DOI :10. 13323/j . cn ki . j . fafu (nat . sci . ) . 2010. 01. 008福建农林大学学报(自然科学版)
J o u r n a l o f F u j i a n A g r i c u l t u r e a n d F o r e s t r y U n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ) 第39卷第1期2010年1月
崩岗风化壳形成的地质作用
葛宏力, 林敬兰, 黄炎和
(1. 福建农林大学资源与环境学院, 福建福州350002; 2. 福建省水土保持监测站, 福建福州350003) 摘要:通过对福建省典型崩岗发育区的实地调查和局部钻探研究, 探讨了深厚风化壳形成的地质成因. 结果表明:构造活动历史是崩岗区形成深厚风化壳的主导因素; 构造活动影响崩岗侵蚀动力势能以及各断块遭受侵蚀的历史; 侵蚀动力势能和侵蚀历史确定了崩岗发育之前风化壳的厚度. 当构造运动条件适合时, 岩石的构造节理不发育的区域也可以形成深厚风化壳. 关键词:崩岗; 风化壳; 地质构造; 构造运动
中图分类号:S157. 1文献标识码:A 文章编号:1671-5470(2010) 01-0073-06121
G e o l o g i c a l f a c t o r s o f f o r m a t i o no f w e a t h e r i n g m a n t l e o f B e n g g a n g
G EH o n g -l i , L I NJ i n g -l a n , H U A N GY a n -h e
(1. C o l l e g e o f R e s o u r c e a n d E n v i r o n m e n t , F u j i a nA g r i c u l t u r e a n dF o r e s t r y U n i v e r s i t y , F u z h o u , F u j i a n 350002, C h i n a ;
2. F u j i a n M o n i t o r i n g S t a t i o no f S o i l a n dW a t e r C o n s e r v a t i o n , F u z h o u , F u j i a n 350003, C h i n a )
A b s t r a c t :T h r o u g h f i e l ds u r v e y i n g a n dd r i l l i n gi nB e n g g a n ge r o s i o na r e ao f F u j i a nP r o v i n c e , t h eg e o l o g i c a l f a c t o r s o f w e a t h e r i n g m a n t l e f o r m a t i o nw e r e d i s c u s s e d .T h e r e s u l t s h o w e d t h a t t e c t o n i c m o v e m e n t h i s t o r y w a s a k e yf a c t o r i nt h ed e e pw e a t h e r i n g m a n t l e f o r m a t i o n . T e c t o n i cm o v e m e n t i n f l u e n c e dd r i v i n gf o r c ea n dp o t e n t i a l e n e r g yo f B e n g g a n g s , a n de r o d e dh i s t o r yo f e a c hc r a c k i n g b l o c k , w h i c hd e t e r m i n e d t h e d e p t h o f w e a t h e r i n g m a n t l e . T h e d e e p w e a t h e r i n g m a n t l e c o u l d f o r mw h e n t e c t o n i c m o v e m e n t w a s u n d e r p r o p e r c o n d i t i o n , e v e ni f c o n s t r u c t i o n j o i n t s o f r o c kw a s u n d e r d e v e l o p m e n t .
K e yw o r d s :B e n g g a n g ; w e a t h e r i n g m a n t l e ;g e o l o g i c a l s t r u c t u r e ;t e c t o n i c m o v e m e n t 121
崩岗侵蚀造成地表千沟万壑以及大量的土壤流失, 成为我国南方最严重的土壤侵蚀类型. 其成因成为崩岗侵蚀研究的热点. 研究
础[1-10][1-10]表明, 崩岗是气候、植被、地形和人为活动等因素综合作用的产物, 我国南[3-5]方地区湿热的气候条件促使花岗岩母质强烈风化从而形成深厚的风化壳, 为崩岗侵蚀提供物质基. 充足的降水及其产生的径流和重力作用是崩岗发育的外部动力
[8-9], 植被的破坏[6-7]和不合理的人为活动对崩岗的发育起到诱发和促进的作用, 而地形[8]、海拔[10]等因素也影响着崩岗发育的规模、
速度和形状.
花岗岩固有的岩土特性可以产生深厚且抗蚀力弱的风化物, 这为崩岗侵蚀提供充足的物质来源. 由于各风化层在粒度、矿物成分和结构等方面存在明显差异, 表现出相应的物理力学特性, 造成不同层位抗蚀力的差异[1, 3, 11-19], 一旦抗蚀力较强的红土层被蚀去或切穿后, 下部松散、抗蚀力弱的砂土层和碎屑层就极易在径流作用下遭受侵蚀, 加速崩岗的发育. 而深厚的风化壳形成一方面是由于水热条件以及南方高温多雨的气候条件对花岗岩产生强烈的风化作用; 另一方面花岗岩的主要矿物石英和长石的热膨胀系数可相差1倍, 在热胀冷缩过程中, 表层胀缩变化大而内部稳定, 花岗岩中节理裂隙的发育进一步促进了风化作用.
然而高温多雨的水热条件产生强烈风化作用的同时, 也具备强烈的侵蚀能力. 花岗岩中节理裂隙的发育有利于风化作用向岩石内部发展, 但在地表岩石中节理裂隙也有利于侵蚀的发生. 当侵蚀速率大于风化速率时, 风化壳就难以保留. 再者, 地表30-40m 之下是常温层, 而崩岗发育区基岩的埋藏深度已经大于地下常温层埋深, 常温层之下的风化不受气候温差影响. 本研究在对福建省最典型的崩岗发育区进行全面收稿日期:2009-04-16 修回日期:2009-12-10
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40671113) .
作者简介:葛宏力(1962-) , 男, 高级工程师. 研究方向:地质与地貌学. 通讯作者黄炎和(1962-) , 男, 教授. 研究方向:土壤侵蚀. E m a i l :y a n h e h u a n g @ho t m a i l . c o m .
的地质考察的基础上, 总结出各个崩岗发育区相同的地质地貌特征, 结合典型区域的局部钻孔数据, 按照美国地貌学家戴维斯(D a v i s ) 的地貌侵蚀旋回模式, 研究这些地质地貌特征所反映的各种地质作用, 分析深厚风化壳形成的地质关系, 探讨深厚风化壳形成与保存的地质因素[20], 为崩岗成因研究提供依据. 1 材料与方法
福建省最典型的崩岗发育区位于安溪县、长汀县、诏安县和永春县, 笔者对这4个县的典型崩岗发育区域进行地表大范围的地形地貌特征调查、野外地质填图; 对比各个崩岗发育区, 总结出崩岗发育所具有的共同地质地貌特征和空间分布关系.
在此基础上, 选择具有代表性特征的地貌部位即风化壳、崩岗特别发育层, 对具备施工条件的局部地段进行钻探, 研究土层之下基岩顶面形态特征, 以验证崩岗区的地貌特征所表现的第四纪构造运动; 同时综合地形地貌、基岩的地质构造特征、岩土层性质以及岩土层的空间关系, 建立构造地貌单元, 以地貌单元之间的地质构造关系探讨研究区的第四纪构造运动与崩岗发育的关系, 以进一步探讨崩岗深厚风化壳的地质成因.
由于钻孔施工成本和施工条件受限, 本研究在安溪县龙门镇洋坑村安排6个钻孔(表1) . 钻孔布置:以2个钻孔为一组建立剖面, 孔距30-50m , 分别位于斜坡的高位和低位, 每组间距1-2k m .
表1 钻孔勘察位置
T a b l e 1 L o c a t i o n s o f d r i l l i n g s u r v e y
1号剖面
Z k 1
钻孔位置24°57. 220′N ,
118°03. 450′E Z k 224°57. 226′N , 118°03. 414′E Z k 324°57. 220′N , 118°03. 450′E 2号剖面Z k 424°56. 925′N , 118°03. 752′E Z k 524°57. 028′N , 118°04. 496′E 3号剖面Z k 624°57. 006′N , 118°04. 495′E
2 结果与分析
研究表明[21], 断裂控制了区域岩浆的侵入与空间分布, 因此断裂构造与崩岗发育有明显的空间关系, 如福建省典型崩岗发育区位于长期活动的区域性主干断裂带. 研究还发现, 位于这些断裂带上与崩岗区岩性和时代相同的花岗岩分布区域并不都有崩岗发育, 这说明断裂构造不仅为崩岗的发育提供了岩石, 还有更重要的影响, 具体分析如下.
2. 1 新构造运动对风化壳形成的影响
野外地质调查表明, 崩岗发育区地形地貌特征皆为山间构造盆地的地貌类型, 盆地内为低山丘陵, 山体浑圆呈馒头状, 具有夷平面和多层地形特征, 多处可见滚石位于山脊或山顶. 安溪铁锋山采石场大面积人工剖面和钻探揭露表明, 在崎岖不平的土山之下埋藏着相对平整的基岩顶板, 通过这些地质现象来探讨构造运动对风化壳形成的影响.
2. 1. 1 夷平面的地貌特征 夷平面是新构造运动的地貌形迹之一. 当某地区地壳运动长期稳定时, 起伏的地面会被侵蚀夷平成为准平原(侵蚀平原) , 之后地壳上升, 该平原面将因被抬升而遭侵蚀, 进而被分割成山, 由这些海拔大致相等的山顶构成的和缓平面, 称为夷平面[20].
在崩岗发育区(图1) 可以观察到:山体浑圆, 呈馒头状, 在外围较高的山脉之下与之连接的是由数条顶梁平直的山脊构成的低矮山丘, 还有平坦浑圆呈倒U 字形的山峰. 在长汀河田的崩岗发育区, 汽车可在平整山脊上修建的道路上行驶, 这说明崩岗发育区具有夷平面特征.
2. 1. 2 山顶的滚石 在由全风化残积土构成的低矮山丘的平梁状山脊和山顶之上(崩岗发育地段) 能看到大量直径约1m 或更大的石块(图2) . 这些石块具有如下特征:(1) 部分岩石岩性与其下方风化土层岩石类型不同; (2) 石块位于坡积土之上, 坡积土中有埋藏的岩石碎块; (3) 石块上的节理产状与残积层残留节理产状不一致. 以上3点表明这些石块不是山顶岩石风化的残留物, 可确定为滚石. 从高处滚落的石块
不会停留在突起的山脊或山顶之上, 说明在滚石下滚时原来地表是相对平坦的, 在相对低洼部位滚石散失惯性动力后停止, 即在滚石下落之时还未遭受强烈侵蚀, 这充分证明侵蚀平原的存在
.
2. 1. 3 平整的基岩顶板 在安溪官桥镇铁锋山采石场人工剖面上(图3) , 可以看见与地形起伏不相称、相对平整的基岩顶板, 各岩土层的分布特征见图3.
从龙门乡洋坑村布置的6个钻探孔揭露结果(表2) 可见, 在起伏不平的土山之下有相对平整的基岩顶面, 与地形起伏无关. 这是地表被侵蚀形成侵蚀平原之后(由于向下侵蚀作用停止而风化作用继续向深部发展) , 在均质岩体中形成等深风化的重要地质标志.
2. 1. 4 深厚风化壳的形成 夷平面的地貌特征、山顶的滚石及平整的基岩顶板表明, 研究区在岩浆侵入冷凝成岩之后的构造运动使深层侵入岩体上升且暴露于地表, 超越侵蚀基准面, 遭受强烈的风化与侵蚀, 而随后构造运动进入了一个较长的间歇稳定期. 在这个时期风化与侵蚀作用将地表夷平成侵蚀平原, 使向下侵蚀作用基本停止, 而向下的风化作用依然强烈, 经足够时间形成深厚风化壳.
2. 2 构造活动对风化壳的影响
在深厚的风化壳形成之后构造运动再次活跃, 表现为断层活动. 被断层分割的断块之间有明显差异抬升, 建造了现代地貌的形态基础, 为侵蚀作用提供了动力势能. 而各断块之间由于上升的高度与时间不同, 其侵蚀动力势能和强度也有差异. 由于遭受侵蚀的时间不同, 侵蚀强度不同, 因此各断块所保留的风化壳厚度也不相同. 由于断层活动造成的断块差异, 各断块的地貌形态和物质组成也不相同. 根据野外实地调
查结果, 结合1∶10000地形图, 从最外围的山地到中间的河流, 将崩岗发育区划分为4个地质单元(图1) , 其中, 第1单元为岩石单元, 第2单元为崩岗单元, 第3单元为堆积单元, 第4单元为河流单元, 各单元的特征见表3
.
图3 各岩土层埋藏关系剖面
F i g . 3 Th ep r o f i l e o f d i f f e r e n t b u r i e d r o c k a n d s o i l l a y e r s
表2 钻孔分层成果
Ta b l e 2 Th er e s u l t o f d i f f e r e n t l a y e r s w i t h p o r e d r i l l i n g
剖面
1号
2号
3号钻孔Z k 1Z k 2Z k 3Z k 4Z k 5
Z k 6孔口高海拔[***********]地面高海拔[***********]强风化海拔[1**********]4-136碎块层海拔[1**********]2-129基岩海拔194201>[1**********]4终孔深度37. 632. 031. 230. 310. 826. 1m
表3 崩岗区各地貌组成单元特征
T a b l e 3 Ge o m o r p h o l o g y u n i t s f e a t u r e s i ns l o p e d i s i n t e g r a t i o n a r e a
地质单元
岩石
崩岗
堆积
河流地貌形态A 字形山脊平梁状山脊山间盆地河流地貌坡度/°>3515-30470135-280
2. 2. 1 岩石单元 岩石单元位于崩岗区的最外围地段, 是断块上升最高的区域, 海拔最高, 主要由岩石构成. 地貌形态上表现为山脊起伏波动, 山峰呈A 字形, 山峰海拔高度在470m 以上; 主要山峰海拔基本在750-1050m , 山脚海拔高度为280m ; 山坡多呈凹面, 坡度较陡, 一般在35°以上, 分水岭附近坡度可达60°-70°以上.
该单元是区域断裂活动中地壳上升的产物, 是研究区构造运动的标志之一. 由于抬升时间早, 因而遭受侵蚀的时间也早, 加上抬升的高度大, 所造成的侵蚀动力势能也大, 侵蚀强度高, 侵蚀速度远大于风化成土速度. 在上升过程中植被的保护及风化成土作用与强烈的侵蚀作用无法抗衡, 在较短的时间内, 原地表能形成的崩岗深厚风化壳在人类活动之前已被侵蚀, 只有极少数地段残留着厚度不大的风化壳. 由于不存在深厚的风化壳, 致使崩岗侵蚀失去物质来源. 在构造运动抬升时间较迟、侵蚀时间短、深厚风化壳得以保留的情况下, 当植被遭到破坏时, 类似该单元地质和气候条件的地区仍有发生崩岗的可能.
2. 2. 2 崩岗单元 崩岗单元是崩岗发育最好的部位, 通过断裂构造与岩石单元连接, 在地形上呈现明显的阶梯状突变关系. 岩石单元山脚海拔高度从280m 陡降到220m ; 地表形态表现为平梁状山脊, 多处山脊上可见到滚石, 山峰浑圆呈倒U 字形; 山坡多为凸型坡面, 坡度较缓, 一般在15°-30°; 物质组成为土
质, 以残积物为主, 部分地段有来至第1单元的洪积物和坡积物覆盖; 海拔高度为135-220m .
该单元山脊上的滚石是岩石单元断块强烈上升时的产物, 早在崩岗单元遭受侵蚀之前, 岩石单元就已经抬升, 而使边缘岩石滚落停留在该单元之上. 说明该单元构造运动的抬升时间晚于岩石单元的侵蚀时间, 滚石的风化程度不高, 崩岗单元遭受侵蚀的时间不长.
由于该单元所处构造断块上升时间较迟, 开始遭受侵蚀的时间较晚, 断块上升的短暂地质历史使强烈的侵蚀作用没有足够的侵蚀时间, 使得构造运动间歇稳定期形成的深厚风化壳得以保存至今, 在遭受植被破坏和人为不合理的外力作用下, 成为了典型的崩岗发育区.
2. 2. 3 堆积单元 堆积单元位于崩岗单元与河流之间, 处于同一断块上, 与崩岗单元上升的时间相同. 由于受到河流(即汇入第4单元河流干流的支流) 溯源的侵蚀, 该单元遭受侵蚀的时间早, 足够长时间的侵蚀作用使深厚风化壳被侵蚀殆尽, 致使该单元成为山间河谷盆地. 该地势较为平坦开阔, 坡度在15°以下, 其物质组成主要为冲积物和坡积物以及来至第二单元的洪积物, 也常有通过崩岗单元转运来的滚石.
该单元的形成是深厚风化壳遭受自然界强烈侵蚀的结果, 这个侵蚀过程在人类活动破坏植被之前已经发生. 这说明当风化壳位于侵蚀基准面之上时, 地表植被经长时间侵蚀后难以保护深厚的风化壳. 说明构造运动的长时间稳定是形成深厚风化壳的主要因素, 而植被的覆盖程度对深厚风化壳的形成并不重要.
2. 2. 4 河流单元 第4单元为河流, 是构造抬升之后区域的侵蚀基准面, 是建立崩岗侵蚀高差及动力来源的基准.
以上分析表明, 断块的上升高度与时间决定了崩岗发育的部位, 崩岗发育于上升高度较低且上升时间迟、侵蚀动力势能相对弱、侵蚀时间短的断块之上, 也就是深厚风化壳得以保留的部位, 即上述分化区中的崩岗地貌单元.
2. 3 节理构造与风化壳形成的关系
节理构造为地表水下渗提供了有利的通道, 有利于风化壳的形成, 因此, 有学者认为节理构造对于深厚风化壳的形成有密切关系. 然而更多学者认为节理构造有利于地表的侵蚀作用, 也包括对崩岗的侵蚀作用. 因此形成深厚风化壳的必要条件是风化速度大于侵蚀速度. 当风化壳位于侵蚀基准面之上时, 侵蚀速度通常大于风化速度, 不可能形成深厚风化壳; 只有当风化壳位于侵蚀基准面附近或低于基准面时, 风化速度才会大于侵蚀速度. 在这种条件下, 节理构造可以缩短形成深厚风化壳的时间.
本研究调查发现, 岩石节理构造极不发育的花岗岩分布区存在崩岗极为发育的现象. 在典型崩岗发育区之一的安溪县龙门镇和官桥镇有许多花岗岩板材石料开采矿山, 只有完整的岩体才可以成为板材石料, 而且从开采露出的剖面也可以看出岩石的节理裂隙不发育(图3) ; 整个剖面层次清晰, 在残积土与基岩之间连球形风化层都不发育, 可见完整的岩体. 崩岗侵蚀本身揭露了深厚开阔的自然剖面, 为研究提供了良好的观察场所, 使得全风化土层[22]中的节理裂隙容易看清. 在安溪县龙门镇调查中发现, 崩岗剖面上原生
[22]节理构造发达, 具有与采石场基岩一样完整的巨块状特征. 该现象进一步证明节理构造不是深厚风化
壳形成的条件, 构造活动的稳定、侵蚀平原的形成和风化作用向深部发展是深厚风化壳形成的必要条件. 3 结论
综上所述, 研究区地质构造断裂活动不仅为花岗岩浆的侵入提供了通道, 并且将地壳深部形成的侵入岩体推上地表, 使其遭受侵蚀; 之后, 在构造活动间歇稳定期为深厚风化壳的形成提供了足够的风化时间和地形保护, 为崩岗发育奠定了物质基础; 随后构造运动的差异抬升, 形成现代地貌, 为崩岗侵蚀作用奠定了动力基础. 断块差异抬升的时间、上升的高度与自然侵蚀速度的关系是深厚风化壳能否保留的条件, 并控制了崩岗在花岗岩分布区发育的部位. 岩石的节理构造对风化壳的形成仅起促进作用, 也有利于侵蚀, 不利于风化壳的保存, 与深厚风化壳的形成之间并没有直接的关系.
参考文献
[1]丘世钧. 红土坡地崩岗侵蚀过程与机理[J ]. 水土保持通报, 1994, 14(6) :31-40.
[2]牛德奎, 郭晓敏, 左长清, 等. 我国南方红壤丘陵区崩岗侵蚀的分布及其环境背景分析[J ]. 江西农业大学学报, 2000, 22
(2) :204-208.
[3]阮伏水. 福建崩岗沟侵蚀机理探讨[J ]. 福建师范大学学报:自然科学版, 1996, 12(增刊) :24-31.
[4]江金波. 再论崩岗侵蚀的成因与防治[J ]. 中国水土保持, 1995, 1:28-34.
[5]丁光敏. 福建崩岗侵蚀成因及治理模式研究[J ]. 水土保持通报, 2001, 21(5) :25-27.
[6]丁树文, 蔡崇法, 张光远. 鄂东南花岗地区重力侵蚀及崩岗形成规律的研究[J ]. 水土保持学报, 1995, 10(2) :26-31.
[7]陈金华. 安溪县崩岗侵蚀现状与防治对策[J ]. 福建水土保持, 1999, 11(4) :21-23.
[8]殷祚云, 陈建兴, 王明怀. 花岗岩风华壳的崩岗侵蚀整治方案及效益[J ]. 水土保持通报, 1999, 19(4) :12-17.
[9]贾吉庆. 崩岗防治的探讨[J ]. 福建水土保持, 1999(3) :19-20.
[10]牛德奎. 我国热带、亚热带地区崩岗侵蚀剖析[J ]. 水土保持通报, 1984, 3:26-31.
[11]阮伏水, 周伏建, 等. 花岗岩风化壳侵蚀特征研究Ⅰ. 花岗岩风化壳物理特征[J ]. 福建水土保持, 1995/4.
[12]吴志峰, 王继增. 华南花岗岩风化壳岩土特性与崩岗侵蚀关系[J ]. 水土保持学报, 2000, 14(2) :32-35.
[13]吴克刚. 华南花岗岩风化壳的崩岗地形与土壤侵蚀[J ]. 中国水土保持, 1989(2) :2-5.
[14]牛德奎. 赣南山地丘陵区崩岗侵蚀阶段发育的研究[J ]. 江西农业大学学报, 1990, 12(1) :29-36.
[15]张淑光, 钟朝章. 广东省崩岗形成机理与类型[J ]. 水土保持通报, 1990, 10(3) :8-16.
[16]王彦华, 谢先德, 王春云. 风化花岗岩崩岗灾害的成因机理[J ]. 山地学报, 2000, 18(6) :496-501.
[17]王彦华, 谢先德, 等. 广东花岗岩风化剖面的物性特征[J ]. 热带地理, 2000, 20(4) :256-260.
[18]吴克刚, D A N N E LC , P E T E RD . 华南花岗岩风华壳的崩岗地形与土壤侵蚀[J ]. 中国水土保持, 1989(2) :2-7.
[19]李思平. 广东崩岗形成的岩土本质[J ]. 福建水土保持, 1991(4) :28-33.
[20]梁成华. 地质与地貌学[M ]. 1版. 北京:中国农业出版社, 2002.
[21]葛宏力, 黄炎和, 蒋芳市. 论福建崩岗发育的地质和地貌背景[J ]. 水土保持通报, 2007, 27(2) :128-131.
[22]建设部综合勘察设计院. G B 50021-2001岩土工程勘察规范[S ]. 北京:中国建筑工业出版社, 2002.
(责任编辑:叶济蓉)