論白云山壺穴的發(fā)育與演化

梁詩經(jīng) 文斐成 賴榮福

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福州，350013 )

壺穴是河流中流水產(chǎn)生的漩渦流及垂直水流攜帶的沙、卵石等搬運物長期沖蝕、磨蝕基巖河床而形成的盆狀、缸狀、甕狀、圓柱狀或不規(guī)則狀凹坑[1-3]，是一種常見的河床侵蝕地貌，可發(fā)育在不同巖性的基巖河床中，在福建各地溪流中均有分布。

圖1 白云山地區(qū)水系分布圖Fig.1 The distribution map of river system in Baiyunshan area1—行政界線；2—地質(zhì)公園界線； 3—水系；4—壺穴分布的主要溪段；5—公路

福建白云山國家地質(zhì)公園位于福建省東北部福安市曉陽鎮(zhèn)、穆云鄉(xiāng)一帶，地處鷲峰山脈東南麓。在公園花崗巖、火山巖構(gòu)成的蟾溪、龍亭溪、首洋溪和黃蘭溪峽谷的基巖河床、淺灘、岸壁上分布著數(shù)以千計、大小不一、形態(tài)各異的壺穴(圖1)。這些壺穴曾被一些研究學(xué)者當(dāng)作第四紀(jì)冰川的產(chǎn)物，認為是由冰川融水沿冰裂隙對下伏基巖垂直沖蝕形成的“冰臼”[4，5]，或由冰川巨大重力壓融下伏基巖形成的“冰蝕巖洞”[6]。野外調(diào)查表明，白云山河床壺穴不僅數(shù)量龐大，而且發(fā)育系統(tǒng)、類型齊全，完整地展示了河流流水侵蝕作用和壺穴的發(fā)生、發(fā)展與消亡過程。筆者根據(jù)申報福建白云山國家地質(zhì)公園開展野外調(diào)查時對壺穴類型與成因的初步研究[7]，以及近年來在開展福建省地質(zhì)遺跡調(diào)查過程中對省內(nèi)其他地區(qū)河床中出露的壺穴調(diào)查成果，以福建白云山國家地質(zhì)公園為例，試論壺穴的發(fā)育與演化，建立壺穴發(fā)育、演化序列。

1 白云山壺穴的基本特征

1.1 壺穴發(fā)育的位置

根據(jù)野外調(diào)查白云山地區(qū)累計約32 km長的河段(蟾溪5 km、龍亭溪14 km、首洋溪4 km和黃蘭溪9 km)中，正在發(fā)育的壺穴均分布在河床洪水線之下的基巖河床、河床岸壁(照片1，2)以及河床孤石、滾石側(cè)面和頂面之上(照片3，4)。局部溪段因河床被流水侵蝕下切，河床降低、水位下降，分布于側(cè)壁上部的部分壺穴已高出洪水線，這些脫離水體的壺穴開始遭受風(fēng)化剝蝕和大氣降水侵蝕。

照片1 發(fā)育于河床上的壺穴(蟾溪)Photo.1 Potholes formed on the riverbed(in Chanxi Stream)

照片2 河床岸壁洪水線之下的壺穴(龍亭溪)Photo.2 Potholes formed on the high water bed(in Longting Stream)

照片3 發(fā)育于河床孤石側(cè)面上的壺穴(龍亭溪)Photo.3 Potholes developed on lateral surface of isolated stone in river(in Longting Stream)

照片4 發(fā)育于河床滾石側(cè)面上的壺穴(龍亭溪) Photo.4 Potholes developed on lateral surface of rolling stone in river(in Longting Stream)

1.2 壺穴發(fā)育的巖性

在白云山地區(qū)由晶洞花崗巖、花崗巖和火山巖構(gòu)成的基巖河床都可以形成壺穴，主要差別在于壺穴發(fā)育的數(shù)量、形態(tài)及其側(cè)壁、底壁的光滑程度不同。如蟾溪、龍亭溪、首洋溪和黃蘭溪晶洞花崗巖、花崗巖基巖河床發(fā)育的壺穴數(shù)量多，且個體巨大，常形成內(nèi)壁呈圓弧形且極為光滑的壺穴；而黃蘭溪火山巖基巖河床上所形成的壺穴數(shù)量少、個體小，內(nèi)壁較粗糙、不甚圓滑。

1.3 壺穴的形態(tài)特征

白云山壺穴的形態(tài)多種多樣，但無論其大小與深淺，呈圓形、橢圓形是個體完整的單體壺穴的基本形態(tài)，據(jù)野外觀察與測量，橢圓形壺穴口部直徑的a軸與b軸之比，多數(shù)為1∶1.2～1∶1.3，少數(shù)呈長橢圓形的壺穴可達1∶1.4～1∶1.5。但不論是圓形或橢圓形的壺穴，壺穴中部和底部直徑的a軸與b軸之比多為1∶1～1∶1.2，隨著壺穴被流水侵蝕的時間增長，壺穴c軸(深度)的增加，壺體漸趨圓化，其中部和底部直徑的a軸與b軸之比接近或等于1∶1。

此外，白云山地區(qū)的河床中還分布了大量的殘缺的單體壺穴以及相互疊置和連通的復(fù)合壺穴。

2 壺穴發(fā)育的水動力條件及流水侵蝕方式

白云山地區(qū)溪流中不僅有發(fā)育于斷崖、巖檻下方由垂直水流(跌水)沖蝕及其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)水流側(cè)蝕形成的跌水壺穴，更多的壺穴則發(fā)育于遠離斷崖、巖檻的基巖河床和岸壁之上，以及河床孤石、滾石頂面和側(cè)面，有些甚至發(fā)育在游龍洞、九龍洞等巨石堆積洞內(nèi)的基巖河床上。根據(jù)壺穴內(nèi)依然可見的攜帶粗沙、小卵石流動的旋轉(zhuǎn)水流，壺穴底部經(jīng)旋轉(zhuǎn)水流分選的沙、卵石，以及河床側(cè)壁上隨河床間歇式下降流水侵蝕形成多級分布的壺穴等現(xiàn)象綜合分析，這些壺穴應(yīng)為河床流水侵蝕及其在河床凹坑產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)水流攜帶沙、卵石作圓周旋轉(zhuǎn)移動，以側(cè)蝕的方式磨蝕而成(圖2，3)[8，9]，推測壺穴形成過程大致如下。

圖2 垂直渦流侵蝕基巖河床形成的壺穴Fig.2 The pothole resulting from vertical vortex erosion

圖3 壺穴形成的模擬圖 Fig.3 Simulating model of the formation of potholea—H.S.Alexander的模式；b—A.Morgan模式

(1)河床基巖局部晶洞及節(jié)理、裂隙發(fā)育的部位，以及經(jīng)流水長期侵蝕、滾石撞擊和滾轉(zhuǎn)磨蝕形成的直徑和深度由數(shù)厘米至十余厘米的小凹坑，是易受流水侵蝕形成壺穴的部位(照片5，6)。

照片5 沿花崗巖晶洞發(fā)育的壺穴雛形(蟾溪)Photo.5 A embryonic pothole developed along miarolitic cavity of miarolite(in Chanxi Stream)

照片6 節(jié)理交匯部位發(fā)育的壺穴雛形(龍亭溪)Photo.6 Embryonic potholes developed along joints(in Longting Stream)

(2)在平水期，呈低角度流入凹坑內(nèi)的水流受凹坑側(cè)壁阻擋，部分水流產(chǎn)生側(cè)向回流，形成旋轉(zhuǎn)水流，對凹坑側(cè)壁產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)側(cè)蝕。由于地形和水動力條件的改變，降低流水的搬運能力，水流攜帶的部分沙、卵石落入凹坑。被圍陷于凹坑內(nèi)的沙、卵石在旋轉(zhuǎn)水流的帶動下，隨著流水作圓周旋轉(zhuǎn)移動，受離心力作用，向外磨蝕凹坑側(cè)壁；受重力作用向下，磨蝕凹坑底壁。

(3)旋轉(zhuǎn)水流產(chǎn)生的分選作用，使體積較小、重量較輕的沙、小卵石等沉積物隨水流較快速地移動磨蝕凹坑側(cè)壁，對側(cè)壁產(chǎn)生侵蝕作用，凹坑口緣之下的側(cè)壁被較快速地磨圓和擴大；經(jīng)分選聚集于凹坑底部中心位置重量較重的大卵石、滾石等沉積物，隨旋轉(zhuǎn)水流較緩慢地旋轉(zhuǎn)移動、滾動，向下侵蝕、磨蝕凹坑底壁，凹坑逐漸加深。最終在河床上形成了呈盆狀、缸狀或甕狀的空洞——壺穴。

(4)旋轉(zhuǎn)水流(漩渦流)侵蝕及其攜帶沙、卵石旋轉(zhuǎn)磨蝕壺穴側(cè)壁和底壁的能力與旋轉(zhuǎn)水流(漩渦流)的流量、流速成正比，與壺穴的寬度、深度成反比。洪水期，河床水流的流量和流速劇增，沙、卵石的磨蝕作用增強，侵蝕速率隨之提高。隨著壺穴深度的逐漸增加以及由口部至中部直徑的逐漸擴大，旋轉(zhuǎn)水流(漩渦流)的流速減緩，攜帶沙、卵石對壺穴側(cè)壁的侵蝕能力逐漸減弱，旋轉(zhuǎn)流動侵蝕的有效半徑逐漸縮小，壺穴中、下部的直徑亦隨之逐漸縮小。由于流水的侵蝕作用集中于壺底的局部地方，所以常在大壺穴底部形成數(shù)量不等的次級小壺穴。

3 白云山壺穴的類型

根據(jù)水動力條件、流水侵蝕作用方式、壺穴形態(tài)特征及發(fā)育位置，白云山壺穴分類列于表1。

表1 福建白云山壺穴分類

4 壺穴的發(fā)育與演化

白云山壺穴形態(tài)多樣，但相似的河床位置、相同的水動力條件、大致相當(dāng)?shù)陌l(fā)育階段所形成的壺穴則具有相似的形態(tài)，規(guī)律性明顯。因而從野外調(diào)查中所見到的單體壺穴、穿壁壺穴、半壁壺穴、殘壁壺穴、復(fù)合壺穴、槽狀壺穴等基本形態(tài)之中，可以系統(tǒng)地還原、重塑壺穴的發(fā)育、演化過程及其演化序列。壺穴的發(fā)育與演化大致經(jīng)歷發(fā)生期、發(fā)展期與消亡期三個階段(圖4)。

圖4 壺穴發(fā)育、演化序列Fig.4 The developing and evolution series of potholes

4.1 發(fā)生期的壺穴——壺穴雛形

在河床局部收窄、增陡或轉(zhuǎn)彎的河段，水流的流量和流速隨之增加，對河床基巖產(chǎn)生較強的侵蝕作用。在河床基巖相對易受侵蝕的部位，如花崗巖晶洞或節(jié)理、裂隙及其相互交切等部位，形成直徑和深度由數(shù)厘米至十余厘米的次圓形、圓形凹坑，成為壺穴的雛形。

4.2 發(fā)展期的壺穴——盆狀壺穴、缸狀壺穴、甕狀壺穴

壺穴的發(fā)育受眾多因素制約，處于水體中的壺穴，若壺穴體內(nèi)未被沙、卵石以及滾石充填淤塞，經(jīng)流水不斷侵蝕和沙、卵石磨蝕，壺穴的發(fā)育總是朝著擴大、加深的方向發(fā)展。隨著時間的推移，壺穴雛形的側(cè)壁逐漸被侵蝕磨圓、擴大和加深，形成深度較淺、口徑大于深度的盆狀壺穴(照片7)；盆狀壺穴的繼續(xù)擴大、加深，則形成中部直徑大于口徑與底徑、與深度大致相當(dāng)，內(nèi)壁圓弧形，底部淺弧形的缸狀壺穴(照片8)；缸狀壺穴再繼續(xù)發(fā)展，隨著壺穴深度的增加，則形成深度大于中部的直徑，中部直徑大于口徑與底徑的甕狀壺穴(照片9)。

4.3 消亡期

4.3.1 消亡早期的壺穴——穿壁壺穴、凹壁壺穴

(1)發(fā)育于淺灘及岸壁，以及早期發(fā)育于河床邊緣，因河床被侵蝕下切而抬升處于岸壁的缸狀、甕狀壺穴，其臨河床一側(cè)為較陡的坡面，壺穴內(nèi)壁受旋轉(zhuǎn)水流(漩渦流)侵蝕，沙、卵石磨蝕向外擴大、向下加深；壺穴臨河床的外壁受溪流側(cè)蝕以及河道上流水?dāng)y帶的沙、卵石磨蝕，壺穴口部隨岸壁被流水侵蝕呈“V”形坡面而形成傾向河床的斜面。臨河床的底側(cè)壁、側(cè)壁受壺穴內(nèi)外相向的侵蝕作用，逐漸被侵蝕削薄，最終被蝕穿，形成向河道穿洞的底側(cè)壁穿壁壺穴(照片10)；隨著底側(cè)壁穿洞的擴大，側(cè)壁逐漸向上收縮成為半側(cè)壁穿壁壺穴(照片11)、天生橋式穿壁壺穴(照片12)。側(cè)壁被完全蝕穿后，則成為“Ω”形的全側(cè)壁穿壁壺穴(照片13)。

照片7 盆狀壺穴(龍亭溪)Photo.7 Basin-like potholes(in Longting Stream)

照片8 缸狀壺穴(龍亭溪)Photo.8 A crock-like pothole(in Longting Stream)

照片9 甕狀壺穴(蟾溪) Photo.9 The jar-like potholes formed on the steep bank of the river(in Chanxi Stream)

照片10 底側(cè)壁穿壁壺穴(蟾溪)Photo.10 A wall penetrated pothole(in Chanxi Stream)

照片12 天生橋式穿壁壺穴(蟾溪) Photo.12 A wall penetrated pothole (in Chanxi Stream)

(2)發(fā)育于河床上的盆狀、缸狀、甕狀壺穴的壺口部位被流水侵蝕逐漸下凹，形成前壁或前、后壁自上而下不同程度下凹的凹壁壺穴，直至被完全切穿后形成穿壁壺穴。

蟾溪九龍洞“飛天井”為發(fā)育于河床上的前壁，被流水侵蝕下切至壺穴底部的一個特大型的穿壁甕狀壺穴，深度為38 m，底徑為23 m。壺穴內(nèi)壁經(jīng)間歇性逐級下降的流水側(cè)蝕及后期垂直水流沖蝕，形成高度分別為15～10 m、8～6 m和5～4 m三個等級分布的壁龕式次級壺穴的弧形內(nèi)壁。壺底分布8個單體或套疊壺穴，大者直徑為3 m，小者為0.5～0.8 m(照片14)。

照片13 全側(cè)壁穿壁壺穴(蟾溪) Photo.13 A wall penetrated pothole(in Chanxi Stream)

照片14 飛天井(大型甕狀穿壁壺穴) Photo.14 The Feitian Well is a huge wall-penetrated jar-like pothole(in Chanxi Stream)

4.3.2 消亡中期的壺穴——半壁壺穴

發(fā)育于淺灘、岸壁的穿壁壺穴經(jīng)流水侵蝕，壺穴側(cè)壁逐漸向岸壁后退、收縮，形成上部殘留半圓弧形后壁，下部保留深度很淺的圓形壺底的缸狀壺穴、甕狀壺穴(照片15)。

4.3.3 消亡晚期的壺穴——殘壁壺穴

半壁壺穴經(jīng)流水侵蝕，壺穴側(cè)壁進一步向岸壁后退、收縮，僅殘留窄弧形后壁，底部殘留深度很淺的圓形壺底的缸狀、甕狀壺穴(照片16，17)。甚至有些壺穴的壺底也已消失殆盡，僅在岸壁上殘留其窄弧形的后壁(照片18)。

照片15 半壁壺穴(龍亭溪)Photo.15 A wall leftover pothole(in Longting Stream)

照片16 孤石上的殘壁壺穴(蟾溪) Photo.16 The wall leftover potholes(in Chanxi Stream)

照片17 殘壁壺穴(蟾溪)Photo.17 A wall leftover pothole(in Chanxi Stream)

照片18 殘壁壺穴聯(lián)成弧形岸壁(龍亭溪) Photo.18 The wall leftover potholes(in Longting Stream)

綜上所述，單體壺穴的發(fā)育、演化基本上是循著由壺穴雛形(發(fā)生期)→盆狀壺穴→缸狀壺穴→甕狀壺穴(發(fā)展期)→穿壁壺穴、凹壁壺穴(消亡早期)→半壁壺穴→殘壁壺穴(消亡晚期)的方向發(fā)展，直至被流水侵蝕殆盡。在這一過程中，河床的下切為形成穿壁壺穴提供了水流侵蝕作用的空間，并直接形成凹壁壺穴。

當(dāng)壺穴被大量沙、卵石或巨大的滾石充填，阻礙了流水在壺穴內(nèi)的流動，流水對壺穴的侵蝕作用減弱乃至停止，壺穴停止發(fā)育；當(dāng)河床下切、壺穴抬升徹底脫離水體后，成為不再接受流水侵蝕的“遺棄壺穴”，進入風(fēng)化剝蝕期。

5 復(fù)合壺穴的發(fā)育

單體壺穴發(fā)育為復(fù)合壺穴，是一個破舊與造新的發(fā)展過程，后者的發(fā)展常常以前者的消亡為基礎(chǔ)，復(fù)合壺穴的發(fā)育主要有如下幾種方式。

5.1 套疊壺穴

大型盆狀、缸狀和甕狀壺穴中由于水動力條件的不斷改變，流水的侵蝕作用主要集中于壺穴底部局部區(qū)域，形成數(shù)量不等的次級小壺穴，構(gòu)成大壺穴底部套有小壺穴的套疊壺穴(照片19)。

5.2 聯(lián)通壺穴

河床上鄰近的2個或多個缸狀、甕狀壺穴隨壺穴內(nèi)壁擴大、加深，壺穴之間相鄰的側(cè)壁減薄、蝕穿，形成既具各自獨立壺口，壺體又相互貫通的聯(lián)通壺穴(照片20，21)。

5.3 聚合壺穴

聯(lián)通的壺穴口部及側(cè)壁部位被完全蝕穿，使壺口相聯(lián)，則形成由2個或多個單體壺穴的側(cè)壁連成的聚合壺穴。有些聚合壺穴則是由相鄰的壺穴側(cè)壁被流水自上而下侵蝕下凹貫通而成(照片22)。

5.4 串珠壺穴

河床上順?biāo)鞣较蚍植嫉泥徑?個或數(shù)個壺穴，順?biāo)鞣较虻那啊⒑髠?cè)壁經(jīng)流水侵蝕，逐漸下凹形成凹壁壺穴，壺穴相互連接呈“8”字形、啞鈴狀或串珠狀的串珠壺穴(照片23)。串珠壺穴的前、后凹壁被流水全部蝕穿成為穿壁壺穴后，各壺穴的側(cè)壁相連形成具波狀岸壁的槽狀壺穴，成為新的河床，從而降低了河床的高度(照片24)。

照片19 套疊壺穴(首洋溪)Photo.19 A telescoping pothole(in Shouyang Stream)

照片20 聯(lián)通壺穴(龍亭溪) Photo.20 linked potholes(in Longting Stream)

照片21 聯(lián)通壺穴(蟾溪)Photo.21 A linked pothole(in Chanxi Stream)

照片22 聚合壺穴(蟾溪) Photo.22 A assembled pothole(in Chanxi Stream)

照片23 串珠壺穴(蟾溪)Photo.23 The beaded pothole(in Chanxi Stream)

照片24 槽狀壺穴(蟾溪)Photo.24 Trough-like pothole(in Chanxi Stream)

因此，河床上緊密群居的單體壺穴常以聯(lián)通壺穴→聚合壺穴→串珠壺穴→槽狀壺穴的形式演化，直至消亡(圖5)。

圖5 基巖河床單體壺穴、串珠壺穴、槽狀壺穴發(fā)育示意圖Fig.5 The diagram showing in the single pothole development, potholes arranged in a string of bead pothole, trough-shaped pothole development in bedrock river-beda—單體壺穴；b—串珠壺穴；c—槽狀壺穴

6 壺穴的侵蝕速率及形成時間

雖然目前尚無對流水侵蝕以及沙、卵石參與的磨蝕作用對壺穴擴大、加深的侵蝕速率做過具體的測試和相關(guān)資料，但有研究表明，河流侵蝕底面的速率介于1～10 mm/a。若保守地以0.1 mm/a作為壺穴生成的平均侵蝕速率，10 ka的流水侵蝕可侵蝕出深度達1 m的壺穴。蟾溪“飛天井”穿壁甕狀壺穴，深38 m，底部直徑23 m，為白云山地區(qū)大型的壺穴之一，估計形成這樣一個規(guī)模巨大的甕狀壺穴也只需約0.4 Ma。因此，可以推測白云山的河谷壺穴大致為距今0.5 Ma所形成。更早時期形成的河谷壺穴可能已被河流侵蝕、風(fēng)化剝蝕改造得面目全非，或已被剝蝕殆盡。

7 結(jié)論

福建白云山國家地質(zhì)公園數(shù)量龐大、發(fā)育系統(tǒng)、類型齊全的壺穴群，系統(tǒng)地展示了壺穴的發(fā)生、發(fā)展與演化的完整過程，通過以上論述，結(jié)論如下。

(1) 白云山河床壺穴是溪流流水以不同的水動力條件長期侵蝕形成的河床侵蝕地貌，壺穴只發(fā)育于河谷洪水線之下的河床基巖、岸壁以及滾石之上。

(2) 壺穴發(fā)展與演化趨勢是初期朝著加深、擴大的方向發(fā)展，后期則向著殘缺、消亡方向演化。在水動力條件不變，長期、持續(xù)地流水侵蝕，單體壺穴由壺穴雛形→盆狀壺穴→缸狀壺穴→甕狀壺穴→穿壁壺穴(凹壁壺穴)→半壁壺穴→殘壁壺穴，復(fù)合壺穴由套疊壺穴→聯(lián)通壺穴→聚合壺穴→串珠壺穴→槽狀壺穴發(fā)生、發(fā)展和演化。

(3)壺穴的發(fā)育與演化是流水對河床侵蝕作用的方式之一，河床上壺穴的發(fā)展，侵蝕、降低河床高度；河床側(cè)壁上的壺穴發(fā)展，侵蝕、拓展河床寬度。

(4) 河床被流水侵蝕，河床逐漸降低，水位下降，河床下切是形成穿壁壺穴、半壁壺穴、殘壁壺穴的主要因素。

(5) 壺穴是地質(zhì)歷史時期河床地貌發(fā)展過程的產(chǎn)物，可以發(fā)育于不同地質(zhì)時期和不同巖性的基巖河床上，并有著自身的發(fā)生、發(fā)展到消亡的演化過程，而不是某一地質(zhì)時期特殊外動力(如冰川)地質(zhì)作用的一次性的產(chǎn)物。早期流水侵蝕形成的壺穴多數(shù)已被河流侵蝕、風(fēng)化剝蝕改造得面目全非，有的已剝蝕殆盡。

(6)白云山河床壺穴類型與演化序列的建立，有利于了解流水侵蝕作用與壺穴發(fā)生、發(fā)展，以及壺穴發(fā)育與河床演化的關(guān)系。應(yīng)用壺穴發(fā)育演化序列和理論，易于鑒定識別其他河床零星分布的壺穴類型及其所處的發(fā)育演化階段。

1 地質(zhì)礦產(chǎn)部地質(zhì)辭典辦公室．地質(zhì)辭典(一)普通地質(zhì)構(gòu)造地質(zhì)分冊(上冊)．北京：地質(zhì)出版社，1983.

2 曹伯勛.地貌學(xué)及第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)．武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1995.

3 呂洪波，章雨旭.壺穴、鍋穴、冰臼等術(shù)語的辨析與使用建議．地質(zhì)通報，2008，27(6).

4 韓同林.發(fā)現(xiàn)冰臼.北京：華夏出版社，2004.

5 韓同林.駁施雅風(fēng)“冰臼”“負球狀風(fēng)化”成因論．地質(zhì)論評，2010，56(4).

6 施滿堂，俞建長.冰期白云山．北京：地質(zhì)出版社，2009.

7 梁詩經(jīng).福建福安白云山河床侵蝕地貌及成因淺析.福建地質(zhì)，2009，28(3).

8 楊景春，李有利.地貌學(xué)原理.北京：北京大學(xué)出版社，2001.

9 周尚哲.鍋穴一定是第四紀(jì)冰川的標(biāo)志嗎？.第四紀(jì)研究，2006，26(1).