湖北省郧阳区重要地质遗迹资源特征及地学意义

崔亚圣,王 伟*,余浩宇,辛 杰,彭小桂,李 乐,杨丽霞,王雯雯

(1.湖北省地质科学研究院,湖北 武汉 430034; 2.资源与生态环境地质湖北省重点实验室,湖北 武汉 430034)

地质遗迹是漫长地质历史演变过程中,由内力和外力地质作用形成和遗留下来的自然遗产,是人类认识地质现象、追索地球演化过程的重要证据,具有典型性、特殊性、罕见性、不可再生性和重要科学、观赏和科普价值[1-2]。自20世纪中叶以来,地质遗迹一直被视为重要的自然资源而进行保护和利用,其类型划分、资源价值评价、科学意义研究和社会生态经济效益评价是开展区域性地质遗迹资源保护利用的基础[3-10]。

湖北省十堰市郧阳区位于秦岭褶皱带东段,区内地质历史时期经历了复杂的构造活动和变质运动,形成了类型丰富、特征独特的地质遗迹资源。元古代发育的武当群变质岩剖面是研究秦岭构造演化的重要素材[11-12]。古生代发育的云盖寺绿松石是世界已知现存最古老的绿松石矿山之一,开采历史可追溯至春秋时期,目前依托于此矿山创建了云盖寺绿松石国家矿山公园[13-15]。中生代发育丰富的白垩纪恐龙及恐龙蛋古生物化石资源[16-23],并依托青龙山地区保存良好、出露数量庞大的恐龙蛋化石资源,创建了青龙山国家地质公园和青龙山恐龙蛋国家级化石集中产地。新生代以来发育壮丽的第四纪汉江河流地貌和古人类遗址,特别是学堂梁子“郧县人”遗址是中国迄今为止发现的最早的古人类头骨化石与旧石器时代并存的古遗址,发育有欧亚内陆最完整的古人类头骨化石[24-27]。这些独特的资源具有极为重要的地学意义和内涵,在中国地质遗迹中极具代表性。

基于2020年以来郧阳区地质遗迹调查评价的最新成果,阐明区内地质遗迹主要类型和基本特征,并对典型地质遗迹的地学意义展开讨论,对准确把握郧阳区地质遗迹的科学意义、增强地质遗迹保护意识和实现地质遗迹可持续利用具有重要现实意义。

1 区域地质背景

郧阳区位于鄂西北,地理坐标为:北纬32°25′～33°16′,东经110°07′～111°16′,面积为3 863 km2。郧阳区平均海拔在250～800 m,海拔最高点为沧浪山主峰(1 824 m),最低点为汉江江面(约150 m)。区内大部分为山地,地势由南、北边境向EW向汉江谷地倾斜,汉江谷地两侧有狭窄而断续的平地与丘陵相间分布,呈现“八山半水一分田”的格局。郧阳区属北亚热带大陆性季风气候,年平均气温为16℃,年平均降水量为814 mm。长江最大的支流汉江由西向东穿越该区,区内有大小河流766条,河流总长3 351 km,均属长江水系,水力资源丰富。

郧阳区大地构造上位于秦岭褶皱带东段,经历了多期次构造作用和变质作用,形成了一系列复杂的构造形迹[12](图1)。总体以NW向紧密线状褶皱为主体,伴有NW向脆韧性剪切带和不同方向、不同规模、不同性质的脆性断裂,以及近EW向和NE向褶皱叠加其上,使之呈现网格状构造格局。自元古代以来,三大岩类均较广泛发育,以出露大面积的南华系武当群为特点,南华系耀岭河组、震旦系陡山沱组和灯影组、寒武系—奥陶系地层零星分布,两郧断陷盆地中分布白垩系地层,顺汉江河谷分布第四系地层。

图1 郧阳区地质简图

2 主要地质遗迹类型与分布

郧阳区具有独特的大地构造位置以及复杂的地质构造演化历史,在漫长地质历史时期,形成了类型丰富的地质遗迹资源。在充分整理区域各类地质调查资料和相关文献资料的基础上,按照《地质遗迹调查规范》(DZ/T 0303—2017)[28]技术要求,通过遥感影像和野外路线相结合的手段对区内典型遗迹点进行了调查,获取了其范围、面积、形态、岩性、植被等地质参数特征,利用数码相机和无人机拍摄获取典型遗迹景观照片。据统计分析,区内共筛选调查地质遗迹51处,共3大类9类18亚类(图2,表1)。其中具有世界级价值的地质遗迹资源3处,分别是青龙山恐龙蛋化石群产地、“郧县人”遗址和云盖寺绿松石矿。

表1 郧阳区主要地质遗迹资源分类表

图2 郧阳区重要地质遗迹分布图

3 典型地质遗迹特征

3.1 基础地质遗迹大类

3.1.1地层剖面类

上白垩统陆相碎屑岩剖面是郧阳区典型的地层剖面。晚白垩世时期,鄂西北—豫西南地区发育了一批NW向展布的小型盆地,呈雁行状排列,其中包括位于区内的两郧盆地和淅川盆地。盆内主要沉积了一套陆相冲洪积—河湖相的红色碎屑岩,自下而上划分为高沟组、马家村组和寺沟组,《中国区域地质志·湖北志》[12]将其整合统称为寺沟组。高沟组上部为杂色砂砾岩、棕红色粉砂岩和钙质粉砂岩夹灰色薄层状中细粒砂岩,下部为细砂岩和灰黑色、浅灰色、棕灰色砾岩层夹棕红色薄层状含砾粉砂岩,下部为冲洪积扇相,上部变化为辫状河沉积相。马家村组发育杂色砂砾岩、细砂岩夹薄层状中粗粒砂岩和棕红色钙质粉砂岩,体现为辫状河沉积—湖泊沉积。寺沟组上部为一套棕红色、灰白色的中细粒砂岩和褐色泥钙质粉砂岩互层,下部为一套砾岩、砂砾岩与棕红色粉砂岩夹薄层状砂质泥灰岩,主要为滨浅湖相和曲流河相。上白垩统地层中发育大量的恐龙蛋化石资源和古土壤,对研究陆相沉积体系演化、建立陆相区域地层格架、揭示恐龙蛋化石埋藏环境、探索特定区域恐龙生活环境以及陆相深时气候重建具有重要科研价值。

3.1.2岩石剖面类

古老的武当群变质岩剖面是区内代表性岩石剖面。武当群在青龙山恐龙蛋化石群景区张家凹—吴家湾剖面出露相对完整,划分为两个岩组。杨坪组是一套浅变质砂岩、粉砂岩、含磷、炭泥质岩建造,主要岩性为褐黄—灰白色厚层—巨厚层状长石石英岩、石英岩、微斜钠长浅粒岩、斜长变粒岩和钠长变粒岩等,其原岩主要为粉砂质杂砂岩、粉砂岩、黏土岩夹含钙细粉砂岩和泥质白云质砂岩等,宏观上表现为厚层和巨厚层状杂砂岩与中薄层状细粉砂岩和黏土岩构成的韵律特征。双台组是一套浅变质火山岩沉积岩组合,具有两分特点,下部岩性为灰白色钠长变粒岩和钠长石英片岩等,上部岩性为浅灰色、灰褐色钠长石英片岩、二长变粒岩与石英钠长片岩,其原岩为中酸性火山碎屑岩、凝灰岩和黏土质砂岩等,该组下部广泛发育中酸性(基性)火山岩,向上逐步由火山碎屑沉积向正常碎屑沉积岩过渡,表现出由强烈火山喷发向宁静期陆棚浅海碎屑沉积的沉积环境演变。武当群是古老的变质基底之一,是秦岭造山带的重要组成部分,可用于研究秦岭造山带的构造与沉积演化。秦岭向西经祁连、昆仑延向欧洲,组成贯穿欧亚大陆的东西向构造带,使得武当群在国际上具有重要对比意义。

3.1.3构造剖面类

两郧断裂是郧阳区内形成较早、规模最大、具多期活动性的区域性断裂构造。该断裂位于中央造山带南秦岭构造区,是构造区逆冲推覆系的一条主要断裂,从漫川关盆地西北部向东延伸,经郧西、郧阳、均县直至隐伏于南襄盆地,呈NWW-SEE向延伸,长度约250 km,主断面倾向NE,倾角为45°～75°[29]。晚白垩世末—古近纪初,断裂以右旋走滑为主,并在右阶排列的次级断裂阶区形成漫川关、郧西、郧县、上寺、均县和李官桥等拉分盆地,之后该断裂出现较强的左旋(逆)走滑活动,致使各盆地逐渐封闭,控制着两郧盆地的形成。该断裂在区内长度约18 km,主要发育于武当群变质地层中,并切断了上白垩统沉积地层(图3-a),在部分地段还可见武当群变质岩组逆冲于上白垩统之上或可见断裂从白垩系地层上切至第四系中更新统砾石层中。该断裂具有多期活动的特点,至少经历了印支期挤压逆冲或斜冲、燕山晚期拉张、喜马拉雅山期挤压构造活动,第四纪以来两郧断裂带中段在郧县盆地内还有显著活动[30],根据前人对断层物质SEM、TL以及OSL法测年结果显示,其最新活动时代为中更新世晚期—晚更新世早期[24]。

a.两郧断裂的次级断裂;b.“郧县人”考古遗址;c.“郧县人”2号头骨化石;d.郧县龙化石;e.青龙山原位三号馆及地表剥露恐龙蛋化石;f.“鲍峡蓝”绿松石原矿;g.天井洞石幔及边石坝;h.青曲弥陀寺汉江阶地

3.1.4重要化石产地

学堂梁子“郧县人”遗址是欧亚内陆最完整的古人类头骨化石遗址(图3-b)。该遗址位于郧阳区青曲镇弥陀寺村,是一处集古人类化石、古动物化石和石制品为一体的旧石器时代遗址,其中3具约100万年前的直立人头骨化石是目前欧亚内陆发现的同时代最为完好的古人类头骨化石(图3-c),具有世界级科学考古价值。该遗址已于2001年6月被国务院批准为第五批全国重点文物保护单位。“郧县人”遗址位于汉江左岸的四级阶地中,阶地顶部距汉江水面的相对高差约50 m,地形上表现为一条EW走向的山岗,其顶面东西长约540 m,南北宽约230 m,核心面积约124 200 m2。早期学者们将阶地上整个堆积层划分为13层,其中上段(1-6层)为土状台地堆积,厚8 m;下段(7-13层)为砂和砾石交互层,属古河湖相沉积,厚10 m。“郧县人”头骨化石出土于第3层,1号和2号头骨相距仅3.3 m,头骨在地层中受到挤压变形,但脑颅保存完整,面颅基本完整[27]。除了古人类化石,还在第2-4层出土了493件石制品和原料,多为砾石制品,类型简单,加工粗糙,以锤击法为主,可能使用砸击法,整个石器工业面貌与中国南方旧石器时代初期工业相似[31]。另在第3-5层出土了约2 000件哺乳动物化石,共计23种。

郧阳区是湖北省唯一一处集中产出恐龙骨骼和恐龙蛋化石资源的产地,主要包括李家沟恐龙化石和青龙山、大柳、白浪、西王村、敖家洼恐龙蛋化石产地。李家沟恐龙化石产地于1997年在梅铺镇李家沟村被发现,目前已发现恐龙骨骼化石点7处,主要分布于李家沟、贾沟、赵沟及张沟一带,恐龙骨骼化石主要分布在上白垩统地层的灰绿色含钙质泥质粉砂中,保存多且完好,其有较完整骨化石399块和不完整化石数百块,伴有轮藻、介形虫等化石[17]。这些恐龙化石可归入鸟臀目禽龙亚目、蜥臀目蜥脚亚目,目前已定种有巴克龙、华北龙和郧县龙(图3-d),待定种有李家沟龙,目前仍有许多化石待鉴定[16-18]。区内恐龙蛋化石产地总体特征为埋藏浅、产化石层位多、化石数量大、化石保存较好,最典型的恐龙蛋化石产地位于柳陂镇李家沟青龙山,该产地的恐龙蛋化石种类丰富、数量极多,是原位保存地表出露化石数量最多的恐龙蛋化石产地,有3个蛋科、3个蛋属、9个蛋种,占绝对优势的蛋化石为树枝蛋化石,是一种气孔极为发育的类型[19]。青龙山恐龙蛋化石群产地现已开发为国家级地质公园,上述恐龙蛋化石主要保存于原位遗址馆(图3-e)。

3.1.5重要岩矿石产地

区内代表性岩矿石产地为云盖寺绿松石矿和谭山东岳米黄玉矿。其中云盖寺绿松石具有世界级价值,产于鲍峡镇云盖寺村,是中国优质绿松石的集中产区。该矿床构造上处于月光潭—鲍峡向斜南翼,矿石赋存于下寒武统庄子沟组浅变质黑色岩系中,受构造破碎带中淋滤带的控制,发育3个含矿层:第一含矿层发育脉状矿体,矿石大多为天蓝色、蓝色、蓝绿色;第二含矿层位于第一含矿层上部48 m处,矿石以绿色为主,其次为浅绿色;第三含矿层位出露于矿区东北部,含矿性较差[32]。云盖寺绿松石的高蓝色是其一绝,被称作“鲍峡蓝”(图3-f)。同时云盖寺绿松石矿山曾是中国第一个国营绿松石矿山,矿山开采史长达2 800年,是已知现存最古老的绿松石矿山,其遗址现已被开发为国家矿山公园。

3.2 地貌景观大类

3.2.1岩土体地貌类

郧阳区北部地区的震旦系灯影组地层中发育典型的喀斯特溶洞景观,包括天井洞(又称天惊洞)和仙女洞。最典型的天井洞位于白浪镇杨沟村,为一上部收敛、下部张开的落水(溶)洞,上部洞穴为明洞,光线充足,洞壁呈犬牙状,长满灌木丛,无钙华沉积物,沟洼处零星堆积有滚石碎块;下部洞穴为暗洞,洞内漆黑,洞深120 m,洞壁较光滑,流水处挂满壁流石,以不同形态石幔为主(图3-g)。洞口位于下部,直径2 m左右。洞底长120 m,宽108 m,总面积约1.3 km2,平面上呈缓圆锥状,锥顶指向洞口。洞底锥状形态源于洞顶崩塌和洞外落石堆积所成,锥体上次生沉积物丰富,其中靠近南北两面洞壁有水环绕,水深可达2～3 m,水质清澈见底,为地下河残留部分。天井洞内钙华沉积物景观资源丰富,类型多样,石笋、石柱、壁流石、底流石均有发育,主要景观组合有石蘑菇、石田、石钟乳、石笋、石旗、石幔、边石池、钙板等,其中以石笋数量最多,2 m以上者有38个,最高达3 m以上;面积>10 m2的边石池有3个;高于3 m的石幔有3个。

区内最为典型的碎屑岩地貌为保存了丰富中生代恐龙及恐龙蛋化石资源的陆相红盆两郧盆地。两郧盆地处于秦岭褶皱系东南端,受两郧断裂的控制呈NW-SE向展布,长约25 km,宽约7 km,总体地势西高东低,南北隆起,中间为汉江谷地,主要出露武当群、震旦系、上白垩统及第四系地层。两郧盆地经历了形成、发展与消亡阶段,晚白垩世早期,区内以伸展构造占主导,在SN向拉张作用下,早期断裂出现张性改造,形成了一系列近NW-SE向的断裂,沿断裂带发生了大规模的伸展断陷作用,断陷盆地初始成型,并沉积了一套干旱气候条件下的红色陆源碎屑物;随后,区内断裂进一步活动,红盆断续沉降;最终,在新构造运动影响下,地壳不断抬升,盆地最终封闭,形成了现今形态。

3.2.2水体地貌亚类

自西向东穿境而过的汉江及其主要支流堵河、滔河等,构成了区内主要的水体地貌景观。其中最为典型的为汉江郧阳段发育的六级河流阶地,这些阶地的形态相对清晰,二元结构保存完整(部分)、特征典型,呈不对称分布于汉江南北两岸,拔河高度一般为5～10、10～30、30～60、70～90、120～150和155～170 m。阶面上覆河流相冲积物和面积大小不等、堆积较厚的风成黄土,但因下游丹江口水库蓄水水位上升和长期受风化剥蚀等因素的影响,目前仅三、四级阶地形态和沉积物特征保存相对较好,其中弥陀寺四级阶地为“郧县人”遗址产出地(图3-h)。本次研究新认定的六级阶地位于柳陂镇红寨子山顶,阶地形态保存不清晰,海拔高度为308 m,拔河高度为167 m,以残存的剥蚀基岩平台出现,为一基座型阶地,基座由武当群浅变质岩系构成,因受剥蚀和风化作用影响,垂向上仅可见河床相砾石层残留,其产出厚度≤1 m。

3.3 地质灾害遗迹

区内调查的地质灾害遗迹为李家沟泥石流遗址。李家沟沟谷位于汉江河流北岸卧龙山脚下,呈近EW走向,相对高差约50 m,地表坡度在0°～15°,山坡上主要出露第四系河流沉积物,包括砾石、砂和黏土。2019年8月6日凌晨,柳陂镇遭遇局部大暴雨天气,导致卧龙山顶蓄水池泄漏,形成地表山洪,山洪裹挟地表沉积物形成泥石流,沿李家沟倾泻,形成扇体面积约0.05 km2的中型泥石流,造成13人遇难、19户57间房屋受损。在全球气候变化影响下,极端强降雨天气诱导,山洪灾害频发,山洪在形成演进过程中,通常形成冲刷力极强滑坡、崩塌、泥石流等次生地质灾害。山洪泥石流的发生、发展与山地的形成演化过程息息相关,是极端天气变化、山地环境退化、地表结构恶变、生态平衡失调的产物。通过对李家沟泥石流遗迹的研究,可为本区生态环境修复、水土保持、灾害防治、地质灾害预警等提供技术支撑,为地质灾害科学普及提供重要场所。

4 地质遗迹资源的地学意义

4.1 古生物学意义——揭示了晚白垩世区域恐龙生存及繁殖面貌

郧阳中部两郧盆地、北部淅川—滔河盆地和李官桥盆地内保存的恐龙骨骼化石和恐龙蛋化石,是地质历史时期的自然遗产,是开展地质科学、生命科学、古蛋类学科及其他边缘学科研究的重要素材,对于建立白垩纪陆相地层格架、重建区域构造演化史、恢复古环境、探索恐龙动物行为演化过程甚至灭绝原因具有重要的科学意义[23]。同时,恐龙及恐龙蛋化石的研究保护工作可推动建设各级保护区和地质公园,促进地方环境保护、旅游经济等各方面的发展,实现地区经济文化水平的增长。

李家沟是迄今湖北省唯一一处有恐龙骨骼化石发现报道的地点,其发掘研究填补了湖北省恐龙骨骼化石研究的空白,同时发现的鸟臀类和蜥臀类恐龙揭示了晚白垩世秦岭山间盆地内恐龙生存面貌[16-18]。区内恐龙蛋化石资源丰富,特别是青龙山土庙岭是现存地表出露恐龙蛋化石数量最多的恐龙蛋化石产地,原地剥露恐龙蛋化石7 000余枚,在国内外实属罕见。区内树枝蛋化石占绝对优势,其他类型较少,指示当时古环境对恐龙的自然选择异常强烈,使物种趋于特化,适宜产树枝蛋母体恐龙繁殖,成为固定产卵场所,年复一年形成如此壮丽的化石遗迹景观。

4.2 地貌学意义——汉江上游中段阶地演化的记录

汉江郧阳段河流阶地是汉江地质历史时期的河床,由于汉江下切而保存在谷坡上的阶梯状地貌,是汉江内部动力变化、外部气候变化和构造活动等内外因素共同作用的产物,其形成是确定新构造运动活动期次、反映区域内全新世以来气候环境变化的重要地貌学证据[33]。

汉江郧阳段发育的六级河流阶地结构完整、形态清晰、特征典型,根据阶地形态、高程、风化程度、形成时代和沉积物特征等情况,反映出汉江郧阳段河流地貌是在山间间歇性构造运动为主的影响下,在河流由侧蚀转变为下切的过程中形成的,汉江郧阳段的发展至少经历了5次堆积和下切过程。同时在弥陀寺四级阶地处出土的“郧县人”头骨化石、石制品及大量伴生哺乳动物化石极为罕见,为研究汉江演化与“郧县人”古人类活动提供依据[27]。近年来,随着南水北调中线工程的建设,丹江库区及周边地震地质环境问题显得尤为突出,通过研究区内河流阶地发育年代、成因过程、构造变形等问题,可以从宏观上推测第四纪以来的构造活动特征,对地质灾害预测也具有重要的现实意义。

4.3 古人类学意义——东亚直立人起源与演化的关键证据

学堂梁子“郧县人”遗址是中国迄今为止发现的最早的古人类头骨化石与旧石器时代并存的古遗址,在1990年被选为“七五”期间和当年全国双十大考古发现之一,并在2022年新发现3号头骨化石,被评为2022年度全国十大考古发现之一。贾兰坡曾高度赞誉该遗址古人类化石的发现,认为其意义可与“北京人”第一个头骨发现的意义相比。

“郧县人”头骨化石代表的古人类在人类演化长链中具有承前启后的重要作用,根据同位素年龄数据,“郧县人”与“蓝田人”的时代相当,但“郧县人”化石却展现出许多早期智人的特征,从而对直立人与早期智人的发展关系提供了不可或缺的实物资料[32-33],暗示中国古人类化石具有较明显的一致性和传承发展关系。结合汉江流域其他古人类化石地点,反映出以两郧为中心的汉水中上游地区在近百万年以来是古人类长期持续居住的重要地区,表明古老的汉江是汉民族文化的摇篮之一,中国南北方文化交汇的重要地带之一。该化石地点除产出古人类头骨化石外,还伴随产出大量旧石器以及哺乳动物化石,为探讨南方砾石文化的起源与发展以及南北方石器时代早期文化提供了重要信息。此外,哺乳动物化石也有助于进行古环境的恢复和对比研究。

4.4 岩石矿物学意义——独具特色的“鲍峡蓝”绿松石矿产

区内具有全球对比意义的岩石矿物为绿松石,特别是“鲍峡蓝”是中国唯一能与美国睡美人绿松石颜色相媲美的产地。云盖寺绿松石的氧化铜(CuO)含量一般偏高,故云盖寺绿松石的颜色更为鲜艳,呈现独特的“鲍峡蓝”[34-35]。许多学者认为云盖寺绿松石是次生淋滤成因,其主要证据是与绿松石伴生的矿物大多为一些次生风化带产物,如多水高岭石、褐铁矿、水铝英石、炭质、泥质等;有学者提出绿松石属内生远成热液成因,认为绿松石的形成与低温石英化有关,是热液交代作用的产物;但毫无疑问,云盖寺绿松石的形成与其产出岩层的构造变形特征和变形变质史密切相关[36]。云盖寺绿松石对进一步研究区域构造变形史,建立合理的区域构造格架等地学研究具有重要意义,也为研究区内绿松石矿床的找矿预测提供了思路。

同时云盖寺绿松石具有极高的地学旅游价值,该产地是已知现存的最古老的绿松石矿山,矿山开采历史长达2 800年;从地质勘查到绿松石矿小规模开采,再到矿山大规模开发,形成了类型多样、特色鲜明的矿产遗迹、矿业遗迹、矿业制品遗迹、矿山社会生活遗迹、矿业开发文献史籍共5大类、24类、50余处,同时在矿山周边遗存有大量地下党组织开展地方武装斗争的遗址,其地质和人文价值的双重属性具有极高开发利用价值,是开展自然与人文旅游结合的良好基地[32]。

5 结论

(1) 湖北省郧阳区具有独特的地质演化史,形成了丰富的、极具价值的地质遗迹资源,主要包括3大类9类18亚类共51处地质遗迹单体。

(2) 郧阳区两郧盆地、淅川—滔河盆地、李官桥盆地保存的恐龙骨骼与恐龙蛋化石,汉江郧阳段河流阶地,学堂梁子“郧县人”遗址,云盖寺绿松石矿是最具代表性的地质遗迹资源,具有丰富的古生物学、地貌学、古人类学和岩石矿物学意义。

(3) 郧阳区地质遗迹具有极高的科学研究和开发利用价值,建议加大开发利用力度,深入挖掘其地学意义,为进一步推动区域地质遗迹保护、地学科普、打造地区名片和助力区域经济发展作出更大贡献。