桂林地质历史及山水形成

桂林山水一般是指从桂林市区至阳朔县漓江两岸的岩溶地貌，这是从游览的角度划出的范围。然而塑造桂林山水的地质系统要比风景区的范围更广泛。以现代漓江流域控制的范围来分析桂林山水形成的地理环境比较合适，这是因为桂林的地势格局早在约10亿年前构造基底形成时就大致确定了。这个范围包括了漓江上游的兴安和灵川境内的岩溶地貌，传统的桂林山水的范围为东西方向的海洋山，越城岭南脉的天平山，以及阳朔西北的驾桥岭（图3-1）。桂林周围的山系的形成比盆地要早。这个范围可以称为桂林山水的范围，根据漓江阳朔断面的汇水面积测算，其范围的面积为5039.7平方千米。在该研究范围确定之后，从地质历史论述，有助于理解桂林山水的独特性。

图3-1　桂林地势图

桂林地区高山夹盆地的地形并非是唯一的，附近的贺州盆地、全州盆地等也具有这样的特征。高山夹盆地的地质结构在南岭一带颇具代表性，可以说是南岭和华南地区的基本地质特征。但高山夹盆地的地质结构形成时间存在空间差别，这也许是众多盆地中只有桂林的岩溶地貌最为典型的原因。前文中提到的桂林周边的山系基本上属于南岭山系，因此当前这种地质结构的成因分析也从南岭开始。南岭对中国的地理和历史都具有重要的意义，从秦朝开始就有南岭的说法。地理上的南岭位于广西、湖南、广东、江西和福建的区域内，是长江水系和珠江水系的分水岭。但南岭作为中国地理的名词是否具有地质上的意义，对这个问题的探索是从民国时期开始的。在中国地理上南岭作为东西走向的山系，但仔细审视地图就会发现山脉和水系的走向大都沿着北东或南西走向。从民国初期开始，一批地质学家开始进行南岭地质研究。1932年中央研究院地质研究所的朱森先生从湖南经过龙胜到达柳州，对南岭山脉进行了详细考察。李四光先生根据这次考察，结合在湖南和江西的发现，提出南岭东西向构造带是存在的，不过被后期新华夏式构造线等所切断，形成了东西向的波状山脉（李四光，1942）。

南岭山系是一系列北东走向沿着东西方向排列的山脉，历史上认为由越城岭、都庞岭、萌渚岭、骑田岭、大庾岭组成。五岭的形成与地质多期褶皱和多时代、多旋回岩浆活动有关，山岭之间则是裂谷盆地。南岭的形成，国际上曾用陆内地体碰撞造山来解释花岗岩的岩浆活动，后又提出板块俯冲加陆内伸展形成盆岭构造。用大陆裂谷和走滑体系解释盆地的演化。南岭的花岗岩形成时期主要是4亿年前、2亿年前、1.6亿年前和1.1亿年前等多个时期。位于漓江上游的越城岭包括猫儿山的花岗岩体是4亿年和2亿年前两次岩浆活动形成的。花岗岩锆石样品的年龄测试显示，位于兴安油麻岭钨矿区花岗岩体的年龄为2.2亿年（程顺波等，2013），桂林东部海洋山花岗岩的岩体年龄是4.3亿年（程顺波等，2012），属于加里东造山运动期的产物。桂林南部的驾桥岭在地质上属于穹隆构造，很可能是受到同期岩浆上拱的影响，导致古老的地层突出地表形成圆形山系。桂林西部龙胜至永福一带的山系称为八十里大南山和天平山，属于雪峰山和越城岭的余脉，这里出露的四堡群和丹洲群属于元古代地层，是广西最老的岩石，年龄在7亿～8亿年以前。相比于山系，夹在山岭之间的盆地中沉积的岩石要年轻得多。自古生代晚期（约3.8亿年前）开始逐步形成了巨厚的盖层，直至6500万年前的第三纪结束。桂林盆地沉积作用结束的时间较早，盆地内发现的形成时间最晚的岩石属于晚白垩纪，即恐龙消失的时代。在红色钙泥质角砾岩中发现丰富的轮藻化石，与广东白垩纪地层中的轮藻化石做对比，确认了桂林白垩纪地层沉积的存在。第三系地层仅仅有零星的出露。第四系属于松散沉积物，广泛分布于河沟两岸、平原及低洼之处。

大约在10亿年前，桂林的北面和南面分别属于两大古陆，即扬子古陆和华夏古陆，中间为大洋（舒良树等，2006）。经历了持续1亿年的地壳活动，两个古陆渐渐连接，中间的大洋消失，形成了新的大陆。至此两块大陆才有了共同的演化历史。但有学者认为两个古陆碰撞产生新大陆的学说证据不足，并提出桂林及其所处的华南地区属于陆内造山带，形成时间在8亿年前左右，属于冈瓦纳大陆的一部分。而且华南地区在4亿年前遭遇了强烈的造山运动具有确切的地质学证据，得到学界的公认。桂林东部海洋山一带寒武系为含云母砂岩的页岩。泥盆系底部莲花山组为砂岩，底部为砾岩，与下伏寒武系成明显的角度不整合关系，这是造山运动的证据。桂林周围的大型山系主要是在这个时期形成的。此后整个中国南方进入了相对稳定的沉积阶段，盆地中开始沉积新的地层，并且覆盖在造山运动所形成的褶皱基底之上。

图3-2　南边村泥盆—石炭系界线剖面(www.xing528.com)

桂林盆地褶皱基底与盖层之间的空间关系明显。在盖层的底部分布有形状如鹅卵石并胶结在一起的砾岩，称之为底砾岩，是周围高山物质经过流水搬运后在盆地中沉积的证据。底砾岩的厚度可以超过百米。底砾岩的上部从老至新依次为沉积砂岩、碳酸盐岩、砂页岩等，显示沉积环境的变化。桂林市泥盆系沉积是典型的浅海台地环境，其生物礁形成的石灰岩是探秘古海洋沉积作用的重要载体，受到古生物专家的青睐。桂林地区泥盆系至石炭系的连续沉积和界线具有典型的生物证据，被国际地层委员会确认为国际泥盆—石炭系界线辅助层型剖面，其确定的3.6亿年前泥盆纪与石炭系的界线被大量的生物化石证据证明（龚兴宝，1991）。该辅助标准剖面位置就在桂林市灵川县定江镇的南边村（图3-2）。标准分界线附近的岩石含有丰富的化石，剖面中包括菊石、三叶虫、有孔虫、介形虫、腕足动物等。其中，由全球海平面下降事件引起的管刺类牙形刺生物的演化成为区分泥盆系和石炭系的标志性生物。此外，地层古地磁的研究表明桂林在3.6亿年前位于北纬21°，而现在桂林的纬度是北纬25°，显示了大陆漂移的方向。根据岩石和古生物体化石碳氧同位素以及微量元素分析，证实当时的沉积环境为台地向海盆过渡的缓坡，海水深度为30～130米。中泥盆纪至晚泥盆纪沉积的地层（D2d-D3r）以碳酸盐岩为主要矿物成分，是桂林岩溶地貌发育的基础。

桂林石炭系是在泥盆系基础上连续沉积的以碳酸盐岩为主的地层，地层出露不完整，只有部分下石炭系地层，未见中石炭系地层和上石炭系地层。而且，从石炭纪中晚期一直到现代桂林的沉积建造特别不发育，为地质历史的研究增加了难度。石炭系下部包含泥炭质含量高的页岩，岩石呈黑色。在广西北部和东北部形成煤层，即寺门煤层，显示了当时的沉积环境为滨海—沼泽。在兴安和全州一带有小型煤矿开采寺门煤层。石炭纪结束后连续沉积了二叠系地层，石炭纪与二叠纪之间的界线约在3亿年前。桂林地区中、上石炭系地层至二叠系地层的发育甚少，但是在广西的其他地区、贵州、云南一带却非常丰富。在广西柳州市柳北区长塘镇北岸乡碰冲村的石炭系剖面在2007年被国际地层委员会确认为石炭系下部的“金钉子”。碰冲村“金钉子”确定了石炭系内部的沉积阶段划分，地质年代比南边村泥盆—石炭系界线稍晚，它是以石炭系一种重要生物——牙形石类化石的出现为证据。二叠系地层在桂林北部的全州以及桂林南部的柳州一带都很常见，但唯有桂林盆地缺失。来宾市东南红水河边的蓬莱滩二叠系地层剖面结构完整，2007年被确认为二叠系地层中部与上部之间界线的“金钉子”。该剖面从生物证据上完整显示了2.5亿年前的二叠纪发生的具有全球性的海退海进事件。

二叠纪末期至三叠纪初期发生了全球性的海洋生物大灭绝事件。浙江长兴煤山剖面的研究从古生物、地球化学等角度展示了地球巨变的过程。这个从古生代到中生代重要的过渡期发生在2.51亿年前。地质工作者在桂林仅仅找到零星的疑似三叠系地层，至今尚难确定。而广西在这个时期海平面的频繁变化为矿产资源的形成创造了条件，广西合山煤层和桂西铝土矿即为例。

虽然桂林盆地迄今没有发现三叠系地层存在的确切证据，但是约2亿年前的三叠纪晚期发生了一次大规模的地壳运动，造成泥盆纪以来形成的盖层发生褶皱变形，并伴随着花岗岩喷发，这个阶段桂林盆地可能结束了海洋沉积历史。尽管不同盆地海洋沉积环境的结束时间不同，但普遍在侏罗纪的燕山运动早期结束海浸。地壳抬升后海水退去，海洋的沉积环境不复存在，在局部低洼之处还有陆地侵蚀搬运形成的碎屑岩沉积。桂林象山区二塘乡阳家村附近发现的白垩纪地层出露面积不足1平方千米，厚度为200米。桂林象山区二塘乡仁头山顶部残留的白垩纪红色角砾岩具有清晰的微层理，显示其沉积环境存在流动的水体，有别于断裂构造成因的角砾岩，并且化石证据和Rb-Sr同位素测年更进一步证明红色角砾岩的沉积年代为晚白垩纪。这个重要的发现为解释桂林岩溶地貌的发育提供了关键性的线索。在兴安县五里村同期白垩系沉积的厚度达到1000米，而位于桂林北部100千米的资源八角寨丹霞地貌形成于厚度达到2189米的同期白垩系地层，其覆盖面积达到329平方千米。可见，桂林中生代地层遭严重剥蚀。

把视野扩大到桂林以外，从华南区域来分析地质演化的历史，总结起来有2个要点。一是在华南一带分布着从4亿年前至1亿年前多期火山喷发或褶皱隆升形成的高山，后期的地质活动增强了隆起，而断陷盆地则继续下沉，沉积物的厚度持续增加。二是一些盆地原来在海洋中形成的沉积物在经历持续下陷后被后期形成的沉积物所覆盖，即使抬升成为陆地也无法进行风化作用，而地壳相对保持稳定的盆地在抬升后则长期遭受侵蚀，桂林就属于后者。

桂林地壳较为稳定导致其遭受侵蚀的历史很长，这也许是桂林岩溶地貌成为典型的一个重要原因。桂林在地质历史上很早就成为一个盆地构造，桂林盆地早在约4亿年前就有了雏形。前文中提到的周围几座山脉的岩石的年龄比盆地内的老得多。但是自形成后盆地隆起和沉降的趋势都不如邻近的盆地明显。其他盆地中生代和新生代的沉积比较丰富，而桂林盆地自中生代以来沉积物稀少，这与地壳活动较弱、沉降不强烈有关。