寧夏火石寨巖石巖性特征及其對丹霞地貌形成的影響

陳 偉，張?zhí)煳?，何立軍，職榮軍

(寧夏回族自治區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查院，甘肅 寧夏 750021)

0 引 言

中國丹霞地貌發(fā)育，主要分布區(qū)域可劃分為東南、西南、西北3個片區(qū)(李東興等，2019)，以南方居多(楊帥等，2017)。關(guān)于丹霞地貌的各類研究多聚焦于亞熱帶濕潤區(qū)域的東南和西南地區(qū)，對西北干旱地區(qū)丹霞地貌的研究相對不足(保廣普等，2019)，且多為定性研究。寧夏西吉火石寨丹霞地貌屬于西北片區(qū)，發(fā)育較為典型，通過試驗對火石寨的巖石巖性特征進行定量化研究，并分析其對丹霞地貌形成的影響，以豐富對西北干旱地區(qū)丹霞地貌成因的研究和認識。

1 區(qū)域概況

1.1 自然地理環(huán)境

火石寨風(fēng)景區(qū)位于寧夏西吉地區(qū)北部，地處黃土高原溫暖半干旱氣候區(qū)，是典型的溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大，年平均氣溫為12.7 ℃，年降水量在400 mm左右。

1.2 地質(zhì)背景

寧夏火石寨地區(qū)的構(gòu)造位于六盤山北段，區(qū)域上出露地層以白堊系六盤山群為主(表1)，總體呈北西—南東向展布(王成等，2017)。

1.3 地貌特征

火石寨丹霞地貌位于寧夏月亮山—南華山—西華山—六盤山南西列弧形山地北中段，靠近月亮山主脈東端(劉錚等，2007)，海拔在1 960～2 450 m之間，相對高差大，具典型的“頂平、身陡、麓緩”形態(tài)特征(圖1a)，造型景觀以石城和掃竹嶺最富特征?；鹗貐^(qū)及其外圍崖壁多發(fā)育扁平狀洞穴(圖1b)和順層凹槽(圖1c)。

2 材料與方法

對寧夏火石寨景區(qū)及其外圍進行野外調(diào)查，采樣重點是造型景觀豐富的掃竹嶺區(qū)域內(nèi)發(fā)育的崖壁，主要使用便攜式工程鉆機通過水鉆法進行巖芯取樣，共采集各類樣品4組44件(表2)，第一組樣品(AC1)采自順層砂巖凹槽，第二組樣品(AC2)采自順層礫巖凹槽，第三組樣品(AC3)采自扁平洞穴，第四組樣品(DY1)采自礫巖崖壁，每11件樣品為1組進行干抗壓試驗、濕抗壓試驗、凍融后抗壓試驗(表3)、薄片鑒定(表4、圖2)、全巖氧化物含量測定(表5)。對砂巖和礫巖塊體樣品分別進行干抗壓試驗、濕抗壓試驗和凍融后抗壓試驗，目的在于比較雨量較少的干燥氣候、雨量充沛的濕潤氣候以及凍融交替環(huán)境下砂巖和礫巖抗壓強度的差異。單軸抗壓強度試驗按照規(guī)范《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266—2013)的相關(guān)規(guī)定，全巖氧化物含量使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ThermoFisher iCAP-6300)進行測定。根據(jù)試驗結(jié)果對火石寨地區(qū)丹霞地貌巖石的巖性特征進行量化分析，討論對火石寨丹霞造景地貌形成的影響。

表1 火石寨區(qū)域地層簡表Table 1 Brief stratigraphic table of Huoshi Village

圖1 火石寨丹霞地貌類型(a) 石城地貌；(b) 掃竹嶺丹霞崖壁與洞穴；(c) 順層砂巖凹槽Fig. 1 Types of Danxia landform in Huoshi Village(a) Stone Town landform;(b) Danxia cliff and cave at Saozhu Ridge;(c) Bedding sandstone grooves

表2 火石寨各類試驗樣品的數(shù)量Table 2 Quantity of various test samples from Huoshi Village

3 結(jié)果分析

3.1 巖石抗壓試驗結(jié)果分析

表3中巖石抗壓數(shù)據(jù)顯示出下列特征。

同一地貌同一采樣點，無論是形成凹槽的砂巖、礫巖，還是形成洞穴和崖壁的礫巖，其抗壓強度均呈干式>濕式>凍融后的特征。

軟化系數(shù)顯示AC1的砂巖和AC2的礫巖受水影響程度較小，AC1的砂巖和DY1的礫巖受水的影響程度中等。

凍融后的抗壓試驗中，AC1的全部砂巖樣品和DY1的1件礫巖樣品經(jīng)凍融試驗后直接崩解，巖石凍融系數(shù)顯示AC2、DY1的礫巖樣品抗凍性較低，AC3的礫巖樣品抗凍性較高。

表3 火石寨巖石樣品抗壓強度測試結(jié)果Table 3 Compressive strength test results of rock samples from Huoshi Village

表4 火石寨巖石樣品薄片鑒定結(jié)果Table 4 Identification results of thin sections of rock samples from Huoshi Village

圖2 火石寨巖石標本鏡下照片(a) AC1砂巖(100× 單偏光)；(b) AC2礫巖(12.5× 單偏光)；(c) AC3礫巖(25× 單偏光)；(d) DY1礫巖(25× 單偏光)Fig. 2 Microscopic photos of rock specimens from Huoshi Village(a) AC1 sandstone (100× monopolarized);(b) AC2 conglomerate (12.5× monopolarized);(c) AC3 conglomerate (25× monopolarized);(d) DY1 conglomerate (25× monopolarized)

表5 火石寨巖石標本氧化物含量測定結(jié)果Table 5 Determination results of oxide content in rock samples from Huoshi Village

不同巖性類型之間，AC1的砂巖干抗壓強度最小，濕抗壓強度也較?。籄C2、AC3的礫巖各類抗壓強度顯著大于DY1的礫巖。

3.2 巖性薄片鑒定結(jié)果分析

巖性薄片鑒定結(jié)果(表4)顯示，火石寨地區(qū)發(fā)育丹霞地貌的三橋組(K1s)中，礫巖主要由酸性火山巖礫石及巖屑組成。膠結(jié)物為鈣質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)物：鈣質(zhì)膠結(jié)物較多，質(zhì)量分數(shù)在10%～20%之間，主要為方解石，以他形粒狀充填于碎屑粒間；鐵質(zhì)膠結(jié)物質(zhì)量分數(shù)多在5%左右，主要為褐鐵礦、赤鐵礦，且緊挨碎屑分布，形成時間早于鈣質(zhì)膠結(jié)物。

巖石總體次生變化較強，斜長石多發(fā)生次生泥化。砂巖樣品巖石壓實作用較強，結(jié)構(gòu)十分致密。巖石次生變化較強，斜長石次生泥化較強。膠結(jié)物主要為鐵質(zhì)，質(zhì)量分數(shù)在25%左右，膠結(jié)物沿碎屑粒間充填。

3.3 全巖氧化物含量分析

巖石全巖氧化物含量測定結(jié)果(表5)顯示：三橋組(K1s)砂巖和礫巖中SiO2、Fe2O3、CaO含量差異較大，Al2O3、K2O、Na2O、MgO含量差異較小。其中，SiO2質(zhì)量分數(shù)較高，在52.86%～66.82%之間；砂巖中CaO、Fe2O3含量較高；SiO2與CaO含量呈一定的負相關(guān)。

4 討 論

自早侏羅世開始，研究區(qū)氣候由干旱炎熱逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇嘏睗?。早白堊世以后，在燕山期褶皺隆起帶前緣開始發(fā)育一系列類前陸盆地與坳陷盆地，其中六盤山盆地早期表現(xiàn)為前陸盆地和一些山間凹陷盆地，沉積了三橋組沖積扇相和辮狀河三角洲相粒度較粗的礫巖、砂巖、紅色碎屑巖建造，為火石寨地區(qū)丹霞地貌的形成提供了地層基礎(chǔ)；早白堊世末，經(jīng)燕山運動Ⅲ幕，類前陸坳陷盆地褶皺開始隆起。晚白堊—古新世，六盤山及其周緣地區(qū)處于構(gòu)造平靜、整體抬升剝蝕期，開始接受殼表外動力地質(zhì)作用的刻蝕。上新世末，喜馬拉雅運動Ⅲ幕表現(xiàn)強烈，隨著青藏高原的隆升及其遠程效應(yīng)的影響，自南西而北東推擠，發(fā)生陸內(nèi)造山作用，形成青藏高原東北緣寧南弧形擠入推覆構(gòu)造帶和盆-山構(gòu)造地貌，所以六盤山亦被稱為“中國最年輕的山地”(楊紅星，2016)。

構(gòu)造隆起，不僅地震活動頻繁，而且有外動力的強烈侵蝕剝蝕，導(dǎo)致典型丹霞地貌發(fā)育。第四紀以來，六盤山北段曾經(jīng)被黃土覆蓋過，但在上覆黃土被剝蝕之后，該處的丹霞地貌曾被風(fēng)、水與重力作用等“修飾”，演變成為現(xiàn)在的地貌。

(1)天然與飽和狀態(tài)抗壓試驗結(jié)果顯示：無論是砂巖還是礫巖，干抗壓強度總是大于濕抗壓強度，說明在多雨和飽水期，巖體更易發(fā)生破裂和崩解；礫巖的干抗壓強度均大于砂巖的干抗壓強度，說明砂巖的抗風(fēng)化強度比礫巖低。所以，在上部巖石的壓力作用及外力的長期侵蝕下產(chǎn)生差異分化，相對抗壓能力弱的砂巖首先脫落，抗壓能力強的礫巖則仍然保留在原位(歐陽杰等，2009；陳姝等，2010；張廣勝等，2010)。砂巖的軟化系數(shù)最高，礫巖受水影響程度大于砂巖，說明在雨水浸潤條件下，礫巖的抗侵蝕力會顯著降低。

在凍融后的抗壓試驗中，礫巖的濕抗壓強度總是大于其凍融后的抗壓強度，且凍融后抗壓強度下降明顯；砂巖試件全部崩解開裂，說明凍融過程對巖石的影響較大。第四紀冰期和間冰期之間發(fā)生了多次強烈凍融交替作用，對凹槽的發(fā)育和巖石的風(fēng)化崩塌有促進作用(呂文等，2009)。

崖壁的礫巖樣品(DY1)在野外采樣過程中易碎裂，因而難以采集到完整的巖芯，各類抗壓數(shù)據(jù)明顯低于凹槽和洞穴中的礫巖，原因可能在于崖壁長期遭受風(fēng)化作用和降水侵蝕形成了較厚的風(fēng)化層，鉆取的樣品非新鮮基巖。

(2)薄片鑒定結(jié)果顯示砂巖結(jié)構(gòu)十分致密，膠結(jié)物全部為鐵質(zhì)且含量較高，但野外采樣發(fā)現(xiàn)砂巖平行層理和垂直于層面的節(jié)理發(fā)育，基巖易碎裂崩解。礫巖中礫石含量較高，且主要由花崗巖組成，這些礫石經(jīng)火山高溫作用，冷卻后其堅硬度和抗風(fēng)化能力較高，膠結(jié)物既有鐵質(zhì)也有膠結(jié)作用較強的鈣質(zhì)方解石，與野外采樣時礫巖堅硬難以鉆取的現(xiàn)象一致。以上說明巖體的巖性和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的差異是導(dǎo)致丹霞巖層差異風(fēng)化和崩塌的重要原因之一。

(3)砂巖和礫巖的SiO2含量總體較高，提高了巖石的抗風(fēng)化能力，這可能是火石寨丹霞地貌形成各種陡立崖壁的原因。砂巖的Fe2O3含量較高，與巖礦鑒定中砂巖膠結(jié)物為鐵質(zhì)的結(jié)果相符。水平凹槽中砂巖和礫巖的CaO含量高于陡崖的礫巖，CaO含量較高易導(dǎo)致溶蝕作用的發(fā)生(呂文等，2009；韓艷等，2020)，使抗壓強度和抗風(fēng)化能力下降，易引發(fā)巖石的破碎和崩塌。

5 結(jié) 論

(1)雨水浸潤和冷熱交替的凍融作用對成景地層三橋組(K1s)砂巖與礫巖的差異風(fēng)化有顯著影響，均會導(dǎo)致巖石抗壓與抗風(fēng)化能力降低，且對砂巖的影響較礫巖更顯著，對火石寨丹霞地貌中凹槽的發(fā)育和巖石的崩解有明顯促進作用。

(2)三橋組(K1s)地層巖石的巖性和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的差異是導(dǎo)致丹霞巖層差異風(fēng)化和崩塌的重要原因。砂巖雖然結(jié)構(gòu)較為致密，且膠結(jié)物以鐵質(zhì)為主，但碎屑物含量高，宏觀構(gòu)造上平行層理和垂直節(jié)理發(fā)育，基巖容易崩解碎裂。砂巖干、濕抗壓試驗數(shù)據(jù)明顯低于礫巖，凍融試驗中試件直接崩解，總體抗風(fēng)化能力較弱；礫巖中礫石的成分以花崗巖為主，巖石堅硬度較高，膠結(jié)程度較好，抗風(fēng)化能力較高。在上部巖石的壓力作用和外力的長期侵蝕下，砂巖由于巖性相對軟弱，較礫巖更不穩(wěn)定，易遭受侵蝕而剝落，這是構(gòu)成火石寨地貌巖性之一的砂巖易被侵蝕和風(fēng)化程度較高的主要原因。

(3)巖穴的形成原因復(fù)雜，巖溶作用、水解作用和崩塌作用是砂巖洞穴形成的主要原因，水平凹槽中的砂巖和礫巖樣品的CaO含量高于陡崖的礫巖，CaO含量較高易導(dǎo)致溶蝕作用的發(fā)生，致使抗壓強度和抗風(fēng)化能力下降，引發(fā)巖石的破碎和崩塌，是火石寨丹霞地貌一系列水平凹槽和扁平洞穴形成的重要因素之一。