湖北神农架世界地质公园地质遗迹分类及地学意义

2015-12-22李江风方世明

地球学报 2015年6期

董茜,李江风,方世明,马筱

1)中国地质大学(武汉)经济管理学院,湖北武汉 430074; 2)中国地质大学(武汉)公共管理学院,湖北武汉 430074; 3)中国地质大学(武汉)地球科学学院,湖北武汉 430074

董茜1),李江风2)*,方世明2),马筱3)

湖北神农架世界地质公园是以(秦岭)造山带地质构造为特征的构造地貌及山地生态综合性地质公园。公园内地质遗迹和景观类型多样,共包括地质(体、层)剖面、地质构造、古生物、矿物与矿床、地貌景观、水体景观和环境地质遗迹景观7个大类、20个类共100多处地质遗迹景点,其中世界级地质遗迹景观共计5处。在前人研究总结的基础上,就地质公园内地质遗迹的地貌学、构造地质学、地层岩石学、化石及古生物等方面的地学意义进行了探讨。结果表明,湖北神农架世界地质公园内地质遗迹种类丰富,具有较高的科研、科普价值,园内多处地质遗迹具有全球对比意义。

地质公园; 地质遗迹; 地学意义; 湖北神农架

湖北神农架世界地质公园位于神农架林区中南部,地势总体西南高东北低,山脉近东西向横垣于公园西南部,山峰多在海拔1500 m以上,华中地区6座海拔3000 m以上的山峰均位于公园内,其中,神农顶海拔3106.2 m。公园最低点为下谷坪乡的石柱河,高程为398 m。公园地处亚热带气候向温带气候过渡区域,气温偏凉而且多雨(朱兆泉和宋朝枢,1999)。

湖北神农架世界地质公园山地地貌景观丰富,不仅拥有中元古代以来扬子板块北缘各种地质遗迹,而且有全球同纬度最丰富、最具代表性现代生态系统,因此公园的性质为: 以(秦岭)造山带地质构造为特征的构造地貌及山地生态综合性地质公园。公园分为神农顶园区、官门山园区、天燕园区、大九湖园区和老君山园区,总面积为1022.72 km2。湖北神农架地质公园于2005年被中国国土资源部批准为“国家地质公园”,于2013年9月加入世界地质公园网络(GGN),正式成为湖北省首个世界地质公园。公园内发育了大量独特的,具有全球科学意义的地质遗迹。

1 区域地质背景

1.1 地层

神农架地区地层发育较为完整,除部分地区缺失上志留统至石炭系、中、上侏罗统外,从中元古界至第四系均有分布。中元古代神农架群分布于阳日—木鱼—大九湖一线(图1),构成区域隆升基底。古生界主要出露寒武系、奥陶系、中、下志留统、泥盆系、二叠系(二叠系仅在神农架隆起带南缘出露)。寒武系主要为泥岩、页岩、灰岩等; 奥陶系主要为瘤状灰岩、生物碎屑灰岩并含少量页岩等; 中、下志留统主要为粉砂岩、页岩等; 二叠系主要为燧石结核灰岩及炭质页岩等。中生界仅在秭归盆地出露,包含三叠系和下侏罗统,三叠系主要为灰岩,上统须家河组过渡为陆相碎屑砂岩层; 下侏罗统为陆相粘土质砂岩、粉砂岩等。

1.2 大地构造位置

在区域大地构造位置上神农架地区处于大巴山前陆构造带东段(图1),大巴山前陆、雪峰山前陆的复合区域。其北侧为南秦岭武当隆起,南侧为侏罗纪秭归盆地。

图1 神农架地区区域地质图Fig. 1 Regional geological map of Shennongjia area

神农架地区构造格局主要受城口断裂、阳日断裂、九湖断裂三条区域断裂控制。其中阳日断裂为位于大巴山前陆构造带西段的镇巴断裂的向东延伸,并以近EW走向将该区分割为南北两个构造亚带:北带为基底拆离带,下寒武统强烈褶皱; 南带为神农架隆起,出露的中元古界基底一般产状较为平缓,在临近断裂带受断裂影响局部产生强烈褶曲。

1.3 区域构造演化

神农架地区经历多次构造运动的改造作用,其演化阶段可以分为前寒武纪阶段、古生代阶段、中生代阶段和新生代阶段四个阶段。

其中,2900—2500 Ma是太古代华南古陆造陆阶段,其后进入相对稳定的地块演化阶段。中元古代主要是微板块增生阶段,直到新元古代区域内影响巨大的构造运动——约1000—800 Ma的晋宁运动,使得扬子古陆与华夏古陆形成统一的前寒武基底并成为Rodinia超大陆的一部分,随后Rodinia大陆裂解作用使该地区进入800—600 Ma的南华裂谷沉积作用阶段。600—420 Ma的早古生代为纲瓦纳大陆演化阶段,晚期加里东运动使该地区整体抬升为陆,晚志留世沉积缺失。420—250 Ma的晚古生代时期发生一次自南向北的大规模海侵,发生在250—200 Ma的印支运动是神农架地区最主要、最强烈的构造运动。

秦岭—大别造山带对位于扬子板块的持续的应力挤压作用(张国伟等,2003; 董云鹏等,2008)使得神农架地区形成了一系列向南逆冲推覆构造,阳日断裂是神农架推覆体的主滑断裂(李建华等,2009)。燕山运动(180—100 Ma)使该地区转入滨太平洋构造域,同沉积一套红色磨拉石建造,作为整个印支—燕山造山运动的结束。66 Ma至今,新生代构造运动表现为差异隆升剥蚀夷平,形成神农架地区山高谷深、坡陡崖悬的地形地貌。

2 地质遗迹资源分类

地质遗迹是地球在漫长的地质历史演化过程中遗留下来珍贵的、不可再生的自然遗产,具有一定的科学价值、美学价值和旅游价值(张蕾等,2014)。地质遗迹是建立地质公园的根据,保护地质遗迹是地质公园的首要任务(陈安泽,2003),地质遗迹的调查和科学分类,是地质公园规划、保护和开发的重要依据和基础(赵汀和赵逊,2009)。根据国土资发(2010)89号文件,湖北神农架世界地质公园中的地质遗迹可分为以下7大类20个类共计100多处地质遗迹(图2),具体地质遗迹划分见表1。

图2 湖北神农架世界地质公园主要地质遗迹景观分布图Fig. 2 Main Geosites in Shennongjia Global Geopark of Hubei Province

按照世界地质公园网络标准,根据全球同类地质遗迹对比和国内同类地质遗迹对比,评定出湖北神农架世界地质公园内分布世界级地质景观共计5处,分别为神农顶、新元古层型地质剖面、第四纪冰川遗迹、鸭子口南沱组冰碛岩和神农架远古人类旧石器遗址。

3 地质公园的地学意义

3.1 地貌学意义

神农架地区穹隆构造轮廓定型于印支—燕山运动的大面积断块抬升,直到新生代还有持续的隆升作用(沈传波等,2009)。神农架主峰地段不断地抬升,形成由中心向四周、山顶面呈阶梯状下降态势,其山顶向四周的掀斜十分明显。由于神农架地区隆起上升早于相邻地区,较完整地记录了华中地区晚新生代构造-地貌发展历史,形成了四期夷平面: 神农顶期,为最高一级夷平面,海拔为2900～3100 m,见于大、小神农架、神农顶、猴子石和老君山一带;八王寨期,海拔为2500～2700 m,分布在西部和西南部,有八王寨、马家山、四方台、大草坪、北风坪等地; 鄂西期,海拔2000～2300 m,分布在神农架以北送郎山—大岩屋一线; 山原期,海拔为1800～1900 m,是本区深切峡谷形成时期,如阴峪河、关门河等。

神农架地处中国地势第二级阶梯的东部边缘,而神农架主峰地区的海拔又是其中最高的组成部分。在此发育有多种类型的冰蚀和冰川堆积地貌,其主要见于大九湖、神农顶以及木鱼的青天袍等地(图版I-1,I-2)。可划大致分为(赵志中和何培元,1997): 松柏冰期冰碛物(Q1),主要分布于神农架北坡的松柏镇及南坡的木鱼坪盆地的三级阶地之上,为一套棕红色的粘土砾石层; 木鱼坪冰期冰碛物(Q2),见于木鱼坪至里二沟U形谷地,为一套棕黄色粘土砾石层; 龙潭冰期冰碛(Q3),主要见于神农架红石沟的冰川槽谷之中,为一套棕黄色砂石层;冰缘地貌(Q4),大致在神农架主峰地区海拔2500～2900 m的高度的石海、石流坡、石河及冰缘寒冻风化崩坍。

表1 湖北神农架世界地质公园地质遗迹类型划分表Table 1 The classification of geoheritages in the Shennongjia Global Geopark of Hubei Province

3.2 构造地质学意义

神农架以城口—房县断裂和阳日断裂两条断裂东西向为界,自北向南可依次划分为武当山推覆体、基底拆离带、神农架隆起带三个次级构造带(李建华等,2009),而地质公园地处阳日断裂以南的神农架隆起带内,位于扬子板块北缘、秦岭—大别造山带东段,是秦岭—大别地块和扬子板块两大块体碰撞拼合的位置,二者以城口断裂带为界。秦岭—大别地块向扬子北缘的由北向南逆冲推覆作用在这里受到区域上神农架隆起与黄陵背斜两大刚性块体的阻挡,在前陆地带产生的不协调变形,记录了丰富的构造地质信息。对该推覆体构造的岩石特征、构造样式、变形机制等方面进行研究,从而进一步厘清对该地区大地构造格局的认识,建立与周边重要地质构造单元的关联,对扬子板块北缘的区域地质研究具有重要意义。

神农架地区强烈的河谷深切作用,使得被中元古界乱石沟组逆掩的早古生代地层得以出露(图版I-3),可为该地区研究秦岭—大别造山带南缘向扬子板块北缘的推覆构造提供优越条件。

3.3 岩石学及地史学意义

(1)基性岩墙群及与Rodinia超大陆演化

基性岩墙群是重建古陆地聚合、伸展乃至裂解的关键标志之一(周鼎武和刘金平,2000)。新元古代基性岩脉零星产出于中元古—新元古界地层中,主要岩石类型为辉绿岩、辉长岩及玄武岩。这一套基性火山岩组合在区域上可以与扬子北缘的武当山群、耀岭河群火山岩进行对比,共同代表了新元古时期与Rodinia超大陆裂解作用相关的大规模岩浆活动在扬子板块北缘的岩石学记录(Bader et al.,2013)。

(2)陡山沱组(Z1d)盖帽白云岩及气候回暖事件

随着超大陆裂解,一次全球性冰川事件即“雪球地球”事件随即发生,这一事件的地层学响应即神农架南华系南沱组的灰绿色冰碛砾岩(图版I-4)。“雪球事件”之后,伴随新元古代南沱冰期的结束,在华南形成一套覆盖于南沱组冰碛岩之上的海相碳酸盐岩帽盖层,即全球范围内都具有对比意义的“盖帽白云岩”,盖帽白云岩标志着新元古代全球性冰川“雪球地球”事件的结束(孙知明等,2004)。神农架地区震旦系陡山沱组盖帽白云岩(图版I-5)以其独特的沉积构造以及显著的碳同位素负漂等地化特征,让国内外学者得以通过探讨盖帽白云岩的成因来还原新元古代冰期之后古地理古环境的研究。园内埃迪卡拉系陡山沱组地层出露完好,沉积连续,紧邻中国埃迪卡拉系(Edicaran)典型剖面所在的三峡地区,具有较好的代表性。对其进行深入研究,有助于阐明新元古代晚期盖帽碳酸盐岩的特征和成因及新元古代末期冰期结束时的环境变化。

(3)层型剖面地质意义

湖北神农架世界地质公园内上前寒武系的地层层序,发育完整,内容丰富,尤以新元古界拉伸系、成冰系(Cryogenian)、埃迪卡拉系(Edicaran)及下古生界出露最好。神农架地区是世界上晚前寒武纪地层保存最完整的地区之一,是神农架群及群内各组层型剖面的命名地,是组成神农架地区乃至扬子地块北缘及整个中国南方最古老的基底之一。为解决中国这一时期的地层对比和建立上前寒武系层序提供了大量资料和重要依据,对研究格林威尔(晋宁)造山运动、扬子地块成生演化乃至全球Rodinia超大陆的形成与裂解具有重要的意义。

(4)大九湖泥炭剖面及其全球气候意义

大九湖泥炭沼泽是中纬度亚热带地区少有的亚高山沼泽(图版I-6),位于公园的最西端,盆地内侧发育有较宽阔的坡度较缓的台地,由更新世中期—晚期的黄土状堆积物构成,记录了亚热带喀斯特区沼泽形成、发育及古环境变化的信息,泥炭中的孢粉记录了全新世植被、气候与环境演变序列(张华和蔡靖芳,2002)。

3.4 化石及古生物意义

湖北神农架世界地质公园内发育有大量保存很好的叠层石,包括有矿石山组(Pt2k)(图版I-7)、中元古界神农架群石槽河组(Pt2s)(图版I-8)等,其中大窝坑组的海相碳酸盐岩中发育的叠层石形态各异,主要有半球状、柱状、锥状、波状以及厚层状叠层石等类型。元古代叠层石类别多样,纹层清晰,是进行古生物钟研究的理想素材,对这些地球最早期生命活动记录的成因进行研究可以获得丰富的古地理与古环境信息(Semikhatov and Raaben,2000)。

4 结论

湖北神农架世界地质公园内地质遗迹种类众多且具有较高的科研、科普价值,园内多处地质遗迹具有全球对比意义。公园位于扬子板块北缘及秦岭造山带接触的特定部位,不仅其大地构造位置在全球山系中十分重要,而且公园是具代表性且保存完整的晚前寒武纪地层剖面,对了解地球的早期演化、晚前寒武纪地质过程具有重要的全球对比意义。其中多处地质遗迹是科学研究的重要依据: ①公园内完整的中元古叠层石化石遗迹是地球早期的重要生命证据; ②广泛出露的基性岩墙群是Rodinia超大陆裂解的重要证据; ③新元古冰碛砾岩是“雪球事件”的重要证据。中生代逆冲推覆构造则揭示了秦岭造山带及神农架隆起的演化过程; 保存完好的第四纪冰川遗迹和高山寒冻地区发育的岩溶、冰冻、崩塌地貌显示了神农架与众不同的独特地貌景观。

对公园内地质遗迹资源体系及地学意义的深入了解,是地质公园开展科研、科普以及地学旅游的重要基础,是公园开展规划和管理工作的主要依据之一(赵逊和赵汀,2009)。针对地质遗迹的重要意义和分布,来进一步指导公园未来保护区和功能区的规划,有利于实现地质遗迹的可持续发展(王铠铭等,2013),以期更好地实现地质公园集科普教育、科学研究和地质旅游等于一体的建设目的。

致谢: 感谢中国地质大学(武汉)的李长安教授、曾佐勋教授和张志教授对本文在修改过程中所提供的宝贵意见和帮助！

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (Nos. 41201574 and 41440002).

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图版说明

图版照片引自李江风等(2013)。

图版I Plate I

1-神农顶南侧冰斗;

2-青天袍U型谷及冰斗;

3-古生代盖层皱褶;

4-南沱组(Nh2n)冰碛砾岩;

5-盖帽白云岩;

6-大九湖高山湿地;

7-矿石山组(Pt2k)叠层石;

8-石槽河组(Pt2s)地层

1-Glacier Cirque in Southern Shennongjia;

2-Qingtianpao Glacier Cirque and U-shape Valley;

3-Paleozoic Cover Strata;

4-Nantuo Formation (Nh2n) Tillite;

5-Cap Dolostone;

6-Mountain Wetland in Dajiuhu;

7-Stromatolite in Kuangshishan Formation (Pt2k);

8-Shichaohe Formation (Pt2s) of Shennongjia Group

The Classification of Geoheritages in the Shennongjia Global Geopark in Hubei Province and Its Geological Significance

DONG Qian1),LI Jiang-feng2)*,FANG Shi-ming2),MA Xiao3)
1) School of Economics and Management,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan,Hubei 430074; 2) School of Public Management,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan,Hubei 430074; 3) School of Earth Sciences,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan,Hubei 430074

The Shennongjia Global Geopark of Hubei Province is an ecological comprehensive geopark with the representative sceneries of mountain landscapes characterized particularly by geological structure of Qinling orogenic belts. There is a diversity of geoheritages sites in the Shennongjia Global Geopark comprising 7 categories: geological profiles,geological structure,biogliph,mineral and mineral deposit,landform landscape,water landscape and environmental geological heritages,with totally more than 100 geoheritages,including 5 world-class geoheritages sites. Based on the previous scientific research,this paper has discussed the significant meaning of the geosites in the Shennongjia geopark from the perspectives of geomorphology,structural geology,formation petrology and paleontological fossils. The results indicate that there are plentiful kinds of geoheritages in the Shennongjia Global Geoparks of Hubei Province,some of which have not only high scientific and conversation values but also the global geological comparison significance.

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