饶平县樟溪镇青岚溪河床壶穴形态的形成与发育

广东饶平县青岚溪河床壶穴形态的形成与发育PAGEPAGE12目录摘要 2关键词 21研究区位置及地质背景 42野外记录及计算方法 53壶穴形态的影响因素 63.1壶穴形态与产出部位 63.2壶穴形态与河床岩石节理 73.3壶穴形态与发育过程 93.4壶穴形态与壶穴消亡 104讨论与结论 104.1讨论 104.1.1青岚溪地质公园究竟是河流壶穴还是冰臼的问题 104.1.2野外考察未发现伴生的冰川地貌 104.1.3河流壶穴的形成与河床岩石节理之间的关系 104.1.4关于壶穴的形成年代问题 114.1.5发育过程中，流水的作用形式不是固定不变 114.2结论 11参考文献(References) 12广东饶平县青岚溪河床壶穴形态的形成与发育指导老师：欧先交李智钊，钟裕民，李新荷，陈春艳，张碧娥，赖幸（嘉应学院地理科学与旅游学院，广东梅州514015）摘要：对广东省潮州市饶平县樟溪镇青岚溪溪谷(成为旅游景点后称青岚地质公园)红军洞门口到下方水潭河段的169处壶穴形态特征进行详细测量并做统计分析，结合野外观测结果从统计学的角度定量地描述壶穴的形成和发育过程。研究得出以下结论：壶穴的形成与发育只与河床局部的地质、地貌、流水特征有关，其形成始于河床床面薄弱处和三角(撞击)坑；壶穴形态受构造节理控制；壶穴发育过程中，深度与口径间有很强的(对数)正相关关系；壶穴发育过程中，其形态和流水作用的形式不是固定的；在下切强烈的河段，作为河床下切的侵蚀形式之一，壶穴形成既不需要很长时间，也不能充分发育，而且难以长期保留。以统计方法定量地研究河流壶穴有助于解决广东第四纪环境的有关争论。关键词：青岚溪溪谷；河床壶穴；形态特征；统计学20世纪90年代以来，中国南方热带亚热带独特的客观地质体的全球变化和过去全球变化的记录日益受到科学界的关注。河谷地貌，在地质学研究史中已是一个古老的话题。然而，当引入全球变化的现代思路之后，我们将会发现一些新的问题，产生一些新的思想。近年来，有关华南沿海低纬度低海拔现代河谷中穴状微地貌(群)成因问题的讨论引起了人们的注意，使人们重新对其动力学成因、气候环境意义及其旅游开发价值产生了兴趣。一些学者认为发育在广东省东部揭西、丰顺以及海南岛等地河谷中的这种穴状微地貌是二三百万年前冰川成因的“冰臼(群)”[1,2]，另一些学者根据以往数十年积累的经验和资料，认为那只是山区河流常见的一种正常的现代“壶穴”微地貌[3、4]。此后，学者们陆续展开了实地考察和有益的讨论[5-10]。壶穴，又称锅穴、瓯穴，根据《地质词典》[11]、《地球科学大辞典》[12]给出的定义是指基岩河床上形成的近似壶形的凹坑，是急流漩涡夹带砾石磨蚀河床而形成的。壶穴集中分布在瀑布、跌水的陡崖下方及陡坡较陡的急滩上。类似的地形也可以出现在冰川床底上，由冰川水冲蚀造成，特称之为冰川锅。壶穴(Pothole)有多种成因：河水侵蚀、冰水侵蚀、冰融水滴蚀、冰压刻、风蚀、浪蚀、风化乃至圆砾铸模[13,14]，任一种成因的坑穴都可称之为"Pothole"[14]。根据已有文献，我国河蚀壶穴见于广东、黄山、黄河壶口、香港等地河谷[13-17]，浪蚀壶穴在台湾花莲、野柳、香港及广东等地海岸均有发现[15,17]，而河北丰宁、内蒙赤峰则有风化风蚀型壶穴形成[13,15]。值得一提的是，广东的河蚀壶穴，河北、内蒙的风化风蚀壶穴被个别学者认为是冰融水侵蚀的冰臼[18,19]。壶穴是研究人类生存环境变化的良好载体[13]，壶穴的研究不仅有其形成过程中的地貌学意义，更重要的是其背后的环境学意义。对壶穴形成不同的见解会导致完全不同的地球环境演化方向结论。壶穴是广东地区现代山区河流中常见的河床微地貌，如果广东地区河床上的壶穴是河成壶穴，那是再普通不过的事情，但如果是冰臼(冰川壶穴)，则广东地区必定出现过冰川，这无疑对中国及世界第四纪冰川的研究具有重大意义。壶穴研究在国外有很长的历史，与壶穴研究相关的文献最早可追溯到19世纪中叶[16]。我国直到近年来由于与大冰盖理论相关的冰臼引起的争论，才直接或间接地导致较多专门研究壶穴的文献出现[3-5，6，8-12]。国外上世纪初也出现过类似的争论[23]。目前我国与壶穴相关的研究描述成分居多。相比之下，国外相关研究有较高的定量程度[23-26]。本文以广东省潮州市饶平县樟溪镇青岚溪溪谷(开发成为旅游景点后称青岚地质公园)红军洞门口到下方水潭段的壶穴为对象（图1-2），对其形态特征进行详细的测量并做统计分析，将计算结果与野外观测结合，首次使用统计定量研究的方法，探讨河成壶穴的形成和发育过程，也为冰臼壶穴之争增加案例研究。图1：青岚地质公园位置示意图图1：青岚地质公园位置示意图图2:青岚溪谷壶穴研究河段示意图图1：青岚地质公园位置示意图图2:青岚溪谷壶穴研究河段示意图图1：青岚地质公园位置示意图1研究区域及地质背景青岚溪发源于饶平县北部的山脉，属于青岚溪水系，研究地区基岩为中生代燕山时期的花岗岩。本文研究的河段是从青岚溪的红军洞门口到下方水潭（其中红军洞门口经纬度约为：N23°44.413′，E116°49.861′，海拔：70.8米；青岚溪下方水潭经纬度约为：N23°44.336′，E116°49.884′，海拔：33.2米）。该河段壶穴分布最为集中（图3-10）。因在考察地点的上游及下游均未发现更大的壶穴群，基本为零星分布，不具有典型性，因此选取本段进行研究。研究河段长约200.2米，河床海拔从70.8m降到33.2米（由GPS定位导航仪测量），河流坡降大，水流急，河床主要为侵蚀基岩河床，由燕山期黑云母花岗岩组成，化学风化较强；时而为大面积岩槛，时而为由次磨圆状砾石和巨大花岗岩岩块组成的石滩。该河段上游是宽阔的河面，向下游忽然收窄，河道从西北——东南流向折向西偏转，流水速度加快。河床上有巨大完整的花岗岩岩块分布（图11），纵向剖面坡降大，多跌水、瀑布。河床的基岩上裂隙众多，节理发育明显。其中主要节理的走向分别为NE56.2°和NW325.6°，呈“X”型相交。另一组节理为花岗岩自身发育的席裂或席状构造。席裂构造是由于地球表面不断被侵蚀夷平，因而下伏岩石的负荷随之减轻，导致在垂直方向上因减压而发生扩张作用所形成的一种节理，以花岗岩最为发育，常将花岗岩体切割成许多平缓的板状或透镜体，成为壶穴形成的“平台”[12]。由构造作用产生的垂直节理主要有5组，实测走向分别为：56°-60°、96°-121°、249°-268°、315°-330°。河床形态为典型的山区侵蚀性基岩河床，河床落差大，表现为纵向多跌水、瀑布，所以其石质床面纵向坡度并不大;横剖面石质深槽、浅滩交错(图3-图5)，石质深槽、石质浅滩又分别称低水河床和高水河床[27]。图5：河床壶穴分布状况图4：河床壶穴的分布状况图3：河床壶穴分布状况图5：河床壶穴分布状况图4：河床壶穴的分布状况图3：河床壶穴分布状况图7：受节理控制的壶穴图8：跌水壶穴图6：流水磨蚀壶穴图7：受节理控制的壶穴图8：跌水壶穴图6：流水磨蚀壶穴图10：圆形废弃壶穴图11图10：圆形废弃壶穴图11上游由岩块组成的石滩图9：槽型壶穴2野外记录及计算方2野外记录及计算方法青岚溪河谷壶穴平面形态主要有圆形、椭圆形、四边形、多边形乃至长条形(图3-图11)。借鉴前人的野外测量及计算方法，观察记录壶穴的平面形态，记录壶穴深度，长短轴长度和相应的长轴走向(短轴走向按与长轴走向正交计算)，其口径大小按长短轴之和的平均值计算，其中长短轴比超过平均值2个标准差作为槽型壶穴，其他作一般壶穴；为知道各壶穴所在的上下游位置，记录从红军洞门口开始向下游顺序进行，利用卷尺、皮尺、地质罗盘仪等工具，并对每个壶穴编号，一直到研究河段流出河谷下方水潭处（图2）。研究河段壶穴形态比较统一，三角形或不规则形状的壶穴产出数量较少，形态不完整，未形成典型壶穴。如刚发育雏形，已被侵蚀至难以复原的壶穴因其不具有代表性，因此不列入研究范围。最终共测量壶穴169个，其中圆形壶穴4个，一般壶穴155个，槽型壶穴10个。按标准统计方法计算各指标的统计参数(平均值、众数、方差、标准差、离散系数等)、分布特征等。对有关数据进行分布类型对比，相关分析和回归分析，必要时对非线性数据进行线性转换[22]，并按标准统计方法对各种计算结果进行统计检验[26]。数据处理和计算所用到的软件包括Excel，Matlab，GeoDa，CrimeStat，Variowin等。3壶穴形态的影响因素3.1壶穴形态与产出部位青岚溪地质公园的（考察时间是3月份，处于枯水期，大部分壶穴露出水面）壶穴分布于河床的基岩面上，大量出露在坚硬的花岗岩表面。壶穴的长短轴的平均值分别是125.1cm和80.7cm，长短轴之比的平均值约为1.68，口径平均值为103.2cm，深度平均值则为67.3cm。长轴、短轴和深度的极大值、极小值相差悬殊，并且三者的离散系数均大于或等于0.85，最高值深度达到0.95，离散程度大（表1）。表1青岚溪壶穴形态指标统计数据均值/cm中值/cm众数/cm标准差/cm方差离散系数极大值/cm极小值/cm长轴125.19150113.6312911.90.9197516短轴80.763.53368.184675.50.8549013深度67.348.51063.314032.30.944905另外，壶穴的深度、长短轴之比和平均口径沿测量河床的上下游段的变化无明显的规律，即壶穴的大小，深度和形态不同的壶穴是随机分布的（图13）。这意味着壶穴由小变大的发育过程河流的流速和平均流量没有直接的关系，但是与河床的地质、地貌、流水特征有关。深度小于30cm的壶穴约占样本总数的40%（图14a），而且多分布于河床的基岩面上。壶穴的垂直剖面可分为碟形和圆柱形，没有发现明显三角坑壶穴。大部分碟形壶穴深度较小，口径远大于深度，但有极个别的深度达到上百厘米。圆柱形壶穴深度相对较大，有明显的桶壁，大部分圆柱形的壶穴也是口径大于深度。而且壶穴桶壁的上游高、下游低，两者高度相差较大（图12h），有些壶穴在水流的溯源侵蚀作用下导致桶壁缺口（图12b）。图12壶穴形态特征3.2壶穴形态与河床岩石节理野外观测发现河床基岩面上(包括槽型壶穴)或跌水背水一侧的壶穴底部多为构造裂隙(节理或节理交汇处)。一般壶穴长短轴比等于1(正圆)的相对较少，不到1%，等于1.5的占56%(图14b)，但长短轴走向是有选择性的，主要有两个方向，大部分在北东东之间，另一组北西西之间(图15a)，其次壶穴的走向与壶穴的节理走向有密切的关系（图15b）。以上说明壶穴其形态受构造节理控制。此外，长短轴比超过平均值两个方差的槽形壶穴的长轴多与河流走向一致，这些长条形的壶穴往往不是简单的槽形，而是串珠状的槽形，其剖面和侧面形态表明它们是由多个壶穴沿同一节理发育，最后连通而成(图12g)，显然是流水沿纵向节理侵蚀的结果。图13壶穴形态、深度、口径的沿程变化图14壶穴深度（a）、长短轴比（b）频率分布图15各壶穴走向及节理走向3.3壶穴形态与发育过程壶穴的长轴与短轴作对数变换后可以看到有很强的正相关关系（R=0.882），其最佳回归方程是幂<1的函数（图16a，c）。说明壶穴在发育过程中长轴口径不断增大，但是长轴增长的速度快于短轴，不容易形成圆形壶穴。另外，串珠状的槽型壶穴的平均口径之比超过200的占样本总数的11.86%，并且大部分沿着节理走向，这进一步说明节理的控制作用。图16壶穴长轴与短轴、深度与口径的相关性分析及回归分析考察中尽管没有发现有明显的三角坑壶穴，然而通过复原壶穴，我们仍然可以看到底部是三角形，上层为圆碟形的壶穴。根据流水动力学原理（沿流向物面半径越小，流体越容易分离[28]），流水在上游流水面边界的突然改变产生分离形成回流，回流加强了对三角坑壶穴的下沿的侵蚀力度，使得下沿的侵蚀速度快于上游边，下游边被磨圆向下游后退后，三角坑的平均半径加大，上游边的回流减弱，侵蚀增强，也被侵蚀向上游后退。三角坑在各边都被磨蚀后，口径扩大、逐渐变圆，渐渐的往碟形、圆形壶穴发展（图12e）。将一般壶穴的深度与口径做对数变换后有较高的线性相关系数（R=0.767），反变换后，壶穴的最佳回归曲线是幂<1的幂函数曲线（图16b，d）。这说明，在一段时期内，壶穴深度的增加快于口径扩大的速度，经年累月可形成桶壁。而且，当河流壶穴宽深比发展过程曲线是一条幂>1的幂函数[29]（图16d），这说明河流壶穴从碟形壶穴发育到成熟壶穴的过程中深度加大，形成较深的桶壁。从壶穴所处的位置看，跌水壶穴形成于垂直水流对河床的冲刷作用，并且位于基岩河床的软弱处（节理或节理交汇处）（图12h）。3.4壶穴形态与壶穴消亡青岚溪属于山区河流，坡降大，年降水量多，流水常年向破碎、软弱的河床下切侵蚀，原先的高水位河床相对抬升形成废弃河床，废弃河床上的壶穴失去了动力基本停止发育。由于河床节理丰富，废弃壶穴受风化剥蚀后穴壁、边缘通常会显得粗糙不平，底部偶有风化堆积物，有的壶穴甚至长出杂草（生物风化），加速了其消亡的过程（图12e，f）。野外随时可见的瀑布处的跌水壶穴（图12h），流水从高处下跌后冲刷下游穴壁，加上节理裂隙发育丰富的缘故，下游穴壁极易被侵蚀破坏掉，与上游穴壁形成很大的高差，而上游穴壁则随着流水对基岩进行溯源侵蚀，流水侵蚀的位置不断向上游后撤，这是河床下切的一种形式，最终壶穴也会因此消失。另外，上述多个壶穴沿节理连通后合并成槽形壶穴，使原有壶穴消失（图12g）。4讨论与结论4.1讨论4.1.1青岚溪地质公园究竟是河流壶穴还是冰臼的问题笔者实地考察青岚溪地质公园之时，该公园仍是称这里的壶穴是第四纪冰川时期留下的冰臼。壶穴是指基岩河床上形成的近似壶形的凹坑，是急流漩涡夹带砾石磨蚀河床形成的；冰臼则系在冰川作用范围内，由冰川或冰川的急流冰水，携带石块快速旋转冲击，在基岩冰川上形成的螺旋状涡流洞[14]。从壶穴的形态来看，冰川壶穴具有“口小、肚大、底平”的特征。但是根据考察结果来看，该处的壶穴均不具有平坦的底部，其底部或下凹，或有中央突起。从粤东地区的年降雨量来看，潮州市饶平县的年降雨量为1500mm~1700mm[30]，这就保证了该区现代河流具有丰沛的水量和充足的水动力条件。壶穴大部分分布在河床的基岩面上，以河道的主流线上居多，洪水期被淹没，枯水期则露出水面，而且多产出于瀑布和跌水的下方[30]。笔者考察之时是3月份，处于枯水期。据景区管理员称，丰水期大部分壶穴被淹没，就如上述情况描述。4.1.2野外考察未发现伴生的冰川地貌迄今为止，笔者在数次野外考察中始终未发现在青岚溪溪谷及其周边地区始终未发现冰蚀地貌的冰斗、U形谷、峡湾、羊背石；也未发现冰碛地貌的基碛丘陵、侧碛堤、终碛堤、鼓丘以及冰水堆积地貌的冰水扇和外冲平原、冰砾阜阶地与冰砾阜、涡穴、蛇形丘等。一般地说，认识中国冰川现象是相当困难的，其原因是：①经过长期侵蚀，冰川地形保存不清楚；②红土层或黄土层掩盖冰川停积，地貌不明；③寒冷地带古生物群和热带或温带古生物群在第四纪岩层中混合出现；④许多地方的冰碛物受了冰期以后流水的冲洗，使得冰碛物层抑或完全变成了洪积层，抑或冲积物和冰碛物混杂在一起，因而不容易辨别；⑤过去在中国的外籍地质、地理工作者偏见太深；等等[7]。4.1.3河流壶穴的形成与河床岩石节理之间的关系学术界一直存在争议：汀江上游花岗岩河床发育的壶穴与节理无关[31]。揭西石肚溪花岗岩河床发育的河流壶穴则与裂隙有关[18]，冰川论者认为这些壶穴是冰臼，并认为与裂隙无关[16]。内蒙和河北花岗岩上的风成壶穴是气候地貌，其长轴也是有选择性的，但与气候无关[28]。根据我们的实地考察发现：沿花岗岩的岩层走向，有明显的石英岩脉分布，壶穴明显的受限于较难磨蚀的石英岩脉，而往石英岩脉旁较易磨蚀的花岗岩发展，或是垂直于石英岩脉的节理分布。壶穴的长短轴不等，而且有较高的相关系数（图16），说明壶穴的平面形态不是正圆形的，从（图16a）的对数曲线可见，随着壶穴的发育，长轴增长快于短轴，壶穴表明很难形成正圆。壶穴的长轴主要走向是有选择性的，与基岩面上的节理走向一致（图15）。说明河流的侵蚀动力主要倾向于选择基岩的软弱（节理、断裂）处侵蚀。4.1.4关于壶穴的形成年代问题饶平县樟溪镇青岚溪壶穴公园，位于樟溪中上游峡谷地段，研究河段是青岚溪溪流的拐弯和坡骤降处，河流的下切强烈。在强烈下蚀的峡谷河段，壶穴作为河床下切的侵蚀形式之一，壶穴的形成不需要很长的时间，国外有报道称60年就能形成壶穴。另外，野外观测到的废弃壶穴有碟形也有圆柱形的，这说明壶穴在还没有发育完全就已经成了废弃壶穴了(图12e，f)。越远离河床的低水位，花岗岩基岩仍然出露，但是壶穴越来越少，这说明，从中新世到现在，伴随着河床的不断下切，无数的壶穴被不断的侵蚀消亡，又不断有新的壶穴生成。所以，现代河床上的壶穴就是现代壶穴。4.1.5发育过程中，流水的作用形式不是固定不变野外考察发现，在大壶穴的里边发育着次一级壶穴，而且壶穴的内壁不是在同一垂直线上。Alexanda将壶穴旋转流壶穴、半圆凿壶穴和跌水壶穴三种类型[33]。如果将壶穴的发育过程分成幼年期成年期中年期老年期衰退期五个阶段，那么一个发育完整的壶穴对应的形态特征分别是：三角坑碟形—圆形圆柱形槽形。其中三角坑和碟形属于半圆凿壶穴，二者的流水共同作用是水流从上游向下游冲刷，口径比不断增大，但是深度还较浅，长轴可以几倍于短轴。碟形和圆柱形壶穴的深度逐渐加大。根据Alexanda的实验，只有当圆形壶穴形成桶壁的时候才有旋转水流[35]，旋转水流对壶穴的不断侵蚀导致壶穴深度增大，桶壁变光滑，倾向于圆形，形成圆柱形壶穴，属于旋转流壶穴。当发育于同一节理的壶穴扩大连通后，旋转流壶穴转变为槽形壶穴，这也是为什么槽形壶穴多沿着节理发育的原因之一。4.2结论(1)根据数据分析得出青岚溪地质公园的石臼群属于河流壶穴。(2)壶穴的形成与发育只与河床局部的地质、地貌和水动力有关，形态受节理控制。(3)壶穴的形成年代为现代，且壶穴处于不断的生成和消亡的动态变化当中。(4)壶穴发育过程中，流水的作用形式不是一成不变的。(5)壶穴是河床下切的侵蚀形式之一。在下切强烈的地段，壶穴形成不需要很长时间，但不能充分发育，也很难长期保留，现在河床上的壶穴也就是现代壶穴。参考文献(References)[1]韩同林.世界奇观——冰臼群在广东揭西县首次发现[J].揭岭,1998,(12):2-3.[2]韩同林.自然景观广东冰臼群[N].科技日报,1999-[3]张叶云.是“冰臼”还是“壶穴?[N].羊城晚报,1999-[4]黄进,李春初.现代河谷里何来“冰臼群?[N].科学时报,1999-[5]韩同林.是冰臼”不是壶穴”——与对冰臼成因有争议的作者商榷[J].揭岭,1999,(1-2):14-20.[6]陈华堂,丘世均,黄山,等.揭西、丰顺“冰臼群”成臣商摧[J].热带地理,1991,19(4):376-380.[7]李孟华,谢小康.冰臼”与“壶穴”之争[J].热带地理,1999,19(4):381-384.[8]韩同林,劳雄,郭克毅.关于南国冰臼群成因的商榷[J].热带地理.2000,20(1):72-80.[9]周厚云.对粤东揭西冰臼”的异议——兼论地貌上的几个疑点[J].冰川冻土，2000.[10]刘尚仁.关于冰臼形成与保存机理认识上的几个误区[J].热带地理,2000，20(2):156-161.[11]地质矿产部地质词典办公室.地质词典（一）普通地质构造地质分册（上册）[S].北京:地质出版社，1983.[12]地球科学大辞典编著委员会.地球科学大辞典[S].北京：地质出版社，2005.[13]钟建华,倪晋仁,沈晓华.黄河下游壶穴的研究[J].地质学报,2002,76(2):280-286.[14]崔之久,李洪江,南凌等.内蒙、河北巨型壶穴与赤峰风道的发现[J].科学通报,1999,44(13):1429-1434.][15]李洪江,崔之久,赵亮.内蒙、河北山区壶穴的成因探讨[J].地理学报,2001,56(2):223-231.[16]朱照宇.广东揭西河谷地貌与风化层特征初步观察[J].热带地理,2000,20(4):331-336.[17]Hsi-LinTschang.Anannotatedbibliographyofpotholeforms.ChungChiJournal,1974,12(1/2):15-53.[18]韩同林,劳雄,郭克毅.关于南国冰臼群成因的商榷之二[J].热带地理,2001,21(2):189-194.[19]赵国龙,朱洪森,李泊洋等.论内蒙古第四纪冰川和冰臼群的成因[J].中国区域地质,2001,20(2):200-206.[20]热带地理编辑部.中国科学院院士施雅风谈“冰臼”与“壶穴”[J].热带地理,2002,22(1):1-2.[21]周尚哲,锅穴一定是第四纪冰川的标志吗?[J].第四纪研究,2006,26(1):117-125.[22]刘尚仁,覃朝锋,彭华.关于广东有无冰川发育条件的讨论[J].地理科学,2000,20(4):376-38.[23]AlexanderHS.Potholeerosion.JournalofGeology,1935,40(4):305-337.[24]SpringerGS,T