青藏高原不同高程喀斯特地貌類型和發(fā)育特征

高 康，林小兵，2，韋桂梅，鄭宇超，閆怡帆

1. 成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059；2. 成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059

0 引言

喀斯特地貌也稱巖溶地貌，主要是指可溶巖在水的作用下發(fā)生以化學(xué)溶蝕為主，在流水、生物等侵蝕下巖體發(fā)生塌陷、堆積等地質(zhì)作用，以及在這些作用全過程中所產(chǎn)生的各種地質(zhì)現(xiàn)象［1-3］. 喀斯特地貌的特征及發(fā)育主控因素一直是喀斯特研究的關(guān)鍵，喀斯特地貌的主控因素決定了主要發(fā)育的形態(tài)特征，而地貌形態(tài)特征作為喀斯特地區(qū)最直觀的體現(xiàn)可以為分析主控因素提供直接的證據(jù).

喀斯特地區(qū)是地球上最多樣化的水文地質(zhì)環(huán)境之一，它們與大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈以及人類歷史和發(fā)展的過程密切相關(guān)，提供各種有價(jià)值的自然資源以及動(dòng)植物生存的基本生存條件等［4］. 喀斯特還是全球碳循環(huán)的一部分，并參與多種生物地球化學(xué)過程.盧耀如先生［5］將喀斯特發(fā)育機(jī)理與發(fā)展工程建設(shè)效應(yīng)進(jìn)行綜合研究，詳細(xì)分析了地質(zhì)環(huán)境工程、地下空間開拓工程、生態(tài)城鎮(zhèn)群建設(shè)工程效應(yīng)，為喀斯特地貌與現(xiàn)代工程相聯(lián)系提供了重要的參考和借鑒.

近年來(lái)，隨著青藏高原地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提出了更高的要求，對(duì)水利、交通等大型項(xiàng)目建設(shè)和重大環(huán)境地質(zhì)問題和水資源整體開發(fā)、利用提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)［6］. 因此，分析青藏高原不同地區(qū)喀斯特地貌發(fā)育特征和主控因素，更有利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)、開發(fā). 國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)從巖性、地質(zhì)構(gòu)造、氣候、水文等諸多方面，分析了影響青藏高原喀斯特地貌形態(tài)、發(fā)育特征以及演化模式［7-12］. 比如，基于地層、構(gòu)造以及氣候差異等分析，認(rèn)為青藏高原地區(qū)喀斯特地貌可劃分為強(qiáng)烈上升演化模式、狹窄沉降演化模式、剝蝕裸露演化模式［13-14］. 在青藏高原東緣梯度帶，基于野外實(shí)測(cè)大氣CO2和喀斯特發(fā)育情況調(diào)查，發(fā)現(xiàn)CO2濃度和高程對(duì)區(qū)域喀斯特發(fā)育類型和規(guī)模有著重要影響［15］. 通過風(fēng)化殼紅土和洞穴次生化學(xué)沉淀的研究，明確了古喀斯特發(fā)育時(shí)期青藏高原地表處于濕熱環(huán)境；并通過石英表面顆?；瘜W(xué)溶蝕形態(tài)，揭示了古喀斯特發(fā)育的溶蝕過程，對(duì)青藏高原的隆升和古氣候的研究具有重要意義［16］.

可以看出，目前在多地區(qū)、多層位開展了青藏高原喀斯特的研究工作. 由于青藏高原地區(qū)整體上從西北部到東南部呈現(xiàn)出海拔逐漸降低的趨勢(shì)，境內(nèi)發(fā)育有眾多海拔較高的山脈，地形以山地丘陵、深切河谷為主，地勢(shì)變化差異明顯［17］. 但對(duì)于青藏高原不同地勢(shì)差異下喀斯特發(fā)育的類型和特征研究，尚需要進(jìn)行系統(tǒng)性總結(jié)，以更好指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐. 因此，在結(jié)合前人的研究基礎(chǔ)上，本研究聚焦青藏高原喀斯特在不同高程地貌類型及發(fā)育特征的差異性進(jìn)行分析，以期為高原喀斯特地區(qū)開展地表水資源合理利用、重大工程建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害治理、地貌景觀學(xué)的研究提供參考.

1 區(qū)域地質(zhì)概況

青藏高原位于中國(guó)西南部，介于北緯26.16—39.78°、東經(jīng)73.32—104.78°之間，面積達(dá)250×104km2，平均海拔超過4 000 m［18］. 該地區(qū)年均溫度較低，降雨量較少，在夏季降雨較多，冬季較少，溫差較大，溫度隨著海拔的降低而整體升高，降雨也由西北向東南逐漸增加［19］.

青藏高原地區(qū)在地質(zhì)歷史時(shí)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，具有多期性和不等幅性的特點(diǎn)［20-21］. 特別是新生代以來(lái)，強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使青藏高原長(zhǎng)期處于隆升夷平階段，對(duì)地塊改造強(qiáng)烈，各類地質(zhì)體之間均存在錯(cuò)動(dòng)、碰撞擠壓、分離的多期次交錯(cuò)疊加作用，地質(zhì)構(gòu)造帶斷裂發(fā)育密集，構(gòu)造縫合帶分布廣泛，構(gòu)造十分復(fù)雜［21］. 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下產(chǎn)生的斷裂具有不均一性，斷裂、連通以及兩者并存的方式均普遍存在，形成多樣化的喀斯特組合形式. 喀斯特層組內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)以及邊界的接觸情況變化復(fù)雜，水體和巖體接觸更加廣泛，水巖反應(yīng)更加充分，為巖溶水的溶蝕和侵蝕創(chuàng)造了十分有利的條件.

青藏高原經(jīng)歷了一系列沉積旋回、構(gòu)造抬升、風(fēng)化剝蝕，在震旦紀(jì)—第四紀(jì)均有碳酸鹽巖地層分布，其中灰?guī)r、結(jié)晶灰?guī)r、細(xì)晶灰?guī)r、鮞粒灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖等地層分布良好，碳酸鹽巖地層間夾雜有砂巖、千枚巖、大理巖等，地層發(fā)育齊全、結(jié)構(gòu)分布復(fù)雜［3，22-23］. 這些可溶巖有的出露于地表，有的埋藏于地下. 在垂向上可溶巖和非可溶巖地層相間互存的類型比較廣泛；在水平方向上由于構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，巖層斷裂比較明顯，風(fēng)化剝蝕下巖層厚度不均勻［17，22-23］. 廣泛分布的碳酸鹽巖等可溶巖地層透水性強(qiáng)，含水量豐富，儲(chǔ)水空間大，水流速度較快，地下水的連續(xù)補(bǔ)充使之處于不飽和狀態(tài)，較易溶蝕，為巖溶地貌提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)并為地下水徑流提供了良好的通道［8，24-25］. 碳酸鹽巖等可溶巖地層受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響較易變形產(chǎn)生褶皺，巖層斷裂明顯，經(jīng)歷強(qiáng)烈剝蝕產(chǎn)生斷陷盆地；盆地與山地的高差逐漸變大，導(dǎo)致深切河谷和盆地發(fā)育良好［8，26-27］. 根據(jù)地形可以將青藏高原劃分為低海拔（高程小于1 000 m）、中海拔（1 000～3 500 m）、高海拔（3 500～5 000 m）、極高海拔（高程大于5 000 m）4 個(gè)類型［27］（圖1）. 不同海拔高程在空間分布上存在明顯差異，極高海拔主要分布在西昆侖地區(qū)、唐古拉山附近以及岡底斯山地區(qū)，高海拔主要集中在青南地區(qū)、羌塘地區(qū)以及喜馬拉雅山以北區(qū)域，中海拔則集中于柴達(dá)木盆地、共和盆地以及河湟谷地，而低海拔僅分布在藏東南墨脫一帶［27-28］.

圖1 青藏高原高程分級(jí)及分帶圖（據(jù)文獻(xiàn)［28］修改）Fig. 1 Elevation classification and zonation of the Qinghai-Tibet Plateau（Modified Reference［28］）

2 不同海拔高程下喀斯特地貌類型

2.1 喀斯特地貌類型劃分

隨著喀斯特地貌研究的深入，學(xué)者們對(duì)喀斯特地貌的劃分依據(jù)和基本類型的分類也是多種多樣，但大部分學(xué)者主要根據(jù)埋藏條件、形成時(shí)代、區(qū)域氣候、分布深度、成因類型等進(jìn)行劃分［1，29-30］（表1）.

表1 喀斯特地貌基本類型表Table 1 Basic types of karst geomorphology

2.2 青藏高原不同高程喀斯特地貌類型劃分

雖然青藏高原喀斯特地貌的形成時(shí)間還存在一些爭(zhēng)議，但大部分學(xué)者認(rèn)為青藏高原喀斯特地貌主要形成于古近紀(jì)、新近紀(jì)以及第四紀(jì)，古喀斯特發(fā)育良好［16，22，31-33］. 在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制下，高原長(zhǎng)期處于隆升夷平階段，各級(jí)夷平面分布復(fù)雜，海拔高程變化顯著，并且隨著海拔高度的變化喀斯特地貌類型表現(xiàn)出明顯的不同［9，34-35］. 此外，在風(fēng)化剝蝕、流水侵蝕以及冰蝕作用的影響下，大部分喀斯特形態(tài)表現(xiàn)為覆蓋型喀斯特出露后，經(jīng)改造的地表喀斯特和地下喀斯特［34-36］.

但是，單純按照某種因素對(duì)青藏高原地區(qū)喀斯特類型進(jìn)行劃分，難以全面概括青藏高原地區(qū)喀斯特發(fā)育的規(guī)律性，而且也難以反映不同地區(qū)與不同喀斯特類型的特征. 盧耀如［30］綜合考慮巖性及層組類型、主要地質(zhì)構(gòu)造條件、發(fā)育時(shí)的氣候條件，將青藏高原地區(qū)喀斯特地貌按照成因類型劃分出復(fù)雜溶蝕-構(gòu)造型、溶蝕-冰蝕型、溶蝕-剝蝕型、溶蝕-侵蝕型、內(nèi)陸盆地復(fù)合型、溶蝕-海蝕型、內(nèi)陸高地復(fù)合型、原巖復(fù)合型8種一級(jí)類型. 這8 種一級(jí)類型又包括隆起構(gòu)造山原、隆起構(gòu)造山地、高山冰川深谷、山原蝕余峰丘、山原峰丘湖泊、內(nèi)陸山原、內(nèi)陸崗丘、喀斯特高山深谷、喀斯特中高山湖泊、喀斯特海岸、內(nèi)陸湖洼、內(nèi)陸湖盆、內(nèi)陸高地湖洼、內(nèi)陸山原湖洼、內(nèi)陸山原湖盆、內(nèi)陸山原湖谷、山原基巖復(fù)合17 種二級(jí)類型（圖2）.

圖2 青藏高原喀斯特主要類型分布圖（據(jù)文獻(xiàn)［30］修改）Fig. 2 Distribution map of major karst types of Tibetan Plateau（Modified Reference［30］）

不同海拔區(qū)，主要發(fā)育的喀斯特地貌類型具有明顯不同. 其中，在中海拔區(qū)（1 000～3 500 m）喀斯特地貌可分為喀斯特高山深谷、喀斯特中高山湖泊、山原蝕余峰丘、山原峰丘湖泊、內(nèi)陸湖洼、喀斯特海岸；在高海拔區(qū)（3 500～5 000 m）喀斯特地貌可分為喀斯特高山深谷、喀斯特中高山湖泊、高山冰川深谷、隆起構(gòu)造山原、內(nèi)陸湖盆地、內(nèi)陸湖洼；在極高海拔區(qū)（≥5 000 m）可分為隆起構(gòu)造山原、內(nèi)陸湖盆地、內(nèi)陸湖洼、內(nèi)陸山原、高山冰川深谷、山原基巖.

3 不同海拔高程下喀斯特地貌發(fā)育特征

3.1 中海拔區(qū)

中海拔地區(qū)，海拔高差變化較明顯，一些灰?guī)r山地海拔可達(dá)4 000 m 左右. 在海拔3 200 m 以下主要發(fā)育多邊形峰叢洼地、大-中型溶洞、巖溶泉、尺度較小石芽、殘余塔狀石柱以及紅色土堆積等，峰叢洼地中包含著紅色土堆積. 大-中型溶洞內(nèi)發(fā)育石鐘乳、石筍等，裸露石芽表面發(fā)育溶痕，喀斯特地貌形態(tài)基本保存完好［14，37-38］. 在海拔3 200 m 以上喀斯特發(fā)育程度較高，主要是高差中等的石林式石芽，中等大小的水平穿洞和洞穴、石墻、殘留豎井、紅色風(fēng)化殼等，明顯受到較強(qiáng)的風(fēng)化作用改造，喀斯特地貌形態(tài)部分被破壞［14，37］.因此在中海拔區(qū)，處于不同高程處喀斯特地貌形態(tài)類型、發(fā)育特征以及風(fēng)化剝蝕具有一定的差異；海拔較高的位置風(fēng)化作用明顯高于海拔較低的位置（表2）.

表2 中海拔區(qū)典型喀斯特地貌形態(tài)特征Table 2 Characteristics of typical karst geomorphology in medium altitude areas

3.2 高海拔區(qū)

高海拔區(qū)由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，劇烈抬升及河流迅速下切導(dǎo)致地形高差較大，深切河谷和盆地發(fā)育良好，喀斯特地貌類型多樣［30，32］（表3）. 這些地區(qū)在海拔3 500 m 以下的喀斯特地貌形態(tài)主要發(fā)育少量溶隙、溶穴、巖溶泉等，溶蝕作用較弱，水流侵蝕較強(qiáng)，喀斯特地貌發(fā)育較弱，屬于弱發(fā)育喀斯特帶；在海拔3 500～4 300 m 之間，主要發(fā)育溶洞、石林或石芽，小規(guī)模溶蝕崖、溶蝕槽、落水洞、溶穴、殘留紅色風(fēng)化殼、殘留石墻、垂向溶蝕裂隙，明顯受到風(fēng)化作用改造，巖溶作用一般，屬于中等發(fā)育喀斯特帶；在海拔4 300 m 以上主要發(fā)育大規(guī)模溶蝕崖、溶蝕峰叢、峰林、峰從洼地、落水洞、漏斗、洞穴等，巖溶作用較強(qiáng)，屬于強(qiáng)發(fā)育喀斯特帶［9，14，32，34，36，38-40］.

表3 高海拔區(qū)典型喀斯特地貌形態(tài)特征Table 3 Characteristics of typical karst geomorphology in high altitude areas

3.3 極高海拔區(qū)

極高海拔喀斯特發(fā)育區(qū)巖性以灰?guī)r為主并且夾雜有泥灰?guī)r，喀斯特地貌主要是古近紀(jì)、新近紀(jì)古喀斯特地下部分經(jīng)后期剝蝕形成的，在更新世和全新世也有少部分發(fā)育（表4）. 在海拔高程4 600 m 以上主要發(fā)育表面粗糙、頂部尖銳的殘留塔狀灰?guī)r石峰；根部的寬度和長(zhǎng)度大于高度，呈錐狀，相對(duì)高差達(dá)50 m 的殘留灰?guī)r殘丘；錐體外形渾圓，相對(duì)高度一般約為10 m 的殘留型石林式石芽；墻頂起伏不平，有的呈鋸齒狀，相對(duì)高差達(dá)10～20 m 的石墻；中等大小的溶洞，較小的溶痕、溶溝以及灰?guī)r碎屑物質(zhì)堆積等. 喀斯特受到風(fēng)化剝蝕作用明顯［35，38］.

表4 極高海拔區(qū)典型喀斯特地貌特征Table 4 Characteristics of typical karst geomorphology in very high altitude areas

因此青藏高原地區(qū)在不同海拔高程下呈現(xiàn)出不同的喀斯特地貌形態(tài)（圖3）. 中海拔區(qū)溶蝕形態(tài)以峰叢、溶蝕洼地、溶溝、溶槽、溶洞、殘余塔狀石柱為主，沉積形態(tài)主要是紅色風(fēng)化殼；高海拔區(qū)溶蝕形態(tài)以溶蝕崖、峰叢、溶洞、石柱、溶槽、落水洞、溶穴、峰林、天生橋、石林、石芽、溶溝、溶痕為主，沉積形態(tài)主要是鈣華堆積、瘤狀或葡萄狀鈣化堆積、灰?guī)r碎屑物質(zhì)堆積、殘留風(fēng)化殼紅土；極高海拔區(qū)溶蝕形態(tài)以灰?guī)r殘丘、石墻、冰蝕洼地、角峰、大型落水洞、雨痕和細(xì)小溶痕、溶溝為主，沉積形態(tài)主要是顆粒碎屑、石灰角礫.

圖3 青藏高原不同高程喀斯特地貌形態(tài)Fig. 3 Karst geomorphology at different elevations in Qinghai-Tibet Plateau

4 結(jié)語(yǔ)

喀斯特地貌作為地貌學(xué)研究的十分重要的一部分，關(guān)于其分類以及形態(tài)特征一直是地貌學(xué)研究的重點(diǎn)、熱點(diǎn)問題. 喀斯特地貌的形成不是受單一的某種因素控制，而是在多種因素控制下共同形成. 本文通過對(duì)青藏高原不同高程喀斯特地貌類型和形態(tài)特征進(jìn)行研究綜述和實(shí)例分析，認(rèn)為青藏高原地區(qū)喀斯特地貌在地層巖性、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、氣候等因素的影響下形成復(fù)雜多樣的喀斯特地貌. 喀斯特地貌標(biāo)志性高程清晰，在不同高程處地貌形態(tài)、發(fā)育特征差異性明顯. 喀斯特地貌的演化過程是復(fù)雜的，分布的環(huán)境也是多樣的，如何精細(xì)地揭示各個(gè)因素在喀斯特地貌形成、演化過程中發(fā)揮的作用還需要進(jìn)一步深化.