延安典型丹霞地貌景觀特征及發(fā)育演化研究

彭小華, 吳 昊, 張俊良, 王 揚(yáng), 祝 捷

陜西省礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心, 陜西西安 710068

丹霞地貌是一種以陸相紅層為物質(zhì)基礎(chǔ), 以赤壁丹崖為特征的地貌類型(彭華等, 2013; 郭福生等,2020)。丹霞地貌的定義可歸為三大類: 廣義的主張凡是具有赤壁丹崖特征的地貌, 不管其巖石組成,都可稱之為丹霞地貌(楊穎瑜, 1993); 狹義的主張對(duì)比丹霞山, 只有發(fā)育在白堊紀(jì)紅色砂礫巖之上的地貌才能稱之為丹霞地貌(陳安澤, 2007); 而彭華提出了折中定義, 即以陸相為主的紅層(不限制紅層年代)發(fā)育的具有陡崖坡的地貌, 其表達(dá)了丹霞地貌的兩個(gè)本質(zhì)屬性, 一是物質(zhì)組成為紅層, 二是形態(tài)特征為陡崖坡(彭華等, 2013), 學(xué)者們大都傾向于折中定義, 本文也采用這一觀點(diǎn)。目前, 國內(nèi)外對(duì)丹霞地貌的研究主要集中在紅層特征及分布、丹霞地貌發(fā)育機(jī)理、定量測(cè)算、演化過程、中小尺度砂巖地貌形成過程及風(fēng)化機(jī)制研究(Smith et al., 1986;Huinink et al., 2004; 黃進(jìn), 2006; 彭華等, 2013)。中國的丹霞地貌幾乎都由中生代(尤以白堊紀(jì)為主)紅層發(fā)育演化而成, 集中分布在東南、西南和西北三大片區(qū)(齊德利等, 2005; 彭華, 2011)。近年來, 通過對(duì)陜北丹霞地貌的調(diào)查, 發(fā)現(xiàn)了南北長約770 km,東西寬5～100 km, 呈S形條帶, 總面積30 773 km2,目前國內(nèi)規(guī)模最大的丹霞地貌地質(zhì)遺跡景觀帶(洪增林, 2023)。其中, 延安地區(qū)丹霞地貌發(fā)育最典型,觀賞價(jià)值和科研價(jià)值極高, 國內(nèi)外學(xué)者在此區(qū)域開展了一系列的研究: 丹霞峽谷群的景觀特征與保護(hù)利用研究(丁華等, 2023)、形成機(jī)制研究(楊望暾,2016; 彭小華等, 2021)、丹霞微觀地貌研究(蜂窩狀洞穴)(Chen et al., 2022)、演化模式研究(吳昊等,2018)、國內(nèi)外對(duì)比研究(潘志新等, 2021)。以上對(duì)陜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。國內(nèi)齊德利等(2015)曾采用釋光測(cè)年(TL/OSL)數(shù)據(jù)分析, 測(cè)算出崆峒山丹霞地貌區(qū)平均地殼抬升速度并計(jì)算出地貌年齡; 朱誠等(2009)根據(jù)浙江方巖地區(qū)丹霞地貌的特點(diǎn)分析其形成的地質(zhì)年代。近年來, 國內(nèi)有學(xué)者采用宇宙成因核素10Be和26Al測(cè)年技術(shù)獲得山區(qū)基巖暴露年齡和侵蝕速率(張麗等, 2018); 采用宇宙成因核素26Al/10Be測(cè)年技術(shù)測(cè)得漢中天坑群大佛洞的埋藏年齡(陳清敏等, 2018)。本文在對(duì)延安典型丹霞地貌景觀特征分析的基礎(chǔ)上, 采用宇宙成因核素10Be和26Al技術(shù)獲得丹霞單體地貌的暴露年齡和侵蝕速率數(shù)據(jù), 從而研究“黃土覆蓋型溝谷丹霞”地貌景觀的演化歷史, 創(chuàng)新了國內(nèi)對(duì)丹霞地貌定量研究方法,為下一步科學(xué)保護(hù)和利用延安典型丹霞地貌提供數(shù)據(jù)支撐。

1 延安典型丹霞地貌景觀類型及特征

延安典型丹霞地貌主要分布在延安市志丹—安塞—甘泉一帶, 分布面積達(dá)3 700 km2(圖1), 主要沿溝谷出露, 發(fā)育的類型豐富, 主要有丹霞負(fù)地貌溝谷型、孤峰型、赤壁丹崖、天生橋式、石蘑菇式等5種類型, 主要以“溝谷型”丹霞地貌為主, 對(duì)其詳細(xì)劃分出天井式、狹縫式、巷道式、寬谷式4種類型(吳昊等, 2018)(圖版I)。從地貌學(xué)的角度看,延安地區(qū)發(fā)育的這種地貌類型屬于巖石地貌中的紅層峽谷地貌, 又因其以白堊紀(jì)洛河組紅層((K1l)為物質(zhì)基礎(chǔ), 具有赤壁丹崖的特征, 因此, 本文將該地貌歸屬于廣義的丹霞地貌(彭華等, 2013), 即屬于單體負(fù)地貌類型中的丹霞溝谷、丹霞石柱(石蘑菇)、丹霞石拱(天生橋)。2019年8月, 在延安舉行的第四屆紅層與丹霞地貌國際研討會(huì)暨第十九屆全國紅層與丹霞地貌學(xué)術(shù)討論會(huì)上, 來自世界7個(gè)國家和70余家科研機(jī)構(gòu)的200多位地理、地質(zhì)、生態(tài)以及社會(huì)學(xué)界的專家學(xué)者在會(huì)議上初步認(rèn)為: 延安地區(qū)丹霞地貌為典型的溝谷型丹霞地貌, 豐富了丹霞地貌類型, 突破了人們對(duì)黃土覆蓋區(qū)地理環(huán)境的傳統(tǒng)認(rèn)知, 是開展多學(xué)科研究的天然實(shí)驗(yàn)室, 具有極高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值(洪增林, 2023)。對(duì)于丹霞地貌的學(xué)科歸類和分類問題, 國際上沒有相應(yīng)的研究, 也是國內(nèi)地貌學(xué)研究領(lǐng)域亟待解決的問題。本文基于國內(nèi)丹霞地貌的研究理論, 和在野外調(diào)查工作實(shí)踐中取得的初步認(rèn)識(shí), 把延安地區(qū)這種紅層峽谷地貌歸屬于丹霞地貌, 對(duì)其景觀特征和發(fā)育演化進(jìn)行研究。

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

本文從觀賞性、獨(dú)特性和科學(xué)性角度出發(fā), 在延安丹霞地貌中選取四處具有代表性的丹霞地貌進(jìn)行研究, 分別為志丹貓巷丹霞地貌(狹縫式)、甘泉雨岔丹霞地貌(狹縫式)、安塞王家灣石蘑菇式丹霞地貌(石蘑菇式)、安塞閻山灣天生橋式丹霞地貌(天生橋式)(圖1, 圖版I-B、G、H), 景觀特征描述如下:

1.1 狹縫式丹霞

狹縫式丹霞主要發(fā)育在洛河的支流, 溝谷的腦部-中部(圖1), 主要是水流侵蝕、壺穴貫通形成, 局部還可看見殘留壺穴, 寬度一般小于1 m, 最窄處0.05 m, 長度一般為100～400 m, 高度超過10 m, 谷壁近直立(吳昊等, 2018; 丁華等, 2023)。頂部黃土覆蓋, 厚度一般為10～100 m。代表地有志丹貓巷丹霞地貌和甘泉雨岔丹霞地貌(圖版I-B、圖版Ⅱ-A)。

志丹貓巷丹霞地貌位于志丹縣城東南方向約2.5 km(圖1)。溝谷全長6.3 km, 近東西走向, 狹縫式丹霞地貌共有3段, 累計(jì)長度可達(dá)1 km左右, 溝谷兩側(cè)巖壁陡峭, 發(fā)育有裂隙、垂直節(jié)理、豎向溝槽(圖版Ⅱ-B), 還可見蜂窩狀洞穴(圖版Ⅱ-C)(蜂窩狀洞穴是指發(fā)育在丹霞崖壁上類似蜂窩狀的風(fēng)化洞穴,其直徑幾厘米至上百厘米不等, 其成因初步認(rèn)為是鹽風(fēng)化和水分狀態(tài)運(yùn)動(dòng)綜合作用而形成)(Chen et al., 2022)、片狀風(fēng)化、大型交錯(cuò)層理(圖版Ⅱ-D)等典型地質(zhì)現(xiàn)象, 冬季, 還可見北方特有的砂巖凍融脫落現(xiàn)象(圖版Ⅱ-E)。溝谷蜿蜒曲折, 深邃悠遠(yuǎn), 兩側(cè)崖壁高聳兀立、凹凸不平、怪石嶙峋。

甘泉雨岔丹霞地貌以狹縫式丹霞為主, 以樺樹溝、龍巴溝、牡丹溝、花豹溝和一線天峽谷丹霞等為典型, 主要沿洛河的支流展布, 由夏季暴雨洪流沿節(jié)理裂隙切割侵蝕而成, 形態(tài)上體現(xiàn)為深、窄等系列特征; 峽谷兩壁平行層理和交錯(cuò)層理發(fā)育, 軟硬巖層交互分布, 造景巖層為下白堊統(tǒng)洛河組(K1l)紫紅色長石石英砂巖、在流水的沖刷下呈現(xiàn)明顯的韻律; 紅色的崖壁搭配綠色、黃色的苔蘚和植物,具有多彩的特征(圖版I-B); 主要景觀類型有波浪谷(圖版Ⅱ-A)、壺穴(圖版Ⅱ-H)、一線天、丹霞崖壁、象形石等(丁華等, 2023)。

以上兩處狹縫式丹霞地貌最顯著的景觀特征有窄狹、多彎、韻律、多彩”的特點(diǎn)(圖版I-B、圖版Ⅱ-A)(丁華等, 2023)。同時(shí)也是典型的“黃土覆蓋型溝谷丹霞”(圖2), 流水侵蝕在陜北高原上塑造了千溝萬壑的黃土地貌, 同時(shí)也形成了眾多的丹霞溝谷, 狹縫式丹霞在該地區(qū)最為典型。該地區(qū)白堊紀(jì)紅層形成后被第四紀(jì)黃土覆蓋, 在后期流水繼承性侵蝕作用下, 溝谷加深, 加長(溯源侵蝕)、拓寬,而形成溝谷型丹霞, 總體上處于年青的演化階段,與美國亞利桑那州北部的羚羊峽(the Antelope Canyon)非常類似, 具有國際對(duì)比研究?jī)r(jià)值(Guo et al., 2019; 潘志新等, 2021)。

圖2 延安“黃土覆蓋型溝谷丹霞”Fig.2 Loess-covered gully Danxia in Yan'an

1.2 石蘑菇式

安塞王家灣石蘑菇式丹霞地貌位于延安市安塞坪橋鎮(zhèn)王家灣村, 南東據(jù)安塞城區(qū)直線距離約55 km(圖1)。石蘑菇式丹霞的特征為高12 m, 蘑菇蓋厚度3.8 m, 直徑5 m, 蘑菇柄高度8.2 m, 直徑3.5～4 m, 出露的地層為下白堊統(tǒng)洛河組(K1l))紅褐色砂巖, 頂部有少量第四紀(jì)黃土覆蓋, 發(fā)育垂直節(jié)理、凹槽, 可見白色條帶狀的鹽風(fēng)化現(xiàn)象(Chen et al,2022)。整體景觀當(dāng)?shù)卮迕穹Q之為“手榴彈”, 其造型奇特, 具有奇特俊逸之美(圖版I-H)。

1.3 天生橋式

安塞閻山灣天生橋式丹霞地貌位于安塞化子坪鎮(zhèn)閻山灣(圖1)。天生橋高60 m、長70 m、寬10～20 m、跨度30 m、 厚度25 m, 呈自然狀態(tài), 局部有垮塌, 沿橋體方向的洛河組(K1l)砂巖中發(fā)育一組40°的垂直節(jié)理, 沿該方向形成了寬5～10 m的巖墻。天生橋整體規(guī)模宏大, 氣勢(shì)恢宏, 被譽(yù)為“最美紅橋”(圖版I-G)(洪增林, 2023)。

2 延安典型丹霞地貌景觀的發(fā)育演化

2.1 地質(zhì)構(gòu)造背景

2.1.1 區(qū)域構(gòu)造演化

在大地構(gòu)造單元?jiǎng)澐稚? 延安典型丹霞地貌主要位于華北陸塊(克拉通)-鄂爾多斯地塊內(nèi), 四級(jí)構(gòu)造單元主要為伊陜斜坡(陜西省地質(zhì)調(diào)查院,2017)(圖3)。

圖3 延安典型丹霞地貌構(gòu)造分區(qū)圖(修改自丁華等, 2023)Fig.3 Structural zoning map of typical Danxia landforms in Yan'an (modified from DING et al., 2023)

中生代鄂爾多斯盆地的發(fā)展演化過程, 構(gòu)造應(yīng)力從早期受到印支運(yùn)動(dòng)的影響過渡到晚期受燕山運(yùn)動(dòng)的影響, 古氣候從中侏羅世之后至新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)前持續(xù)干旱, 氧化作用發(fā)育, 在早白堊世發(fā)育一套紅層沉積, 構(gòu)成了延安典型丹霞地貌的物質(zhì)基礎(chǔ)。進(jìn)入晚白堊世, 本區(qū)域地殼普遍隆起, 經(jīng)歷多期復(fù)雜的構(gòu)造間歇性抬升活動(dòng)。新生代以來, 地殼運(yùn)動(dòng)保持差異升降, 區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育多級(jí)剝夷面和河流階地(圖版Ⅱ-G), 控制著延安典型丹霞地貌的發(fā)育演化(陜西省地質(zhì)調(diào)查院, 2017; 彭小華等, 2021)。

2.1.2 地質(zhì)構(gòu)造特征

在構(gòu)造特征上, 延安典型丹霞地貌主要位于鄂爾多斯盆地疊加內(nèi)陸盆地伊陜斜坡內(nèi), 區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單, 褶皺和斷裂不發(fā)育, 地層產(chǎn)狀平緩, 具有長期穩(wěn)定的克拉通地塊(地臺(tái))性質(zhì)。經(jīng)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn), 延安典型丹霞地貌的分布嚴(yán)格受控于節(jié)理、裂隙構(gòu)造系統(tǒng)(圖版Ⅱ-B), 產(chǎn)狀近直立, 節(jié)理走向主要發(fā)育四個(gè)優(yōu)勢(shì)方位, 分別為北西西向、北北東向、北東向、近南北向, 其中, 北西西向的節(jié)理、裂隙數(shù)量最多(圖4), 丹霞地貌地質(zhì)遺跡點(diǎn)分布也最多(吳昊等,2018), 這些節(jié)理、裂隙控制著丹霞地貌的發(fā)育演化。

圖4 延安典型丹霞地貌洛河組砂巖節(jié)理(裂隙)走向玫瑰花圖(修改自吳昊等, 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 地層巖性特征

延安典型丹霞地貌的造景巖層主要為下白堊統(tǒng)洛河組(K1l), 為一套干旱氣候條件下的紫紅色碎屑巖沉積, 巖石特征為中粒巖屑長石砂巖, 分選磨圓較好, 發(fā)育大型板狀交錯(cuò)層理(圖版Ⅱ-D), 具有沙漠環(huán)境中的風(fēng)成沙丘特征, 因此, 可判別其沉積環(huán)境為沙漠環(huán)境(江新勝等, 2005; 王鳳之等, 2018),巖層傾角近于水平, 斜層理、交錯(cuò)層理傾角在10°～25°左右, 最大傾角不超過30°, 近水平的紅色陸相碎屑巖層為丹霞地貌的發(fā)育提供了較好的物質(zhì)基礎(chǔ)(彭小華等, 2021)。

本次在延安典型丹霞地貌區(qū)采集巖石薄片樣品3件(圖1), 其中在安塞石蘑菇丹霞地貌中采集1件,志丹貓巷丹霞地貌中采集1件, 安塞閻山灣天生橋丹霞地貌中采集1件。樣品薄片鑒定使用德國萊卡公司生產(chǎn)的LEICA DM2700P和LEICA DM750P型偏光顯微鏡鑒定分析。經(jīng)薄片鑒定, 延安典型丹霞樣品巖石呈厚層-巨厚層狀的中粗粒結(jié)構(gòu), 礦物成分主要以石英和長石為主, 分選中等, 磨圓度較好,巖石膠結(jié)程度較差, 硬度低易破碎, 抗侵蝕能力較弱, 這些特征可判別巖石的沉積環(huán)境為風(fēng)成沙漠環(huán)境。巖石樣品薄片鑒定結(jié)果見表1和圖5。

表1 延安典型丹霞地貌巖石樣品薄片鑒定結(jié)果表Table1 1 Identification results of typical Danxia landform rock samples from Yan'an

圖5 偏光顯微鏡下的巖石樣品薄片圖像Fig.5 Photomicrograph of rock samples under polarizing microscope

除巖石薄片鑒定外, 有學(xué)者還對(duì)洛河組(K1l)砂巖巖石樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察, 發(fā)現(xiàn)石英顆粒表面具有磨砂的特性(毛玻璃面), 并且還有明顯的碟形撞擊坑, 符合風(fēng)成砂巖的典型特征(王鳳之等, 2018;潘志新等, 2021)。

2.2 暴露年齡研究

2.2.1 宇宙成因核素10Be-26Al暴露測(cè)年原理

宇宙成因核素是指宇宙射線與大氣圈或巖石圈物質(zhì)相互作用后, 發(fā)生散裂、中子捕獲和介子反應(yīng)等形成一系列穩(wěn)定的或放射性元素, 其與巖石圈物質(zhì)作用產(chǎn)生為原地宇宙成因核素(in-situ cosmogenicnuclides)(Lal et al., 1967)。陸地原位宇宙成因核素(terrestrial in situ cosmogenic nuclide, TCN, 又稱宇宙成因同位素), 目前被廣泛應(yīng)用于地表系統(tǒng)科學(xué)研究, 如暴露年代的測(cè)定、剝蝕速率的計(jì)算和埋藏年代的測(cè)定(Dunai, 2010)。在適合的礦物中測(cè)量單個(gè)TCN濃度可運(yùn)用于確定地表的暴露年代或該流域的剝蝕速率(Gosse et al., 2001)。近年來, 國內(nèi)外研究學(xué)者開始用加速器質(zhì)譜儀測(cè)得樣品中原地宇宙成因核素10Be和26Al的含量, 用于計(jì)算地表的暴露時(shí)間或其侵蝕速率。暴露測(cè)年首先需要建立石英樣品中10Be和26Al濃度隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系(1)式和(2)式, 根據(jù)函數(shù)關(guān)系和測(cè)試得到10Be和26Al核素濃度, 就可以計(jì)算樣品被宇宙射線轟擊, 暴露在地表的時(shí)間(張麗等, 2018)。

其中,N是宇宙成因核素的濃度(atom·g-1SiO2),P是生成速率(atom·g-1·a-1),ρ是巖石密度(g·cm-3),λ是核素衰變常數(shù),Λ是石英中的宇宙射線衰減系數(shù)(g·cm-2),ε為侵蝕速率(cm/ka-1),T為巖石開始暴露于宇宙射線以來的時(shí)間,N0為繼承濃度, 當(dāng)無核素繼承時(shí)這一值則為0(Lal, 1991; Brown et al., 1992)。這一等式通常被運(yùn)用于計(jì)算地表巖石的暴露年齡。由測(cè)定得到表面巖石中原地宇宙成因核素的含量也可以計(jì)算出暴露期間的侵蝕速率, 等式(1)則可轉(zhuǎn)化為:

運(yùn)用以上等式(1)和(2)必須要滿足兩個(gè)條件:一是巖石表面的宇宙成因核素的生成速率P為常數(shù)不隨時(shí)間變化, 二是巖石表面持續(xù)暴露于宇宙射線并且從開始暴露以來從未被埋藏過。那么計(jì)算所獲得的是暴露年齡最小值和侵蝕速率最大值(張麗等,2018)。

2.2.2 樣品采集和分析過程

為了研究延安典型丹霞地貌的發(fā)育演化歷史,本文對(duì)其暴露年齡和侵蝕速率進(jìn)行采樣測(cè)試分析。分別在志丹貓巷溝谷丹霞地貌的中部, 溝內(nèi)裸露的巖壁, 離地面80 cm處進(jìn)行采樣, 采集砂巖樣品3個(gè)(ZDBL1、ZDBL2、ZDBL3), 在安塞石蘑菇丹霞地貌的后側(cè)砂巖巖壁距離地面80 cm處, 采集砂巖樣品1個(gè)(ASBL1), 所有樣品采集的厚度均小于5 cm(圖1)。

這些樣品的前期處理, 制靶和AMS測(cè)試都是在中科院地球環(huán)境研究所的AMS實(shí)驗(yàn)室完成的。根據(jù)AMS所測(cè)得的10Be/9Be比值、26Al/27Al比值、樣品質(zhì)量及Be、Al載體質(zhì)量, 計(jì)算得出樣品中的10Be和26Al濃度。樣品的10Be和26A1暴露年齡和侵蝕速率的計(jì)算根據(jù)樣品采集地的經(jīng)緯度、海拔、樣品厚度和樣品密度(2.65 g·cm-3), 計(jì)算使用的高緯度海平面10Be和26Al產(chǎn)率分別為4.76 atoms·g-1·a-1和30.6 atoms·g-1·a-1, 根據(jù)美國華盛頓大學(xué)的CRONUS Earth online calculators V3.0 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算程序得出(http://hess.ess.washington.edu/math)(Balco et al., 2008; 張麗等, 2018)。暴露年齡結(jié)果采用LSDn產(chǎn)率模型提供的10Be和26Al年齡數(shù)據(jù), 以上4個(gè)樣品的暴露年齡和侵蝕速率的計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 延安典型丹霞地貌砂巖樣品的10Be和26Al數(shù)據(jù)及暴露年齡和侵蝕速率結(jié)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暴露年齡和侵蝕速率結(jié)果討論

由表2看出, 志丹貓巷丹霞地貌的暴露年代形成于兩個(gè)時(shí)期: ((0.75±18)～(0.83±0.14)) ka和((1.14±13)～(1.29±0.30)) ka, 而安塞王家灣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。這兩處丹霞地貌暴露地表的年代都在全新世(Qh), 地貌較年青, 都是在第四紀(jì)黃土覆蓋洛河組砂巖(K1l))之后形成, 說明本文的年齡結(jié)果具有可信度, 暴露年齡代表著流水下切侵蝕丹霞溝谷的時(shí)間。暴露機(jī)理總結(jié)為流水切穿上覆黃土, 沿著有節(jié)理裂隙分布的紅層巖石下切侵蝕,使紅層崖壁巖石暴露地表的過程。

另外, 這里必須考慮砂巖樣品沉積之前的暴露歷史。在早白堊世沉積之前, 洛河組(K1l)砂巖中的石英碎屑在地表經(jīng)過長時(shí)間的暴露, 搬運(yùn)沉積, 其本身含有一定的10Be和26Al濃度, 可能會(huì)影響現(xiàn)在暴露年齡計(jì)算的準(zhǔn)確性。然而, 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),26Al的半衰期為T1/226 = 0.71 Ma,10Be的T1/210 = 1.39 Ma(Nishiizumi, 2004; Chmeleff et al., 2010; Korschinek et al., 2010)。延安地區(qū)洛河組砂巖(K1l))沉積期年齡約為100.5 Ma(陜西省地質(zhì)調(diào)查院, 2017)。由此看出,在丹霞地貌砂巖遭受侵蝕, 暴露地表時(shí), 其石英碎屑中原有的宇宙成因核素10Be和26Al早已衰變完,其濃度值為0, 因此可以消除這一影響。

根據(jù)以上計(jì)算模型, 延安兩處典型丹霞地貌砂巖樣品中測(cè)得的侵蝕速率在(39±3.3)～(104±24.4) cm·ka-1之間。這里的侵蝕速率是指丹霞崖壁巖石表面下降的速率, 僅代表采樣地當(dāng)前的侵蝕速率。由于地域特征、物質(zhì)組成、氣候等多種因素的影響, 不同地貌的侵蝕速率存在較大差異(黃費(fèi)新等, 2019)。目前, 國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用宇宙成因核素和裂變徑跡等方法得到的地表侵蝕速率從每千年數(shù)厘米到數(shù)米不等; 美國猶他州早更新世河流階地剝蝕速率14 m·Ma-1; 張麗等在河西走廊北緣的合黎山西南部基巖的侵蝕速率為18～24 mm·ka-1(張麗等, 2018)?？梢钥闯? 這兩處典型丹霞地貌中砂巖的侵蝕速率較大, 由于采樣方法和測(cè)試分析方式的選擇, 侵蝕速率計(jì)算結(jié)果還有待進(jìn)一步討論和研究。在黃土高原區(qū), 各類地質(zhì)構(gòu)造、上覆黃土蓋層以及外動(dòng)力因素是如何控制和影響?yīng)M縫式丹霞地貌的形成, 其成縫機(jī)制和模式是什么?這些問題都是延安典型丹霞下一步值得深入研究的課題。

2.3 延安典型丹霞景觀發(fā)育演化

延安典型丹霞地貌的演化開始于白堊紀(jì)紅層的堆積, 大概可以劃分為以下四個(gè)階段:

早白堊世, 紅層堆積階段: 鄂爾多斯盆地于早白堊世堆積了一套以風(fēng)成沙漠環(huán)境為主的紅色碎屑巖(圖版Ⅱ-D)(江新勝等, 2005), 即以洛河組(K1l)為代表的紅層, 為后來丹霞地貌的形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

晚白堊世, 紅層盆地構(gòu)造抬升-古丹霞地貌發(fā)育階段: 此時(shí), 鄂爾多斯盆地由沉降轉(zhuǎn)為抬升, 紅層堆積結(jié)束并遭受剝蝕, 地殼隆升導(dǎo)致河道坡降增大, 流水下切作用增強(qiáng), 紅層在被抬升后開始被流水切割侵蝕, 形成了古丹霞地貌(潘志新等,2021)(圖版Ⅱ-F) 。

古近紀(jì)—新近紀(jì), 間歇性抬升階段: 這期間的多次間歇性構(gòu)造抬升造成該地區(qū)形成多級(jí)剝夷面和河流階地, 野外調(diào)查資料顯示, 延安丹霞地貌區(qū)普遍發(fā)育多級(jí)剝夷面, 分別為1 300 m、1 200 m、1 100 m, 丹霞河谷區(qū)普遍發(fā)育三級(jí)沖積階地(圖版Ⅱ-G), 這些剝夷面和河流階地證明是古丹霞地貌發(fā)育演化比較劇烈的時(shí)期。

第四紀(jì), 黃土覆蓋型丹霞形成階段: 第四紀(jì)以來, 風(fēng)成黃土廣泛堆積于鄂爾多斯盆地, 覆蓋了原有的古丹霞地貌, 并與下伏的洛河組紅層形成不整合接觸關(guān)系(圖2)。堆積于延安典型丹霞地貌區(qū)的黃土主要為上更新統(tǒng)淺黃色馬蘭黃土(Qp3l), 厚度10～80 m, 黃土土質(zhì)疏松、垂直節(jié)理發(fā)育, 易遭受流水侵蝕。黃土沖溝一般都是垂直等高線從低處向高處溯源侵蝕而發(fā)展, 侵蝕到基巖后, 沿著構(gòu)造抬升時(shí)在洛河組紅層砂巖內(nèi)形成的節(jié)理裂隙進(jìn)行下切侵蝕, 使被覆蓋的古丹霞地貌再次出露, 溝谷變深,并在其它外力作用配合下, 形成如今的丹霞溝谷、崖壁、石蘑菇式、天生橋式等多種丹霞地貌景觀, 觀賞價(jià)值和科研價(jià)值極高。

以志丹貓巷丹霞地貌為代表的狹縫式丹霞地貌的演化經(jīng)歷了以上四個(gè)階段。10Be-26Al暴露年齡和侵蝕速率結(jié)果顯示, 在距今(0.75±18)～(1.29±0.30) ka的時(shí)期, 流水以較大的侵蝕速率((53.8±1.3)～(104±24.4) cm·ka-1)已經(jīng)切穿上覆黃土,開始沿著有節(jié)理裂隙分布的紅層巖石下切侵蝕, 在干旱-半干旱氣候條件下, 季節(jié)性的暴雨夾帶大小不一的石塊強(qiáng)烈下蝕和側(cè)蝕溝谷, 形成各類壺穴(圖版Ⅱ-H), 并沿斜層理不斷對(duì)兩側(cè)谷壁進(jìn)行磨蝕,最終形成谷壁上波狀起伏、彼此相連的凹槽, 流水在谷壁兩側(cè)勾勒出富有韻律的線條(圖版I-B、圖版Ⅱ-A), 在光影的配合下展現(xiàn)出如夢(mèng)如幻的狹縫式丹霞景觀效果。這也能初步揭示地質(zhì)構(gòu)造、上覆黃土蓋層以及流水等多種因素共同控制和影響?yīng)M縫式丹霞地貌的形成。根據(jù)戴維斯的“侵蝕循環(huán)理論”(Davis, 1899)和彭華等(2013)建議將丹霞地貌侵蝕階段劃分為三個(gè)地貌發(fā)展階段, 即青年期、壯年期和老年期, 志丹貓巷丹狹縫式丹霞地貌的演化階段總體處于青年晚期。

安塞石蘑菇式、天生橋式丹霞地貌的演化也經(jīng)歷了以上四個(gè)階段。10Be-26Al暴露年齡結(jié)果顯示,在距今(1.76±0.45)～(1.77±0.15) ka的時(shí)期, 石蘑菇式丹霞地貌已經(jīng)暴露地表, 與狹縫式的丹霞發(fā)育不同的是, 其早期發(fā)育主要受控于洛河組(K1l)砂巖中兩組近于垂直的節(jié)理, 方位分別是355°、89°(圖6),季節(jié)性降雨沿兩組節(jié)理侵蝕, 將其切割為一獨(dú)立的石柱, 在一系列風(fēng)化作用的改造下(Chen et al,,2022), 形成蘑菇狀的丹霞地貌, 其形成年代早于志丹貓巷丹霞地貌, 地貌演化階段也為青年晚期。

圖6 安塞王家灣石蘑菇式丹霞地貌中發(fā)育的兩組節(jié)理Fig.6 Two sets of joints developed in the stone mushroom-type Danxia landform of Ansai Wangjiawan

安塞天生橋式丹霞地貌的形成也是內(nèi)外動(dòng)力共同作用的結(jié)果, 分兩個(gè)階段: 第一階段, 洛河組砂巖(K1l)中發(fā)育一組40°的垂直節(jié)理, 這個(gè)方向也是橋體方向, 沿該方向形成了一寬5～10 m的巖墻,該巖墻受北部主河道(100°方向)及南部支流(330°方向)共同侵蝕沖刷; 第二階段, 在主次河道繼續(xù)侵蝕作用下, 巖墻受重力崩塌作用改造, 巖石發(fā)生崩塌形成巖洞, 進(jìn)而演化形成如今的天生橋景觀(圖7)。

圖7 天生橋式丹霞形成機(jī)理圖Fig.7 Formation mechanism of the natural bridge-type Danxia landform

3 結(jié)論及展望

(1)延安典型丹霞地貌的類型有狹縫式、石蘑菇式、天生橋式; 其中狹縫式丹霞的景觀特征為“窄狹、多彎、韻律、多彩”, 同時(shí)也是典型的“黃土覆蓋型溝谷丹霞”, 發(fā)育垂直節(jié)理、裂隙、豎向溝槽、大型斜層理等多種典型地質(zhì)現(xiàn)象; 石蘑菇式丹霞造型奇特俊美, 天生橋式丹霞整體規(guī)模宏大, 這兩者發(fā)育都嚴(yán)格受控于垂直節(jié)理和外力作用的侵蝕。

(2)運(yùn)用宇宙成因核素10Be-26Al技術(shù), 計(jì)算獲得志丹貓巷狹縫式丹霞地貌的暴露年代為(0.75±18)～(1.29±0.30) ka, 安塞王家灣石蘑菇丹霞地貌暴露年代為(1.76±0.45)～(1.77±0.15) ka; 兩處丹霞地貌形成年代都在全新世(Qh), 前者晚于后者,地貌較年青。

(3)運(yùn)用宇宙成因核素10Be-26Al計(jì)算獲得兩處典型丹霞地貌侵蝕速率為(39±3.3)～(104±24.4) cm·ka-1, 與目前國內(nèi)外學(xué)者研究地表和基巖得到的地表侵蝕速率對(duì)比, 這兩處典型丹霞地貌的侵蝕速率較大, 結(jié)果還有待進(jìn)一步討論和研究。

(4)延安典型丹霞地貌景觀發(fā)育的演化始于白堊紀(jì)期間紅層的堆積, 大致都經(jīng)歷了四個(gè)演化階段,即早白堊世的紅層堆積階段、晚白堊世紅層盆地構(gòu)造抬升-古丹霞地貌發(fā)育階段、古近紀(jì)—新近紀(jì)的間歇性抬升階段和第四紀(jì)的黃土覆蓋型丹霞形成階段;初步揭示了地質(zhì)構(gòu)造、上覆黃土蓋層、流水等多種因素共同控制和影響延安典型丹霞地貌的形成, 演化階段總體處于青年晚期。

(5)將來延安典型丹霞地貌的幾個(gè)研究方向:流水侵蝕黃土覆蓋型丹霞的動(dòng)態(tài)地貌演化過程; 丹霞地貌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和保護(hù); 丹霞區(qū)植被特征與生態(tài)學(xué)研究等。

Acknowledgements:

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

圖版說明

圖版I Plate I

A—溝谷型丹霞地貌—天井式;

B—溝谷型丹霞地貌—狹縫式;

C—溝谷型丹霞地貌—巷道式;

D—溝谷型丹霞地貌—寬谷式;

E—孤峰式丹霞地貌;

F—赤壁丹崖;

G—天上橋式丹霞地貌;

H—石蘑菇式丹霞地貌

A-valley type Danxia landform: Courtyard Type;

B-valley type Danxia landform: Slit Type;

C-valley type Danxia landform: Tunnel Type;

D-valley type Danxia landform: Wide Valley Type;

E-solitary peak Danxia landform;

F-red cliff Dan cliff;

G-natural bridge Danxia landform;

H-stone mushroom Danxia landform

圖版II Plate II

A—狹縫式丹霞—波浪谷;

B—丹霞崖壁上的垂直節(jié)理(裂隙);

C—蜂窩狀洞穴;

D—大型板狀交錯(cuò)層理;

E—凍融脫落現(xiàn)象;

F—丹霞溝谷巖壁上的三級(jí)階地反映地殼間歇抬升運(yùn)動(dòng);

G—丹霞溝谷支流兩岸保留的三級(jí)階地;

H—深壺穴

A-slit Danxia: Wave Valley;

B-vertical joints (cracks) on the Danxia cliff;

C-honeycomb shaped cave;

D-large plate-like cross bedding;

E-freeze-thaw detachment phenomenon;

F-the third terrace on the rock wall of Danxia Valley reflects intermittent crustal uplift movement;

G-the third level terrace preserved on both sides of the tributary of Danxia Valley;

H-deep ampulla

圖版I Plate I

圖版II Plate II