蔡胤璐等：沂蒙山世界地质公园岱崮地貌特征、成因及演化

沂蒙山世界地质公园岱崮地貌特征、成因及演化

蔡胤璐1,2, 武法东2, 韩晋芳3, 黄震4, 周莹5, 刘宝印6, 谌杨杨7

（1.北京联合大学应用科技学院,北京 100101；2.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083；3.中国旅游研究院(文化和旅游部数据中心),北京 100005；4.碧桂园服务集团股份有限公司,广东 佛山 528300；5.北京华清园科技集团有限公司,北京 100048；6.临沂沂蒙山世界地质公园管理局,山东 临沂 273300；7.蒙阴县自然资源和规划局,山东 临沂 276000）

摘    要

沂蒙山世界地质公园是岱崮地貌的命名地。作为一种新地貌类型,其成因、形成年代及演化等方面尚存在争议。基于此,本次研究通过野外崮体特征调查,总结了岱崮地貌的特征,对地层及河谷横剖面实测和光释光(OSL)测年,估算岱崮地貌开始形成的年代。研究结果表明,岱崮地貌特征与地层岩性相关。顶部寒武系张夏组厚层石灰岩,因抗风化和侵蚀能力较强,且发育垂直节理而形成“顶平”“身陡”的崮顶;下部岩性以泥岩、粉砂岩夹薄层灰岩为主,因抗风化能力较弱而形成坡缓的山麓,二者共同构成“方山”特征。利用不同时期河流阶地的年龄,计算河流侵蚀下切速率,并以此估算岱崮地貌开始形成的时间约为1.77 Ma。岱崮地貌的演化过程可划分为4个主要阶段:(1)寒武纪时期的物质基础形成阶段;(2)受构造运动抬升,地层逐渐出露地表,岱崮地貌进入地貌塑形阶段;(3)受流水、风力和重力崩塌作用影响,岱崮地貌进入发育成熟阶段;(4)最后岱崮地貌顶部灰岩坍塌而进入消亡阶段。本研究有助于加深对岱崮地貌的全面认识及其科学价值的挖掘,也有助于世界地质公园地质科学知识的普及。

关键词

岱崮地貌; 地貌特征; 河流阶地; 沂蒙山世界地质公园

0 引  言

崮是山东省中南部,特别是沂蒙山区特有的一种地貌景观,《辞海》中将其解释为:“四周陡峭顶端较平的山,山东中部山区多用作地名”。在地貌学上属于地貌形态中的桌状山或方山,原称为崮形地貌。山东省蒙阴县域内的崮体分布集中,类型多样,规模宏大,形态特征典型,尤以岱崮镇最为集中,因而这里成为“岱崮地貌”的命名地。岱崮地貌是一种特殊的地貌类型,具有重要的科学研究价值。1959年,山东师范学院地理系师生20余人在山东省内进行野外实习调查,结合前人已有研究成果编制完成山东地貌区划图。在该区划图中,蒙阴的这种特殊地貌被称为“方山式(崮子山式)”地貌,隶属于构造-剥蚀地貌类型。此后的研究认同该处属于方山或桌状山的一种特例[1],并采用崮形地貌进行称谓[2-3]。2007年,多位地质地貌学专家对崮形地貌进行了较系统的研究,对“崮”的科学意义与开发价值进行了评价,并重新命名了“岱崮地貌”[4]。在以往研究的基础上,参照岩石地貌命名五原则建议[5],根据地貌命名地的地质地貌特征,本研究将岱崮地貌定义为:岱崮地貌是以寒武纪海相沉积地层为基础,经过构造作用和流水侵蚀、风化剥蚀以及重力崩塌等多种地质作用形成的顶部灰岩平坦开阔、四周峭壁如削,之下坡度由陡到缓的“崮”状的构造-侵蚀地貌,以山东蒙阴岱崮镇为代表,故命名为岱崮地貌,是方山地貌的一种[6]。尽管专家学者们对“崮”的结构、岩性和演化等进行了不少的研究[7-12],但是,作为一种新的地貌类型,就其成因、形成年代和演化等方面,还没有一致的认识,需要深入的研究。

1 地质背景

沂蒙山世界地质公园位于山东省临沂市境内,面积1804.76 km2,于2019年获批成为中国第39家世界地质公园[13-14];岱崮是地质公园的主要组成部分之一,位于公园的北部(图1)。

图1   沂蒙山世界地质公园及研究区位置图

岱崮地貌发育区属于华北地层区鲁西地层分区淄博—新泰地层。新太古代地层零星出露,之上的寒武纪地层以近水平状产出。新太古代时期,海底火山喷出的基性-超基性岩浆形成了太古宇泰山岩群[15-16]。元古宙时期多期花岗岩侵入,之后发生变质作用形成结晶基底,逐步固结为稳定的地块。早古生代,华北地区陆壳下沉,开始了大规模的海侵,区内形成了一套浅海相岩层,不整合于基底之上。晚古生代,在海西运动影响下,鲁西地区地壳抬升,之前的沉积地层进入侵蚀环境。中生代是全球性的造山运动阶段,由于受印支、燕山运动的影响,华北板块与扬子板块碰撞,形成郯城—庐江左行走滑断层,鲁西地区形成一系列近EW向的隆起和凹陷,以及一系列NNE向断裂构造[17]。新生代喜马拉雅期本区差异性升降活动加强,构造活动主要沿沂沭断裂带两侧发生,表现为频繁的地震活动,该区逐渐被抬升并遭受风化剥蚀,岱崮地貌就是形成于这一阶段(图2)。

图

图2   岱崮园区地质及崮体分布图(据《山东蒙阴岱崮省级地质公园地质图》修编)

第四系山前组;2.寒武系九龙群张夏组盘车沟页岩段;3.寒武系九龙群张夏组下灰岩段;4.寒武系长青群馒头组洪河砂岩段;5.寒武系长青群馒头组下页岩段;6.寒武系长青群馒头组石店段;7.寒武系长青群朱砂洞组丁家庄白云岩段;8.中元古代中粒二长花岗岩;9.断层;10.地质界线;11.园区界线;12.崮体;13.岱崮镇

2 崮体特征及类型

2.1 崮体特征

岱崮地貌中的崮体一般呈凸起的圆状,顶部平坦、周围陡立,下部坡度逐渐变缓。

(1)典型的方山形态。

岱崮地貌的形态具有方山特征,顶平,身陡,麓缓。崮体主要由两部分构成,顶部为寒武系厚层石灰岩,抗风化剥蚀能力强且发育垂直节理,形成“顶平”“身陡”的崮顶;崮体下部以泥岩、粉砂岩夹薄层灰岩为主,厚度远大于崮顶,抗风化能力较差,在外动力作用下,逐渐形成坡缓的锥形底座(图3)。

图3   崮体的形态特征及地层结构模式图

3.2 磷结核微观特征

(2)崮体顶部特殊的标志层。

崮顶为张夏组厚层石灰岩,岩层厚度为10~30 m,以块状为主,含鱼而粒。厚层灰岩有较强的抗风化能力,发育剪节理,顶部平坦、四壁陡立(图4)。厚层石灰岩形成于距今约5亿年前的寒武纪海相环境。崮体顶部的厚层石灰岩是岱崮地貌特殊的标志层,是判断崮体形态类型和确定岱崮地貌演化阶段的主要依据。

图4   岱崮地貌典型形态

(3)较平缓的岩层产状。

岱崮地貌中构成崮体的地层产状较为平缓,多在5°以下,这是形成岱崮地貌“顶平”“坡缓”特殊形态并得以保存的决定性因素。

(4)易被侵蚀的下部岩层。

崮体厚层石灰岩之下由泥岩、粉砂岩、钙质细砂岩、钙质泥岩及薄层石灰岩等组成,这些岩层较顶部厚层石灰岩的抗侵蚀能力弱,在遭受长期侵蚀风化作用后,岩层明显呈缓坡状且常使顶部的厚层石灰岩体局部悬空并不断崩落(图5)。

图5   崮体顶部厚层石灰岩之下易风化的泥质岩

2.2 崮体的类型

岱崮镇境内30多座崮体基本位于梓河及其支流的5个分水岭上。根据崮体的形态、地层结构以及标志层的保存状态,按照演化阶段和进程,可把崮体分为雏形期、成熟期、退化期和解体期崮体(图6)。

图6   崮体的类型

(a)雏形期崮——大崮;(b)成熟期崮——玉泉崮;(c)退化期崮——锁子崮;(d)解体期崮

(1)雏形期崮体。

寒武系厚层石灰岩尚未在崮体顶部露出,崮体之上分布着不同程度侵蚀或风化而成的松散堆积物,此时崮体形态为顶部浑圆的山丘,呈一个或多个出现,以莲花崮和大崮最具代表性(图6(a))。

(2)成熟期崮体。

崮体顶部标志层完全暴露,顶部多平坦,且大多可见石灰岩的侵蚀面。平面形态常常呈近方形、圆形或多边形。此时远观方山形态典型,其状若“崮”,这也是岱崮的缘由之一(图6(b))。

(3)退化期崮。

顶部灰岩遭受长期风化剥蚀,其厚度逐渐变薄,崮顶面积逐渐变小,方山特征逐渐消失,崮体进入退化期(图6(c))。

(4)解体期崮。

3 岱崮地貌形成条件、影响因素及形成年龄估算

岱崮地貌的形成受三方面因素影响:物质组成、内动力作用和外动力作用。

3.1 物质组成

一定厚度的石灰岩层和其下抗侵蚀能力较弱的泥质层的绝佳搭配是岱崮地貌形成的物质基础。区内大部分崮体分为上下两部分,崮顶由张夏组石灰岩构成,保存较好的崮体厚度在20~30 m之间。崮顶之下为馒头组,主要为松散的泥质岩和砂质灰岩,该条件使得底座受侵蚀后退时,构成崮体的厚层石灰岩可局部悬空进而崩塌形成陡壁。

为确定崮体的地层构成,本研究实测了岱崮镇卧龙崮的地层剖面。实测地层剖面总厚度为156.8 m,共分为32层,自下而上为寒武系馒头组的石店段、下页岩段和洪河砂岩段,以及张夏组的下灰岩段。地层剖面的岩性特征、沉积构造等描述见图7,剖面图见图8。

图7   岱崮园区卧龙崮寒武纪地层柱状图

图8   卧龙崮实测地层剖面图

3.2 岱崮地貌形成的控制因素

自新构造运动抬升到寒武系遭到剥蚀时,便开始了岱崮地貌的形成阶段。它的形成主要受内动力作用和外动力作用的控制。

3.2.1 内动力作用

地球内动力作用是控制岱崮地貌形成的重要因素之一,主要是构造作用的控制。喜马拉雅运动将形成于约5亿年前的寒武系抬升出露到地表,并开始遭受侵蚀。在构造抬升过程中使得岩层中产生大量的断层和节理,这些断层和节理一方面控制了岱崮地貌发育的总体分布格局,另一方面为后期崮体的侵蚀、风化和最终的形成提供了条件。

3.2.2 外动力作用

岱崮地貌形成过程中,以流水作用、风力作用和重力作用为主的外动力作用是岱崮地貌最终形成的“塑造师”。

(1)流水作用。

流水作用在岱崮地貌形成的早期阶段起到了重要作用。在构造抬升背景下,流水是地壳(地形)下切的主动力。一方面水系的下切使地表开始破碎,形成了山谷的地貌分异,进而逐步塑造了岱崮地貌的轮廓。在崮体形成后期,这种流水作用也不断地对崮体形态进行进一步的改造。

(2)风力作用。

岱崮地貌形成过程中,风力作用主要体现在对崮体表面的风蚀破坏,特别是对易风化泥岩层的破坏作用更明显。在崮顶灰岩之下,泥岩被侵蚀内凹而使灰岩呈悬空状态,这主要是由风力作用导致的。下部馒头组泥岩、粉砂质泥岩较软弱,易遭受风化呈碎片状、粉末状等,风力作用也容易把它们搬运到别处。

(3)重力作用。

重力作用主要是对崮体后期的破坏、崮体的退化起到了重要作用。由于崮顶的厚层石灰岩多发育节理裂隙,特别是由于其下的泥岩被强烈侵蚀到内凹时,崮顶灰岩的边缘容易在重力作用下因悬空失稳而发生崩塌。长期持续的崩塌就会使得崮体顶部石灰岩的面积逐渐变小,从而使崮体逐渐萎缩。

此外,冻融侵蚀作用也会加剧崮顶石灰岩沿节理裂隙崩塌。

3.3 岱崮地貌的形成年龄估算

构造抬升速率、地貌年龄的估算至今是地貌学的难题,本研究利用不同时期河流阶地的年龄,计算河流侵蚀下切速率,并以此估算岱崮地貌开始形成的时间。该方法较为简单,但具有一定的实用性[18]。

研究区内发育三级阶地。本研究对区内五里沟(图9)的河流阶地进行了实测,并进行了光释光测年。结合野外实际情况和区域资料[19-21]对比后认为,区内发育的三级阶地的年龄由老到新分别为T3,(120.87±6.53) ka B.P.;T2,(56.05±3.40) ka B.P.;T1,(11.88±0.67) ka B.P.。

图9   岱崮镇五里沟村梓河河谷横剖面图

根据三级阶地年代和河拔数据,计算区内各时期的河流下蚀速率(表1),晚更新世至今的侵蚀速率约为0.1655 mm/a。

表1   岱崮镇河流阶地年龄及下蚀速率

一般认为,在大区域范围内可以把河流下切的速率近似的看作区域抬升的速率[22-26]。本研究借鉴黄进[18]计算丹霞地貌形成年龄的公式(公式(1)),用崮顶的河拔除以某个时段附近河流的下切速率(或构造抬升速率),从而获得从崮顶侵蚀到现代河床所用的时间,以此估算岱崮地貌形成的年龄。需要指出的是,岱崮地貌开始形成的时间是从张夏组厚层灰岩开始遭受侵蚀的时间来计算的,而现在崮顶灰岩往往保存不全,因此在进行年龄计算时还需要补偿已经被剥蚀灰岩的厚度h0(公式(2))。

其中:D龄为岱崮地貌的年龄,H为现今岱崮地貌顶部的河拔高度,DV升为地壳抬升速率。

五里沟附近河床海拔约352 m,取附近的卢崮(610 m)、梭子崮(612 m)和北岱崮(679 m)三座崮的平均海拔为633.7 m,计算河拔高度H为281.7 m。区域内张夏组厚层状灰岩的厚度为40 m,三座崮的厚层状灰岩平均厚度为28 m,估算剥蚀厚度12 m。利用公式(2)计算出岱崮地貌形成年龄为1.774 Ma。

本区自新构造运动开始抬升并遭受剥蚀,至距今约1.77 Ma前,寒武纪厚层灰岩出露地表遭受剥蚀,开始了岱崮地貌的形成过程。

4 岱崮地貌的形成演化过程

从物质基础的形成阶段开始,岱崮地貌的演化过程可分为4个主要阶段(图10)。

图10   岱崮地貌形成演化模式

(1)物质基础形成阶段。

在经过漫长的构造隆升和剥蚀后,大约在距今5亿年前的寒武纪该区地壳下沉并发生海侵,形成了以碳酸盐岩为主的寒武纪—奥陶纪地层。这套地层中的寒武系馒头组泥质岩和张夏组厚层灰岩构成了岱崮地貌的物质基础(图10(a))。

(2)岱崮地貌开始塑形阶段。

受多期次构造活动的影响,寒武纪地层中广泛发育断层和节理裂隙。喜马拉雅运动开始,该区被大幅度抬升并进入剥蚀阶段。流水沿地层的软弱带开始侵蚀,导致地形出现分异。至大约早更新世,寒武系厚层灰岩出露地表并开始遭受侵蚀,岱崮地貌进入形成和塑形阶段(图10(b))。

(3)岱崮地貌发育成熟阶段。

崮体顶部石灰岩完全出露,并形成了四周陡峭的悬崖,崮体的方山形态特征明显,岱崮地貌发育进入了成熟阶段(图10(c))。

(4)岱崮地貌消亡阶段。

随着侵蚀作用的继续进行,下部泥岩层不断被侵蚀,顶部的灰岩层也随之不断崩塌后退。当灰岩层最后分解为孤立散布的低矮碎石,或者完全不存在时,崮的方山形态不再明显,岱崮地貌随之进入了解体阶段。崮顶的石灰岩侵蚀殆尽,崮体也就随之消亡(图10(d))。

5 结 论

(1)岱崮地貌是在研究区命名的一种地貌类型,具有“顶平,身陡,麓缓”的方山形态,最具特征的是顶部发育的厚层石灰岩层。按照形态特征,可将崮体划分为雏形期崮、成熟期崮、退化期崮和解体期崮4种形态类型。

(2)岱崮地貌的形成主要受内动力作用和外动力作用的控制,根据河流阶地测年结果,估算岱崮地貌开始形成的时间距今约为1.77 Ma,属早更新世中期(Qp1-2)。

(3)岱崮地貌的演化过程可分为4个主要阶段:作为岱崮地貌的物质基础形成于寒武纪;构造运动的抬升使得地层逐渐出露地表并开始塑形;受流水、风力和重力崩塌作用影响,岱崮地貌进入发育成熟阶段;当下部抗风化能力较弱的泥质岩被不断侵蚀后退,上部灰岩随之坍塌,岱崮地貌进入消亡阶段。

在地貌研究中,地貌年代的确定是一项重要且复杂的工作。目前,对岱崮地貌形成与演化过程的讨论多聚焦于定性分析,并没有较多数据支撑。本文对岱崮地貌形成年代的估算分析仅起到抛砖引玉的作用,未来就流水和重力作用对岱崮地貌演化的定量研究,还需开展更多工作。

致 谢

本文是在沂蒙山世界地质公园申报及再评估工作中完成的。在野外考察和资料收集过程中,得到了沂蒙山世界地质公园管理局和山东岱崮地质公园研究中心的大力支持和帮助,山东省地质调查院原总工程师王世进教授级高级工程师参与野外考察并给予指导,中国地质大学(北京)程捷教授参加野外调查并指导河流阶地实测,张绪教教授对本文提出许多有益的建议,北京光释光实验室科技有限公司对本文光释光年代样品进行了测试,中国地质大学(北京)研究生冯浩、孙士凯、闫远方等参加野外调查并对本研究给予帮助,在此一并表示感谢。

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