1941年, 芝加哥大学Krumbein在The Journal of Geology发表了题为“ The effects of abrasion on the size, shape and roundness of rock fragments” (磨蚀作用对岩屑的大小、形状和圆度的影响)的论文(Krumbein, 1941)。他用27个直径45~54, mm、棱角状的灰岩砾石(平均初始球度0.65, 平均初始圆度0.13, 平均重量155, g)进行滚筒实验。实验进行了20 h(滚筒转动的距离为32.19, km), 连同初始值获得了14组数据(包括圆度、球度、粒度等3个变量)(图 1)。

图1

Fig.1

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	图1 灰岩砾屑粒度(重量)、磨圆度和球度与磨蚀距离函数关系(据Krumbein, 1941, 有修改)Fig.1 Size(weight), roundness and sphericity of limestone fragments as functions of distance during abrasion (modified from Krumbein, 1941)

据此得出结论: (1)岩屑平均重量(粒度)从155g迅速下降, 并且随着滚动距离的增加持续下降; (2)磨圆度在0~3, miles距离内快速增加, 而后逐渐趋于平滑, 随滚动距离的增加变化不大; (3)球度在整个实验中变化不大, 仅在实验初期阶段有所变化, 后期没有明显的变化。

国内多本《沉积岩石学》教材引申为: “ 碎屑颗粒在长距离的搬运过程中, 由于颗粒间的碰撞、摩擦, 流水对颗粒的分选以及继续着的化学分解和机械破碎, 使得它们在矿物成分、粒度、分选性和形状上都要发生变化” (刘宝珺, 1980; 曾允孚和夏文杰, 1986); “ 总之, 碎屑物质在流水搬运过程中, 其不稳定成分逐渐变少, 粒度逐渐变小, 圆度逐渐变好, 这些是变化的总趋势。搬运的时间及距离越长, 这些变化就越明显。碎屑物质在流水搬运过程中的这些变化, 都会在碎屑沉积物及碎屑沉积岩的岩性特征上反映出来” (朱筱敏, 2008)。

胡修棉(2017)认为Krumbein的认识仅仅局限在早期简单实验中的砾石, 并不适用于砂和砂岩, 但国内却以普适真理写进教材中, 被泛化到砂岩, 是“ 以讹传讹, 误导了中国几代沉积学和相关学科的师生和研究者” 。其作出“ 以讹传讹” 的结论主要基于2点:

1)Krumbein(1941)在文末强调: 本实验仅仅关注的是灰岩砾石的磨蚀情况, 限于实验材料、介质和时间等参数的选择, 其结果并不能代表自然界河流砂的实际情况; 并且, 滚筒实验方法背后单一的物理学原理也不足以解释和模拟自然界河流复杂的搬运过程。

2)“ 长石、岩屑、不稳定组分重矿物等的出现和消失, 与搬运距离没有必然的联系: 岩屑砂岩、长石砂岩也可以出现在长距离搬运的河流沉积中; 磨圆度与颗粒大小与搬运距离没有必然的关系。”

国内教材常描述为: 随着搬运距离的增加, 离侵蚀区愈远, 那些不稳定的矿物如长石、铁镁矿物等就会逐渐减少, 而性质比较稳定的矿物如石英含量就会相对增加(刘宝珺, 1980; 曾允孚和夏文杰, 1986)。

胡修棉(2017)基于Russell(1936, 1937)、Russel和Taylor(1937)、van Andel(1950)、Whetten等(1969)、Potter(1978)、Shukri(1950)等的数据与结论认为: 影响砂岩成分成熟度的长石、岩屑、不稳定组分及重矿物等, 与搬运距离没有必然的关系, 因为不稳定矿物在河流中的变化不大, 甚至在下游入海处不稳定矿物成分依然很高, 这与国内教材的描述截然相反。

矿物的稳定性主要由其抗风化能力决定。相同外部环境下, 抗风化能力较强的矿物稳定性强、能够适应长距离搬运而不发生大的变化; 反之, 抗风化能力弱的矿物稳定性较弱, 长距离搬运后减少直至消失。分段来看, 将S点物源看成一个整体, 在其河流搬运至A1点的过程中, 稳定矿物与不稳定矿物同处相同的外部环境。按照上述原理来讲, A1点相比于S点的稳定矿物变化要小于不稳定矿物, 即稳定矿物含量基本不变, 不稳定矿物含量会减少。这与国内教材所述的结论相符。但由于接受沿岸的不稳定矿物补充, 则C1点不稳定矿物占比可能不会下降, 与Russell(1937)观察的数据相符。加上C点物源的不稳定物质, 相比于S点占比甚至会上升(图 3), 即常见的“ 掺和作用” 、“ 混合作用” 的结果(北京石油学院矿物岩石教研室, 1961)。因为C1点相比于S点可以说长距离搬运, 但相比于C1周围就是近距离。同理, R河中的每个点都会呈现出不稳定物质占比变化不大的现象, 何况密西西比河等各大河流的支流系统要繁杂的多。随着河流进入下游, 远离物源区, 沿岸多为第四系覆盖, 难以提供不稳定矿物, 导致占比下降。如果在C1点或D1点附近直接入海湖, 则会呈现出不稳定矿物成分偏高的现象。

图3

Fig.3

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	图3 多物源因素影响示意图(相对位置见图2方框)Fig.3 Schematic diagram for influence of multiple provenances(relative position in Fig.2)

胡修棉(2017)基于Russel和Taylor(1937)等的数据及结论认为: 磨圆度与搬运距离没有必然的关系, 河流搬运对砂粒的圆化没有实质性的贡献。

掺和作用的影响依旧是重要原因, 此处不再赘述。Russel和Taylor(1937)的5个研究发现中, 直接反映了河流搬运对粗粒颗粒磨圆的贡献— — 下游方向磨圆指数变高。小粒径碎屑在河流搬运过程中的变化不明显, 其与粗粒颗粒最大的不同在于表面积不同。表面积大的颗粒搬运过程中与其他颗粒碰撞的概率明显大于表面积小的颗粒, 进而机械磨圆相互作用也较强。Garzanti等(2012, 2015)从橘子河口沿岸流的观察结果, 亦无法排除掺和作用的影响。

科学研究河流搬运距离与颗粒磨圆的关系, 应该对颗粒进行批量标定, 然后观察它们随搬运距离增加所发生的变化, 由此得出的数据最具说服力。

胡修棉(2017)引用的Sternberg(1875)、Plumley(1948)、Unrug(1957)、Bradley等(1972)证实了随着搬运距离的增加, 砾石粒径向下游呈现减小或降低的趋势。至于搬运过程中, 对粒径的改造作用及其程度, 亦采用上述的批量标定法得出的数据最具说服力。

Russel和Taylor(1937)、Pettijohn(1975)等的研究结果表明, 粒径呈现上游粗下游细的分布规律, 主要是基于水动力的分选作用。水动力强的背景下, 较粗的颗粒就能被搬运到下游, 水动力弱的背景下, 较细的颗粒才能被搬运, 较粗的颗粒就会因为外界动力的不足而停滞下来。理想环境下, 因为海拔高度差的影响, 上游水动力明显强于下游, 造成了上游富粗粒、下游富细粒的结果。水动力的异常, 如暴雨引发的洪水等, 就可能造成下游出现粗粒物质。

刘宝珺(1980)做出“ 颗粒在河流中的长距离搬运, 由于河床或者颗粒彼此间的摩擦与碰撞作用, 使得颗粒的粒度逐渐变小, 一般地讲, 搬运距离越长越是这样” 的结论, 主要基于滚筒实验结果。与实验提供单纯的物理机械环境相比, 大自然的水动力系统要复杂地多, 还夹杂了水体侵蚀、化学反应等多种作用, 对颗粒的改造作用也要复杂得多。何况, 目前并没有足够的数据否定河流搬运对颗粒的改造作用。