命名由來
雅丹定義的發展在“雅丹”一詞未被地學界廣泛使用前,有諸多稱謂。在東漢史學家班固所著的《漢書·地理志》卷二八下中被稱為龍城、白龍堆和龍堆,Stapff稱其為“空氣動力學地形(aerodynamiclandforms)”,此外還有“獅身人面像(sphinxhills)”,“剝蝕丘(bugravyduvanije;deflationhill)”,“沙漠城(shahrlut;desertcities)”,“泥獅(mudli-ons)”,“土阜”等不同命名。
1899年~1903年,瑞典探險家斯文赫定在中國新疆羅布泊考察時,將古湖周圍成群分布,長數百米,高2~3米以上,走向東北—西南,先水蝕後風蝕而形成的形態各異的地貌,按當地維吾爾語稱其為Yardang(原意是“具有陡壁的小丘”)[7]。之後,隨著他的著作《中亞和西藏》(CentralAsiaandTibet)在國內外學界的廣泛傳播,在中國被音譯為“雅丹”。從此,“Yardang(雅丹)”一詞便正式被科學領域接受。繼羅布荒原發現雅丹地貌之後,在世界乾旱區許多地方,發現了許多類似地貌,均統稱為雅丹地貌。
2009年,新中國成立60周年、中國地理學會成立百年、我國近現代地理學創立和發展百周年之際,《中國國家地理》雜誌社與中國地理學會共同發起了“中國地理百年大發現”的評選活動。其中就包括:20世紀初,中外學者發現並命名了雅丹地貌。
概述
雅丹地貌,是一種典型的風蝕地貌,又稱風蝕壟槽,在極乾旱地區的一些乾涸的湖底,常因乾涸裂開,風沿著這些裂隙吹蝕,裂隙愈來愈大,使原來平坦的地面發育成許多不規則的背鯽形壟脊和寬淺溝槽,這種支離破碎的地面成為雅丹地貌。有些地貌外觀如同古城堡,俗稱魔鬼城。雅丹地貌以羅布泊西北樓蘭附近最典型。世界各地的不同荒漠,包括突厥斯坦荒漠和莫哈韋沙漠在內,都有雅丹地形。
歷史起源
20世紀初,一些赴羅布泊地區考察的中外學者,在羅布荒原中發現大面積隆起土丘的地貌,遂向作嚮導的當地人詢問地名,嚮導卻誤以為詢問這種地貌形態的當地稱呼,按當地維吾爾的稱呼寫成Yardangs,從此Yardang一詞便流傳於國外地學界。再譯回中文就成了“雅丹”。即維吾爾語中“陡峻的土丘”之意。發現者將這一稱呼介紹了出去,以後再由英文翻譯過來,“雅爾當”變成了“雅丹”。從此“雅丹”成為這一類地貌的代名詞。
繼羅布荒原發現雅丹地貌之後,在世界乾旱區許多地方,又發現了許多類似地貌,均統稱為雅丹地貌。即使在中國,雅丹的最大分布區也不是在它最早的發現地羅布泊地區,而是在青海省的柴達木盆地的西北部。在新疆,雅丹的分布也比比皆是,其中有名者如克拉瑪依市東北烏爾禾的魔鬼城、吉木薩爾縣北沙窩的五彩灣、奇台縣西南沙漠中的風城等等。
地理分布
中國的雅丹地貌面積約2萬多平方公里,主要分布於青海柴達木盆地西北部,疏勒河中下游和新疆羅布泊周圍。新疆的雅丹地貌僅3000—4000平方公里,規模小,典型的雅丹高4—5米,10—20米高的雅丹又稱為mesa(麥薩),即方台地。而敦煌古海雅丹高20—100米,屬於中大型雅丹群,而且風蝕谷狹窄,雅丹造型豐富多彩,高密集型為世界所少見。以流水侵蝕作用為主的雅丹,主要分布在鄰近山地的地區,阿奇克谷地東段的三隴沙雅丹是這一類型雅丹的典型代表。
非洲查德盆地的特貝斯荒原的雅丹群範圍最大,約26萬平方公里。而最高大的雅丹在伊朗的盧特荒漠東南部,約2萬平方公里,雅丹高200米,風蝕谷寬500米,雅丹呈壠脊狀延伸,長數公里至十幾公里。它距離敦煌很近,交通方便,具有優良的區位優勢,是旅遊、科研的寶地。
特徵類型
雅丹地貌分為兩種大類型,並分別予以命名:一種高不過1米,形成年代較淺的,稱為“雅丹”;另一種高10~30米的,年代古老,稱為“邁賽”。實際上這兩種類型不過是雅丹的初級階段和高級階段。風蝕壟脊,土墩,風蝕溝槽及窪地的地貌組合。乾旱地區的湖積平原和沖積平原常因乾縮而龜裂,在定向風的長期吹蝕下,裂縫逐漸擴大而成為溝槽,溝槽之間常出現高達5-10米的壟脊。這種地貌在我國的塔里木盆地的羅布泊地區最為典型。
經對羅布荒原雅丹地貌的考察,證明形成雅丹的外營力不僅僅是風,還有水,並且存在三種類型:一類是以風力侵蝕為主形成的雅丹,一類是以水流侵蝕為主形成的雅丹,還有一類則是風和水共同作用形成的雅丹。
以風蝕作用為主形成的雅丹,分布在距山區較遠的平原,山區降水形成的洪水一般無法到達,只有風力在這裡施威。這一類雅丹集中分布在孔雀河以南至樓蘭遺址一帶。雅丹一般高4~7米,雅丹間的窪地走向為東北—西南,與當地盛行風向一致,表明了雅丹與風的關係。據調查,這裡每年平均風蝕深度在2.4~4.7毫米間,按這一風蝕速度,這一片雅丹形成時間不過千年,是在樓蘭廢棄以後,當年這裡應是一片平坦沃野。
由風、水共同作用的雅丹,則處於上述兩類雅丹之間,以著名的白龍堆雅丹、龍城雅丹為典型代表。在它們的最初階段卻留下明顯的流水作用的痕跡。流水的作用,首先將平坦的地表,沖刷成無數的溝谷,將疏鬆沙層暴露於地表,再經風的侵蝕,形成如今的外貌。風、水作用,實際上是先水後風。這一片雅丹的走向,既與洪水溝走向一致,又與當地盛行風向一致,表明了二者對它的影響。這一類雅丹的形成原因,早為我國北魏學者酈道元所注意,並在他所著的《水經注》中做了科學的解釋,他認為,“龍城”的形成,先是有水拍其岸,然後又經受風的吹蝕,形成如龍的形狀,所以稱之為“龍城”。
形成機理
雅丹的形成有兩個關鍵因素。一是發育這種地貌的地質基礎,即湖相沉積地層;二是外力侵蝕,即荒漠中強大的定向風的吹蝕和流水的侵蝕。
乾旱區的湖泊,在形成歷史中往往包括反反覆覆的水進水退,因而發育了上下疊加的泥岩層和沙土層。風和流水可以帶走疏鬆的沙土層,對堅硬的泥岩層和石膏膠結層卻作用有限。不過緻密的泥岩層也並非堅不可摧,荒漠區變化劇烈的溫差產生的脹縮效應將導致泥岩層最終發生崩裂,暴露出來的沙土層被風和流水帶走,演變為凹槽狀;依然有泥岩層覆蓋的部分相對穩固,形成或大或小的長條形土墩,雅丹地貌的形態逐漸凸現出來。
形成雅丹的外力因素,一般認為是強大的盛行風在起主導作用,但這並不是單一的主導因素。比如在阿奇克谷地東段的三隴沙雅丹,其走向是南偏東,與盛行的西北風向垂直,而與山地洪水流的方向一致,這就說明在這一片雅丹中,洪水起了主導作用;另外,有的雅丹,是風和流水共同作用形成的。
形成原因
岩性條件
岩性條件是雅丹形成發育的基礎。因對雅丹的定義不一致,雅丹形成發育可以在不同硬度和不同時代的岩石上。也有學者認為除硬度外,岩性中還應考慮其結構,並做了研究。如Goudie認為形成雅丹的岩體岩性相對一致,構造簡單,但有便於下切的節理髮育。夏訓誠認為具有泥岩和砂岩互層的河湖相沉積物,泥岩層內發育有便於侵蝕的水平與垂直節理。
環境條件
現發現的絕大多數雅丹分布在極端乾旱區,年降水量小於50毫米,植被稀少的平原地區,風蝕作用強烈;或較為濕潤的窪地,鹽類風化作用、地下水作用強烈的地區。很多學者根據地質歷史時期氣候變化研究,推斷高大的雅丹是在更新世冰期乾冷多風的氣候環境下形成的,或更早的乾旱氣候環境下形成的。
動力條件
動力條件是雅丹地貌形成的關鍵因素,現主要集中於外營力條件的研究,包括風力和水力等方面。
雅丹分布於極端乾旱區,風力作用是其主要外動力。大多數學者認為單一風向的強風是雅丹形成的主要外營力,也有學者研究認為部分雅丹的形成是由2組風向相反的風況所致。對風蝕的2種作用方式——吹蝕和磨蝕的作用機理,不同的學者也有不同的認識。El-Baz等認為吹蝕作用在不同岩性的雅丹上作用大不相同,在堅硬的岩石雅丹上,吹蝕作用不明顯;McCauley等認為鬆軟岩體上平滑且具有流線型外形的雅丹是吹蝕作用的結果。
Hobbs、Hagedorn和Grolier等認為磨蝕作用主要表現在雅丹整體形態與坡腳岩體顏色變化上,迎風端及兩側下部的拋光面和風蝕槽是由磨蝕作用形成的,並導致迎風端和兩側槽地的下切;但Whitney認為風力磨蝕太強則會導致風蝕槽的破壞,二次流形成的漩渦和攜帶的粉細沙等懸浮物質作用於岩體而形成風蝕槽,並將這種二次流命名為界面流(interfacialflow),認為是它攜帶微小顆粒磨蝕整個雅丹體。對風的吹蝕和磨蝕這2種作用方式的相對重要性,亦有不同觀點。對於美國加州的羅格湖區雅丹,McCauley等認為是吹蝕作用形成了平滑的流線型壟崗,而磨蝕作用則導致迎風端及兩側的下切,使雅丹間槽地變低;Ward等則認為磨蝕在槽地和壟崗的初期形成階段起到了很重要的作用,此後吹蝕作用不斷加強,並與磨蝕作用一起形成“風動力形態”(即流線型);而Blackwelder認為羅格湖區低矮的圓形雅丹是其兩側與頂部隨氣流躍移的沙粒磨蝕而形成的。
洪水作用也是重要的外營力。但對於洪水對雅丹的作用機理,也存在不同的看法:大部分學者認為,在雅丹形成初期,風沿著洪水形成的沖溝吹蝕,使沖溝不斷加寬加深。也有學者認為,在雅丹形成之後,洪水還會再次侵蝕雅丹間槽地,並在雅丹坡面上發育密集的切溝。同時,也有學者提出洪水在雅丹形成過程中存在正反兩種作用,認為強烈的洪水作用會起到破壞雅丹的作用。
除上述定向動力條件外,部分雅丹形成過程中,還存在其他非定向營力,如風化作用、重力坍塌、鹽類風化和龜裂等。
各營力在雅丹形成發育過程中各階段的相對作用亦不同。Goudie認為磨蝕作用在雅丹地貌形成初期及對相對高度較低的雅丹作用強烈;吹蝕對岩性較軟的沉積地層作用明顯;流水侵蝕切割作用,特別是山區暴雨洪水作用在雅丹形成初期起到很重要的作用,為風的作用提供通道;而鹽類風化和乾濕變化為風力搬運提供了大量的碎屑物質。在雅丹形成後,重力坍塌也逐漸成為重要的外營力因素。
在雅丹地貌形成發育條件研究中,首先,定量研究十分薄弱。現僅有Ward等對吹蝕作用進行了風洞模擬實驗,而定量研究各條件,尤其是動力條件對雅丹形成發育過程的影響對理解雅丹發育模式至關重要。其次是缺乏長期監測。還沒有報導在雅丹分布區建立長期的觀測場,對雅丹形成發育過程及其環境要素進行觀測。再次,對雅丹形成發育的內營力作用重視不夠。雅丹發育的內營力主要有構造抬升、沉降、褶皺、斷層和節理等,這些內營力因素對雅丹形成發育的地質基礎和對雅丹形成發育過程起到控制作用。如構造下沉,則導致地下水位升高,進而使雅丹底部遭受地下水浸泡,降低粘結係數,最終導致重力坍塌,快速走向衰亡;若構造抬升過高,則使雅丹發育的地層離地下水位太深,風化作用和風蝕作用則會更強,也會導致雅丹地貌衰亡。
發育過程
雅丹的形成發育過程研究,主要採用以下2種方法,一種是野外考察基礎上的理論推斷分析,一種是實驗模擬。
許多學者利用第一種方法對雅丹地貌的發育過程做出了推斷,所得出的結論都是大同小異,比較有代表性的模式有以下2種:
一是:夏訓誠通過對中國羅布泊地區雅丹地貌野外考察和理論推斷,認為其發育過程分為4個階段。第一階段為表面風化破壞階段,主要作用是風化作用,產生許多水平和垂直節理,使下伏的疏鬆沙層逐漸暴露地表,為外營力侵蝕創造有利條件;第二階段為雛形雅丹地貌形成階段,經風化作用形成的碎屑物質在風力或流水作用下被搬運,使地表起伏不平,但相對高差不到1米;第三階段是雅丹形成階段,因地表起伏和節理擴大,更有利於風化剝蝕作用,使表層泥岩逐漸消失,沙層直接暴露在地表,侵蝕速度加快,低洼處不斷加深和擴大,而凸起的部分因受泥岩保護而侵蝕相對微弱,形成相對高差數米到數十米的土丘與溝谷相間的地貌組合;第四階段是雅丹地貌消失階段,不斷的外力作用使凸起部分的面積不斷縮小,低洼面積不斷擴大,形成孤立的小丘,其下部的沙層因風蝕等被掏空,進而發生塊體運動,面積逐漸減小,高度也不斷下降,最後消失。
二是:Halimov等通過對柴達木盆地雅丹地貌的研究,認為在發育的各階段具有代表性的地貌形態,並且存在邏輯循環。他們認為扇緣或古湖床平原面受構造隆升後,在外營力作用下形成方山狀雅丹,再逐漸演化為長壟狀、平頂塔狀和金字塔狀,平頂塔狀最後也演變為金字塔狀,在此過程中,雅丹地貌是逐漸增高的。而古湖床平原面受鹽構造褶皺影響,在外營力作用下形成犬牙狀,並進一步發展為錐狀,此過程中雅丹也是增高的。另外,扇緣或古湖床平原面在外營力作用下,形成逐漸增高的拱背狀雅丹,此後高度降低,形成鯨背狀雅丹,而長壟狀雅丹和鯨背狀雅丹進一步降低,形成低矮流線鯨背狀,最後全部消失,形成新平原。但Gutiérrez-Elorza等強調在該循環中應考慮構造因素,其將破壞這種循環過程。
實驗模擬的發育模式主要是通過風洞實驗得出的。Ward等將中細粒石英砂、玉米粉以及咖啡渣按1:1:1的比例混合併製作成雅丹模型,進行風洞模擬實驗。通過對不同形狀模型的風洞模擬實驗,得出了風蝕部位的先後次序依次是迎風側稜角部位、迎風坡面、背風側稜角及模型兩側、背風坡面。各種形狀的模型,最後穩定形態的長寬比為4:1,風蝕的速率也逐漸降低。同時認為迎風端主要發生磨蝕作用,而中部和背風端主要發生吹蝕及回流和渦鏇作用。
雖然諸多學者對雅丹形成發育模式進行了研究,但大多數只是在野外調查基礎上的理論推斷,對磨蝕、洪水和坍塌等在模式中的作用缺乏定量研究,對這些營力條件相互疊加後在形成發育過程中的作用研究少之又少。此外在模式中對內營力作用考慮較少。
空間分布
綜述
各學者的概念不同,加之技術手段的不斷更新和研究的深入,雅丹地貌在各地陸續得到發現,分布地點也在不斷增多。如今,除大洋洲和南極洲外,其他各大洲均有發現。主要分布於降雨稀少、植被稀疏、風蝕作用強烈的乾旱區和極端乾旱區的沙漠邊緣,如西亞(特別是阿拉伯半島)和中亞,非洲撒哈拉沙漠和納米布沙漠,北美西部荒漠地區、南美洲西部海岸荒漠區,歐洲西班牙的埃布羅低地。中國主要分布在新疆羅布泊、哈密、疏勒河中下游地區、柴達木盆地和內蒙古烏蒙等地。雅丹地貌發育的物質基礎廣泛,有河湖相沉積物,也有火成岩、變質岩等;組成物質地質年代跨度大,從全新世到元古代均有報導。
據一些研究報導,在地外行星上也分布有類雅丹地貌,如在火星赤道附近AmazonisPlanitia地區的梅杜莎槽溝層(MedusaeFossaeFormation)上也有大面積的分布。
分布列表
亞洲
分布區 | 岩性 |
中國新疆羅布泊孔雀河下游龍城雅丹地貌 | 中晚更新世河湖相泥岩、砂質泥岩、砂岩 |
中國新疆羅布泊孔雀河下游樓蘭古城雅丹地貌 | 中晚更新世湖相富含石膏層的淺棕色泥岩 |
中國新疆羅布泊白龍堆雅丹地貌 | 中晚更新世湖相灰白色砂泥岩夾石膏層 |
中國敦煌雅丹國家地質公園(三壟沙雅丹地貌) | 中晚更新世河湖相淺棕色泥岩和砂岩互層 |
中國新疆阿奇克谷地雅丹 | 中晚更新世河湖相灰白色泥岩和砂岩互層 |
中國新疆烏爾禾魔鬼城 | 中生界白堊系吐谷魯群的灰綠色、棕紅色泥岩、砂質泥岩、砂岩、礫岩 |
中國新疆奇台魔鬼城 | 侏羅紀、白堊紀的陸相地層 |
中國新疆五彩灣雅丹地貌 | 中—上侏羅統石樹溝群泥岩夾砂岩、含礫砂岩 |
中國新疆哈密五堡魔鬼城 | 古近系—新近系粉紅色、灰白色砂岩、泥岩和砂礫岩水平地層 |
中國甘肅瓜州布隆吉雅丹 | 晚更新世粘土和亞粘土組成的河流淤積層 |
中國甘肅瓜州橋灣古城雅丹 | 晚更新世粘土和亞粘土組成的河流淤積層 |
中國甘肅瓜州雙塔水庫西 | 晚更新世粘土和亞粘土組成的河流淤積層 |
中國甘肅瓜州鎖陽城南 | 晚更新世洪積層 |
中國甘肅瓜州百齊堡 | 全新世沖積層 |
中國柴達木盆地(俄博梁、一里坪、南八仙)西北 | 第三紀泥岩、粉砂岩和砂岩 |
中國內蒙古烏盟後山地區 | 第四紀沖積物和風積物 |
中國廣東惠來靖海資深園 | 晚更新世中晚期的風沙沉積物(老紅砂) |
蒙古東戈壁省TavanHar | 上白堊紀砂岩和泥岩 |
塔吉克斯坦喀拉—布拉 | 第四紀沖積物 |
印度傑伊瑟爾梅爾始 | 新世石灰岩 |
阿富汗哈姆恩 | 第四紀沉積物與湖相沉積物 |
伊朗盧特沙漠 | 更新世泥質粉砂岩和含石膏的砂岩 |
敘利亞固結 | 沙丘 |
巴林風成 | 沉積岩與始新世石灰岩 |
阿曼沃希拜 | 沙漠風成沉積岩 |
沙烏地阿拉伯北部 | 寒武紀—奧陶紀砂岩和其他基岩 |
科威特北部Um Al-Rimam | 低地中新世中期砂岩,漸新世—中新世晚期鈣質岩和第四紀沉積物 |
分布區 | 岩性 |
埃及哈里傑 | 全新世湖泊與沼澤相沉積物 |
埃及哈里傑 | 全新世湖泊與沼澤相沉積物 |
埃及費拉菲拉 | 乾湖盆沉積物;全新世湖相沉積物 |
埃及達赫萊地區 | 早第三紀石灰岩 |
埃及哈里傑 | 全新世湖泊與沼澤相沉積物 |
埃及費拉菲拉 | 乾湖盆沉積物;全新世湖相沉積物 |
埃及達赫萊地區 | 早第三紀石灰岩 |
埃及西部 | 沙漠矽化石灰石,湖相沉積岩和白堊石灰岩 |
埃及西奈半島 | 努比亞組砂岩 |
納米比亞南部 | 火山侵入岩、片岩、流紋岩、砂岩和白雲岩等 |
納米比亞北部 | 庫內納爾格元古代Swakop組火成岩和變質岩(片岩、大理岩、千枚岩等) |
查德博爾庫 | 古生代和下中生代砂岩 |
分布區 | 岩性 |
美國羅格湖 | 中等固結的更新世近岸和湖岸線沉積物(礫、砂、粉砂和粘土沉積物) |
美國南達科他州 | 頁岩 |
美國加利福尼亞州莫哈維 | 全新世乾湖盆沙丘沉積 |
美國科羅拉多高原 | 納瓦霍組砂岩和中生代泥岩和粉砂岩 |
分布區 | 岩性 |
秘魯皮斯科 | 海相沉積物 |
阿根廷門多薩PayunMatru火山區 | 火山凝灰岩和火山熔岩 |
智利、玻利維亞和阿根廷的安第斯山中段不同硬度的火山 | 凝灰岩 |
分布區 | 岩性 |
西班牙埃布羅 | 低地中新世石灰岩和石膏,未固結的湖相沉積物 |
分布區 | 岩性 |
火星AmazonisPlanitia地區 | 梅杜莎槽溝層 |