陜西漢中天坑群巖溶地質(zhì)遺跡形成探微

洪增林， 任娟剛， 張遠(yuǎn)海

(1.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西 西安 710065；2.漢中天坑群國際研究基地，陜西 漢中 723100；3.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710072；4.中國地質(zhì)科學(xué)院 巖溶地質(zhì)研究所，廣西 桂林 541004)

2017年6月，任娟剛等[1]在開展巖溶地質(zhì)遺跡調(diào)查工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)了由二疊系、三疊系碳酸鹽巖和一系列斷層、褶皺，以及斷崖、峽谷、石芽、石林、巖溶湖泊、峰叢、洼地、豎井、天坑、溶洞、地下河、巖溶泉等巖溶地質(zhì)遺跡組成的陜西省漢中天坑群，其地質(zhì)遺跡分布面積達(dá)1400 km2。

筆者通過檢索、分析有關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在漢中天坑群發(fā)現(xiàn)之前，僅馬守林[2]、齊矗華等[3]對(duì)西鄉(xiāng)駱家壩、南鄭區(qū)小南海一帶的部分巖溶地質(zhì)遺跡進(jìn)行了初步研究。近年來，隨著漢中天坑群的發(fā)現(xiàn)和報(bào)道[4-5]，眾多學(xué)者通過不同的視角，對(duì)漢中天坑群的價(jià)值、資源潛力、發(fā)育演化、形成條件以及天坑定義的解讀等方面進(jìn)行了研究，認(rèn)為漢中天坑群具有巖溶地質(zhì)遺跡資源的典型性、完整性、稀有性等特征，不但填補(bǔ)了全球這一緯度巖溶地質(zhì)研究的空白，對(duì)全球巖溶地質(zhì)對(duì)比也有重要的科學(xué)意義[6-13]。但漢中天坑群的研究還處于初步研究階段，其學(xué)術(shù)地位與價(jià)值體現(xiàn)相差較遠(yuǎn)，尤其是漢中天坑群的分布及類型特征還沒有精確提煉，對(duì)于其形成演化方面的研究較為欠缺。因此，筆者對(duì)漢中天坑群地質(zhì)遺跡進(jìn)行系統(tǒng)梳理，分析和總結(jié)其特征及形成演化，對(duì)于后期漢中天坑群的保護(hù)與管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理背景

研究區(qū)位于陜西省漢中市漢江南岸、米倉山北麓，范圍在105°30′—108°11′E，32°33′—33°13′N之間(圖1)。研究區(qū)地勢北陡南緩，東部山勢南北走向，其余山勢東西走向，海拔大多位于1500～2000 m之間(最高海拔2534 m)[14]，屬亞高山、中山區(qū)。氣候具明顯季風(fēng)氣候特點(diǎn)，年降雨量超過900 mm[15]。

1-第四系，2-古近系，3-侏羅系，4-三疊系，5-二疊-三疊系，6-二疊系，7-泥盆-石炭系，8-志留系，9-下寒武統(tǒng)-志留系，10-下寒武統(tǒng)-中志留統(tǒng)，11-震旦-志留系，12-燈影組，13-南華-三疊系，14-南華-志留系，15-中元古界-新元古界，16-漢南雜巖，17-二長花崗巖，18-斷層，19-巖溶臺(tái)原區(qū)，20-巖溶地質(zhì)遺跡點(diǎn)。

1.2 地質(zhì)背景

研究區(qū)大地構(gòu)造位置屬華南板塊-揚(yáng)子陸塊北緣[16]，發(fā)育多期次、多類型斷裂、褶皺構(gòu)造[17]。中、西部地區(qū)主構(gòu)造線方向呈北東-南西向，斷裂多淺表層次脆性逆斷層，褶皺多寬緩背、向斜。東部地區(qū)主構(gòu)造線則呈近南北向，斷裂多逆沖和走滑剪切斷層，褶皺多相對(duì)緊閉的背斜褶皺和寬緩的向斜褶皺。地層從太古界至第四系均有分布[18]，古生界二疊系、三疊系是巖溶地質(zhì)遺跡主要發(fā)育地層，巖性為微晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，厚度400～700 m，震旦系、寒武系、奧陶系地層中或多或少夾雜有較純的碳酸鹽巖，也有部分巖溶地質(zhì)遺跡發(fā)育。區(qū)內(nèi)地下水主要賦存于震旦系-三疊系地層中，含水層巖性為各種灰?guī)r、白云巖夾碎屑巖，大氣降水多通過淺表網(wǎng)格狀裂隙，呈樹枝狀入滲匯流，進(jìn)入地下河系統(tǒng)，幾乎無地表流水。

2 巖溶地質(zhì)遺跡類型及分布特征

據(jù)《地質(zhì)遺跡調(diào)查規(guī)范(DZ/T 0303—2017)》，地質(zhì)遺跡是在漫長地質(zhì)歷史演化時(shí)期，由于各種內(nèi)外地質(zhì)作用形成、發(fā)展并遺存下來的，包括基礎(chǔ)地質(zhì)、地貌景觀以及地質(zhì)災(zāi)害在內(nèi)的地質(zhì)現(xiàn)象和行跡。研究區(qū)地質(zhì)遺跡則以地貌景觀類中的巖溶地貌為主，包括斷崖、峽谷、石芽、石林、巖溶湖泊、峰叢、洼地、豎井、天坑等地表巖溶以及溶洞、地下河、巖溶泉等地下巖溶形態(tài)(表1)。研究區(qū)由于斷裂構(gòu)造的發(fā)育和控制，形成了多個(gè)周邊有斷崖環(huán)繞、內(nèi)部分布有一系列較緩峰從洼地的水文地質(zhì)單元，為巖溶臺(tái)原區(qū)。研究區(qū)數(shù)量龐大的地質(zhì)遺跡就分布于寧強(qiáng)禪家?guī)r、南鄭小南海、西鄉(xiāng)駱家壩以及鎮(zhèn)巴三元鎮(zhèn)等4個(gè)巖溶臺(tái)原區(qū)。

3 巖溶地質(zhì)遺跡組合特征

地質(zhì)遺跡組合是指在成因上有聯(lián)系的地質(zhì)遺跡，呈一定的地貌形態(tài)組合形式出現(xiàn)，如天坑與豎井、斷崖與峽谷、峰叢與洼地、石芽與石林、溶洞與地下河等組合形式。通過組合特征分析，從地表巖溶形態(tài)來研究地下巖溶發(fā)育情況，從而了解各個(gè)巖溶發(fā)育階段的特征[19]。

表1 研究區(qū)巖溶地質(zhì)遺跡類型及區(qū)域分布特征

3.1 天坑與豎井組合

天坑是指在碳酸鹽巖地區(qū)形成的、口徑和深度不小于百米、容積上百萬立方米、四周或大部分周壁陡崖環(huán)繞，且與或曾與地下河溶洞相通的特大型漏斗[20]。研究區(qū)共發(fā)現(xiàn)有崩塌、沖蝕及復(fù)合型3種類型的天坑54個(gè)(表2)，幾乎切割了所有地貌形態(tài)，絕大部分的天坑四周絕壁圍繞，形成一個(gè)巨大且神秘的負(fù)地形，底部是一片人類鮮有涉足、罕見的原始森林，生境系統(tǒng)良好[1]。

表2 研究區(qū)天坑實(shí)體與典型天坑特征

圖2 地洞河天坑坑壁跌水 圖3 伯牛天坑俯瞰圖 圖4 暗河天坑俯瞰圖

堅(jiān)井在形態(tài)及其成因上都與天坑無異，只是口徑及深度規(guī)模均小于100 m。例如，南鄭小南海巖溶臺(tái)原區(qū)的天星巖豎井，口部形態(tài)呈近正圓狀(圖6)，最大口徑50 m，周壁陡崖環(huán)繞，底部有地下河發(fā)育(圖7)，滿足天坑定義除規(guī)模外其它標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 圈子崖天坑俯瞰圖 圖6 天星巖豎井俯視圖 圖7 天星巖豎井底部地下河

3.2 斷崖與峽谷組合

斷崖指巖溶臺(tái)原邊緣由陡崖所組成的線狀地貌。研究區(qū)內(nèi)有南鄭龍頭山斷崖、寧強(qiáng)九臺(tái)山斷崖以及西鄉(xiāng)佛頭山斷崖3處，其中龍頭山斷崖位于南鄭小南海巖溶臺(tái)原南西側(cè)，長約3.6 km，延伸走向約為130°，海拔1963～2141 m，垂直高差最大310 m，宏大雄偉，保存程度完好(圖8)。

研究區(qū)峽谷多達(dá)13條，以寧強(qiáng)的溪流河峽谷和南鄭的回龍溝地縫式峽谷最為典型。溪流河峽谷呈“Y”字型，全長約31.8 km，總體走向70°，寬約50～120 m，高約100～300 m，大部分為深“V”形，局部為深“U”形(圖9)，峽谷中有溶洞、石芽、石林等巖溶地貌相伴?；佚垳系乜p式峽谷由季節(jié)性流水順斷裂沖蝕而成，全長約3.45 km，近南北向分布，谷底寬約3～20 m，兩壁高約為130 m，兩壁陡峭(圖10)。

圖9 溪流河峽谷 圖10 回龍溝地縫式峽谷

3.3 峰叢與洼地組合

研究區(qū)峰叢與洼地多分布在巖溶臺(tái)原區(qū)低洼部位，呈波狀起伏，峰叢與洼地相間的地貌景觀。一般峰叢相對(duì)高度多在100～300 m，坡面平緩，坡度20°～30°，丘峰比高約為1∶3，多為圓錐狀。研究區(qū)內(nèi)典型峰叢有南鄭回軍壩峰叢(圖11)和金華寺峰叢(圖12)，以及鎮(zhèn)巴雙河村峰叢、西鄉(xiāng)大河峰叢和大河壩峰叢，峰叢區(qū)常有溶洞、天坑、石芽等巖溶地質(zhì)遺跡發(fā)育。

洼地多呈封閉或半封閉狀，四周多為峰叢包圍，底部平坦，砂泥土覆蓋較厚，土壤完全生草化，植被茂密。若洼地底部的裂隙被淤泥堵塞,就會(huì)積水成湖，成為巖溶湖泊，如鎮(zhèn)巴的星月湖，湖面呈近橢圓形，南北長259 m，東西長108 m，深度大于15 m，是因淤泥堵塞大氣降水入滲通道，日積月累，積水成湖，景色秀麗，具有較高的景觀價(jià)值(圖13)。

圖11 回軍壩峰叢 圖12 金華寺峰叢 圖13 巖溶湖泊-星月湖

3.4 石芽與石林組合

研究區(qū)石芽多分布于洼地和峰叢邊坡，一般高度在1～3 m，多呈塔狀、城堡狀，成片分布構(gòu)成石芽群?？傮w受垂直節(jié)理控制，頂部較平，兩側(cè)切割為陡壁。尤以寧強(qiáng)縣草川子石芽最為壯觀，面積約120 000 m2，高度多在1～5 m(圖14)。

石林以鎮(zhèn)巴縣三元鎮(zhèn)巴山林羅城規(guī)模最大，面積約為2.5 km2，石柱多呈刃脊?fàn)?，高度?0～30 m，窄處僅容一人通行，平均距離在10～30 m(圖15)。

圖14 草川子石芽群 圖15 石林-巴山林羅城

3.5 溶洞與地下河組合

研究區(qū)目前已經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)溶洞316個(gè)，其中長度大于1000 m的有17個(gè)，深度普遍小于50 m。除泥盆系、石炭系和志留系地層外，其它地質(zhì)時(shí)期含碳酸鹽巖地層均有溶洞分布。溶洞總體規(guī)模為中—小型，大都受斷裂與褶皺控制，洞道平直，展布形態(tài)以樹枝狀為主。大致發(fā)育在高程1600 m以上、1200～1600 m、800～1200 m、800 m以下4個(gè)高程區(qū)間，構(gòu)成Ⅰ—Ⅳ共4個(gè)溶洞層，各個(gè)溶洞層間常有豎井連通，垂向呈成層性，水洞、混合型溶洞、化石洞均有發(fā)育，反映了巖溶地質(zhì)遺跡發(fā)育演化的階段性。少數(shù)洞內(nèi)有規(guī)模巨大的溶洞大廳(圖16)和地下湖泊。

溶洞內(nèi)發(fā)育有鵝管、石鐘乳、石筍、石柱等滴石沉積物(圖17)，以及壁流石、水母石、穴盾、石幔、石瀑布、石旗、邊石壩等流石沉積物，也有少量卷曲石、穴珠、紡錘石等非重力水沉積(圖18)。機(jī)械堆積物則以砂礫石、粘土、動(dòng)物糞便為主，生物堆積物在蝙蝠溶洞中常有鳥糞和蝙蝠糞堆積，堆積層厚度不均。另外，包括地洞河天坑底部溶洞在內(nèi)的部分溶洞中還保存有熬銷池遺址(圖19)。

研究區(qū)包括地洞河、祥龍洞、小南海、干河溝、細(xì)辛壩、雙河村以及青崗坪等地的12條地下河，均屬于中小型地下河，流域面積均小于100 km2，長度幾公里至幾十公里不等。地下河以出水洞(圖20)及巖溶泉(圖21)為主要排泄口，其中巖溶泉多以上升泉為主。

圖16 地洞河天坑底部-溶洞大廳 圖17 滴石沉積物 圖18 非重力水沉積-穴珠

圖19 熬銷池遺址 圖20 南鄭龍洞-出水洞 圖21 南鄭冒水塘-巖溶泉

4 巖溶地質(zhì)遺跡成因分析

地質(zhì)遺跡的發(fā)育演化，反映了一個(gè)地區(qū)地質(zhì)內(nèi)外營力相互作用的過程[19]。研究區(qū)的巖溶地質(zhì)遺跡的發(fā)育演化也是如此，它在揚(yáng)子陸塊北緣這一特定的大地構(gòu)造位置，在地層巖性分布、地質(zhì)構(gòu)造條件、水文地質(zhì)條件以及氣候條件等多因素共同作用發(fā)育而成，并得以完整保存[21]。

4.1 巖溶地質(zhì)遺跡發(fā)育的物質(zhì)條件

研究區(qū)二疊紀(jì)以及三疊紀(jì)形成的碳酸鹽巖厚度為400～700 m，不但為巖溶發(fā)育提供了可溶性巖石條件，也保證了研究區(qū)在間歇式隆升、剝蝕過程中，有足夠厚度的碳酸鹽巖來發(fā)育巖溶。同時(shí)，研究區(qū)自白堊紀(jì)末期以來，剝蝕盛行[22]，特別是研究區(qū)大部地區(qū)從中三疊統(tǒng)以來未有物質(zhì)沉積[23]，使得二疊紀(jì)、三疊紀(jì)碳酸鹽巖露出地表的時(shí)間大大縮短。志留系羅惹坪組的碎屑巖則構(gòu)成了區(qū)域隔水層，阻擋了地下水的流出，保證了在上部二疊系、三疊系地層碳酸鹽巖中發(fā)育完整的地下河系統(tǒng)。值得指出的是，在二疊系地層中夾層的砂巖、頁巖、泥巖、硅質(zhì)巖等非可溶巖，形成厚度不均一的不完全隔水層，阻緩了地下水大面積下滲，間接促成了碳酸鹽巖加速溶蝕。

4.2 地質(zhì)構(gòu)造條件控制巖溶地質(zhì)遺跡發(fā)育

喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)期以來的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，在研究區(qū)形成了4個(gè)相對(duì)獨(dú)立的巖溶臺(tái)原區(qū)[21]。斷裂構(gòu)造控制巖溶臺(tái)原的邊界，多形成斷崖；寬緩向斜褶皺形成了洼地等相對(duì)凹陷的負(fù)地形地貌；節(jié)理構(gòu)造發(fā)育的密集地段，形成大氣降水下滲通道；同時(shí)臺(tái)原四周均有溝谷或山峰與非可溶巖相隔，形成了完整的水文地質(zhì)單元，受區(qū)域最低侵蝕基準(zhǔn)面的控制，巖溶水下切過程持續(xù)，巖溶表現(xiàn)出持續(xù)發(fā)育的特征。

4.3 氣候水文條件是巖溶發(fā)育的必要條件

在中新世—上新世或更新世早期，研究區(qū)屬于溫暖帶氣候，地殼運(yùn)動(dòng)也趨于和緩，地表剝蝕作用增強(qiáng)，剝蝕速率加快[24]。至中更新世中期，研究區(qū)溫度升高，降雨量增多，二疊系、三疊系碳酸鹽巖大面積露出地表，大氣降水在斷裂、節(jié)理等構(gòu)造發(fā)育地段，不斷的侵蝕、溶蝕，巖溶發(fā)育達(dá)到高峰，發(fā)育了現(xiàn)今的漢中天坑群中大部分地質(zhì)遺跡。同時(shí)，這一時(shí)期研究區(qū)也未曾遭受第四紀(jì)大冰蓋的影響[25]，地質(zhì)遺跡得以完好保存。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)發(fā)育有斷崖、峽谷、石芽、石林、巖溶湖泊、洼地、峰叢、豎井、天坑等地表巖溶以及溶洞、地下河、巖溶泉等地下巖溶，分布在寧強(qiáng)禪家?guī)r、南鄭小南海、西鄉(xiāng)駱家壩及鎮(zhèn)巴三元鎮(zhèn)等4個(gè)集中區(qū)，分布廣泛、類型齊全。

(2)研究區(qū)是典型的臺(tái)原巖溶區(qū)，分布著天坑與豎井、斷崖與峽谷、峰叢與洼地、石芽與石林等地表巖溶組合，以及溶洞與地下河地下巖溶組合，是完整的巖溶系統(tǒng)，具有較高的景觀價(jià)值。

(3)研究區(qū)巖溶地質(zhì)遺跡的形成演化受大地構(gòu)造背景、地層巖石條件、水文地質(zhì)及氣候條件的控制，反映了巖溶臺(tái)原區(qū)的地質(zhì)歷史和演化階段，具有較高的科學(xué)價(jià)值。

(4)研究區(qū)有著完整的巖溶系統(tǒng)，但由于位置較偏僻，大部地區(qū)交通不便，知名度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于以峰叢、石林、天坑等著稱的廣西、云南、重慶等地，學(xué)術(shù)研究程度也較低，后期還有待加強(qiáng)系統(tǒng)研究。