书城自然混杂堆积与环境
2327000000012

第12章 坡积——坡地混杂堆积(1)

(第一节)概述

从混杂堆积角度讨论广义的坡地过程则应从本书已分四部分的内容中挑选:其一为以垂直运动为主,坡度大于45°、崩塌、倒石堆等粉碎块体之堆积(第八章);其二为以垂直加水平的崩滑为主(第九章),也是以形成碎块为主,但堆积体散布在谷地中;其三为以水平运动为主的滑坡为例,大部分保持整体块状,有多种堆积构造,尤其是蠕动滑坡,更具特色(第六章);其四为小于35°的大部分坡地,其作用动力是在重力作用下的坡面流水和冻融蠕流为主,它们作为坡地面积中的绝大部分,包括“常态”下的坡地堆积和冰缘环境下的坡积过程。本章即以此为主。这些虽全部同为坡地,但堆积物结构构造却有很大差别。

坡地过程和坡积研究有重要的理论和实践意义。在某些地区,环境重建的研究因缺少湖相或黄土载体,坡积堆积就成为重要载体,如人们对内蒙古大青山坡积剖面的研究(照片2—1)。根据石线构造和土层提供的环境信息及测年数据,基本上重建了近万年(9698aBP)的演化历史。其中有四次寒冷时期,即8832—8039aBP、7221—5232aBP、2640aBP前后以及2000—1500aBP,与其他地区有很好的可比性(崔之久等,1992)。昆仑山垭口成层坡积的研究提供了以“年”为实际单位的古地理信息(照片214)(刘耕年等,1997),在实践上,道路、渠道、厂房等无不与坡地打交道,保持坡地的稳定对减灾防灾尤为重要。坡地剥蚀和堆积速率对道路建设关系密切,山地不同坡向、高度、地层性质和产状均影响坡地剥蚀和堆积速率。

1953年修建的天山越岭公路,因线路石块塌方过于强烈而在1960年改道就是最好的例子(照片211)。

坡地虽遍布全球陆地和水下,但以中纬度因气候变化大,最为复杂。如现在的欧亚、北美温带第四纪时曾是寒带,环境变化使坡地过程也经历巨大变化,故增加了坡地沉积研究的复杂性。譬如,欧洲和北美学者,他们对坡地过程研究比较系统、成熟、细致(Protheroetal,2004),但由于整个环境在第四纪时受到冰川、冰缘过程的强烈控制,各种地形、岩石的坡地都被打上冰缘的烙印,一谈到坡地过程就是冰缘坡地过程,欧洲大陆从法国往北均如此。例如西南部英格兰坡地堆积被划分为5种亚相(表21),全部与冰缘过程相关。

解释可见,其坡积过程全与冰缘地貌有关,离不开寒冻风化和冻融蠕动过程。此种与冰缘过程脱不了关系的坡地过程就是欧洲北美的“常态坡积”。因为冰后期以来的温暖过程还未及表现在现有坡地过程中,所以只有一万年前的过程可以谈论。但对中国或其他中、低纬度占主导的国家来说,冰缘过程只是一部分或全过程中的一段,当然也是不小的一部分。如中国冰期时纬度多年冻土南界可以到达35°N(西部)和40°N(东部),垂直带冻土下界可以到达川西山地和秦岭南、北坡(2500ma.s.l.)(图21)(崔之久等,2002,2004),也占据了中国的半壁江山。尽管现代冰缘过程虽已大为缩小,但冰缘过程在坡地演化中的体现还有很强烈的。本书讨论坡积过程划分为:常态坡积过程和冰缘坡积过程,这适合于中国情况。和欧洲、北美一样,在古冰缘南界以北,现代冰缘“多年冻土”界限(50°N)以南的广大地区;在讨论坡地过程时,也和欧洲、北美一样,离不开当时的冰缘过程在坡积剖面中留下的烙印。譬如,内蒙古大青山南麓的坡积剖面(图22;照片21)。其中石线构造就是欧洲冰缘坡积中代表性构造,是气候更为严酷时,山坡基岩风化的产物,夹杂在气候相对温暖时形成的土质堆积物之中,若有多层重复出现则表现出冷暖气候变化的韵律。在内蒙古也一样,根据测年,五当召剖面显示上层石线构造出现在7221—5232aBP,下层石线构造出现在8832—8039aBP,其他两个剖面的石线构造更年轻一些(图22)。只有在大青山坡积剖面更上部或顶部可以看更接近现代的坡地过程,相当于2040aBP前和2000—1500aBP的石线构造,表示了此前曾受到寒冷环境的严格控制。

除了纬度带水平方向上的变化外,高度上也曾有冰缘带下限的巨大变化,譬如天山中段乌鲁木齐河源区,现代冻土下限约在3200m,而末次冰期时(即2万aBP)冻土下线曾下降到约2000m,所以在此带内现在看到的也都是冰缘环境下的坡地堆积。尽管此地段已远离现代冰缘环境,此类情况在秦岭山地、五台山、神农架和黄山等中国东部接近或超过2000m的山地以及面积巨大的青藏高原东、南、北缘都有相同的体现.

天山乌鲁木齐河源大西沟在中科院天山冰川站后侧,即该河西侧,有一大面积泻溜坡(>35°),上侧基岩风化的碎屑皆顺坡堆积在坡麓。由于当初满坡都是云杉森林,故碎屑物得以停留在很陡的山坡坡面上。后来森林遭到破坏(不像是人为的,在此陡坡南侧仍有部分森林保留(照片22a、b)),故岩屑坡(泻溜坡)部分暴露,而森林全无的北半部则从下而上一直暴露到上部基岩山坡处(图23;照片22b)。由此可以看出森林对松散层坡地的保护作用。作者在此拟展示的是该泻溜—碎屑坡的基部出现了一系列不同类型的坡地地貌,如冲积锥、倒石堆和泥流(泥石流)扇形地。后者是坡面流水流动时,与泥砂混合形成小股断续的泥石流舌流到坡下,便在坡脚处停积,均由个别小透镜体叠置而成扇形(图23c)。尤为引人注目的是(图23d),原来一个较大的倒石堆因上方来水较多,锥体被切割成网状,每一细沟深10cm以上,已由坡面面状流水演变成线状切割,但锥状仍清晰保留。由以上各类坡积地貌和坡积堆积类型展示,因同为一个原始的泻溜坡,由暂时面状水流密度大小引起积水面积大小不同,进而导致坡脚处一系列不同的坡积地貌和堆积之差异。这也表明,常态下的坡积过程,坡面流水起着主导作用。这是现代过程,而在末次冰期时,或全新世的新冰期、小冰期均可能有冻融作用参与。即使现代高山倒石堆坡面上也常出现小型泥石流团块,顺坡而下,如昆仑山口4000m多的由泻溜作用形成的岩屑锥、倒石坡或坡积裙上,均有小泥石流团块出现,使成层的坡积物中裹着泥石流团块——透镜体(照片216)。而在常态区由于雨水大而集中,就容易使坡上的松散物种含水达到饱和,直接被冲到坡下或演变成真正的泥石流,或形成不饱和或基本不饱和的泥流团块。

以中天山冰川站西山坡坡积的地貌与堆积作为演化速率的实例之一:

从图23和照片22a、b对比发现:(1)中部长满树林的一块已全部消失,表明坡地后退强烈;(2)原来坡脚处是一个统一的坡积裙,个别的锥状地貌不明显,表示坡面上没有线状水流;(3)与上部基岩山坡之间还有一段距离,现在松散堆积坡上后缘已接触到上面的基岩山地;(4)下部则由于线状流水在坡面的出现,坡地山脚部分已发育一系列冲积锥、倒石堆和小型泥石流扇等锥状地貌;(5)对比26a来此坡地水土流失严重,坡地上缘已上升(后退)百米左右。平均逆源速率为4m/a左右。

此坡地近26a来的演化不能代表全部,但也可以提供一个尺子用来衡量松散堆积坡地的演化,其变化原因反映近26a来天山降水有明显增加,加强了坡面侵蚀。气象记录也显示,自20世纪90年代初以来,新疆山区随气温升高,降水量也有增加,这一过程就明显反映在此坡地演化上。由此可见,坡地地貌和堆积物演化可以作为研究环境变化的载体。

(第二节)常态坡积特征——层序倒置律与坡积的地带性分布

并非无处不在的坡地堆积显然受地球地带性影响,既有纬度地带性差异也有高度地带性差异。因为高寒地区(高度的和纬度的)有冻结融化过程,产生一种特殊的顺坡蠕流,在坡地堆积中就出现一系列与非冻结区域——即地貌学上常指的所谓常态区域(主要指以流水作用为主的地区),有迥然不同的堆积结构构造。因此,把坡地过程划分为两类:常态坡地与冰缘坡地。当然还有一些介于二者之间的过渡类型,如中天山北坡2700m(树限)以下的山坡,是以常态过程为主,但冬季积雪时间长,也有冻结—融化过程。但在其坡积物中看不到各类冻融蠕流结构,事实是即使有也被常态过程所抹灭而得不到显现,但在此高度可以看到老的坡积中有此类堆积构造。

作者认为在整个坡地过程中,从90°的陡崖到十几度的缓坡,各种过程在以物理风化为主的地区,其类型多而过程比较齐全,因为坡地若无足够的松散堆积物,其堆积过程也难以显现。如热带亚热带的灰岩区,坡脚可以无任何坡积物,因所有碳酸盐物质均以化学溶蚀和强大的流水搬运而通过河流直达河、湖和海。花岗岩也通过化学风化从基岩变黏土,大部分侵蚀殆尽,只有中纬度地区,如黄山、三清山等通过卸荷节理崩塌而在坡脚处留下巨石堆积,有时成为锥形,有时则孤石叠置,并可形成洞穴。著名的丹霞山地貌区是以砂砾岩为主,情况与花岗岩区类似,坡脚处并非坡积堆积,而是形似坡积裙的基岩坡;所谓丹霞地貌之主要含义就是“顶平、身陡、坡缓”(图24,图25。

黄进,2011),但此处的坡缓却是基岩坡而非堆积坡。

在贵州高原,锥状喀斯特地貌也有类似特征,峰林下部不是直达坡脚的陡崖和脚洞,而是也有一形似坡积裙似的基岩斜坡。

由上可见,对坡积而言,热带亚热带地区的先天不足是因当地以化学风化为主,缺少形成坡积的碎屑物;后天不利是雨量充沛,地表冲刷强烈,即使有一些坡积碎屑也难以保存。故只有在热带亚热带的中山或高山区,物理风化增强,且雨水也不太充沛的地区,坡积堆积才会发育良好,如云南高原2000m以上地区,即是如此。而在温带地区,在中国就是秦岭—淮河以北地区,再往北到寒带或往高处到青藏高原常态的和冰缘坡积都十分发育。实际上,洪积扇形地的发育也依赖强烈的物理风化物补给和少量的雨水不太强烈的流水冲刷,它与坡积物的发育基本上是同步同地区的。

常态坡地堆积,在很多情况下表现为原始高处从基岩风化层顶部被顺坡搬运堆积到坡脚,成为此处坡积层的底部物质。而原始剖面中部或下部的物质则成为坡积剖面的上部物质,构成一个完整的层序倒置堆积层序,是为层序倒置律(图26;照片23)。

图27恰好显示了花岗岩风化壳被剥蚀到最后的“石蛋层”——弱风化层时,石块从山顶向山下运移,覆盖在此前已被堆积在坡下的原风化壳上层的黏土碎石层,成为堆积在山麓的坡积层的顶部,最上部的“石蛋”盖层。

风化剖面和坡积堆积层序倒置后的最终剖面(Waters,1964)A、B为层序倒置前后之剖面,C、D为细部描述。(1)来自花岗岩风化壳顶部的黏土层;(2)来自花岗岩风化壳中部的碎石层;(3)来自花岗岩风化壳底弱风化层的“石蛋”

典型的常态坡积过程。在野外实际看到只是图26之B,而A剖面已经消失,而当在野外看到真实的A剖面时,B剖面还未出现。后一种情况较多,因为这只是任何一种岩石在热带亚热带环境下的风化壳剖面而已。照片23所示是巴基斯坦波特瓦尔高原的一个坡积剖面,对比图26的标准剖面,至少可以看到相对应的(1)、(2)、(3)层,且都很清晰,3层中可以看到巨大石块,而4—5层之间也可看到有层理显示。

山东威海城山头附近的一个坡积剖面,基岩是花岗岩,对比前面的标准剖面仍可看出3、4、5、6层。3层中有大石块,4层中有无结构的砾石和砂,下部如同标准剖面一样有一层呈透镜状的石块集中带,而5层则为成层性良好的砂和风化物,6为已出露在公路左侧的基岩,这是一个距物源区很近的相当标准的有层序倒转的坡积堆积剖面。实际上在野外经常看到的是一些层序并不十分清晰的坡积剖面,虽然与前述标准剖面难以一一对号,但类似的堆积特点还是隐约可见。如巨石层出现在剖面上方或夹杂在细粒层中,层次也可约略看到,这些都是坡积混杂堆积的特点。

以上诸图所示坡积堆积,在亚热带山地区近2000m海拔以上处有良好的发育,因为此种环境减弱了化学风化,从而保留了部分基岩以机械风化为主为坡积堆积提供物源。作者在云南东川蒋家沟(著名泥石流活动之地,有泥石流观测站)见到多层结构的坡积堆积(照片2—5),可以看到三层较厚,不是同一堆积旋回的坡积物;下层是机械风化强烈时期的产物,铁质等淋溶也不明显,整体呈灰色;中层物质下粗上细,人手指处,有较多来自源区的风化残留物;最上层组成物质更细,但颜色不及中层发红。根据本区第四纪研究已知背景推测,下层发生于冰期时之坡积,中层为间冰期时之坡积,虽已气候转暖,但温暖程度低和历时短,使其颜色尚未呈红色。而上层则应为冰后期产物。这表示坡积物也是研究环境变化的载体。

同时,在华北地区,坡积物也广泛发育。在对北京周口店猿人遗址进行环境考古,杨子赓(1986)曾对坡积物进行了比较系统的研究。其堆积特征清晰地展示在对周口河岸的剖面中(图28,图29)。这些剖面显示了中更新世以来当地暖湿和干寒的环境的交替演化。

根据剖面描述,(3)具红色和棕红色风化产物,此红色物质来自上第三纪风化壳,而碎屑层显示韵律式“层理”,扁平状碎石顺山坡方向排列。有的砾石具叠瓦构造,这些都是坡积混杂堆积的代表性构造。

(第三节)坡地堆积亚相划分

将坡积堆积与其他混杂堆积相比,无论长周期(千、万年或更长)或短周期(年或十年、百年)之韵律性都是很强的。特别是冰缘亚相中的成层坡积就是以年为周期,冬夏各一层,总厚1cm左右,是为细粒斜层韵律型微相;而中等尺度的韵律层如山西大同火山坡积剖面所示,是为粗粒斜层韵律型微相;更长的韵律则如云南东川蒋家沟剖面所示(照片25)。其他剖面,风化壳“倒转”所成坡积剖面(图26),如前示巴基斯坦波特瓦尔高地剖面,山东城山头剖面以及贵州梅花山和云南东川公路剖面都属于非韵律型微相,粒径有粗、细之分,意味着以物理风化(粗)或以化学风化(细)为主。

由此可见,坡积堆积亚相明显受区域风化类型控制,即以化学风化提供物源,坡积堆积多为非韵律型,而以物理风化,包括冰缘环境下的寒冻风化及坡面融水片流均多造成韵律型坡积堆积。