岩石物理化学性质对泰宁丹霞洞穴的形成制约.pdf

第 1 期 福建 地 质G e o l o g yo fF u j i a n 4 3 岩石物理化学性质对泰宁丹霞洞穴的形成制约 邱小平 ( 1 福州大学紫金矿业学院，福州，3 5 0 1 0 8 ；2 中国地质科学院地质研究所，北京，1 0 0 0 3 7 ) 摘要泰宁丹霞红层由铁钙质混合胶结的较松散固结红色砂砾岩构成，岩石胶结物中 C a C 0 a 含量较高，抗压强度极低、孔隙度和含水性均较高。当岩石遇水湿润或浸泡时，或者生物 风化过程中受到各种动植物分泌的有机酸作用，岩石胶结物中C a C 0 。易溶解流失，促使丹霞红 层进一步软弱松散。冬季水结冰之后体积会膨胀，所以岩层表面产生片状裂隙。通过裂隙的毛 细管效应，孔隙一裂隙水由岩石内部向结冰的表面扩散，在表面张力作用下水呈表面积最小的球 状。春季化冻时岩石沿球形片状裂隙自由剥落的片状风化，圆球形洞穴开始形成，随着四季交 替，年复一年，间歇性结冰和融化过程，使得洞穴逐渐扩大，形成泰宁丹霞各种形态的洞穴奇 观。 关键词丹霞红层铁钙质混合胶结含水性洞穴泰宁 泰宁丹霞是中国亚热带湿润区发育的青年期山原( 平台) 一峡谷组合式丹霞地貌，以密 集网络状峡谷为典型特征，深切峡谷、陡峭赤壁、奇特洞穴和大型岩槽密布，并且保存较完 整和显著的古夷平面，是“中国丹霞世界自然遗产”提名地之一。 “泰宁丹霞”所有申报世界自然遗产的自然景观均集中在泰宁白垩纪红层盆地，由白垩 纪丹霞红层经过漫长地质作用雕琢而成。红层又称红色岩建造，指一套主要由泥质岩、细粒 砂岩、粉砂岩等组成的以红色为标志的陆相沉积，常夹有砾岩层和白云岩、石灰岩以及石膏 等，岩石色调以红色为主，也呈红褐色或浅绿色。红色岩建造是在湿热或周期性干旱的气候 条件下形成的河流、三角洲、湖泊以及近海的沉积。这种建造一般出现在造山期之后，常分 布在山间坳陷和盆地中，其中产有石油、岩盐、石膏、铜等矿产，有时也产有煤。红层在全 球上分布的时间和空间极为广泛，各洲大陆，从元古宙到第四纪均有分布，如美国西部的二 叠纪、三叠纪的沉积岩；南部非洲和澳洲的中元古界下部红色砂砾岩；中欧、北欧的陆相泥 盆系老红砂岩层；中欧的陆相二叠系新红砂岩层等都是典型的红层。中国的红层分布在元古 宙长城系、震旦系、和古生界志留系一泥盆系、中一新生界三叠系、侏罗系、白垩系和第三系 均有红层生成，其中以中一新生界红层规模最大。笔者文中“丹霞红层”则是特指中国东部 白垩纪为主( 可以扩展到从晚侏罗世到新近纪) 的铁钙质混合胶结的较松散固结红色砂砾岩 受国家自然科学基金项目“巨厚层高硫化型低温热液矿床深部铜硫化物成分特征研究”，项目编号4 1 1 7 2 0 7 5 和国家科 技部支撑计划项目“东部铁铜铅锌重要矿集区勘查技术与示范”“浅成热液一斑岩型铜、金矿深部成矿模式与勘 查技术示范研究”编号2 0 0 9 B A B 4 3 8 0 4 的联合资助。 收稿日期：2 0 1 3 一0 4 2 5 作者简介：邱小平( 1 9 5 9 一) ，男，教授，矿床学与矿田构造专业。 万方数据 4 4 福建地质G e o l o g yo fF u j i a n 第 3 3 卷 组成的红色岩建造。丹霞景观为分布在滨西太平洋活动大陆边缘的断陷盆地，由厚层、产状 平缓、节理发育、铁钙质混合胶结不匀的较松散固结红色砂砾岩组成，形成于高温氧化陆相 湖泊沉积环境，在构造升降与挤压拉张、差异风化，重力崩塌、水力侵蚀和溶蚀等综合作用 下形成的状如城堡、宝塔、针柱、方山或峰丛的山峰与峡谷相伴随的地貌。 1 泰宁丹霞洞穴的主要类型与形态特征 泰宁丹霞地貌发育众多形态各异的洞穴，经历长期的外动力地质作用的物理、化学风化 过程而形成。从形态划分主要有额状洞、扁平 洞、( 水平、倾斜和垂直) 岩槽、穿洞、套叠洞、 蜂窝洞和天生桥等。洞穴形成的营力主要是风化 作用( 包括物理风化、化学风化和生物风化) 、 流水侵蚀和重力崩塌等 1 。 额状洞：洞顶由外向内，由中央向两侧渐 低、渐窄的半弧形曲面，洞底稍平或向洞口低角 度倾斜的形态，状似额部而名，深数米至十余 米，长几十米至近百米。如状元岩额状洞( 照片 1 ) 和大金湖船岩洞( 照片2 ) 。 扁平洞：洞穴顶底面均与岩层层理近于平 行，深1 0 3 0m ，纵向和横向上皆呈平缓拱形， 洞底平坦。丰岩、天竺岩和宝盖岩等为扁平洞穴 照片l额状岩槽( 状元岩) P h o t o 1f o r e h e a d l i k eg r o o V e( Z h u a n g y u a n y a n ) 照片2大型额状或穹状洞( 大金湖船岩) ：船岩洞宽1 0 0m ，深4 2m ，高约3 2m ，为目 前国内发现最大丹霞洞穴 P h o t o 2 L a r g e s c a l ef o r e h e a d l i k e o rd o m e l i k e c a v e ，C h u a n y a n d o n g( s h i p l i k ec a V e ) ， w i d t h1 0 0 m 。d e p t h4 2 ma n dh e i g h t3 2 m ，i st h eb i g g e s tD a n x i ac a v ef o u n di nC h i n a 万方数据 第 1 期邱小平：岩石物理化学性质对泰宁丹霞洞穴的形成制约 4 5 代表。 岩槽( 水平、倾斜和垂直) ：单向延长的槽状洞，根据其延伸方向可以分为水平、倾斜 和垂直岩槽，李家岩就是代表性的大型水平岩槽( 照片3 ) 。 穿洞：石堡、石墙两侧沿同一砂岩、含砾砂岩层相向发育额状洞或扁平洞，久而久之， 形成穿透石堡、石墙的穿洞。 套叠洞：大洞穴内壁再次被侵蚀形成次级凹洞，后者随前者的扩大而扩大，形成大洞穴 内镶嵌许多圆形、椭圆形或不规则状多层次洞穴，洞中套洞的复杂形态。寨下大峡谷的天穹 岩即为复杂穹状套叠洞( 照片4 ) 。 照片3 顺层岩槽【李家岩) P h o t o 3T h eg r o o v ea l o n gb e d d i n g 【L i ji a y - a n ) 照片4 复杂穹状套叠洞( 天穹岩) P h o t o 4 C o m p l e xd o m e l i k et e l e s c o p i n gc a 。 v e ( T i a n q i o n g y a n ) 蜂窝洞：崖壁上砂岩、砂砾岩的砾石及碳酸钙质胶结物经物理、化学和生物风化后疏 松、脱落后残留的小凹坑，逐渐形成大小不等的圆形、椭圆形凹坑，凹坑内常有网状砂岩脊 相隔，形如蜂窝，较大的蜂窝洞内还发育次级小凹坑。蜂窝洞多呈顺层密集分布，少数亦发 育于额状洞内。李家岩山麓和上清溪漂流河谷发育着蜂窝洞集群。 天生桥：板状岩层上的穿洞，进一步风化剥 蚀和崩塌，穿洞逐渐增高扩大，洞顶厚度减薄， 貌似中间悬空而呈桥状。泰宁幽谷迷津“仙人 桥”，由风化剥蚀及重力崩塌将山脊蚀穿，成为 天生桥。天生桥走向北西，长1 7m ，宽1 5 2m ，厚o 2 5 1 0 5m ，桥拱长9m ，高3m ( 照片5 ) 。 2 泰宁丹霞红层的岩石物理化学性质 2 l 丹霞红层的岩石化学性质 照片5 天生桥( 仙人桥) 构成泰宁丹霞红层景观的岩石地层为上白垩P h o t 0 5T h en a t u r a lb r i d 2 e ( C e l e s t i a l 统崇安组，总厚度 20 1 5 6m ，引用武夷山慧b e i n gb r i d g e ) 宛崇安组层型剖面如下2 | ： 万方数据 4 6 福建地质G e o l o g yo fF u j i a n 第3 3 卷 4 3 2 1 紫红色巨厚层砾岩、砂砾岩，夹少量粉砂岩，厚度 1 3 3 5m 。 紫红色中厚层砂砾岩，厚度3 0 3 9m 。 紫红色厚层砾岩、砂砾岩，厚度11 0 3 8m 。 紫红色中厚层砂砾岩、砾岩，夹巨厚层含砾细砂岩及薄层砂岩，厚度4 7 4 4m 。 与下伏地层整合接触 上白垩统崇安组主要岩性为紫红色砾岩、砂砾岩，夹少量粉砂岩，根据华东地区白垩纪 丹霞红层岩石物理化学性质的研究成果，丹霞红层的岩石类型主要为铁质浸染岩屑石英砂 岩、含砾钙质粉砂岩、铁质浸染状绢云母泥岩、含细粉砂质页岩、铁质浸染钙质粉砂泥岩和 铁质浸染长石石英砂岩等，其矿物与化学成分( 表1 ) 。 表1 丹霞红层岩石化学成分与结构测试结果 T a b l e1T h er e s u l tO fc h e m i c a li n g r e d i e n t sa n ds t r u c t u r a lt e s t0 fD a n x i ar e db e d s 矿物成分( ) # 1# 2 2# 9# 1 1# 1 5# 1 9 及结构岩样特征 S i 0 2 6 5 55 8 5 96 1 5 26 1 2 75 2 0 47 5 1 2 F e 2 0 34 9 63 7 97 4 11 0 6 5 5 8 22 9 3 C a O0 2 11 4 8 80 3 70 0 98 8 2O 5 7 A 1 2 0 3 1 6 4 41 2 6 52 0 7 81 7 6 91 5 9 21 1 4 3 K z O 2 8 31 8 34 0 53 93 2 82 0 6 N a 2 0O 8 6O 6 3O 4 6O 0 3O 5 6 1 8 M 9 0 1 12 6 91 3 81 0 33 9 2O 6 5 高岭石 6 OO7 O4 00O 蒙脱石 2 O2 53 O580 伊利石 2 。O03 0 O855 O 石英 6 07 03 03 55 06 0 其他主要矿物1 5 云母类 5 长石1 0 绢云母 1 2 赤铁矿 2 0 长石2 0 长石 ( w t )5 褐铁矿5 绢云母1 0 铁质浸染1 0 暗色矿物8 暗色矿物 岩屑含量( ) 8 57 0OO4 09 0 结构类型粒状碎屑粒状碎屑泥状典型泥状含粉砂泥状粒状碎屑 水理特性不崩解崩解泥状崩解崩解崩解碎块崩鳃 铁质浸染岩含砾钙质粉铁质浸染状含细粉砂质铁质浸染钙铁质浸染长 定名 屑石英砂岩砂岩绢云母泥岩页岩质粉砂泥岩石石英砂岩 岩石化学成分分析可知，含砾钙质粉砂岩和铁质浸染钙质粉砂泥岩C a o 含量分别为 1 4 8 8 和8 8 2 ，换算成碳酸钙( C a C O 。) 含量分别是2 3 O o 和1 5 7 5 ( 因为岩石中未 万方数据 第1 期 邱小平：岩石物理化学性质对泰宁丹霞洞穴的形成制约 4 7 观察到基性长石等其它含钙矿物) 。表明部分红层岩石胶结物中C a C O 。含量较高，这与野外 岩石遇稀盐酸强烈起泡的现象吻合( 央视C C T V l o 科技频道，地理中国2 0 1 1 年第5 8 期 “泰宁丹霞寻奇”) 。 2 2 丹霞红层的岩石物理性质 泰宁丹霞红层基本由铁钙质混合胶结不匀的较松散固结红色砂砾岩组成，岩石的力学性 质较软弱，表现为抗压强度较低、孔隙度和含水性均较高，而且随着风化强度的增加，岩石 力学性质迸一步减弱。 丹霞红层弱风化基岩的单轴抗压强度泥质粉砂岩一般1 6 5 9M P a ，平均3 6M P a ； 砾岩4 5 8 3M P a ，平均6 2M P a 4 ，远低于普通砂岩平均值8 7 1M P a 和花岗岩一般为 1 9 3 2 1 3M P a ，差别为1 2 个数量级 5 。由于丹霞红层基本由较松散固结红色砂砾岩组 成，岩石的力学性质较软弱，抗压强度低。按照其单轴抗压强度数值换算，当上覆载荷超过 1 6 0m 水深厚度时，丹霞红层开始破碎；当载荷为3 6 0 6 2 0m 水深压力时，丹霞红层整体 破碎成为粉末，这时所有丹霞地貌景观都将消失，成为填塞山谷的泥沙和砾石。冰层的密度 与液态水接近( 约为0 9g c m 3 ) 。所以，中国南方丹霞红层自从晚白垩世沉积以来到现在， 从未经历过数百米厚的冰层载荷，所谓中国南方第四纪数千米厚度的大陆冰盖，至少在丹霞 红层分布地区从未出现过。 丹霞红层的渗透特性与岩石的矿物组成、胶结程度、孔隙结构有关，岩石液压伺服渗透 实验结果表明 6 ，在岩石的强度极限内( 未破裂时) 渗透系数由泥岩一粉砂岩一细砂岩一中 粗砂岩逐渐增大，表明颗粒越粗，分选性越好，孔隙直径越大，其渗透性越好；压力达到强 度极限岩石破裂后，渗透系数急剧升高，其渗透系数比破裂前高1 2 个数量级，最高可达3 个数量级；细砂岩及中粗粒砂岩破裂后的渗透系数较稳定或略有增高趋势，而泥岩破裂后渗 透系数反而逐渐减小，这与崩解和膨胀作用有关。 丹霞砂砾岩含水性实验，从野外采集样品在实验室清水浸泡2 4h 后称重，在烤箱中 2 4 0 恒温烘烤1h 后再称重，计算岩石含水量和含水率。采样地点为泰宁李家岩公路旁蜂 窝状洞穴景点附近，样品为紫红色砂岩和紫红色砾岩，滴上稀盐酸均起泡，为钙质和铁质混 合胶结砂砾岩。实验结果表明5 块岩石样品平均含水率7 o ( 表2 ) ，属于渗透性强的可湿 润岩石，与岩石液压伺服渗透实验结果相符合。 表2 丹霞红层岩石含水性测试结果 T a b I e2T h er e s u I t0 fp r o p e r t yO fw a t e I L b e a r i n gt e s to fD a n x i ar e db e d s 样品号与岩性 18 砾岩 2 8 砂岩( 小)3 8 砾岩 48 砾岩58 砂岩 湿重( g ) 3 1 3 51 4 7 52 8 8 54 5 8 03 7 6 0 干重( g ) 3 0 4 O1 3 3 ，O2 6 5 O4 2 3 53 5 0 O 含水量( g ) 9 51 4 52 2 53 4 52 6 O 含水率( w t ) 3 0 39 87 77 56 9 万方数据 4 8福建地质G e o l o g yo f F u j i a n第3 3 卷 3 泰宁丹霞洞穴形成机制探讨 泰宁丹霞红层主要由铁钙质混合胶结不匀的较松散固结红色砂砾岩组成，岩石胶结物中 C a C O 。含量较高，抗压强度较低、孔隙度和含水性均较高。当岩石遇水湿润或浸泡时，或 者生物风化过程中受到各种动植物分泌的有机酸作用，岩石胶结物中C a C O s 易于溶解流失， 促使丹霞红层进一步软弱松散，加快了岩石的风化速率口8 。 泰宁地处华南温暖湿润地区，属中亚热带季风型湿润气候，夏无酷暑，冬无严寒，温和 湿润，四季分明。年平均气温1 7 1 ，1 月均温5 9 ，最低温一l o 6 ；7 月均温 3 3 7 ，最高温3 8 9 。雨量充沛，大气湿度高。年平均降水量17 8 8m m ，年平均相对湿 度8 4 。动植物种群数量庞大，植被极为发育，森林总覆盖率7 8 ，核心区域超过9 0 ， 其中丹霞草本植物群落、丹霞硬叶常绿阔叶林、沟谷常绿阔叶林为泰宁丹霞区的特色q ) 。 泰宁丹霞由于岩石物理化学性质具有胶结物易溶、力学强度弱、高孔隙度和高含水性等 特征，又处在温暖湿润生物发育地区，物理风化、化学风化和生物风化均较为强烈，丹霞岩 层被切割侵蚀形成密集分布的深切峡谷、陡峭赤壁、奇特洞穴和大型岩槽为特色的泰宁丹霞 地貌景观，其中以众多奇特洞穴景观引人注目l l0 。 泰宁多数丹霞洞穴成因比较简单，一般由地表径流的流水侧蚀作用、大气降水的冲刷侵 蚀和重力崩塌作用造成；但有些复杂的洞穴，如天穹岩和状元岩等洞穴，洞中套洞，甚至洞 口朝下的复杂洞穴，其形成与岩层的孑L 隙水和裂隙水在岩石表层的冰冻与融化过程中水的体 积膨胀与蒸发，从而造成的岩层片状风化剥落有关。泰宁丹霞洞穴，主要分布在海拔3 0 0 6 0 0m ，这里冬季低温在一1 1 0 ，孔隙一裂隙水易在岩石表面冰冻，岩层的内部则达不 到冰冻的程度。洞穴内部生长大量苔藓和地衣类生物证明孔隙一裂隙水的存在。生物与水的 作用，首先溶解岩石的碳酸钙胶结物，使得岩石结构松散，而且，水结冰之后体积会膨胀， 所以在岩层表面发生片状裂隙。通过裂隙的毛细管效应，孔隙一裂隙水由岩石内部向结冰的 表面扩散，在表面张力作用下结冰时采取表面积最小的球形形态 1 1 1 2 。翌年春季化冻的时 候，失去冰的固结凝聚力时松散的岩石沿球形片状裂隙自由剥落。周而复始，年复一年，间 歇性结冰和融化过程，洞穴越来越大，而且基本呈球形状态出现，形成各种形态的洞穴奇 观。 野外工作得到福建省地质调查研究院文斐成、梁诗经、陈斯盾和赖荣福等高级工程师， 泰宁县政府江茂求、陈宁璋等大批工作人员的支持和帮助，在此表示衷心的感谢! 参考文献 1 梁诗经，文斐成，陈斯盾福建泰宁丹霞地貌中的洞穴类型及成因浅析，福建地质，2 0 0 9 ，2 7 ( 3 ) 2 李兼海，王国平，郑铁藩，等福建省新建岩石地层单位中国区域地质，1 9 9 4 ( 4 ) 3赵明华，刘晓明，苏永华含崩解软岩红层材料路用工程特性试验研究岩土工程学报，2 0 0 5 ，2 7 ( 6 ) “中国丹霞一泰宁申报世界自然遗产提名地”申报文本。 万方数据 第 1 期邱小平：岩石物理化学性质对泰宁丹霞洞穴的形成制约4 9 4 彭柏兴 5 朱志澄 6 冯启言 7 郭国林 8 李德文 王星华湘浏盆地红层软岩的几个岩土工程问题地下空间与工程学报，2 0 0 6 ，2 ( 1 ) 构造地质学武汉：中国地质大学出版社，1 9 9 9 曹丁涛，王同福红层软岩渗透特性的实验研究勘察科学技术，1 9 9 5 ，( 2 ) 郭福生，刘晓东，等丹霞地貌砂岩的微观化学风化作用电子探针研究中国岩溶，2 0 0 6 ，2 5 ( 2 ) 王朋岭，俞锦标浙江新昌丹霞岩壁风化特征的微观研究自然科学进展，2 0 0 4 ，1 4 ( 1 ) 9 Q i uX i a o p i n g ，W e nF e i c h e n g ，C h r i sW o o d T h eG e o l o g i c a lS e t t i n go fT a i n i n gD a n x i aL a n d s c a p ea n dI t sS t a t u si nC h i n a D a n x i a ，T h e2 n dc o l l e c t i o no fT h eF i r s tI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nD a n x i aL a n d f o r m ， 2 0 0 9 1 0 邱小平，文斐成，C h r i sw o o d 泰宁丹霞形成的地质背景及其在中国丹霞中的地位，首届丹霞地貌国际学术讨论会 论文集第二册，2 0 0 9 1 1R o b e r tA L W r a y T h eG r a nS a b a n a ：T h eW o r ld ，sF i n e s tQ u a r t z i t eK a r s t ? C h a p t e r9 i nG e o m o r p h o l o g i c a lL a n d s c a p e s o ft h eW o r l d ，S p “n g e rD o r d r e c h tH e i d e l b e r gL o n d o nN e wY o rk 2 0 1 0 1 2 R o b e r tW Y o u n g ，R o b e r tA L W r a y ，A n nR M Y o u n g S a n d s t o n eI ，a n d f o r m s C a m b r i d g eU n i v e r s i t yP r e s s ， 2 0 0 9 T h ec o n d i t i o no fp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fr o c k s t ot h ef o r m a t i o no fD a n x i ac a V ei nT a i n i n g Q iuX i a o p i n g ( 1 Z i 歹i 咒M i 咒i ，z gC o Z Z P g P ，F “z o ML k i u e r s i z y ，F 甜2 o M ，3 5 0 1 0 8 ； 2 c i 以P s PA f 口c Z P ，n yo ，G P o Z o g i c 口Zs c i P 竹f P s ，B P i 歹i 咒g ，1 0 0 0 3 7 ) A b s t r a c t T a i n i b gD a n x i ar e db e d si nF u ji a nP r o v i n c ea r ec o m p o s e do fl o o s e c o n s o l i d a t e dr e ds a n d s t o n ea n dc o n g l o m e r a t ec e m e n t e db yi r o n y c a l c a r e o u sm i x t u r e s ，i nw h i c ht h ea b u n d a n c eo f C a C 0 3i sr i c h ，w i t hal o wc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，h i g hi np o r o s i t ya n dp r o p e r t yo fw a t e r b e a r i n g W h e nm o i s t e n i n go rs o a k i n gi nw a t e r ，a sw e l la st h ei n f l u e n c eo fo r g a n i ca c i de x c r e t e d b ya n i m a l sa n dp l a n t sd u r i n gt h eb i 0 1 0 9 i c a lw e a t h e r i n g ，t h eC a C 0 3i nr o c kc e m e n tt r e n d st o b ed i s s o l v e da n dl o s te a s i l y ，i ti m p e l st h ew e a k e n i n ga n d1 0 0 s e n i n go fD a n x i ar e db e d s T h e l a m i n a t