内蒙古南部砒砂岩岩性特征对重力侵蚀的影响
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第25卷 第3期2008年5月
干旱区研究
AR ID ZON E RESE AR C H
V o.l25 No.3
M ay 2008
文章编号: 1001-4675(2008)03-0402-04
内蒙古南部砒砂岩岩性特征对重力侵蚀的影响*
叶 浩1,2, 石建省2, 侯宏冰2, 石迎春2, 程彦培2, 郭 娇2
(1北京林业大学测绘与3S中心,北京 100006;2中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北石家庄 050061)
摘 要:重力侵蚀是内蒙古南部砒砂岩区的主要侵蚀类型之一,其重力侵蚀模数可高达25615t/(km2 a)。年平均重力侵蚀量占总侵蚀量平均值的30.6%。针对砒砂岩重力侵蚀发育过程,通过在砒砂岩区的野外调查、原状岩石性质测试结果分析,认为砒砂岩岩石的矿物组成、结构、微结构的岩性特征,决定了不同岩性砒砂岩的抗风化能力和风化程度的不同,导致风化侵蚀速率的差异,不同岩性互层的地层组合方式,加剧了砒砂岩的重力侵蚀。
关键词:砒砂岩;岩石性质;侵蚀速率;重力侵蚀;内蒙古
中图分类号:P313 文献标识码:A
砒砂岩 不是科学名词,而是群众对广泛出露于鄂尔多斯高原、整体呈现红色的、发育于三叠系、侏罗系、白垩系时期的一套沉积岩层的俗称,岩性以白色、灰白色、紫红色为主的砂岩和粉砂岩,其中夹有泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩,少量的砾岩、页岩分布。它主要分布在鄂尔多斯市、准格尔旗中北部、伊金霍洛旗东北部和达拉特旗的丘陵区,分布面积以流域为单元计算,其总面积约1.2 104km2 1 。砒砂岩区是黄河中游的剧烈侵蚀中心 2 ,且存在着特殊的风水两相侵蚀产沙机制 3 ,是黄河粗泥沙主要来源地之一,同时,也是水土保持工作的重点地区 4 。目前,岩石性质对侵蚀的影响主要集中在对土壤性质的研究 5-7 。本文主要以三叠系地层为例,从砒砂岩重力侵蚀过程及岩石的矿物成分和结构,分析砒砂岩的岩性对重力侵蚀发育的影响。
1 砒砂岩重力侵蚀特征
1.1 重力侵蚀的主要表现形式
据已有的研究结果分析认为,砒砂岩重力侵蚀主要有两种形式:泻溜和崩塌。重力侵蚀的特征主要表现在 侵蚀模数:据黄甫川流域的观测资料,砒砂岩区平均总侵蚀模数高达44570t/(k m2 a),重力侵蚀量占总侵蚀平均值的30.6% 8 。某小流域沟边坡的重力侵蚀模数为25615t/(km2 a) 9 , 时间上:砒砂岩分布区一年四季都存在着重力侵蚀现象 4 。 重力侵蚀发育的部位:重力侵蚀一般都发育于沟谷地带,在砒砂岩区,只要有沟谷发育,就会有重力侵蚀发生。
1.2 重力侵蚀过程
由于砒砂岩是由多种类型的岩性组成,其在同等的自然条件下,因风化等因素的影响,而发生重力侵蚀。重力侵蚀(崩塌)的模式可以概化为: 砒砂岩主要是砂岩和泥岩互层 图1(a) ,其中的砂质泥岩、泥岩在陡坡表面往往被风化成粒径为1.5c m 左右或更小的小碎块或小颗粒; 小碎块或小颗粒在水流冲刷、风力、自身重力等外力作用下,最终移动到坡脚、沟底或被水流搬运至别处 图1(b) ; 在泥岩部位形成凹陷,致使其上部的砂岩形成一个临空面,而发生崩塌的重力侵蚀形式 图1(c) 。
图1 重力侵蚀过程图
F ig.1
G rav ity erosi on process
2 研究方法
2.1 野外调查
野外对重力侵蚀现象进行了专项调查,从侵蚀沟坡形态的实地考察看,灰绿色相对较 纯 的砂岩,其抗风化侵蚀的能力相对最强,紫红色泥质砂岩夹薄层灰白色砂岩的抗风化侵蚀能力次之,灰白色
*收稿日期:2007-02-08; 修订日期:2007-05-30
基金项目:科技部科研院所社会公益研究专项(2005D I B3J068)资助
作者简介:叶浩(1966-),男,博士,研究员,主要从事地质环境、地质灾害方面的调查和研究工作.E-m ai:l yh ao_i h eg@163.co m
表1 砒砂岩矿物成分百分含量特征值
Tab.1 E igenva l ues of the percen tage m i n eral co mposition in P isha sandston e/%
项 目
灰白色砂岩
最大含量最小含量平均含量标准偏差
紫红色砂岩
最大含量最小含量平均含量标准偏差
灰白紫红色条带砂岩
最大含量最小含量平均含量标准偏差
石英704350.511.3603450.88.2503542.57.5钾长石25610.9 5.320510.85.225816.58.5斜长石501 2.01003.63.610891方解石262119.0204127.22011白云石201.80.622202220钙蒙脱石3512207.0251015.84.82523241伊利石803 3.2803.33.25550高岭石602 2.5502.12.40000
粗砂岩、紫红色泥质砂岩抗风化侵蚀能力更次,红色、紫红色泥岩和薄层(0.2~1c m)互层或交错层理发育的灰白色、紫红色砂泥岩抗风化侵蚀能力相对最差。
2.2 岩石原状样品采集和测试
在野外调查的基础上,以砒砂岩原状岩石样品的测试结果为依据,分析砒砂岩岩性对重力侵蚀发育的影响。岩石原状样品采集于内蒙古准格尔旗砒砂岩分布区内的不同岩性,样品的大小分别为30 c m 30c m 30c m和20c m 20c m 20c m两种类型共24组,进行岩石的物理力学性质测试。
3 结果
3.1 矿物组成特征
砒砂岩岩石矿物主要由石英、钙蒙脱石、方解石和长石4种组成,且不同岩性砒砂岩的矿物组成差别较大(表1)。灰白色砂岩与紫红色砂岩的石英、钾长石、方解石、白云石、伊利石和高岭石平均含量几乎相同,但灰白色砂岩的钙蒙脱石含量稍微比紫红色砂岩高一些,前者平均含量为20%,后者则只有15.8%,紫红色灰白色相间的条带状砂岩的石英含量比灰白色砂岩、紫红色砂岩要低8个百分点,钾长石、斜长石和钙蒙脱石的含量则明显比前两种高。
3.2 岩石微结构
岩石结构是指岩石中矿物(或岩屑)颗粒的大小、形状、排列,孔隙分布以及颗粒间的连接特征 10 。测试结果表明,砒砂岩岩石矿物颗粒间的连接方式是以颗粒支撑、孔隙式胶结,部分长石石英杂砂岩是接触式胶结,胶结物主要是黏土矿物和方解石;砒砂岩的矿物结构基本上以中粒砂状结构、粉砂泥状结构为主;分选中等-差,磨圆状态不一,呈现磨圆-半磨圆、棱角-次棱角状;且碎屑大小不一,粒径相差悬殊;杂基含量大。
利用微结构图像处理系统 11 对砒砂岩微结构进行定量分析,结果显示,矿物颗粒的扁圆度差异很大,平均值是0.4111,表明岩石矿物颗粒的磨圆程度低,反映出近距离的搬运沉积和原岩矿物风化的不彻底性;平均形状系数、平均粒径等参数的分析结果表明,岩石矿物颗粒大小悬殊;颗粒排列熵的平均值是0.6,变化范围是0.4~0.7之间。颗粒排列熵值越大,表明矿物颗粒的定向性越差;平面孔隙比和平面孔隙度说明了砒砂岩的空隙性相对较大。
4 讨论
不同岩性砒砂岩的矿物成分和结构特征,对重力侵蚀发育的影响,首先表现在不同岩性砒砂岩在自然条件下抗风化程度的差异。其中,岩石的矿物成分的影响最明显,风化在块体被剥蚀前,是一不可缺少的阶段,砒砂岩的重力侵蚀与风化密不可分。
4.1 岩石风化的影响
4.1.1 砒砂岩水理性质分析 矿物结构和微结构特征,表现在不同岩性的砒砂岩在浸水条件下,其崩解的时间有着明显的差异(表2)。影响因素主要与
表2 砒砂岩崩解实验结果
Tab.2 Experi m ental resu lts of the
d isi n tegration of P isha sandston e
岩性描述实验描述
紫红色长石石英砂岩
1m i n开始发生剥落,5m i n后
崩解完
灰白色长石石英砂岩,夹条带
5m i n开始发生剥落,17m i n后
崩解完
灰白色砂岩,夹紫红色砂岩条带10m i n后,50%的崩解量
紫红色砂质泥岩45m i n后全部崩解
紫红、灰白色砂岩,夹少量灰绿色
砂岩
近10h后呈层状变软、层状剥
落
灰白色砂岩20h后呈松散状
紫红泥质砂岩,夹灰绿色团块36h后基本上无变化
灰白色砂岩
遇水后似松散沙堆,6h后,表
面松散
紫红泥质砂岩36h后基本上无变化
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3期 叶 浩等:内蒙古南部砒砂岩岩性特征对重力侵蚀的影响