重慶市酉陽紅石林地質遺跡成因研究

■李倫炯 秦宗興 來宏 刁憬平

（重慶市地質礦產測試中心 重慶400042）

重慶市酉陽紅石林地質遺跡成因研究

■李倫炯 秦宗興 來宏 刁憬平

（重慶市地質礦產測試中心 重慶400042）

酉陽紅石林地處渝東南酉水河西岸，匯集巖溶地貌、沉積構造、節理裂隙、水體景觀及古生物化石等地質遺跡景觀。中奧陶世牯牛潭期沉積淺海相泥質碳酸鹽建造，富含Fe2O3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構面；新構造運動隆升掀斜及表生拉張作用，導通地下水運移空間；難溶組分CaCO3遭受H2O+CO2持續作用，生成Ca(HCO3)2微溶于水被帶走；緩傾斜巖層整體高于當地侵蝕基準面，均有利于紅石林的形成和保存。旅游景區開發將會擾動固有的生態地質環境，科學有效地保護酉陽紅石林地質遺跡成為新的研究課題。

巖溶地貌節理裂隙地質遺跡成因研究酉陽紅石林

酉陽紅石林匯集巖溶地貌、沉積構造、裂隙斷裂、水體景觀、古生物化石等地質遺跡景觀，其形態萬千、品相別致、內涵淑雅、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科考價值。調查研究紅石林景觀組合特征、沉積成巖構造、巖石地層組合、巖礦化學組分、地質構造變形、形成保存條件、發展演化趨勢，對于科學有效地保護利用地質遺跡資源意義重大。

1 地理地質背景

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，核心景區西行25km到渝懷鐵路酉陽火車站，達國道G319線，到達G65渝湘高速酉陽南48km，區域交通快捷方便。

1.2 水系特征

酉陽紅石林地質遺跡景觀整體高出現代河流水面45-125m，位于最低侵蝕基準面之上。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

紅石林處區域亞熱帶濕潤季風氣候帶，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

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微硬水，符合飲用水質標準，基本滿足景區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

紫紅色泥質灰巖天然重度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，抗剪內摩擦角φ=39.69°、粘聚力C=4.98Mpa，軟化系數為0.70，屬于遇水軟化的較軟巖石類。

1.6 環境地質

紅石林為紫紅色泥質灰巖構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，局部呈現臨空外傾結構面，自然斜坡現狀較為穩定。由于景區建設人為開挖活動，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災害隱患。

2 地質構造演化

2.1 區域構造

紅石林地處揚子陸塊區-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]。晉寧運動形成變質褶皺基底，上覆沉積蓋層歷經加里東運動→印支運動→燕山運動→喜山運動等多期次構造變形[3]，其中燕山運動形成區域北北東向褶皺斷裂構造輪廓，喜山運動以來遭受一定程度的破壞和改造作用。

2.2 區域地層

紅石林區域出露寒武系、奧陶系、志留系，地層總厚度＞3000m主要為淺海陸棚砂泥質—碳酸鹽巖沉積建造。第四紀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生物屑微晶灰巖。泥質含量垂向不均勻分布，巖層剖面多見水平層理、泥質條帶及瘤狀結核，風化層面發育龜裂紋構造，其中紫紅色地層厚度＞20m。

2.4 地質構造演化

區域地質構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。通過野外地質調查、構造形跡測年與綜合研究，將紅石林地質構造劃分為①早古華夏沉積成巖階段（488-416Ma）→②晚古華夏斷續沉積階段（416-228Ma）→③中華夏區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-）五個發展演化階段[4]。

3 地質遺跡景觀

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

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

3.1 地質地貌景觀

紅石林地質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科考價值。

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

3.2 沉積成巖構造

紅石林紫紅色泥質灰巖屬于中奧陶世牯牛潭期特定的淺海陸棚緩坡環境沉積建造，富鐵質粉砂泥質不均勻供給，導致地層剖面沉積水平條帶及層序韻律，表生風化剝蝕呈現獨特瘤狀構造及龜裂紋構造等沉積成巖構造。

3.3 節理裂隙體系

紅石林發育平面X共軛節理系，屬于燕山運動形成的早期原位破裂結構面，表生裂隙溶蝕溝槽均見殘積紅土。①東西向節理平均走向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南北向節理走向21.3°，傾角大于76°，裂隙長2.4-12.5m，延深達16.3m。兩組節理遭受拉張溶蝕，鑄成縱橫交錯的奧陶迷宮。

3.4 斷裂構造形跡

紅石林南西隅發現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，破碎帶不甚發育，未見外來物質充填，地層斷距不大，斷層擦痕階步特征明顯，普遍發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構面。

3.5 水文地質景觀

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

多門類廣生態淺海相古生物化石，業已發現頭足動物[6]、腕足動物、腹足動物、節肢動物、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，實體化石原生態栩栩如生，內部結構清晰，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，應該是最具代表性的奧陶紀淺海生物基因庫。

4 地質遺跡成因

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

4.1 巖石地層組合

中奧陶世牯牛潭期（472-468Ma）歷經400萬年，沉積淺海相泥質碳酸鹽建造，主要巖性為紫紅色紫灰色厚層塊狀鐵泥質微晶灰巖，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基礎。

4.2 巖石化學成分

紅石林巖性為紫紅色含泥質微晶灰巖，主量化學成分CaO=27. 62-42.19﹪ ，MgO=0.88-1.57﹪ ，SiO2=13.02-30.36﹪ ，Al2O3=5. 15-9.40﹪，Fe2O3=1.46-2.34﹪；淋濾殘積土壤CaO=3.42﹪，MgO=1. 64﹪，SiO2=52.60﹪，Al2O3=17.81﹪，Fe2O3=6.92﹪；巖石及殘積土壤中三氧化二鐵（高價態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），印支運動導致上揚子地區抬升成陸，紅石林地區隨之隆升高出海面，結束海相沉積歷史。

4.4 皺褶斷裂變形

早白堊世晚期，燕山運動持續擠壓（主應力方位146.4-149.3°，最大差異應力值＞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構面。紅石林處于區域平陽蓋向斜北西翼，發育平面X共軛節理及走向右行平移斷層。

4.5 拉張掀斜改造

新第三紀以來，新構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構面產生張性改造[8]，進一步導通水力聯系，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

紅石林泥質微晶灰巖是難溶于水的，然而在極其漫長的不可思議的地質歷史進程中，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，節理裂隙發育導通，提供地下水流動不可或缺的要素。離子反應平衡方程式③由于Ca (HCO3)2微溶于水，緩慢地并且是必然地被帶走，平衡反應往右方進行，由量變到質變，沿節理裂隙發生溶蝕淋濾作用。

另一方面，碳酸氫鈣溶解度也是有限的，地下水攜帶Ca(HCO3) 2滯留于開放的洞穴或溢出地表，離子反應平衡系統的CO2隨壓強降低而“逃逸”，平衡反應③往左方進行，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15萬年前已經初具規模。

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，屬于軟質巖石類。②巖層順層最大傾角12°，遠遠小于抗剪內摩擦角39.69°。③紅石林后上部成排小山丘，有效阻隔可能的地質災害隱患。④最低海拔+320m高于當地侵蝕基準面，有利于地表地下水自然排泄。⑤地處緩傾斜陽坡，日照充足，植被發育，周邊無重大工程建設。確保紅石林保存完整。

4.8 發展演化趨勢

紅石林旅游景區開發建設，生態地質平衡擾動是不可避免的：①大面積處于開放系統，固有保存環境被破壞。②長時間暴露地表，物理化學風化作用加劇，諸如烈日暴曬、低溫霜凍及雨水沖刷難以避免。③穿透性節理裂隙導通，地下水溶蝕沖刷作用加劇，可誘發斜坡變形。④刻意追求景區觀賞效果，沿走向裂隙過渡剝離開挖，導致重心外移，出現臨空外傾，存在崩落垮塌災害隱患。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，紅石林風化溶蝕越徹底，紫紅色彩更鮮艷。⑥事實上，年生久遠的巖石表面呈現棕褐色，顯得黯然失色，主要是因為紅石林表層季節性潮濕，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 結論及建議

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

（1）中奧陶世牯牛潭期末（468Ma）形成淺海相泥質碳酸鹽建造。

（2）泥質微晶灰巖屬于遇水軟化的較軟質巖石類，富含Fe2O3呈紫紅色。

（3）中三疊世末（228Ma）印支運動導致地殼抬升成陸，結束海相沉積歷史。

（4）早白堊世末（125Ma）燕山運動持續擠壓形成平陽蓋向斜，伴生節理裂隙及斷裂結構面。

（5）新構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的持續地聯合作用下，生成Ca(HCO3)2微溶于水被緩慢地帶走，紅石林在15萬年前已經初具規模。

（7）紅石林巖層最大傾角12°，整體高于當地侵蝕基準面，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開發建設，不可避免地擾動其固有的生態地質環境，科學有效地保護地質遺跡成為新的研究課題。

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

[依托項目]重慶市國土房管科技計劃項目（KJ-2015063）

[1]重慶市地質礦產測試中心.重慶市酉陽紅石林旅游地質調查評價報告 [R].2015.

[2]四川省地質礦產局川東南地質大隊.酉陽等4幅1:50000區域地質調查報告 [R]. 1987.

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

[4]李倫炯.渝黔湘毗鄰地區三陽斷裂的基本特征與構造演化 [D].成都理工學院,1997. [5]國土資源地質環境司.中國國家地質公園建設工作指南 [M].地質出版社,2006.

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

[7]中國科學院南京地質古生物研究所.西南地區地層古生物手冊 [M].科學出版社,1974.

[8]李倫炯.川黔湘毗鄰區的新構造運動 [J].四川地質學報,1997(2):110-114.

P6[文獻碼]B

1000-405X（2016）-12-335-2

李倫炯(1962～)，男，理學博士，研究方向為基礎地質調查、礦產地質勘查、地質實驗測試及其技術質量管理。