花崗巖風(fēng)化殼崩崗侵蝕剖面風(fēng)化強(qiáng)度和粒度分布特征

熊平生， 袁 航

(衡陽(yáng)師范學(xué)院 城市與旅游學(xué)院, 湖南 衡陽(yáng) 421002)

崩崗是我國(guó)南方紅壤丘陵地區(qū)特殊的水土流失形式，也是水土流失發(fā)展到嚴(yán)重程度的重要標(biāo)志之一。在地理學(xué)界，一些學(xué)者將崩崗侵蝕形成的地貌景觀稱(chēng)為“爛山地貌”、“劣地景觀”。南方崩崗侵蝕是丘陵山區(qū)生態(tài)安全、糧食安全、防洪安全和人居安全的主要威脅,是丘陵區(qū)發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟(jì)、振興農(nóng)業(yè)的最大障礙,嚴(yán)重制約了地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，南方崩崗主要分布在廣東、江西、湖南、福建、湖北、安徽等省，共計(jì)20.13萬(wàn)個(gè)。國(guó)外學(xué)者大多將其歸為崩坡、崩塌或沖溝等重力作用類(lèi)型[1-2]，有的學(xué)者也將其作為沖溝的一種[3]進(jìn)行研究。

目前，有關(guān)花崗巖不同層次巖土特性對(duì)崩崗發(fā)育的影響開(kāi)展大量的工作，包括花崗巖崩崗不同土層的粒度組成[4-7]、土壤可蝕性[8-12]、土體微結(jié)構(gòu)[13]、礦物成分[14-15]、土體力學(xué)性質(zhì)[16-18]等方面。研究表明,花崗巖巖土特性與崩崗的發(fā)生有直接性的關(guān)系。目前國(guó)內(nèi)對(duì)花崗巖崩崗侵蝕過(guò)程和侵蝕機(jī)理在定量化和空間性的理論體系不夠系統(tǒng)和深入。尤其是對(duì)花崗巖崩崗坡面侵蝕起源機(jī)制等關(guān)鍵科技問(wèn)題不明確。本文將結(jié)合粒度分析和風(fēng)化參數(shù)指標(biāo)分析方法，探討花崗巖風(fēng)化殼崩崗侵蝕剖面的粒度分布特征、化學(xué)風(fēng)化分布特征，以及風(fēng)化殼崩崗剖面侵蝕和粒度組成、風(fēng)化強(qiáng)度之間的相互聯(lián)系和內(nèi)在規(guī)律，揭示影響紅壤崩崗侵蝕的影響，為紅壤丘陵地區(qū)崩崗防治提供理論依據(jù)。

1　樣品與方法

采樣地點(diǎn)位于贛縣田村崩崗群，地理坐標(biāo)為114°58.730′E，25°48.851′N(xiāo)，紅土厚約9 m，贛縣屬于中亞熱帶丘陵山區(qū)季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，具有氣候溫和，四季分明，光照充足，年平均氣溫19.3℃，年均降雨量1 476.7 mm。贛縣北部出露震旦紀(jì)和寒武紀(jì)地層，中部局部地區(qū)見(jiàn)寒武紀(jì)和震旦紀(jì)地層，東南部出露震旦紀(jì)、寒武紀(jì)，局部地區(qū)見(jiàn)泥盆紀(jì)地層。田村剖面屬于典型的花崗巖崩崗侵蝕剖面，由上往下依次為：土壤層、均質(zhì)紅土層、沙土層和風(fēng)化碎屑層，剖面下部為巨厚的花崗巖，未見(jiàn)底板。紅壤層：TC1(1—20 cm)，黃棕色，有流水痕跡。均質(zhì)紅土層：TC2—TC5(20—100 cm),棕紅色、土層膠結(jié)緊實(shí)、粘重。沙土層：TC6—TC45(100—900 cm)，紅黃交錯(cuò)網(wǎng)狀斑紋，含較多的高嶺土和云母。

田村剖面屬于典型花崗巖風(fēng)化殼崩崗剖面，取樣時(shí)先剔除剖面表土，向剖面內(nèi)挖10—20 cm不等的豎槽，盡量拉直取樣豎線，在豎槽內(nèi)從下往上以20 cm為間距連續(xù)采樣，總共采集到45件樣品，每件樣品約200 g，同時(shí)供粒度測(cè)試和化學(xué)成分分析用。土樣采集后，在實(shí)驗(yàn)室自然涼干，取樣10 g在瑪瑙研缽研碎過(guò)100目土篩，裝袋送往南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行元素化學(xué)分析，使用儀器為荷蘭PANalytical公司生產(chǎn)的X射線熒光光譜儀，測(cè)試誤差小于5%。粒度測(cè)試在西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院第四紀(jì)實(shí)驗(yàn)室完成，所用儀器為英國(guó)馬爾文Masterizer-2000型激光粒度儀，測(cè)量誤差小于1%。

圖1花崗巖崩崗侵蝕剖面地層

2　結(jié)果與分析

2.1　粒度組分相關(guān)性分析

對(duì)<1 μm細(xì)黏粒、<4 μm黏粒、4～63 μm粉砂粒、>63 μm砂礫組分、中值礫徑作一元線性回歸分析(表1)，發(fā)現(xiàn)<4 μm的黏粒組分分別與>63 μm砂礫組分、中值粒徑呈較顯著負(fù)相關(guān)性(R=-0.837，R=-0.732)，<1 μm細(xì)黏粒組分分別與>63 μm砂礫組分、中值粒徑呈較好的負(fù)相關(guān)性(R=-0.783，R=-0.687)。4～63 μm粉砂粒組分分別與>63 μm的組分、中值粒徑呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(R=-0.994，R=-0.882)，而4～63 μm粉砂組分分別與<1 μm細(xì)黏粒組分、<4 μm黏粒組分正相關(guān)性較好(R=0.717，R=0.774)。>63 μm的砂礫組分與中值礫徑呈顯著正相關(guān)性(R=0.886)，>63 μm的砂礫組分分別與<1 μm細(xì)黏粒組分、<4 μm黏粒組分、4～63 μm粉砂粒呈顯著的負(fù)相關(guān)性(R=-0.687，R=-0.732，R=-0.882)。

2.2　粒度組分分布特征

由圖2發(fā)現(xiàn)，花崗巖風(fēng)化殼崩崗剖面粒度組成以粉砂礫組分含量最多，平均值為52.52%，分布范圍介于18.33%～83.72%。其次是砂礫組分，平均值為38.38%，分布在3.43%～78.04%，黏粒組分含量最少，平均值為9.09%，分布在3.62%～17.47%。

<1 μm細(xì)黏粒組分曲線、<4 μm黏粒組分曲線和4～63 μm粉砂組分曲線波動(dòng)趨勢(shì)較為一致，由剖面底部往上呈現(xiàn)先略微遞減而后波動(dòng)遞增的變化趨勢(shì)，大于63 μm砂礫組分曲線、中值粒徑曲線波動(dòng)相近似，由下往上呈現(xiàn)先略微遞增而后波動(dòng)遞減的變化趨勢(shì)。在剖面580—780 cm深度以砂礫組分為主(65.66%)，粉砂粒組分(28.94%)為次，黏粒組分最少(5.39%)，中值礫徑值為138.358。該深度段的粗粒組合特征往往使得土體的內(nèi)聚力降低，抗沖抗蝕能力下降，在外力作用下很容易失穩(wěn)崩塌。初步認(rèn)為，田村剖面580—780 cm深度有可能是崩崗侵蝕起源區(qū)域。

表1　花崗巖風(fēng)化殼不同粒度組分相關(guān)系數(shù)矩陣　%

圖2花崗巖崩崗侵蝕剖面粒度分布曲線

2.3　化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度

本文采用了常見(jiàn)的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)：化學(xué)蝕變指數(shù)CIA[19]、殘積系數(shù)Ki[20]、退堿系數(shù)Bc[21]、風(fēng)化淋溶系數(shù)BA[22]?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)CIA、殘積系數(shù)Ki與紅土化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度呈正比關(guān)系；風(fēng)化淋溶系數(shù)BA、退堿系數(shù)Bc反映紅土風(fēng)化過(guò)程中易溶元素的淋溶遷移程度，與化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度呈反比關(guān)系。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，花崗巖崩崗侵蝕剖面CIA平均值為86.16，分布范圍介于81.01～92.64。殘積系數(shù)Ki平均值為11.15，分布范圍在7.21～24.95。退堿系數(shù)Bc均值為0.015，分布在0.095～0.023，風(fēng)化淋溶系數(shù)BA均值為25.46，分布在11.35～35.61。風(fēng)化參數(shù)指標(biāo)一致顯示，田村崩崗風(fēng)化殼剖面遭受到了強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用，強(qiáng)烈的風(fēng)化作用為崩崗侵蝕的產(chǎn)生提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，即為深厚的風(fēng)化殼土層。CIA值與對(duì)應(yīng)的Ki值正相關(guān)性較好(R=0.740)，BA與對(duì)應(yīng)的Bc值呈正相關(guān)性較好(R=0.638)。CIA值與BA呈顯著負(fù)相關(guān)性(R=-0.973)。由圖3顯示，Ki曲線和CIA曲線從底部往上呈現(xiàn)先小幅度遞減而后波動(dòng)遞增的變化趨勢(shì)，而B(niǎo)A曲線和Bc曲線從下往上呈現(xiàn)先小幅度遞增而后遞減的趨勢(shì)。風(fēng)化參數(shù)指標(biāo)一致表明，田村崩崗風(fēng)化殼剖面的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度由底部往上呈現(xiàn)先小幅度遞減而后遞增的變化趨勢(shì)。風(fēng)化強(qiáng)度曲線的變化與上述<1 μm細(xì)黏粒組分曲線、<4 μm黏粒組分曲線和4～63 μm粉砂組分曲線較為近似。

圖3花崗巖崩崗侵蝕剖面化學(xué)風(fēng)化參數(shù)曲線

2.4　粒度組份和風(fēng)化強(qiáng)度的相關(guān)性

對(duì)花崗巖風(fēng)化殼不同粒度組分與對(duì)應(yīng)化學(xué)風(fēng)化參數(shù)一元線性相關(guān)性分析(表2和圖4)發(fā)現(xiàn)，CIA值分別與<1 μm細(xì)黏粒組分、<4 μm黏粒組分、4～63 μm粉砂組分正相關(guān)性較好(R=0.523，R=0.584，R=0.761)，CIA分別與>63 μm砂礫組分、中值礫徑負(fù)相關(guān)性較好(R=-0.75584，R=-0.59134)；Ki分別與<1 μm細(xì)黏粒組分、<4 μm黏粒組分組分正相關(guān)性較好(R=0.576，R=0.554)，與4～63 μm粉砂組分正相關(guān)性較弱(R=0.483)；Ki與>63 μm砂礫組分負(fù)相關(guān)性較好(R=-0.510)，與中值礫徑負(fù)相關(guān)性較弱(R=-0.372)。BA分別與<1 μm細(xì)黏粒組分、<4 μm黏粒組分、4～63 μm粉砂粒組分負(fù)相關(guān)性較好(R=-0.551，R=-0.589，R=-0.723)，與>63 μm砂礫組分、中值礫徑值正相關(guān)性較好(R=0.723，R=0.564)。Bc與<1 μm細(xì)黏粒組分、<4 μm黏粒組分、4～63 μm粉砂粒組分負(fù)相關(guān)性較弱(R=-0.258，R=-0.275，R=-0.312)，與>63 μm砂礫組分、中值礫徑值正相關(guān)性較弱(R=0.316，R=0.211)。風(fēng)化參數(shù)指標(biāo)和粒度相關(guān)性表明，化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，<1 μm細(xì)黏粒組分、<4 μm黏粒組分、4～63 μm粉砂粒組分增加，>63 μm砂礫組分減少?；瘜W(xué)風(fēng)化強(qiáng)度與4～63μm粉砂粒組分正相關(guān)性相對(duì)更好；化學(xué)風(fēng)化作用減弱時(shí)，<4 μm黏粒組分、4～63 μm粉砂粒組分減少，>63μm砂礫組分增多。

表2　粒度組分和化學(xué)風(fēng)化參數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣 %

圖4　崩崗侵蝕剖面CIA與不同粒度組分的相關(guān)性

3　結(jié) 論

(1) 花崗巖風(fēng)化殼崩崗剖面粒度組成以粉砂礫含量最多，平均值為52.52%，其次是砂礫，平均值為38.38%，黏粒含量較少，為9.09%。4～63 μm粉砂粒組分與<1 μm細(xì)黏粒組分、<4 μm黏粒組分正相關(guān)性較好；>63 μm的砂礫組分與中值礫徑呈顯著正相關(guān)性。剖面580～780 cm深度砂礫組分含量特別高，其次是粉砂粒，黏粒含量為剖面最少，這種粗粒結(jié)構(gòu)組合往往是花崗巖風(fēng)化殼崩崗侵蝕發(fā)源區(qū)域。

(2) 化學(xué)蝕變指數(shù)CIA、風(fēng)化淋溶系數(shù)BA、殘積系數(shù)Ki和退堿系數(shù)Bc一致表明，田村崩崗風(fēng)化殼剖面遭受到了強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用，強(qiáng)烈的風(fēng)化作用為崩崗侵蝕的產(chǎn)生提供了良好的物質(zhì)來(lái)源。Ki曲線和CIA曲線從底部往上呈現(xiàn)先小幅度遞減而后遞增的變化趨勢(shì)，BA曲線和Bc曲線從下往上呈現(xiàn)先小幅度遞增而后遞減變化。剖面580～780 cm深度為化學(xué)風(fēng)化程度最弱區(qū)域。

(3) 風(fēng)化參數(shù)指標(biāo)和粒度組分相關(guān)性分析表明，化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，<1 μm細(xì)黏粒組分、<4 μm黏粒組分、4～63 μm粉砂粒組分增加，>63 μm砂礫組分減少?；瘜W(xué)風(fēng)化作用減弱時(shí)，<4 μm黏粒組分、4～63 μm粉砂粒組分減少，>63 μm砂礫組分增多。

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