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纵横大西南,忘乎山水间(二)——记武陵山区逐渐消失的丹霞地貌 精选

已有 6873 次阅读 2019-6-4 22:48 |系统分类:科普集锦

纵横大西南,忘乎山水间(二)

——记武陵山区逐渐消失的丹霞地貌

图/文  陈仁全

 

篇首语:因工程项目评审结识了中交铁道武汉院总工孙总,某天他说陈工你这整天嘀咕这红石头山丘挖没了,那红石头边坡又挖垮了,就不能找点时间写一篇关于“消失的丹霞地貌”的博文,不然对不起你那爱自我陶醉的癖好啊。自从那天听了孙总“刻薄”的提醒,就睡不好觉,心里一直惦记这事。回想这两三年,有幸参与和负责了多项位于武陵山区红砂岩(丹霞)的工程项目勘察与设计,有过较为直观的地质观察,还有一些工程特性认识。鉴于此,觉得还是可以浅显写一点东西,主要侧重工程地质方面,供有兴趣的朋友了解。

武陵山区涵盖湖北、湖南、重庆和贵州四省多个县市,崇山峻岭,是集中连片特困地区。有许多为世人惊奇的喀斯特(岩溶)地质景观,却少有人知晓其中的丹霞地貌正在逐年锐减。

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(一)何谓丹霞,何处有之

丹霞是指的什么?一定是红色的吗?哪些地方分布丹霞呢?武陵山区也有丹霞吗?

丹霞地貌(Danxia landform)是一种以陆相为主的红层发育具有陡崖坡的地貌红层地貌(red beds)的一种类型。红色陡崖坡是丹霞地貌最重要的识别要素,黄进(1982)曾将丹霞特征总结为:顶平、身陡、麓缓。

丹霞意为“色泽渥丹,灿若明霞”,是一种具有很高美学价值和科学价值的地貌类型。1928年冯景兰首次命名粤北仁化丹霞山地层为“丹霞层”;陈国达为地层对比需要,于1939 年正式提出“丹霞地形”这一地貌专业术语。

丹霞的红色主要是胶结物中高价铁离子所致。但由于沉积环境的差异和后期地质作用的改造,各地红层的颜色在色度和纯度上有较大差别,红层的颜色可能变化于棕黄、褐黄、棕红、砖红、紫红、褐红和灰紫等各种偏红色调。

丹霞地貌在欧洲和澳大利亚等国都有分布,其中在我国分布最广。截至2015年,国内丹霞地貌约1024处,分布于28个省市自治区,相对集中分布在我国东南、西南和西北三个地区(黄进等,2015)。被大众所熟知的有:丹霞山(广东省韶关市仁化县)、武夷山(福建省南平市武夷山市)、张掖丹霞(甘肃省张掖市临泽县和肃南裕固族自治县)。国外比较知名的有澳大利亚的艾尔斯岩(Ayers Rock),美国的犹他州石拱门等。而在湖北西南部、湖南西北部的武陵山喀斯特地区也有一些丹霞地貌分布,这些丹霞地貌主要位于高山峡谷小盆地之中,如恩施盆地、建始盆地、来凤-龙山盆地、沅麻盆地等,均为白垩系(K)红层盆地,由于地处武陵山腹地,山高路远,长期以来交通不便,也是集中成片的贫困区,很久以来不为广大游客所知。

红层地貌分为丹霞地貌、红层山地、红层丘陵、红层高原等类型。在我国红层的岩性构成中,软弱的粘土岩和泥质粉砂岩一般形成低缓的红层丘陵;而形成丹霞地貌的通常是那些坚硬的砾岩、砂砾岩和砂岩,并受新构造运动强烈抬升的红层(彭华, 2011)。如此看来,本文用“丹霞”笼统表达武陵山区红层(以软弱的泥质粉砂岩为主)不够严谨,准确说用红层地貌更为确切,在此提醒读者朋友注意。

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(二)地质地貌,有何特点

什么样的条件才能形成丹霞地貌?武陵山区丹霞的地质条件又有什么特点和规律?

丹霞地貌一般是由红色砂砾岩在水的作用下,沿垂直节理面不断侵蚀、搬运、磨蚀、风化后形成的一种独特地貌,形成主要需要满足4个条件(刘泽东,2017):

1)一般应发育在红色碎屑岩系中,岩性以陆相盆地沉积的红色、紫红色砂砾岩为主,夹火山碎屑岩、泥岩等。

2)形成丹霞地貌的岩层产状平缓且岩层厚度大,一般岩层倾角小于10°;

3)丹霞地貌区一般有区域构造运动作用。地层受区域断裂作用和间歇式的地壳震荡抬升,形成网格状垂直节理,地面流水沿节理下切并不断扩大,于是形成丹霞地貌。

4)热带亚热带湿润气候区通常容易发育丹霞地貌。在气候湿润地区,雨水充沛,地面流水加速了对岩层裂隙及节理的切割和溶蚀作用,从而形成大量形态独特、景色壮观的丹霞地貌景观。

在南方因雨量较充沛,丹崖上近水平薄层软岩的风化岩槽与近垂直节理的侵蚀悬沟互相交织,形成方形网状槽、沟系统,槽、沟之间则形成方形凸块,使整个岩壁形成窗棂状,如广东丹霞山周田第一二蜡烛山、茶壶山所见。风化片状剥落,将丹霞地貌的棱角浑圆化,形成许多浑圆状丹霞地貌。崖顶及崖麓崩积缓坡,常林木茂密,形成“丹崖绿树,飞瀑清流”的秀丽景色(黄进,2015)。

丹霞所在的红层一般发育在内陆盆地和湖泊环境,所以其沉积特征在粒度上呈现出一定的规律,红层盆地边缘往往堆积巨厚的洪积相混杂泥砾,往中心渐变为洪、冲积砾岩、砂砾岩、砂岩、湖积细砂、粉砂岩等。可能的原因是这些物质最初来源于古盆地周围的高地,边缘地带最先接受沉积,粒度较大,而粒度较小的物质可以被搬运到盆中。由此可以看到,丹霞地貌主要发育在红层盆地边缘,譬如建始盆地边缘的朝阳观、恩施盆地西北边缘的龙麟宫。

从垂向上看,盆地外围岩石粒级的变化很大,常常表现为互层状,即砾岩、砂砾岩交互成层,夹砂岩;或砂砾岩、砂岩为主夹砾岩或夹薄层粉砂岩、泥质岩(图2.1)。而接近湖盆中心的细碎屑堆积区,岩性的垂直变化一般较小。相对说来,河流淡水沉积、泥砂胶结或硅质、铁质胶结的砾岩和砂砾岩比较坚硬;而盆地中心沉积的粉砂岩、泥质岩所含的可溶性物质较多,透水性较差、含水较多, 因而比较软弱(彭华等, 2003)。

然后并非所有的红层地质都稳定均匀,实际上也有一些“异常”现象,譬如在来凤盆地的红色泥质粉砂岩中可以见到一些白色的膏盐(图2.2),在建始盆地和恩施盆地的边坡开挖面、钻探岩芯上可以清晰看到一些断层(图2.3)。这些“异常”现象可能指示古环境变化,构造运动,也一定程度会影响到工程性质,如岩土腐蚀性、岩体膨胀性、岩体破碎程度等。

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(三)工程性质,好坏如何

丹霞地貌区的红砂岩强度如何?武陵山红层工程性质如何?是不是都适合做地基?

武陵山区北部的恩施盆地红砂岩分布在清江河谷两侧,地形地貌低山丘陵为主。该盆地的红层岩性以泥质粉砂岩、细砂岩为主,形成于白垩纪时代(1.45亿年~0.66亿年前)。肖尚德(2016)曾按固体颗粒、胶结状况将该盆地的红砂岩分为两大类:一类为胶结较差的棕黄色厚层泥质粉砂岩,一套为胶结较好的棕红、紫红色中厚层粉、细砂。二者力学特性差异较大,天然状态下,前者平均强度为1.8~5.4MPa,后者平均的强度10.8MPa,前者明显低于后者。在样品加水饱和后再施压,所测得饱和强度均有一定程度下降,软化系数分别为0.82~0.960.75。一般小于等于30MPa的叫“软岩”,大于30MP的叫“硬岩”。说明该盆地的红色泥质粉砂岩均为软岩,而且岩石强度越高,含水量的变化对岩石力学性质影响越大。实际上,根据笔者在该地区工程勘察所采取的岩石样品实测数据,饱和状态下岩石强度从3~35MPa都有。可以总结,在武陵山区红层盆地泥质粉砂岩大部分为软岩(红层丘陵区),而盆地边缘的砾岩多为硬岩(真正的丹霞区)。

相比之下,福建泰宁的红砂岩干燥时强度最高达140MPa,江西龙虎山丹霞的红砂岩干燥强度可达50MPa(朱诚等,2015);宜昌的白垩系红砂岩天然状态下单轴抗压强度也有超过110MPa的(贾海梁等,2018)。武陵山区的红砂岩强度低一些,成岩程度、胶结程度也稍逊一筹。

另外,红层砂岩具有遇水易崩解和软化的不良特性,红层崩解与其所含的有亲水性粘土矿物密切相关。呈极性的水分子和水化阳离子极易进入矿物颗粒之间,并在其表面形成水膜,从而削弱颗粒间的联结力,导致粘土矿物膨胀和收缩,宏观上便引起岩石的开裂。在干湿循环条件下,亲水性矿物不断地吸水膨胀和失水收缩作用促进裂缝连通,促使岩石破裂碎化,形成红层的渐进崩解,这一过程具有不可逆性(彭柏兴,2006)。

一般这些红色的石头在保证安全余地的情况下,能盖多高的楼呢?在恩施盆地工程师们提的地基承载力参数建议值,无不良地质结构时,在不作任何地基处理情况下,采用整板基础(筏板)可以盖30~60层的高楼不发生明显沉降。当然,目前在武陵山区城市鲜有超高层建筑(30层或100以上)。北京建筑院孙宏伟、上海岩土勘察院尹骥博士、湖南勘测院彭柏兴都对此类红层砂岩的房屋地基承载力(长沙为主)做过现场试验,发现实测的承载力比以往经验和规范建议值都要高一点。在这种红层砂岩开挖隧道也相对容易,通常工程师们将隧道围岩划到中等好(泥质粉砂岩Ⅲ级,砾岩Ⅱ级左右,一共有6级),在10米跨度内初期基本不需要强支护就能顺利掘进,建始的朝阳隧道、恩施的许家坪隧道可能都是如此。如此看来,这些红色岩石还有很大利用潜力可挖,可以盖更高的楼,修更宽的隧道(图3.1)。

那么,是不是所有的红层砂岩都稳定、坚固呢?都适合盖高楼呢?当然不是。曾经就有工程师忽视红砂岩中先天存在的不利地质结构(如断层、裂隙、含软弱夹层等)和裂隙水,造成工程变更和事故,带来投资增加和安全风险。例如,在恩施盆地较软的红色泥质粉砂岩(饱和单轴抗压强度15MPa~30MPa)中夹有几米至十几米厚的极软弱灰白色泥质粉砂岩(3~5MPa)(图3.2),这个灰白色极软岩不请自来,遇水后极易崩解和软化,地下水稍丰富时,泡在水中很快被机械扰动成砂泥糊。如果在勘察阶段识别错误或漏掉这个夹层,房屋基础按红层砂岩设计落在这个地层上就可能造成风险。还有的边坡开挖很陡,也未做护坡措施,但红层砂岩抗风化能力弱,内部可能还存在一些裂隙,导致卸荷后崩裂,严重的造成崩塌引发安全事故(图3.3)。红层砂岩隧道的主要病害在地下水的处治方面,如恩施许家坪隧道因为水害导致路基翻浆严重,封闭多日进行修复。所以在武陵山丹霞地貌区工程勘察设计中,不能掉以轻心,固然大多时候面对其相对稳定的一面,但也会遇到内部隐蔽性很强的不利地质结构,需要特别注意。

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(四)建设剧增,红层渐少

武陵山区丹霞为何越来越少?什么时候会被挖完?有保护起来的价值吗?

武陵山区是我国三大地形阶梯中的第一级阶梯向第二级阶梯的过渡带,是云贵高原的东部延伸地带,平均海拔高度在1000左右。武陵山区以武陵山脉为中心,以土家族、苗族、侗族为主体的湘鄂渝黔四省(市)毗邻地区,总面积11万多平方公里,总人口为2300多万人。本区域集革命老区、民族地区和贫困地区于一体,是跨省交界面大、少数民族聚集多、贫困人口分布广的连片特困地区。

武陵山区境内有许多著名的喀斯特地质景观——重庆武隆天坑、奉节大天坑、恩施大峡谷、利川腾龙洞等,也有闻名于世的张家界世界地质公园——石英砂岩峰林。由于其特殊的地理、地形、地质背景条件,导致武陵山区可供开发的土地资源紧张。然而恰似天造地设,有许多红层盆地散落在山区之中,随着人类选择性迁徙,许多城市便在这些红层盆地应运而生。在2010年之前,这些红层盆地的城市发展总体缓慢,城市扩张面积也十分有限,在城区可以看到很多赤壁陡崖和红层丘陵。不过此时已经有人意识到城市飞速扩张的大火即将烧到武陵山区,于是邓斌在201112月撰写《三山鼎立卫丹霞——恩施城区的丹霞地貌需保护》一文,呼吁政府层面出台相关规划,积极保护城区丹霞地貌。然而岁月无情,随着城市基础设施建设的迅速发展,特别最近十年,这些红层山丘一个个被挖走(图4.2)。到这里的游客大多只记住了附近的高山峡谷,少有人会知道埋藏在高楼基础之下的曾是红层山丘。

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这些红色丹霞山丘什么时候会被挖完?十年?还是二十年?我想没有人能精确回答。因为在这片基建狂热的土地上,红层山丘消失的速度不仅与经济发展有关,还与政策变化有关,譬如城市规划的调整,环境保护的提高等。武陵山区交通闭塞,贫穷落后,当地城市需要建设发展,附近的资源也需要适当保护。并不是一味的全部保护,也不是全部用作开发建设,而是要结合具有先进理念的城市规划,在建设中选择性保护,将部分典型的、具有科普和休闲价值的区域建设成丹霞公园。

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结束语:

武陵山区丹霞地处喀斯特地区一座座盆地之中,相比灰岩的岩溶不良地质作用,相比平原地区冲洪积地层的软弱不均,红层砂岩拥有更稳定的的工程特性,基本能满足工程建设要求。尽管丹霞在全国范围内分布广泛,但武陵山区主要为灰岩喀斯特地貌,而城市建设需要不得不挖走这里的一座座丹霞山丘,填满无数沟壑。或许有一天武陵山区丹霞山丘与沟谷都会消失,但请不要忘记这些红层盆地的名字:恩施盆地、建始盆地、来凤-龙山盆地、沅麻盆地等。或许它们没有四川盆地知名,没有塔里木盆地富有,也没有鄂尔多斯盆地传奇,但它们为武陵山区摆脱贫困提供了宝贵的土地资源。

武陵山的喀斯特与丹霞,相辅相成,前者造就了举世瞩目的大天坑、大溶洞和大峡谷,带来了丰富的旅游资源,后者为基础设施建设提供了稳固的地基,可以把房子盖的更高,让马路修的更宽,让更多的游客来到这里。

武陵山丹霞——造无数城,大隐于世,渐渐消失。

 

说明:

国内对丹霞地貌学研究比较系统的主要有中山大学黄进教授、彭华教授(已故)、南京大学朱诚教授等;对红层工程地质和灾害防治较为深入研究的有中山大学周翠英教授、湖北地质环境监测总站肖尚德博士等;丹霞科普关注程度比较高的有中国地质科学院地质研究所苏德辰研究员、中国地质大学(武汉)脚爬客团队等。文中部分资料引自以上专家和团队学术成果,文中未能一一注明,在此特别致谢!

当然,还得谢谢孙总提醒,不然这篇博文至少不会在今年能写出来。

最后,文中用词可能比较混乱,地域也时有扩大,不尽如人意,只能以后修订完善了。

 陈仁全,2019.6.4晚



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