河南云臺山世界地質(zhì)公園紅石峽谷形成年代研究

賈麗云, 張緒教*, 楊東潮, 李宗敏, 樊克鋒, 宮 程, 陳 潔, 張晉喆

1)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083; 2)河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)隊, 河南鄭州 450001

河南云臺山世界地質(zhì)公園紅石峽谷形成年代研究

賈麗云1), 張緒教1)*, 楊東潮2), 李宗敏1), 樊克鋒2), 宮 程2), 陳 潔1), 張晉喆1)

1)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083; 2)河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)隊, 河南鄭州 450001

地貌年代是地貌學(xué)研究的重要內(nèi)容, 紅石峽谷作為云臺山世界地質(zhì)公園重要的地貌景觀與地質(zhì)遺跡資源, 其形成年代的研究具有重要科學(xué)意義。本文對紅石峽谷地貌特征進行了詳細野外調(diào)查及研究, 通過地貌對比及釋光法測年對紅石峽谷的形成年代、新構(gòu)造運動對峽谷的控制作用進行了探討。紅石峽谷具有年輕河谷的地貌特征: 平面展布明顯受構(gòu)造節(jié)理控制、橫剖面呈現(xiàn)V型、縱剖面為上凸形; 用熱釋光法(TL)測得紅石峽谷谷肩河流相砂礫石層泥質(zhì)膠結(jié)物年代為(374.86±31.86) ka B.P.; 與谷肩寬谷同期發(fā)育的灰?guī)r溶蝕裂隙中蝕余紅土的年齡為(340.74±28.96) ka B.P.; 控制紅石峽形成的黑龍?zhí)稊嗔哑浞种嗔阎袛鄬幽嗄甏鸀?300.04±25.50) ka B.P.。據(jù)以上證據(jù)并與子房河階地級序及年代的綜合對比認為: 紅石峽谷主要受黑龍王廟斷裂的控制, 形成于中更新世中期(Qp2-2) 451—(374.86±31.86) ka B.P.之后。本研究利用測年數(shù)據(jù)對紅石峽谷形成年代進行了定量約束, 對太行山南緣地貌與新構(gòu)造運動的研究具有參考價值。

云臺山; 地質(zhì)公園; 紅石峽谷; 地貌年代; 釋光測年

峽谷地貌景觀是地質(zhì)公園常見的地質(zhì)遺跡資源(張緒教等, 2005), 景觀地貌的形成年代是地質(zhì)公園科學(xué)研究的重要內(nèi)容(趙汀等, 2009; 張蕾等, 2012), 也是近年來地貌學(xué)研究的一個重點和難點(Zhu et al., 2009; 平亞敏等, 2011; 劉春茹等, 2011);云臺山世界地質(zhì)公園是中國第一批世界地質(zhì)公園,紅石峽谷是云臺山世界地質(zhì)公園極具特色的地貌景觀, 其形成時代對太行山南緣地貌演化研究以及地質(zhì)公園的科普工作有著重要意義。

根據(jù)Davis(1899)地貌發(fā)展的旋回理論, 峽谷是河流地貌演化的初期階段, 主要發(fā)育在新構(gòu)造運動比較強烈的地方(曹伯勛, 1995)。但由于峽谷屬于侵蝕地貌, 其年代研究較為困難。對峽谷形成年代的研究, 國外以美國的大峽谷(Grand Canyon)較多,部分學(xué)者利用地貌對比、測年及建模等方法對大峽谷的形成時代進行了研究(Pederson, 2008; Polyak et al., 2008; Pearthree et al., 2008; Flowers et al., 2009; Lucchitta et al., 2011), 最新研究認為大峽谷形成于7 Ma B.P.左右(Flowers et al., 2012)。在國內(nèi), 明慶忠等(2007)通過構(gòu)造地貌的對比, 推斷金沙江虎跳峽的形成年代約在中更新世(Qp2)。Li等(2009)利用層狀地貌對比, 并結(jié)合相關(guān)沉積物測年對長江三峽的形成年代進行了研究, 認為長江三峽被切穿于1.8～1.16 Ma B.P.。運用地貌對比的方法進行侵蝕峽谷形成年代的研究, 是一種間接年代學(xué)方法, 隨著第四紀測年技術(shù)的不斷完善, 將地貌的對比與現(xiàn)代測年方法相結(jié)合是今后的發(fā)展趨勢。

關(guān)于云臺山紅石峽谷的研究, 前人主要對其形成的原因進行過探討(趙遜等, 2005), 而對其形成的具體年代未作明確判斷。本研究采用地貌對比與熱釋光(TL)測年數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法, 對紅石峽谷的形成年代進行了探討。首先通過對紅石峽谷的平面展布、橫剖面、縱剖面形態(tài)等特征進行詳細的野外地質(zhì)考察, 推測出紅石峽谷的相對年代, 然后將其與黑龍王廟斷層次級斷裂、子房河下游河流階地進行對比, 并結(jié)合峽谷谷肩、蝕余紅土、黑龍王廟分支斷裂斷層泥及子房河下游河流階地測年數(shù)據(jù), 對紅石峽谷的形成年代進行定量研究, 并估算出了紅石峽谷形成以來的下切速率。

紅石峽谷位于河南省云臺山世界地質(zhì)公園子房河下游的云臺山景區(qū), 區(qū)內(nèi)出露的主要地層為中元古界、寒武系和奧陶系中統(tǒng)(河南省地礦局第二地質(zhì)隊, 2003), 中元古界云夢山組地層與上覆的寒武系地層之間為平行不整合接觸, 寒武系地層與上覆奧陶系中統(tǒng)地層為平行不整合接觸(王建平等, 2004)。其中, 發(fā)育于距今1200～1400 Ma年前的中元古界薊縣系云夢山組(Pt2y)紫紅色石英砂巖, 是形成紅石峽地貌景觀的物質(zhì)基礎(chǔ), 其顏色鮮艷、地層產(chǎn)狀較平、巖石堅硬, 抗侵蝕性較強, 主要控制了紅石峽谷的顏色和丹崖棧道的形成, 并在隘谷、障谷的形成方面起到了實質(zhì)性的控制作用。

云臺山景區(qū)所屬區(qū)域上的深大斷裂構(gòu)造, 受華北裂谷帶、太行山隆起帶和濟源—開封東西向走滑斷裂的共同作用, 構(gòu)造運動形式表現(xiàn)為斷塊式上升和下降, 形成三組斷裂。第一組為近南北向, 第二組為近東西向, 第三組為北東向, 斷裂性質(zhì)均以張性和張扭性的正斷層為特征(張岳橋等, 2003)。其中對紅石峽形成起重要作用的黑龍王廟斷層呈近東西向展布, 斷層走向為向南凸的弧形, 斷層面向南微傾, 為南盤下降、北盤上升的正斷層(圖1), 北盤出露薊縣系云夢山組, 南盤為中奧陶統(tǒng)馬家溝組和寒武系地層, 落差 200～700 m。紅石峽谷以懸溝的形式發(fā)育在黑龍王廟斷層北盤, 斷層崖南側(cè)為較為開闊的子房河河谷。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖Fig. 1 Geological map of the study area

紅石峽谷內(nèi)巖層節(jié)理極為發(fā)育, 其中近于直交的兩組節(jié)理控制了峽谷的總體形態(tài), 河床沿著兩組節(jié)理追蹤發(fā)育, 形成了近南北向的隘谷。根據(jù)野外節(jié)理統(tǒng)計結(jié)果, 這兩組節(jié)理近于直交, 一組走向近南北約10°左右, 另一組約為280°左右。

1 紅石峽谷地貌形態(tài)

河谷的地貌形態(tài)與其形成年代有著密切關(guān)系。河谷發(fā)育早期, 平面上一般會沿巖石節(jié)理、裂隙或斷層方向展布, 橫剖面形態(tài)易呈現(xiàn)V型, 縱剖面形態(tài)呈上凸形; 河谷發(fā)育晚期, 河谷被拓寬, 沿節(jié)理、裂隙展布的形態(tài)已不明顯, 橫剖面也變?yōu)閷捁? 縱剖面易呈現(xiàn)下凹形態(tài)。紅石峽谷是發(fā)育在紅色石英砂巖中的線狀峽谷, 其平面、橫、縱剖面形態(tài)都具有河谷發(fā)育早期的特征。

1.1 平面形態(tài)與橫剖面特征

云臺山世界地質(zhì)公園的紅石峽谷沿節(jié)理追蹤呈“之”字形近南北向展布, 根據(jù)野外實地考察繪制了紅石峽谷的平面圖(圖 2a), 可以清楚地看出其平面展布受兩組節(jié)理控制。紅石峽溝口至天橋下方的小橋處, 谷壁陡直, 谷底與谷寬幾近一致, 河谷極其狹窄, 形成了“一線天”景觀, 該段河谷為隘谷(圖2b), 主要受走向為10°的一組節(jié)理控制。至雙拱橋上游拐彎處, 由于受走向 10°與走向 280°兩組近于直交節(jié)理的同時控制, 河谷變得較為開闊, 是整個紅石峽谷中最寬闊的地帶, 并在河谷西側(cè)谷底有基巖出露水面, 該段河谷屬于障谷(圖 2c)。由雙拱橋上游拐彎處向上至大瀑布處, 兩側(cè)谷壁直立,谷底全部為河床占據(jù), 河床平均寬度約 3 m, 屬于隘谷(圖2d)。

紅石峽谷與大部分太行山南部的河谷形態(tài)有著相同特點(龔明權(quán), 2010): 盤狀谷之上發(fā)育“U”字形河谷, 紅石峽谷的地貌位置位于 U字形谷底,它嵌入U形谷地中, 形成了U字形谷地中嵌有障谷,障谷中又嵌有隘谷的橫剖面特征(圖 3), 這說明紅石峽谷形成年代較新, 還處于河谷發(fā)育的初級階段,且其年代應(yīng)晚于其上谷肩沉積物的年齡。

1.2 縱剖面特征

縱剖面形態(tài)是組成河谷的巖性、新構(gòu)造運動及其發(fā)育時間的綜合反映, 因此, 在峽谷地貌研究中,縱剖面特征的研究非常重要。

圖2 紅石峽谷平面與各段橫剖面示意圖Fig. 2 Plan view and cross section of the Hongshi Canyon

圖3 紅石峽谷橫剖面示意圖Fig. 3 Cross section of the Hongshi Canyon

為反映紅石峽谷底形態(tài)自上游到下游的變化,從子房湖水庫大壩以南大瀑布處至黑龍?zhí)镀俨紲y制了紅石峽河谷縱剖面圖(圖4)。可以看出, 紅石峽谷底總體表現(xiàn)出以多級平臺組成的折線特征、瀑布及跌水較多。

圖4 紅石峽谷河谷縱剖面圖Fig. 4 Longitudinal section of the Hongshi Canyon

描述河谷縱剖面形態(tài)的重要指標之一是凹度值。凹度是指河流縱剖面下凹的程度, 它是以河口為原點的拋物線來擬合得到的下述拋物線方程的指數(shù)(n)(蔣忠信, 1987; 陸中臣等, 2000; 馬保起等, 1999):

式中A為方程系數(shù), L和H分別為整條河谷的水平長度和落差, l和h為河谷縱剖面上某點與河口的水平距離和落差(蔣忠信, 1987)。n為拋物線方程指數(shù), 代表的是概化的、理論意義上的凹度。當n＞1 時, 縱剖面為下凹型, 說明河谷處于發(fā)育成熟期; 當 n＜1時, 為上凸型, 說明河谷處于發(fā)育初期; 當n=1時, 則為直線型, 河谷處于發(fā)育過渡期(閔石頭等, 2007; 陸中臣等, 1986, 2003)。

由于紅石峽谷基本符合理想流域河谷的假設(shè)條件(蔣忠信, 1987), 因此, 可利用該模型計算紅石峽谷凹度值。本文通過對公式(1)兩邊取對數(shù), 得到一線性方程: Ln(h)=ln(A)+n·ln(l), 對原始的長度和高差數(shù)據(jù)取自然對數(shù)后進行線性擬合求出了n值。下面是通過這種方法繪制的紅石峽河谷縱剖面雙對數(shù)擬和圖(圖5)和擬合結(jié)果(表1)。

擬合結(jié)果顯示, 關(guān)系式的相關(guān)性很高, R2達0.980, 紅石峽河谷縱剖面的凹度值 n=0.679, 該值小于 1, 因此紅石峽谷河谷縱剖面形態(tài)為上凸型,說明紅石峽谷一直處于抬升中, 河流作用以下蝕作用為主, 并不斷溯源侵蝕, 由于抬升幅度和速率的變化, 同時又受到巖性差異的影響, 因此在河谷中形成了許多瀑布和跌水(圖4)。

表1 河谷縱剖面線性擬合結(jié)果Table 1 Fitting result of the valley longitudinal section

圖5 河谷縱剖面對數(shù)擬和圖Fig. 5 Logarithm fit of the valley longitudinal section

2 紅石峽谷與黑龍王廟斷層次級斷裂對比

從紅石峽發(fā)育的構(gòu)造及地貌位置, 以及其上下游明顯的地貌差異等方面可推測, 紅石峽谷的形成與黑龍王廟斷裂的活動密切相關(guān)。根據(jù)前人(張岳橋等, 2003; 馬寅生等, 2007; 龔明權(quán), 2010)對太行山南緣新生代的隆升與斷陷研究表明, 沿太行山南緣發(fā)育一組正斷層, 斷層組合總體呈向南依次下降的階梯狀, 控制了太行山南緣構(gòu)造地貌階梯的形成。黑龍王廟斷層便是這組正斷層中的一段, 由于其位于紅石峽谷溝口位置(圖 1), 北部上盤在中元古界地層中發(fā)育峽谷, 南部下盤呈現(xiàn)出寬谷形態(tài), 不但成為地層的分界線, 也是重要的地貌分界線。因此,黑龍王廟斷層的活動造成了紅石峽谷裂點的形成,紅石峽谷的切割形成過程中, 黑龍王廟斷層的活動應(yīng)較為強烈。

由于在統(tǒng)一應(yīng)力場作用下, 大斷裂活動同時會產(chǎn)生次級斷裂, 因此, 在時間上大斷裂與其次生的小斷裂為同期構(gòu)造運動的產(chǎn)物。對紅石峽形成起控制作用的黑龍王廟斷裂規(guī)模較大, 較難找到合適的測年樣品。而與其同期活動的小規(guī)模斷裂中斷層泥比較容易保存, 可以通過采集次級斷裂中斷層泥測年樣品的方法來推斷黑龍王廟斷裂的活動時間, 進而間接判斷紅石峽谷開始形成的大致年代。

在紅石峽東側(cè)的公路旁觀察到一小型斷裂F1(圖 1), 該斷裂位于黑龍王廟斷層的北側(cè), 斷層面產(chǎn)狀為170°∠55°, 與黑龍王廟斷層的走向是一致的,上盤出露紅色頁巖, 下盤出露泥灰?guī)r(圖6), 有黃色斷層泥充填, 由于該斷裂是黑龍王廟斷裂的次級分支斷裂, 其活動主要受到了地殼抬升運動的影響,因此, 紅石峽谷被切割形成時期應(yīng)與黑龍王廟斷裂的該次級斷裂的活動時間接近。在該次級斷裂斷層泥中取熱釋光測年樣品 TL-023(表 3)測得其年齡為(300.04±25.50) ka B.P.。

3 紅石峽谷與子房河河流階地對比

紅石峽屬于侵蝕地貌, 是由于地殼的強烈抬升、流水侵蝕下切而成, 侵蝕后出露基巖, 峽谷地貌形成的絕對年代數(shù)據(jù), 很難通過直接測年的方法獲得。研究侵蝕峽谷的形成年代, 可以將其與相關(guān)的層狀地貌進行對比, 進而間接判定其形成年代。子房河流域的河流階地主要為構(gòu)造階地(趙遜等, 2005; 龔明權(quán), 2010), 其與紅石峽谷是在統(tǒng)一的構(gòu)造背景下形成的, 因此, 二者具有可對比性。更為重要的是, 河流階地階面往往保存一定厚度的沖積物, 可為不同方法提供直接測年的材料。

3.1 紅石峽谷與河流階地級序的對比

圖6 紅石峽東斷層F1素描圖Fig. 6 Sketch of Fault 1 to the east of the Hongshi Canyon

從紅石峽谷河谷縱剖面圖中(圖 4)可以看出,紅石峽谷發(fā)育有5級瀑布, 由于巖性差異和構(gòu)造旋回等原因第2級內(nèi)套有3級小瀑布跌水, 第4級套有2級小瀑布跌水(賈麗云等, 2012)。說明該區(qū)在紅石峽谷形成期間至少有過5期新構(gòu)造運動導(dǎo)致地殼的抬升, 使河流出現(xiàn)裂點而形成各級瀑布跌水處的河床陡坎。而云臺山地區(qū)子房河兩岸發(fā)育有6級河流階地。以“小紅石峽”(圖 1)(張緒教等, 2011)為分界點, 上游發(fā)育有3級, 下游發(fā)育有4—6級。小紅石峽上游河谷發(fā)育了3級河流階地, 往南至子房湖水庫大壩, 雖未出現(xiàn)保存良好的 4級階地, 但在谷壁上發(fā)育有坡度約為32°的4級侵蝕臺階, 到紅石峽谷處, 僅在U形寬谷底部殘留河流相砂礫石層,下游黑石嶺和回頭山一帶(趙遜等, 2005)發(fā)育6級河流階地(圖7)。

圖7 子房河下游河流階地橫剖面圖(據(jù)Wu et al., 2010, 稍有改動)Fig. 7 Comprehensive cross section of terraces in the lower reaches of the Zifang River (modified after Wu et al., 2010)

從階地級序與峽谷平臺級數(shù)對比的角度看, 紅石峽谷谷肩上的寬谷應(yīng)相當于T5級河流階地。根據(jù)自下而上逐級對比的原則及方法, 將不同級序的平臺與河流階地的階面對比、瀑布或者裂點與階地的階坡進行對比, 紅石峽谷底四個基巖平臺相當于子房河的 4級河流階地, 谷底之上的谷肩應(yīng)相當于第5級河流階地。紅石峽谷縱剖面中的5級瀑布裂點,與子房河5級河流階地能較好對應(yīng)(圖4, 7)。因此,紅石峽開始形成的年代應(yīng)與子房河 T5級階地的形成年代大體一致。

通過峽谷各級平臺的特征與各級河流階地形態(tài)特征的對比也發(fā)現(xiàn), 峽谷谷肩與T5級階地相當。將子房河河流階地綜合剖面圖(圖 7)與紅石峽谷的橫、縱剖面圖(圖3, 4)進行對比可知: T5級河流階地在下游分布比較穩(wěn)定, 階地面極為寬闊, 橫剖面表現(xiàn)出明顯的寬谷形態(tài), 平面上表現(xiàn)出河曲的形態(tài),說明T5階面的形成時間較長。紅石峽谷也是在寬谷之中發(fā)育的, 下切之前同樣經(jīng)歷了相當長的穩(wěn)定期,橫剖面谷肩部位較厚的河流相砂礫石層, 應(yīng)是與子房河T5階地同期沉積而成的。因此, 紅石峽谷開始下切的年代應(yīng)與T5階地的形成年代較為接近。

3.2 河流階地年代格架對紅石峽谷形成時代的約束

由上述可知, 子房河T5階地對于確定紅石峽谷的形成年代至關(guān)重要。

前人通過區(qū)域?qū)Ρ燃癠系、ESR、OSL、TL等測年方法, 對子房河河流階地的年代進行了研究,獲得了年代數(shù)據(jù)(表2), 但各級階地年代相差較大。趙遜等(2005)利用各階地測年結(jié)果與黃河流域河流階地的時代進行對比, 然后再將階地下切與冰期氣候?qū)Ρ群笳J為: 發(fā)育于子房河下游段拔河 60 m的T5形成于1400～1200 ka B.P.。而Wu等(2010)根據(jù)階地堆積物的ESR和OSL年齡測定結(jié)果, 認為T5級河流階地形成于451～1200 ka B.P.。另外, 龔明權(quán)在做相關(guān)研究時也曾對子房河的河流階地進行過年代學(xué)分析(表2)。

表2 云臺山世界地質(zhì)公園子房河流域河流階地年代研究對比表Table 2 Correlation of the terraces formation ages in Zifang River basin of the Yuntaishan Global Geopark

據(jù)前分析, 黑龍王廟斷裂這一局部構(gòu)造對紅石峽谷的微觀地貌形態(tài)形成的影響非常強烈, 而趙遜等(2005)是通過與黃河流域河流階地比較后得出的T5級階地的年代數(shù)據(jù), 黃河流域與太行山分屬不同的大地構(gòu)造單元和地貌單元, 將子房河與黃河進行地貌對比來確定其河流階地的年代, 難以讓人信服。龔明權(quán)(2010)將太行山南緣的清漳河、濁漳河和丹河河流階地進行對比列出了子房河各級河流階地測年數(shù)據(jù)(表2), 認為T6與T5在該區(qū)保存較少。分析三組測年數(shù)據(jù)后認為, Wu等(2010)根據(jù)具體測年數(shù)據(jù)分析的子房河各級階地形成年代較為可信。

以上分析表明, 子房河河流階地 T5的形成年代可以對紅石峽谷開始形成年代進行約束。而 Wu等(2010)認為的T5級階地形成年代451～1200 ka B.P.數(shù)據(jù)中, 1200 ka B.P.代表T5階地沉積開始的年代, 而451 ka B.P.數(shù)據(jù)樣品取自 T5沖積物的頂部, 代表河流沉積結(jié)束及侵蝕下切的開始?？蓳?jù)此對紅石峽谷進行約束, 其開始形成年代應(yīng)該小于451 ka B.P.。

4 紅石峽谷形成年代的確定

紅石峽谷形成年代, 主要是根據(jù)峽谷谷肩上沖積物的測年數(shù)據(jù)、與寬谷形成同期的巖溶蝕余紅土的年齡、控制峽谷形成的黑龍王廟斷裂次級斷裂中斷層泥的測年、河流階地年代對比等一系列與峽谷形成密切相關(guān)的年代數(shù)據(jù)最終確定的。

紅石峽谷上部的U字形河谷形成于“紅石峽期”,谷底殘留有鈣泥質(zhì)膠結(jié)的河流相砂礫石層, 采用ESR測年獲得 1759.02 ka B.P.的年齡值(趙遜等, 2005), 由于紅石峽谷切割了該沉積物, 因此, 其形成時代應(yīng)晚于該年齡。本次研究對該沉積物頂部的泥質(zhì)膠物取樣進行熱釋光(TL)測年, 測得沉積物的年齡為(374.86±31.86) ka B.P.(表3), 該年齡值大體能代表沉積結(jié)束、峽谷開始下切的年齡。

表3 熱釋光(TL)樣品測年結(jié)果Table 3 Thermoluminescence (TL) data of samples

在紅石峽之上寬谷的形成期, 研究區(qū)以地殼穩(wěn)定、剝蝕夷平、巖溶化作用較強為特征, 因此, 碳酸鹽巖發(fā)育區(qū)廣泛發(fā)育巖溶并在地表形成蝕余紅土,因而紅土的年代與寬谷形成的年代是大體一致的。在紅石峽谷南灰?guī)r溶蝕裂隙之中, 取蝕余紅土(TL-D025)進行熱釋光測年, 測得年齡為(340.74±28.96) ka B.P.(表3), 這與紅石峽谷谷肩砂礫石堆積物頂部的測年數(shù)據(jù)接近。

另外, 黑龍王廟斷層次級斷裂斷層泥年齡(300.04±25.50) ka B.P.代表了造成紅石峽谷強烈下切的時代, 也與此數(shù)據(jù)接近。

根據(jù)前述紅石峽谷與子房河河流階地的對比,認為其形成與T5的形成時期451 ka B.P. (Wu et al., 2010)大體一致, 這也與峽谷谷肩的測年數(shù)據(jù)接近。

綜上所述, 通過對紅石峽谷地貌形態(tài)的野外實地考察、寬谷谷底沖積物、黑龍王廟斷裂斷層泥、蝕余紅土的測年數(shù)據(jù)以及與子房河河流階地的對比研究, 推斷紅石峽谷開始下切的時間應(yīng)在中更新世中期(Qp2-2), 約451～(374.86±31.86) ka B.P.以后。由于紅石峽谷總體下切深度約為100 m, 據(jù)此估算出紅石峽谷的下切速率約為0.22～0.27 mm/a。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

通過對紅石峽谷詳細的野外地質(zhì)調(diào)查研究, 認為紅石峽谷具有年輕河谷的地貌形態(tài)特征: 其平面形態(tài)呈“之”字形沿追張節(jié)理發(fā)育, 橫剖面為障谷和隘谷組合形態(tài), 縱剖面為上凸形; 其形成受黑龍王廟斷裂的控制; 根據(jù)紅石峽谷與子房河河流階地的對比, 認為紅石峽谷應(yīng)與 T5級階地的形成同期。將紅石峽谷肩寬谷沖積物、黑龍王廟斷裂斷層泥、巖溶蝕余紅土以及與子房河T5級河流階地的測年數(shù)據(jù)(374.86±31.86) ka B.P.(TL)、(300.04±25.50) ka B.P. (TL)、(340.74±28.96) ka B.P.(TL)與451 ka B.P.(ESR)進行綜合分析后認為: 在子房河的 T5級階地于451～(374.86±31.86) ka B.P形成后, 紅石峽谷開始下切, (300.04±25.50) ka B.P.(TL)左右黑龍王廟斷裂的構(gòu)造活動, 加速了紅石峽谷的下切與形成。因此, 紅石峽谷應(yīng)形成于中更新世中期(Qp2-2)451 ka B.P.—(374.86±31.86) ka B.P.之后。

根據(jù)紅石峽谷約100 m的總下切深度與形成時代, 估算出了451 ka B.P.—(374.86±31.86) ka B.P.以來紅石峽谷的平均下切速率約為0.22～0.27 mm/a。

5.2 討論

通過系統(tǒng)對比研究, 本文提出紅石峽谷肩部位殘留的河流相砂礫石層與子房河下游的 T5同期, 與前人(趙遜等, 2005)認為的與T6同期觀點不同。趙遜等(2005)曾在紅石峽谷谷肩河流相砂礫石層的中部取鈣質(zhì)膠結(jié)物做電子自旋共振(ESR)測年得出數(shù)據(jù)為1759.02 ka B.P., 認為是子房河T6階地形成時期的沉積物, 而本次在該沉積物的頂部取樣做熱釋光(TL)測年, 得到的數(shù)據(jù)僅為(374.86±31.86) ka B.P.。究其原因, 首先, 樣品的采集層位及測年方法的不同是導(dǎo)致測年結(jié)果出現(xiàn)較大差異的主要原因; 其次, 測年技術(shù)局限性及樣品被污染等其它原因也會干擾測試結(jié)果。另外, 根據(jù)野外實地考察, 紅石峽谷形成年代相對較年輕; T5在子房河下游黑石嶺一帶發(fā)育寬谷或河曲, 與紅石峽谷肩寬谷形態(tài)類似; 而 Wu 等(2010)取自子房河下游T5頂部的ESR測年數(shù)據(jù)為451 ka B.P., 紅石峽南與T5同期發(fā)育于巖石裂隙中的蝕余紅土的TL年齡為(340.74±28.96) ka B.P., 控制紅石峽谷形成的黑龍王廟斷層的分支斷裂斷層泥的年代為(300.04±25.50) ka B.P., 都與本文中紅石峽谷谷肩頂部沉積物的年齡(374.86±31.86) ka B.P.非常接近, 因此, 紅石峽谷肩部位殘留的河流相砂礫石層應(yīng)該與下游T5同期發(fā)育。

地貌的形成年代是指地貌基本形態(tài)發(fā)育完成后的年代, 因此, 紅石峽谷的“形成年代”是在谷肩之上的寬谷沉積物結(jié)束后、流水下切并且初具峽谷地貌輪廓的年代, 沉積物的年代不能完全代表侵蝕峽谷的形成年代, 只能對其進行大致的約束, 侵蝕峽谷形成年代應(yīng)該晚于其寬谷上沉積物頂部最新沉積物的年代。本研究將紅石峽谷的形成與子房河的5級河流階地相對比, 將紅石峽開始下切的時限縮短, 獲得了同期控制斷裂的活動年代數(shù)據(jù), 因此,比前人研究的數(shù)據(jù)可能更為接近其形成年代。

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The Formation Age of the Hongshi (Red Rock) Canyon in the Yuntaishan Global Geopark, Henan Province

JIA Li-yun1), ZHANG Xu-jiao1)*, YANG Dong-chao2), LI Zong-min1), FAN Ke-feng2), GONG Cheng2), CHEN Jie1), ZHANG Jin-zhe1)
1) School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083; 2) No. 2 Geological Party, Henan Bureau of Geology and Mineral Resources, Zhengzhou, Henan 450001

The landform formation age is one of the important parts of the geomorphology. The Hongshi Canyon is an important landscape and geological heritage resource in the Yuntaishan Geopark, and its formation age has important scientific significance for the planning and construction of the geopark. The authors investigated the formation age of the Hongshi Canyon and its responses to neotectonics through geological investigation in such aspects as the plane shape, the cross-section, and the longitudinal profile, and made a comparison with the formation of Zifang Rivier terraces and the activity age of the Heilongwangmiao fault. It is shown that the Hongshi Canyon has the geomorphic feature of young valley, as evidenced by the facts that its plane form was affected by tectonic joint, the cross section shows V-shaped feature, and the longitudinal profile is convex. Moreover, the thermo-luminescence (TL) data show the age of the argillaceous cements in the fluvial gravel layer on the replat is about (374.86±31.86) ka B.P., that of residual red soil of the same period in grike is (340.74±28.96) ka B.P., and that of the fault gouge in the Heilongwangmiao secondary fault is (300.04±25.50) ka B.P.. The results indicate that the generation of the Hongshi Canyon was controlled by the Heilongwangmiao fault, and it was formed during the mid- Pleistocene (Qp2-2) after 451—(374.86±31.86) ka B.P.. The results obtained by the authors provide aquantitative restriction for the formation of the Hongshi Canyon, and are also of some reference value for the study of geomorphology and tectonics in southern Taihang Mountains.

Yuntaishan; geopark; Hongshi (Red Rock) Canyon; morphologic geochronology; TL dating

P931.2; P546; P597.3

A

10.3975/cagsb.2014.05.14

本文由河南省財政廳“2006年云臺山世界地質(zhì)公園地質(zhì)遺跡保護”專項基金(編號: 2006-HJ-3)資助。

2013-11-19; 改回日期: 2014-03-23。責(zé)任編輯: 閆立娟。

賈麗云, 女, 1982年生。博士研究生。從事地貌與新構(gòu)造運動方向研究。E-mail: 158943653@qq.com。

*通訊作者: 張緒教, 男, 1964年生。博士, 副教授。主要從事地貌與第四紀地質(zhì)、新構(gòu)造運動的教學(xué)及科研工作。通訊地址: 100083, 北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號。電話: 010-82322082。E-mail: zhangxj@cugb.edu.cn。