延安典型丹霞地貌景觀特征及發育演化研究

彭小華, 吳 昊, 張俊良, 王 揚, 祝 捷

陜西省礦產地質調查中心, 陜西西安 710068

丹霞地貌是一種以陸相紅層為物質基礎, 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); 狹義的主張對比丹霞山, 只有發育在白堊紀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)發育的具有陡崖坡的地貌, 其表達了丹霞地貌的兩個本質屬性, 一是物質組成為紅層, 二是形態特征為陡崖坡(彭華等, 2013), 學者們大都傾向于折中定義, 本文也采用這一觀點。目前, 國內外對丹霞地貌的研究主要集中在紅層特征及分布、丹霞地貌發育機理、定量測算、演化過程、中小尺度砂巖地貌形成過程及風化機制研究(Smith et al., 1986;Huinink et al., 2004; 黃進, 2006; 彭華等, 2013)。中國的丹霞地貌幾乎都由中生代(尤以白堊紀為主)紅層發育演化而成, 集中分布在東南、西南和西北三大片區(齊德利等, 2005; 彭華, 2011)。近年來, 通過對陜北丹霞地貌的調查, 發現了南北長約770 km,東西寬5～100 km, 呈S形條帶, 總面積30 773 km2,目前國內規模最大的丹霞地貌地質遺跡景觀帶(洪增林, 2023)。其中, 延安地區丹霞地貌發育最典型,觀賞價值和科研價值極高, 國內外學者在此區域開展了一系列的研究: 丹霞峽谷群的景觀特征與保護利用研究(丁華等, 2023)、形成機制研究(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)、國內外對比研究(潘志新等, 2021)。以上對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。國內齊德利等(2015)曾采用釋光測年(TL/OSL)數據分析, 測算出崆峒山丹霞地貌區平均地殼抬升速度并計算出地貌年齡; 朱誠等(2009)根據浙江方巖地區丹霞地貌的特點分析其形成的地質年代。近年來, 國內有學者采用宇宙成因核素10Be和26Al測年技術獲得山區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測年技術測得漢中天坑群大佛洞的埋藏年齡(陳清敏等, 2018)。本文在對延安典型丹霞地貌景觀特征分析的基礎上, 采用宇宙成因核素10Be和26Al技術獲得丹霞單體地貌的暴露年齡和侵蝕速率數據, 從而研究“黃土覆蓋型溝谷丹霞”地貌景觀的演化歷史, 創新了國內對丹霞地貌定量研究方法,為下一步科學保護和利用延安典型丹霞地貌提供數據支撐。

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3 700 km2(圖1), 主要沿溝谷出露, 發育的類型豐富, 主要有丹霞負地貌溝谷型、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, 對其詳細劃分出天井式、狹縫式、巷道式、寬谷式4種類型(吳昊等, 2018)(圖版I)。從地貌學的角度看,延安地區發育的這種地貌類型屬于巖石地貌中的紅層峽谷地貌, 又因其以白堊紀洛河組紅層((K1l)為物質基礎, 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暨第十九屆全國紅層與丹霞地貌學術討論會上, 來自世界7個國家和70余家科研機構的200多位地理、地質、生態以及社會學界的專家學者在會議上初步認為: 延安地區丹霞地貌為典型的溝谷型丹霞地貌, 豐富了丹霞地貌類型, 突破了人們對黃土覆蓋區地理環境的傳統認知, 是開展多學科研究的天然實驗室, 具有極高的科學研究價值(洪增林, 2023)。對于丹霞地貌的學科歸類和分類問題, 國際上沒有相應的研究, 也是國內地貌學研究領域亟待解決的問題。本文基于國內丹霞地貌的研究理論, 和在野外調查工作實踐中取得的初步認識, 把延安地區這種紅層峽谷地貌歸屬于丹霞地貌, 對其景觀特征和發育演化進行研究。

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、獨特性和科學性角度出發, 在延安丹霞地貌中選取四處具有代表性的丹霞地貌進行研究, 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, 累計長度可達1 km左右, 溝谷兩側巖壁陡峭, 發育有裂隙、垂直節理、豎向溝槽(圖版Ⅱ-B), 還可見蜂窩狀洞穴(圖版Ⅱ-C)(蜂窩狀洞穴是指發育在丹霞崖壁上類似蜂窩狀的風化洞穴,其直徑幾厘米至上百厘米不等, 其成因初步認為是鹽風化和水分狀態運動綜合作用而形成)(Chen et al., 2022)、片狀風化、大型交錯層理(圖版Ⅱ-D)等典型地質現象, 冬季, 還可見北方特有的砂巖凍融脫落現象(圖版Ⅱ-E)。溝谷蜿蜒曲折, 深邃悠遠, 兩側崖壁高聳兀立、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理裂隙切割侵蝕而成, 形態上體現為深、窄等系列特征; 峽谷兩壁平行層理和交錯層理發育, 軟硬巖層交互分布, 造景巖層為下白堊統洛河組(K1l)紫紅色長石石英砂巖、在流水的沖刷下呈現明顯的韻律; 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(圖版I-B、圖版Ⅱ-A)(丁華等, 2023)。同時也是典型的“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, 同時也形成了眾多的丹霞溝谷, 狹縫式丹霞在該地區最為典型。該地區白堊紀紅層形成后被第四紀黃土覆蓋, 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, 具有國際對比研究價值(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王家灣村, 南東據安塞城區直線距離約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洛河組(K1l))紅褐色砂巖, 頂部有少量第四紀黃土覆蓋, 發育垂直節理、凹槽, 可見白色條帶狀的鹽風化現象(Chen et al,2022)。整體景觀當地村民稱之為“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, 局部有垮塌, 沿橋體方向的洛河組(K1l)砂巖中發育一組40°的垂直節理, 沿該方向形成了寬5～10 m的巖墻。天生橋整體規模宏大, 氣勢恢宏, 被譽為“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育演化

2.1 地質構造背景

2.1.1 區域構造演化

在大地構造單元劃分上, 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, 四級構造單元主要為伊陜斜坡(陜西省地質調查院,2017)(圖3)。

圖3 延安典型丹霞地貌構造分區圖(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展演化過程, 構造應力從早期受到印支運動的影響過渡到晚期受燕山運動的影響, 古氣候從中侏羅世之后至新構造運動前持續干旱, 氧化作用發育, 在早白堊世發育一套紅層沉積, 構成了延安典型丹霞地貌的物質基礎。進入晚白堊世, 本區域地殼普遍隆起, 經歷多期復雜的構造間歇性抬升活動。新生代以來, 地殼運動保持差異升降, 區內普遍發育多級剝夷面和河流階地(圖版Ⅱ-G), 控制著延安典型丹霞地貌的發育演化(陜西省地質調查院, 2017; 彭小華等, 2021)。

2.1.2 地質構造特征

在構造特征上, 延安典型丹霞地貌主要位于鄂爾多斯盆地疊加內陸盆地伊陜斜坡內, 區內構造簡單, 褶皺和斷裂不發育, 地層產狀平緩, 具有長期穩定的克拉通地塊(地臺)性質。經野外調查發現, 延安典型丹霞地貌的分布嚴格受控于節理、裂隙構造系統(圖版Ⅱ-B), 產狀近直立, 節理走向主要發育四個優勢方位, 分別為北西西向、北北東向、北東向、近南北向, 其中, 北西西向的節理、裂隙數量最多(圖4), 丹霞地貌地質遺跡點分布也最多(吳昊等,2018), 這些節理、裂隙控制著丹霞地貌的發育演化。

圖4 延安典型丹霞地貌洛河組砂巖節理(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, 發育大型板狀交錯層理(圖版Ⅱ-D), 具有沙漠環境中的風成沙丘特征, 因此, 可判別其沉積環境為沙漠環境(江新勝等, 2005; 王鳳之等, 2018),巖層傾角近于水平, 斜層理、交錯層理傾角在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育提供了較好的物質基礎(彭小華等, 2021)。

本次在延安典型丹霞地貌區采集巖石薄片樣品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的LEICA DM2700P和LEICA DM750P型偏光顯微鏡鑒定分析。經薄片鑒定, 延安典型丹霞樣品巖石呈厚層-巨厚層狀的中粗粒結構, 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境為風成沙漠環境。巖石樣品薄片鑒定結果見表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, 有學者還對洛河組(K1l)砂巖巖石樣品進行掃描電鏡觀察, 發現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相互作用后, 發生散裂、中子捕獲和介子反應等形成一系列穩定的或放射性元素, 其與巖石圈物質作用產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), 目前被廣泛應用于地表系統科學研究, 如暴露年代的測定、剝蝕速率的計算和埋藏年代的測定(Dunai, 2010)。在適合的礦物中測量單個TCN濃度可運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, 國內外研究學者開始用加速器質譜儀測得樣品中原地宇宙成因核素10Be和26Al的含量, 用于計算地表的暴露時間或其侵蝕速率。暴露測年首先需要建立石英樣品中10Be和26Al濃度隨時間變化的函數關系(1)式和(2)式, 根據函數關系和測試得到10Be和26Al核素濃度, 就可以計算樣品被宇宙射線轟擊, 暴露在地表的時間(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,Λ是石英中的宇宙射線衰減系數(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間,N0為繼承濃度, 當無核素繼承時這一值則為0(Lal, 1991; Brown et al., 1992)。這一等式通常被運用于計算地表巖石的暴露年齡。由測定得到表面巖石中原地宇宙成因核素的含量也可以計算出暴露期間的侵蝕速率, 等式(1)則可轉化為:

運用以上等式(1)和(2)必須要滿足兩個條件:一是巖石表面的宇宙成因核素的生成速率P為常數不隨時間變化, 二是巖石表面持續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育演化歷史,本文對其暴露年齡和侵蝕速率進行采樣測試分析。分別在志丹貓巷溝谷丹霞地貌的中部, 溝內裸露的巖壁, 離地面80 cm處進行采樣, 采集砂巖樣品3個(ZDBL1、ZDBL2、ZDBL3), 在安塞石蘑菇丹霞地貌的后側砂巖巖壁距離地面80 cm處, 采集砂巖樣品1個(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測試都是在中科院地球環境研究所的AMS實驗室完成的。根據AMS所測得的10Be/9Be比值、26Al/27Al比值、樣品質量及Be、Al載體質量, 計算得出樣品中的10Be和26Al濃度。樣品的10Be和26A1暴露年齡和侵蝕速率的計算根據樣品采集地的經緯度、海拔、樣品厚度和樣品密度(2.65 g·cm-3), 計算使用的高緯度海平面10Be和26Al產率分別為4.76 atoms·g-1·a-1和30.6 atoms·g-1·a-1, 根據美國華盛頓大學的CRONUS Earth online calculators V3.0 網絡計算程序得出(http://hess.ess.washington.edu/math)(Balco et al., 2008; 張麗等, 2018)。暴露年齡結果采用LSDn產率模型提供的10Be和26Al年齡數據, 以上4個樣品的暴露年齡和侵蝕速率的計算結果見表2。

表2 延安典型丹霞地貌砂巖樣品的10Be和26Al數據及暴露年齡和侵蝕速率結果表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時期: ((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, 都是在第四紀黃土覆蓋洛河組砂巖(K1l))之后形成, 說明本文的年齡結果具有可信度, 暴露年齡代表著流水下切侵蝕丹霞溝谷的時間。暴露機理總結為流水切穿上覆黃土, 沿著有節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過長時間的暴露, 搬運沉積, 其本身含有一定的10Be和26Al濃度, 可能會影響現在暴露年齡計算的準確性。然而, 經研究發現,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)。延安地區洛河組砂巖(K1l))沉積期年齡約為100.5 Ma(陜西省地質調查院, 2017)。由此看出,在丹霞地貌砂巖遭受侵蝕, 暴露地表時, 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。

根據以上計算模型, 延安兩處典型丹霞地貌砂巖樣品中測得的侵蝕速率在(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, 僅代表采樣地當前的侵蝕速率。由于地域特征、物質組成、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(黃費新等, 2019)。目前, 國內外學者運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厘米到數米不等; 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)。可以看出, 這兩處典型丹霞地貌中砂巖的侵蝕速率較大, 由于采樣方法和測試分析方式的選擇, 侵蝕速率計算結果還有待進一步討論和研究。在黃土高原區, 各類地質構造、上覆黃土蓋層以及外動力因素是如何控制和影響狹縫式丹霞地貌的形成, 其成縫機制和模式是什么?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育演化

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

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成沙漠環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基礎。

晚白堊世, 紅層盆地構造抬升-古丹霞地貌發育階段: 此時, 鄂爾多斯盆地由沉降轉為抬升, 紅層堆積結束并遭受剝蝕, 地殼隆升導致河道坡降增大, 流水下切作用增強, 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—新近紀, 間歇性抬升階段: 這期間的多次間歇性構造抬升造成該地區形成多級剝夷面和河流階地, 野外調查資料顯示, 延安丹霞地貌區普遍發育多級剝夷面, 分別為1 300 m、1 200 m、1 100 m, 丹霞河谷區普遍發育三級沖積階地(圖版Ⅱ-G), 這些剝夷面和河流階地證明是古丹霞地貌發育演化比較劇烈的時期。

第四紀, 黃土覆蓋型丹霞形成階段: 第四紀以來, 風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系(圖2)。堆積于延安典型丹霞地貌區的黃土主要為上更新統淺黃色馬蘭黃土(Qp3l), 厚度10～80 m, 黃土土質疏松、垂直節理發育, 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展, 侵蝕到基巖后, 沿著構造抬升時在洛河組紅層砂巖內形成的節理裂隙進行下切侵蝕, 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, 觀賞價值和科研價值極高。

以志丹貓巷丹霞地貌為代表的狹縫式丹霞地貌的演化經歷了以上四個階段。10Be-26Al暴露年齡和侵蝕速率結果顯示, 在距今(0.75±18)～(1.29±0.30) ka的時期, 流水以較大的侵蝕速率((53.8±1.3)～(104±24.4) cm·ka-1)已經切穿上覆黃土,開始沿著有節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, 季節性的暴雨夾帶大小不一的石塊強烈下蝕和側蝕溝谷, 形成各類壺穴(圖版Ⅱ-H), 并沿斜層理不斷對兩側谷壁進行磨蝕,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出如夢如幻的狹縫式丹霞景觀效果。這也能初步揭示地質構造、上覆黃土蓋層以及流水等多種因素共同控制和影響狹縫式丹霞地貌的形成。根據戴維斯的“侵蝕循環理論”(Davis, 1899)和彭華等(2013)建議將丹霞地貌侵蝕階段劃分為三個地貌發展階段, 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歷了以上四個階段。10Be-26Al暴露年齡結果顯示,在距今(1.76±0.45)～(1.77±0.15) ka的時期, 石蘑菇式丹霞地貌已經暴露地表, 與狹縫式的丹霞發育不同的是, 其早期發育主要受控于洛河組(K1l)砂巖中兩組近于垂直的節理, 方位分別是355°、89°(圖6),季節性降雨沿兩組節理侵蝕, 將其切割為一獨立的石柱, 在一系列風化作用的改造下(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育的兩組節理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外動力共同作用的結果, 分兩個階段: 第一階段, 洛河組砂巖(K1l)中發育一組40°的垂直節理, 這個方向也是橋體方向, 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, 在主次河道繼續侵蝕作用下, 巖墻受重力崩塌作用改造, 巖石發生崩塌形成巖洞, 進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理圖Fig.7 Formation mechanism of the natural bridge-type Danxia landform

3 結論及展望

(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”, 同時也是典型的“黃土覆蓋型溝谷丹霞”, 發育垂直節理、裂隙、豎向溝槽、大型斜層理等多種典型地質現象; 石蘑菇式丹霞造型奇特俊美, 天生橋式丹霞整體規模宏大, 這兩者發育都嚴格受控于垂直節理和外力作用的侵蝕。

(2)運用宇宙成因核素10Be-26Al技術, 計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)運用宇宙成因核素10Be-26Al計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, 與目前國內外學者研究地表和基巖得到的地表侵蝕速率對比, 這兩處典型丹霞地貌的侵蝕速率較大, 結果還有待進一步討論和研究。

(4)延安典型丹霞地貌景觀發育的演化始于白堊紀期間紅層的堆積, 大致都經歷了四個演化階段,即早白堊世的紅層堆積階段、晚白堊世紅層盆地構造抬升-古丹霞地貌發育階段、古近紀—新近紀的間歇性抬升階段和第四紀的黃土覆蓋型丹霞形成階段;初步揭示了地質構造、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研究方向:流水侵蝕黃土覆蓋型丹霞的動態地貌演化過程; 丹霞地貌動態監測和保護; 丹霞區植被特征與生態學研究等。

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理(裂隙);

C—蜂窩狀洞穴;

D—大型板狀交錯層理;

E—凍融脫落現象;

F—丹霞溝谷巖壁上的三級階地反映地殼間歇抬升運動;

G—丹霞溝谷支流兩岸保留的三級階地;

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