dunes with their shapes being determined by the spatio-temporal variation of wind erosion and deposition. Wind erosion may play a significant role in reshaping the cumulated dunes which results in the formation of eroded dunes. This discovery is contrary to traditional understanding, therefore, eroded dunes have been ignored for a long time. However, many Martian dunes with subtle differences from dunes on the earth due to limited sediment supply have been found. We reviewed the description of eroded dunes by French M. Mainguet, and conceptual framework of controlling factors on dune morphology, and then pointed out clearly the necessity of studying eroded dunes. After systematic study on Martian dunes, we found ten types of eroded dunes, and then analyzed the morphology, development environment and possible formation mechanism. The vast saline-alkali land in the arid area of the earth which is similar to the limited sand supply environment on Mars is most likely to develop eroded dunes. Based on this, it can be inferred that eroded dunes are common on the earth, and the study on them is of great significance to the development of aeolian geomorphology theories and the Mars exploration in China.

Keywords: Aeolian geomorphology ; Planetary aeolian geomorphology ; Martian dune landforms ; Eroded dunes

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本文引用格式

董治宝, 李超, 吕萍, 胡光印. 侵蚀型沙丘:来自火星的启示. 地球科学进展[J], 2021, 36(2): 125-138 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.023

DONG Zhibao, LI Chao, LÜ Ping, HU Guangyin. Eroded Dunes: Inspiration from Mars. Advances in Earth Science[J], 2021, 36(2): 125-138 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.023

1 引 言

20世纪70年代以来,遥感技术和地外行星的探测极大地拓展了风沙地貌的观察视野,以火星风沙地貌为代表的地外行星探测结果展示了一系列挑战传统风沙地貌理论的沙丘地貌,如火星北极的“异常”沙丘1。在全面研究火星沙丘地貌形态特征与类型后,我们注意到诸如横向沙脊、大沙波纹和风条痕等火星独特的风沙地貌类型2~4。进一步与地球风沙地貌对比之后我们发现,类似的独特风沙地貌类型实际上在地球上也存在,只是长期被忽视。越来越多的研究表明,这些被忽视的“少数族”独特风沙地貌蕴涵着未知的风沙地貌形成机理,在完善已有理论和创建新理论方面具有潜在的重要意义,特别是在当前系统的风沙地貌学理论匮乏的情况下,必须对其予以足够的重视。因为已有的风沙地貌学理论是基于有限的归纳和相邻学科理论的演绎,受限于所观察到现象的片面性和相邻学科理论的不成熟性及其对风沙地貌学的适用性,导致广为接受的理论很少。因此,我们需要基于更广泛的现象观察和研究积累,来不断完善和发展风沙地貌学理论。

形态动力学是风沙地貌学的经典问题之一。基于沙丘形态特征进行沙丘地貌分类在风沙地貌学中最早受到关注,尽管已提出了10余个分类方案,但目前分歧仍然很多,症结在于沙丘形态—动力学关系复杂,受多种因素影响。地外星球上一系列“新”风沙地貌类型的发现更是对传统沙丘形态—动力学的理解乃至分类方法和方案提出了质疑。虽然火星沙丘地貌广泛发育在沙源有限的环境中,但显示出与地球沙丘大致相同的形态特征,以致于其细微的差别及其所蕴涵的机理差异通常被忽视。我们对火星沙丘地貌形态特征与分布规律的研究发现,具有细微差别的独特沙丘地貌在火星上具有普遍性,其与地球沙丘地貌的形态差别尽管是细微的,但存在其内在的根源,对其根源进一步探索将启发人们对风沙地貌学理论的深入思考。高分辨率的火星影像显示,火星沙丘地貌发育于沙源不够丰富的环境中,呈现“发育不良”的现象5。“发育不良”的类火星沙丘地貌在地球上的许多沙漠中也有发育,虽然分布的面积相当有限,但确实都是发育在沙源不足的环境中。据此,我们提出“侵蚀型”沙丘的概念,以区别于地球上广泛分布的发育在不受沙源供应限制环境中的沙丘地貌。本文系统总结火星侵蚀型沙丘的地貌特征,重新思考地球类似的沙丘地貌类型,进一步提出对风沙地貌学理论具有普遍意义的建议,对中国未来风沙地貌研究具有2个方面的重要意义,即认识火星风沙地貌特征和发育环境,研究地球上的类火星风沙地貌。

2 侵蚀型沙丘的概念

风沙地貌分为风蚀地貌和风积地貌两大类,各种类型的沙丘是松散沙粒的堆积体,即风积地貌,所以侵蚀型沙丘的提出有悖于传统的理解,这个概念是需要澄清的。沙丘类型的划分通常着眼于形态特征和形成的动力学过程,即形态—动力学分类,将沙丘形态特征对应于风况,最流行的是单风向风况发育新月形沙丘和横向沙丘,双风向风况形成线形沙丘,多风向复杂风况发育星状沙丘。越来越多的研究发现,将沙丘形态简单地与风况联系起来是很困难的,因为控制沙丘形态的因素是复杂的。以上3种主要沙丘类型不能涵盖复杂多样的沙丘形态,即便在同一种主要沙丘类型下也有多种次级类型,甚至主要沙丘类型出现在相同风况中的现象也很普遍,突显了传统形态—动力学理论的局限性。对于沙丘而言,发生在松散沙粒堆积体上的多种过程决定了沙丘的最终形态,侵蚀型沙丘即强调风蚀过程在塑造沙丘形态中的作用,如常见的抛物线沙丘,其标志性的抛物线形迎风侧就是风蚀作用形成的。早在1984年,Mainguet 6的沙丘分类系统就将沙丘分为堆积型和侵蚀型,除了抛物线沙丘外,她还注意到其他类型的侵蚀型沙丘,如地球上分布最广泛的线形沙垄、复合和复杂线形沙垄等。由于沙丘是堆积型风沙地貌,侵蚀型沙丘的概念难以被接受,因而长期被忽视。

我们在风沙地貌的野外考察中经常发现与经典沙丘—形态动力学理论相悖的“异常”现象,这些异常的风沙地貌现象普遍出现在松散沉积物比较少的戈壁、盐湖和沙漠边缘,区别于松散沉积物极为丰富的沙海,如阿拉伯半岛的沙漠以及中国的塔克拉玛干沙漠、巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠等。分析火星风沙地貌发现,火星沙丘都发育在松散沉积物比较少的环境,于是,我们关注沙源丰富度对沙丘地貌形态的影响。首先,基于风沙流的蚀积规律,我们可以发现:沙丘地貌形态特征是风沙流蚀积时空变化的产物;风沙流的蚀积状态取决于其饱和程度,饱和时以堆积为主,不饱和时以侵蚀为主。沙源丰富度通过风沙流的饱和度决定蚀积状态和蚀积规律,进而影响沙丘形态。其次,我们推测,形成于沙源充分条件下的沙丘,随着沙源的减少,风沙流经常处于不饱和状态,风蚀在沙丘形成中具有更重要的作用,以致于最终的沙丘形态是以风蚀作用为主导。受法国学者Mainguet沙丘分类思想的启发,下文重温沙源丰富度对沙丘形态影响的经典思想,明确提出侵蚀型沙丘的概念。

2.1 经典风沙地貌学理论关于沙源丰富度的思考

实际上,沙源丰富度在沙丘地貌中的作用是经典风沙地貌学理论关注的问题。经典风沙地貌学理论指出,沙丘形态是多种因素复杂相互作用的产物7,其中沙源对形态的影响很早就受到关注,将风、沙源供应和植被覆盖作为控制沙丘形态和类型的三大因素,并提出了概念模型(图18。然而,在20世纪70年代,美国地质调查局利用当时的卫星遥感影像对全球风沙地貌做了全面研究,出版了《全球沙漠研究》(A Study of Global Sand Seas)9,其中关于沙丘形态与风况关系的论述10在目前10余个沙丘分类方案中影响最为深远。其核心是:风况是沙丘形态最基本的控制因素,单一风况形成新月形沙丘和横向沙丘,双风向风况形成线形或赛夫沙丘,多风向风况形成星状沙丘。此后,关于沙源对沙丘地貌类型的影响在很大程度上被忽视,截止目前仍然没有得到足够的重视。

图1

图1   沙丘类型与风、沙源供应和植被的关系(据参考文献[8]修改)

Fig.1   Relationship between dune forms, strength of the wind, sediment availability and vegetation coverage (modified after reference [8])


但也有学者意识到沙源的重要性,Wasson等11基于澳大利亚沙漠的研究,认为在影响沙丘形态与类型的因素中,沙源的作用仅次于风况。首先,他们提出了沙质沉积物等效厚度(Equivalent Sand Thickness, EST),即将组成沙丘的全部沉积物等厚度地展布在某特定面积上所形成的厚度,并以此厚度来表征沙源丰富度;用Fryberger等10的输沙势方法,即合成输沙势与总输沙势的比值(RDP/DP)来表征风向的变化,然后建立了沙丘类型与沉积物等效厚度及风况的关系(图2),即在风况相似的情况下,沙源丰富度不同导致不同的沙丘类型。其基本结论是:新月形沙丘发育的条件为沙源极不丰富和近乎单一风向的风况,横向沙丘发育条件为沙源丰富、风向稍多变的风况,线形沙丘的发育条件为沙源少、风向更加多变的风况,星状沙丘的发育条件为丰富的沙源和复杂多风向风况。纳米布沙漠沙丘类型与沙源丰富度和风况也存在类似的关系12,但风向的变化范围较小,即纳米布沙漠所有沙丘类型发育的风况均较澳大利亚沙漠的风向变化小(图3),线形沙丘和横向沙丘反映尤为明显。Livingstone等7进一步发展了沙源丰富度对沙丘形态影响的认识(图4),横向沙丘发育的条件是比较单一的风向,沙源丰富度对其影响小;线形沙丘发育的风况较横向沙丘复杂,沙源丰富度范围较宽;在他们的研究中还增加了格状沙丘,其发育的风况与星状沙丘相类似,但沙源丰富度较小。

图2

图2   澳大利亚沙漠沙丘类型与风向变率(RDP/DP)及沉积物等效厚度(EST)的关系(据参考文献[11]修改)

Fig.2   Relationship between dune forms, wind directional variability (RDP/DP), and Equivalent Sand Thickness (EST) in the Australian dune fields (modified after reference [11])


图3

图3   纳米布沙漠沙丘类型与风向变率(RDP/DP)及沉积物等效厚度 (EST)的关系(据参考文献[13]修改)

Fig.3   Relationship between dune forms, wind directional variability (RDP/DP), and Equivalent Sand Thickness (EST) in the Namib dune fields (modified after reference [13])


图4

图4   沙丘类型与风向变率和沙源供应度关系的概念模型(据参考文献[7]修改)

Fig.4   Conceptual model of relationship between dune forms, wind directional variability, and sediment availability (modified after reference [7])


2.2 侵蚀型沙丘

综上所述,沙源丰富度对沙丘形态的影响是毋容置疑的,但是影响作用分为2种情况:一是沙源丰富度不同,形成不同沙丘类型;二是沙源丰富度减少至风沙流以侵蚀为主,侵蚀作用对已有的沙丘形态进行二次改造,形成特殊的形态类型,如蜿蜒的线形沙丘被风蚀作用改造为长直的线形沙垄,穹状沙丘或新月形沙丘被改造为抛物线形沙丘。第一种情况是传统的理解,近年来受到较多关注,代表性研究成果是:揭示了新月形沙丘与线形沙丘的共生现象。在火星北极地区的“异常”沙丘地貌区,线形沙丘和新月形沙丘出现在一起,或并列或联结再形成一个单独的沙丘形态1。第二种情况尚未得到关注,本文所讨论的侵蚀型沙丘即针对第二种情况,侵蚀型沙丘定义为风蚀作用对沙丘改造形成的特殊形态的沙丘。以此定义,侵蚀型沙丘在火星上广泛分布,因为当前火星表面整体上缺乏松散沉积物,火星沙丘地貌主要分布于两极地区,表明沙源对风沙地貌的控制作用。火星沙丘的活动性很小,没有活跃的堆积过程,相当一部分甚至硬化,说明其形成时间已经很久,经历了风蚀改造作用。Kerr等14在沙特阿拉伯开展的流沙控制实践中发现,新月形沙丘被喷洒原油后,其形态趋于圆滑,反映了风蚀对沙丘形态的改造作用。

3 火星的侵蚀型沙丘

以往研究者已关注到侵蚀型沙丘在火星上普遍分布,并以不同的名称命名这些沙丘。在沙丘地貌类型与分布规律研究的基础上,下文将根据高分辨率火星卫星影像,全面分析侵蚀型沙丘的形态特征及其发育环境。

3.1 砂岩化古沙丘

这类沙丘形成时代老,已经岩化形成砂岩,类似地球上分布比较广泛的中生代古沙丘,沙丘表面长期处于风蚀状态,很少接受堆积。图5为火星砂岩化新月形沙丘和新月形沙丘链,其形态与现代沙丘基本相同,表层分布有不同尺寸的撞击坑,落沙坡遭受侵蚀变陡并脱落砾石,脊部边缘锋利,部分沙丘露出水平沉积层理。目前仅在美杜莎沟槽组的阿波里那沟(Apollinaris Sulci)南部、水手号大峡谷的科普莱特斯深谷(Coprates Chasma)东部和阿卡迪亚平原(Arcadia Planitia)有少量发现。其中,阿波里那沟南部新月形沙丘链的平均脊线长度为(1 478±1 403) m,平均间距(405±210) m,平均高度为(57±34) m。它们分布在纬度较低的区域,主要位于高原和平原地形区的边界以及阿波里那火山(Apollinaris Mons)和古谢夫陨击坑(Gusev Crater)之间,毗邻广阔的雅丹地貌区,属于亚马逊纪和赫斯伯利亚纪地质过渡单元。科普莱特斯深谷东部主要以新月形沙丘为主,沙丘轮廓因遭受侵蚀而变得模糊,迎风坡长度为(122±45) m,宽度为(137±40) m,长宽比的平均值约为0.94,属于胖型新月形沙丘15。此类沙丘主要位于水手号峡谷南坡的山麓,地势低洼,下伏层状沉积岩地层,表层被暗色沉积物所覆盖,属于赫斯伯利亚纪地质过渡单元。

图5

图5   火星典型的砂岩化古沙丘(来源:NASA/JPL/UA

(a)阿波里那沟南部砂岩化古沙丘(HiRISE影像PSP_010453_1675_RED,中心点位置:12.60°S, 178.08°E);(b)科普莱特斯深谷东部砂岩化古沙丘(HiRISE影像ESP_025389_1690_RED,中心点位置:11.14°S, 284.90°E);箭头代表沙丘发育风向

Fig.5   Typical fossilized dunes on Marssource: NASA/JPL/UA

(a) Fossilized dunes in the south of Apollinaris Sulci (HiRISE image PSP_010453_1675_RED, center point: 12.60°S, 178.08°E); (b) Fossilized dunes in the east of Coprates Chasma (HiRISE image ESP_025389_1690_RED, center point: 11.14°S, 284.90°E);Arrows represent the wind direction of dune development


这些沙丘的形成年代和岩化过程目前尚不清楚,但表层存在陨击坑表明其形成年代较老,属于典型的古风成砂岩。它们可能是由火山灰掩埋后经过重力压实或者地下水作用使得风沙沉积物发生岩化形成的,随后表层覆盖物被风蚀使其重新出露地表1617。砂岩化古沙丘形态、分布格局和物质组成保留了埋藏时的古环境信息,对于反映火星环境演变具有重要价值。

3.2 类黏土型沙丘

因具有较强的抗风蚀力,黏土区风沙活动较弱,难以形成高大的黏土沙丘,所以此类沙丘在地球上比较罕见。黏土沙丘表面比较光滑,落沙坡较陡,经风蚀改造后呈现特殊形态的侵蚀沙丘,由于缺乏沉积物特征的准确资料,火星是否存在黏土沙丘还有待确认。依据波谱特征报道,火星上存在类黏土型沙丘,其表层布满陨击坑和火山碎屑,呈瘦长型,迎风坡通常具有凹坑或侵蚀沟槽纹理,局部覆盖有巨型沙波纹。如图6所示,类黏土型新月形沙丘和新月形沙丘链形态瘦长,拥有光滑的落沙坡,其侧面的巨型沙波纹走向与主风向垂直,而迎风坡巨型沙波纹走向较复杂。新月形沙丘迎风坡长度为(204±37) m,宽度为(85±23) m,高度为(10±3) m,长宽比约为2.45,属于长胖型,普遍呈现非对称性特征。新月形沙丘链间距为(518±163) m,长度和高度分别为(781±631) m和(23±9) m,规模较小。沙丘移动性受到地形和双向风的影响,移动速率约为0.8 m/a18。沙丘两侧的巨型沙波纹排列规则,间距2~4 m,存在典型的“Y”形结点。沙丘顶部的沙波纹排列相对复杂,大致呈现2个近乎垂直的走向。这些沙丘主要分布于辛梅里亚高地的北部,以郝谢尔陨击坑(Herschel Crater)最为集中,平均海拔约1 500 m,属于中诺亚纪和晚诺亚纪地质单元。已有研究认为这些沙丘是“石化的”或者呈半胶结状,沟槽纹理是风蚀作用的结果16,类似于地球上的黏土沙丘。

图6

图6   火星类黏土型沙丘(来源:NASA/JPL/UA

(a)火星赫谢尔陨击坑北部类黏土型沙丘;(b)图(a)中黑色方框区域新月形沙丘(HiRISE ESP_036880_1760_RED,中心位置:14.8°S, 127.9°E);箭头代表沙丘发育风向

Fig.6   Clay-like dunes on the Marssource: NASA/JPL/UA

(a) Clay-like dunes in the north of Herschel Crater;(b) Barchan dune of the black box in (a) (HiRISE ESP_036880_1760_RED, center point: 14.8°S, 127.9°E);Arrows represent the winddirection of dune development


3.3 落沙坡萎缩型新月形沙丘

沙丘滑落面是沙丘地貌的重要特征,受沙粒内摩擦角、粒径和含水率等因素的控制,是沙丘落沙坡在重力作用下趋于稳定的表现。然而,发育在火星北极地区的部分沙丘落沙坡缺失,呈现独特的形态特征,风蚀作用使沙丘脊线被磨圆,落沙坡坡度变缓,迎风坡和落沙坡的界线模糊,直至落沙坡不明显,外形趋于浑圆,呈椭圆状或豆状,这类沙丘在火星上广泛分布。如图7a所示,新月形沙丘呈瘦长型,排列规则,落沙坡不明显,迎风坡长度为(182±11) m,宽度为(67±14) m,长宽比约为2.8。它们主要分布在北极阿斯普尔顿沙漠的东南部(70°~75°N,315°~335°E),北边毗邻极地冰盖,地势平坦开阔,属于晚赫斯伯利亚纪低平原地质单元,地表为风沙沉积物和碎石,地下富含水冰。如图7b所示,新月形沙丘链外形浑圆,脊线遭受侵蚀,无明显落沙坡,长度为(1 677±1 077) m,间距为(1 839±709) m。它们主要位于火星奥林匹亚沙漠(Olympia Desert)西南部边缘,北部毗邻极地冰盖,地势平坦开阔,属于晚亚马逊纪极地沙丘地质单元,地表为风沙沉积物和永久冻土层,地下富含水冰。Kerr等14在沙特阿拉伯固定流沙时发现,流动沙丘喷洒原油之后,活动性被制止,但经受后期的风蚀改造,形成了类似的落沙坡萎缩型沙丘。

图7

图7   火星北极地区落沙坡遭受侵蚀的沙丘(来源:NASA/JPL/UA

(a)新月形沙丘(HiRISE ESP_017746_2860_RED,中心点位置:328.19°E, 73.56°N);(b)新月形沙丘链(HiRISE ESP_036404_2590_RED,中心点位置:143.08°E, 79.01°N);箭头代表沙丘发育风向

Fig.7   Dunes with eroded slip face in the North Polar region of Marssource: NASA/JPL/UA

(a) Barchan dunes (HiRISE ESP_017746_2860_RED, center point: 328.19°E, 73.56°N); (b) Barchanoid dunes (HiRISE ESP_036404_2590_RED, center point: 143.08°E, 79.01°N); Arrows represent the wind direction of dune development


这些沙丘不同于地球上发育在沙源相对不够丰富和复杂风况环境下的穹状沙丘,它们很可能是受冰冻作用被固结并遭受侵蚀和堆积形成的,其形态仍保留着早期沙丘的形态特征。但是,目前人们对冰冻沙丘内部结构的了解十分有限,仍不清楚冰冻作用是如何影响沙丘形态演化的。这在一定程度上限制了人们通过沙丘形态对火星风沙环境的认识。

3.4 拉长型沙丘

冰冻障碍物沙丘是指受冰冻作用而固结的沙丘成为障碍物,当输沙方向与固结沙丘走向存在夹角时,障碍物沙丘向下风向延伸,形成非对称性的新月形沙丘或新月形沙丘链(图8)。拉长型沙丘经常出现在障碍物的下风向,在火星北极博勒拉峡谷内,由干冰或水冰形成的表层结壳和内部夹层使得新月形沙丘被固结,成为障碍物,沉积物在其下风向堆积形成拉长型沙丘(图9)。首先,此区域的新月形沙丘被拉成瘦长型,迎风坡被拉长并存在弧形胶结层,落沙坡普遍较小,部分沙丘无落沙坡,平面形态呈现椭圆形。新月形沙丘迎风坡长度为(159±23) m,宽度为(48±10) m,高度为(5±1) m,长宽比为3.4。拉长型沙丘类似线形沙丘,脊线长度为(2 304±1 240) m,间距为(344±129) m。博勒拉峡谷长500 km,宽100 km,深2 km呈东西方向延伸,是火星北极高原地区最大的地形凹陷带,属于赫斯伯利亚纪极地地质单元。极地高压气旋受到峡谷地形的强烈影响,风速会发生剧烈变化,将大量的碎屑物质从陡坡搬运至峡谷,为沙丘的形成提供了重要沙源19

图8

图8   火星奥林匹亚沙漠峡谷冰冻障碍物沙丘(来源:NASA/JPL/UA

HiRISE SP_036669_2610_RED,中心点位置:102.22°E,80.81°N;箭头代表沙丘发育风向

Fig.8   Frosted dunes in Olympia Canyon of Mars (source: NASA/JPL/UA)

HiRISE SP_036669_2610_RED,center point:102.22°E,80.81°N;Arrows represent the wind direction of dune development


图9

图9   火星北极博勒拉峡谷拉长型沙丘(来源:NASA/JPL/UA

HiRISE SP_026626_2645_RED,中心点位置:322.56°E,84.20°N;箭头代表沙丘发育风向

Fig.9   Elongated dunes in Chasma Boreale (source: NASA/JPL/UA)

HiRISE SP_026626_2645_RED,center point:322.56°E,84.20°N;Arrows represent the wind direction of dune development


3.5 直线形沙丘

直线形沙丘是指脊线平直,两侧落沙坡对称,上风向连接纺锤形(流线形)穹状沙丘,下风向宽度逐渐变窄的一类沙丘(图10),主要发育在北极博勒拉峡谷。直线形沙丘长度为(1 337±727) m,间距为(211±109) m,上风向的穹状沙丘长度为(218±84) m,宽度为(58±20) m,长宽比约为4。从沙丘形态特征可以推断,直线形沙丘可能受到了冰冻作用的影响,上风向固结的新月形沙丘遭受侵蚀,两翼和落沙坡萎缩,被逐渐拉长形成纺锤形穹状沙丘。在窄单峰风况环境下,纺锤形穹状沙丘向两侧的分离气流减弱,下风向沉积作用增强,逐渐向线形沙丘演变。直线形沙丘平直的脊线很可能与峡谷稳定的单向风环境有关。在有限沙源供给环境下,新月形沙丘向穹状沙丘和直线形沙丘的演化是沙丘蚀积平衡的结果,其中,冰冻作用起到关键作用。冰冻作用不仅减小了沙丘的移动性,而且使沙丘遭受侵蚀,呈现纺锤形,为线形沙丘的形成提供了有利条件。观察影像发现,几乎所有直线形沙丘的上风向都存在穹状沙丘,由此可以推断,穹状沙丘形成时间最早,其移动性很弱或被固结,线形沙丘的长短反映了其形成时间的不同。因此,探究线形沙丘的延伸速率将为推断沙丘演化时间提供重要依据。

图10

图10   火星直线形沙丘(来源:NASA/JPL/UA

(a)火星北极博勒拉峡谷直线形沙丘(HiRISE影像ESP_046168_2645_RED,中心点位置:84.62°N, 333.79°E);(b)直线型沙丘的早期阶段(HiRISE影像ESP_045100_2650_RED,中心点位置:84.79°N, 333.76°E);箭头代表沙丘发育风向

Fig.10   Rectilinear dunes on Marssource: NASA/JPL/UA

(a) Rectilinear dunes in Chasma Boreale (HiRISE ESP_046168_2645_RED, center point: 84.62°N, 333.79°E); (b) Early stages of the rectilinear dunes (HiRISE ESP_045100_2650_RED, center point: 84.79°N, 333.76°E); Arrows represent the wind direction of dune development


3.6 串珠状沙丘

串珠状沙丘是由多个落沙坡萎缩的浑圆状沙丘彼此联结,形成的豆荚状沙丘链,其形状与线形沙丘相似,但没有明显的沙脊。如图11所示,串珠状沙丘由数个新月形沙丘首尾相连构成,无明显落沙坡,其长度为(2 286±1 311) m。其形成原因可能是双向风作用下新月形沙丘发生碰撞,进一步在冰冻作用下逐渐固结而成。主风向使新月形沙丘平行排列,次风向使处于同一方向的沙丘发生碰撞合并,进而塑造出呈串珠状的沙丘形态。它们主要分布在奥林匹亚沙漠西南部,此区域地表为永久冻土层,属于晚亚马逊纪极地沙丘地质单元。

图11

图11   火星串珠状沙丘来源(来源:NASA/JPL/UA

(a)火星北极奥林匹亚沙漠西南部串珠状新月形沙丘链;(b)为图(a)中黑色方框区域的影像(CTX d16_033305_2586_xi_78n220w,中心点位置:139.62°E, 78.36°N);箭头代表沙丘发育风向

Fig.11   Beaded dunes on Marssource: NASA/JPL/UA

(a) Beaded barchanoid dunes in the southeast of the Olympia Desert; (b) is the image of black box in (a) (CTX d16_033305_2586_xi_78n220w, center point: 139.62°E, 78.36°N); Arrows represent the wind direction of dune development


3.7 侵蚀型新月形沙丘链

新月形沙丘链经风蚀作用改造形成侵蚀型新月形沙丘链,主要分布在奥林匹亚沙漠西南部边缘(75°~80°N,90°~180°E),邻近冰雪残留物覆盖区域,其形态与典型新月形沙丘链存在显著差异。如图12所示,侵蚀型新月形沙丘链由多个新月形沙丘或新月形沙丘链联合而成,类似复合新月形沙丘,但脊线模糊,背风坡较缓,沙丘间距较大,丘间地散布规模较小的落沙坡萎缩型新月形沙丘,沙丘链翼角沿下风向呈队列状分布。这种沙丘地貌格局被认为是冰冻作用的结果,可能是由混合了冰(干冰或水冰)的风沙沉积物堆积形成,埋藏于下部的冰固结限制了沙丘的移动性,上风向持续的沉积作用形成相互连接的沙丘链。沙丘固结作用也可能是由季节性霜冻作用造成的,春季覆盖于沙丘表层的冰(干冰或水冰)未能完全消融即被风沙沉积物所掩埋,并在下层形成固结层限制了沙丘的移动性。规模较小的落沙坡萎缩型新月形沙丘很可能是最晚形成的,具有更高的移动性,其碰撞和合并导致了新月形沙丘链向复合形态演化。侵蚀型新月形沙丘链的次脊是侵蚀作用的结果,反映了沙丘较低的移动性。

图12

图12   火星北极奥林匹亚沙漠西南部碰撞新月形沙丘链(来源:NASA/JPL/UA

CTX p02_001659_2594_xn_79n227w,中心点位置:134.52°E,77.51°N;箭头代表沙丘发育风向

Fig.12   Merged Barchanoid dunes in the southeast of the Olympia Desert (source: NASA/JPL/UA)

CTX p02_001659_2594_xn_79n227w,center point:134.52°E,77.51°N;Arrows represent the wind direction of dune development


3.8 片状新月形沙丘链

流动性稍强的新月形沙丘链被风蚀作用改造为更为平坦的片状新月形沙丘链,其显著特征是呈不规则片状,沙层厚度可达数米,沙丘下风向保留着落沙坡,指示了沙丘移动的方向(图13)。它们主要分布在北极奥林匹亚沙漠西南部边缘(78°~80°N,110°~150°E),北靠极地冰盖,南临冰雪残留区,地表为永久冻土层,属于晚亚马逊纪极地沙丘地质单元。这种沙丘在地球上鲜有发现,其形成过程很可能受到了冰冻作用的影响,底部沙丘被固结,上部沙丘在风蚀作用下散布,形成厚度较小的沙层,使得沙丘在平面上呈现片状,也可能是碰撞新月形沙丘链遭受风蚀后的残留物,类似抛物线形沙丘。

图13

图13   火星北极奥林匹亚沙漠西部片状新月形沙丘链(来源:NASA/JPL/UA

CTX B01_009934_2811_XN_78N226W,中心点位置:135.45°E,79.48°N;箭头代表沙丘发育风向

Fig.13   Lamellate Barchanoid dunes in the southeast of the Olympia Desert (source: NASA/JPL/UA)

CTX B01_009934_2811_XN_78N226W,center point:135.45°E,79.48°N;Arrows represent the wind direction of dune development


3.9 遗迹沙丘

当丘间地有熔岩、盐水和其他液态物质存在时,渗入沙丘底部并使其硬化,沙丘中上部的松散沉积物被风蚀形成凹坑,残留硬化的外壳,即沙丘底部轮廓,被称作遗迹沙丘,因其形成过程异乎寻常,所以在文献中被称作“幽灵沙丘(Ghost dune)20。“幽灵沙丘”实际上是火星古沙丘硬化外壳内的风蚀坑。现有发现的“幽灵沙丘”主要位于海拉斯盆地(Hellas Basin)东部、华莱士撞击坑(Wallace Crater)北部和夜迷宫地区(Noctis Labyrinthus)。“幽灵沙丘”的长度和宽度因坑体形态而异,规模与火星上观测到的现代沙丘基本一致(图14)。其中,海拉斯盆地的“幽灵沙丘”分布在面积约为1 350 km2的区域,数量大于300个。其形态以新月形为主,拥有较小的落沙坡和翼角,部分沙丘迎风坡较长呈瘦长型,其平均宽度为(402±125) m,平均长度为(327±113)m。它们主要位于海拉斯盆地东部边缘大规模干河谷系的下游,地势和缓,被山地和破碎地形区环绕,平均海拔约为-6 500 m,属于晚赫斯伯利亚纪盆地单元,表层覆盖富含冰的风成、河湖相和火山沉积物。华莱士撞击坑北部的“幽灵沙丘”呈标准的新月形,平均宽度为(729±291) m,平均长度为(513±125) m,长宽比约为0.7。它们位于普罗米修斯高地西部,海拉斯盆地以东,周围被群山和陨击坑环绕,属于早诺亚纪高地单元,表层为原始风化破碎的岩石。夜迷宫地区的“幽灵沙丘”呈条状的新月形沙丘链,分布在面积约为250 km2的区域,数量超过480个。其平均宽度为(136±52) m,平均长度为(177±67) m,平均深度为(5.9±1.2) m20,长宽比约为1.3。它们位于夜迷宫地区东部,奥德曼斯陨击坑(Oudemans crater)西北部的地势低洼区,属于晚赫斯伯利亚纪过渡单元,为诺亚纪高地之间地势相对平坦的洼地,从高处汇入大量火山沉积物20

图14

图14   火星“幽灵沙丘”(来源:NASA/JPL/UA

(a)海拉斯盆地“幽灵沙丘”(CTX P19_008558_1398_XI_40S281W,中心点位置:93.16°E, 40.94°S);(b)华莱士撞击坑北部“幽灵沙丘”(HiRISE ESP_059708_1305_RED,中心位置:113.05°E, 49.34°S);(c)夜迷宫地区“幽灵沙丘”(HiRISE ESP_048967_1720_RED,中心位置:267.18°E, 7.89°S);箭头代表沙丘发育风向

Fig.14   Ghost dunes on Marssource: NASA/JPL/UA

(a) Ghost dunes in Hellas Basin (CTX P19_008558_1398_XI_40S281W, center point: 93.16°E, 40.94°S); (b) Ghost dunes in the north of Wallace Crater (HiRISE ESP_059708_1305_RED, center point: 113.05°E, 49.34°S); (c) Ghost dunes in Noctis Labyrinthus (HiRISE ESP_048967_1720_RED, center point: 267.18°E, 7.89°S); Arrows represent the wind direction of dune development


“幽灵沙丘”周围普遍发育横向沙脊,两者之间的走向差异反映了不同气候环境下风向的变化,代表不同的形成时代。其分布、形态和地质背景都表明它们是风成的,很可能记录了沙丘形成时的古环境特征,对于火星环境演变研究具有重要意义21

3.10 胶结层沙丘

在沙丘经受风蚀过程中,由于胶结层不易风蚀而残留形成的侵蚀型沙丘。沙丘胶结层是分布在沙丘上风向、迎风坡和脊部的因冰冻或可溶性盐的固结作用形成的平行于沙丘脊线的胶结层,是对沙丘迁移过程的记录。此类沙丘主要分布在两极地区,反映了冰冻或富盐的发育环境。图15展示了火星北极地区沙丘上风向的残余胶结层。残余胶结层通常连续排列,毗邻沙丘体,清晰显示出沙丘的迁移轨迹。部分残余胶结层位于沙丘上风向一定距离处,基本保留了沙丘移动前的轮廓特征。

图15

图15   火星北极新月形沙丘上风向的残余胶结层(来源:NASA/JPL/UA

(a)博勒拉峡谷沙丘胶结层(HiRISE PSP_001374_2650_RED,中心点位置:338.95°E, 84.95°N; 白色箭头指示其位置);(b)奥林匹亚沙漠东南部沙丘胶结层 (CTX B01_009934_2811_XN_78N226W,中心点位置:134.46°E,79.12°N),黑色箭头指示其位置;右上角圆圈中箭头代表沙丘发育风向

Fig.15   Residual cemented layer at the upwind of barchan dunes in the north polar region of Mars (source: NASA/JPL/UA

(a)Residual cemented layer in Chasma Boreale(HiRISE PSP_001374_2650_RED,center point:338.95°E,84.95°N; White arrows indicate the locations);(b)Residual cemented layer in the southeast of Olympia Desert(CTX B01_009934_2811_XN_78N226W,center point:134.46°E,79.12°N;Black Arrows indicate the locations);Arrows in the circle of upper right corner represent the wind direction of dune development


图16显示,新月形沙丘迎风坡分布有数条平行排列的胶结层,其轮廓与沙丘脊线相似,主要存在于迎风坡的前部。这些胶结层可能是由沙子、干冰或者水冰混合压实后形成,首先沉积于沙丘落沙坡而后逐渐埋藏在沙丘内部,随着风力侵蚀和沙丘迁移,胶结层逐渐出露于地表。胶结层的存在对塑造火星极地独特的沙丘形态具有重要的作用,不仅增加了沿主风向的沉积,促进了沙丘侧部的侵蚀,而且减缓了沙丘移动,使得沙丘被拉长呈现椭圆形。已有研究认为,呈椭圆形的新月形沙丘的形成过程类似于阿拉伯沙漠利用石油固定新月形沙丘的过程1。但是,观察火星高分辨率影像发现,夏季北极沙丘表层干冰消融,沙波纹存在明显的季节变化。因此,沙丘内部的胶结层可能在塑造椭圆形新月形沙丘形态过程中发挥了更加重要的作用。

图16

图16   火星博勒拉峡谷具有弧形胶结层的新月形沙丘(来源:NASA/JPL/UA

HiRISE ESP_026784_2645_RED,中心点位置:323.5°E,84.23°N;箭头代表沙丘发育风向

Fig.16   Barchans with arched cemented layer in the Chasma Boreale (source: NASA/JPL/UA

HiRISE ESP_026784_2645_RED,center point:323.5°E,84.23°N;Arrows represent the wind direction of dune development


此外,部分沙丘的脊部也存在胶结层。如图17所示,北极地区巨型新月形沙丘的脊部弯曲,存在明显的侵蚀凹陷,并向迎风坡延伸形成侵蚀沟槽,落沙坡分布有因坍塌形成的沙条痕。巨型新月形沙丘的形成过程很可能受到了冰冻的作用,落沙坡白色斑块可能是残留的水冰。

图17

图17   火星沙丘脊部胶结层(来源:NASA/JPL/UA

(a)火星北极巨型新月形沙丘脊部胶结层(箭头代表沙丘发育风向);(b)为图a中黑色方框区域的影像,白色箭头指示硬化的脊(HiRISE ESP_018011_2565_RED,中心点位置:95.26°E, 76.22°N)

Fig.17   Cemented layer at the ridge of dunes on Mars sourceNASA/JPL/UA

(a) Cemented layer at the ridge of giant barchans in the north polar region of Mars (Arrows represent the wind direction of dune development); (b) The image of black box area in (a), white arrow indicates the cemented ridge (HiRISE ESP_018011_2565_RED, center point: 95.26°E, 76.22°N)


4 地球侵蚀型沙丘的再思考

以上各类火星侵蚀型沙丘的共同特点是:发育于沙源不够充分的环境,沙丘规模和密度小,若以沉积物等效厚度衡量,则大都属于沙源严重不足,以致于沙丘上无新生沉积物的存在。胶结和硬化是形成侵蚀型沙丘的关键因素之一,胶结硬化首先使沙丘几乎没有流动性,使沙丘稳定地接受风蚀改造,否则组成沙丘的沉积物将以风沙流的形式流失,最终导致沙丘的消失。沙源不足和胶结硬化的条件在地球许多地方是存在的,所以地球上也应该有侵蚀型沙丘的存在。形成时间较早,经历后期的风蚀改造时间较长,侵蚀型沙丘的首要阶段是沙丘的堆积形成过程,其次是侵蚀过程,因为风蚀改造期处于沙源严重不足时期,所以沙丘形成阶段必定是沙源相对丰富的远古时期。

盐碱地和戈壁是地球干旱区典型的沙源供应不充分地区,而且面积广大,是侵蚀型沙丘研究关注的地区。然而,戈壁风沙流的高度不饱和过境特征使其不利于沙丘发育,强烈的流动性使沙丘不易停留,特别是缺乏胶结和硬化条件,因此戈壁被排除在侵蚀型沙丘发育环境之外。全球有约100万km2的盐碱地,主要分布在干旱区和海滨区域。受火星侵蚀型沙丘及其发育条件的启示,我们试图重新考虑长期被忽视的侵蚀型沙丘。在中国柴达木盆地发现的特殊风沙地貌现象证实了侵蚀型沙丘的存在。

柴达木盆地深居亚洲腹地和青藏高原北部,气候极为干旱,风力作用、干燥剥蚀作用、物理风化作用等各种干旱地貌过程活跃。盆地尽管四周高山环抱,沉积物巨厚,但并未形成茫茫沙海,反而形成盐碱瀚海,反映沙源丰富度不足的环境,盐湖附近的沙丘地貌呈现类似火星沙丘地貌特征,被作为类火星风沙地貌研究地22。此区域沙丘地貌具有如下几个方面的突出特征:沙丘地貌类型简单,仅有新月形沙丘、新月形沙丘链和线形沙丘,受限于沙源丰富度,不足以形成复杂沙丘形态。沙丘地貌形态具有火星侵蚀型沙丘的特征,新月形沙丘和新月形沙丘链整体趋于圆滑和扁平化,迎风坡变缓,落沙坡萎缩退化(图18),有些沙丘一翼被拉伸形成不对称新月型沙丘乃至线形沙丘(图19)。线形沙丘脊部平直,延伸长,不同于常见的线形沙丘或赛夫沙丘脊部稍显蜿蜒起伏(图20)。线形沙丘在火星上虽然不如地球广泛,但的确具有长直的沙丘脊,类似柴达木盆地的线形沙丘。新月型沙丘与线形沙丘的共生现象有悖于传统风沙地貌学关于沙丘类型与风况的对应关系(图21),寓意风况并非沙丘形态和类型的决定性因素,其他因素,疑惑沙源丰富度的作用应当考虑。柴达木盆地的沙丘地貌发育在风蚀强烈的环境中,盆地有风积地貌12 894 km2,以雅丹为主的风蚀地貌21 296 km2,属中国最大、最典型23。柴达木盆地长直线形沙丘的形成过程甚至被认为与雅丹地貌的形成过程类似,即胶结硬化的沙丘被风蚀改造,下风向的风蚀物堆积使沙丘不断延伸24,足见风蚀作用的重要。

图18

图18   柴达木盆地侵蚀型新月形沙丘(来源:Google Earth

中心点位置:93.77°E,37.11°N;箭头代表沙丘发育风向

Fig.18   Eroded Barchan dunes in the Qaidam Basin (source: Google Earth)

Center point:93.77°E,37.11°N; Arrows represent the wind direction of dune development


图19

图19   柴达木盆地的不对称新月形沙丘(来源:Google Earth

中心点位置: 92.09°E,37.33°N;箭头代表沙丘发育风向

Fig.19   Asymmetrical Barchans in the Qaidam Basin (source: Google Earth)

Center point:92.09°E,37.33°N; Arrows represent the wind direction of dune development


图20

图20   柴达木盆地的长直线形沙丘(来源:Google Earth

中心点位置:93.90°E,37.04°N;箭头代表沙丘发育风向

Fig.20   Rectilinear dunes in the Qaidam Basin (source: Google Earth)

Center point:93.90°E,37.04°N; Arrows represent the wind direction of dune development


图21

图21   柴达木盆地新月形沙丘与线形沙丘的共生现象(来源:Quick bird

052409506020_01_P001_PAN,中心点位置:93.77°E,37.10°N;箭头代表沙丘发育风向

Fig.21   Coexistence of barchans and linear dunes in the Qaidam Basin (source: Quick bird)

Center point:93.77°E,37.10°N;Arrows represent the wind direction of dune development


以上关于柴达木盆地侵蚀型沙丘的分析表明,该区侵蚀型沙丘地貌具有与火星侵蚀型沙丘类似的形态特征,分布于盐湖附近,显示了胶结硬化在侵蚀型沙丘形成过程中的作用。地球上类似柴达木盆地的风沙地貌发育环境还有很多,侵蚀型沙丘应当普遍存在,不应当被忽视,对其进行研究,并与地外行星风沙地貌研究相结合将在发展风沙地貌理论方面具有重要意义。

经典的沙丘形态—动力学理论只关注堆积型沙丘,将沙丘形态对应于风况,忽视了沙源丰富度对沙丘的控制作用。根据本文的讨论,火星上普遍存在沙源控制型沙丘,表现为“发育不良”,致使早期形成的沙丘经历后期的侵蚀最终形成各种类型的侵蚀型沙丘。地球上面积广大的盐碱地沙源供应不足,也普遍发育侵蚀型沙丘。因此,除了研究堆积型沙丘以外,我们还应关注侵蚀型沙丘形成和发育的动力学过程,搞清楚各类影响因素,特别是沙源供应丰富度对其形态演变的控制作用,发展和完善经典沙丘形态—动力学理论。

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