崩崗?fù)馏w物理化學性質(zhì)及其內(nèi)部分異
——以廣東省德慶縣3個典型崩崗為例

卓瑞娜, 劉希林, 岳 夢

(中山大學 地理科學與規(guī)劃學院, 廣東 廣州 510275)

崩崗是分布于華南熱帶和亞熱帶花崗巖風化殼上的一種特殊侵蝕地貌，是水力—重力復(fù)合侵蝕形成的具有“圓形露天劇場”般溝頭的侵蝕溝[1-2]。崩崗不僅破壞土地資源，還可侵吞農(nóng)田，淤堵河道，甚至沖毀民舍，給當?shù)厝藗兩a(chǎn)、生活和生態(tài)安全帶來威脅[3-4]。完整的崩崗溝谷流域通常由集水坡面、崩壁、崩積體、溝道和洪積扇5個地貌部位組成[2]。許多學者對崩崗不同地貌部位的土體物理化學性質(zhì)進行了研究，尤其對崩崗?fù)馏w物理性質(zhì)研究較為深入，且以單個地貌部位的研究為主，如謝炎敏等[5]測定了福建長汀縣崩崗崩壁上不同層次土體的容重、液塑限、粒徑分布及有機質(zhì)含量，探討了土體界限含水率的特征和影響因子，以及與其物理和化學性質(zhì)之間的關(guān)系。鄧羽松等[6]闡述了鄂東南崩崗洪積扇土體的容重、孔隙度和持水性，并對其空間分異特性進行了分析，為崩崗洪積扇土體物理性質(zhì)的改良提供了科學依據(jù)。蔣芳市等[7-8]將崩壁和崩積體進行對比研究，分析了兩者土體的含水率、質(zhì)地、有機質(zhì)及微團聚體的特性，為研究崩積體的滲透特性、顆粒組成和分形特征提供了科學基礎(chǔ)。劉希林等[9-10]對廣東五華縣蓮塘崗崩崗開展了垂直和水平方向上土體物理性質(zhì)的研究，發(fā)現(xiàn)崩崗不同地貌部位的土體物理性質(zhì)存在分異現(xiàn)象。崩崗發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)是花崗巖風化殼及其風化土體[11]。Ban等[12]對花崗巖風化土體進行了X射線衍射(X-ray diffraction， XRD)和X射線熒光光譜(X-ray fluorescence， XRF)分析及粒度分析，得到花崗巖孔隙度、砂含量以及礦物和元素含量及其化學風化指標，以此解釋了花崗巖的風化機理。Kim和Park[13]測定了花崗巖從礫石到黏土的粒度分布曲線，認為修正后的風化潛在指數(shù)(modified weathering potential index, MWPI)和觸發(fā)流失率(loss on ignition, LOI)與花崗巖風化土體的理化性質(zhì)沒有明顯的相關(guān)關(guān)系(干密度除外)，并推薦用土體理化性質(zhì)來進行花崗巖風化等級的劃分。郝芮等[14]測定了花崗巖風化土體的顆粒組成、陽離子交換量、黏聚力和各種氧化物所占質(zhì)量比例，分析了不同層次氧化物含量并計算其風化強度，得出了花崗巖土體剖面的下層風化程度弱、黏粒比例低且黏聚力小、更容易形成崩崗的結(jié)論。這些研究成果為認識花崗巖風化殼的化學風化過程提供了有益的啟示。本研究以廣東省德慶縣3個典型崩崗為例，通過測定崩崗不同地貌部位土體的物理性質(zhì)、礦物組成和化學元素，探討崩崗?fù)馏w物理特性及其在各不同地貌部位的內(nèi)部分異，并解釋其與崩崗侵蝕作用的成因關(guān)系，旨在更好地了解和認知崩崗發(fā)育的土體物質(zhì)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

德慶縣地處廣東省中西部西江中游北岸，位于北緯23°04′—23°30′， 東經(jīng)111°32′—112°17′之間。受亞熱帶季風氣候影響，熱量豐富，降雨量大，且雨熱同期。據(jù)2019年肇慶市氣候公報，德慶縣年平均氣溫為22.5 ℃，年降雨量1 356 mm，雨季為每年5—9月。德慶縣崩崗發(fā)育歷史悠久，數(shù)量眾多，是廣東省崩崗發(fā)育較為嚴重的地區(qū)之一[15-16]。德慶縣屬低山丘陵及河流沖積地貌，出露的花崗巖面積占全縣出露地層的71.5%?；◢弾r在自然條件下極易風化，通常成為該地區(qū)的成土母質(zhì)而發(fā)育成赤紅壤、紅壤或黃壤[17]。德慶縣官圩鎮(zhèn)出露的地層主要為黑云母花崗巖，厚度約為30～60 m[18]。本文中的3個典型崩崗分別位于官圩鎮(zhèn)五福村的栗子崗、平山埌和徑深，由此分別命名為栗子崗崩崗(23°16′30″N，111°48′21″E)、平山埌崩崗(23°15′57″N，111°48′50″E)和徑深崩崗(23°15′8″N，111°49′6″E)。

1.2 土樣采集與測試分析

崩崗?fù)馏w樣品采集點主要考慮崩崗不同地貌部位，同時兼顧野外采樣的可行性，共計30個采樣點(圖1)。2020年10月10日，在3個崩崗的4個地貌部位(崩壁、崩積體、溝道和洪積扇)分別采集表層土(0—10 cm)擾動土樣品和原狀土樣品，原狀土樣品用環(huán)刀(內(nèi)徑50 mm，深度50 mm)采集，擾動土樣品用兵工鏟鏟取表層土裝入塑料密封袋中，每個擾動土樣品重量約為1.5～2 kg。由于崩壁取樣較為困難，只采集了一個原狀土樣和一個擾動土樣。崩積體按左、中、右，溝道和洪積扇則按上、中、下3個部位分別采集3個擾動土樣，并在中部崩積體和溝道及洪積扇的中部采樣點各采集一個原狀土樣。然后分別將崩積體、溝道和洪積扇的3個擾動土均勻混合，取其約1.5 kg的混合土制成混合擾動土樣，裝入密封袋后進行登記編號，帶回實驗室進行測試分析。本次野外采樣共獲取崩崗原狀土樣12個，擾動土樣3個，混合擾動土樣9個，共計24個崩崗?fù)馏w樣品。

對上述24個崩崗?fù)馏w樣品的容重、含水率、液塑限、顆粒級配、礦物組成和化學元素分別進行測定。其中，土體顆粒級配使用篩分法(質(zhì)量百分比)，并用馬爾文激光粒度儀(Mastersizer 2000)對2 mm及以下的土體顆粒進行粒徑含量測定(體積百分比)；土體質(zhì)量用電子天平進行計量；土體含水率用烘干法測定(質(zhì)量百分比)；土體液塑限使用液塑限聯(lián)合儀測定(質(zhì)量百分比)；以上測試項目均在中山大學地理科學與規(guī)劃學院地理綜合實驗室完成。崩崗?fù)馏w的礦物成分采用X射線粉末衍射分析，由中山大學測試中心完成；崩崗?fù)馏w的化學元素采用X射線熒光光譜分析，由廣東省地質(zhì)檢測中心完成。

圖1 德慶縣典型崩崗?fù)馏w樣品采集點示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 崩崗?fù)馏w物理特性

2.1.1 崩崗?fù)馏w容重 土體容重是土體性質(zhì)的重要參數(shù)之一[19]。由表1可知，德慶縣典型崩崗不同地貌部位的土體容重介于1.06～1.43 g/cm3之間。崩壁土層致密，土體容重較大，以重力崩塌為主；崩積體土體松散，土體容重較小。崩積體以坡面侵蝕為主，也易于由溝道侵蝕掏蝕坡腳形成臨空面而發(fā)生重力崩塌的“二次侵蝕”[20]，因而崩積體是崩崗內(nèi)部最容易遭受侵蝕的部位。相對于洪積扇來說，溝道的土體容重大，因為溝道受水流沖刷，細粒物質(zhì)被帶走，溝床表層粗化；洪積扇是崩崗的沉積區(qū)，有大量細粒物質(zhì)在此沉積，從而導致其土體容重比溝道小(圖2)。

圖2 德慶縣典型崩崗4個地貌部位的土體容重

2.1.2 崩崗?fù)馏w含水率與界限含水率 降雨是崩崗發(fā)育的主要驅(qū)動力，降雨通過增加土壤含水率，使土體的巖土力學性質(zhì)發(fā)生改變，從而降低了土體的抗剪強度[21]。土體含水率也影響土體的崩解特性[6]。本次測定的崩崗?fù)馏w含水率(質(zhì)量百分比)為非雨季的含水率和界限含水率(表1和圖3)。由圖3可知，崩壁和崩積體的土體含水率高于溝道和洪積扇的土體含水率。崩積體含水率高，與崩積體上部的崩壁匯水滲入直接相關(guān)。溝道和洪積扇的土體滲水性強、保水性差，土體含水率低。

表1 崩崗?fù)馏w基本物理性質(zhì)

圖3 崩崗?fù)馏w含水率與界限含水率

界限含水率也是土體的基本物理性質(zhì)之一。塑限是指黏性土體呈可塑狀態(tài)的下限含水率，液限是指黏性土體由可塑性狀態(tài)過渡到流動狀態(tài)的界限含水率[22]。由表1和圖3可知，崩壁和崩積體的土體液塑限均高于溝道和洪積扇的土體液塑限，這可能與崩壁和崩積體土體容重較大且其黏粒含量高、土體塑化和液化所需的含水率較大有關(guān)。而溝道和洪積扇土體的液塑限較低，因為其粗砂含量較多且黏粒含量相對較少，由于黏粒對水分的吸附作用，導致溝道和洪積扇的土體液塑限相對較低。

2.1.3 崩崗?fù)馏w顆粒級配 崩崗4個地貌部位土體樣品均以砂粒含量為最高。細砂、中砂和粗砂合計含量均在50%以上，其中徑深崩崗洪積扇土體樣品的砂粒含量高達91.61%。粗砂又占砂粒含量的主要部分(27.47%～56.76%)(表1)。由此可見，粗砂是崩崗?fù)馏w最為顯著的粒度特征。根據(jù)《土類分類標準(GB/T50145-2007)》，可將崩崗?fù)馏w總體上歸屬為“含礫粗砂土”，其中值粒徑表現(xiàn)為：崩壁<崩積體<溝道<洪積扇，反映了溝谷流水對溝道沉積物和洪積扇洪積物沖刷后的粗化作用。

顆粒級配直觀反映了土體粒徑的分布狀態(tài)。由圖4可見，3個崩崗的顆粒級配曲線表現(xiàn)出較好的一致性。崩壁和崩積體的土體顆粒級配曲線為雙峰型，粒徑峰值為0.6～0.8 mm(粗砂)和0.08 mm(細砂)，崩積體是崩壁在重力作用下崩塌而成，其土體顆粒分選較差，這也是許多混雜堆積物包括泥石流源地土的共有特征[5]。溝道和洪積扇的土體顆粒級配曲線為單峰型，粒徑峰值為0.6～0.8 mm(粗砂)。單峰型粒度曲線表明土體顆粒經(jīng)過水力分選，是水力作用的產(chǎn)物。

注：質(zhì)量百分比為全粒徑，體積百分比為≤2 mm的粒徑

2.2 崩崗?fù)馏w礦物組成和化學元素成分

2.2.1 崩崗?fù)馏w礦物組成 花崗巖風化殼中的黏土礦物是崩崗?fù)馏w微觀結(jié)構(gòu)重要特征，對崩崗形成和發(fā)育具有獨特的作用[23]。采用XRD方法對12個崩崗擾動土樣中的黏粒進行測試分析，得到XRD圖譜(圖5)，圖中橫坐標為衍射角度2θ/°，位置表示晶體中符合布拉格條件的面網(wǎng)衍射；縱坐標表示計數(shù)管中所檢測的光量子點數(shù)，即衍射強度I，計點數(shù)以CPS為單位[24]。衍射強度與物相成分和結(jié)構(gòu)以及物相在混合物中的含量有關(guān)[25]。運用MDJ Jade 6.5軟件，由布拉格公式得到晶面間距d值，單位為(?,10-10m)。通過對XRD圖譜的鑒定，三個崩崗?fù)馏w中的主要礦物依次為高嶺石(Kln)、石英(Q)和白云母(Ms)。

2.2.2 崩崗?fù)馏w化合物及化學元素 采用XRF方法對12個崩崗擾動土樣中的黏粒進行測試分析，得到崩崗的主要化合物組成(表2)。3個崩崗4個地貌部位的土體以7種化合物為主，其中二氧化硅(SiO2)含量最高，平均含量為58.13%；其次為三氧化二鋁(Al2O3)，平均含量為12.41%；再次為氧化鈣(CaO)和總鐵(Fe2O3/FeO)，平均含量分別為3.66%和3.17%。其余化合物含量均較低，分別是氧化鉀(K2O)(1.36%～3.20%)、氧化鎂(MgO)(0.17%～1.07%)和氧化鈉(Na2O)(0.13%～0.94%)。崩崗?fù)馏w的主要化合物與崩崗?fù)馏w的主要礦物組成相對應(yīng)，高嶺石的化學式為Al4[Si4O10](OH)8，主要含Al2O3和SiO2；石英的主要成分為SiO2；白云母的化學式為K{Al2[AlSi3O10](OH)2}，其中含有45.2%的SiO2，38.5%的Al2O3，11.8%的K2O。

圖5 崩崗4個地貌部位的土體XRD圖譜

構(gòu)成崩崗?fù)馏w的化學元素主要包括重金屬元素錳、鋯、釩、鈮、鋅、鉬和鉻等，輕金屬元素鈦、鋇，銣、鍶和鉛，非金屬元素硫、磷和氯，以及稀土元素釔等(表3)。

一般情況下，土壤中重金屬元素錳、鋅和鉬含量極少，但本次測定發(fā)現(xiàn)，崩崗?fù)馏w樣品中錳的含量相對較高，平均值為0.0451%，且發(fā)現(xiàn)有稀土元素釔存在。3個崩崗不同地貌部位的礦物組成與化學物質(zhì)并沒有表現(xiàn)出有規(guī)律性的內(nèi)部分異。表明在崩崗這樣一個水文地貌單元內(nèi)，地球化學過程是相對微弱的，崩崗的侵蝕、搬運和堆積過程，沒有導致明顯的化學元素遷移和富集現(xiàn)象。

表2 崩崗?fù)翗拥闹饕衔?質(zhì)量百分比)

表3 崩崗?fù)翗拥闹饕瘜W元素(質(zhì)量百分比)

3 討 論

3.1 崩崗?fù)馏w物理性質(zhì)的分異

崩壁土體容重略大于崩積體、溝道和洪積扇的土體容重，以及崩壁和崩積體的含水率和界限含水率均大于溝道和洪積扇的土體含水率和界限含水率，這一現(xiàn)象易于理解，也表明崩壁和崩積體是崩崗的主要被侵蝕體和泥沙來源。土體中值粒徑在崩崗4個地貌部位的變化趨勢為：崩壁<崩積體<溝道<洪積扇，展示出自崩崗溝谷流域上游(崩壁)至溝谷流域出口(洪積扇)，流水作用將細粒物質(zhì)逐漸沖刷帶走，而將粗粒物質(zhì)依次沉積留下的水力分選和粗化過程。崩壁和崩積體的土體顆粒級配曲線呈雙峰型，溝道和洪積扇的土體顆粒級配曲線呈單峰型，也表明了前者以重力作用為主，崩積物分選較差，后者經(jīng)過水力作用，沉積物有一定分選。

崩崗4個地貌部位土體物理性質(zhì)的分異現(xiàn)象可由水力—重力復(fù)合侵蝕來解釋。崩壁主要遭受重力侵蝕，且風化殼土體力學性質(zhì)受到水力作用的影響，土體內(nèi)摩擦角減小，抗剪強度下降，在重力作用下極易發(fā)生土體崩塌[11]。崩壁土體的崩落和滑塌，在崩壁底部形成崩積體。初期，崩積體未遭受明顯的水力分選，保留著與崩壁土體基本相同的顆粒級配，因此，崩積體物理性質(zhì)與崩壁較為一致，僅表現(xiàn)為容重由于土體散落而相對較小。在崩積體形成的后期，水力侵蝕對崩積體的物質(zhì)搬運和輸移起到較大作用。由于崩積體土體結(jié)構(gòu)疏松，且缺乏植被保護，土體常常再次遭受嚴重侵蝕[26]，也即“二次侵蝕”，包括降雨濺蝕、片流沖刷和徑流侵蝕。受流水的侵蝕和搬運作用，導致崩積體從頂部至底部土體顆粒由粗變細，坡腳處顆粒粒徑變小、可蝕性加大[9]。形成泥砂流后，帶出崩口的崩積物在溝道內(nèi)泥砂流的搬運作用下，一部分粗砂沉積下來，大部分細粒物質(zhì)被帶走[27]。因此，溝道和洪積扇土體顆粒呈現(xiàn)出流水搬運后的粒度特征。

3.2 崩崗?fù)馏w化學物質(zhì)的成因

崩崗?fù)馏w主要由花崗巖風化殼提供?；◢弾r致密、堅硬、透水性差，礦物組成主要為石英、長石和白云母。石英質(zhì)地堅硬，主要成分為SiO2，抗風化能力強，理化性質(zhì)較為穩(wěn)定。化合物測定表明，崩崗?fù)馏w中SiO2最多，Al2O3次之，其他氧化物相對較少，這與吳志峰和王繼增在有關(guān)華南花崗巖風化殼巖土特性中得出的結(jié)論是一致的[11]。長石是一種含鈣、鈉和鉀的鋁硅酸鹽類礦物，一般經(jīng)化學風化，如水解作用、碳酸化作用等向黏土礦物轉(zhuǎn)化[17]?；◢弾r風化殼的化學成分與母巖相比略有不同[28]。風化殼中的Al2O3和Fe2O3/FeO明顯增多，CaO，K2O，MgO和Na2O相對減少。這可能與白云母的化學風化過程有關(guān)，在白云母的化學風化過程中，SiO2，CaO和Na2O的含量逐漸減少，Al2O3逐漸富集[29]。黏土礦物多由花崗巖風化殼在其成土過程中形成[30]。黏土礦物高嶺石是長石和其他硅酸鹽礦物天然蝕變的產(chǎn)物，礦物晶格穩(wěn)定，具有較高的水穩(wěn)性，且一般可以看作是強烈風化作用的最終產(chǎn)物[31]。本文中的黑云母花崗巖母巖化學風化后產(chǎn)生的次生礦物主要由長石組成，比其他礦物更容易風化分解成為高嶺石[13]，廣東濕熱的氣候條件導致巖石強烈分解，也更加有利于高嶺石的結(jié)晶。崩崗?fù)馏w中高嶺石與水的結(jié)合，使崩崗?fù)馏w發(fā)生膨脹、分散和凝聚，也使得崩崗?fù)馏w的黏性、觸變性和可塑性發(fā)生變化，從而改變崩崗?fù)馏w的理化性質(zhì)而影響崩崗的發(fā)育。與此同時，崩崗?fù)馏w中的石英砂與紅壤土混合后，導致鈣質(zhì)膠結(jié)缺乏而形成厚層疏松土層，一旦失去植被覆蓋，極易引起水土流失而導致紅壤土的強烈侵蝕[17]。

4 結(jié) 論

崩崗侵蝕地貌系統(tǒng)內(nèi)不同地貌部位的土體物理性質(zhì)具有一定的分異現(xiàn)象。崩崗?fù)馏w物理特性的內(nèi)部分異與侵蝕作用關(guān)系表現(xiàn)為：崩壁→崩積體→溝道→洪積扇，土體顆粒粒徑由細逐漸變粗，地貌營力由重力轉(zhuǎn)變?yōu)樗?，地貌過程由侵蝕轉(zhuǎn)變?yōu)槎逊e。這一相互關(guān)系符合崩崗侵蝕過程中水力—重力復(fù)合侵蝕的作用機制。崩崗侵蝕發(fā)育與花崗巖土體特性密切相關(guān)，以高嶺石為主的黏土礦物組成表明崩崗?fù)馏w是強烈風化作用的產(chǎn)物。本研究表明，崩崗?fù)馏w化學物質(zhì)在崩崗內(nèi)部沒有表現(xiàn)出規(guī)律性的元素遷移和富集現(xiàn)象。

致謝：廟成博士和鄧銘坤參加了本次研究的現(xiàn)場選點和野外采樣工作。謹此致謝！