便携式高精度游标螺旋测微装置野外测量岩石侵蚀速率的应用研究

赵亮亮，黄费新，李岩，刘阳

(中国冶金地质总局矿产资源研究院，北京 101300)

0 引言

构造、大陆侵蚀和气候变化的相互作用是地球科学研究的长期热点之一，有助于理解固体地球和大气圈在地质历史时期的相互作用[1-5]。造山带的侵蚀速率受到构造、气候、地形等因素影响，同时又对构造、气候、地形产生反作用，所以侵蚀速率是分析这些影响因素及其相互作用关系的切入点和关键依据。而如何准确测定或估算大陆侵蚀速率是解决这些问题的关键，因此地表侵蚀速率的研究成为了近年来地表环境研究的热点，引起了国内外学者的广泛关注[6-9]。

目前，地表岩石侵蚀速率测算的方法趋于多样化。纵观国内外研究，影响较大的测算方法可分为两类：一类为质量测算法，包括公式计算法、流域水化学监测法、样品称重法；另一类为几何测算法，包括微侵蚀测量仪法、宇宙成因核素法及热年代学方法(裂变径迹、U/Th浓度)。质量测算法主要计算或测量一定时间内岩石减少的质量，几何测算法则直接测量岩石表面降低的高度[10]。

由于各侵蚀速率测算方法的原理和技术手段不同，各种方法具有不同优缺点，并且拥有不同适用范围。在百年尺度大范围的研究中，往往对具体某一位置侵蚀速率值或精度要求不高，可以应用水文数据法；在千年至十万年尺度，可以用宇宙成因核素法；在百万年以上尺度，可以用热年代学方法(裂变径迹、U/Th浓度)[11-14]。在诸多测算方法中，直接测量岩石表面降低的高度是测算当前地表侵蚀速率的最直接有效方法。因此，本文探索应用便携式高精度游标螺旋测微装置(以下简称“装置”)直接测量岩石表面降低高度的方法。该装置是对以往测量装置[15-16]的改进，并在北京延庆地区进行了野外测量验证，以此为基础检验了该装置的精度及应用范围。

1 装置的组成及改进

地表岩石侵蚀速率的范围一般在10～1000 cm/Ma，其中最普遍的侵蚀速率是100 cm/Ma左右，即1 μm/a。以往微侵蚀测量仪使用传统螺旋测微器测量的精度是10 μm，因此提高测量精度是新仪器研发的关键目标。将螺旋测微器和游标卡尺的测量原理相结合，即能将理论测量精度提高到十万分之一毫米。初步研发的测量装置在实地测量中精度仍达不到微米级[15-16]，经过多次试验发现阻碍精度提高的主要原因有：装置结构不合理，系统误差过大；螺旋测微器原装的棘轮阻力过大，精度不足。

为了提高装置精度，我们做了一些改进[16]，去掉了“T”型架和用螺丝固定的“底托套”，直接用“U”型不锈钢支架把测量装置直接固定在岩石上(如图1所示)；减掉1/3棘轮内部按压的弹簧长度，减少棘轮旋拧阻力，以提升灵敏度。本次改进后的装置相对于双测头“T”型螺旋测微器[16]更易于携带，且装置更简单，可有效减少安装和测量过程中的系统性误差。

图1 单测头便携式游标微测量仪示意图与实物照片

2 实地测量试验

本次野外测量试验研究区位于北京延庆张山营镇西北的山区，图2为延庆地区地质图及装置布设位置。测区位于燕山山脉，延怀盆地东部，该盆地是冀北山区内部北东东向断裂控制下的新生代断陷盆地，盆地内主要河流是妫水河。测区属大陆性气候，干燥少雨，雨量多集中在7～8月份，年温差较大，日温差可达20 ℃。

图2 延庆地区地质图及装置布设位置

本次试验于2020年11月份对自然环境中的兰角沟中粒似斑状二长花岗岩(K1L)进行测量。该花岗岩为燕山晚期处于伸展体制下形成的岩浆侵入活动的产物，呈大型的岩基、岩株、岩枝、岩脉产出。试验装置布设点位于古崖居附近的燕山晚期旋回佛峪口超单元，兰角沟中粒似斑状二长花岗岩单元(K1L)。野外工作中在试验测量点发现粗粒似斑状花岗岩(图3a)和中粒含角闪石长石斑晶安山岩岩脉(图3b)。为进行试验测量装置结果的对比，使其达到相互验证的目的，选取ZSY01、ZSY02两点进行试验测量(如图3c、图3d所示)。

图3 延庆地区兰角沟组花岗岩及野外测量

ZSY01、ZSY02放置于自然环境中的粗粒似斑状花岗岩，基座固定于所测花岗岩上(本次试验使用免钉胶固定)，固定后旋转螺旋测微器使螺旋测微器测杆在接触岩石表面时受阻力停止旋转，获取一个读数。为使测量值足够精确基本上每天对一个点位进行200次测量(第一天因时间原因仅测量了160次)，取多次测量值正态分布的均值μ。本次研究共连续测量5天内装置ZSY01和装置ZSY02试验测量值，共获得1920个数据。

3 数据处理和测量结果

首先通过AVERAGE和STDEV.S函数计算出数据的中心值(均值)和标准差，之后在正态分布图和正态曲线模板中输入测点ZSY01、ZSY02每日测量的数据，生成数据正态分布频数和曲线图，其中μ为测量均值，如图4所示。

图4 测量数据统计图

图5分别综合装置ZSY01、ZSY02在5天内的连续测量值，以测量日期为横坐标，以每日测量的均值为纵轴。分别将计算所得的均值点拟合成直线，得出直线斜率k，该值表示该测点的侵蚀速率。经计算得出ZSY01点侵蚀速率为v1=0.0131 mm/d，ZSY02点侵蚀速率为v2=0.0039 mm/d。

图5 ZSY01和ZSY02装置5天内的连续测量值

4 讨论

4.1 精密度分析

野外实地定点测量时，旋转螺旋测微器至千分尺头与岩石上表面接触停止转动并读数。因此，每次测量何时停止旋转决定了测量的精确度。

测点ZSY01、ZSY02在本次试验过程中各测得960个数据，数据处理中以当天测量获得测点的平均值代表该当天测点的高度，以平均偏差和标准偏差评价测量的精密度，结果如表1所示。其中不同测点的960个数据中平均偏差都在0.001 mm的数量级的点占所测点比例100%，标准偏差在0.001 mm数量级的点占所测点比例100%。由此可见，该设备在0.001 mm级别精密度良好，测量数据稳定且理想，所测数据的平均偏差和标准偏差控制在0.001 mm以内的点所占的比例为100%。说明测量条件适宜，装置状态良好，测量精度已达微米级。

表1 装置ZSY01和ZSY02表面测量高度统计表

4.2 准确度分析

根据装置对兰角沟中粒似斑状二长花岗岩测量结果，综合5日内的数据得出v1=0.0131 mm/d；v2=0.0039 mm/d。换算出一年的侵蚀速率为v1=4.7815 mm/a；v2=1.4235 mm/a。

在实际测量中，野外地形、构造及气候等因素都对地表侵蚀速率有较大影响，侵蚀速率在不同的环境下有较大的差异[8, 17-18]。东喜马拉雅构造结(南迦巴瓦地区)为印度板块与欧亚板块碰撞的产物，该地具有强烈的构造和侵蚀作用，研究表明易贡与帕隆藏布江的汇聚处在至少0.3 Ma时开始强烈剥蚀，剥蚀速率>10 mm/a；在易贡藏布江的上游河段至少在100 ka以来也开始快速剥蚀，平均剥蚀速率达到4.5～10 mm/a[19]。而本文获得延庆地区燕山山脉侵蚀速率明显低于东构造结快速剥蚀时期平均侵蚀速率，说明本文获得燕山山脉侵蚀速率具有合理性。然而国内西昆仑地区为高侵蚀速率地区，距今5～20 Ma前相对应的侵蚀速率为150～600 m/Ma(0.15～0.60 mm/a)[20]，而本文获得侵蚀速率高于西昆仑地区1个数量级。另外，Small等人对各种气候条件下的山顶面的剥蚀速率进行了总结，发现除了南极和澳大利亚的部分地区，其他非干燥气候环境下的山顶面的平均剥蚀速率为7.6±3.9 m/Ma[21]。对比这一结果，我们发现本文获得延庆地区燕山山脉侵蚀速率高于山顶面平均侵蚀速率近3个数量级。

究其原因，造成此次装置侵蚀速率测量偏大的原因可能是多方面的：①延庆地区11月份气温仍较高、风力较大，侵蚀速率在一年中可能属于较高时期；②测量装置布设位置坡度较大；③第三纪以来侵蚀速率有加快的趋势，目前正处于侵蚀速率加快阶段；④仪器本身测量时间太短，精密度仍然不够；⑤测量仪器结构、操作及数据处理上可能仍存在不合理的地方，例如没有考虑热胀冷缩的影响，导致结果有较大的偏差。

4.3 测量装置的改进方向

经延庆地区兰角沟组(K1L)野外实测验证该装置的测量精度已达微米级，较以往装置的精度提高约1个数量级[15-16]，且更便于野外携带和固定使用。

本次研究发现，利用高精度游标式螺旋测微装置直接在野外进行测量，可以保证测点的平均偏差和标准偏差在微米级。为了进一步提高测量岩石的侵蚀速率精度，可将测量装置固定在野外，以年为周期进行长期测量。另外，也可以对装置进行改进，如应用减速齿轮代替棘轮，精确控制旋转力度，确保每次测量力度相同，或者应用压电感应装置代替螺旋测杆旋转时产生的摩擦阻力，以提高测量时的灵敏度，进而提高仪器测量精度。

准确度未进行验证，未来可结合标样的激光干涉测量，对仪器的准确度进行确定，并分析温度变化产生的热胀冷缩对测量准确度的影响，这也是未来装置改进的方向。

5 结语

(1)精度已达到微米级。

(2)利用高精度游标式螺旋测微装置在野外测量岩石的侵蚀速率具有可行性，且仍可继续改进。

(3)提高准确度将是本测量装置最重要的改进方向。