砒砂岩风化速率及其主要影响因素分析

高文浩，付金霞，张宝利，吴 娟，杨玉春，杨香云

（西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100）

分布于黄河中游多沙粗沙区的砒砂岩在降水、风力、冻融、重力等多侵蚀营力复合作用下，极易发生风化剥蚀，遇水如泥、遇风成砂、冻融崩解，土壤侵蚀剧烈［1］。 近年来，众多学者对砒砂岩物理特征、物质组成、岩性特征、侵蚀特征等进行了室内外试验研究［2-11］，但对砒砂岩原岩风化速率及其驱动因素（降水、风力、冻融作用）的研究较少。 笔者对原状砒砂岩试块在完全裸露、防雨、防风防雨3 种情况下的风化速率进行了试验研究，以期为砒砂岩区水土流失治理及相关研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 采样区概况

于2018 年1 月20 日在内蒙古自治区准格尔旗暖水乡境内的二老虎沟小流域选取红色、灰白色砒砂岩原岩试样（试块）各3 个。 该小流域是黄河一级支流皇甫川流域内的一条支沟，属大陆性季风气候区，年降水量约350 mm，主要集中于7—9 月；日温差最大达15 ℃，冬季最低气温达-30 ℃，夏季最高气温可达38 ℃，11月—次年3 月为封冻期（最大冻土深度1.5 m）；大风主要集中在3—5 月和10—11 月，以西北风为主，风力强劲。 砒砂岩受不同季节干湿变化、冷热变化、冻融作用和风沙作用的影响，极易发生风化剥蚀。

1.2 试验概况

将6 个砒砂岩试样分别放置于铁盘中，对3 个红色砒砂岩试样和3 个灰白色砒砂岩试样分别按防雨、防风防雨、完全裸露3 种处理方式进行风化速率试验（见表1），其中：1 号、2 号试样进行防雨处理，即样本上方有遮雨棚，该组试样不受降雨影响但受风力和冻融作用的影响；3 号、4 号试样进行防风防雨处理，样本被白铁皮箱完全扣住（处于全封闭状态），不受降雨和风力的影响，仅受温度变化引起的冻融作用影响；5号、6 号试样完全裸露在自然环境中，受干湿变化、冷热变化、冻融作用、风力作用的复合影响。 试验于2018 年1 月20 日开始、2020 年11 月7 日结束，通过拍照观察试样形态的变化情况，通过称重分析试样风化速率，试验期间对试样进行了9 次拍照和称重（时间分别为2018 年1 月20 日、3 月24 日、7 月1 日、11月3 日，2019 年5 月2 日、7 月15 日、10 月31 日，2020年5 月17 日、11 月7 日）。

表1 试样概况及处理方式

1.3 试样风化速率计算方法

参考有关研究，采用质量平衡法计算试样风化速率［12-13］，即基于6 个砒砂岩试样初始质量与试验期间称重所得质量之差（风化剥蚀量），计算不同时段的风化剥蚀量及风化速率。

如前所述，3 号、4 号试样仅受温度变化引起的冻融作用影响，1 号、2 号试样受到风力和冻融作用的影响，5 号、6 号试样受降水、风力、冻融作用影响。 以3号试样的风化速率（冻融风化速率）为基准，1 号试样风化速率与3 号试样风化速率之差即为风力因素对灰白色砒砂岩的风化速率，5 号试样风化速率与1 号试样风化速率之差即为降水因素对灰白色砒砂岩的风化速率；同理，以4 号试样的风化速率（冻融风化速率）为基准，2 号试样风化速率与4 号试样风化速率之差即为风力因素对红色砒砂岩的风化速率，6 号试样风化速率与2 号试样风化速率之差即为降水因素对红色砒砂岩的风化速率。

2 结果与分析

2.1 风化剥蚀量及风化速率

各试样在试验期初（2018 年1 月20 日）、期末（2020 年11 月7 日）的形态见表2，在不同时段的风化剥蚀量见表3。

表2 各试样在试验期初、期末的形态

表3 各试样在不同时段的风化剥蚀量kg

由表2、表3 可知，研究期6 个试样的形态变化和风化剥蚀量差异很大：完全裸露的5 号、6 号试样形态变化最大、风化最为严重，5 号试样的风化剥蚀量达18.70 kg（占初始质量的91.31%），6 号试样的风化剥蚀量为12.42 kg（占初始质量的61.27%）；防风防雨处理的3 号、4 号试样形态基本无变化、风化程度最轻，风化剥蚀量分别为1.27 kg（占初始质量的8.04%）、0.96 kg（占初始质量的4.03%）；防雨处理的1 号、2 号试样形态变化、风化程度介于完全裸露试样和防风防雨试样之间，1 号试样风化剥蚀量为3.66 kg（占初始质量的17.38%），2 号试样风化剥蚀量为1.96 kg（占初始质量的7.02%）。 从6 个试样的风化程度综合而言，灰白色砒砂岩试样＞红色砒砂岩试样，完全裸露砒砂岩试样＞防雨处理砒砂岩试样＞防风防雨处理砒砂岩试样，各种风化营力交替或叠加作用效应明显。

依据试验期（2018 年1 月20 日—2020 年11 月7日，按2.8 a 计）各试样风化剥蚀量推算的年均风化剥蚀量和风化速率（年风化剥蚀量占初始质量的比例）见表4。

表4 各试样年均风化剥蚀量和风化速率

由表4 可知，在相同处理情况下灰白色砒砂岩试样风化速率大于红色砒砂岩试样风化速率：防风防雨处理试样的风化速率，3 号试样大于4 号试样；防雨处理试样的风化速率，1 号试样大于2 号试样；完全裸露试样的风化速率，5 号试样大于6 号试样。 完全裸露试样（5 号、6 号试样）的风化速率显著高于段雷等［13］研究所得广东、江西、重庆、四川、山东、黑龙江等地玄武岩、花岗岩等岩石（下文称为其他岩石）的风化速率（灰白色砒砂岩风化速率是其他岩石风化速率的13.5～69.2 倍，红色砒砂岩风化速率是其他岩石风化速率的9～46 倍）。

2.2 砒砂岩风化影响因素

2.2.1岩性和矿物组成的影响

岩性是影响其风化速率的内因。 砒砂岩中蒙脱石含量较大（平均含量为18.23%，不同颜色砒砂岩中蒙脱石含量有所不同）［1，14］，蒙脱石具有吸水膨胀（遇水膨胀后体积可增大50%）、失水收缩等特性，导致了砒砂岩的易风化脆弱性。 有关学者研究表明［15-17］，砒砂岩遇水后易发生崩塌现象，与本试验观察的情况相符。此外，砒砂岩颗粒胶结差、结构强度低、抗蚀性差，在极端气候条件下风化更为剧烈［4-5］。

2.2.2外部风化营力的影响

由前述不同处理试样风化速率存在显著差异可知，砒砂岩风化速率除受岩性影响外，还受冻融、风力、降水等外部风化营力的交替或叠加影响。 冻融使砒砂岩胀缩交替，造成岩体结构破坏、表层破碎脱落；风的吹蚀改变表层松散物的粒度组成，而挟沙风的撞击、磨蚀进一步加剧岩体表面结构的破坏；砒砂岩遇水成泥的特性使其在受到雨滴击溅和雨水浸泡后迅速溃散。

1）试验期降水、气温、风速变化情况。 研究区在试验期每年1—3 月、11—12 月降水极少，降水主要集中在7—9 月（2018 年、2019 年7—9 月降水量分别为320.1、252.3 mm，分别占年降水量的70.57%、55.21%；2020 年7—9 月降水量为295.9 mm），因此7—9 月是砒砂岩降水风化的高峰期。 研究区每年3—10 月平均气温在0 ℃以上，11 月—次年2 月平均气温在0 ℃以下，岩土从11 月开始进入冷冻期、于次年3—4 月缓缓解冻，3—4 月冻融作用强烈（2018 年、2019 年、2020 年3—4 月冻融交替日数分别为13、24、24 d）、是砒砂岩冻融风化的高峰期。 研究区起沙风速为4.8 m／s［18］，3—5 月是大风的高峰期，月均风速为4.1 ～5.1 m／s（其他月份平均风速小于4 m／s）， 2018 年、2019 年、2020年3—5 月出现风速≥5 m／s 的天数分别为89、89、88 d，出现风速≥10 m／s 的天数分别为29、36、56 d，因此3—5 月是砒砂岩风力风化的高峰期。

2）3 种外部风化营力的贡献率。 基于各试样年均风化速率（表4），按照前述方法计算3 种外部风化营力（冻融、风力和降水）造成的风化速率及贡献率，结果见表5；基于各时段风化剥蚀量（表3），按照前述方法计算的3 种外部风化营力在不同时段对砒砂岩风化的贡献率见表6。 由表5、表6 可知，降水对砒砂岩风化速率的影响显著大于风力和冻融的，风力与冻融对砒砂岩风化速率的影响接近（二者对红色、灰白色砒砂岩的风化速率有一定差异，有待进一步研究），降水、风力、冻融3 种风化营力交替作用或叠加作用加速了砒砂岩的风化。

表5 外部风化营力造成的风化速率及贡献率

表6 冻融、风力和降水对砒砂岩风化的贡献率

3 结论

在完全裸露的自然状态下，灰白色砒砂岩风化速率大于红色砒砂岩风化速率，按试样质量计算的年均风化速率分别为32.61%、21.88%；降水、风力、冻融对灰白色砒砂岩风化的贡献率分别为80.96%、10.24%和8.80%，对红色砒砂岩风化的贡献率分别为88.53%、4.89%、6.58%，降水对砒砂岩风化速率的影响显著大于风力和冻融的；降水、风力、冻融3 种风化营力交替作用或叠加作用加速了砒砂岩的风化。