湖南郴州丹霞地貌景觀特征、成因及演化探討

黃樂清，吳馳華，周麗蕓，金 妮，彭世良，胡能勇，楊長明，陳 杰

(1.湖南省地質(zhì)調(diào)查所，湖南 長沙 410116；2.古生物與地質(zhì)環(huán)境演化湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430205；3.中國地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)調(diào)查研究院，湖北 武漢 430074；4.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院PAGODA研究小組(高原與全球沙漠盆地研究組)，四川 成都 610059；5.湖南省自然資源事務(wù)中心，湖南 長沙 410004；6.湖南省礦產(chǎn)資源調(diào)查所，湖南 長沙 410083)

0 引 言

20世紀(jì)20—30年代，老一輩地質(zhì)學(xué)家馮景蘭、陳國達(dá)等在地質(zhì)調(diào)查過程中，將一種特殊的紅色砂、礫巖型地貌，分別命名為“丹霞層”“丹霞地形”[1-2]。后來經(jīng)過我國幾代地質(zhì)地貌學(xué)家(如黃進(jìn)[2]、郭福生[3-4]和彭華[5]等)近一個世紀(jì)的研究，我國丹霞地貌調(diào)查和研究取得了較大的進(jìn)展，并走向了世界[6-9]。目前我國已發(fā)現(xiàn)丹霞地貌1000余處，分布于20多個省級行政區(qū)，成為發(fā)現(xiàn)丹霞地貌最多的國家之一[10]。湖南的丹霞地貌作為“中國丹霞地貌”的重要組成部分，其部分景點(diǎn)被正式列入世界遺產(chǎn)名錄[11]，標(biāo)志著湖南丹霞地貌作為一種特殊地貌類型走上了國際舞臺。湖南省郴州市丹霞地貌是湖南丹霞地貌的一個典型代表，以其壯麗的地貌景觀和多樣的地質(zhì)特征吸引了古今中外眾多學(xué)者及文人墨客的關(guān)注[12-14]。隨著2020年中央電視臺《航拍中國》第三季對郴州丹霞地貌的專題報(bào)道與網(wǎng)絡(luò)自媒體宣傳，近年來其熱度持續(xù)提升，已成為湖南地質(zhì)旅游的一張靚麗名片。

然而，郴州飛天山—高椅嶺核心景區(qū)以紫紅色圓頂巖丘景觀為特征，與陜西靖邊波浪谷[7]相似，與常見的“頂平、身陡和麓緩”的粗碎屑巖型丹霞地貌有較大區(qū)別。由于湖南省內(nèi)的風(fēng)成沉積為近年來地學(xué)界的新發(fā)現(xiàn)[15-16]，這一特殊地貌所蘊(yùn)含的風(fēng)成砂巖屬性及科學(xué)內(nèi)涵，暫時還未被業(yè)界普遍認(rèn)知。也正因如此，以往省內(nèi)外諸多專家對郴州丹霞地貌的研究，多集中在地貌特征[17]、分布規(guī)律[18]、旅游資源評價(jià)[19]及地質(zhì)遺跡資源資產(chǎn)化管理[11]等方面，其圓頂巖丘特色景觀的成景機(jī)制及古沙漠沉積相內(nèi)涵鮮有人報(bào)道，并且針對郴州丹霞地貌的多數(shù)研究偏重于宏觀、定性的描述和推論，缺乏定量和對比研究。筆者及研究團(tuán)隊(duì)在湖南茶永盆地展開了廣泛的地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)研究，對飛天山—高椅嶺地區(qū)的典型丹霞地貌的區(qū)域地質(zhì)背景、景觀特征和成因等進(jìn)行了系統(tǒng)分析，首次確定核心景區(qū)構(gòu)景巖層的風(fēng)成沉積成因，并基于數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，即DEM)，通過面積高程積分模型(HI)分析，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)流域地貌演化階段的定量描述，進(jìn)而探討分析景區(qū)東、西邊不同景觀的控制因素。本次研究的丹霞景觀是截至目前在湖南首次報(bào)道的風(fēng)成砂巖丹霞地貌景觀。研究取得的新認(rèn)識豐富了華南丹霞地貌的科學(xué)內(nèi)涵，亦為湖南省這一知名景區(qū)的科普宣傳、地質(zhì)遺跡保護(hù)和旅游開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)地貌概況

1.1 地質(zhì)背景

茶永盆地地處湖南省東南部，北起茶陵高隴，南止于郴州市蘇仙區(qū)飛天山鎮(zhèn)，全長大于150 km，大致南北兩端寬、中間窄，平均寬約 20 km，面積約 3000 km2(圖1)。大地構(gòu)造上位于華南褶皺系粵湘贛早古生代沉陷帶之炎陵—汝城沖斷褶隆帶，與云開晚古生代沉陷帶毗鄰，是一個發(fā)育在加里東褶皺基底之上的白堊紀(jì)—古近紀(jì)斷陷-拗陷陸相盆地[20-22]。盆地形成于白堊紀(jì)時期區(qū)域上NW—SE向伸展的構(gòu)造應(yīng)力場背景，是華南一系列 NE—NNE 向的斷坳型盆地的代表之一[21]，殘留盆地邊界主要受NE—NNE向的茶陵—郴州斷裂帶控制，盆內(nèi)白堊系—古近系總體組成一個NNE向延伸的寬緩直立水平褶皺(向斜)，褶皺形成于始新世末—漸新世的喜馬拉雅運(yùn)動期[23]。根據(jù)區(qū)域地層劃分結(jié)果，盆地充填序列自下而上依次為下白堊統(tǒng)欄垅組(K1l)和神皇山組(K1sh)，以及上白堊統(tǒng)羅鏡灘組(K2l)、 紅花套組(K2h)和棗市組(KEz)5個地層單元，主要沉積了一套紫紅色厚層-塊狀砂礫巖、砂巖及少量泥巖，累積厚度達(dá)數(shù)千米以上，以沖-洪積扇相礫巖、風(fēng)成沙漠相砂巖及湖泊相粉砂巖、泥巖互層為特點(diǎn)[22]。盆地內(nèi)地層的幾何構(gòu)造樣式對地貌產(chǎn)生一定制約，整體上形成盆地東、西兩側(cè)高山，中間低山丘陵及懸崖孤峰型丹霞地貌的特點(diǎn)。此外，白堊紀(jì)時期東亞大陸邊緣巨大的海岸山脈對華南地區(qū)的氣候產(chǎn)生了重要影響，導(dǎo)致華南地區(qū)普遍干旱化[24-26]。在白堊紀(jì)典型的溫室氣候條件和古構(gòu)造活動的共同作用下，華南地區(qū)形成了晚白堊世副熱帶高壓-季風(fēng)系統(tǒng)-地下水位-造山運(yùn)動相互耦合的風(fēng)成古沙漠沉積體系[27-28]。同時，沿岸山脈隆升在華南腹地的沉積響應(yīng)表現(xiàn)為晚白堊世沖積扇相礫巖層疊覆在早白堊世地層之上[29]，這一構(gòu)造-氣候背景下的沖積扇-風(fēng)成沙漠體系成為郴州飛天山—高椅嶺丹霞地貌的構(gòu)景巖層主體。

圖1 湖南省白堊系盆地與丹霞地貌分布(a)以及茶永盆地白堊系紅層及周緣地質(zhì)簡圖(b)Fig.1 Map showing the distribution of Cretaceous Basin and Danxia landform in Hunan Province (a) and geological map of Cretaceous red bed and its periphery in Chayong Basin (b)

1.2 丹霞地貌概況

截至2022年，湖南省共發(fā)現(xiàn)丹霞地貌30多處，如國內(nèi)外知名的新寧崀山、通道萬佛山、梆州飛天山和平江石牛寨等丹霞地貌，均屬于世界級或國家級丹霞地貌景區(qū)(圖1(a))，這幾乎涵蓋我國全部的丹霞地貌類型，堪稱是我國丹霞地貌的地質(zhì)博物館[18]。郴州丹霞地貌位于茶永盆地東南側(cè)，集中分布于飛天山—高椅嶺—大王寨一線，地質(zhì)構(gòu)造樣式簡單，地層產(chǎn)狀平緩，西傾單斜為主，總面積約50 km2。丹霞地貌類型以“圓頂巖丘型”和“頂斜、陡坎和麓緩”型等2種丹霞地貌景觀為主，素來享有“世之所有，此盡有之”的高度評價(jià)。其中，飛天山丹霞地貌景區(qū)位于梆州市蘇仙區(qū)，面積48 km2，2001年被國土資源部批準(zhǔn)為國家地質(zhì)公園。景區(qū)由9寨、48谷、4坦、3廟、2江及1泉組成，以“丹巖堡寨、奇石、穿洞、洞穴和秀竹”為特征[11，17]；高椅嶺風(fēng)景區(qū)在飛天山北東方向約8 km(圖1(b))，位于蘇仙區(qū)橋口鎮(zhèn)西部，交通便利，其壯美的自然風(fēng)光吸引無數(shù)攝影愛好者前往觀光，景區(qū)以孤峰、峰林和殘丘等丹霞地貌景觀為特色，標(biāo)志性景點(diǎn)有“龍脊”和“巨蜥湖”等。

2 研究方法

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育一系列良好的天然露頭，自然與人工道路的切割，完美地揭示了沉積體系(水成和風(fēng)成)的內(nèi)部建筑元素。如近垂直于地層走向的郴永大道(G240)上展示的巖層露頭(圖2和圖3)，現(xiàn)象豐富，清晰地展示了沙丘、丘間、沙席及水成沉積的各類沉積單元，為本文甄別風(fēng)成沉積與水成沉積提供了理想的研究條件。本文圍繞茶永盆地南部的丹霞地貌及露頭特征展開研究，穿越盆地東西兩側(cè)，對地層構(gòu)造樣式進(jìn)行了初步分析，重點(diǎn)對盆地東南緣的飛天山國家地質(zhì)公園和高椅嶺丹霞地貌景區(qū)展開研究，對典型風(fēng)成沉積露頭進(jìn)行了沉積相解析和沙丘樣品采集，對區(qū)內(nèi)20余個特征丹霞地貌進(jìn)行觀測和描述。風(fēng)成沙丘的識別和解釋參照前人的研究方法，主要包括Wu等[27]對江西信江盆地沙丘類型及風(fēng)成環(huán)境的系統(tǒng)研究，Prosser等[30]對英國北海中部Auk油田地下沙丘界面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究。沙丘的典型特征包括可識別的風(fēng)成界面(丘間界面、疊置面和再作用面)、風(fēng)成層理(顆粒流層、粒落層和風(fēng)波紋層)等。室內(nèi)研究方面，用偏光顯微鏡觀察了各薄片的巖石學(xué)特征，包括成分、結(jié)構(gòu)和成巖特征。分別從水成砂巖和風(fēng)成砂巖中選各取1個砂巖樣品進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)分析，觀察巖石顆粒的形態(tài)特征。電鏡樣品處理過程為：加熱并浸泡在10% HCl、30% H2O2和10% SnCl2中，分別去除碳酸鹽、有機(jī)物以及鐵、錳氧化物。最后，用蒸餾水沖洗，烘干，依次進(jìn)行制靶和噴金，以備使用。

圖2 郴州飛天山—高椅嶺典型丹霞地貌景觀Fig.2 Photos showing typical Danxia landform landscape of the Feitianshan-Gaoyiling area，Chenzhou(a)高椅嶺景區(qū)西側(cè)的赤壁景觀，構(gòu)景巖層為礫巖，鏡頭方向NE向(45°)；(b)飛天山景區(qū)東側(cè)內(nèi)的鯉魚寨，受翠江下蝕切割而形成陡崖狀地貌，鏡頭方向NEE(65°)；(c)飛天山景區(qū)西側(cè)的鐵頂寨，礫巖風(fēng)化地貌，鏡頭方向S(175°)；(d)飛天山景區(qū)的老虎寨(石寨)，頂部被草本植被覆蓋，古沙丘砂巖，鏡頭方向N(15°)；(e)高椅嶺景區(qū)中心的“巨蜥”，古沙丘砂巖與湖泊，鏡頭方向NEE(76°)；(f)飛天山景區(qū)西側(cè)的貓王寨近景，構(gòu)景巖層為礫巖，NNE與NWW向兩組節(jié)理切割，形成陡直崖面，鏡頭方向NE(55°)；(g)飛天山景區(qū)的穿坦(天生橋)，鏡頭方向N(6°)；(h)高椅嶺景區(qū)中心的“龍脊”，古沙丘砂巖，鏡頭方向SW(220°)

圖3 湖南茶永盆地風(fēng)成砂沉積構(gòu)造特征Fig.3 Photo showing the characteristic aeolian sand deposition structures in Chayong Basin，Hunan(a)高椅嶺地區(qū)沙丘的大型沉積構(gòu)造，顯示風(fēng)成一級界面(IS)、二級界面(S)及交錯層理，剖面近乎平行于古風(fēng)向；(b) 高椅嶺地區(qū)沙丘及沙席的小型沉積構(gòu)造，相間細(xì)條紋風(fēng)成波紋(wr)及呈楔形的顆粒流(gf)沉積；(c) 盆地西緣厚板塊狀沙席疊置形成的陡崖地貌；(d)飛天山地區(qū)的大型沙丘疊置，剖面近垂直于古風(fēng)向

3 丹霞地貌要素特征分析

郴州高椅嶺—飛天山丹霞地貌形態(tài)類型多樣，景觀造型豐富。根據(jù)其形態(tài)特征(圖2)，本文將研究區(qū)丹霞地貌分為崖壁、石寨、石墻、石柱和巖丘等正地貌類型及線谷、巷谷、峽谷和洞穴等負(fù)地貌類型。現(xiàn)按丹霞地貌演化順序，就主要類型進(jìn)行闡釋。

3.1 赤 壁

以紅色陡崖為主要特征，在景區(qū)較為發(fā)育，屬于丹霞地貌演化的壯年階段。陡崖坡度在60°以上，多數(shù)呈直立狀，陡崖高度多數(shù)大于30 m，巖性上以礫巖、砂礫巖為主，垂向上見層層相間的、不同形態(tài)和規(guī)模的洞穴、凹槽等(圖2(a))；多數(shù)赤壁上見豎向流水浸染痕跡，黑白相間如同彩條幕布，如景區(qū)內(nèi)的鯉魚寨等(圖2(b))。

3.2 石 寨

以“頂斜、陡坎和麓緩”型峰林狀為主要特點(diǎn)，是郴州丹霞地貌中突出的形態(tài)類型之一。巖層近水平，山頂平緩，四壁陡立，呈城堡狀、宮殿式丹霞地貌，區(qū)域上稱之為寨。多數(shù)寨高約20 m至50 m不等，這些石寨(堡)在巖性上常以河流礫巖相產(chǎn)出，或在古沙丘砂巖之上覆蓋有礫巖頂，構(gòu)成了強(qiáng)抗風(fēng)化的“保護(hù)層”，寨身如刀切，形成近平頂、四面陡坡的險(xiǎn)要地貌景觀。如景區(qū)內(nèi)的代表性石寨景觀鐵鼎寨等，矗立在翠江南岸，極目遠(yuǎn)眺，山光倒影，像成群結(jié)隊(duì)的象群駐守于此(圖2(c))。

3.3 巖 丘

以圓頂巖丘為主要特點(diǎn)，為區(qū)內(nèi)特色的丹霞地貌景觀，屬于丹霞地貌演化的老年階段。主要分布在標(biāo)高190～250 m的范圍，呈低丘崗地、地表起伏狀的平緩丹霞地貌丘陵地區(qū)，巖性上多為古沙丘砂巖，巖性均一，巖石風(fēng)化面上可見規(guī)模巨大的風(fēng)成“條紋”構(gòu)造。巖丘壁上常見豎向凹槽，在景區(qū)內(nèi)形成著名的“神仙指”特色景觀；該巖丘上表面常有厚5 cm至10 cm不等的土壤，形成開闊而略有起伏的大草原特色景觀(圖2(d))。景觀造型上，豎向凹槽切割合并而形成一系列規(guī)律分布的大尺度溝槽谷，使巖體呈現(xiàn)出形態(tài)各異的緩坡型的長條狀、樹枝狀等景觀。如高椅嶺景區(qū)內(nèi)著名的景點(diǎn)“巨蜥”，與碧水交相輝映，構(gòu)成南方獨(dú)特的圓頂巖丘型古沙漠丹霞地貌景觀(圖2(e))。

3.4 石 柱

多呈孤立的方形或圓形石柱出現(xiàn)，其高度大于直徑，低矮者也稱石墩。其巖性多以礫巖層或礫巖“蓋頂”出現(xiàn)。柱體側(cè)面平直、光滑，可見構(gòu)造活動改造痕跡。如飛天山景區(qū)西側(cè)的貓王寨，具有NNE、NWW向兩組陡直崖面的四邊形柱狀體(圖2(f))；另一典型柱狀景觀為翠江東岸的擎天柱(石柱)，與鳳形山石寨隔空相望，該石柱直徑約10 m，高約40 m，拔地而起，直指藍(lán)天，號稱“湘南第一柱”。

3.5 洞 穴

景區(qū)洞穴多樣，有流水侵蝕洞以及巖槽、扁平洞、套疊洞、串珠洞和蜂窩狀洞等，大小不一，小者僅數(shù)十厘米，大者數(shù)米至數(shù)十米，多數(shù)順巖層排列，少數(shù)為穿層垂向凹槽。層間孔洞經(jīng)進(jìn)一步風(fēng)化脫落，形成渾圓狀的洞穴，其中以穿坦最為典型，規(guī)模最大，連橋墩東西向跨度近170 m，高約38 m，形成拱狀橋或石門(圖2(g))，當(dāng)?shù)胤Q美人照鏡，也是目前我國南方丹霞地貌中發(fā)現(xiàn)跨度較大的石橋，凌空橫架，蔚為壯觀。

3.6 石 墻

亦屬于區(qū)內(nèi)特色的丹霞地貌景觀，由山體順斷裂構(gòu)造線延伸，被切割呈薄墻狀、長條狀及線狀，長度約50 m至800 m；山體頂部狹窄且面積較小，寬度約1 m至3 m不等；崖壁陡直、崖面直立，寬度遠(yuǎn)小于長度，十分險(xiǎn)峻，如高椅嶺景區(qū)的“龍脊”(圖2(h))及“刀背山”等。

3.7 線狀地貌

景區(qū)內(nèi)石墻與線狀地貌常共生。砂巖兩側(cè)(崖壁)垂直或同斜，谷形呈“V”型或“U”型，谷底呈平坦或起伏狀，高約10 m至40 m不等，寬約0.5 m至數(shù)米不等。如在鳳形山西南300多米處形成的石巷，近南北向分布，巖壁光滑陡峭。U型谷常與之伴生，如在飛天山景區(qū)南部老虎寨一帶尤為發(fā)育，呈南北向分布，長約700 m，寬約40 m至70 m不等，深約25 m至40 m不等，當(dāng)?shù)靥柗Q為“情人谷”，亦稱之為“江南大峽谷”。

4 丹霞地貌控制因素分析

郴州丹霞地貌的形成與演化過程主要包括三個時期：首先是白堊紀(jì)時期，在飛天山—高椅嶺景區(qū)內(nèi)形成的以沙漠干旱沉積為主體的厚層紫紅色碎屑巖為構(gòu)景巖層；其次是碎屑巖在后期以新構(gòu)造運(yùn)動為主的差異升降而形成次級斷裂、節(jié)理裂隙，造成碎屑巖整體的塑形；最后是溫濕季風(fēng)氣候條件下的風(fēng)化、流水侵蝕和崩塌等作用為主的地質(zhì)營力塑造。這反映出丹霞地貌的三階段成景模式，即“沉積作用孕景→構(gòu)造抬升造景→地表營力雕景”。

4.1 沉積作用奠定丹霞地貌的物質(zhì)基礎(chǔ)

茶陵盆地作為中國東部的紅層斷陷盆地之一，在燕山運(yùn)動的影響下，從早白堊世便開始接收沉積，受盆地西緣的邊界斷裂控制，沉積中心從南向西迀移，在盆地西緣靠近山脈剝蝕區(qū)堆積巨厚的沖積扇-辮狀河礫巖沉積體；進(jìn)入白堊紀(jì)中期，在全球極端溫室氣候背景下，由于受東部沿岸山脈古地形對古太平洋水汽的阻擋及古緯度帶上大氣環(huán)流格局影響；白堊紀(jì)中-晚期風(fēng)成沙漠體系遍布整個華南陸塊盆地群，如在華南陸塊東部句容盆地、信江盆地、華南中部的江漢盆地、衡陽盆地和建始盆地等均有發(fā)現(xiàn)[27]，且沙丘規(guī)模大，如波長(DW)可達(dá)數(shù)百米，保存的波高(H)達(dá)數(shù)十米(圖3)，沙丘形態(tài)參數(shù)均顯著別于湖岸沙丘、河岸沙丘等小型沙丘，表明華南的古沙漠是一個規(guī)模宏大的沙漠(茶永盆地的古沙丘形態(tài)定量重建將另文撰述)。

筆者及研究團(tuán)隊(duì)在茶永盆地調(diào)查亦發(fā)現(xiàn)，在盆地內(nèi)神皇山組發(fā)育沙漠沉積體系，分別在盆地NNE向?qū)捑徬蛐钡膬梢懋a(chǎn)出，盆地東側(cè)以大型沙丘相為主(圖3(a)和(b))，盆地西側(cè)永興縣以砂席相為主(圖3(c))，東西向呈規(guī)律變化。其中，郴州飛天山—高椅嶺核心景區(qū)(東側(cè))一帶沙漠相砂巖以發(fā)育大型交錯層理為特點(diǎn)，單個沙丘殘存高度約10 m至30 m不等，復(fù)合沙丘累積高度達(dá)上百米(圖2(h)、圖3(a))，交錯前積層傾角約20°至26°，橫向延伸數(shù)百米，特征顯著；層系之間常見侵蝕型丘間界面(IS)、疊加面(S)、再作用面(R)等大型風(fēng)成界面(圖3(a))及風(fēng)成波紋(wr)、顆粒流沉積(gf)、顆粒落沉積(gfa)等小型風(fēng)成層理(圖3(b))，是風(fēng)成沉積的典型沉積構(gòu)造。這些特殊的風(fēng)成沉積層理構(gòu)造，經(jīng)后期流水侵蝕、切割后形成流暢的紋理，恰似丹霞地貌景觀的皮膚紋理，又似千層餅狀，十分美麗壯觀，是風(fēng)成砂巖丹霞地貌中獨(dú)有的風(fēng)景之一。這種風(fēng)成砂巖以紫紅色長石石英細(xì)砂巖為主(圖4(a))，均質(zhì)性強(qiáng)，孔隙度好，膠結(jié)程度低，容易風(fēng)化形成低矮圓潤巖丘型的特色丹霞地貌景觀(圖2(d)和(e))。景區(qū)西側(cè)出露上白堊統(tǒng)羅鏡灘組河流相-沖積洪積相礫巖，覆蓋在神皇山組風(fēng)成砂巖之上，以塊狀礫巖、砂礫巖和粗砂巖為特點(diǎn)，分選較差(圖4(b))。礫巖膠結(jié)致密，礫石抗風(fēng)化能力相對較強(qiáng)，與風(fēng)成砂顆粒的強(qiáng)溶蝕作用發(fā)育有區(qū)別(圖4(c)和(d))，因而礫巖多形成柱狀、高陡石寨狀丹霞地貌類型?？傊?，茶永盆地白堊系紅層為飛天山—高椅嶺景區(qū)發(fā)育的丹霞地貌景觀構(gòu)成和空間分布提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，不同地理單元的巖石類型是決定丹霞地貌景觀類型的內(nèi)在因素之一。

4.2 構(gòu)造差異抬升決定山體形態(tài)

郴州高椅嶺—飛天山丹霞地貌景區(qū)內(nèi)丹霞地貌景觀類型具多樣性，其中斷裂構(gòu)造起著決定性的作用。由于受到盆地邊界斷層(茶陵—郴州斷裂)活動的控制和影響，在景區(qū)內(nèi)形成NNE、NWW向的次級斷層及派生節(jié)理(圖5)，它們強(qiáng)烈切割紅層，對丹霞地貌景觀格局起關(guān)鍵性作用。古沙漠砂巖、礫巖被切割成原始的方塊狀或條塊狀，在流水侵蝕等外動力的作用下形成原始的方山、峰林等丹霞地貌正地貌及槽谷、一線天等負(fù)地貌。同時，節(jié)理和裂隙也會增加紅層的破碎度并進(jìn)而影響流水、崩塌和風(fēng)化等外動力的作用，也是后期丹霞地貌形成過程中重要的營力要素[3]。如飛天山景區(qū)的江南大峽谷近NNE向分布、眾多丹霞地貌寨堡(鐵鼎寨、老虎寨和鯉魚寨等)受NNE、NEE向的邊界(節(jié)理)分割、限定后呈孤立的方塊狀或圓柱狀(圖2和圖5)；飛天山景區(qū)天生橋兩側(cè)有一組大節(jié)理，裂隙寬5 cm至10 cm，走向平行于大橋走向(圖5(a))。天生橋的形成一方面受節(jié)理控制，另一方面與巖石的溶蝕作用有關(guān)。雨水沖刷掉底部砂巖中較多的Ca2+、K+等可溶性物質(zhì)，并逐漸通過溶蝕和塌陷而擴(kuò)大形成橋洞。高椅嶺景區(qū)的“刀背山”丹霞地貌景觀，在遙感影像構(gòu)造解譯上，可見明顯受到多組平行的NWW向節(jié)理、裂隙的切割和控制(圖5(b))，露頭上也多見近EW向、NWW向節(jié)理和小型斷層，這些斷裂的切割，形成山體初始輪廓，并在后期為流水、風(fēng)力等營力作用提供通道，加劇侵蝕，最終形成“刀背狀”的地貌景觀。在景區(qū)西部，沖積扇礫巖受到盆地邊界斷層活動的影響，礫巖層產(chǎn)狀向西傾斜，斷層和節(jié)理的強(qiáng)烈切割紅層，增加紅層的風(fēng)化面積，在翠江等流水強(qiáng)烈下蝕作用下，形成高大的陡崖壁型丹霞地貌，以“頂斜”的峰林、峰叢型丹霞地貌組合為特征(圖2(a)—(c)和圖5(c))。

圖5 郴州飛天山-高椅嶺地區(qū)斷裂構(gòu)造對丹霞地貌發(fā)育的控制Fig.5 Satellite images showing the interpreted control of fault structures on the development of Danxia landform in Feitian-shan-Gaoyiling area，Chenzhou(a)飛天山—高椅嶺景區(qū)遙感影像及構(gòu)造解譯圖；(b)高椅嶺刀背山受NWW向斷裂組合控制；(c)鳳形山受NNE向斷裂控制而形成一線天、“V”形谷地貌

通過區(qū)域構(gòu)造背景分析可知，由于喜山期先后發(fā)生近EW向(52 Ma至23.3 Ma)和近SN向(23.3 Ma至0.78 Ma)的區(qū)域擠壓事件[23]，使盆地內(nèi)產(chǎn)生NNE向褶皺和NNE向的盆地?cái)嗔堰吔纾约癗WW向褶皺和斷裂(圖5)；其中，NE、NNE向?qū)捑徬蛐闭w呈一直立水平平緩褶皺。在這一構(gòu)造組合樣式的限定下，景區(qū)內(nèi)構(gòu)造線走向以近SN向及EW向?yàn)橹?，?qiáng)烈切割和控制景區(qū)地貌。同時，盆地東部整體掀起，使該區(qū)域轉(zhuǎn)變成一個向西傾斜的平緩單斜，區(qū)域構(gòu)造地貌也轉(zhuǎn)為東高西低；景區(qū)基底(位于盆地東部)不斷抬升的過程中，塑造出研究區(qū)方山型、條帶狀的正地貌初始輪廓。

4.3 地表營力對丹霞地貌的雕刻

地表營力是形成千姿百態(tài)丹霞地貌景觀的重要因素[1]。其中流水的侵蝕、溶蝕和風(fēng)化作用是飛天山—高椅嶺景區(qū)的主要成景因素之一。郴州飛天山—高椅嶺地處亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，近年來的年均降水量約為1400 mm至1500 mm，丹霞地貌景區(qū)周邊水系發(fā)達(dá)，有郴江與翠江穿過，季節(jié)性和突發(fā)性的降雨，引發(fā)河流泛濫，對途經(jīng)河床的下切侵蝕及兩岸紅層側(cè)向強(qiáng)烈侵蝕，這種侵蝕對崖壁崩塌和后退起著重要的作用，形成陡峭谷壁的赤壁丹霞地貌景觀。如區(qū)內(nèi)翠江兩岸的鯉魚寨、鐵鼎寨和老虎寨等，多屬水流的底蝕和側(cè)蝕作用形成(圖2(b)-(d))。此外，巖石表面流水對丹霞地貌的塑造十分重要，侵蝕初期常沿裂隙形成“V”形淺凹槽，局部擴(kuò)大而形成“陰元石”(圖6(a))或貫穿巖體的大型空洞，如飛天山景區(qū)的“黑坦”(圖6(b))；巖壁上流水的持續(xù)侵蝕作用產(chǎn)生一系列豎向凹槽，如景區(qū)內(nèi)的“神仙指”景觀(圖6(c))及串珠狀孔洞(圖6(d))；水流匯集的低洼處，形成“U槽形”谷丹霞地貌(圖6(e))；部分圓丘砂巖頂部集群分布有圓形的豎向洞穴，直徑約5 cm至30 cm不等，深度約10 cm至20 cm不等，底部有少量沉淀物，受垂向流水作用而形成(圖6(f))，為典型的壺穴。因其目前位于沙丘頂部的高地，非低洼處，指示周緣高地遭受強(qiáng)烈風(fēng)化剝蝕后變低矮的過程。丹霞地貌地層在潮濕條件下更易受到侵蝕和風(fēng)化也被干/濕態(tài)不同的砂巖單軸力學(xué)強(qiáng)度不同所證明[32]。在景區(qū)東部的古沙漠砂巖區(qū)流水侵蝕作用較強(qiáng)，這可能與古沙漠砂巖成分以長石、巖屑等不穩(wěn)定礦物為主(圖4(a))，膠結(jié)程度低，導(dǎo)致巖石組分容易被流水帶走有關(guān)，從而被“雕刻”出景區(qū)內(nèi)“巨蜥”“龍脊”等與傳統(tǒng)丹霞地貌峰叢迥然不同的圓頂巖丘型特色景觀(圖2(e)和(h))，類似于美國猶他州Zion國家公園早—中侏羅世Navajo組風(fēng)成砂巖及我國陜西靖邊縣龍洲地區(qū)洛河組形成的“波浪型丹霞地貌”，這是風(fēng)成沙漠相砂巖形成丹霞地貌景觀的特色之一[5，33]，與河湖相砂礫巖形成的峰叢型丹霞地貌相區(qū)別。

圖6 郴州飛天山—高椅嶺典型丹霞地貌區(qū)構(gòu)造切割、流水侵蝕作用Fig.6 Photos of structural cutting and water erosion in typical Danxia landform of Feitianshan-Gaoyiling area，Chenzhou(a)節(jié)理裂隙經(jīng)流水的強(qiáng)烈侵蝕，形成“陰元石”；(b)“黑坦”景觀，巖石差異風(fēng)化脫落而形成；(c)水流侵蝕作用形成的豎向指狀凹凸形貌；(d)丹霞地貌巖體壁上流水沖刷形成的串珠狀孔洞；(e)流水侵蝕形成的槽谷地貌；(f)丹霞地貌巖體頂面上的“洞穴”，垂直流水作用沖刷形成；(g)流水侵蝕槽及巖石風(fēng)化后形成的交錯紋層；(h)丹霞地貌崖壁上的蜂窩狀孔洞；(i)丹霞地貌巖體頂面砂巖因吸水膨脹、氣溫冷熱交替下產(chǎn)生的層狀剝離；(j)植物根系活動產(chǎn)生的“白斑”；(k)紅層中發(fā)育的剪節(jié)理，走向近東西向；(l)正斷層的初始形成階段，沿裂面產(chǎn)生羽裂，砂巖上盤受區(qū)域伸展(重力)作用下滑產(chǎn)生

巖石的鹽類化學(xué)風(fēng)化，亦參與塑造景區(qū)地貌。研究區(qū)紅層形成于干旱氣候背景，巖石中具有一定的鹽組分含量[27]。同時，巖石中的長石礦物易化學(xué)溶解釋放K、Na等活潑元素，產(chǎn)生次生溶蝕微孔(圖4(c)和(d))，并增加了在紅層中運(yùn)移的水溶液中的鹽含量。風(fēng)成砂中粒流層與粒落層的組合，具有較高的孔隙度和滲透率[30]，構(gòu)成了非常良好的導(dǎo)水通道，有利于含鹽流體的匯聚，導(dǎo)致巖石差異風(fēng)化，并逐漸演化成條紋現(xiàn)象(圖6(g))；鹽類在砂巖中進(jìn)一步發(fā)生水化、水合和溶解等作用[34]，在巖石淺表層發(fā)生結(jié)晶，破壞巖石結(jié)構(gòu)，逐漸形成蜂窩狀孔洞(圖6(h))。在巖石裸露區(qū)，巖丘頂部組分由于受到霧氣、雨水等作用而風(fēng)化成黏土礦物，并在太陽的照射下，形成初始裂縫；由于干濕交替，常體積增大而導(dǎo)致巖層表面皮殼狀破裂，并形成上拱的現(xiàn)象，導(dǎo)致巖石物質(zhì)的進(jìn)一步脫落(圖6(i))，這利于圓頂巖丘地貌的形成。此外，景區(qū)內(nèi)紫紅色巖石表面常見“白斑”，且在植物根系周邊亦見“漂白”現(xiàn)象(圖6(j))，結(jié)合前人通過礦物學(xué)分析發(fā)現(xiàn)的局部還原環(huán)境及一定量的與sp3(一個s與3個p軌道)雜化C—H鍵、O—N—O等相關(guān)的有機(jī)質(zhì)組分[8]，推測是繁盛的地衣及植被根系常分泌有機(jī)酸溶解或還原巖石中的Fe3+，或是富含有機(jī)質(zhì)、H2S等的氣態(tài)物質(zhì)沿砂巖中的礦物間空隙上升，從而使紅色Fe3+退變成白色形成白斑[32]。

5 丹霞地貌演變時序與過程

郴州飛天山—高椅嶺丹霞地貌是湖南省內(nèi)乃至我國南方特征典型的古沙漠丹霞地貌景區(qū)，構(gòu)景巖層上發(fā)育的大型風(fēng)成交錯層理，風(fēng)化之后所展現(xiàn)的“紋理”，常凸顯出一種柔和之美(圖2(d)、(e)和(h))，集美學(xué)價(jià)值與科學(xué)價(jià)值于一體。本次通過面積高程積分值(hypsometric integral，即HI)及其積分曲線、地貌分析等方法，進(jìn)一步探討郴州飛天山—高椅嶺丹霞地貌的地貌演化階段及過程。

面積高程積分(HI)方法由學(xué)者Strahler在1952年提出，是地貌定量分析的重要方法之一[9，35-36]。通過這一方法，描述地貌發(fā)育模式的3個階段：幼年期、壯年期和老年期。通常認(rèn)為幼年期HI大于0.6，老年期HI小于0.4，壯年期HI值介于0.4至0.6之間。同時，積分曲線呈現(xiàn)凸形，指示侵蝕相對較弱，為幼年期；相反，則為老年期。由于同一地區(qū)的丹霞地貌演化階段存在普遍的尺度效應(yīng)[37]，本次對景區(qū)整體及其東、西兩側(cè)分別進(jìn)行演化階段的評價(jià)分析，進(jìn)一步驗(yàn)證地質(zhì)要素對丹霞地貌演化的影響(圖7)。

圖7 郴州飛天山—高椅嶺丹霞地貌景區(qū)丹霞地貌演化階段劃分Fig.7 Division of evolution stages of Danxia landform in the Feitianshan-Gaoyiling Danxia scenic spot，Chenzhou(a)數(shù)字高程模型(DEM)圖；(b)面積高程積分曲線(I曲線表示景區(qū)東部古沙漠砂巖區(qū)，Ⅱ曲線表述景區(qū)西部沖積扇礫巖區(qū))；(c)景區(qū)整體面積高程積分曲線(a/A表示等高線所切的水平斷面面積a與流域總面積A之比，h/H表示等高線的相對高度h與流域地勢高差H之比)

從飛天山—高椅嶺丹霞地貌景區(qū)整體來看(圖7(a))，面積高程積分值(HI)為0.367，面積高程積分曲線整體呈現(xiàn)出平直-凹形的特征，指示該丹霞地貌景區(qū)整體地貌演化階段進(jìn)入了老年早期(圖7(b))。研究區(qū)丹霞地貌東、西兩側(cè)巖石類型與地貌有明顯不同，表現(xiàn)為HI值和地貌存在明顯差異。東側(cè)地區(qū)巖性以古沙漠沙丘砂巖為主，整體海拔較低，準(zhǔn)平原化作用明顯，海拔和地貌嚴(yán)格受巖性控制，HI值為0.348，面積高程積分曲線整體呈現(xiàn)出凹形的特征，為老年早期演化階段，與整體地貌演化階段一致；東側(cè)地區(qū)巖性以沖積扇礫巖為主，整體海拔較高，地貌上顯示以方山、峰林等丹霞地貌類型為主，HI值為0.412，面積高程積分曲線整體呈現(xiàn)出“S”形的特征，處于壯年晚期(圖7(c))。

造成丹霞地貌演化差異的原因，本文認(rèn)為主要受到研究區(qū)巖相和巖性的控制，其次也與褶皺抬升(東西兩側(cè))、構(gòu)造切割、水系發(fā)育程度以及不同區(qū)位侵蝕作用時間(溯源侵蝕)有關(guān)(圖8)。核心景區(qū)位于茶永盆地東南緣，盆地充填物質(zhì)組合在東西橫向上有一定規(guī)律的變化；由景區(qū)東側(cè)向西側(cè)，從風(fēng)成沙丘相細(xì)砂巖逐漸過渡到沙席相中-粗砂巖，再到?jīng)_積扇相塊狀礫巖，該巖相分布規(guī)律是決定東、西兩側(cè)丹霞地貌形態(tài)迥異的根本原因(圖8(a))。如劉鑫等[33]采用對比分析、數(shù)值模擬等研究手段，提出巖性在丹霞地貌坡面演化過程中的關(guān)鍵作用：高聳的山峰主要發(fā)育在厚層礫巖中，波浪狀地貌主要發(fā)育在風(fēng)成砂巖中，這一規(guī)律與研究區(qū)高度吻合。Zhu等[32]對廣東丹霞地貌山鉆孔巖心壓力測試實(shí)驗(yàn)表明，礫巖和砂巖的平均抗壓強(qiáng)度分別為51.83 MPa和32.10 MPa，經(jīng)酸浸泡后抗壓強(qiáng)度分別為58.43 MPa和24.61 MPa，表明礫巖組分硬度相對更大，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，更容易形成峰林、峰叢型景觀組合；其次，外力侵蝕也是次要影響因素之一。從景區(qū)的小范圍尺度上看，丹霞地貌形成過程中的氣候風(fēng)化條件(溫度、降雨等)等因素基本一致，但受水系溯源侵蝕規(guī)律的影響，水系上游侵蝕相對較弱，且受到侵蝕的作用時間相對較晚，地貌相對年輕，初始期往往形成峰林等丹霞地貌，HI值也相對較高；而水系下游侵蝕能力強(qiáng)，侵蝕時間較上游長，導(dǎo)致下游地區(qū)容易形成殘丘型丹霞地貌。總體而言，研究區(qū)丹霞地貌的形成經(jīng)歷了以下過程：白堊紀(jì)中期的極端溫室氣候背景下，受NW向伸展的茶永盆地內(nèi)沉積了干旱背景下的沖積扇和沙漠體系，構(gòu)成了研究區(qū)丹霞地貌發(fā)育的紅層物質(zhì)基礎(chǔ)；紅層形成之后，先后受到古近紀(jì)中晚期構(gòu)造變形及古近紀(jì)末—新近紀(jì)初構(gòu)造變形等兩期構(gòu)造作用，形成了NE—NNE向逆斷裂和寬緩向斜[22]，斷裂控制了盆地的北西邊界，寬緩向斜的形成過程使盆地東、西兩側(cè)及周緣抬升形成高山，多期應(yīng)力作用使得區(qū)內(nèi)節(jié)理發(fā)育(圖8(b))，并在流水強(qiáng)烈侵蝕作用下，研究區(qū)形成NNE向、NEE向的溝谷地貌，使景區(qū)內(nèi)紅層被分割成以方形為主的丹霞地貌巖堡；在重力作用下，紅層巖體沿原生構(gòu)造節(jié)理或卸荷節(jié)理產(chǎn)生崩塌，形成丹霞地貌陡崖坡(圖8(c))，丹霞地貌初具規(guī)模，并進(jìn)入壯年演化階段。總的來說，盆地內(nèi)部的構(gòu)造線走向控制了丹霞地貌分布格局和基本形態(tài)，紅層產(chǎn)狀控制丹霞地貌區(qū)巖層西傾的坡面特征。景區(qū)東側(cè)圓頂巖丘型地貌，主要是在NNE和近EW向兩組構(gòu)造線切割形成方塊山的基礎(chǔ)上，紅色巖層經(jīng)過流水及風(fēng)化作用，溝谷不斷拓寬，崖壁崩塌后退，原來的山體逐步退縮并衍生出洼地湖泊，地貌演化進(jìn)入壯年晚期階段(圖8(d))。由于沙丘砂巖獨(dú)特的巖石學(xué)特征(鈣質(zhì)膠結(jié)、較高的成分和結(jié)構(gòu)成熟度以及組分均勻，圖4(a)(c))、結(jié)構(gòu)構(gòu)造(毫米-厘米級的粒流層、粒落層相間，圖3(a)(c))，沿風(fēng)成層理面常形成層狀剝落(頂部普遍出現(xiàn)皮殼狀脫落，圖6(i))，在流水的侵蝕作用下，風(fēng)化后容易形成光滑的表面，山頂呈現(xiàn)弧形及高度不斷縮小，最終使古沙漠砂巖區(qū)形成低矮型“圓頂巖丘狀”地貌，與礫巖風(fēng)化后凹凸不平、極為粗糙的表面明顯相區(qū)別；而西部沖積扇礫巖形成高聳孤立型石柱或叢峰，最終造就了景區(qū)內(nèi)東、西兩側(cè)地貌差異顯著的丹霞地貌奇觀(圖8(e))。

圖8 茶永盆地飛天山—高椅嶺地區(qū)丹霞地貌演化模式圖Fig.8 Danxia landform evolution model profile of the Feitianshan-Gaoyiling area，Chayong basin(a)茶永盆地白堊系紅層(水成-風(fēng)成)沉積階段，約90 Ma；(b)盆地受近東西向擠壓，構(gòu)造逐步抬升，產(chǎn)生的NNE向斷裂與節(jié)理強(qiáng)烈切割地層，形成方形山，地貌進(jìn)入幼年期，約15 Ma；(c)流水沿裂隙下蝕巖層，并發(fā)重力崩塌，地貌進(jìn)入壯年期，約4 Ma；(d)巖層頂部剝蝕成圓丘狀，丹霞地貌進(jìn)入壯年晚期，約2 Ma；(e)丹霞地貌進(jìn)入壯年晚期-老年期，現(xiàn)狀

6 結(jié) 論

(1)研究區(qū)圓頂巖丘體砂巖中識別出風(fēng)成波紋(wr)及顆粒流(gf)等沉積構(gòu)造，沙丘層系之間見侵蝕型丘間界面(IS)、疊加面(S)和再作用面(R)等風(fēng)成界面，是風(fēng)成沉積的典型沉積構(gòu)造，這些特殊的風(fēng)成沉積層理構(gòu)造，經(jīng)后期風(fēng)化后形成流暢的紋理，成為風(fēng)成砂巖丹霞地貌中獨(dú)有的風(fēng)景之一。

(2)查明景區(qū)內(nèi)有丹霞石寨、巖丘、赤壁、石墻和洞穴以及線狀、柱狀等7種地貌類型。景區(qū)東、西兩側(cè)丹霞地貌風(fēng)景差異明顯，巖石類型是決定丹霞地貌景觀類型的重要因素之一，東側(cè)以華南少見的圓頂巖丘狀及線狀溝槽地貌為主，主要受風(fēng)成沙漠相之沙丘亞相控制；而景區(qū)西側(cè)的“頂斜、 陡坎和麓緩”型峰林狀丹霞地貌景觀，為沖積扇相礫巖改造而來。

(3)飛天山—高椅嶺丹霞地貌景區(qū)地貌整體處于壯年晚期-老年早期的殘丘階段，地貌侵蝕程度較強(qiáng)，東、西兩側(cè)丹霞地貌演化階段存在差異。總體來說，“紅層”構(gòu)成了景區(qū)丹霞地貌的物質(zhì)基礎(chǔ)，構(gòu)造差異抬升決定山體形態(tài)，地表營力完成丹霞地貌的雕琢和改造。

致謝：感謝審稿專家和編輯部老師在本文的修改過程中給予的寶貴建議！