陜西鎮(zhèn)巴三元天坑群巖溶地質(zhì)遺跡特征及成因

任娟剛，洪增林,3，唐力，王鵬，王研，張靜，崔娜

陜西鎮(zhèn)巴三元天坑群巖溶地質(zhì)遺跡特征及成因

任娟剛1,2，洪增林1,2,3，唐力1,2，王鵬1,2，王研1,2，張靜4，崔娜1,2

（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.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安，710054；4.陜西理工大學(xué)歷史文化與旅游學(xué)院，陜西 漢中 723001；）

漢中鎮(zhèn)巴三元天坑群是我國濕潤熱帶—亞熱帶發(fā)現(xiàn)的最北端巖溶天坑群，由4個相對獨立的巖溶系統(tǒng)構(gòu)成。本文總結(jié)和整理了陜西寧強(qiáng)禪家?guī)r天坑群地質(zhì)遺跡分布特點，分析地質(zhì)遺跡的基本特征及形成原因，分析巖溶形成演化機(jī)理。研究表明：該區(qū)天坑多數(shù)發(fā)育在山脊或山頂上，具退化天坑特征。

地質(zhì)遺跡；三元天坑群；成因分析；陜西鎮(zhèn)巴縣

在我國32°～33°N濕潤熱帶-亞熱帶最北端發(fā)現(xiàn)的漢中天坑群是發(fā)育在揚(yáng)子陸塊北緣的巖溶地貌，。其中，鎮(zhèn)巴三元天坑群由4個相對獨立的喀斯特系統(tǒng)之一，面積約133km2，發(fā)育有天坑、豎井、峽谷、溶洞、地下河、洼地、石林、石芽等類型，其中天坑、溶洞呈群集中分布，具有較高科學(xué)研究價值和景觀價值。通過對研究區(qū)巖溶地質(zhì)遺跡的實地勘查和綜合研究，可探究該區(qū)的地質(zhì)演化，有助于區(qū)域地質(zhì)遺跡資源保護(hù)與利用。

圖 1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)遺跡分布圖

1.可溶巖；2.半可溶巖；3.非可溶巖；4.三疊系大冶組、嘉陵江組；5.二疊系梁山組、陽新組、吳家坪組；6.上泥盆統(tǒng)鐵礦梁組、蟠龍山組；7.奧陶系-志留系龍馬溪組、新灘組、羅惹坪組；8.下-中奧陶統(tǒng)寶塔組；9.下奧陶統(tǒng)大灣組；10.下寒武統(tǒng)石龍洞組、清虛洞組、西王廟組；11.寒武系牛蹄塘組、石牌組、婁山關(guān)組；12.震旦系-寒武系燈影組；13.南華系-震旦系蓮沱組、南沱組、陡山沱組；14.斷層及編號；15.向斜；16.背斜；17.天坑及編號；18.豎井及編號；19.洼地；20.峽谷；21.石林-巴山林羅城；22.石芽；23.星月湖；24.溶洞；25.地下河；26.地表河

1 研究區(qū)概況

陜西省漢中市鎮(zhèn)巴縣三元鎮(zhèn)-青水鎮(zhèn)一線及興隆鎮(zhèn)一帶（圖1）處于秦嶺大巴山亞高山區(qū)的米倉山東段，主脊橫亙東西，地勢西北高，東南低，溝谷幽深、山脊陡峭狹長，相對高差大。海拔752～2 534m，表現(xiàn)為南緩北陡的頂面波狀起伏喀斯特臺地高原和深切的“ V ” “ U ”型河谷相間地貌組合。屬北亞熱帶東南季風(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫13.8℃，年均降雨量1 250～1 350mm。一級水系多呈平行狀，河流主要有涇洋河、褚河和青水河、尹家河。

研究區(qū)位于揚(yáng)子陸塊北部被動陸緣—大巴山弧形前鋒沖斷褶帶。出露有志留系、奧陶系、二疊系及三疊系地層，受燕山期陸內(nèi)造山作用影響，發(fā)育有多組與主構(gòu)造線平行的相間排列弧形背斜和向斜疊加褶皺構(gòu)造。后者主要出露有南華系、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、二疊系及三疊系地層，斷裂、褶皺發(fā)育，褶皺亦平行于構(gòu)造線方向。區(qū)內(nèi)山地地貌有海拔2 000m以上、1 300～1 500m和700～900m三個夷平面。二疊系可溶巖及三疊系半可溶巖是研究區(qū)巖溶地質(zhì)遺跡的主要物質(zhì)組成。

2 喀斯特地質(zhì)遺跡類型及特征

2.1 喀斯特類型

地表喀斯特有天坑、豎井、洼地、峽谷、石林以及溶溝、溶痕等，地下喀斯特有溶洞與地下河，同時溶洞中發(fā)育類型眾多的次生化學(xué)沉積物（表1）。參考《地質(zhì)遺跡調(diào)查規(guī)范（DZ/T 0303—2017）》分類標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)喀斯特地質(zhì)遺跡屬地貌景觀大類的碳酸鹽巖地貌亞類（楊金山等，2021）。

表1 研究區(qū)巖溶地質(zhì)遺跡形態(tài)

2.2 典型喀斯特特征

2.2.1 天坑與豎井

天坑是由洞穴“廳堂“崩塌而成，四壁陡峭深井狀特大型塌陷漏斗，寬度和深度均不小于100m，寬度小于100m稱為豎井（茍潤祥等，2018）。

研究區(qū)發(fā)育有19個天坑以及3個典型豎井特征：①從地形地貌來看，除祁家梁天坑分布在Ⅰ級夷平面上，后灣天坑、凹坑天坑分布在Ⅲ級夷平面上，其余天坑均分布在Ⅱ級夷平面上。除天懸天坑、凹坑天坑發(fā)育在凹形斜面上，陰司、蒼埡、大凌冰洞、小凌冰洞等天坑發(fā)育在山谷中，其余天坑均發(fā)育在山頂及山脊上，是研究區(qū)天坑最大特色。②從發(fā)育特征，除天懸、后灣、星子山等天坑及白云村、璇洞、硝洞等豎井四周均為陡壁環(huán)繞，其余天坑陡壁有部分殘缺，殘缺段多呈緩坡狀，可沿緩坡步入坑底。除奇谷崖、上劉家灣、下劉家灣、祁家梁、后灣及蒼埡等天坑底未見有出水洞或入水洞外，其余天坑坑底均有發(fā)育，已被崩塌礫石堵塞。除陰司、石筍洞、老虎等天坑坑壁上發(fā)育兩層溶洞，其余天坑坑壁雖多有陡坎但均未見溶洞發(fā)育（洪增林等,2018）。說明絕大天坑形態(tài)不完整，多處于退化階段。③天坑的平面形態(tài)，天懸天坑呈近渾圓狀、后灣天坑呈三角狀、青崗坪天坑呈不規(guī)則孤島狀、圈子崖及白云村天坑呈腳掌狀、星子山天坑呈長條狀，其余天坑或呈橢圓狀、或近（似）橢圓狀。從天坑垂向特征來看，天懸天坑呈上小下大甕狀，天懸、后灣、星子山等天坑及白云村、璇洞、硝洞等豎井呈直筒狀，消洞天坑上部漏斗狀下部直筒狀，陰司、石筍洞白云村呈階梯狀，其余天坑壁有崩塌堆積呈漏斗狀。天懸天坑從形態(tài)上是本區(qū)最標(biāo)準(zhǔn)天坑。④發(fā)育地層，除星子山天坑主要發(fā)育在三疊系大冶組半可溶巖中，硝洞豎井發(fā)育寒武系石龍洞組可溶巖中，在其余天坑與豎井均發(fā)育在二疊系可溶巖地層中，同時天坑出露地段，地層產(chǎn)狀均較平緩。⑤天坑的規(guī)模（表2、圖3），圈子崖天坑長軸達(dá)520m，是規(guī)模最大天坑，屬于超級天坑（楊起超，1993）。硝洞天坑長軸達(dá)300m，屬于大型天坑，其余天坑均屬于常規(guī)天坑。天坑深度有較大差異，圈子崖天坑深度最大，達(dá)380m，青崗坪天坑深度最小，僅38m。圈子崖天坑周長最長，為1 327m，小凌冰洞天坑周長最小，為252m。圈子崖天坑面積最大，達(dá)96 080m2，老虎天坑面積最小，為2 163m2。

表2 天坑特征值一覽表

以上特征表明，天坑多數(shù)發(fā)育在山脊或山頂上，表現(xiàn)出退化天坑特征，是本區(qū)最大的特色。不同平面和垂向特征天坑、規(guī)模最大的圈子崖天坑、規(guī)模最小的老虎天坑、形態(tài)最典型天懸天坑，均分布在三元鎮(zhèn)雙河村，三元鎮(zhèn)雙河村一帶具有形成天坑最有利條件。

2.2.2 溶洞與地下河

地下溶蝕形態(tài)以地下河和溶洞最為典型，溶洞沉積物以砂泥質(zhì)崩塌堆積物及次生化學(xué)沉積物為主。溶洞多沿現(xiàn)代河床兩岸分布，有以下特征：①典型地段均表現(xiàn)出明顯成層性或同類型特征。如雙河村一帶的凌冰洞、風(fēng)洞、道洞等海拔高度均在1 500m左右，均為入水洞；仁和村一帶溶洞大致可劃分出1 600m、1 300m、1 000m等3個層，第1層的扁口洞和第2層的白龍洞均為干洞，次生化學(xué)沉積物發(fā)育，第3層的青龍?zhí)抖礊槌鏊?；青水河谷一線大致可以劃分出＞1 800m、1 300～1 500、1 100m、1 000m以及800m等5個層。第1層的溶洞多位于靠近山脊地段，為干洞。第2層的新洞子、洞灣洞等溶洞多位半山腰，出水洞居多。第3層的雷家寨洞、觀音洞等溶洞也多位半山腰，以干洞和水洞居多。第4、5層的溶洞均靠近現(xiàn)代河床面，出水洞居多；興隆鎮(zhèn)一帶溶洞大致可以劃分出1 400m、1 200、1 000m、以及800m等4個層。第1、2層的溶洞多位于山頂上相對低洼地段，干洞和入水洞均有。第3、4層的溶洞多位于現(xiàn)代河床上，出水洞居多；沿涇洋河河谷分布溶洞多為干洞。②次生化學(xué)沉積物發(fā)育程度差異較大。除風(fēng)洞、金豬洞、扁口洞、神仙洞、魚泉洞等溶洞內(nèi)次生化學(xué)沉積物較為發(fā)育外，其它溶洞僅少量發(fā)育或者不發(fā)育（朱學(xué)隱等，2003）。次生化學(xué)沉積物類型以石筍、石鐘乳、石柱等滴石沉積為主，少量有石田、石幔等流石沉積物。③溶洞規(guī)模較小，除金豬洞、白龍洞、凌冰洞、道洞、扁口洞、神仙洞、燕子洞、魚泉洞等溶洞深度大于400m外，絕大部分溶洞深度在100m內(nèi)。除燕子洞、魚泉洞、穿洞子呈斜井狀外，其余多呈緩水平狀。在平面展布上多呈樹枝狀或迷宮狀，溶洞盡頭多呈尖滅狀。④發(fā)育地層，魚泉洞為寒武系石龍洞組，金豬洞、大巖洞為三疊系嘉陵江組，犀牛洞、大龍洞、穿洞子、觀音洞、雷家寨洞為三疊系大冶組，風(fēng)洞、道洞、燕子洞、神仙洞為二疊系陽新組，凌冰洞、扁口洞、白龍洞、青龍?zhí)抖?、燕子洞、新洞子、洞灣洞、石筍洞、白崖洞為二疊系吳家坪組?？傮w以二疊系、三疊系地層為主。⑤大部分溶洞人類活動痕跡明顯。雷家寨洞是早期苗民居住地，至今保留有大量建筑物。觀音洞、金豬洞、新洞子多作為宗教祭祀用途。凌冰洞、道洞早期為儲存場所。風(fēng)洞、扁口洞、白龍洞、燕子洞有大量的砂泥質(zhì)崩塌堆積物和黏土堆積物，早期多作為熬硝用途。青龍?zhí)抖础籽露?、犀牛洞、神仙洞等溶洞為?dāng)?shù)鼐用袼吹?，還有大量溶洞作為旅游用途。

三元鎮(zhèn)雙河村地下河是研究區(qū)最大的地下河系統(tǒng)，地下河流域面積64km2，主源頭在黃楊嶺一帶，向南東流經(jīng)巴山林羅城，另一源頭位于箭桿山西南側(cè)，向南從巴山林羅城東側(cè)流過，共同匯入星月湖中，并繼續(xù)向南流向梨溪坪。域內(nèi)發(fā)育地質(zhì)遺跡包括圈子崖、天懸、大凌冰洞、小凌冰洞天坑、消洞、上劉家灣、下劉家灣、蒼埡等天坑，以及道洞、凌冰洞、風(fēng)洞、石林、石芽、洼地等。

研究區(qū)相對完整地下河系統(tǒng)有青崗坪、星子山地下河。青崗坪地下河呈近南北向，發(fā)育青崗坪天坑、祁家梁天坑以及一系列小型落水洞和洼地，在洼地內(nèi)部有上升泉。星子山地下河流向總體呈南南東向，發(fā)育有入水洞（白崖洞）、出水洞（犀牛洞、神仙洞）以及星子山天坑。

綜上，溶洞主要發(fā)育在二疊系、三疊系地層中。不同地段的溶洞群有明顯的成層性特征，與區(qū)域新構(gòu)造運動有密切關(guān)系，具有重要科研價值。

2.2.3 其他地表巖溶

研究區(qū)峰叢洼地分布較多，分布在三元鎮(zhèn)雙河村及簡池鎮(zhèn)白云村一帶的Ⅰ、Ⅱ級夷平面，表現(xiàn)出圓錐狀緩峰叢或溶丘與淺碟狀洼地組合，或者單個洼地的形態(tài)特征，相對高差20～60m，多呈長條狀、橢圓狀，長軸與褶皺的展布方向一致。白云村一帶的青崗坪洼地是由是溶丘圍繞而成的地表形態(tài)，洼地內(nèi)有地下河出口，具有溶蝕洼地的特征。雙河村一帶的梨溪坪洼地、蒼埡洼地等均為單個洼地形態(tài)，內(nèi)無地表河，表現(xiàn)出喀斯特發(fā)育的老年期階段。在雙河村北部的Ⅰ級夷平面上發(fā)育洼地也較多，其中，有一洼地由于大氣降水匯聚成湖，湖面呈近橢圓形，近南北向長軸約259m，短軸約108m，周長約為621m，深度大于15m，周邊又有多個小洼地環(huán)狀分布，稱為星月湖，具有較高的景觀價值（陳宏峰等，2016）。

研究區(qū)發(fā)育峽谷極多，有白天河峽谷、涇洋河峽谷等，在三元鎮(zhèn)、簡池鎮(zhèn)等地也多有小規(guī)模峽谷發(fā)育，在峽谷兩側(cè)多有石柱、斷崖。白天河峽谷走向為近東西向，全長2.3km，谷寬6～25m，高120m左右，最高處200m。兩壁坡角70°左右。涇洋河峽谷寬15～60m，高60～100m，涇洋河切割劇烈、地形陡峻，峽谷兩側(cè)巖壁上多溶洞、天生橋、瀑布。

石林最典型的屬三元鎮(zhèn)雙河村一帶Ⅰ級夷平面上的巴山林羅城，石林區(qū)平均海拔2 138m，面積2.5km2，單個石柱高20～30m，呈刃脊?fàn)罨騽?，石柱間距在10～30m，最窄處僅容一人通行。

石芽主要分布在青水鎮(zhèn)仁和村-三元鎮(zhèn)雙河村-大池鎮(zhèn)迎春村一帶，位于Ⅱ級夷平面。以裸露型最為發(fā)育，埋藏型次之。大池石芽群由數(shù)十個面積20～40m2石芽群組成，單個石芽高度1～3m左右，形態(tài)各異，總體呈刀脊?fàn)睿砻娑嘁娦∪芸?、溶痕等。埋藏型石芽主要分布溝谷兩?cè)或道路開挖地段，上覆土層一般厚約2m，石芽底部相連，頂部高約0.30～1.5m，呈刀脊?fàn)睿勘砻嫒軠?、溶痕極為發(fā)育（丁曉平等，2019）。

3 形成條件分析

研究區(qū)喀斯特地質(zhì)遺跡的個體形態(tài)以及不同形態(tài)組合特征是地層、巖性、構(gòu)造以及氣候水文等因素的綜合反映。

3.1 地層巖性條件

研究區(qū)地層根據(jù)主要巖性組合及水文地質(zhì)特征，可分為可溶巖、半可溶巖和非可溶巖3類?？扇軒r地層為燈影組、石龍洞組、清虛洞組、西王廟組、寶塔組、陽新組、吳家坪組，巖性以灰?guī)r為主，白云巖次之。半可溶巖地層為大冶組、嘉陵江組，主要巖性為泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、白云巖，分布有峽谷和溶洞。非可溶巖以羅惹坪組碎屑巖地層為區(qū)域隔水層。

3.2 構(gòu)造條件

構(gòu)造對巖溶地質(zhì)遺跡形態(tài)的發(fā)育控制作用。燕山期陸內(nèi)造山作用控制了沉積盆地的演化，以司上-鎮(zhèn)巴斷裂為界，東側(cè)司上-紫黃沖褶帶斷裂及褶皺均極為發(fā)育，對喀斯特作用的發(fā)育極為有利，但由于卷入的地層沉積厚度相對較薄，發(fā)育了數(shù)量較少的天坑、溶洞，且規(guī)模均較小。西側(cè)的鎮(zhèn)巴-萬源褶皺帶斷裂構(gòu)造不發(fā)育，褶皺構(gòu)造卻極其發(fā)育，共有向斜、背斜褶皺10余組（圖3），為南北向或近南北向延伸。褶皺加厚了地層厚度，奠定了天坑、溶洞等地質(zhì)遺跡的發(fā)育基礎(chǔ)。背斜皺褶軸部發(fā)育了大量節(jié)理和裂隙（NE-SW向和NW-SE向），控制了地下河運移方向（呈近NS向）。地下水匯聚，形成較大規(guī)模溶洞系統(tǒng)，促進(jìn)了天坑的形成。例如，雙河村道洞發(fā)育了兩組不同走向節(jié)理構(gòu)造，地下河呈近NS向，主洞呈325°方位，支洞呈240°方位，展布與節(jié)理產(chǎn)狀一致，主洞與支洞轉(zhuǎn)折處也是兩組節(jié)理交匯處，發(fā)育了較大規(guī)模洞廳。位于興隆鎮(zhèn)神仙洞主洞走向341°～0°，與其附近發(fā)育主斷裂走向一致，支洞洞道走向呈200°，與節(jié)理走向吻合；受制于多組節(jié)理裂隙，洞道在縱向和橫向上多方位發(fā)育，形成三層洞道和兩個支洞復(fù)雜空間。

圖2 研究區(qū)綜合地質(zhì)、地貌剖面示意圖

1．碳酸鹽巖；2．白云巖；3．泥質(zhì)碳酸鹽巖；4．碎屑巖；5．三疊系大冶組、嘉陵江組；6．二疊系梁山組、陽新組、吳家坪組；7．奧陶系-志留系龍馬溪組、新灘組、羅惹坪組；8．下寒武統(tǒng)石龍洞組、清虛洞組、西王廟組；9．寒武系石牌組、牛蹄塘組、婁山關(guān)組；10．震旦系-寒武系燈影組；11．南華系-震旦系蓮沱組、南沱組、陡山沱組；12．地質(zhì)遺跡點

3.3 氣候水文條件

研究區(qū)屬北亞熱帶東南季風(fēng)濕潤氣候，氣溫年差較大，降水豐沛。對巖溶地質(zhì)遺跡的形成提供了有利條件。

4 結(jié)語

（1）研究區(qū)地質(zhì)遺跡多樣性豐富，分地表和地下2大類，均屬于碳酸鹽巖地貌亞類地質(zhì)遺跡。地表有天坑、豎井、洼地、峽谷、石林以及溶溝、溶痕等，地下有溶洞與地下河，次生化學(xué)沉積物。

（2）特天坑多數(shù)發(fā)育在山脊或山頂上，具退化天坑特征。

（3）研究區(qū)喀斯特地質(zhì)遺跡主要發(fā)育在二疊系可溶巖地層中，次之為三疊系半可溶巖和其它可溶巖地層中。

（4）研究區(qū)巖溶地質(zhì)遺跡研究有重要意義，可進(jìn)一步開展地質(zhì)、地貌演化過程以及對地質(zhì)環(huán)境變化的研究。

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Characteristics and Genesis of Karst Geoheritages of the Sanyuan Tiankeng Group in Zhenba, Shaanxi

REN Juan-gang1,2HONG Zeng-lin1,2,3TANG Li1,2WANG Peng1,2WANG Yan1,2, ZHANG Jing4CUI Na1,2

(1-Shaanxi Institute of Geological Survey, Xi’an 710065; 2-Hanzhong Tiankeng Group International Research Base, Hanzhong, Shaanxi 723100; 3- College of Earth Sciences and Resources, Chang’an University, Xi’an 710054; 4- College of History, Culture And Tourism, Shaanxi University of Technology, Hanzhong, Shaanxi 723001)

The Sanyuan tiankeng group in Zhenba, Shaanxi occurs in northernmost part of the humid tropics-subtropics in China. It consists of 4 relatively independent karst systems. This paper has a discussion on distribution, basic characteristics, genesis and evolution of the Shanjiayan Tiankeng Group lying on mountain ridges in Ningqiang, Shaanxi. These tiankengs are characteristic of retrograde tiankeng.

geoheritage; Sanyuan tiankeng group; genesis; Zhenba, Hanzhong, Shaanxi

P931.5；P642.252?

A

1006-0995（2021）03-0523-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.03.035

2021-06-26

陜西省教育廳2019年教育薄弱環(huán)節(jié)改善與能力提升補(bǔ)助項目“天坑群地質(zhì)遺跡價值與保護(hù)利用研究”（2050205-50502）；陜西理工大學(xué)校級重點項目“秦巴巖溶區(qū)全新世環(huán)境演化與生態(tài)地質(zhì)評價”（SLGPT2019KF04-06）

任娟剛（1979— ），男，陜西武功人，高級工程師，在讀碩士研究生，主要研究方向為區(qū)域地質(zhì)、地質(zhì)遺跡調(diào)查

洪增林（1963— ），男，甘肅隴西人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為地理學(xué)、控制科學(xué)與工程