Sedimentary Characteristics and Paleoenvironment Evolution of Paleoplanation in Xiangxi Hunan
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摘要:
湖南湘西地区断裂和褶皱构造较发育，经历了多次构造运动的改造、大面积断块抬升与大规模的剥蚀夷平作用，发育形成了两级夷平面，十分有利于夷平面演化的研究。笔者在对湘西地区若干岩溶红色风化壳剖面进行了广泛野外调查的基础上，选取了湘西州两个典型剖面进行了古风化壳粒度、磁化率和孢粉的综合研究，从地貌学、表生地球化学和土壤学、孢粉学的角度探讨湘西地区岩溶风化壳的形成时代与夷平面演化的关系。研究结果表明：研究区内夷平面发育时期应该在中更新世至中新世阶段，在进入古近纪后，总体上长期处于相对稳定状态；贾坝剖面沉积环境相对于洛塔剖面略微干燥或凉润，夷平作用较发育，沉积时期虽有明显的气候波动变化，但两个剖面沉积环境整体湿润，期间伴随的干燥波动幅度较小。
Abstract:The Xiangxi fault and fold structures in Hunan Province are well-developed, which have undergone multiple tectonic movements, large-scale fault block uplift, and large-scale erosion and leveling, forming two levels of planation planes, which is very conducive to the study of planation plane evolution. On the basis of extensive field investigations on several karst red weathering crust profiles in the western Hunan region, the author selected two typical profiles in Xiangxi Prefecture to conduct a comprehensive study on the particle size, magnetic susceptibility, and spore pollen of ancient weathering crust. From the perspectives of geomorphology, epigeochemistry, soil science, and spore pollen, this study explores the relationship between the formation age of karst weathering crust in the western Hunan region and the evolution of the planation plane. The research results indicate that the development period of the planation plane in the study area should be from the Middle Pleistocene to the Middle Miocene, and after entering the Paleogene, it is generally in a relatively stable state for a long time; The sedimentary environment of the Jiaba section is slightly dry or cool and moist compared to the Luota section, with more developed planation. Although there were significant climate fluctuations during the sedimentation period, the overall sedimentary environment of the two sections was moist, and the accompanying dry fluctuations were relatively small.
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Keywords:
- planation surface /
- pollen /
- grain size /
- magnetic susceptibility /
- Xiangxi
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夷平面是一个极其有效的恢复古地貌、重建古气候的重要工具，尤其是对中生代以来的地貌演化有重要的指示作用。近年来，国际上就风化壳这一载体进行了全方位研究，为解决夷平面研究中出现的各种问题做了多种试探，以解决夷平面和风化壳的性质、年代和环境问题。在夷平面的内容、分布和研究方法上均取得了一定进展（Beckwith et al.，1986；Cande et al.，1995；Crock- ford et al.，1998；Brooks et al.，2011）。随着对夷平面的深入研究，该领域对欧洲、美洲、新西兰等地一些地貌构造演化、沉积特征、侵蚀演化历史和新生代地貌研究中做出了重要贡献（Coltorti et al.，2000；Crook et al.，2002；Ajith et al.，2009；Jiao et al.，2021）。Carador等（1996）也通过对南非的非洲面的分析研究，验证了非洲夷平面为多旋回构造演化的说法。国内对华北、青藏高原及华南的夷平面都有较为详细的研究，部分学者（李吉均等，1998，2001；李德文等，2000；潘保田，2002）在对湘桂滇黔藏等地区的夷平面相继进行了研究之后，一致认为地貌最终发育产物的夷平面，可作为青藏高原演化的重要地质档案。
但目前关于夷平面的研究重点，主要集中在用来研究新构造运动的间歇性、继承性和新生性，即只是以夷平面作为手段，来研究新构造运动的各项活动特征（张珂等，1995；崔之久等，1996）。而在夷平面形成年代及环境上，利用古植物孢粉方面的研究较少。基于此，本研究在申报湘西世界地质公园野外长时间考察的基础上，选取湘西西北部洛塔台地、召市盆地两处典型古风化壳剖面，通过孢粉、粒度、磁化率的研究重建该地区的古地貌环境，恢复古夷平面的形成时期、发育过程及古环境，开发及外延湘西古夷平面的地质遗迹科学价值，进而为中国岩溶风化壳形成环境提供重要依据。
1. 研究区概况
研究区位于云贵高原东侧的武陵山区，气候上处于中亚热带季风湿润气候区，大地构造上位于扬子准地台与华南准地台交界的边缘区（图1）。区内断裂和褶皱构造较发育，不同地质构造运动期均在区内留下强度各异的构造形迹，区域内的地质构造主要为EW向和NE向构造带，其次为NNE向和NW向构造。不同期次的断裂构造相互牵制、干扰、穿插、叠加，构成了现有的构造格局，在漫长的地史演化过程中，经历了多次构造运动的改造、大面积断块抬升与大规模的剥蚀夷平作用，这里发育形成了洛塔期（洛塔剖面）和召市期（贾坝剖面）两级夷平面（剥夷面），为中国西南岩溶地貌的典型集中展示区，十分有利于夷平面演化的研究。
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图 1 研究区大地构造图Ⅰ.武陵地块；Ⅱ.雪峰地块；Ⅲ.幕阜−九岭地块；FHD.板块缝合带；CAF.常德–安仁转换断层；EQF.鄂湘黔岩石圈断裂Figure 1. Tectonic map of the study area2. 样品采集及分析测试方法
2.1 孢粉样品采集与测试
洛塔剖面（LT）位于湘西自治州龙山县洛塔乡，海拔923 m，总厚约5 m（图2），取样段自上而下为150～500 cm处，进行连续取样，采样间距为50 cm，共计7个样品；贾坝剖面（JB）位于湘西自治州龙山县贾坝乡谷地东侧，海拔663 m，总厚约6.5 m（图3），取样段为50～350 cm处，取样顺序由上到下，采样间距为100 cm，共取3个样品，剖面位置及采样点见图4。
为增强实验的可靠性，在选取采样剖面后采用平移法，在同一海拔高度处额外选取了LT-Y1、LT-Y2、LT-Y3、JB-Y1等4处验证剖面，其中LT-Y1、LT-Y2、LT-Y3等3个剖面共采集验证样品3个，样长均为100 cm，JB-Y1剖面采集验证样品1个，样长100 cm。本研究中化石孢粉的分离采用超声波发生器过滤法处理，样品在南京地质古生物研究所浸解处理后，使用Zeiss Scope A1生物荧光显微镜检查鉴定。
2.2 粒度、磁化率样品采集与测试
为确保采集到新鲜样品以及采样层序的顺序性、系统性和完整性，样品采集工作全部在开挖的深槽中进行。LT剖面取样段为150～500 cm处，根据地层沉积差异，取样顺序由上到下，在150～440 cm以10 cm为间隔，共采集样品29个；在440～500 cm以60 cm为采样间隔，共采集样品1个；共计在该剖面采集30个样品。JB剖面取样段为50～350 cm处，采样间距20 cm，共取15个样品。粒度测定采用了较为彻底的前处理方法，激光粒度仪检测；磁化率使用该公司MS2型磁化率仪测量，为了确保本次测量的精度，按要求分别对高、低频磁化率样品进行了3次重复测试，分别求取高、低频磁化率的平均值，全部测试在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成。
3. 孢粉特征分析
通过对两个剖面的样品进行孢粉分析，发现其中8件样品见中等丰度且组合一致的孢粉，3件样品未见任何孢粉化石（表1，图5）。
表 1 孢粉含量数据统计基本分析表Table 1. Basic analysis table for spore and pollen content data statistics采样点号 属种名称 孢粉含量 采样点号 属种名称 孢粉含量 LT-1 水龙骨属Polypodium ＞100粒 JB-Y1 水龙骨属Polypodium 18粒 松属Pinus 35粒 松属Pinus 14粒 冷杉属Abies 4粒 枥属Carpinipites 1粒 罗汉松属Podcarpus 2粒 禾本科Gramineae 1粒 LT-2 水龙骨属Polypodium 64粒 LT-Y2 水龙骨属Polypodium ＞100粒 松属Pinus 8粒 松属Pinus 7粒 藜属Chenopodium 1粒 罗汉松属Podcarpus 1粒 LT-Y1 水龙骨属Polypodium 11粒 JB-1 水龙骨属Polypodium 7粒 松属Pinus 26粒 松属Pinus 21粒 冷杉属Abies 1粒 禾本科Gramineae 1粒 LT-3 水龙骨属Polypodium 36粒 LT-4 水龙骨属Polypodium 1粒 松属Pinus 2粒 罗汉松属Podcarpus 1粒 LT-7 水龙骨属Polypodium 37粒 LT-5 松属Pinus 2粒 松属Pinus 2粒 ![]()
图 5 洛塔、贾坝剖面孢粉化石照片Figure 5. Spore and pollen fossil photos of Luota and Jiaba sectionsLT剖面风化程度好，当时的植物孢粉保存于其中，见中等丰度且组合一致的孢粉，孢粉浓度相对较高，但类型不丰富。主要成分为分布于亚洲大陆热带、亚热带山地的新生代水龙骨属（Polypodium）和松属（Pinus），和少量存在于晚白垩世，至第三纪中新世及第四纪种的冷杉属（Abies）、罗汉松属（Podcarpus）、藜属（Chenopodium），能明显指示古近纪前地层的孢粉化石未发现。
JB剖面样品中总体上孢粉浓度低，类型也较少。JB-1、JB-Y1样品中主要成分为新生代常见的水龙骨属（Polypodium）和松属（Pinus），少量见有禾本科（Gramineae）、枥属（Carpinipites）。JB-2、JB-3号样品因采样位置风化程度底，本身所含孢粉很少。能明显指示古近纪前地层的孢粉化石也未发现，其中枥属（Carpinipites）和禾本科（Gramineae）均为新近纪—第四纪。
4. 粒度、磁化率指标分析
4.1 粒度特征
对LT剖面粒度组成特征分析发现（图6、图7），整个剖面粒径以粉砂为主，粘粒次之，含量99.5%。通过观察不同粒级的垂直变化曲线，可以发现砂物质在垂直方向上自底部向上呈现先减少后增加的趋势，与细砂含量的变化相一致，这表明LT剖面的砂物质含量受到细砂含量的控制。粉砂和粘粒含量的变化趋势相反，粘粒含量自底部向上总体呈现先增加后减少的趋势。并且不同沉积地层在垂直方向上的粒度含量随深度变化而变化明显，同一粒级在同一地层的不同深度呈现出显著差异且存在多次波动。进一步对LT剖面粒度参数分析发现，从粒度参数Mz、Md值上来看，LT剖面SC/D值表现出了峰值较大、分选较差的旋回曲线特征，反映出该区冬季风活动较弱，生物化学过程活跃，对沉积物的分解和风化有积极的影响，从而营造了相对温和潮湿的环境，使土壤形成速度加快；SC/D谷值段反映的情况正好相反。而从剖面各沉积相位粒度特征来看，参数旋回曲线在垂直方向上与各层位沉积旋回对应较好，但同时在同一地层，也存在多次差异波动。
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图 6 LT剖面沉积物不同粒级垂直变化Figure 6. Vertical variation of different particle sizes in LT profile sediment![]()
图 7 LT剖面粒度参数垂直变化Figure 7. Vertical variation of particle size parameters in LT profileJB剖面粒度组成特征分析结果显示（图8、图9），整个剖面以粉砂为主，粘粒次之，两者含量占比93%；砂仅为6.61%。进一步对砂物质分析发现，整个剖面中细砂是砂粒组成的主体，几乎不含极粗砂和粗砂，含量为6.52%。参数分析发现，剖面各个参数变化范围相对较小，物质组成以细颗粒占主体，分选性极好，频率曲线基本呈现对称性分布。
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图 8 JB剖面沉积物不同粒级垂直变化Figure 8. Vertical variation of sediment with different particle sizes in JB profile![]()
图 9 JB剖面粒度参数垂直变化Figure 9. Vertical variation of particle size parameters in JB profile4.2 磁化率特征
由图10可知，LT剖面的质量磁化率各高度逐级变化特点明显，在垂直方向上呈现一种减小−增大−稳定减小波动的模式，500～275 cm段质量磁化率整体数值较大，最大值已接近26.3×10−8 m3/kg。在500～375 m段有波动减小趋势，375～275 m段波动较大，但出现最大值。反映出此阶段沉积环境夏季风活动较强，气候温湿，化学风化和成壤作用都较强，沉积物中磁性矿物数量增多。另外，剖面的质量磁化率变化与粒度组分、参数变化三者之间存在着相对应的关系。
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图 10 LT剖面磁化率分布特征及其与粒度的关系Figure 10. Distribution characteristics of magnetic susceptibility in LT profile and its relationship with particle size由图11可知，JB剖面质量磁化率相比LT剖面整体明显偏低，最大值也不超过15.4×10-8 m3/kg。但垂直方向上仍整体成增加趋势，在225～175 cm处出现最大峰值，175～125 cm处出现最大谷值，可以反映出此阶段沉积环境夏季风活动较弱，气候干燥凉润，化学风化和成壤作用受到不同程度限制，沉积物中磁性矿物数量相对较少。剖面的质量磁化率变化与粒度组分、参数变化三者之间存在着明显的正相关变化趋势（图11）。
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图 11 JB剖面磁化率分布特征及其与粒度的关系Figure 11. Magnetic susceptibility distribution characteristics of JB profile and its relationship with particle size5. 讨论
5.1 夷平面形成年代探讨
夷平面研究中解决关于其形成时代、性质、环境及其大区域对比问题较为困难。但尽管大陆各部分距离遥远，甚至处于不同的板块和构造体系中，它们都不同程度地对较大尺度和范围的造山运动做出了响应，同时这些地区之间也存在着持久的稳定侵蚀期，并且这一过程也是一致的。所以从植物化石微细构造研究的角度出发，尤其是利用化石孢粉组合的特征，可以恢复研究区的古植被并划分其孢粉植物群（何翠玲等，1996；王伟铭，2009；黄文，2014），对研究区的地层时代进行确定和佐证。周尚哲等（2008）研究表明南岭夷平面的形成时间则在22 Ma BP，即渐新世末—中新世初。Jiao等（2021）的热年代学结果也显示出新世早期至中期是形成现代长江上游的重要时期。崔之久等（2001）测定川滇藏石灰岩夷平面上的风化壳开始形成的时间为18～8 Ma BP。谢世友等（2006）研究认为长江三峡地区现代河谷之上存在两级夷平面，高夷平面完成于古近纪末；低夷平面完成于上新世末。而湘西洛塔期夷平面形成时间应该介于谢世友所描述的长江三峡地区的高夷平面和低夷平面之间；剥夷面分布高度海拔为800～1 200 m，形成年代为3.4～1.8 Ma BP，其剥夷面的形成时代和召市期夷平面相当。
5.2 夷平面形成环境及古气候演化分析
LT剖面地层沉积记录显示，剖面在沉积时期整阶段处于温湿环境下，阶段内表现出现3次小幅度波动，分别为500～375 cm的气候明显回暖期且稳定降低期、375～275 cm的气候湿润且波动期和280～150 cm的气候相对平稳湿润期。JB剖面地层沉积记录显示，剖面在沉积时期整阶段环境较为干冷，但也有回暖的趋势，也存在3次较为明显的气候波动阶段，分别为350～230 cm的气候稳定凉润（干燥）期、250～175 cm的气候相对温湿期、175～50 cm的气候波动回暖期。本次研究的孢粉资料也证实，湘西洛塔地区的孢粉特征也是以具气囊的松柏类为主，蕨类中有大量水生的水龙骨孢粉。而贾坝地区主要成分也为新生代常见的水龙骨属和松属，其中枥属（Carpinipites）和禾本科主要常见于第四纪。通过对LT剖面和JB剖面地层沉积特征运用粒度和磁化率两个气候代用指标进行系统分析，虽LT剖面和JB剖面在沉积过程中均出现多次波动旋回，但剖面粒度和磁化率记录显示两个剖面沉积环境整体湿润，期间伴随的干燥波动幅度较小。综合对比两个剖面沉积环境发现，对比分析LT剖面和JB剖面的粒度和磁化率特征，再同对比不同地区新生代以来的气候特征，结合孢粉、粒度和磁化率特征所反映的沉积环境（童国榜等，1998；迟振卿等，1999；罗清等，2003；罗清，2011；倪志云等，2011；郝秀东等，2011；石胜强，2012；程鑫，2012；张文丽，2015；王大宁等，2016；孙立新等，2017；郑丽波等，2018），可初步推断，虽LT剖面和JB剖面在沉积过程中均出现多次波动旋回，但两个剖面沉积环境整体湿润，期间伴随的干燥波动幅度较小。因此，可认为湖南湘西洛塔期古夷平面沉积时期气候为湿度较大的温暖性气候环境。而召市期古夷平面沉积时期气候为湿度较小的凉润性气候环境。
5.3 夷平面发育演化过程
从全球范围看，古近纪是发育夷平面或形成准平原的有利时期（冯金良等，2005；谢世友等，2006；金书晨等，2020；熊建国等，2020；马振华等，2021）。若依此推断，“燕山运动”导致湘西地壳抬升和上白垩统以下地层发生强烈褶皱。在此之后，湘西地区经历了长时间的构造稳定期，侵蚀作用占据主导，夷平趋势稳定发展（靳立多等，1988）。在古近纪末甚至可延伸至中新世早期，该地区地貌稳定为整体起伏不大的形态，被称为大娄山期（鄂西期）地貌。根据前人资料和本次孢粉分析及现有地貌特征推断，湘西地区在白垩纪末的燕山运动Ⅱ幕整体上升。王平等（2013）根据沉积间断和地层缺失的关系，将川东−湘鄂西弧形带构造变形的时间限定在晚侏罗世至晚白垩世之间。田云涛等（2011）做的磷灰石U-Th-He年龄结果也显示了新生代开始该区地壳稳定，然后开始缓慢形成一级夷平面（或称为高夷平面），该古夷平面最早可能形成于渐新世，由于后期（大娄山期）的构造运动的破坏，在湘西地区不太发育（李德文等，2004；周尚哲等，2013）。渐新世至中新世发生了喜马拉雅运动之后，湘西地区又一次抬升（吴根耀，2001；李前裕，2007），破坏第一期夷平面（大娄山期夷平面或高夷平面）；自中新世（23 Ma）以后该区处于侵蚀、剥蚀、溶蚀作用期，形成了较低一级夷平面（或称为低夷平面），在洛塔台地比较发育，该古夷平面最早可能形成于中新世，属于洛塔期（山盆期）。更新世以来，湘西地区地壳再一次上升，河流下切（黄光明等，2017；樊云龙等，2022；韩建恩等，2023）；自早更新世中期以来，该区地壳稳定，形成了更低一级夷平面（或称为剥夷面），该古夷平面（剥夷面）最早可能形成于早更新世中期，属于召市期（乌江期）。
6. 结论
（1）通过对比不同学者的研究结果及综合湘西地区古风化壳孢粉资料，湘西地区的夷平面应该是新近纪湿热气候环境下的产物，其地貌形态、古岩溶和风化壳等特征与其他地区夷平面的形成环境相似。可初步推测洛塔剖面古风化壳可能为新近纪早期开始形成，其代表的洛塔期夷平面最早应该形成于中新世，最晚形成于上新世；贾坝剖面古风化壳可能形成于第四纪早期；其代表的召市期夷平面最早应该形成于早更新世，最晚形成于中更新世。
（2）结合古风化壳粒度、磁化率和孢粉的综合研究推断，贾坝剖面沉积环境相对于洛塔剖面略微干燥或凉润；沉积时期虽有明显的气候波动变化，但两个剖面沉积环境整体湿润，期间伴随的干燥波动幅度较小。
（3）研究区在进入古近纪后，总体上长期处于相对稳定状态，在侵蚀基准的控制及河流溯源侵蚀的作用下，此前形成的各种褶皱构造、山系等有逐渐被剥蚀、夷平的趋势。相对来说，大娄山期不太发育，而洛塔期（山盆期）和召市期（乌江期）夷平作用较发育。
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图 1 研究区大地构造图
Ⅰ.武陵地块；Ⅱ.雪峰地块；Ⅲ.幕阜−九岭地块；FHD.板块缝合带；CAF.常德–安仁转换断层；EQF.鄂湘黔岩石圈断裂
Figure 1. Tectonic map of the study area
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图 5 洛塔、贾坝剖面孢粉化石照片
Figure 5. Spore and pollen fossil photos of Luota and Jiaba sections
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图 6 LT剖面沉积物不同粒级垂直变化
Figure 6. Vertical variation of different particle sizes in LT profile sediment
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图 7 LT剖面粒度参数垂直变化
Figure 7. Vertical variation of particle size parameters in LT profile
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图 8 JB剖面沉积物不同粒级垂直变化
Figure 8. Vertical variation of sediment with different particle sizes in JB profile
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图 9 JB剖面粒度参数垂直变化
Figure 9. Vertical variation of particle size parameters in JB profile
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图 10 LT剖面磁化率分布特征及其与粒度的关系
Figure 10. Distribution characteristics of magnetic susceptibility in LT profile and its relationship with particle size
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图 11 JB剖面磁化率分布特征及其与粒度的关系
Figure 11. Magnetic susceptibility distribution characteristics of JB profile and its relationship with particle size
表 1 孢粉含量数据统计基本分析表
Table 1 Basic analysis table for spore and pollen content data statistics
采样点号 属种名称 孢粉含量 采样点号 属种名称 孢粉含量 LT-1 水龙骨属Polypodium ＞100粒 JB-Y1 水龙骨属Polypodium 18粒 松属Pinus 35粒 松属Pinus 14粒 冷杉属Abies 4粒 枥属Carpinipites 1粒 罗汉松属Podcarpus 2粒 禾本科Gramineae 1粒 LT-2 水龙骨属Polypodium 64粒 LT-Y2 水龙骨属Polypodium ＞100粒 松属Pinus 8粒 松属Pinus 7粒 藜属Chenopodium 1粒 罗汉松属Podcarpus 1粒 LT-Y1 水龙骨属Polypodium 11粒 JB-1 水龙骨属Polypodium 7粒 松属Pinus 26粒 松属Pinus 21粒 冷杉属Abies 1粒 禾本科Gramineae 1粒 LT-3 水龙骨属Polypodium 36粒 LT-4 水龙骨属Polypodium 1粒 松属Pinus 2粒 罗汉松属Podcarpus 1粒 LT-7 水龙骨属Polypodium 37粒 LT-5 松属Pinus 2粒 松属Pinus 2粒 
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