廣西巖溶洞穴沉積物與地震記錄初探

張美良，朱曉燕，陽和平，李 濤，范魯舟

（中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，國土資源部巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004）

廣西巖溶洞穴沉積物與地震記錄初探

張美良，朱曉燕，陽和平，李 濤，范魯舟

（中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，國土資源部巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004）

廣西是西南地區(qū)的一個(gè)巖溶大省，其巖溶面積占土地面積的42%。廣西巖溶洞穴十分發(fā)育，至少有6萬個(gè)洞穴。洞穴景觀資源豐富，為廣西的旅游創(chuàng)造了大量的財(cái)富。巖溶洞穴沉積物不僅具有旅游開發(fā)價(jià)值，而且蘊(yùn)含了豐富的古氣候環(huán)境信息，同時(shí)，也是地震信息的存儲(chǔ)器,是研究地震遺跡的良好材料。地震活動(dòng)不僅導(dǎo)致巖溶洞穴及洞穴沉積物發(fā)生破裂、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害或現(xiàn)象，同時(shí)，地震也能引起巖溶表層帶下滲水的水路發(fā)生改道或擴(kuò)大，促使洞穴下滲水的滴水補(bǔ)給量增大，激發(fā)了石筍的生長。因此，本文根據(jù)巖溶洞穴沉積物記錄的新、老地震遺跡,對(duì)殘存的地震信息進(jìn)行初步探索，可望能為廣西西部地區(qū)的新構(gòu)造活動(dòng)研究和地震活動(dòng)歷史重建起到拋磚引玉的作用，提供一個(gè)新的研究思路。

洞穴沉積物；坍塌；破裂；地震歷史；廣西

引言

地震活動(dòng)是現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的重要表現(xiàn)，突發(fā)性的大地震往往給人類帶來巨大的災(zāi)難。因此，地震的預(yù)報(bào)和預(yù)防成了世界關(guān)心的問題，特別是2008年5.12四川汶川8級(jí)地震后，對(duì)地震活動(dòng)的研究和預(yù)警進(jìn)一步提升到世界及國家層面上，給以極其高度的重視。

廣西境內(nèi)的地震活動(dòng)主要受活動(dòng)斷裂控制，近代地震震源破裂的優(yōu)勢(shì)方向以NW向?yàn)橹?，其次為NE向。廣西的地震活動(dòng)與中國其它地震帶相比，其有地震發(fā)生頻度、烈度相對(duì)較弱，發(fā)生的中強(qiáng)地震相對(duì)較少的特點(diǎn)，但是，廣西的地震活動(dòng)仍具有一定的破壞性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自公元288年有史記載以來,廣西共記載4.5級(jí)以上的地震有76次,有感地震954次以上，此外，還有許多無感地震。

1 廣西活動(dòng)斷裂帶與地震

廣西境內(nèi)地震活動(dòng)主要受活動(dòng)斷裂控制，地震的發(fā)生與活動(dòng)斷裂帶的規(guī)模、活動(dòng)特征及強(qiáng)度、最新活動(dòng)時(shí)間、展布方向以及與構(gòu)造應(yīng)力作用方向的關(guān)系等密切相關(guān)。廣西活動(dòng)斷裂帶有NE向、NW向、NNE向、NNW向、近NS向和近EW向等6組，其中以NE向和NW向兩組為主，它們構(gòu)成廣西活動(dòng)斷裂的 “X”型結(jié)構(gòu)［1］。這種活動(dòng)斷裂帶的分布格局，決定了廣西地震活動(dòng)在空間上大致可分為東北，東南和北西部三塊區(qū)域。

1.1 廣西活動(dòng)斷裂帶分布特征

在桂東北地區(qū)，發(fā)育有近SN向斷裂和NE向斷裂，NW向斷裂不發(fā)育。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以來，SN向斷裂具有逆沖性質(zhì)，NE向斷裂具有右行走滑性質(zhì)，其主壓應(yīng)力方向也為EW向，如柳州融安近SN向斷裂帶在晚更新世仍有較強(qiáng)活動(dòng)［2］，NW向斷裂盡管少且規(guī)模不大，但活動(dòng)時(shí)代新，切割其它方向的斷裂。

在桂東南和沿海地區(qū)，NE或NEE向斷裂具有明顯的右旋剪切-引張的力學(xué)性質(zhì)，且以水平運(yùn)動(dòng)為主。沿NE向斷裂有較多的溫泉出露，說明該組斷裂開啟性好、封閉性差［3］。NW向斷裂斷續(xù)出露、規(guī)模小，但切割其它方向構(gòu)造線和山脊， 均具左旋的性質(zhì)， 說明該區(qū)NE向斷裂與NW向斷裂在新構(gòu)造期已成為統(tǒng)一的活動(dòng)斷裂系統(tǒng)， 受同一構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用， 其主壓應(yīng)力的方向?yàn)镋W向［3］。

在桂西北地區(qū)，NW向活動(dòng)斷裂延伸長、規(guī)模大、活動(dòng)性強(qiáng)， NE向斷裂不發(fā)育，也不活動(dòng)。北西向活動(dòng)性斷裂主要有巴馬-博白斷裂帶、百色-合浦?jǐn)嗔褞?、靖?崇左斷裂帶和那坡斷裂帶。斷裂走向以北西310°～320°為主，斷裂帶長170～600余公里， 以高角度的逆沖斷層為主，具有多期活動(dòng)性：新生代以前表現(xiàn)為右旋擠壓-剪切的力學(xué)特征，新生代以來的NW向斷裂改造利用了早期的斷裂，具有顯著的多期構(gòu)造活動(dòng)，其斷裂特征表現(xiàn)為：①地貌上，呈平直狹長的 “V”型谷地， 呈現(xiàn)出擠壓性斷裂谷地景觀，而且斷崖， 斷層三角面發(fā)育。②切錯(cuò)關(guān)系，斷裂切錯(cuò)北東向的山體、構(gòu)造線、盆地及新生界地層， 呈現(xiàn)出左旋平移性質(zhì)。如巴馬-博白斷裂帶中的高田斷裂， 在六景和高田-帶將古近紀(jì)地層和燕山晚期昆侖關(guān)花崗巖體左旋平移了約4000 m。百色-合浦?jǐn)嗔褞t將合浦盆地古近紀(jì)地層及合浦-北流斷裂反時(shí)針方向錯(cuò)斷［3］。

1.2 廣西活動(dòng)斷裂帶決定其地震活動(dòng)空間特征

據(jù)廣西的活動(dòng)斷裂帶的規(guī)模、活動(dòng)特征及強(qiáng)度、展布方向與構(gòu)造應(yīng)力作用關(guān)系以及自公元1900年有地震記載以來，所記載地震發(fā)生的空間分布特征及強(qiáng)度等，可知廣西的地震活動(dòng)主要沿東北、北西活動(dòng)斷裂帶分布或排列的，說明這兩組斷裂是廣西主要的控制地震發(fā)生和孕育的斷裂 （圖1，2）［4］。從圖中可看出，地震等震線長軸方向以NW向 （54%）和NE向 （34%）為主，其余方向僅占12%，反映地震主要受上述2個(gè)方向活動(dòng)斷裂控制，并且是主要發(fā)震構(gòu)造［4］。而從地震發(fā)生的強(qiáng)度來看，廣西地區(qū)的中強(qiáng)地震活動(dòng)主要是受北西向活動(dòng)斷裂帶所控制。北東向和北西向的活動(dòng)性斷裂是本區(qū)主要的控震 （孕震）構(gòu)造，北西向活動(dòng)性斷裂又是主要的發(fā)震斷裂。

1.3 廣西歷史地震記錄

自有地震記載以來，廣西4.5級(jí)以上的地震有76次，最大震級(jí)達(dá)6.8級(jí)，而且都屬于淺源地震。廣西發(fā)生的中強(qiáng)地震主要有：靈山6.8級(jí)地震 (1936年)、平果5.4級(jí) (1977年)和4.6級(jí)地震 (2005年)、天峨5.0級(jí)地震 (清朝1875年及1983年)、樂業(yè)西北6級(jí) (1876年，E106.40°，N24.90°)和樂業(yè)東北部馬莊鄉(xiāng)發(fā)生5.0級(jí)地震 (1983年12月5日，E106.9°,N24.88°)以及環(huán)江5.3級(jí)地震 (1998年)等地震[5]，除了靈山6.8級(jí)地震外，其它的中強(qiáng)地震震中主要分布桂西北的巖溶地區(qū)。

圖1 廣西及鄰區(qū)大于43/4級(jí)地震震中分布圖(據(jù)吳時(shí)平等，1987)Fig.1 Distribution map of earthquake epicenters with M≥43/4in Guangxi and its adjacent area(From Wu et al.,1987)

圖2 廣西及鄰區(qū)大于43/4級(jí)地震震中網(wǎng)絡(luò)分布圖(據(jù)吳時(shí)平等，1987)Fig.2 Network map of earthquake epicenters with M≥43/4in Guangxi and its adjacent area(From Wu et al.,1987)

廣西西北部的地震活動(dòng)主要受區(qū)域性北西向斷裂帶所控制，如巴馬NW向活動(dòng)斷裂，長250 km，活動(dòng)斷裂控制斷裂谷發(fā)育，控制沉積相及中新生代巖體分布，沿活動(dòng)斷裂發(fā)生2～4級(jí)地震有10余次 （1875年6月8日巴馬與東蘭之間發(fā)生6級(jí)地震）， 利用活動(dòng)斷裂帶中的次生方解石脈或鈣華沉積物進(jìn)行鈾系 （а譜U系）和方解石脈的ESR定年年值為6～20萬年 ，而且中晚更新世后還有多次斷裂活動(dòng)[4]。又如樂業(yè)-浪平的弧形活動(dòng)斷裂，長100 km，弧形斷裂內(nèi)側(cè)強(qiáng)烈隆升，形成多級(jí)溶洞、夷平面，并形成600余米深的天坑群，而沿活動(dòng)斷裂帶發(fā)生6.5級(jí)以下地震達(dá)5次，第四紀(jì)期間斷裂仍在活動(dòng)，并發(fā)生了如1876年樂業(yè)6級(jí)和1983年馬莊鄉(xiāng)5.0級(jí)地震。再如凌云-金牙弧形活動(dòng)斷裂，長120 km，弧形斷裂兩側(cè)差異升降明顯，新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，出現(xiàn)了多級(jí)夷平面和溶洞層，沿活動(dòng)斷裂帶發(fā)生4級(jí)以下地震6次，第四紀(jì)期間仍有活動(dòng)[4]。

綜上所述，北西向活動(dòng)斷裂帶是控制廣西西北部地震發(fā)生和孕育的斷裂，同時(shí)對(duì)于斷裂谷、斷崖地貌的發(fā)育，以及新生代沉積盆地、沉積相及中新生代巖體的分布等具有重要的控制作用。因此，在地質(zhì)歷史時(shí)期沿活動(dòng)斷裂帶發(fā)生的地震活動(dòng)，對(duì)廣西西北部巖溶區(qū)的地貌、地下洞穴及其沉積物的發(fā)育、破壞和改造起著重要的控制作用，并可在巖溶洞穴及其沉積物中保存或殘留了地史期間的地震印跡。

2 洞穴沉積物的地震記錄

廣西為巖溶大省，總面積達(dá)9.87萬平方公里，巖溶占總面積的42%。其巖性主要由碳酸鹽巖 （灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖等）組成，巖石特性相對(duì)脆弱，受地震作用后易變形或破裂、產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害。廣西的地震主要為構(gòu)造地震類，地震發(fā)生時(shí)，構(gòu)造應(yīng)力對(duì)碳酸鹽巖巖體的破壞作用，主要體現(xiàn)在碳酸鹽巖層發(fā)生彎曲變形，形成褶皺或褶曲；而當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力超過碳酸鹽巖巖石本身所能承受的強(qiáng)度時(shí)，巖層將產(chǎn)生斷裂錯(cuò)動(dòng)并發(fā)生位移，形成構(gòu)造斷裂或斷層；而在斷裂錯(cuò)動(dòng)發(fā)生位移時(shí)，將導(dǎo)致山體滑動(dòng)、下陷，形成斷陷槽谷 （盆）或斷裂谷地、斷崖、地下河堵塞成湖、巖溶洞穴及洞穴沉積物發(fā)生坍塌等地質(zhì)現(xiàn)象。而巖溶洞穴是地下巖石圈中一個(gè)承受各種地質(zhì)作用力較強(qiáng)的分布帶或空間帶，地震發(fā)生時(shí)，構(gòu)造地震的震級(jí)只要達(dá)到3～4級(jí)或地震裂度達(dá)到了Ⅳ度以上，就足以對(duì)巖溶洞穴和洞穴沉積物發(fā)生較強(qiáng)的破壞作用。

據(jù)近年來，作者在廣西西部地區(qū)的洞穴資源調(diào)研及其古氣候環(huán)境研究過程中，觀察到的洞穴沉積物受地震影響產(chǎn)生的結(jié)果，有如下幾種情況：

（1）構(gòu)造地震將導(dǎo)致巖溶洞穴 （體）產(chǎn)生破裂、裂隙，局部洞廳、洞道發(fā)生巨大巖體（塊）坍塌、堵塞；而對(duì)于巖溶洞穴沉積物的破壞作用，則表現(xiàn)在石筍、石柱、壁流石等發(fā)生剪切破裂、拉斷、倒塌，洞頂?shù)溺娙槭蚨幢诘氖艿劝l(fā)生下墜或脫落，以及洞穴底板的鈣華層、鈣華-粘土層由于受震動(dòng)而發(fā)生下陷、垮塌，引起地下河淤塞或形成巖溶湖等現(xiàn)象。因此，構(gòu)造地震的破壞作用，最終導(dǎo)致巖溶洞穴形態(tài)、景觀發(fā)生嚴(yán)重的破壞和改造，面目全非。

（2）地震作用能使巖溶表層帶下滲水的滲流水路發(fā)生改道或擴(kuò)大，促使進(jìn)入洞穴下滲水的滴水補(bǔ)給量、滴速或滴率、Ca濃度等的增高，激發(fā)洞穴中的鵝管、石鐘乳和石筍的生長，同時(shí)，也有助于鈣華、壁流石或石幔等次生化學(xué)沉積物的形成。

2.1 現(xiàn)代地震對(duì)洞穴沉積物破壞留下的現(xiàn)代記錄

據(jù)新華社報(bào)道，2008年5月12日在四川汶川發(fā)生8級(jí)地震，是我國大陸內(nèi)部地震，屬于淺源地震，震深在10～20 km間，面波傳播，強(qiáng)度大，波及面廣，逆沖斷層型震源運(yùn)動(dòng)，地面破壞性強(qiáng)破壞力度較大[6]。除吉林、黑龍江、新疆無震感的報(bào)告外，其他省市區(qū)均有不同程度震感。

此次四川汶川地震，波及到了整個(gè)廣西，其中對(duì)廣西西北部的影響更為明顯，其地震的震級(jí)也達(dá)到了3～4級(jí)或地震裂度達(dá)到了Ⅳ度，相當(dāng)于廣西區(qū)內(nèi)發(fā)生的中度地震烈度。這種中強(qiáng)度地震對(duì)廣西區(qū)內(nèi)的巖溶洞穴及洞穴沉積物的破壞影響較為明顯，地震產(chǎn)生的破壞形跡主要表現(xiàn)為：石筍、石柱、壁流石等發(fā)生剪切破裂、拉斷、倒塌；洞頂?shù)溺娙槭l(fā)生下墜或脫落；洞穴底板的鈣華層、鈣華-粘土層由于受震動(dòng)而發(fā)生下陷、坍塌等。而對(duì)洞穴外部周緣的巖壁因受到震動(dòng)影響后，催生了局部陡崖發(fā)生巖塊崩塌、滑塌作用，以及產(chǎn)生其它的潛在的危險(xiǎn)等。

2.1.1 現(xiàn)代地震導(dǎo)致石筍產(chǎn)生剪切破裂、拉斷 （裂）

據(jù)廣西地震震中分布圖可知 （圖1，2），廣西中強(qiáng)地震活動(dòng)主要是受NW向活動(dòng)斷裂帶所控制。例如廣西巴馬、樂業(yè)，分別位于NW向巴馬-博白活動(dòng)性斷裂帶、靈山-樂業(yè)NW向的地震活動(dòng)帶中，活動(dòng)性斷裂或地震活動(dòng)帶對(duì)巖溶洞穴發(fā)育或洞穴沉積物的形成、破壞起著重要的控制作用。

關(guān)于地震活動(dòng)對(duì)洞穴沉積物產(chǎn)生的破壞作用的證據(jù)，筆者及同事從2007年3月開始至2010年，一直對(duì)巴馬水晶宮旅游洞和巴馬大山洞進(jìn)行連續(xù)的洞穴滴水、現(xiàn)代碳酸鹽（CaCO3） 沉積物的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在2008年4月7日以前的監(jiān)測(cè)過程中，未發(fā)現(xiàn)在這些洞穴中的石筍、石柱等存在有拉斷、破裂等現(xiàn)象；但是，自2008年5月12日在四川汶川發(fā)生8級(jí)地震后，發(fā)現(xiàn)洞穴中的一些石筍、石柱等發(fā)生了明顯的拉斷、破裂，證實(shí)是地震作用造成的壞。

此次汶川地震對(duì)廣西巴馬巖溶洞穴中的沉積物影響明顯，并在某些洞穴沉積物上留下了近期地震的印痕。例如，在廣西巴馬縣水晶宮旅游洞，地震發(fā)生后，在水晶宮內(nèi)長壽門后的一根高約12 m、直徑50 cm的石柱 （簡稱長壽柱）上，就留下了一道剪切破裂的印痕（照片1），裂痕寬0.5～1 cm，在裂痕的邊部，局部有破碎石筍小碎塊，大小為0.3 cm×0.7 cm、0.5 cm×1.5 cm。經(jīng)洞穴工作人員證實(shí)，這一道破裂印痕確實(shí)為5月12日汶川發(fā)生8級(jí)地震后留下的痕跡 （在地震前的近兩年的洞穴動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，一直未見有這一道破裂），可與地震前攝于2007年8月4日的照片a進(jìn)行對(duì)比。而在水晶宮的壽鄉(xiāng)臺(tái)附近有三根石柱 （高分別為約8～10 m和3～4 m，直徑約1～1.5 m，照片2），石柱頂部的10～30 cm為鐘乳石，在5.12汶川地震發(fā)生后，在這些巨型石柱與洞頂基巖連接處均被剪切拉斷，拉開，裂縫寬1～3 cm不等，并有微小滑動(dòng)，這一拉斷、剪切破裂現(xiàn)象記錄了現(xiàn)今地震活動(dòng)。

此外，水晶宮洞穴內(nèi)兩個(gè)大廳的最低處的排泄水口附近，由鈣華、粘土層構(gòu)成的流石壩、流石池，在地震發(fā)生前，在低凹處的流石池或蓄水池中一年四季均有少量蓄水，但自地震發(fā)生后，由于構(gòu)成流石壩 （池）的鈣華、粘土層發(fā)生了微裂隙 （或縫隙），流石池或蓄水池中的池水，沿鈣華層中的微裂隙 （縫）向下滲漏，現(xiàn)基本不能蓄水，即使在雨季，快速滲入洞穴的水流也快速向下層洞穴排泄。此外，在水晶宮洞穴的北端部沉積有5～10 m厚的較純凈的鈣華堆積層，在鈣華層中可見兩條分別呈NWW或NNW向展布的破裂，破裂面寬10～15 cm，可見深大于200 cm，記錄了地震活動(dòng)。

照片1 5.12地震后石筍產(chǎn)生剪切破裂Photo 1 Shear fracture of stalagmite in Shiujingong cave of Bama after 5.12 earthquake

照片2 地震后廣西巴馬縣水晶宮巨型石柱、鐘乳石剪切破裂Photo 2 Shear fracture of stalagmite and stalactite after 5.12 earthquake

此外，在相距水晶宮洞穴不到500 m遠(yuǎn)的廣西巴馬縣大山洞，則是另一種現(xiàn)象，屹立在鈣華層上的5～6根巨型石柱 (高4～6 m，直徑1～2 m，照片3)，分別相距50 m、100 m及200 m不等，石柱發(fā)育均勻、上下直徑基本相當(dāng)，且石柱基本上全由石筍主體組成，僅在頂部的5～20 cm為鐘乳石沉積。在5.12汶川8級(jí)地震后，這些石柱與洞頂基巖連接處受到地震橫波產(chǎn)生的剪應(yīng)力而發(fā)生剪切破裂，破裂 (面)縫寬0.5～2 cm不等，并有微小滑動(dòng)，在裂痕的邊部，局部有破碎石筍小碎塊，大小為0.3 cm×0.7 cm、0.5 cm×1.5 cm，這些剪切破裂或拉裂現(xiàn)象記錄了現(xiàn)今地震活動(dòng)。

照片3 巴馬縣大山洞內(nèi)巨型石柱剪切破裂或拉裂的地震印跡Photo 3 Shear fracture of stalagmite after wenchuan earthquake

而與此同時(shí)，在相距1000 km的重慶武隆縣芙蓉洞，汶川地震后，芙蓉洞工作人員證實(shí)，于下午16時(shí)左右又發(fā)生余震，由于橫波造成的晃動(dòng)，首先發(fā)生在石筍根部，爾后向上到達(dá)石筍上部或頂部，導(dǎo)致石筍頂部的水平振動(dòng)或晃動(dòng)時(shí)間比下部的滯后，由此引起石筍上下出現(xiàn)水平反向切變現(xiàn)象，從而導(dǎo)致重慶武隆芙蓉洞穴內(nèi)后大廳內(nèi)部一根高15 m，直徑150 cm，具有重要觀賞價(jià)值和科學(xué)價(jià)值的大型石筍被震斷成5、6節(jié) (段)，并將洞穴內(nèi)的人行通道、護(hù)攔、路燈及電路 (或電線)等砸壞 (照片4)，導(dǎo)致旅游線路改道，給旅游安全帶來潛在的隱患。

照片4 重慶武隆縣芙蓉洞被汶川地震震斷的大型石筍Photo 4 A large broken stalagmite a in Furong cave of Wulong,Chongqin after Wenchun earthquake

2.1.2地震導(dǎo)致石筍連根倒塌

研究表明，地震產(chǎn)生的橫波造成的晃動(dòng)不僅持續(xù)時(shí)間較長，波及距離遠(yuǎn)，影響范圍大，而且橫波涉及的是剪切運(yùn)動(dòng)，可使巖石顆粒的運(yùn)動(dòng)橫過運(yùn)移方向。所以，橫波對(duì)地面建筑物的橫向作用力也大，造成的危害必然較大，山體坍塌和建筑物倒塌基本上都是由于橫波造成的。

據(jù)報(bào)道，汶川地震的震級(jí)高達(dá)MS8.0，這是20世紀(jì)40年代以來在中國發(fā)生的第二個(gè)級(jí)別地震，具極強(qiáng)的破壞性。汶川地震屬于淺源地震，10～20多公里，持續(xù)時(shí)間較長，其橫波、面波傳播廣而強(qiáng)[6]。由于地震橫波涉及的剪切運(yùn)動(dòng)，所以，此次地震產(chǎn)生的橫波對(duì)洞穴沉積物的破壞，除了前述對(duì)石筍、石柱、壁流石等發(fā)生剪切破裂、拉斷、倒塌，洞頂?shù)溺娙槭l(fā)生下墜或脫落等之外，還會(huì)使石筍、石柱發(fā)生整體倒塌。例如，在廣西巴馬縣的大山洞中，有些地段全部為粘土堆積，粘土層厚3～10 m不等，洞穴底板大部分沒有被鈣華層粘結(jié)，穩(wěn)定性相對(duì)較差。因此，那些屹立在粘土層上的石筍 (5～6根，高80～150 cm)，也在汶川發(fā)生8級(jí)地震后，因洞穴底板的石筍生長的基底不牢 (其基底為粘土層)，由于地震橫波造成的晃動(dòng)，使石筍頂部的水平振動(dòng)時(shí)間比下部的滯后,石筍上下出現(xiàn)水平反向切變現(xiàn)象，導(dǎo)致石筍像樹木一樣被連根拔起，很整齊地并列躺在地下，構(gòu)成另一方景色，是地震后留下的另類印痕。經(jīng)用羅盤定位，石筍倒臥的方向與主洞道方向大體一致，呈NE向展布，如照片所示，主洞道也是沿NE向的次級(jí)斷裂發(fā)育，洞穴發(fā)育明顯受構(gòu)造控制方向。

2.2 洞穴沉積物揭示過去地震的證據(jù)

史前的地震事件，保存在地表的古地震遺跡或標(biāo)志，由于受到長時(shí)期的改造、破壞，殘缺不詳，還有一些可以在挖掘考古的過程中得以恢復(fù)，那也是少之又少。

要解決發(fā)生在史前的地震事件,需要挖掘史前的地震信息、遺跡或標(biāo)志，進(jìn)行古地震研究，西南巖溶地區(qū)則是研究古地震的良好場(chǎng)地。

在廣西地區(qū)，巖溶洞穴地質(zhì)資源十分豐富，通常巖溶洞穴及洞穴沉積物受外界的干擾少，保存好，而且?guī)r溶的地理覆蓋面積廣大。所以，利用巖溶洞穴沉積物保存的古地震遺跡或標(biāo)志，重建或恢復(fù)古地震事件，確立古地震發(fā)生的時(shí)間及其環(huán)境，可為地震研究提供一個(gè)新的視角。

根據(jù)近10多年來，在廣西地區(qū)開展洞穴探險(xiǎn)、洞穴資源調(diào)研、古氣候環(huán)境重建研究的期間，對(duì)幾百個(gè)洞穴的調(diào)研表明，廣西樂業(yè)螞蜂洞、田邊洞、黑洞和熊家洞、陵云納靈洞、風(fēng)山鴛鴦洞、巴馬水晶宮、大山洞和百么洞及東蘭縣等地區(qū)的洞穴，均發(fā)現(xiàn)有由古地震形成的橫向切斷遺跡或現(xiàn)象。如在樂業(yè)螞蜂洞內(nèi)，有2根高約3～5 m，直徑約150 cm的石柱,一根石柱與洞頂基巖連接處被拉斷，拉開，裂縫寬20 cm (照片5 a)，另一根石柱在中部被橫向剪切破裂，發(fā)生逆時(shí)針、斜向反扭位移，斜向錯(cuò)動(dòng)50 cm (照片5b)。又如在大山洞內(nèi)，有5根高約3～5 m，直徑約70～130 cm的矮胖巨型石筍,沿石筍根部被橫向切斷 (照片6)、且根部平直，在這些被橫向切斷的倒臥石筍上，部分有后期形成的新石筍 (照片7-b)，新生長的石筍的分布方向與該巨型石筍傾倒 (或倒臥)方向一致，呈線狀分布。在這些被橫向切斷的倒臥巨型石筍的周圍，未見有洞頂下墜的巖塊及鐘乳石，說明造成巨型石筍的坍塌原因，不是洞頂下墜的巖塊及鐘乳石的下墜的碰撞造成的，這從側(cè)面佐證了是古地震活動(dòng)。

照片5 樂業(yè)螞蜂洞內(nèi)石柱拉斷、拉裂和反扭剪切位移的地震印跡Photo 5 Earthquake imprint of pulling and broken stalagmite,shear fracture,displacement of stalagmite on middle in Mafeng cave of Leye,Guangxi

此外，在該洞穴內(nèi)還有許多高1～4 m，直徑約5～30 cm的細(xì)長石筍，沿石筍根部被橫向切斷或是連根倒塌的石筍更為普遍。因?yàn)檫@類細(xì)長的石筍的穩(wěn)定性差，比巨型石筍的抗地震強(qiáng)度更差、更弱，一旦受到地震的影響后更易拆斷。據(jù)洞內(nèi)倒臥的石筍，發(fā)現(xiàn)相對(duì)矮小的石筍 (約100 cm以下)倒塌后不易拆斷，而相對(duì)高石筍 (約150 cm以上)倒塌后易于拆斷，這些倒塌的石筍有的斷成2節(jié)的、也有的斷成3～4節(jié)的，石筍越高，斷的節(jié)數(shù)越多，但基本上都倒臥在原石筍的旁邊。經(jīng)對(duì)幾根倒塌的高約100 cm的小石筍的頂部進(jìn)行ICP-MS-230Th-鈾系測(cè)年 (美國明尼蘇達(dá)大學(xué)地質(zhì)地球物理系同位素實(shí)驗(yàn)室測(cè)定)，獲得石筍頂部的年齡約在距今9.7萬年左右，據(jù)此，可推測(cè)導(dǎo)致高約100 cm的小石筍的倒塌時(shí)間，至少發(fā)生在距今9.7萬年以后。

照片6 巴馬縣大山洞古地震形成的巨型石筍橫斷的遺跡Photo 6 Transect broken imprint of large stalagmites by old earthquake in Dashan cave of Bama,Guangxi

又如巴馬水晶宮內(nèi)洞穴沉積物保存的古地震的證據(jù)有，流石、石幔 (高6～10m不等)、石柱的拉斷 (照片7)、洞頂鐘乳石的下墜和石筍的橫向切斷倒塌等現(xiàn)象，其崩塌的石鐘乳、石筍及碎石塊等，并與后期洞穴流水、滴水中的碳酸鈣膠結(jié)，構(gòu)成混合堆積體。另在巴馬水晶宮中部的河流粘土-礫石層上有兩塊巨型崩塌巖塊 (高2.5 m，長4 m)，在崩塌巖塊上沉積有5～6根高約30～130 cm的純白色石筍，經(jīng)對(duì)2根石筍的根部進(jìn)行鈾系測(cè)年，獲得石筍根部的年齡約在距今4萬年左右，據(jù)此，可推測(cè)導(dǎo)致巨型巖塊崩塌的時(shí)間，至少發(fā)生在距今4萬以前。再如樂業(yè)的田邊洞、黑洞、熊家西洞及螞蜂洞等洞穴均保存有由古地震引起流石、石筍或石柱的坍塌、拉斷的遺跡，如田邊洞及螞蜂洞中石柱的拉斷遺跡 (照片5a)，拉裂縫寬1～40 cm不等，裂縫之間均有后期滴水的碳酸鈣粘結(jié)并愈合，對(duì)洞穴或石柱起到良好的穩(wěn)定性作用。

照片7 巴馬縣水晶宮內(nèi)的壁流石或石幔和石柱拉斷(裂)的地震印跡Photo 7 Earthquake imprint of pulling fractured flowstone and curtain drapery on middle,pulling and broken column on top of column in Shuijinggong cave of Bama,Guangxi

此外，還有其它保存不完全的古地震的遺跡，如洞穴坍塌、堵塞、洞頂基巖坍塌及鐘乳石下墜、洞穴內(nèi)鈣華-粘土層塌陷坑、地震溝或地震裂縫等遺跡,如地震破壞造成的洞頂基巖巖石塊的崩塌物、石鐘乳或石筍等墜落碎石塊，并與后期洞穴滴水的沉積物-碳酸鈣膠結(jié)，構(gòu)成復(fù)雜的混合堆積體，或地震溝，地震裂縫又被后期充填物充填，呈現(xiàn)鑲嵌結(jié)構(gòu)等遺跡，這些遺跡由于受到后期的改造、破壞，與其它成因造成的坍塌不易區(qū)分，故不在此討論。

2.3 洞穴沉積景觀的改善與地震

碳酸鹽巖是可溶性巖石之一，也是成洞的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)，也是一類愈合或再生能力較強(qiáng)的巖石。

地震活動(dòng)除了使碳酸鹽巖、巖溶洞穴及洞穴沉積物發(fā)生破裂、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害或現(xiàn)象外，同時(shí)，可能引起巖溶洞穴上方及周緣碳酸巖鹽巖石發(fā)生剪切破裂、裂隙，或?qū)е略缙诖嬖诘奈礈贤ǖ?、堵塞的巖石破裂、裂隙或微裂隙的連通性得到重新溝通、導(dǎo)致巖溶表層帶下滲水的水路發(fā)生改道或擴(kuò)大，促使進(jìn)入洞穴下滲水的滴水補(bǔ)給量、滴速或滴率、Ca濃度的增加等，隨著滴水中CaCO3的不斷析出，可激發(fā)洞頂鵝管、石鐘乳和石筍的生長，或增加鈣華、壁流石等次生化學(xué)沉積物的形成，對(duì)洞穴景觀起到改善或修復(fù)、穩(wěn)定洞穴的作用。如果洞穴沉積物-石筍、石柱、壁流石及石幔等的破裂、拉斷作用不是地震作用造成的，那么，這些地方必定發(fā)生過洞底下陷、或洞頂增有巖塊或石鐘乳下墜，在周圍應(yīng)可找出造成石筍、石柱、壁流石及石幔等的破裂、拉斷等的證據(jù)，造成石筍、石柱折斷的斷口應(yīng)是不平整或不規(guī)狀等，而洞頂微裂隙的連通性也得不到溝通，巖溶表層帶下滲水的水路未發(fā)生改道，不會(huì)發(fā)生重現(xiàn)性的石筍生長。

文中圖3為地震形成的巨型石筍橫斷的遺跡示意圖 (圖3)，說明地震作用導(dǎo)致巨型石筍的坍塌，在巨型石筍坍塌前，巨型石筍己停止生長，但在地震作用造成巨型石筍坍塌后，地震作用引起巖溶下滲水的水路發(fā)生變化，使己停滴的洞穴滴水，重新開始下滴，故在倒塌巨型石筍上或根部重新形成新的石筍。如在巴馬縣水晶宮內(nèi)的被拉斷 (裂)的壁流石和石柱，被拉斷 (裂)的壁流石的裂縫為后期流水、滴水析出的CaCO3重新粘結(jié) (照片7)，而在新沉積物最豐富的洞穴中部，可見有多根早期形成的石柱受到地震橫波產(chǎn)生的剪應(yīng)力而發(fā)生剪切破裂，這些石柱的破裂不僅被后期洞穴流水、滴水析出的CaCO3重新粘結(jié)，而且還有大量的滴水在石柱周緣下滴，在洞底形成了大量的純白色新石筍(照片8，9)，且石筍都具有類似的形狀和大小，經(jīng)對(duì)新石筍的根部進(jìn)行鈾系測(cè)年，獲得幾根新石筍根部的年齡約在7500年左右，具有較好的重現(xiàn)性，據(jù)此，可推測(cè)古地震導(dǎo)致石柱發(fā)生剪切破裂時(shí)間，至少發(fā)生在7500年以前。

再又如巴馬縣大山洞古地震作用產(chǎn)生的倒塌巨型石筍，在倒塌的巨型石筍上重新沉積了大量的具有類似的形狀和大小的新石筍(照片7b)，與在水晶宮內(nèi)的巨型坍塌巖塊上新生長的純白色小石筍的形成時(shí)期大體相當(dāng) (照片11，12)，經(jīng)對(duì)新石筍的根部進(jìn)行鈾系測(cè)年，獲得的年齡約在1450年左右。據(jù)此，可推測(cè)古地震導(dǎo)致巨型石筍的、巨型坍塌巖塊坍塌時(shí)間，至少在1450年左右發(fā)生過地震。

此外，如樂業(yè)田邊洞的石柱 (照片7)、巴馬縣水晶宮內(nèi)的壁流石或石幔的剪切破裂 (照片9)，這些破裂均被后期的洞穴流水、滴水析出的CaCO3重新粘結(jié)，并形成新的CaCO3沉積物，故而可以通過對(duì)這些CaCO3的粘結(jié)物、新沉積物進(jìn)行鈾系測(cè)年，并可以推測(cè)出古地震導(dǎo)致石柱、石筍、壁流石或石幔等發(fā)生剪切破裂的時(shí)間，為恢復(fù)地震歷史提供對(duì)比的佐證，填補(bǔ)地震丟失的歷史痕跡。

圖3 地震形成的巨型石筍橫斷的遺跡示意圖Fig.3 Sketch map of transect broken imprint of a large stalagmite by old earthquake in Xinxiu cave of Pan county,Guizhou

照片8 地震導(dǎo)致石柱發(fā)生剪切破裂面Photo 8 Shear fracture of stalagmites after earthquake

照片10 坍塌巨石塊上生長的石筍群Photo 10 Stalagmites growth on a large collapse rock black

照片9 后期沿破裂面滲出的滴(流)水形成的石筍Photo 9 Stalagmites formed by cave dripwater along sheared fracture of column after earthquake

照片11 坍塌巨石塊上生長的小石筍Photo 11 Small stalagmites growth on a large collapse rock black

4 巖溶地貌與地震

廣西的巖溶地貌包括：巖溶平原 (殘山、孤峰平原)、峰林平原或峰林谷地、峰叢洼地或谷地等三大類，如桂林著名的峰林地貌、樂業(yè)的高峰叢洼地地貌。在廣西西北地區(qū)由于地殼運(yùn)動(dòng)的大幅度抬升，造成巖溶向縱深發(fā)育，形成高峰叢、深切洼地或谷地或漏斗。

桂西北是區(qū)域活動(dòng)斷裂、地震活動(dòng)的主要孕育、控制區(qū)。因此，在地質(zhì)歷史時(shí)期，地震主要沿區(qū)域性NW向的活動(dòng)斷裂帶發(fā)生，地震活動(dòng)將對(duì)巖溶地貌發(fā)生不同程度的破壞和改造作用，如地震后導(dǎo)致巖溶山體滑動(dòng)、形成巖溶斷裂谷、斷崖、陷坑、塌陷漏斗等現(xiàn)象。如天峨縣1983年發(fā)生5.0級(jí)地震,又如天峨縣志記載，于清朝時(shí)期 (1862年，1875年)，在天峨縣北約2 km處，沿區(qū)NNW或近SN向域性活動(dòng)斷裂發(fā)生了一次強(qiáng)地震，地震震中位于一個(gè)NNW或近SN向的巖溶塌陷帶或塌陷槽谷中 (照片13)，帶寬約300 m，且塌陷帶中碳酸鹽巖巖石破碎，而塌陷帶的低凹處巖溶水豐富，有大量的巖溶泉出露，或地下河水出口。

照片12 天峨縣北約2 km處NNW向斷裂谷，清朝地震遺址Photo 12 Earthquake imprint occurred in Qing Dynasty

從樂業(yè)天坑群的分布空間、發(fā)育強(qiáng)度、形態(tài)特征及重現(xiàn)性等分析可知，樂業(yè)天坑或巨型漏斗的形成與古地震有關(guān)。從區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造展布以及與地震震中分布關(guān)系可以看出，樂業(yè)的天坑分布區(qū)正好位于兩條NW向活動(dòng)斷裂的地震帶內(nèi)，據(jù)記載，沿樂業(yè)-浪平的弧形活動(dòng)斷裂發(fā)生6.5級(jí)以下地震達(dá)5次，第四紀(jì)仍在活動(dòng)[4]，如1876年樂業(yè)發(fā)生6級(jí)地震和1983年樂業(yè)馬莊鄉(xiāng)發(fā)生5.0級(jí)地震。在地質(zhì)歷史時(shí)期，樂業(yè)縣的一些水平洞穴，如螞蜂洞、白巖腳洞、田邊洞、黑洞等洞穴，可見大量的坍塌的巨大基巖巖塊、石筍、石柱和流石等的拉裂、倒塌遺跡，如螞蜂洞內(nèi)坍塌的巨大基巖巖塊覆蓋在晚第三紀(jì)的洞穴沉積或地下河沉積的粉砂質(zhì)泥巖、砂礫巖、角礫巖層上[7、8]，同時(shí)伴生有石筍、石柱等的拉裂、倒塌等遺跡；而田邊洞、黑洞等洞穴中殘存有石筍、石柱和流石等的拉裂、倒塌等遺跡。上述這些現(xiàn)象，從側(cè)面佐證了古地震作用對(duì)樂業(yè)巖溶洞穴及洞穴沉積物的發(fā)育、破壞和改造，洞穴沉積物殘存的證據(jù)是古地震活動(dòng)的遺跡。古地震作用不但對(duì)巖溶洞穴及洞穴沉積物發(fā)生破壞和改造，同時(shí)對(duì)巨型巖溶塌陷漏斗或天坑的坍塌、形成起著重要的推動(dòng)作用。由此可見，古地震可能是觸發(fā)樂業(yè)天坑群形成的潛在外部動(dòng)力條件，是加速地表坍塌、下陷、天坑形成的重要因素。

5 結(jié)語

地震活動(dòng)不僅導(dǎo)致巖溶洞穴及洞穴沉積物發(fā)生破裂、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害或現(xiàn)象，同時(shí)，地震也能引起巖溶表層帶下滲水的水路發(fā)生變化，增大洞穴滴水，促進(jìn)了石筍的生長。因此，巖溶洞穴及洞穴沉積物是保存新、老地震遺跡的最佳場(chǎng)所和材料，利用這些遺跡可重建地震歷史，填補(bǔ)丟失和修正過去的地震信息，為研究新構(gòu)造活動(dòng)和地震活動(dòng)歷史提供一個(gè)新的研究思路。

（1）挖掘洞穴沉積物記錄的史前地震遺跡或信息

廣西西部巖溶區(qū)，在地質(zhì)歷史時(shí)期曾發(fā)生過多次重大的地震事件以及一系列弱地震活動(dòng)，地震活動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致巖溶洞穴及洞穴沉積物中保存或殘留有許多的地震遺跡或證據(jù)，同時(shí)，在某些古地震遺跡上有后期生長的石筍，經(jīng)對(duì)石筍根部進(jìn)行鈾系測(cè)年，其年代分別為距今4萬年、0.75萬年和0.145萬年等三個(gè)地震發(fā)生時(shí)期；另據(jù)張繼淹［4］在地震活動(dòng)的斷裂帶中方解石脈的а譜鈾系定年，獲得測(cè)年值為6～20萬年以及倒塌小石筍頂部的約距今9.7萬年 (ICP-MS-230Th定年)，說明巴馬-博白北西向活動(dòng)性斷裂產(chǎn)生的古構(gòu)造地震從20萬年以來至少發(fā)生過4次或5次中強(qiáng)地震。因此，利用洞穴次生化學(xué)沉積物-石筍、石柱、壁流石及石幔等保存的遺跡，可以揭示史前的地震信息，通過利用鈾系測(cè)定，確定在倒臥石筍上生長的后期石筍年代或拉斷石筍裂縫中充填的CaCO3粘結(jié)物的年代，可以大致推斷古地震的發(fā)震時(shí)期以及當(dāng)時(shí)的古氣候環(huán)境。

（2）現(xiàn)今洞穴沉積物記錄的地震的證據(jù)

2008年5.12 汶川MS8.0地震，是自新中國建國以來影響范圍最大的一次地震，其破壞性極其嚴(yán)重。這次地震，對(duì)廣西西部地區(qū)的洞穴、洞穴沉積物的破壞的程度不盡相同，其產(chǎn)生的破壞形跡，主要有石筍、石柱、壁流石等發(fā)生剪切破裂、拉斷、倒塌；洞穴底板的鈣華層、鈣華-粘土層由于受震動(dòng)而發(fā)生微破裂，局部洞道的粘土層發(fā)生下陷、坍塌等。這些洞穴沉積物中保存的由現(xiàn)代地震活動(dòng)產(chǎn)生的破壞證據(jù)，為推演歷史時(shí)期地震發(fā)生的強(qiáng)度，提供了對(duì)比的佐證，可填補(bǔ)古地震丟失的歷史痕跡。

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Preliminary Study on Earthquake Records and Cave and Speleothems of Karst,Guangxi

ZHANG Meiliang,ZHU Xiaoyan,YANG Heping,LI Tao,FAN Luzhou

(Karst Dynamics Laboratory,Institute of Karst Geology,CAGS,Guilin 541004,China)

Guangxi is a large province of karst in southwestern China.The karst areas are up to 42 percent of the total areas of Guangxi.Karst caves develop very well with at least 60 000 caves.Landscape resources in caves are very rich,which are a mass of wealth for traveling in Guangxi.The sediments in the cave are not only the valuable for tourism development,but also contains rich information of pale climate,pale environment and the earthquake.Thus,it is a good material to study earthquakes in history.The earthquake activity not only lead to the geologic hazard or phenomenon of fracture and collapse of caves and speleothem,but also lead to change or enlarge of the waterway of percolation water in epikarst zone.This can impels supplementation of cave dripping water to increase and excite the growth of stalagmites or deposit of speleothem.This paper will recover the earthquake information according to the new and old earthquake historical remains of cave and speleothem.We hope that our studies can help people to study new active fractures or faults and reconstructing the earthquake history,and can provide a new perspective to the future earthquake monitoring and forecasting.

Speleothem;Collapse;Fracture;Earthquake history;Guangxi

P315.780.1

A

1001-8662（2011）02-0123-15

2011-01-07

張美良，男，1956年生，研究員.主要從事巖溶環(huán)境與全球變化研究.E-mail:mlzh@163.com.