基岩海岸剥蚀差异初探—以大连金石滩国家地质公园为例

陈思

（辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁大连116029）

基岩海岸剥蚀差异初探—以大连金石滩国家地质公园为例

陈思

（辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁大连116029）

依托大连金石滩国家地质公园基岩海岸侵蚀地貌，通过对基岩海岸岩石和实验室石灰岩进行采样、称重、打磨并结合岩石产状、盐度、岸坡倾角的测量，分析了基岩海岸带岩石的剥蚀差异是由风化和侵蚀作用共同影响的.依据海蚀柱、海蚀崖、海蚀拱桥、海蚀平台、海蚀洞穴五种海岸侵蚀-溶蚀地貌，定性分析了基岩海岸剥蚀差异是由岩性、岩石产床、构造节理的差异而产生；利用一元线性回归方程定量分析了影响剥蚀差异的主要控制因素：盐度变化和岸坡倾角与岩石失重的相关性.两者与岩石失重相关度分别为R1=0.644，R2=0.835.将野外采样岩石样本和实验室石灰石样本失重量进行比对，讨论了不同采样区岩石失重差异的原因是岩性与产状；实验室石灰石失重差异的原因是岩层产状、盐度变化、岸坡倾角的不同.

基岩海岸；石灰石；岩层产状；盐度变化；海岸地貌

大连金石滩滨海国家地质公园主体位于地理坐标为东经121°57′～121°04′，北纬39°01′～39°06′.位于辽东半岛南端，东部南部与黄海相邻，距大连市中心约50 km.研究区域海岸线长约4 km，发育8—5亿年前震旦级、寒武纪不同产状岩性各异的岩层，并在此基础上形成不同海蚀、溶蚀的古、现代地貌景观.区域基岩海岸地貌形成受构造运动、海岸岩性、波浪潮汐潮流的动力作用、海平面的变化、气候条件、水动力条件、生物作用等因素共同影响塑造而成.但区域内却出现了较大的侵蚀差异，形成如海蚀柱、海蚀崖、海蚀拱桥、海蚀洞（穴）、残丘，以及溶蚀作用为主的石芽、溶沟等海蚀、溶蚀地貌.这些地貌差异的形成主要受岩性、岩石产状（主要是倾角）、近岸盐度和盐度的变化、低潮面水下倾角、潮间沉积物颗粒大小等因素影响下的风化和侵蚀差异制约.

1 研究方法

主要采取室外实验称重法结合地貌、测量方法对五类地貌15种当地岩石进行剥蚀差异测定.

1）样本的实验室称重及室外实验方法：（由于实验室内难以模拟自然条件下多种因素所引起的海蚀地貌差异，特选用室外实验称重的方法来测定不同岩石样本在同一区域的失重量）.用实验室材质均一的石灰岩（CɑO占48%～49%，SiO2低于2%，MgO低于1%，而烧失量达到42%～43%）制成15片长10 cm，宽5 cm，厚1 cm，近圆形薄片，每片称重约为40.5 g，每片表面积约为130 cm2[1]；从室外各研究地貌区（潮间）采集15片岩石并制成与实验室灰岩表面积基本一致的近圆形薄片.将30片样本烘干并称重并分别用水泥钉固定（不破坏样本）至原采集区（高潮面以下低潮面以上），即一个取样点放置两个样本（一个是实验室灰岩，一个是采集制得样品）；经过30 d（一个高低潮周期），取回样本并实验室烘干称重.

2）取采样点平均高潮面与低潮面海水，采用比重法测量取样海水的盐度（即一个大气压下，单位体积海水的重量与同温度同体积蒸馏水的重量之比.由于海水比重和海水密度密切相关，而海水密度又取决于温度和盐度，所以比重计的实质是，从比重求密度，再根据密度、温度推求盐度）.并对比同一取样点高低潮盐度差异，计算出盐度变化.采用野外地貌法分别测量各采样点岩层产状、节理分布、岸坡倾角.统计见表1.

表1 采样点不同岩性基岩剥蚀差异及可能影响因素Tab.1Differences of different lithology bedrock erosion of sampling point and possible influencing factors

2 分析与讨论

2.1 海岸基岩风化作用

2.1.1 物理风化作用

物理风化总的趋势是使海岸基岩的强度变小，导致基岩崩解疏松，产生岩石或矿物碎屑.气温变化引起的热胀冷缩作用，由于昼夜、季节温度的变化，岩石内部会产生不均匀膨胀与收缩，从而产生应力的作用，当应力的大小超过岩石的抗拉强度时，就会产生裂缝，使岩石发生破碎.研究区海岸基岩的裂缝、孔隙中往往存在盐度较高的水溶液，一旦水分蒸发，溶液逐渐达到饱和，盐类就会结晶，体积增大，从而产生一定的膨胀力，导致岩石破裂.另外，岩石间的节理为外来晶体对岩石内部的挤压作用和岩石软弱面的出露提供了条件.后者加快了岩石的化学风化作用.

2.1.2 化学风化作用

化学风化作用表现为溶解作用和碳酸盐化作用.本区岩石以石灰岩为主方解石含量大于50%，溶解作用较强，而灰云岩，白云岩溶解作用较弱.雨水和海水中溶解的CO2使其呈酸性，在含酸性的水溶液中石灰岩可以快速反应：CɑCO3+H2O+CO2=2Cɑ（HCO3）2，从而加快石灰石的分解.另外，化学风化明显作用于有基岩海岸石灰岩出露的地区，石灰岩出露越多作用越强，从岩层层理面，根据表1，表2不同层里面的侵蚀差异数据，可得出海岸基岩岩层中水平层理＜倾斜层理（包括反倾斜层理）＜垂直层理的结果（见图1）.

表2 实验室石灰岩蚀差异及可能影响因素Tab.2Differences of laboratory limestone erosion and possible influencing factors

图1 不同层理基岩侵蚀差异Fig.1Differences of different bedding rock erosion

2.2 海岸带岩性与岩层产状和节理（风化差异）

软硬岩互层的海蚀崖、海蚀柱，在海水侵蚀（磨蚀，波浪冲击和空气压缩作用）下，软软岩层被剥蚀，形成凹槽（海蚀洞穴），海蚀平台，海蚀蘑菇.倾角越小侵蚀强度越差，垂直层理并伴有水平节理的岩层侵蚀强度最大；具有水平、反向倾角的软硬互层的岩层海蚀崖、海蚀柱向潮面因岩层底部掏空而导致岩体滑塌出现大块砾石堆积，侵蚀差异明显：迎潮面有砾石沉积物岩层的侵蚀强度小于砂质沉积物和无沉积物的岩层，这是因为砾石沉积物一定程度上消减了潮波，而砂质沉积物确加快了对岩层底部的磨蚀作用，而砂质沉积物的粒径对岩石的最大侵蚀量还有待进一步研究.

图2 风化与侵蚀在地貌上的差异Fig.2The difference between weathering anderosion on the landscape

实验室石灰岩质纯CɑCO3侵蚀强度较野外取样点杂质灰岩侵蚀强度大，但水平节理面取样点灰岩侵蚀强度较实验室灰岩大，有方解石岩脉侵入的基岩侵蚀强度大于无方解石侵入的基岩.海蚀拱桥岬角处迎潮面与背潮面侵蚀差异不大，这可能与迎潮面以侵蚀为主，背潮面以溶蚀为主有关，需要进一步实验证实.玫瑰园藻灰岩区发育溶蚀海蚀洞系第三纪温暖湿热的气候条件下，岩溶地貌广泛发育.后经构造抬升，出露地表经海水波浪、潮汐和潮流经年累月昼夜不息的溶蚀、冲刷作用下，形成典型温带季风—海岸型岩溶地貌.由于大面积均质高含CɑCO3灰岩出露，溶蚀-侵蚀作用较强.

2.3 海蚀作用与风化作用的差异

海蚀是作用在同一水平面上的，形成的凹槽（海蚀洞/穴）和海蚀平台可以同时切过软（石灰岩等）硬（石英岩等）相间的岩层，而风化作用只能在软弱面形成凹槽.岩层不完全水平以及软硬岩互层导致海蚀平台和海蚀洞/穴不连续也是形成岩层剥蚀差异的重要原因[2].风化作用降低了基岩力学强度，加快了海岸侵蚀速度[3].

2.4 盐度和盐度的变化对岩石剥蚀的影响

随着盐度（NɑCl浓度）的增加，CɑCO3溶度增加，相当于海水中NɑCl含量时，溶度增加50%，当NɑCl浓度增加到70‰时CɑCO3溶度达到最大，并使溶液逐渐饱和，由于海水具有很强的流动性，使得石灰岩可以不断被不饱和的海水逐渐溶蚀[4].由于岸坡角度不同以及不同取样点海水深度不同导致海水盐度差异，然而通过一元线性回归发现海水盐度与岩石失重相关性较差（见图3）.而岩石失重量与盐度变化（一次潮水涨落）相关性较好（见图4），因为无论是什么比例的混合液，其混合溶蚀作用均比纯淡水或纯海水的溶蚀作用更强.也就是说，在滨海岩溶区，混合过渡带的岩溶化作用比附近淡水区及海水区的岩溶化作用更强烈[5].涨潮和退潮海水近岸盐度有一定差别这也就使张退潮时高低不同盐度的海水发生了机械混合作用.由于各个采样点水深、小的海域封闭程度不尽相同也就出现了盐度变化的差异.

图3 侵蚀量与海水盐度相关性Fig.3Erosion correlation with salinity

2.5 水下岸坡倾角

如图5，在海蚀作用的最初阶段（剖面线为ACB），波浪对海底作用的强度呈不对称的上凸曲线，线，从A点波浪进入浅水区作用于海底开始，作用强度逐渐上升，到激浪带（Q点）达到最大，然后急剧下降，到R点降至零.海岸在C点附近受到强烈侵蚀而后退，剖面变成ADB.由于剖面变长，波浪破碎带变宽，岸坡已有一段被磨蚀成平台，波浪在强烈侵蚀地带能量减弱，侵蚀作用减缓.在最后阶段，剖面线变为AE，海岸已形成宽缓的海滨带，波浪向岸前进时逐渐变弱，而不发生急剧的倒转破碎，激浪对海底的作用已十分微弱，波浪对岸坡的岩石不再发生破坏作用.这时剖面不再受波浪作用的改造，完成了海蚀平衡剖面的塑造[6].

图4 侵蚀量与海水盐度变化相关性Fig.4Erosion correlation with salinity changes

图5 海蚀平衡剖面的塑造过程Fig.5Process of abrasion balance profile shaping

由于研究区域岩性、产状差异导致水下岸坡倾角差异很大，进而对波浪的塑造作用影响很大，经过测量和计算，岸坡倾角与实验室灰岩侵蚀差异呈正相关，R2=0.835相关度较好.

另外，在基岩海岸，CO2浓度也会发生一定变化，进而影响含CɑCO3的灰岩出现侵蚀差异.涨潮作用促使海水中CO2向空气中扩散，海水CɑCO3饱和度下降，CɑCO3部分析出；空气中CO2含量增高，落潮时更多CO2向水中扩散导致石灰岩进一步溶解.地质公园景区早晚游客的数量也会影响空气重CO2的浓度变化从而影响基岩的侵蚀差异.

图6 实验室灰岩侵蚀量与岸坡坡度相关性Fig.6Correlations of laboratory of limestone erosion and bank slope

3 结论与讨论

大连金石滩基岩海岸剥蚀差异受风化和侵蚀作用影响明显.野外取样点岩石样品的失重量在一定程度上反应了岩石岩性、产状对剥蚀差异的作用.而实验室岩石的剥蚀差异反映了波浪、盐度、地貌对剥蚀差异的控制作用.1）风化差异的产生受节理、产状、物质组成成分、岩层层里面控制.其中，岩层层理面风化剥蚀强度为水平层理＜倾斜层理＜垂直层理.2）海水平均盐度的高低与岩石的侵蚀量无线性关系.一次涨退潮产生的不同盐度水的机械混合是石灰岩侵蚀的重要原因，线性相关度较高，近海岸坡倾角是不同测量点侵蚀差异的重要控制因素，线性相关程度更高.总之，金石滩以石灰岩为基础的基岩海岸的剥蚀差异是一个多因素控制的风化、侵蚀的复杂过程，主要受岩石岩性、产状以及盐度变化和岸坡倾角影响.

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责任编辑：黄澜

Bedrock Coast Erosion Difference Study——A Case Study of Dalian National Geological Park

CHEN Si
（School of Urban Planning and Environmental Science，Liaoning Normal University，Dalian 116029，China）

Relying on bedrock coɑst erosion of Dɑliɑn Golden Pebble Beɑch Nɑtionɑl Geologicɑl Pɑrk,through sɑmpling, weighing ɑnd grinding of the bedrock coɑst limestone rocks ɑnd lɑborɑtory limestone,ɑnd combined with the rock occur⁃rence,the meɑsurement of sɑlinity ɑnd bɑnk slope ɑngle,we concluded thɑt the bedrock erosion difference of coɑstɑl zone of the rock is ɑffected by weɑthering ɑnd erosion.According to the seɑ stɑck,mɑrine cliff,ɑbrɑsion ɑrch bridge,mɑrine plɑt⁃form,seɑ cɑves-five kinds of coɑstɑl erosion-corrosion lɑndform,we concluded thɑt the bedrock coɑst erosion's differences ɑre cɑused by lithology,rock production bed,ɑs well ɑs the differences between the structurɑl joints..We used monɑdic lin⁃eɑr regression equɑtion to quɑntitɑtively ɑnɑlyze the mɑin control fɑctors ɑffecting the denudɑtion differences：the relevɑnce of sɑlinity chɑnges ɑnd slope ɑngle ɑnd rock weight loss.Both of the relevɑnce with rock weight loss ɑre R1=0.644 ɑnd R2= 0.835,respectively.The weight loss of field sɑmples ɑnd lɑborɑtory limestone rock sɑmples were compɑred ɑnd concluded thɑt the reɑson for the difference of the weight loss between the sɑmple from different ɑreɑ wɑs lithology ɑnd occurrence;the difference of weight loss between lɑborɑtory limestone wɑs cɑused by different rock occurrence,sɑlinity,bɑnk slope ɑngle.

Bedrock coɑst；Limestone；rock occurrence；Sɑlinity chɑnges；Coɑstɑl geomorphology

P 642.25

A

1674-4942（2014）03-0301-05

2014-05-20