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丹霞顺层洞穴是在丹霞地貌区广泛发育的负地貌类型,以软岩夹层的快速凹进为主要特征,该类洞穴的发育是典型丹霞地貌边坡发育的重要地貌过程。本文研究顺层洞穴风化特征和发育过程,尤其关注软岩夹层的风化特性及其对洞穴风化发育的影响,这对探讨丹霞地貌发育机制有着重要的意义。
本文在四个典型丹霞地貌区面上考察的基础上,选择丹霞山丹霞组锦石岩段的顺层洞穴为对象,经过野外地质地貌实地考察,重点对三个典型顺层洞穴的地层性质、断层节理、地下水、植被覆盖等洞穴发育自然条件及宏观风化特征进行观察和测量,并在现场选制岩石手标本进行点荷载强度测试;采集软岩夹层和邻近砂岩层和地下水样品,在中山大学地球科学系、测试中心进行了大量岩矿薄片鉴定、化学氧化物成分测试、物理性质测试(密度、含水率、吸水率、饱水系数、开型空隙率)、力学性质测试(单轴抗压强度测试、点荷载强度测试)及水样pH和离子含量测试等一系列试验。在野外考察和实验一手数据的基础上,结合岩石风化理论、尺度理论、风化不稳定性理论、等级理论和耗散结构等理论分析方法,对顺层洞穴风化特征和洞穴发育过程进行探讨。结果表明:
丹霞顺层洞穴软岩夹层一般属于粉砂质泥岩,粘土矿物含量较大,泥质胶结为主,吸水性较强,开型空隙率较大,点荷载强度较小;夹层上下岩层以粉砂岩和细砂岩为主,以较坚硬钙质胶结和较松散铁质胶结为主,吸水性较弱,开型孔隙率较小,点荷载强度较大。岩体碎屑之间的胶结物性质、胶结方式以及胶结程度等是影响顺层洞穴风化的关键影响因素。
丹霞顺层洞穴的风化初始阶段是裂隙的发育过程,独特的岩石构造(如龟裂填充构造)、岩石内部微观风化形成的微裂隙及岩体卸荷应力和温度应力形成的裂隙是丹霞顺层洞穴裂隙发育的主要特征。
软岩夹层由于粘土矿物含量高以及力学性质较低,风化易损性较大,风化速度较其他砂岩层快,造成软岩夹层的快速风化凹进,结合风化不稳定性理论认为,岩洞剖面岩性的不均一性是洞穴风化凹进的根本动力所在。
软岩夹层风化对洞穴风化及稳定有着重要的影响,主要包括增大砂岩层出露面积、改变应力场以及其蠕变、泥化特性促使岩体失稳,如果软弱岩层组合夹层的形式产出,将对剖面其他岩层风化加速及岩层失稳有着更大的影响效应。
洞穴的风化过程:微观风化的裂隙产生——应力裂隙发展——裂隙贯通、片状剥落——风化凹进——洞顶失稳崩塌,整个过程就是微观风化效应长期积累及岩体内外物质能量不断交换的结果。
丹霞顺层洞穴的发育过程可分为:软岩出露和快速风化阶段、洞穴雏形发育阶段、洞穴扩大加深阶段和洞穴消亡阶段(洞顶崩塌)。顺层洞穴的风化凹进及上覆岩体的崩塌作用是丹霞地貌发育过程中自我破坏的一个重要的动力过程,所以丹霞顺层洞穴的发育(从形成到消亡)过程是丹霞地貌发育机制的重要组成部分。