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土林揭秘 精选

已有 4822 次阅读 2023-11-23 16:47 |个人分类:地学科普|系统分类:科普集锦

土林揭秘

文:苏德辰  田连捷

上世纪60年代,为了研究元谋盆地的冰川和新构造活动,中国地质科学院地质力学所的钱方多次到云南元谋盆地进行野外地质调查,他在元谋盆地的“上新统—更新统地层”分布区(上新统起始年龄为距今530万年,更新统的终止年龄约为13万年),发现多片被流水冲刷后形成的土柱,这些土柱“高低参差、密密层层,层见叠出,远看如一片森林”。以前,人们对这种景观片面当成给人类带来灾害的水土流失结果,完全没有意识到这种景观蕴含着重要的科学及美学价值,是一种独特的地貌。1977年,钱方将这种地貌形态命名为“土林”并写进了他公开发表的一篇科研论文中。从此,“土林”才作为一种独立的地貌类型,逐渐被地学界接受。最近几年,随着公众对土林知识的逐渐了解和审美意识的提高,越来越多的土林景点被发现。如今,在土林地貌的命名地云南元谋已经有了国家4A级土林景区,在西藏已经建立了国家级扎达土林地质公园,2022年末山西大同土林公园正式成为国家3A级旅游景区。本文将简要而尽可能系统地介绍土林与石林和峰林地貌的异同点、土林的形成条件、科学价值。

 

1.什么是石林、峰林和土林

地下深处的坚硬岩石在地壳作用下抬升形成高耸的山脉或高原,伴随着隆升成山过程,岩石中会形成大小不等的断裂或裂隙。在太阳辐射、大气、降雨、冰川和生物等的作用下,岩石会发生风化、分解。千变万化的地貌景观就是在这种隆升与侵蚀的反复较量中形成的。

在比较特殊的条件下,岩石会因节理切割和强烈的风化侵蚀作用或溶蚀作用形成1米以上至数十米高的针柱状、尖锥状石柱,密集如林者,称为石林,云南的路南石林是最典型的实例,也是石林地貌的命名地。

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云南石林(20197月拍摄)

有人认为石林是喀斯特地貌区独有的地貌特征,实际上在碎屑岩(砂岩、砾岩)甚至岩浆岩(主要是花岗岩)和变质岩(主要是大理岩)都可以形成石林,如丹霞山景区的丹霞石林、广西姑婆山的和山西大同六棱山的大理岩石林、黑龙江伊春花岗岩石林等。

如果柱状单体地貌的高度和直径都比较大,则称为石峰。石柱与石峰之间并没有截然的界线,低矮细小者称为石柱,通常低于50米;高大粗壮者称为石峰,一般高数十米至数百米。散立于平面或坡面但又密集分布的石峰称为峰林。目前,没有明确的规定或标准用来计算这个密集度、或者多大的密集度才能称为峰林等。如果多个石峰簇拥一团,其下的基座与地面或坡面有明显的高差,则称为峰丛。峰林与峰丛经常共生在一起。与石林类似,峰林与峰丛经常发育在喀斯特地貌区,但它们只是形态特征,并非喀斯特地貌区所独有,自然界中还可以有丹霞峰林、砂岩峰林、花岗岩峰林等等。

张家界世界地质公园天子山园区内有千根以上高度超过200米的海相砂岩石峰,且成群出现,是世界上最典型的砂岩峰林景观。

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张家界石英砂岩峰林(张家界世界地质公园供图)

与石林或峰林相对应的概念是土林。顾名思义,土林是由没有完全固结成岩的土状堆积物构成的成群分布的柱状地貌,因远望如林而得名。这些未完全固结成岩的松散沉积物大多形成于最近二三百万年以来的湖泊或河床,因此,《地质大辞典》(2005版)将土林定义为“第四纪(距今258万年)以来湖相或河流相的粘土、砂、砾石的松散堆积物在干燥环境中因雨水淋蚀、冲刷所形成”。这个定义中的地质年限明显与公认的土林地貌实际情况不完全相符。例如,西藏扎达土林的沉积物年龄距今已经300万年~510万年(地质史中的上新世-早更新世),构成元谋土林的沉积物年龄也早于258万年。《地球科学大辞典》(2006版)将土林的时限定义为“上新世-早更新世”,但又漏掉了由第四纪以来的地层构成的土林。本文介绍的大同土林,景区范围内目前暴露的地层年龄绝对不会超过100万年,景观的形成年龄距今只有2万~3万年甚至更短。

土林”概念的诞生只有几十年的时间。随着对土林的认识的提高和普及,未来若干年,会出现越来越多的土林景区。

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西藏扎达土林(陈松永摄)

    扎达土林有丛林状、宝瓶状、秦甬状、城堡状、台阶状、鼻状、古钟状、尖峰状等多种地貌形态。

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元谋土林(杨红君摄)

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大同土林土柱集中发育区,注意顶层20-40厘米厚的土壤层中有密集的植物根系

(李鸣放 摄)

大同土林,莫远拍摄.jpg

大同土林(莫远 摄)

 

2.土林的形成条件

土林是一种独特而稀少的地貌类型,是特殊的地质构造环境、适合的沉积物成分与成岩过程、以及适合的水文气候条件等多种因素相互作用下形成的。在地貌学的分类中属于特殊的流水侵蚀地貌。具体形成条件如下:

2.1地质构造背景

土林是由河湖相的粘土、砂、砾石等松散堆积物因流水侵蚀而成的特殊地貌,能够形成巨厚的河湖相沉积的区域一般都是在较长时间接受沉积的古湖或盆地,通常都是地质上的新构造运动或裂谷作用形成的。例如,元谋盆地是位于云南-四川南北向构造带中段的新构造运动的结果,强烈的侵蚀作用可以形成30-40米高的土林景观;扎达盆地位于喜马拉雅山和阿依拉山环抱的象泉河流域,距今300万年-510万年间是一个数千平方千米的古湖,伴随着青藏高原整体隆升,古湖变成陆地并遭受长时间且剧烈的雨水侵蚀。大同盆地则是在距今200万年~300万年以来因裂谷作用形成的,相对于整个地球历史来讲,大同古湖变成陆地的时间距现在非常短暂。3个盆地都有上百万年接受沉积的历史,古湖中的泥、砂、砾等没有完全固结,便因快速的构造抬升变成陆地,沉积物普遍呈水平或近水平状态,抬升过程中及抬升之后,在地层中产生大量裂隙(节理),同时受到后期地表降水强烈的淋蚀或冲蚀,如此形成了典型的土林景观。

2.2合适的地势条件

土林是地表雨水侵蚀的结果,发育在有一定的地势差异的区域,如小型河谷边缘、河流阶地附近等易于侵蚀作用发生的位置。土林景观的高度受构造运动抬升的强度、时间、沉积物成分、降雨量等因素控制。大同土林发育在大同市杜庄村附近的石板沟,属于桑干河流域非常微小的一个支流河谷。景区内有一座修建不久的小型水库,水位高度为990米,它是目前这个区域内侵蚀作用能够到达的下限,是景区的侵蚀基准面。石板沟周围的平原海拔高度平均为1000米左右,高于侵蚀基准面10米左右。由此决定了大同土林所有土柱、土墙等景观的最大高度一般小于10米。事实上,由于局部地势的因素,以及风化与重力崩塌程度不同,大同土林内绝大多数土林景观的高度介于3米至9米之间。

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景区在石板河修建了一个小型水库,水库水面的高度是景区内侵蚀作用的下限(莫远摄)

2.3干旱和半干旱的气候环境

地球上具有良好的地质和物质条件的构造盆地有很多,但能够形成土林地貌的盆地屈指可数。主要原因之一是气候因素。

由于没有经过长期的压实和固结作用,松散沉积物抗风化和抗侵蚀能力十分有限,长期降雨的区域的河湖相沉积物很快就会崩塌并被移到低洼的河谷,即使偶尔因侵蚀形成土林,也很难长久保存。极度干旱区,地表流水的侵蚀作用微弱,不易发展成土柱或土林。只有在干旱或半干旱地区,才能形成相对稳定的土林景观。元谋盆地、扎达盆地和大同盆地虽然天各一方,但都分别位于降水比较少的半干旱区域。

2.4特殊的物质成分和地层结构

土林是弱固结的沉积物在季节性的雨水淋蚀下形成的。绝大多数能够较长久保存的土柱顶部都有一个抗风化能力较强的保护层,否则,即便临时形成土柱,也难于长久,很快就消失。这个保护层多为坚硬的铁质风化壳层、钙质或硅质胶结层。

古湖存续期间,因气候环境变化,水位有升有降。湖中的沉积物成分也会产生相应的变化。古湖中,经常因沉积物的粒度、物质成分的不同而产生千变万化的分层现象。元谋盆地在发育过程中,有3个较长的湖水退却、沉积物暴露地表的时期。暴露于地表的沉积物遭受风化、淋滤和剥蚀,抗风化能力强的铁质和砾石等则保留原地,形成了3层质地坚硬的铁质风化壳。它们在后期构造抬升和雨水侵蚀过程中,充当了松软岩层的“保护伞”,使得土柱、土墙等能够长久保持,这正是元谋土林景观异常高大宏伟的重要原因。

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元谋土林土柱顶部深褐色岩层为硬度较大、抗风化能力较强的砾岩(杨红君摄)

盆地抬升成陆后,不同的地层因物质成分、厚度和压实固结程度的不同,抗风化能力有强有弱,形成明显的差异风化现象。如果土柱上部有坚固的砾石层或者有巨大且坚硬的崩落岩块,也能够抵挡雨水向下的淋蚀,进而形成非常奇特的土柱。

大同古湖也曾经有过多次的湖水涨落过程,但是,大同古湖的消亡时间距今只有2万~3万年。与扎达土林和元谋土林相比,大同盆地的发育时间要晚得多,土林的形成时间则更晚。大同土林的土柱顶部既无特殊坚硬的风化壳,也没有巨大的岩块保护,起遮罩和保护作用的主要是顶部20~40厘米厚的土壤层,土壤中发达植物根系充当了土柱、土墙的“保护伞”,其坚固程度与元谋土林和扎达土林的铁质风化壳相比要弱得多,意味着大同土林更易于遭受后期侵蚀作用的破坏,同时也是大同土林更加变化莫测的原因。

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大同土林景区边缘侵蚀发育区(刘玉军摄)

土林的发育过程:长时间的构造沉降,接收巨厚的沉积物,到相对快速的构造抬升并接受风雨侵蚀,是土林地貌形成的地质基础。

3.国外的土林地貌

土林地貌虽然稀少,但并非中国所独有。国外与土林类似的地貌有多个名称,美国和加拿大多称为Hoodoo,泛指因侵蚀作用形成的柱状地貌,未限定是否为石柱或土柱,也没有限定地层的年代。规模最大且最典型的Hoodoo位于美国科罗拉多高原的布莱斯公园。

法国等欧洲国家称类似的地貌为demoiselles coiffées(戴帽的石塔),不过,Demoiselle大部分为阿尔卑斯山的冰川堆积物再经侵蚀作用后所形成。与Hoodoo类似的概念还有帐篷石(Tent Rock)、仙女烟囱(Fairy Chimney)、土塔(Earth Pyramid),土锥(Earth pinnacle)等,基本上都是以形态为主命名的。了解这些,对于阅读国外的文献或旅游都是必要的。

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美国布莱斯峡谷国家公园中的土林(将啸川 

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法国南部Ille-sur-Têt的土林(维基百科,Geert Chao摄)


4.土林的美学和科学价值

4.1别具一格的美学价值

土林是由河湖相沉积物经过多年雨水侵蚀后形成的群体性地貌,每个土林景区都是由大量千姿百态的土柱、土塔、土墙、土台、土堡、土城、土崖、土岭等构成。雨水的淋蚀会在这些景观的外表雕刻出无穷无尽的图案,还会给它们披上神秘的外衣。构成土林的岩层在物质组成、厚度、粒度、颜色上都有极大的变化,加之季节与光线的变化,会组合成无数奇幻的图画。与石林相比,土林的景观变化异常明显。同一景观,一年四季不一样,去年今年大不同,甚至一场降雨后就会出现截然不同的形态。置身土林,可以用一天的时间亲眼看到从早到晚的光影变幻,用一年的时间见证不同季节土林地貌的轮回演变,用几十年的时间,感受到大自然的沧桑巨变。那种神秘深奥、变幻莫测、令人如醉如痴的魔幻之美,任何语言和画面都无法替代。其变化之丰富和快速,是其他任何地貌类型都难于比拟的。

4.2重要的科学和文化价值

土林多是由近代古湖环境中的沉积物遭受后期的侵蚀所形成。与海洋环境相比,古湖更容易受到其周围气候因素的影响。沉积物的成分、厚度、粒度、颜色等等方面的特征都饱含着区域性地壳升降、极端气候事件、地震、火山等等事件的信息。

土林的形成过程中,与强烈雨水侵蚀和重力崩塌相伴的现象是大量土状沉积物的搬运和再次沉积。最宏观的现象是雨水淋蚀、剥蚀的产物在土柱周围原地堆积。它们更易受到地表流水的冲蚀,表面发育大量细小的纹沟和细沟。无数微型的纹沟和细沟在大量的坡积物表面上组合成形态各异的图案。降雨后,土柱周围的沉积物立刻随着雨水的冲刷而发生变化,因而,在雨后的土林景区内可以直接观察到微型坡积裙、三角洲等的形成和演化,观察到沉积物因密度和粒度不同而产生的分异现象。

总之,土林给地质学家一个全方位研究沉积过程、恢复古构造、古环境等的便利条件。在土林可以观察多种地质现象,可以切身体验和领悟到浓缩版的沧桑巨变、海枯石烂的地质过程。土林是天然的地质学实验室,是进行全民科普、地质研学的大课堂。

更值得一提的是,云南元谋土林、西藏扎达土林和山西大同土林分别对应着云南元谋人、神秘的古格王朝以及中国的泥河湾新旧石器遗址,因此,土林除了有重要的地学价值外,还有重要的生态学和人类文化方面的潜在价值。

本文绝大部分内容已经在《地球》2023年第4期正式发表,本博文补充了因篇幅限制而删除的国外土林地貌,特此说明。



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