重庆市酉阳红石林地质遗迹成因模式研究

周正茂，李 松，罗顺清，唐用洋，李伦炯

(重庆市地质矿产勘查开发局，重庆 渝北 401121)

重庆酉阳红石林汇集喀斯特地貌、沉积构造、节理裂隙、瀑布泉水、古生物化石等地质遗迹景观，具有独特的旅游观赏价值和地学科考价值。综合研究红石林的景观形态、沉积成岩构造、岩石地层组合、岩矿化学组分、地质构造变形、形成保存条件、发展演化趋势，总结归纳红石林地质遗迹成因模式，对于科学开发利用和有效保护研究同类型地质遗迹资源意义重大。

1 地理地质背景

酉阳红石林位于渝鄂湘黔毗邻地带的武陵山腹地，酉水河西岸与支流多碧河交汇处，核心景区西行25 km渝怀铁路，区域交通快捷方便。

酉阳红石林地质遗迹景观整体高出现代河流水面20～135 m，位于最低侵蚀基准面之上。多碧河东去1 500 m注入酉水河(江面高程+290 m)，平均纵比降7‰，多年平均流量1.78 m3/s。红石林发育幼年期冲沟、高位深水田及常年裂隙下降泉，见有多处溶洞暗河及跌水瀑布。

红石林处区域亚热带湿润季风气候带，气候温和，四季分明。年均气温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两季，其中夏季降水量占全年的40%，而冬季降水量一般在6%左右。

红石林地下水为碳酸盐岩裂隙溶洞水、碎屑岩孔隙裂隙水类型，总硬度125.18～153.99 mg/L，总碱度99.10～148.65 mg/L，pH值7.48～7.89，游离二氧化碳6.83～10.24 mg/L，属于碳酸盐型钙镁质微硬水，符合饮用水水质标准，基本满足红石林及周边居民饮用及生活用水需求[1]。地下水主要接受大气降雨补给，通过孔隙、裂隙、岩溶管道，以溢水点、裂隙泉和溶洞暗河等形式排泄于地表。

红石林泥质灰岩天然重度25.5 kN/m3，天然抗压强度18.5 MPa，饱和抗压强度13.2 MPa，天然抗拉强度1.55 Mpa，抗剪内摩擦角39.69(°)、粘聚力4.98 Mpa，软化系数为0.70，属于遇水软化的较软岩石类型。

红石林岩层倾向160(°)～170(°)，倾角5(°)～12(°)，地层倾向与地形坡向基本一致。地形坡度角略大于岩层倾角，局部偶见有临空外倾结构面，自然斜坡现状较为稳定。由于景区建设多有人为开挖活动，局部裂隙溶陷深度大于10 m，遭遇强降雨或地表水持续冲刷浸泡，存在局部崩塌陷落地质灾害隐患。

2 地质构造演化

红石林地处扬子陆块区→上扬子陆块→南部碳酸盐台地→黔江凹褶束→北北东向平阳盖向斜北西翼[2]。晋宁运动形成变质褶皱基底，沉积盖层历经加里东运动→印支运动→燕山运动→喜山运动多期次构造叠加变形[3]，其中燕山运动形成区域北北东向褶皱伴断裂构造轮廓，喜山运动以来遭受一定程度的破坏和改造作用。

红石林区域出露寒武系、奥陶系、志留系地层总厚度>3 000 m，主要为浅海陆棚砂泥质—碳酸盐沉积建造；第四纪冲洪积残坡积层零星分布于河谷平坝及缓坡地带；红石林见残积粘土及亚粘土断续充填纵向冲沟及溶蚀裂隙。

红石林成景岩石为中奥陶统牯牛潭组及宝塔灰岩，主要岩性紫红色棕红色厚层状含泥质生物屑微晶灰岩。泥质含量垂向不均匀分布，岩层剖面多见水平层理、泥质条带及瘤状结核，风化层面发育龟裂纹构造，其中紫红色地层厚度30～60 m。

区域地质构造演化具有明显的阶段性、新生性和继承性，其沉积成岩建造和褶皱断裂改造都属于红石林的组成部分。区域地质构造划分为：早古华夏沉积成岩阶段(488～416 Ma)→晚古华夏断续沉积阶段(416～228 Ma)→中华夏地壳整体抬升成陆阶段(228～125 Ma)→新华夏褶皱断裂变形阶段(125～22.5 Ma)→挽近华夏表生拉张伴溶蚀成景阶段(22.5 Ma～)5个发展演化阶段[4]。

3 地质遗迹景观

酉阳红石林属于集众多地质遗迹于一体的综合地质遗迹景观[5]。

红石林地质遗迹主体景观为紫红色喀斯特岩溶地貌，如峡谷溶沟，冲蚀壶穴，盲谷溶洞，石芽峰林，水平溶穴及溶蚀洼地，形色寓意俱全，色彩艳丽，层次清晰，具有独特的旅游观赏价值和地学科考价值。

红石林紫红色泥质灰岩为中奥陶世牯牛潭期特定的浅海陆棚缓坡环境碳酸盐沉积建造，铁泥质粉砂质不均匀供给，导致地层剖面沉积水平条带及层序韵律，表生风化剥蚀后呈现独特的瘤状构造及龟裂纹等沉积成岩构造。

红石林发育平面X共轭节理系，属于燕山运动形成的早期原位破裂结构面，表生期裂隙溶蚀沟槽残积红壤土：①东西向节理平均走向95.9(°)，平均倾角78(°)，裂隙长3.9～36 m，宽度0.2～2.8 m，节理间距1.2～3.6 m；②南北向节理走向21.5(°)，平均倾角82(°)，裂隙长2.4～12.5 m，延深达6.5 m。两组节理遭受拉张溶蚀，铸就纵横交错的奥陶迷宫。

红石林南西发育3条走向右行平移断层，断层位移方向北北东。断层面陡立且紧闭，破碎带不甚发育，未见外来物质充填，地层断距不大，断层擦痕阶步特征明显，普遍发育中粗粒硅化方解石擦抹晶体(ESR测年成果125±10 Ma)，属于燕山运动晚期成生北北东向平阳盖向斜伴生破裂结构面。

红石林除多碧河谷外，尚有高位深水田、暗河泉井、瀑布跌水。顺层带状展布常年下降泉，冬暖夏凉，甘甜可口；冲沟连通暗河及泉水露头；上部见大面积深水田高出红石林20 m。

多门类广生态浅海相古生物化石，业已发现头足动物[6]、腕足动物、腹足动物、节肢动物、笔石动物、腔肠动物、棘皮动物等化石组合[7]。不完整长颈角石纵切面达45.8 cm×6.8 cm，实体化石原生态栩栩如生，内部结构清晰，外形轮廓完整。红石林区域地层沉积环境生物种群惊人的多样性，应该是西南地区最具代表性的奥陶纪浅海生物基因库。

4 地质遗迹成因

红石林岩石为中奥陶统牯牛潭组属浅海陆棚碳酸盐沉积建造，历经沉积成岩、抬升成陆、褶皱断裂、表生拉张、风化剥蚀、溶蚀淋滤作用，形成层次分明、形态壮观、色彩鲜艳的地质遗迹景观。

4.1 岩石地层组合

中奥陶世牯牛潭期(472～468 Ma)历经400万年，沉积浅海相泥质碳酸盐建造，主要岩性为紫红色紫灰色厚层块状铁泥质微晶灰岩，主要矿物为方解石75%～98%，生物碎屑3%～15%，石英1%～8%，水云母1%～3%，褐铁矿等金属矿物<1%，有利的矿物岩屑组合为红石林提供必要的物质基础。

4.2 岩石化学成分

红石林岩性为紫红色含泥质微晶灰岩，主量化学成分CaO=27.62%～42.19%，MgO=0.88%～1.57%，SiO2=13.02%～30.36%，Al2O3=5.15%～9.40%，Fe2O3=1.50%～2.35%；淋滤残积土壤CaO=3.42%，MgO=1.64%，SiO2=52.60%，Al2O3=17.81%，Fe2O3=6.92%；岩石及残积土壤富含三氧化二铁(高价态Fe3+)，提供红石林鲜艳夺目的红色品牌颜料。

4.3 地壳抬升成陆

中奥陶世牯牛潭期，红石林区域沉积浅海陆棚相紫红色碳酸盐地层。中三叠世末(228 Ma)印支运动导致上扬子陆块整体抬升，酉阳红石林遂随之隆升高出海面，结束海相沉积历史。

4.4 皱褶断裂变形

早白垩世晚期，燕山运动持续挤压(主压应力方位113.5∠8.5，最大差异应力值112.8 Mp(超过碳酸盐岩的强度极限)，形成北北东向纵弯褶皱及伴生破裂结构面。红石林处于区域平阳盖向斜北西翼，发育平面X共轭节理及走向右行平移断层。

4.5 拉张掀斜改造

新第三纪以来，新构造运动间歇式抬升与不均衡掀斜作用，酉阳红石林既成破裂结构面叠加张性改造[8]，进一步导通水动力联系，成为红石林溶蚀淋滤作用不可或缺的水文地质条件。

4.6 溶蚀淋滤过程

红石林泥质微晶灰岩难溶于水，然而在极其漫长的不可思议的地质历史演化进程中，碳酸钙仍然具有极低的溶解度，溶液存在电离方程式：

CaCO3⟺Ca2++CO32-

(1)

红石林地下水富含CO2(平均8.71 mg/L)并且源源不断地提供该组分，在这种地下水溶液中出现电离过程，存在如下离子平衡方程式：

CO2+H2O⟺H++HCO3-

(2)

离子平衡方程式(1)+(2)即生成微溶性碳酸氢钙且随地下水被带走，存在如下离子平衡方程式：

CaCO3+CO2+H2O⟺Ca(HCO3)2

(3)

红石林岩层为倾角6(°)～12(°)的顺层坡，节理裂隙发育导通，提供地下水活动的运移通道。离子反应平衡方程式(3)由于Ca(HCO3)2微溶于水，极缓慢并且必然地被带走，离子平衡反应往右方进行，由量变到质变，沿节理裂隙发生溶蚀淋滤作用。

另一方面，碳酸氢钙溶解度是有限的，地下水携带Ca(HCO3)2滞留于开放的洞穴或溢出地表，离子反应平衡系统的CO2随压强降低而“逃逸”，平衡反应(3)往左方进行，生成碳酸钙(CaCO3)沉淀，随之形成石钟乳、石笋、石柱、石林、石幔及钙华泉华等洞穴沉积(ESR测年成果14.6±0.5万年)，也就是说，酉阳红石林在15万年前已经初具规模。

4.7 保存条件优越

红石林保存条件优越：①泥质碳酸盐岩平均抗压强度18.5 MPa，平均抗拉强度1.55 Mpa，抗剪内摩擦角39.69(°)，粘聚力4.98 Mpa，属于较软质岩石类；②岩层倾角远小于内摩擦角；③红石林上方成排小山丘有效阻隔可能的地质灾害隐患；④最低海拔+320 m高于当地侵蚀基准面，有利于地表地下水自然排泄；⑤地处缓倾斜阳坡，日照充足，植被发育，无建设工程扰动，确保红石林保存完整。

4.8 发展演化趋势

红石林景区开发建设，不可避免地扰动固有的体系平衡：①暴露开放破坏固有保存环境；②烈日暴晒、低温霜冻及雨水冲刷等导致物理化学风化作用加剧；③节理裂隙导通，溶蚀冲刷作用诱发斜坡变形；④刻意追求景区观赏效果，沿走向裂隙剥离开挖致临空外倾，存在崩塌灾害隐患；⑤岩石表面及残积土层Fe2O3=6.92%，远大于原生岩石含量的3倍，也就是说，红石林风化溶蚀越彻底，紫红色彩更鲜艳；⑥调查发现，年生久远的岩石表面呈现棕褐色，显得黯然失色，主要缘于岩石表层季节性潮湿，适生低等苔藓植物覆盖所致。

5 成因模式研究

综合研究以下几个方面：①成景岩石沉积成岩作用；②成色组分变化规律；③成景构造结构面分期配套；④最大差异应力推导与估算；⑤成景地质作用，溶蚀淋滤过程反演；⑥保存条件与发展演化趋势。总结归纳酉水河式红石林描述性成因模式(见表1)。

6 结 语

1)中奥陶世牯牛潭期末(468 Ma)沉积浅海相泥质碳酸盐建造，地层厚度30～60 m。

2)厚层块状泥质微晶灰岩属遇水可软化的较软质岩石，富含固态Fe2O3呈现鲜艳紫红色。

3)中三叠世末(228 Ma)印支运动导致区域地壳抬升成陆，结束海相沉积历史。

4)早白垩世末(125 Ma)燕山运动持续挤压形成区域褶皱，伴生节理裂隙及断裂结构面。

5)新构造运动呈现间隙式掀斜抬升，表生拉张作用成为地下水活动的运移通道。

6)岩石中难溶组分CaCO3在CO2和H2O联合持续作用下，生成Ca(HCO3)2微溶于水且极缓慢地被带走，酉阳红石林15万年前已初具规模。

7)红石林岩层最大倾角12(°)，整体高于当地侵蚀基准面，有利于地表地下水自然排泄，确保红石林的形成和完整保存。

8)综合区域构造年代学、运动学、动力学研究成果，通过成色组分研究及成景地质作用反演，归纳建立酉水河式红石林描述性成因模式。

表1 酉阳红石林地质遗迹描述性成因模式要素

9)随着红石林景区开发建设，将不可避免地扰动其固有的生态地质环境，科学有效地开发和保护红石林地质遗迹成为新的研究课题。

10)酉阳红石林属珍贵地质遗迹资源，应当充分论证，合理规划，保护性开发。建议适时申报国家级奥陶系红石林野外科学观测基地。