广西田东棋盘滩地质奇观的形成机理

罗书文, 邓亚东, 黄保健

(中国地质科学院岩溶地质研究所，国土资源部广西壮族自治区岩溶动力重点实验室，桂林 541004)



广西田东棋盘滩地质奇观的形成机理

罗书文*, 邓亚东, 黄保健

(中国地质科学院岩溶地质研究所，国土资源部广西壮族自治区岩溶动力重点实验室，桂林 541004)

广西田东那拔镇那拔河的河床上有1处发育大小在0.25～3.00 m2之间、面积为15 600 m2的水平棋盘状基岩石块的地质奇观． 在实地调查其发育区内的地层、岩性、地质构造及地形地貌等自然条件基础上，通过统计分析构造节理的发育规律，对比分析棋盘滩附近具有相同地质基础的那拔河不同河段，得到以下结论：砂岩在侧力作用下发育X张性节理的特性是棋盘滩形成的物质基础与前提；河流特殊的水文条件是棋盘滩形成的主要动力；水平构造和喇叭状河床地貌是棋盘滩形成、保存下来的重要控制因子．

田东那拔； 棋盘滩； 形成机理； 构造节理； 探讨

棋盘滩位于广西自治区田东县那拔镇那拔河那瓦河段，面积约15 600 m2，是由若干块浮出水面的接近四边形的岩石(0.25～2.00 m2)组成的基岩河床，是经历漫长地质时期形成并遗留下来的自然产物，也是区域环境发展演化历史的实物例证和人类珍贵的、不可再生的自然遗产，具有美学价值和科学价值． 随着物质文化需求不断得到满足的同时，人们对精神文化需求逐渐提高，环境保护意识逐渐加强[1-9]，为此，当地政府积极拟筹建地质公园来保护该地质遗迹及环境，普及地学知识[1-3,5,7]，开展旅游促进地方经济发展． 棋盘滩自被发现以来，其形态美学特征得到极高的评价[10]，但对其形成机理的研究几乎空白． 因此，本文对棋盘滩的形成机理进行研究，为正确认识其科学价值、建立省级乃至国家级地质公园、开展旅游、普及地学知识等方面提供科学依据．

1　材料与方法

1.1区域自然概况

棋盘滩发育于田东县最高峰——莲花山下的那拔河上，距那拔镇政府仅3 km，距田东县城40 km. 地处低纬度，北回归线附近，太阳辐射强，日照充足，全年降雨量1 281.4 mm，霜雪较少，无霜期长． 夏季炎热，冬季温和，雨热同期，属南亚热带季风气候区[11]． 年平均气温21.9 ℃，1月份最冷(月平均气温13.4 ℃)，7月份最热(月平均气温28.5 ℃)，极端最低气温-1.7 ℃，极端最高气温42 ℃．

该区域处于右江再生地槽桂西拗陷西林的百色褶断带. 印支、燕山运动时期，在境内形成了以右江褶断带为代表的、出露规模与分布面积占优势的北西向及北东向构造． 各阶段产生的不同规模、不同性质、不同序次的构造形迹，组成了错综复杂的构造格架． 区内构造总体上以北西向和北东向构造最为发育，其次为弧形构造[12-13](图1)．

图1　区域构造及棋盘滩位置

Figure 1Regional structure and position of the chessboard river bed

1.2研究方法

通过实地调查测量节理230组，对节理测量统计时，当岩层近水平分布时，可以直接进行测量统计[14-15]，而当岩层倾斜时需要进行倾斜校正[16]． 本次分析的数据点来自水平岩层和倾斜岩层，在运用DIPS5.0软件处理时需要进行水平校正，其具体方法：运用右手法则(产状与右手法则换算角度关系)，即地质构造产状量测，一般习惯于将走向用角度0°～90°或270°～360°来表示；倾向则以字母表示，DIPS程序的产状遵照右手法则，大拇指指向为倾向，其余四指指向为走向，按照习惯的产状表示方法；走向在0°～90°范围内，倾向NW、N或W，则走向数据不变，否则加180°(倒转地层除外)． 同时，为了进一步探究棋盘滩成因及影响因素，对那拔河进行分段对比分析．

2　结果与讨论

棋盘滩的形态及其地理位置如图2所示. 石块多为矩形，其表面被流水冲刷圆滑，每一石块的四周都被深、宽约30 cm纵横交错互相贯通的水沟围绕，形似“棋子”. 常年流水潺潺，人在“棋子”上行走不湿脚． 棋子呈现NNE-SSW和NNW-SSE列兵式展布(图2A、B)．

图2　岩层节理方向棋盘形态及位置

Figure 2The stratum jointing direction and chessboard shape and location

那拔河部分河段发育在那拔箱状向斜内(图2D)，核部近水平岩层的河道中以及翼部的“X”节理均较为发育(图2C)． 河床内间隔在1～2 m的节理区域，发育了间隔均一(～30 cm)、大小基本一致，且保存较好的棋盘石块(图2A)；而节理间隔在0～0.5 m区域内的棋盘石块及间距大小不一． 区内多为厚层砂岩，部分河段出露薄层——中厚层页岩、泥页岩． 那拔河河曲、河湾较为发育，其物质条件基本一致，但仅在那瓦屯河段发育面积较大，类似棋盘的河床． 为此，本文对发育在箱状向斜内的那拔河段进行分段调查研究，其各段河床地貌及河流结构特征如表1所示．

表1　那拔河部分河段特征统计表

2.1岩性及建造对棋盘形成与演化的控制

区域内出露地层是距今2亿多年前中三叠统的厚层砂岩、夹页岩及薄层泥质页岩交错沉积，棋盘滩主要发育在厚层石英砂岩之中． 三叠系砂岩在不同侧压下的破坏机制表现出明显的差异[17]:(1)在无侧压条件下，岩石试件呈典型的脆性张破坏，即破裂面平行于主压应力方向；(2)随着侧压的增加，岩石试件由“剪张破坏”(以张破坏为主，剪破坏为辅)到“张剪破坏”(以剪破坏为主，张破坏为辅)，然后向典型的剪切破坏转化；(3)在高侧压条件下，岩石试件呈塑性破坏，试件表面形成密集的“X”节理，剪切破裂面上有大量岩粉, 破裂面交汇处有较大范围的挤压粉碎区, 并有显著的侧向膨胀． 三叠系砂岩的这一物理性质决定了区内石英砂岩在地质应力作用下发育广泛的、均一的“X”节理，这是棋盘石形成前提和基础． 区内砂岩与其他岩石相比，砂岩抗风化和河水侵蚀能力较强可长时间保存，其他岩体形成保存时间短，难以大面积较长时间保存，因此，区内发育的棋盘石都是在石英砂岩地层中． 区内厚层砂岩、夹薄层页岩及泥质页岩交错沉积建造，即石英砂岩层厚度影响着棋盘石的存亡时间． 随着地壳抬升河流溯源侵蚀作用，河水沿节理逐渐下切，当河水下切到下伏的砂页岩及泥岩夹层时，因其自身性质很容易被淘蚀，使棋盘状石块失去根基而崩塌． 在该过程中石英砂岩越厚，河水下切到下伏加层时间越长，因而棋盘石保存时间相对较长． 当上层棋盘石完全倒塌，被河水冲蚀使下层石英砂岩完全露于河床，进入下一轮的形成与消亡． 因此，岩性及建造对棋盘石的形成与演化具有控制作用．

2.2地质构造对棋盘形成的控制

地质构造是地球应力在局部的特征表现，而节理是区域和局部应力场的敏感标志，是地表岩石在经历多期构造演化和相应构造应力场作用下的最终表现，区内主要经历NW向构造、山字形构造发育了大量的向斜、背斜(图1)． 特别是在山字形构造中受到NE和WS向2个力的共同作用，使南北构造转NW向构造形成的那瓦对称式箱状向斜，同时发育大量“X”节理(图2A、B、C)，这对棋盘滩的形成具有重要意义．

2.2.1产状对棋盘形态保存的影响产状对棋盘的形成与保存具有一定的控制作用． 在对那拔河调查中，发现在棋盘滩上、下的那拔河床基岩产状岩层倾向基本朝WWS向，倾角在5°～20°之间，由表1可以看出，发育类棋盘滩的河段有 1、2、5和7号，而1、2、7号河段发育的棋盘状河床只是小面积且形态不规则，其中夹杂乱石，说明在这几处曾经发育过类似形态的河床，但由于岩层倾角相对较大，而5号河段岩层较缓，其角度在8°左右，发育了面积较大保存较好的棋盘状石块． 经过比较分析认为产状对棋盘石的影响有：(1)产状平缓有利于在大范围内出露河床的基岩相对均一，反之亦然． 当有不同岩性出露河床时，因河水差异侵蚀作用，棋盘状砂岩容易失去根基而倒塌滚动；(2)岩层倾角大的区域，在重力甚至外力作用下岩体容易下滑． 因此，岩层倾角大小对棋盘石保存时间的长短具有至关重要的意义．2.2.2节理的延伸方向对棋盘形成的影响节理的延伸方向决定棋盘的展布方向． 通过对棋盘内发育的滩节理进行统计分析(图3)，区内发育的主要节理为24°∠8°、300°∠12° 2组节理，即棋盘展布的2个方向(图2A、B)，该组节理发育的方格结构展布为棋盘展布主要形态． 节理为水流提供了天然通道，也使地质薄弱地带有利于流水的侵蚀扩大． 由此可见，节理的延伸方向直接影响着水流对岩体的侵蚀方向，进而控制棋盘的发展方向．

图3　节理等密图与走向玫瑰图

2.2.3节理的疏密对棋盘及间隔大小的影响为了研究节理发育的疏密程度对棋盘石块形成大小的影响，通过统计NNE和NNW方向上20 m×10 m的矩形内沿边按照间隔(0.0,0.5]、(0.5,1.0]、(1.0,1.5]、(1.5,2.0]、(2.0,2.5]和(2.5,3.0]等6档统计节理条数，同时在该矩形范围内统计岩块面积，按照以上6档对应的面积(0.0,0.25]、(0.25,1.0]、(1.0,2.25]、(2.25,4.0]、(4.0,6.25]和(6.25,9.0]进行统计获得数据(图4)：(1)间隔在(0.0,0.5]的节理较为发育.相反，面积在(0.0,0.25]出现的概率仅为10%左右，这主要是因为节理发育密集地带岩石破碎，易被水冲蚀难以保留，所以棋盘间隔大多在0.3 m左右；(2)在间隔区域内节理发育的概率与其对应的面积并非一一对应关系，说明在2个方向上发育等间隔的节理较为少见，即形成的棋盘石主要为长宽不等的四边形；(3)棋盘面积基于0.5～3.0 m2较多，特别是1 m2左右的棋盘石在该区间内约占80%． 因此，可以看出节理的疏密程度影响棋盘石大小的发育程度．

图4　棋盘滩节理疏密与面积分布频谱直方图

节理密集地带孔隙度较大，渗透性好，利于水的流动和侵蚀作用，故很容易受到水的侵蚀作用而形成较宽、连通性好的沟渠，将基岩分割开来，反之亦然． 因此，节理越稀岩块越大，节理密度越大岩块越小．

2.3水文条件对棋盘形成的影响

棋盘滩发育在灵岐河支流那拔河之上，为了更好地说明水文条件对棋盘形成的控制程度，通过分析表1，得到结果如下．

2.3.1河流比降由统计表1可知，5号河段(棋盘滩段)河流比降为4‰棋盘状块石较为发育，保存完好，未出现卵石泥沙沉积； 1、2、3、4和7号河段最大比降分别为14‰、15‰、12‰、14‰和17‰，河床内的沉积主要为杂乱无章、直径不一以及不规则形态(方形、椭圆形、三角形等)的砂岩、页岩块石和卵石，部分河段发育少量类石盘块石；6号平均河段比降为3‰，而在与5号河段相接处发育1处约80 m长的水潭，该河段比降接近0，主要为沉积区，下端为河段江心洲，河水主要沉积卵石，杂草重生． 河流比降大，则斜切能力强，在节理处侵蚀作用快，加速发育有“X”节理的岩石形成棋盘状石块. 同时，河水流速大其携带沙石和冲涮能力强，很快将其冲走破坏，未被冲蚀的块石保留下来． 因此，在这些河段中形成杂乱无章、形态各异、直径不一的块石和卵石，以及少量类棋盘状块石的格局． 而河段过于平缓，其携带和冲蚀能力太弱，形成河流沉降区，而形成不了棋盘状石块． 由此可知，河流比降的大小直接影响棋盘状石块的形成． 2.3.2径流方向由表1中的节理切割形成对角线近SN、EW向的四边形，1、3、4、6、7号河段径流方向基本沿着某一组节理流淌，使得2组节理侵蚀强弱不一，加上河流比降大，不易形成大面积的棋盘状石块；2、5号河段径流方向与四边形SN对角线基本一致，如图5A所示径流方向基本为“X”节理所成角的平分线，所以当河水流过该区域时，快速沿节理延伸方向侵蚀水流被交叉的节理均分为2股水流，当这2股水流沿着节理流到下一个节理交互处与另外方向流入的水汇合，在汇合处自2个方向水流的作用力下，使汇合后的水流继续沿着“X”的2个方向分流冲涮，依次作用(图5C)． 而2号河段比降较大，河水相对集中，导致河流对节理侵蚀不一，同样不宜保存；5号河段河流比降小，河水向宽缓的河道铺开，有利于沿2组节理均匀分流，且容易保存．

a：向斜核部中心线; b：倾向节理；c： 走向节理；d： 水流等势线；e： 径流方向；α： 走向节理与倾向节理所成角

2.3.3径流量棋盘石间隙在河道中央相对较大，棋盘石块面积相对较小． 主要是中央径流量大于两侧，径流量越大对河床冲刷和搬运作用越大[18]，从而对已形成的棋盘状河床石块的破坏性增强，不易保存． 那拔河丰水期为6—8月[11]，只有在洪水时节河水才能淹没整个河床，此时，河水才能对棋盘面冲刷磨圆削低；那拔河多年平均径流量20.10 m3/s，最大流量1 369 m3/s，最小流量0.25 m3/s. 在丰水期，大约有15天/月可以将大部分棋盘石淹没，而大多数时间内河水较小，特别是9月到次年5月，棋盘石暴露于空气中，水流在宽缓河道控制下，河水分散被节理分为若干小股水流，此时河水只能沿节理方向侵蚀搬运使之不断扩大和下切，从而岩块沿X节理2个方向上分割成若干相对独立石块，同时，当节理冲沟逐渐扩大独立石块面积越来越小，这也是棋盘被破坏消失的主要动力之一． 由此可以看出，河水流量的大小直接影响棋盘状石块形成与消失速度．

2.4地形特征对棋盘形成过程的影响

以上分析可以看出，水是棋盘形成的主要外来动力和铸造师． 地形因素主要通过影响河水运动状态及方向，控制棋盘的形成与演化． 棋盘的形成和长时间的保存并不是在任何地点都能发生，而是对地形地貌具有一定苛刻的条件下才能形成并大面积保存下来． 那拔河5号河段得以大面积保存下来，其自身特点主要为：在4号河流前段比较大，其河流径流为SSE方向，河水流速较大，经过河湾后河流向WN方向，河道比降小且趋于平缓，河水沿WN向节理侵蚀发育大量石块且河道相对狭窄，而在5号河段径流由WN向N转向进入地势平坦开阔河道，整个河道形成喇叭状河床，呈水平展开(图5A、图2D)． 这样的地形条件为棋盘的形成获得特殊的塑造动力：(1)在4号段河流中河流转弯后变得平缓，大大削弱河水动能，减少河水对5号河段棋盘状石块的冲蚀破坏，同时河水对沙石携带能力减弱，也减少河沙对棋盘破坏作用；(2)5号河段相对平缓且呈喇叭状，河水呈扇形沿着节理一致铺开，形成相对均一的侵蚀，这是大面积发育棋盘状河床的必要条件．

3　结论

因地壳运动使得区内地层受挤压生成那拔对称箱状向斜，并生成NNE-WWS与ESS-NNW向2组相交的剪切节理，并在一定的径流方向冲刷侵蚀作用下形成，以及在相应的环境条件下得以保存，从而造就了这一绝无仅有的地质奇观． 通过以上分析讨论认为：棋盘滩的形成是具有独特力学性质的砂岩与页岩组合，是在构造、河水侵蚀以及相应的地形地貌的共同作用与影响下形成的产物．

通过对不同河段的调查分析表明，棋盘状河床形态很容易形成，但能被大面积完整保存下来，是需要自然条件相对苛刻的耦合才能形成． 由此可见，棋盘滩不仅仅具有观赏的美学价值，而且具有极高的科研价值．

致谢：感谢田东县国土局、田东驼仙山省级地质公园申报项目成员阳和平等在野外调查时给予的帮助.

[1]邓亚东.乐业-凤山世界地质公园地质遗迹发育演化研究[D].贵阳:贵州师范大学,2011.

DENG Y D. The study on development evolution of geological remains of Leye-Fengshan world geological park[D].Guiyang: Guizhou Normal University, 2011.

[2]罗书文,邓亚东,覃星铭，等.地质遗迹功能属性区分及保护状况评价方法——以乐业-凤山世界地质公园凤山园区为例[J].国土资源科技管理,2014,31(5):91-98.LUO S W, DENG Y D, QIN X M, et al. Evaluation method of functional property differentiation and protection of geological relics: a case study of Leye-Fengshan world geopark[J]. Scientific and Technological Management of Land and Resources, 2014, 31(5):91-98.

[3]张国庆,田明中,刘斯文,等.地质遗迹资源调查以及评价方法[J].山地学报,2009,27(3):361-366.

ZHANG G Q, TIAN M Z, LIU S W, et al. The methods of investigation and evaluation of geological heritage resources[J]. Journal of Mountain Science, 2009,27(3):361-366.

[4]方世明,李江风,赵来时.地质遗迹资源评价指标体系[J].中国地质大学学报(地球科学),2008,33(2):285-288.FANG S M, LI J F, ZHAO L S. Assessment index system of geological relicresources[J]. Journal of China University of Geosciences (Earth Science),2008,33(2):285-288.[5]秦正,秦青,张艺露.地质遗迹资源脆弱性评价方法及应用[J].河南科学, 2009, 25(2):230-235.

QING Z, QING Q, ZHANG Y L. The evaluation method and utilization of vulnerability of geological relics’ resources[J]. Henan Science, 2009, 25(2):230-235.

[6]郭建强.初论地质遗迹景观调查与评价[J].四川地质学报,2005,25(2):104-109.

GUO J Q. A preliminary discussion about survey and assessment of geological vestiges landscape[J]. Acta Geologica Sichuan, 2005,25(2):104-109.

[7]徐胜兰,张远海,黄保健,等.广西凤山岩溶国家地质公园典型地质遗迹景观价值[J].山地学报，2009,27(13):373-390.

XU S L, ZHANG Y H, HUANG B J, et al. Comparative analysison value of typical geological trace landscapes of Guangxi Fengshan Karst National Geopark[J]. Journal of Mountain Science, 2009,27(13):373-390.

[8]彭和求.地质遗迹资源评价与地质公园经济价值评估[D].北京:中国地质大学,2011.

PENG H Q. Geological relics resources evaluation and evaluation of geological park economic value[D]. Beijing: China University of Geosciences,2011.

[9]彭晓莹,钟巍,赵引娟,等.全新世大暖期气候环境特征及其机制的再认识[J].华南师范大学学报(自然科学版), 2005(2):52-60.

PENG X Y, ZHONG W, ZHAO Y J, et al. Preliminary research in the Holocene hypsithermal climate change [J]. Journal of South China Normal University (Natural Science Edition), 2005 (2):52-60.

[10]电脑报社出版社. 中国最后的稀世美景[M].北京： 电脑报电子音像出版社, 2008.

[11]田东县志编纂委员会.田东县治志[M].南宁:广西人民出版社,1996.

[12]广西壮族自治区水文地质环境地质大队.区域水文地质普查报告(1∶20万田东幅)[R].广西壮族自治区地质矿产局，1983:20-24.

[13]广西壮族自治区地质矿产局. 广西壮族自治区区域地质志[M].北京:地质出版社,1985：662-689.

[14]ARLEGUI L, SIMN J L. Geometry and distribution of regional joint sets in a non-homogeneous stress field: case study in the Ebro basin (Spain) [J]. Journal of Structural Geology, 200l, 23(2/3):297-313.

[15]RAWNSLEY K D, PEACOCK D C P, RIVES T, et al. Joints in the Mesozoic sediments around the Bristol Channel Basin[J]. Journal of Structural Geology, 1998, 20(12):1641-1661.

[l6]EYAL Y, GROSS M R, ENGELDER T, et al. Joint development during fluctuation of the regional stress field in southern Israel[J]. Journal of Structural Geology, 2001, 23(2/3):279-296.

[17]孟召平,彭苏萍,张慎河.不同成岩作用程度砂岩物理力学性质三轴试验研究[J].岩土工程学报, 2003,25(2):140-143.

MENG Z P, PENG S P, ZHANG S H. Triaxial test on physical and mechanical properties of sandstone for different diagenesis degree[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2003,25(2):140-143.

[18]黄锡荃,李惠明,金伯欣.水文学[M].北京:高等教育出版社,1985.

【中文责编：庄晓琼英文责编：肖菁】

Formation Mechanization of Chessboard River Bed Geological Wonders in Tian Dong County, Guangxi, China

LUO Shuwen*, DENG Yadong, HUANG Baojian

(Institute of Karst Geology, CAGS. Karst Dynamics Laboratory,MLR&GZAR,Guilin 541004,China)

There are geological wonders of level chessboard bedrock stones of which the development size is 0.25～3.00 m2and the area is 15 600 m2on Naba riverbed of Naba town of Guangxi Tiandong. Based on surveying the national conditions, such as stratum, lithology, geologic structure, landform and the topographic features in the deve-lopment area, the statistical analysis results show that X-extension joint feature of sandstone under the side force effect is the precondition and base to form the materials. The statistical analysis incudes counting the developing rules of tectonic joint and comparing different river beaches of Naba River around chessboard beach with the same geological base. The special hydrologic condition of the river is the main force forming the chessboard beach; and the horizontal structure and the trumpet riverbed landform are important control factors for forming and storing the chessboard beach.

Tiandong Naba; chessboard river bed; formation mechanization; tectonic joint; discussion

2015-09-08《华南师范大学学报(自然科学版)》网址：http://journal.scnu.edu.cn/n

中国地质调查子项目(基[2012]01-009-018，1212011220049，12120114062601)；田东驼仙山省级地质公园申报项目

罗书文，高级工程师，Email:luoshuwen6700167@126.com.

K903

A

1000-5463(2016)04-0071-06