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雅丹地貌

雅丹地貌是新疆罗布泊地区的一种特殊的地貌形态,是一种典型的风蚀性地貌。“雅丹”这一专业名词自斯文赫定(Sven Hed in)自20世纪初(1900年~1999年)正式提出,并为地学工作者逐渐接受,进行研究以来,迄今已有百余年的历史。 [1]

“雅丹”在维吾尔语中的意思是“具有陡壁的小山包”,该事件后来入选了《中国国家地理》杂志社与中国地理学会共同发起了“中国地理百年大发现”评选。

雅丹地貌现泛指干燥地区一种风蚀地貌,河湖相土状沉积物所形成的地面,经风化作用、间歇性流水冲刷和风蚀作用,形成与盛行风向平行、相间排列的风蚀土墩和风蚀凹地(沟槽)地貌组合。 [2]

雅丹定义的发展在“雅丹”一词未被地学界广泛使用前,有诸多称谓。在东汉史学家班固所著的《汉书地理志》卷二八下中被称为龙城、白龙堆和龙堆,Stapff称其为“空气动力学地形(aerodynam ic landforms)” [3] ,此外还有“狮身人面像(sphinx hills)” [4] ,“剥蚀丘(bugra vyduvanije;deflation hill)”,“沙漠城(shahr lut;desert cities)” [5] ,“泥狮(mud li-ons)” [6] ,“土阜”等不同命名。

1899年~1903年,瑞典探险家斯文赫定在中国新疆罗布泊考察时,将古湖周围成群分布,长数百米,高2~3 米以上,走向东北西南,先水蚀后风蚀而形成的形态各异的地貌,按当地维吾尔语称其为Yardang(原意是“具有陡壁的小丘”) [7] 。之后,随着他的著作《中亚和西藏》(Central Asia and Tibet)在国内外学界的广泛传播,在中国被音译为“雅丹”。从此,“Yardang(雅丹)”一词便正式被科学领域接受。继罗布荒原发现雅丹地貌之后,在世界干旱区许多地方,发现了许多类似地貌,均统称为雅丹地貌。

2009年,新中国成立60周年、中国地理学会成立百年、我国近现代地理学创立和发展百周年之际,《中国国家地理》杂志社与中国地理学会共同发起了“中国地理百年大发现”的评选活动。其中就包括:20世纪初,中外学者发现并命名了雅丹地貌。

对雅丹形成年代研究的方法主要有4种:

(1)实地调查和观测现代风蚀速率来间接推算其形成年代。如夏训诚根据罗布泊楼兰古城的建筑物遗址风蚀调查结果,认为该区的风蚀速率为0.24~0.47厘米/年,那里的雅丹是近千年的风蚀产物;西班牙埃布罗低地雅丹区域倾倒的石膏废弃物上形成的雅丹,Gutiérrez-Elorza等认为其形成不到100年。

(2)获取雅丹地貌顶部的地层年代推算雅丹地貌的形成年代。如Clarke等用红外释光法对美国莫哈维荒漠1米高的小型雅丹进行测年,得出其形成时间不到250年。

(3)对雅丹地区内存在的文物测年来推断雅丹形成年代。Bohlin和Hoerner分别对罗布泊和敦煌附近细沙中的陶器进行定年,认为那里的中型雅丹在距今1.5~2.0千年以前开始形成。

(4)通过分析雅丹周边沙漠的形成年代,洞穴堆积物等记录的区域地质历史时期气候变化和前人的气候变化研究成果,间接推断雅丹形成年代,这也是学者们应用比较多的方法之一。如El-Baz等根据区域地质历史时期的气候变化,认为埃及西部荒漠大型雅丹的风蚀历史可上溯到中新世晚期或上新世早期;Beadnell、Peel和Hagedorn认为非洲撒哈拉中型雅丹是在新石器洪积期之后形成的;Haynes认为撒哈拉东部的雅丹地貌是在距今4.5千年以前开始的极端干旱期形成的;Washington等认为乍得Bodele低地4米高的雅丹可能形成于距今1.2~2.4千年以前;Goudie通过对非洲纳米布沙漠形成年代来推测纳米比亚海岸的大型雅丹可能形成于数百万年前;Inbar等认为阿根廷PayunMatru火山区玄武岩上的雅丹形成于干旱而多风的更新世晚期全新世初期;Vincent等根据洞穴堆积物记录的气候变化情况,推断沙特阿拉伯西北部寒武纪奥陶纪砂岩的雅丹地貌在距今400千年以前开始形成;郑本兴等通过分析周边区域地质历史演化与前人研究结果,认为敦煌雅丹地质公园的雅丹地貌是晚更新世中晚期开始切割的。

除上述方法的单独应用外,还有学者组合应用这些方法来推断雅丹的形成年代。如Al-Dousari等通过综合前人区域气候研究,结合实地观测风蚀速率,推算出科威特Um Al-Rimam低地雅丹的形成年代为距今44~1500年以前。

雅丹地貌是侵蚀地貌,不同于堆积地貌,其形成年代不同于雅丹地层的年代,地层开始被切割的年代才是雅丹开始形成的年代。因此,雅丹形成年代的断定存在很大的难度,还没有直接的方法来测定其形成年代,这也是雅丹地貌研究的难点。只有通过一系列的间接方法来推测其形成的大致年代,但准确性欠佳。由于不同或同一区域的岩性、动力、气候和规模存在差异性,雅丹地貌的形成年代也是千差万别的。

中国柴达木盆地西部的雅丹地貌群则具有世界上延伸最长的雅丹地貌群。中国雅丹地貌面积约2万平方千米,主要分布在青海柴达木盆地西北部、玉门关西疏勒河中下游,新疆准噶尔盆地西部的乌尔禾、东部的将军庙,吐哈盆地的五堡、十三间房,塔里木盆地东缘的罗布泊北部、楼兰古城,北缘的拜城县克孜尔魔鬼城等地。

范锡鹏曾在1962年将中国的雅丹地貌分为金字塔形、长垄形和流线鲸背形等3大类型。

穆斯塔法哈里默夫在1988年经过实地考察后,将中国雅丹地貌分为以下8种类型:方山、犬牙状雅丹、锥状雅丹、金字塔状雅丹、长脊状雅丹、拱背状雅丹、鲸背状雅丹以及低矮流线型鲸背状雅丹。 [8]

雅丹分类的目的是将众多形态、规模、年代及发育阶段和成因不同的雅丹地貌分别归类并确定它们在雅丹地貌分类系统中的位置和联系。由于采用的分类原则不同,各种分类系统也有差异。

从已有研究来看,国内有3种分类系统。其中陈宗器按大小与形成年代将雅丹按形态分为迈赛(mesas,平顶山)和雅丹(yardangs);夏训诚按成因把雅丹分为风蚀为主的雅丹、水蚀为主的雅丹和先水蚀后风蚀的雅丹三类;郑本兴按雅丹地层地球化学组成不同形成的颜色差异分为红色雅丹、白色雅丹和黄色雅丹。

国外有2种分类系统,除了Cooke等按雅丹形态大小分为小、中、大三类雅丹外,需要重视的是Halimov等根据形态和发育阶段,定性和定量相结合的原则,对柴达木盆地雅丹地貌提出的分类系统,在当前雅丹地貌分类研究中值得借鉴。

岩性条件是雅丹形成发育的基础。因对雅丹的定义不一致,雅丹形成发育可以在不同硬度和不同时代的岩石上。也有学者认为除硬度外,岩性中还应考虑其结构,并做了研究。如Goudie认为形成雅丹的岩体岩性相对一致,构造简单,但有便于下切的节理发育。夏训诚认为具有泥岩和砂岩互层的河湖相沉积物,泥岩层内发育有便于侵蚀的水平与垂直节理。 [9]

现发现的绝大多数雅丹分布在极端干旱区,年降水量小于50毫米,植被稀少的平原地区,风蚀作用强烈;或较为湿润的洼地,盐类风化作用、地下水作用强烈的地区。很多学者根据地质历史时期气候变化研究,推断高大的雅丹是在更新世冰期干冷多风的气候环境下形成的,或更早的干旱气候环境下形成的。 [10]

动力条件是雅丹地貌形成的关键因素,现主要集中于外营力条件的研究,包括风力和水力等方面。

雅丹分布于极端干旱区,风力作用是其主要外动力。大多数学者认为单一风向的强风是雅丹形成的主要外营力,也有学者研究认为部分雅丹的形成是由2组风向相反的风况所致。对风蚀的2种作用方式吹蚀和磨蚀的作用机理,不同的学者也有不同的认识。El-Baz等认为吹蚀作用在不同岩性的雅丹上作用大不相同,在坚硬的岩石雅丹上,吹蚀作用不明显;McCauley等认为松软岩体上平滑且具有流线型外形的雅丹是吹蚀作用的结果。

Hobbs、Hagedorn和Grolier等认为磨蚀作用主要表现在雅丹整体形态与坡脚岩体颜色变化上,迎风端及两侧下部的抛光面和风蚀槽是由磨蚀作用形成的,并导致迎风端和两侧槽地的下切;但Whitney认为风力磨蚀太强则会导致风蚀槽的破坏,二次流形成的漩涡和携带的粉细沙等悬浮物质作用于岩体而形成风蚀槽,并将这种二次流命名为界面流(interfacialflow),认为是它携带微小颗粒磨蚀整个雅丹体。对风的吹蚀和磨蚀这2种作用方式的相对重要性,亦有不同观点。对于美国加州的罗格湖区雅丹,McCauley等认为是吹蚀作用形成了平滑的流线型垄岗,而磨蚀作用则导致迎风端及两侧的下切,使雅丹间槽地变低;Ward等则认为磨蚀在槽地和垄岗的初期形成阶段起到了很重要的作用,此后吹蚀作用不断加强,并与磨蚀作用一起形成“风动力形态”(即流线型);而Blackwelder认为罗格湖区低矮的圆形雅丹是其两侧与顶部随气流跃移的沙粒磨蚀而形成的。 [11]

洪水作用也是重要的外营力。但对于洪水对雅丹的作用机理,也存在不同的看法:大部分学者认为,在雅丹形成初期,风沿着洪水形成的冲沟吹蚀,使冲沟不断加宽加深。也有学者认为,在雅丹形成之后,洪水还会再次侵蚀雅丹间槽地,并在雅丹坡面上发育密集的切沟。同时,也有学者提出洪水在雅丹形成过程中存在正反两种作用,认为强烈的洪水作用会起到破坏雅丹的作用。

除上述定向动力条件外,部分雅丹形成过程中,还存在其他非定向营力,如风化作用、重力坍塌、盐类风化和龟裂等。

各营力在雅丹形成发育过程中各阶段的相对作用亦不同。Goudie认为磨蚀作用在雅丹地貌形成初期及对相对高度较低的雅丹作用强烈;吹蚀对岩性较软的沉积地层作用明显;流水侵蚀切割作用,特别是山区暴雨洪水作用在雅丹形成初期起到很重要的作用,为风的作用提供通道;而盐类风化和干湿变化为风力搬运提供了大量的碎屑物质。在雅丹形成后,重力坍塌也逐渐成为重要的外营力因素。 [12-13]

在雅丹地貌形成发育条件研究中,首先,定量研究十分薄弱。现仅有Ward等对吹蚀作用进行了风洞模拟实验,而定量研究各条件,尤其是动力条件对雅丹形成发育过程的影响对理解雅丹发育模式至关重要。其次是缺乏长期监测。还没有报道在雅丹分布区建立长期的观测场,对雅丹形成发育过程及其环境要素进行观测。再次,对雅丹形成发育的内营力作用重视不够。雅丹发育的内营力主要有构造抬升、沉降、褶皱、断层和节理等,这些内营力因素对雅丹形成发育的地质基础和对雅丹形成发育过程起到控制作用。如构造下沉,则导致地下水位升高,进而使雅丹底部遭受地下水浸泡,降低粘结系数,最终导致重力坍塌,快速走向衰亡;若构造抬升过高,则使雅丹发育的地层离地下水位太深,风化作用和风蚀作用则会更强,也会导致雅丹地貌衰亡。 [14]

雅丹的形成发育过程研究,主要采用以下2种方法,一种是野外考察基础上的理论推断分析,一种是实验模拟。

许多学者利用第一种方法对雅丹地貌的发育过程做出了推断,所得出的结论都是大同小异,比较有代表性的模式有以下2种:

一是:夏训诚通过对中国罗布泊地区雅丹地貌野外考察和理论推断,认为其发育过程分为4个阶段。第一阶段为表面风化破坏阶段,主要作用是风化作用,产生许多水平和垂直节理,使下伏的疏松沙层逐渐暴露地表,为外营力侵蚀创造有利条件;第二阶段为雏形雅丹地貌形成阶段,经风化作用形成的碎屑物质在风力或流水作用下被搬运,使地表起伏不平,但相对高差不到1米;第三阶段是雅丹形成阶段,因地表起伏和节理扩大,更有利于风化剥蚀作用,使表层泥岩逐渐消失,沙层直接暴露在地表,侵蚀速度加快,低洼处不断加深和扩大,而凸起的部分因受泥岩保护而侵蚀相对微弱,形成相对高差数米到数十米的土丘与沟谷相间的地貌组合;第四阶段是雅丹地貌消失阶段,不断的外力作用使凸起部分的面积不断缩小,低洼面积不断扩大,形成孤立的小丘,其下部的沙层因风蚀等被掏空,进而发生块体运动,面积逐渐减小,高度也不断下降,最后消失。

二是:Halimov等通过对柴达木盆地雅丹地貌的研究,认为在发育的各阶段具有代表性的地貌形态,并且存在逻辑循环。他们认为扇缘或古湖床平原面受构造隆升后,在外营力作用下形成方山状雅丹,再逐渐演化为长垄状、平顶塔状和金字塔状,平顶塔状最后也演变为金字塔状,在此过程中,雅丹地貌是逐渐增高的。而古湖床平原面受盐构造褶皱影响,在外营力作用下形成犬牙状,并进一步发展为锥状,此过程中雅丹也是增高的。另外,扇缘或古湖床平原面在外营力作用下,形成逐渐增高的拱背状雅丹,此后高度降低,形成鲸背状雅丹,而长垄状雅丹和鲸背状雅丹进一步降低,形成低矮流线鲸背状,最后全部消失,形成新平原。但Gutiérrez-Elorza等强调在该循环中应考虑构造因素,其将破坏这种循环过程。 [16]

实验模拟的发育模式主要是通过风洞实验得出的。Ward等将中细粒石英砂、玉米粉以及咖啡渣按1:1:1的比例混合并制作成雅丹模型,进行风洞模拟实验。通过对不同形状模型的风洞模拟实验,得出了风蚀部位的先后次序依次是迎风侧棱角部位、迎风坡面、背风侧棱角及模型两侧、背风坡面。各种形状的模型,最后稳定形态的长宽比为4:1,风蚀的速率也逐渐降低。同时认为迎风端主要发生磨蚀作用,而中部和背风端主要发生吹蚀及回流和涡旋作用。

虽然诸多学者对雅丹形成发育模式进行了研究,但大多数只是在野外调查基础上的理论推断,对磨蚀、洪水和坍塌等在模式中的作用缺乏定量研究,对这些营力条件相互叠加后在形成发育过程中的作用研究少之又少。此外在模式中对内营力作用考虑较少。 [14]

各学者的概念不同,加之技术手段的不断更新和研究的深入,雅丹地貌在各地陆续得到发现,分布地点也在不断增多。如今,除大洋洲和南极洲外,其他各大洲均有发现。主要分布于降雨稀少、植被稀疏、风蚀作用强烈的干旱区和极端干旱区的沙漠边缘,如西亚(特别是阿拉伯半岛)和中亚,非洲撒哈拉沙漠和纳米布沙漠,北美西部荒漠地区、南美洲西部海岸荒漠区,欧洲西班牙的埃布罗低地。中国主要分布在新疆罗布泊、哈密、疏勒河中下游地区、柴达木盆地和内蒙古乌蒙等地。雅丹地貌发育的物质基础广泛,有河湖相沉积物,也有火成岩、变质岩等;组成物质地质年代跨度大,从全新世到元古代均有报道。

据一些研究报道,在地外行星上也分布有类雅丹地貌,如在火星赤道附近AmazonisPlanitia地区的梅杜莎槽沟层(MedusaeFossaeFormation)上也有大面积的分布。

亚洲

非洲

埃及哈里杰

北美洲

南美洲

欧洲

地外行星


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