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第67章 崩滑堆积(5)

块体运动的碰撞与分解,在理想状态下的每一次碰撞,总是使分解的小块体获得比撞击前具备更高的速度,这种速度不断向外渐次扩展,以达到速度分异与沉积分异的效果。可以认为,崩滑作用在实际上是因为块体在崩解和滑动过程中,能量在内部升值、传递及削减的过程;崩滑体不用借助搬运介质来维持运动,因其本身既是运动体,也是被搬运体,通过碰撞、分解及摩擦滑动就可以产生能量的转换和传递。这与泥石流、水流、冰川等的运动情况迥然不同,堆积特征也迥然不同。

由于崩滑体运动时有着速度分异,导致崩滑体运动纵向拉长,拉长的崩滑体前缘为速度最快部分,人们从直观上感到其“意想不到”的高速,实际上只是前缘的高速,而非整体的高速,这就是速度分异。一般说来,前部是高速、高能物质带,砾石粒径大;后部是低速、低能带,砾石粒径较小。而崩滑体速度分异的结果就导致了沉积物在纵向上以及横向上的沉积分异。

三、高速崩滑作用的持续效应

在高速崩滑体运动过程中,持速效应主要有:“气垫”效应、滑面润滑效应、触变液化效应及后期泥石流运动效应。前三种效应主要是减少崩滑体运动的摩擦阻力,保持其稳定运动,并未增加其运动能量与速度分异;后一种效应是由于大量的水介质和黏土的加入使碎屑运动发生了质变,由以碰撞分解、滑动为主的碎屑流运动向“浆体”的泥石流运动,致使崩滑体在转化成泥石流之后,其运动距离增加很多。

总之,一般的崩滑有着如下形态和动力特征:体积大(2300km3左右),速度快(30—50m/s),能爬高(120m),弯道超高(30—70m),高差大(400—500m或800—1000m),流程长(3—9km),冲击力强(3000t/m2),具气浪及气垫层(高45—55m),滑动面倾角大(45°—55°)。

崩滑的总体堆积特征:全部为碎屑体,少有块状体,多粗粒,少细粒;巨砾集中于顶部及前端(惯性);中心有台阶状弧形脊及锯齿状舌形体,两侧有堤状脊;孔隙大,沉陷快;中段少或缺失堆积,凹陷多集中于尾端;整体呈舌状体,长达数百米或更大。

(第六节)外星体上的崩滑堆积

在火星和月球上,能够观察到规模巨大的崩滑及滑坡堆积体。与地球上的相比,二者在规模上差别很大,但在动力机制上却有相似之处。人们想到应用行星地质学的“声波液化”学说成果来研究外星体上的崩滑(Baerbel,1979;Shalleretal,1994)。

利用“声波液化”学说可以解释月球和火星上环形坑的崩塌现象。人们早就观察到,月球上巨大的环形坑内经常发生重力崩塌。但令人不解的是,这种巨型环形坑的直径可以达到15km以上,可是其内侧坡面的平均坡度只及20°,比碎屑堆积体的休止角要小,这说明环形坑边缘拱曲内部的静止剪切角远比20°小,崩塌是必然要发生的。

该学说还认为,崩滑体内声波的传播可以降低碎屑的屈服应力,从而使碎屑在较小的剪切力作用下就能液化。“声波液化”学说还认为崩滑体底部有一特殊薄层,里面集中了大部分剪切力和声场能量,有大部分块体就在这个特殊的薄层上滑动,这种成层的滑动,较好地解释了为什么崩滑堆积区和物源区有着相同的层次关系,而这种层次结构,可能就是识别崩滑堆积的有效标志(Baerbel,1979;Melosh,1987)。

环形坑是陨石撞击月球表面留下的痕迹,陨石猛烈地撞击其表面时产生的冲击波会在其表面挖出一个规模相当的环形坑。同时,在陨石坑边缘物质丰富处会发生泥石流,和地球上一样形成缓坡状的泥石流堆积。人们猜测这些堆积物中,残留有很强的冲击波场,储存了一部分剩余的能量,正是这部分残余声场诱发了环形坑大规模的滑坡。声场的“复活”,不仅使碎屑物液化,还大大降低了内摩擦角,致使边坡失去重心而滑动。

同样,在火星上的许多大型崩滑和滑坡现象,也是基于“声波液化”原理,其运动根本不需要水或大气来起润滑作用。

地球上发生的崩滑作用,在其整个运动过程中,搬运营力为重力场,搬运介质就是崩塌体本身。岩石块体在运动过程中,受重力而分选,粗大块体一般集中在下部。但是,对于火星、月球上的巨型崩塌,情况就要复杂得多,其崩塌体的运动形式和堆积形态与地球上的小型崩塌体之间,存在着不少差异(Baerbel,1979)。

一、火星崩滑的发生条件与堆积形态特征

在太阳系的八大行星中,火星是除去地球之外崩塌、崩滑最为发育的一个星体。火星上的崩塌和崩滑主要发生在被称之为火星峡谷(VallesMarineris)的谷壁上。火星峡谷是一次大断层活动形成的巨大峡谷体系。此峡谷位于火星赤道上,介于西经30°—100°,沿着Tharis高原东翼上的一个广阔的脊状隆起的顶部,东西延伸有4000km,最大宽度达到700km。火星上由于没有流水侵蚀作用,峡谷边界上竟然保持有高达7000m的陡崖,谷壁的应力积累致使其极不稳定,一次轻微的火星震或岩浆喷发都可能诱发规模庞大的崩塌与崩滑。2008年美国宇航局(NASA)曾发布一张火星北极附近正在发生的山崩的照片,这是首次人类拍摄到的火星上的山崩现象。据分析这些山崩物质是由冰层和尘埃构成。可能前者比例更大。

Baerbel根据对“海盗号”和“水手号”探测器发回大量有关照片的研究后,将火星崩塌分为三种类型:(1)自由崩塌型(unconfinedlandslides):指崩塌岩块经重力搬运,堆积在开阔的谷底;(2)约束崩塌型(confindlandslides):指峡谷底部狭窄地段的崩塌,搬运中的崩塌岩块前端受到谷壁的阻挡才停止下来;(3)部分约束崩塌型(partlyconfinedlandslides):介于前述二者之间的崩滑,发生地点往往是峡谷宽窄相连处。

火星上的大型崩滑,从上部往山脚分布有下列地貌单元:崩滑环壁、崩滑岩块(slunbblocks)和横向岭脊与裙状堆积体三个主体部分。

崩滑环壁:峡谷后壁因不断崩滑而逐渐后退,由此形成高大的崩滑环壁。

崩滑岩块:是由大型岩块组成,其块体来自于峡谷后壁的上部,有时甚至是整个火山口,主要分布在崩塌体的上端,局部则深填在峡谷之中。大部分崩滑岩块可能是覆盖在高原面上的、抗侵蚀的熔岩盖层破裂而来,不同时期的滑移岩块形成块体序列,代表峡谷壁的连续后退。

横向岭脊与裙状堆积体:脊状堆积物来自于峡谷后壁下部不太坚固的岩层。横向岭脊出现在崩滑块体的下面,整个堆积体的末端;这些岭脊基本上是平行的,其外形比较规则,顶部一律尖耸,崩滑体则分布于裙状堆积物的下部(toeofapron)遭受障碍物阻挡处。加利福尼亚的Blackhawk大崩塌也有类似的形态。

具有纵向沟槽构造(又称条带构造)的裙状体是另一种主要的崩滑堆积单元。在自由崩塌型中,巨大的裙状体位于横向岭脊的下部,裙状体很薄,分布于其上的沟槽一般呈扇面状,宽度变化在100—500m。对沟槽的成因解释是:岩石碎块(rockdebris)在运动过程中因为速度差异引起的剪切作用与物质成分之间的差异(图919)。

许多小型崩滑延伸数千米,但面积一般小于250km2,分布在紧靠深海槽壁下部,没有明显的山崩陡崖(巨型崩塌则有高大的陡崖环壁)。其裙状体比较光滑,缺少纵向沟槽。

在崩滑堆积体之间的峡谷形态,比较单调,仅呈波状、条纹状和岭脊状几种地貌形态,个别地方偶尔出现不规则的洼地,可能是由于地下冰融水形成的热融洼地。

二、火星崩滑与地球崩滑的比较火星崩滑的堆积形态,从总体上说与地球崩滑的形式极为相似:最上部为形成区——崩塌陡壁,中间为搬运区,下部则为堆积区。但是,仍然存在以下差别。

1.规模

火星山崩的规模比地球山崩的规模大得多。最大的一个火星崩塌从其顶端到末端,延伸了100km,崩塌体的体积也庞大得多(图920)。

火星崩滑规模之所以如此巨大,主要原因就在于这里缺乏流水和风的侵蚀作用,因构造运动形成数千米高的、不稳定的陡崖,可以保持原状。一旦失去重心而崩滑,大量岩块就会借助其势能,从数千米的高处坠落而下,其规模难以估算。相对而言,地球上的陡崖在形成的同时,就会立即遭受风化和流水侵蚀,而比邻的低地则被充填,相对高差会显著降低,崩滑的规模必然就小。

2.形态

火星峡谷区的崩滑堆积形态基本相似,但由于峡谷的宽度以及谷底粗糙程度等不同,从而导致出现一些差异,如火星崩滑就发育有纵向沟槽。

3.摩擦系数

从体积—摩擦系数关系可知,火星崩滑的摩擦系数很低。摩擦系数是崩滑体垂直运动距离与水平移动距离的比值,即f=H/L=fga。一般来说,地球上崩滑的摩擦系数为0.5,而火星上大型崩滑的摩擦系数却只有百分之几。地球上的几个大型崩滑就表现出这个特点,而且都存在随着崩滑体的体积增大而减小的趋势。

三、火星崩滑的形成与搬运机制

火星崩塌的形成与搬运机制,可分为两个方面。

1.崩滑形成的机制

由于火星峡谷的谷壁高达7km,坡度在20°—30°,很容易失去稳定性而导致崩塌;反观月球,虽然也有类似的高大悬崖,但却没有火星如此发育的崩滑。基于这种差别,人们对此提出一种假说,认为峡谷谷壁的下部,是由一种弱固结的物质(角砾岩)组成,同时角砾岩还被固态水所饱和,而峡谷谷壁的上部,则覆盖着坚硬的火山熔岩。这种上硬下软的谷壁必然更加处于不稳定的状态之中,一次极为轻微的火星震(Mar squake)或者火山喷发引起的震动,都有可能诱发谷壁崩滑。这就使得下部谷壁中的结合键被打破,从而塑性化。被塑性化后的下部谷壁,就以碎屑流或泥流(mudflow)的形式猛烈冲出,形成碎屑裙状体,倘若谷底已有突起的山脊,碎屑流或泥流则漫过这些山脊,形成舌状体(lobes)。舌状体组成物质粒度较小,表面光滑,位于自由型或部分约束型崩滑裙状体的下部,并与之连结在一起。碎屑流以极高的速度运动,由于剪切作用形成纵向沟槽构造,如果受障碍物的阻拦,则形成横向岭脊构造。

峡谷壁上部的熔岩盖层,由于谷壁下部失去稳定性而塌落,熔岩层下坠,形成滑移岩块,但岩块块体巨大,移动不远,就堆积在碎屑裙的上部。

2.搬运的力学机制

对于火星崩滑这种现象,目前还没有很确切的解释,但还是提出了几种假说,如:

(1)空气“气垫”说;(2)俘获空气流体化说;(3)蒸汽流体化说;(4)声波液化说等。

这些假说全部是为了解释崩滑体的流动性而提出来的,实际可以归纳为两类:一类是润滑说,是把崩滑体看成受地心引力控制的牛顿体;另一类则是流体化说,认为崩滑体的运动属于非牛顿体的运动。比较而言,流体化说代表一种较新的观点,能够较好地解释一些观察到的现象。

流体化说,认为山体崩滑岩块在坠落过程中,各个岩块之间保持着联系,在运动时彼此很少碰撞(内摩擦阻力小)。块体的重量是由随机运动的碎屑支撑的,碎屑的随机运动是以一种弹性波(clasticwaves)的群体运动形式进行着,所以各部分的动量不是依靠碰撞来传递,而是以波状的形式在传递。剪切应力集中在碎屑流的底部,上部则表现出层流的性质。这样就使能量损失缓慢,以至于使碎屑流运动达到很远的距离(Melosh,1986,1987)。

但是,要形成这样的波场,必须具备两个条件:一是碎屑开始运动之时,储备有巨大的潜能,这就可以解释为什么大型崩滑摩擦系数很小的原因;二是碎屑在运动中受到的摩擦阻力要小,能够保证波能(aconsticenergy)的缓慢消失。应该明白,崩滑块体运动中的摩擦阻力受以下三点控制:(1)崩塌体的岩石性质,如岩性、胶结状况等;(2)滑移界面的性质,如地面起伏程度、软硬程度及粗糙度等;(3)内部润滑因素是否存在。

火星峡谷地面是比较光滑的,因为它可能是熔岩高原面的陷落,也可能是低温冻结,所以摩擦系数偏小,崩滑运动的距离则偏远。火星上的崩滑,是塑造峡谷区代表形态的重要外力。地球上的阿拉斯加Sherman山崩,也因其滑过的下垫面是冰川表面,所以表现出摩擦系数很小和具有纵向沟槽以及裙状体的特性。此外,火星上大气相当稀薄,只有7.5mb,月球上则没有大气,所以崩滑体运动时空气阻力几乎可以不计,这也是崩滑体运动距离很远的一个原因。

从以上的分析可知,由于火星与月球上外力作用的形式和强度都与地球有极大的差别,总体上看,崩滑过程在许多方面都存在着极大的差异。但是,大型崩滑(或称滑塌)则表现出相当程度的相似性,即水平搬运距离都很长,对于这种现象比较完整的解释就是将流变理论用于崩滑现象之中的“波液化”假说。总之,目前我们对外星体的相关情况了解太少,各种说法皆为推测。随着空间科学研究的发展,会有真正的了解从而远离推测。