天坑的形成與發(fā)育

天坑的形成與發(fā)育

小巖灣天坑位于四川省興文縣石海風(fēng)景如畫的地方。興文縣位于四川南部,以僰人最后消亡地而曼聲海內(nèi)外,今更以“三絕共生”的石海、溶洞、天坑的奇異地質(zhì)遺跡景觀而聞名于世,吸引了無(wú)數(shù)文人墨客及地質(zhì)科學(xué)工作者前往瞻仰和科學(xué)考察。該喀斯特地貌景觀目前已經(jīng)成功申報(bào)為國(guó)家重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)、世界地質(zhì)公園。1區(qū)域地理起源1.1興文石海地質(zhì)構(gòu)造及出露地層興文石海位于四川省盆南山地與云貴高原的過(guò)渡地帶,屬烏蒙山北端山脈,地處東經(jīng)105°0′55″至105°9′46″,北緯28°8′54″至28°20′29″,屬順河流域。區(qū)內(nèi)巖溶地貌發(fā)育,石海、石林比比皆是,更有天下稱奇的小巖灣、大巖灣天坑。興文石海地質(zhì)構(gòu)造屬川南褶皺帶東西構(gòu)造體系,位于鎮(zhèn)雄穹窿構(gòu)造之北,珙長(zhǎng)背斜東段末端。區(qū)內(nèi)地層除泥盆系、石炭系、第三系等地層缺失外,從寒武系到第四系都有出露。小巖灣景區(qū)出露地層主要為下二疊統(tǒng)棲霞組和茅口組,巖性主要為淺灰到深灰色及灰黑色中層微晶灰?guī)r、泥晶骨屑灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r及4層近積風(fēng)暴巖、遠(yuǎn)積風(fēng)暴巖等?；?guī)r含燧石結(jié)核、條帶或薄層,含豐富的蜓、珊瑚、牙行刺及藻類等化石。小巖灣天坑所在天泉洞景區(qū)內(nèi),出露巖層主要為純度較高的石灰?guī)r,巖層產(chǎn)狀平緩,傾角5°左右。區(qū)內(nèi)巖層節(jié)理發(fā)育,經(jīng)初步統(tǒng)計(jì),橫節(jié)理50條/m2,縱節(jié)理40條/m2。1.2小巖灣天坑區(qū)火山巖順河流域在仙峰鉆子坳一帶為分水嶺,其余地表呈眾多漏斗、洼地、落水洞等負(fù)地形。大氣降水在非可溶巖區(qū)主要以短小地表溪河形式從南北兩側(cè)流入巖溶區(qū),順眾多落水洞、溶蝕裂隙下滲,在地下水逐漸匯聚成地下河,在景區(qū)洞河以巖溶大泉形式于地表泄出。小巖灣天坑區(qū)的灰?guī)r總體厚350~440m,匯聚了整個(gè)區(qū)內(nèi)全部降水和地表水。根據(jù)調(diào)查、棲霞、茅口組灰?guī)r由于裂隙、節(jié)理異常發(fā)育,其滲入數(shù)可達(dá)0.863。該區(qū)出露泉點(diǎn)不多,豐富的地下水主要順著溶蝕裂隙、孔洞等匯聚成地下暗河。2日本井形成的基本條件2.1沿海地區(qū)的對(duì)比距今兩億七千萬(wàn)年到兩億四千萬(wàn)年(即早二疊世時(shí)期)的時(shí)候,川南興文曾是一片汪洋大海,有相當(dāng)部分時(shí)期屬于淺海環(huán)境。經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地史時(shí)期,區(qū)內(nèi)沉積了350~440m厚的石灰?guī)r。在距今兩億四千萬(wàn)年到兩億三千萬(wàn)年之間,由于受印支運(yùn)動(dòng)的影響,該處上升為陸地;距今約七千萬(wàn)年的時(shí)候,造山運(yùn)動(dòng)(“燕山運(yùn)動(dòng)”),使沉積的石灰?guī)r層抬升并發(fā)生褶皺、斷裂,形成眾多的斷層和節(jié)理,為喀斯特地貌的發(fā)育提供了基礎(chǔ)條件。2.2氣候條件分析巖溶地貌的形是在漫長(zhǎng)的地史條件下逐步演化而來(lái)。興文石海能形成如此豐富的巖溶景觀與該地古氣候環(huán)境不無(wú)關(guān)系。我國(guó)在第三紀(jì)到石炭紀(jì)漫長(zhǎng)地史時(shí)期均屬于較低緯度帶,例如二疊紀(jì)時(shí)我國(guó)主要在北緯35°,東經(jīng)65°,而并不是現(xiàn)在的北緯29°,東經(jīng)104°,并且時(shí)代越老緯度越低。在漫長(zhǎng)的地史時(shí)期,川南都處在溫暖潮濕的氣候帶上,雨量較為充沛。從第四紀(jì)開始中國(guó)所處經(jīng)緯度開始逐漸接近現(xiàn)代位置(北緯29°,東經(jīng)104°),而興文石海又地處亞熱帶地區(qū),緯度低,太陽(yáng)輻射較多,離太平洋、印度洋較近(離北部灣僅800km,孟加拉灣1500km),大陸受大洋影響的程度為52.2%。據(jù)興文氣象資料顯示,興文年平均氣溫17.2℃;夏季(6~8月)平均溫度25.36℃;秋季(9~11月)平均溫度17.5℃;冬季(12月~次年2月)平均溫度8.2℃。年平均降雨量1333.3mm,其中夏季雨量627.1mm,占47.0%。興文石海不管是在地史時(shí)期還是在現(xiàn)代,其氣候條件都為溫暖潮濕,這為該地喀斯特地貌發(fā)育提供了良好的自然條件。小巖灣天坑所在地灰?guī)r厚度大,匯聚了整個(gè)巖溶水文地質(zhì)單元全部降水和地表水,使得灰?guī)r成為整個(gè)巖溶風(fēng)景區(qū)的強(qiáng)含水層。由于該區(qū)地下水水平流動(dòng)飽和帶主要位于高程400~600m的地下河中下游主管道兩側(cè)附近,而仙峰分水嶺一帶海拔在1400m左右,灰?guī)r補(bǔ)給區(qū)海拔也多在800~1000m左右,因此該區(qū)垂直滲透帶較厚,是各類巖溶地貌發(fā)育的絕佳條件。2.3暗河的輸送機(jī)制地下河是天坑形成的一個(gè)重要條件,它是天坑容積內(nèi)物質(zhì)輸出的途徑。在興文從海拔1400m左右的嶺口、鉆子壩地底為一暗河發(fā)育起始地,途徑燕子洞、白巖、大小巖灣天坑、最后在古宋流出匯入洞河,全長(zhǎng)20km多。暗河在地底呈三級(jí)臺(tái)階發(fā)育(圖2),落差達(dá)到900m多,平均水力坡度0.045。據(jù)原西南師范學(xué)院(今西南大學(xué))環(huán)境科研與四川省環(huán)境保護(hù)廳聯(lián)合進(jìn)行的四川興文巖溶風(fēng)景區(qū)綜合考察報(bào)告顯示,暗河由于內(nèi)部具備多個(gè)深潭,因此年平均徑流流速雖僅為0.0095m/S,但由于具備較大落差,因此局部地段流速應(yīng)該比較大,而流水?dāng)y帶物質(zhì)的能力與流量成幾何增長(zhǎng)關(guān)系,如公式:M=cV6式中:M為被運(yùn)物的重量;C為系數(shù)(可因不同河流而稍異);V為啟動(dòng)M的流速。因此暗河具備強(qiáng)有力的物質(zhì)與能量輸入與輸出動(dòng)力系統(tǒng)。由圖2可以看出在這一暗河流經(jīng)的區(qū)域溶洞、落水洞、天坑等巖溶景觀比較發(fā)育,這與暗河的巨大的輸送物質(zhì)的能力是密不可分的。根據(jù)中英聯(lián)合洞穴探險(xiǎn)發(fā)現(xiàn)暗河通道位于小巖灣天坑底部70m以下,通過(guò)蜘蛛洞下面一個(gè)小豎井可以進(jìn)入天坑底部的暗河通道,而在小巖灣天坑目前四周就有明顯的四個(gè)洞口與之相通。根據(jù)1992年中英聯(lián)合探險(xiǎn)得知,天泉洞的一蜘蛛洞在天坑底部與之聯(lián)通,還有景區(qū)內(nèi)最大的洞穴系統(tǒng)豬槽井洞穴的一支洞與之相連。這些應(yīng)當(dāng)都是曾經(jīng)的地下河通道,只是由于在后期的地殼運(yùn)動(dòng)(燕山運(yùn)動(dòng)或喜馬拉雅運(yùn)動(dòng))的影響下,地殼抬升,部分洞穴已經(jīng)成為殘留的古暗河通道,已不具備利用流水輸送物質(zhì)的能力。3區(qū)域地質(zhì)背景天坑的定義為:具有巨大的容積、陡峭而圈閉的巖壁、深陷的井狀或桶狀輪廓等非凡的空間與形態(tài)特征,發(fā)育在連續(xù)沉積厚度及其含水層包氣帶(vadosezone)厚度均特別巨大(地下水位深埋)的可溶性巖層(以碳酸鹽巖為主)中,從地下通向地面,平面寬度與深度從大于100m至幾百米以上,底部與地下河相連接(或有證據(jù)證明地下河道已遷移)的一種特大型喀斯特負(fù)地形。小巖灣天坑是典型塌陷漏斗,它的崩塌形成過(guò)程應(yīng)當(dāng)與重慶小寨天坑具有類似的發(fā)展演化歷史,即地下河發(fā)育階段、地下大廳發(fā)育階段、天坑的形成階段。天坑是由地下河強(qiáng)烈溶蝕、侵蝕導(dǎo)致巖層不斷崩塌并達(dá)到地表而成,其發(fā)展由地下到地表,經(jīng)歷了3個(gè)階段。3.1地下河的分布天坑是一個(gè)形成于大型暗河通道上的塌陷地形。它可能是單一的大型廳堂塌陷發(fā)育的結(jié)果,也可能是一系列通道結(jié)合部塌陷發(fā)育的結(jié)果,包括通過(guò)不同年代洞穴通道塌陷的疊加。而具朱學(xué)穩(wěn)等研究推測(cè)小巖灣天坑的形成可能就是不同年代洞穴通道塌陷的疊加。地下大廳的形成則在形成之初必須要有地下河,因?yàn)榈叵潞邮翘炜尤莘e內(nèi)物質(zhì)輸出的途徑。小巖灣四周就分布了4個(gè)大洞口,分別位于不同的水平面上。根據(jù)簡(jiǎn)易測(cè)量,四個(gè)洞口的規(guī)模都比較大,高寬都在15~40m左右。具朱學(xué)穩(wěn)等1995年的考察結(jié)果,這幾個(gè)洞口及其地下通道都比較古老。根據(jù)目前的研究結(jié)果,小巖灣天坑西側(cè)的3個(gè)洞道可能是主干洞道的早期洞道或者是現(xiàn)代洞道。而天泉洞主洞道一直可以延伸到小巖灣東邊,不過(guò)是下層通道通過(guò)蜘蛛洞與天坑相連,然后再與現(xiàn)代暗河相連。小巖灣天坑四周的溶洞位于不同的水平面上應(yīng)該是在地殼抬升過(guò)程中不同時(shí)期產(chǎn)生的地下暗河,對(duì)天坑的發(fā)育都起過(guò)主要的作用。在天泉洞內(nèi)許多支洞或主洞道變小的部分當(dāng)前仍能發(fā)現(xiàn)這些河道呈三角面,底部寬平,而頂部則窄小,明顯可以看出這些河道是順著裂隙發(fā)育而成。據(jù)陳敘倫、劉世青等研究結(jié)果,川南喀斯特地區(qū)地下河受層面裂隙產(chǎn)狀的制約遠(yuǎn)較地表水流大。因此小巖灣天坑原古河道的發(fā)育應(yīng)與此類似,主要受裂隙控制。3.2天泉洞及天獅洞天坑是形成于大型暗河通道上的塌陷,主要塌陷地就應(yīng)為地下大廳。地下大廳易于在下列情況下形成:一為暗河某通道處裂隙或節(jié)理特別發(fā)育,巖層易于溶蝕與侵蝕,在水流的溶蝕與沖蝕作用下巖層垮塌形成寬闊的地下大廳;二為幾個(gè)暗河相交處且?guī)r層裂隙較為發(fā)育,也易形成大型地下大廳。小巖灣天坑附近的天泉洞和天獅洞洞穴系統(tǒng)應(yīng)該可以作為小巖灣天坑發(fā)育的一個(gè)旁證。與小巖灣天坑相連的天泉洞洞道共分四層,各層均分布有多個(gè)地下大廳,最大者為第三層的穹廬廣廈大廳,其總面積達(dá)到1.5萬(wàn)m2。高達(dá)30~40m,長(zhǎng)200m左右,寬也為35~80m。天獅洞原名豬槽井洞,與小巖灣毗鄰,洞內(nèi)有一大廳長(zhǎng)達(dá)260m,寬約80m,高約30m,總面積達(dá)2萬(wàn)m2,并且四周有多個(gè)支洞與之相連。這些地下大廳都是世所罕見的,但它們目前也只屬于古暗河一個(gè)寬闊部分而已。3.3地下嘴唇的死亡研究興文小巖灣天坑是發(fā)育比較成熟的天坑,四周都是比較陡峭的峭壁,宛如大斗置于地內(nèi)。如此巨大的負(fù)地形,其形成實(shí)際是經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地史時(shí)期逐步演化而來(lái)。然而小巖灣天坑的形成究竟是地下大廳一次性垮塌形成的還是多個(gè)地下大廳一系列垮塌形成的,目前學(xué)術(shù)界還存在猜測(cè)。根據(jù)目前小巖灣附近的其他現(xiàn)存溶洞的研究成果,較為支持英國(guó)TonyWALTHAM博士的意見。目前中國(guó)的大型天坑都比世界其它地方的已知的洞穴大廳大,這說(shuō)明,要形成巨型天坑的地下大廳在目前看來(lái)還缺乏足夠的證據(jù)。因此認(rèn)為小巖灣天坑應(yīng)該是經(jīng)過(guò)多次崩塌所形成的。如天泉洞在不大的范圍內(nèi)就發(fā)育了多個(gè)面積較大的地下大廳,可以假設(shè),如有足夠的發(fā)育條件,足夠的時(shí)間,哪么天泉洞在發(fā)育到一定階段,地下大廳穹形頂板開始出現(xiàn)坍塌,最初形成天窗(如天泉洞瀉玉流光大廳),大廳頂板及周壁繼續(xù)垮塌使地下大廳與地表完全聯(lián)通,而多個(gè)暴露的地下大廳連在一起則成為所謂的天坑。小巖灣天坑呈現(xiàn)東西長(zhǎng)(長(zhǎng)625m)、南北略短(寬475m)的形態(tài),這與天坑周圍洞道的發(fā)育有著密切的關(guān)系。在西面發(fā)育兩個(gè)洞道(消水洞),南面靠近天坑頂部一個(gè)洞道(此洞道為所有洞道中海拔最高洞口,據(jù)南邊頂部約10m),東偏南為天泉洞后洞口。天坑的長(zhǎng)軸就是消水洞和天泉洞之間連接線,而短軸為南邊洞道與消水洞之間的連線。這表明天坑的發(fā)育與洞道間的聯(lián)通非常密切。區(qū)內(nèi)地殼抬升,南邊的洞道形成應(yīng)該最早,現(xiàn)在南邊已出現(xiàn)一定程度的崖壁坍塌,堆積斜坡應(yīng)該為坑壁開始出現(xiàn)退化的標(biāo)志。在消水洞口處也可能存在一地下大廳,此處最為寬闊;在天泉洞后洞口至天坑最低處應(yīng)發(fā)育一大廳,大廳內(nèi)大量崩塌物都被地下暗河帶到天泉洞內(nèi),目前在天泉洞內(nèi)仍可見許多巨大巖體崩塌物,且離洞口越近巖體越大,越多。后期隨著