王莽岭风景区

2018年9月地球学报Sep.2018

第39卷第5期:635-642ActaGeoscienticaSinicaVol.39No.5:635-642

本文由中国地质调查局科研项目“实物地质资料信息产品开发与服务”(编号:121202-06)资助。

收稿日期:2018-03-19;改回日期:2018-06-27;网络首发日期:2018-07-04。责任编辑:闫立娟。

第一作者简介:张蕾,女,1988年生。工程师。主要从事地貌与新构造运动以及实物地质资料管理方面研究。

E-mail:594588113@。

太行山南缘王莽岭地区风化壳的地球化学特征与

夷平面形成环境

张蕾1),张绪教2),武法东2),邓会娟1),陈康1)

1)国土资源实物地质资料中心,河北三河065201;2)中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京100083

摘要:通过野外考察、室内测试分析及区域对比,对王莽岭地区风化壳的特征与夷平面的形成环境进行探

讨。从地貌学、古岩溶、风化壳等方面验证了王莽岭地区存在一级夷平面(1400~1600m)和一级古宽谷—山麓

面(800~1100m)。通过对风化壳的地球化学测试分析,认为夷平面形成于湿热的气候环境,其上风化壳脱硅富

铝化作用明显,但仍属于中等发育程度;古宽谷—山麓面形成于暖湿的气候环境,其上风化壳脱硅富铝化作

用不强,发育程度为中等偏弱。最后,通过区域综合对比,初步推断夷平面是形成于渐新世的太行期夷平面,

古宽谷—山麓面是形成于上新世的唐县期古宽谷—山麓面。

关键词:太行山;王莽岭;夷平面;风化壳

中图分类号:P594.2;P931文献标志码:Adoi:10.3975/cagsb.2018.070301

CharacteristicsofWeatheringCrustandFormationofPlanation

SurfaceinWangmanglingattheSouthernEdgeofTaihangMountain

ZHANGLei1),ZHANGXu-jiao2),WUFa-dong2),DENGHui-juan1),CHENKang1)

1)CoresandSamplesCenterofLandandResources,ChinaGeologicalServey,Sanhe,Hebei065201;

2)SchoolofEarthsciencesandResources,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083

Abstract:Throughfieldinvestigation,indoortestanalysisandregionalcomparison,thecharacteristicsofthe

weatheringcrustintheWangmanglingareaandtheformationenvironmentoftheplaneofthesurfaceare

easpectsofgeomorphology,palaeokarst,andweatheringcrust,itisverifiedthatthereare

planationsurface(1400~1600m)andpaleo-valley-mountainsurface(800~1100m)h

thegeochemicaltestoftheweatheringcrust,itisbelievedthattheplanationsurfacewasformedinahotand

humidclimaticenvironment,andthealuminiferizationeffectoftheweatheringcrustontheweatheringcrustwas

obvious,butitwasstillmoderatelydeveloped;paleo-valley-mountainsurfacewasformedinawarmandhumid

climaticenvironment,anditsweatheringcrustwasnotstrongenoughfordesilication,anditsdevelopmentwas

y,throughregionalcomprehensivecomparisons,itisconcludedthattheplanationsurface

isTaihangplanationsurfacewhichwasformedinOligocene,andthepaleo-valley-mountainsurfaceisTangxian

planationsurfacewhichwasformedinPliocene.

Keywords:TaihangMountains;Wangmangling;planationsurface;weatheringcrust

夷平面是在长期的地壳相对稳定时期,由广泛

的夷平作用形成的,以截断面形式横切一切老地层

和构造的、接近侵蚀基准面的、平缓的地表形态,其

上有风化壳或其他碎屑堆积,常遭受后期的抬升切

割和埋藏,分布于地球各纬度带(任雪梅等,2003)。

王莽岭国家地质公园位于山西省陵川县东南部,其

地理坐标为11319′53″—11338′28″E、3530′20″—

3544′25″N(图1)。该区处于构造运动频繁、河流侵

蚀强度大的太行山南缘,夷平面表现为绵延数百公

里的平坦山顶面和古宽谷面。本文从地貌学、地球

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636地球学报第三十九卷

图1王莽岭国家地质公园地理位置图

Fig.1LocationofWangmanglingNationalGeopark

化学等方面结合区域对比情况,分析了王莽岭地区

风化壳地球化学特征,探讨了夷平面形成时代和古

气候环境。

1研究区概况及研究方法

王莽岭地区位于中生代形成的太行山复背斜

西翼,构造线呈北东向,出露地层由老到新依次为

新太古界、中元古界长城系、下古生界寒武系—奥

陶系及新生界第四系,区内广泛出露岩性以灰岩、

白云岩为主的寒武系、奥陶系和以亚砂土、亚黏土

为主的第四系。王莽岭园区和园区以外西南方向广

泛分布了一级夷平面,其上多处发育风化壳、古岩

溶等残留地貌。除此之外,结合区域DEM地形剖面

图可以看出,夷平面外围的山麓地带存在一个古宽

谷面,古宽谷内部发育大面积红土、古岩溶等残留

地貌。

本文结合1:5万地质图、DEM地形剖面图、卫

星遥感影像图,野外对地貌特征的改为实地考察和

风化壳样品的系统采集以及室内采用常规化学分析

方法对样品进行主量元素含量的测试分析,通过区

域夷平面的综合对比,揭示王莽岭地区风化壳的地

球化学特征及夷平面形成环境。

2夷平面的形态与风化壳的特征

根据野外观察,初步认定王莽岭地区存在一级

夷平面和一级古宽谷—山麓面,夷平面海拔高度为

1400~1600m,古宽谷—山麓面海拔高度为800~

1100m。研究区夷平面、古宽谷—山麓面可以从地

貌形态、古岩溶和风化壳等方面加以识别。

图2王莽岭园区地貌剖面示意图

Fig.2Schema积累好句 ticprofileoflandscapesinWangmangling

O-奥陶纪;-寒武纪;Chd-长城系大河组

O-Ordovician;-Cambrian;

Chd-DaheFormationofChangchengSystem

2.1地貌形态

(1)夷平面地貌形态

王莽岭园区信号塔处是夷平面较好的观察点

(图2):夷平面海拔高度约为1600m,总体倾向西,

倾角为3左右,发育于奥陶系马家沟组二段灰岩

中。夷平面延伸范围较大且坡度较缓,其上发育大

面积峰丛地貌。夷平面之下发育一个古宽谷,谷坡

上部以岩性较硬的白云岩、白云质灰岩、灰岩为主,

坡度较陡,谷坡下部以岩性较软的泥灰岩为主,加

之上部由重力垮塌下来的崩积物覆盖其上,坡度较

缓;古宽谷之下发育深约300m的深切峡谷。古宽

谷及深切峡谷的存在反映了夷平面形成后,地壳抬

升导致河流发生下切,直至地壳趋于稳定,河流以

侧向侵蚀为主,形成宽谷,之后经历多次构造抬升,

河流强烈下切至元古代褐红色石英砂岩中,形象鼻蚌 成了

深切峡谷。

另外,园区以外西南方向,海拔高度降至

1400m附近,仍可观察到大面积展布的该级夷平面。

(2)古宽谷面地貌形态

室内结合王莽岭地区DEM地形剖面图,可以

发现夷平面外围山麓地带约1100m附近存在一个

古宽谷面,同时,野外陵川—晋城高速公路一带海

拔高度800~1100m附近可见大面积的红土(图3)。

2.2古岩溶地貌

(1)夷平面古岩溶地貌

夷平面上发育大规模形态各异的峰丛地貌,它

们高差约700~800m,下部尚有未完全分离的基座

相连。同时,可见到岩溶作用初期形成的小型溶沟、

石芽,还可见到溶蚀作用达一定程度形成的平面上

呈圆形的落水洞,高数十米至上百米。园区之外西

南方向海拔高度降至1400m附近,可观察到岩石

表面的古岩溶裂隙。

(2)古宽谷岩溶地貌

古宽谷内部以岩溶丘陵与岩溶洼地相间组合

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第五期张蕾等:太行山南缘王莽岭地区风化壳的地球化学特征与夷平面形成环境637

图3王莽岭地区DEM剖面图

Fig.3DEMprofileinWangmanglingarea

图4夷平面及其红土风化壳

Fig.4Theplanationsurfaceandweatheringcrust

图5古宽谷内发育的红土

Fig.5Theweatheringcrustdevelopedintheancientwidevalley

的形式出现,且残留一个“U”形谷(图3)。

2.3风化壳特征

风化壳作为夷平面的组成部分,是夷平面识别

和重建的重要依据,也是夷平面环境信息的重要载

体(李德文和崔之久,2004)。它经常与夷平面伴生,

通过夷平面的这种相关残余堆积来间接研究和重建

夷平面的发育环境、地貌特征(冯金良等,2002)。

(1)夷平面风化壳特征

王莽岭园区索道下栈约1640m处

(3540′22.55″N、11336′43.15″E),可见成分以黏土

为主的残积红土充填于灰岩的纵向裂隙中,裂隙上

部宽10~40cm,向下可达1m左右;1520m的山顶

部位(3539′42.71″N、11334′44.3″E),分布较大面积

的成分以黏土为主的褐红色残积红土,其下部是岩

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638地球学报第三十九卷

性以白云质灰岩夹泥质灰岩为主的基岩,伴有一定

程度的风化;园区以外西南方向海拔1400m附近,

仍分布有大面积的褐红色残积红土,红土之下为岩

性以白云岩、白云质灰岩为主的基岩,已强烈风化

(图4)。

(2)古宽谷风化壳特征

古宽谷发育大面积红土,有些红土下部未见到

基岩,有些红土分布于基岩裂隙中,基岩的风化程

度较强(图5)。

3样品的采集与测试

地表岩石中元素抗风化能力存在较大差异,

Ca、Mg、K、Na等活动性元素极易随流体发生迁

移,而Si、Al、Fe、Mn、Ti等惰性元素易残留在风

化壳中且相对富集,随风化淋滤作用的进行,在红

土风化壳发育的不同阶段,活动性元素与惰性元素

间的比值会逐渐发生变化,对揭示红土的风化阶

段、化学风化强度及重建古气候环境有着重要的指

示作用(高柳青和袁宝印,1996;朱丽东等,2007;张

建新等,2007;叶玮等,2008)。

本次研究共选取13个红土风化壳样品,其中,

H1–H4、H6、H8–H9等7个样品分布于1400~

1600m,所取红土样品周围岩性以灰岩为主。H12、

H15–H16、H18、H22–H23等6个样品分布于800~

1100m,所取红土样品位于下部未见基岩的厚度

较大的红土剖面的中上部,或位于已强烈风化的灰

岩裂隙中(表1)。采用硅铝比(SiO

2

/Al

2

O

3

)、硅铁比

(SiO

2

/Fe

2

O

3

)、铝铁比(Al

2

O

3

/Fe

2

O

3

)、化学蚀变指数

(CIA)及风化淋溶系数(BA)作为分析红土风化壳地

球化学特征的指标。测试于中国地质大学(北京)地

学实验中心完成。

3.1夷平面风化壳地球化学特征

(1)主量元素特征

如上所示(表2),各样品的SiO

2

、Al

2

O

3

、Fe

2

O

3

三者之和占样品总量的80.29%~85.67%,是风化壳

较强红土化作用的重要指标。从易溶组分来看,

MgO、CaO、Na

2

O、K

2

O的含量之和为5.65%~8.17%,

表明易迁移元素大量淋滤消失,风化壳经历了较强

的风化淋溶过程;从惰性组分来看,SiO

2

的含量为

45.86%~62.10%、Al

2

O

3

的含量为16.65%~26.52%、

Fe

2

O

3

的含量为6.15%~10.77%,Fe

2

O

3

和Al

2

O

3

的含

量低于SiO

2

,表明风化壳的发育还未进入后期,属

中等发育。

此外,从SiO

2

、Al

2

O

3

、Fe

2

O

3

三种主量元素的

线性拟合来看,Al

2

O

3

、Fe

2

O

3

与SiO

2

含量间具有很好

的负线性关系(图6),说明这种元素组合特征符合亚

热带地区脱硅富铝或脱硅富铝铁的基本成土过程。

(2)风化特征

如上所示(表3),各样品化学蚀变指数(CIA)变

化于73.80~85.59之间,平均值为81.87,反映湿热

表1研究区风化壳采样位置表

Table1Theweatheringcrustsamplinglocationinthestudyarea

样品编号采样位置海拔高度/m基岩岩性描述

H13540′22.55″N,11336′43.15″E1640

厚层灰岩

H23548′18.58″N,11324′07.30″E1552

厚层灰岩

H33548′31.09″N,11325′16.25″E1581

厚层灰岩夹薄层钙质板岩

H43548′41.37″N,11325′44.48″E1628

中厚层灰岩

H63544′55.19″N,11325′45.42″E1468

中薄层灰岩

H83539′42.71″N,11334′44.33″E1520

白云质灰岩夹泥质灰岩

H93543′58.47″N,11314′47.06″E1300

厚层灰岩

H123539′48.30″N,11309′38.70″E1127

未见基岩

H153537′33.82″N,11305′35.91″E1046

中薄层灰岩

H163536′20.90″N,11304′25.93″E1013

未见基岩

H183534′56.37″N,11300′51.00″E966

角砾灰岩

H223535′57.87″N,11302′46.14″E1049

厚层灰岩

H233536′18.17″N,11303′11.25″E1028

角砾灰岩

表2风化壳主量元素化学分析表

Table2Chemicalanalysofconstituentelementsofweatheringcrust

样品编号

SiO

2

/%Al

2

O

3

/%Fe

2

O

3

/%TiO

2

/%MnO/%MgO/%CaO/%Na

2

O/%K

2

O/%

H162.1016.656.150.770.142.260.930.814.17

H246.9823.379.940.471.471.501.440.162.55

H347.5926.529.110.610.121.501.510.222.74

H458.6818.988.010.650.111.791.130.392.51

H648.6722.2110.060.590.132.362.800.133.24

H855.7118.768.970.630.142.190.780.292.76

H945.8624.6910.770.530.071.791.630.142.59

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第五期张蕾等:太行山南缘王莽岭地区风化壳的地球化学特征与夷平面形成环境639

图6风化壳主量元素相关性分析图

Fig.6Correlationanalysofmajorelementsofweatheringcrust

表3风化系数表

Table3Weatheringcoefficientsofweatheringcrust

样品编号

SiO

2

/Al

2

O

3

SiO

2

/Fe

2

O

3

CIABA

H13.7310.1173.800.49

H22.014.7384.920.24

H31.795.2285.590.23

H43.097.3282.490.31

H62.194.8478.260.38

H82.976.2183.050.32

气候条件下较强的化学风化程度;风化淋溶系数

(BA)变化于0.23~0.49之间,平均值为0.32,这种低

BA值的特征表明本批样品中Ca、Na、K、Mg等活

动组分相对于Al、Fe等惰性组分强烈淋失,从风化

程度等级来看,属强烈风化。

综上所述,夷平面风化壳形成于湿热的气候环

境下,其经历较强的风化作用后,易溶组分严重流

失,脱硅富铝化作用明显,但红土风化壳的发育未

进入后期,属中等发育程度。

3.2古宽谷风化壳地球化学特征

(1)主量元素特征

如表4所示,从惰性组分来看,各样品SiO

2

含

量为61.18%~63.98%、Al

2

O

3

含量为

15.05%~17.31%、Fe

2

O

3

含量为5.90%~7.28%。相比

于夷平面风化壳,古宽谷风化壳的SiO

2

含量较高,

而Al

2

O

3

和Fe

2

O

3

含量较低,说明古宽谷风化壳的发

育程度属中等偏弱;从易溶组分来看,MgO、CaO、

Na

2

O、K

2

O的含量之和为5.80%~8.29%,表明风化

壳经历了较强的风化淋溶作用,总体反映了风化壳

表4风化壳主量元素化学分析表

Table4Chemicalanalysisofconstituentelementsofweatheringcrust

样品编号

SiO

2

/%Al

2

O

3

/%Fe

2

O

3

/%TiO

2

/%MnO/%MgO/%CaO/%Na

2

O/%K

2

O/%

H1263.4317.077.060.870.101.550.960.473.01

H1561.1817.317.280.830.101.741.670.572.36

H1663.9816.356.370.850.101.610.930.492.77

H1862.3815.055.900.810.101.783.131.052.33

H2263.5816.696.810.830.101.841.100.622.63

H2362.9616.286.610.800.122.051.210.752.78

图7古宽谷风化壳的主量元素相关性分析图

Fig.7Correlationanalysofmajorelementsofweatheringcrustinintheancientwidevalley

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640地球学报第三十九卷

表5风化系数表

Table5Weatheringcoefficientsofweatheringcrust

样品编号

SiO

2

/Al

2

O

3

SiO

2

/Fe

2

O

3

CIABA

H123.728.9979.350.35

H153.538.4079.010.37

H163.9110.0479.600.35

H184.1410.5769.810.55

H223.819.3479.330.37

H233.879.5377.450.42

发育于温暖、湿润的气候环境。

此外,从SiO

2

、Al

2

O

3

、Fe

2

O

3

三种主量元素的

线性拟合来看(图7),数据分布比较离散,三者线性

关系很不明显,这种样品元素组合特征可能表明古

宽谷风化壳的脱硅富铝或脱硅富铝铁作用程度并不

高。

(2)风化特征

如表5所示,各样品SiO

2

/Al

2

O

3

值介于

3.53~4.14之间,属硅铝型风化壳,SiO

2

/Fe

2

O

3

值介

于8.40~10.57之间,较夷平面风化壳的硅铝比和硅

铁比值都要高,指示了古宽谷风化壳的风化程度要

弱于夷平面风化壳;各样品化学蚀变指数(CIA)变化

于69.81~79.60之间,较夷平面风化壳的CIA值要低

些,反映了其中等偏弱的化学风化程度;风化淋溶

系数(BA)变化于0.35~0.55之间,这种低BA值的特

征虽指示Ca、Na、K、Mg等活动组分相对于Al、

Fe等惰性组分强烈淋失,但要高于夷平面风化壳的

BA值,同样指示了风化作用强度较夷平面要弱。

综上所述,古宽谷风化壳形成于温暖、湿润的

气候环境下,其经历的风化作用强度弱于夷平面,

虽风化壳中易溶组分强烈淋滤流失,但脱硅富铝作

用并不强,风化壳的发育程度属中等偏弱。

4夷平面的区域对比

4.1与华北地区对比

较多学者认为太行山南段存在三期夷平面,分

别是北台期夷平面、太行期夷平面、唐县期宽谷—

山麓面。其中,北台期夷平面形成于白垩纪末,主

要分布在海拔1800~2200m之间;太行期夷平面

形成于渐新世,分布于北台期夷平面的外围,海拔

1500~1600m;唐县期夷平面形成于上新世,分布

于山麓地带,海拔高度范围较广(吴忱等,1996,

1999a,b,2000;吴忱,2001,2008a,b;马寅生等,

2007;龚明权,2010)。

太行山南缘王莽岭地区海拔1400~1600m的

山塬面及海拔约1100m的古宽谷面与华北地区海

拔1000~2200m的太行面及海拔分布范围较广的

唐县面,海拔高度的可比性,推断本区海拔1400~

1600m的山塬面是形成于渐新世的太行期夷平面,

而海拔约1100m的古宽谷面是形成于上新世的唐

县期宽谷—山麓面。

4.2与长江三峡地区对比

谢世友等认为长江三峡地区存在三期夷平面,

高夷平面主要分布在远离河谷的分水岭地区,山塬

形态保存较好,岩溶台面特征明显,通过相关沉积

和构造事件推断其形成于渐新世末;低夷平面围绕

高夷平面广泛分布,地面多表现为高大的岩溶丘陵

与大型洼地相组合的岩溶台面,两者高差可达

300~400m,推断该级夷平面形成于气候温暖湿润

的上新世末(谢世友等,2006)。

王莽岭地区的高夷平面在河流上游表现为形

态保存较好的山塬面,

河流中游表现为高差较小的

波状起伏或等高山峰密集排列的峰顶面,其海拔高

度及地貌形态可与三峡地区相对比,因此,推断研

究区高夷平面即是形成于渐新世的太行期夷平面;

王莽岭地区DEM剖面图可见古宽谷中岩溶丘陵与

洼地相间组合,两者高差在250~350m,且分布有

大面积的红土风化壳,其海拔高度、地貌形态等均

可与三峡地区低夷平面相对比,故推断研究区分布

于太行期夷平面山麓地带的古宽谷面即是形成于上

新世末的唐县期宽谷—山麓面。

4.3与滇西地区对比

上新世以来滇西地区发育一期夷平面,上新世

末至第四纪初,该区由于受到印度板块的挤压而整

体抬升,除此之外,还受到断裂活动影响,使夷平

面解体而形成分布于海拔650~2500m的多级台

地、高山或断陷盆地(李光涛等,2008)。在印度板块

挤压作用下,华北地区同样大面积抬升,只是不如

青藏高原隆升强烈,准平原被抬升的幅度小于滇西

地区,但通过两地夷平面海拔高度的对比,仍可推

断王莽岭地区海拔约1100m的古宽谷面应发育于

上新世。

4.4与张家界地区对比

倪志云等认为张家界地区发育一级海拔

1100~1300m形成于晚第三纪湿热环境的夷平面,

夷平面上红土风化壳为硅铝型风化壳,风化壳经历

了较强的风化淋溶过程,但脱硅富铝作用较弱,属

中等发育程度(倪志云等,2011)。

分布于海拔800~1100m古宽谷的风化壳也属

硅铝型风化壳,通过对

Al

2

O

3

、Fe

2

O

3

与SiO

2

的线性

拟合以及对化学蚀变指数和风化淋溶系数的分析,

表明红土风化壳的脱硅富铝作用并不强,其风化程

度属中等。本区红土风化壳主量元素及相关风化系

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第五期张蕾等:太行山南缘王莽岭地区风化壳的地球化学特征与夷平面形成环境641

数与张家界地区具有很好的一致性,可能也指示本

区古宽谷面是形成于上新世暖湿气候环境下的唐县

期夷平面。

5结论与展望

5.1结论

通过对太行山南缘王莽岭地区风化壳的性质

与夷平面的形成环境进行深入研究,得到以下几点

认识:

(1)研究区发育一级夷平面和一级古宽谷—山

麓面:夷平面分布在海拔高度1400~1600m附近,

由山顶面及其邻区海拔相近的山岭顶部组成,其上

发育风化壳和古岩溶等残留地貌;古宽谷—山麓面

分布在海拔高度800~1100m附近,宽缓的谷底发

育大量红土风化壳和古岩溶等残留地貌。

(2)研究区夷平面形成于湿热的气候环境下,其

经历较强的风化作用后,易溶组分严重流失,脱硅

富铝化作用明显,但红土风化壳的发育未进入后期,

属中等发育程度;古宽谷—山麓面形成于温暖、湿

润的气候环境下,其经历的风化作用强度弱于夷平

面,虽风化壳中易溶组分强烈淋滤流失,但脱硅富

铝作用并不强,风化壳的发育程度属中等偏弱。

(3)研究区夷平面可能是形成于渐新世的太行

期夷平面,而古宽谷面可能是形成于上新世的唐县

期宽谷—山麓面。

5.2展望

由于此次研究仅是通过区域综合对比研究,初

步判断了夷平面和古宽谷风化壳的形成年代,因此,

下一步工作重点是对夷平面和古宽谷风化壳进行详

细测年分析,为太行山南缘夷平面的形成和演化提

供年代学依据。

Acknowledgements:

ThisstudywassupportedbyChinaGeological

Survey(No.

121202-06).

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