延安典型丹霞地貌景观特征及发育演化研究

2024-03-22彭小华张俊良

地球学报 2024年2期

彭小华, 吴昊, 张俊良, 王扬, 祝捷

陕西省矿产地质调查中心, 陕西西安 710068

丹霞地貌是一种以陆相红层为物质基础, 以赤壁丹崖为特征的地貌类型(彭华等, 2013; 郭福生等,2020)。丹霞地貌的定义可归为三大类: 广义的主张凡是具有赤壁丹崖特征的地貌, 不管其岩石组成,都可称之为丹霞地貌(杨颖瑜, 1993); 狭义的主张对比丹霞山, 只有发育在白垩纪红色砂砾岩之上的地貌才能称之为丹霞地貌(陈安泽, 2007); 而彭华提出了折中定义, 即以陆相为主的红层(不限制红层年代)发育的具有陡崖坡的地貌, 其表达了丹霞地貌的两个本质属性, 一是物质组成为红层, 二是形态特征为陡崖坡(彭华等, 2013), 学者们大都倾向于折中定义, 本文也采用这一观点。目前, 国内外对丹霞地貌的研究主要集中在红层特征及分布、丹霞地貌发育机理、定量测算、演化过程、中小尺度砂岩地貌形成过程及风化机制研究(Smith et al., 1986;Huinink et al., 2004; 黄进, 2006; 彭华等, 2013)。中国的丹霞地貌几乎都由中生代(尤以白垩纪为主)红层发育演化而成, 集中分布在东南、西南和西北三大片区(齐德利等, 2005; 彭华, 2011)。近年来, 通过对陕北丹霞地貌的调查, 发现了南北长约770 km,东西宽5～100 km, 呈S形条带, 总面积30 773 km2,目前国内规模最大的丹霞地貌地质遗迹景观带(洪增林, 2023)。其中, 延安地区丹霞地貌发育最典型,观赏价值和科研价值极高, 国内外学者在此区域开展了一系列的研究: 丹霞峡谷群的景观特征与保护利用研究(丁华等, 2023)、形成机制研究(杨望暾,2016; 彭小华等, 2021)、丹霞微观地貌研究(蜂窝状洞穴)(Chen et al., 2022)、演化模式研究(吴昊等,2018)、国内外对比研究(潘志新等, 2021)。以上对陕北丹霞地貌的研究集中于定性研究, 缺乏地貌演化方面的定量研究。国内齐德利等(2015)曾采用释光测年(TL/OSL)数据分析, 测算出崆峒山丹霞地貌区平均地壳抬升速度并计算出地貌年龄; 朱诚等(2009)根据浙江方岩地区丹霞地貌的特点分析其形成的地质年代。近年来, 国内有学者采用宇宙成因核素10Be和26Al测年技术获得山区基岩暴露年龄和侵蚀速率(张丽等, 2018); 采用宇宙成因核素26Al/10Be测年技术测得汉中天坑群大佛洞的埋藏年龄(陈清敏等, 2018)。本文在对延安典型丹霞地貌景观特征分析的基础上, 采用宇宙成因核素10Be和26Al技术获得丹霞单体地貌的暴露年龄和侵蚀速率数据, 从而研究“黄土覆盖型沟谷丹霞”地貌景观的演化历史, 创新了国内对丹霞地貌定量研究方法,为下一步科学保护和利用延安典型丹霞地貌提供数据支撑。

1 延安典型丹霞地貌景观类型及特征

延安典型丹霞地貌主要分布在延安市志丹—安塞—甘泉一带, 分布面积达3 700 km2(图1), 主要沿沟谷出露, 发育的类型丰富, 主要有丹霞负地貌沟谷型、孤峰型、赤壁丹崖、天生桥式、石蘑菇式等5种类型, 主要以“沟谷型”丹霞地貌为主, 对其详细划分出天井式、狭缝式、巷道式、宽谷式4种类型(吴昊等, 2018)(图版I)。从地貌学的角度看,延安地区发育的这种地貌类型属于岩石地貌中的红层峡谷地貌, 又因其以白垩纪洛河组红层((K1l)为物质基础, 具有赤壁丹崖的特征, 因此, 本文将该地貌归属于广义的丹霞地貌(彭华等, 2013), 即属于单体负地貌类型中的丹霞沟谷、丹霞石柱(石蘑菇)、丹霞石拱(天生桥)。2019年8月, 在延安举行的第四届红层与丹霞地貌国际研讨会暨第十九届全国红层与丹霞地貌学术讨论会上, 来自世界7个国家和70余家科研机构的200多位地理、地质、生态以及社会学界的专家学者在会议上初步认为: 延安地区丹霞地貌为典型的沟谷型丹霞地貌, 丰富了丹霞地貌类型, 突破了人们对黄土覆盖区地理环境的传统认知, 是开展多学科研究的天然实验室, 具有极高的科学研究价值(洪增林, 2023)。对于丹霞地貌的学科归类和分类问题, 国际上没有相应的研究, 也是国内地貌学研究领域亟待解决的问题。本文基于国内丹霞地貌的研究理论, 和在野外调查工作实践中取得的初步认识, 把延安地区这种红层峡谷地貌归属于丹霞地貌, 对其景观特征和发育演化进行研究。

图1 延安丹霞地貌分布图Fig.1 Distribution of Danxia landforms in Yan'an

本文从观赏性、独特性和科学性角度出发, 在延安丹霞地貌中选取四处具有代表性的丹霞地貌进行研究, 分别为志丹猫巷丹霞地貌(狭缝式)、甘泉雨岔丹霞地貌(狭缝式)、安塞王家湾石蘑菇式丹霞地貌(石蘑菇式)、安塞阎山湾天生桥式丹霞地貌(天生桥式)(图1, 图版I-B、G、H), 景观特征描述如下:

1.1 狭缝式丹霞

狭缝式丹霞主要发育在洛河的支流, 沟谷的脑部-中部(图1), 主要是水流侵蚀、壶穴贯通形成, 局部还可看见残留壶穴, 宽度一般小于1 m, 最窄处0.05 m, 长度一般为100～400 m, 高度超过10 m, 谷壁近直立(吴昊等, 2018; 丁华等, 2023)。顶部黄土覆盖, 厚度一般为10～100 m。代表地有志丹猫巷丹霞地貌和甘泉雨岔丹霞地貌(图版I-B、图版Ⅱ-A)。

志丹猫巷丹霞地貌位于志丹县城东南方向约2.5 km(图1)。沟谷全长6.3 km, 近东西走向, 狭缝式丹霞地貌共有3段, 累计长度可达1 km左右, 沟谷两侧岩壁陡峭, 发育有裂隙、垂直节理、竖向沟槽(图版Ⅱ-B), 还可见蜂窝状洞穴(图版Ⅱ-C)(蜂窝状洞穴是指发育在丹霞崖壁上类似蜂窝状的风化洞穴,其直径几厘米至上百厘米不等, 其成因初步认为是盐风化和水分状态运动综合作用而形成)(Chen et al., 2022)、片状风化、大型交错层理(图版Ⅱ-D)等典型地质现象, 冬季, 还可见北方特有的砂岩冻融脱落现象(图版Ⅱ-E)。沟谷蜿蜒曲折, 深邃悠远, 两侧崖壁高耸兀立、凹凸不平、怪石嶙峋。

甘泉雨岔丹霞地貌以狭缝式丹霞为主, 以桦树沟、龙巴沟、牡丹沟、花豹沟和一线天峡谷丹霞等为典型, 主要沿洛河的支流展布, 由夏季暴雨洪流沿节理裂隙切割侵蚀而成, 形态上体现为深、窄等系列特征; 峡谷两壁平行层理和交错层理发育, 软硬岩层交互分布, 造景岩层为下白垩统洛河组(K1l)紫红色长石石英砂岩、在流水的冲刷下呈现明显的韵律; 红色的崖壁搭配绿色、黄色的苔藓和植物,具有多彩的特征(图版I-B); 主要景观类型有波浪谷(图版Ⅱ-A)、壶穴(图版Ⅱ-H)、一线天、丹霞崖壁、象形石等(丁华等, 2023)。

以上两处狭缝式丹霞地貌最显著的景观特征有窄狭、多弯、韵律、多彩”的特点(图版I-B、图版Ⅱ-A)(丁华等, 2023)。同时也是典型的“黄土覆盖型沟谷丹霞”(图2), 流水侵蚀在陕北高原上塑造了千沟万壑的黄土地貌, 同时也形成了众多的丹霞沟谷, 狭缝式丹霞在该地区最为典型。该地区白垩纪红层形成后被第四纪黄土覆盖, 在后期流水继承性侵蚀作用下, 沟谷加深, 加长(溯源侵蚀)、拓宽,而形成沟谷型丹霞, 总体上处于年青的演化阶段,与美国亚利桑那州北部的羚羊峡(the Antelope Canyon)非常类似, 具有国际对比研究价值(Guo et al., 2019; 潘志新等, 2021)。

图2 延安“黄土覆盖型沟谷丹霞”Fig.2 Loess-covered gully Danxia in Yan'an

1.2 石蘑菇式

安塞王家湾石蘑菇式丹霞地貌位于延安市安塞坪桥镇王家湾村, 南东据安塞城区直线距离约55 km(图1)。石蘑菇式丹霞的特征为高12 m, 蘑菇盖厚度3.8 m, 直径5 m, 蘑菇柄高度8.2 m, 直径3.5～4 m, 出露的地层为下白垩统洛河组(K1l))红褐色砂岩, 顶部有少量第四纪黄土覆盖, 发育垂直节理、凹槽, 可见白色条带状的盐风化现象(Chen et al,2022)。整体景观当地村民称之为“手榴弹”, 其造型奇特, 具有奇特俊逸之美(图版I-H)。

1.3 天生桥式

安塞阎山湾天生桥式丹霞地貌位于安塞化子坪镇阎山湾(图1)。天生桥高60 m、长70 m、宽10～20 m、跨度30 m、厚度25 m, 呈自然状态, 局部有垮塌, 沿桥体方向的洛河组(K1l)砂岩中发育一组40°的垂直节理, 沿该方向形成了宽5～10 m的岩墙。天生桥整体规模宏大, 气势恢宏, 被誉为“最美红桥”(图版I-G)(洪增林, 2023)。

2 延安典型丹霞地貌景观的发育演化

2.1 地质构造背景

2.1.1 区域构造演化

在大地构造单元划分上, 延安典型丹霞地貌主要位于华北陆块(克拉通)-鄂尔多斯地块内, 四级构造单元主要为伊陕斜坡(陕西省地质调查院,2017)(图3)。

图3 延安典型丹霞地貌构造分区图(修改自丁华等, 2023)Fig.3 Structural zoning map of typical Danxia landforms in Yan'an (modified from DING et al., 2023)

中生代鄂尔多斯盆地的发展演化过程, 构造应力从早期受到印支运动的影响过渡到晚期受燕山运动的影响, 古气候从中侏罗世之后至新构造运动前持续干旱, 氧化作用发育, 在早白垩世发育一套红层沉积, 构成了延安典型丹霞地貌的物质基础。进入晚白垩世, 本区域地壳普遍隆起, 经历多期复杂的构造间歇性抬升活动。新生代以来, 地壳运动保持差异升降, 区内普遍发育多级剥夷面和河流阶地(图版Ⅱ-G), 控制着延安典型丹霞地貌的发育演化(陕西省地质调查院, 2017; 彭小华等, 2021)。

2.1.2 地质构造特征

在构造特征上, 延安典型丹霞地貌主要位于鄂尔多斯盆地叠加内陆盆地伊陕斜坡内, 区内构造简单, 褶皱和断裂不发育, 地层产状平缓, 具有长期稳定的克拉通地块(地台)性质。经野外调查发现, 延安典型丹霞地貌的分布严格受控于节理、裂隙构造系统(图版Ⅱ-B), 产状近直立, 节理走向主要发育四个优势方位, 分别为北西西向、北北东向、北东向、近南北向, 其中, 北西西向的节理、裂隙数量最多(图4), 丹霞地貌地质遗迹点分布也最多(吴昊等,2018), 这些节理、裂隙控制着丹霞地貌的发育演化。

图4 延安典型丹霞地貌洛河组砂岩节理(裂隙)走向玫瑰花图(修改自吴昊等, 2018)Fig.4 Rose diagram of the strike of sandstone joints(fractures) in the Luohe Formation of typical Danxia landforms in Yan'an (modified by WU et al., 2018)

2.1.3 地层岩性特征

延安典型丹霞地貌的造景岩层主要为下白垩统洛河组(K1l), 为一套干旱气候条件下的紫红色碎屑岩沉积, 岩石特征为中粒岩屑长石砂岩, 分选磨圆较好, 发育大型板状交错层理(图版Ⅱ-D), 具有沙漠环境中的风成沙丘特征, 因此, 可判别其沉积环境为沙漠环境(江新胜等, 2005; 王凤之等, 2018),岩层倾角近于水平, 斜层理、交错层理倾角在10°～25°左右, 最大倾角不超过30°, 近水平的红色陆相碎屑岩层为丹霞地貌的发育提供了较好的物质基础(彭小华等, 2021)。

本次在延安典型丹霞地貌区采集岩石薄片样品3件(图1), 其中在安塞石蘑菇丹霞地貌中采集1件,志丹猫巷丹霞地貌中采集1件, 安塞阎山湾天生桥丹霞地貌中采集1件。样品薄片鉴定使用德国莱卡公司生产的LEICA DM2700P和LEICA DM750P型偏光显微镜鉴定分析。经薄片鉴定, 延安典型丹霞样品岩石呈厚层-巨厚层状的中粗粒结构, 矿物成分主要以石英和长石为主, 分选中等, 磨圆度较好,岩石胶结程度较差, 硬度低易破碎, 抗侵蚀能力较弱, 这些特征可判别岩石的沉积环境为风成沙漠环境。岩石样品薄片鉴定结果见表1和图5。

表1 延安典型丹霞地貌岩石样品薄片鉴定结果表Table1 1 Identification results of typical Danxia landform rock samples from Yan'an

图5 偏光显微镜下的岩石样品薄片图像Fig.5 Photomicrograph of rock samples under polarizing microscope

除岩石薄片鉴定外, 有学者还对洛河组(K1l)砂岩岩石样品进行扫描电镜观察, 发现石英颗粒表面具有磨砂的特性(毛玻璃面), 并且还有明显的碟形撞击坑, 符合风成砂岩的典型特征(王凤之等, 2018;潘志新等, 2021)。

2.2 暴露年龄研究

2.2.1 宇宙成因核素10Be-26Al暴露测年原理

宇宙成因核素是指宇宙射线与大气圈或岩石圈物质相互作用后, 发生散裂、中子捕获和介子反应等形成一系列稳定的或放射性元素, 其与岩石圈物质作用产生为原地宇宙成因核素(in-situ cosmogenicnuclides)(Lal et al., 1967)。陆地原位宇宙成因核素(terrestrial in situ cosmogenic nuclide, TCN, 又称宇宙成因同位素), 目前被广泛应用于地表系统科学研究, 如暴露年代的测定、剥蚀速率的计算和埋藏年代的测定(Dunai, 2010)。在适合的矿物中测量单个TCN浓度可运用于确定地表的暴露年代或该流域的剥蚀速率(Gosse et al., 2001)。近年来, 国内外研究学者开始用加速器质谱仪测得样品中原地宇宙成因核素10Be和26Al的含量, 用于计算地表的暴露时间或其侵蚀速率。暴露测年首先需要建立石英样品中10Be和26Al浓度随时间变化的函数关系(1)式和(2)式, 根据函数关系和测试得到10Be和26Al核素浓度, 就可以计算样品被宇宙射线轰击, 暴露在地表的时间(张丽等, 2018)。

其中,N是宇宙成因核素的浓度(atom·g-1SiO2),P是生成速率(atom·g-1·a-1),ρ是岩石密度(g·cm-3),λ是核素衰变常数,Λ是石英中的宇宙射线衰减系数(g·cm-2),ε为侵蚀速率(cm/ka-1),T为岩石开始暴露于宇宙射线以来的时间,N0为继承浓度, 当无核素继承时这一值则为0(Lal, 1991; Brown et al., 1992)。这一等式通常被运用于计算地表岩石的暴露年龄。由测定得到表面岩石中原地宇宙成因核素的含量也可以计算出暴露期间的侵蚀速率, 等式(1)则可转化为:

运用以上等式(1)和(2)必须要满足两个条件:一是岩石表面的宇宙成因核素的生成速率P为常数不随时间变化, 二是岩石表面持续暴露于宇宙射线并且从开始暴露以来从未被埋藏过。那么计算所获得的是暴露年龄最小值和侵蚀速率最大值(张丽等,2018)。

2.2.2 样品采集和分析过程

为了研究延安典型丹霞地貌的发育演化历史,本文对其暴露年龄和侵蚀速率进行采样测试分析。分别在志丹猫巷沟谷丹霞地貌的中部, 沟内裸露的岩壁, 离地面80 cm处进行采样, 采集砂岩样品3个(ZDBL1、ZDBL2、ZDBL3), 在安塞石蘑菇丹霞地貌的后侧砂岩岩壁距离地面80 cm处, 采集砂岩样品1个(ASBL1), 所有样品采集的厚度均小于5 cm(图1)。

这些样品的前期处理, 制靶和AMS测试都是在中科院地球环境研究所的AMS实验室完成的。根据AMS所测得的10Be/9Be比值、26Al/27Al比值、样品质量及Be、Al载体质量, 计算得出样品中的10Be和26Al浓度。样品的10Be和26A1暴露年龄和侵蚀速率的计算根据样品采集地的经纬度、海拔、样品厚度和样品密度(2.65 g·cm-3), 计算使用的高纬度海平面10Be和26Al产率分别为4.76 atoms·g-1·a-1和30.6 atoms·g-1·a-1, 根据美国华盛顿大学的CRONUS Earth online calculators V3.0 网络计算程序得出(http://hess.ess.washington.edu/math)(Balco et al., 2008; 张丽等, 2018)。暴露年龄结果采用LSDn产率模型提供的10Be和26Al年龄数据, 以上4个样品的暴露年龄和侵蚀速率的计算结果见表2。

表2 延安典型丹霞地貌砂岩样品的10Be和26Al数据及暴露年龄和侵蚀速率结果表Table 2 10Be and 26Al data, exposure age and erosion rate results of sandstone samples of typical Danxia landform in Yan'an

2.2.3 10Be-26Al暴露年龄和侵蚀速率结果讨论

由表2看出, 志丹猫巷丹霞地貌的暴露年代形成于两个时期: ((0.75±18)～(0.83±0.14)) ka和((1.14±13)～(1.29±0.30)) ka, 而安塞王家湾石蘑菇丹霞地貌暴露年代形成于((1.76±0.45)～(1.77±0.15)) ka,暴露年代前者晚于后者。这两处丹霞地貌暴露地表的年代都在全新世(Qh), 地貌较年青, 都是在第四纪黄土覆盖洛河组砂岩(K1l))之后形成, 说明本文的年龄结果具有可信度, 暴露年龄代表着流水下切侵蚀丹霞沟谷的时间。暴露机理总结为流水切穿上覆黄土, 沿着有节理裂隙分布的红层岩石下切侵蚀,使红层崖壁岩石暴露地表的过程。

另外, 这里必须考虑砂岩样品沉积之前的暴露历史。在早白垩世沉积之前, 洛河组(K1l)砂岩中的石英碎屑在地表经过长时间的暴露, 搬运沉积, 其本身含有一定的10Be和26Al浓度, 可能会影响现在暴露年龄计算的准确性。然而, 经研究发现,26Al的半衰期为T1/226 = 0.71 Ma,10Be的T1/210 = 1.39 Ma(Nishiizumi, 2004; Chmeleff et al., 2010; Korschinek et al., 2010)。延安地区洛河组砂岩(K1l))沉积期年龄约为100.5 Ma(陕西省地质调查院, 2017)。由此看出,在丹霞地貌砂岩遭受侵蚀, 暴露地表时, 其石英碎屑中原有的宇宙成因核素10Be和26Al早已衰变完,其浓度值为0, 因此可以消除这一影响。

根据以上计算模型, 延安两处典型丹霞地貌砂岩样品中测得的侵蚀速率在(39±3.3)～(104±24.4) cm·ka-1之间。这里的侵蚀速率是指丹霞崖壁岩石表面下降的速率, 仅代表采样地当前的侵蚀速率。由于地域特征、物质组成、气候等多种因素的影响, 不同地貌的侵蚀速率存在较大差异(黄费新等, 2019)。目前, 国内外学者运用宇宙成因核素和裂变径迹等方法得到的地表侵蚀速率从每千年数厘米到数米不等; 美国犹他州早更新世河流阶地剥蚀速率14 m·Ma-1; 张丽等在河西走廊北缘的合黎山西南部基岩的侵蚀速率为18～24 mm·ka-1(张丽等, 2018)。可以看出, 这两处典型丹霞地貌中砂岩的侵蚀速率较大, 由于采样方法和测试分析方式的选择, 侵蚀速率计算结果还有待进一步讨论和研究。在黄土高原区, 各类地质构造、上覆黄土盖层以及外动力因素是如何控制和影响狭缝式丹霞地貌的形成, 其成缝机制和模式是什么?这些问题都是延安典型丹霞下一步值得深入研究的课题。

2.3 延安典型丹霞景观发育演化

延安典型丹霞地貌的演化开始于白垩纪红层的堆积, 大概可以划分为以下四个阶段:

早白垩世, 红层堆积阶段: 鄂尔多斯盆地于早白垩世堆积了一套以风成沙漠环境为主的红色碎屑岩(图版Ⅱ-D)(江新胜等, 2005), 即以洛河组(K1l)为代表的红层, 为后来丹霞地貌的形成奠定了物质基础。

晚白垩世, 红层盆地构造抬升-古丹霞地貌发育阶段: 此时, 鄂尔多斯盆地由沉降转为抬升, 红层堆积结束并遭受剥蚀, 地壳隆升导致河道坡降增大, 流水下切作用增强, 红层在被抬升后开始被流水切割侵蚀, 形成了古丹霞地貌(潘志新等,2021)(图版Ⅱ-F) 。

古近纪—新近纪, 间歇性抬升阶段: 这期间的多次间歇性构造抬升造成该地区形成多级剥夷面和河流阶地, 野外调查资料显示, 延安丹霞地貌区普遍发育多级剥夷面, 分别为1 300 m、1 200 m、1 100 m, 丹霞河谷区普遍发育三级冲积阶地(图版Ⅱ-G), 这些剥夷面和河流阶地证明是古丹霞地貌发育演化比较剧烈的时期。

第四纪, 黄土覆盖型丹霞形成阶段: 第四纪以来, 风成黄土广泛堆积于鄂尔多斯盆地, 覆盖了原有的古丹霞地貌, 并与下伏的洛河组红层形成不整合接触关系(图2)。堆积于延安典型丹霞地貌区的黄土主要为上更新统浅黄色马兰黄土(Qp3l), 厚度10～80 m, 黄土土质疏松、垂直节理发育, 易遭受流水侵蚀。黄土冲沟一般都是垂直等高线从低处向高处溯源侵蚀而发展, 侵蚀到基岩后, 沿着构造抬升时在洛河组红层砂岩内形成的节理裂隙进行下切侵蚀, 使被覆盖的古丹霞地貌再次出露, 沟谷变深,并在其它外力作用配合下, 形成如今的丹霞沟谷、崖壁、石蘑菇式、天生桥式等多种丹霞地貌景观, 观赏价值和科研价值极高。

以志丹猫巷丹霞地貌为代表的狭缝式丹霞地貌的演化经历了以上四个阶段。10Be-26Al暴露年龄和侵蚀速率结果显示, 在距今(0.75±18)～(1.29±0.30) ka的时期, 流水以较大的侵蚀速率((53.8±1.3)～(104±24.4) cm·ka-1)已经切穿上覆黄土,开始沿着有节理裂隙分布的红层岩石下切侵蚀, 在干旱-半干旱气候条件下, 季节性的暴雨夹带大小不一的石块强烈下蚀和侧蚀沟谷, 形成各类壶穴(图版Ⅱ-H), 并沿斜层理不断对两侧谷壁进行磨蚀,最终形成谷壁上波状起伏、彼此相连的凹槽, 流水在谷壁两侧勾勒出富有韵律的线条(图版I-B、图版Ⅱ-A), 在光影的配合下展现出如梦如幻的狭缝式丹霞景观效果。这也能初步揭示地质构造、上覆黄土盖层以及流水等多种因素共同控制和影响狭缝式丹霞地貌的形成。根据戴维斯的“侵蚀循环理论”(Davis, 1899)和彭华等(2013)建议将丹霞地貌侵蚀阶段划分为三个地貌发展阶段, 即青年期、壮年期和老年期, 志丹猫巷丹狭缝式丹霞地貌的演化阶段总体处于青年晚期。

安塞石蘑菇式、天生桥式丹霞地貌的演化也经历了以上四个阶段。10Be-26Al暴露年龄结果显示,在距今(1.76±0.45)～(1.77±0.15) ka的时期, 石蘑菇式丹霞地貌已经暴露地表, 与狭缝式的丹霞发育不同的是, 其早期发育主要受控于洛河组(K1l)砂岩中两组近于垂直的节理, 方位分别是355°、89°(图6),季节性降雨沿两组节理侵蚀, 将其切割为一独立的石柱, 在一系列风化作用的改造下(Chen et al,,2022), 形成蘑菇状的丹霞地貌, 其形成年代早于志丹猫巷丹霞地貌, 地貌演化阶段也为青年晚期。

图6 安塞王家湾石蘑菇式丹霞地貌中发育的两组节理Fig.6 Two sets of joints developed in the stone mushroom-type Danxia landform of Ansai Wangjiawan

安塞天生桥式丹霞地貌的形成也是内外动力共同作用的结果, 分两个阶段: 第一阶段, 洛河组砂岩(K1l)中发育一组40°的垂直节理, 这个方向也是桥体方向, 沿该方向形成了一宽5～10 m的岩墙,该岩墙受北部主河道(100°方向)及南部支流(330°方向)共同侵蚀冲刷; 第二阶段, 在主次河道继续侵蚀作用下, 岩墙受重力崩塌作用改造, 岩石发生崩塌形成岩洞, 进而演化形成如今的天生桥景观(图7)。

图7 天生桥式丹霞形成机理图Fig.7 Formation mechanism of the natural bridge-type Danxia landform

3 结论及展望

(1)延安典型丹霞地貌的类型有狭缝式、石蘑菇式、天生桥式; 其中狭缝式丹霞的景观特征为“窄狭、多弯、韵律、多彩”, 同时也是典型的“黄土覆盖型沟谷丹霞”, 发育垂直节理、裂隙、竖向沟槽、大型斜层理等多种典型地质现象; 石蘑菇式丹霞造型奇特俊美, 天生桥式丹霞整体规模宏大, 这两者发育都严格受控于垂直节理和外力作用的侵蚀。

(2)运用宇宙成因核素10Be-26Al技术, 计算获得志丹猫巷狭缝式丹霞地貌的暴露年代为(0.75±18)～(1.29±0.30) ka, 安塞王家湾石蘑菇丹霞地貌暴露年代为(1.76±0.45)～(1.77±0.15) ka; 两处丹霞地貌形成年代都在全新世(Qh), 前者晚于后者,地貌较年青。

(3)运用宇宙成因核素10Be-26Al计算获得两处典型丹霞地貌侵蚀速率为(39±3.3)～(104±24.4) cm·ka-1, 与目前国内外学者研究地表和基岩得到的地表侵蚀速率对比, 这两处典型丹霞地貌的侵蚀速率较大, 结果还有待进一步讨论和研究。

(4)延安典型丹霞地貌景观发育的演化始于白垩纪期间红层的堆积, 大致都经历了四个演化阶段,即早白垩世的红层堆积阶段、晚白垩世红层盆地构造抬升-古丹霞地貌发育阶段、古近纪—新近纪的间歇性抬升阶段和第四纪的黄土覆盖型丹霞形成阶段;初步揭示了地质构造、上覆黄土盖层、流水等多种因素共同控制和影响延安典型丹霞地貌的形成, 演化阶段总体处于青年晚期。

(5)将来延安典型丹霞地貌的几个研究方向:流水侵蚀黄土覆盖型丹霞的动态地貌演化过程; 丹霞地貌动态监测和保护; 丹霞区植被特征与生态学研究等。

Acknowledgements:

This study was supported by Shaanxi Province(Nos.20180201 and 201901).

图版说明

图版I Plate I

A—沟谷型丹霞地貌—天井式;

B—沟谷型丹霞地貌—狭缝式;

C—沟谷型丹霞地貌—巷道式;

D—沟谷型丹霞地貌—宽谷式;

E—孤峰式丹霞地貌;

F—赤壁丹崖;

G—天上桥式丹霞地貌;