美国Zion国家公园红层地貌发育研究

潘志新, 彭　华*, 任　舫, John ENCARNACION

1)中山大学地理科学与规划学院, 广东广州 510275;　2)中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081; 3)美国圣路易斯大学地球与大气科学系, 美国密苏里州圣路易斯 63108



美国Zion国家公园红层地貌发育研究

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

1)中山大学地理科学与规划学院, 广东广州 510275;2)中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081; 3)美国圣路易斯大学地球与大气科学系, 美国密苏里州圣路易斯 63108

摘要:随着中国红层和丹霞地貌研究逐步走向国际, 国内学者走出国门去认识和了解国外的红层及其地貌发育显得尤为必要。Zion国家公园是美国西部红层的典型代表, 在干旱气候环境下发育了高原-峡谷景观。本文通过野外考察和岩样分析, 从地质构造、岩性特征和外动力等方面来探讨Zion公园的红层地貌发育机制。研究表明: Zion公园为科罗拉多高原西部边缘的断块山地, 公园内褶皱很少, 断层稀疏, 但节理密集, 控制了峡谷群的发育。公园内地貌发育的主体地层为红层, 主要形成于侏罗纪, 其沉积环境复杂多变,兼具滨/浅海、河流、湖泊和沙漠等。岩性特征上, Zion公园的红层以细砂岩和粉砂岩为主。其中, 形成崖壁的主要为风成相石英砂岩, 但各段岩石的胶结特性不同, 导致其岩石强度和颜色有较大差异。此外, 还发现Zion公园红层的岩石强度和山体坡度并不呈正相关关系, 它还与岩性是否均一有关。细粒均一的风成相砂岩和河流相Springdale段砂岩发育成陡崖, 其余含有软岩夹层的岩层只能形成缓坡。外动力方面, 流水下切是主导因素, 同时流水侧蚀和地下水的基蚀作用等对Zion公园的地貌发育也有重要影响。

关键词:Zion国家公园; 红层; 丹霞地貌; 发育机制

本文由国家自然科学基金项目(编号: 41171013)和国家留学基金委公派留学联合培养博士生项目(编号: 201306380019)联合资助。

红层是丹霞地貌形成的物质基础, 是丹霞地貌研究中不可回避的重要问题(彭华等, 2013; 陈丽红等, 2015)。近年来, 随着“中国丹霞”申遗成功和几次丹霞地貌国际学术会议的召开, 中国的红层和丹霞地貌研究逐渐为外界所知。但此前由于缺乏国际交流和诸多条件所限, 国内学者对国外的红层及其地貌发育缺乏了解。只有少数学者在文献整理的基础上对国外的红层和丹霞地貌进行过简单介绍(尹德涛, 2002; 张忍顺和齐德利, 2003; 刘尚仁和彭华, 2006; 赵汀等, 2014)。但这些研究大多是基于期刊、杂志和一些照片的判读, 缺乏一手的数据资料对这些国外红层分布区的地质构造背景和地貌发育过程进行系统说明, 甚至将一些并非发育在红层基础上的地貌也误认为是丹霞地貌。因而, 中国的丹霞地貌研究要想走向世界, 首先研究丹霞地貌的人应走出去看看外面的丹霞地貌。

据现有研究所知, 美国西部的科罗拉多高原是世界上中生代红层的主要分布区, 形成了很多著名的地貌景观。它们和中国的丹霞地貌一样, 都是发育在红层基础上的流水侵蚀地貌, 整体外观都呈红色, 且都有显著的陡崖坡。2013年10月, 笔者(本文第一作者)有幸获得国家留学基金委公派留学项目的资助, 赴美国圣路易斯大学(Saint Louis University)进行为期两年的交流和学习。在美留学期间,笔者对美国西部的红层及其地貌发育进行了考察,并选择犹他州的Zion国家公园作为研究案例地。在实地考察和岩样分析的基础上, 本文尝试探讨地质构造、岩性和外动力等因素是如何影响Zion公园红层地貌的发育, 为国内同行了解美国西部的红层及其地貌发育提供参考。

Zion国家公园位于美国犹他州西南边缘Washington郡的Springdale镇附近, 中心点地理坐标为37°12′09″N, 112°59′16″W, 总面积为590 km2。气候上, Zion公园属半干旱的温带大陆性气候, 多年日平均气温为16.8℃, 多年平均降水量为411.2 mm。水文方面, 整个Zion公园都属Virgin河水系。其中, 发源于公园北部高原的Virgin河北部支流——North Fork, 自北向南对岩层进行切割侵蚀, 形成Zion峡谷(Zion Canyon)(图版I-A)。North Fork在Zion公园境内全长约24 km, 河谷最深达800 m, 河道坡降达9.5~15.2 m/km, 是北美坡降最大的河流之一(Biek et al., 2000)。

地貌单元上, Zion公园位于科罗拉多高原(Colorado Plateau)的西部边缘, 处于科罗拉多高原、大盆地(Great Basin)和莫哈维沙漠(Mojave Desert)等美国西部三大地理区的交界处。公园地势自西向东缓倾, 最高点为马场山(Horse Ranch Mountain),海拔2660 m; 最低点为公园西南角的煤矿洼地(Coalpits wash), 海拔1117 m。总体上, Zion公园可分为东南和西北两大片区。东南部为Zion峡谷区,包括Zion峡谷两侧和公园东部的犹他州9号公路(Utah-9, 也即Zion-Mt. Carmel Highway)沿线, 以高原方山、峡谷和砂岩崖壁为主要地貌景观(图版I-B、C); 西北部为Kolob峡谷区, 以指状峡谷群为主要景观(图版I-D)。其中, Zion 峡谷区的砂岩崖壁和峡谷群是Zion国家公园最重要的地貌特征, 也是本文的研究重点(图1)。

1　研究区地质构造背景

1.1区域构造演化

图1　Zion国家公园的地理区位Fig. 1　Location map of Zion National Park

Zion公园所在地区构造格局的形成与中生代期间太平洋板块向北美板块的俯冲碰撞及其衍生的三次造山运动密切相关。中生代以前, Zion公园处于泛大陆西部边缘的大陆架浅海环境(Biek et al., 2000)。直到三叠纪末, 由于泛大陆分裂解体, 北美大陆开始向西北漂移。与此同时, 太平洋板块向北美大陆西部的俯冲碰撞, 在西部海岸火山链和古洛基山脉之间形成了一个大型的弧后盆地——西部内陆盆地(Western Interior Basin)(Beaumont et al., 1993), 开始接受大陆沉积, 并一直持续到中侏罗世。尤其是早侏罗世末至中侏罗世早期, 因北美大陆漂移至副热带地区, 同时太平洋板块继续向北美板块俯冲形成的Nevedan 造山运动, 使整个西部内陆盆地处于副热带雨影区, 形成广袤的沙漠环境和巨厚的风沙沉积(Schweickert et al., 1984; Blakey et al., 1988; Wolf and Saleeby, 1992)。

中侏罗世至早白垩世期间, 太平洋板块向北美板块俯冲加速, 在北美大陆西部产生了向东的压应力, 形成了Sevier造山运动。它使北美大陆西部山脉进一步隆起, 西部内陆盆地进一步下沉, 面积扩大(Heller et al., 1986; Mitrovica et al., 1989)。海水分别从北极和墨西哥湾相继侵入盆地, 并最终贯通形成了西部内陆海道(Western Interior Seaway)(Kauffman, 1977; Wright, 1987)。Zion公园位于该海道的西部边缘, 大陆沉积过程结束(Graham, 2006)。

白垩纪末, 太平洋板块向北美板块俯冲角度变小, 引起深部岩浆上涌和地壳隆升, 形成Laramide造山运动。一方面, 它使西部内陆海道关闭, 落基山脉开始隆起, 科罗拉多高原被整体抬升(Spencer, 1996; English and Johnson, 2004)。另一方面, 受弧后扩张作用的影响, 北美大陆板块向西延展变薄,在科罗拉多高原西部形成盆地和山脉区(Basin and Range)(Eaton, 1982; DePolo et al., 1991)。同时, 地壳的张应力使科罗拉多高原西部边缘发生破裂, 形成一系列向西陡倾的正断层和密集分布的节理, Zion公园即为科罗拉多高原西部边缘与盆地和山脉区过渡处的一个断块体(Biek et al., 2000)。

图2　Zion公园及其周边的断层分布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地质构造特征

Zion公园褶皱很少, 控制地貌发育的主要是断裂构造。其东西两侧分别为Sevier断层和Hurricane断层, 它们均为向西陡倾的正断层, 将Zion公园与其它构造单元相分隔。在Zion公园内, 还有一些规模较小的断层, 包括东Cougar Mountain断层、西Cougar Mountain断层、Wildcat Canyon断层和Bear Trap Canyon断层等。它们也大多为向西陡倾的正断层, 集中在Kolob峡谷区和Zion峡谷西侧, 而Zion峡谷东侧基本上没有断层分布(图2)。

与稀疏的断层相比, Zion公园的节理分布非常密集, 且主要集中在公园东南部的Zion峡谷区。它们大多倾角近直立, 切穿Navajo组砂岩, 对Zion公园峡谷群的形成具有控制作用。具体而言, Zion公园的节理主要可分为以下三组: (1)组为北北西走向(350°), 延伸长度很大, 相互平行且呈规则分布(间距约0.5km), 是Zion公园最重要、分布最广的节理,被认为是盆地和山脉区向西延展时的张应力作用于科罗拉多高原西部边缘的重要证据(Roger et al., 2004); (2)组为北北东走向(20°), 主要分布在Zion峡谷西部, 并和(1)组节理相交, 延伸长度较小, 发育的峡谷也较短小; (3)组为近东西走向(250°~280°),主要分布在Kolob峡谷区西北部边缘, 其长度也较短, 发育了一组平行排列的指状峡谷群。

1.3地层组合与产状

图3　Zion国家公园地层分布简图Fig. 3　Simplified stratigraphic map of Zion National Park

Zion公园的地层年代跨越了二叠纪—白垩纪,但以侏罗纪为主。在此期间, Zion公园所在地区经历了浅-滨海、河流、湖泊、沙漠等各种沉积环境的交错变化, 自下而上沉积并出露了Kaibab组至Dakota组等9组岩层(图3和表1)。除底部的Kaibab组和顶部的Carmel组为石灰岩外, Zion公园地貌发育的主体地层为红层。其中, 形成于早—中侏罗世的Navajo组砂岩是形成Zion公园地貌景观的标志性地层。同时, 它也是地球上现存最大规模的沙丘沉积(在Zion公园出露的平均厚度为610 m, 最大厚度为670 m)(Biek et al., 2000), 以大型板状交错层理为特征, 并且自下而上还有红褐色-粉红色-白色的颜色变异(图版I-E、F)。

岩层产状方面, Zion公园的岩层整体保持近水平的产状。只有Kolob峡谷区西北部, 由于受Taylor Creek逆冲断层带的影响, 下部岩层被错断向上仰冲, 形成向东倾斜20°~35°的单斜构造。但越往东,由于上覆岩层的压力作用, 岩层倾角迅速变小至接近水平。

2　Zion国家公园的红层岩性特征

为探究不同岩性红层对Zion公园地貌发育的影响, 在野外考察过程中沿Zion峡谷两侧采集了主要出露的4个岩层组, 共10个岩性段(自上而下分别为: Temple Cap组的White Throne段和Sinawava 段; Navajo组的White段、Pink段和Brown段; Kayenta组的Tenney Canyon Tongue段、Lamb Point Tongue段、Main Body段和Springdale段; Moenave组的Whitmore Point段)的手标本岩样。岩样尺寸约为7 cm×7 cm×7 cm, 共计51块, 带回实验室进行相关实验测试分析。

表1　Zion国家公园出露的地层Table 1　Geological formations exposed in Zion National Park

表2　Zion国家公园的红层岩样薄片鉴定结果Table 2　Analysis of thin sections of red bed rock samples taken from Zion National Park

图4　偏光显微镜下的岩样薄片图像(－, 单偏光; ＋, 正交偏光)Fig. 4　Photos of thin sections under polarized light microscope(－, plane-polarized light; ＋, crossed nicols)

2.1岩样薄片鉴定

在岩样薄片鉴定实验中, 共选取12个岩样制作薄片(其中10个岩性段各选取1个, 另外还选择了2个泥岩夹层岩样), 使用型号为Nikon Eclipse E600 POL的偏光显微镜来观察描述薄片。鉴定的主要内容包括粒级、颗粒分选性、磨圆度、主要碎屑成分、胶结物和胶结方式等, 并对薄片的典型视域进行拍照。岩样薄片鉴定结果见表2和图4。

由表2和图4可知, Zion公园各采样的岩层组/段基本都为细砂-粉砂岩, 部分含泥质岩夹层。其中,风成相的各岩层组/段(Temple组White Throne段、整个Navajo组、以及Kayenta组Lamb Point Tongue 段)均为细粒的石英砂岩, 它们颗粒均一、分选性和磨圆度都较好。但各段在胶结特性和颗粒接触方式上存在很大差异。其中, 白色外观的Temple Cap组White Throne段、Navajo组White段和Kayenta组Lamb Point Tongue段岩样中铁质胶结物都很少, 特别是White Throne段和White段粒间孔隙很多, 胶结物也很少, 为弱胶结型, 岩石颗粒非常容易剥落; Lamb Point Tongue段胶结物也很少, 为少量钙质胶结, 但它的颗粒接触较紧密(为接触-压嵌式胶结)。相比之下, 同为风成相沉积的Navajo组Pink段和Brown段, 它们的粒间接触紧密, 且颗粒周围普遍有铁染。良好的胶结特性使这两段岩层更为坚硬,抗风化侵蚀能力更强。

其它河/湖相沉积的岩性组/段, 除Kayenta组Springdale段为细粒均一的粉砂岩外, 其余都为细砂-粉砂岩和泥质岩类夹层组成。这些细砂-粉砂岩在碎屑物质、颗粒分选性、磨圆度、胶结方式和颗粒接触方式都较接近, 都含铁质和钙质胶结物。但它们的泥质岩类夹层都以铁质胶结物为主, 都为基底式胶结, 抗风化侵蚀能力弱。

2.2岩样元素氧化物分析

为分析各岩层组/段的物质组成特征, 本研究采用X射线荧光光谱分析法(X-ray fluorescence, XRF)对岩样的主要元素氧化物含量进行测定。在岩样的选择上, 本实验使用制作岩石薄片时切割剩余的岩样碎块, 即使用和岩石薄片鉴定完全一致的岩样(共计12个)进行测定。为便于分析, 将实验数据归为风成相砂岩(Tw1、Nw1、Np1、Nb1、Kl1)、河流相砂岩(Ts1、Kt1、Km1、Ks1、Mw1)和湖泊相泥岩(Kt2、Km2)三大类, 并计算各元素氧化物含量的平均值, 结果见表3和图5。

图5　Zion国家公园三种不同类型岩样的主要元素氧化物平均重量百分比对比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和图5可知, 所有测试岩样都以SiO2含量最高。其中, 风成相砂岩的SiO2含量都在90%左右, 这与风沙沉积中石英颗粒相对富集有关。但在CaO含量和其它元素氧化物含量方面, 风成相砂岩都是最低的, 这是因为它们钙质胶结物、长石和粘土矿物少导致的。此外, 值得注意的是, 在Fe2O3含量上, 风成相各段砂岩之间存在较大差异。岩样Tw1、Nw1和Kl1的外观虽然呈白色/淡黄色, 在偏光显微镜下除局部偶见有铁质团状物, 颗粒周围很少有褐红色的铁质胶结物, 但XRF的测试结果却发现, 它们的Fe2O3含量甚至比红色外观的Np1和Nb1还高。这可能是因为白色外观的风成相砂岩颗粒间的铁质团状物成分为针铁矿(FeO[OH]·nH2O)或磁铁矿(Fe3O4), 它们对岩石外观的着色作用并不明显, 但在高温灼烧下, 针铁矿会发生脱水反应,形成赤铁矿(Fe2O3)(Jiang et al., 2015), 从而使该它们的铁质含量比红色外观的Np1和Nb1还要高。

河流相砂岩岩样中, 基本上所有的元素氧化物含量都介于风成相砂岩和湖泊相泥岩之间, 但其CaO含量较高, 特别是Ts1的CaO含量达到13.41%。这可能是因为Ts1所在的Temple Cap组上覆岩层为Carmel组石灰岩, 碳酸钙被雨水溶解后向下淀积。但由于Temple Cap组的上段-White Throne段为风成相砂岩, 其粒间孔隙较大, 富钙溶液在此段岩层中难以淀积, 因而得以继续往下运移, 直至粒间孔隙较小、透水性较差的Sinawava段时发生大量淀积。

对于湖泊相泥岩夹层岩样而言, SiO2的平均含量最低, 但其它元素氧化物含量基本都是最高, 说明其化学风化最为强烈, 产生的粘土矿物较多。

2.3岩石强度测定

为避免大量采集岩样对公园岩体的破坏, 在野外考察中使用了施密特锤(Schmidt Hammer, N型) 对Zion公园各采样岩性段的岩石强度进行原位测定。根据国际岩石力学学会(International Society forRock Mechanics, ISRM)制定的施密特锤岩石强度测试标准(Aydin and Basu, 2005; Viles et al., 2011),在野外测试时, 每个采样的岩性段选取15个测点,每个测点读取20个回弹值数据, 以较高的10个数据的平均值作为该测点的岩石强度值。各测试岩性段的回弹值数据见表4和图6。

表3　Zion国家公园岩样的主要元素氧化物XRF测试结果Table 3　Data of major element oxides by XRF analysis on rock samples of Zion National Park

图6　Zion国家公园各测试岩性段的回弹值数据Fig. 6　Rebound values of rock members for sampling in Zion National Park

由表4和图6可知, Zion公园各采样岩性段的岩石强度存在明显差异。其中, 风成相白色外观的Temple Cap组White Throne段、Navajo组White段和Kayenta组Lamb Point Tongue段的平均回弹值相对最小, 分别为38.6、42.3和44.8, 这是因为它们铁质胶结物很少, 颗粒间多为点状接触, 孔隙较大,因而其岩石结构比较松散, 岩石强度较低。这其中, Lamb Point Tongue段因成岩压实作用较好, 颗粒间接触相对更紧密, 故其强度是这三段中最大。相比之下, 同为风沙沉积的Navajo组Pink段和Brown 段, 因其含有大量的铁质胶结物, 颗粒间接触紧密,多为线状接触, 其岩石强度也要大得多, 平均回弹值分别为51.1和52.1。

河流相和湖泊相沉积的Temple Cap组Sinawava段, Kayenta组的Tenney Canyon Tongue段和Springdale段, 以及Moenave组的Whitmore Point 段, 它们的平均回弹值都比较接近(在45~48左右)。这是因为这四个岩性段在颗粒粒径、胶结物成分和含量, 以及颗粒接触方式等都很接近。在这四段岩石中, Springdale段的平均回弹值最大, 可能是因为其颗粒分选好, 岩石更为致密均一。另外, Main Body段的数值较异常(平均回弹值为53.8), 明显大于其上下的各岩性段, 这是因为该段岩石本身胶结很好, 且相比其它岩性段, 它的颗粒分选更好, 粒间接触也更紧密。

此外, 岩石强度测试结果还表明, 岩石强度与山体坡度并不呈正相关关系, 岩性的均一性也是影响坡面发育的重要因素。如风成相的Temple Cap组White Throne段、整个Navajo组、Kayenta组Lamb Point Tongue段, 以及河流相的Kayenta组Springdale段, 它们岩性均一, 基本上不含软岩夹层, 即便有些因胶结弱, 岩石强度较低, 但仍能形成并保持崖壁形态(图版I-G、H), 如Temple Cap组White Throne段和Navajo组White段。其原因可能是这些岩层颗粒接触不紧密, 粒间孔隙较大, 地下水可以很快地下渗, 导致地下水与岩石矿物之间难以进行充分的化学风化, 因而其总体风化侵蚀速率较慢, 仍能形成并保持崖壁形态。相比之下, 那些岩性不均一, 层间差异较大的岩性段, 虽然其中部分岩层胶结很好, 强度较大, 但因其含有软岩夹层,容易被风化侵蚀, 难以形成崖壁。如Kayenta组Main Body段出露的砂岩层, 其平均回弹值达到53.8, 在所有采样岩层中强度最大。但其本身厚度小, 且上下有多层软弱的泥岩, 易被风化侵蚀, 只能在局部形成岩坎。

表4　Zion国家公园各采样岩性段的回弹值数据Table 4　Rebound values of rock members for sampling at Zion National Park

3　Zion公园地貌发育的主导外动力

Zion公园为高原-侵蚀峡谷景观, 河道坡降大,地貌发育的主导外动力为强烈的流水下切作用。自白垩纪末—始新世初科罗拉多高原抬升以来, 以Virgin河北部支流(North Fork)为代表的水系将Zion公园Dakota组以上的的岩层全部侵蚀搬运掉, 并不断下切。据计算, 在过去的一百万年里, Virgin河水系切穿了近400 m厚的岩层(Graham, 2006)。时至今日, Zion公园的流水侵蚀过程依然非常强烈, 在当前地壳相对稳定的情况下, 它还可以沿Zion峡谷继续下切, 直至达到科罗拉多河的侵蚀基准面。

在流水的切割侵蚀过程中, 岩性差异和节理分布对流水侵蚀形式和峡谷形态具有重要影响。Zion公园的各岩层组中, 总体上Navajo组强度最大, 抗侵蚀能力最强, 且密集分布有北北西、北北东和近东西走向的三组节理群。流水携泥沙沿这些节理群的切割侵蚀形成了Zion峡谷, 以及一系列平行排列、规则分布的支谷和巷谷。在高程图上沿Zion峡谷的上、中、下游自西向东绘制分别绘制高程剖面曲线可以发现: 在Zion峡谷北部, 即Virgin河北部支流的源头区——The Narrows, 流水尚未切穿Navajo组, 在此处形成了深切的V型河谷, 两侧谷壁陡直, 谷底深窄(图7a); 在Zion峡谷中段, 流水切穿Navajo组并对下伏的Kayenta组进行侵蚀。该组含有多层泥岩夹层, 岩石强度总体相对较低, 抗侵蚀能力较弱, 河水开始由下切转为侧蚀, 导致上覆的Navajo砂岩崖壁因失去支撑而不断崩塌后退,峡谷逐渐展宽(图7b); 在Zion峡谷南段, Kayenta组下伏的Moenave组也含软弱的泥质粉砂岩层, 其强度也较低, 侧蚀过程得以继续发展, Zion峡谷被进一步拓宽, 形成了宽广的边滩(图7c)。

图7　Zion峡谷的侵蚀形态和岩层之间的关系Fig. 7　Relationship between the geometry of Zion Canyon and rock strata

图8　透水性不同的岩层接触面由地下水的基蚀作用形成的隐拱(a)和额状洞穴(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

除流水的下切和侧蚀, 在上覆透水岩层和下伏不透水岩层的接触面, 地下水的基蚀作用(Sapping Process)(Laity and Malin, 1985; Schumm et al., 1995)也可以使上覆岩层崩塌, 形成各种洞穴景观。如Navajo砂岩崖壁底部下伏的岩层为Kayenta组Tenney Canyon Tongue段, 它含有很多泥岩夹层,透水性较差。当地下水沿Navajo砂岩的孔隙和节理裂隙下渗至Tenney Canyon Tongue段时, 水与其中的铁质和钙质胶结物发生微观化学风化, 使这些泥岩层遭受侵蚀, 进而使上覆的Navajo砂岩崖壁失去支撑而产生崩塌, 形成隐拱(Blind Arch)(图8a)。同理, 在Zion公园的Emerald Pool景点, Kayenta组中风成相的Lamb Point Tongue段和下伏的Main Body段中的泥岩夹层接触面也因地下水的基蚀作用形成了一个大型的额状洞穴(图8b)。

4　Zion国家公园红层地貌发育机制总结

通过上述地质构造背景、地层组合、红层岩性、主导外动力因素的分析, 可将Zion公园红层地貌的形成条件和发育过程总结如下:

(1)地质构造上, Zion公园为美国科罗拉多高原西部边缘的断块山地, 其构造格局的形成与中生代期间太平洋板块向北美板块的俯冲碰撞及其衍生的三次造山运动密切相关, 经历了盆地形成—红层堆积—构造抬升等过程。公园内褶皱很少, 断层稀疏,但节理密集, 对Zion公园峡谷群的发育具有控制作用。

(2)地层组合上, Zion公园地貌发育的主体地层为红层, 形成年代以侏罗纪为主。它们沉积于大型的弧后盆地——西部内陆盆地。受海侵和海退的影响, 这些岩层的沉积环境复杂多变, 兼有滨/浅海、河流、湖泊和沙漠。其中, 形成Zion公园大崖壁的地层是风沙沉积的Navajo组砂岩, 以大型板状交错层理为特征。

(3)岩性特征上, Zion公园的红层以细砂岩和粉砂岩为主。其中, 风成相的各岩性段都为细粒均一的石英砂岩, 但它们在岩体胶结特性和主要元素氧化物含量方面存在差异, 导致岩石外观和岩石强度也各不相同。白色外观的风成相砂岩铁质胶结物很少, 岩石结构相对松散, 其岩石强度最低; 而同为风沙沉积的Navajo组Pink段和Brown段因含有较多的铁质胶结物, 岩石外观呈红色, 且它们胶结良好, 岩石强度也要大得多。此外, 还发现Zion公园红层的岩石强度和山体坡度并不呈正相关关系, 它还与岩性是否均一有关。风成相的各段砂岩的岩石强度差异较大, 但其岩性均一, 都形成了陡崖; 而河/湖相的岩性段除了Springdale段外, 其余均含软弱的泥岩层, 都只形成缓坡。

(4)外动力方面, 流水下切是塑造Zion公园峡谷景观的主导因素, 但岩性差异和节理分布对流水侵蚀形式和峡谷形态有重要影响。另外, 在透水性不同的岩层接触面, 地下水的基蚀作用也可以使上覆岩体崩塌, 形成各种洞穴景观。

致谢: 感谢广东省丹霞山风景名胜区管理委员会对本研究的资助; 感谢美国犹他州Zion国家公园Fred Armstrong先生和Dave Sharrow先生为本文作者在Zion公园野外考察期间提供的大力协助。

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

*通讯作者:彭华, 男, 1956年生。教授, 博士生导师。主要从事红层和丹霞地貌研究。

作者简介:第一 潘志新, 男, 1986年生。博士研究生。主要从事红层和丹霞地貌研究。

通讯地址:510275, 广东省广州市海珠区新港西路135号中山大学572号楼101室。电话: 020-84113980。E-mail: panzhix@mail2.sysu.edu.cn。 510275, 广东省广州市海珠区新港西路135号中山大学572号楼103室。E-mail: eesph@mail.sysu.edu.cn。

收稿日期:2015-09-23; 改回日期: 2015-12-20。责任编辑: 张改侠。

中图分类号:P931.2; P534.52

文献标志码:A

doi:10.3975/cagsb.2016.01.12