3.5. LỊCH SỬ TIẾN HOÁ VỎ TRÁI ĐẤT VÙNG PHONG NHA - KẺ BÀNG

Phong Nha - Kẻ Bảng là nơi có nhiều tính đa dạng của thiên nhiên: địa chất, địa mạo, địa h́nh, khí hậu, sinh học, sinh thái và cảnh quan môi trường. Nơi đây vẫn c̣n hiện diện những sự kiện địa chất chứng minh cho lịch sử phát triển vỏ Trái đất sôi động trong suốt 500 triệu năm, từ kỷ Orđovic đến nay. Hoạt động kiến tạo phức tạp của vỏ Trái đất là nguyên nhân của mọi nguyên nhân kiến lập nên rồi phá vỡ các b́nh đồ địa chất, đó là h́nh xoáy ốc tiến hoá để có một b́nh đồ địa chất - địa mạo như­ ngày nay. Cấu trúc địa chất và thành phần thạch học đa dạng là nhân tố quyết định tính đa dạng của địa h́nh - địa mạo và cũng là một trong những nguyên nhân quyết định mạng l­ới thuỷ văn, nước ngầm, khí hậu - địa lư tự nhiên, tính đang dạng sinh học và cảnh quan môi trường trong một xứ sở hoang sơ đầy bí ẩn của thiên nhiên. Mối quan hệ nhân quả đó như­ một chu tŕnh năng l­ượng khép kín, hài hoà và hoàn thiện đến mức không thể tách riêng lẻ một yếu tố nào trong hệ thống để xem xét mà phải nh́n nhận chúng trong mối quan hệ thống nhất và biện chứng - mối quan hệ tiến hoá.

Lịch sử tiến hoá các thành tạo địa chất và thế giới cổ sinh, tiến hoá địa mạo và sự đa dạng địa h́nh gắn liền với lịch sử phát triển vỏ Trái đất. Mỗi một giai đoạn phát triển vỏ Trái đất đ­ược định h́nh bởi một kiểu cấu trúc đặc tr­ưng gọi là b́nh đồ kiến trúc.

J. Fromaget (1927) đă nói tới chuyển động tạo núi Hercyn ở vùng Trường Sơn. A. E. Đovjikov và nnk (1965), khi thành lập bản đồ địa chất 1/500.000 miền Bắc Việt Nam, cũng xếp vùng nghiên cứu vào chuyển động tạo núi Hercyn muộn thuộc miền kiến tạo Bắc Việt Nam. Trong sơ đồ kiến tạo của ông, vùng nghiên cứu chủ yếu thuộc đới- tướng cấu trúc Trường Sơn và một phần thuộc đới tướng - cấu trúc Hoành Sơn. Tuy nhiên, vùng Phong Nha - Kẻ Bàng hiện tại là kết quả tổng hợp của 5 giai đoạn phát triển lớn trong lịch sử phát triển vỏ Trái đất trong khu vực:

1. Giai đoạn Orđovic muộn - Silur (450 - 410 triệu năm)

2. Giai đoạn Devon (410 - 355 triệu năm)

3. Giai đoạn Carbon - Permi (355 - 250 triệu năm)

4. Giai đoạn Mesozoi (250 - 65 triệu năm)

5. Giai đoạn Kainozoi: Neogen (23,75 - 1,75 triệu năm) và Đệ tứ (1,75 triệu năm đến nay)

Dưới đây sẽ lần l­ượt xem xét các giai đoạn của lịch sử tiến hoá của vỏ Trái đất vùng Phong Nha - Kẻ Bàng bao gồm các nội dung quan trọng bố cục theo logic quan hệ nhân - quả: chuyển động kiến tạo, đặc tr­ưng thạch học và cổ địa lư, các thành hệ trầm tích - cổ sinh, đặc điểm thạch học và hoạt động magma, tiến hoá địa mạo, cơ chế tạo địa h́nh và hệ thống thuỷ văn, cơ chế h́nh thành các thế hệ và kiểu hang động karst.

Giai đoạn phá vỡ lục địa, bắt đầu phát triển bồn trũng Cambri giữa đến Orđovic (e 2-O1). Cách đây khoảng 520 triệu năm, tại vùng nghiên cứu, vỏ lục địa bắt đầu bị phá vỡ, sụt lún kéo dài đến Orđovic, tạo ra các bồn trũng, trong đó, thành tạo trầm tích lục nguyên - carbonat dày 1550 m thuộc hệ tầng A V­ương. Hiện nay hệ tầng trầm tích này đă bị biến chất thành đá hoa, dolomit, đá phiến mica và quarzit. Diện lộ trầm tích này rất hẹp như­ một mảnh sót tàn dư­ nằm ngoài vùng nghiên cứu.

a. Giai đoạn Orđovic muộn - Silur. Vùng Phong Nha - Kẻ Bàng bắt đầu bị sụt lún trở lại, b́nh đồ kiến trúc bị phá vỡ theo cơ chế tạo "bồn cung núi lửa flysh andesit Long Đại" (Trần Văn Trị, 1995). Bồn có dạng tuyến uốn cong, kéo dài theo h­ướng TB-ĐN, được phát triển theo bốn thời kỳ sau đây:

- Thời kỳ đầu, ứng với thời kỳ bắt đầu h́nh thành hệ tầng Long Đại (O3-S1 lđ), bắt đầu sụt lún thành tạo cuội kết, cát kết t­ướng ven bờ, sét chứa bitum thuộc tướng nước sâu, môi trường oxy hoá - khử xen kẽ. Các đá nguyên thuỷ đă bị biến chất trong các giai đoạn sau và trở thành đá phiến thạch anh sericit, cát kết quarzit và đá phiến sét bitum xen kẽ nhau và có cấu tạo dạng flysh.

- Thời kỳ thứ hai: bồn trầm tích tiếp tục sụt lún xen kẽ với các khối nâng dạng đảo kiểu "Cordilliere" tạo ra trầm tích cấu tạo dạng flysh.

- Thời kỳ thứ ba: bồn trầm tích có thành phần thạch học và cổ sinh tương tự các thành tạo thời kỳ thứ hai, song độ hạt giảm hơn, bồn trũng có xu thế sụt lún sâu hơn.

- Thời kỳ thứ tư­, tương ứng với thời gian h́nh thành hệ tầng Đại Giang (S2-D1 đg). Bồn trầm tích có chiều h­ướng nâng lên, đặc trư­ng bởi các tướng cát bột và cát thạch anh đơn khoáng biển nông và ven biển có hoạt động của sóng.

Các trầm tích Orđovic - Silur và Silur - Devon hạ lộ ra chủ yếu ở đông nam vùng nghiên cứu (thuộc một phần huyện Quảng Ninh và một phần huyện Bố Trạch) và một dải hẹp ở tây bắc (huyện Minh Hoá) ngoài vùng nghiên cứu. Nh́n bản đồ cấu trúc địa chất có thể suy luận về một bồn trầm tích Orđovic - Silur - Devon hạ thống nhất dạng tuyến nối liền hai diện lộ nói trên chạy theo h­ướng TB-ĐN.

b. Giai đoạn Devon

Tương ứng với các hệ tầng Rào Chan (D1 rc), Bản Giàng (D1-D2e bg) Mục Băi (D2g mb), Động Thờ (D2g-D3fr đt) và Cát Đằng (D3 cđ).

Giai đoạn Devon cũng là giai đoạn kết thúc phát triển các bồn trũng kiểu Ordovic-Silur. Vỏ Trái đất vùng Phong Nha - Kẻ Bàng bắt đầu phát triển một kiểu bồn trũng mới, kiểu "rift lục địa". Trục của bồn trũng có dạng cánh cung chạy theo hướng TB-ĐN, nằm lệch ra ngoài phạm vi nghiên cứu ở phía đông bắc không xa. So với bồn trầm tích Ordovic-Silur, bồn Devon được mở rộng thêm về chiều ngang và trở nên nông hơn, thể hiện qua 5 tầng trầm tích từ cổ đến trẻ nh­ sau:

- Tầng 1: gồm trầm tích Devon hạ (hệ tầng Rào Chan) bao gồm cát kết, bột kết, argilit và đá vôi màu đen chứa bitum, phản ánh môi trường trầm tích biến đổi từ ven bờ đến vũng vịnh tương đối kín, qui mô bồn trầm tích nhỏ bé song phát triển thành hệ thống được ngăn cách nhau bởi các khối nâng rộng lớn hơn có tuổi O-S đóng vài tṛ miền cung cấp vật liệu. Các trầm tích nói trên lộ ra ở phần ŕa vùng nghiên cứu, là một trong hai hệ tầng hợp phần của loạt Hoá Sơn, là thành tạo khởi đầu của chu kỳ địa chất thứ hai tại vùng Phong Nha - Kẻ Bàng.

- Tầng 2: gồm trầm tích Devon hạ-trung với hai phần, tương ứng với các hệ tầng Bản Giàng và Mục Băi. Phần d­ưới bao gồm cát kết dạng quarzit, cát bột kết có nơi xen các ổ silic và đá phiến sét, chứa hoá thạch San hô và Tay cuộn. Đây là trầm tích của một nhịp mới đặc tr­ưng cho tướng biển tiến từ ven bờ đến biển nông và biển sâu. Bồn trũng được mở rộng, tuy nhiên ít nhiều bị phân dị tạo ra các trũng nửa kín lắng đọng sét vôi màu đen chứa bitum. Phần trên bao gồm đá vôi, sét vôi chứa ổ silic và cát bột chứa đông đảo hoá thạch Tay cuộn, San hô vách đáy và Dạng lỗ tầng, lộ ra thành từng dải hẹp ở ŕa đông bắc và tây bắc vùng nghiên cứu.

Đây là một phức hệ trầm tích đặc trưng cho một kiểu bồn phân dị đáy rất rơ rệt. Đá vôi dạng nền được thành tạo ở cấu trúc thềm, c̣n đá vôi - silic dạng dải, dạng phân lớp mỏng xen đá phiến sét lắng đọng ở các máng sâu hơn. Cát kết thạch anh chọn lọc tốt là đặc tr­ưng của tướng cát ven bờ có sóng hoạt động.

- Tầng 3: gồm trầm tích Devon trung - thượng với hai phần, tương ứng với hai hệ tầng Động Thờ và Cát Đằng. Phần dưới bao gồm cát kết, cát kết dạng quarzit, cát bột kết, đá phiến silic và đá phiến sét đen chứa bitum dày 350-450 m, chứa tập hợp hoá thạch Tay cuộn và Huệ biển. Đây là mặt cắt trầm tích biển tiến thứ 3 trong Devon từ tướng cát thạch anh ven bờ đến sét và silic biển sâu kiểu vũng vịnh, thể hiện pha sụt lún kiến tạo của bồn trũng trong Devon muộn.

Các trầm tích này phân bố thành từng dải theo hướng TB-ĐN, nằm chỉnh hợp trên các thành tạo của tầng 2 và dưới phần trên của tầng 3. Tất cả chạy khuôn theo cánh của 3 nếp lơm, nguyên là 3 bồn trầm tích có trục chạy qua Rào Nậy, Minh Hoá và Xóm Quyền. Điều đó thể hiện sự phân dị thành ba bồn thứ cấp trong Devon muộn, trong đó bồn Rào Nậy là bất đối xứng.

Phần trên của tầng 3 là thành tạo trẻ nhất của Devon thượng, lộ ra dọc phần nhân của nếp lơm Xóm Quỳnh thuộc diện tích vùng nghiên cứu và hai nếp lơm c̣n lại nằm ngoài vùng nghiên cứu song vẫn chung một quy luật phân bố cộng sinh tướng, bao gồm các trầm tích carbonat đa dạng, trong đó đá vôi sọc dải và đá vôi loang lổ chiếm một khối l­ợng đáng kể. Đôi nơi c̣n có xen những tập đá vôi, vôi silic hoặc phiến silic. Bề dầy của phần này khoảng 400-450m, chứa tập hợp hoá thạch Dạng lỗ tầng và Răng nón có tuổi từ Frasni đến cuối Famen (D3 fr-fm).

Cấu tạo sọc dải của đá, thành phần thạch học phức tạp, với sự có mặt cả đá vôi dạng khối và đá vôi xen silic chứa hoá thạch Răng nón đặc trư­ng cho môi trường nước sâu, có sự phân dị đáy rơ rệt. Điều đó chứng minh cho một pha kiến tạo sụt lún trở lại, tạo ra các môi trường trầm tích khác nhau rất nhanh khi đi theo ph­ơng vuông góc với trục của bồn trũng, tức ph­ương ĐB-TN.

c. Giai đoạn Carbon - Permi

Đầu kỷ Carbon vỏ Trái đất khu vực Phong Nha - Kẻ Bàng bắt đầu biến cải theo một cơ thức hoàn toàn mới. Một pha kiến tạo có xu thế nâng là chủ yếu đă kéo theo ba quá tŕnh diễn ra trong vùng nghiên cứu: hoạt động magma xâm nhập h́nh thành khối granit Đồng Hới tuổi Carbon sớm; sự h́nh thành bồn trũng Carbon - Permi dạng đẳng th­ước kiểu thềm nội lục điển h́nh ở phía tây Đồng Hới và các kiểu bồn trũng dạng tuyến tàn dư­ theo hư­ớng TB-ĐN; sự xuất hiện những miền xâm thực bóc ṃn rộng lớn có tuổi trư­ớc Carbon phân bố ở phía đông, đông nam và đông bắc bồn trũng Carbon - Permi Phong Nha - Kẻ Bàng.

- Sự xuất hiện hoạt động magma xâm nhập:

Khối Đồng Hới nằm ở phía tây thị xă cùng tên có diện tích khoảng 300 km2. Trong vùng nghiên cứu chỉ lộ khoảng 1/4 diện tích phía tây nam của khối.

Khối này xuyên qua trầm tích Orđovic - Silur thuộc hệ tầng Long Đại (O3-S lđ) và tạo ra đới biến chất tiếp xúc rộng đến 2-3 km. Gần tiếp xúc là đá phiến mica - staurolit, chuyển dần sang đá sừng felspat-biotit - thạch anh, rồi đến đá phiến sét gần như­ không bị biến chất.

Khối Đồng Hới xuyên lên trong Carbon sớm tạo nên một nếp lồi dạng ṿm, nhân là trầm tích của hệ tầng Long Đại.

- Sự h́nh thành bồn trũng nội lục Devon muộn - Carbon - Permi. Bồn trũng Carbon - Permi được h́nh thành theo cơ chế chuyển động khối tảng, khống chế bởi ba hệ thống đứt găy lớn là ĐB-TN chạy sát khối Đồng Hới, TB-ĐN và Đ-T. Ba hệ thống đó đă tạo ra 4 bồn trầm tích: bồn Phong Nha - Kẻ Bàng dạng đẳng thư­ớc và 3 bồn dạng tuyến có trục chạy theo hướng TB - ĐN có h́nh cung kéo dài, cung bồn quay về hướng tây nam.

Bối cảnh kiến tạo đă quy định các thành hệ carbonat đặc trưng cho ba kiểu bồn như­ sau:

+ Kiểu bồn chuyển tiếp Devon muộn - Carbon sớm

+ Kiểu bồn dạng đẳng thước nông

+ Kiểu bồn dạng tuyến nông

d. Giai đoạn tạo núi Mesozoi (Indosini)

- Trong giai đoạn Trias - Jura toàn bộ vùng Phong Nha - Kẻ Bàng biến thành chế độ lục địa, nâng lên tạo núi dạng khối tảng. Phía bắc vùng nghiên cứu, từ sông Gianh đến sông Cả lại bị sụt vơng tạo nên một bồn trầm tích - phun trào axit kiểu rift ven ŕa. C̣n lại từ sông Gianh (đứt găy Rào Nậy) đến đèo Hải Vân trở thành một miền cung cấp vật liêụ cho các biển xung quanh.

- Vào giai đoạn Creta, trong xu thế chuyển động nâng tạo núi kiểu khối tảng lại xuất hiện nhiều bồn trũng tr­ước núi, ven ŕa và nội lục dạng đẳng thước, bầu dục, bán liên thông với đại d­ơng ở phía đông và cả phía tây Lào.

Trong vùng nghiên cứu c̣n ghi nhận được hai bồn trầm tích Creta thuộc hệ tầng Mụ Giạ (K mg) ở phía đông nam và phía tây khối đá vôi Phong Nha - Kẻ Bàng, chồng gối bất chỉnh hợp trên khối đá vôi này. Thành phần phức hệ trầm tích chủ yếu gồm cuội kết, sạn kết, cát kết xen bột kết, sét kết, cát kết vôi, sét bột kết vôi, bị phong hoá thành màu nâu đỏ, nâu tím, dày khoảng 700 m.

Hệ tầng Mụ Giạ chứa các hoá thạch Chân ŕu tương tự hoá thạch gặp trong các trầm tích màu đỏ ở M­ường Pha Lan bên Lào.

e. Giai đoạn Kainozoi

Giai đoạn Kainozoi là giai đoạn hoạt động kiến tạo mănh liệt như­ một b­ước ngoặt trong lịch sử h́nh thành Biển Đông, tạo núi lục địa và các bồn trũng trầm tích giữa núi, trước núi, ven ŕa và trên thềm lục địa Việt Nam. Những thành tạo Kainozoi một phần mang tính chất kế thừa song cơ bản là cuốn hút b́nh đồ địa chất cổ vào một cơ chế kiến tạo mới để có bức tranh địa h́nh - địa mạo hiện tại.

Các hệ thống đứt găy mới bắt đầu h́nh thành cùng với các hệ thống đứt găy cũ tái hoạt động đă chia cắt b́nh đồ kiến trúc cũ thành b́nh đồ kiến trúc Kainozoi và tiếp tục biến cải đến ngày nay.

Vỏ lục địa bị phá huỷ tạo ra các bồn trầm tích kiểu rift nội lục Đồng Hới, được lấp đầy bởi một phức hệ trầm tích Neogen và Đệ tứ có cấu trúc chu kỳ. Bên cạnh đó vùng nâng lên tạo núi cũng diễn ra theo các chu kỳ. Đó là hai hướng chuyển động ng­ược chiều nh­ư một quy luật tất yếu để cân bằng đẳng tĩnh của vỏ Trái đất.

Địa h́nh hiện nay của vùng Phong Nha - Kẻ Bàng là hệ quả của chuyển động kiến tạo Kainozoi do các quá tŕnh địa mạo diễn ra trong suốt 65 triệu năm trở lại đây và được thể hiện qua sự phân bậc địa h́nh. ở vùng này có thể dễ dàng nhận thấy 5 bề mặt san bằng theo các độ cao khác nhau nh­ư sau:

- Bậc địa h́nh 1600-1400 m là di tích của bề mặt san bằng cao nhất và cổ nhất, chỉ phát triển trên các trầm tích lục nguyên màu đỏ tuổi Creta thuộc hệ tầng Mụ Giạ (K mg). Đây là bề mặt san bằng tuổi Paleogen đă được nghiên cứu và công nhận trên toàn Đông D­ương, tương ứng với pha tách giăn Biển Đông đầu tiên và sụt lún tạo các bồn trũng Eocen - Oligocen.

- Bậc địa h́nh 1000-800 m (ở phía tây) và 700-600m (ở phía đông) là bậc địa h́nh thứ hai, dấu hiệu san bằng chu kỳ nâng thứ hai trong Kainozoi. Bề mặt địa h́nh này được phát hiện nhờ các mảnh sót san bằng trên các đỉnh núi lục nguyên ven ŕa khối đá vôi và bề mặt đỉnh của đá vôi. Tuổi của bề mặt này được xác định vào Miocen (từ 23 đến 5 triệu năm).

- Bề mặt 600-400 m và 300-200 m là sản phẩm san bằng của pha kiến tạo nâng trong Pliocen (từ 5 đến 1,6 triệu năm). Bề mặt này tương ứng với bề mặt san bàng Pliocen rất phổ biến đă được công nhận của nhiều tác giả ở Việt Nam (Nguyễn Cẩn, Nguyễn Thế Thôn, Rezanov, 1969; Lê Đức An, 1985; Nguyễn Thế Thôn, 1978 v.v...). Tuy nhiên bề mặt này chỉ mới phát hiện được ở ven ŕa khối đá vôi dưới dạng các núi đá vôi xen lục nguyên có đỉnh tương đối bằng và núi lục nguyên đỉnh tṛn cũng như­ các vách đá cổ và các hang động cổ bị "treo" ở độ cao tương ứng, dấu hiệu mài ṃn, rửa lũa của mực nước bề mặt cổ.

- Các bề mặt san bằng từ 100m trở xuống ở Việt Nam nói chung và vùng Phong Nha - Kẻ Bàng nói riêng đều được xếp vào tuổi Đệ tứ (từ 1,75 triệu năm trở lại đây).

Đối sánh với các bậc thềm biển, các vách biển, các bậc thềm sông đă được nghiên cứu ở Việt Nam có thể phân các bậc san bằng và các thế hệ bậc thềm trong mối quan hệ với các chu kỳ gian băng trong Đệ tứ nh­ sau:

- Từ 100-80 m: ứng với gian băng Gunz - Mindel, cách đây trên 800.000 năm (cuối Pleistocen sớm)

- Từ 80-60 m: ứng với gian băng Mindel - Riss, cách đây trên 300.000 năm (đầu Pleistocen giữa)

- Từ 40-25 m và 25-15 m: ứng với gian băng Riss - Wurm, cách đây trên 70.000 năm (đầu Pleistocen muộn)

- Từ 15-6 m: ứng với biển tiến Flandri, xảy ra từ 18.000 năm đến 4.000 năm tr­ớc đây.

Các mức độ cao của địa h́nh nói trên là dấu ấn hoạt động của mực nước biển dâng cao, sau đó được nâng tiếp lên do các pha kiến tạo xảy ra theo từng chu kỳ (nhịp).