大連地區(qū)典型巖土體風(fēng)化與侵蝕速率的初步研究

李天德 武鈺華

摘 要：該文通過作者對大連市周邊典型山體（歇馬山、東屏山）進行的實地調(diào)查，并結(jié)合國內(nèi)外研究資料，對大連市及其周邊典型巖土體風(fēng)化和侵蝕的主要影響因素進行分析與總結(jié)，主要針對的是大連的花崗巖及花崗巖地貌所在地區(qū)的一些特征風(fēng)化成因，氣候、降水等因素，以及構(gòu)造作用對于風(fēng)化作用與風(fēng)化殼形成的影響性分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)化侵蝕速率 花崗巖 影響因素 歇馬山 東屏山

中圖分類號：S151.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0010-02

對大連地區(qū)典型巖石與土體的風(fēng)化和侵蝕速率的影響因素進行初步研究，對大連各類典型的地貌進行實地考察，分析花崗巖、板巖、石英巖等風(fēng)化產(chǎn)生的各種土體的風(fēng)化方式與侵蝕類型，風(fēng)化殼的組成成分，探討可能在歷史時期中占主導(dǎo)方式的風(fēng)化與侵蝕方式，從而對數(shù)據(jù)加以推算，明確找到大連地區(qū)典型巖石與土體風(fēng)化與侵蝕速率。此研究對各類工程地質(zhì)方面有著比較重要的指導(dǎo)意義。

1 國內(nèi)外研究概況及其研究

對于研究巖石風(fēng)化和侵蝕速率來說，如今比較流行利用原地生宇生核素濃度估算地表基巖大侵蝕速率，主要選擇的核素是10Be與26Al，宇宙成因核素是指來自外層宇宙空間的高能量宇宙射線粒子（原生粒子與此生粒子）通過轟擊地表及其附近巖石中礦物的原子核，使其發(fā)生核反應(yīng)而產(chǎn)生的放射性核素。核素在巖石中的含量受到生成速率和衰變速率的影響，在無侵蝕的情況下，核素的含量在一定時間之后會達到平衡呈現(xiàn)飽和態(tài)；如果巖石受到侵蝕，則會因巖石暴露時間少而使核素的含量低于飽和態(tài)，因此，可以根據(jù)宇宙核素含量隨時間的變化來確定地表巖石的侵蝕速率并估算巖石表面的暴露時間。

對大連部分地區(qū)出露的花崗巖來說，南方同樣出現(xiàn)有典型花崗巖風(fēng)化形成的花崗巖風(fēng)化殼，阮伏水等人通過對福建省典型花崗巖特征的總結(jié)與描述，主要是以燕山期所形成的黑云母花崗巖為主，也是該文章分析的重點，同時也對風(fēng)化殼的地球化學(xué)特征給予描述，由于位處亞熱帶的福建的暖濕氣候，與中國南方典型紅土層的一般特點，也對風(fēng)化殼幾類土層：砂土層、碎屑層、裂隙風(fēng)化層的一般性特點進行描述；還有對花崗巖風(fēng)化殼的發(fā)育條件如氣象因素、地質(zhì)構(gòu)造因素、地貌因素的描述；通過數(shù)據(jù)達到處理具體研究的風(fēng)化殼的物理特征、風(fēng)化殼粒度構(gòu)造特征、風(fēng)化殼的微結(jié)構(gòu)特征、風(fēng)化殼團聚與分散特征、風(fēng)化殼的物理力學(xué)特征等。也為筆者研究大連花崗巖風(fēng)化殼及各類巖石風(fēng)化殼提供了一個方向。

2 風(fēng)化作用與侵蝕作用

2.1 風(fēng)化作用

風(fēng)化作用是指巖石在物理、化學(xué)或生物因素的作用下發(fā)生裂解、破碎、溶解并形成次生巖石的過程，是發(fā)生在地表的一種重要的地球化學(xué)作用。根據(jù)其發(fā)生的原因來說風(fēng)化作用可分為物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化。

物理風(fēng)化包括由地殼運動、溫度變化、雨水沖刷、冰凍等因素所引起的巖石剝離、斷裂和破碎；化學(xué)風(fēng)化主要是指水、大氣、有機質(zhì)及各種陰陽離子對巖石的溶解、轉(zhuǎn)化以及形成次生巖石的過程；生物風(fēng)化是指生物包括：動物、植物、微生物的生長、繁殖過程及其代謝產(chǎn)物對巖石的機械破壞作用和生物化學(xué)溶蝕作用，實際上包含了由生物引起的物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化兩種方式。

巖石礦物風(fēng)化研究的內(nèi)容主要包括巖石風(fēng)化速率、巖石風(fēng)化產(chǎn)物及其演化方向、影響巖石風(fēng)化的因素包括：溫度、壓力、時間、pH值、陰陽離子以及生物因素等，以及巖石風(fēng)化作用的過程和機理等，其中生物風(fēng)化特別是微生物對巖石風(fēng)化已經(jīng)成為研究的熱點。

2.2 侵蝕作用

侵蝕作用指風(fēng)力、流水、冰川、波浪等外力在運動狀態(tài)下改變地面巖石及其風(fēng)化物的過程。

侵蝕速率指的是溶蝕速率更多地指可溶性巖石的化學(xué)風(fēng)化過程，剝蝕速率則更多地用來表述巖石的物理風(fēng)化過程。更偏重巖石總共“丟失”了的物質(zhì)量，但在有的文獻中，侵蝕速率與風(fēng)化速率的含義相同，但多是測算巖石受風(fēng)化剝蝕之后的全部絕對損失量，大量文獻中還是使用“侵蝕速率”表述此全部絕對損失量。

就目前而言學(xué)界較多使用的測算方法是根據(jù)測量侵蝕速率變量的屬性，大體分為兩類：質(zhì)量測算法與幾何測算法，質(zhì)量測算法通過計算或測量一定時間內(nèi)巖石減少的質(zhì)量，而幾何測算法則是直接測量巖石表面降低的高度。

影響侵蝕速率大小的基本因素主要包括氣候、巖性、構(gòu)造活動、降水、環(huán)境差異、生物因素。

3 影響大連花崗巖風(fēng)化侵蝕速率的主要因素分析

3.1 降水與溫度的影響

大連市年平均氣溫10.5 ℃，從6月～8月，年平均降雨量在550～950 mm之間，由西南向東北遞增。年降水量60%～70%年內(nèi)分布十分不均勻，在6月～9月間多年平均降雨量占全年降雨量的72.5%。年降雨量最大、小差值達到4.5倍，大連降雨量年、月間變化大，使得風(fēng)化作用并不是十分強烈，夏季較為充沛的降雨加大了地表水的下滲和與地下水的交換，水解作用強烈，有利于巖體的風(fēng)化；晝夜溫差較小，會形成溫差風(fēng)化，但并不強烈，對于花崗巖體來說，也不太會形成干濕變化所引起的脹縮作用，同時大連地區(qū)也沒有如南方一樣的長時間濕潤的氣候，所以生物有機酸等物質(zhì)并不會對風(fēng)化產(chǎn)生較大影響。

3.2 影響花崗巖風(fēng)化侵蝕速率的主要因素實例分析

3.2.1 東屏山的花崗巖巖性及風(fēng)化特征

東屏山花崗巖的長石含量較高，在東屏山南側(cè)山頂東經(jīng)121°52′21.77″，北緯39°42′41.24″，海拔207.5 m的位置處可以觀察到花崗巖風(fēng)化的程度屬于發(fā)展的階段，不僅僅是這一個點，在東屏山的山頂所暴露于地表的花崗巖巖體普遍風(fēng)化程度比較好，風(fēng)化裂隙十分明顯，基巖表層在各種風(fēng)化作用下形成的裂隙，規(guī)模小，延伸短，均勻密集，構(gòu)成巖體表層密集裂隙體系。在流水侵蝕的作用與山頂較大的風(fēng)所帶給巖石的較為強烈的風(fēng)化雙重作用下，形成了明顯的風(fēng)化裂隙的發(fā)育與花崗巖風(fēng)化坑；同樣該點也明顯有流水沖刷的現(xiàn)象，風(fēng)化裂隙較為短小等特點。

東屏山的花崗巖風(fēng)化還有一些其他的特點，由于長石含量較高，且風(fēng)化程度也比較高，可以看出在基巖表面會出現(xiàn)一些黑色的泥質(zhì)物質(zhì)出現(xiàn)。這不同于歇馬山的風(fēng)化特點，歇馬山所出現(xiàn)的松散的粒徑較小的圓形石英的顆粒不同，東屏山并不能看見這些物質(zhì)的出現(xiàn)，而是粒徑更小的泥質(zhì)，這也反映了不同成分的花崗巖風(fēng)化程度十分不一樣，所形成的風(fēng)化殼類型也大不相同，因此東屏山從遠處就能見到標(biāo)志的地貌在歇馬山并不會出現(xiàn)，近景就會看出所形成的較陡的山頂?shù)牡孛残螒B(tài)。

通過一些表層砸出來的新鮮面，也可以看出來東屏山的花崗巖顏色較淺，經(jīng)過風(fēng)化后普遍為肉色、粉紅色，夾雜著粒徑較大的石英。石英碎屑不規(guī)則有棱角，邊緣參差不齊，土壤顆粒多以團聚體的形式存在，團聚體之間呈孔隙接觸式膠結(jié)成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，土體較疏松。

東經(jīng)121°52′21.25″，北緯39°43′02.03″海拔192.1 m處的點發(fā)現(xiàn)了一個花崗巖巖穴，長軸60 cm、短軸27 cm、深度4.5 cm，在此坑中有紅色的磨圓的小石頭子，因此對于此坑來說東屏山花崗巖風(fēng)化在風(fēng)化凹痕中加速速度被記錄，速度比巖石表面其他部分要高10倍。而且對于這些小顆粒來說，它們的巖性要比所在風(fēng)化坑的巖性要堅硬，因此在風(fēng)化過程中由于流水的作用或是坡度的改變，這些小的石頭不斷去磨蝕周圍的基巖，導(dǎo)致其風(fēng)化坑的面積不斷擴大。

同時也由于這些小石頭顆粒的粒徑不一，影響著風(fēng)化坑的形狀。風(fēng)化坑的形狀為長條的形，此點在東經(jīng)121°52′24.61″，北緯39°42′59.98″，海拔203.4 m。內(nèi)部有碎屑物，但粒徑相較于上一個點來說就大了很多，應(yīng)該是剛剛破碎的花崗巖，棱角分明，該坑有一出水口一進水口，表示流水作用有著很大程度的影響，對于風(fēng)化坑的沖刷，破碎巖體的磨圓都有十分重要的意義，由此看來并沒有足夠的證據(jù)，來證明我國東部的冰川發(fā)育，實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這坑確定為風(fēng)化成因。

3.2.2 東屏山的花崗巖巖性及風(fēng)化特征

歇馬山位于莊河以北20 km處的銀石灘，是一座主要以花崗巖地貌為主要類型的山，主峰海拔718 m左右，山東坡趨緩，西坡地勢則較為險，歇馬山花崗巖的特點：較為堅硬，石英含量較高，黑云母含量也比較多。

我們是從歇馬山的東面的山莊入口上的山，由于有植被的覆蓋也是在山體較為陡的坡有明顯的巖體出露。歇馬山的花崗巖特點較為明顯，一般的基巖處分布有比較大塊的石英巖，巖石顏色較暗沒有東屏山的花崗巖的顏色亮，暗色巖石較多，東經(jīng)123°01′19.62″，北緯39°52′38.44″，也是歇馬山入口處河流的位置所在，可以看見巖石下部的流水沖刷的痕跡。

東經(jīng)123°01′00.87″，北緯39°53′30.53″該點處的巖石表面十分光滑，這個點同樣位于上，長時間經(jīng)過河水的沖刷，一些生物體的附著，導(dǎo)致存在很多泥垢，這些有機質(zhì)的附著也代表著這些機械沖刷下的巖石，沒有如東屏山一樣十分細小的花崗巖裂隙的存在。

東經(jīng)123°59′54.88″，北緯39°53′41.09″處有一個大的圓形石球，而在其下方出現(xiàn)了一樣的風(fēng)化顆粒，主要是以石英巖為主顆粒較大，風(fēng)化的程度較高，用手可以掰下小的石塊，一搓即松散。對于花崗巖風(fēng)化的碎屑層來說由于巖體風(fēng)化程度較低，粘粒含量少，骨架顆粒之間以鑲嵌接觸為主，膠結(jié)物以長石初步分解而形成的碳酸鹽粉末為主，顆粒之間的膠結(jié)力非常弱。

同時這些小的石英磨圓性差，分選型也不算高，通常都是雜亂無章的堆置在大石塊周圍。就是在上述這個點東經(jīng)123°59′54.88″，北緯39°53′41.09″處，存在著大塊風(fēng)化的花崗巖?；鶐r體的下部有著這么一個風(fēng)化的特征，凸出和凹陷的兩塊巖石體的硬度應(yīng)明顯高于周圍巖體，因而在風(fēng)化作用之后仍然可以保留下來，凸出處的巖體明顯粒徑較小更為密實。

可以說，使巖石產(chǎn)生裂隙，使巖粒之間失去膠結(jié)力，造成散碎狀態(tài)，有利于層狀風(fēng)化。一些細?；◢弾r因巖石晶體粒徑小，巖石結(jié)構(gòu)致密，抗風(fēng)化能力強，這也就是花崗巖巖性不同所導(dǎo)致風(fēng)化侵蝕速率不同的特點之一。此點為東經(jīng)123°59′52.11″，北緯39°53′47.88″，海拔375.7 m，出現(xiàn)的風(fēng)化暈，同時也是一個風(fēng)化坑，其長軸為34 cm，短軸為25 cm，深度為3 cm。

3.3 地形地貌對風(fēng)化侵蝕的影響

不同的地形條件下，風(fēng)化有明顯差異，因為它影響到巖石風(fēng)化強度深度和風(fēng)化物保存厚度。地貌條件是風(fēng)化殼發(fā)育的基本條件之一，如果地貌條件不利于風(fēng)化殼的發(fā)育，即使再優(yōu)越的氣候或地質(zhì)基礎(chǔ)，也不可能導(dǎo)致厚層風(fēng)化殼的形成。500～800 m的低山，絕大部分地區(qū)由于坡度較陡，巖石破碎后，容易剝落，風(fēng)化殼厚度也較薄，多為2～4 m。400 m以下的廣大地區(qū)，生物—化學(xué)風(fēng)化作用已十分旺盛，但相對高度為200 m以上的高丘陵區(qū)，由于坡度較大，坡地受到長期侵蝕，風(fēng)化殼較薄，為一般為2～6 m，相對高度為50～100 m的盆谷低丘，風(fēng)化殼最厚，一般可達10～70 m左右。所以在低海拔的山地區(qū)有更多的花崗巖風(fēng)化，風(fēng)化的強度更大，就例如東屏山西側(cè)的大量的花崗巖風(fēng)化殼一樣由于坡地受到長期侵蝕且坡度較大，所形成的如今美麗的地貌景觀。

3.4 其他因素對風(fēng)化侵蝕速率的影響

生物作用也是對風(fēng)化有一定程度的影響，雖然效果不是很大，但簡單的植被覆蓋與存在于巖石裂隙中的大量根劈作用，也會造成對已有裂隙巖石的破裂的加劇。如東經(jīng)123°59′41.33″，北緯39°53′16.11″的十分明顯的植物根劈作用。

更多時候則是根劈作用與流水作用和植被覆蓋所鎖住的水分子共同作用下對巖石的多重影響，風(fēng)化所形成的土壤風(fēng)化殼土壤的特點像土壤顆粒多以團聚體的形式存在，集合體之間呈孔隙接觸式膠結(jié)成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，土體也較疏散。

4 結(jié)語

對于大連這樣存在的低海拔地區(qū)的山地來講花崗巖，巖石風(fēng)化侵蝕的影響因素最為主要的條件就是，不同巖性的花崗巖所形成的不同的地貌類型與風(fēng)化殼類型十分不同，風(fēng)化殼各異則也代表著風(fēng)化侵蝕速率的明顯差異，土壤較多的地區(qū)風(fēng)化已非常成熟，在東屏山頂就有一部分，但更多數(shù)則是如東經(jīng)123°59′54.88″，北緯39°53′41.09″點處這種碎屑層或者還沒有變成碎屑的但已經(jīng)可以手掰的基巖。

海拔更低風(fēng)化殼更厚，這樣的地區(qū)風(fēng)化也更明顯，如歇馬山的200 m、300 m左右出現(xiàn)的所謂的“飛來峰”“求子石”等等景觀。東屏山則更為明顯，因為其山的高程普遍集中在200、300多米的位置。

氣候和流水作用對花崗巖的侵蝕更為強烈，充沛的降雨加大了地表水的下滲和與地下水的交換，水解作用強烈，有利于巖體的風(fēng)化。流水與各類風(fēng)化相結(jié)合，所產(chǎn)生的各類地貌也是花崗巖風(fēng)化侵蝕的影響因素之一。

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