丹霞地貌岩体差异胀缩特征及其成景作用

丹霞地貌岩体差异胀缩特征及其成景作用

李红梅

武汉大业地质环境保护有限公司湖北武汉430080

摘要：丹霞地貌以地质构造、地层岩性、外动力条件等宏观方面为主，这些因素是地质景观形成的普遍性因素，某山丹霞地貌区岩性物质成分复杂，种类较多，分析其岩体差异胀缩在丹霞地貌景观成因中的作用。选取物质成分岩块，在热、水进行膨胀性试验，由于物质成分的差异性，当外界环境条件变化时，岩体内物质发生差异性胀缩。这种差异性胀缩引起岩体表面细粒物、砾石脱落，形成凹凸形态，构成了丹霞地貌成景的基础元素。

关键词：丹霞地貌;膨胀试验;胀缩过程;成景作用

丹霞地貌区广泛发育的负地貌类型，在以往的丹霞地貌研究中，学丹霞地貌在内的沉积岩地质景观形成的共性因素，具有普遍性，但不能很好解释丹霞地貌景观个体特征的差异性。如在同样地质背景条件下，往往只在局部或者某个区域能够形成地质景观，其他区域未能发育地质景观。同样区域的地质景观，个体之间存在很大的差异性。这表明，除了宏观因素之外，微观因素也是丹霞地貌景观发育的重要因素。因此，从微观的角度，分析丹霞地貌景观成因具有重要的意义。

一、岩体物质成分差异性特征

某山丹霞地貌发育于冲积扇相的圭峰群河口组地层，其岩性物质成分复杂，砾石粒径差异较大，物质成分种类较多。岩性上，主要有砾岩、砂砾岩和砂岩，并夹有薄层的泥岩。砾石形状差异较大，多呈次圆状、次棱角状、扁平状等，其排列方式多样，主要以单独镶嵌、筛状、叠瓦状为主。根据研究区砂岩的薄片鉴定结果，矿物颗粒间胶结物主要为钙质和铁质，少量为碳酸盐胶结，研究区丹霞地貌岩体物质成分差异性较大。不同的物质成分对水、热的胀缩响应程度不同，导致差异胀缩，而形成风化裂隙，并进一步塑造成表面的凹凸有致而成景。

表1

二、岩体胀缩差异性特征

地貌地层是主要以泥灰岩、片岩、细砂岩、石英砂岩、流纹岩、花岗岩等碎屑物构成。这些碎屑物的成分决定了岩体的胀缩性，因此，在多种条件下，开展岩体膨胀性试验。

1、热膨胀性。随着季节性的变化，研究区岩体所处的温度环境不同。当环境温度升高时，岩体将吸收热量，导致自身温度升高而引起膨胀。使用岩土比热容测试仪、岩土导热系数测试仪分别测试不同物质成分岩体的热力性质，结果见表1。

试样中，比热容最大值为745J/(kg·K)，最小值为577J/(kg·K)，相差1.29倍，热扩散系数相差2.49倍，容积热容量相差1．29倍，导热系数相差1.39倍。这说明研究区砾石的热力性质相差较大。在分析岩体热力性质的基础上，同样的6组试样，进行热膨胀性试验。试验开始前，使用岩石切割机将岩石切割成一定间距的两个平行面。将试样一个平面朝下放入石英玻璃槽中，在另一平面上安装千分表，放入恒温恒湿箱中，试验温度设置为10、20、30、40、50℃，每级温度维持4小时，保持湿度为80%不变。试样在恒温恒湿箱中，温度10℃保持4小时后，读取千分表读数，并依次读取其他温度下的千分表读数，试样结果热线膨胀率最大为1．55×10－5/℃，最小为0×10－6/℃，相差2.58倍。如图。

2、水膨胀性。当裸露的岩体遇到降雨或坡面流时，岩体将吸收水分。由于亲水性矿物的存在及水体渗入岩体空隙中，将引起岩体的膨胀。为了分析某山丹霞地貌岩体遇水的膨胀特性，利用自由膨胀仪，测试不同物质成分的砾石在水的作用下的膨胀性，按照岩体自由膨胀试验方法，测试研究区同样的不同物质成分试样，结果见表。

表明试样膨胀长度为8．5-30．1μm之间，线膨胀率介于1.70×10－2%～6.02×10－2%，其中试样石英砂岩砾石的线膨胀率最大，试样凝灰岩砾石最小，两者相差3.54倍。这说明研究区砾石在浸水后膨胀性相差数倍，差异性较大。

3、收缩性。岩体的收缩性主要体现在冷收缩、干收缩和冷－干收缩。当外界温度降低时，岩体温度随之下降，导致组成物质冷缩。受蒸发作用影响，岩体内含水量逐渐降低，吸水的物质逐渐脱水，导致物质干缩。若温度降低和含水量降低同时作用时，岩体表现为冷－干收缩。在自然条件下，岩体由表及里对外界环境变化的敏感性逐渐降低，因此不同深度的岩体所体现的收缩性具有差异性。越靠近临空面，岩体的收缩性越大，反之亦然。另外，物质成分不同其收缩性不同。由于岩体的收缩性是膨胀性的逆过程，在相同的环境变化条件下，相同的物质成分岩体的收缩幅度和膨胀幅度一致，如气温上升10℃引起的线膨胀量等于气温下降10℃引起的线收缩量。因此，岩体冷收缩率、干收缩率和冷－干收缩率数值上与对应条件的热、水线膨胀率相同。

三、岩体差异胀缩成景作用

岩体胀缩成景作用基本过程:岩体表面物质脱落、形成凹凸形态、凹凸形态组合成景。

1、岩体物质脱落

细粒物脱落。在漫长的地质历史时期，裸露的岩体在环境动态变化的过程中，将不断地经历膨胀－收缩的过程。岩体反复的膨胀收缩将引起临空面岩体的片状脱落，假设临空面向内依次存在不同成分的物质W1、W2、W3因环境条件变化而发生膨胀。由于环境条件对岩体发生影响的范围有限，假设W3右侧刚好不受环境条件变化影响，W3左侧将向临空面膨胀，并挤压周围的岩体，其左侧位移为L3;W2自身也向临空面膨胀且被W3向左挤压L3，其左侧最终位移为L2;同理，W1在被挤压和膨胀后，向临空面发生L1位移。在临空面位置，若W1的膨胀力超过周围细粒物质的强度，将使得这些力学强度弱细粒物脱落。一般情况下，在临空面的砾石发生膨胀，其周围细粒物很容易脱落，而使得这些砾石出现凸起。

砾石脱落。在经历一次膨胀后，砾石周围细粒物脱落，导致砾石W1、W2、W3不同程度的松动。当环境条件变化引起岩体收缩时，W1、W2、W3均向自身中心收缩。收缩的过程中，不同物质收缩的方向不同，不出现膨胀时候的相互挤压，如在W2和W3接触面上，W2侧面向左收缩，W3侧面向右收缩。而W2因膨胀产生的位移包括W3膨胀的挤压力，但W3收缩过程不对W2产生拉力，因此W2和W3间将形成△S2裂隙。同理，W1和W2之间产生△S1裂隙。这样，经历一次膨胀收缩后，W1将会和周围物质产生△S裂隙。若不断经历膨胀收缩后，△S裂隙逐渐增大，最终导致W1的脱落，如凸起的砾石脱落后形成凹陷。

2、形成凹凸形态。由于物质成分的复杂性，丹霞地貌崖壁岩体胀缩差异性较大。胀缩率较大的物质，其对周围作用的膨胀力越大，越有可能造成周围细粒物、砾石的脱落。在相同环境条件下，力学强度强的岩体能抵抗较大膨胀力，其胀缩脱落的速度较慢。相反，力学强度较弱的岩体胀缩脱落的速度较快。脱落速度快的区域，形成凹进的形态，脱落速度较慢的区域，形成凸起形态。而凸起的那部分岩体，失去了下部岩体的支撑，很容易在重力作用下下坠，加快了岩体的凹进。因此，胀缩引起的凹凸形态，是丹霞地貌成景的基础元素。

通过不同物质成分的岩体膨胀性试验，试样结果表明研究区物质成分胀缩差异性较大，热(温度)作用下岩体线膨胀率最大相差2．58倍，水作用下最大相差3．54倍，热－水作用下最大相差3．88倍。由于研究区岩体的胀缩差异性，在长期持续经历膨胀－收缩后，物质成分差异的岩体间形成裂隙，导致脱落，形成凹凸有序的岩面形态。

参考文献

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