張家界地貌的演化階段劃分與成因機(jī)制探討

何 勇， 許 濤

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)a.地球科學(xué)與資源學(xué)院;b.人文經(jīng)管學(xué)院，北京100083)

張家界地貌是指在中國(guó)華南板塊大地構(gòu)造背景和亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)內(nèi)，由產(chǎn)狀近水平的中、上泥盆統(tǒng)石英砂巖為成景母巖，以流水侵蝕、重力崩塌、風(fēng)化等營(yíng)力形成的，以棱角平直的高大石柱林為主，以及深切嶂谷、石墻、天生橋、方山、平臺(tái)等造型地貌為代表的地貌景觀[1].在2010年11月“張家界地貌國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)”上，“張家界地貌”獲得國(guó)際認(rèn)可[2].

張家界地貌是張家界世界地質(zhì)公園的核心價(jià)值所在.張家界世界地質(zhì)公園位于中國(guó)湖南張家界市武陵源區(qū)，地處云貴高原東部斜坡與湘西北中低山丘陵過渡地帶的武陵山脈.地理坐標(biāo)是北緯:29°13′18″～ 29°27′27″，東經(jīng):110°18′00″～ 110°41′15″.海拔300 m～1 300 m，其面積為398 km2.1992年被聯(lián)合國(guó)教科文組織列入《世界自然遺產(chǎn)名錄》;2004年被聯(lián)合國(guó)教科文組織列入世界地質(zhì)公園.其擁有系統(tǒng)完整的微地貌，保存一套完善的砂巖峰林演化模式，具有重要的科研價(jià)值和美學(xué)價(jià)值，是難得的天然博物館和罕見的旅游名勝地.

根據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織定義，建設(shè)世界地質(zhì)公園有3項(xiàng)重要目的:(1)保護(hù)地質(zhì)遺產(chǎn);(2)普及地球科學(xué)知識(shí);(3)通過發(fā)展旅游，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展.相對(duì)于廣泛分布的喀斯特地貌，張家界地貌的形成演化階段研究程度相對(duì)薄弱，且形成演化機(jī)理缺乏一致的認(rèn)可.該文在綜合前人研究的基礎(chǔ)上，著重探討張家界地貌形成演化過程及其成因機(jī)制等方面，并對(duì)張家界地貌的演化進(jìn)行階段性劃分，旨在為地學(xué)旅游和地質(zhì)遺產(chǎn)的保護(hù)提供重要參考.

1 相關(guān)文獻(xiàn)回顧

眾多學(xué)者對(duì)張家界地貌進(jìn)行了調(diào)查研究，在成因機(jī)制、演化過程及發(fā)育特征等方面取得了一些進(jìn)展.

關(guān)于該地貌的命名，自20世紀(jì)80年代爭(zhēng)論不斷，文獻(xiàn)[3]將其與丹霞地貌對(duì)比后提出“砂巖峰林地貌”;文獻(xiàn)[4]認(rèn)為該區(qū)域在多種作用下所產(chǎn)生界、峪、谷、峰組合的地貌形態(tài)綜合體應(yīng)專稱為“張家界—索溪峪地貌”;文獻(xiàn)[5]提出張家界轄區(qū)構(gòu)成了一套景觀系列完整、時(shí)空分布緊湊的地質(zhì)公園，應(yīng)名為“張家界地貌”;文獻(xiàn)[6]從地貌形態(tài)、基巖特征、構(gòu)造控制等方面進(jìn)行研究后提出“張家界柱峰砂巖地貌”.

在演化過程方面，文獻(xiàn)[7]將砂巖峰林的演化分為沉積蓋層發(fā)育階段、造山隆起階段、湘西期準(zhǔn)平原狀高原面形成階段、索溪峪期切割階段、張家界期寬谷面形成階段、澧水期切割階段.該研究較為詳細(xì)的劃分出該區(qū)域的地質(zhì)發(fā)展演化史，但是缺乏對(duì)張家界地貌景觀類型的形成演化的研究.文獻(xiàn)[8]將其演化過程分為構(gòu)造背景階段、早期初始方山與條狀脊嶺階段、中期巖峰石柱階段、晚期坍塌支解階段.該劃分缺乏主題且過于粗略且不夠具體，對(duì)峽谷、嶂谷和方山等地貌的形成缺乏相應(yīng)分析.文獻(xiàn)[9]認(rèn)為砂巖峰林的演化程序?yàn)?夷平面——嶂谷、峽谷——山麓剝蝕平臺(tái)——石墻、方山——石峰、石柱——稀疏殘林.該研究主要針對(duì)新生代以來(lái)的喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)張家界地貌景觀的形成和演化的影響.

張家界地貌的形成條件也是研究的重點(diǎn)，文獻(xiàn)[10]研究得出地貌發(fā)育的自然因素:地層巖石條件、構(gòu)造背景及裂隙系統(tǒng)、流水和重力作用.文獻(xiàn)[6]提出，第四紀(jì)干濕冷暖的氣侯交替和硬軟相間互層的巖層性質(zhì)，促進(jìn)了該類地貌的形成.文獻(xiàn)[11]通過遙感分析得出張家界石英砂巖峰林地貌巖層產(chǎn)狀平緩，流水沿構(gòu)造破裂面的節(jié)理侵蝕作用造就了石英砂巖峰林地貌的基本形態(tài).文獻(xiàn)[12]提出石英砂巖的特殊巖性對(duì)景觀的形成起決定性因素.

在地貌類型的形態(tài)學(xué)分類上，文獻(xiàn)[8]將地貌分為單面山、方山寨地、巖堡、巖墻、巖柱等類型.該分類中“巖墻”為巖漿巖的專有名詞，此處不適宜.文獻(xiàn)[6]認(rèn)為張家界柱峰砂巖地貌可分為石柱、石峰、石堡、石墻、石崖、石寨、溝、谷、盆九種微地貌形態(tài).該劃分主要從形態(tài)的角度，缺乏對(duì)成因分析的考慮.文獻(xiàn)[13]將張家界地貌分為正地貌、負(fù)地貌和均衡地貌3個(gè)類型.該劃分以幾乎涵蓋了所有地貌類型，但是過于籠統(tǒng)，缺乏地質(zhì)意義.

2 張家界地貌形成演化階段劃分

2.1 劃分依據(jù)和原則

已有研究主要集中在張家界地貌形態(tài)、成因或演化過程的某一個(gè)方面，為該文綜合研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).無(wú)論是張家界地貌規(guī)劃保護(hù)方面，還是地質(zhì)公園開展環(huán)境解說(shuō)、開發(fā)地質(zhì)旅游產(chǎn)品方面，開展張家界地貌的形成演化過程的階段劃分，并詳細(xì)闡述其形成過程就更為必要.

該文對(duì)張家界地貌形成演化階段劃分依據(jù)有二個(gè)方面:1)張家界地貌的形成條件;2)張家界地貌形態(tài)及演化機(jī)理.從張家界地貌在該區(qū)發(fā)育齊全且典型，與其苛刻的形成條件有著密切的關(guān)系，該文認(rèn)為張家界地貌形成條件概括起來(lái)有以下3點(diǎn):(1)特殊的地層巖性，包括較為堅(jiān)實(shí)的下伏基座志留紀(jì)粉砂巖等和堅(jiān)硬的成景母巖泥盆系石英砂巖;(2)特殊的構(gòu)造條件，一是在強(qiáng)烈擠壓和造山隆起中形成許多高角度節(jié)理和裂隙，二是景觀集中發(fā)育于巖層產(chǎn)狀平緩的向斜核部;(3)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的抬升，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)給流水下切和重力崩塌作用提供動(dòng)力和助力，促使地貌景觀的形成.該劃分不僅全面的概括出張家界地貌形成的條件，同時(shí)也體現(xiàn)出地質(zhì)演化的時(shí)代關(guān)系.

文獻(xiàn)[14]調(diào)查研究發(fā)現(xiàn):游客對(duì)“地質(zhì)地貌”類解說(shuō)的需求遠(yuǎn)大于大于“神話傳說(shuō)”等，且現(xiàn)有導(dǎo)游詞和宣傳語(yǔ)中的錯(cuò)誤或模糊的表述易將游客將母巖形成時(shí)代和景觀形成時(shí)代混淆.因此該文根據(jù)游客的從整體到局部的認(rèn)知過程和游客在旅游的游憩性學(xué)習(xí)特點(diǎn)，對(duì)張家界地貌的演化過程進(jìn)行多級(jí)的階段性劃分，讓普通大眾更好更快的接受地學(xué)知識(shí)，達(dá)到地質(zhì)公園建設(shè)的目的之一，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)乃至世界上88家世界地質(zhì)公園提供參考.

2.2 張家界地貌形成演化的階段劃分

根據(jù)地貌形成條件、演化過程和游客的認(rèn)識(shí)過程與規(guī)律，該文將張家界地貌整個(gè)生命周期分為三大階段:巖體形成階段(中志留紀(jì)—晚泥盆紀(jì))，擠壓剝蝕階段(侏羅紀(jì)—新近紀(jì))，地貌演化階段(第四紀(jì)).其中巖體形成階段又分為堅(jiān)硬的基地巖石、張家界地貌母巖形成階段兩部分;擠壓剝蝕階段分為擠壓褶皺和剝蝕解體階段兩部分;地貌演化階段分為嶂谷、峽谷，剝蝕平臺(tái)，方山、石墻，石峰、石柱和殘林、孤峰形成階段五個(gè)部分.該劃分清晰的、直觀的理解張家界地貌的演化過程和形成機(jī)理(見表1):

表1 張家界地貌形成演化階段劃分Tab.1 Evolution Phases of Zhangjiajie Landform

1)成景母巖形成階段(中泥盆紀(jì)—三疊紀(jì)).(1)堅(jiān)實(shí)的基地巖層形成階段(中志留紀(jì)).張家界地區(qū)繼雪峰運(yùn)動(dòng)之后，即轉(zhuǎn)入一個(gè)穩(wěn)定的地臺(tái)發(fā)育期.中志留世，該區(qū)發(fā)育碎屑巖沉積，發(fā)育厚約479.0 m秀山組(S2xs)灰綠、灰色泥質(zhì)粉砂巖夾紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖等和厚約480.13 m小溪峪組(S2x)灰綠黃綠色粉砂巖、石英粉砂巖、含石英管狀結(jié)核等(見表2)，出露于公園的北、南和西邊.該套巖層巖性堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)致密，故能承受上覆云臺(tái)觀組巖石，是理想的下伏基座，也是張家界地貌形成重要條件之一.(2)張家界地貌母巖形成階段(中—晚泥盆紀(jì)).志留紀(jì)末的加里東運(yùn)動(dòng)，使湘西北地區(qū)地殼大面積抬升，長(zhǎng)期處于剝蝕狀態(tài)，造成區(qū)內(nèi)晚志留世及早泥盆世地層的缺失.中泥盆世時(shí)地殼下降，海水從黔東海峽侵及該區(qū)，由江南古陸所帶來(lái)的大量碎屑物質(zhì)在中志留統(tǒng)的侵蝕面上沉積了一套濱海相的石英砂巖，形成厚達(dá)526.2 m的云臺(tái)觀組(D2yn)巨厚層－厚層層石英砂巖夾粉砂巖.晚泥盆世早期，海水時(shí)進(jìn)時(shí)退，為海陸交互相環(huán)境，沉積一套黃家磴組(D3h)紫紅色鐵質(zhì)細(xì)粒石英砂巖，含鮞狀赤鐵礦層，俗稱“鐵帽”(見表2).分選性好、磨圓度高、成分均一且質(zhì)地堅(jiān)硬的石英砂巖是張家界地貌的成景母巖，加之抗風(fēng)化能力較強(qiáng)的鮞狀赤鐵礦層的保護(hù)，不僅減緩侵蝕，也保護(hù)下伏巖層免于侵蝕，使得峰林高聳挺拔.

表2 張家界武陵源世界地質(zhì)公園地層簡(jiǎn)表Tab.2 Stratum List of Zhangjiajie World Geopark

續(xù)表2

2)擠壓剝蝕階段(侏羅紀(jì)—新近紀(jì)).(1)擠壓褶皺階段(中侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)).晚三疊世早期，強(qiáng)烈的印支運(yùn)動(dòng)使該區(qū)普遍上升為陸，至此結(jié)束了海相沉積.中侏羅紀(jì)至白堊紀(jì)期間的燕山運(yùn)動(dòng)中，在西北—南東向的強(qiáng)烈擠壓作用下，使整個(gè)地區(qū)隆起成山，從而奠定了該區(qū)構(gòu)造的基本格局.擠壓褶皺運(yùn)動(dòng)使堅(jiān)硬的志留系石英砂巖形成眾多的不同方向的高角度節(jié)理和裂隙(見圖1)，其中以北北西和北東走向兩組節(jié)理最為發(fā)育，為日后成景過程中流水切割、重力崩塌和差異風(fēng)化提供條件，且節(jié)理的密度和分布的差異造就了不同大小和形態(tài)的景觀類型.(2)剝蝕解體階段(古近紀(jì)—新近紀(jì)).在燕山運(yùn)動(dòng)的減弱后，地殼相對(duì)穩(wěn)定.形成區(qū)內(nèi)海拔1 200 m的湘西期夷平面，隨著喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的興起，中國(guó)東部發(fā)生強(qiáng)烈的地殼差異升降運(yùn)動(dòng)，特別是第二階梯和第三階梯的強(qiáng)烈抬升過程，最終夷平面解體，形成海拔800 m的武陵源期剝夷面(見圖2).

圖1 張家界世界地質(zhì)公園遙感解譯線性構(gòu)造分布圖(蘇信初等[15]Fig.1 Structure Distribution of Zhangjiajie World Geopark by Remote Sensing(SU Xinchu.et al[15]))

圖2 張家界武陵源地區(qū)地貌結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.2 Profile Map of Wulingyuan

3)地貌形成階段(第四紀(jì)).根據(jù)張家界地貌的典型地質(zhì)景觀類型及其成因關(guān)系，該文將其其演化歷程大致為嶂谷、峽谷——山麓剝蝕平臺(tái)——方山、石墻——石峰、石柱——?dú)埩?、孤?各階段現(xiàn)今均有保留，演化也仍在繼續(xù)，該劃分不僅涵蓋了張家界地貌中最具代表意義和指示性質(zhì)的主要地貌類型，同時(shí)更好的展示和揭露出各類型景觀的特性和成因關(guān)系.(1)嶂谷、峽谷形成階段.地殼抬升流水沿?cái)鄬庸?jié)理下切形成嶂谷、峽谷.由于棲霞組(P1g)地層的下部多為疏松的頁(yè)巖夾灰?guī)r透鏡體，很容易侵蝕.隨著河流不斷下切，巖體節(jié)節(jié)后退，于是沿向斜軸部形成金鞭溪峽谷，沿?cái)鄬悠扑閹纬膳孟?、杉刀溪、鴛鴦溪、干溪等峽谷(見圖3).(2)山麓剝蝕平臺(tái)形成階段.中更新世期間[16]，隨著河流回春，下切作用復(fù)盛.地表片流沿峽谷兩側(cè)侵蝕，石灰?guī)r的陡坡節(jié)節(jié)后退，形成石英砂巖的山麓剝蝕平臺(tái)(見圖4).現(xiàn)今在天子山邊緣、鴛鴦溪峽谷西側(cè)、索溪峪嶂谷兩側(cè)、后花園和老屋場(chǎng)等地保留許多大小不一的剝蝕平臺(tái).平臺(tái)大小與砂巖垂直節(jié)理的間距大小、疏密有關(guān).(3)方山、石墻形成階段.隨著水的侵蝕作用的加劇，地表流水沿剝蝕平臺(tái)上的垂直節(jié)理侵蝕，形成方山、石墻.方山是由堅(jiān)硬的黃家磴組含鐵石英砂巖為頂面構(gòu)成的四壁陡峭的地貌類型，由產(chǎn)狀水平或近水平的堅(jiān)硬巖層受到強(qiáng)烈的切割而形成，以黃石寨、腰子寨等為代表.石墻為流水沿平臺(tái)或方山規(guī)模較大的一組節(jié)理侵蝕形成溪溝，兩側(cè)巖石陡峭，如百丈崖、天波府峰墻等(見圖5).(4)石峰、石柱形成階段.隨著流水侵蝕、風(fēng)化作用和崩塌作用不斷進(jìn)行，平臺(tái)、方山和石墻可被切割成石峰、石柱(見圖6).一般隨著垂直節(jié)理的密集程度的增大而變得稀疏矮小.如垂直節(jié)理密集的御筆峰、西海峰林等相對(duì)矮小;而垂直節(jié)理稀疏間距較大的如鴛鴦溪、金鞭溪兩岸則相對(duì)高大.常見的形態(tài)有:方柱狀、棒槌狀、錐狀、塔狀、片狀、掌狀等.(5)殘林、孤峰形成階段.流水繼續(xù)下切，峰柱高度變小，數(shù)量變少，柱體紛紛倒塌，只剩下若干孤立的峰柱，即形成殘林地貌.如河流下游地段的駱駝峰、仙女獻(xiàn)花、猛虎嘯天等.殘林已是砂巖峰林的晚期產(chǎn)物，它的消亡預(yù)示著新地貌類型的誕生.

圖3 峽谷Fig.3 Gorge

圖4 山麓剝蝕平臺(tái)Fig.4 Platform

圖5 石墻Fig.5 Stone－wall

圖6 峰柱Fig.6 Stone Pillar

2.3 張家界地貌的演化預(yù)測(cè)

現(xiàn)今的張家界地貌屬于第四紀(jì)地貌旋回早期，地貌類型演化正處于青壯年期[17].根據(jù)以上地貌演化階段分析，該文得出張家界地貌類型演化示意圖(見圖7).

張家界地貌的演化趨勢(shì)取決于于巖石性質(zhì)和演化動(dòng)力.隨著演化動(dòng)力的繼續(xù)，在溝谷的下游將會(huì)趨向于石柱、殘林演化，但源頭地區(qū)還會(huì)有新地貌不斷新生.無(wú)論新地貌的誕生還是老地貌的消減，都將是一個(gè)較長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期和地貌過程.

圖7 張家界地貌類型演化示意圖Fig.7 Evolution Diagram of Different Landscape Types

3 討論

張家界地貌是一種相對(duì)年輕并且仍在繼續(xù)發(fā)育的地貌.該文對(duì)張家界地貌的形成演化及其成因機(jī)制進(jìn)行深入的研究和探討，并劃分出3個(gè)一級(jí)階段和9個(gè)二級(jí)階段.該研究科學(xué)直觀的闡釋張家界地貌形成演化關(guān)系和成因聯(lián)系，對(duì)整個(gè)地貌的生命周期有更清晰的認(rèn)知.

旅游業(yè)是一個(gè)具有濃厚科學(xué)文化內(nèi)涵的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，在滿足游客求樂求美的同時(shí)，還應(yīng)滿足游客求知的高層次需求.張家界的景觀解說(shuō)中，通常冠以神話傳說(shuō)或者奇聞?shì)W事，對(duì)大眾正確地認(rèn)識(shí)張家界地貌的形成機(jī)制和演化過程具有極大的誤導(dǎo)性.因此，應(yīng)以科學(xué)研究為基礎(chǔ)，以科學(xué)理論為依據(jù)進(jìn)行科學(xué)解說(shuō)，避免過多的象形和神話色彩.

此外，由于石英砂巖發(fā)育水平層理，且在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中形成不同程度不同方向的節(jié)理和裂隙，導(dǎo)致巖石塊體易發(fā)生崩塌.因此，公園在開發(fā)時(shí)更應(yīng)注重旅游資源的科學(xué)合理利用與保護(hù)工作，采取科學(xué)有效的方法，保障游人生命財(cái)產(chǎn)安全，以利于地貌景觀資源的合理保護(hù)和區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展.

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