书城自然混杂堆积与环境
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第61章 崩塌堆积和塌陷堆积(3)

对2号锥而言,这种计算产生出119—237m3/a,相当于堆积速率(平均覆盖整个锥表面)8—16mm/a和15—29mm/a。代表2号锥沉积物来源的上部侵蚀基岩区的面积通过三角测量和野外填图得出为26000—31000m2。如果2号锥堆积时间约为215a,那么源地区的平均侵蚀率就意味着为37—47mm/a。如果锥的堆积时间约为108a,那么侵蚀率为74—93mm/a。

地貌地层学和树木年轮学的联合证据表明2号锥的堆积时间最大为108—215a。其体积据计算为25600m3。这些体积表明其平均堆积速率在其形成期间内分别为8—16mm/a,2号锥表明在其上坡的平均侵蚀率为37—94mm/a,与邻近地区最近估计的陡坡上的流碛的侵蚀率>50—100mm/a相一致。数据(表810)表明的沉积物的快速再改造在2号锥主要由泥石流和雪崩扮演的角色所完成。

上述结果表明:(1)类冰川碎屑锥可以在冰退后100—200a的时间堆积;(2)在一些地区,源区沉积物可以在大致相同时间内耗光;(3)泥石流和雪崩对沉积物的输送在那些接近现代冰川退缩的陡坡上是非常有效的。

以上列出了长白山、天山和挪威山地三地倒石堆的一些动态数据,但因各自着眼点不同,所得数据类型不同,故难以得出一些可对比地带性规律的认识。但它们可以互补,也有利于得到进一步认识。

三、崩塌堆积特点

最能体现崩塌特色的大规模的一次性快速崩塌(rockfallortoppling)仍然以垂直运动为主,少有水平运动或滑动。这是与滑塌(slumping)的主要区别,后者是先崩(垂直运动)后滑(水平运动)且水平运动大过垂直运动,所以它也有别于滑坡(slide)。

滑坡的特点是垂直运动和水平运动两者基本相当,或水平运动略大些,但速度较崩滑要慢得多。当然有时有些过渡类型,很难将其归入哪一种块体运动形式,这也正是自然界复杂和有趣之处。

在此还必须提到另一种以垂直运动为主的块体运动,即“错落”或“坐落”。形象地表达此种块体运动的特点,它们(基岩或土类)沿崖面上的垂直卸荷解理从上而下直直地落到陡崖的崖脚(照片810,照片811),基本上保持原岩结构,虽有岩块变碎,但碎而不散。可以说基本上没有水平运动(或少有)(照片812)。从野外观测可见,它仍然可以划分为两个微相,即中心相(靠底部中心部分)以原状岩块体为主,和外缘相(错落体两侧及上部)以细粒物为主,呈披盖式置于中心相之上和外缘,很易辨认。此外,还有一种以细粒为主的(其实粒径也有几厘米至几十厘米或更细)碎屑。在一定条件下以经常不断的方式顺坡往下滚动,即泻溜,也可在坡脚形成锥状堆积物,此为泻溜锥或堆。

中心微相沉积结构:(1)原岩结构;(2)孔洞结构:原崩塌岩块碎而不散,并具有系列沿原岩结构面的孔隙,有的孔隙则被后期碎屑填充而呈现;(3)填充结构。

边缘微相沉积结构:紧随主体崩塌而下的稍小的碎块,由于中心微相巨砾已堆成锥状地面,再从其面上滚落时已有倾斜面,故速度变慢,已从跳动转为滚动和滑动,故砾石长轴(a轴)出现定向排列。最显著的斜层构造:阿尔卑斯山瑞士境内一著名巨型崩塌体之边缘相(照片814)可以看到非常清晰的斜层构造,而边缘微相层以下之中心微相层中就看不到斜层构造,但中心部分有很大空隙,且巨砾碎而不散(照片812)。

抛掷微相形成过程则,以自由落体和跳动为主。

很难表述崩塌岩块之大小,尤其是作为微相之一的抛掷孤石。在四川峨眉山东坡所见长可达20m,高15m;在广东丹霞山崩塌巨砾常成为景点,长度在20m以上,高也达15m左右。

此外,根据作者对湖南緉山、白垩纪红色砂岩所形成的“丹霞地貌”考察发现砂岩块体边缘会产生卸荷节理(减压节理),并顺节理产生大量巨型崩塌岩块堆积。虽然从宏观上看其堆积体仍不失为“倒石堆”状,但自然坡度角增大,当崩塌岩坡在0.3m以上时,其坡度角增至33°±。当岩块直径在0.5m以上时,则坡度角可达40°以上(照片814)。远大于一般倒石堆自然坡角度31°±。也不见边缘微相,同时,当崩塌岩块直径偏大时,还会造成较多的抛掷微相——单个巨型岩块。如在湖南緉山紫霞峒有著名的砣石(高、宽、长各约30m)以及1976年7月16日在相邻的广西资源由崩塌而形成的雷劈石。在台湾屏东垦丁船帆石就是一个典型的抛掷相石块,它本身是更新世灰岩,来自北侧山头,而其所停留地周围皆为当代新生的珊瑚礁(照片87)。在类似情况下,巨大崩塌岩块还会造成大量堆积型洞穴,如前述緉山紫霞峒长20m,高4—5m。在陕西翠华山、安徽天柱山等花岗岩山,也同样有崩塌岩块形成众多洞穴。而在有崩积岩块所充填的河谷地段还会形成河水潜入地下的崩积地下河(黄进,2011)。

(第三节)陷落柱

地质界、采矿界十分重视陷落柱的研究(王锐,1982;褚志忠,1998;刘子银,2003;尹尚先等,2004,2005;李永军等,2006;岳亚东等,2008)。

垂直方向的塌陷有开放系统和封闭系统之分,封闭系统的陷落柱大多于灰岩区内发育,而在灰岩区也存在另类塌陷——开放式塌陷。典型实例见于广西桂林市郊区的一个人工剖面——公路路堑一侧(图819)。剖面由两层松散层组成,即原漓江的二级阶地的二元结构堆积层,上层是河漫滩沉积——红黄色含沙亚黏土层,下层是河床相红黄色黏土砾石层(照片86)。剖面上可以清晰地看到因垂直塌陷而造出近水平斜交的张性裂隙和近垂直的剪切裂隙,有块状砾石层横在亚黏土层中,最重要的特征是在塌陷壁处可见砾石a轴平行壁面。照片上可以看到从上到下有近十块砾石是定向排列,图819a处生动记录下从上往下塌陷的历程(照片86)。

图819桂林附近一塌陷堆积人工开挖剖面(施雅风等,1989)所示的黏土和砾石层错综分布,顶面为地表在观察中还看到一种红黄色黏土砾石层堆积后的扰动现象和错断现象(图820)。

上述塌陷构造是由于底下石灰岩洞穴崩塌所致。桂林是岩溶特别发育地区,有地下洞穴所致的崩塌必然会对地面物质与地形带来相当影响。当时曾有人认为这一套堆积是冰川堆积,他们用“排他法”选定只有冰川堆积才有可能,因为他们确认这一套堆积不是冲积、洪积、湖积、风积、泥石流堆积……因此,只能是冰碛。他们的认识存在两个问题:其一,应用“排他法”必须把各种成因全都包括进来,再一个个排除,但他们并未能包括进塌陷堆积;其二,他们并不知道冰碛的具体特点。因此应用“排他法”要慎重。

一、基岩开放式和封闭式陷落柱

岩溶陷落柱在我国北方岩溶区广泛分布,具有随机分布的特点,现代陷落柱的隐蔽性和突水量大,对煤矿安全生产及当地人民生活具有很大危害性(李永军等,2006)。

地质界、采矿界的学者也十分重视岩溶陷落柱成因的研究,目前对其形成机理有4种基本观点:膏溶塌陷说、循环塌陷说、重力塌陷说和真空吸蚀塌陷说。

(一)陷落柱外部形态和内部结构

1.形态

据史俊明等(2006)研究,华北岩溶陷落柱在形态、规模和接触面上,既有共同特征,也有各自特点(图821)。

(1)在平面上陷落柱的形态总体呈不规则椭圆形,似圆形,有时可见长条形。

(2)在剖面上大致呈一个截锥形,上小下大,也有中间大,上、下变小的鼓形,较多的是大肚和细颈多次反复出现,形成串珠形态。高度可达百米至数百米(史俊明,2006)。

(3)陷落柱柱体与围岩接触界限明显,接触面呈不规则锯齿状。主要因岩性不同所致,柔性岩层陷落范围较大,向围岩内部凹入,刚性岩层陷落范围较小,向塌陷体内凸出。

(4)柱边围岩产状变化不大,无受力向下弯曲现象,与断层破碎带有明显区别。

(5)由于岩溶陷落柱柱体卸载应力释放,地应力重新分布引起局部应力集中,导致陷落柱的周边和柱顶上部均有2—10m的裂隙发育带,有大量漏水。

2.陷落柱堆积的结构特征

陷落柱堆积物杂乱无章,具杂基结构,不同陷落柱或同一陷落柱的不同部位岩石下移的距离不一,充填物风化程度也有明显差异。陷落柱内的充填物为煤系软性地层的岩块,是岩石脱离原层位崩塌形成的,其陷落堆积体是逐步由下向上发展的。

(1)不同陷落柱由于发育高度不同,原层位围岩岩石下移距离也不同,有的下落200m多,也有的只下移几十米。同一陷落柱的不同部位岩石下落的距离也不一样(图822)。

(2)陷落柱的不同部位充填物的风化程度有明显差异。有的陷落柱充填物均为原状破碎岩石,无风化,基本保持原岩状态。但有些陷落柱内大部分软岩充填物成黏泥和碎屑,已风化,使硬岩裂隙面多被侵蚀并染有黏泥,很多菱铁矿结核被浸染出现溶孔,有的在裂隙中再沉积形成溶滤式小铁矿石。

(3)陷落柱内部充填物有黏泥、煤屑和岩块,且具有磨圆卵石。有时层位越低的岩块越小,磨圆度越好,这与地下水流搬运距离大小有关(图819,图820)。

(4)陷落柱的不同部位裂隙和空洞发育不一,取决于充填物的风化和压实程度。

(二)陷落柱成因分类

1.陷落柱成因及其与断层破碎带的区别

陷落柱发育受地质构造控制。陷落柱是岩溶空洞上覆岩层坍塌的产物。岩溶陷落柱的形成首先取决于岩溶发育程度,而岩溶发育必备可溶性岩层和良好的地下水动力条件。

岩溶陷落柱多发育于向斜地段而不是背斜轴部(岳亚东等,2008)。其主因是:背斜轴部岩层底面受压,地下水流缓慢,岩溶不发育,溶洞空间有限。因此,上覆岩层塌落和塌落岩石的化学溶蚀、机械搬运和破坏活动强度低,且背斜轴部的岩层底面,压性或压扭性断裂裂隙使岩层破碎为“正楔形”(顶大底小的四方柱体)岩块,“正楔形”

不利于岩块整体坠落。而向斜轴部则相反,岩层破坏成“负楔形”,易陷落。所以,岩溶陷落柱的成因是以石灰岩层中地下水的强烈交替、岩溶发育、溶蚀、搬运、塌陷、冒落并周而复始,逐步形成的。

总之,从力学角度考虑,向斜岩层较背斜岩层易于产生陷落柱。另据刘子银(2003)研究陷落柱还有后生和准同生之别,数量以前者为主,而后者是原岩在固结前已发生塌陷并保留原生沉积构造,但柱体边界平缓,与围岩接触处有层间滑动痕迹或被黏土充填,似断层泥,极易被认为是小角度的正断层。实际上,在陷落柱(下面均指后生的)的判别中,很易与断层破碎带混淆,因其岩性也是围岩性质,且围岩长期向柱内方向倾斜,产生围绕柱体的共轭节理,进而伴生小型重力断层。

据研究(李永军等,2006),此类伴生断层多分布在40m范围以内(占98%),柱内及周边裂隙多被泥砂和方解石充填,呈不同程度的压实、胶结状。有时则压实紧密,碎石岩块被紧密胶结在杂基之中,有时杂基中经流水作用的泥砂质较多,若柱体密实则有方解石结晶物充填。

史俊明(2006)比较系统地指出了陷落柱和断层破碎带的区别要领:(1)看其破碎面是否规则,与围岩、煤层交界线的形状;(2)破碎带内充填物的性质和特征;(3)围岩、煤层的产状变化;(4)裂隙发育程度;(5)破碎带内岩块大小、排列情况及形成时代等。