寧夏火石寨巖石巖性特征及其對丹霞地貌形成的影響

陳 偉，張天文，何立軍，職榮軍

(寧夏回族自治區礦產地質調查院，甘肅 寧夏 750021)

0 引 言

中國丹霞地貌發育，主要分布區域可劃分為東南、西南、西北3個片區(李東興等，2019)，以南方居多(楊帥等，2017)。關于丹霞地貌的各類研究多聚焦于亞熱帶濕潤區域的東南和西南地區，對西北干旱地區丹霞地貌的研究相對不足(保廣普等，2019)，且多為定性研究。寧夏西吉火石寨丹霞地貌屬于西北片區，發育較為典型，通過試驗對火石寨的巖石巖性特征進行定量化研究，并分析其對丹霞地貌形成的影響，以豐富對西北干旱地區丹霞地貌成因的研究和認識。

1 區域概況

1.1 自然地理環境

火石寨風景區位于寧夏西吉地區北部，地處黃土高原溫暖半干旱氣候區，是典型的溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大，年平均氣溫為12.7 ℃，年降水量在400 mm左右。

1.2 地質背景

寧夏火石寨地區的構造位于六盤山北段，區域上出露地層以白堊系六盤山群為主(表1)，總體呈北西—南東向展布(王成等，2017)。

1.3 地貌特征

火石寨丹霞地貌位于寧夏月亮山—南華山—西華山—六盤山南西列弧形山地北中段，靠近月亮山主脈東端(劉錚等，2007)，海拔在1 960～2 450 m之間，相對高差大，具典型的“頂平、身陡、麓緩”形態特征(圖1a)，造型景觀以石城和掃竹嶺最富特征。火石寨地區及其外圍崖壁多發育扁平狀洞穴(圖1b)和順層凹槽(圖1c)。

2 材料與方法

對寧夏火石寨景區及其外圍進行野外調查，采樣重點是造型景觀豐富的掃竹嶺區域內發育的崖壁，主要使用便攜式工程鉆機通過水鉆法進行巖芯取樣，共采集各類樣品4組44件(表2)，第一組樣品(AC1)采自順層砂巖凹槽，第二組樣品(AC2)采自順層礫巖凹槽，第三組樣品(AC3)采自扁平洞穴，第四組樣品(DY1)采自礫巖崖壁，每11件樣品為1組進行干抗壓試驗、濕抗壓試驗、凍融后抗壓試驗(表3)、薄片鑒定(表4、圖2)、全巖氧化物含量測定(表5)。對砂巖和礫巖塊體樣品分別進行干抗壓試驗、濕抗壓試驗和凍融后抗壓試驗，目的在于比較雨量較少的干燥氣候、雨量充沛的濕潤氣候以及凍融交替環境下砂巖和礫巖抗壓強度的差異。單軸抗壓強度試驗按照規范《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266—2013)的相關規定，全巖氧化物含量使用電感耦合等離子體發射光譜儀(ThermoFisher iCAP-6300)進行測定。根據試驗結果對火石寨地區丹霞地貌巖石的巖性特征進行量化分析，討論對火石寨丹霞造景地貌形成的影響。

表1 火石寨區域地層簡表Table 1 Brief stratigraphic table of Huoshi Village

圖1 火石寨丹霞地貌類型(a) 石城地貌；(b) 掃竹嶺丹霞崖壁與洞穴；(c) 順層砂巖凹槽Fig. 1 Types of Danxia landform in Huoshi Village(a) Stone Town landform;(b) Danxia cliff and cave at Saozhu Ridge;(c) Bedding sandstone grooves

表2 火石寨各類試驗樣品的數量Table 2 Quantity of various test samples from Huoshi Village

3 結果分析

3.1 巖石抗壓試驗結果分析

表3中巖石抗壓數據顯示出下列特征。

同一地貌同一采樣點，無論是形成凹槽的砂巖、礫巖，還是形成洞穴和崖壁的礫巖，其抗壓強度均呈干式>濕式>凍融后的特征。

軟化系數顯示AC1的砂巖和AC2的礫巖受水影響程度較小，AC1的砂巖和DY1的礫巖受水的影響程度中等。

凍融后的抗壓試驗中，AC1的全部砂巖樣品和DY1的1件礫巖樣品經凍融試驗后直接崩解，巖石凍融系數顯示AC2、DY1的礫巖樣品抗凍性較低，AC3的礫巖樣品抗凍性較高。

表3 火石寨巖石樣品抗壓強度測試結果Table 3 Compressive strength test results of rock samples from Huoshi Village

表4 火石寨巖石樣品薄片鑒定結果Table 4 Identification results of thin sections of rock samples from Huoshi Village

圖2 火石寨巖石標本鏡下照片(a) AC1砂巖(100× 單偏光)；(b) AC2礫巖(12.5× 單偏光)；(c) AC3礫巖(25× 單偏光)；(d) DY1礫巖(25× 單偏光)Fig. 2 Microscopic photos of rock specimens from Huoshi Village(a) AC1 sandstone (100× monopolarized);(b) AC2 conglomerate (12.5× monopolarized);(c) AC3 conglomerate (25× monopolarized);(d) DY1 conglomerate (25× monopolarized)

表5 火石寨巖石標本氧化物含量測定結果Table 5 Determination results of oxide content in rock samples from Huoshi Village

不同巖性類型之間，AC1的砂巖干抗壓強度最小，濕抗壓強度也較小；AC2、AC3的礫巖各類抗壓強度顯著大于DY1的礫巖。

3.2 巖性薄片鑒定結果分析

巖性薄片鑒定結果(表4)顯示，火石寨地區發育丹霞地貌的三橋組(K1s)中，礫巖主要由酸性火山巖礫石及巖屑組成。膠結物為鈣質、鐵質膠結物：鈣質膠結物較多，質量分數在10%～20%之間，主要為方解石，以他形粒狀充填于碎屑粒間；鐵質膠結物質量分數多在5%左右，主要為褐鐵礦、赤鐵礦，且緊挨碎屑分布，形成時間早于鈣質膠結物。

巖石總體次生變化較強，斜長石多發生次生泥化。砂巖樣品巖石壓實作用較強，結構十分致密。巖石次生變化較強，斜長石次生泥化較強。膠結物主要為鐵質，質量分數在25%左右，膠結物沿碎屑粒間充填。

3.3 全巖氧化物含量分析

巖石全巖氧化物含量測定結果(表5)顯示：三橋組(K1s)砂巖和礫巖中SiO2、Fe2O3、CaO含量差異較大，Al2O3、K2O、Na2O、MgO含量差異較小。其中，SiO2質量分數較高，在52.86%～66.82%之間；砂巖中CaO、Fe2O3含量較高；SiO2與CaO含量呈一定的負相關。

4 討 論

自早侏羅世開始，研究區氣候由干旱炎熱逐漸轉變為溫暖潮濕。早白堊世以后，在燕山期褶皺隆起帶前緣開始發育一系列類前陸盆地與坳陷盆地，其中六盤山盆地早期表現為前陸盆地和一些山間凹陷盆地，沉積了三橋組沖積扇相和辮狀河三角洲相粒度較粗的礫巖、砂巖、紅色碎屑巖建造，為火石寨地區丹霞地貌的形成提供了地層基礎；早白堊世末，經燕山運動Ⅲ幕，類前陸坳陷盆地褶皺開始隆起。晚白堊—古新世，六盤山及其周緣地區處于構造平靜、整體抬升剝蝕期，開始接受殼表外動力地質作用的刻蝕。上新世末，喜馬拉雅運動Ⅲ幕表現強烈，隨著青藏高原的隆升及其遠程效應的影響，自南西而北東推擠，發生陸內造山作用，形成青藏高原東北緣寧南弧形擠入推覆構造帶和盆-山構造地貌，所以六盤山亦被稱為“中國最年輕的山地”(楊紅星，2016)。

構造隆起，不僅地震活動頻繁，而且有外動力的強烈侵蝕剝蝕，導致典型丹霞地貌發育。第四紀以來，六盤山北段曾經被黃土覆蓋過，但在上覆黃土被剝蝕之后，該處的丹霞地貌曾被風、水與重力作用等“修飾”，演變成為現在的地貌。

(1)天然與飽和狀態抗壓試驗結果顯示：無論是砂巖還是礫巖，干抗壓強度總是大于濕抗壓強度，說明在多雨和飽水期，巖體更易發生破裂和崩解；礫巖的干抗壓強度均大于砂巖的干抗壓強度，說明砂巖的抗風化強度比礫巖低。所以，在上部巖石的壓力作用及外力的長期侵蝕下產生差異分化，相對抗壓能力弱的砂巖首先脫落，抗壓能力強的礫巖則仍然保留在原位(歐陽杰等，2009；陳姝等，2010；張廣勝等，2010)。砂巖的軟化系數最高，礫巖受水影響程度大于砂巖，說明在雨水浸潤條件下，礫巖的抗侵蝕力會顯著降低。

在凍融后的抗壓試驗中，礫巖的濕抗壓強度總是大于其凍融后的抗壓強度，且凍融后抗壓強度下降明顯；砂巖試件全部崩解開裂，說明凍融過程對巖石的影響較大。第四紀冰期和間冰期之間發生了多次強烈凍融交替作用，對凹槽的發育和巖石的風化崩塌有促進作用(呂文等，2009)。

崖壁的礫巖樣品(DY1)在野外采樣過程中易碎裂，因而難以采集到完整的巖芯，各類抗壓數據明顯低于凹槽和洞穴中的礫巖，原因可能在于崖壁長期遭受風化作用和降水侵蝕形成了較厚的風化層，鉆取的樣品非新鮮基巖。

(2)薄片鑒定結果顯示砂巖結構十分致密，膠結物全部為鐵質且含量較高，但野外采樣發現砂巖平行層理和垂直于層面的節理發育，基巖易碎裂崩解。礫巖中礫石含量較高，且主要由花崗巖組成，這些礫石經火山高溫作用，冷卻后其堅硬度和抗風化能力較高，膠結物既有鐵質也有膠結作用較強的鈣質方解石，與野外采樣時礫巖堅硬難以鉆取的現象一致。以上說明巖體的巖性和結構構造的差異是導致丹霞巖層差異風化和崩塌的重要原因之一。

(3)砂巖和礫巖的SiO2含量總體較高，提高了巖石的抗風化能力，這可能是火石寨丹霞地貌形成各種陡立崖壁的原因。砂巖的Fe2O3含量較高，與巖礦鑒定中砂巖膠結物為鐵質的結果相符。水平凹槽中砂巖和礫巖的CaO含量高于陡崖的礫巖，CaO含量較高易導致溶蝕作用的發生(呂文等，2009；韓艷等，2020)，使抗壓強度和抗風化能力下降，易引發巖石的破碎和崩塌。

5 結 論

(1)雨水浸潤和冷熱交替的凍融作用對成景地層三橋組(K1s)砂巖與礫巖的差異風化有顯著影響，均會導致巖石抗壓與抗風化能力降低，且對砂巖的影響較礫巖更顯著，對火石寨丹霞地貌中凹槽的發育和巖石的崩解有明顯促進作用。

(2)三橋組(K1s)地層巖石的巖性和結構構造的差異是導致丹霞巖層差異風化和崩塌的重要原因。砂巖雖然結構較為致密，且膠結物以鐵質為主，但碎屑物含量高，宏觀構造上平行層理和垂直節理發育，基巖容易崩解碎裂。砂巖干、濕抗壓試驗數據明顯低于礫巖，凍融試驗中試件直接崩解，總體抗風化能力較弱；礫巖中礫石的成分以花崗巖為主，巖石堅硬度較高，膠結程度較好，抗風化能力較高。在上部巖石的壓力作用和外力的長期侵蝕下，砂巖由于巖性相對軟弱，較礫巖更不穩定，易遭受侵蝕而剝落，這是構成火石寨地貌巖性之一的砂巖易被侵蝕和風化程度較高的主要原因。

(3)巖穴的形成原因復雜，巖溶作用、水解作用和崩塌作用是砂巖洞穴形成的主要原因，水平凹槽中的砂巖和礫巖樣品的CaO含量高于陡崖的礫巖，CaO含量較高易導致溶蝕作用的發生，致使抗壓強度和抗風化能力下降，引發巖石的破碎和崩塌，是火石寨丹霞地貌一系列水平凹槽和扁平洞穴形成的重要因素之一。