为什么流动沙丘沙粒不断地从迎风坡向背风坡搬运

本节的风积地貌是指风成沙堆积形成的地貌，而黄土堆积地貌在另一节中论述。当风沙流前进遇到阻障时，如树、大砾石、山丘、高地形等，沙粒就堆积下来形成特殊的地形，即风积地貌(wind accumulative landform)。风积地貌的形态变化很大，主要受风沙流的速度、风向、含沙量以及障碍物的规模等因素影响。通常是按地貌形成与风向的关系进行分类。

1. 单向风形成的堆积地貌

这种风力堆积地貌主要是在单向风或几个相近风向作用下形成的，有人称为信风型风积地貌。多为单个形态比较完整的沙丘地形，如沙堆、新月形沙丘、抛物线沙丘、纵向沙垄等(图 7-7)。

图 7-7 沙丘类型(据 E. J. L. Trabuck 等，1997，改绘)

(1)沙堆

当风沙流前进遇到障碍物时，一部分沙粒先在障碍物的背风面或迎风面沉积下来，形成不规则的沙体，即沙堆(图 7-8)。随着沙粒在障碍物两侧沉积，沙体的增大，最终可将障碍物覆盖。这种沙堆(sand mound)的规模不大，也不稳定，多发育在沙漠的边缘，是沙漠向外扩展的前奏，也是沙丘形成的初始形态。

图 7-8 沙堆的形成过程a、b、c—形成阶段

图 7-9 新月形沙丘的形成过程(据杨景春，1985)

(2)新月形沙丘

新月形沙丘(barchan dune)是由盾形沙丘改造而来的，其平面形态为新月型，有一个较锐利的沙脊，迎风面缓，坡角在 5° ～20°，为流线形，并发育小的沙波纹，沙粒较紧实; 而背风坡陡，坡角可达28° ～34°，接近沙粒堆积的休止角，为向逆风方向的弧形，沙粒松软，在顺风方向有两个向前伸的翼角(图 7-7a); 新月型沙丘的规模不大，高一般为几米到几十米，最高可达 30m，宽度一般为 100 ～300m。在沙漠及其边缘、干河谷、荒漠盆地等都可发育。

当沙堆形成并突出地表后，就改变了沙堆周围的气流压力和大气运动形式。风沿迎风坡而上，并不断加速，在坡顶(沙脊)达到最大; 当它越过坡顶，由于垂向空间增大，导致风速减小，而且在背风坡的垂直方向上从上到下是减速的，气压由上至下逐渐增大，在坡脚恢复正常，其结果在背风坡形成一个水平轴向的涡流(图 7-9)。迎风坡的沙粒不断被风吹蚀，向前搬运，堆积在背风坡，而背风坡又在涡流的作用下不断变陡，马蹄形凹地不断扩大，使沙丘在顺风方向上变短增高。同时，在水平方向上气流被沙堆分成两股在沙堆两侧向前运动的气流，当运动到背风坡两侧时，由于风速的减慢和摩擦拖曳力的影响，在背风坡的两侧形成垂直轴的涡流(图 7-9)。在涡流的作用下，使被滚落在背风坡脚的沙粒搬运到沙丘两侧前方堆积，形成顺风方向延伸的两个翼角，并随着这种作用的继续，两个翼角不断扩大和向前拉长，就形成新月型沙丘。新月形沙丘是沙漠中常见的沙丘形态，常成群分布，横向既可相连，也可单独存在，在沙丘之间形成丘间低地，有时有植物生长。

新月形沙丘在形成过程中和形成以后，在风的作用下不断将迎风坡的沙粒向背风坡搬运、沉积，并形成倾向与背风坡一致的大型斜层理，同时背风坡的两个翼角也向前延伸，使沙丘不断向前移动。新月形沙丘的移动速度与风力、供沙量、沙粒含水性及植被有关。观测表明，沙丘的移动速度与沙丘高度成反比，而与沙丘间的距离成正比。即沙丘越低，间距越大，其移动的速度就越快(表 7-4); 反之就越慢。

表 7-4 不同高度沙丘的运动速度(甘肃金塔)

图 7-10 抛物线沙丘及其形成过程(据杨景春，1985)

(3)抛物线沙丘

在表面形态上，抛物线沙丘(parabolic dune)与新月形沙丘有些相似，但形成机理完全不同。在平面上，为抛物线形，伸出的两个翼角指向逆风方向，而沙丘弧顶的指向与风的运动方向一致(图 7-7e)，这与新月形沙丘正好相反。在纵剖面上，迎风坡(凹入一侧)与背风坡(凸出一侧)的坡度差别不大，也比较对称，不如新月形沙丘差别大，沙丘高在 2 ～8m。抛物线沙丘是由横向沙垄改造而来的，当前进的沙垄局部遇到障碍时而停止，而未受阻的部分继续向前，使沙丘形成向前的弧形(图 7-10)。随着风的继续作用，弧顶继续前移，两翼角逐渐拉长和变细，弧顶的弧度不断增大就形成了抛物线沙丘。如果风力作用强，弧顶在前进的过程中，不断变细和变长，形如发针，即形成发针形沙丘。如果风力继续增大，使弧顶继续前移，并变细，最终断开，形成两条平行的沙丘，称纵向双生沙垄。

(4)纵向沙垄

纵向沙垄(longitudinal dune)是指顺着主要风向延伸，较为窄长平直的垄状沙体(图 7-7d)。纵向沙垄在不同的部位形态有所不同，在沙垄的前端具有明显的迎风坡和背风坡，较高大; 而在沙垄的中部，垄脊平缓，两侧的斜坡对称; 在沙垄的尾部沙垄低缓。沙垄的规模各地不一，高一般在 10 ～30m，最高也可达 100 ～200m(北非)，敦煌鸣沙山的沙垄高 130m，长达数百米到数千米，也可达数十千米。

纵向沙垄的成因有四种观点: ①由新月形沙丘发展而来(图 7-11)，当两个以锐角相交的风作用于新月形沙丘时，沙丘的一翼沿主要风向延伸，另一翼缩短，形成纵向沙垄; ②由草丛沙堆发育而成，两个或两个以上的草丛沙堆同时顺主要风向延伸，相互连接即可形成纵向沙垄;③由单向风和龙卷风相互作用形成，龙卷风在单向风的作用下，沿着地面呈水平螺旋状前进，风从低地将沙粒吹起堆积在两侧沙堆的顶部，逐渐形成纵向沙垄; ④由地形条件控制而成，在山口或垭口附近，单向风力特别强烈，风沙流的含沙量高，可形成顺风向延伸的纵向沙垄。

图 7-11 纵向沙垄的形成过程(据 R. A. Bagnold，1954)1、2、3、4、5 为沙垄发育阶段; A、B、C、D 为沙丘翼角; g—盛行风; s—另一斜交风向

2. 双向风形成的堆积地貌

这种风力堆积地貌，是由两个方向的风作用下形成的，又称季风-软风型风积地貌(monsoon-breeze type wind accumulative landform)。两个风向既可以斜交，也可以反向。形成的地貌多为沙丘链，或沙垄，规模比较大。常见的形态有以下几种。

(1)新月形沙丘链

新月形沙丘链(barchan chain)是在两个方向相反的风交替作用下形成的，其中一个方向的风较强，是形成新月型沙丘形态的主导风向。这种沙丘链由多个新月型沙丘的翼角横向连接而成(图 7-7c)，它们既可平行连接，也可前后连接，因此在沙丘之间有些洼地。沙丘链高一般为 10 ～30m，长达几百米至几千米，其延伸方向与主导风向垂直。

(2)横向沙垄

横向沙垄(transversal dune)是一种巨形的复合新月形沙丘链(图 7-12a)，长 10 ～30m，高一般 50 ～100m，最高可达 400m。沙垄横向延伸与风向垂直，整体比较平整，两侧不对称，背风坡陡，迎风坡平缓，其上常发育小型的沙丘链或新月形沙丘。这种沙垄的形成需要风力大、沙源丰富。

图 7-12 横向沙垄(a)和梁窝状沙地(b)(据费道洛维奇; 转引自北京大学等，1978)

还有一种横向沙垄发育在山区地带，其规模也比较大。当风向前运动遇到山体时产生一个反射波，反射波与原来风相遇造成风速减慢，沙粒沉积，形成横向沙垄。

(3)梁窝状沙地

梁窝状沙地(grated sandsheet)是隆起的沙脊梁和半月形的沙窝相间组成(图 7-12b)。当两个风向相反而风力不等的风的交替作用下，形成摆动前进的横向新月形沙丘链，如果在略有植被覆盖的地区，其沙丘链前进受阻，而没有受阻的沙丘继续前进与另一部分沙丘连接时，就形成梁窝状沙地。

3. 多向风形成的堆积地貌

这种风力堆积地貌的形成与运动的气流受到干扰形成多方向的风有关，因此有人把这种地貌称为干扰型风积地貌(interference current type wind accumulative landform)。其中最典型的是金字塔形沙丘(图 7-7f)，在塔克拉玛干沙漠的南部就有发育。当有三个或三个以上方向的风交叉时，而且风力相近，它们相互抵触造成沙粒沉积形成金字塔形沙丘(star dune)。金字塔形沙丘为锥角状沙丘，有三个或三个以上的三角形面，每个面代表一个风向，坡度在 30°左右，沙体高 50 ～100m，外形似埃及的金字塔，因此而得名。

4. 龙卷风形成的堆积地貌

在夏季，地表温度的剧烈变化以及地形的影响，在沙漠中易形成龙卷风。强烈的龙卷风吹蚀沙地，在龙卷风的部位把沙粒吹走，形成一个洼地，而被吹蚀的沙粒在洼地的周围堆积形成丘状沙埂，这就形成具有代表性的地貌———蜂窝状沙地(honeycombed dune)。在一定的范围内，蜂窝状沙地是由很多圆形或椭圆形沙窝和围绕沙窝的丘状沙埂构成的。这种地貌在温带的荒漠中最为常见。

5. 风成砂

由风力搬运并沉积的沙级堆积物称为风成沙(eolian sand)，是沙漠最主要的堆积物。由于风的黏滞力小，风速和风向变化快，受局部地形影响明显，而且风力作用强的地区皆干旱少雨，化学风化作用弱，因此风成沙具有以下几个方面的特征。

风成沙矿物组成特征 风成沙主要由石英和长石构成，其含量达 90% 以上，含少量的重矿物，而易磨损的矿物经风搬运大都磨成更细小颗粒被吹扬到更远的地方，如云母在风成沙中就很少见。由于形成风成沙的地区气候干燥，一些易被化学风化的矿物可在风成沙中出现，如辉石、角闪石等。另外，在风成沙中含石膏、碳酸钙以及其他盐类沉积物质。

图 7-13 风成沙累积曲线与其他成因沉积物累积曲线对比(据 R. G. West，1977)

风成沙粒度特征 风成沙的粒径一般只限于 2mm 以下，主要集中在 0. 01～0. 50mm 范围，其中 0. 10 ～0. 25mm 的细沙部分含量最高(图 7-13)，而粉砂、粘土的含量一般不超过 10%，所以风成沙的分选性很好，优于海滩沙、湖沙、河流沙，这是由于风的黏滞力小，具有很强的分选性。在粒度频率曲线上，风成沙常为单峰态。在正态概率曲线上，风成沙呈粗三段或多段式，推移 组 分 ＜ 2Φ(＞ 0. 25mm)跃 移 组 分 为 2～3Φ(0. 25～0. 125mm)，悬 移 组 分＞ 3Φ(＜ 0. 125mm)。推 移 和 跃 移 组 分 占90% 以上，悬移组分低于 10% 。

风成沙形态特征 风成沙的磨圆一般都较好，尤其是大于 0. 5mm 的沙粒，但很少有滚圆的颗粒。在搬运的过程中，风成沙以跃移形式最活跃，导致沙粒间发生频繁的高能撞击，在表面形成密的麻坑、碟形坑、裂纹等，沙粒表面无光泽，呈毛玻璃状，这种现象只限于较大的沙粒，而小于 0. 1mm 的颗粒这种现象不明显。

风成沙层理特征 风成沙的层理发育，其中以斜层理为主，夹微薄的水平层理。在新月形沙丘中，在顺风纵剖面上，斜层理大多向背风坡倾斜，倾角为26° ～34°，下界面也向下风方向倾斜，倾角为 2°～6°(图7-14a); 在垂直风向的横剖面上，沙丘两翼的斜层理的倾角较小，为12° ～23°，下界面近于水平。在纵向沙垄中，斜层理的倾向与沙垄的走向成正交，层理倾角多为23° ～33°，沙垄 两坡坡 脚 附 近 层理 的 倾 角 很 小，近乎水平(图 7-14b)。在横向沙丘垂直沙脊走向的剖面中，斜层理多为板状，前组薄层长而平整，均倾向下风方向，倾角为 30°～ 34°(图 7-14c)，而在沿沙脊走向的剖面上，层理和界面近于水平。

图 7-14 各种沙丘的斜层理(据任明达等，1981)

风成沙生物化石特征 风成沙生物化石非常稀少，几乎不含动物化石，有时含喜干的植物花粉，如柽柳、胡杨、骆驼刺等。

迎风坡平缓而背风坡陡峭。风是从缓的一面吹过来。 迎风坡平缓而背风坡陡峭。风是从缓的一面吹过来。 

沙丘的平面形如新月，丘体两侧有顺风向延伸的两个翼，两翼开展的程度取决于当地主导风的强弱，主导风风速愈强，交角角度愈小。

形成

新月形沙丘从盾形沙堆演化而来。由于沙堆使地面起伏，风沙流经过沙堆时，使近地面风速发生变化，从而使气压分布不同。在沙堆顶部，风速较大，空气压力较小；在沙堆的背风坡，风速较小，空气压力较大。

从沙堆顶部和绕过沙堆两侧来的气流在沙堆背风坡产生涡流，并将带来的沙粒堆积在沙堆后的两侧，在沙堆背风坡形成马蹄形小洼地。如果风速和沙量继续加大，沙堆背风坡的小凹地将进一步扩大，从沙堆顶部和两侧带来的沙粒在涡流的作用下不断堆积在沙堆后部的两侧，形成幼年型新月形沙丘。