陜西漢中天坑群研究的系統(tǒng)方法思考

洪增林，薛旭平，李新林

(1.陜西省地質調查院，陜西 西安 710054； 2.長安大學 地球科學與資源學院，陜西 西安 710054；3.陜西省水工環(huán)地質調查中心，陜西 西安 710054)

0 引 言

陜西漢中天坑群位于中國32°N～33°N濕潤熱帶—亞熱帶最北端，同時也是國內最高緯度的大型天坑群，被《中國國家地理》評價為“21世紀地理大發(fā)現(xiàn)”。陜西漢中天坑群具備世界地質公園和世界自然遺產地資源稟賦，是世界天坑地質遺跡研究的自然博物館和天然實驗室[1-2]。近年來，通過電視專題片及景觀畫冊等科普宣傳，提高了社會對漢中天坑群的認知程度和所在地區(qū)的知名度，有效普及了巖溶地質的科學知識。

陜西漢中天坑群的調查研究目前已經(jīng)取得了一系列豐碩的成果[3]。該天坑群位于揚子陸塊北緣，北鄰漢中盆地和秦嶺造山帶，南與川中隆起帶相依，為深化揚子陸塊的地質構造提供了天然實驗研究場所。在中國亞熱帶最北端，科學認定并探測的漢中天坑群填補了世界32°N～33°N天坑巖溶地質研究的空白，達到了世界級地質遺跡的標準。陳清敏等通過高精度宇宙核素10Be/26Al埋藏定年，在大佛洞和羅漢洞獲取兩組石英礫石樣品在埋藏前的流域侵蝕速率，分別為(156.5±73.4)m·Ma-1和(138.9±76.5)m·Ma-1[4-6]，初步限定了漢中南鄭地區(qū)小南海一帶在早更新世中期發(fā)育巖溶洞穴，同時提出了小南海天坑群“內源水窗式”巖溶演化的新模式。漢中天坑群已發(fā)現(xiàn)3種新分布物種，分別為回龍溝地縫的城口馬藍(PteracanthusFlexus)、中華眼鏡蛇(NajaAtra)及伯牛天坑的小果十大功勞(MahoniaBodinieri)，鑒定了4種國家一級保護動植物和50種二級保護動植物。漢中天坑群的綜合研究對保護南水北調水源地、維護國家生態(tài)安全、推進地學科普教育、推進當?shù)芈糜螛I(yè)發(fā)展以及推動陜南地區(qū)脫貧攻堅等具有重要的現(xiàn)實意義。

本文以陜西漢中天坑群生成演化機理為出發(fā)點，以加強漢中天坑群生命共同體的綜合治理和保護為目的，以系統(tǒng)工程方法為指導，探討了漢中天坑群的系統(tǒng)構成要素，然后以6個子系統(tǒng)為基礎，建立了漢中天坑群的科學體系，同時明確了漢中天坑群今后以保護開發(fā)為目的的研究方向，為下一步漢中天坑群相關研究提供科學依據(jù)。

1 系統(tǒng)構成要素

針對陜西漢中天坑群的詳細調查、深入研究以及保護利用已陸續(xù)開展，然而目前尚無完善的綜合調查研究系統(tǒng)方法。本文依據(jù)漢中天坑群科學考察實踐，結合秦巴山脈自然地理狀況，運用系統(tǒng)工程方法進行探討及研究，以期為漢中天坑群的綜合調查研究提供系統(tǒng)方法體系。

對陜西漢中天坑群的認知及實踐是一個復雜的系統(tǒng)工程，需要按照復雜性理論、協(xié)同理論、自組織理論的基本原理，構建具有系統(tǒng)性、科學性、應用性的綜合研究系統(tǒng)。從宏觀層面來看，陜西漢中天坑群的認知及實踐包含了對天坑群的綜合研究與保護利用兩個方面；具體來講，又包括地球科學系統(tǒng)內的多學科體系研究、地質遺跡資料構成研究、生態(tài)美學研究、生成機理研究、生命共同體綜合治理研究以及保護利用研究等6個方面。相應地，漢中天坑群綜合調查研究系統(tǒng)也包含6個子系統(tǒng)(圖1)。

2 子系統(tǒng)分析

2.1 地球科學系統(tǒng)內的多學科體系研究

圖1 陜西漢中天坑群綜合調查研究系統(tǒng)構成要素Fig.1 Components of the Comprehensive Research System of Hanzhong Tiankeng Group in Shaanxi

陜西漢中天坑群是大自然賦予人類的寶貴財富，具備世界地質公園和世界自然遺產地資源稟賦，在構造地質學、巖溶水文地質學、地貌學、景觀生態(tài)學、生物地理學、旅游地理學、環(huán)境地理學等方面具有顯著的科研價值。漢中天坑群的綜合研究是一項系統(tǒng)工程，應該圍繞地球科學系統(tǒng)，不斷深化各個二級學科子系統(tǒng)的研究，通過多學科體系的齊頭并進，深化研究、積累成果、培養(yǎng)人才、指導實踐。在構造地質學研究方面，將開展區(qū)域碳酸鹽巖分布及其特征研究、新生代秦巴地區(qū)地殼演化發(fā)展史等專題工作，進一步查明天坑分布區(qū)域地質背景和演化規(guī)律；在巖溶水文地質學研究方面，將開展1∶50 000水文地質調查，采用地下水示蹤法開展水系連通狀態(tài)調查研究，查明地下水系分布狀態(tài)及巖溶區(qū)碳酸鹽巖溶解和沉淀規(guī)律；在地貌學研究方面，將采用遙感、人工智能和實地測量方法，調查天坑分布區(qū)的地形地貌特征，研究生態(tài)環(huán)境變化規(guī)律，分析中國南方、北方乃至全球古地理環(huán)境以及氣候變化規(guī)律；在景觀生態(tài)學研究方面，將部署自然景觀調查工作，調查區(qū)域內自然景觀種類、組成及成分特征，研究景觀內部結構，解釋自然景觀現(xiàn)象，探討其生態(tài)美學價值[7-9]；在生物地理學研究方面，將開展生物綜合調查工作，包括植物、動物以及微生物調查，研究區(qū)域內生物群落及其組成成分，研究在天坑“庇護所”特定區(qū)域內稀有動植物和微生物的種類特性，查明生物在時間和空間上的分布規(guī)律；在旅游地理學研究方面，將開展旅游資源調查評價工作，研究旅行游覽與當?shù)氐乩憝h(huán)境的關系，同時研究區(qū)域內自然資源、人文資源、鄉(xiāng)土風情、發(fā)展基礎等對旅游業(yè)發(fā)展的影響，確定旅游形態(tài)及其經(jīng)濟價值；在環(huán)境地理學研究方面，將開展區(qū)域內環(huán)境評價工作，以人-地系統(tǒng)為主要研究對象，重點探討區(qū)域內地理環(huán)境的發(fā)生發(fā)展、組成結構、調節(jié)控制及改造利用。

2.2 地質遺跡資源構成研究

陜西漢中天坑群擁有完善的巖溶系統(tǒng)，也是巖溶地貌景觀的綜合系統(tǒng)，包括天坑、漏斗、豎井、溶洞、石林、峽谷及其他地質遺跡。依據(jù)空間位態(tài)的表現(xiàn)形式，漢中天坑群巖溶地貌景觀可分為地表巖溶(天坑、石林、峰叢等)和地下巖溶(溶洞、地下河等)。地表巖溶和地下巖溶是在物質組成、構造、水動力及氣候環(huán)境等綜合因素作用下，在不同空間位置形成的不同巖溶形態(tài)的相互聯(lián)系、相互依存的統(tǒng)一整體。

天坑群地質遺跡資源是一個完整的自然應力作用系統(tǒng)，其形成的地質、構造、水文、生物、地理等條件和演化歷史既相互聯(lián)系，互為前提或基礎，又獨立作用，以自身體系規(guī)律控制地質遺跡的生成、演化，在調查研究中不宜將各種類型的地質遺跡資源人為割裂，應按照系統(tǒng)科學的基本原理方法，在查明各類遺跡特征基礎上，進一步充分調查研究各種地質遺跡資源之間的相互聯(lián)系和影響機制，助推調查研究的深入拓展。

2.3 生態(tài)美學研究

陜西漢中天坑群分布區(qū)內地質遺跡數(shù)量多、類型豐富、景觀層次性分明，是隱藏在秦巴山脈中部的生態(tài)景觀明珠，天坑、溶洞、峰叢、石林、湖泊、斷崖、峽谷、地縫、瀑布、石芽等眾多地質遺跡分布于漢中大巴山自西向東超過200 km的范圍內。漢中天坑群在復雜的地質構造環(huán)境下，經(jīng)歷漫長地質演化持續(xù)發(fā)育，呈現(xiàn)出類型眾多、形態(tài)典型、相互配套、美學價值極高的地質遺跡景觀。宏偉、壯觀、典型、完整的巖溶地貌系統(tǒng)，地面與地下景觀相結合的多層次游覽空間，“稀、奇、峻、雄、險、秀、奧、幽、迷”的風景特色，構成漢中天坑群多樣的組合形式[10-12]。根據(jù)其組合形式，漢中天坑群生態(tài)美學研究子系統(tǒng)包含地貌及構造景觀、稀有動植物、巖溶洞穴景觀、氣象及時空美學等4個方面。

2.3.1 地貌及構造景觀

區(qū)域內既有高原臺地，又有深切峽谷，同時伴有十里干溝地縫，天坑與瀑布、峽谷與溪流交相輝映。區(qū)域內的回龍溝地縫、白天河峽谷以及干溝大峽谷形態(tài)典型，切割深度大，陡崖綿延長，峽谷兩岸的谷坡和分水地帶有著層狀分布且連續(xù)延展的懸崖[13-15]。對地貌及構造景觀的進一步研究是在全面調查區(qū)域地貌景觀的基礎上，編繪漢中天坑群地貌及構造景觀宣傳短片和科普圖冊。

2.3.2 稀有動植物

漢中天坑群靠近世界生物自然基因寶庫——秦嶺，同時天坑群底部的大面積原始森林保留了與天坑之外不同的生態(tài)系統(tǒng)，為一些特殊生物的生長發(fā)育提供了必要的環(huán)境條件，極大地增加了秦巴山脈中動植物體系的豐富性、復雜性和獨特性。例如，回龍溝地縫的城口馬藍、中華眼鏡蛇及伯牛天坑的小果十大功勞均屬陜西省新記錄物種；同時發(fā)現(xiàn)國家一級保護植物紅豆杉和蕙蘭，國家一級重點保護野生動物金雕、林麝，國家二級保護植物28種，國家二級重點保護野生動物22種。由此可見，繼續(xù)深入開展?jié)h中天坑群區(qū)域生物調查并編制漢中天坑群生物多樣性研究專題報告十分必要。

2.3.3 巖溶洞穴景觀

漢中天坑群存在獨特的巖溶水動力系統(tǒng)，經(jīng)過長時間的侵蝕、溶蝕作用，形成了系列巖溶洞穴。截至目前，在漢中天坑群共發(fā)現(xiàn)溶洞316處，溶洞與地下暗河水石輝映，洞穴內部發(fā)育多種化學沉積物。在漢中南鄭地區(qū)小南海大佛洞、漢中鎮(zhèn)巴地區(qū)三元金珠洞以及其他洞穴中發(fā)現(xiàn)大量的石鐘乳、石筍、石柱等，這些碳酸鈣沉積物形態(tài)豐富，觀賞價值很高。第四次中國-捷克漢中天坑群洞穴聯(lián)合科考在天星崖洞新發(fā)現(xiàn)一處超大規(guī)模洞穴大廳，長約300 m，寬約100 m，最大高差大于50 m。漢中天坑群內眾多尚未被探查的洞穴中很可能還有更好的珍品，有待進一步對區(qū)域內所有溶洞開展景觀調查評價工作。

2.3.4 氣象及時空美學

漢中天坑群雨后水汽蒸騰，臺地邊緣被云海包攏。冬末春初，高原臺面上白雪覆蓋，積雪厚度為30～40 cm；春末夏初，雪消花開，高山杜鵑開放在高山臺地之巔；夏末秋初，米倉山脈間彩林綠景美不勝收；秋末冬初，山坡披上銀裝，冰柱掛滿山體崖壁，溝底植被蔥郁。在該區(qū)域要進一步加強小氣候研究，準確把握區(qū)域內氣候規(guī)律及四季景觀變化規(guī)律。

2.4 生成機理研究

漢中天坑群的形成是一個十分復雜且漫長的過程，涉及地質背景、演化過程和保存條件等，時間跨度近300 Ma。漢中天坑群生成機理研究主要涉及地質構造、水文動力、地球化學、氣候環(huán)境等4個方面：①開展?jié)h中天坑群分布區(qū)地質背景研究(圖2)，查清區(qū)域內地層、巖石、構造等地質條件，通過高精度宇宙成因核素定年研究漢中天坑群巖溶生態(tài)景觀演化階段；②通過研發(fā)高精度自動化探測設備，實現(xiàn)對漢中天坑群地下暗河系統(tǒng)、水系分布、水質狀況特征及演化規(guī)律等的研究[16-17]；③研究碳酸鹽巖溶解、搬運、沉積過程，動態(tài)監(jiān)測漢中天坑群區(qū)域不同條件下碳酸鹽巖溶蝕速率；④通過巖溶洞穴石筍高精度U系定年及高分辨率C、O同位素分析，重建漢中天坑群巖溶洞穴景觀形成過程中古氣候、古環(huán)境變化序列，研究區(qū)域古氣候變化規(guī)律[18]。

2.5 生命共同體綜合治理研究

按照國家自然資源管理體制改革要求，整合現(xiàn)有分散的自然資源治理手段，推進“山水林田湖草”生命共同體綜合治理[19]。在漢中天坑群調查研究過程中，應以天坑群地質遺跡資源為核心，將所有的自然資源納入系統(tǒng)調查范疇，推進區(qū)域生命共同體綜合治理研究，著力構建以“天坑為心、山脈為骨、水系為脈、林草為表、動物為靈”的秦巴山脈自然資源生態(tài)安全體系。

具體來講，就是要建立漢中天坑群自然資源調查系統(tǒng)，全面調查區(qū)域天坑地貌、水文資源、土壤資源、植物資源、動物資源等。重點調查巖溶地貌的個體形態(tài)和組合特征，總結巖溶地貌總體特征、空間展布及演化規(guī)律，對其自然屬性(即科學性、觀賞性、完整性、典型性、稀有性)進行綜合評價[20]；重點調查地表及地下水體分布狀況及徑流特征，并查明區(qū)域水資源賦存總量及水質安全；重點調查漢中天坑群區(qū)域內土壤類型、質量及分布特征，研究其元素遷移規(guī)律，預測水土流失和石漠化發(fā)展趨勢；重點調查漢中天坑群內動植物的種群、分布、數(shù)量，研究其保護措施，提出生物保護規(guī)劃建議。

圖2 漢中天坑群區(qū)域地質簡圖Fig.2 Regional Geological Sketch Map of Hanzhong Tiankeng Group

2.6 保護利用研究

漢中天坑群的保護利用對于社會經(jīng)濟發(fā)展至為重要，是一項需要深入研究的系統(tǒng)工程。必須堅持注重公平效率、強調永續(xù)利用，堅持生態(tài)倫理思想、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟基本原則，深入領會“五大發(fā)展”理念和“兩山”理論，秉承人與自然和諧共生的生態(tài)觀，堅持“在保護中利用，在利用中保護”。在漢中天坑群保護利用研究中，還涉及經(jīng)濟社會、科技創(chuàng)新、人文思想、鄉(xiāng)土觀念等方面，要充分考慮經(jīng)濟、社會、人口、科技、環(huán)境、地質遺跡資源等構成要素，按照復雜性理論及新經(jīng)濟地理學理論基本方法妥善處理好各方面之間的關系，實現(xiàn)漢中天坑群保護利用研究的協(xié)調有序和整體優(yōu)化。漢中天坑群保護利用研究以系統(tǒng)科學體系及綜合集成方法為技術支撐，通過管理組織集成、階段集成、信息集成及目標集成，形成從定性到定量的綜合研究體系(圖3)。

3 結 語

(1)陜西漢中天坑群的綜合研究是一個復雜的系統(tǒng)工程，應著眼于其綜合認知與實踐，按照復雜性理論、協(xié)同理論、自組織理論的基本原理，構建具有系統(tǒng)性、科學性、應用性的綜合調查研究系統(tǒng)。

(2)漢中天坑群綜合調查研究系統(tǒng)包括地球科學系統(tǒng)內的多學科體系研究、地質遺跡資源構成研究、生態(tài)美學研究、生成機理研究、生命共同體綜合治理研究以及保護利用研究等6個子系統(tǒng)。

(3)漢中天坑群的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)引起了全球新一輪的“天坑熱潮”，隨著漢中天坑群調查研究的不斷深入，將極大地豐富和完善中國乃至世界巖溶地質的研究。

“五大發(fā)展”理念是指創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享的發(fā)展理念；“兩山”理論是指綠水青山就是金山銀山的保護理論圖3 陜西漢中天坑群保護利用研究系統(tǒng)工程Fig.3 System Project of the Research on Protection and Utilization of Hanzhong Tiankeng Group in Shaanxi

(4)漢中天坑群與當?shù)刎S富的人文歷史及紅色旅游資源交相輝映，形成了完整的資源配置格局，具備觀光游覽、科學研究、科普教學等多種功能。漢中天坑群的科學開發(fā)利用將成為新時期助力當?shù)亍懊撠毠浴钡闹匾獙嵺`。