論冰磧石的形態特征及其與泥石流石的區別

周尚哲

（華南師范大學 地理科學學院，廣東廣州 510631）

0 引言

冰川沉積與泥石流沉積同屬于混雜堆積，最不易分辨。由此往往造成誤判，導致南轅北轍的成因認識及環境結論。這種情況在中國尤為嚴重。中國東部中低山地與丘陵地帶處于濕潤季風區，降水豐沛，風化強盛，徑流活躍，泥石流是這些地區主要的地質地貌現象，其堆積廣泛。混雜堆積中，礫石的形態與表面特征是判別其成因的關鍵證據，李吉均先生曾就冰磧石的形態和表面特征發表文章［1-2］，對糾正我國東部中低山地的“泛冰川論”的錯誤觀點發揮了非常重要的作用。近若干年以來，將泥石流堆積判定為冰磧物的文章仍時有發表，表明誤解仍然存在。筆者長期留心冰磧石及疑似沉積中的礫石形態，現結合國際上研究進展，在球度特征和圓度特征的基礎上，做進一步探討。

1 冰磧石三軸比例特征（球度sphericity）

球度指三軸長度互相趨近的程度。冰磧石的三維尺度有一定的比例范圍。這是因為無論是巖壁上寒凍風化作用產生的巖屑，還是冰床上由冰川拔蝕作用產生的巖屑，當其進入冰川經過冰床或冰川剪切面（積極流路，active transport path）上的強力碾壓和磨蝕作用，薄塊巖屑容易破碎［3］，長條的巖屑容易折斷，最終成為三維尺度互相接近的塊體。巖屑的長、寬、高三維尺度通常用a、b、c來表示，可用三角圖來表明巖屑的三維形態（圖1）。

圖1中頂端為正方體塊體（球度最高），左下角為片狀體，右下角為長條體（二者球度最低）。左邊的數值c：a為高長比值，右邊數值b∶a為寬長比值，下面（a－b）：（a－c）稱為盤條指數DRI（disk-rod index）。野外研究一般在劃定的范圍隨機取樣50塊進行測量統計。西方學者測量表明，冰磧石參數值集中分布于三角圖0.4～0.8范圍內［5-7］（圖2）。研究中，c：a≤0.4部分的百分數被稱為C40值，是區別冰磧石和其他巖屑的標志。冰磧的C40值很低，而其他巖屑的C40值很高。而且，由于寒凍風化和冰床上產生的正方體形態巖屑較少而薄片和長條狀的較多，故而冰磧石形態又多分布于靠右邊區域。說明，冰磧石形態對巖屑初始形態有一定的繼承，其易受損失的部分打磨掉之后趨于一種力學穩態形體。巖屑初始形狀與巖性也有一定關系，塊狀結晶巖（如花崗巖、片麻巖、輝長巖等）容易形成三軸長度趨近的高球度。

圖1 礫石幾何形態三角圖Fig.1 Triangular diagrams for clast shapes

圖2 挪威Jotunheimen冰磧與巖屑堆沉積三角圖和圓度數據直方圖［7］Fig.2 Shape and roundnessdate for till and scree deposits in Jotunheimen，Norway［7］

2 冰磧石的圓度特征（圓度roundness）

圓度是指礫石表面局部磨圓的程度。冰川作用除了能使巖塊的宏觀三軸尺度互相趨近達到一定球度外，還能使其外形產生獨有的圓度特征。圓度定量化指數概念是用Wentworth-Cailleux圓度指數2 000r/a（r為礫石最尖銳處的曲率半徑，a為礫石長軸）來表達的。Barrett［8］曾用一副圖示意Wentworth-Cailleux的圓度概念（圖3）。實踐中，一塊礫石上不同部位的r值測定既麻煩又困難，此方法很少被應用。

從圖3可以看出，圓度（roundness）這個術語針對的是一塊礫石的局部形態。越是尖銳的部位，其圓度指數越小。這幅圖將一塊巖屑可能演變的三種狀態疊合一處解釋了圓度概念，由此形成一套目測方法。有學者研究規定了磨圓指數分級，即將圓度分為6個特征明顯的等級（表1）。

圖3 礫石輪廓（重實線）及其形態要素（輕實線，兩條接近線條）圖。虛線圈為圓度，點圈為表面結構［8］Fig.3 A particleoutline（heavy solid line）with itscomponent elements of form（light solid lines，two approxi-mations shown），roundness（dashed circles）and texture（dotted circles）identified［8］

表1 礫石圓度分級（據Benn［7］和Powers［9］）Table 1 Classes of Gravel roundness（modified from Benn［7］and Powers［9］）

圓度特征與其成因的關系非常密切。如寒凍風化產生的巖屑一般帶有尖角利刃，屬于角刃狀；經過河流長途搬運的礫石則趨于圓化。這兩種礫石的特征是一目了然的。經過冰川作用的礫石則棱角鈍化乃至磨出擦面，屬于次棱角狀和次圓狀。圖2每個三角圖又附以柱狀圖表示礫石圓度統計情況及其成因，前4個為冰磧石，后4個為巖屑堆礫石。表明冰磧樣品中的礫石，尖利和棱角狀幾乎為零，100%為次棱角狀和次圓狀。而巖屑堆礫石形態，則主要由棱角狀和尖利狀構成，次棱角狀的很少，不存在次圓狀。冰磧石與巖屑堆礫石可謂涇渭分明［5-7］。巖屑如果不進入冰川內部，則會一直保持初始形態。但在冰舌表面，也會有一定比例的剪切面上出露的冰磧石混入。

3 冰磧石形態的形成

冰磧石的“原料”主要是寒凍風化和冰川拔蝕產生的巖屑。冰川改造巖屑是在冰床或剪切面上進行的，因為只有在這兩種界面上才發生剪切運動，上下接觸的巖塊才會受到強力碾壓和磨擦。結果，巖屑尖角利刃不復存在，成為由次棱角和次圓多擦面構成的形體。因此，次棱角與次圓狀便成為冰磧石的主要形態特征。冰磧中偶爾能發現很圓的小卵石，如在崗日嘎布山的來古冰川、貢嘎山海螺溝冰川末端的冰磧物中均有發現，貌似經過長距離的河流搬運。但冰下河流一般出現在平衡線以下的消融區，距離較短。所以，這種卵石必定與冰下河道的漩渦流有關，小礫石沖入其中被冰水驅動快速旋轉而成。偶爾也發現有帶擦面的卵石，這必定是先磨圓，后被帶到剪切面或冰床磨擦的結果。冰下河道沉積屬于冰水沉積，冰退后保留于河床上，而大部分被搬運至終磧外圍沉積，形成冰水平原、冰水扇。冰磧與冰水接觸的部位會有冰磧石與流水作用改造的石頭混雜一起。冰磧石，尤其是長度較長冰川形成的終磧中的冰磧石，以次棱角和次圓狀為主，其中也會有大量帶有擦面擦痕（細砂巖最易形成和保存）更具鑒別價值的冰磧石。構成冰磧物的物質，還包括散落冰面而未進入冰體的巖屑和進入冰體而未帶入剪切面和冰床的巖屑，這兩種巖屑均會保持尖角利刃的原始形態。

礫石圓度是在球度基礎上進一步“加工”的結果。次棱角指的是“棱角磨損而面未磨損”，這種磨損即所謂的“鈍化”，是將尖角利刃改造為角度大于90度的鈍棱鈍角。其作用是將巖屑相對薄弱的部分盡皆“削刪”。次圓指的是“面和棱角俱已磨損，但仍清晰可辨”，即鈍化后又有了初步的磨平。但是，這樣形成的鈍棱鈍角還是顯得比較粗糙（圖4），這是冰磧石形態非常關鍵的特征，因此也是有鑒定價值的重要標志。冰磧石上得以保留的所謂的貝殼狀斷口、新形成的鋒刃以及裂而不散等現象，應當主要形成于接近冰川末端的區域，之后已無機會被繼續改造就脫離了冰體。總而言之，經過冰床和剪切面造就的冰磧石，其表面形態構成要素為：磨損的棱角、磨擦的面、擦痕。那些雖經歷冰面或冰內搬運但卻毫發無損的巖屑，不能稱作冰磧石，不具備鑒定價值。

圖4 來古冰川前端的花崗巖冰磧石（筆者拍攝）Fig.4 The glaciated granite stones from the Laigu Glacier（photographed by author）

4 冰磧石與泥石流石辨識

與冰磧石相比，泥石流石的“原材料”來源比較廣泛，如物理風化、化學風化、生物風化、滑坡、崩塌等地表過程產生的松散物質，在古冰川與現代冰川作用區的冰磧物也是其“原材料”。作為不同性質的搬運介質并具有懸殊的運動速度，冰川的受力過程是緩慢的，泥石流的受力過程是瞬間的。

黏性泥石流爆發后作層流運動，大石塊懸浮于表層。稀性泥石流則呈紊流運動，大石塊多為推移質。故后者在搬運過程中，礫石互相碰撞和接受磨擦的機會較前者更多。泥石流一般流程較短，在高頻度翻滾的過程中不斷改造巖屑的形態，提高其球度和磨圓度。劇烈的撞擊同樣會使片狀體和長條體巖塊破碎、折斷而趨于球度更高。有學者選取34條泥石流溝進行圓度研究，采用了Powers提出的磨圓度法，得出低頻山洪泥石流石主要由次圓和圓礫石組成，中、高頻泥石流石主要由次棱角和棱角狀礫石組成的結果［10］，此文獻作者的解釋是，低頻山洪泥石流混雜有較多休眠期溝床流水磨圓的礫石。這樣看來，泥石流堆積中礫石的形態較多樣化。圖5為山東蒙山峨峪口溝床礫石與較早混雜沉積礫石的球度三角圖與圓度柱狀圖，顯示其低球度礫石多于冰磧，溝床礫石中也存在少量磨圓成分，對多樣化形態略有顯示。但磨圓度仍以次棱角狀和次圓狀為主。

圖5 山東蒙山溝谷礫石的球度與圓度Fig.5 Triangular diagram for sphericity and roundness of stones in Mengshan，Shandong Province，for valley bed stones at Eyukou（a）and for stone dike at Eyukou（b）

冰磧石和泥石流石的形成機制和過程不同，前者是固體介質界面碾壓、磨蝕造就，后者為液態介質中滾動、撞擊所成。野外觀察，二者的區別顯著。在球度與圓度的基礎上，筆者在此就更加細微的特征與同行作進一步探討。這些特征包括外接圓特征、粗糙度特征和形態-體積特征，這些特征應是磨圓度概念的應有之義，單獨提出來強調一下，將有助于區分冰磧石與泥石流石。

4.1 外接圓（或外包圓）特征

次棱角和次圓狀的冰磧石，雖然局部被改造成鈍棱鈍角，但各部分的曲率及其曲率半徑與礫石的三軸長短不存在關系。然而，次棱角和次圓狀的泥石流石，其棱角磨圓顯示大致趨同的曲率，若將它們連接起來，就可能形成一個具有同一曲率的圓球，且其曲率半徑必然在三軸半徑尺度上。這表征泥石流石（尤其稀性泥石流）作為推移質在輸移過程中的翻滾機制。由于翻滾隨機調整方向，最終形成以a－c半軸為半徑的曲率。同一塊礫石不可能存在各磨蝕棱角曲率半徑小于半c軸的情形。泥石流石的這個特征不可能存在于冰磧石上。將很圓的礫石判定為冰磧石［圖6（g）、（h）、（i）］，屬于明顯的錯誤。但值得注意的是，在泥石流堆積中，大礫石局部磨圓的情況也普遍存在，不一定符合外接圓特征。這是其在搬運過程中被臨時性阻滯于溝床，局部接受被動磨圓所致。因為一定規模的泥石流，必定有其動力上限，質量超過動力上限的巨石，便不能被一次性搬運，但它們最終也會加入到終端堆積中去。另外，泥石流堆積中，帶有破裂面的礫石更加普遍，表明其運動過程中撞擊的猛烈程度。這些現象都是容易被識別的。所以，礫石棱角的外接圓特征無疑是冰磧石與泥石流石的重要區分標志之一。

圖6 典型冰磧石與泥石流石（溝床石）外接圓特征Fig.6 The external circular feature for typical glaciated stones and stones in debris flow Glaciated stones：from Milashan pass，Tibet（a），from terminal of No.1 glacier of headwater of Urumqi River（b），from Elashan Pass，Qinghai（c），from Iceland［3］（d）；Debris flow stones：from Fengxivalley of Conghua，Guangdong（e，f），a false glaciated stone in Lushan Quaternary Glaciation Exhibition Hall（g），false glaciated stones［11］（h，i）

4.2 粗糙度特征

同為受過磨擦的面，泥石流石的光滑度顯然要比冰磧石的高，由此應引入粗糙度（即光滑度）的概念。材料學關于粗糙度的定義有三個參數，分別為Ra、Rz、Ry，分別用以表示表面一定長度內5個峰之間的輪廓偏距絕對值的算術平均值、5個峰與5個谷的平均振幅、最高峰和最低谷之間的幅度，單位通常為μm。粗糙度200μm以下的肉眼難以分辨。冰磧石表面粗糙度都在肉眼能分辨的范圍內，而水動力磨圓的礫石，完全可達到肉眼不能分辨的光度。故而泥石流石與冰磧石的粗糙度既可用肉眼進行區別，亦可用手觸摸加以區分。圖6中的泥石流石表面的光滑程度，非冰磧石所能比擬。礫石表面光滑程度是泥石流粘稠度與搬運距離的函數，越是稀性且搬運越遠的泥石流，其礫石表面粗糙度會越低（光滑度越高）。所以表面粗糙度也應是礫石成因鑒別的重要標志之一。

4.3 圓度-體積特征

野外觀察一般可以得出：泥石流石的圓度與其體積呈反比，有越小越圓的趨勢，是因為搬運同樣的距離，小礫石滾動的頻次更高。受冰體裹挾的礫石，無論大小，翻滾的頻次都很低，故其圓度與體積不存在上述關系。此外，泥石流爆發會將溝床中經過磨蝕的石塊卷入其中，故泥石流堆積中的礫石形態往往具有多樣化，各種球度和磨圓度的礫石可同時存在。這些多形態組合特征要比冰磧石的豐富。

5 結論

冰磧石的鈍棱鈍角不具有趨同的曲率，也不具有同一的曲率半徑。相反，泥石流石的鈍棱鈍角表面具備趨同的曲率特征且其曲率半徑必然在三軸半徑尺度上；冰磧石的鈍棱鈍角仍具有較高的粗糙度，即使擦面也不會像卵石表面那樣光滑。而泥石流沉積中會存在較多帶有光滑表面的礫石；冰磧和泥石流沉積中都會存在原始巖屑，有時甚至占很大的比例，但它們本身不具備鑒別冰磧物與泥石流沉積的價值；同一套泥石流堆積中，其礫石磨圓度有越小越圓的趨勢，礫石形態構成具有多樣化，冰磧物中的礫石不具備這些特征；如果在一套混雜堆積中找不到一塊具有典型形態和表面特征的冰磧石，且存在高比例水動力磨光的礫石，則該混雜沉積就不能判定為冰川沉積。這些形態特征與冰川擦痕、顫痕應當是冰川與非冰川沉積物識別的重要標志，與其他沉積學特征綜合考慮，或許能更大程度地避免誤判。

謹以此文，紀念李吉均先生！

致謝：感謝王乃昂教授、李卓倫教授及謝金明博士給予的支持和幫助。