[科普中國(guó)]-堆積物

堆積物是在一定的地質(zhì)條件下，通過(guò)快速侵蝕、搬運(yùn)形成的產(chǎn)物，它包含著大量地質(zhì)條件的形成、運(yùn)動(dòng)和堆積過(guò)程的信息。1

泥石流堆積物泥石流堆積物是泥石流快速侵蝕、搬運(yùn)的產(chǎn)物，它包含著大量泥石流的形成、運(yùn)動(dòng)和堆積過(guò)程的信息。泥石流堆積物的粒度能充分反映搬運(yùn)介質(zhì)和運(yùn)動(dòng)方式的特點(diǎn)，通過(guò)研究泥石流的粒度組成，可以了解泥石流的形成機(jī)理，具有重要的作用。因此,泥石流堆積物粒度的研究成為泥石流研究的一個(gè)重要內(nèi)容。

分析方法目前，泥石流堆積物粒度分析資料的處理，主要有統(tǒng)計(jì)法和圖解法。常用的粒度參數(shù)有粒度平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、峰態(tài)和粒度眾數(shù)值等，他們從不同的角度說(shuō)明了泥石流堆積物的粒度分布；圖解法主要有粒度分布直方圖、頻率曲線圖、累積曲線圖和概率累計(jì)曲線圖等。

分形理論作為研究自然界中沒(méi)有特征長(zhǎng)度，但又有自相似性的圖形和現(xiàn)象的重要方法和理論，在土壤、斷層泥、凍土、水石流、冰磧物、河流堆積、湖泊堆積、海底堆積，以及沙漠沉積中都有廣泛的應(yīng)用，尤其在土壤中的應(yīng)用最為成熟，并獲得了一系列的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。自20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始已經(jīng)被應(yīng)用于泥石流堆積物粒度的研究中，并得到了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的認(rèn)可和重視 。

由于泥石流堆積物顆粒級(jí)配范圍廣，顆粒的分布規(guī)律非常復(fù)雜，常用的粒度統(tǒng)計(jì)參數(shù)很難全面的描述泥石流堆積物的顆粒組成和粒度分布規(guī)律。粒度平均值只能反映一個(gè)樣品顆粒的粗細(xì)程度，標(biāo)準(zhǔn)差僅僅對(duì)堆積物粒度分布的分散程度進(jìn)行說(shuō)明，偏度、峰態(tài)和眾數(shù)值等粒度參數(shù)也只能反映某一個(gè)方面。相比之下，圖解法能夠比較直觀的反映出泥石流堆積物的顆粒組成和粒度分布的定性特征。

分形特征泥石流堆積物是泥石流快速侵蝕、搬運(yùn)的產(chǎn)物，它包含著大量泥石流形成、運(yùn)動(dòng)和堆積過(guò)程的信息。泥石流堆積物的粒度分布充分反映出泥石流這種特殊的搬運(yùn)介質(zhì)和方式的特點(diǎn)，所以泥石流堆積物的粒度分維與泥石流的粘性等性質(zhì)有密切的聯(lián)系。

1、分形特征與粘性的關(guān)系

按照泥石流的物質(zhì)成分、顆粒組成,以及流體容重、粘度等的不同,泥石流可分為粘性泥石流、稀性泥石流和過(guò)渡性泥石流。泥石流堆積物的分形特征能夠反映堆積物的物質(zhì)成分和粒度分布,因此,也與泥石流的粘性具有密切關(guān)系。

2、分形特征與堆積年代的關(guān)系

泥石流暴發(fā)后在堆積區(qū)進(jìn)行堆積，但是堆積物的成分和粒徑的大小并不是不變的，而是由于堆積區(qū)降水、溫度、植被等外界條件的變化，泥石流的再次堆積，以及人類(lèi)活動(dòng)等影響隨著時(shí)間的推移不斷發(fā)生變化。按照泥石流堆積的年代不同，泥石流可分為古泥石流、老泥石流和近代泥石流，泥石流堆積物按照堆積時(shí)間的不同也相應(yīng)的分為古泥石流堆積物、老泥石流堆積物和近代泥石流堆積物。1

冰水堆積物冰水堆積物系由冰川融水搬運(yùn)堆積的沉積物。冰水堆積物川形成于第四紀(jì)中更新世及晚更新世，是冰川融化后形成的冰水對(duì)冰川攜帶的碎屑物質(zhì)進(jìn)行搬運(yùn)堆積而成的產(chǎn)物,大多為漂卵。

形成原因冰川河的地質(zhì)作用有刨蝕、搬運(yùn)和沉積三種。冰川對(duì)巖石的破壞作用稱(chēng)為刨蝕作用。冰川移動(dòng)時(shí)，因壓力和摩擦的作用而使其底部發(fā)熱，部分冰被融化成水而進(jìn)入巖石裂縫，裂縫里的水結(jié)冰后體積增大而擴(kuò)展裂縫，巖石被分裂成巖塊。巖塊被冰川挾帶一起移動(dòng)，便使摩擦作用更為加強(qiáng)，同時(shí)巖塊本身也布滿擦痕。冰川的刨蝕作用改變了地形地貌。冰川的搬運(yùn)作用有兩種一種是碎屑物質(zhì)包裹在冰內(nèi)隨冰川移動(dòng)另一種是冰融化成冰水，冰水進(jìn)行搬運(yùn)。冰川的沉積作用同樣有兩種一種是冰休融化，碎屑物直接堆積，稱(chēng)為冰債土物另一種是冰川表面、底部和兩側(cè)的冰水將碎屑物質(zhì)冰債物進(jìn)行再托運(yùn)而再堆積，即融化后的冰水將冰債物沖刷、淘洗,按顆粒的大小，堆積成層,而形成冰水堆積物。由各種冰水所產(chǎn)生的堆積物，統(tǒng)稱(chēng)為冰水沉積土物冰水堆積物。

由此可見(jiàn)，冰水堆積物是冰期的冰蝕作用和冰積作用、冰水侵蝕作用和堆積作用和間冰期的沖蝕、沖積作用的共同結(jié)果，包括冰川和冰融水所形成的地形和堆積物。經(jīng)歷第四紀(jì)地質(zhì)歷史上冰期和間冰期的交替，形成原因復(fù)雜。因其中包含底債和受上部較厚第四系沖積物蓋重的影響，較為致密。冰水堆積物的成因決定了其一方面具有河流堆積物的特點(diǎn)，如有一定的分選性、成層性和磨圓度，其中礫石磨圓度較好但同時(shí)又保存著條痕石等部分冰川作用痕跡，故又有學(xué)者稱(chēng)之為層狀冰債。

形成的地質(zhì)年代冰水堆積物形成于第四紀(jì)，第四紀(jì)是地質(zhì)史上最新的一個(gè)時(shí)間單位，它隸屬于新生代，包括更新世和全新世兩個(gè)階段。第四紀(jì)時(shí)期形成的一套地層稱(chēng)為第四系，包括更新統(tǒng)和全新統(tǒng)兩個(gè)早晚銜接的地層單位，其中，更新統(tǒng)又可分為上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)及下更新統(tǒng)。

冰水沉積分類(lèi)按分布和形成環(huán)境，冰水沉積可分為兩類(lèi)：

1、冰川接觸沉積

冰川接觸沉積也稱(chēng)冰界沉積、冰內(nèi)沉積，指冰川區(qū)內(nèi)或緊鄰地區(qū)，冰水與冰川共存、緊密接觸，冰水沉積物與冰績(jī)物相互混雜、交叉重疊的一種冰水沉積，由此形成的沉積物稱(chēng)為冰川接觸沉積物或冰內(nèi)冰水堆積物。形成這種沉積物的冰水包括沿冰川表面流動(dòng)的冰水，在冰層內(nèi)部流動(dòng)的冰融水或沿冰下隧道流動(dòng)的冰水，也可以是冰下冰水。這種沉積物還經(jīng)常受到冰流攪動(dòng)或發(fā)生崩塌變形。冰川接觸沉積物常構(gòu)成丘狀冰礫阜、平臺(tái)狀的冰阜階地、圓坑狀的鍋穴、長(zhǎng)堤狀的蛇形丘等各種地貌。

2、冰前沉積

冰前沉積也稱(chēng)冰外沉積，是冰水流出冰川以后在冰川外圍的冰水沉積，由此形成的沉積物稱(chēng)為冰前沉積物或冰外冰水堆積物。冰前沉積包括冰水河流沉積和冰湖沉積。冰水河流沉積常形成由沙、礫石構(gòu)成的扇形體，稱(chēng)為冰水扇。若干冰水扇聯(lián)合而成波狀起伏的傾斜平原，稱(chēng)冰水沖積平原又叫外沖平原。冰湖沉積包括三角洲沉積、湖濱沉積和湖底沉積。冰湖底部沉積是冰湖沉積的典型代表，由夏季沉積的淺色粗粒層和冬季沉積的深色細(xì)粒層互層組成，通常稱(chēng)紋泥或季候泥。

冰水堆積物分類(lèi)及其成因、特點(diǎn)根據(jù)成因、分布位置及地貌情況,上述兩種沉積所形成的兩種冰水堆積物即冰川接觸沉積物和冰前沉積物又分別包括幾種類(lèi)型，各自的成因及特點(diǎn)具體介紹如下：

1、冰川接觸沉積物

（1）蛇形丘

它是一種狹長(zhǎng)、彎曲如蛇行的丘崗。兩坡對(duì)稱(chēng)，兩壁陡直，丘脊狹窄一般高度一米，高者達(dá)米長(zhǎng)度由幾十米到幾十千米，北美有長(zhǎng)達(dá)千米的，延伸方向與冰川運(yùn)動(dòng)方向較一致，王要分布在大陸冰川區(qū)。蛇形丘的組成物質(zhì)主要是略具分選的砂礫有資料為“具有一定分選性的礫石和粗砂”，也有資料為“大都為卵石和礫石,部分也有砂”堆積，夾有冰債透鏡體，具有不規(guī)則的交錯(cuò)層理和水平層理結(jié)構(gòu)。

蛇形丘分布于冰川作用區(qū)內(nèi)，其成因主要有冰下隧道和冰水三角洲堆積兩種說(shuō)法。冰下隧道是指在冰川消融期間,冰融水很多，沿著冰裂隙滲入冰下，在冰川底部流動(dòng)，形成冰下隧道。在隧道中的冰融水流受到上游強(qiáng)大的靜水壓力，挾帶著許多冰債物不斷搬運(yùn)、堆積,并可逆坡運(yùn)行，直至冰水堆積物堵塞隧道。當(dāng)冰體全部融化后，隧道中的砂礫出露地表，成為蛇形丘。因此，蛇形丘可有分支，亦能爬上高坡，甸甸于丘陵、高地之上，貫穿鼓丘群之間。

另外，有些學(xué)者認(rèn)為蛇形丘是“冰前三角洲建造”形成。即由冰隧道和隧道口外兩種堆積物組成。根據(jù)瑞典的蛇形丘發(fā)育情況,蛇形丘由許多小段組成的,呈串珠狀。每段組成物質(zhì)上游是粗大的礫石，地形細(xì)狹下游為細(xì)小的砂粒，地形寬大。上游屬冰下隧道堆積，下游是隧道口外扇形堆積。其形成原理為在夏季，冰融水增多，冰積物在冰川末端形成冰水三角洲，等到下一個(gè)夏季，冰川再次后退,再形成一個(gè)冰水三角洲，如此反復(fù)不斷。隨著冰川節(jié)節(jié)后退，隧道口也逐步后移，這樣就出現(xiàn)了一段段的堆積物，一個(gè)個(gè)冰水三角洲連起來(lái)，便形成串珠狀的蛇形丘了。這種分段組成的蛇形丘又稱(chēng)繩結(jié)蛇形丘。

（2）冰礫阜、冰礫阜階地和鍋穴

冰礫阜是一種圓形的或不規(guī)則的小丘，由一些初經(jīng)分選、略具層理也有資料為“有層理并經(jīng)分選”的細(xì)礫、砂、細(xì)砂、粉砂甚至豁土組成其上常覆有薄層冰債物。它是由冰面或冰川邊緣湖泊、河流或停滯冰川的穴隙中的冰水沉積物,在冰川消融后沉落到底床上堆積而成。其與鼓丘冰債地貌的一種不同之處，在于冰埠的形狀很不規(guī)則，且為成層狀。在山岳冰川和大陸冰川中都發(fā)育冰礫阜。

冰礫阜階地是由冰緣河流引起的沉積，只發(fā)育在山岳冰川谷中，由冰水砂礫層組成，形如河流階地,呈長(zhǎng)條狀分布于冰川谷地的兩側(cè)。其成因?yàn)樵诒▋蓚?cè)，由于巖壁和側(cè)碳吸熱較多，且冰川兩側(cè)的冰面要比中間來(lái)的低，所以冰融水就匯集在這，形成冰側(cè)河流，并帶來(lái)冰水物質(zhì)，在其與原冰川接觸一側(cè)，因冰體融化失去支撐而坍塌，從而形成了階梯狀陡坎，沿槽谷兩壁伸展。鍋穴冰穴指分布于冰水平原上的一種圓形洼地，深數(shù)米，直徑十余米至數(shù)十米。其形成是由于冰川耗損時(shí)，有些殘冰被孤立而埋入冰水堆積物砂礫中，等到冰融化后引起塌陷，而造成鍋穴。

2、冰前沉積物

（1）冰水扇及冰水平原

冰川融水從冰川的兩側(cè)冰上河和冰川底部流出冰川前端或切過(guò)終嘖堤后，地勢(shì)展寬、變緩,形成冰前的辮狀水流，冰水?dāng)y帶的大量碎屑物質(zhì)就沉積下來(lái)，形成了頂端厚、向外變薄的扇形冰水堆積體，叫做冰水扇。幾個(gè)冰水扇相互連接就成為冰水平原，又名外沖平原。冰水扇的顆粒成分包括礫石、砂、粉砂和粘土，主要由分選中等的砂礫組成，含少量漂礫，向下游粒徑明顯變小，磨圓度顯著變好，常有層理出現(xiàn)但極不規(guī)則。

（2）紋泥季侯泥

在冰川前緣洼地由冰水注入湖泊而形成的紋層狀沉積，具有清晰的韻律層理。其形成過(guò)程為冰川后退峙，前面的冰積物會(huì)阻塞冰川的通路，?？梢苑e水成湖，稱(chēng)為冰水湖。冰水湖有明顯的季節(jié)變化，夏季的冰融水較多，大量物質(zhì)進(jìn)入湖泊，一些較粗的顆粒細(xì)砂、粉砂就快速沉積，而細(xì)的顆粒還懸浮在水中，顏色較淡而冬季的冰融水減少，一些長(zhǎng)期懸浮的細(xì)顆粒亞豁土、勃土才開(kāi)始沉積，顏色較深。這樣一來(lái),在湖泊中就造成了一粗一細(xì)很容易辨認(rèn)的兩層沉積物夏季較粗、淺色冬季較細(xì)、深色,隊(duì)做季候泥,據(jù)此可推算冰川沉積的年代。2

堆積物體積計(jì)算對(duì)于一些堆積物( 如煤堆、土堆、礦石堆等) 體積的精確測(cè)量是測(cè)繪領(lǐng)域常見(jiàn)工作。通常采用的方法是采用全站儀或GPS RTK 測(cè)量堆積物表面的離散點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)繪制等高線建立堆積物表面的數(shù)字模型，再計(jì)算堆積物的體積。但因?yàn)檫@些堆積物表面形狀復(fù)雜，測(cè)量的離散點(diǎn)有限，部分高程無(wú)法觀測(cè)，實(shí)際上只能通過(guò)等高線模擬得到；且采用攝影測(cè)量求取體積時(shí)，精度較差，有些堆積物同名點(diǎn)對(duì)難以確定。

采用三維激光掃描儀對(duì)堆積物觀測(cè)，可以快速地獲取大量堆積物表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，測(cè)量點(diǎn)均勻分布在堆積物表面，因此可以精確地計(jì)算體積。采用徠卡ScanStaion C10 三維激光掃描儀對(duì)煤堆進(jìn)行觀測(cè)。該儀器帶有緊湊的內(nèi)置雙軸傾斜補(bǔ)償器，并且具有測(cè)量級(jí)的精度、距離和視場(chǎng)角，內(nèi)置高分辨率數(shù)碼相機(jī)和激光對(duì)中器，最遠(yuǎn)測(cè)程為300 m，瞬時(shí)最大測(cè)量速度為50 000 點(diǎn)/s，視場(chǎng)角高達(dá)360° ×270°，采用高密度掃描方式僅需約27 min 即可完成整個(gè)全景掃描測(cè)量，范圍噪聲在50 m 范圍內(nèi)為2 mm。

三維激光掃描儀測(cè)量速度快，一次測(cè)量點(diǎn)數(shù)量巨大，可以在堆積物表面均勻獲取大量目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

江長(zhǎng)勝 - 教授、博導(dǎo) - 西南大學(xué)