美國Zion國家公園紅層地貌發(fā)育研究

潘志新, 彭　華*, 任　舫, John ENCARNACION

1)中山大學地理科學與規(guī)劃學院, 廣東廣州 510275;　2)中國地質科學院地質力學研究所, 北京 100081; 3)美國圣路易斯大學地球與大氣科學系, 美國密蘇里州圣路易斯 63108

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美國Zion國家公園紅層地貌發(fā)育研究

潘志新1), 彭華1)*, 任舫2), John ENCARNACION3)

1)中山大學地理科學與規(guī)劃學院, 廣東廣州 510275;2)中國地質科學院地質力學研究所, 北京 100081; 3)美國圣路易斯大學地球與大氣科學系, 美國密蘇里州圣路易斯 63108

摘要:隨著中國紅層和丹霞地貌研究逐步走向國際, 國內學者走出國門去認識和了解國外的紅層及其地貌發(fā)育顯得尤為必要。Zion國家公園是美國西部紅層的典型代表, 在干旱氣候環(huán)境下發(fā)育了高原-峽谷景觀。本文通過野外考察和巖樣分析, 從地質構造、巖性特征和外動力等方面來探討Zion公園的紅層地貌發(fā)育機制。研究表明: Zion公園為科羅拉多高原西部邊緣的斷塊山地, 公園內褶皺很少, 斷層稀疏, 但節(jié)理密集, 控制了峽谷群的發(fā)育。公園內地貌發(fā)育的主體地層為紅層, 主要形成于侏羅紀, 其沉積環(huán)境復雜多變,兼具濱/淺海、河流、湖泊和沙漠等。巖性特征上, Zion公園的紅層以細砂巖和粉砂巖為主。其中, 形成崖壁的主要為風成相石英砂巖, 但各段巖石的膠結特性不同, 導致其巖石強度和顏色有較大差異。此外, 還發(fā)現(xiàn)Zion公園紅層的巖石強度和山體坡度并不呈正相關關系, 它還與巖性是否均一有關。細粒均一的風成相砂巖和河流相Springdale段砂巖發(fā)育成陡崖, 其余含有軟巖夾層的巖層只能形成緩坡。外動力方面, 流水下切是主導因素, 同時流水側蝕和地下水的基蝕作用等對Zion公園的地貌發(fā)育也有重要影響。

關鍵詞:Zion國家公園; 紅層; 丹霞地貌; 發(fā)育機制

本文由國家自然科學基金項目(編號: 41171013)和國家留學基金委公派留學聯(lián)合培養(yǎng)博士生項目(編號: 201306380019)聯(lián)合資助。

紅層是丹霞地貌形成的物質基礎, 是丹霞地貌研究中不可回避的重要問題(彭華等, 2013; 陳麗紅等, 2015)。近年來, 隨著“中國丹霞”申遺成功和幾次丹霞地貌國際學術會議的召開, 中國的紅層和丹霞地貌研究逐漸為外界所知。但此前由于缺乏國際交流和諸多條件所限, 國內學者對國外的紅層及其地貌發(fā)育缺乏了解。只有少數(shù)學者在文獻整理的基礎上對國外的紅層和丹霞地貌進行過簡單介紹(尹德濤, 2002; 張忍順和齊德利, 2003; 劉尚仁和彭華, 2006; 趙汀等, 2014)。但這些研究大多是基于期刊、雜志和一些照片的判讀, 缺乏一手的數(shù)據(jù)資料對這些國外紅層分布區(qū)的地質構造背景和地貌發(fā)育過程進行系統(tǒng)說明, 甚至將一些并非發(fā)育在紅層基礎上的地貌也誤認為是丹霞地貌。因而, 中國的丹霞地貌研究要想走向世界, 首先研究丹霞地貌的人應走出去看看外面的丹霞地貌。

據(jù)現(xiàn)有研究所知, 美國西部的科羅拉多高原是世界上中生代紅層的主要分布區(qū), 形成了很多著名的地貌景觀。它們和中國的丹霞地貌一樣, 都是發(fā)育在紅層基礎上的流水侵蝕地貌, 整體外觀都呈紅色, 且都有顯著的陡崖坡。2013年10月, 筆者(本文第一作者)有幸獲得國家留學基金委公派留學項目的資助, 赴美國圣路易斯大學(Saint Louis University)進行為期兩年的交流和學習。在美留學期間,筆者對美國西部的紅層及其地貌發(fā)育進行了考察,并選擇猶他州的Zion國家公園作為研究案例地。在實地考察和巖樣分析的基礎上, 本文嘗試探討地質構造、巖性和外動力等因素是如何影響Zion公園紅層地貌的發(fā)育, 為國內同行了解美國西部的紅層及其地貌發(fā)育提供參考。

Zion國家公園位于美國猶他州西南邊緣Washington郡的Springdale鎮(zhèn)附近, 中心點地理坐標為37°12′09″N, 112°59′16″W, 總面積為590 km2。氣候上, Zion公園屬半干旱的溫帶大陸性氣候, 多年日平均氣溫為16.8℃, 多年平均降水量為411.2 mm。水文方面, 整個Zion公園都屬Virgin河水系。其中, 發(fā)源于公園北部高原的Virgin河北部支流——North Fork, 自北向南對巖層進行切割侵蝕, 形成Zion峽谷(Zion Canyon)(圖版I-A)。North Fork在Zion公園境內全長約24 km, 河谷最深達800 m, 河道坡降達9.5~15.2 m/km, 是北美坡降最大的河流之一(Biek et al., 2000)。

地貌單元上, Zion公園位于科羅拉多高原(Colorado Plateau)的西部邊緣, 處于科羅拉多高原、大盆地(Great Basin)和莫哈維沙漠(Mojave Desert)等美國西部三大地理區(qū)的交界處。公園地勢自西向東緩傾, 最高點為馬場山(Horse Ranch Mountain),海拔2660 m; 最低點為公園西南角的煤礦洼地(Coalpits wash), 海拔1117 m?？傮w上, Zion公園可分為東南和西北兩大片區(qū)。東南部為Zion峽谷區(qū),包括Zion峽谷兩側和公園東部的猶他州9號公路(Utah-9, 也即Zion-Mt. Carmel Highway)沿線, 以高原方山、峽谷和砂巖崖壁為主要地貌景觀(圖版I-B、C); 西北部為Kolob峽谷區(qū), 以指狀峽谷群為主要景觀(圖版I-D)。其中, Zion 峽谷區(qū)的砂巖崖壁和峽谷群是Zion國家公園最重要的地貌特征, 也是本文的研究重點(圖1)。

1　研究區(qū)地質構造背景

1.1區(qū)域構造演化

圖1　Zion國家公園的地理區(qū)位Fig. 1　Location map of Zion National Park

Zion公園所在地區(qū)構造格局的形成與中生代期間太平洋板塊向北美板塊的俯沖碰撞及其衍生的三次造山運動密切相關。中生代以前, Zion公園處于泛大陸西部邊緣的大陸架淺海環(huán)境(Biek et al., 2000)。直到三疊紀末, 由于泛大陸分裂解體, 北美大陸開始向西北漂移。與此同時, 太平洋板塊向北美大陸西部的俯沖碰撞, 在西部海岸火山鏈和古洛基山脈之間形成了一個大型的弧后盆地——西部內陸盆地(Western Interior Basin)(Beaumont et al., 1993), 開始接受大陸沉積, 并一直持續(xù)到中侏羅世。尤其是早侏羅世末至中侏羅世早期, 因北美大陸漂移至副熱帶地區(qū), 同時太平洋板塊繼續(xù)向北美板塊俯沖形成的Nevedan 造山運動, 使整個西部內陸盆地處于副熱帶雨影區(qū), 形成廣袤的沙漠環(huán)境和巨厚的風沙沉積(Schweickert et al., 1984; Blakey et al., 1988; Wolf and Saleeby, 1992)。

中侏羅世至早白堊世期間, 太平洋板塊向北美板塊俯沖加速, 在北美大陸西部產生了向東的壓應力, 形成了Sevier造山運動。它使北美大陸西部山脈進一步隆起, 西部內陸盆地進一步下沉, 面積擴大(Heller et al., 1986; Mitrovica et al., 1989)。海水分別從北極和墨西哥灣相繼侵入盆地, 并最終貫通形成了西部內陸海道(Western Interior Seaway)(Kauffman, 1977; Wright, 1987)。Zion公園位于該海道的西部邊緣, 大陸沉積過程結束(Graham, 2006)。

白堊紀末, 太平洋板塊向北美板塊俯沖角度變小, 引起深部巖漿上涌和地殼隆升, 形成Laramide造山運動。一方面, 它使西部內陸海道關閉, 落基山脈開始隆起, 科羅拉多高原被整體抬升(Spencer, 1996; English and Johnson, 2004)。另一方面, 受弧后擴張作用的影響, 北美大陸板塊向西延展變薄,在科羅拉多高原西部形成盆地和山脈區(qū)(Basin and Range)(Eaton, 1982; DePolo et al., 1991)。同時, 地殼的張應力使科羅拉多高原西部邊緣發(fā)生破裂, 形成一系列向西陡傾的正斷層和密集分布的節(jié)理, Zion公園即為科羅拉多高原西部邊緣與盆地和山脈區(qū)過渡處的一個斷塊體(Biek et al., 2000)。

圖2　Zion公園及其周邊的斷層分布Fig. 2　Distribution of faults in Zion National Park and vicinityTC-Taylor Creek Thrust Fault; BTC-Bear Trap Canyon Fault; WC-Wildcat Canyon Fault; ECM-East Cougar Mountain Fault; WCM-West Cougar Mountain Fault

1.2地質構造特征

Zion公園褶皺很少, 控制地貌發(fā)育的主要是斷裂構造。其東西兩側分別為Sevier斷層和Hurricane斷層, 它們均為向西陡傾的正斷層, 將Zion公園與其它構造單元相分隔。在Zion公園內, 還有一些規(guī)模較小的斷層, 包括東Cougar Mountain斷層、西Cougar Mountain斷層、Wildcat Canyon斷層和Bear Trap Canyon斷層等。它們也大多為向西陡傾的正斷層, 集中在Kolob峽谷區(qū)和Zion峽谷西側, 而Zion峽谷東側基本上沒有斷層分布(圖2)。

與稀疏的斷層相比, Zion公園的節(jié)理分布非常密集, 且主要集中在公園東南部的Zion峽谷區(qū)。它們大多傾角近直立, 切穿Navajo組砂巖, 對Zion公園峽谷群的形成具有控制作用。具體而言, Zion公園的節(jié)理主要可分為以下三組: (1)組為北北西走向(350°), 延伸長度很大, 相互平行且呈規(guī)則分布(間距約0.5km), 是Zion公園最重要、分布最廣的節(jié)理,被認為是盆地和山脈區(qū)向西延展時的張應力作用于科羅拉多高原西部邊緣的重要證據(jù)(Roger et al., 2004); (2)組為北北東走向(20°), 主要分布在Zion峽谷西部, 并和(1)組節(jié)理相交, 延伸長度較小, 發(fā)育的峽谷也較短小; (3)組為近東西走向(250°~280°),主要分布在Kolob峽谷區(qū)西北部邊緣, 其長度也較短, 發(fā)育了一組平行排列的指狀峽谷群。

1.3地層組合與產狀

圖3　Zion國家公園地層分布簡圖Fig. 3　Simplified stratigraphic map of Zion National Park

Zion公園的地層年代跨越了二疊紀—白堊紀,但以侏羅紀為主。在此期間, Zion公園所在地區(qū)經(jīng)歷了淺-濱海、河流、湖泊、沙漠等各種沉積環(huán)境的交錯變化, 自下而上沉積并出露了Kaibab組至Dakota組等9組巖層(圖3和表1)。除底部的Kaibab組和頂部的Carmel組為石灰?guī)r外, Zion公園地貌發(fā)育的主體地層為紅層。其中, 形成于早—中侏羅世的Navajo組砂巖是形成Zion公園地貌景觀的標志性地層。同時, 它也是地球上現(xiàn)存最大規(guī)模的沙丘沉積(在Zion公園出露的平均厚度為610 m, 最大厚度為670 m)(Biek et al., 2000), 以大型板狀交錯層理為特征, 并且自下而上還有紅褐色-粉紅色-白色的顏色變異(圖版I-E、F)。

巖層產狀方面, Zion公園的巖層整體保持近水平的產狀。只有Kolob峽谷區(qū)西北部, 由于受Taylor Creek逆沖斷層帶的影響, 下部巖層被錯斷向上仰沖, 形成向東傾斜20°~35°的單斜構造。但越往東,由于上覆巖層的壓力作用, 巖層傾角迅速變小至接近水平。

2　Zion國家公園的紅層巖性特征

為探究不同巖性紅層對Zion公園地貌發(fā)育的影響, 在野外考察過程中沿Zion峽谷兩側采集了主要出露的4個巖層組, 共10個巖性段(自上而下分別為: Temple Cap組的White Throne段和Sinawava 段; Navajo組的White段、Pink段和Brown段; Kayenta組的Tenney Canyon Tongue段、Lamb Point Tongue段、Main Body段和Springdale段; Moenave組的Whitmore Point段)的手標本巖樣。巖樣尺寸約為7 cm×7 cm×7 cm, 共計51塊, 帶回實驗室進行相關實驗測試分析。

表1　Zion國家公園出露的地層Table 1　Geological formations exposed in Zion National Park

表2　Zion國家公園的紅層巖樣薄片鑒定結果Table 2　Analysis of thin sections of red bed rock samples taken from Zion National Park

圖4　偏光顯微鏡下的巖樣薄片圖像(－, 單偏光; ＋, 正交偏光)Fig. 4　Photos of thin sections under polarized light microscope(－, plane-polarized light; ＋, crossed nicols)

2.1巖樣薄片鑒定

在巖樣薄片鑒定實驗中, 共選取12個巖樣制作薄片(其中10個巖性段各選取1個, 另外還選擇了2個泥巖夾層巖樣), 使用型號為Nikon Eclipse E600 POL的偏光顯微鏡來觀察描述薄片。鑒定的主要內容包括粒級、顆粒分選性、磨圓度、主要碎屑成分、膠結物和膠結方式等, 并對薄片的典型視域進行拍照。巖樣薄片鑒定結果見表2和圖4。

由表2和圖4可知, Zion公園各采樣的巖層組/段基本都為細砂-粉砂巖, 部分含泥質巖夾層。其中,風成相的各巖層組/段(Temple組White Throne段、整個Navajo組、以及Kayenta組Lamb Point Tongue 段)均為細粒的石英砂巖, 它們顆粒均一、分選性和磨圓度都較好。但各段在膠結特性和顆粒接觸方式上存在很大差異。其中, 白色外觀的Temple Cap組White Throne段、Navajo組White段和Kayenta組Lamb Point Tongue段巖樣中鐵質膠結物都很少, 特別是White Throne段和White段粒間孔隙很多, 膠結物也很少, 為弱膠結型, 巖石顆粒非常容易剝落; Lamb Point Tongue段膠結物也很少, 為少量鈣質膠結, 但它的顆粒接觸較緊密(為接觸-壓嵌式膠結)。相比之下, 同為風成相沉積的Navajo組Pink段和Brown段, 它們的粒間接觸緊密, 且顆粒周圍普遍有鐵染。良好的膠結特性使這兩段巖層更為堅硬,抗風化侵蝕能力更強。

其它河/湖相沉積的巖性組/段, 除Kayenta組Springdale段為細粒均一的粉砂巖外, 其余都為細砂-粉砂巖和泥質巖類夾層組成。這些細砂-粉砂巖在碎屑物質、顆粒分選性、磨圓度、膠結方式和顆粒接觸方式都較接近, 都含鐵質和鈣質膠結物。但它們的泥質巖類夾層都以鐵質膠結物為主, 都為基底式膠結, 抗風化侵蝕能力弱。

2.2巖樣元素氧化物分析

為分析各巖層組/段的物質組成特征, 本研究采用X射線熒光光譜分析法(X-ray fluorescence, XRF)對巖樣的主要元素氧化物含量進行測定。在巖樣的選擇上, 本實驗使用制作巖石薄片時切割剩余的巖樣碎塊, 即使用和巖石薄片鑒定完全一致的巖樣(共計12個)進行測定。為便于分析, 將實驗數(shù)據(jù)歸為風成相砂巖(Tw1、Nw1、Np1、Nb1、Kl1)、河流相砂巖(Ts1、Kt1、Km1、Ks1、Mw1)和湖泊相泥巖(Kt2、Km2)三大類, 并計算各元素氧化物含量的平均值, 結果見表3和圖5。

圖5　Zion國家公園三種不同類型巖樣的主要元素氧化物平均重量百分比對比Fig. 5　Comparison on average weight percentages of major element oxides of three types of rock samples (wt% refers to weight percentage)

由表3和圖5可知, 所有測試巖樣都以SiO2含量最高。其中, 風成相砂巖的SiO2含量都在90%左右, 這與風沙沉積中石英顆粒相對富集有關。但在CaO含量和其它元素氧化物含量方面, 風成相砂巖都是最低的, 這是因為它們鈣質膠結物、長石和粘土礦物少導致的。此外, 值得注意的是, 在Fe2O3含量上, 風成相各段砂巖之間存在較大差異。巖樣Tw1、Nw1和Kl1的外觀雖然呈白色/淡黃色, 在偏光顯微鏡下除局部偶見有鐵質團狀物, 顆粒周圍很少有褐紅色的鐵質膠結物, 但XRF的測試結果卻發(fā)現(xiàn), 它們的Fe2O3含量甚至比紅色外觀的Np1和Nb1還高。這可能是因為白色外觀的風成相砂巖顆粒間的鐵質團狀物成分為針鐵礦(FeO[OH]·nH2O)或磁鐵礦(Fe3O4), 它們對巖石外觀的著色作用并不明顯, 但在高溫灼燒下, 針鐵礦會發(fā)生脫水反應,形成赤鐵礦(Fe2O3)(Jiang et al., 2015), 從而使該它們的鐵質含量比紅色外觀的Np1和Nb1還要高。

河流相砂巖巖樣中, 基本上所有的元素氧化物含量都介于風成相砂巖和湖泊相泥巖之間, 但其CaO含量較高, 特別是Ts1的CaO含量達到13.41%。這可能是因為Ts1所在的Temple Cap組上覆巖層為Carmel組石灰?guī)r, 碳酸鈣被雨水溶解后向下淀積。但由于Temple Cap組的上段-White Throne段為風成相砂巖, 其粒間孔隙較大, 富鈣溶液在此段巖層中難以淀積, 因而得以繼續(xù)往下運移, 直至粒間孔隙較小、透水性較差的Sinawava段時發(fā)生大量淀積。

對于湖泊相泥巖夾層巖樣而言, SiO2的平均含量最低, 但其它元素氧化物含量基本都是最高, 說明其化學風化最為強烈, 產生的粘土礦物較多。

2.3巖石強度測定

為避免大量采集巖樣對公園巖體的破壞, 在野外考察中使用了施密特錘(Schmidt Hammer, N型) 對Zion公園各采樣巖性段的巖石強度進行原位測定。根據(jù)國際巖石力學學會(International Society forRock Mechanics, ISRM)制定的施密特錘巖石強度測試標準(Aydin and Basu, 2005; Viles et al., 2011),在野外測試時, 每個采樣的巖性段選取15個測點,每個測點讀取20個回彈值數(shù)據(jù), 以較高的10個數(shù)據(jù)的平均值作為該測點的巖石強度值。各測試巖性段的回彈值數(shù)據(jù)見表4和圖6。

表3　Zion國家公園巖樣的主要元素氧化物XRF測試結果Table 3　Data of major element oxides by XRF analysis on rock samples of Zion National Park

圖6　Zion國家公園各測試巖性段的回彈值數(shù)據(jù)Fig. 6　Rebound values of rock members for sampling in Zion National Park

由表4和圖6可知, Zion公園各采樣巖性段的巖石強度存在明顯差異。其中, 風成相白色外觀的Temple Cap組White Throne段、Navajo組White段和Kayenta組Lamb Point Tongue段的平均回彈值相對最小, 分別為38.6、42.3和44.8, 這是因為它們鐵質膠結物很少, 顆粒間多為點狀接觸, 孔隙較大,因而其巖石結構比較松散, 巖石強度較低。這其中, Lamb Point Tongue段因成巖壓實作用較好, 顆粒間接觸相對更緊密, 故其強度是這三段中最大。相比之下, 同為風沙沉積的Navajo組Pink段和Brown 段, 因其含有大量的鐵質膠結物, 顆粒間接觸緊密,多為線狀接觸, 其巖石強度也要大得多, 平均回彈值分別為51.1和52.1。

河流相和湖泊相沉積的Temple Cap組Sinawava段, Kayenta組的Tenney Canyon Tongue段和Springdale段, 以及Moenave組的Whitmore Point 段, 它們的平均回彈值都比較接近(在45~48左右)。這是因為這四個巖性段在顆粒粒徑、膠結物成分和含量, 以及顆粒接觸方式等都很接近。在這四段巖石中, Springdale段的平均回彈值最大, 可能是因為其顆粒分選好, 巖石更為致密均一。另外, Main Body段的數(shù)值較異常(平均回彈值為53.8), 明顯大于其上下的各巖性段, 這是因為該段巖石本身膠結很好, 且相比其它巖性段, 它的顆粒分選更好, 粒間接觸也更緊密。

此外, 巖石強度測試結果還表明, 巖石強度與山體坡度并不呈正相關關系, 巖性的均一性也是影響坡面發(fā)育的重要因素。如風成相的Temple Cap組White Throne段、整個Navajo組、Kayenta組Lamb Point Tongue段, 以及河流相的Kayenta組Springdale段, 它們巖性均一, 基本上不含軟巖夾層, 即便有些因膠結弱, 巖石強度較低, 但仍能形成并保持崖壁形態(tài)(圖版I-G、H), 如Temple Cap組White Throne段和Navajo組White段。其原因可能是這些巖層顆粒接觸不緊密, 粒間孔隙較大, 地下水可以很快地下滲, 導致地下水與巖石礦物之間難以進行充分的化學風化, 因而其總體風化侵蝕速率較慢, 仍能形成并保持崖壁形態(tài)。相比之下, 那些巖性不均一, 層間差異較大的巖性段, 雖然其中部分巖層膠結很好, 強度較大, 但因其含有軟巖夾層,容易被風化侵蝕, 難以形成崖壁。如Kayenta組Main Body段出露的砂巖層, 其平均回彈值達到53.8, 在所有采樣巖層中強度最大。但其本身厚度小, 且上下有多層軟弱的泥巖, 易被風化侵蝕, 只能在局部形成巖坎。

表4　Zion國家公園各采樣巖性段的回彈值數(shù)據(jù)Table 4　Rebound values of rock members for sampling at Zion National Park

3　Zion公園地貌發(fā)育的主導外動力

Zion公園為高原-侵蝕峽谷景觀, 河道坡降大,地貌發(fā)育的主導外動力為強烈的流水下切作用。自白堊紀末—始新世初科羅拉多高原抬升以來, 以Virgin河北部支流(North Fork)為代表的水系將Zion公園Dakota組以上的的巖層全部侵蝕搬運掉, 并不斷下切。據(jù)計算, 在過去的一百萬年里, Virgin河水系切穿了近400 m厚的巖層(Graham, 2006)。時至今日, Zion公園的流水侵蝕過程依然非常強烈, 在當前地殼相對穩(wěn)定的情況下, 它還可以沿Zion峽谷繼續(xù)下切, 直至達到科羅拉多河的侵蝕基準面。

在流水的切割侵蝕過程中, 巖性差異和節(jié)理分布對流水侵蝕形式和峽谷形態(tài)具有重要影響。Zion公園的各巖層組中, 總體上Navajo組強度最大, 抗侵蝕能力最強, 且密集分布有北北西、北北東和近東西走向的三組節(jié)理群。流水攜泥沙沿這些節(jié)理群的切割侵蝕形成了Zion峽谷, 以及一系列平行排列、規(guī)則分布的支谷和巷谷。在高程圖上沿Zion峽谷的上、中、下游自西向東繪制分別繪制高程剖面曲線可以發(fā)現(xiàn): 在Zion峽谷北部, 即Virgin河北部支流的源頭區(qū)——The Narrows, 流水尚未切穿Navajo組, 在此處形成了深切的V型河谷, 兩側谷壁陡直, 谷底深窄(圖7a); 在Zion峽谷中段, 流水切穿Navajo組并對下伏的Kayenta組進行侵蝕。該組含有多層泥巖夾層, 巖石強度總體相對較低, 抗侵蝕能力較弱, 河水開始由下切轉為側蝕, 導致上覆的Navajo砂巖崖壁因失去支撐而不斷崩塌后退,峽谷逐漸展寬(圖7b); 在Zion峽谷南段, Kayenta組下伏的Moenave組也含軟弱的泥質粉砂巖層, 其強度也較低, 側蝕過程得以繼續(xù)發(fā)展, Zion峽谷被進一步拓寬, 形成了寬廣的邊灘(圖7c)。

圖7　Zion峽谷的侵蝕形態(tài)和巖層之間的關系Fig. 7　Relationship between the geometry of Zion Canyon and rock strata

圖8　透水性不同的巖層接觸面由地下水的基蝕作用形成的隱拱(a)和額狀洞穴(b)Fig. 8　Blind arch (a) and forehead-shaped cave (b) formed by sapping process of groundwater at the contact of rock strata with permeability difference

除流水的下切和側蝕, 在上覆透水巖層和下伏不透水巖層的接觸面, 地下水的基蝕作用(Sapping Process)(Laity and Malin, 1985; Schumm et al., 1995)也可以使上覆巖層崩塌, 形成各種洞穴景觀。如Navajo砂巖崖壁底部下伏的巖層為Kayenta組Tenney Canyon Tongue段, 它含有很多泥巖夾層,透水性較差。當?shù)叵滤豊avajo砂巖的孔隙和節(jié)理裂隙下滲至Tenney Canyon Tongue段時, 水與其中的鐵質和鈣質膠結物發(fā)生微觀化學風化, 使這些泥巖層遭受侵蝕, 進而使上覆的Navajo砂巖崖壁失去支撐而產生崩塌, 形成隱拱(Blind Arch)(圖8a)。同理, 在Zion公園的Emerald Pool景點, Kayenta組中風成相的Lamb Point Tongue段和下伏的Main Body段中的泥巖夾層接觸面也因地下水的基蝕作用形成了一個大型的額狀洞穴(圖8b)。

4　Zion國家公園紅層地貌發(fā)育機制總結

通過上述地質構造背景、地層組合、紅層巖性、主導外動力因素的分析, 可將Zion公園紅層地貌的形成條件和發(fā)育過程總結如下:

(1)地質構造上, Zion公園為美國科羅拉多高原西部邊緣的斷塊山地, 其構造格局的形成與中生代期間太平洋板塊向北美板塊的俯沖碰撞及其衍生的三次造山運動密切相關, 經(jīng)歷了盆地形成—紅層堆積—構造抬升等過程。公園內褶皺很少, 斷層稀疏,但節(jié)理密集, 對Zion公園峽谷群的發(fā)育具有控制作用。

(2)地層組合上, Zion公園地貌發(fā)育的主體地層為紅層, 形成年代以侏羅紀為主。它們沉積于大型的弧后盆地——西部內陸盆地。受海侵和海退的影響, 這些巖層的沉積環(huán)境復雜多變, 兼有濱/淺海、河流、湖泊和沙漠。其中, 形成Zion公園大崖壁的地層是風沙沉積的Navajo組砂巖, 以大型板狀交錯層理為特征。

(3)巖性特征上, Zion公園的紅層以細砂巖和粉砂巖為主。其中, 風成相的各巖性段都為細粒均一的石英砂巖, 但它們在巖體膠結特性和主要元素氧化物含量方面存在差異, 導致巖石外觀和巖石強度也各不相同。白色外觀的風成相砂巖鐵質膠結物很少, 巖石結構相對松散, 其巖石強度最低; 而同為風沙沉積的Navajo組Pink段和Brown段因含有較多的鐵質膠結物, 巖石外觀呈紅色, 且它們膠結良好, 巖石強度也要大得多。此外, 還發(fā)現(xiàn)Zion公園紅層的巖石強度和山體坡度并不呈正相關關系, 它還與巖性是否均一有關。風成相的各段砂巖的巖石強度差異較大, 但其巖性均一, 都形成了陡崖; 而河/湖相的巖性段除了Springdale段外, 其余均含軟弱的泥巖層, 都只形成緩坡。

(4)外動力方面, 流水下切是塑造Zion公園峽谷景觀的主導因素, 但巖性差異和節(jié)理分布對流水侵蝕形式和峽谷形態(tài)有重要影響。另外, 在透水性不同的巖層接觸面, 地下水的基蝕作用也可以使上覆巖體崩塌, 形成各種洞穴景觀。

致謝: 感謝廣東省丹霞山風景名勝區(qū)管理委員會對本研究的資助; 感謝美國猶他州Zion國家公園Fred Armstrong先生和Dave Sharrow先生為本文作者在Zion公園野外考察期間提供的大力協(xié)助。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No. 41171013) and China Scholarship Council (No. 201306380019).

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A Study of the Development of Red Bed Landforms in Zion National Park, the United States

PAN Zhi-xin1), PENG Hua1)*, REN Fang2), John ENCARNACION3)
1) School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou, Guangdong 510275; 2) Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081; 3) Department of Earth and Atmospheric Sciences, Saint Louis University, Saint Louis, Missouri 63108 USA

Abstract:As the research on red beds and Danxia landforms in China is becoming increasingly known by geoscientists outside China, it is quite necessary for Chinese researchers to know and understand red beds and their geomorphic development in other countries. As a representative of red beds distributed in the western United States, Zion National Park is characterized by a geomorphic combination of plateau and canyons in arid climate. Based on field investigation and analysis of rock samples, this paper looks at the developmental mechanism of landforms in Zion National Park from the aspects of geological setting, lithological features, and exogenic forces. In terms of general geologic structure, Zion is a fault block formed on the western margin of the Colorado Plateau. There are few folds and faults, but joints are exceptionally well developed in Zion, they are responsible for the orientation of canyon network. The dominant rock strata exposed in Zion belong to red beds, which were mainly deposited in the Jurassic with a wide range of environments, including near shore/shallow sea, streams, lakes, and deserts. In terms of lithological features, most red beds in Zion are fine-grained sandstones and siltstones. Among them, the spectacular cliffs in Zion are made of eolian quartz sandstones. However, due to cement differences ofbook=117,ebook=120each rock member, there are remarkable diversities in rock strength and colors. Moreover, this study also found that rock hardness values do not positively correlate with mountain slopes in Zion. The uniformity of a certain rock layer can also affect mountain slopes. Therefore, being composed of uniform sandstones, the aeolian rock formations and Springdale Member can form steep cliffs, while other rock layers, which contain soft interlayers, can only form gentle slopes. Finally, in terms of exogenic forces, fluvial incision plays a dominant role in the formation of cliffs and canyons in Zion, followed by lateral erosion and sapping process.

Key words:Zion National Park; red beds; Danxia landforms; developmental mechanism

*通訊作者:彭華, 男, 1956年生。教授, 博士生導師。主要從事紅層和丹霞地貌研究。

作者簡介:第一 潘志新, 男, 1986年生。博士研究生。主要從事紅層和丹霞地貌研究。

通訊地址:510275, 廣東省廣州市海珠區(qū)新港西路135號中山大學572號樓101室。電話: 020-84113980。E-mail: panzhix@mail2.sysu.edu.cn。 510275, 廣東省廣州市海珠區(qū)新港西路135號中山大學572號樓103室。E-mail: eesph@mail.sysu.edu.cn。

收稿日期:2015-09-23; 改回日期: 2015-12-20。責任編輯: 張改俠。

中圖分類號:P931.2; P534.52

文獻標志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.01.12