张家界地貌的演化阶段划分与成因机制探讨

何 勇， 许 涛

(中国地质大学a.地球科学与资源学院;b.人文经管学院，北京100083)

张家界地貌是指在中国华南板块大地构造背景和亚热带湿润区内，由产状近水平的中、上泥盆统石英砂岩为成景母岩，以流水侵蚀、重力崩塌、风化等营力形成的，以棱角平直的高大石柱林为主，以及深切嶂谷、石墙、天生桥、方山、平台等造型地貌为代表的地貌景观[1].在2010年11月“张家界地貌国际学术研讨会”上，“张家界地貌”获得国际认可[2].

张家界地貌是张家界世界地质公园的核心价值所在.张家界世界地质公园位于中国湖南张家界市武陵源区，地处云贵高原东部斜坡与湘西北中低山丘陵过渡地带的武陵山脉.地理坐标是北纬:29°13′18″～ 29°27′27″，东经:110°18′00″～ 110°41′15″.海拔300 m～1 300 m，其面积为398 km2.1992年被联合国教科文组织列入《世界自然遗产名录》;2004年被联合国教科文组织列入世界地质公园.其拥有系统完整的微地貌，保存一套完善的砂岩峰林演化模式，具有重要的科研价值和美学价值，是难得的天然博物馆和罕见的旅游名胜地.

根据联合国教科文组织定义，建设世界地质公园有3项重要目的:(1)保护地质遗产;(2)普及地球科学知识;(3)通过发展旅游，促进经济的可持续发展.相对于广泛分布的喀斯特地貌，张家界地貌的形成演化阶段研究程度相对薄弱，且形成演化机理缺乏一致的认可.该文在综合前人研究的基础上，着重探讨张家界地貌形成演化过程及其成因机制等方面，并对张家界地貌的演化进行阶段性划分，旨在为地学旅游和地质遗产的保护提供重要参考.

1 相关文献回顾

众多学者对张家界地貌进行了调查研究，在成因机制、演化过程及发育特征等方面取得了一些进展.

关于该地貌的命名，自20世纪80年代争论不断，文献[3]将其与丹霞地貌对比后提出“砂岩峰林地貌”;文献[4]认为该区域在多种作用下所产生界、峪、谷、峰组合的地貌形态综合体应专称为“张家界—索溪峪地貌”;文献[5]提出张家界辖区构成了一套景观系列完整、时空分布紧凑的地质公园，应名为“张家界地貌”;文献[6]从地貌形态、基岩特征、构造控制等方面进行研究后提出“张家界柱峰砂岩地貌”.

在演化过程方面，文献[7]将砂岩峰林的演化分为沉积盖层发育阶段、造山隆起阶段、湘西期准平原状高原面形成阶段、索溪峪期切割阶段、张家界期宽谷面形成阶段、澧水期切割阶段.该研究较为详细的划分出该区域的地质发展演化史，但是缺乏对张家界地貌景观类型的形成演化的研究.文献[8]将其演化过程分为构造背景阶段、早期初始方山与条状脊岭阶段、中期岩峰石柱阶段、晚期坍塌支解阶段.该划分缺乏主题且过于粗略且不够具体，对峡谷、嶂谷和方山等地貌的形成缺乏相应分析.文献[9]认为砂岩峰林的演化程序为:夷平面——嶂谷、峡谷——山麓剥蚀平台——石墙、方山——石峰、石柱——稀疏残林.该研究主要针对新生代以来的喜马拉雅运动和新构造运动对张家界地貌景观的形成和演化的影响.

张家界地貌的形成条件也是研究的重点，文献[10]研究得出地貌发育的自然因素:地层岩石条件、构造背景及裂隙系统、流水和重力作用.文献[6]提出，第四纪干湿冷暖的气侯交替和硬软相间互层的岩层性质，促进了该类地貌的形成.文献[11]通过遥感分析得出张家界石英砂岩峰林地貌岩层产状平缓，流水沿构造破裂面的节理侵蚀作用造就了石英砂岩峰林地貌的基本形态.文献[12]提出石英砂岩的特殊岩性对景观的形成起决定性因素.

在地貌类型的形态学分类上，文献[8]将地貌分为单面山、方山寨地、岩堡、岩墙、岩柱等类型.该分类中“岩墙”为岩浆岩的专有名词，此处不适宜.文献[6]认为张家界柱峰砂岩地貌可分为石柱、石峰、石堡、石墙、石崖、石寨、沟、谷、盆九种微地貌形态.该划分主要从形态的角度，缺乏对成因分析的考虑.文献[13]将张家界地貌分为正地貌、负地貌和均衡地貌3个类型.该划分以几乎涵盖了所有地貌类型，但是过于笼统，缺乏地质意义.

2 张家界地貌形成演化阶段划分

2.1 划分依据和原则

已有研究主要集中在张家界地貌形态、成因或演化过程的某一个方面，为该文综合研究提供了坚实的基础.无论是张家界地貌规划保护方面，还是地质公园开展环境解说、开发地质旅游产品方面，开展张家界地貌的形成演化过程的阶段划分，并详细阐述其形成过程就更为必要.

该文对张家界地貌形成演化阶段划分依据有二个方面:1)张家界地貌的形成条件;2)张家界地貌形态及演化机理.从张家界地貌在该区发育齐全且典型，与其苛刻的形成条件有着密切的关系，该文认为张家界地貌形成条件概括起来有以下3点:(1)特殊的地层岩性，包括较为坚实的下伏基座志留纪粉砂岩等和坚硬的成景母岩泥盆系石英砂岩;(2)特殊的构造条件，一是在强烈挤压和造山隆起中形成许多高角度节理和裂隙，二是景观集中发育于岩层产状平缓的向斜核部;(3)新构造运动的抬升，新构造运动给流水下切和重力崩塌作用提供动力和助力，促使地貌景观的形成.该划分不仅全面的概括出张家界地貌形成的条件，同时也体现出地质演化的时代关系.

文献[14]调查研究发现:游客对“地质地貌”类解说的需求远大于大于“神话传说”等，且现有导游词和宣传语中的错误或模糊的表述易将游客将母岩形成时代和景观形成时代混淆.因此该文根据游客的从整体到局部的认知过程和游客在旅游的游憩性学习特点，对张家界地貌的演化过程进行多级的阶段性划分，让普通大众更好更快的接受地学知识，达到地质公园建设的目的之一，同时也为国内乃至世界上88家世界地质公园提供参考.

2.2 张家界地貌形成演化的阶段划分

根据地貌形成条件、演化过程和游客的认识过程与规律，该文将张家界地貌整个生命周期分为三大阶段:岩体形成阶段(中志留纪—晚泥盆纪)，挤压剥蚀阶段(侏罗纪—新近纪)，地貌演化阶段(第四纪).其中岩体形成阶段又分为坚硬的基地岩石、张家界地貌母岩形成阶段两部分;挤压剥蚀阶段分为挤压褶皱和剥蚀解体阶段两部分;地貌演化阶段分为嶂谷、峡谷，剥蚀平台，方山、石墙，石峰、石柱和残林、孤峰形成阶段五个部分.该划分清晰的、直观的理解张家界地貌的演化过程和形成机理(见表1):

表1 张家界地貌形成演化阶段划分Tab.1 Evolution Phases of Zhangjiajie Landform

1)成景母岩形成阶段(中泥盆纪—三叠纪).(1)坚实的基地岩层形成阶段(中志留纪).张家界地区继雪峰运动之后，即转入一个稳定的地台发育期.中志留世，该区发育碎屑岩沉积，发育厚约479.0 m秀山组(S2xs)灰绿、灰色泥质粉砂岩夹紫红色粉砂质泥岩、钙质泥岩等和厚约480.13 m小溪峪组(S2x)灰绿黄绿色粉砂岩、石英粉砂岩、含石英管状结核等(见表2)，出露于公园的北、南和西边.该套岩层岩性坚硬、结构致密，故能承受上覆云台观组岩石，是理想的下伏基座，也是张家界地貌形成重要条件之一.(2)张家界地貌母岩形成阶段(中—晚泥盆纪).志留纪末的加里东运动，使湘西北地区地壳大面积抬升，长期处于剥蚀状态，造成区内晚志留世及早泥盆世地层的缺失.中泥盆世时地壳下降，海水从黔东海峡侵及该区，由江南古陆所带来的大量碎屑物质在中志留统的侵蚀面上沉积了一套滨海相的石英砂岩，形成厚达526.2 m的云台观组(D2yn)巨厚层－厚层层石英砂岩夹粉砂岩.晚泥盆世早期，海水时进时退，为海陆交互相环境，沉积一套黄家磴组(D3h)紫红色铁质细粒石英砂岩，含鲕状赤铁矿层，俗称“铁帽”(见表2).分选性好、磨圆度高、成分均一且质地坚硬的石英砂岩是张家界地貌的成景母岩，加之抗风化能力较强的鲕状赤铁矿层的保护，不仅减缓侵蚀，也保护下伏岩层免于侵蚀，使得峰林高耸挺拔.

表2 张家界武陵源世界地质公园地层简表Tab.2 Stratum List of Zhangjiajie World Geopark

续表2

2)挤压剥蚀阶段(侏罗纪—新近纪).(1)挤压褶皱阶段(中侏罗纪—白垩纪).晚三叠世早期，强烈的印支运动使该区普遍上升为陆，至此结束了海相沉积.中侏罗纪至白垩纪期间的燕山运动中，在西北—南东向的强烈挤压作用下，使整个地区隆起成山，从而奠定了该区构造的基本格局.挤压褶皱运动使坚硬的志留系石英砂岩形成众多的不同方向的高角度节理和裂隙(见图1)，其中以北北西和北东走向两组节理最为发育，为日后成景过程中流水切割、重力崩塌和差异风化提供条件，且节理的密度和分布的差异造就了不同大小和形态的景观类型.(2)剥蚀解体阶段(古近纪—新近纪).在燕山运动的减弱后，地壳相对稳定.形成区内海拔1 200 m的湘西期夷平面，随着喜马拉雅运动的兴起，中国东部发生强烈的地壳差异升降运动，特别是第二阶梯和第三阶梯的强烈抬升过程，最终夷平面解体，形成海拔800 m的武陵源期剥夷面(见图2).

图1 张家界世界地质公园遥感解译线性构造分布图(苏信初等[15]Fig.1 Structure Distribution of Zhangjiajie World Geopark by Remote Sensing(SU Xinchu.et al[15]))

图2 张家界武陵源地区地貌结构剖面图Fig.2 Profile Map of Wulingyuan

3)地貌形成阶段(第四纪).根据张家界地貌的典型地质景观类型及其成因关系，该文将其其演化历程大致为嶂谷、峡谷——山麓剥蚀平台——方山、石墙——石峰、石柱——残林、孤峰.各阶段现今均有保留，演化也仍在继续，该划分不仅涵盖了张家界地貌中最具代表意义和指示性质的主要地貌类型，同时更好的展示和揭露出各类型景观的特性和成因关系.(1)嶂谷、峡谷形成阶段.地壳抬升流水沿断层节理下切形成嶂谷、峡谷.由于栖霞组(P1g)地层的下部多为疏松的页岩夹灰岩透镜体，很容易侵蚀.随着河流不断下切，岩体节节后退，于是沿向斜轴部形成金鞭溪峡谷，沿断层破碎带形成琵琶溪、杉刀溪、鸳鸯溪、干溪等峡谷(见图3).(2)山麓剥蚀平台形成阶段.中更新世期间[16]，随着河流回春，下切作用复盛.地表片流沿峡谷两侧侵蚀，石灰岩的陡坡节节后退，形成石英砂岩的山麓剥蚀平台(见图4).现今在天子山边缘、鸳鸯溪峡谷西侧、索溪峪嶂谷两侧、后花园和老屋场等地保留许多大小不一的剥蚀平台.平台大小与砂岩垂直节理的间距大小、疏密有关.(3)方山、石墙形成阶段.随着水的侵蚀作用的加剧，地表流水沿剥蚀平台上的垂直节理侵蚀，形成方山、石墙.方山是由坚硬的黄家磴组含铁石英砂岩为顶面构成的四壁陡峭的地貌类型，由产状水平或近水平的坚硬岩层受到强烈的切割而形成，以黄石寨、腰子寨等为代表.石墙为流水沿平台或方山规模较大的一组节理侵蚀形成溪沟，两侧岩石陡峭，如百丈崖、天波府峰墙等(见图5).(4)石峰、石柱形成阶段.随着流水侵蚀、风化作用和崩塌作用不断进行，平台、方山和石墙可被切割成石峰、石柱(见图6).一般随着垂直节理的密集程度的增大而变得稀疏矮小.如垂直节理密集的御笔峰、西海峰林等相对矮小;而垂直节理稀疏间距较大的如鸳鸯溪、金鞭溪两岸则相对高大.常见的形态有:方柱状、棒槌状、锥状、塔状、片状、掌状等.(5)残林、孤峰形成阶段.流水继续下切，峰柱高度变小，数量变少，柱体纷纷倒塌，只剩下若干孤立的峰柱，即形成残林地貌.如河流下游地段的骆驼峰、仙女献花、猛虎啸天等.残林已是砂岩峰林的晚期产物，它的消亡预示着新地貌类型的诞生.

图3 峡谷Fig.3 Gorge

图4 山麓剥蚀平台Fig.4 Platform

图5 石墙Fig.5 Stone－wall

图6 峰柱Fig.6 Stone Pillar

2.3 张家界地貌的演化预测

现今的张家界地貌属于第四纪地貌旋回早期，地貌类型演化正处于青壮年期[17].根据以上地貌演化阶段分析，该文得出张家界地貌类型演化示意图(见图7).

张家界地貌的演化趋势取决于于岩石性质和演化动力.随着演化动力的继续，在沟谷的下游将会趋向于石柱、残林演化，但源头地区还会有新地貌不断新生.无论新地貌的诞生还是老地貌的消减，都将是一个较长的地质时期和地貌过程.

图7 张家界地貌类型演化示意图Fig.7 Evolution Diagram of Different Landscape Types

3 讨论

张家界地貌是一种相对年轻并且仍在继续发育的地貌.该文对张家界地貌的形成演化及其成因机制进行深入的研究和探讨，并划分出3个一级阶段和9个二级阶段.该研究科学直观的阐释张家界地貌形成演化关系和成因联系，对整个地貌的生命周期有更清晰的认知.

旅游业是一个具有浓厚科学文化内涵的经济产业，在满足游客求乐求美的同时，还应满足游客求知的高层次需求.张家界的景观解说中，通常冠以神话传说或者奇闻轶事，对大众正确地认识张家界地貌的形成机制和演化过程具有极大的误导性.因此，应以科学研究为基础，以科学理论为依据进行科学解说，避免过多的象形和神话色彩.

此外，由于石英砂岩发育水平层理，且在构造运动中形成不同程度不同方向的节理和裂隙，导致岩石块体易发生崩塌.因此，公园在开发时更应注重旅游资源的科学合理利用与保护工作，采取科学有效的方法，保障游人生命财产安全，以利于地貌景观资源的合理保护和区域的可持续发展.

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