重慶市酉陽紅石林地質(zhì)遺跡成因研究

■李倫炯 秦宗興 來宏 刁憬平

（重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)測試中心 重慶400042）

重慶市酉陽紅石林地質(zhì)遺跡成因研究

■李倫炯 秦宗興 來宏 刁憬平

（重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)測試中心 重慶400042）

酉陽紅石林地處渝東南酉水河西岸，匯集巖溶地貌、沉積構(gòu)造、節(jié)理裂隙、水體景觀及古生物化石等地質(zhì)遺跡景觀。中奧陶世牯牛潭期沉積淺海相泥質(zhì)碳酸鹽建造，富含F(xiàn)e2O3呈紫紅色；印支運動地殼抬升成陸，燕山運動縱彎褶皺伴生破裂結(jié)構(gòu)面；新構(gòu)造運動隆升掀斜及表生拉張作用，導(dǎo)通地下水運移空間；難溶組分CaCO3遭受H2O+CO2持續(xù)作用，生成Ca(HCO3)2微溶于水被帶走；緩傾斜巖層整體高于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面，均有利于紅石林的形成和保存。旅游景區(qū)開發(fā)將會擾動固有的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境，科學(xué)有效地保護酉陽紅石林地質(zhì)遺跡成為新的研究課題。

巖溶地貌節(jié)理裂隙地質(zhì)遺跡成因研究酉陽紅石林

酉陽紅石林匯集巖溶地貌、沉積構(gòu)造、裂隙斷裂、水體景觀、古生物化石等地質(zhì)遺跡景觀，其形態(tài)萬千、品相別致、內(nèi)涵淑雅、外檐倔強，令人目不暇接，流連忘返，具有獨特的旅游觀賞價值和地學(xué)科考價值。調(diào)查研究紅石林景觀組合特征、沉積成巖構(gòu)造、巖石地層組合、巖礦化學(xué)組分、地質(zhì)構(gòu)造變形、形成保存條件、發(fā)展演化趨勢，對于科學(xué)有效地保護利用地質(zhì)遺跡資源意義重大。

1 地理地質(zhì)背景

1.1 交通位置

酉陽紅石林位于渝東南武陵山腹地，渝鄂湘黔毗鄰地帶，酉水河西岸與其支流多碧河交匯處，隸屬酉陽白竹希望中學(xué)，核心景區(qū)西行25km到渝懷鐵路酉陽火車站，達(dá)國道G319線，到達(dá)G65渝湘高速酉陽南48km，區(qū)域交通快捷方便。

1.2 水系特征

酉陽紅石林地質(zhì)遺跡景觀整體高出現(xiàn)代河流水面45-125m，位于最低侵蝕基準(zhǔn)面之上。多碧河向東1.5km匯入酉水河（江面高程+290m），平均縱比降7‰，多年平均流量1.781m3/s。紅石林發(fā)育幼年期沖溝、高位深水田及常年下降泉，見有多處溶洞暗河及跌水瀑布。

1.3 氣候資源

紅石林處區(qū)域亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候帶，氣候溫和，四季分明。年均氣溫14.9℃，雨量充沛，年均降水1351.27mm，最大年降水1928.7mm(1967)，最大日降水269.4mm(1980.08.03)。降水最多分布在春夏兩季，其中夏季降水量占全年的40﹪，而冬季降水量一般在6﹪左右。

1.4 水文地質(zhì)

紅石林地下水為碳酸鹽巖類裂隙溶洞水、碎屑巖類孔隙裂隙水類型，總硬度125.18-153.99mg/l， 總 堿 度99.10-148.65mg/l，pH值7.48-7.89，游離二氧化碳6.83-10.24mg/l，屬于碳酸鹽型鈣鎂質(zhì)微硬水，符合飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，基本滿足景區(qū)飲用及生活用水的需要[1]。地下水主要接受大氣降雨補給，通過孔隙、裂隙、巖溶管道，以溢水點、裂隙泉和溶洞暗河的形式排泄于地表。

1.5 工程地質(zhì)

紫紅色泥質(zhì)灰?guī)r天然重度25.37kN/m3，天然抗壓強度18.9MPa，飽和抗壓強度13.2MPa，天然抗拉強度1.55Mpa，抗剪內(nèi)摩擦角φ=39.69°、粘聚力C=4.98Mpa，軟化系數(shù)為0.70，屬于遇水軟化的較軟巖石類。

1.6 環(huán)境地質(zhì)

紅石林為紫紅色泥質(zhì)灰?guī)r構(gòu)成南南東向緩傾斜陽坡（巖層傾向160-170°，傾角6-12°），地層傾向與地形坡向基本一致。地形坡度略大于巖層傾角，局部呈現(xiàn)臨空外傾結(jié)構(gòu)面，自然斜坡現(xiàn)狀較為穩(wěn)定。由于景區(qū)建設(shè)人為開挖活動，局部裂隙溶陷深度＞10m，遭遇強降雨或地表水沖刷浸泡，存在局部崩塌陷落地質(zhì)災(zāi)害隱患。

2 地質(zhì)構(gòu)造演化

2.1 區(qū)域構(gòu)造

紅石林地處揚子陸塊區(qū)-上揚子陸塊-南部碳酸鹽臺地-黔江凹褶束，位于北北東向平陽蓋向斜北西翼[2]。晉寧運動形成變質(zhì)褶皺基底，上覆沉積蓋層歷經(jīng)加里東運動→印支運動→燕山運動→喜山運動等多期次構(gòu)造變形[3]，其中燕山運動形成區(qū)域北北東向褶皺斷裂構(gòu)造輪廓，喜山運動以來遭受一定程度的破壞和改造作用。

2.2 區(qū)域地層

紅石林區(qū)域出露寒武系、奧陶系、志留系，地層總厚度＞3000m主要為淺海陸棚砂泥質(zhì)—碳酸鹽巖沉積建造。第四紀(jì)沖洪積坡坡積層零星分布于河谷平壩及緩坡地帶；紅石林見有殘積粘土及亞粘土充填于縱向沖溝及溶蝕裂隙中。

2.3 成景巖石

紅石林成景巖石為中奧陶統(tǒng)牯牛潭組、寶塔組，主要巖性為紫紅色棕紅色厚層塊狀含泥質(zhì)生物屑微晶灰?guī)r。泥質(zhì)含量垂向不均勻分布，巖層剖面多見水平層理、泥質(zhì)條帶及瘤狀結(jié)核，風(fēng)化層面發(fā)育龜裂紋構(gòu)造，其中紫紅色地層厚度＞20m。

2.4 地質(zhì)構(gòu)造演化

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造演化具有明顯的階段性、新生性和繼承性，其沉積成巖建造和變形變位改造都屬于紅石林的組成部分。通過野外地質(zhì)調(diào)查、構(gòu)造形跡測年與綜合研究，將紅石林地質(zhì)構(gòu)造劃分為①早古華夏沉積成巖階段（488-416Ma）→②晚古華夏斷續(xù)沉積階段（416-228Ma）→③中華夏區(qū)域地殼抬升成陸階段（228-125Ma）→④新華夏褶皺斷裂變形階段（125-22.5Ma）→⑤挽近華夏表生拉張溶蝕成景階段（22.5Ma-）五個發(fā)展演化階段[4]。

3 地質(zhì)遺跡景觀

表1 酉陽紅石林地質(zhì)遺跡景觀分類表Tab.1 The classificationof geologicallandscapeforRedStoneForest

紅石林為集巖溶地貌、沉積成巖構(gòu)造、節(jié)理裂隙斷層、暗河瀑布跌水、古生物化石群等眾多地質(zhì)遺跡于一體的綜合地質(zhì)遺跡景觀[5]（表1）。

3.1 地質(zhì)地貌景觀

紅石林地質(zhì)遺跡主體景觀為紫紅色喀斯特巖溶地貌，如峽谷溶溝，盲谷溶洞，石芽峰林，水平溶穴及溶蝕洼地等，形色寓意俱全，色彩艷麗，層次清晰（圖1）。令人目不暇接，流連忘返，屬同類喀斯特地貌景觀的天合之作，絕無僅有，具有獨特的旅游觀賞價值和地學(xué)科考價值。

圖1 酉陽紅石林喀斯特地質(zhì)地貌景觀Fig.1 karsttopographyandgeologicallandscapeforRedStoneForest

3.2 沉積成巖構(gòu)造

紅石林紫紅色泥質(zhì)灰?guī)r屬于中奧陶世牯牛潭期特定的淺海陸棚緩坡環(huán)境沉積建造，富鐵質(zhì)粉砂泥質(zhì)不均勻供給，導(dǎo)致地層剖面沉積水平條帶及層序韻律，表生風(fēng)化剝蝕呈現(xiàn)獨特瘤狀構(gòu)造及龜裂紋構(gòu)造等沉積成巖構(gòu)造。

3.3 節(jié)理裂隙體系

紅石林發(fā)育平面X共軛節(jié)理系，屬于燕山運動形成的早期原位破裂結(jié)構(gòu)面，表生裂隙溶蝕溝槽均見殘積紅土。①東西向節(jié)理平均走向95.9°，傾角大于75°，裂隙長度3.9-36m，寬度0.2-2.8m，間距0.6-3.6m；②南北向節(jié)理走向21.3°，傾角大于76°，裂隙長2.4-12.5m，延深達(dá)16.3m。兩組節(jié)理遭受拉張溶蝕，鑄成縱橫交錯的奧陶迷宮。

3.4 斷裂構(gòu)造形跡

紅石林南西隅發(fā)現(xiàn)一組走向右行平移斷層，斷層位移方向北北東。斷層面陡立緊閉，破碎帶不甚發(fā)育，未見外來物質(zhì)充填，地層斷距不大，斷層擦痕階步特征明顯，普遍發(fā)育中粗粒硅化方解石擦抹晶體（測年成果125±10Ma），屬于燕山運動晚期形成北北東向平陽蓋向斜的伴生結(jié)構(gòu)面。

3.5 水文地質(zhì)景觀

紅石林除多碧河谷外，尚有高位深水田、暗河泉井、瀑布跌水。常年下降泉呈帶狀展布，冬暖夏涼，甘甜可口；三條沖溝連通暗河及泉水露頭；上部見大面積深水田高出紅石林20m，可謂“荷花天池似曾見，依稀往夢品圣泉”。

3.6 古生物化石群

多門類廣生態(tài)淺海相古生物化石，業(yè)已發(fā)現(xiàn)頭足動物[6]、腕足動物、腹足動物、節(jié)肢動物、筆石動物、腔腸動物、棘皮動物等化石組合[7]。見長頸角石最大個體縱切面45.8×6.8cm2，實體化石原生態(tài)栩栩如生，內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰，外形輪廓完整。紅石林地層沉積時期生物種群驚人的多樣性，應(yīng)該是最具代表性的奧陶紀(jì)淺海生物基因庫。

4 地質(zhì)遺跡成因

紅石林巖石為中奧陶統(tǒng)牯牛潭組屬淺海陸棚環(huán)境碳酸鹽建造，歷經(jīng)沉積成巖、抬升成陸、褶皺斷裂、表生拉張、風(fēng)化剝蝕、溶蝕淋濾作用，形成層次分明、形態(tài)壯觀、色彩鮮艷的地質(zhì)遺跡景觀。

4.1 巖石地層組合

中奧陶世牯牛潭期（472-468Ma）歷經(jīng)400萬年，沉積淺海相泥質(zhì)碳酸鹽建造，主要巖性為紫紅色紫灰色厚層塊狀鐵泥質(zhì)微晶灰?guī)r，主要礦物為方解石75-98﹪，生物碎屑3-15﹪，石英1-8﹪，水云母1-3﹪，褐鐵礦等金屬礦物＜1﹪，有利的礦物巖石組合為紅石林形成提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。

4.2 巖石化學(xué)成分

紅石林巖性為紫紅色含泥質(zhì)微晶灰?guī)r，主量化學(xué)成分CaO=27. 62-42.19﹪ ，MgO=0.88-1.57﹪ ，SiO2=13.02-30.36﹪ ，Al2O3=5. 15-9.40﹪，F(xiàn)e2O3=1.46-2.34﹪；淋濾殘積土壤CaO=3.42﹪，MgO=1. 64﹪，SiO2=52.60﹪，Al2O3=17.81﹪，F(xiàn)e2O3=6.92﹪；巖石及殘積土壤中三氧化二鐵（高價態(tài)Fe3+）含量決定紅石林的成色。

4.3 地殼抬升成陸

中奧陶世牯牛潭期，紅石林地區(qū)沉積淺海陸棚相紫紅色碳酸鹽地層，中三疊世末（228Ma），印支運動導(dǎo)致上揚子地區(qū)抬升成陸，紅石林地區(qū)隨之隆升高出海面，結(jié)束海相沉積歷史。

4.4 皺褶斷裂變形

早白堊世晚期，燕山運動持續(xù)擠壓（主應(yīng)力方位146.4-149.3°，最大差異應(yīng)力值＞133.3Mp（超過碳酸鹽巖的強度極限），形成北北東向縱彎褶皺及伴生破裂結(jié)構(gòu)面。紅石林處于區(qū)域平陽蓋向斜北西翼，發(fā)育平面X共軛節(jié)理及走向右行平移斷層。

4.5 拉張掀斜改造

新第三紀(jì)以來，新構(gòu)造運動間歇式抬升與不均勻掀斜作用，紅石林既成的破裂結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生張性改造[8]，進(jìn)一步導(dǎo)通水力聯(lián)系，成為紅石林巖石溶蝕淋濾作用的基本條件。

4.6 溶蝕淋濾過程

紅石林泥質(zhì)微晶灰?guī)r是難溶于水的，然而在極其漫長的不可思議的地質(zhì)歷史進(jìn)程中，由于碳酸鈣具有“極低的溶解度”，溶液中存在電離方程式：

CaCO3<==>Ca2++CO32-……………………①

紅石林地下水富含CO2（平均8.71mg/l），且源源不斷地提供這種組分，在這種地下水溶液中出現(xiàn)電離過程，存在如下離子平衡方程式：

CO2+H2O<==>H++HCO3-……………………②

上述離子平衡方程式①+②生成微溶性碳酸氫鈣，隨地下水被帶走，存在如下離子平衡方程式：

CaCO3＋CO2＋H2O<==>Ca(HCO3)2………③

紅石林巖層為傾角6-12°的順層坡，節(jié)理裂隙發(fā)育導(dǎo)通，提供地下水流動不可或缺的要素。離子反應(yīng)平衡方程式③由于Ca (HCO3)2微溶于水，緩慢地并且是必然地被帶走，平衡反應(yīng)往右方進(jìn)行，由量變到質(zhì)變，沿節(jié)理裂隙發(fā)生溶蝕淋濾作用。

另一方面，碳酸氫鈣溶解度也是有限的，地下水?dāng)y帶Ca(HCO3) 2滯留于開放的洞穴或溢出地表，離子反應(yīng)平衡系統(tǒng)的CO2隨壓強降低而“逃逸”，平衡反應(yīng)③往左方進(jìn)行，生成碳酸鈣（CaCO3）沉淀，形成石鐘乳、石筍、石柱、石幔及鈣華泉華等洞穴沉積（測年成果14.6±0.5萬年），也就是說，紅石林在15萬年前已經(jīng)初具規(guī)模。

4.7 有利保存條件

紅石林主要保存條件：①巖石平均抗壓強度18.9MPa，抗拉強度1.55Mpa，粘聚力4.98Mpa，屬于軟質(zhì)巖石類。②巖層順層最大傾角12°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗剪內(nèi)摩擦角39.69°。③紅石林后上部成排小山丘，有效阻隔可能的地質(zhì)災(zāi)害隱患。④最低海拔+320m高于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面，有利于地表地下水自然排泄。⑤地處緩傾斜陽坡，日照充足，植被發(fā)育，周邊無重大工程建設(shè)。確保紅石林保存完整。

4.8 發(fā)展演化趨勢

紅石林旅游景區(qū)開發(fā)建設(shè)，生態(tài)地質(zhì)平衡擾動是不可避免的：①大面積處于開放系統(tǒng)，固有保存環(huán)境被破壞。②長時間暴露地表，物理化學(xué)風(fēng)化作用加劇，諸如烈日暴曬、低溫霜凍及雨水沖刷難以避免。③穿透性節(jié)理裂隙導(dǎo)通，地下水溶蝕沖刷作用加劇，可誘發(fā)斜坡變形。④刻意追求景區(qū)觀賞效果，沿走向裂隙過渡剝離開挖，導(dǎo)致重心外移，出現(xiàn)臨空外傾，存在崩落垮塌災(zāi)害隱患。⑤巖石表面及殘積土層Fe2O3=6.92﹪，是原生巖石含量的三倍以上，也就是說，紅石林風(fēng)化溶蝕越徹底，紫紅色彩更鮮艷。⑥事實上，年生久遠(yuǎn)的巖石表面呈現(xiàn)棕褐色，顯得黯然失色，主要是因為紅石林表層季節(jié)性潮濕，適生苔蘚植物覆蓋所致。如何讓紅石林色彩靚麗，永葆青春，成為亟待研究的新課題。

5 結(jié)論及建議

酉陽紅石林巖溶地貌、沉積成巖建造、構(gòu)造節(jié)理系、水體景觀、實體化石等地質(zhì)遺跡景觀，具有獨特的旅游觀賞價值和地學(xué)科考價值。歸納紅石林地質(zhì)遺跡成因如下。

（1）中奧陶世牯牛潭期末（468Ma）形成淺海相泥質(zhì)碳酸鹽建造。

（2）泥質(zhì)微晶灰?guī)r屬于遇水軟化的較軟質(zhì)巖石類，富含F(xiàn)e2O3呈紫紅色。

（3）中三疊世末（228Ma）印支運動導(dǎo)致地殼抬升成陸，結(jié)束海相沉積歷史。

（4）早白堊世末（125Ma）燕山運動持續(xù)擠壓形成平陽蓋向斜，伴生節(jié)理裂隙及斷裂結(jié)構(gòu)面。

（5）新構(gòu)造運動間隙式掀斜抬升，表生拉張作用成為地下水活動不可或缺的要素。

（6）巖石中難溶組分CaCO3在CO2和H2O的持續(xù)地聯(lián)合作用下，生成Ca(HCO3)2微溶于水被緩慢地帶走，紅石林在15萬年前已經(jīng)初具規(guī)模。

（7）紅石林巖層最大傾角12°，整體高于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面，有利于地表地下水自然排泄，確保紅石林的形成和保存。

（8）隨著紅石林旅游景區(qū)開發(fā)建設(shè)，不可避免地擾動其固有的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境，科學(xué)有效地保護地質(zhì)遺跡成為新的研究課題。

酉陽紅石林屬于珍貴的地質(zhì)遺跡資源，建議充分論證，合理規(guī)劃，保護性開發(fā)，適時申報國家級奧陶系紅石林野外科學(xué)觀測基地。

[依托項目]重慶市國土房管科技計劃項目（KJ-2015063）

[1]重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)測試中心.重慶市酉陽紅石林旅游地質(zhì)調(diào)查評價報告 [R].2015.

[2]四川省地質(zhì)礦產(chǎn)局川東南地質(zhì)大隊.酉陽等4幅1:50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告 [R]. 1987.

[3] 劉寶珺 等.中國南方古大陸沉積地殼演化與成礦 [M].科學(xué)出版社,1993.

[4]李倫炯.渝黔湘毗鄰地區(qū)三陽斷裂的基本特征與構(gòu)造演化 [D].成都理工學(xué)院,1997. [5]國土資源地質(zhì)環(huán)境司.中國國家地質(zhì)公園建設(shè)工作指南 [M].地質(zhì)出版社,2006.

[6]王竹,王技,等.酉陽奧陶系寶塔組頭足類古生態(tài)研究 [J].科技天地,2011(23):110-114.

[7]中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所.西南地區(qū)地層古生物手冊 [M].科學(xué)出版社,1974.

[8]李倫炯.川黔湘毗鄰區(qū)的新構(gòu)造運動 [J].四川地質(zhì)學(xué)報,1997(2):110-114.

P6[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-12-335-2

李倫炯(1962～)，男，理學(xué)博士，研究方向為基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)地質(zhì)勘查、地質(zhì)實驗測試及其技術(shù)質(zhì)量管理。