周正茂，李 松，羅順清，唐用洋，李倫炯

(重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，重慶 渝北 401121)

重慶酉陽紅石林匯集喀斯特地貌、沉積構(gòu)造、節(jié)理裂隙、瀑布泉水、古生物化石等地質(zhì)遺跡景觀，具有獨(dú)特的旅游觀賞價值和地學(xué)科考價值。綜合研究紅石林的景觀形態(tài)、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，總結(jié)歸納紅石林地質(zhì)遺跡成因模式，對于科學(xué)開發(fā)利用和有效保護(hù)研究同類型地質(zhì)遺跡資源意義重大。

1 地理地質(zhì)背景

酉陽紅石林位于渝鄂湘黔毗鄰地帶的武陵山腹地，酉水河西岸與支流多碧河交匯處，核心景區(qū)西行25 km渝懷鐵路，區(qū)域交通快捷方便。

酉陽紅石林地質(zhì)遺跡景觀整體高出現(xiàn)代河流水面20～135 m，位于最低侵蝕基準(zhǔn)面之上。多碧河?xùn)|去1 500 m注入酉水河(江面高程+290 m)，平均縱比降7‰，多年平均流量1.78 m3/s。紅石林發(fā)育幼年期沖溝、高位深水田及常年裂隙下降泉，見有多處溶洞暗河及跌水瀑布。

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15℃，雨量充沛，年均降水1 351 mm，最大年降水1 928.7 mm，最大日降水269.4 mm。降水通常多分布在春夏兩季，其中夏季降水量占全年的40%，而冬季降水量一般在6%左右。

紅石林地下水為碳酸鹽巖裂隙溶洞水、碎屑巖孔隙裂隙水類型，總硬度125.18～153.99 mg/L，總堿度99.10～148.65 mg/L，pH值7.48～7.89，游離二氧化碳6.83～10.24 mg/L，屬于碳酸鹽型鈣鎂質(zhì)微硬水，符合飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，基本滿足紅石林及周邊居民飲用及生活用水需求[1]。地下水主要接受大氣降雨補(bǔ)給，通過孔隙、裂隙、巖溶管道，以溢水點(diǎn)、裂隙泉和溶洞暗河等形式排泄于地表。

紅石林泥質(zhì)灰?guī)r天然重度25.5 kN/m3，天然抗壓強(qiáng)度18.5 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度13.2 MPa，天然抗拉強(qiáng)度1.55 Mpa，抗剪內(nèi)摩擦角39.69(°)、粘聚力4.98 Mpa，軟化系數(shù)為0.70，屬于遇水軟化的較軟巖石類型。

紅石林巖層傾向160(°)～170(°)，傾角5(°)～12(°)，地層傾向與地形坡向基本一致。地形坡度角略大于巖層傾角，局部偶見有臨空外傾結(jié)構(gòu)面，自然斜坡現(xiàn)狀較為穩(wěn)定。由于景區(qū)建設(shè)多有人為開挖活動，局部裂隙溶陷深度大于10 m，遭遇強(qiáng)降雨或地表水持續(xù)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

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

紅石林區(qū)域出露寒武系、奧陶系、志留系地層總厚度>3 000 m，主要為淺海陸棚砂泥質(zhì)—碳酸鹽沉積建造；第四紀(jì)沖洪積殘坡積層零星分布于河谷平壩及緩坡地帶；紅石林見殘積粘土及亞粘土斷續(xù)充填縱向沖溝及溶蝕裂隙。

紅石林成景巖石為中奧陶統(tǒng)牯牛潭組及寶塔灰?guī)r，主要巖性紫紅色棕紅色厚層狀含泥質(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30～60 m。

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，其沉積成巖建造和褶皺斷裂改造都屬于紅石林的組成部分。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造劃分為：早古華夏沉積成巖階段(488～416 Ma)→晚古華夏斷續(xù)沉積階段(416～228 Ma)→中華夏地殼整體抬升成陸階段(228～125 Ma)→新華夏褶皺斷裂變形階段(125～22.5 Ma)→挽近華夏表生拉張伴溶蝕成景階段(22.5 Ma～)5個發(fā)展演化階段[4]。

3 地質(zhì)遺跡景觀

酉陽紅石林屬于集眾多地質(zhì)遺跡于一體的綜合地質(zhì)遺跡景觀[5]。

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，沖蝕壺穴，盲谷溶洞，石芽峰林，水平溶穴及溶蝕洼地，形色寓意俱全，色彩艷麗，層次清晰，具有獨(dú)特的旅游觀賞價值和地學(xué)科考價值。

紅石林紫紅色泥質(zhì)灰?guī)r為中奧陶世牯牛潭期特定的淺海陸棚緩坡環(huán)境碳酸鹽沉積建造，鐵泥質(zhì)粉砂質(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)化剝蝕后呈現(xiàn)獨(dú)特的瘤狀構(gòu)造及龜裂紋等沉積成巖構(gòu)造。

紅石林發(fā)育平面X共軛節(jié)理系，屬于燕山運(yùn)動形成的早期原位破裂結(jié)構(gòu)面，表生期裂隙溶蝕溝槽殘積紅壤土：①東西向節(jié)理平均走向95.9(°)，平均傾角78(°)，裂隙長3.9～36 m，寬度0.2～2.8 m，節(jié)理間距1.2～3.6 m；②南北向節(jié)理走向21.5(°)，平均傾角82(°)，裂隙長2.4～12.5 m，延深達(dá)6.5 m。兩組節(jié)理遭受拉張溶蝕，鑄就縱橫交錯的奧陶迷宮。

紅石林南西發(fā)育3條走向右行平移斷層，斷層位移方向北北東。斷層面陡立且緊閉，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(ESR測年成果125±10 Ma)，屬于燕山運(yùn)動晚期成生北北東向平陽蓋向斜伴生破裂結(jié)構(gòu)面。

紅石林除多碧河谷外，尚有高位深水田、暗河泉井、瀑布跌水。順層帶狀展布常年下降泉，冬暖夏涼，甘甜可口；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20 m。

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]。不完整長頸角石縱切面達(dá)45.8 cm×6.8 cm，實(shí)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。紅石林區(qū)域地層沉積環(huán)境生物種群驚人的多樣性，應(yīng)該是西南地區(qū)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碳酸鹽沉積建造，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(472～468 Ma)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%，有利的礦物巖屑組合為紅石林提供必要的物質(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=1.50%～2.35%；淋濾殘積土壤CaO=3.42%，MgO=1.64%，SiO2=52.60%，Al2O3=17.81%，F(xiàn)e2O3=6.92%；巖石及殘積土壤富含三氧化二鐵(高價態(tài)Fe3+)，提供紅石林鮮艷奪目的紅色品牌顏料。

4.3 地殼抬升成陸

中奧陶世牯牛潭期，紅石林區(qū)域沉積淺海陸棚相紫紅色碳酸鹽地層。中三疊世末(228 Ma)印支運(yùn)動導(dǎo)致上揚(yáng)子陸塊整體抬升，酉陽紅石林遂隨之隆升高出海面，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(yùn)動持續(xù)擠壓(主壓應(yīng)力方位113.5∠8.5，最大差異應(yīng)力值112.8 Mp(超過碳酸鹽巖的強(qiáng)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(yùn)動間歇式抬升與不均衡掀斜作用，酉陽紅石林既成破裂結(jié)構(gòu)面疊加張性改造[8]，進(jìn)一步導(dǎo)通水動力聯(lián)系，成為紅石林溶蝕淋濾作用不可或缺的水文地質(zhì)條件。

4.6 溶蝕淋濾過程

紅石林泥質(zhì)微晶灰?guī)r難溶于水，然而在極其漫長的不可思議的地質(zhì)歷史演化進(jìn)程中，碳酸鈣仍然具有極低的溶解度，溶液存在電離方程式：

CaCO3?Ca2++CO32-

(1)

紅石林地下水富含CO2(平均8.71 mg/L)并且源源不斷地提供該組分，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)

離子平衡方程式(1)+(2)即生成微溶性碳酸氫鈣且隨地下水被帶走，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，提供地下水活動的運(yùn)移通道。離子反應(yīng)平衡方程式(3)由于Ca(HCO3)2微溶于水，極緩慢并且必然地被帶走，離子平衡反應(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(qiáng)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，隨之形成石鐘乳、石筍、石柱、石林、石幔及鈣華泉華等洞穴沉積(ESR測年成果14.6±0.5萬年)，也就是說，酉陽紅石林在15萬年前已經(jīng)初具規(guī)模。

4.7 保存條件優(yōu)越

紅石林保存條件優(yōu)越：①泥質(zhì)碳酸鹽巖平均抗壓強(qiáng)度18.5 MPa，平均抗拉強(qiáng)度1.55 Mpa，抗剪內(nèi)摩擦角39.69(°)，粘聚力4.98 Mpa，屬于較軟質(zhì)巖石類；②巖層傾角遠(yuǎn)小于內(nèi)摩擦角；③紅石林上方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+320 m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，無建設(shè)工程擾動，確保紅石林保存完整。

4.8 發(fā)展演化趨勢

紅石林景區(qū)開發(fā)建設(shè)，不可避免地擾動固有的體系平衡：①暴露開放破壞固有保存環(huán)境；②烈日暴曬、低溫霜凍及雨水沖刷等導(dǎo)致物理化學(xué)風(fēng)化作用加??；③節(jié)理裂隙導(dǎo)通，溶蝕沖刷作用誘發(fā)斜坡變形；④刻意追求景區(qū)觀賞效果，沿走向裂隙剝離開挖致臨空外傾，存在崩塌災(zāi)害隱患；⑤巖石表面及殘積土層Fe2O3=6.92%，遠(yuǎn)大于原生巖石含量的3倍，也就是說，紅石林風(fēng)化溶蝕越徹底，紫紅色彩更鮮艷；⑥調(diào)查發(fā)現(xiàn)，年生久遠(yuǎn)的巖石表面呈現(xiàn)棕褐色，顯得黯然失色，主要緣于巖石表層季節(jié)性潮濕，適生低等苔蘚植物覆蓋所致。

5 成因模式研究

綜合研究以下幾個方面：①成景巖石沉積成巖作用；②成色組分變化規(guī)律；③成景構(gòu)造結(jié)構(gòu)面分期配套；④最大差異應(yīng)力推導(dǎo)與估算；⑤成景地質(zhì)作用，溶蝕淋濾過程反演；⑥保存條件與發(fā)展演化趨勢。總結(jié)歸納酉水河式紅石林描述性成因模式(見表1)。

6 結(jié) 語

1)中奧陶世牯牛潭期末(468 Ma)沉積淺海相泥質(zhì)碳酸鹽建造，地層厚度30～60 m。

2)厚層塊狀泥質(zhì)微晶灰?guī)r屬遇水可軟化的較軟質(zhì)巖石，富含固態(tài)Fe2O3呈現(xiàn)鮮艷紫紅色。

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

4)早白堊世末(125 Ma)燕山運(yùn)動持續(xù)擠壓形成區(qū)域褶皺，伴生節(jié)理裂隙及斷裂結(jié)構(gòu)面。

5)新構(gòu)造運(yùn)動呈現(xiàn)間隙式掀斜抬升，表生拉張作用成為地下水活動的運(yùn)移通道。

6)巖石中難溶組分CaCO3在CO2和H2O聯(lián)合持續(xù)作用下，生成Ca(HCO3)2微溶于水且極緩慢地被帶走，酉陽紅石林15萬年前已初具規(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完整保存。

8)綜合區(qū)域構(gòu)造年代學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)研究成果，通過成色組分研究及成景地質(zhì)作用反演，歸納建立酉水河式紅石林描述性成因模式。

表1 酉陽紅石林地質(zhì)遺跡描述性成因模式要素

9)隨著紅石林景區(qū)開發(fā)建設(shè)，將不可避免地擾動其固有的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境，科學(xué)有效地開發(fā)和保護(hù)紅石林地質(zhì)遺跡成為新的研究課題。

10)酉陽紅石林屬珍貴地質(zhì)遺跡資源，應(yīng)當(dāng)充分論證，合理規(guī)劃，保護(hù)性開發(fā)。建議適時申報國家級奧陶系紅石林野外科學(xué)觀測基地。