《CATENA》：Effects of wildfire on sandstone outcrops and environmental consequences, Bohemian Switzerland NP, Czech Republic
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本研究以2022年 Bohemian Switzerland 国家公园火灾区为例，综合运用矿物学分析、热力学建模等方法，发现火灾导致砂岩表层剥落及砂质流失，表面温度达250-310°C，矿物结构局部重组但整体变化较小，对长期岩体含水量影响有限。
米哈尔·菲利皮（Michal Filippi）| 吉日·亚达莫维奇（Ji?í Adamovi?）| 马丁·斯拉维克（Martin Slavík）| 彼得·米基塞克（Petr Mikysek）| 托马斯·韦斯（Tomá? Weiss）| 雅库布·马雷什（Jakub Mare?）| 吉日·布鲁塔恩斯（Ji?í Bruthans）| 扬·罗霍韦茨（Jan Rohovec）
捷克科学院地质研究所，Rozvojová 269号，165 00 布拉格6，捷克共和国
摘要
野火对天然砂岩露头的影响仍是一个研究不足的课题。以2022年波希米亚瑞士国家公园（Bohemian Switzerland NP）发生的大规模火灾影响区域作为研究地点，通过结合非传统但互补的方法记录了火灾对砂岩露头的变化。这些方法包括延时摄影记录、受影响与未受影响岩石的矿物学和岩石学研究、原位湿度和抗拉强度测量、热传递模型、内部水分沸腾模型和蒸汽压力模型以及汞的热脱附分析。研究结果有助于探讨可能的促成因素，并对砂岩悬崖的未来发展进行预测。尽管受影响岩石的颜色发生了显著变化，但仅检测到微小的矿物学变化。这些变化主要表现为高岭石结构的局部重组、部分粘土矿物中铁的迁移（可能还包括其他富铁矿物），以及少量赤铁矿向针铁矿的转化。通过颜色和矿物变化以及汞的热脱附数据，可以推断出岩石表面和浅层地下的温度范围为250–310°C。研究发现，火灾对岩石长期湿度的负面影响可以忽略不计，而对岩石强度的负面影响也不明确，除非是表层岩石完全或部分脱落的情况。火灾最明显的效应是岩石剥落，这是由于孔隙水沸腾产生的蒸汽压力所致，随后导致岩石碎裂。这一过程使得大量砂粒进入受火灾破坏的土壤中。在1.2平方公里的悬崖线上，记录了4305公斤砂岩的流失。
引言
大规模野火对环境的各个组成部分都有显著影响。它们的发生频率在一年中的温暖季节达到高峰，干旱和风是主要的加剧因素。尽管也有记录显示闪电、火山活动以及煤层自燃也会引发野火，但最近的大多数野火都是由人为活动引起的。野火多发生在干旱和半干旱地区以及植被覆盖的区域，不过在温带地区也越来越常见。受野火影响最严重的通常是生物和土壤，这也是大多数研究的重点（例如：Agee, 1998; Bormann et al., 2008; Adámek et al., 2015, 2016; Baieta et al., 2022; Pfoch et al., 2023; Cheng et al., 2023; Jílková et al., 2023; Lanta et al., 2025）。相比之下，野火对天然岩石露头的影响研究较少。砂岩被认为是一种特别脆弱的岩石类型，主要是因为其孔隙率较高且内部湿度大，容易受到各种类型的风化作用。
许多研究探讨了高温对砂岩性质的影响，这些研究要么在实验室进行，要么在特定模型地点进行。最常研究的现象包括颜色和矿物变化（Hajpál, 2004; Hager, 2014; Kompaníková et al., 2014）、机械性能的变化（Guo et al., 2023; Hao et al., 2024），以及与火灾相关的岩石剥落（Dorn, 2003; Smith and Pells, 2008）。然而，实验室条件下的研究存在局限性，其结果不能直接应用于实际受火灾影响的岩石露头。
据我们所知，几乎没有复杂的研究记录野火（高温）对自然环境中真实砂岩露头的影响。
2022年夏季，长时间的极端高温和干燥天气促使捷克北部靠近德国边境的地区发生了野火。尽管有积极的灭火工作，火灾仍在两周内蔓延至16平方公里的范围。除了对土壤和生物的破坏（Jílková et al., 2023）外，火灾也在岩石露头上留下了痕迹。尽管这一事件令人遗憾，但它为记录野火对实际砂岩露头的影响提供了独特的机会，尤其是在多层次的砂岩地貌背景下。
本文旨在通过多学科方法来理解野火对砂岩悬崖面的影响。具体目标包括：1）描述火灾对砂岩露头破坏的程度；2）表征火灾引起的砂岩变化；3）简要讨论火灾受损岩石对环境的影响；4）评估火灾对悬崖面长期演变的影响。为实现这些目标，采用了综合方法，包括详细的野外记录、矿物学和孔隙率数据的比较、湿度和强度参数的评估、热传递和蒸汽压力的建模，以及基于汞热脱附的温度估算。
地理背景
研究区域位于以砂岩为主的波希米亚瑞士国家公园（BSNP）范围内，并延伸至德国的萨克森瑞士国家公园（SSNP，见图1）。该地区也被称为易北河砂岩（Elbe Sandstones）。BSNP占地80平方公里，海拔高度介于115至619米之间。地貌特征是沟壑、峡谷和峡谷网络，向西倾斜并在公园西侧注入易北河。
野火描述
2022年7月24日，一场人为引发的火灾在赫伦斯科（H?ensko）以东1公里的马利诺维杜尔山谷（Malinovy d?l Valley）开始（见图1）。该地点距离普拉夫奇卡布拉纳（Prav?ická brána Arch）仅2公里。在接下来的九天内，火灾蔓延至赫伦斯科和梅兹纳（Mezná）之间的16平方公里区域，这是一个几乎无人居住的连续森林地带。7月25日，火灾蔓延至德国的萨克森瑞士国家公园，覆盖了格罗瑟·温特贝格山（Gro?er Winterberg Hill）及其周边2.5平方公里的区域。
野外记录与采样
在BSNP西南部的德卢赫杜尔山谷（Dlouhy d?l Valley）研究了火灾对岩石露头的破坏程度和强度（见图1）。该山谷位于火灾起始点东北方向1–2公里处，因此是一个受到火灾显著影响的明确区域，尤其是在火灾初期。研究的悬崖面属于伊泽拉组（Jizera Formation）的最底层。选择这个山谷是因为其损伤情况清晰可见。
基于野外记录的岩石露头损伤情况
在选定的研究区域内进行了详细记录，涵盖了多种露头类型，如平缓、陡峭和悬垂的悬崖面，以及不同大小的裸露巨石等（见图1）。观察发现，损伤程度不一，有的局部发生，有的沿整个悬崖线连续分布（见图3）。火灾造成的最显著现象是形成与悬崖表面平行的裂缝，并伴随岩石剥落。
砂岩火灾相关变化的内部和外部因素
砂岩的温度变化受多种因素影响：颗粒大小、碎屑和胶结物的矿物组成、孔隙率特性、颗粒间的接触类型等（例如：T?r?k and Hajpál, 2005; Durmeková et al., 2017）。在讨论上述结果之前，需要指出本研究使用的样本来自多个露头。所有测量数据均来自自然砂岩悬崖的表面和浅层地下部分。
结论
本研究描述了野火对砂岩露头造成的变化，并探讨了高温及相关因素的影响。虽然岩石颜色的变化较为明显，但主要是由于矿物组成的微小变化所致。光学显微镜、XRD和SEM-EDS数据的综合证据表明，高岭石结构发生了局部重组，粘土基质（绿泥石、伊利石）中的铁有少量迁移，可能还包括其他伴生矿物。
作者贡献声明
米哈尔·菲利皮（MF）负责研究的设计和指导，并与吉日·亚达莫维奇（JA）共同完成了手稿初稿的撰写。MF、JA、TW、JM、JB主要负责野外记录、采样和测量工作。PM、JA、MF负责矿物学研究。TW主要负责与内部湿度相关的内容撰写。JR主要负责与热传递和内部压力相关的内容撰写。所有作者均参与了研究。
作者贡献声明
米哈尔·菲利皮（Michal Filippi）：负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、调查、资金获取、概念构建和方法论设计。
吉日·亚达莫维奇（Ji?í Adamovi?）：负责资金获取、调查、初稿撰写、审稿与编辑、方法论设计。
马丁·斯拉维克（Martin Slavík）：负责调查、方法论设计、数据可视化、初稿撰写、审稿与编辑、概念构建。
彼得·米基塞克（Petr Mikysek）：负责调查、方法论设计、初稿撰写、审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究由捷克科学基金会（项目编号24-12696S）和捷克科学院AV21/4计划资助，并在捷克科学院地质研究所（CAS）的RVO 67985831机构支持下进行。H27UNB、H27B和H27B-surf样本的分析由波希米亚瑞士国家公园通过其岩石结构与力学研究所（Institute of Rock Structure and Mechanics, CAS）提供资金支持。感谢马丁·什塔斯尼（Martin ??astny）和卢西·姆拉兹科娃（Lucie Mrázková）的协助。
