湖南山丹霞地貌的特征研究

肖清華

湖南工程職業(yè)技術學院 湖南長沙 410151

廣東省韶關市仁化縣境內有一座名山,色如渥丹,燦若明霞,稱為丹霞山,它是丹霞地貌的命名地。1928年馮景蘭等在粵北地區(qū)仁化和南雄等縣考察,把形成赤壁丹崖的紅色砂礫巖層命名為丹霞層[1]。郭福生等強調,丹霞地貌的三大基本要素:赤壁丹崖地貌特征、燕山旋回以來陸相紅層基礎和以流水侵蝕為主的地質營力[2]。湖南崀山丹霞地貌,地處湖南省新寧縣城之南,面積約108平方千米,是中國面積最大的丹霞地貌區(qū)之一[3]。

1994年,湖南省新寧縣召開第三屆丹霞地貌旅游開發(fā)學術討論會,其中有17篇是論述崀山丹霞地質地貌及其旅游資源的[3]。肖自心等闡明了崀山丹霞地貌地質簡況及開發(fā)價值,著重敘述了控制丹霞地貌發(fā)育的地層與構造因素[4-5],并進一步認為,在巖性、構造、氣候、水文、時間等因素的綜合影響下,崀山形成了復雜的地貌類型[6];胡能勇等總結了丹霞地貌的演化模式:丹霞巖層沉積階段、丹霞巖層成巖及變形階段、丹霞巖層塑景階段[7]。歐陽杰、朱誠等對世界自然遺產地廣東丹霞山、湖南崀山、福建泰寧、江西龍虎山—龜峰的砂巖和礫巖抗壓強度做了系統(tǒng)對比研究,特別對崀山丹霞地貌巖體進行了抗酸性侵蝕脆弱性實驗[8-9],砂巖和礫巖對抗酸侵蝕具有高度脆弱性。中山大學黃進教授六次考察崀山,并撰寫《崀山丹霞地貌》,從崀山丹霞地貌形成的地質基礎、內外力作用、崀山丹霞地貌的分區(qū)、崀山地貌發(fā)育簡史及地貌發(fā)育定量測算等方面,全面闡述對崀山丹霞地貌的認識[3]。

1 崀山丹霞地貌物質基礎

崀山丹霞地貌的物質基礎是白堊系下統(tǒng)欄垅組。下部主要為紫紅色厚層含礫砂巖、含礫泥質粉砂巖[10]。上部為紫紅色厚層至巨厚層礫巖、砂礫巖,夾含礫砂巖及少量含礫泥質粉砂巖,巖石堅硬,是形成丹霞地貌的主要地層。巖層由南向北厚度變薄。礫石成分復雜,見灰?guī)r、砂巖、粉砂巖、花崗巖等,有的礫石石英成分很高。白堊系總厚200～2320m,大致分布于新寧—窯市—梅溪—資源一帶[11]。

資新盆地外圍,山丘不斷抬升,通過山溪洪流,向盆地輸送大量化學和機械碎屑物質,干燥炎熱、封閉的古地理環(huán)境,使得紅層普遍含CaCO3。肖自心等[5]在崀山采集標本12塊,崀山白堊系巖石的CaO含量為7.28%～7.56%,平均含量7.42%。本文也分別在崀山丹霞地貌區(qū)采集四塊砂礫巖(見表1),SiO2含量65.70%～77.35%,平均值72.20%;CaO含量0.61%～7.68%,平均值4.11%。數據表明,崀山丹霞地貌區(qū),多為巨厚的礫巖與砂礫巖,石英含量很高,容易保存下來,且歐陽杰、朱誠等針對崀山丹霞地貌巖體抗酸侵蝕脆弱性實驗顯示,礫巖抗酸侵蝕能力大于砂巖抗酸侵蝕能力[8],所以在白堊系的紅層中,上部砂礫巖居多,可形成典型的丹霞地貌,下紅層砂巖、粉砂巖居多,含礫石減少,相對較軟,一般只能形成坡面和緩的丘陵。

表1 崀山丹霞地貌區(qū)砂礫巖SiO2%與CaO%

此外,白堊系紫紅色砂礫巖中普遍含有CaCO3,紅層含鈣質礫巖因溶蝕、潛蝕、崩塌而形成的洞穴,稱為丹霞喀斯特洞穴。其中,位于崀山鎮(zhèn)的五柱巖,發(fā)育在紅色鈣質砂礫巖中,可謂是丹霞喀斯特的標志性地貌景觀,在中國丹霞中甚為罕見。進入五柱巖內部,觀察洞穴頂部的裂隙處,仍可發(fā)現白色CaCO3析出(圖1)。

2 崀山丹霞地貌高程特征

本文使用的數據為ASTER GDEM V2。研究區(qū)內范圍大致為:東經110°40′～110°55′,長約25km;北緯26°15′～26°30′,長約28km。在此區(qū)域內,建立數字高程模型,利用MapGIS軟件,統(tǒng)計崀山丹霞地貌區(qū)白堊系范圍內高程數據分布特征。

在280～800m高程區(qū)間內,共提取數據114139個。其中,300～400m區(qū)間占有絕對的優(yōu)勢,百分比達52.66%;400～500m區(qū)間,百分比達30.18%(見表2)。在所有高程數據中,320m高程、340m高程、360m高程數據出現頻率位列前三位,分別占總數據的12.30%,13.77%,12.21%,320m和340m多為河流階地面,而360m為本區(qū)域的分布范圍最廣的最低一級夷平面。

表2 崀山丹霞區(qū)高程數據分布及百分比統(tǒng)計

3 崀山丹霞地貌夷平面研究

據水文地質普查報告城步幅意見,白堊紀末期,資源—新寧紅層盆地,隨區(qū)域性上升為陸,結束了本區(qū)紅色內陸碎屑巖沉積。自第三紀早期至早更新世,有兩次相對穩(wěn)定和上升階段,形成了兩級剝夷面。胡能勇等認為,崀山國家地質公園由南西西向北東東,保存有依次降低的3級剝夷面,高程分別為800m左右、600m左右及400m左右[12]。

黃進先生根據詳細的大比例尺地形圖分析及野外考察認為:崀山丹霞地貌區(qū)由于地殼間歇性上升,形成了800m、600m、450m和365m四級夷平面;針對崀山地貌年齡問題,根據資源—新寧白堊系盆地內,三個河流階地熱釋光測年樣品,地殼上升速率平均值0.588m/萬年[3]。隨后,計算出崀山山峰年齡表,估算了32座山峰的地貌年齡。其中,地貌年齡在1.578～1.956Ma的有5座山,將軍石(1.607Ma)、玉泉山(1.956Ma)、穿巖石(1.716Ma)、樂天樓(1.786Ma)、崀虎嘯天(1.578Ma);地貌年齡在2.413～2.721Ma的有6座山,米篩寨(2.568Ma)、三個巖(2.551Ma)、筆架山(2.721Ma)、半山天生橋(2.673Ma)、大登寨(2.638Ma)、和尚頭(2.413Ma);地貌年齡在3.221～3.980Ma的有9座山,白面寨(3.401Ma)、駱駝峰(3.231Ma)、燕子寨(3.221Ma)、鵝公寨(3.570Ma)、斗篷寨(3.357Ma)、金黃石(3.844Ma)、鷹嘴巖(3.980Ma)、大石沖天生橋巖壁(3.422Ma)、北烏云寨(3.842Ma)。其他地貌年齡分布相對比較零散,也就是說,崀山山峰地貌年齡在三個時間節(jié)點富集,它們是1.7Ma、2.6Ma、3.6Ma。

通過建立數字高程模型,選擇崀山丹霞地貌區(qū)六條剖面線(圖4),制作六幅崀山丹霞地貌區(qū)地形剖面圖(圖2、圖3),其中A-A′、B-B′、C-C′地形剖面圖延伸方向北東—南西向,D-D′、E-E′、F-F′地形剖面圖延伸方向大致為東西向。根據前人地質資料以及實地踏勘,輔之以地形剖面圖,筆者認為,崀山丹霞地貌區(qū)至少存在800m、520～530m、420～430m、360～370m四級夷平面。800m夷平面,本區(qū)丹霞地貌最高最老的夷平面,又可稱為“八角寨夷平面”,其中神天堂831.8m、八角寨818.0m,為夷平面的殘留部分;520～530m夷平面,劉尚仁命名為“慶子石夷平面”,如白面寨522.0m、燕子寨539.4m、斗篷寨529.4m、北烏云寨531.5m等;420～430m夷平面,又可稱為“黃背東夷平面”,分布范圍甚廣,如啄木鳥石427.2m、玉泉山410.5m、穿巖石438.9m、雄獅迎賓418.8m等;360～370m夷平面,又可稱為“金石鎮(zhèn)夷平面”,本區(qū)最低最新的一級夷平面,離附近扶夷江水面高差約70m。

圖2 崀山丹霞地貌區(qū)ABC地形剖面圖

圖3 崀山丹霞地貌區(qū)DEF地形剖面圖

圖4 崀山丹霞地貌區(qū)六條剖面線位置

對比崀山丹霞地貌區(qū)的四級夷平面,360～370m夷平面可以近似對應1.7Ma的地貌年齡(典型如將軍石,海拔399.5m,地貌年齡1.607Ma);420～430m夷平面可以近似對應2.6Ma的地貌年齡(典型如和尚頭,海拔446.9m,地貌年齡2.413Ma);520～530m夷平面可以近似對應3.6Ma的地貌年齡(典型如白面寨,海拔522.0m,地貌年齡3.401Ma;斗篷寨,海拔529.4m,地貌年齡3.357Ma;北烏云寨,海拔531.5m,地貌年齡3.842Ma)。1.7Ma、2.6Ma、3.6Ma這三個夷平面形成的地貌年齡與青藏運動的A幕B幕C幕發(fā)生的時間何其相似。

而崀山丹霞地貌800m左右的夷平面,代表山峰為八角寨,其海拔818m,年齡7.194Ma,也就是說崀山丹霞地貌形成的時間大約可以追溯到7～8Ma。這個時間節(jié)點與“青藏高原序幕”的節(jié)點大致同時。

近年來研究表明,喜馬拉雅運動主幕使得青藏高原達到約2000m,高原邊緣一些地方可降至800m。而青藏運動的起點是一個接近1000m的準平原,此前喜馬拉雅運動造成的隆升—沉降區(qū)域因侵蝕堆積已趨于平坦統(tǒng)一的廣闊地面。從8Ma開始,青藏地區(qū)發(fā)生了以水平旋轉和走滑運動為主,伴隨輕度抬升和生長地層發(fā)育的構造活躍[13],這是青藏高原將再一次強烈抬升的前奏,李吉均先生把8Ma左右稱為“青藏運動序幕”[14],此時崀山大致還是一個300m左右的準平原。

青藏高原從3.6MaB.P.開始相繼發(fā)生三次構造運動,這是青藏高原發(fā)生的最強烈的上升,分別命名為青藏運動(A幕3.6MaB.P.,B幕2.6MaB.P.和C幕1.7MaB.P.)。3.6Ma青藏運動開始時,平均海拔數百米(不超過1000m)的主夷平面大幅度抬升,此時崀山平均海拔約600m,300+(818-520)=600m。根據3.6Ma(A幕)、2.6Ma(B幕)、1.7Ma(C幕)這三個時間節(jié)點,以及對應三個夷平面的高度520～530m、420～430m、360～370m,可以大致反演崀山丹霞地貌隆升過程(圖5)。

圖5 崀山丹霞地貌隆升過程示意圖

4 崀山丹霞地貌演化過程

據安芷生等,歸納的中新世以來青藏高原主要構造事件表[15],大約10～7Ma,高原東部及南部發(fā)生隆升事件[16-18],東部邊界到達四川盆地北緣,高原東南邊緣河流快速下切,剝蝕速率明顯增大,堆積了一套粗粒沉積。此期間,青藏高原可能發(fā)生了一次重要的加速生長[19-20]。Molnar等,用巖石圈對流剝離假說對該時段隆升機制進行解釋,認為對流剝離及其伴隨加速隆升的發(fā)生將對高原周邊的地塊施加水平方向的附加偏應力,導致高原加速隆升1000m左右和向周邊擴展[20]?？傊?中新世以來,10～7Ma青藏高原發(fā)生了快速、大幅度的縱向及橫向生長,根源可能是地幔巖石圈的拆沉作用[15]。

張培震等研究也表明,5～10Ma或約8Ma,青藏高原東緣的岷山、龍門山及川滇高原發(fā)生了構造活動加速和構造隆升,青藏高原向周邊擴展,擴展方式是通過一系列逆沖斷層、褶皺變形、左旋走滑及其伴隨的山脈隆起和盆地消亡而實現的[13],這必然對崀山丹霞的隆升造成影響。

由此,崀山丹霞地貌演化過程重要事件可以勾勒出來。

(1)早白堊世中期到古新世構造事件(約135～56Ma),晚燕山構造期(萬天豐等建議恢復使用四川構造期[21]),中國東部現代地貌的發(fā)育萌芽時期,在近NNE向縮短和近東西向伸展作用的影響下形成一系列的斷陷盆地,華南地區(qū)造就了大量的中小型紅層盆地,資新盆地就是在這種構造背景下形成的,盆地大概長達47km,寬達3～9km[3]。此時期也對應于陳國達先生多次強調的“地洼”形成主要階段,亦即所謂的地臺活化。資新盆地沉積了一套陸相盆地沉積,山洪及河流帶來周邊山區(qū)的泥砂、砂礫,以沖積扇、洪積扇的形式充填堆積起來,構成了崀山丹霞地貌的堅實物質基礎[12]。

(2)始新世到漸新世構造事件(約56～23Ma),華北構造期,此時崀山地區(qū)既受到東側太平洋板塊向西俯沖擠壓的影響,也受到印度板塊向北俯沖、擠壓作用的影響,兩者作用疊加,資新盆地逐漸關閉,因此本區(qū)此時缺乏地層沉積物。

(3)新近紀—早更新世構造事件(約23～1Ma),喜馬拉雅構造期,相對于中國西部的強烈變形,崀山地區(qū)為構造變形微弱區(qū)。大陸出現臺階狀地形,特別是8Ma開始,青藏運動拉開序幕,7.2～3.6Ma,崀山丹霞地貌抬升至少300m,青藏運動主幕3.6～1.7Ma,崀山丹霞地貌抬升至少160m(圖5)。四級夷平面逐漸突顯出來,它們分別是:800m八角寨夷平面、520～530m慶子石夷平面、420～430m黃背東夷平面、360～370m金石鎮(zhèn)夷平面。這四級夷平面受區(qū)域地勢面傾斜方向控制,皆向北傾斜[22]。

長江、黃河水系全線貫通在早更新世晚期(1.0～0.9Ma),此時資江上游的扶夷江也開始全面貫通。巖層經流水作用、風化剝蝕作用以及重力作用等多種外動力因素的塑造,逐漸呈現出丹霞地貌景觀。

(4)中更新世—全新世構造事件(約1Ma以來),新構造期,本區(qū)最新的、比較微弱的構造活動。在資江新寧縣城附近,形成了四級河流階地,顯示1Ma以來,本區(qū)發(fā)生了四次微弱的構造抬升。

根據大量實際地質資料,萬天豐認為,重大構造事件在全球“準同時”發(fā)生的現象是普遍的,在一定區(qū)域內(如處在同一個板塊俯沖帶、碰撞帶或板塊內部)幾乎同時發(fā)生重大構造事件的現象更是十分常見[21]。對于青藏運動而言,從8Ma揭開其序幕,到青藏運動的A幕、B幕、C幕。此次構造運動,對于青藏高原隆升的影響與對于丹霞地貌形成的影響是有差異的,大致來說,青藏運動主幕把高原抬升了約1500m,而把崀山丹霞地貌只抬升了約160m。丹霞地貌在我國東南區(qū)域廣泛分布,加強東南地區(qū)典型丹霞地貌對于青藏運動響應的差異性研究,是非常有必要的。