砒砂岩风化速率及其主要影响因素分析.pdf

收稿日期：基金项目：国家重点研发计划项目（）；国家自然科学基金资助项目（）；水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室开放课题（）作者简介：高文浩（），男，山西大同人，硕士研究生，研究方向为生态水文 通信作者：付金霞（），女，甘肃靖远人，副教授，博士，硕士生导师，研究方向为气候变化、土地利用覆被变化与土壤侵蚀：【水土保持】砒砂岩风化速率及其主要影响因素分析高文浩，付金霞，张宝利，吴 娟，杨玉春，杨香云（西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌）摘 要：为揭示黄河中游多沙粗沙区砒砂岩的风化速率及其主要影响因素，在内蒙古自治区准格尔旗境内的二老虎沟小流域选取红色和灰白色砒砂岩原岩试样（试块）各 个，采取完全裸露、防雨、防风防雨 种处理方式，对各试样形态变化及风化剥蚀量进行了近 的持续观测，按风化剥蚀量占试样初始质量的比例计算风化速率，并分析砒砂岩风化速率的主要影响因素及其贡献率，结果表明：在完全裸露的自然状态下，灰白色砒砂岩风化速率大于红色砒砂岩风化速率，二者的年均风化速率分别为、；降水、风力、冻融对灰白色砒砂岩风化的贡献率分别为、，对红色砒砂岩风化的贡献率分别为、，降水对砒砂岩风化速率的影响显著大于风力和冻融的；降水、风力、冻融 种风化营力交替作用或叠加作用加速了砒砂岩的风化。关键词：砒砂岩；风化速率；风化营力；降水；风力；冻融；贡献率中图分类号：文献标志码：引用格式：高文浩，付金霞，张宝利，等砒砂岩风化速率及其主要影响因素分析人民黄河，（）：，（，）：，（），：；分布于黄河中游多沙粗沙区的砒砂岩在降水、风力、冻融、重力等多侵蚀营力复合作用下，极易发生风化剥蚀，遇水如泥、遇风成砂、冻融崩解，土壤侵蚀剧烈。近年来，众多学者对砒砂岩物理特征、物质组成、岩性特征、侵蚀特征等进行了室内外试验研究，但对砒砂岩原岩风化速率及其驱动因素（降水、风力、冻融作用）的研究较少。笔者对原状砒砂岩试块在完全裸露、防雨、防风防雨 种情况下的风化速率进行了试验研究，以期为砒砂岩区水土流失治理及相关研究提供参考。第 卷第 期 人 民 黄 河 ，年 月 ，材料与方法 采样区概况于 年 月 日在内蒙古自治区准格尔旗暖水乡境内的二老虎沟小流域选取红色、灰白色砒砂岩原岩试样（试块）各 个。该小流域是黄河一级支流皇甫川流域内的一条支沟，属大陆性季风气候区，年降水量约，主要集中于 月；日温差最大达 ，冬季最低气温达，夏季最高气温可达 ，月次年 月为封冻期（最大冻土深度 ）；大风主要集中在 月和 月，以西北风为主，风力强劲。砒砂岩受不同季节干湿变化、冷热变化、冻融作用和风沙作用的影响，极易发生风化剥蚀。试验概况将 个砒砂岩试样分别放置于铁盘中，对 个红色砒砂岩试样和 个灰白色砒砂岩试样分别按防雨、防风防雨、完全裸露 种处理方式进行风化速率试验（见表），其中：号、号试样进行防雨处理，即样本上方有遮雨棚，该组试样不受降雨影响但受风力和冻融作用的影响；号、号试样进行防风防雨处理，样本被白铁皮箱完全扣住（处于全封闭状态），不受降雨和风力的影响，仅受温度变化引起的冻融作用影响；号、号试样完全裸露在自然环境中，受干湿变化、冷热变化、冻融作用、风力作用的复合影响。试验于 年 月 日开始、年 月 日结束，通过拍照观察试样形态的变化情况，通过称重分析试样风化速率，试验期间对试样进行了 次拍照和称重（时间分别为 年 月 日、月 日、月 日、月 日，年 月 日、月 日、月 日，年 月 日、月 日）。表 试样概况及处理方式试样编号试样颜色初始质量 处理方式灰白色防雨红色防雨灰白色防风防雨红色防风防雨灰白色完全裸露红色完全裸露 试样风化速率计算方法参考有关研究，采用质量平衡法计算试样风化速率，即基于 个砒砂岩试样初始质量与试验期间称重所得质量之差（风化剥蚀量），计算不同时段的风化剥蚀量及风化速率。如前所述，号、号试样仅受温度变化引起的冻融作用影响，号、号试样受到风力和冻融作用的影响，号、号试样受降水、风力、冻融作用影响。以 号试样的风化速率（冻融风化速率）为基准，号试样风化速率与 号试样风化速率之差即为风力因素对灰白色砒砂岩的风化速率，号试样风化速率与 号试样风化速率之差即为降水因素对灰白色砒砂岩的风化速率；同理，以 号试样的风化速率（冻融风化速率）为基准，号试样风化速率与 号试样风化速率之差即为风力因素对红色砒砂岩的风化速率，号试样风化速率与 号试样风化速率之差即为降水因素对红色砒砂岩的风化速率。结果与分析 风化剥蚀量及风化速率各试样在试验期初（年 月 日）、期末（年 月 日）的形态见表，在不同时段的风化剥蚀量见表。表 各试样在试验期初、期末的形态试样编号期初期末人 民 黄 河 年第 期表 各试样在不同时段的风化剥蚀量时段编号起止日期各试样风化剥蚀量 号 号 号 号 号 号合计 由表、表 可知，研究期 个试样的形态变化和风化剥蚀量差异很大：完全裸露的 号、号试样形态变化最大、风化最为严重，号试样的风化剥蚀量达（占初始质量的），号试样的风化剥蚀量为 （占初始质量的）；防风防雨处理的 号、号试样形态基本无变化、风化程度最轻，风化剥蚀量分别为 （占初始质量的）、（占初始质量的）；防雨处理的 号、号试样形态变化、风化程度介于完全裸露试样和防风防雨试样之间，号试样风化剥蚀量为 （占初始质量的），号试样风化剥蚀量为（占初始质量的）。从 个试样的风化程度综合而言，灰白色砒砂岩试样红色砒砂岩试样，完全裸露砒砂岩试样防雨处理砒砂岩试样防风防雨处理砒砂岩试样，各种风化营力交替或叠加作用效应明显。依据试验期（年 月 日 年 月 日，按 计）各试样风化剥蚀量推算的年均风化剥蚀量和风化速率（年风化剥蚀量占初始质量的比例）见表。表 各试样年均风化剥蚀量和风化速率试样编号初始质量风化剥蚀量 试验期年均年均风化速率 由表 可知，在相同处理情况下灰白色砒砂岩试样风化速率大于红色砒砂岩试样风化速率：防风防雨处理试样的风化速率，号试样大于 号试样；防雨处理试样的风化速率，号试样大于 号试样；完全裸露试样的风化速率，号试样大于 号试样。完全裸露试样（号、号试样）的风化速率显著高于段雷等研究所得广东、江西、重庆、四川、山东、黑龙江等地玄武岩、花岗岩等岩石（下文称为其他岩石）的风化速率（灰白色砒砂岩风化速率是其他岩石风化速率的 倍，红色砒砂岩风化速率是其他岩石风化速率的 倍）。砒砂岩风化影响因素 岩性和矿物组成的影响岩性是影响其风化速率的内因。砒砂岩中蒙脱石含量较大（平均含量为，不同颜色砒砂岩中蒙脱石含量有所不同），蒙脱石具有吸水膨胀（遇水膨胀后体积可增大）、失水收缩等特性，导致了砒砂岩的易风化脆弱性。有关学者研究表明，砒砂岩遇水后易发生崩塌现象，与本试验观察的情况相符。此外，砒砂岩颗粒胶结差、结构强度低、抗蚀性差，在极端气候条件下风化更为剧烈。外部风化营力的影响由前述不同处理试样风化速率存在显著差异可知，砒砂岩风化速率除受岩性影响外，还受冻融、风力、降水等外部风化营力的交替或叠加影响。冻融使砒砂岩胀缩交替，造成岩体结构破坏、表层破碎脱落；风的吹蚀改变表层松散物的粒度组成，而挟沙风的撞击、磨蚀进一步加剧岩体表面结构的破坏；砒砂岩遇水成泥的特性使其在受到雨滴击溅和雨水浸泡后迅速溃散。）试验期降水、气温、风速变化情况。研究区在试验期每年 月、月降水极少，降水主要集中在 月（年、年 月降水量分别为、，分别占年降水量的、；年 月降水量为 ），因此 月是砒砂岩降水风化的高峰期。研究区每年 月平均气温在 以上，月次年 月平均气温在 以下，岩土从 月开始进入冷冻期、于次年 月缓缓解冻，月冻融作用强烈（年、年、年 月冻融交替日数分别为、）、是砒砂岩冻融风化的高峰期。研究区起沙风速为 ，月是大风的高峰期，月均风速为 （其人 民 黄 河 年第 期他月份平均风速小于 ），年、年、年 月出现风速 的天数分别为、，出现风速 的天数分别为、，因此 月是砒砂岩风力风化的高峰期。）种外部风化营力的贡献率。基于各试样年均风化速率（表），按照前述方法计算 种外部风化营力（冻融、风力和降水）造成的风化速率及贡献率，结果见表；基于各时段风化剥蚀量（表），按照前述方法计算的 种外部风化营力在不同时段对砒砂岩风化的贡献率见表。由表、表 可知，降水对砒砂岩风化速率的影响显著大于风力和冻融的，风力与冻融对砒砂岩风化速率的影响接近（二者对红色、灰白色砒砂岩的风化速率有一定差异，有待进一步研究），降水、风力、冻融 种风化营力交替作用或叠加作用加速了砒砂岩的风化。表 外部风化营力造成的风化速率及贡献率营力年均风化速率（）灰白色砒砂岩红色砒砂岩贡献率 灰白色砒砂岩红色砒砂岩冻融风力降水合计表 冻融、风力和降水对砒砂岩风化的贡献率时段编号贡献率 灰白色砒砂岩冻融风力降水红色砒砂岩冻融风力降水 结论在完全裸露的自然状态下，灰白色砒砂岩风化速率大于红色砒砂岩风化速率，按试样质量计算的年均风化速率分别为、；降水、风力、冻融对灰白色砒砂岩风化的贡献率分别为、和，对红色砒砂岩风化的贡献率分别为、，降水对砒砂岩风化速率的影响显著大于风力和冻融的；降水、风力、冻融 种风化营力交替作用或叠加作用加速了砒砂岩的风化。参考文献：姚文艺，李长明，张攀，等砒砂岩侵蚀机理研究与展望人民黄河，（）：，叶浩，石建省，侯宏冰，等内蒙古南部砒砂岩岩性特征对重力侵蚀的影响干旱区研究，（）：刘慧，时明立，蔡怀森，等砒砂岩侵蚀的物理特性试验研究人民黄河，（）：白杭改，明晓冉，刘立，等暖水乡砒砂岩地球化学分类类型与物源区特征人民黄河，（）：，伍艳，杨忠芳，刘慧，等砒砂岩物质组成及其对养分含量的影响人民黄河，（）：，梁止水，杨才千，吴智仁 与砒砂岩固结体力学性能研究人民黄河，（）：叶浩，石建省，李向全，等砒砂岩岩性特征对抗侵蚀性影响分析地球学报，（）：付金霞，王静，张宝利，等砒砂岩原状坡面不同季节复合侵蚀动力的贡献研究农业工程学报，（）：乔贝，张磊，冯伟风，等砒砂岩区典型坡面稳定特征及空间组合结构人民黄河，（）：毕慈芬，王富贵砒砂岩地区土壤侵蚀的基本特征及侵蚀机理研究 全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文集北京：中国水利学会，：王强恒，孙旭，刘昀，等室内模拟水岩作用对砒砂岩风化侵蚀的影响人民黄河，（）：，（）：段雷，郝吉明，叶雪梅，等中国土壤风化速率研究环境科学学报，（增刊）：叶浩，石建省，王贵玲，等砒砂岩化学成分特征对重力侵蚀的影响水文地质工程地质，（）：刘立，白杭改，刘娜，等洪水型季节性河流砂岩中碎屑黏土的岩石学特征及其研究意义吉林大学学报（地球科学版），（）：潘兆橹结晶学及矿物学北京：地质出版社，：石迎春，叶浩，侯宏冰，等内蒙古南部砒砂岩侵蚀内因分析地球学报，（）：伍光和，王乃昂，胡双熙，等自然地理学 版北京：高等教育出版社，：【责任编辑 张智民】人 民 黄 河 年第 期