干旱区洪积扇戈壁表层沉积物特征研究

摘要

戈壁是干旱区平坦地表由砾石覆盖的一类荒漠景观。我国的戈壁根据成因可分为剥蚀戈壁和堆积戈壁两种类型，其中，洪积扇上发育的堆积戈壁分布范围广、面积大，约占戈壁总面积的70％。洪积扇是干旱区常见的地貌景观，是山地到平原之间的缓冲带，蕴含着丰富的资源，众多洪积扇连接形成的山麓冲积平原也是人类活动的重要场所。目前，戈壁研究基础比较薄弱，戈壁定义与分类仍存在争议，戈壁形成发育过程与演化规律还不清楚，戈壁地表沉积物研究还不够深入;同时，还有很多戈壁区域缺少相关研究，基础数据缺乏。本文以东天山南北麓、阿尔金山北麓和狼山东麓的洪积扇堆积戈壁为研究对象，采用自然地理学和沉积学的研究方法开展地面调查、采样与分析，系统研究了洪积扇戈壁表面砾石特征、表层沉积物粒度特征、地球化学元素丰度和化学风化特征，揭示了洪积扇戈壁表层沉积物组成与分布规律，补充和丰富了戈壁研究的基础数据，为戈壁的生态保护与开发利用提供科学依据。主要研究结果与结论如下:　　(1)建立了一套基于数字图像处理技术的戈壁表面砾石特征提取方法。具体流程为:图像预处理(格式转换，裁剪，降噪，辐射校正)，图像分类(设计决策树分类器，统计训练样本，确定分割阈值)，分类后处理(聚类，去除，矢量化)，砾石颗粒信息提取。采用手动矢量化方法对图像处理方法的精度进行了验证，精度达94.67％。该方法简便易行，不破坏地表，能够满足研究需要。　　(2)洪积扇戈壁表面砾石形状多为次圆状、近椭圆状或略呈长条状，平均粒径为2.21～17.44mm，圆度均值为0.75～0.8，形状比率均值为1.5～1.7，粒径与圆度、形状比率的相关性不显著，圆度和形状比率之间为显著的反比关系，砾石覆盖度为10.90％～84.51％，以中砾石覆盖度(40％～70％)为主，约占71％。洪积扇戈壁表面砾石形貌特征参数及覆盖度的差异主要取决于其发育的地貌部位，从扇顶到扇缘，由于物源和搬运堆积的动力条件不同，粒度组成中的优势粒级由极粗砾和粗砾变为中砾和细砾，圆度增大、形状比率减小、覆盖度降低。海拔每降低100m，圆度增大0.002～0.006，形状比率减小0.012～O.017，覆盖度降低2～6个百分点。由于洪积扇戈壁的形成时代、沉积环境、气候环境、砾石岩性存在差异，三个研究区砾石形貌特征参数及覆盖度均存在差异。　　(3)洪积扇戈壁表面松散层沉积物粒度频率曲线为单峰态，峰值粒径为极粗砾或粗砾，粒度频率累积曲线为两段式;而下伏沉积物粒度频率曲线多为双峰或三峰态，主峰峰值粒径为中沙或细沙，粒度频率累积曲线为三段式。洪积扇戈壁沉积物物源比较单一，山体基岩经物理风化后，在重力和水力作用下发生搬运与堆积。由于搬运动力条件在空间上存在较大差异，因此表层沉积物粒度组成特征在洪积扇不同地貌部位有明显差异，扇顶主要以粗砾为主，而扇缘以细砾为主。洪积扇戈壁沉积物的母岩性质、洪积扇长度与坡度等存在差异，导致三个研究区表层沉积物粒度组成存在较大差异，东天山南北麓、阿尔金山北麓戈壁表层沉积物的平均粒径、中值粒径和d10粒径值均大于狼山东麓戈壁。　　(4)洪积扇戈壁表层沉积物中的常量元素氧化物以SiO2为主，其次为A1203，除SiO2以外，其他元素均表现为不同程度的淋失或富集状态;微量元素Cl、Sr、Ba和Zr的含量较高，除了元素Ba和Sr以外，其他元素均表现为不同程度的淋失或富集状态，且淋失、富集程度与沉积物粒级关系密切。戈壁表层沉积物中粒径大于0.063mm的粗颗粒为就地风化产物，而粒径小于0.063mm的细颗粒除就地风化产物外，还有降尘存在。洪积扇戈壁表层沉积物缺少有效的化学风化过程，处在基本未受或较弱的大陆风化初期阶段。受沉积物母岩特性与气候环境的影响，狼山东麓洪积扇戈壁表层沉积物元素亏损程度和化学风化程度强于东天山南北麓和阿尔金山北麓两个研究区。

目录

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摘要

第一章绪论

1.1研究背景与意义

1.2戈壁研究进展

1.2.1戈壁研究回顾

1.2.2戈壁概念

1.2.3戈壁成因

1.2.4戈壁类型与分布

1.2.5戈壁地表沉积物特征研究

1.2.6基于数字图像技术提取地表沉积物信息

1.3拟解决的关键问题

1.4研究目标与内容

1.4.1研究区确定

1.4.2研究目标

1.4.3研究内容

1.5研究方法与技术路线

第二章研究区概况

2.1地质地貌

2.2气候

2.3水文

2.4土壤

2.5植被

第三章研究方法

3.1野外调查样线布设

3.2戈壁表面沉积物数字图像调查方法

3.2.1数字图像采集设备

3.2.2数字图像采集

3.2.3数字图像处理

3.2.4砾石特征参数计算

3.2.5砾石砾向计算

3.3戈壁表层沉积物粒度特征研究方法

3.3.1沉积物样品采集

3.3.2沉积物样品粒度测定

3.4戈壁表层沉积物地球化学元素研究方法

3.4.1沉积物样品采集

3.4.2沉积物样品预处理

3.4.3沉积物样品测定

3.4.4地球化学元素特征分析

3.5数据处理

第四章基于数字图像处理的洪积扇戈壁表面砾石特征

4.1数字图像处理技术流程及精度验证

4.1.1数字图像处理技术流程

4.1.2数字图像处理技术精度验证

4.2洪积扇戈壁表面砾石特征

4.2.1东天山南北麓洪积扇戈壁表面砾石特征

4.2.2阿尔金山北麓洪积扇戈壁表面砾石特征

4.2.3狼山东麓洪积扇戈壁表面砾石特征

4.2.4不同研究区洪积扇戈壁表面砾石特征

4.3讨论

4.3.1基于数字图像处理技术提取洪积扇戈壁地表砾石信息的精度评价

4.3.2洪积扇戈壁表面砾石特征的地貌部位差异

4.3.3洪积扇戈壁表面砾石特征的研究区差异

4.4小结

第五章洪积扇戈壁表层沉积物粒度特征

5.1东天山南北麓洪积扇戈壁表层沉积物粒度特征

5.1.1洪积扇戈壁表层沉积物颗粒级配特征

5.1.2洪积扇戈壁表层沉积物粒度参数

5.1.3洪积扇戈壁表层沉积物粒度参数之间的关系

5.2阿尔金山北麓洪积扇戈壁表层沉积物粒度特征

5.2.1洪积扇戈壁表层沉积物颗粒级配特征

5.2.2洪积扇戈壁表层沉积物粒度参数

5.2.3洪积扇戈壁表层沉积物粒度参数之间的关系

5.3狼山东麓洪积扇戈壁表层沉积物粒度特征

5.3.1洪积扇戈壁表层沉积物颗粒级配特征

5.3.2洪积扇戈壁表层沉积物粒度参数

5.3.3洪积扇戈壁表层沉积物粒度参数之间的关系

5.4不同研究区洪积扇戈壁表层沉积物粒度组成差异

5.5讨论

5.5.1洪积扇戈壁表层沉积物粒度组成的地貌部位差异

5.5.2洪积扇戈壁表层沉积物粒度特征的研究区差异

5.6小结

第六章洪积扇戈壁表层沉积物地球化学元素特征

6.1东天山南北麓洪积扇戈壁表层沉积物地球化学元素特征

6.1.1洪积扇戈壁表层沉积物地球化学元素组成

6.1.2洪积扇戈壁表层沉积物地球化学元素UCC标准化

6.1.3洪积扇戈壁表层沉积物物质来源

6.1.4洪积扇戈壁表层沉积物化学风化特征

6.2阿尔金山北麓洪积扇戈壁表层沉积物地球化学元素特征

6.2.1洪积扇戈壁表层沉积物地球化学元素组成

6.2.2洪积扇戈壁表层沉积物地球化学元素uCC标准化

6.2.3洪积扇戈壁表层沉积物物质来源

6.2.4洪积扇戈壁表层沉积物化学风化特征

6.3狼山东麓洪积扇戈壁表层沉积物地球化学元素特征

6.3.1洪积扇戈壁表层沉积物地球化学元素组成

6.3.2洪积扇戈壁表层沉积物地球化学元素ucc标准化

6.3.3洪积扇戈壁表层沉积物物质来源

6.3.4洪积扇戈壁表层沉积物化学风化特征

6.4不同研究区洪积扇戈壁表层沉积物地球化学元素特征比较

6.4.1不同研究区洪积扇戈壁表层沉积物化学元素组成

6.4.2不同研究区洪积扇戈壁表层沉积物地球化学元素uCc标准化

6.4.3不同研究区洪积扇戈壁表层沉积物物质来源

6.4.4不同研究区洪积扇戈壁表层沉积物化学风化特征

6.5讨论

6.5.1洪积扇戈壁表层沉积物地球化学元素组成及含量差异

6.5.2洪积扇戈壁表层沉积物地球化学元素UCC标准化

6.5.3洪积扇戈壁表层沉积物物源

6.5.4洪积扇戈壁表层沉积物化学风化特征差异

6.6小结

7.1主要结论

7.2研究展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢