信江盆地丹霞地貌遙感影像特征與演化

陳國達在20世紀30年代末提出“丹陽形態”后，作為一個地形學領域，丹霞地形研究經歷了三個階段：初步、形成和發展，日益完善。國內外大量的丹霞地形研究專家聚集在國內外，大量的丹霞地形景觀被利用，成為風景如畫的地方。截止2009-05,已在中國26個省(市/自治區)發現800處丹霞地貌分布區(點);進入21世紀,國家地質公園的建設為丹霞地貌研究注入新的活力,目前在國家地質公園中,以丹霞地貌為主體保護對象就有14家,其中廣東丹霞山(2004)、福建泰寧(2005)、江西龍虎山(2007)已被聯合國教科文組織批準為世界地質公園。此外,在中國的世界遺產地中,也有6家以丹霞地貌為主要自然遺產或文化遺產的載體被加以保護,丹霞地貌作為一個地貌名詞已走出國門被世界所承認,為世人熟知。遙感技術在丹霞地貌的發現和研究過程中具有重要的作用,通過紅層盆地內遙感影像的解譯,利用影像特征可以快速圈畫丹霞地貌分布區。丹霞地貌是具有陡崖坡的紅層地貌,在演化的不同階段,由于受構造切割、流水侵蝕、溶蝕和重力崩塌等作用,形成不同的景觀組合類型,在遙感影像中表現出不同的斑塊、色彩特征;同時受土壤的成分、巖石裸露與植被的發育程度影響,在遙感影像上呈現獨特的特征,分析這些影像可以分析其景觀組合及其演化進程。本文在研究江西信江盆地遙感影像特征基礎上,結合野外調查,研究信江盆地不同位置丹霞地貌類型及其組合特征,分析各分布區丹霞地貌演化所處的階段,并確定其遙感影像識別標志。信江盆地處于贛東北武夷山脈和懷玉山脈之間近東西向狹長的谷地內,西起撫州東鄉,東至上饒廣豐,面積3148km2,東西長180km、南北寬10～40km。大地構造處于揚子古板塊和華夏古板塊接合部,中生代以來經歷了由裂陷盆地到斷陷盆地的演化歷程,沉積了一套“下灰上紅”的陸相碎屑巖系。白堊紀之后經歷了喜山期構造及新構造運動的作用,盆地內紅層分布區形成了大量的丹霞地貌,景觀典型獨特,如仙女巖、老人峰等景觀是丹霞地貌中的珍品。信江盆地丹霞地貌的發育與其在盆地內的位置、紅層巖性、構造發育強度、水系分布等均有一定的相關性,這些因素在丹霞地貌的形成過程中起到一定的制約作用,他們共同構成了信江盆地的成景系統。在信江盆地的不同位置,由于各成景要素具有不同的特征,他們單獨或共同作用,形成各具特色的丹霞地貌景觀組合,而在相似的位置上,由于成景要素具有相似特征,形成的丹霞地貌組合也有一定的相似性,在遙感影像上呈現相同的特征,表明其經歷了相似的演化歷史。1新江盆地丹霞地形的遙感圖像特征1.1景etm+數據圖像信江盆地處于屬中亞熱帶濕潤季風氣候區,水系、植被發育。為減少植被對解譯的影響,在選擇ETM遙感影像時,選擇植被不發育的秋、冬季且無云、雪覆蓋的影像。研究采用LandsatETM+遙感數據,該資料系美國陸地衛星CCT磁帶。研究區涉及四景ETM+數據圖像,其軌道號及成像時間分別為120-40,2000-11-03;120-41,2001-11-21;121-40,1989-07-16,以前兩景圖像為主。本次研究是提取巖石和丹霞地貌信息,目的是有效的識別地物。通過分析ETM不同波段數據的信息量、波段間的相關性及其對地物的光譜差異性分析,選擇3、4、7波段組合,把TM7、TM4、TM3(后面簡稱743)分別賦予紅、綠、藍后圖像色調明快,層次清晰,信息完整豐富,而且與地物真實顏色接近,目視效果好,易于圖像判讀,為最佳組合波段。ETM+影像經過幾何校正,地理配準等預處理后,經圖像增加和主成分分析等技術,結合研究區1∶5萬、1∶20萬、1∶25萬地質圖和1∶20萬地形圖等資料進行解譯,并經野外實地調查驗證,抽樣核實。1.2景觀特征表現隨地層、植被、背景丹霞地貌是一種紅層景觀地貌,其色彩特征是紅層物質成分反射波譜特征的一種表現形式。受紅層物質成分、土壤與植被發育,地貌面特征、光照條件等因素的影響,紅層區遙感影像的色彩發生一定規律的變化。在743波段組成的假彩色圖像中,一般裸露的砂巖、砂礫巖表現為紅-粉紅色,植被為綠-淺綠色,水體為藍-淺藍色,山體陰影為黑-灰黑色。在丹霞地貌演化不同階段,形成不同的景觀類型,在遙感影像中表現出不同的斑塊、色彩;同時受土壤的成分、巖石裸露與植被的發育程度影響,其影像特征發生規律性的變化。通過分析研究區743波段影像特征,對照研究區的地質圖件,在紅層分布區內,可識別出網格狀、腦狀、柵欄狀、斑點狀、斑塊狀和圓丘狀6種影紋特征,表征不同的丹霞地貌景觀類型。1.3丹抗風景觀特征根據遙感影像特征,在信江盆地紅層分布區識別出15處丹霞地貌分布區,其影像特征如圖1、表1。在信江沿岸發育的丹霞地貌從西往東為:貴溪掛榜山(圖2,B;表1-4)、弋陽南巖寺(圖2,C-③;表1-6)、橫峰赭亭山(圖2,D-①,③;表1-8)、鉛山城北九獅山(圖2,E-①;表1-11)。盆地南側邊緣地帶,是信江盆地丹霞地貌主要分布區域,自西向東為:鷹潭龍虎山(圖2,A;表1-1,2,3)、弋陽龜峰和仙人寨、廣豐九仙山(圖2,G;表1-13)、六石巖(圖2,H-①;表1-14)和烏巖山(圖2,H-③;表1-15)。盆地的北測,主要分布于橫峰縣至上饒縣鐵路南側一帶,依次為橫峰的油桐山和仙壟山(圖2,D-②;表1-9,10)、上饒月巖(圖2,F;表1-12)。其中的龍虎山、掛榜山、龜峰和南巖寺構成了龍虎山世界地質公園的主體。在遙感影像中,不同丹霞地貌區的影像特征具有一定的規律性變化。在信江河沿巖帶,由于植被相對稀疏,紅層裸露程度較高,影像呈紅-粉紅色斑塊狀,如弋陽南巖寺及河對岸(圖2,C-③,④),橫峰赭亭山西北部(圖2,D-③)和鉛山城北九獅山(圖2,E-①)等沿河岸地帶,丹霞地貌景觀主要以頂呈圓丘狀的丹霞地貌為特征,崖壁高度一般<20m,峽谷發育相對較少,表明斷裂發育密度低,主要以河流侵蝕作用為主,因此在一些古河流階地上崖壁底部,發育有大量的大型洞穴,其中以南巖寺,龍門寺石窟群為代表。在盆地的南側邊緣地帶,遙感影像呈網格狀、條塊狀或斑點狀,條帶狀黑色陰影發育,表明崖壁發育且密度較大,如圖2A-①中的龍虎山仙水巖景區內影像,網格狀黑色陰影將紅層切割成網格狀,陰影的寬度反映崖壁的高度,陰影越寬表明崖壁越高,丹霞地貌景觀以石峰、峰林為主,弋陽龜峰景區、廣豐九仙山和六石巖等地的影像也具有相似的特征。在龍虎山馬祖巖(圖2,A-③)、龜峰仙人寨(圖2,C-①)中,條帶狀陰影平行排列且走向延伸較遠,其將紅層切割成條塊狀影紋,丹霞地貌景觀以長的峽谷和崖壁間隔出現為特征。盆地的北側橫峰縣至上饒縣鐵路南側一帶(圖2,D-②;E-②;F),遙感影像以分布著紅-粉紅色斑塊狀為主,局部區域呈綠色,表明這一帶紅層植被發育相對稀疏,以裸露的巖石為主,景觀為頂呈圓丘狀、崖壁發育且成長帶狀。2丹抗風尚、自然地形信江盆地丹霞地貌以往研究精度較高的是龍虎山世界地質公園內的丹霞地貌,它分布于盆地的中西部的南側,是信江盆地丹霞地貌分布的主要地區,該地質公園內已發現的丹霞地貌單體類型有23類,囊括了信江盆地丹霞地貌的絕大部分類型,是我國丹霞地貌類型比較全的地區之一。1.色巖體的景觀崖壁是丹霞地貌最主要的特征,也是判別標志之一。它是經流水沿裂隙或節理長期沖刷侵蝕作用,紅色巖體沿裂隙或節理發生較大規模崩塌后所露出較新鮮丹崖赤壁,陡峻巨大的崖壁常形成許多壯麗的景觀,如龜峰“天女散花”,規模巨大,氣勢磅礡,壁面陡立,平整光滑猶如刀切,從下向上仰望聳入云端,陽光下熠熠生輝,涓涓溪水飛灑而下狀若噴珠濺玉,蔚為壯觀,令人嘆為觀止。2.方山地貌:天氣形勢,頂面為陡壁紅層受兩組以上斷裂切割,經流水侵蝕、溶蝕、重力崩塌等作用后形成方山地貌,山頂呈方形,頂面較為平緩而寬暢,四面或三面為陡壁。如龍虎山仙人城、香爐峰、鉛山的仙人寨、橫峰的赭亭山等。3.充放光基本原理紅層在地殼隆升過程中,受兩組大角度相交的網格狀豎直節理切割后,流水沿裂隙侵蝕、溶蝕后發生重力崩塌,各塊體之間分離越來越遠,形成石峰。石峰四周為陡峻的巖坡或崖壁,頂部較尖,基座較大,如龍虎山的金槍峰、仙桃石、金鐘峰、龜峰的駱駝峰、廣豐九仙山的金鐘峰等。金鐘峰高百余米,頂部呈較尖的圓錐狀,向下部呈圓柱狀,猶如一口聳入云霄的金鐘,栩栩如生。石峰與石峰間還保留相連的基底,一般稱之為峰叢,以帽子峰、唐僧師徒等為代表。當石峰之間相連的基底被侵蝕,形成相隔的群峰,稱之為峰林,如龍虎山的排牙石、弋陽的龜峰、廣豐的六石巖為典型的丹霞峰林。石峰進一步受風化侵蝕而變矮,形成石柱。密集的石柱聚集,但基座仍相連的則成石叢。4.結構的地形條件當切割紅層的幾組節理發育的規模及程度不同時,其中一組節理發育強烈,將紅層切割成條狀,經流水侵蝕、溶蝕、重力崩塌等作用后形成的石墻,為長條狀、線狀地貌形態,山體頂部窄而小,呈平緩波狀,四周皆為陡直的丹崖所圍限。鉛山仙年寨的石墻最具代表性,四垛石墻平行排列,橫看成墻側成峰,石墻之間為石巷,石墻上經其他方向的節理切割并發生侵蝕、崩塌等作用后常形成石梁,龍虎山的象鼻山為典型的石梁。5.紅層地貌以縱向單面山為特征信江盆地的南緣,由于受邊界斷層活動影響,紅層產狀較陡,常形成單面崇山峻嶺,如龍虎山的龍山和虎山、龜峰、鉛山縣城北九獅山等。廣豐次級盆地的西南邊緣,由于受邊界斷裂活動影響發生差異隆升,軍潭九仙山一帶紅層產狀發生較大變化,巖層傾角達50°,向東到盆地中部桐畈一帶傾角為35°。盆地中部的巖層原始產狀近水平,因此紅層傾角發生了較大的變化,這種變化造成了九仙山一帶紅層地貌總體以復式單面山為特征。復式單面山的西側由于受平行于邊界斷裂方向的節理影響,形成陡崖,向東一側坡度角與巖層產狀基本一致,近50°。由于紅層中巖性的變化,發生差異風化,因此單面山在縱向上層層疊疊。巖層產狀較陡,傾角多為40°～60°,加之與巖層走向一致的裂隙發育,堅硬的巖石經侵蝕形成雄渾險峻的“豬背脊”狀的地貌,在盆地的邊緣一些石峰的頂部常見這種山脊,如龍虎山的峨眉峰景區、廣豐九仙山白花巖景區等均。6.驗證性谷厚,積極開展整理紅層經網格狀的豎直節理切割后,常沿產狀穩定、延伸遠的主節理方向形成一線天。如龜峰的一線天,掛榜山一線天,仙鼠石一線天。隨著崩塌、侵蝕作用的進一步加強,兩壁間距不斷加大,形成嶂谷,嶂谷一般谷深>50m,谷寬<20m,兩側谷壁(崖壁)垂直或同斜、谷形呈“V”型或“U”型,谷底平坦或起伏,當谷寬大于石墻厚度時,或為壁坡陡直,深度遠大于寬度的峽谷,如仙人城一線天。當谷寬進一步加大,接近或超過石峰(石墻)的寬度時,形成巷谷,如鉛山仙年寨石墻間的巷谷。當巷谷只開一口,或不同方向的斷裂面同時遭受侵蝕、崩塌等作用后,形成三面環山、一面開口狀時,形成幽谷,如龍虎山的仙人城、馬祖巖、龜峰的四聲谷、貴溪掛榜山南部丹霞山谷等。7.基性型及槽狀的發育陡峭的崖壁上,水流沿軟弱巖層沖刷、侵蝕及溶蝕后,成千姿百態的洞穴。這些星羅棋布的洞穴鑲嵌絕壁之上,增添了丹霞景觀的神秘。丹霞絕壁上,常形成蜂窩狀洞穴和扁平洞。在崖壁上由于巖石碎屑、膠結物和填隙物,被溶蝕、流水沖刷及其他因素等共同作用而松動、脫落而成凹坑,凹坑進一步發展形成大小不一的凹洞,即蜂窩狀洞穴。在信江盆地,這類洞穴數量多,但規模一般較小,在丹霞絕壁上均發育。在溶蝕風化崩塌綜合作用下,丹霞崖壁上,沿著厚層狀砂礫巖中較軟弱的鈣泥質細砂巖或粉砂巖夾層,向內凹進加深,形成大小不等的扁平狀洞穴。在信江盆地的中部信江河兩岸的砂巖中發育的扁平洞最具代表,洞穴的規模大且成群出現,以龜峰南巖寺景區最具典型,龍虎山馬祖巖、貴溪掛榜山、鉛山崗九獅山等地均發育。洞穴的形態,有的長條狀,有的豎直狀。巖槽為密集出現橫向形似槽形的洞穴。如在龍虎山仙水巖、馬祖巖崖壁上的槽狀、長條狀洞穴,其內常有古越的崖墓。在石墻或石梁中的發育的洞穴不斷擴大,兩側的洞穴貫通后,形成穿洞,龍虎山仙人城的河豚堡、弋陽龍門寺臥佛的頸為典型的穿洞。穿洞繼續受到風化剝蝕及發生崩塌,則穿洞高度繼續增高、寬度擴大,當穿洞的高度大于穿洞頂部的巖層厚度時則成為天生橋。當穿洞或天生橋上部的巖石全部垮塌,只剩兩側的石墻時,形成石門。8.景觀組合及演化過程由于受成景地層巖性、節理切割、流水侵蝕與溶蝕、重力崩塌和差異風化作用,往往形成一些獨特的造型景觀,惟妙惟肖,栩栩如生。在信江盆地不同位置,造型石具有不同的特征,如在龍虎山景區的仙女巖、金槍峰和象鼻山,龜峰的老人峰、天外來客、老鷹峰及各種龜形石,廣豐六石巖的石象和九仙山的羚羊石都是典型的造型石。丹霞地貌以“赤壁丹崖”為特征,其遙感影像具有網格狀、腦狀、柵欄狀、斑點狀、斑塊狀和圓丘狀等特征,表征不同的景觀組合,不僅反映總體面貌,而且也反映地貌演化所處的階段,因此可以利用遙感解譯并結合野外考查及驗證,來研究丹霞地貌的景觀組合及其演化進程。研究信江盆地遙感影像并結合野外調查,丹霞地貌景觀組合具有以下幾種組合類型。1.瞳影圖像點嶂谷型丹霞地貌是幾個嶂谷與其間夾的石墻或方山組合在一起構成,石墻或方山的高度基本一致,嶂谷走向大致平行且延伸較遠,一般達百米以上,谷寬幾米至幾十米不等。遙感影像上呈柵欄狀,如鉛山仙年寨丹霞地貌分布區,高大的石墻成排列于盆地中部南緣,走向北東。嶂谷型丹霞地貌發育一般處于幼年期至青年期。2.地表層面的地表景觀復式單斜山型丹霞地貌由許多單斜山組合在一起構成,屬于山嶺型丹霞地貌,單斜山的緩傾斜一面為地層層面,傾角由盆地邊緣向盆地中間逐漸變緩;陡崖坡面與斷層或節理面一致;有時也有石峰、石墻、嶂谷等景觀,其主要分布于盆地邊緣一則。遙感影像上介于柵欄狀和網格狀之間,成半網格狀,如廣豐九仙山丹霞地貌區。復式單斜山型丹霞地貌發育處于青年期至壯年早期階段。3.地層傾向方向變化峰林型丹霞地貌是許多丹霞石峰聚集分布,有的基部相連(峰叢型),有的分開(峰林型)。石峰的高度沿地層走向大致相等,而地層傾向方向略有變化。石峰上的崖壁走向穩定,按產狀可分為兩組或三組,有的甚至四組以上,因而遙感影像上常成網格狀,如弋陽龜峰、龍虎山仙水巖、廣豐六石巖等分布區。峰林型丹霞地貌發育處于壯年期階段,該階段景觀類型豐富多樣,除石峰外,還有許多其他類型,如石柱、單斜山、石墻、嶂谷等。4.頂-頂-丘-色,積極關注,積極開展石峰間的資產配置圓丘型丹霞地貌由許多低矮的圓丘狀石峰組成,有人稱其為丹丘地貌,其崖壁高度不大,幾米至幾十米不等,坡度在50°～°70°,峰頂成圓型。因雨水沖刷,峰頂的風化殘積物少,植被不發育或分布很少,而石峰間的溝谷內植被較為發育,因而在遙感影像上呈紅色的圓丘狀(見圖1),其間常有綠色條帶,為石峰間的溝谷。該類丹霞地貌景觀組合發育處于幼年早期階段,若石峰間常有較多的殘峰,則表明其處于老年晚期階段。3網格狀