书城自然科学混杂堆积与环境
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第60章 崩塌堆积和塌陷堆积(2)

垂向分布上,长白山发育的倒石堆具有多层性,自南向北倒石堆从一层过渡到三层。在瀑布以南通天河两侧,只发育一层倒石堆,基底海拔2050m左右。从瀑布到温泉,分布两层倒石堆,基底海拔1900m左右。下层倒石堆规模较大,高度接近百米,上层规模较小,高度为几米到十几米。温泉以北到冰场倒石堆分为三层,下层的高度40—50m,中层高度20—30m,上层的高度只有几米。

长白山倒石堆的发育代表是中纬度中山寒温带的环境条件,与纬度相近的高大山系——天山的倒石堆发育相比,更显示倒石堆的地带性特征。

(二)实例二:天山的倒石堆

在有现代冰川发育的天山山区,也有大量崩塌产生的倒石堆,规模超过长白山,因环境之差异,同样也出现与长白山不同的堆积特点和演化过程,代表的是中纬度高山的发育类型。其环境特点是寒冻风化强烈,零度上下波动的时间几乎可跨越全年(图813)。

乌鲁木齐河源区位于天山中部喀拉乌成山主脉北坡(43°00′—43°08′N,86°48′—87°00′E)。区内一般山脊海拔4100—4300m,现代雪线海拔4000—4100m,多年冻土下界海拔3200—3300m,海拔3000m以上负温季节长达七八个月。基岩主要是经多次变质的结晶片岩、眼球状片麻岩和闪长岩、花岗岩,受南北向区域性挤压力影响,断裂发育。基岩在寒冻风化作用下极易崩解成风化岩屑。这为冰缘环境下块体运动的发生提供了极为丰富的物质基础。倒石堆更是块体运动的一种重要类型。

1.倒石堆的类型与碎屑特征

据朱诚等研究(1988),在天山3000m以上的倒石堆是由重力、雨水冲刷、冰雪融水或雪崩作用而形成于陡坡坡麓的岩屑堆积体。影响因素较长白山复杂,鉴于形成过程和形态的不同,倒石堆也有多种类型。怀特曾根据他对科罗拉多前缘山脉倒石堆的长期研究成果及其他学者在瑞典和加拿大等地的长期研究成果,将高山区倒石堆分为五类,即落石型倒石堆(rockfalltalus)、冲积型倒石堆(又叫冲积锥,alluvialtalusorscree)、雪崩倒石堆(avalancheta1us)、雪崩石舌(avalanchebouldertongue)和倒石堆前缘堤(protalusrampart)。本区倒石堆主要有怀特分类中的落石型倒石堆(40余处)、冲积型倒石堆(10余处)及倒石堆前缘堤(仅1处可见,且已演变成石冰川)(朱诚等,1988)。

(1)落石型倒石堆。

它是以落石、滚石或滑塌等方式形成于陡坡坡麓的岩屑堆积体。当石块落下并破裂后,受重力影响,细小岩屑多处于倒石堆顶部,粗大岩屑则可能滚到坡麓成为抛掷亚相。此类倒石堆的坡度为35°—45°,纵剖面较顺直,仅在坡麓处有微凹状,几乎无植被生长。区内落石型倒石堆主要分布于较陡的北坡或半阴坡坡簏(照片81)。

(2)冲积型倒石堆(即冲积锥)。

它是冰雪融水对悬崖谷壁冲刷而形成于崖壁下的岩屑堆积体。与落石型倒石堆相反,在坡面流水作用下,粗大岩屑集中于倒石堆顶部,而细小岩屑集中在坡麓。此类倒石堆的上部坡度为35°—38°,但下部常大于28°,整个坡面呈下凹型,在细小堆积体上可有植被生长。在经历较长融雪期后,可生成泥流和泥石流。两者可将大小不一的岩屑搬运至倒石堆前缘。泥石流破坏了覆盖的植被而使后者呈条形分布于倒石堆体上。这有助于对此类倒石堆的识别。区内冲积型倒石堆主要分布在有悬冰川发育的空冰斗后壁及天山5号冰川下方。在云南香格里拉山区,因雨水条件较好,冲积锥型倒石堆更为发育,其特点是冲积锥锥体上有众多流水槽,槽末端有小型舌状体,其他与倒石堆类似。

实际倒石堆上也有水的作用,多半是因颗粒粗大,水大多渗入,表面流水作用不显,而冲积锥则组成物质较细,流水作用有所显现。

(3)倒石堆前缘堤。

它是由悬崖上方或较陡岩石坡上单一的落石堆积而成,块石从雪斑面上滑落在雪斑下方,并在雪斑消融后构成沿谷壁呈弧线状展布的堤状堆积体。此类堆积体的前缘较陡,坡度40°—50°。与其他两类倒石堆的主要区别在于,它的顶部有雪斑消融后遗留下来的较大洼地和明显的反倾坡(8°—17°)。区内此类倒石堆仅分布于海拔3600m的大西沟南侧冰蚀三角面下。在阿尔泰山喀纳斯湖出口以西不远的山坡下也有典型表现。

而天山研究区的倒石堆前缘堤已演变为典型的叶状石冰川(即宽度大于长度的石冰川)。其长约70m,宽约120m,高约40m;前缘坡度上部60°,下部34°。

2.倒石堆的组构特点

砾石组构分析是揭示粗粒碎屑沉积物构造特征、搬运性质成因和沉积方式的重要手段之一。作者在海拔3600m的大西沟北坡和南侧分别量测了落石型倒石堆、冲积型倒石堆及倒石堆前缘堤的组构(图814,图815)。对前述倒石堆分别量测砾石各100块,所测数据在室内采用砾向组构的矢量计算方法作了统计,并进行了计算机数据处理。

由野外观察和数据处理结果得知:

(1)落石型和冲积型两类倒石堆的ab面倾向与堆积面坡向较为一致。前者的倾向与坡向相差在30°以内,后者大多在30°—40°。这反映两类倒石堆主要是在重力作用下产生的。统计所得的离散度:前者为0.14,后者为0.20;ab面倾向有一个主密部:前者最大密度为24%,后者为18%。这些数据表明,落石型倒石堆与冲积型倒石堆相比,ab面主倾向更具优势,在搬运沉积中受重力控制更显著。

(2)落石型和冲积型两类倒石堆的a轴倾向差异较大。前者的a轴倾向与堆积面坡向较一致,a轴倾向仅有一个主密部,最大密度为26%。后者的a轴倾向较分散,一般与沉积面坡向相差达100°—200°,主密部不明显(由锥形沉积面影响所致),最大密度仅为5%。统计所得的离散度:前者为0.28,后者为0.44;前者岩屑多为棱角状且长轴多与坡向平行,后者多为次棱角状且长轴多与坡向近乎垂直(由流水搬运之故)。这表明两类倒石堆的成因不尽相同。

(3)倒石堆前缘堤的特征表现在:

(1)除有一与总流向一致的总堆积面外,还有东西两坡、前缘坡顶反倾坡等不同堆积面。

(2)ab面倾向与堆积面坡向较为一致,但存在不同堆积面间的差异:具反倾坡的前缘坡顶的ab面倾向、a轴倾向与堆积面坡向间有一约30°的夹角。这是由石冰川形成后其内部含冰冻结层蠕动对表层物质的拖曳影响,从而使得前缘顶部反倾坡岩屑出现不规则逆向滚动和滑动所致。

(3)各处的ab面倾向主密部最大密度在16%—22%,离散度为0.20—0.38;a轴最大密度为7%—14%,离散度为0.33—0.56。由此表明,ab面与a轴相比,倾向更明显,定向性更强。

(4)一旦倒石堆前缘堤向石冰川转化后,便呈现与一般倒石堆完全不同的砾石组构特征。这就是内部含冰冻结层的蠕动作用对石冰川的形态和组构起着控制作用,由此而反映了由倒石堆前缘堤演变成的石冰川表层岩屑的运动方向,即岩屑自谷壁向外并垂直于石冰川表面等高线方向流动。

3.倒石堆的运动与堆积特征

(1)落石型和冲积型两类倒石堆的运动特征。

1985年夏,作者在天山胜利达坂南坡废弃公路一侧落石型倒石堆前缘(阳坡,坡向SW15°,坡度36°),打下0.5m长的木桩3根,1986年夏观测到倒石堆前缘落石处已超出木桩100.0cm,可见倒石堆运动之迅速。

1986年又分别在天山空冰斗后壁(阳坡,坡向SE38°,坡度36°)和胜利达坂北坡(阴坡,坡向NW15°,坡度35°)用基岩控制点、细钢钎和涂漆剖面线观测冲积型倒石堆运动。两个月后发现,南坡平均向下运动速度0.4cm/d(最大1.4cm/d,最小0.1cm/d),北坡平均向下运动速度0.2cm/d(最大0.4cm/d,最小0.04cm/d)。如果按年度推算,南坡岩屑运动速度146.0cm/a,北坡平均73.0cm/a。

在天山乌鲁木齐河源4号冰川西侧废弃公路处,作者还观测了落石型倒石堆在不同坡向的卸载量。在半阴坡(坡向NE65°),由于气温在0℃左右波动的频率较小,寒冻风化作用较弱,风化碎屑物质来源较少,故与阳坡相比,倒石堆卸载量较少。挖坑观测25a来废弃路段的倒石堆卸载量表明,废弃公路挡墙根处的岩屑堆积厚仅5.0cm;废弃公路的半阳坡(坡向SW15°)处岩屑堆积厚达31.5cm,且岩屑平均粒径较大。由此可见,阳坡与阴坡相比,倒石堆卸载量多5倍以上。

就1985—1986年度观测而言,本区落石型和冲积型两类倒石堆的运动速度比国外某些地区倒石堆运动速度要快,如加拿大落基山脉的倒石堆运动速度为6—111cm/a,挪威北部为22cm/a,科罗拉多前缘山脉为8—10cm/a(Washburn,1979)。倒石堆的运动往往具有突然性,如在突然推力作用下的落石型倒石堆位移和运动极迅速,且运动速度随时间推移而有不同:科罗拉多前缘山脉一落石型倒石堆曾停止运动达8a之久,但3a后又突然活动,位移量达10cm/a。这说明倒石堆运动具有不规则性,因此短期观测的运动速度不一定能准确反映真实情况。故此项观测应能长期开展,以获得更可靠的资料。

(2)倒石堆前缘堤的运动特征。

1985年夏,作者用观测冲积型倒石堆运动的相同方法,在倒石堆前缘堤两侧基岩上建立控制点,在控制点间的涂漆剖面线上共标定37块大砾石,1a后发现有13块砾石向前移动,平均前移11.2cm。其中第20石块(石英片岩块尺寸为70cm×60cm×45cm)向前翻动158.0cm,两块巨砾(第17、18号)则分别后退4.5cm和1.0cm。在前缘坡上共标定100块砾石,其中36块已发生不等量位移。有趣的是,位移最快的岩屑位于前缘坡中部,即前缘坡顶到坡麓的第21—70号砾石垂直位移量200.0—400.0cm,水平位移量150.0—300.0cm。经分析认为,这是在重力和坡度影响下,倒石堆前缘堤内含冰冻结层朝前蠕动的速度大于上部松散层和底部冻结层的移动速度之故。

(3)倒石堆的堆积特征。

总的来说,本区倒石堆数量以落石型倒石堆占优势,冲积型次之。各类倒石堆之间的最主要区别特征是粒度级配的分布、条状的植被以及表面有无作为倒石堆前缘堤标志的较大洼地和明显的反倾坡。

可见天山及阿尔泰山等高寒山地的倒石堆发育与长白山或其较低山地相比有了更多的冻融作用过程。它们可以演化成石冰川等冰缘形态,美国科罗拉多山也有此情况。天山大西沟3600m处冰蚀三角面下的2号石冰川就是由倒石堆前缘堤演化而来的,十分典型,其前半部实际上就是原有的倒石堆前缘堤逐步演变的产物。

天山乌鲁木齐河上游大西沟源头还有一种特殊成因的倒石堆——冰成型倒石堆。冰成型倒石堆由悬冰川消融出来的冰碛物堆积而成。这类倒石堆由于有较大规模的冲刷槽和小型舌状碎屑堆积体,较易与其他类型的倒石堆相区别,由于碎屑主要来自冰碛物,细碎屑含量较高,剖面中可见粗砾和细砾组成的斜层构造。

将本区各类倒石堆的特点和区别标志归纳为表89作为小结。倒石堆的堆积特征则归纳为图816,由于崩塌—倒石堆实际上也是一种坡积过程,故顺原始层面造成的斜层构造最普遍,只不过在不同条件下坡度有些差别,多数介于∠30°—∠50°。同时,由于源区碎屑来源粗细的变化以及坡面动力的变化,还可形成另两种比较特别的堆积构造。其一是,偶有大石块停积于坡面,则由于其对后续碎屑沿坡运动的阻挡作用而形成障碍透镜体在剖面中很醒目;其二,巨砾团块构造。类似的情况也会在冰碛物中出现,即巨砾因重力作用向“锥”或“堆”的彼此衔接处,即相对低洼处集中,构成块石团块。

(三)实例三:挪威山地的倒石堆

高纬山地崩塌堆积——倒石堆(岩屑锥)则以Bickerton等(1992,1993)报道的例子最能说明倒石堆形成的详细过程和速率。

挪威西部Bergetdalen地区自1750—1775年在冰退区形成了3个倒石堆(debriscones)。其中两个堆积时间超过108—215a,另一个超过57—108a。由于上部源区补给物质耗尽,3个岩屑锥在1965年前后明显地停止了发育。3个锥的碎屑量从9500m3到403600m3不等,表明其平均沉积速率为8—44mm/a,源地平均侵蚀速率为37—93mm/a。雪崩是最大一个碎屑锥搬运的主要过程。也有冰上泥石流形成的冰川流碛的再作用,表明倒石堆在冰退的100—200a内可以形成,也意味着晚更新世的许多类冰川倒石堆堆积与相邻的冰碛物难以区分。

Church和Ryder(1972)定义的Paraglacial(指冰川前缘空间,作者注)一词是指直接处于冰川作用条件下的非冰川作用过程。广泛地用于描述冰川退缩后由流水和块体运动过程对冰碛物的再改造及其形成的地貌和沉积物。

该作者旨在建立挪威西部冰前地带(指空间)在过去200—250a间冰退地区冰川碎屑锥形成的时间尺度。着重:(1)建立锥体发育的起止年代;(2)定量评价沉积物堆积的速度和总量;(3)重建沉积物再改造和锥体堆积的过程。

5个碎屑锥在“小冰期”最盛期堆积在Bergsetbreen的冰前地带。2号锥位于基岩陡坎下。

2号锥为狭长形而非扇形,它总面积14400m2,平均坡度22°,是该区最陡的锥。它的上部由于崩落的冰碛堆而使沟道向两侧分叉。在锥体上,这些条带状的侵蚀沟使上部基岩形成漏斗状的区域。

2号锥的顶点位于“小冰期”最盛期的界限内,因此开始堆积的时间必然晚于1750—1775年,即Bergsetbreen地区“小冰期”假定的年代。然而在锥体中部掩埋的残余冰碛表明,大量的碎屑堆积晚于1844年。

虽然有限的堆积(主要是崩塌碎屑)发生在现在的锥上,但有些地点上部的物源已被耗光,因此可以认为冰川活动的主要阶段已经结束。此外,Bergsetbreen冰前地带的所有碎屑锥都已长满植被,它表明沉积物在锥表面的堆积是有限的。