潘志新, 彭　華*, 任　舫, John ENCARNACION

1)中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 廣東廣州 510275;　2)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081; 3)美國(guó)圣路易斯大學(xué)地球與大氣科學(xué)系, 美國(guó)密蘇里州圣路易斯 63108

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美國(guó)Zion國(guó)家公園紅層地貌發(fā)育研究

潘志新1), 彭華1)*, 任舫2), John ENCARNACION3)

1)中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 廣東廣州 510275;2)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081; 3)美國(guó)圣路易斯大學(xué)地球與大氣科學(xué)系, 美國(guó)密蘇里州圣路易斯 63108

摘要:隨著中國(guó)紅層和丹霞地貌研究逐步走向國(guó)際, 國(guó)內(nèi)學(xué)者走出國(guó)門去認(rèn)識(shí)和了解國(guó)外的紅層及其地貌發(fā)育顯得尤為必要。Zion國(guó)家公園是美國(guó)西部紅層的典型代表, 在干旱氣候環(huán)境下發(fā)育了高原-峽谷景觀。本文通過(guò)野外考察和巖樣分析, 從地質(zhì)構(gòu)造、巖性特征和外動(dòng)力等方面來(lái)探討Zion公園的紅層地貌發(fā)育機(jī)制。研究表明: Zion公園為科羅拉多高原西部邊緣的斷塊山地, 公園內(nèi)褶皺很少, 斷層稀疏, 但節(jié)理密集, 控制了峽谷群的發(fā)育。公園內(nèi)地貌發(fā)育的主體地層為紅層, 主要形成于侏羅紀(jì), 其沉積環(huán)境復(fù)雜多變,兼具濱/淺海、河流、湖泊和沙漠等。巖性特征上, Zion公園的紅層以細(xì)砂巖和粉砂巖為主。其中, 形成崖壁的主要為風(fēng)成相石英砂巖, 但各段巖石的膠結(jié)特性不同, 導(dǎo)致其巖石強(qiáng)度和顏色有較大差異。此外, 還發(fā)現(xiàn)Zion公園紅層的巖石強(qiáng)度和山體坡度并不呈正相關(guān)關(guān)系, 它還與巖性是否均一有關(guān)。細(xì)粒均一的風(fēng)成相砂巖和河流相Springdale段砂巖發(fā)育成陡崖, 其余含有軟巖夾層的巖層只能形成緩坡。外動(dòng)力方面, 流水下切是主導(dǎo)因素, 同時(shí)流水側(cè)蝕和地下水的基蝕作用等對(duì)Zion公園的地貌發(fā)育也有重要影響。

關(guān)鍵詞:Zion國(guó)家公園; 紅層; 丹霞地貌; 發(fā)育機(jī)制

本文由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào): 41171013)和國(guó)家留學(xué)基金委公派留學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生項(xiàng)目(編號(hào): 201306380019)聯(lián)合資助。

紅層是丹霞地貌形成的物質(zhì)基礎(chǔ), 是丹霞地貌研究中不可回避的重要問題(彭華等, 2013; 陳麗紅等, 2015)。近年來(lái), 隨著“中國(guó)丹霞”申遺成功和幾次丹霞地貌國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議的召開, 中國(guó)的紅層和丹霞地貌研究逐漸為外界所知。但此前由于缺乏國(guó)際交流和諸多條件所限, 國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)國(guó)外的紅層及其地貌發(fā)育缺乏了解。只有少數(shù)學(xué)者在文獻(xiàn)整理的基礎(chǔ)上對(duì)國(guó)外的紅層和丹霞地貌進(jìn)行過(guò)簡(jiǎn)單介紹(尹德濤, 2002; 張忍順和齊德利, 2003; 劉尚仁和彭華, 2006; 趙汀等, 2014)。但這些研究大多是基于期刊、雜志和一些照片的判讀, 缺乏一手的數(shù)據(jù)資料對(duì)這些國(guó)外紅層分布區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景和地貌發(fā)育過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)說(shuō)明, 甚至將一些并非發(fā)育在紅層基礎(chǔ)上的地貌也誤認(rèn)為是丹霞地貌。因而, 中國(guó)的丹霞地貌研究要想走向世界, 首先研究丹霞地貌的人應(yīng)走出去看看外面的丹霞地貌。

據(jù)現(xiàn)有研究所知, 美國(guó)西部的科羅拉多高原是世界上中生代紅層的主要分布區(qū), 形成了很多著名的地貌景觀。它們和中國(guó)的丹霞地貌一樣, 都是發(fā)育在紅層基礎(chǔ)上的流水侵蝕地貌, 整體外觀都呈紅色, 且都有顯著的陡崖坡。2013年10月, 筆者(本文第一作者)有幸獲得國(guó)家留學(xué)基金委公派留學(xué)項(xiàng)目的資助, 赴美國(guó)圣路易斯大學(xué)(Saint Louis University)進(jìn)行為期兩年的交流和學(xué)習(xí)。在美留學(xué)期間,筆者對(duì)美國(guó)西部的紅層及其地貌發(fā)育進(jìn)行了考察,并選擇猶他州的Zion國(guó)家公園作為研究案例地。在實(shí)地考察和巖樣分析的基礎(chǔ)上, 本文嘗試探討地質(zhì)構(gòu)造、巖性和外動(dòng)力等因素是如何影響Zion公園紅層地貌的發(fā)育, 為國(guó)內(nèi)同行了解美國(guó)西部的紅層及其地貌發(fā)育提供參考。

Zion國(guó)家公園位于美國(guó)猶他州西南邊緣Washington郡的Springdale鎮(zhèn)附近, 中心點(diǎn)地理坐標(biāo)為37°12′09″N, 112°59′16″W, 總面積為590 km2。氣候上, Zion公園屬半干旱的溫帶大陸性氣候, 多年日平均氣溫為16.8℃, 多年平均降水量為411.2 mm。水文方面, 整個(gè)Zion公園都屬Virgin河水系。其中, 發(fā)源于公園北部高原的Virgin河北部支流——North Fork, 自北向南對(duì)巖層進(jìn)行切割侵蝕, 形成Zion峽谷(Zion Canyon)(圖版I-A)。North Fork在Zion公園境內(nèi)全長(zhǎng)約24 km, 河谷最深達(dá)800 m, 河道坡降達(dá)9.5~15.2 m/km, 是北美坡降最大的河流之一(Biek et al., 2000)。

地貌單元上, Zion公園位于科羅拉多高原(Colorado Plateau)的西部邊緣, 處于科羅拉多高原、大盆地(Great Basin)和莫哈維沙漠(Mojave Desert)等美國(guó)西部三大地理區(qū)的交界處。公園地勢(shì)自西向東緩傾, 最高點(diǎn)為馬場(chǎng)山(Horse Ranch Mountain),海拔2660 m; 最低點(diǎn)為公園西南角的煤礦洼地(Coalpits wash), 海拔1117 m?？傮w上, Zion公園可分為東南和西北兩大片區(qū)。東南部為Zion峽谷區(qū),包括Zion峽谷兩側(cè)和公園東部的猶他州9號(hào)公路(Utah-9, 也即Zion-Mt. Carmel Highway)沿線, 以高原方山、峽谷和砂巖崖壁為主要地貌景觀(圖版I-B、C); 西北部為Kolob峽谷區(qū), 以指狀峽谷群為主要景觀(圖版I-D)。其中, Zion 峽谷區(qū)的砂巖崖壁和峽谷群是Zion國(guó)家公園最重要的地貌特征, 也是本文的研究重點(diǎn)(圖1)。

1　研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景

1.1區(qū)域構(gòu)造演化

圖1　Zion國(guó)家公園的地理區(qū)位Fig. 1　Location map of Zion National Park

Zion公園所在地區(qū)構(gòu)造格局的形成與中生代期間太平洋板塊向北美板塊的俯沖碰撞及其衍生的三次造山運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。中生代以前, Zion公園處于泛大陸西部邊緣的大陸架淺海環(huán)境(Biek et al., 2000)。直到三疊紀(jì)末, 由于泛大陸分裂解體, 北美大陸開始向西北漂移。與此同時(shí), 太平洋板塊向北美大陸西部的俯沖碰撞, 在西部海岸火山鏈和古洛基山脈之間形成了一個(gè)大型的弧后盆地——西部?jī)?nèi)陸盆地(Western Interior Basin)(Beaumont et al., 1993), 開始接受大陸沉積, 并一直持續(xù)到中侏羅世。尤其是早侏羅世末至中侏羅世早期, 因北美大陸漂移至副熱帶地區(qū), 同時(shí)太平洋板塊繼續(xù)向北美板塊俯沖形成的Nevedan 造山運(yùn)動(dòng), 使整個(gè)西部?jī)?nèi)陸盆地處于副熱帶雨影區(qū), 形成廣袤的沙漠環(huán)境和巨厚的風(fēng)沙沉積(Schweickert et al., 1984; Blakey et al., 1988; Wolf and Saleeby, 1992)。

中侏羅世至早白堊世期間, 太平洋板塊向北美板塊俯沖加速, 在北美大陸西部產(chǎn)生了向東的壓應(yīng)力, 形成了Sevier造山運(yùn)動(dòng)。它使北美大陸西部山脈進(jìn)一步隆起, 西部?jī)?nèi)陸盆地進(jìn)一步下沉, 面積擴(kuò)大(Heller et al., 1986; Mitrovica et al., 1989)。海水分別從北極和墨西哥灣相繼侵入盆地, 并最終貫通形成了西部?jī)?nèi)陸海道(Western Interior Seaway)(Kauffman, 1977; Wright, 1987)。Zion公園位于該海道的西部邊緣, 大陸沉積過(guò)程結(jié)束(Graham, 2006)。

白堊紀(jì)末, 太平洋板塊向北美板塊俯沖角度變小, 引起深部巖漿上涌和地殼隆升, 形成Laramide造山運(yùn)動(dòng)。一方面, 它使西部?jī)?nèi)陸海道關(guān)閉, 落基山脈開始隆起, 科羅拉多高原被整體抬升(Spencer, 1996; English and Johnson, 2004)。另一方面, 受弧后擴(kuò)張作用的影響, 北美大陸板塊向西延展變薄,在科羅拉多高原西部形成盆地和山脈區(qū)(Basin and Range)(Eaton, 1982; DePolo et al., 1991)。同時(shí), 地殼的張應(yīng)力使科羅拉多高原西部邊緣發(fā)生破裂, 形成一系列向西陡傾的正斷層和密集分布的節(jié)理, Zion公園即為科羅拉多高原西部邊緣與盆地和山脈區(qū)過(guò)渡處的一個(gè)斷塊體(Biek et al., 2000)。

圖2　Zion公園及其周邊的斷層分布Fig. 2　Distribution of faults in Zion National Park and vicinityTC-Taylor Creek Thrust Fault; BTC-Bear Trap Canyon Fault; WC-Wildcat Canyon Fault; ECM-East Cougar Mountain Fault; WCM-West Cougar Mountain Fault

1.2地質(zhì)構(gòu)造特征

Zion公園褶皺很少, 控制地貌發(fā)育的主要是斷裂構(gòu)造。其東西兩側(cè)分別為Sevier斷層和Hurricane斷層, 它們均為向西陡傾的正斷層, 將Zion公園與其它構(gòu)造單元相分隔。在Zion公園內(nèi), 還有一些規(guī)模較小的斷層, 包括東Cougar Mountain斷層、西Cougar Mountain斷層、Wildcat Canyon斷層和Bear Trap Canyon斷層等。它們也大多為向西陡傾的正斷層, 集中在Kolob峽谷區(qū)和Zion峽谷西側(cè), 而Zion峽谷東側(cè)基本上沒有斷層分布(圖2)。

與稀疏的斷層相比, Zion公園的節(jié)理分布非常密集, 且主要集中在公園東南部的Zion峽谷區(qū)。它們大多傾角近直立, 切穿Navajo組砂巖, 對(duì)Zion公園峽谷群的形成具有控制作用。具體而言, Zion公園的節(jié)理主要可分為以下三組: (1)組為北北西走向(350°), 延伸長(zhǎng)度很大, 相互平行且呈規(guī)則分布(間距約0.5km), 是Zion公園最重要、分布最廣的節(jié)理,被認(rèn)為是盆地和山脈區(qū)向西延展時(shí)的張應(yīng)力作用于科羅拉多高原西部邊緣的重要證據(jù)(Roger et al., 2004); (2)組為北北東走向(20°), 主要分布在Zion峽谷西部, 并和(1)組節(jié)理相交, 延伸長(zhǎng)度較小, 發(fā)育的峽谷也較短小; (3)組為近東西走向(250°~280°),主要分布在Kolob峽谷區(qū)西北部邊緣, 其長(zhǎng)度也較短, 發(fā)育了一組平行排列的指狀峽谷群。

1.3地層組合與產(chǎn)狀

圖3　Zion國(guó)家公園地層分布簡(jiǎn)圖Fig. 3　Simplified stratigraphic map of Zion National Park

Zion公園的地層年代跨越了二疊紀(jì)—白堊紀(jì),但以侏羅紀(jì)為主。在此期間, Zion公園所在地區(qū)經(jīng)歷了淺-濱海、河流、湖泊、沙漠等各種沉積環(huán)境的交錯(cuò)變化, 自下而上沉積并出露了Kaibab組至Dakota組等9組巖層(圖3和表1)。除底部的Kaibab組和頂部的Carmel組為石灰?guī)r外, Zion公園地貌發(fā)育的主體地層為紅層。其中, 形成于早—中侏羅世的Navajo組砂巖是形成Zion公園地貌景觀的標(biāo)志性地層。同時(shí), 它也是地球上現(xiàn)存最大規(guī)模的沙丘沉積(在Zion公園出露的平均厚度為610 m, 最大厚度為670 m)(Biek et al., 2000), 以大型板狀交錯(cuò)層理為特征, 并且自下而上還有紅褐色-粉紅色-白色的顏色變異(圖版I-E、F)。

巖層產(chǎn)狀方面, Zion公園的巖層整體保持近水平的產(chǎn)狀。只有Kolob峽谷區(qū)西北部, 由于受Taylor Creek逆沖斷層帶的影響, 下部巖層被錯(cuò)斷向上仰沖, 形成向東傾斜20°~35°的單斜構(gòu)造。但越往東,由于上覆巖層的壓力作用, 巖層傾角迅速變小至接近水平。

2　Zion國(guó)家公園的紅層巖性特征

為探究不同巖性紅層對(duì)Zion公園地貌發(fā)育的影響, 在野外考察過(guò)程中沿Zion峽谷兩側(cè)采集了主要出露的4個(gè)巖層組, 共10個(gè)巖性段(自上而下分別為: Temple Cap組的White Throne段和Sinawava 段; Navajo組的White段、Pink段和Brown段; Kayenta組的Tenney Canyon Tongue段、Lamb Point Tongue段、Main Body段和Springdale段; Moenave組的Whitmore Point段)的手標(biāo)本巖樣。巖樣尺寸約為7 cm×7 cm×7 cm, 共計(jì)51塊, 帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析。

表1　Zion國(guó)家公園出露的地層Table 1　Geological formations exposed in Zion National Park

表2　Zion國(guó)家公園的紅層巖樣薄片鑒定結(jié)果Table 2　Analysis of thin sections of red bed rock samples taken from Zion National Park

圖4　偏光顯微鏡下的巖樣薄片圖像(－, 單偏光; ＋, 正交偏光)Fig. 4　Photos of thin sections under polarized light microscope(－, plane-polarized light; ＋, crossed nicols)

2.1巖樣薄片鑒定

在巖樣薄片鑒定實(shí)驗(yàn)中, 共選取12個(gè)巖樣制作薄片(其中10個(gè)巖性段各選取1個(gè), 另外還選擇了2個(gè)泥巖夾層巖樣), 使用型號(hào)為Nikon Eclipse E600 POL的偏光顯微鏡來(lái)觀察描述薄片。鑒定的主要內(nèi)容包括粒級(jí)、顆粒分選性、磨圓度、主要碎屑成分、膠結(jié)物和膠結(jié)方式等, 并對(duì)薄片的典型視域進(jìn)行拍照。巖樣薄片鑒定結(jié)果見表2和圖4。

由表2和圖4可知, Zion公園各采樣的巖層組/段基本都為細(xì)砂-粉砂巖, 部分含泥質(zhì)巖夾層。其中,風(fēng)成相的各巖層組/段(Temple組White Throne段、整個(gè)Navajo組、以及Kayenta組Lamb Point Tongue 段)均為細(xì)粒的石英砂巖, 它們顆粒均一、分選性和磨圓度都較好。但各段在膠結(jié)特性和顆粒接觸方式上存在很大差異。其中, 白色外觀的Temple Cap組White Throne段、Navajo組White段和Kayenta組Lamb Point Tongue段巖樣中鐵質(zhì)膠結(jié)物都很少, 特別是White Throne段和White段粒間孔隙很多, 膠結(jié)物也很少, 為弱膠結(jié)型, 巖石顆粒非常容易剝落; Lamb Point Tongue段膠結(jié)物也很少, 為少量鈣質(zhì)膠結(jié), 但它的顆粒接觸較緊密(為接觸-壓嵌式膠結(jié))。相比之下, 同為風(fēng)成相沉積的Navajo組Pink段和Brown段, 它們的粒間接觸緊密, 且顆粒周圍普遍有鐵染。良好的膠結(jié)特性使這兩段巖層更為堅(jiān)硬,抗風(fēng)化侵蝕能力更強(qiáng)。

其它河/湖相沉積的巖性組/段, 除Kayenta組Springdale段為細(xì)粒均一的粉砂巖外, 其余都為細(xì)砂-粉砂巖和泥質(zhì)巖類夾層組成。這些細(xì)砂-粉砂巖在碎屑物質(zhì)、顆粒分選性、磨圓度、膠結(jié)方式和顆粒接觸方式都較接近, 都含鐵質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)物。但它們的泥質(zhì)巖類夾層都以鐵質(zhì)膠結(jié)物為主, 都為基底式膠結(jié), 抗風(fēng)化侵蝕能力弱。

2.2巖樣元素氧化物分析

為分析各巖層組/段的物質(zhì)組成特征, 本研究采用X射線熒光光譜分析法(X-ray fluorescence, XRF)對(duì)巖樣的主要元素氧化物含量進(jìn)行測(cè)定。在巖樣的選擇上, 本實(shí)驗(yàn)使用制作巖石薄片時(shí)切割剩余的巖樣碎塊, 即使用和巖石薄片鑒定完全一致的巖樣(共計(jì)12個(gè))進(jìn)行測(cè)定。為便于分析, 將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸為風(fēng)成相砂巖(Tw1、Nw1、Np1、Nb1、Kl1)、河流相砂巖(Ts1、Kt1、Km1、Ks1、Mw1)和湖泊相泥巖(Kt2、Km2)三大類, 并計(jì)算各元素氧化物含量的平均值, 結(jié)果見表3和圖5。

圖5　Zion國(guó)家公園三種不同類型巖樣的主要元素氧化物平均重量百分比對(duì)比Fig. 5　Comparison on average weight percentages of major element oxides of three types of rock samples (wt% refers to weight percentage)

由表3和圖5可知, 所有測(cè)試巖樣都以SiO2含量最高。其中, 風(fēng)成相砂巖的SiO2含量都在90%左右, 這與風(fēng)沙沉積中石英顆粒相對(duì)富集有關(guān)。但在CaO含量和其它元素氧化物含量方面, 風(fēng)成相砂巖都是最低的, 這是因?yàn)樗鼈冣}質(zhì)膠結(jié)物、長(zhǎng)石和粘土礦物少導(dǎo)致的。此外, 值得注意的是, 在Fe2O3含量上, 風(fēng)成相各段砂巖之間存在較大差異。巖樣Tw1、Nw1和Kl1的外觀雖然呈白色/淡黃色, 在偏光顯微鏡下除局部偶見有鐵質(zhì)團(tuán)狀物, 顆粒周圍很少有褐紅色的鐵質(zhì)膠結(jié)物, 但XRF的測(cè)試結(jié)果卻發(fā)現(xiàn), 它們的Fe2O3含量甚至比紅色外觀的Np1和Nb1還高。這可能是因?yàn)榘咨庥^的風(fēng)成相砂巖顆粒間的鐵質(zhì)團(tuán)狀物成分為針鐵礦(FeO[OH]·nH2O)或磁鐵礦(Fe3O4), 它們對(duì)巖石外觀的著色作用并不明顯, 但在高溫灼燒下, 針鐵礦會(huì)發(fā)生脫水反應(yīng),形成赤鐵礦(Fe2O3)(Jiang et al., 2015), 從而使該它們的鐵質(zhì)含量比紅色外觀的Np1和Nb1還要高。

河流相砂巖巖樣中, 基本上所有的元素氧化物含量都介于風(fēng)成相砂巖和湖泊相泥巖之間, 但其CaO含量較高, 特別是Ts1的CaO含量達(dá)到13.41%。這可能是因?yàn)門s1所在的Temple Cap組上覆巖層為Carmel組石灰?guī)r, 碳酸鈣被雨水溶解后向下淀積。但由于Temple Cap組的上段-White Throne段為風(fēng)成相砂巖, 其粒間孔隙較大, 富鈣溶液在此段巖層中難以淀積, 因而得以繼續(xù)往下運(yùn)移, 直至粒間孔隙較小、透水性較差的Sinawava段時(shí)發(fā)生大量淀積。

對(duì)于湖泊相泥巖夾層巖樣而言, SiO2的平均含量最低, 但其它元素氧化物含量基本都是最高, 說(shuō)明其化學(xué)風(fēng)化最為強(qiáng)烈, 產(chǎn)生的粘土礦物較多。

2.3巖石強(qiáng)度測(cè)定

為避免大量采集巖樣對(duì)公園巖體的破壞, 在野外考察中使用了施密特錘(Schmidt Hammer, N型) 對(duì)Zion公園各采樣巖性段的巖石強(qiáng)度進(jìn)行原位測(cè)定。根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(International Society forRock Mechanics, ISRM)制定的施密特錘巖石強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(Aydin and Basu, 2005; Viles et al., 2011),在野外測(cè)試時(shí), 每個(gè)采樣的巖性段選取15個(gè)測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)讀取20個(gè)回彈值數(shù)據(jù), 以較高的10個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為該測(cè)點(diǎn)的巖石強(qiáng)度值。各測(cè)試巖性段的回彈值數(shù)據(jù)見表4和圖6。

表3　Zion國(guó)家公園巖樣的主要元素氧化物XRF測(cè)試結(jié)果Table 3　Data of major element oxides by XRF analysis on rock samples of Zion National Park

圖6　Zion國(guó)家公園各測(cè)試巖性段的回彈值數(shù)據(jù)Fig. 6　Rebound values of rock members for sampling in Zion National Park

由表4和圖6可知, Zion公園各采樣巖性段的巖石強(qiáng)度存在明顯差異。其中, 風(fēng)成相白色外觀的Temple Cap組White Throne段、Navajo組White段和Kayenta組Lamb Point Tongue段的平均回彈值相對(duì)最小, 分別為38.6、42.3和44.8, 這是因?yàn)樗鼈冭F質(zhì)膠結(jié)物很少, 顆粒間多為點(diǎn)狀接觸, 孔隙較大,因而其巖石結(jié)構(gòu)比較松散, 巖石強(qiáng)度較低。這其中, Lamb Point Tongue段因成巖壓實(shí)作用較好, 顆粒間接觸相對(duì)更緊密, 故其強(qiáng)度是這三段中最大。相比之下, 同為風(fēng)沙沉積的Navajo組Pink段和Brown 段, 因其含有大量的鐵質(zhì)膠結(jié)物, 顆粒間接觸緊密,多為線狀接觸, 其巖石強(qiáng)度也要大得多, 平均回彈值分別為51.1和52.1。

河流相和湖泊相沉積的Temple Cap組Sinawava段, Kayenta組的Tenney Canyon Tongue段和Springdale段, 以及Moenave組的Whitmore Point 段, 它們的平均回彈值都比較接近(在45~48左右)。這是因?yàn)檫@四個(gè)巖性段在顆粒粒徑、膠結(jié)物成分和含量, 以及顆粒接觸方式等都很接近。在這四段巖石中, Springdale段的平均回彈值最大, 可能是因?yàn)槠漕w粒分選好, 巖石更為致密均一。另外, Main Body段的數(shù)值較異常(平均回彈值為53.8), 明顯大于其上下的各巖性段, 這是因?yàn)樵摱螏r石本身膠結(jié)很好, 且相比其它巖性段, 它的顆粒分選更好, 粒間接觸也更緊密。

此外, 巖石強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果還表明, 巖石強(qiáng)度與山體坡度并不呈正相關(guān)關(guān)系, 巖性的均一性也是影響坡面發(fā)育的重要因素。如風(fēng)成相的Temple Cap組White Throne段、整個(gè)Navajo組、Kayenta組Lamb Point Tongue段, 以及河流相的Kayenta組Springdale段, 它們巖性均一, 基本上不含軟巖夾層, 即便有些因膠結(jié)弱, 巖石強(qiáng)度較低, 但仍能形成并保持崖壁形態(tài)(圖版I-G、H), 如Temple Cap組White Throne段和Navajo組White段。其原因可能是這些巖層顆粒接觸不緊密, 粒間孔隙較大, 地下水可以很快地下滲, 導(dǎo)致地下水與巖石礦物之間難以進(jìn)行充分的化學(xué)風(fēng)化, 因而其總體風(fēng)化侵蝕速率較慢, 仍能形成并保持崖壁形態(tài)。相比之下, 那些巖性不均一, 層間差異較大的巖性段, 雖然其中部分巖層膠結(jié)很好, 強(qiáng)度較大, 但因其含有軟巖夾層,容易被風(fēng)化侵蝕, 難以形成崖壁。如Kayenta組Main Body段出露的砂巖層, 其平均回彈值達(dá)到53.8, 在所有采樣巖層中強(qiáng)度最大。但其本身厚度小, 且上下有多層軟弱的泥巖, 易被風(fēng)化侵蝕, 只能在局部形成巖坎。

表4　Zion國(guó)家公園各采樣巖性段的回彈值數(shù)據(jù)Table 4　Rebound values of rock members for sampling at Zion National Park

3　Zion公園地貌發(fā)育的主導(dǎo)外動(dòng)力

Zion公園為高原-侵蝕峽谷景觀, 河道坡降大,地貌發(fā)育的主導(dǎo)外動(dòng)力為強(qiáng)烈的流水下切作用。自白堊紀(jì)末—始新世初科羅拉多高原抬升以來(lái), 以Virgin河北部支流(North Fork)為代表的水系將Zion公園Dakota組以上的的巖層全部侵蝕搬運(yùn)掉, 并不斷下切。據(jù)計(jì)算, 在過(guò)去的一百萬(wàn)年里, Virgin河水系切穿了近400 m厚的巖層(Graham, 2006)。時(shí)至今日, Zion公園的流水侵蝕過(guò)程依然非常強(qiáng)烈, 在當(dāng)前地殼相對(duì)穩(wěn)定的情況下, 它還可以沿Zion峽谷繼續(xù)下切, 直至達(dá)到科羅拉多河的侵蝕基準(zhǔn)面。

在流水的切割侵蝕過(guò)程中, 巖性差異和節(jié)理分布對(duì)流水侵蝕形式和峽谷形態(tài)具有重要影響。Zion公園的各巖層組中, 總體上Navajo組強(qiáng)度最大, 抗侵蝕能力最強(qiáng), 且密集分布有北北西、北北東和近東西走向的三組節(jié)理群。流水?dāng)y泥沙沿這些節(jié)理群的切割侵蝕形成了Zion峽谷, 以及一系列平行排列、規(guī)則分布的支谷和巷谷。在高程圖上沿Zion峽谷的上、中、下游自西向東繪制分別繪制高程剖面曲線可以發(fā)現(xiàn): 在Zion峽谷北部, 即Virgin河北部支流的源頭區(qū)——The Narrows, 流水尚未切穿Navajo組, 在此處形成了深切的V型河谷, 兩側(cè)谷壁陡直, 谷底深窄(圖7a); 在Zion峽谷中段, 流水切穿Navajo組并對(duì)下伏的Kayenta組進(jìn)行侵蝕。該組含有多層泥巖夾層, 巖石強(qiáng)度總體相對(duì)較低, 抗侵蝕能力較弱, 河水開始由下切轉(zhuǎn)為側(cè)蝕, 導(dǎo)致上覆的Navajo砂巖崖壁因失去支撐而不斷崩塌后退,峽谷逐漸展寬(圖7b); 在Zion峽谷南段, Kayenta組下伏的Moenave組也含軟弱的泥質(zhì)粉砂巖層, 其強(qiáng)度也較低, 側(cè)蝕過(guò)程得以繼續(xù)發(fā)展, Zion峽谷被進(jìn)一步拓寬, 形成了寬廣的邊灘(圖7c)。

圖7　Zion峽谷的侵蝕形態(tài)和巖層之間的關(guān)系Fig. 7　Relationship between the geometry of Zion Canyon and rock strata

圖8　透水性不同的巖層接觸面由地下水的基蝕作用形成的隱拱(a)和額狀洞穴(b)Fig. 8　Blind arch (a) and forehead-shaped cave (b) formed by sapping process of groundwater at the contact of rock strata with permeability difference

除流水的下切和側(cè)蝕, 在上覆透水巖層和下伏不透水巖層的接觸面, 地下水的基蝕作用(Sapping Process)(Laity and Malin, 1985; Schumm et al., 1995)也可以使上覆巖層崩塌, 形成各種洞穴景觀。如Navajo砂巖崖壁底部下伏的巖層為Kayenta組Tenney Canyon Tongue段, 它含有很多泥巖夾層,透水性較差。當(dāng)?shù)叵滤豊avajo砂巖的孔隙和節(jié)理裂隙下滲至Tenney Canyon Tongue段時(shí), 水與其中的鐵質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)物發(fā)生微觀化學(xué)風(fēng)化, 使這些泥巖層遭受侵蝕, 進(jìn)而使上覆的Navajo砂巖崖壁失去支撐而產(chǎn)生崩塌, 形成隱拱(Blind Arch)(圖8a)。同理, 在Zion公園的Emerald Pool景點(diǎn), Kayenta組中風(fēng)成相的Lamb Point Tongue段和下伏的Main Body段中的泥巖夾層接觸面也因地下水的基蝕作用形成了一個(gè)大型的額狀洞穴(圖8b)。

4　Zion國(guó)家公園紅層地貌發(fā)育機(jī)制總結(jié)

通過(guò)上述地質(zhì)構(gòu)造背景、地層組合、紅層巖性、主導(dǎo)外動(dòng)力因素的分析, 可將Zion公園紅層地貌的形成條件和發(fā)育過(guò)程總結(jié)如下:

(1)地質(zhì)構(gòu)造上, Zion公園為美國(guó)科羅拉多高原西部邊緣的斷塊山地, 其構(gòu)造格局的形成與中生代期間太平洋板塊向北美板塊的俯沖碰撞及其衍生的三次造山運(yùn)動(dòng)密切相關(guān), 經(jīng)歷了盆地形成—紅層堆積—構(gòu)造抬升等過(guò)程。公園內(nèi)褶皺很少, 斷層稀疏,但節(jié)理密集, 對(duì)Zion公園峽谷群的發(fā)育具有控制作用。

(2)地層組合上, Zion公園地貌發(fā)育的主體地層為紅層, 形成年代以侏羅紀(jì)為主。它們沉積于大型的弧后盆地——西部?jī)?nèi)陸盆地。受海侵和海退的影響, 這些巖層的沉積環(huán)境復(fù)雜多變, 兼有濱/淺海、河流、湖泊和沙漠。其中, 形成Zion公園大崖壁的地層是風(fēng)沙沉積的Navajo組砂巖, 以大型板狀交錯(cuò)層理為特征。

(3)巖性特征上, Zion公園的紅層以細(xì)砂巖和粉砂巖為主。其中, 風(fēng)成相的各巖性段都為細(xì)粒均一的石英砂巖, 但它們?cè)趲r體膠結(jié)特性和主要元素氧化物含量方面存在差異, 導(dǎo)致巖石外觀和巖石強(qiáng)度也各不相同。白色外觀的風(fēng)成相砂巖鐵質(zhì)膠結(jié)物很少, 巖石結(jié)構(gòu)相對(duì)松散, 其巖石強(qiáng)度最低; 而同為風(fēng)沙沉積的Navajo組Pink段和Brown段因含有較多的鐵質(zhì)膠結(jié)物, 巖石外觀呈紅色, 且它們膠結(jié)良好, 巖石強(qiáng)度也要大得多。此外, 還發(fā)現(xiàn)Zion公園紅層的巖石強(qiáng)度和山體坡度并不呈正相關(guān)關(guān)系, 它還與巖性是否均一有關(guān)。風(fēng)成相的各段砂巖的巖石強(qiáng)度差異較大, 但其巖性均一, 都形成了陡崖; 而河/湖相的巖性段除了Springdale段外, 其余均含軟弱的泥巖層, 都只形成緩坡。

(4)外動(dòng)力方面, 流水下切是塑造Zion公園峽谷景觀的主導(dǎo)因素, 但巖性差異和節(jié)理分布對(duì)流水侵蝕形式和峽谷形態(tài)有重要影響。另外, 在透水性不同的巖層接觸面, 地下水的基蝕作用也可以使上覆巖體崩塌, 形成各種洞穴景觀。

致謝: 感謝廣東省丹霞山風(fēng)景名勝區(qū)管理委員會(huì)對(duì)本研究的資助; 感謝美國(guó)猶他州Zion國(guó)家公園Fred Armstrong先生和Dave Sharrow先生為本文作者在Zion公園野外考察期間提供的大力協(xié)助。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No. 41171013) and China Scholarship Council (No. 201306380019).

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A Study of the Development of Red Bed Landforms in Zion National Park, the United States

PAN Zhi-xin1), PENG Hua1)*, REN Fang2), John ENCARNACION3)
1) School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou, Guangdong 510275; 2) Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081; 3) Department of Earth and Atmospheric Sciences, Saint Louis University, Saint Louis, Missouri 63108 USA

Abstract:As the research on red beds and Danxia landforms in China is becoming increasingly known by geoscientists outside China, it is quite necessary for Chinese researchers to know and understand red beds and their geomorphic development in other countries. As a representative of red beds distributed in the western United States, Zion National Park is characterized by a geomorphic combination of plateau and canyons in arid climate. Based on field investigation and analysis of rock samples, this paper looks at the developmental mechanism of landforms in Zion National Park from the aspects of geological setting, lithological features, and exogenic forces. In terms of general geologic structure, Zion is a fault block formed on the western margin of the Colorado Plateau. There are few folds and faults, but joints are exceptionally well developed in Zion, they are responsible for the orientation of canyon network. The dominant rock strata exposed in Zion belong to red beds, which were mainly deposited in the Jurassic with a wide range of environments, including near shore/shallow sea, streams, lakes, and deserts. In terms of lithological features, most red beds in Zion are fine-grained sandstones and siltstones. Among them, the spectacular cliffs in Zion are made of eolian quartz sandstones. However, due to cement differences ofbook=117,ebook=120each rock member, there are remarkable diversities in rock strength and colors. Moreover, this study also found that rock hardness values do not positively correlate with mountain slopes in Zion. The uniformity of a certain rock layer can also affect mountain slopes. Therefore, being composed of uniform sandstones, the aeolian rock formations and Springdale Member can form steep cliffs, while other rock layers, which contain soft interlayers, can only form gentle slopes. Finally, in terms of exogenic forces, fluvial incision plays a dominant role in the formation of cliffs and canyons in Zion, followed by lateral erosion and sapping process.

Key words:Zion National Park; red beds; Danxia landforms; developmental mechanism

*通訊作者:彭華, 男, 1956年生。教授, 博士生導(dǎo)師。主要從事紅層和丹霞地貌研究。

作者簡(jiǎn)介:第一 潘志新, 男, 1986年生。博士研究生。主要從事紅層和丹霞地貌研究。

通訊地址:510275, 廣東省廣州市海珠區(qū)新港西路135號(hào)中山大學(xué)572號(hào)樓101室。電話: 020-84113980。E-mail: panzhix@mail2.sysu.edu.cn。 510275, 廣東省廣州市海珠區(qū)新港西路135號(hào)中山大學(xué)572號(hào)樓103室。E-mail: eesph@mail.sysu.edu.cn。

收稿日期:2015-09-23; 改回日期: 2015-12-20。責(zé)任編輯: 張改俠。

中圖分類號(hào):P931.2; P534.52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.01.12