宁夏火石寨岩石岩性特征及其对丹霞地貌形成的影响

陈 伟，张天文，何立军，职荣军

(宁夏回族自治区矿产地质调查院，甘肃 宁夏 750021)

0 引 言

中国丹霞地貌发育，主要分布区域可划分为东南、西南、西北3个片区(李东兴等，2019)，以南方居多(杨帅等，2017)。关于丹霞地貌的各类研究多聚焦于亚热带湿润区域的东南和西南地区，对西北干旱地区丹霞地貌的研究相对不足(保广普等，2019)，且多为定性研究。宁夏西吉火石寨丹霞地貌属于西北片区，发育较为典型，通过试验对火石寨的岩石岩性特征进行定量化研究，并分析其对丹霞地貌形成的影响，以丰富对西北干旱地区丹霞地貌成因的研究和认识。

1 区域概况

1.1 自然地理环境

火石寨风景区位于宁夏西吉地区北部，地处黄土高原温暖半干旱气候区，是典型的温带大陆性气候，昼夜温差大，年平均气温为12.7 ℃，年降水量在400 mm左右。

1.2 地质背景

宁夏火石寨地区的构造位于六盘山北段，区域上出露地层以白垩系六盘山群为主(表1)，总体呈北西—南东向展布(王成等，2017)。

1.3 地貌特征

火石寨丹霞地貌位于宁夏月亮山—南华山—西华山—六盘山南西列弧形山地北中段，靠近月亮山主脉东端(刘铮等，2007)，海拔在1 960～2 450 m之间，相对高差大，具典型的“顶平、身陡、麓缓”形态特征(图1a)，造型景观以石城和扫竹岭最富特征。火石寨地区及其外围崖壁多发育扁平状洞穴(图1b)和顺层凹槽(图1c)。

2 材料与方法

对宁夏火石寨景区及其外围进行野外调查，采样重点是造型景观丰富的扫竹岭区域内发育的崖壁，主要使用便携式工程钻机通过水钻法进行岩芯取样，共采集各类样品4组44件(表2)，第一组样品(AC1)采自顺层砂岩凹槽，第二组样品(AC2)采自顺层砾岩凹槽，第三组样品(AC3)采自扁平洞穴，第四组样品(DY1)采自砾岩崖壁，每11件样品为1组进行干抗压试验、湿抗压试验、冻融后抗压试验(表3)、薄片鉴定(表4、图2)、全岩氧化物含量测定(表5)。对砂岩和砾岩块体样品分别进行干抗压试验、湿抗压试验和冻融后抗压试验，目的在于比较雨量较少的干燥气候、雨量充沛的湿润气候以及冻融交替环境下砂岩和砾岩抗压强度的差异。单轴抗压强度试验按照规范《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)的相关规定，全岩氧化物含量使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ThermoFisher iCAP-6300)进行测定。根据试验结果对火石寨地区丹霞地貌岩石的岩性特征进行量化分析，讨论对火石寨丹霞造景地貌形成的影响。

表1 火石寨区域地层简表Table 1 Brief stratigraphic table of Huoshi Village

图1 火石寨丹霞地貌类型(a) 石城地貌；(b) 扫竹岭丹霞崖壁与洞穴；(c) 顺层砂岩凹槽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 火石寨各类试验样品的数量Table 2 Quantity of various test samples from Huoshi Village

3 结果分析

3.1 岩石抗压试验结果分析

表3中岩石抗压数据显示出下列特征。

同一地貌同一采样点，无论是形成凹槽的砂岩、砾岩，还是形成洞穴和崖壁的砾岩，其抗压强度均呈干式>湿式>冻融后的特征。

软化系数显示AC1的砂岩和AC2的砾岩受水影响程度较小，AC1的砂岩和DY1的砾岩受水的影响程度中等。

冻融后的抗压试验中，AC1的全部砂岩样品和DY1的1件砾岩样品经冻融试验后直接崩解，岩石冻融系数显示AC2、DY1的砾岩样品抗冻性较低，AC3的砾岩样品抗冻性较高。

表3 火石寨岩石样品抗压强度测试结果Table 3 Compressive strength test results of rock samples from Huoshi Village

表4 火石寨岩石样品薄片鉴定结果Table 4 Identification results of thin sections of rock samples from Huoshi Village

图2 火石寨岩石标本镜下照片(a) AC1砂岩(100× 单偏光)；(b) AC2砾岩(12.5× 单偏光)；(c) AC3砾岩(25× 单偏光)；(d) DY1砾岩(25× 单偏光)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 火石寨岩石标本氧化物含量测定结果Table 5 Determination results of oxide content in rock samples from Huoshi Village

不同岩性类型之间，AC1的砂岩干抗压强度最小，湿抗压强度也较小；AC2、AC3的砾岩各类抗压强度显著大于DY1的砾岩。

3.2 岩性薄片鉴定结果分析

岩性薄片鉴定结果(表4)显示，火石寨地区发育丹霞地貌的三桥组(K1s)中，砾岩主要由酸性火山岩砾石及岩屑组成。胶结物为钙质、铁质胶结物：钙质胶结物较多，质量分数在10%～20%之间，主要为方解石，以他形粒状充填于碎屑粒间；铁质胶结物质量分数多在5%左右，主要为褐铁矿、赤铁矿，且紧挨碎屑分布，形成时间早于钙质胶结物。

岩石总体次生变化较强，斜长石多发生次生泥化。砂岩样品岩石压实作用较强，结构十分致密。岩石次生变化较强，斜长石次生泥化较强。胶结物主要为铁质，质量分数在25%左右，胶结物沿碎屑粒间充填。

3.3 全岩氧化物含量分析

岩石全岩氧化物含量测定结果(表5)显示：三桥组(K1s)砂岩和砾岩中SiO2、Fe2O3、CaO含量差异较大，Al2O3、K2O、Na2O、MgO含量差异较小。其中，SiO2质量分数较高，在52.86%～66.82%之间；砂岩中CaO、Fe2O3含量较高；SiO2与CaO含量呈一定的负相关。

4 讨 论

自早侏罗世开始，研究区气候由干旱炎热逐渐转变为温暖潮湿。早白垩世以后，在燕山期褶皱隆起带前缘开始发育一系列类前陆盆地与坳陷盆地，其中六盘山盆地早期表现为前陆盆地和一些山间凹陷盆地，沉积了三桥组冲积扇相和辫状河三角洲相粒度较粗的砾岩、砂岩、红色碎屑岩建造，为火石寨地区丹霞地貌的形成提供了地层基础；早白垩世末，经燕山运动Ⅲ幕，类前陆坳陷盆地褶皱开始隆起。晚白垩—古新世，六盘山及其周缘地区处于构造平静、整体抬升剥蚀期，开始接受壳表外动力地质作用的刻蚀。上新世末，喜马拉雅运动Ⅲ幕表现强烈，随着青藏高原的隆升及其远程效应的影响，自南西而北东推挤，发生陆内造山作用，形成青藏高原东北缘宁南弧形挤入推覆构造带和盆-山构造地貌，所以六盘山亦被称为“中国最年轻的山地”(杨红星，2016)。

构造隆起，不仅地震活动频繁，而且有外动力的强烈侵蚀剥蚀，导致典型丹霞地貌发育。第四纪以来，六盘山北段曾经被黄土覆盖过，但在上覆黄土被剥蚀之后，该处的丹霞地貌曾被风、水与重力作用等“修饰”，演变成为现在的地貌。

(1)天然与饱和状态抗压试验结果显示：无论是砂岩还是砾岩，干抗压强度总是大于湿抗压强度，说明在多雨和饱水期，岩体更易发生破裂和崩解；砾岩的干抗压强度均大于砂岩的干抗压强度，说明砂岩的抗风化强度比砾岩低。所以，在上部岩石的压力作用及外力的长期侵蚀下产生差异分化，相对抗压能力弱的砂岩首先脱落，抗压能力强的砾岩则仍然保留在原位(欧阳杰等，2009；陈姝等，2010；张广胜等，2010)。砂岩的软化系数最高，砾岩受水影响程度大于砂岩，说明在雨水浸润条件下，砾岩的抗侵蚀力会显著降低。

在冻融后的抗压试验中，砾岩的湿抗压强度总是大于其冻融后的抗压强度，且冻融后抗压强度下降明显；砂岩试件全部崩解开裂，说明冻融过程对岩石的影响较大。第四纪冰期和间冰期之间发生了多次强烈冻融交替作用，对凹槽的发育和岩石的风化崩塌有促进作用(吕文等，2009)。

崖壁的砾岩样品(DY1)在野外采样过程中易碎裂，因而难以采集到完整的岩芯，各类抗压数据明显低于凹槽和洞穴中的砾岩，原因可能在于崖壁长期遭受风化作用和降水侵蚀形成了较厚的风化层，钻取的样品非新鲜基岩。

(2)薄片鉴定结果显示砂岩结构十分致密，胶结物全部为铁质且含量较高，但野外采样发现砂岩平行层理和垂直于层面的节理发育，基岩易碎裂崩解。砾岩中砾石含量较高，且主要由花岗岩组成，这些砾石经火山高温作用，冷却后其坚硬度和抗风化能力较高，胶结物既有铁质也有胶结作用较强的钙质方解石，与野外采样时砾岩坚硬难以钻取的现象一致。以上说明岩体的岩性和结构构造的差异是导致丹霞岩层差异风化和崩塌的重要原因之一。

(3)砂岩和砾岩的SiO2含量总体较高，提高了岩石的抗风化能力，这可能是火石寨丹霞地貌形成各种陡立崖壁的原因。砂岩的Fe2O3含量较高，与岩矿鉴定中砂岩胶结物为铁质的结果相符。水平凹槽中砂岩和砾岩的CaO含量高于陡崖的砾岩，CaO含量较高易导致溶蚀作用的发生(吕文等，2009；韩艳等，2020)，使抗压强度和抗风化能力下降，易引发岩石的破碎和崩塌。

5 结 论

(1)雨水浸润和冷热交替的冻融作用对成景地层三桥组(K1s)砂岩与砾岩的差异风化有显著影响，均会导致岩石抗压与抗风化能力降低，且对砂岩的影响较砾岩更显著，对火石寨丹霞地貌中凹槽的发育和岩石的崩解有明显促进作用。

(2)三桥组(K1s)地层岩石的岩性和结构构造的差异是导致丹霞岩层差异风化和崩塌的重要原因。砂岩虽然结构较为致密，且胶结物以铁质为主，但碎屑物含量高，宏观构造上平行层理和垂直节理发育，基岩容易崩解碎裂。砂岩干、湿抗压试验数据明显低于砾岩，冻融试验中试件直接崩解，总体抗风化能力较弱；砾岩中砾石的成分以花岗岩为主，岩石坚硬度较高，胶结程度较好，抗风化能力较高。在上部岩石的压力作用和外力的长期侵蚀下，砂岩由于岩性相对软弱，较砾岩更不稳定，易遭受侵蚀而剥落，这是构成火石寨地貌岩性之一的砂岩易被侵蚀和风化程度较高的主要原因。

(3)岩穴的形成原因复杂，岩溶作用、水解作用和崩塌作用是砂岩洞穴形成的主要原因，水平凹槽中的砂岩和砾岩样品的CaO含量高于陡崖的砾岩，CaO含量较高易导致溶蚀作用的发生，致使抗压强度和抗风化能力下降，引发岩石的破碎和崩塌，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。