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地理学报 >

2024 , Vol. 79 >Issue 9: 2297 - 2311

DOI: https://doi.org/10.11821/dlxb202409009

地表过程

库姆塔格沙漠北部沉积物色度特征与沙丘表面明暗色斑成因分析

  • 金秉福 , 1 ,
  • 张云吉 1 ,
  • 哈斯额尔敦 2 ,
  • 苏志珠 3 ,
  • 孔德庸 4 ,
  • 于健 1 ,
  • 成龙 5, 6 ,
  • 费兵强 5, 6 ,
  • 韩旭娇 2 ,
  • 张亚茹 3 ,
  • 李秀彬 7 ,
  • 赵学勇 8 ,
  • 吴波 , 5, 6
展开
  • 1.鲁东大学资源与环境工程学院，烟台 264025
  • 2.北京师范大学地理科学学部自然资源学院，北京 100875
  • 3.山西大学历史文化学院，太原 030006
  • 4.韶关学院，韶关 512005
  • 5.中国林业科学研究院生态保护与修复研究所，北京 100091
  • 6.荒漠生态系统与全球变化国家林业和草原局重点实验室，北京 100091
  • 7.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101
  • 8.中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730000
吴波(1968-), 男, 吉林白山人, 博士, 研究员, 主要从事荒漠生态学与荒漠化防治研究。E-mail:

金秉福(1963-), 男, 辽宁大连人, 博士, 教授, 主要从事沉积学、碎屑矿物学研究。E-mail:

收稿日期: 2024-01-15

  修回日期: 2024-07-28

  网络出版日期: 2024-09-27

基金资助

国家自然科学基金项目(41471151)

国家科技基础性工作专项项目(2012FY111700)

收起

Chromatic characteristics of sediments in the northern Kumtagh Desert and analysis of alternating light and dark landscapes on dune surfaces

  • JIN Bingfu , 1 ,
  • ZHANG Yunji 1 ,
  • HASI Eerdun 2 ,
  • SU Zhizhu 3 ,
  • KONG Deyong 4 ,
  • YU Jian 1 ,
  • CHENG Long 5, 6 ,
  • FEI Bingqiang 5, 6 ,
  • HAN Xujiao 2 ,
  • ZHANG Yaru 3 ,
  • LI Xiubin 7 ,
  • ZHAO Xueyong 8 ,
  • WU Bo , 5, 6
Expand
  • 1. School of Resources and Environmental Engineering, Ludong University, Yantai 264025, Shandong, China
  • 2. School of Natural Resources, Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
  • 3. Historical Culture School, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
  • 4. Shaoguan University, Shaoguan 512005, Guangdong, China
  • 5. Institute of Ecological Conservation and Restoration, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China
  • 6. Key Laboratory of Desert Ecosystem and Global Change, National Forestry and Grassland Administration, Beijing 100091, China
  • 7. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
  • 8. Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, CAS, Lanzhou 730000, China

Received date: 2024-01-15

  Revised date: 2024-07-28

  Online published: 2024-09-27

Supported by

National Natural Science Foundation of China(41471151)

National Science and Technology Basic Work Project(2012FY111700)

Fold

摘要

库姆塔格沙漠北部沙丘表面多呈现褐黑色至灰褐色，在一些羽毛状沙丘（沙垄）表面常出现明暗交错的色斑景观，成为该沙漠独特标识。本文对采自该区表层沉积物样品进行了粒度分析、色粒的目视分类与色度标定以及沉积物色度的仪器测试。研究表明：目视色度指数CI与器测亮度L*和黄度b*有很强的线性对应关系，可以相互替代表达沉积物的颜色和明暗程度。CI和L*与颗粒自身颜色和粒度密切相关，黑色、灰色和褐色来源于碎屑原生岩性和风化物附着物与粗粒径相关性高，表现为色度高、亮度小；而黄色和白色主要为浅色岩石矿物与细粒径相关性高，即色度低、亮度大。沙漠中沉积层理显著，上粗下细的平行层理成为影响沙丘表面色度的重要因素。沙丘表面色度明暗变化是沙粒运动过程中表层粗粒岩屑的蠕动堆积和细粒矿物的风蚀搬运与风动力相适配的结果，色度高的极粗砂（-1.0~0 Φ）或极粗砂+粗砂（-1.0~0.5 Φ）在表层0~1cm深度内含量只需5%~10%的相对变化就会使沙丘表面相邻区域产生色度不同的明暗色斑，这种现象与沙漠物质组成、风力分选和沉积物所处地貌部位关系紧密，是多种自然因素综合影响的结果。本文可为揭示库姆塔格沙漠及类似沙漠沙丘表面颜色成因及形成机制提供实验模型和数据参考。

关键词： 色度; 粒度; 平行层理; 明暗色斑; 库姆塔格沙漠

本文引用格式

金秉福 , 张云吉 , 哈斯额尔敦 , 苏志珠 , 孔德庸 , 于健 , 成龙 , 费兵强 , 韩旭娇 , 张亚茹 , 李秀彬 , 赵学勇 , 吴波 . 库姆塔格沙漠北部沉积物色度特征与沙丘表面明暗色斑成因分析[J]. 地理学报, 2024 , 79(9) : 2297 -2311 . DOI: 10.11821/dlxb202409009

Abstract

The northern part of the Kumtagh Desert exhibits a dark surface color, ranging from brown black to grayish brown. Additionally, certain feather-like dunes often display contrasting patches of light and dark hues on their surfaces, which has emerged as one of the distinctive characteristics defining this desert. The origin of light and dark spots in sand grains was investigated by conducting field surveys from 45 geomorphic sampling sites in the northern Kumtagh Desertin late September to early October 2020 and 2021,75 groups of grain size analysis, 39 groups of color grains (434 grain size samples) were identified visually, as well as 157 samples of sediment chroma were determined by colorimeter. The findings demonstrate a robust linear relationship between the visual colorimetric index (CI) and the measured luminance L* as well as yellowness b*, indicating their interchangeability in expressing both color and brightness levels of sediment. CI and L* exhibit close associations with particle color and size. The presence of black, gray, and brown hues can be attributed to the primary lithology of clasts and weathered attachments show a strong correlation with coarse rock debris, resulting in high chromaticity but low brightness. On the other hand, yellow and white tones primarily originate from light-colored rocks and minerals that are closely linked to fine particle sizes, leading to low chroma yet high brightness. The desert has obvious sedimentary stratification, in which parallel bedding is characterized by the largest particle size at the top and gradually decreasing downward, and has a major influence on the chromaticity of the dune surface. The variation in surface chroma of sand dunes is the outcome of peristaltic accumulation of coarse-grained rock debris and wind erosion transport of fine-grained minerals during the movement of sand particles. A slight relative change, ranging from 5% to 10%, in very coarse sand with high chroma -1.0~0 Φ or a mixture of very coarse sand and coarse sand -1.0~0.5 Φ can result in different shades of color spots appearing on adjacent areas of the dune surface. The present study can offer experimental models and data references to elucidate the origin and formation mechanism of surface color in sand dunes within the Kumtagh Desert and similar desert environments.

Key words： chrominance; grain size; parallel bedding; light and dark patches; Kumtagh Desert

1 引言

沙漠普遍呈现深浅不一的黄色，但有些沙漠是非黄色的，如澳大利亚辛普森沙漠呈红色[1-2]、美国路索罗盆地沙漠呈白色[3-4]、中亚卡拉库姆沙漠中心区呈黑色[5]。中国库姆塔格沙漠以羽毛状沙丘著称，沙漠以黄色为主，但在沙漠北部不同地貌类型或沙丘不同部位，色彩差别大、转换奇异：平沙地表面为沥青路面状的棕黑色，被磨圆度较好的细砾覆盖，仅数毫米深度之下则为细砂质黄色；大沙丘（垄）迎风坡多呈现深浅不一的明暗斑块，形似飞鸟羽翼，色调“黑白”渐变交错；沙丘不同地貌部位常存在或强或弱的色差，其中垄丘坡顶色浅，丘间谷地色深，也有上深下浅、暗色沙砾撒豆般盖在沙丘顶部的现象；坡面上小尺度的砾浪与沙波像扑向海岸的激浪，色调峰谷有别。库姆塔格沙漠沙丘表面色彩和色斑的变化主要与沙粒本身及其附着的颜色有关，包括原生色、继承色、次生色、附着色和合成色，除此之外，影响沙丘表面颜色的因素还有光照强度、水汽含量、粒度组成、风向与坡向、地貌部位等。有两种主要的方法来量化沉积物的色彩，一是将沉积物的颜色与标准图表比对，如孟塞尔色卡，通过亮度、色调和饱和度来确定沉积物的颜色[6-7]；二是通过仪器测量沉积物的可见光反射率量值，并将其与人机感知到的色度联系起来[8]。目前色度分析在土壤学中应用广泛，由于土壤色度与土壤风化和湿润程度关系密切，对气候变化响应敏感，可作为气候要素替代指标[9-10]。相比而言，沙漠沙粒色彩构成和色度等级可提供色素因子变化、沙漠物源、气候状况、形成年代、自然地理、环境历史等信息[11]。
朱震达等于1980年首次提出库姆塔格沙漠分布有独特的羽毛状沙丘的判识[12]，从21世纪初开始，沙漠科学工作者才陆续得以进入沙漠腹地的无人区，进行系统的调查与测量，结合遥感影像解译，使羽毛状沙丘的面纱被逐渐揭开。库姆塔格沙漠的羽毛状沙丘主要分布在两种风沙地貌上，一种为NE-SW走向的线性沙垄，另一种是在沙垄间连续分布的浅色和暗色相间的微起伏舌状沙埂，二者组合成形态类似于羽毛的风沙地貌。刘虎俊等[13]认为色斑中浅色带稍高于暗色带，相对高差约2~7 cm，构成大沙波地貌；董治宝等[14]认为在遥感影像上形成的羽毛状色斑，是由丘间地明暗相间的沉积物的反射率不同所致。在大多数情况下，亮色带一般位于沙垄的背风侧，而暗色带分布于沙垄的迎风侧，造成视觉上明暗交错的垄间波状地貌应是舌状沙丘[15]。所谓的羽毛状沙丘并不存在[16-17]，羽毛状色斑并不是独立的沙丘类型，而是一种综合型风沙地貌简称。由于羽毛状沙垄各部位粒度、矿物组成不同所引起的地表反射率的差异，才使其在航空像片和卫星影像上呈现羽毛状景观。这是由于舌状沙丘背风坡，细颗粒多且浅色矿物富集，反射率高，显亮白色；而舌状沙丘迎风坡，受风吹蚀，粗颗粒多且暗色矿物富集，反射率低，显暗灰色[15]。本文基本同意上述研判，但提出如下问题。沉积物粒度与颜色明暗度有怎样的关联?为什么会有那么多暗色矿物覆盖在沙漠表面?它们由哪些成分组成?风动力经过怎样的搬运和分选形成明暗交错的羽毛状色斑?
针对上述问题，本文以粒度对色度有重大影响为主线，设计了色度基于显微目视鉴定和色度仪器测相结合的色度定性与定量分析方法。由于沙漠沙是流动的，可形成无限成分组合，单个沙粒微观色彩统计是判断任意沙粒群体色度的简便有效方法，并可以与野外真实景观无障碍衔接，同时器测CIELAB表色系统可监督人工鉴定的准确性并减少人为主观判断的模糊性，从而使描述更加客观。本项研究可为揭示库姆塔格沙漠及类似沙漠沙丘表面颜色成因及形成机制提供理论依据和数据支撑。

2 库姆塔格沙漠概况

库姆塔格沙漠位于塔里木盆地内罗布泊东南部（39°07'50"N~41°00'03"N, 89°57'49"E~94°54'08"E），南以阿尔金山为界，北以阿奇克谷地为限与北山相望，向东为疏勒河河湖平原延伸至甘肃省境内（图1），总面积约2.28×104 km2，是中国第六大沙漠[14⇓-16,18]。该沙漠除南部沙漠边缘外大部分区域没有植被分布，几乎全部是流动沙丘，不仅有新月形沙丘、线形沙丘、格状沙丘和星状沙丘等常见的沙丘类型分布，还有独具特色的耙状线形沙丘、Zibar沙丘和砂砾碛地貌分布[15,19⇓⇓⇓ -23]，羽毛状沙丘主要分布在沙漠的中北部。库姆塔格沙漠的气候属极端干旱大陆性气候，年降水量不足30 mm，且集中在夏季。受局部地形影响，起沙风（≥5 m/s）存在明显的空间差异，主风向为偏东北风（频率约45%），其次是偏东南风（频率约23%）[24-25]，合成为西南输沙方向，且方向变化较小。新构造运动控制了沙漠的轮廓，使库姆塔格沙漠像一把大羽毛扇[26⇓-28]，受下伏地形起伏影响[29]，沙漠地势呈现西南高、东北低。沙漠主体覆盖在阿尔金山北麓的洪、冲积扇和河湖相沉积平原上，部分发育在阿尔金山北麓海拔1250~2000 m的石质山地斜坡上，源于阿尔金山的季节性出山径流自南而北流入库姆塔格沙漠，在沙漠中形成了多条沟谷，除东部的多坝沟常年有少量地表径流外，其他多为季节性水系，呈现干谷景观。
图1 库姆塔格沙漠遥感影像和样品位置示意

Fig. 1 Remote sensing image of the Kumtagh Desert and diagram indicating sample locations

3 样品与实验方法

3.1 样品采集和位置

样品来自2020年9月22日—10月7日和2021年9月29日—10月15日中国林业科学研究院荒漠化研究所组织的两次库姆塔格沙漠综合科学考察，样品点的位置设定见图1，以区域地貌为基础，采用长短路线相结合的方式进行取样。长路线位于沙漠北部边缘台地平沙地上，按照北东—南西方向，间隔约20 km定一个样点，获取表层样10组，标记为SBTD1~SBTD10，并加取宿营地样YDⅡ（浅色区、暗色区、波峰、波谷4种微地貌样）。短路线样品有：① 阿奇克谷南缘阶地（1~5级，样号AGJD1~8）；② 丘面有明暗色斑的小沙丘20YQ，位于沙漠北部，发育在羽毛状沙垄垄间地，按照沙丘的迎风坡坡脚至坡顶、背风坡坡上至坡下顺序依次采样，共采集样品18个；③ 大沙丘垄侧翼的新月形沙丘20QⅠ，以20YQ沙丘同样方式取样18个；④ 沙漠东北部望舒村砾浪分布区（标记为WSLL），在一个砾浪波长（3.50 m）内取样18个。所取样品大部分为表层样，取样窗口为20 cm×20 cm，深度为0~1 cm；部分SBTD样点采取浅剖面样，依层理状况逐层连续取样，每层厚约1 cm间或1~2 cm，剖面深度20~30 cm不等。沉积物样品平铲收集，装塑料自封袋，标记样号、经纬度、时间和地貌位置。本文利用了其中45个各种位置的样品。

3.2 实验方法

3.2.1 粒度分析

沙样烘干后，称取样重120~200 g，进行手动套筛分析，以标准套筛0.50 Φ为一分样间隔。如果某一粒级占比较大，则以0.25 Φ为间隔再分；套筛先整体振动，然后再分筛振动，以筛下几无落出物为止；然后进行称重、分袋盛装、数据整理校正以及粒度参数计算。分选差的样品有16个分样-2.5~4.5 Φ，分选好的样品仅有8个分样0~4.0 Φ，分选中等有10~11个分样1.0~4.5 Φ。本文所提及的样品均进行了粒度分析，共75个。

3.2.2 沙粒颜色目视分类与目视色度标定

将色粒颜色分为5个色类系列，分别是黑色系（包括黑色、褐黑色、灰黑色）、灰色系（中—深灰色、褐灰色、绿色）、褐色系（棕色、褐色、黄褐色）、黄色系（黄色、浅黄色、粉红色、浅黄绿色、浅灰色）和白色系（白色、浅灰白色、淡黄色、无色）（图2）。对粒度分级后的样品，逐级进行沙粒颜色鉴定，砾石级样品在自然光下目视分辨，砂粒级样品置于体式显微镜下以白色光进行观察。每个粒级样品随机取样500~1000颗，若砾石级颗粒少，鉴定其全部。本文共鉴定39个（组）样品，434个不同粒级分样。
图2 沙粒颜色分类图版

注：沙粒粒度皆为极粗砂中的-0.52~0 Φ粒级。

Fig. 2 Sand color classification plate, with particle size of the sand between -0.52~0 Φ in very coarse sand

为了体现不同颜色对沙漠表面明暗状况的贡献，本文将每种色系根据其色泽深浅赋予不同的权重，黑色系赋权重值为5，灰色系为4，褐色系为3，黄色系为2，白色系为1，然后计算出每个样品中不同比例混合颜色颗粒的目视色度指数（CI）。CI值高者色泽偏深，低者色泽偏浅；如果CI值与某权重值相近则表明样品呈现接近那个权重值代表的颜色。CI计算公式如下：
C I = ( 5 × 黑 色 粒 % + 4 × 灰 色 粒 % + 3 × 褐 色 粒 % + 2 × 黄 色 粒 % + 白 色 粒 % ) / 100

3.2.3 沉积物色度的仪器测定

每个样品均匀取样重3~5 g，不对沙粒进行研磨保持原始颗粒状，统一风干，测试过程保持实验条件尤其是背景光源恒定，将样品用玻璃板压平放在经过校正的K-MinoltaCR-400色度仪白板上，测量时间1 s，测量口径Φ为8 mm，仪表误差 ∆E*ab<0.6，同一样品在不同区域测量3次，仪器自动求出3次测量的L*、a*和b*平均值，标准偏差∆E*ab在0.07以内[10,30]。CIELAB表色系统是国际通用的颜色次序表达和测量系统之一[9]，使用L*、a*和b*参量描述任何均匀连续的颜色空间。L*代表亮度，变化于黑（0）和白（100）之间；a*代表红度，变化于红和绿之间；b*代表黄度，变化于黄和蓝之间。样品点选取与目测色度样品点类似但不完全相同，其中全粒级样（从粗至细整套样）10个样组（120个分样），部分粒级样（砾+粗砂）22个样，粗砂级五色沙粒样（黑、灰、褐、黄、白）3套15个样。

4 结果分析

4.1 色度目测与器测的对应性

目测色度的基本操作是鉴定每个沙粒颜色，将不同颜色的碎屑归类到相应的色系组，记录的是不同颜色颗粒数的含量。而器测色度是照明能谱分布状况、沙粒集合体反射光谱和颜色感应器（测色仪）的光谱响应特征共同作用的结果。通过仪器对人工从多个样品中挑选出来的色系组黑、灰、褐、黄、白共3套样品（粒度为-1.0~-0.5 Φ、-0.5~0 Φ和0~0.5 Φ）测量（表1），结果呈现出器测L*、a*和b*对目视挑选的5种色系集合体具有不同基础值，即不同色系之间在亮度、红度和黄度上存在较大的差异性，仅灰色系a*相对偏差稍大，其他指标相对偏差很小，反映人工挑选的样品稳定性好，目测与器测色度呈现的现象具有一致性。黑色系平均亮度L*为26.35，与黑色亮度端元0值差距较大，白色系平均亮度L*为65.88与白色亮度极值100差距更大，显示其中含有较多非纯黑色与纯白色颗粒，而且5种颜色之间存在较多过渡性色彩，即使灰色系与褐色系L*接近，但它们红度a*和黄度b*有较明显差异，其中灰色系红度接近0值，甚至出现负值，反映灰色系中红色不发育且呈现一定绿色光谱。5个色系中黄度b*有较高的显现，并随颜色由黑、灰、褐向黄、白色转变而增大，而红度a*普遍较小，亮度L*在黑、灰和褐色系中偏低（<50）。这与沙漠沙整体偏黄、北部区分布大片暗色沙区的背景相吻合，但作为沙漠沙亮度值明暗极端差异接近40，黄度相差17，预示明暗色斑的出现与否取决于色度差大的沙粒是否相对集中分布。
表1 不同色系沙粒集合体器测色度值和相对偏差(RD)

Tab. 1 The colorimetric values and relative deviations of various types of colored sand aggregates

L* a* b* L*_RD a*_RD b*_RD
黑色系 26.35 0.51 3.36 0.15 11.50 1.76
灰色系 36.06 -0.09 11.06 0.28 25.51 0.84
褐色系 36.63 4.45 14.50 0.36 0.97 0.83
黄色系 52.90 3.10 19.27 0.16 2.21 0.39
白色系 65.88 2.11 20.54 0.47 3.58 0.41

4.2 色度与粒度的关系

库姆塔格沙漠沙粒颜色与粒度呈高度正相关关系，粒度控制着沙漠表层和内部的色泽（图3）。目测CI与器测L*、a*和b*随粒度由大变小呈显著的线性相关关系（图4a），二者关系协调，可以相互替代反映沙漠沙色度变化。随粒度从粗粒<-2 Φ（>4 mm）逐渐变细至>4 Φ（<0.063 mm），深暗色（黑、灰和褐色）颗粒含量由多变少，而浅色（黄、白）颗粒含量逐渐增多（图4b）；沉积物色度指数CI逐渐由大变小（CImax>3.70，CImin<1.40，图4c）、呈滑梯状下降；而器测色度指标的L*、a*和b*均在不同基础上总体有规律增大，仅在粗细两端有轻微波动（图3、图4d），显示CI与暗色颗粒含量、亮度L*和黄度b*与浅色颗粒含量呈明显的正相关关系。
图3 AGJD2沉积物样不同粒径分样L*、a*和b*以及自然颜色和色度(CI)

Fig. 3 The AGJD2 sediment sample is classified by particle size, and their L*, a*, and b* values are measured and their natural colors and chrominance index (CI)

图4 沉积物目测与器测色度的相关性和不同颜色颗粒含量和色度随粒度的变化

Fig. 4 The correlation between visual and instrument chrominance and the variation of different color particle contents and chrominance of sediments with grain size

依据所有测试样品的均值（CISD=0.59，L*SD=2.18），沉积物色度深浅可划分3个层级，① 深（暗）色级：CI>3.0，或L*<42；② 花色级：CI介于3.0~1.75之间，或42<L*<52；③ 浅（明）色级：CI<1.75，或L*>52。CI>3.0的深色级沙粒（深色粒占2/3以上），粒径多为小于-0.52~0 Φ（>1 mm），库姆塔格沙漠北部边缘地带偏粗；CI在1.75~3.00之间的花色沙粒随粒度变细CI迅速变小，变率较大（图4c），其粒径在0~1.00 Φ或0~1.50 Φ（1~0.50 mm或1~0.35 mm）之间变化；CI<1.75（深色粒占1/4~1/5）的沙粒粒径分布较广，从1.00 Φ或1.50 Φ一直到最细的>4.00 Φ，即从中细砂至粗粉砂CI值小稳定。粒度与色度之间的基本关系为：粒径粗，色度高，CI达到3.0以上的暗色颗粒为砾至极粗砂（> 1 mm），至少为粗砂（>0.5 mm）；粒径细，色度低，中细砂（<0.5 mm）皆为明色（浅黄色）；粗砂粒级，色度中等，可随极粗砂（1.0~2.0 mm）和粗砂（0.5~1.0 mm）粒径构成的不同而形成色度的明暗变化（表2）。
表2 砾石和粗砂样品器测和目测平均色度值

Tab. 2 Average colorimetric and visual values for gravel and coarse sand samples

沉积物成分 粒径(Φ) L* a* b* CI平均值 色度定性
砾 <-1.0/n=17 37.79 0.77 7.67 3.57/n=6 深(暗)色
极粗砂1 -1.0~-0.5/n=10 38.59 1.14 10.06 3.36/n=23 深(暗)色
极粗砂2 -0.5~0/n=13 41.59 1.43 11.74 3.07/n=31 深(暗)色
粗砂1 0~0.5/n=13 48.01 2.00 14.95 2.44/n=37 花色
粗砂2 0.5~1.0/n=10 51.75 2.55 17.65 1.92/n=39 花色
极粗砂—粗砂 -1.0~1.0/n=10 47.16 1.92 14.50 2.60/n=39 花色

4.3 色度在不同地貌部位的变化

本文和前期调查采取了不同的取样和粒度测试方法[31⇓⇓-34]，结果均显示库姆塔格沙漠的流动沙丘平均粒径多为中细砂或细砂，但阿奇克谷地南缘阶地、沙漠北缘平沙地和沙漠北部羽毛状沙丘（垄）除外。因此，在库姆塔格沙漠的大部分区域，沙丘表面皆为浅黄色，只有在沙漠北部一些区域，约占沙漠面积16.8%的范围内，沙漠表面有明暗变化[19]。
由于沙漠北部的平沙地、低矮缓坡沙丘及沙垄，其表层均被粗粒沙覆盖（细砾—粗砂）（图5a），沙漠表面沙粒越粗（如阿奇克谷地南缘阶地、沙漠北部台地），CI越大，颜色越深，即呈现所谓的“黑色砾皮沙漠”；在表层粗颗粒下伏的细颗粒（中细砂）色度低（图5b）。同样，在沙漠北部有沙波微地貌分布区——砾浪区，其波峰和波谷沙粒色度也有较明显的不同，一般情况下，波峰呈褐黑色而波谷为黄色（图5c）。有明暗色斑的沙丘表面由粗砂构成，犹如“卷积云”飘浮在天空般倒映在地面上（图5d、5e）。而羽毛状沙垄（多为新月形沙丘链）侧翼的新月形沙丘20QⅠ因缺乏粗粒级沉积物（砾石和极粗砂），故而色度低，整体沙色为黄色，没有显现明暗色斑景观。沙漠南缘的沙丘，是细砂的流动堆积区，由于缺乏细砾—粗砂组分，其颜色为色度低的黄色（图5f），只在局部有少量暗色沙纹出现。
图5 库姆塔格沙漠不同地貌部位的自然颜色状况

注：图a~c吴波2021年10月拍摄于库姆塔格沙漠北部；图d~e李秀彬2021年10月拍摄于库姆塔格沙漠北部；图f吴波2021年10月拍摄于库姆塔格沙漠南部。

Fig. 5 Natural color status of different landforms in the Kumtagh Desert

20YQ为具有明暗色斑的小沙丘，粒度分析揭示表层沙丘沙均值为中砂，没有砾石组分，仅有少量的极粗砂（平均5.2%），粗砂含量较高（13.6%~67.5%），且变化较大，沙丘平均粒径为1.48 Φ，迎风坡和背风坡一致与不同学者前期发表的数据十分相近[13,34]。在迎风坡，粒度频率呈双峰曲线状，粗粒峰值为0~1.0 Φ，集中在0.5~1.0 Φ，细粒峰值为2.0~3.0 Φ，集中在2.5~3.0 Φ，粒度粗且色度高的-1.0~0.5 Φ粗砂（2.0~0.7 mm）含量为23.1%；背风坡粒度频率为单峰曲线，峰值宽0.5~2.0 Φ，-1.0~0.5 Φ粗砂含量仅为3.4%（图6a）。沙丘表层相应的沙粒CI在2.0~3.0之间变化，即从褐色变化至浅黄色。明暗（俗称黑白）交替的色斑区只出现在迎风坡，背风坡皆为明沙区。凡是白样点，-1.0~0.5 Φ粗砂均在5%以下，而黑样点，-1.0~0.5 Φ的颗粒含量大都超过10%，平均为14.0%，由于沙漠表面的风沙沉积过程普遍形成上粗下细的反粒序沉积层理，表层深0~1 cm的样品，最粗颗粒大都定位于沙漠顶层，若按占全样10%~15%的最粗颗粒置于顶层的色度计算，顶层CI值在明暗之间平均相差0.76（黑斑平均为2.77，白斑平均为2.01），最大相差1.12（图6b）。这意味着沙面明暗在色差视觉上体现为黄褐色与黄色之间的差别，色度的实验和计算结果与野外观测的现象十分吻合（图6c）。通过上述分析，表层极粗砂-1.0~0 Φ或极粗砂+粗砂粒级-1.0~0.5 Φ含量只要比周围高出5%~10%，就可显现出明暗色块差别。羽毛状沙丘上普遍发育沙波纹，浅色带上分布的沙波纹较窄、较短；暗色带上沙波纹较宽、较长[19]；沙波纹微地貌也显示波峰处颜色较深，波谷处颜色较浅，这也是由粗砂分布和含量不同造成的。
图6 色斑沙丘20YQ地貌剖面上粗砂含量和CI变化及野外色感

注：图b按占全样10%~15%的最粗颗粒CI加权计算）。

Fig. 6 Coarse sand (-1.0~0.5 Φ) content of 20YQ surface sample, CI of the top layer and field color perception in the geomorphic profile of color-spotted dunes

5 讨论

库姆塔格沙漠有面积达4082 km2的明暗色斑分布区[14]，与色度关系最为密切的是岩矿组分和沉积构造，风动力作用下，色度变化是这两大因素对沙漠地表过程的适配响应。

5.1 色度与岩矿组分

沙漠的颜色首先取决于组成沙粒自身的颜色，而沙粒的颜色是由形成沙粒的岩石类型和矿物成分决定的。本区碎屑浅色矿物主要是石英、斜长石和钾长石，少量是方解石、白云石及各种盐类；暗色矿物种类较多，主要是常见的铁质不透明矿物（如磁铁矿、褐铁矿、赤铁矿等），以及角闪石、黑云母、辉石等铁镁质半透明矿物，但含量很低[15,25,35]。阿尔金山作为库姆塔格沙漠物质的可能主要来源地，岩浆岩和变质岩发育，但矿物粗大的伟晶岩和粗晶质岩并不多见[36]，这些暗色重矿物最常见赋存在粒度>3 Φ（<0.125 mm）的极细砂和粉砂中；轻矿物中的单晶石英和长石粒度稍粗，但也大都为细砂和极细砂，粗砂占比较低。因此，库姆塔格沙漠中砾、粗砂和一部分中砂，即相当一部分粗碎屑组分不是单矿物，而是岩屑。岩屑的岩性成因复杂，以中酸性火成岩和区域变质岩类为主而每种岩屑均有多样的颜色，黑色和灰色颗粒主要岩性是以流纹岩为主（约占20%）的中酸性火山岩和绿帘黝帘石化蚀变岩[37]，棕褐色和褐色颗粒以化学风化的褐铁矿（针铁矿）化岩和铁锰质荒漠漆附着成色颗粒为主[38⇓-40]。颗粒越粗大，则沉积物中暗色岩屑含量越高。浅黄色颗粒以长石以及附着荒漠漆的石英、硅质岩为主，含少量浅风化的细晶花岗岩、石英砂岩等岩屑；白（无）色颗粒以石英为主，有少量石英质岩和大理岩。与暗色岩屑相反，沙粒越细小，这些浅色组分含量越高。各种颜色的重矿物含量稀少，对沙漠色度变化影响较小。
因此，库姆塔格沙漠表面的暗色颗粒，不是大面积分布且严重影响沙面光谱反射率的重矿物，而是自色深以及风化作用使色度变大的岩屑，粒度粗且含量高的岩屑是使沙漠色度变化的主因。

5.2 色度与沉积层理

风沙沉积层发育沉积构造，包括各种层面构造和层理构造，层面构造主要为沙波纹，沙丘内部一般都具有多种层理构造（平行层理、斜层理、交错层理）。沙漠北部台地剖面显示（深0~30 cm，图1、图5a、图5b），表层是粒度相对均匀的细砾，表层以下大部分沙粒是细砂，其中的粗砂、中砂和粉砂均较少。部分样点下部可见数层有一定含量的暗色细砾，细砾相对均匀排列且与地面平行，其下沙粒粒度变细，因为含有不同粒度暗色颗粒而显得层理清晰，即显示粒度在浅剖面中有粗细的交替变化；而部分样点剖面内不见砾石层，但都具有向北（阿奇克谷地）微倾斜的平行层理（平行于地表）。大部分样点表层以下的沙粒结构比较密实，甚至有些样点出现盐晶胶结而有所固结。平行层理是受风力持续作用、粗粒蠕动搬运和细粒跳跃搬运的泼溅作用而成，这种上粗下细的沉积层理和粒度分布主导着沙漠表面的色度状况。
由前文可知，CI值3.0以上的沙粒粒径是-2.5~0 Φ的砾石和极粗砂，CI值2.5以上的粒径则是-2.0~0.5 Φ为主的碎屑。如果顶层受风力分选全都由最粗的颗粒密集排列，沙粒看作近乎球形，需要的沉积物量可以下式计算：
S = d / T × 100 %
式中：S为最少需要的最粗颗粒沙量（%）；d为最粗颗粒平均直径（mm）；T为样品厚度（mm）。
对表层样品（0~1 cm）极粗砂（> 1 mm）而言，约10%的极粗砂就可铺满沙漠表面，但实际上沙粒之间存在叠压等情况，平铺沙面的极粗砂需要10%以上，如果极粗砂不足，粗砂直接出露在表层，粗砂的CI比极粗砂要小0.5左右，因而使表层色度降低，极粗砂含量越少，表层色度越低；如果样品中不仅有极粗砂，还含有砾石（如砾浪区），由于砾石具有更高的色度，因而沙面呈现更深的色度，对细砾（>2 mm）而言，铺满沙面（0~1 cm）需要约20%的砾石含量。沙漠北部的AGJD、WSLL和SBTD样品粒度数据显示，它们的表层砾石和极粗砂含量达40%以上（表3）。粗大沙粒含量高是沙漠北部色度为黑褐色至棕褐色的主要原因，次表层以下沉积的细颗粒受表层砾石和粗砂覆盖保护，只有受外力侵蚀时才会呈现其自身的黄色。
表3 不同地貌位置沉积物粒度和色度平均值

Tab. 3 Average values of sediment grain size and chroma at different geomorphic locations

样品位置
和野外色感		 砾石
(<-1.0 Φ)		 极粗砂(-1.0~0 Φ) 粗砂1
(0~0.5 Φ)		 粗砂2
(0.5~1.0 Φ)		 中砂
(1.0~2.0 Φ)		 细砂至
粗粉砂
(2.0~5.0 Φ)		 平均
粒径
(Φ)		 CI L*
AGJD(暗)/n=8 40.17 13.84 4.10 8.88 11.09 21.92 0.12 2.77/n=3 43.1/n=2
WSLL(暗)/n=18 39.26 6.88 2.74 6.01 6.09 39.03 0.63 2.18/n=1 48.9/n=1
SBTD(暗)/n=10 21.33 19.25 5.62 6.78 8.50 38.52 0.93 2.20/n=4 49.7/n=3
YDⅡ(暗)/n=2 - 17.84 28.17 6.20 5.93 41.86 1.43 2.13/n=2 52.0/n=1
YDⅡ(浅)/n=2 - 2.38 3.60 12.07 32.24 49.71 2.04 1.62/n=2 -
20YQ(暗)/n=11 - 7.82 15.30 29.28 12.53 35.09 1.48 2.02/n=11 51.5/n=1
20YQ(浅)/n=7 - 1.42 3.86 37.86 33.67 23.45 1.48 1.81/n=7 52.4/n=2
20Q1(浅)/n=18 - 0.04 0.66 9.43 25.89 63.99 2.21 1.67/n=9 -

注：CI和L*值是以粒度为权重的全样加权平均值。

位置偏南的羽毛状沙垄的垄间地，一般认为目前处于风蚀>风积的消减状态，但其平均粒径相对较细。呈现明暗交替相间的色差斑块都是CI值差较大的迎风坡，色斑沙丘的背风坡，沙粒越顶滚落形成斜层理，导致背风坡表面并非粗颗粒集中平铺，而是细粒出露较多，背风坡表层-0.1~0.5 Φ粗砂平均含量仅为3.4%，故CI普遍偏小，颜色比迎风坡明亮。

5.3 明暗色斑形成机制

按照迎风坡颗粒粗且色度高，背风坡颗粒细且色度低的规律，再结合明暗色斑呈弧形波状分布特征，推测明暗色斑景观应该是风沙在大沙丘表面上叠置的次一级微型新月形沙丘和新月形沙丘链造成的，类似于复合横向沙丘[14]。浅色区是微型新月形沙丘的覆盖区，暗色区则是微型新月形沙丘没有覆盖到的大沙丘迎风坡表面。前人通过风季实地观测[41]，羽毛状沙垄的风速变化表现为新月形沙垄和垄间沙埂不同部位气流的增速和减速，受春季强风扰动，叠加丘间地的“狭管效应”影响，大沙丘表面部分区域被强风吹走一部分较细颗粒，极粗砂和粗砂占比进一步增大，其色度随之增大，形成暗色区（残沙区）；浅色区堆积的沙粒来自上风头大沙丘表面因风蚀而被再次搬运的颗粒，由于雏形沙丘细粒组分含量相对较高，其色度相对较低，为目视所见的明色，有学者称之为浮沙片[12]。如果CI差超过0.5，就可能产生光谱反射率有明显差异或目视可辨的明暗交错的色斑景观。随着时间和风力的变化，这些浮沙片和残沙区随时都有后续组分的加入，不断改变它们的组成与结构，因此这些明暗区域是动态的，边界是模糊的。也可能有另外一种形成机制，这种被称之为大沙波的明暗图斑可能是一种巨型沙纹[13,42]，其尺度比新月形沙丘要小，比普通沙波纹大得多，在波峰附近形成粗粒的暗沙区，在波谷周围形成细粒的明沙区。而在细砾覆盖区，可形成波涛汹涌的砾浪地貌，波峰色度高，波谷色度低。
在库姆塔格沙漠北部边缘，新构造运动形成的阿奇克谷地边缘阶地和台地上的风沙地貌不断被风力削低，细粒物质不断被搬运带走，迫使沙丘变矮，起伏变小，粗颗粒的砾石和粗砂蠕动距离短，不断累积。滞留下来的砾石和粗砂其重量一般能够压制该区强风的起动和搬运能量，同时，风沙流中的细小颗粒对地面的溅射和碰撞作用，激发了粗颗粒周围的中细砂的起动和搬运，不仅使砾石和粗砂能够原地残留或近地蠕动并在表层富集，而且使砾石在没有长距离搬运的情况下被风沙流转动和磨蚀，磨圆度大幅度提高。表层的粗颗粒像瓦片一样保护着次表层及以下的风沙层，只有超强风力才能将下层沙粒掘起吹走，从而形成表层颗粒粗大、下层颗粒细小的反粒序平行层理。而在粗砂覆盖区，不同粒度颗粒以不同速度顺风行进，跃移和悬浮组分不断被吹走，而蠕动的粗颗粒集中到沙波顶部，细粒在波谷中比例居高，从而形成暗区稍高、明区稍低的微地貌起伏。
库姆塔格沙漠从北至南，随地势的增高、风力的沿程衰减[43]，沙漠表层颗粒粒径分布产生空间上的差异。沙漠南部的流动沙丘表层沉积物缺乏粗砂，以中细砂为主，所有表层颗粒颜色浅淡，即使有风成作用形成表面较粗、内部较细的沉积层理，但由于粒度变化相对较小，色度变化难以显现，色斑沙丘景观因此消失，仅在个别沙丘底部出现表层颜色不均的波纹条带。因此，库姆塔格沙漠的“羽毛状”沙丘明暗色斑景观只出现在沙漠偏北部表层的粗颗粒（细砾—粗砂）分布区。
总之，不管沙漠形成经过怎样的复杂过程，粒度分布是库姆塔格沙漠表层色度变化的重要原因，而粒度大小又与风况、岩矿特征、物源的搬运距离等高度相关，这是沙颗粒特征与风动力相适配的自然现象，是各种自然因素共同作用的结果。虽然库姆塔格沙漠在地貌形态、色度变化等方面具有独特性，但遵循沙漠地表过程的普遍规律。

6 结论

（1）库姆塔格沙漠北部表面色度高，呈褐黑色至灰褐色，色度CI和光度L*与颗粒自身颜色和粒度密切相关，随黑、灰、褐、黄和白色排列顺序，色度由高到低、亮度由小到大发生变化；CI>3.0或L*<42的暗色沉积物多为细砾至极粗砂（>1.0 mm）；CI<1.75或L*>52的浅色沉积物为中细砂（<0.5 mm）；3.0>CI>1.75或42<L*<52的花色沉积物为极粗砂和粗砂，可随极粗砂（1.0~2.0 mm）和粗砂（0.5~1.0 mm）组成比例不同而形成色度的明暗变化。
（2）平沙地和羽毛状沙垄迎风坡沉积层理显著，上粗下细的平行层理成为影响沙面色度的重要因素，使得沙漠顶层色度显著高于内部。沙丘迎风坡平行层理显著，粗径沙粒覆盖在表层，使其色度普遍较高，而背风坡发育斜层理，粗径沙粒多淹没在顶层之下，因而表层深色颗粒稀疏、色度较低。
（3）沙丘表面色度明暗变化是沙粒运动过程中表层粗粒岩屑的蠕动堆积和细粒矿物的泼溅作用与风动力相适配的结果，也可由细粒物质被风吹扬带走造成粗粒相对富集而形成，极粗砂（1.0~2.0 mm）或极粗砂+粗砂（0.7~2.0 mm）在表层0~1.0 cm深度内含量只需5%~10%的相对变化就会使沙丘表面相邻区域产生色度不同的明暗色斑。

感谢泰山学院丁敏教授对色度测试的支持，感谢孔祥生教授和王孟瑶博士对图件绘制的帮助，感谢匿名审稿专家对本文提出的建设性意见。

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