趙亮亮，黃費(fèi)新，李巖，劉陽(yáng)

(中國(guó)冶金地質(zhì)總局礦產(chǎn)資源研究院，北京 101300)

0 引言

構(gòu)造、大陸侵蝕和氣候變化的相互作用是地球科學(xué)研究的長(zhǎng)期熱點(diǎn)之一，有助于理解固體地球和大氣圈在地質(zhì)歷史時(shí)期的相互作用[1-5]。造山帶的侵蝕速率受到構(gòu)造、氣候、地形等因素影響，同時(shí)又對(duì)構(gòu)造、氣候、地形產(chǎn)生反作用，所以侵蝕速率是分析這些影響因素及其相互作用關(guān)系的切入點(diǎn)和關(guān)鍵依據(jù)。而如何準(zhǔn)確測(cè)定或估算大陸侵蝕速率是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵，因此地表侵蝕速率的研究成為了近年來(lái)地表環(huán)境研究的熱點(diǎn)，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[6-9]。

目前，地表巖石侵蝕速率測(cè)算的方法趨于多樣化?？v觀國(guó)內(nèi)外研究，影響較大的測(cè)算方法可分為兩類(lèi)：一類(lèi)為質(zhì)量測(cè)算法，包括公式計(jì)算法、流域水化學(xué)監(jiān)測(cè)法、樣品稱重法；另一類(lèi)為幾何測(cè)算法，包括微侵蝕測(cè)量?jī)x法、宇宙成因核素法及熱年代學(xué)方法(裂變徑跡、U/Th濃度)。質(zhì)量測(cè)算法主要計(jì)算或測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)巖石減少的質(zhì)量，幾何測(cè)算法則直接測(cè)量巖石表面降低的高度[10]。

由于各侵蝕速率測(cè)算方法的原理和技術(shù)手段不同，各種方法具有不同優(yōu)缺點(diǎn)，并且擁有不同適用范圍。在百年尺度大范圍的研究中，往往對(duì)具體某一位置侵蝕速率值或精度要求不高，可以應(yīng)用水文數(shù)據(jù)法；在千年至十萬(wàn)年尺度，可以用宇宙成因核素法；在百萬(wàn)年以上尺度，可以用熱年代學(xué)方法(裂變徑跡、U/Th濃度)[11-14]。在諸多測(cè)算方法中，直接測(cè)量巖石表面降低的高度是測(cè)算當(dāng)前地表侵蝕速率的最直接有效方法。因此，本文探索應(yīng)用便攜式高精度游標(biāo)螺旋測(cè)微裝置(以下簡(jiǎn)稱“裝置”)直接測(cè)量巖石表面降低高度的方法。該裝置是對(duì)以往測(cè)量裝置[15-16]的改進(jìn)，并在北京延慶地區(qū)進(jìn)行了野外測(cè)量驗(yàn)證，以此為基礎(chǔ)檢驗(yàn)了該裝置的精度及應(yīng)用范圍。

1 裝置的組成及改進(jìn)

地表巖石侵蝕速率的范圍一般在10～1000 cm/Ma，其中最普遍的侵蝕速率是100 cm/Ma左右，即1 μm/a。以往微侵蝕測(cè)量?jī)x使用傳統(tǒng)螺旋測(cè)微器測(cè)量的精度是10 μm，因此提高測(cè)量精度是新儀器研發(fā)的關(guān)鍵目標(biāo)。將螺旋測(cè)微器和游標(biāo)卡尺的測(cè)量原理相結(jié)合，即能將理論測(cè)量精度提高到十萬(wàn)分之一毫米。初步研發(fā)的測(cè)量裝置在實(shí)地測(cè)量中精度仍達(dá)不到微米級(jí)[15-16]，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)阻礙精度提高的主要原因有：裝置結(jié)構(gòu)不合理，系統(tǒng)誤差過(guò)大；螺旋測(cè)微器原裝的棘輪阻力過(guò)大，精度不足。

為了提高裝置精度，我們做了一些改進(jìn)[16]，去掉了“T”型架和用螺絲固定的“底托套”，直接用“U”型不銹鋼支架把測(cè)量裝置直接固定在巖石上(如圖1所示)；減掉1/3棘輪內(nèi)部按壓的彈簧長(zhǎng)度，減少棘輪旋擰阻力，以提升靈敏度。本次改進(jìn)后的裝置相對(duì)于雙測(cè)頭“T”型螺旋測(cè)微器[16]更易于攜帶，且裝置更簡(jiǎn)單，可有效減少安裝和測(cè)量過(guò)程中的系統(tǒng)性誤差。

圖1 單測(cè)頭便攜式游標(biāo)微測(cè)量?jī)x示意圖與實(shí)物照片

2 實(shí)地測(cè)量試驗(yàn)

本次野外測(cè)量試驗(yàn)研究區(qū)位于北京延慶張山營(yíng)鎮(zhèn)西北的山區(qū)，圖2為延慶地區(qū)地質(zhì)圖及裝置布設(shè)位置。測(cè)區(qū)位于燕山山脈，延懷盆地東部，該盆地是冀北山區(qū)內(nèi)部北東東向斷裂控制下的新生代斷陷盆地，盆地內(nèi)主要河流是媯水河。測(cè)區(qū)屬大陸性氣候，干燥少雨，雨量多集中在7～8月份，年溫差較大，日溫差可達(dá)20 ℃。

圖2 延慶地區(qū)地質(zhì)圖及裝置布設(shè)位置

本次試驗(yàn)于2020年11月份對(duì)自然環(huán)境中的蘭角溝中粒似斑狀二長(zhǎng)花崗巖(K1L)進(jìn)行測(cè)量。該花崗巖為燕山晚期處于伸展體制下形成的巖漿侵入活動(dòng)的產(chǎn)物，呈大型的巖基、巖株、巖枝、巖脈產(chǎn)出。試驗(yàn)裝置布設(shè)點(diǎn)位于古崖居附近的燕山晚期旋回佛峪口超單元，蘭角溝中粒似斑狀二長(zhǎng)花崗巖單元(K1L)。野外工作中在試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)發(fā)現(xiàn)粗粒似斑狀花崗巖(圖3a)和中粒含角閃石長(zhǎng)石斑晶安山巖巖脈(圖3b)。為進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量裝置結(jié)果的對(duì)比，使其達(dá)到相互驗(yàn)證的目的，選取ZSY01、ZSY02兩點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量(如圖3c、圖3d所示)。

圖3 延慶地區(qū)蘭角溝組花崗巖及野外測(cè)量

ZSY01、ZSY02放置于自然環(huán)境中的粗粒似斑狀花崗巖，基座固定于所測(cè)花崗巖上(本次試驗(yàn)使用免釘膠固定)，固定后旋轉(zhuǎn)螺旋測(cè)微器使螺旋測(cè)微器測(cè)桿在接觸巖石表面時(shí)受阻力停止旋轉(zhuǎn)，獲取一個(gè)讀數(shù)。為使測(cè)量值足夠精確基本上每天對(duì)一個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行200次測(cè)量(第一天因時(shí)間原因僅測(cè)量了160次)，取多次測(cè)量值正態(tài)分布的均值μ。本次研究共連續(xù)測(cè)量5天內(nèi)裝置ZSY01和裝置ZSY02試驗(yàn)測(cè)量值，共獲得1920個(gè)數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)處理和測(cè)量結(jié)果

首先通過(guò)AVERAGE和STDEV.S函數(shù)計(jì)算出數(shù)據(jù)的中心值(均值)和標(biāo)準(zhǔn)差，之后在正態(tài)分布圖和正態(tài)曲線模板中輸入測(cè)點(diǎn)ZSY01、ZSY02每日測(cè)量的數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)正態(tài)分布頻數(shù)和曲線圖，其中μ為測(cè)量均值，如圖4所示。

圖4 測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

圖5分別綜合裝置ZSY01、ZSY02在5天內(nèi)的連續(xù)測(cè)量值，以測(cè)量日期為橫坐標(biāo)，以每日測(cè)量的均值為縱軸。分別將計(jì)算所得的均值點(diǎn)擬合成直線，得出直線斜率k，該值表示該測(cè)點(diǎn)的侵蝕速率。經(jīng)計(jì)算得出ZSY01點(diǎn)侵蝕速率為v1=0.0131 mm/d，ZSY02點(diǎn)侵蝕速率為v2=0.0039 mm/d。

圖5 ZSY01和ZSY02裝置5天內(nèi)的連續(xù)測(cè)量值

4 討論

4.1 精密度分析

野外實(shí)地定點(diǎn)測(cè)量時(shí)，旋轉(zhuǎn)螺旋測(cè)微器至千分尺頭與巖石上表面接觸停止轉(zhuǎn)動(dòng)并讀數(shù)。因此，每次測(cè)量何時(shí)停止旋轉(zhuǎn)決定了測(cè)量的精確度。

測(cè)點(diǎn)ZSY01、ZSY02在本次試驗(yàn)過(guò)程中各測(cè)得960個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理中以當(dāng)天測(cè)量獲得測(cè)點(diǎn)的平均值代表該當(dāng)天測(cè)點(diǎn)的高度，以平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差評(píng)價(jià)測(cè)量的精密度，結(jié)果如表1所示。其中不同測(cè)點(diǎn)的960個(gè)數(shù)據(jù)中平均偏差都在0.001 mm的數(shù)量級(jí)的點(diǎn)占所測(cè)點(diǎn)比例100%，標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.001 mm數(shù)量級(jí)的點(diǎn)占所測(cè)點(diǎn)比例100%。由此可見(jiàn)，該設(shè)備在0.001 mm級(jí)別精密度良好，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定且理想，所測(cè)數(shù)據(jù)的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在0.001 mm以內(nèi)的點(diǎn)所占的比例為100%。說(shuō)明測(cè)量條件適宜，裝置狀態(tài)良好，測(cè)量精度已達(dá)微米級(jí)。

表1 裝置ZSY01和ZSY02表面測(cè)量高度統(tǒng)計(jì)表

4.2 準(zhǔn)確度分析

根據(jù)裝置對(duì)蘭角溝中粒似斑狀二長(zhǎng)花崗巖測(cè)量結(jié)果，綜合5日內(nèi)的數(shù)據(jù)得出v1=0.0131 mm/d；v2=0.0039 mm/d。換算出一年的侵蝕速率為v1=4.7815 mm/a；v2=1.4235 mm/a。

在實(shí)際測(cè)量中，野外地形、構(gòu)造及氣候等因素都對(duì)地表侵蝕速率有較大影響，侵蝕速率在不同的環(huán)境下有較大的差異[8, 17-18]。東喜馬拉雅構(gòu)造結(jié)(南迦巴瓦地區(qū))為印度板塊與歐亞板塊碰撞的產(chǎn)物，該地具有強(qiáng)烈的構(gòu)造和侵蝕作用，研究表明易貢與帕隆藏布江的匯聚處在至少0.3 Ma時(shí)開(kāi)始強(qiáng)烈剝蝕，剝蝕速率>10 mm/a；在易貢藏布江的上游河段至少在100 ka以來(lái)也開(kāi)始快速剝蝕，平均剝蝕速率達(dá)到4.5～10 mm/a[19]。而本文獲得延慶地區(qū)燕山山脈侵蝕速率明顯低于東構(gòu)造結(jié)快速剝蝕時(shí)期平均侵蝕速率，說(shuō)明本文獲得燕山山脈侵蝕速率具有合理性。然而國(guó)內(nèi)西昆侖地區(qū)為高侵蝕速率地區(qū)，距今5～20 Ma前相對(duì)應(yīng)的侵蝕速率為150～600 m/Ma(0.15～0.60 mm/a)[20]，而本文獲得侵蝕速率高于西昆侖地區(qū)1個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，Small等人對(duì)各種氣候條件下的山頂面的剝蝕速率進(jìn)行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)除了南極和澳大利亞的部分地區(qū)，其他非干燥氣候環(huán)境下的山頂面的平均剝蝕速率為7.6±3.9 m/Ma[21]。對(duì)比這一結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)本文獲得延慶地區(qū)燕山山脈侵蝕速率高于山頂面平均侵蝕速率近3個(gè)數(shù)量級(jí)。

究其原因，造成此次裝置侵蝕速率測(cè)量偏大的原因可能是多方面的：①延慶地區(qū)11月份氣溫仍較高、風(fēng)力較大，侵蝕速率在一年中可能屬于較高時(shí)期；②測(cè)量裝置布設(shè)位置坡度較大；③第三紀(jì)以來(lái)侵蝕速率有加快的趨勢(shì)，目前正處于侵蝕速率加快階段；④儀器本身測(cè)量時(shí)間太短，精密度仍然不夠；⑤測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)、操作及數(shù)據(jù)處理上可能仍存在不合理的地方，例如沒(méi)有考慮熱脹冷縮的影響，導(dǎo)致結(jié)果有較大的偏差。

4.3 測(cè)量裝置的改進(jìn)方向

經(jīng)延慶地區(qū)蘭角溝組(K1L)野外實(shí)測(cè)驗(yàn)證該裝置的測(cè)量精度已達(dá)微米級(jí)，較以往裝置的精度提高約1個(gè)數(shù)量級(jí)[15-16]，且更便于野外攜帶和固定使用。

本次研究發(fā)現(xiàn)，利用高精度游標(biāo)式螺旋測(cè)微裝置直接在野外進(jìn)行測(cè)量，可以保證測(cè)點(diǎn)的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差在微米級(jí)。為了進(jìn)一步提高測(cè)量巖石的侵蝕速率精度，可將測(cè)量裝置固定在野外，以年為周期進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)量。另外，也可以對(duì)裝置進(jìn)行改進(jìn)，如應(yīng)用減速齒輪代替棘輪，精確控制旋轉(zhuǎn)力度，確保每次測(cè)量力度相同，或者應(yīng)用壓電感應(yīng)裝置代替螺旋測(cè)桿旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力，以提高測(cè)量時(shí)的靈敏度，進(jìn)而提高儀器測(cè)量精度。

準(zhǔn)確度未進(jìn)行驗(yàn)證，未來(lái)可結(jié)合標(biāo)樣的激光干涉測(cè)量，對(duì)儀器的準(zhǔn)確度進(jìn)行確定，并分析溫度變化產(chǎn)生的熱脹冷縮對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，這也是未來(lái)裝置改進(jìn)的方向。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)精度已達(dá)到微米級(jí)。

(2)利用高精度游標(biāo)式螺旋測(cè)微裝置在野外測(cè)量巖石的侵蝕速率具有可行性，且仍可繼續(xù)改進(jìn)。

(3)提高準(zhǔn)確度將是本測(cè)量裝置最重要的改進(jìn)方向。