米倉山南麓旺蒼地區(qū)地貌類型及成因機制

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 四川 成都 610059)

一、研究背景

米倉山地區(qū)位于四川盆地和川北山地之間的界線附近，為秦嶺山系廣義大巴山的一段。其中紫陽縣任河以西稱米倉山,以東為狹義大巴山。旺蒼地區(qū)位于米倉山南麓，在地理上屬于南方地區(qū)，發(fā)育有大量的典型的南方亞熱帶巖溶地貌。在之前資料中我們得知到，米倉山山體主要的基巖為巖漿巖，其中又以中——酸性巖為主，其代表為花崗巖。同時，巖溶地貌的形成，碳酸鹽巖是必不可少的，經(jīng)差異風(fēng)化形成該種地貌，表明該地區(qū)巖性種類至少不止一種。這就說明，在米倉山形成過程中，沉積環(huán)境發(fā)生了變化，山地成型之后，又受到不同作用的影響，造成差異風(fēng)化，最終形成旺蒼地區(qū)的巖溶地貌。

二、地貌及其特征

米倉山南麓旺蒼地區(qū)發(fā)育有大量的典型的南方亞熱帶巖溶地貌，巖溶區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖性、巖相變化大，地塊切割較深，溶蝕地貌和堆積地貌十分發(fā)育。其典型類型如下：

(一)地表巖溶地貌

1.溶溝——石芽：這是較為常見的裸露型巖溶地貌，主要分布在山坡——山麓地帶。石芽呈現(xiàn)處似饅頭狀突起和長條狀突起。其中，長條狀突起的長軸延伸方向與坡向近乎平行。溶溝初始時期沿巖層面或這是構(gòu)造裂隙發(fā)育，后期經(jīng)過改造，部分沿地表水流發(fā)育，寬度差異較大。溶溝——石芽之間構(gòu)成網(wǎng)格狀。(如圖2—1)

2.峰叢——溶蝕洼地：該種地貌主要分布于本區(qū)地勢相對平緩的巖溶臺地上，封頂?shù)母叱梯^高，巖性的層面清晰，層狀地貌明顯，主要的巖性為二疊系、三疊系的灰?guī)r及少部分的寒武系的灰質(zhì)白云巖和奧陶系泥質(zhì)灰?guī)r。峰叢基部相連，融峰呈現(xiàn)出圓錐狀。峰叢之間存在大小不同、形態(tài)各異的溶蝕洼地，它們在平面形態(tài)上呈近圓形和橢圓形，在區(qū)域上呈串珠狀分布在巖溶臺地上。洼地中發(fā)育落水洞和溶蝕漏斗等，底部覆蓋有溶蝕殘余物和流水沉積物。(如圖2—2)

3.巖溶峽谷：本區(qū)的巖溶峽谷主要分布在研究區(qū)的北部，峽谷兩側(cè)山體高程較高、峽谷寬度較窄，切割深度較深。峽谷兩岸緊束，山勢陡峭，為懸崖絕壁。在岸坡處碳酸鹽巖溶蝕微弱，形成著名的七里鄉(xiāng)、蒼王峽風(fēng)景區(qū)。在五權(quán)以西，高陽以北一帶，岸坡的碳酸鹽巖溶蝕強烈，地表巖溶主要為溶蝕裂隙、落水洞等，溶洞暗河及伏流發(fā)育，局部形成脈狀管道系統(tǒng)。(如圖2—3)

圖2—1 溶溝與石芽 圖2—2 峰叢

圖2—3 旺蒼巖溶峽谷 圖2—4 旺蒼地下溶洞

(二)地下巖溶地貌

地下溶洞：溶洞主要分布于現(xiàn)代河谷兩岸和巖溶臺地上洼地底部，呈層狀，表現(xiàn)出廊道和管道組合式的化石洞穴。洞內(nèi)的次生化學(xué)沉積豐富，發(fā)育有滴水形成的方解石堆積，形成石鐘乳、石筍、石柱等堆積地貌。部分巖溶洞口附近發(fā)育有疏松多孔、成層性好、可見清晰曾層理的鈣化堆積。溶洞中有重力崩塌作用在洞穴和裂隙中形成的碎屑堆積物，磨圓度低，分選性差，為灰?guī)r角礫。(如圖2—4)

三、地貌特征影響因素

(一)構(gòu)造作用的影響

廣義上的米倉山地區(qū)包括了米倉山逆沖推覆帶，它位于揚子克拉通基底的北緣，介于四川盆地和南秦嶺造山帶之間，是沉積盆地和造山帶之間的耦合部。米倉山西鄰龍門山造山帶，東抵大巴山弧形推覆造山帶，區(qū)內(nèi)為北東東——北東向的大斷裂分為漢南隆起和米倉山隆起，主體構(gòu)造走向近東西向，在其東段轉(zhuǎn)向為北東向。米倉山的大地構(gòu)造位置特殊，處于多個構(gòu)造單元結(jié)合部位，地質(zhì)發(fā)展歷史和現(xiàn)在的地質(zhì)構(gòu)造面貌也受這些地質(zhì)構(gòu)造單元多期次不同程度的作用和影響。

旺蒼地區(qū)位于四川盆地和米倉山?jīng)_斷帶之間的界線附近，在地貌上是處于盆地與山地交匯處附近。

據(jù)資料顯示，該處的斷層中存在嚴(yán)重的擠壓破碎現(xiàn)象，存在大量構(gòu)造角礫巖，以逆沖斷層為主，少部分為正斷層；此外，在斷層的周圍，褶皺十分發(fā)育。綜合估計，該地區(qū)曾經(jīng)受過強烈的擠壓作用，推測發(fā)生過擠壓造山運動。在逆斷層附近存在著規(guī)模大小不等的和形成時間不等的剪節(jié)理。斷裂構(gòu)造帶的巖石破碎，以斷層角礫巖為主，后期填充物不致密，連通性好。此外，在局部張性應(yīng)力的作用下，形成了為數(shù)不多的正斷層，在正斷層上盤發(fā)現(xiàn)了十分密集的張性節(jié)理。

在褶皺方面，研究區(qū)內(nèi)的沉積巖具有典型的平行層理，在巖層擠壓彎曲時，由于各層彎曲程度不同，樞紐處易產(chǎn)生虛脫現(xiàn)象，產(chǎn)生一定的空隙，且節(jié)理發(fā)育。

以上這些現(xiàn)象，意味著構(gòu)造運動對巖溶地貌形成的作用可以列舉為兩個方面：

第一方面是構(gòu)造作用使得巖石破碎，進(jìn)而使巖石與地下水、地表水及其他的可以對巖層起到風(fēng)化作用的外界物質(zhì)的接觸表面積。

第二方面是構(gòu)造帶由于疏松多孔，所以是常常是地下水良好的滲透帶。

(二)巖石特征的影響

1.巖石的成分

研究區(qū)內(nèi)可溶的巖石主要是碳酸鹽巖，研究區(qū)內(nèi)，以碳酸鹽巖為主的地層分布十分廣泛，厚度近2千米。碳酸鹽巖的礦物成分中，由石灰?guī)r溶解度最高，在石灰?guī)r大量出露的區(qū)域內(nèi)，巖溶地貌也最發(fā)育；而白云巖溶解度較小，巖溶地貌發(fā)育差。同時，在同種類型的碳酸鹽巖中，泥質(zhì)成分和硅質(zhì)成分含量越高，巖溶地貌發(fā)育程度就越差。一般碳酸鹽巖中各類巖石的可溶性從大到小依次為：灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r>灰質(zhì)白云巖>白云巖>硅質(zhì)灰?guī)r>泥質(zhì)灰?guī)r。

2.巖石的結(jié)構(gòu)

巖石的結(jié)構(gòu)影響主要在于礦物顆粒和孔隙度兩個方面。

在結(jié)構(gòu)因素方面，碳酸鹽巖礦物顆粒的粒徑越小，其與水流的接觸表面積就會變得越大，巖石的相對溶解速度就會越快，這有利于巖溶作用的進(jìn)行；反之則溶解速度會變慢，就容易阻礙了巖溶作用的發(fā)展。

同理，碳酸鹽巖內(nèi)部礦物顆粒之間的孔隙度越大，水流就越發(fā)地容易進(jìn)入巖石內(nèi)部和礦物顆粒之間，就能夠更容易地使巖石發(fā)生溶解，該地區(qū)就更容易形成巖溶地貌；反之，當(dāng)巖石中礦物顆粒之間十分緊湊，孔隙度較為細(xì)小的時候，巖石的溶解度反而不高，巖溶作用效果不明顯。

(三)流水作用的影響

1.流水的溶蝕作用

在巖溶地貌的形成過程中，二氧化碳的存在起到了至關(guān)重要的作用。首先，能夠形成巖溶地貌的巖石巖性主要為碳酸鹽巖，而其中又尤以石灰?guī)r為主，石灰?guī)r的化學(xué)成分主要為碳酸鈣CaCO3。在地下水和地表水的運移過程中，大氣中的二氧化碳與水結(jié)合形成碳酸H2CO3，即：CO2+H2OH2CO3。該反應(yīng)為一個可逆反應(yīng)，很顯然碳酸的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，容易再次分解為水和二氧化碳，但通過電離反應(yīng)也使得水中的氫離子H+含量大量增加，

即：H2CO3H++HCO3-。水中的氫離子含量增加，伴隨碳酸氫根也逐漸增多，氫離子與碳酸鈣反應(yīng)，碳酸鈣溶解，這就生成了碳酸氫鈣，即：H++CaCO3=HCO3-+Ca2+。

在化學(xué)反應(yīng)中，在當(dāng)大氣中二氧化碳的含量增大時，反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，碳酸含量明顯增加，進(jìn)而又推動反應(yīng)向正方向進(jìn)行，最終，碳酸鈣被大量反應(yīng)而溶解，巖溶地貌發(fā)育。

綜上所述，在流水的作用下，巖溶地貌發(fā)育程度與二氧化碳含量呈正相關(guān)，二氧化碳含量越高，巖溶地貌發(fā)育程度就越高，反之，則發(fā)育程度就越低。

2.流水的流動作用

水的流動性對巖溶地貌的發(fā)育程度也具有一定的影響，其流動性越高，影響的程度就越大，巖溶地貌也就越發(fā)育。這是因為流動的水可以使水中的二氧化碳得到及時的補充，增大其對巖石進(jìn)行溶蝕的效果；同時，流動的水能帶動水底的砂、礫等碎屑成分對巖石進(jìn)行機械侵蝕，這樣更有利于巖溶作用的深入。

(四)氣候的影響

1.溫度

溫度與水中二氧化碳的含量多少之間呈反比關(guān)系，當(dāng)溫度較高的時候，大氣中的明顯減少，反之則二氧化碳含量較多。雖然如此，但另一方面，在水分子的電離反應(yīng)H2OH++OH-中，溫度的上升能使反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，從而使水中的氫離子增多，溶解以碳酸鹽礦物為主的巖石的能力加強，更有利于形成溶蝕效果。

2.大氣壓強

大氣壓強對巖溶地貌的影響主要在于對二氧化碳濃度的控制，在溫度等其他條件相同的情況下，氣壓越高，水中的二氧化碳含量就越高，巖石的溶解度也就越大；反之，氣壓越低，二氧化碳的含量會隨之降低，巖溶效果就越不明顯。

3.大氣降水

大氣中降水量的多少是影響巖石溶解速度的主要因素，因為水和可溶性巖石是喀斯特作用的兩個必不可少的基本條件。當(dāng)降水量充足的時候，水的循環(huán)加快，水分得到不斷的補充，延長增加溶解不飽和的時間，使得溶解作用得以不間斷地持續(xù)進(jìn)行著，所以，在這種情況下，喀斯特作用強，巖溶地貌就十分發(fā)育；反之，在干旱的地區(qū)，降水量不夠充足，則喀斯特作用弱，巖溶地貌并不發(fā)育。

四、結(jié)論

第一，在早中生代時期，南北中國陸塊碰撞導(dǎo)致秦嶺洋最終閉合消亡，巖石沉積環(huán)境由海相環(huán)境逐步變?yōu)殛懴喹h(huán)境，沉積巖石的巖性逐漸由碳酸鹽巖轉(zhuǎn)化為陸源碎屑巖。在以碎屑巖為主的區(qū)域內(nèi)，碎屑巖溶解度低，溶蝕作用較為微弱；反之，在碳酸鹽巖較多的區(qū)域中，則溶蝕作用十分明顯，巖溶地貌更加發(fā)育。碳酸鹽巖類型多種多樣，又以石灰?guī)r和白云巖為主。并且，不同種類之間其溶解性也存在著差異，伴隨該地區(qū)還存在在碳酸鹽巖沉積之前早已沉積并且成巖的溶解性極低的陸源碎屑巖，故產(chǎn)生了差異風(fēng)化，造成了巖溶地貌的形成和發(fā)育。

第二，斷裂帶和褶皺等構(gòu)造表明研究區(qū)曾經(jīng)經(jīng)受過較為強烈的構(gòu)造運動的作用。由于構(gòu)造作用的影響，在斷裂處和褶皺處的巖石破碎程度較高，且存在壓力和張力作用下形成的各類張性或剪性節(jié)理，這些構(gòu)造特征都或多或少地增大了巖石表面與水流接觸的表面積，從而也增大了溶蝕作用規(guī)模，促進(jìn)溶蝕地貌的發(fā)育。

第三，在氣候上，由于該地區(qū)在地理上屬于中國的南方，所以氣候特征為亞熱帶季風(fēng)氣候。受季風(fēng)的影響，研究區(qū)氣候較溫暖、潮濕，降水量足，為巖溶地貌的形成提供了介質(zhì)基礎(chǔ)。同時，受大氣壓強的影響，大氣中二氧化碳含量和濃度高，容易形成碳酸，對成分以碳酸鈣為主的石灰?guī)r存在程度非常高的溶蝕作用。