海底地质历史演化记录 -海底地质条件复杂

作者介绍旷红伟1，郑秀娟2，柳永清11. 中国地质科学院 地质研究所，北京 100037；2. 中国石油大学（北京），北京 102400华中第一高峰所处区域的神农架地区，四季风光各异。春天，百花齐放，百鸟啁啾，那粉红的、雪白的高山杜鹃，映衬在蓝天白云之下，让人留连忘返；夏天，山峦间云雾缭绕，特别是雨后初霁，云雾从山脚升腾而起形成云海，沿着山谷向山峰盘旋，宛如仙境；秋天，满山金黄、火红；冬天，白雪皑皑，冰棱高挂，神农架变成了南方人的雪乡。“春有百花秋有叶，夏有凉风冬有雪”的美丽神农架，是一个神圣、神奇、神秘的地方，她不仅拥有“神农架世界自然遗产”“神农架世界地质公园”“联合国教科文组织人与生物圈保护地”三顶桂冠，而且还是国家公园。随着身价的与日俱增，人类也已逐渐揭开了她神秘的面纱。我们在欣赏她、景仰她的同时，不禁要问，神农架这么一块风水宝地，她在古老的地质时期是什么样子？经历了多少沧桑变幻？神农架世界地质公园的特色向人们展示着这一切的谜底。神农架景区岩石宏观特征（图1）——从神农顶向谷底望去，一根根屹立着的白云岩石柱伟岸挺拔，四周呈层状的白云岩形成了深深的峡谷。白云岩层层堆叠在一起，组成了有名的神农架群，和晚于它的南华系及埃迪卡拉系岩石共同构成了神农架三大园区（神农顶景区、官门山景区和老君山景区），以及沿209国道从木鱼－红坪一带地质景观的主体，其形成时间大约是在距今14亿年到5.4亿年间。这些岩石在空间上有一定的规律性，由中间向两边，形成时代由老到新，中间一部分是10亿年到14亿年的神农架群，外圈是7亿年到5.4亿年的南华系冰碛岩与埃迪卡拉系碳酸盐岩，地质学把这种中间岩石年代老、两边岩石年代新的地质构造叫背斜，单个的也称背形构造。神农架现今的地貌格局，最重要的一次影响，是来自于形成神农顶大背斜（图2）的这次构造运动（10～8亿年前的酒壶运动）。这次运动不仅发生在神农架，在整个中国华南（各地名称不同，扬子东南称四堡运动，西南称晋宁运动，等等）、甚至全球都有它的踪迹，很可能与Rodinia超大陆聚合过程中的格林威尔事件有关。这次运动使神农架地区整体抬升并受到挤压，3亿年之后的新元古代南华纪时期才重新下降接受沉积……之后又遭受过多次地壳的上升隆起、下降接受沉积，或伸展或挤压的构造运动，才逐渐形成了现在的地貌景观。 - k& J+ S0 I; W, d$ Z' F: l, c

图1  神农架顶景区的神农谷 $ }' d' x" v; b

图2  神农架景区的神农背斜神农架在地球演变的历史长河中，也在不断接受着沧海桑田的变幻，这些变化都记录在岩石中。我们抹去地球历史的尘埃，回到远古的洪荒时代，去探究她的原始面貌，从中采撷了几种美丽的岩石，透过它们形成的故事来了解历史。从这些十几亿年前、几亿年前形成的古老而神奇岩石中，仿佛看见了一片浩瀚的海洋正向我们延伸过来……玛瑙石（图3）——滨浅海洗礼的宠儿神农架的岩石主要发育于14亿年到5.4亿年间温暖、干燥气候条件下的浅海、滨海环境。地质学家根据岩石的物质组成和结构构造来判别它们形成的环境。神农架群的许多岩石都表现出遭受过大海波浪的作用，如在岩石层面上出现由海浪形成的波痕(浪成波痕)；从地层剖面（纵切面）上看，有显著的顶面相互切割，看起来似透镜状、波状与脉状的微细纹理，这就是潮汐层理，它们是由于海水的潮汐作用，导致海水携带着泥砂不断向岸或向海方向侧向运动的产物（图4）。正是由于潮汐是向岸和向海的双向运动，才会在滩涂上留下一些沟渠、河道或潮道，是潮水进退的一个主要通道，潮沟、潮道中的水动力是非常强的。以上这些特征都说明其形成时的环境为滨岸带。神奇而美丽的玛瑙石（我们称其为玛瑙砾岩）就在13亿年前的潮沟里形成了。在这套砾岩的上方近1 m厚的巨型倾斜纹理、中板状交错层理，代表了在潮沟强水动力条件下的形成产物，正是由于这些（潮）沟、潮道一年四季、千百万年，日夜不停歇的冲刷才变成今天美丽、光彩夺目的漂亮石头（图5）。 2 p" i4 l5 r d# ~% P

图3  神农架的玛瑙石

图4  神农架景区的潮汐层理图5  神农架景区的潮沟和潮道叠层石——古老的生命印迹（图6-9）在地球演化过程中，在岩石中有一种奇特的由微生物成因的沉积岩，称为微生物岩，叠层石是其中最重要和最显著的一类。它纵贯地球历史近38亿年，记录了地球上最原始的生命现象，它的兴衰与地球不同时期的重大表生地质事件和环境演变密切相关，具有重要的科学研究意义。这种由特殊的、含有地球上6亿年前最主要生命存在形式的、类似现代海洋或湖泊中的蓝藻类生物形成的叠层石（图6），在神农架的中元古代碳酸盐岩地层中广泛发育。叠层石的典型特征就是由一层一层向上凸起的纹层组成的柱体组成，有的柱体相互连接，使纹层成波浪状，也有的柱体互不相连，柱体间被泥质等其他物质充填。叠层石的宏观形态不同（图7），反映了它形成时的浅海环境水深的不同，从层—穹—柱—锥，反映海水深度越来越大。叠层石不仅是神农架世界地质公园里最重要的地质遗迹，而且还包含了代表地球上最早期的、独特的生命存在形式，更重要的是它为后来地球上其他生命的诞生创造了条件，即创造了富氧气的大（气）环境，因此它是地球上生命诞生的最大功臣。叠层石的内部，在显微镜下可看到藻丝体（图8），正是这些藻类的作用，形成了这些宏观形态上各异的微生物岩类型。更为奇妙的是，它的纹层一明一暗交替出现，可能是日（夜）纹层，即白天生命活动比较旺盛，光合作用强烈，形成富藻（有机质）的暗色层；夜晚生命活动处于静止和停息，有机质贫乏，形成主要由碳酸盐结晶颗粒构成的亮色层。同时，受波浪、潮汐及水动力强弱、碎屑物质供应量等的影响，形成堆叠纹层样式各异的奇妙叠层石构造（图9）。有些国外的研究通过这种纹层的数目及精确测量，来估算6亿年前及10亿年前地球上的一天是多长，这也是一种科学研究方向和思路。也有人认为，叠层石的纹层是以年为周期，夏天形成暗色纹层，冬天形成亮色纹层。无论哪种解释，都说明叠层石具有“生物钟”的作用。 , U9 A) ~& y) D0 g1 Q

图6  现代蓝藻形成的叠层石（美国大盐湖）

图7 神农架分叉柱状叠层石 5 t9 d; _1 W: k3 D

图8 神农架显微镜下叠层藻

图9 神农架官门山石槽河组叠层石纹层形态和韵律结干裂（图10）与食盐假晶（图11）——干热环境的见证在干旱、炎热的环境下，海滩上还有一些现代司空见惯的干裂或泥裂纹等等。在地层当中也可以看到这些构造，这就是一些典型的（干裂）（泥裂）构造，其次还可以看见一些盐类和石膏等，都是这种环境下的产物。近岸或浅水的泥质的表面原本浸润在水下，但由于天气干旱，水体蒸发强烈，泥质的表面暴露到地表（水面上），很快就由于水分的丧失而开始张裂，裂开形成一块块不规则的网格状。视泥质层的物质成分差异、厚度、表面积大小不同等等因素的影响，裂开的网格大小、形状、裂开的深度都不相同，后期这些裂缝中被砂质物质充填，它们一起再埋藏到地下，经历成岩作用固结成岩石，便被保存下来。而当岩石中发现了食盐假晶，那是食盐晶体在岩石中就留下的印迹。之所以称为“假晶”，是因为这只是晶体的假象：原先是食盐的晶体，成岩过程中，原来的食盐化学成分早已流失掉了，其晶格被其他成分充填，现在已经变成岩石了，但还保留着是食盐晶体原先的形态。在很多地方类似这样环境形成的石头上，都可以看到食盐假晶这种特征。 # I1 k% t6 q5 w9 @; D. \# j

图10  神农架乱石沟组中的干裂 ( n5 _$ Z- V$ s1 A; r

图11  神农架乱石沟组中的食盐假晶冰碛岩——雪球事件的产物（图12，图13）地球自形成以来，一直在不停地运动变化着，从来都不是我们所看到的表面这么平静。既有沧海桑田的变换，也有着冰与火的洗礼。在7-6亿多年前的整个地球，曾经几乎全部被巨厚的冰川所覆盖，那个时期被称为雪球地球时期。在神农顶景区东门口（靠近209国道一侧），神农顶景区三省台与湘思岭，官门山景区入口处等多个地方，都可以看到它们曾经存在的证据。证据之一：这些稀奇古怪、大小不同、棱角分明的大砾石，并且许多砾石表面还具有很多刻痕、划痕，地质学家管它叫作冰碛岩，是一种冰川携运到陆地、或者说由冰滑行到海洋当中而堆积下来的沉积岩（图12）。证据之二：冰川融化之后，其中的碎屑物质由冰川河流把它携运到冰川的前沿（冰舌）或者河谷地带（冰碛堤等）堆积下来，巨大的砾石把下面的泥质纹层都压弯了，这就是俗称的坠石，意思是从海平面掉到海底沉积物当中的岩块或岩石，表明那时候有从大陆冰川运移到海中的巨大冰体（冰山），由于其在大海中漂移，称其为冰筏，它们在漂浮的过程中天气转暖，其中的砾石因冰融化而坠入海底，在布满纹泥的海底，压弯或冲断了纹泥而形成（图13）。证据之三：在冰川作用的同时，冰蚀作用会使基岩破坏，破坏下来的碎屑物质被冻在冰里，随冰川携带迁移，冰化后碎屑物质就堆积下来，因此它们棱角分明。证据之四：我们看见冰川覆盖在基岩上，由于压力作用或是其他原因，最靠近基岩的冰可能短期会化掉一些，冰水进入到基岩的裂缝中，同时，石子、沙或泥等也会充填进去，形成冰楔，而这些裂缝也很可能是因为冰冻冻裂形成裂缝，裂缝当中填进去石头。 ) }( B S1 B( |$ H0 W+ W

图12  神农架的冰碛岩

图13  神农架的海底冰碛岩（含坠石的纹泥）“经络石”（图14）、“发丝石”（图15）、“梅花玉和鸡血玉”（图16）——来自热液与构造的自然合体。神农架的岩石当中还有一些由于后期热液作用导致的变质构造，当地管它叫经络石，这是由于来自地球深处的热水作用，与已经形成的岩石在裂缝或是孔隙中发生物理化学变化，出现一些不规则的图案或裂缝充填构造。这个热水效应作用过程中，一种会沿着孔缝的边界进行，形成马牙状的结构，这是典型的经络石；另一种热水效应发生在仅有微裂隙的岩石中，暗色泥质或铁质沉淀，形成丝状、头发丝状的脉体（图15）；同样，由于热水效应导致碳酸盐岩硅化变质，同时沿断层面受富铁物质的浸润，形成鲜红的硅质白云岩或裂缝中形成玛瑙。这就是神农架地区所谓的“梅花玉和鸡血玉”的成因（图16）。

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图14  神农架的经络石

图15 神农架景区的发丝石

图16神农架的“梅花玉和鸡血玉”

神农架上的山峰与峡谷，各种地质地貌与岩石特征，不仅是现代美不胜收的景观，更是她历经沧桑演变的历史证据，地质学家在不断地认识与研究着。其丰富的地质地貌现象与景观，不仅为人类高质量的生活提供了休闲好去处，也为人类地质学研究提供了丰富的地质话题。

致谢文本为国家重点研发计划深地资源勘查开采专项（No.2016YFC0601001)、中国地质调查局地质调查项目（DD20190002，DD20190005）共同成果。（注：文中照片均由旷红伟摄影）

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