哈密魔鬼城风蚀地貌解析

我曾经根据新疆的地貌特征作小诗一首：

           新疆地广人口稀，三山两盆有玄机；

        山川云过冰连雪，盆地风来砂作衣！

    浏览一下卫星地图就会明白：新疆的基本地貌格局已经写在这首诗歌里了。

    最近十年来我撰写了很多博文介绍新疆的近现代冰川地貌、盐风化地貌、暴雨冲刷地貌等，然而还有一类非常重要的地貌没有介绍，那就是风成地貌，而风成地貌又分成两部分：风蚀地貌和风积地貌。本文重点介绍一下哈密魔鬼城的风蚀地貌。

    新疆连片的风蚀地貌主要分布于相对开阔而平坦的盆地边缘区域，距离山麓也有至少几十千米的距离，大致在洪积扇的外缘地带，其代表地貌就是连片的雅丹地貌。

雅丹的中文定义：

    雅丹就是风蚀残丘，是荒漠区成群分布的流线型风蚀土脊，其延长方向与盛行风平行。单个雅丹从不足一米到几十米高，长可达数百米以上。相邻雅丹个体之间平缓的谷地称为雅丹谷（yardang trough）。

雅丹的英文定义：

    我根据英文地质学辞典等资料整理的雅丹定义如下：

    Yardangs（风蚀土脊，雅丹）are streamlined parallel ridges, carved by wind erosion, aligned with the direction of a strong prevailing wind.

    雅丹（yardang）就是风蚀残丘，是新疆维吾尔语音译成英文后再转译成汉语的翻译词汇。依照发音应该翻译成“雅尔当”才对，而中文采用“雅丹”估计与西北地区口音有关（如：ing=in, ang=an）。遵从约定俗成的原则，我们只能继续使用“雅丹”一词了。

    据文献介绍，“yardang”的英文名由瑞典探险家斯文赫定（Sven Hedin, 1865.2.19-1952.11.26）1903年根据维语发音而正式启用，意指“陡峭的小山包”。 

    雅丹的原始定义就是指“风蚀土脊”，确切的理解就是“风蚀残丘”。雅丹并不包括土脊之间的谷地，所以将谷地称为雅丹谷（yardang trough）。在“雅丹”这个词汇使用前，汉语的相应词汇有“龙城”、“白龙堆”等，就是指在西北地区的风蚀残丘地貌。因雅丹地貌都分布在无人区，远远望去如同毫无生机的城堡，加之风吹带来的听觉加持，充斥着恐怖之感，所以又有魔鬼城之称。

    那么，雅丹地貌到底有什么特征呢？如何识别呢？可以考虑如下几点：

    第一、雅丹必须是风蚀作用形成的，其他动力形成的侵蚀地貌不能叫雅丹地貌。如新疆布尔津五彩滩位于额尔齐斯河河畔，过去一直被当作风蚀地貌看待，但其实是暴雨冲刷地貌。再如有些强岩层顺层分布形成突出的残脊，但并非风蚀所致，也不是雅丹地貌。

    第二、雅丹地貌一般分布在相对开阔的荒漠区，主要岩石露头必然以泥岩、粉砂岩等软弱岩性为主，抗风蚀能力差。上述两点也是雅丹“风蚀土脊”本意的体现。其他坚硬的岩石（如：花岗岩、火山岩等）难以被风力大量侵蚀，也就无法形成雅丹地貌。

    第三、完美的雅丹个体平面上应该是典型的流线型土脊，其延长方向与盛行风方向一致，而且其迎风端必然是高耸的侵蚀残丘，而背风端则是缓慢降低的碎屑堆积区。整体看上去向如同逆流而上的鱼形或横躺着的水滴：迎风钝头，背风拖尾。迎风端遭受强烈的风蚀作用，而背风端则成为沉积区，可以保存小型沙堆等（见下图）。

    第四、迎风端因受到强风携带的沙粒打击而逐渐变窄，底部掏空凹进，前方因风力受阻而形成强劲的涡流而形成鱼唇形凹槽，凹槽外围为沙丘及掉落的碎岩块。

         第五、几乎所有的雅丹地貌都不是纯风蚀造成的，而是有其先决条件和侵蚀基础。如：因地壳运动导致岩石被至少两组垂直断裂切割成条块，在地表露头下遭受暴雨和洪水侵蚀，沿着断裂侵蚀严重，逐渐在断裂之间留下侵蚀残丘。考虑到暴雨洪水侵蚀，雅丹地貌总是位于洪积扇下方季节性河流或干河谷两侧的开阔地。在大型洪积扇的中上部（扇根、扇中）风力侵蚀也很强，但因洪积扇中大量砾石的存在导致地表形成一层稳定而抗侵蚀的砾漠（黑戈壁），因而难以形成连片的雅丹地貌。在洪积扇的外缘（离开山麓几十千米）的开阔带，地表砾石明显减少，加之暴雨和洪水侵蚀露出大量的剥蚀残丘，就容易形成连片的雅丹地貌。

    当然，除了典型的流线形雅丹外，还有形态各异的实例。然而，无论如何，每个个体必然有迎风端侵蚀、背风端堆积的特征，总体上符合空气动力学原理。

    为了更好地理解风蚀作用，我们先介绍一下风力搬运作用：

    风力搬运岩石碎屑总体上包括三种方式：底部拖运、低空跳跃、空中悬浮（见下图）。

    第一种：滚动和拖运（rolling and sliding），风吹小鹅卵石沿地表滚动或者滑动，一次强风搬运距离主要以厘米计，虽然对地表也有侵蚀作用，但因距离短，总体侵蚀能力不大。

    第二种：跳跃（saltation），搬运物粒径从细砂到粗砂，有时包括一些厘米级的小砾石，在风的吹动下颗粒如同小球抛在空中飞向下游，落地后再弹起而继续向前飞去。每次跳跃高度一般不超过一米，而移动距离以米为单位，有时达到几十米以上。风最主要的侵蚀介质就是这种碎屑颗粒，其侵蚀高度主要集中在地表以上几十厘米范围内。

    第三种：悬浮（suspension），粉砂和黏土级的细小颗粒被风带到高空，可以形成沙尘暴，搬运距离以千米计，有时达到上千千米以上。这种细碎屑对岩石的侵蚀能力不大。

    风蚀的关键是强风携带着砂子和细小的砾石（主体为小于2mm的砂粒，强风时包括直径达厘米级的小砾石）对障碍物迎风面（包括水平地面）进行打击和磨砂，逐渐将岩石表面的碎屑磨掉。鉴于跳跃颗粒的运动轨迹高度限制，风蚀最强的位置总是在地表之上几十厘米的位置，特别是二十多厘米处容易形成凹槽。这就是为何雅丹地貌迎风端下部凹进的根本原因。

    为了理解方便，我们以柴达木盆地雅丹群卫星影像为例作简单分析：

    下面介绍哈密魔鬼城。据中科院地质所汪筱林老师介绍，哈密魔鬼城出露的地层时代主要为白垩纪，他们团队在这里发现大量恐龙化石。我没有做本区地层时代方面的研究，也许包含少量新生代地层，但就岩性而言，主要为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和少量砾岩以及含砾砂岩，总体上比较松软，抗风蚀能力弱。

    请看我拍摄的照片，注意照片内的解说:

 一、哈密魔鬼城的宏观特征：雅丹地貌

二、哈密魔鬼城雅丹地貌个体解释：迎风端风蚀特征

    在迎风端崖壁上，可见因岩性硬度差异导致的风蚀差异现象

三、哈密魔鬼城雅丹地貌中保存的温度剧变痕迹----微型剥离面理

    这里的泥质粉砂岩或粉砂质泥岩多呈块状，本身没有随地表起伏的层理。显然，这些在表层残留的碎片并非原生沉积构造，而是在地表环境下遭受巨大温度变化而形成的微型剥离面理（mini-exfoliation），与风蚀作用无关。关于剥离面理的形成机理以后会专文介绍，这里仅展示其特征：

    显然，其影响深度从地表向下的十几厘米范围内，是受环境温度急剧变化的结果。

四、盐类结晶现象

    新疆的盐风化地貌分布广泛，但魔鬼城却少见，因为缺少可渗性砂岩。然而，在地表仍然可见盐类因强烈蒸发而在松散岩块表面结晶的现象：

五、崖壁上软弱的泥砾脱落和崖顶部钙质组分突出现象

六、人类遗迹--古城堡

七、风蚀城堡侧壁上的风蚀微地貌景观

    朋友们：看了我的介绍后是否有想去实地考察的冲动？那就择时去哈密魔鬼城亲自体验吧！

    感谢哈密魔鬼城景区代主任的指导与帮助。感谢新疆工程学院帕尔哈提老师和曹远远老师在成文过程中的积极讨论。感谢中科院汪筱林老师就地层时代给予的指导。

（卫片底图来自Google Earth。转载本文请注明出处：来自科学网吕洪波的博客）

2022.03.09