鄂東南花崗巖區(qū)節(jié)理對(duì)崩崗發(fā)育的影響

朱慧鑫, 鄧羽松, 丁樹文

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 武漢 430070)

鄂東南花崗巖區(qū)節(jié)理對(duì)崩崗發(fā)育的影響

朱慧鑫, 鄧羽松, 丁樹文

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 武漢 430070)

崩崗是鄂東南花崗巖地區(qū)普遍存在的土壤侵蝕現(xiàn)象，給農(nóng)業(yè)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了嚴(yán)重影響。研究以鄂東南通城縣楊壟小流域崩崗為研究對(duì)象，使用RTK測(cè)量數(shù)據(jù)，ArcGIS生成DEM圖像，測(cè)定坡面坡向及主溝、支溝的發(fā)展方向，運(yùn)用羅盤測(cè)量節(jié)理產(chǎn)狀，描述節(jié)理的區(qū)域性特征，探討了節(jié)理對(duì)崩崗發(fā)育的影響。結(jié)果表明：楊壟小流域節(jié)理產(chǎn)狀具有方向性和區(qū)域性，多為NE45°—90°和NW280°—310°；崩崗主溝發(fā)展方向主要受坡面坡向的影響，多位于北東向；崩崗支溝的發(fā)育在一定程度上受節(jié)理走向的影響，多分布于NE45°—90°和NW280°—320°；節(jié)理傾角大，節(jié)理面陡可加快崩崗的侵蝕與發(fā)育；節(jié)理可加快地下水的下滲，有利于風(fēng)化殼的形成，加速崩崗侵蝕。研究結(jié)果可為探究崩崗地貌系統(tǒng)侵蝕機(jī)理及其治理方法研究提供依據(jù)。

崩崗; 節(jié)理; 發(fā)育

崩崗是指在水力和重力的綜合作用下，山坡土石體受破壞而崩塌和受沖刷的侵蝕現(xiàn)象，花崗巖地區(qū)最為發(fā)育。崩崗侵蝕造成地表千溝萬壑以及大量的土壤流失，成為我國南方最嚴(yán)重的土壤侵蝕類型，其成因及影響因素成為崩崗研究的熱點(diǎn)[1]。研究表明，崩崗是地形、土壤特性、氣候、重力作用和人為活動(dòng)等因素綜合作用的產(chǎn)物，其形成原因及發(fā)育情況復(fù)雜[2-8]。濕熱的氣候及松散的土體特性使花崗巖形成深厚的風(fēng)化殼，這為崩崗的侵蝕提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；丘陵地形、海拔高度、崩崗坡度等影響崩崗的發(fā)育規(guī)模、形狀和速度；而不合理的人為活動(dòng)也對(duì)崩崗的發(fā)育起到誘發(fā)和促進(jìn)的作用?，F(xiàn)今，也有少數(shù)學(xué)者對(duì)崩崗節(jié)理與崩崗發(fā)育的關(guān)系做了研究。如牛德奎[9]提到花崗巖的節(jié)理特征對(duì)其巖體成分的再塑造、風(fēng)化母質(zhì)特性、地貌特征和崩崗侵蝕過程均產(chǎn)生顯著影響；葛宏力等[1]探究了節(jié)理構(gòu)造與風(fēng)化殼形成的關(guān)系，從風(fēng)化速度與侵蝕速度以及巖體構(gòu)造入手說明巖石的節(jié)理構(gòu)造對(duì)風(fēng)化殼的形成僅起促進(jìn)作用。以上研究雖對(duì)節(jié)理的特征做了分析，也提出其與崩崗發(fā)育的關(guān)系，但仍需基于數(shù)據(jù)的明顯對(duì)比作為支撐。另外，測(cè)量節(jié)理產(chǎn)狀，對(duì)于節(jié)理三要素詳細(xì)描述，并從三要素與坡面坡向入手挖掘其與崩崗主溝、支溝發(fā)育關(guān)系的研究還未有報(bào)道。因此，本文對(duì)楊壟小流域花崗巖節(jié)理的產(chǎn)狀進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)。同時(shí)利用GIS空間分析，生成DEM圖像，對(duì)該區(qū)域坡面坡向及主溝、支溝的發(fā)展方向進(jìn)行測(cè)量。對(duì)比所得數(shù)據(jù)，分析節(jié)理的產(chǎn)狀特征及其與崩崗發(fā)育之間的關(guān)系，探討節(jié)理對(duì)崩崗形成發(fā)育的影響，為崩崗侵蝕防治的研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

楊壟小流域位于鄂東南通城縣大坪鄉(xiāng)， 113°27′40′′—113°27′47′′E， 29°11′47′′—29°12′8′′N，東西寬0.3 km，南北長(zhǎng)2.4 km，海拔97～132 m，屬丘陵區(qū)。流域內(nèi)土壤為花崗巖發(fā)育的棕紅壤。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年均氣溫15～25℃，降雨量1 500 mm，集中性暴雨多發(fā)生在5—8月份。該流域崩崗侵蝕較為嚴(yán)重，現(xiàn)有崩崗18個(gè)，崩崗面積達(dá)10 195 m2，占所有土地面積的2.4%。

1.2 研究方法

(1) 節(jié)理產(chǎn)狀的測(cè)量。對(duì)通城縣楊壟小流域花崗巖崩崗進(jìn)行調(diào)查，選取區(qū)域中的典型節(jié)理面，運(yùn)用羅盤測(cè)量其走向、傾向、傾角。

(2) 坡面坡向及崩崗主溝、支溝發(fā)展方向的測(cè)定。使用靈銳S82 T-RTK測(cè)量楊壟小流域的空間數(shù)據(jù)，生成shapefile文件，運(yùn)用ArcCatalog優(yōu)化數(shù)據(jù)并進(jìn)行空間分析，打開3 DAnalyst模塊，選擇Interpolate to Raster之后，利用Kriging克里金插值方法進(jìn)行插值，生成一幅矩形DEM，柵格單元大小保留一位小數(shù)點(diǎn)，便于后面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)所制DEM圖，判斷崩崗主溝、支溝發(fā)展方向，坡面坡向，并進(jìn)行測(cè)量。某個(gè)楊壟小流域崩崗DEM圖見圖1。

2 結(jié)果與分析

節(jié)理是巖石中沒有明顯位移的斷裂，是巖體在應(yīng)力作用下形成的結(jié)構(gòu)面(節(jié)理面)[10]?；◢弾r崩崗侵入巖為紅色，結(jié)實(shí)，內(nèi)有砂質(zhì)，觸覺有些粉粘。該節(jié)理呈土黃色，長(zhǎng)而大，節(jié)理密度一般，普遍多見。花崗巖崩崗?fù)帘谳^不完整，其節(jié)理也較為發(fā)育。

圖1楊壟小流域崩崗DEM圖

2.1 節(jié)理走向分析

研究對(duì)楊壟小流域崩崗進(jìn)行調(diào)查，并對(duì)樣區(qū)節(jié)理的走向、傾向及傾角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，結(jié)果顯示，樣區(qū)調(diào)查崩崗主要節(jié)理共116條，節(jié)理走向的優(yōu)勢(shì)方位是NE45°/SW225°—NE90°/SW270°和NW280°/SE100°—NW320°/SE140°兩組。其中NE45°/SW225°—NE90°/SW270°走向的節(jié)理共59條，占節(jié)理總數(shù)50.9%；NW280°/SE100°—NW320°/SE140°走向的節(jié)理共41條，占節(jié)理總數(shù)35.3%。

楊壟小流域的節(jié)理走向集中在NE70°—90°和NW300°—320°(表1)，占節(jié)理總數(shù)的70.7%。從節(jié)理走向玫瑰圖(圖2)可知，該地區(qū)節(jié)理的優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹E向、NW向，這反映了該地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向。

由于樣區(qū)崩崗節(jié)理的走向十分集中，可以說樣區(qū)的崩崗節(jié)理具有方向性。這是由于樣區(qū)的地殼擠壓運(yùn)動(dòng)集中、普遍，地下地質(zhì)活動(dòng)幾近相同，燕山期因燕山運(yùn)動(dòng)巨大南北向擠壓力，巖漿巖破裂[11]，受地殼應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造的影響而形成具有方向性的節(jié)理構(gòu)造。

表1 楊壟小流域花崗巖崩崗區(qū)節(jié)理走向統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：0°—90°與180°—270°，270°—360°與90°—180°的節(jié)理同屬一條節(jié)理，故此玫瑰圖只以0°—90°和270°—360°表示。

2.2 節(jié)理走向?qū)Ρ缻彴l(fā)育的影響

節(jié)理的產(chǎn)生影響了土體的力學(xué)穩(wěn)定，其進(jìn)一步發(fā)育或?qū)⑿纬蓴鄬?，其特征在一定程度上?duì)崩崗侵蝕產(chǎn)生影響。本研究測(cè)量統(tǒng)計(jì)了楊壟小流域花崗巖崩崗的主溝及支溝的發(fā)展方向，并將其與坡面坡向和崩崗節(jié)理走向相對(duì)比(見表2，圖2—5)。

圖2 楊壟小流域花崗巖崩崗節(jié)理走向玫瑰圖表2 崩崗坡面坡向及主溝、支溝發(fā)展方向

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，樣區(qū)坡面坡向與崩崗節(jié)理走向相似，以NE向?yàn)橹?，在NW向也有分布，與該區(qū)域地殼應(yīng)力場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向一致。坡面坡向主要影響主溝的發(fā)育。有89.5%的崩崗位于45°—135°和225°—315°，有82.4%的崩崗主溝向著這兩個(gè)方向角度發(fā)展。這說明崩崗主溝的分布是由于流域西側(cè)坡向大約為90°，受到坡向的影響，因此在這兩個(gè)方向角度中最為發(fā)育。牛德奎[9]認(rèn)為，崩崗坡面坡向的分布主要受兩方面影響，地質(zhì)構(gòu)造格局的直接影響和由氣象等綜合條件導(dǎo)致的植被覆蓋狀況的間接影響。樣區(qū)的多數(shù)中山、低山及丘陵為NE-SW向，直接影響坡向分布，而居民放牧、采樵等人為干擾，也間接造成NE坡侵蝕嚴(yán)重，因此，在此自然與人為因素下，該流域崩崗坡面坡向便會(huì)在這兩個(gè)方向上有顯著數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)。楊壟小流域所在的通城縣以丘陵地貌為主，海拔大都在150～300 m，在此優(yōu)勢(shì)坡向范圍內(nèi)，花崗巖風(fēng)化殼深厚，崩崗活動(dòng)性最強(qiáng)，徑流沖刷能力強(qiáng)，重力作用優(yōu)勢(shì)明顯，在這幾重作用下極易造成崩塌形成崩崗[12-13]。因此，需在崩崗治理過程中特別重視此坡向范圍內(nèi)的尚未發(fā)生崩崗的山坡土體。

除主溝外，崩崗存在的眾多支溝發(fā)育旺盛，這與節(jié)理的走向密切相關(guān)。將崩崗節(jié)理走向與支溝的發(fā)展方向相對(duì)比發(fā)現(xiàn)，大部分的崩崗支溝在45°—90°和280°—320°范圍內(nèi)發(fā)育，與節(jié)理發(fā)育情況一致。這可以說明節(jié)理從一定程度上影響著崩崗支溝的發(fā)育和形成。楊壟小流域?yàn)榛◢弾r分布區(qū)，花崗巖自身凝聚力不高，可通過巖體透水。巖體的裂隙來自于自身體積縮小而產(chǎn)生的張力作用[14]?；◢弾r形成后，在地殼運(yùn)動(dòng)和重力作用下，產(chǎn)生不同方向的節(jié)理。所產(chǎn)生的節(jié)理進(jìn)一步發(fā)育形成斷層，節(jié)理的產(chǎn)狀在一定程度上影響崩崗侵蝕。

圖3崩崗坡面坡向分布圖4崩崗主溝發(fā)展方向

花崗巖巖體形成過程中伴有各個(gè)不同方向節(jié)理的產(chǎn)生，這些節(jié)理也存在裂開再愈合再裂開的過程，后續(xù)的開裂發(fā)生在已愈合裂隙的邊界上。節(jié)理構(gòu)造增強(qiáng)了巖石的通氣、透水和蓄水性，為地表水下滲提供了有力的通道，有利于風(fēng)化殼的形成[1]，影響流域的微地形，使地表水與地下水的運(yùn)動(dòng)受到影響。同時(shí)，相互切割的節(jié)理面使風(fēng)化殼低于侵蝕基準(zhǔn)面，風(fēng)化速度大于侵蝕速度，縮短深厚風(fēng)化殼的形成時(shí)間，地勢(shì)反差增大，為土體沿節(jié)理面崩塌創(chuàng)造了有利條件。

圖5崩崗支溝發(fā)展方向玫瑰圖

隨著節(jié)理的擴(kuò)張，巖漿后期的熔融物質(zhì)會(huì)侵入充填。填充物在花崗巖受到不平衡均勻的應(yīng)力時(shí)易破碎，其分布在花崗巖土體中控制著崩崗走向，成為崩崗侵蝕崩塌面。裸露的巖體接觸水汽和風(fēng)力后易沿節(jié)理面發(fā)生部分變形和滑動(dòng)[15]。因此在水力、重力等多種侵蝕力的綜合作用下，節(jié)理分布之處更利于風(fēng)化殼的形成，加速崩崗的發(fā)育，崩崗更易朝節(jié)理的走向發(fā)展。

2.3 節(jié)理傾角對(duì)崩崗發(fā)育的影響

研究將崩崗支溝中發(fā)育旺盛方向70°—90°和280°—320°的節(jié)理傾角及支溝長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)70°—90°崩崗支溝中節(jié)理傾角大多為41°—60°，占該角度方向范圍內(nèi)的88%，280°—320°崩崗支溝的節(jié)理傾角在51°—90°范圍內(nèi)數(shù)量顯著，占該角度方向范圍內(nèi)的84.6%。支溝發(fā)育旺盛方向節(jié)理傾角大角度居多，相對(duì)較陡。在一定程度上可以反映大傾角使崩崗發(fā)育更加迅速，侵蝕更加嚴(yán)重。這可能是由于傾角越大，節(jié)理面越陡，更利于地表水的運(yùn)移與下滲[16]，使土體內(nèi)部出現(xiàn)較多的軟弱面，裸露的巖體在重力的作用下也更易沿節(jié)理面發(fā)生滑動(dòng)，加速地表微地形的改變，促進(jìn)崩崗的發(fā)育。

3 結(jié) 論

楊壟小流域花崗巖崩崗侵蝕典型、普遍且發(fā)育旺盛。該流域主溝分布和發(fā)展方向多為NE向，與坡面坡向一致，在一定程度上受到坡面坡向的影響。支溝的發(fā)

展方向多為NE向和NW向，與節(jié)理走向的優(yōu)勢(shì)方位NE45°/SW225°—NE90°/SW270°和NW280°/SE100°—NW320°/SE140°相一致，其發(fā)育受到節(jié)理走向分布的影響。節(jié)理傾角大，節(jié)理面陡促進(jìn)崩崗支溝的發(fā)育，加快崩崗侵蝕。該流域崩崗節(jié)理走向、傾向及傾角的角度方向分布集中，具有方向性和區(qū)域性。節(jié)理的存在影響水分的運(yùn)移與下滲，改變地表微地形，為崩崗的發(fā)育提供了地質(zhì)基礎(chǔ)。因此，節(jié)理的產(chǎn)狀在一定程度上影響崩崗的發(fā)育，在今后需更加重視節(jié)理在崩崗防治工作中的重要作用。

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ImpactofJointsofRockontheDevelopmentofCollapseHillsinSoutheastofHubeiProvince

ZHU Huixin, DENG Yusong, DING Shu wen

(CollegeofResourcesandEnvironment,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China)

Collapse hill is a universal phenomenon of soil erosion in granite area in southeast of Hubei Province, which has serious impacts on agricultural ecology and economic development. The research selected the collapse hills in Yanglong watershed as the site, measurement of slope aspect, the DEM images which were made by ArcGIS on the basis of RTK data were explored to measure the development direction of main gully and tributaries, the compass was used to describe joint attitude and its regionality, and discuss the impact of joints of rock on the development of collapse hills. The results demonstrated that the joint attitude in Yanglong watershed is regional and directional, almost all are in the direction of NE45°—90° and NW280°—310°; slope aspect influences the development direction of main gully, for they intensively distribute in North East; joint strike has the impact on the tributaries of collapse hills, almost all are in the direction of NE45°—90° and NW280°—320°; for steep joint inclination, faster erosion and growth of collapse hills are mainly governed by it; joint could make groundwater infiltrate faster, which is beneficial to form weathering crusts so as to accelerate the collapse erosion. The research results could provide the basis for erosion mechanism and the methods of prevention of collapse hills.

collapse hills; joint; growth

2016-05-04

：2016-07-11

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“花崗巖風(fēng)化巖土體特性的地帶性分異及崩崗形成機(jī)理研究”(41630858)；國家自然科學(xué)基金“花崗巖紅壤優(yōu)先流及其與崩崗侵蝕發(fā)育的關(guān)系”(41571258);華中農(nóng)業(yè)大學(xué)國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃“花崗巖崩崗不同層次土壤可蝕性與抗沖性對(duì)龕形成的影響”(201510504021)

朱慧鑫(1995—),女,山東青島人,本科生,主要研究方向:水土保持與環(huán)境生態(tài)。E-mail:vincyicon@163.com

丁樹文(1964—),男,湖北孝感人,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向:水土保持與農(nóng)業(yè)生態(tài)。E-mail: dingshuwen@mail.hzau.edu.cn

S157.1

：A

：1005-3409(2017)03-0347-04