黄土粉尘搬运过程的动力学物理模型

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1、第２９卷第６期第四纪研究Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．６２００９年１１月ＱＵＡＴＥＲＮＡＲＹＳＣＩＥＮＣＥＳＮｏｖｅｍｂｅｒ，２００９ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１７４１０．２００９．０６．１７文章编号１００１－７４１０（２００９）０６－１１５４－０８黄土粉尘搬运过程的动力学物理模型秦小光蔡炳贵穆燕宁波殷志强（中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境重点实验室，北京１０００２９）摘要通过对黄土粉尘重力沉降过程的动力学分析，给出了黄土粉尘粒度分布的数学表达，讨论了粉尘沉积通量随搬运距离

2、、粒径变化的物理过程，首次确定了估算粉尘搬运距离和风力强度的计算方法，为区分粉尘搬运距离和风力强度对粒度的影响及其它们在冰期间冰期中的差异提供了物理学的判别依据。分析结果表明：１）在重力沉降作用下，粉尘沉降通量随搬运距离的变化服从几何分布，具有沉降通量随搬运距离的增加迅速减小，越粗的粉尘颗粒其沉降通量初值越大，同时下降速度也越迅速的特点；２）如果用携粉尘气流的水平通量作代表风力强度，则粉尘搬运距离与粒度分布曲线上重力沉降部分最高点的粉尘沉降通量成反比，风力强度与该点对应粒径的平方和粉尘搬运距离成正比

3、。因此，根据该点的粉尘沉降通量和对应粒径，可以估算粉尘的搬运距离和风力强度。根据上述理论对渭南阳郭中学Ｓ～Ｌ黄土－古土壤剖面进行了粉尘搬运距离和风力强度的估算：首先，从粒度分布０１中提取出３个对数正态分布的独立组份；然后利用粗粒组份的参数计算粉尘搬运距离和风力强度。分析结果表明粉尘搬运距离具有冰期近、间冰期远的特点，风力强度的变化则具有冰期弱、间冰期强的特点，ＬＧＭ时段的风力强度比ＭＩＳ３阶段大，但小于全新世适宜期，而ＬＧＭ时期粉尘搬运距离并未明显减小，因此，可能黄土粒度的变化并非反映了冬季风的变化

4、，而是反映了夏季风的变化，夏季风是通过影响粉尘源区来影响粉尘粒度的变化。主题词黄土粉尘搬运距离风力强度物理模型中图分类号Ｐ６４２．１３，Ｐ５３４．６３文献标识码Ａ［１３～１８］义。我们也利用大气粉尘沉降动力学原理，对１前言黄土中的３种悬浮组份进行了研究分析，对其成因［１３，１９，２０］在全球变化研究中，黄土－古土壤一直是人们和古气候意义进行了合理解释，为估算源区研究东亚地区古气候变化的重点对象之一。在各种距离奠定了基础。本文正是以黄土粗、中、细三组份古气候替代性指标中黄土粒度被人们所广泛采为基础，推

5、导了粉尘搬运距离的物理模型，然后利用［１～８］用。黄土的粒度变化最早被解释为受控于风力黄土粗粒组份的数字特征，对渭南地区Ｓ０～Ｌ１时期强度的改变，因而认为反映了东亚冬季风的变黄土粉尘沉积的源区距离、风力强度进行估算，并探［９］化。近年来人们开始认识到除风力强度外，源区讨了源区距离、风力强度与冬夏季风的关系。距离、风化程度对黄土粒度也会产生影响，黄土粒度２样品与预处理受到冬季风强度和沙漠进退的共同影响，认为黄土粒度应该作为季风－沙漠系统变化的替代性指标，研究剖面位于陕西省渭南市阳郭镇中学［１０，１１］

6、而不是单一的风力强度指标。最近人们开始（３４°３４′Ｎ，１０９°３２′Ｅ），属黄土高原南部。剖面高尝试利用黄土不同粒径粒子的含量反映沙漠－黄土７５ｍ，Ｓ以５ｃｍ间距、黄土Ｌ以２０ｃｍ间距（部分０１过渡带的进退变化，在假设风力稳定情况下拟合粉１０ｃｍ）连续采集了７０个样品。［１２］尘含量与源区距离的关系。但是有什么因素影样品自然风干后用英国产ＢａｒｔｉｎｇｔｏｎＭＳ２磁化响源区距离以及它们又如何影响源区距离等问题仍率仪测量低频磁化率。对比研究剖面与渭南标准剖［２１］然困扰着人们，由于缺乏对粉尘沉降动

7、力学过程的面的磁化率时间序列，获得主要的地层界限年龄了解，制约了人们对源区距离研究的深入。控制点，然后根据年龄控制点深度与对应年龄拟合近年来人们开始重视粒度构成的古气候意得到深度与年龄之间的非线性方程，最后插值得到第一作者简介：秦小光男４６岁副研究员／博士第四纪地质与数学地质专业Ｅｍａｉｌ：ｘｉａｏｇｕａｎｇｑｉｎ＠ｍａｉｌｉｇｇｃａｓａｃｃｎ国家自然科学基金项目（批准号：４０４７２０９４和４０７７２２１２）和中国科学院知识创新工程重要方向项目（批准号：ＫＺＣＸ２－ＹＷ－Ｑ１－０３）资助２

8、００９－０８－０９收稿，２００９－０９－１０收修改稿６期秦小光等：黄土粉尘搬运过程的动力学物理模型１１５５研究剖面的时间标尺。根据流体力学沉积通量原理，在开始沉降的第粒度分析的前处理采用比较彻底前处理方一个时刻，粉尘沉降量（Ｄ）为：１［１９，２２］法。然后用英国Ｍａｌｖｅｒｎ公司的Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ２０００Ｄ１＝ＶＮΔｔ＝ＶΔｔＷ／Ｓ（１）型激光粒度仪完成，仪器测量范围为００２～这时空气柱中剩余的粉尘量（Ｗ１）为：２０００μｍ，重复测试误差＜１％。结果为等效体积