湖南郴州丹霞地貌景观特征、成因及演化探讨

黄乐清，吴驰华，周丽芸，金 妮，彭世良，胡能勇，杨长明，陈 杰

(1.湖南省地质调查所，湖南 长沙 410116；2.古生物与地质环境演化湖北省重点实验室，湖北 武汉 430205；3.中国地质大学地质调查研究院，湖北 武汉 430074；4.成都理工大学沉积地质研究院PAGODA研究小组(高原与全球沙漠盆地研究组)，四川 成都 610059；5.湖南省自然资源事务中心，湖南 长沙 410004；6.湖南省矿产资源调查所，湖南 长沙 410083)

0 引 言

20世纪20—30年代，老一辈地质学家冯景兰、陈国达等在地质调查过程中，将一种特殊的红色砂、砾岩型地貌，分别命名为“丹霞层”“丹霞地形”[1-2]。后来经过我国几代地质地貌学家(如黄进[2]、郭福生[3-4]和彭华[5]等)近一个世纪的研究，我国丹霞地貌调查和研究取得了较大的进展，并走向了世界[6-9]。目前我国已发现丹霞地貌1000余处，分布于20多个省级行政区，成为发现丹霞地貌最多的国家之一[10]。湖南的丹霞地貌作为“中国丹霞地貌”的重要组成部分，其部分景点被正式列入世界遗产名录[11]，标志着湖南丹霞地貌作为一种特殊地貌类型走上了国际舞台。湖南省郴州市丹霞地貌是湖南丹霞地貌的一个典型代表，以其壮丽的地貌景观和多样的地质特征吸引了古今中外众多学者及文人墨客的关注[12-14]。随着2020年中央电视台《航拍中国》第三季对郴州丹霞地貌的专题报道与网络自媒体宣传，近年来其热度持续提升，已成为湖南地质旅游的一张靓丽名片。

然而，郴州飞天山—高椅岭核心景区以紫红色圆顶岩丘景观为特征，与陕西靖边波浪谷[7]相似，与常见的“顶平、身陡和麓缓”的粗碎屑岩型丹霞地貌有较大区别。由于湖南省内的风成沉积为近年来地学界的新发现[15-16]，这一特殊地貌所蕴含的风成砂岩属性及科学内涵，暂时还未被业界普遍认知。也正因如此，以往省内外诸多专家对郴州丹霞地貌的研究，多集中在地貌特征[17]、分布规律[18]、旅游资源评价[19]及地质遗迹资源资产化管理[11]等方面，其圆顶岩丘特色景观的成景机制及古沙漠沉积相内涵鲜有人报道，并且针对郴州丹霞地貌的多数研究偏重于宏观、定性的描述和推论，缺乏定量和对比研究。笔者及研究团队在湖南茶永盆地展开了广泛的地质调查和室内研究，对飞天山—高椅岭地区的典型丹霞地貌的区域地质背景、景观特征和成因等进行了系统分析，首次确定核心景区构景岩层的风成沉积成因，并基于数字高程模型(Digital Elevation Model，即DEM)，通过面积高程积分模型(HI)分析，实现研究区流域地貌演化阶段的定量描述，进而探讨分析景区东、西边不同景观的控制因素。本次研究的丹霞景观是截至目前在湖南首次报道的风成砂岩丹霞地貌景观。研究取得的新认识丰富了华南丹霞地貌的科学内涵，亦为湖南省这一知名景区的科普宣传、地质遗迹保护和旅游开发提供科学依据。

1 研究区地质地貌概况

1.1 地质背景

茶永盆地地处湖南省东南部，北起茶陵高陇，南止于郴州市苏仙区飞天山镇，全长大于150 km，大致南北两端宽、中间窄，平均宽约 20 km，面积约 3000 km2(图1)。大地构造上位于华南褶皱系粤湘赣早古生代沉陷带之炎陵—汝城冲断褶隆带，与云开晚古生代沉陷带毗邻，是一个发育在加里东褶皱基底之上的白垩纪—古近纪断陷-拗陷陆相盆地[20-22]。盆地形成于白垩纪时期区域上NW—SE向伸展的构造应力场背景，是华南一系列 NE—NNE 向的断坳型盆地的代表之一[21]，残留盆地边界主要受NE—NNE向的茶陵—郴州断裂带控制，盆内白垩系—古近系总体组成一个NNE向延伸的宽缓直立水平褶皱(向斜)，褶皱形成于始新世末—渐新世的喜马拉雅运动期[23]。根据区域地层划分结果，盆地充填序列自下而上依次为下白垩统栏垅组(K1l)和神皇山组(K1sh)，以及上白垩统罗镜滩组(K2l)、 红花套组(K2h)和枣市组(KEz)5个地层单元，主要沉积了一套紫红色厚层-块状砂砾岩、砂岩及少量泥岩，累积厚度达数千米以上，以冲-洪积扇相砾岩、风成沙漠相砂岩及湖泊相粉砂岩、泥岩互层为特点[22]。盆地内地层的几何构造样式对地貌产生一定制约，整体上形成盆地东、西两侧高山，中间低山丘陵及悬崖孤峰型丹霞地貌的特点。此外，白垩纪时期东亚大陆边缘巨大的海岸山脉对华南地区的气候产生了重要影响，导致华南地区普遍干旱化[24-26]。在白垩纪典型的温室气候条件和古构造活动的共同作用下，华南地区形成了晚白垩世副热带高压-季风系统-地下水位-造山运动相互耦合的风成古沙漠沉积体系[27-28]。同时，沿岸山脉隆升在华南腹地的沉积响应表现为晚白垩世冲积扇相砾岩层叠覆在早白垩世地层之上[29]，这一构造-气候背景下的冲积扇-风成沙漠体系成为郴州飞天山—高椅岭丹霞地貌的构景岩层主体。

图1 湖南省白垩系盆地与丹霞地貌分布(a)以及茶永盆地白垩系红层及周缘地质简图(b)Fig.1 Map showing the distribution of Cretaceous Basin and Danxia landform in Hunan Province (a) and geological map of Cretaceous red bed and its periphery in Chayong Basin (b)

1.2 丹霞地貌概况

截至2022年，湖南省共发现丹霞地貌30多处，如国内外知名的新宁崀山、通道万佛山、梆州飞天山和平江石牛寨等丹霞地貌，均属于世界级或国家级丹霞地貌景区(图1(a))，这几乎涵盖我国全部的丹霞地貌类型，堪称是我国丹霞地貌的地质博物馆[18]。郴州丹霞地貌位于茶永盆地东南侧，集中分布于飞天山—高椅岭—大王寨一线，地质构造样式简单，地层产状平缓，西倾单斜为主，总面积约50 km2。丹霞地貌类型以“圆顶岩丘型”和“顶斜、陡坎和麓缓”型等2种丹霞地貌景观为主，素来享有“世之所有，此尽有之”的高度评价。其中，飞天山丹霞地貌景区位于梆州市苏仙区，面积48 km2，2001年被国土资源部批准为国家地质公园。景区由9寨、48谷、4坦、3庙、2江及1泉组成，以“丹岩堡寨、奇石、穿洞、洞穴和秀竹”为特征[11，17]；高椅岭风景区在飞天山北东方向约8 km(图1(b))，位于苏仙区桥口镇西部，交通便利，其壮美的自然风光吸引无数摄影爱好者前往观光，景区以孤峰、峰林和残丘等丹霞地貌景观为特色，标志性景点有“龙脊”和“巨蜥湖”等。

2 研究方法

研究区内发育一系列良好的天然露头，自然与人工道路的切割，完美地揭示了沉积体系(水成和风成)的内部建筑元素。如近垂直于地层走向的郴永大道(G240)上展示的岩层露头(图2和图3)，现象丰富，清晰地展示了沙丘、丘间、沙席及水成沉积的各类沉积单元，为本文甄别风成沉积与水成沉积提供了理想的研究条件。本文围绕茶永盆地南部的丹霞地貌及露头特征展开研究，穿越盆地东西两侧，对地层构造样式进行了初步分析，重点对盆地东南缘的飞天山国家地质公园和高椅岭丹霞地貌景区展开研究，对典型风成沉积露头进行了沉积相解析和沙丘样品采集，对区内20余个特征丹霞地貌进行观测和描述。风成沙丘的识别和解释参照前人的研究方法，主要包括Wu等[27]对江西信江盆地沙丘类型及风成环境的系统研究，Prosser等[30]对英国北海中部Auk油田地下沙丘界面及内部结构的研究。沙丘的典型特征包括可识别的风成界面(丘间界面、叠置面和再作用面)、风成层理(颗粒流层、粒落层和风波纹层)等。室内研究方面，用偏光显微镜观察了各薄片的岩石学特征，包括成分、结构和成岩特征。分别从水成砂岩和风成砂岩中选各取1个砂岩样品进行扫描电子显微镜(SEM)分析，观察岩石颗粒的形态特征。电镜样品处理过程为：加热并浸泡在10% HCl、30% H2O2和10% SnCl2中，分别去除碳酸盐、有机物以及铁、锰氧化物。最后，用蒸馏水冲洗，烘干，依次进行制靶和喷金，以备使用。

图2 郴州飞天山—高椅岭典型丹霞地貌景观Fig.2 Photos showing typical Danxia landform landscape of the Feitianshan-Gaoyiling area，Chenzhou(a)高椅岭景区西侧的赤壁景观，构景岩层为砾岩，镜头方向NE向(45°)；(b)飞天山景区东侧内的鲤鱼寨，受翠江下蚀切割而形成陡崖状地貌，镜头方向NEE(65°)；(c)飞天山景区西侧的铁顶寨，砾岩风化地貌，镜头方向S(175°)；(d)飞天山景区的老虎寨(石寨)，顶部被草本植被覆盖，古沙丘砂岩，镜头方向N(15°)；(e)高椅岭景区中心的“巨蜥”，古沙丘砂岩与湖泊，镜头方向NEE(76°)；(f)飞天山景区西侧的猫王寨近景，构景岩层为砾岩，NNE与NWW向两组节理切割，形成陡直崖面，镜头方向NE(55°)；(g)飞天山景区的穿坦(天生桥)，镜头方向N(6°)；(h)高椅岭景区中心的“龙脊”，古沙丘砂岩，镜头方向SW(220°)

图3 湖南茶永盆地风成砂沉积构造特征Fig.3 Photo showing the characteristic aeolian sand deposition structures in Chayong Basin，Hunan(a)高椅岭地区沙丘的大型沉积构造，显示风成一级界面(IS)、二级界面(S)及交错层理，剖面近乎平行于古风向；(b) 高椅岭地区沙丘及沙席的小型沉积构造，相间细条纹风成波纹(wr)及呈楔形的颗粒流(gf)沉积；(c) 盆地西缘厚板块状沙席叠置形成的陡崖地貌；(d)飞天山地区的大型沙丘叠置，剖面近垂直于古风向

3 丹霞地貌要素特征分析

郴州高椅岭—飞天山丹霞地貌形态类型多样，景观造型丰富。根据其形态特征(图2)，本文将研究区丹霞地貌分为崖壁、石寨、石墙、石柱和岩丘等正地貌类型及线谷、巷谷、峡谷和洞穴等负地貌类型。现按丹霞地貌演化顺序，就主要类型进行阐释。

3.1 赤 壁

以红色陡崖为主要特征，在景区较为发育，属于丹霞地貌演化的壮年阶段。陡崖坡度在60°以上，多数呈直立状，陡崖高度多数大于30 m，岩性上以砾岩、砂砾岩为主，垂向上见层层相间的、不同形态和规模的洞穴、凹槽等(图2(a))；多数赤壁上见竖向流水浸染痕迹，黑白相间如同彩条幕布，如景区内的鲤鱼寨等(图2(b))。

3.2 石 寨

以“顶斜、陡坎和麓缓”型峰林状为主要特点，是郴州丹霞地貌中突出的形态类型之一。岩层近水平，山顶平缓，四壁陡立，呈城堡状、宫殿式丹霞地貌，区域上称之为寨。多数寨高约20 m至50 m不等，这些石寨(堡)在岩性上常以河流砾岩相产出，或在古沙丘砂岩之上覆盖有砾岩顶，构成了强抗风化的“保护层”，寨身如刀切，形成近平顶、四面陡坡的险要地貌景观。如景区内的代表性石寨景观铁鼎寨等，矗立在翠江南岸，极目远眺，山光倒影，像成群结队的象群驻守于此(图2(c))。

3.3 岩 丘

以圆顶岩丘为主要特点，为区内特色的丹霞地貌景观，属于丹霞地貌演化的老年阶段。主要分布在标高190～250 m的范围，呈低丘岗地、地表起伏状的平缓丹霞地貌丘陵地区，岩性上多为古沙丘砂岩，岩性均一，岩石风化面上可见规模巨大的风成“条纹”构造。岩丘壁上常见竖向凹槽，在景区内形成著名的“神仙指”特色景观；该岩丘上表面常有厚5 cm至10 cm不等的土壤，形成开阔而略有起伏的大草原特色景观(图2(d))。景观造型上，竖向凹槽切割合并而形成一系列规律分布的大尺度沟槽谷，使岩体呈现出形态各异的缓坡型的长条状、树枝状等景观。如高椅岭景区内著名的景点“巨蜥”，与碧水交相辉映，构成南方独特的圆顶岩丘型古沙漠丹霞地貌景观(图2(e))。

3.4 石 柱

多呈孤立的方形或圆形石柱出现，其高度大于直径，低矮者也称石墩。其岩性多以砾岩层或砾岩“盖顶”出现。柱体侧面平直、光滑，可见构造活动改造痕迹。如飞天山景区西侧的猫王寨，具有NNE、NWW向两组陡直崖面的四边形柱状体(图2(f))；另一典型柱状景观为翠江东岸的擎天柱(石柱)，与凤形山石寨隔空相望，该石柱直径约10 m，高约40 m，拔地而起，直指蓝天，号称“湘南第一柱”。

3.5 洞 穴

景区洞穴多样，有流水侵蚀洞以及岩槽、扁平洞、套叠洞、串珠洞和蜂窝状洞等，大小不一，小者仅数十厘米，大者数米至数十米，多数顺岩层排列，少数为穿层垂向凹槽。层间孔洞经进一步风化脱落，形成浑圆状的洞穴，其中以穿坦最为典型，规模最大，连桥墩东西向跨度近170 m，高约38 m，形成拱状桥或石门(图2(g))，当地称美人照镜，也是目前我国南方丹霞地貌中发现跨度较大的石桥，凌空横架，蔚为壮观。

3.6 石 墙

亦属于区内特色的丹霞地貌景观，由山体顺断裂构造线延伸，被切割呈薄墙状、长条状及线状，长度约50 m至800 m；山体顶部狭窄且面积较小，宽度约1 m至3 m不等；崖壁陡直、崖面直立，宽度远小于长度，十分险峻，如高椅岭景区的“龙脊”(图2(h))及“刀背山”等。

3.7 线状地貌

景区内石墙与线状地貌常共生。砂岩两侧(崖壁)垂直或同斜，谷形呈“V”型或“U”型，谷底呈平坦或起伏状，高约10 m至40 m不等，宽约0.5 m至数米不等。如在凤形山西南300多米处形成的石巷，近南北向分布，岩壁光滑陡峭。U型谷常与之伴生，如在飞天山景区南部老虎寨一带尤为发育，呈南北向分布，长约700 m，宽约40 m至70 m不等，深约25 m至40 m不等，当地号称为“情人谷”，亦称之为“江南大峡谷”。

4 丹霞地貌控制因素分析

郴州丹霞地貌的形成与演化过程主要包括三个时期：首先是白垩纪时期，在飞天山—高椅岭景区内形成的以沙漠干旱沉积为主体的厚层紫红色碎屑岩为构景岩层；其次是碎屑岩在后期以新构造运动为主的差异升降而形成次级断裂、节理裂隙，造成碎屑岩整体的塑形；最后是温湿季风气候条件下的风化、流水侵蚀和崩塌等作用为主的地质营力塑造。这反映出丹霞地貌的三阶段成景模式，即“沉积作用孕景→构造抬升造景→地表营力雕景”。

4.1 沉积作用奠定丹霞地貌的物质基础

茶陵盆地作为中国东部的红层断陷盆地之一，在燕山运动的影响下，从早白垩世便开始接收沉积，受盆地西缘的边界断裂控制，沉积中心从南向西迀移，在盆地西缘靠近山脉剥蚀区堆积巨厚的冲积扇-辫状河砾岩沉积体；进入白垩纪中期，在全球极端温室气候背景下，由于受东部沿岸山脉古地形对古太平洋水汽的阻挡及古纬度带上大气环流格局影响；白垩纪中-晚期风成沙漠体系遍布整个华南陆块盆地群，如在华南陆块东部句容盆地、信江盆地、华南中部的江汉盆地、衡阳盆地和建始盆地等均有发现[27]，且沙丘规模大，如波长(DW)可达数百米，保存的波高(H)达数十米(图3)，沙丘形态参数均显著别于湖岸沙丘、河岸沙丘等小型沙丘，表明华南的古沙漠是一个规模宏大的沙漠(茶永盆地的古沙丘形态定量重建将另文撰述)。

笔者及研究团队在茶永盆地调查亦发现，在盆地内神皇山组发育沙漠沉积体系，分别在盆地NNE向宽缓向斜的两翼产出，盆地东侧以大型沙丘相为主(图3(a)和(b))，盆地西侧永兴县以砂席相为主(图3(c))，东西向呈规律变化。其中，郴州飞天山—高椅岭核心景区(东侧)一带沙漠相砂岩以发育大型交错层理为特点，单个沙丘残存高度约10 m至30 m不等，复合沙丘累积高度达上百米(图2(h)、图3(a))，交错前积层倾角约20°至26°，横向延伸数百米，特征显著；层系之间常见侵蚀型丘间界面(IS)、叠加面(S)、再作用面(R)等大型风成界面(图3(a))及风成波纹(wr)、颗粒流沉积(gf)、颗粒落沉积(gfa)等小型风成层理(图3(b))，是风成沉积的典型沉积构造。这些特殊的风成沉积层理构造，经后期流水侵蚀、切割后形成流畅的纹理，恰似丹霞地貌景观的皮肤纹理，又似千层饼状，十分美丽壮观，是风成砂岩丹霞地貌中独有的风景之一。这种风成砂岩以紫红色长石石英细砂岩为主(图4(a))，均质性强，孔隙度好，胶结程度低，容易风化形成低矮圆润岩丘型的特色丹霞地貌景观(图2(d)和(e))。景区西侧出露上白垩统罗镜滩组河流相-冲积洪积相砾岩，覆盖在神皇山组风成砂岩之上，以块状砾岩、砂砾岩和粗砂岩为特点，分选较差(图4(b))。砾岩胶结致密，砾石抗风化能力相对较强，与风成砂颗粒的强溶蚀作用发育有区别(图4(c)和(d))，因而砾岩多形成柱状、高陡石寨状丹霞地貌类型。总之，茶永盆地白垩系红层为飞天山—高椅岭景区发育的丹霞地貌景观构成和空间分布提供了丰富的物质基础，不同地理单元的岩石类型是决定丹霞地貌景观类型的内在因素之一。

4.2 构造差异抬升决定山体形态

郴州高椅岭—飞天山丹霞地貌景区内丹霞地貌景观类型具多样性，其中断裂构造起着决定性的作用。由于受到盆地边界断层(茶陵—郴州断裂)活动的控制和影响，在景区内形成NNE、NWW向的次级断层及派生节理(图5)，它们强烈切割红层，对丹霞地貌景观格局起关键性作用。古沙漠砂岩、砾岩被切割成原始的方块状或条块状，在流水侵蚀等外动力的作用下形成原始的方山、峰林等丹霞地貌正地貌及槽谷、一线天等负地貌。同时，节理和裂隙也会增加红层的破碎度并进而影响流水、崩塌和风化等外动力的作用，也是后期丹霞地貌形成过程中重要的营力要素[3]。如飞天山景区的江南大峡谷近NNE向分布、众多丹霞地貌寨堡(铁鼎寨、老虎寨和鲤鱼寨等)受NNE、NEE向的边界(节理)分割、限定后呈孤立的方块状或圆柱状(图2和图5)；飞天山景区天生桥两侧有一组大节理，裂隙宽5 cm至10 cm，走向平行于大桥走向(图5(a))。天生桥的形成一方面受节理控制，另一方面与岩石的溶蚀作用有关。雨水冲刷掉底部砂岩中较多的Ca2+、K+等可溶性物质，并逐渐通过溶蚀和塌陷而扩大形成桥洞。高椅岭景区的“刀背山”丹霞地貌景观，在遥感影像构造解译上，可见明显受到多组平行的NWW向节理、裂隙的切割和控制(图5(b))，露头上也多见近EW向、NWW向节理和小型断层，这些断裂的切割，形成山体初始轮廓，并在后期为流水、风力等营力作用提供通道，加剧侵蚀，最终形成“刀背状”的地貌景观。在景区西部，冲积扇砾岩受到盆地边界断层活动的影响，砾岩层产状向西倾斜，断层和节理的强烈切割红层，增加红层的风化面积，在翠江等流水强烈下蚀作用下，形成高大的陡崖壁型丹霞地貌，以“顶斜”的峰林、峰丛型丹霞地貌组合为特征(图2(a)—(c)和图5(c))。

图5 郴州飞天山-高椅岭地区断裂构造对丹霞地貌发育的控制Fig.5 Satellite images showing the interpreted control of fault structures on the development of Danxia landform in Feitian-shan-Gaoyiling area，Chenzhou(a)飞天山—高椅岭景区遥感影像及构造解译图；(b)高椅岭刀背山受NWW向断裂组合控制；(c)凤形山受NNE向断裂控制而形成一线天、“V”形谷地貌

通过区域构造背景分析可知，由于喜山期先后发生近EW向(52 Ma至23.3 Ma)和近SN向(23.3 Ma至0.78 Ma)的区域挤压事件[23]，使盆地内产生NNE向褶皱和NNE向的盆地断裂边界，以及NWW向褶皱和断裂(图5)；其中，NE、NNE向宽缓向斜整体呈一直立水平平缓褶皱。在这一构造组合样式的限定下，景区内构造线走向以近SN向及EW向为主，强烈切割和控制景区地貌。同时，盆地东部整体掀起，使该区域转变成一个向西倾斜的平缓单斜，区域构造地貌也转为东高西低；景区基底(位于盆地东部)不断抬升的过程中，塑造出研究区方山型、条带状的正地貌初始轮廓。

4.3 地表营力对丹霞地貌的雕刻

地表营力是形成千姿百态丹霞地貌景观的重要因素[1]。其中流水的侵蚀、溶蚀和风化作用是飞天山—高椅岭景区的主要成景因素之一。郴州飞天山—高椅岭地处亚热带季风湿润气候区，近年来的年均降水量约为1400 mm至1500 mm，丹霞地貌景区周边水系发达，有郴江与翠江穿过，季节性和突发性的降雨，引发河流泛滥，对途经河床的下切侵蚀及两岸红层侧向强烈侵蚀，这种侵蚀对崖壁崩塌和后退起着重要的作用，形成陡峭谷壁的赤壁丹霞地貌景观。如区内翠江两岸的鲤鱼寨、铁鼎寨和老虎寨等，多属水流的底蚀和侧蚀作用形成(图2(b)-(d))。此外，岩石表面流水对丹霞地貌的塑造十分重要，侵蚀初期常沿裂隙形成“V”形浅凹槽，局部扩大而形成“阴元石”(图6(a))或贯穿岩体的大型空洞，如飞天山景区的“黑坦”(图6(b))；岩壁上流水的持续侵蚀作用产生一系列竖向凹槽，如景区内的“神仙指”景观(图6(c))及串珠状孔洞(图6(d))；水流汇集的低洼处，形成“U槽形”谷丹霞地貌(图6(e))；部分圆丘砂岩顶部集群分布有圆形的竖向洞穴，直径约5 cm至30 cm不等，深度约10 cm至20 cm不等，底部有少量沉淀物，受垂向流水作用而形成(图6(f))，为典型的壶穴。因其目前位于沙丘顶部的高地，非低洼处，指示周缘高地遭受强烈风化剥蚀后变低矮的过程。丹霞地貌地层在潮湿条件下更易受到侵蚀和风化也被干/湿态不同的砂岩单轴力学强度不同所证明[32]。在景区东部的古沙漠砂岩区流水侵蚀作用较强，这可能与古沙漠砂岩成分以长石、岩屑等不稳定矿物为主(图4(a))，胶结程度低，导致岩石组分容易被流水带走有关，从而被“雕刻”出景区内“巨蜥”“龙脊”等与传统丹霞地貌峰丛迥然不同的圆顶岩丘型特色景观(图2(e)和(h))，类似于美国犹他州Zion国家公园早—中侏罗世Navajo组风成砂岩及我国陕西靖边县龙洲地区洛河组形成的“波浪型丹霞地貌”，这是风成沙漠相砂岩形成丹霞地貌景观的特色之一[5，33]，与河湖相砂砾岩形成的峰丛型丹霞地貌相区别。

图6 郴州飞天山—高椅岭典型丹霞地貌区构造切割、流水侵蚀作用Fig.6 Photos of structural cutting and water erosion in typical Danxia landform of Feitianshan-Gaoyiling area，Chenzhou(a)节理裂隙经流水的强烈侵蚀，形成“阴元石”；(b)“黑坦”景观，岩石差异风化脱落而形成；(c)水流侵蚀作用形成的竖向指状凹凸形貌；(d)丹霞地貌岩体壁上流水冲刷形成的串珠状孔洞；(e)流水侵蚀形成的槽谷地貌；(f)丹霞地貌岩体顶面上的“洞穴”，垂直流水作用冲刷形成；(g)流水侵蚀槽及岩石风化后形成的交错纹层；(h)丹霞地貌崖壁上的蜂窝状孔洞；(i)丹霞地貌岩体顶面砂岩因吸水膨胀、气温冷热交替下产生的层状剥离；(j)植物根系活动产生的“白斑”；(k)红层中发育的剪节理，走向近东西向；(l)正断层的初始形成阶段，沿裂面产生羽裂，砂岩上盘受区域伸展(重力)作用下滑产生

岩石的盐类化学风化，亦参与塑造景区地貌。研究区红层形成于干旱气候背景，岩石中具有一定的盐组分含量[27]。同时，岩石中的长石矿物易化学溶解释放K、Na等活泼元素，产生次生溶蚀微孔(图4(c)和(d))，并增加了在红层中运移的水溶液中的盐含量。风成砂中粒流层与粒落层的组合，具有较高的孔隙度和渗透率[30]，构成了非常良好的导水通道，有利于含盐流体的汇聚，导致岩石差异风化，并逐渐演化成条纹现象(图6(g))；盐类在砂岩中进一步发生水化、水合和溶解等作用[34]，在岩石浅表层发生结晶，破坏岩石结构，逐渐形成蜂窝状孔洞(图6(h))。在岩石裸露区，岩丘顶部组分由于受到雾气、雨水等作用而风化成黏土矿物，并在太阳的照射下，形成初始裂缝；由于干湿交替，常体积增大而导致岩层表面皮壳状破裂，并形成上拱的现象，导致岩石物质的进一步脱落(图6(i))，这利于圆顶岩丘地貌的形成。此外，景区内紫红色岩石表面常见“白斑”，且在植物根系周边亦见“漂白”现象(图6(j))，结合前人通过矿物学分析发现的局部还原环境及一定量的与sp3(一个s与3个p轨道)杂化C—H键、O—N—O等相关的有机质组分[8]，推测是繁盛的地衣及植被根系常分泌有机酸溶解或还原岩石中的Fe3+，或是富含有机质、H2S等的气态物质沿砂岩中的矿物间空隙上升，从而使红色Fe3+退变成白色形成白斑[32]。

5 丹霞地貌演变时序与过程

郴州飞天山—高椅岭丹霞地貌是湖南省内乃至我国南方特征典型的古沙漠丹霞地貌景区，构景岩层上发育的大型风成交错层理，风化之后所展现的“纹理”，常凸显出一种柔和之美(图2(d)、(e)和(h))，集美学价值与科学价值于一体。本次通过面积高程积分值(hypsometric integral，即HI)及其积分曲线、地貌分析等方法，进一步探讨郴州飞天山—高椅岭丹霞地貌的地貌演化阶段及过程。

面积高程积分(HI)方法由学者Strahler在1952年提出，是地貌定量分析的重要方法之一[9，35-36]。通过这一方法，描述地貌发育模式的3个阶段：幼年期、壮年期和老年期。通常认为幼年期HI大于0.6，老年期HI小于0.4，壮年期HI值介于0.4至0.6之间。同时，积分曲线呈现凸形，指示侵蚀相对较弱，为幼年期；相反，则为老年期。由于同一地区的丹霞地貌演化阶段存在普遍的尺度效应[37]，本次对景区整体及其东、西两侧分别进行演化阶段的评价分析，进一步验证地质要素对丹霞地貌演化的影响(图7)。

图7 郴州飞天山—高椅岭丹霞地貌景区丹霞地貌演化阶段划分Fig.7 Division of evolution stages of Danxia landform in the Feitianshan-Gaoyiling Danxia scenic spot，Chenzhou(a)数字高程模型(DEM)图；(b)面积高程积分曲线(I曲线表示景区东部古沙漠砂岩区，Ⅱ曲线表述景区西部冲积扇砾岩区)；(c)景区整体面积高程积分曲线(a/A表示等高线所切的水平断面面积a与流域总面积A之比，h/H表示等高线的相对高度h与流域地势高差H之比)

从飞天山—高椅岭丹霞地貌景区整体来看(图7(a))，面积高程积分值(HI)为0.367，面积高程积分曲线整体呈现出平直-凹形的特征，指示该丹霞地貌景区整体地貌演化阶段进入了老年早期(图7(b))。研究区丹霞地貌东、西两侧岩石类型与地貌有明显不同，表现为HI值和地貌存在明显差异。东侧地区岩性以古沙漠沙丘砂岩为主，整体海拔较低，准平原化作用明显，海拔和地貌严格受岩性控制，HI值为0.348，面积高程积分曲线整体呈现出凹形的特征，为老年早期演化阶段，与整体地貌演化阶段一致；东侧地区岩性以冲积扇砾岩为主，整体海拔较高，地貌上显示以方山、峰林等丹霞地貌类型为主，HI值为0.412，面积高程积分曲线整体呈现出“S”形的特征，处于壮年晚期(图7(c))。

造成丹霞地貌演化差异的原因，本文认为主要受到研究区岩相和岩性的控制，其次也与褶皱抬升(东西两侧)、构造切割、水系发育程度以及不同区位侵蚀作用时间(溯源侵蚀)有关(图8)。核心景区位于茶永盆地东南缘，盆地充填物质组合在东西横向上有一定规律的变化；由景区东侧向西侧，从风成沙丘相细砂岩逐渐过渡到沙席相中-粗砂岩，再到冲积扇相块状砾岩，该岩相分布规律是决定东、西两侧丹霞地貌形态迥异的根本原因(图8(a))。如刘鑫等[33]采用对比分析、数值模拟等研究手段，提出岩性在丹霞地貌坡面演化过程中的关键作用：高耸的山峰主要发育在厚层砾岩中，波浪状地貌主要发育在风成砂岩中，这一规律与研究区高度吻合。Zhu等[32]对广东丹霞地貌山钻孔岩心压力测试实验表明，砾岩和砂岩的平均抗压强度分别为51.83 MPa和32.10 MPa，经酸浸泡后抗压强度分别为58.43 MPa和24.61 MPa，表明砾岩组分硬度相对更大，抗风化能力强，更容易形成峰林、峰丛型景观组合；其次，外力侵蚀也是次要影响因素之一。从景区的小范围尺度上看，丹霞地貌形成过程中的气候风化条件(温度、降雨等)等因素基本一致，但受水系溯源侵蚀规律的影响，水系上游侵蚀相对较弱，且受到侵蚀的作用时间相对较晚，地貌相对年轻，初始期往往形成峰林等丹霞地貌，HI值也相对较高；而水系下游侵蚀能力强，侵蚀时间较上游长，导致下游地区容易形成残丘型丹霞地貌。总体而言，研究区丹霞地貌的形成经历了以下过程：白垩纪中期的极端温室气候背景下，受NW向伸展的茶永盆地内沉积了干旱背景下的冲积扇和沙漠体系，构成了研究区丹霞地貌发育的红层物质基础；红层形成之后，先后受到古近纪中晚期构造变形及古近纪末—新近纪初构造变形等两期构造作用，形成了NE—NNE向逆断裂和宽缓向斜[22]，断裂控制了盆地的北西边界，宽缓向斜的形成过程使盆地东、西两侧及周缘抬升形成高山，多期应力作用使得区内节理发育(图8(b))，并在流水强烈侵蚀作用下，研究区形成NNE向、NEE向的沟谷地貌，使景区内红层被分割成以方形为主的丹霞地貌岩堡；在重力作用下，红层岩体沿原生构造节理或卸荷节理产生崩塌，形成丹霞地貌陡崖坡(图8(c))，丹霞地貌初具规模，并进入壮年演化阶段。总的来说，盆地内部的构造线走向控制了丹霞地貌分布格局和基本形态，红层产状控制丹霞地貌区岩层西倾的坡面特征。景区东侧圆顶岩丘型地貌，主要是在NNE和近EW向两组构造线切割形成方块山的基础上，红色岩层经过流水及风化作用，沟谷不断拓宽，崖壁崩塌后退，原来的山体逐步退缩并衍生出洼地湖泊，地貌演化进入壮年晚期阶段(图8(d))。由于沙丘砂岩独特的岩石学特征(钙质胶结、较高的成分和结构成熟度以及组分均匀，图4(a)(c))、结构构造(毫米-厘米级的粒流层、粒落层相间，图3(a)(c))，沿风成层理面常形成层状剥落(顶部普遍出现皮壳状脱落，图6(i))，在流水的侵蚀作用下，风化后容易形成光滑的表面，山顶呈现弧形及高度不断缩小，最终使古沙漠砂岩区形成低矮型“圆顶岩丘状”地貌，与砾岩风化后凹凸不平、极为粗糙的表面明显相区别；而西部冲积扇砾岩形成高耸孤立型石柱或丛峰，最终造就了景区内东、西两侧地貌差异显著的丹霞地貌奇观(图8(e))。

图8 茶永盆地飞天山—高椅岭地区丹霞地貌演化模式图Fig.8 Danxia landform evolution model profile of the Feitianshan-Gaoyiling area，Chayong basin(a)茶永盆地白垩系红层(水成-风成)沉积阶段，约90 Ma；(b)盆地受近东西向挤压，构造逐步抬升，产生的NNE向断裂与节理强烈切割地层，形成方形山，地貌进入幼年期，约15 Ma；(c)流水沿裂隙下蚀岩层，并发重力崩塌，地貌进入壮年期，约4 Ma；(d)岩层顶部剥蚀成圆丘状，丹霞地貌进入壮年晚期，约2 Ma；(e)丹霞地貌进入壮年晚期-老年期，现状

6 结 论

(1)研究区圆顶岩丘体砂岩中识别出风成波纹(wr)及颗粒流(gf)等沉积构造，沙丘层系之间见侵蚀型丘间界面(IS)、叠加面(S)和再作用面(R)等风成界面，是风成沉积的典型沉积构造，这些特殊的风成沉积层理构造，经后期风化后形成流畅的纹理，成为风成砂岩丹霞地貌中独有的风景之一。

(2)查明景区内有丹霞石寨、岩丘、赤壁、石墙和洞穴以及线状、柱状等7种地貌类型。景区东、西两侧丹霞地貌风景差异明显，岩石类型是决定丹霞地貌景观类型的重要因素之一，东侧以华南少见的圆顶岩丘状及线状沟槽地貌为主，主要受风成沙漠相之沙丘亚相控制；而景区西侧的“顶斜、 陡坎和麓缓”型峰林状丹霞地貌景观，为冲积扇相砾岩改造而来。

(3)飞天山—高椅岭丹霞地貌景区地貌整体处于壮年晚期-老年早期的残丘阶段，地貌侵蚀程度较强，东、西两侧丹霞地貌演化阶段存在差异。总体来说，“红层”构成了景区丹霞地貌的物质基础，构造差异抬升决定山体形态，地表营力完成丹霞地貌的雕琢和改造。

致谢：感谢审稿专家和编辑部老师在本文的修改过程中给予的宝贵建议！