湖南山丹霞地貌的特征研究

肖清华

湖南工程职业技术学院 湖南长沙 410151

广东省韶关市仁化县境内有一座名山,色如渥丹,灿若明霞,称为丹霞山,它是丹霞地貌的命名地。1928年冯景兰等在粤北地区仁化和南雄等县考察,把形成赤壁丹崖的红色砂砾岩层命名为丹霞层[1]。郭福生等强调,丹霞地貌的三大基本要素:赤壁丹崖地貌特征、燕山旋回以来陆相红层基础和以流水侵蚀为主的地质营力[2]。湖南崀山丹霞地貌,地处湖南省新宁县城之南,面积约108平方千米,是中国面积最大的丹霞地貌区之一[3]。

1994年,湖南省新宁县召开第三届丹霞地貌旅游开发学术讨论会,其中有17篇是论述崀山丹霞地质地貌及其旅游资源的[3]。肖自心等阐明了崀山丹霞地貌地质简况及开发价值,着重叙述了控制丹霞地貌发育的地层与构造因素[4-5],并进一步认为,在岩性、构造、气候、水文、时间等因素的综合影响下,崀山形成了复杂的地貌类型[6];胡能勇等总结了丹霞地貌的演化模式:丹霞岩层沉积阶段、丹霞岩层成岩及变形阶段、丹霞岩层塑景阶段[7]。欧阳杰、朱诚等对世界自然遗产地广东丹霞山、湖南崀山、福建泰宁、江西龙虎山—龟峰的砂岩和砾岩抗压强度做了系统对比研究,特别对崀山丹霞地貌岩体进行了抗酸性侵蚀脆弱性实验[8-9],砂岩和砾岩对抗酸侵蚀具有高度脆弱性。中山大学黄进教授六次考察崀山,并撰写《崀山丹霞地貌》,从崀山丹霞地貌形成的地质基础、内外力作用、崀山丹霞地貌的分区、崀山地貌发育简史及地貌发育定量测算等方面,全面阐述对崀山丹霞地貌的认识[3]。

1 崀山丹霞地貌物质基础

崀山丹霞地貌的物质基础是白垩系下统栏垅组。下部主要为紫红色厚层含砾砂岩、含砾泥质粉砂岩[10]。上部为紫红色厚层至巨厚层砾岩、砂砾岩,夹含砾砂岩及少量含砾泥质粉砂岩,岩石坚硬,是形成丹霞地貌的主要地层。岩层由南向北厚度变薄。砾石成分复杂,见灰岩、砂岩、粉砂岩、花岗岩等,有的砾石石英成分很高。白垩系总厚200～2320m,大致分布于新宁—窑市—梅溪—资源一带[11]。

资新盆地外围,山丘不断抬升,通过山溪洪流,向盆地输送大量化学和机械碎屑物质,干燥炎热、封闭的古地理环境,使得红层普遍含CaCO3。肖自心等[5]在崀山采集标本12块,崀山白垩系岩石的CaO含量为7.28%～7.56%,平均含量7.42%。本文也分别在崀山丹霞地貌区采集四块砂砾岩(见表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%。数据表明,崀山丹霞地貌区,多为巨厚的砾岩与砂砾岩,石英含量很高,容易保存下来,且欧阳杰、朱诚等针对崀山丹霞地貌岩体抗酸侵蚀脆弱性实验显示,砾岩抗酸侵蚀能力大于砂岩抗酸侵蚀能力[8],所以在白垩系的红层中,上部砂砾岩居多,可形成典型的丹霞地貌,下红层砂岩、粉砂岩居多,含砾石减少,相对较软,一般只能形成坡面和缓的丘陵。

表1 崀山丹霞地貌区砂砾岩SiO2%与CaO%

此外,白垩系紫红色砂砾岩中普遍含有CaCO3,红层含钙质砾岩因溶蚀、潜蚀、崩塌而形成的洞穴,称为丹霞喀斯特洞穴。其中,位于崀山镇的五柱岩,发育在红色钙质砂砾岩中,可谓是丹霞喀斯特的标志性地貌景观,在中国丹霞中甚为罕见。进入五柱岩内部,观察洞穴顶部的裂隙处,仍可发现白色CaCO3析出(图1)。

2 崀山丹霞地貌高程特征

本文使用的数据为ASTER GDEM V2。研究区内范围大致为:东经110°40′～110°55′,长约25km;北纬26°15′～26°30′,长约28km。在此区域内,建立数字高程模型,利用MapGIS软件,统计崀山丹霞地貌区白垩系范围内高程数据分布特征。

在280～800m高程区间内,共提取数据114139个。其中,300～400m区间占有绝对的优势,百分比达52.66%;400～500m区间,百分比达30.18%(见表2)。在所有高程数据中,320m高程、340m高程、360m高程数据出现频率位列前三位,分别占总数据的12.30%,13.77%,12.21%,320m和340m多为河流阶地面,而360m为本区域的分布范围最广的最低一级夷平面。

表2 崀山丹霞区高程数据分布及百分比统计

3 崀山丹霞地貌夷平面研究

据水文地质普查报告城步幅意见,白垩纪末期,资源—新宁红层盆地,随区域性上升为陆,结束了本区红色内陆碎屑岩沉积。自第三纪早期至早更新世,有两次相对稳定和上升阶段,形成了两级剥夷面。胡能勇等认为,崀山国家地质公园由南西西向北东东,保存有依次降低的3级剥夷面,高程分别为800m左右、600m左右及400m左右[12]。

黄进先生根据详细的大比例尺地形图分析及野外考察认为:崀山丹霞地貌区由于地壳间歇性上升,形成了800m、600m、450m和365m四级夷平面;针对崀山地貌年龄问题,根据资源—新宁白垩系盆地内,三个河流阶地热释光测年样品,地壳上升速率平均值0.588m/万年[3]。随后,计算出崀山山峰年龄表,估算了32座山峰的地貌年龄。其中,地貌年龄在1.578～1.956Ma的有5座山,将军石(1.607Ma)、玉泉山(1.956Ma)、穿岩石(1.716Ma)、乐天楼(1.786Ma)、崀虎啸天(1.578Ma);地貌年龄在2.413～2.721Ma的有6座山,米筛寨(2.568Ma)、三个岩(2.551Ma)、笔架山(2.721Ma)、半山天生桥(2.673Ma)、大登寨(2.638Ma)、和尚头(2.413Ma);地貌年龄在3.221～3.980Ma的有9座山,白面寨(3.401Ma)、骆驼峰(3.231Ma)、燕子寨(3.221Ma)、鹅公寨(3.570Ma)、斗篷寨(3.357Ma)、金黄石(3.844Ma)、鹰嘴岩(3.980Ma)、大石冲天生桥岩壁(3.422Ma)、北乌云寨(3.842Ma)。其他地貌年龄分布相对比较零散,也就是说,崀山山峰地貌年龄在三个时间节点富集,它们是1.7Ma、2.6Ma、3.6Ma。

通过建立数字高程模型,选择崀山丹霞地貌区六条剖面线(图4),制作六幅崀山丹霞地貌区地形剖面图(图2、图3),其中A-A′、B-B′、C-C′地形剖面图延伸方向北东—南西向,D-D′、E-E′、F-F′地形剖面图延伸方向大致为东西向。根据前人地质资料以及实地踏勘,辅之以地形剖面图,笔者认为,崀山丹霞地貌区至少存在800m、520～530m、420～430m、360～370m四级夷平面。800m夷平面,本区丹霞地貌最高最老的夷平面,又可称为“八角寨夷平面”,其中神天堂831.8m、八角寨818.0m,为夷平面的残留部分;520～530m夷平面,刘尚仁命名为“庆子石夷平面”,如白面寨522.0m、燕子寨539.4m、斗篷寨529.4m、北乌云寨531.5m等;420～430m夷平面,又可称为“黄背东夷平面”,分布范围甚广,如啄木鸟石427.2m、玉泉山410.5m、穿岩石438.9m、雄狮迎宾418.8m等;360～370m夷平面,又可称为“金石镇夷平面”,本区最低最新的一级夷平面,离附近扶夷江水面高差约70m。

图2 崀山丹霞地貌区ABC地形剖面图

图3 崀山丹霞地貌区DEF地形剖面图

图4 崀山丹霞地貌区六条剖面线位置

对比崀山丹霞地貌区的四级夷平面,360～370m夷平面可以近似对应1.7Ma的地貌年龄(典型如将军石,海拔399.5m,地貌年龄1.607Ma);420～430m夷平面可以近似对应2.6Ma的地貌年龄(典型如和尚头,海拔446.9m,地貌年龄2.413Ma);520～530m夷平面可以近似对应3.6Ma的地貌年龄(典型如白面寨,海拔522.0m,地貌年龄3.401Ma;斗篷寨,海拔529.4m,地貌年龄3.357Ma;北乌云寨,海拔531.5m,地貌年龄3.842Ma)。1.7Ma、2.6Ma、3.6Ma这三个夷平面形成的地貌年龄与青藏运动的A幕B幕C幕发生的时间何其相似。

而崀山丹霞地貌800m左右的夷平面,代表山峰为八角寨,其海拔818m,年龄7.194Ma,也就是说崀山丹霞地貌形成的时间大约可以追溯到7～8Ma。这个时间节点与“青藏高原序幕”的节点大致同时。

近年来研究表明,喜马拉雅运动主幕使得青藏高原达到约2000m,高原边缘一些地方可降至800m。而青藏运动的起点是一个接近1000m的准平原,此前喜马拉雅运动造成的隆升—沉降区域因侵蚀堆积已趋于平坦统一的广阔地面。从8Ma开始,青藏地区发生了以水平旋转和走滑运动为主,伴随轻度抬升和生长地层发育的构造活跃[13],这是青藏高原将再一次强烈抬升的前奏,李吉均先生把8Ma左右称为“青藏运动序幕”[14],此时崀山大致还是一个300m左右的准平原。

青藏高原从3.6MaB.P.开始相继发生三次构造运动,这是青藏高原发生的最强烈的上升,分别命名为青藏运动(A幕3.6MaB.P.,B幕2.6MaB.P.和C幕1.7MaB.P.)。3.6Ma青藏运动开始时,平均海拔数百米(不超过1000m)的主夷平面大幅度抬升,此时崀山平均海拔约600m,300+(818-520)=600m。根据3.6Ma(A幕)、2.6Ma(B幕)、1.7Ma(C幕)这三个时间节点,以及对应三个夷平面的高度520～530m、420～430m、360～370m,可以大致反演崀山丹霞地貌隆升过程(图5)。

图5 崀山丹霞地貌隆升过程示意图

4 崀山丹霞地貌演化过程

据安芷生等,归纳的中新世以来青藏高原主要构造事件表[15],大约10～7Ma,高原东部及南部发生隆升事件[16-18],东部边界到达四川盆地北缘,高原东南边缘河流快速下切,剥蚀速率明显增大,堆积了一套粗粒沉积。此期间,青藏高原可能发生了一次重要的加速生长[19-20]。Molnar等,用岩石圈对流剥离假说对该时段隆升机制进行解释,认为对流剥离及其伴随加速隆升的发生将对高原周边的地块施加水平方向的附加偏应力,导致高原加速隆升1000m左右和向周边扩展[20]。总之,中新世以来,10～7Ma青藏高原发生了快速、大幅度的纵向及横向生长,根源可能是地幔岩石圈的拆沉作用[15]。

张培震等研究也表明,5～10Ma或约8Ma,青藏高原东缘的岷山、龙门山及川滇高原发生了构造活动加速和构造隆升,青藏高原向周边扩展,扩展方式是通过一系列逆冲断层、褶皱变形、左旋走滑及其伴随的山脉隆起和盆地消亡而实现的[13],这必然对崀山丹霞的隆升造成影响。

由此,崀山丹霞地貌演化过程重要事件可以勾勒出来。

(1)早白垩世中期到古新世构造事件(约135～56Ma),晚燕山构造期(万天丰等建议恢复使用四川构造期[21]),中国东部现代地貌的发育萌芽时期,在近NNE向缩短和近东西向伸展作用的影响下形成一系列的断陷盆地,华南地区造就了大量的中小型红层盆地,资新盆地就是在这种构造背景下形成的,盆地大概长达47km,宽达3～9km[3]。此时期也对应于陈国达先生多次强调的“地洼”形成主要阶段,亦即所谓的地台活化。资新盆地沉积了一套陆相盆地沉积,山洪及河流带来周边山区的泥砂、砂砾,以冲积扇、洪积扇的形式充填堆积起来,构成了崀山丹霞地貌的坚实物质基础[12]。

(2)始新世到渐新世构造事件(约56～23Ma),华北构造期,此时崀山地区既受到东侧太平洋板块向西俯冲挤压的影响,也受到印度板块向北俯冲、挤压作用的影响,两者作用叠加,资新盆地逐渐关闭,因此本区此时缺乏地层沉积物。

(3)新近纪—早更新世构造事件(约23～1Ma),喜马拉雅构造期,相对于中国西部的强烈变形,崀山地区为构造变形微弱区。大陆出现台阶状地形,特别是8Ma开始,青藏运动拉开序幕,7.2～3.6Ma,崀山丹霞地貌抬升至少300m,青藏运动主幕3.6～1.7Ma,崀山丹霞地貌抬升至少160m(图5)。四级夷平面逐渐突显出来,它们分别是:800m八角寨夷平面、520～530m庆子石夷平面、420～430m黄背东夷平面、360～370m金石镇夷平面。这四级夷平面受区域地势面倾斜方向控制,皆向北倾斜[22]。

长江、黄河水系全线贯通在早更新世晚期(1.0～0.9Ma),此时资江上游的扶夷江也开始全面贯通。岩层经流水作用、风化剥蚀作用以及重力作用等多种外动力因素的塑造,逐渐呈现出丹霞地貌景观。

(4)中更新世—全新世构造事件(约1Ma以来),新构造期,本区最新的、比较微弱的构造活动。在资江新宁县城附近,形成了四级河流阶地,显示1Ma以来,本区发生了四次微弱的构造抬升。

根据大量实际地质资料,万天丰认为,重大构造事件在全球“准同时”发生的现象是普遍的,在一定区域内(如处在同一个板块俯冲带、碰撞带或板块内部)几乎同时发生重大构造事件的现象更是十分常见[21]。对于青藏运动而言,从8Ma揭开其序幕,到青藏运动的A幕、B幕、C幕。此次构造运动,对于青藏高原隆升的影响与对于丹霞地貌形成的影响是有差异的,大致来说,青藏运动主幕把高原抬升了约1500m,而把崀山丹霞地貌只抬升了约160m。丹霞地貌在我国东南区域广泛分布,加强东南地区典型丹霞地貌对于青藏运动响应的差异性研究,是非常有必要的。