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花岗岩地貌多景观综合研究实例之三:剥离面理 精选

已有 7796 次阅读 2022-5-31 20:16 |个人分类:地学探讨|系统分类:图片百科

花岗岩地貌多景观综合研究实例之三:剥离面理

    2022年5月初,我主笔完成的一篇花岗岩表面多种地质构造综合研究论文终于正式发表了。见地质通报官网:

    吕洪波,浦津,高于. 2022.内蒙古赤峰召庙花岗岩表面的冰川壶穴、泄水槽、盐风化穴和剥离面理。地质通报,41(4):517—532.

    为了方便朋友们下载原文阅读,在此放上地质通报的原文网络链接:

            http://dzhtb.cgs.cn/gbc/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=20220401&flag=1&year_id=2022&quarter_id=4

    因为该文涉及四个主要问题,而这些问题国内地学同行研究得还很少,所以我用四篇博文将这四种地质景观介绍给国内同行和地学爱好者,也向爱好地质旅游的侠客们展示这些景观的魅力。已经完成的两篇博文是:

    第一篇花岗岩地貌多景观综合研究实例之一:山脊壶穴

                        https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=39040&do=blog&id=1337981

    第二篇:花岗岩地貌多景观综合研究实例之二:泄水槽

                        https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=39040&do=blog&id=1338508

今天发布的是:

    第三篇花岗岩地貌多景观综合研究实例之三:剥离面理

    由于论文篇幅有限,无法放太多的照片。本博文可以看作是对原文的补充,感兴趣的读者可以下载原文阅读。说起剥离面理,哪怕是地学研究者也都比较陌生。然而,当我们看到“层状”的花岗岩时,就会有疑问:

    花岗岩是酸性岩浆在地壳深处侵入后冷凝形成的岩体,本身并不成层。受地壳运动影响可以产生不同方向的断裂,将岩石切割成多边形块体,但不应该成层。那么,这些与地表起伏近乎一致的“层状”是什么现象?应该叫什么名字?它是如何形成的?下面先看看我在内蒙古、新疆和黑龙江拍摄的照片吧:

    上述照片所展示的地质构造就是剥离面理。下面就详细介绍剥离面理的特征和形成机制。

一、剥离面理Exfoliation的基本定义和特征:

        剥离面理(英文:exfoliationexfoliation joint)是发育于基岩表面之下与地形起伏变化近乎一致的大型节理,将岩块剥开成层状的板片,也叫层节理(sheet jointing)或洋葱构造(Onion structure)。剥离面理常见于花岗岩类(包括片麻岩和混合岩)露头上,节理间距从地表向下逐渐变大,从最表层的不足一厘米到深处的数米不等,影响深度最大可达百米。剥离面理的形成机制至今还没有完全弄清楚,比较流行的说法是卸载作用(Unloading)。然而,近年来的研究发现:剧烈的地表温变事件才是真正的原因。

        我本人最近二十多年的野外观察发现:

        第一、剥离面理虽然常见于花岗岩类岩石中,但其他岩石露头上也可出现。

        第二、在北方山体的剥离面理更加明显,向低纬度的南方有逐渐减弱的趋势,这一趋势与第四纪冰川地貌发育程度相关联。如:江西三清山花岗岩山区就基本不发育。

    第三、在最表层的花岗岩板片内部可见切割石英和长石颗粒的微细裂隙断断续续延伸,与宏观的剥离面理方向一致。

    我采集标本切割后磨制光面,可见微裂隙切割了石英和长石晶体颗粒:

二、剥离面理Exfoliation的英文定义

    我根据国际网站和相关地学词典中的介绍整理了一个简单的英文定义:

        Exfoliation, or exfoliation joint, is a physical weathering structure, in which large flat or curved sheets of rock are fractured and detached from an outcrop. These sheets may look like the layers peeled from a large onion and thus often called “onion structure” or “sheet jointing.”  

    翻译成中文如下:

    剥离面理exfoliation/exfoliation joint)是一种物理风化构造,导致岩石被切割成大型扁平或弯曲的岩片从岩石露头上裂开和脱落。这些岩片看上去像剥开的洋葱,因此也叫洋葱构造层节理

    我的学长舒良树教授(2010)在《普通地质学》(第三版第147页)中将这种构造命名为“层裂”,并造出一个英文的对应词汇“bedding fracture”。这个定名给人们带来明显的误解:以为花岗岩本来就成层,这个破裂是顺层分布的。鉴于南京大学地质学专业和这本《普通地质学》的影响巨大,十多年来“层裂”这个词汇在国内已经传播很广。然而,无论是中文的“层裂”还是英文的“bedding fracture”都不符合学术界的命名规范,词义上也相差甚远。我在这里与舒老师和同仁们进行切磋和讨论。

    作为后来者,我们无法抛开国际上早已公认的名称而自己另搞一套,否则我们无法与国际同仁进行学术交流。因此建议不再使用“层裂”一词,统一使用早已存在且公认的标准名称:剥离面理exfoliation/exfoliation joint)。

    我是国内地学同仁中研究花岗岩剥离面理最多的学者之一,从2006年起在研究论文和教材中一直使用“剥离面理”这个词汇,对应于英文词汇“exfoliation”,表示花岗岩露头上这种大型面状构造。我使用“剥离面理”这个名称主要考虑下述因素:

      英语单词exfoliationex-foliation两部分组成,ex-有“排除,外表…”之意;而“foliation” 在地质学中是“面理”。同时应注意,exfoliation在本义是“剥落、表皮脱落、剥离”。结合地质学中的意义,翻译成剥离面理”比较恰当。

    依照惯例,科学术语的使用应该坚持三个遵从:尊从原创、尊从本义、遵从专业。

    Exfoliation一词作为地质学专业词汇已经使用了一百多年了(见Gilbert, 1904),而且在国际地学界已获公认,因此后来者只能使用这个词汇,不能再造新词;Exfoliation这个词汇的本义(即常见语义)是“脱落”,即形容墙皮脱落、剥离现象;在地质学专业上是形容一种物理风化构造,表示岩石沿着地表起伏的方向裂开而剥落的现象。其主体(foliation)本身意指“页理、面理”,而前缀“ex”表示“排除”、“离开”、“外面”之意。我将该词翻译成“剥离面理”,在尊从原创的前提下,既遵从其本义,也符合地质构造的意义,是表示这一地质现象的最佳词汇。借此机会再次与国内同仁分享我的体会,也同时向大众推介“剥离面理”这个学术词汇。

    相关参考文献举例:

      吕洪波,任晓辉,杨超. 2006. 赤峰等地第四纪大陆冰川的地貌证据。地质论评,52(3):379-385.

      吕洪波. 2006. An outline of Earth Sciences (First edition). China University of Petroleum Press, 1-367.

      吕洪波. 2016. An outline of Earth Sciences (Second edition). China University of Petroleum Press, 1-506.

     Gilbert, G.K. 1904. Domes and dome structure of the High Sierra. The Geological Society of America Bulletin, 25 (1): 29-36.

 召庙花岗岩露头的剥离面理,从规模和形态上看,堪称国内该类地形的典型代表。根据作者观察,召庙花岗岩剥离面理具有下述特征:

 第一、与花岗岩山体地形起伏基本一致,与地表近乎平行,将均匀的粗粒花岗岩分割成弧形板状体。在山脊处向上凸,而在山谷处则下凹。

 第二、从地表向下节理间距逐渐变大,从地表的几厘米到深处的几米以上。

 第三、除了宏观的与地表近乎平行的剥离面理发育外,花岗岩板片内部也发育了方向一致的细微破裂,尤其是在地表露头附近更加明显,切穿石英和长石颗粒。上述特征也是剥离面理的共性。

 顺便提及的是:由于盐风化等造成的差异风化,山坡上残存着很多大岩块,常被人们误认为是漂砾,但实际上就是残存在剥离面理之上的岩块,本身没有位移,不能当作冰川搬运的漂砾看待。

    第四、在召庙花岗岩区至少存在着两期剥离面理:第一期为深处的大型剥离面理,比地表起伏和缓得多,而第二期叠加在第一期之上,与地表刃脊形态基本吻合或接近。

    第五、在全国范围内,北方的花岗岩露头基本上都发育剥离面理。其中以内蒙古赤峰北部大兴安岭一带(如:阿斯哈图石林、青山景区、召庙地区)发育最典型。在南方低纬度地区,如:从江西向南到广东一带,剥离面理发育程度越来越不明显。这为我们讨论其形成机制提供了重要的信息。

 需要说明的是,剥离面理的弧形特征有时会让初学者误认为是球状风化。然而,剥离面理与球状风化明显不同:

 第一、球状风化以化学风化为主,而剥离面理为物理风化。

 第二、球状风化受控于节理切割岩块的大小,规模一般以厘米或米计,而剥离面理与地表地形起伏一致,露头延伸从几十米到上千米不等,规模巨大。

 我们观察两张球状风化的照片,与剥离面理比较一下就理解了。

    在召庙花岗岩体出露区,剥离面理是最显著的宏观特征,而球状风化却不明显。

三、剥离面理形成的传统假设:卸载作用(unloading

    剥离面理自从被发现以来,其成因机理一直处于探索和争议中,直到近年来才有所突破。吉尔伯特(Grove Karl Gilbert, 1843–1918)于1904年率先注意到花岗岩穹隆地貌,并分析了其可能的成因:根据森林大火导致地表岩石膨胀破碎以及熔岩冷凝收缩破裂现象推测,美国约塞米蒂花岗岩穹状地貌应该与温度变化有关,但也可能与地表遭受侵蚀卸载岩石膨胀有关,而他更倾向于卸载作用unloading)。这种假设后来成为地学界的主流观点,以至于几十年后地质学词典和教材中仍然以卸载作用解释剥离面理的成因。

    然而,侵蚀卸载导致岩石膨胀的假说有两个难点无法解释:

    第一、室内实验无法用反复的加压减压实验形成剥离面理,理论上无法解释;

    第二、还有其他岩石并非经过明显的地壳深埋也发育了剥离面理。

    卸载作用说的上述缺陷迫使人们寻求地表温度变化造成的影响:日夜温变和火灾导致岩石表层形成翘皮脱落,而观察和实验证明其影响深度以厘米计,难以形成大规模的剥离面理。那么,什么样的温度变化才能影响地表以下深达百米呢?

四、剥离面理的地表温度变化说:第四纪冰川作用

    什么温度变化可以影响花岗岩从地表向下深达百米而产生剥离面理?结合前人认识和自己多年的野外观察,我认为:第四纪冰川与冰缘环境自然而然地成为人们考虑的重要因素。冰盖(ice sheet)覆盖区几百米厚的岩石温度都在零下,而冰缘环境形成的多年冻土带permofrost)厚达几百米以上。当第四纪冰期结束而逐渐步入温暖的间冰期,岩石随着表面温度反复上升而形成剥离面理就不难理解了。野外观察也证实了这个认识的合理性:

    第一、人工铺设的石板(包括室内装修)如果在低温期施工而保留间距过小,夏季就会膨胀拱起。

    第二、在中国西北荒漠区均匀的泥岩表面产生爆皮现象,形成微型剥离面理。

    甚至其他岩性露头上也见这种剥离面理:

    第三、花岗岩小型露头出现小型剥离面理,除了温度变化无法用其他机制解释。

    第四、中国北方花岗岩(包括片麻岩)露头普遍发育剥离面理,而到长江以南就逐渐消失了。这种变化显然离不开第四纪以来的环境温度变化格局。

    Ziegler等(2014)研究发现,剥离面理表面存在着各种羽饰构造(plumose structure),根据其长轴追踪显示:最大主应力与剥离面理平行而最小主应力却与其垂直,推测可能与温度变化有关。Martel(2017)最近的研究揭示:地表的热应力(thermal stress)有助于层节理发育。Zak2006等则直接强调剥离面理与地表的冰川作用有关,这与吕洪波等2006年以来的认识不谋而合。吕洪波等(2006)曾经指出:在发育剥离面理的花岗岩山脊上发育壶穴可以作为第四纪冰川的重要遗迹。近年来观察剥离面理在中国的纬度分布差异与第四纪冰川地貌分布相吻合。

    Ziegler等(2013)在瑞士阿尔卑斯山区野外调查发现,剥离面理普遍出现在冰川侵蚀区(如:U形谷内侧、冰斗、刃脊两侧、)以及主要河流地貌区,而这些河谷也保留着过去冰川地貌的痕迹。其中节理间距小的靠近现今地表,而深层节理间距大的剥离面理形态明显与现今地貌差别较大。据此判断,剥离面理的方向代表着过去某个阶段的地面形态。

    Ziegler等最新的研究更加明确:剥离面理与最大主应力(σ1)和中间主应力(σ2)构成的平面一致,而最小主应力(σ3)却与剥离面理垂直。这样就将剥离面理形成机理的应力方位都讲清楚了,其道理和道路上铺设石板受热拱起是一样的。

幻灯片48.JPG

    相关参考文献如下:

        Gilbert, G. K. 1904. Domes and dome structures of the high Sierra. Geological Society of America Bulletin, 15 (1): 29-36.

        Ziegler, M., Loew, S, and Bahat, D. 2014. Growth of exfoliation joints and near-surface stress orientations inferred from fractographic markings observed in the upper Aar valley (Swiss Alps). Tectonophysics, 626: 1-20.

        Ziegler, M., Loew, S., and Moore, J. R. 2013. Distribution and inferred age of exfoliation joints in the Aar Granite of the central Swiss Alps and relationship to Quaternary landscape evolution. Geomorphology, 201: 344-362.

        Ziegler M, Loew S, and Amann F. 2016. Near-surface rock stress orientations in alpine topography derived from exfoliation fracture markings and 3D numerical modelling. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 85: 129-151.

        Martel, S. J. 2017. Progress in understanding sheeting joints over the past two centuries. Journal of Structural Geology, 94: 68-86.

        Zak J, Vyhnalek B, and Kabele, P. 2006. Is there a relationship between magmatic fabrics and brittle fractures in plutons? A view based on structural analysis, anisotropy of magnetic susceptibility and thermo-mechanical modelling of the Tanvald pluton (Bohemian Massif). Physics of the Earth and Planetary Interriors, 157: 286-310.

    吕洪波,任晓辉,杨超. 2006. 赤峰等地第四纪大陆冰川的地貌证据. 地质论评, 523):379-385.

    如果与第四纪冰川作用相联系,最主要的影响因素就是:冰期的冷冻作用和后来变暖的温度变化导致剥离面理的形成,热应力显然比冰川消失的卸载作用关系更加密切,因为第四纪冰川发育导致地表之下形成至少数百米厚的冻土带,这么深的温度变化引起花岗岩体在地表之下几十米范围内形成剥离面理就容易理解了。我们可以将剥离面理看作过去某个阶段温度变化的“等温面(isothermal surface)”,在山上的露头线就是等温线(isothermal line),则可反推过去的冰川作用的历史。

    将赤峰北部召庙花岗岩体的两套剥离面理当作先后两个冰川阶段的古地貌发育记录,则第一期形成一套和缓的剥离面理(下图中①),第二期为上面叠加的起伏剧烈的剥离面理(下图中②)。

幻灯片31.JPG

    第一期和缓的节理面代表着更新世晚期大陆冰川发育时地表之下的古等温面,影响范围大而深;第二期陡峭的节理面代表着冰消期大陆冰川结束后短暂的山谷冰川阶段之等温面,本区冰体由南向北在两侧运动留下的刃脊,其等温面与现今花岗岩表面基本吻合。在第四纪冰川完全退缩后,召庙花岗岩露头最高点附近山脊以及最西边的这条山脊都保留了刃脊的形态,说明全新世这些山脊侵蚀速率不高,甚至山脊上的壶穴都还保存完好。

    剥离面理与该区已有的冰斗、刃脊、角峰、大型羊背石等共同记录了赤峰北部从大陆冰川到山谷冰川的演化历史。召庙地区现在的古冰斗位置海拔大约800米左右,其后壁和两侧刃脊表面都保存有顺地表起伏的剥离面理,这种古冰斗基本上位于花岗岩山区最低点而缺少下游的U形谷地貌组合,是中国东部大陆冰川(即冰盖)消融阶段短暂山谷冰川的标志性记录。

    至此,我们已经明白剥离面理的形成与第四纪冰川有关,而剥离面理的发育也会对地质工程和建材等产生不利的影响,需要引起注意:

    第一、花岗岩是良好的建筑材料,但靠近表层的岩片因为内部发育密集的微裂隙,属于不良石材,容易破碎。建议尽量开采使用剖面深处的优质石材。

    第二、尽量避免在两侧发育剥离面理的山谷建水库,因为剥离面理是潜在的渗漏裂隙。

    第三、因为剥离面理与地表起伏形态大体一致,故在山脚下开挖剖面修建公路等设施时一定注意:顺坡的岩片发生岩崩的危险较大,特别是在降水多的地方。

    下面这张照片显示:沿着剥离面理发育了一系列风化穴,是盐风化作用的结果。下一篇博文将作详细介绍。

    借此机会感谢二十年来陪同我一起探索第四纪冰川地貌的家人、朋友和地学同仁们。再次感谢赤峰市巴林左旗召庙景区多次提供方便;感谢《地质通报》编辑部和审稿人的共同努力;同时感谢科学网平台提供空间让我展示鲜为人知的“剥离面理”构造。

    切记,这种构造不能再叫“层裂”了,一定要叫:剥离面理,对应的英文词汇是exfoliationexfoliation joint.

    花岗岩本来没有层理,所见成层现象是剥离面理!有了剥离面理,花岗岩地貌可以呈现更多的变化,产生了丰富多彩的地质景观。朋友们如果对剥离面理感兴趣,就到大自然中去欣赏吧。

    欢迎各界同仁的深入讨论和批评指正。

吕洪波

2022.05.31于黄岛



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