风沙断楼兰

徐继山　刘艺

楼兰在哪里？它位于塔里木盆地东口、罗布泊洼地西北角，一个风沙肆虐的沙漠地带。在汉武帝时期，这里还是一座繁华的城市，是丝绸之路上一颗璀璨的明珠，因为它是进入沙漠前的一个“补给站”。但是，公元3世纪后，楼兰就从地图上消失了，成为遥远和荒凉的代名词。唐代的王昌龄曾有诗曰：“黄沙百战穿金甲，不破楼兰终不还。”其实，他也不知道楼兰究竟在哪里。

古楼兰人曾经创造过令世人惊叹的文明，他们有着精湛的木雕技艺，拥有文字、国家和军队。楼兰是东西方文化的交会点。可以想见，在它显赫之时，这里一定是充满生机的一片乐土。但楼兰为何会消失呢？瑞典地理学家斯文赫定通过实地考察发现，由于河流堆积与风沙吹蚀作用此消彼长，塔里木河具有“钟摆式”摆动的特点，当河流堆积厉害的时候，河道就会向南迁移;当风沙吹蚀变强的时候，河道又往回迁移。一次摆动，就是1500年。就在最后一次迁移中，楼兰失去了水源，变成了荒芜之地，又被浩瀚的沙漠湮没。风的作用，真的那么大吗？

楼兰古城遗址 （图片来自网络）

风，是大气水平运动的一种形式。一旦它挟带了砂粒，就能摧枯拉朽，势不可当。

一颗砂粒在风流中大致受到三种力的作用。第一个是自重力，这是促使砂粒向下沉降的力，也是使砂粒发生沉积的主要作用力。砂粒置身于空气中，就像人在水里泡着一样，也会受到浮力，这与砂粒体积和大气密度有关。还有一个力，就是促使砂粒向上的曳力，风筝之所以能够飞上天，凭借的就是这个力。它与砂粒的横截面积、砂粒相对于风流的运动速度有关。当砂粒处于极限状态的时候，自重力等于浮力和曳力的合力。

从以上的分析中可以看出：砂粒受到的自重力、浮力是基本不变的，如果砂粒相对于风流的运动速度也看作不变，那么，砂粒在风流中是沉是升，全在于其粒径的大小。一般而言，粒径小于0.2毫米的粉砂会飘浮在大气中。天气预报中经常提及的“霾”，PM2.5粒径为2.5微米（0.0025毫米），甚至可以穿透人体的组织器官。粒径在0.2至0.5毫米之间的细砂和中砂，砂粒的移动方式为跃移，就像跳棋那样跳着走。粒径在0.5毫米以上、2毫米以下的，也就是我们在工程上所指的“粗砂”这个范围。

砂粒移动势必会造成对地貌的破坏，其破坏方式有二：一種是吹扬，是指风以自身的动力将地面上的沙尘扬起并带走，使地面下凹的过程。当风速大于5米/秒、小于8米/秒（相当于4级风力）时 ，也就是小树枝被吹动的那种风，就能把粉砂垂直抬升到3000米的高空。这是怎么回事？风向是呈水平方向的，粉砂怎么会往天上飞呢？流体力学告诉我们，风贴地面吹过，上部的风速要大一些，所以压强小;而底部的风速小，压强大，从而产生把砂粒吹扬在空中的效果。另一种作用是磨蚀，就是风吹着砂粒在地面上移动而造成地面磨损的过程。在漫长的地史中，在这样的风沙作用下，地貌能被侵蚀成什么模样呢？

风蚀壁龛，就是在陡峭的岩壁上形成的一种窝穴状地貌形态，看起来就像放佛像的壁龛。甘肃的敦煌石窟，就开凿在鸣沙山上。鸣沙山处在一面是沙漠、另一面是戈壁的特殊地貌上，风经年累月地卷击着砂粒，发出“嗡嗡”的声音，所以人们将它命名为“鸣沙山”。那声音，正是风在“创作”风蚀壁龛。或许正是因为留意到了这种现象，十六国时期的工匠们才有了灵感，在这里开凿出了宏伟的莫高窟。

敦煌莫高窟

雅丹地貌

风蚀蘑菇

风蚀柱

风蚀蘑菇的形态像一朵蘑菇，它是风流对兀立的岩石不断磨蚀的结果。紧贴地面的风，砂粒含量高，其磨蚀作用相对上部要强，这种磨蚀的不均匀性，就“刻画”出一朵蘑菇的形状。

如果第四纪沉积物的垂直节理比较多，那么风蚀作用就会把这种缝隙加宽加深，形成柱状的地貌体，这就是风蚀柱。

风蚀垄槽也被称作“雅丹地貌”，“雅丹”在维吾尔语中的意思是“险峻的土丘”，它是指由风蚀作用形成的沟壑相间的地貌形态。这在准噶尔盆地、柴达木盆地和塔里木盆地干涸的湖底会见到，湖底干缩产生裂缝，再加上风长时期地朝着一个方向吹，结果就形成沟壑相间的模样。

例如分布在罗布泊东北部的成片土墩，由灰白色的砂泥岩夹石膏层组成，垄高10～20米，长为200～500米，甚至可达数千米，看上去就像一条条白龙蜷伏在沙漠的海洋之中，故有“白龙堆”之称。

再如在甘肃的玉门关以西，有一片更大的雅丹地貌，面积近400平方千米，垄高20～40米，最高可达100米，地貌形态多姿多彩、非常壮观。

在风的吹扬作用下，地表的物质被吹走，地面下凹，形成椭圆形或新月形的洼地，被称为“风蚀洼地”。风蚀洼地多发育在地表比较柔软的地区，如湖积物、河流冲积物覆盖区。沿风向的剖面上，风蚀洼地的迎风面呈现为平滑的流线型，而背风面由于风的涡流作用，则变得陡一些。如果风蚀作用不断加深，那么当底部到达地下水位面时，就会形成风蚀湖。敦煌的月牙湖就是这样形成的。

风是一个很会讨巧的因素，哪里薄弱就从哪里突破。比如在荒漠地区，偶尔一次暴雨把地面侵蚀成许多沟谷，风就会沿着这些沟谷继续吹蚀，把谷地越吹越大，越吹越长，有时还能在谷壁上看到大大小小的窝穴。

风蚀谷进一步扩展，原有的地面不断缩小，最后残留一小块地面，变成了一个土丘，这个土丘被称为“风蚀残丘”。在一些水平岩层发育的地区，长期的风力吹蚀，使地面形成一些平顶、周边陡立的残丘，远远望去，还以为是座城堡，因此被称作“风蚀城堡”。在新疆东部十三间房一带、哈密以南的地区，就能够见到这种地貌类型。

月牙泉风景名胜区

在一些砾石发育的荒漠地区，以风力之劲，尽管无法把这些石头搬走，但能把它们吹蚀得面目全非。变换的风向在石头上留下不同的吹蚀面，使石头表面变得犬牙交错、有棱有角，这样的石头被称为“风棱石”。由此可见，风和水虽然同属于流体，但是一个是锋利的，另一个是柔顺的，磨出来的石头也不同。

风棱石

沙丘是一种风积地貌，是沙漠地区常见的类型，它们的形态看起来就像定格了的水的波纹，形态上的差异反映了风向和风力的不同，通常可分为以下四种类型：

第一种是沙堆，这是最简单的一种堆积形式。当风沙流遇到障碍物的时候，其中一部分砂粒在迎风面堆积下来，另一部分在背风面堆积下来。这种形态反映的是“沙多+风弱+有障碍”的情况，比如在沙漠的边缘地带。它的出现，预示着沙漠要扩展自己的地盘了。

第二种为新月形沙丘。它的平面投影为一个新月的形状，那么，这个“新月”是怎么来的呢？假设原来的沙丘为圆形（盾形），风经过沙丘，风速发生变化——地面的风速小，而丘顶的风速较大;迎风坡风大，而背风坡风小。于是，风就在背风坡处产生涡流，这种涡流呈螺旋式，自沙丘中部至左右两侧逐渐减弱。这样，圆形沙丘先是变成马蹄形，最后变成新月形。这种形态反映的是“沙多+风强+无障碍”的情况。

沙堆的形成

第三种是纵向沙垄，它是顺着风向延伸的垄状堆积。这种沙丘其实是由新月形沙丘演变而来，也就是说，当风力再强一点、沙粒含量再少一点，吹蚀作用就会增强，就把新月形的两侧拉伸得越来越长，拉成一个长长的条带，无数个这样的条带组合在一起，就成了纵向沙垄。所以，这种形态反映的是“沙少+風强+无障碍”的情况，是新月形沙丘的“加强版”。

第四种是抛物线沙丘。这种沙丘乍看起来很像新月形沙丘，其实两者是不同的，它们的形成机理完全不同。它的“开口”指向的是风的逆向，它的“弯弧”则指向风的正向。那么，这种沙丘是如何形成的呢？形成这种沙丘通常需要两侧的风力小、中间的风力大，这种形态反映的是“沙少+风强+有障碍”的情况。

沙丘的几种类型

以上四类沙丘，都是在单一风向下形成的，即信风型沙丘。实际上，沙漠中的风风向是多变的，风力是不均的，含沙量也是不同的，它们还能塑造出更加迷人的形态，比如新月形沙丘链、横向沙垄、金字塔形沙丘和蜂窝状沙丘，它们是在两个风向，甚至多个风向下形成的，虽然形态不一，但本质是相同的。

当我们回顾我国风沙地貌的分布时，不禁会产生新的困惑，那就是：这些强劲的风与沙是从哪里吹来的？来自西伯利亚和蒙古国的强大的干冷气流，受到帕米尔高原—青藏高原、蒙古高原的阻挡，形成东、西两条“风道”。其中，西部的风沙来自中亚（哈萨克斯坦），东部的风沙则来自蒙古国中南地区。正是因为这样的风沙作用，最终湮没了繁华一时的古楼兰。

楼兰古城复原图

感谢国家自然科学基金（42177123、42042054、41302249、42130706）、中国矿业大学教学研究项目（2021KCSZ34Y、2020YB20、2018ZX06）、中国矿业大学研究生教育教学改革研究与实践项目（2019YJSJG011）、国家一流专业建设点地质工程项目、江苏高校优势学科建设工程项目支持。