中国湖南省西北部，武陵山脉深处，一片面积仅398平方公里的土地上，密集矗立着3100多座石英砂岩峰柱，平均每平方公里就有37.5座。
这就是张家界砂岩峰林世界地质公园，也是世界自然遗产地“武陵源风景名胜区”的核心景观。
这些石峰高度从几十米到350米不等，形态从巨大的方山、峰墙到纤细的峰柱、残峰，构成了地球上罕见的砂岩峰林地貌奇观。但你知道吗？这些看似永恒的石峰，其实是一部正在缓慢进行的地质演化史诗的当前章节。
01 地质奇观：张家界凭什么独一无二？
张家界的砂岩峰林被誉为“世界罕见、地球唯一”。根据论文数据，这里有超过3100座砂岩峰柱，其中1000多座高度超过120米。
最著名的金鞭岩高度超过350米，而“御笔峰”的高度直径比甚至达到惊人的30-40:1，犹如一支巨大的毛笔直插云霄。
这些石峰并非杂乱分布，而是呈现明显的层次性。从海拔1000米左右的高位夷平面开始，到300米左右的河谷底部，张家界的砂岩地貌可分为四个明显的层级。
每个层级代表着不同的侵蚀阶段和形成时代。最高层级的石峰保存着相对平坦的顶面，而最低层级的残峰则已经经历了长期侵蚀，高度通常不到10米。
这种系统性的分布模式，是张家界地貌科学价值的重要体现。它不像一般的山地那样随机分布，而是像一本打开的地质教科书，清晰地展示着地表侵蚀的阶段性过程。
图1 张家界世界地质公园砂岩地貌不同层级发育模式图，这张图清晰地展示了张家界砂岩地貌从高层级到低层级的垂直分布特征，是理解这里地貌系统性的关键图示。
02 时间胶囊：三亿年的地质记忆
要理解张家界的今天，我们必须回到数亿年前。这里的岩石故事始于中泥盆世（约3.8亿年前）。
当时，这一地区是广阔的浅海环境，沉积了厚厚的石英砂岩。论文指出，张家界的砂岩峰林主要发育于中上泥盆统云台观组和黄家蹬组。
这些石英砂岩的二氧化硅含量超过90%，由铁质和硅质胶结，极其坚硬，抗化学风化能力强。这正是张家界石峰能够屹立不倒的物质基础。
黄家蹬组顶部还有1-3层鲕状赤铁矿，形成了许多峰柱顶部的“红帽子”，像给石峰戴上了一顶顶红色礼帽。
地质历史中，这一地区经历了多次构造运动。早期的武陵-雪峰运动（约10-8.5亿年前）形成了区域基底，而印支运动和燕山运动（约2.5-2.05亿年和1.6-0.68亿年前）则使前中生代地层发生褶皱和断裂。
这些运动形成了NE、NW和WWN向的主要断层和节理系统，为后来地貌的形成奠定了基础框架。
喜马拉雅运动和新构造运动期间的间歇性抬升，重新激活了这些大型节理和断裂，并直接被现代地貌塑造过程所利用。
图2 张家界综合地理地质背景图，这张图展示了张家界地区的地层分布、古风化壳位置、不同高度洞穴等信息，是理解该区域地质背景的综合性图件。
03 节理密码：大自然的“切割蓝图”
如果你仔细观察张家界的石峰分布，会发现一个有趣的现象：许多峰墙和峰丛的长轴方向有着明显的规律性。
根据论文中的统计，39.3%的峰丛和峰墙走向为NNE方向，35.4%为NE方向，显示出了明显的方向性偏好。这种规律性不是偶然，而是地质构造控制的直接结果。
论文作者在11个选点测量了约1000组节理方位，绘制成玫瑰花图。结果显示，主要节理组走向为ENE（约70°）和NNW（约330°）。有趣的是，这些节理方向与许多石峰和悬崖的主要走向高度一致。
图3 张家界世界地质公园的构造线性构造及主要背斜与向斜
节理是岩石中的天然裂缝，它们通常是由于地壳应力作用而形成的。在张家界，这些节理系统就像是自然界预设的“切割线”，控制了后期侵蚀作用的方式和方向。
大尺度的线型构造通常控制主要河流和悬崖的走向，而次级断裂/节理则将岩体破碎成更小尺寸的块体。随着河流沿节理下切，节理之间的砂岩逐渐被塑造成各种形状和大小的塔状或尖顶状地貌。
在断裂最密集的地方，砂岩可能逐渐发育成错综复杂的悬崖环绕的针状尖峰群。这就是为什么在节理交汇处，石峰密度通常会明显增加。
图4 张家界地质公园主要节理组及节理玫瑰花图，上图展示了张家界地区的主要节理系统分布，下图是节理走向的统计玫瑰花图，直观显示了节理的方向性规律。
04 四层“蛋糕”：解读地貌演化阶段
张家界的砂岩地貌最引人注目的特征之一，是其明显的垂向分层。论文中将这些地貌从高到低划分为四个层级，每个层级代表着不同的演化阶段和形成机制。
1. 第一层级位于海拔900-1000米，是砂岩的初始顶面。这是河流深切石英砂岩之前的相对平坦表面。这一层级保存了最原始的地貌特征，包括高位夷平面上的方山和平台。
2. 第二层级在海拔700-750米左右，主要由于夹层的薄软岩崩塌而形成。这些岩层抗风化能力较弱，容易发生质量损失，形成了这一层级的特殊地貌。
3. 第三层级约海拔500-550米，主要由水流侵蚀和沿密集发育的节理断裂系统的质量破坏塑造而成。这里的石峰通常较为低矮，但密度较高。
4. 第四层级沿索溪河谷底部，海拔约300米，主要是高度通常小于10米的残余砂岩峰。这些残峰经历了长期剥蚀、侵蚀和质量破坏，保存状态通常较差。
这四个层级的地貌共同构成了一幅完整的地貌演化序列：从早期的高位夷平面（方山/平台），经过峰墙、峰丛、峰林阶段，最终演化为残峰。
值得注意的是，论文作者通过对比河流阶地和相邻的喀斯特洞穴，量化了该地区自0.93百万年以来的平均地表抬升速率约为0.2毫米/年。这一数据帮助我们理解这些地貌形成的时间尺度。
图5 张家界世界地质公园多样的砂岩地貌，这组图片展示了张家界不同类型的地貌，包括方山、峰墙、峰丛、天然桥等，是理解这里地貌多样性的视觉资料。
05 水之力量：雕刻大师的永恒工作
如果说构造运动为张家界地貌绘制了“设计蓝图”，那么水就是执行这一蓝图的主要“雕刻师”。
论文指出，索溪作为澧水二级支流，向东流经这一地区，深切石英砂岩，在不同高度形成了各种峰林景观。这条河及其支流系统，是塑造张家界地貌的最主要外营力。
在湿润的亚热带季风气候条件下，张家界年降水量达1200-1600毫米。充沛的降水为河流提供了持续的水源，也增强了化学风化和生物风化作用。
有意思的是，水流并非均匀地侵蚀整个地表，而是优先沿着高角度节理和构造薄弱带集中。河流网络的发育明显受到节理系统的控制，形成了独特的“棋盘格”状水系。
这种选择性侵蚀的结果是，节理密集的区域侵蚀更快，而节理稀疏的区域则保留下来成为石峰。随着时间的推移，节理不断加深加宽，最终将连续的砂岩高原切割成今天我们看到的一个个孤立的石峰。
水的作用还表现在其他方面。例如，在砂岩内部的薄层粉砂岩夹层处，水的渗透和冻融作用会加速这些软弱层的破坏，导致上覆砂岩的崩塌，形成天然桥和石门等特殊地貌。
图6 多样砂岩地貌更多示例，这组图进一步展示了张家界独特的地貌形态，如“空中花园”、“御笔峰”、“手掌峰”等，体现了水对不同岩性的选择性侵蚀效果。
06 岩性控制：为什么这些石峰能如此纤细？
一个令人惊叹的事实是：张家界的许多石峰极其纤细，高度直径比极高，却能在数万年甚至更长时间内屹立不倒。这背后的秘密在于岩石的物理性质和产状。
论文中的化学分析数据显示，张家界砂岩的二氧化硅含量通常超过90%，最高可达97.2%。这种高石英含量，加上铁质和硅质胶结，使岩石具有极高的抗压强度和抗风化能力。
岩层的缓倾角也是一个关键因素。张家界的砂岩通常只有5-8°的倾角，这种近乎水平的产状有利于维持高耸石柱的结构稳定性。
即使对于相互分离的砂岩峰，高大的石柱也能长期保持稳定，因为低倾角使石柱的重心保持在基础区域内，从而在地质力学上稳定，抵抗倾倒和崩塌。
然而，厚层石英砂岩中的许多薄层粉砂岩夹层则起着完全相反的作用。这些粉砂岩夹层的抗风化能力较弱，容易受到侵蚀，从而在石柱表面形成凹陷和沟槽。
这种差异风化现象在张家界随处可见，硬岩略微突出形成垂直面上的小脊，而相对较软的岩石则凹入成层状的沟槽。这种“锯齿状”形态在一些石柱顶部尤为明显。
正是这种“硬中有软”的岩石组合，使得张家界的石峰既能保持高大纤细的形态，又能呈现出丰富多样的外形变化，如人形和物形的石峰。
表1 张家界不同砂岩地貌的岩性组成表
07 生物作用：无声的雕刻助手
在张家界地貌的形成过程中，生物作用虽然不如构造运动和水流侵蚀那么明显，却也是一个不可忽视的因素。
论文指出，植物根系和生物过程明显且积极地破坏和改造岩石，似乎大大降低了砂岩的抗风化能力。
这在大多数砂岩峰顶部的风化层植被覆盖中表现得尤为明显，这在一定程度上导致了峰顶的崩解和破坏，以及峰体形状的改变。
在温暖湿润的亚热带气候条件下，张家界的植被极为茂密。植物根系沿着岩石的微小裂缝生长，通过物理作用扩大这些裂缝，同时也分泌有机酸，促进岩石的化学分解。
生物对微气候的调节作用也常常造就了这一地区的壮观景色，特别是该地区绵延数百米的地带。山区的微气候垂直分层也间接影响了一些自然景观，使得张家界的景色全年都具有美学上的多彩、迷人和雄伟。
除了植物，微生物也在岩石风化中发挥作用。一些研究表明，岩石表面的地衣和细菌能够分泌有机酸，加速矿物的溶解。
虽然生物风化在整个地貌形成过程中可能只起到辅助作用，但它却是持续不断的，日积月累地改变着石峰的表面形态和细节特征。
08 全球对比：张家界的独特地位
在世界范围内，壮观的砂岩峰塔地貌通常归因于不同因素和尺度的相互作用，但大多涉及基岩的内部地球动力学控制以及外部水流侵蚀和质量破坏。
论文对全球砂岩地貌进行了对比研究，指出张家界的砂岩地貌在世界范围内是无与伦比的，但就石灰岩喀斯特石林和丹霞地貌而言，主要可比景观与张家界砂岩峰林景观具有相似特征。
例如，构造诱导的变形经常发生在不同地方的石灰岩、砂岩甚至砾岩中，峰林地貌通常与断层、断裂乃至节理密切相关。
在构造活动区，断裂发育密集，但隆升运动相对较弱的地方，容易产生峰林地貌，这一点得到了世界上大多数砂岩地貌分布的有力支持。
与世界上其他著名的砂岩地貌相比，张家界有其独特之处。例如，美国西部一些国家公园（如大峡谷、锡安、布莱斯峡谷）的砂岩地貌主要特征是石窗、天然桥、天然拱门，以及类似于丹霞地貌的方山或平台。
这些应归因于强烈的构造隆升和较少的化学风化，以及相对干燥的气候和低降水量。因此，这些地区有深切河谷（最大深度超过1英里），但通常以单一或最多几种地貌类型为主。
相比之下，张家界砂岩峰林景观以其巨大的峰体密度和相对高差、大的高径比、软硬交替的岩层、茂密的植被、稀有动植物种类和几乎完整的生态系统而引人注目。
图7 中国砂岩地貌区域对比图：这张图展示了中国不同地区砂岩地貌的分布和特征，有助于理解张家界在中国砂岩地貌中的独特地位。
09 科研价值：活的地质实验室
张家界不仅是旅游胜地，更是一个活的地质科学实验室。这里的地貌系统为研究地表过程、构造-气候相互作用和地貌演化提供了难得的自然实验场。
论文指出，这里的砂岩峰林地貌始于中更新世。在气候波动和间歇性隆升的触发下，索溪在中更新世开始发育其河流系统，导致在这一时期最初切入砂岩。
从中更新世到现在，可能经历了几个快速形成阶段，揭示了四个不同层级的砂岩地貌，这与索溪中下游四级冲积阶地的证据相一致。
研究人员通过对比河流阶地和喀斯特洞穴，能够重建这一地区的构造隆升历史和气候变化序列。例如，通过测量不同高度洞穴中沉积物的年龄，可以推断出当地的地壳抬升速率。
这种多学科交叉的研究方法，使得张家界成为理解构造-气候-地表过程相互作用的理想场所。科学家们可以在这里检验各种地貌演化模型，预测未来地貌变化趋势。
此外，张家界的地貌研究还具有重要的科普教育价值。这里的地质现象直观可见，是向公众传播地球科学知识的绝佳场所。
许多地质概念，如节理控制侵蚀、差异风化、河流阶地等，都可以在张家界找到生动的实例。这使得张家界不仅是一座自然博物馆，也是一所天然的“地质学校”。
10 遗产保护：人类共同的使命
1992年，张家界砂岩地区的壮观地貌作为武陵源风景名胜区的一部分，因其重要的科学价值、卓越的自然现象、非凡的自然美景和美学重要性，被列入联合国教科文组织世界遗产名录。
2004年，张家界砂岩地区又被列为联合国教科文组织全球地质公园。这些国际认可不仅彰显了张家界的自然价值，也赋予了保护这一独特地貌的国际责任。
论文强调，这些研究对于该地区可持续旅游的科学管理和科学地质遗产保护至关重要。通过了解地貌的形成过程和脆弱性，管理者可以制定更科学的保护策略。
例如，认识到节理系统对地貌稳定性的控制作用，就可以在开发旅游设施时避开地质敏感区，减少人类活动对自然过程的干扰。
同时，了解水在塑造地貌中的关键作用，也有助于制定合理的水资源管理策略，确保地质过程的自然延续。
未来，张家界的地质遗产保护需要在科学研究、公众教育和可持续管理之间找到平衡。只有这样，这一独特的地貌奇观才能完整地传递给子孙后代。
随着气候变化和人类活动影响的加剧，张家界地貌的长期保护面临着新的挑战。继续深入研究这一地区的地质过程，监测地貌变化，将是确保这一世界遗产永续存在的科学基础。
图8 砂岩地貌的区域对比研究图中编号及图例代表全球范围内的砂岩地貌，并重点标注了张家界砂岩地貌的特征（改编自雷伊，1997a；杨等人，2009）。a—z系列点位对应雷伊（1997a）的研究中纳入的主要砂岩地貌分布位置；1—61 系列编号对应《砂岩地貌》专著（杨等人，2009）中记载的主要砂岩地貌分布位置。
在全球范围内，类似的景观虽然存在，但张家界壮观的石英砂岩地貌在单一峰体形态、巨大的高差、大的高径比和高峰体密度方面显示出独特的特征。它为峰林形成提供了一个清晰的模型，并可能对解释中国东部可能的成因机制具有重要意义。
声明 | 文中图片及文章版权属于原作者及出版社，本公众号只做基于文章数据和方法的科学解读与二次创作之用，如有侵权，联系即删。来源 | Yang G, Tian M, Zhang X, et al. Quartz sandstone peak forest landforms of Zhangjiajie Geopark, northwest Hunan Province, China: pattern, constraints and comparison[J]. Environmental Earth Sciences, 2012, 65(6): 1877-1894.
