天坑的形成与发育

天坑的形成与发育

小岩湾天坑位于四川省兴文县石海风景如画的地方。兴文县位于四川南部,以僰人最后消亡地而曼声海内外,今更以“三绝共生”的石海、溶洞、天坑的奇异地质遗迹景观而闻名于世,吸引了无数文人墨客及地质科学工作者前往瞻仰和科学考察。该喀斯特地貌景观目前已经成功申报为国家重点风景名胜区、世界地质公园。1区域地理起源1.1兴文石海地质构造及出露地层兴文石海位于四川省盆南山地与云贵高原的过渡地带,属乌蒙山北端山脉,地处东经105°0′55″至105°9′46″,北纬28°8′54″至28°20′29″,属顺河流域。区内岩溶地貌发育,石海、石林比比皆是,更有天下称奇的小岩湾、大岩湾天坑。兴文石海地质构造属川南褶皱带东西构造体系,位于镇雄穹窿构造之北,珙长背斜东段末端。区内地层除泥盆系、石炭系、第三系等地层缺失外,从寒武系到第四系都有出露。小岩湾景区出露地层主要为下二叠统栖霞组和茅口组,岩性主要为浅灰到深灰色及灰黑色中层微晶灰岩、泥晶骨屑灰岩、泥质灰岩、泥灰岩及4层近积风暴岩、远积风暴岩等。灰岩含燧石结核、条带或薄层,含丰富的蜓、珊瑚、牙行刺及藻类等化石。小岩湾天坑所在天泉洞景区内,出露岩层主要为纯度较高的石灰岩,岩层产状平缓,倾角5°左右。区内岩层节理发育,经初步统计,横节理50条/m2,纵节理40条/m2。1.2小岩湾天坑区火山岩顺河流域在仙峰钻子坳一带为分水岭,其余地表呈众多漏斗、洼地、落水洞等负地形。大气降水在非可溶岩区主要以短小地表溪河形式从南北两侧流入岩溶区,顺众多落水洞、溶蚀裂隙下渗,在地下水逐渐汇聚成地下河,在景区洞河以岩溶大泉形式于地表泄出。小岩湾天坑区的灰岩总体厚350~440m,汇聚了整个区内全部降水和地表水。根据调查、栖霞、茅口组灰岩由于裂隙、节理异常发育,其渗入数可达0.863。该区出露泉点不多,丰富的地下水主要顺着溶蚀裂隙、孔洞等汇聚成地下暗河。2日本井形成的基本条件2.1沿海地区的对比距今两亿七千万年到两亿四千万年(即早二叠世时期)的时候,川南兴文曾是一片汪洋大海,有相当部分时期属于浅海环境。经过漫长的地史时期,区内沉积了350~440m厚的石灰岩。在距今两亿四千万年到两亿三千万年之间,由于受印支运动的影响,该处上升为陆地;距今约七千万年的时候,造山运动(“燕山运动”),使沉积的石灰岩层抬升并发生褶皱、断裂,形成众多的断层和节理,为喀斯特地貌的发育提供了基础条件。2.2气候条件分析岩溶地貌的形是在漫长的地史条件下逐步演化而来。兴文石海能形成如此丰富的岩溶景观与该地古气候环境不无关系。我国在第三纪到石炭纪漫长地史时期均属于较低纬度带,例如二叠纪时我国主要在北纬35°,东经65°,而并不是现在的北纬29°,东经104°,并且时代越老纬度越低。在漫长的地史时期,川南都处在温暖潮湿的气候带上,雨量较为充沛。从第四纪开始中国所处经纬度开始逐渐接近现代位置(北纬29°,东经104°),而兴文石海又地处亚热带地区,纬度低,太阳辐射较多,离太平洋、印度洋较近(离北部湾仅800km,孟加拉湾1500km),大陆受大洋影响的程度为52.2%。据兴文气象资料显示,兴文年平均气温17.2℃;夏季(6~8月)平均温度25.36℃;秋季(9~11月)平均温度17.5℃;冬季(12月~次年2月)平均温度8.2℃。年平均降雨量1333.3mm,其中夏季雨量627.1mm,占47.0%。兴文石海不管是在地史时期还是在现代,其气候条件都为温暖潮湿,这为该地喀斯特地貌发育提供了良好的自然条件。小岩湾天坑所在地灰岩厚度大,汇聚了整个岩溶水文地质单元全部降水和地表水,使得灰岩成为整个岩溶风景区的强含水层。由于该区地下水水平流动饱和带主要位于高程400~600m的地下河中下游主管道两侧附近,而仙峰分水岭一带海拔在1400m左右,灰岩补给区海拔也多在800~1000m左右,因此该区垂直渗透带较厚,是各类岩溶地貌发育的绝佳条件。2.3暗河的输送机制地下河是天坑形成的一个重要条件,它是天坑容积内物质输出的途径。在兴文从海拔1400m左右的岭口、钻子坝地底为一暗河发育起始地,途径燕子洞、白岩、大小岩湾天坑、最后在古宋流出汇入洞河,全长20km多。暗河在地底呈三级台阶发育(图2),落差达到900m多,平均水力坡度0.045。据原西南师范学院(今西南大学)环境科研与四川省环境保护厅联合进行的四川兴文岩溶风景区综合考察报告显示,暗河由于内部具备多个深潭,因此年平均径流流速虽仅为0.0095m/S,但由于具备较大落差,因此局部地段流速应该比较大,而流水携带物质的能力与流量成几何增长关系,如公式:M=cV6式中:M为被运物的重量;C为系数(可因不同河流而稍异);V为启动M的流速。因此暗河具备强有力的物质与能量输入与输出动力系统。由图2可以看出在这一暗河流经的区域溶洞、落水洞、天坑等岩溶景观比较发育,这与暗河的巨大的输送物质的能力是密不可分的。根据中英联合洞穴探险发现暗河通道位于小岩湾天坑底部70m以下,通过蜘蛛洞下面一个小竖井可以进入天坑底部的暗河通道,而在小岩湾天坑目前四周就有明显的四个洞口与之相通。根据1992年中英联合探险得知,天泉洞的一蜘蛛洞在天坑底部与之联通,还有景区内最大的洞穴系统猪槽井洞穴的一支洞与之相连。这些应当都是曾经的地下河通道,只是由于在后期的地壳运动(燕山运动或喜马拉雅运动)的影响下,地壳抬升,部分洞穴已经成为残留的古暗河通道,已不具备利用流水输送物质的能力。3区域地质背景天坑的定义为:具有巨大的容积、陡峭而圈闭的岩壁、深陷的井状或桶状轮廓等非凡的空间与形态特征,发育在连续沉积厚度及其含水层包气带(vadosezone)厚度均特别巨大(地下水位深埋)的可溶性岩层(以碳酸盐岩为主)中,从地下通向地面,平面宽度与深度从大于100m至几百米以上,底部与地下河相连接(或有证据证明地下河道已迁移)的一种特大型喀斯特负地形。小岩湾天坑是典型塌陷漏斗,它的崩塌形成过程应当与重庆小寨天坑具有类似的发展演化历史,即地下河发育阶段、地下大厅发育阶段、天坑的形成阶段。天坑是由地下河强烈溶蚀、侵蚀导致岩层不断崩塌并达到地表而成,其发展由地下到地表,经历了3个阶段。3.1地下河的分布天坑是一个形成于大型暗河通道上的塌陷地形。它可能是单一的大型厅堂塌陷发育的结果,也可能是一系列通道结合部塌陷发育的结果,包括通过不同年代洞穴通道塌陷的叠加。而具朱学稳等研究推测小岩湾天坑的形成可能就是不同年代洞穴通道塌陷的叠加。地下大厅的形成则在形成之初必须要有地下河,因为地下河是天坑容积内物质输出的途径。小岩湾四周就分布了4个大洞口,分别位于不同的水平面上。根据简易测量,四个洞口的规模都比较大,高宽都在15~40m左右。具朱学稳等1995年的考察结果,这几个洞口及其地下通道都比较古老。根据目前的研究结果,小岩湾天坑西侧的3个洞道可能是主干洞道的早期洞道或者是现代洞道。而天泉洞主洞道一直可以延伸到小岩湾东边,不过是下层通道通过蜘蛛洞与天坑相连,然后再与现代暗河相连。小岩湾天坑四周的溶洞位于不同的水平面上应该是在地壳抬升过程中不同时期产生的地下暗河,对天坑的发育都起过主要的作用。在天泉洞内许多支洞或主洞道变小的部分当前仍能发现这些河道呈三角面,底部宽平,而顶部则窄小,明显可以看出这些河道是顺着裂隙发育而成。据陈叙伦、刘世青等研究结果,川南喀斯特地区地下河受层面裂隙产状的制约远较地表水流大。因此小岩湾天坑原古河道的发育应与此类似,主要受裂隙控制。3.2天泉洞及天狮洞天坑是形成于大型暗河通道上的塌陷,主要塌陷地就应为地下大厅。地下大厅易于在下列情况下形成:一为暗河某通道处裂隙或节理特别发育,岩层易于溶蚀与侵蚀,在水流的溶蚀与冲蚀作用下岩层垮塌形成宽阔的地下大厅;二为几个暗河相交处且岩层裂隙较为发育,也易形成大型地下大厅。小岩湾天坑附近的天泉洞和天狮洞洞穴系统应该可以作为小岩湾天坑发育的一个旁证。与小岩湾天坑相连的天泉洞洞道共分四层,各层均分布有多个地下大厅,最大者为第三层的穹庐广厦大厅,其总面积达到1.5万m2。高达30~40m,长200m左右,宽也为35~80m。天狮洞原名猪槽井洞,与小岩湾毗邻,洞内有一大厅长达260m,宽约80m,高约30m,总面积达2万m2,并且四周有多个支洞与之相连。这些地下大厅都是世所罕见的,但它们目前也只属于古暗河一个宽阔部分而已。3.3地下嘴唇的死亡研究兴文小岩湾天坑是发育比较成熟的天坑,四周都是比较陡峭的峭壁,宛如大斗置于地内。如此巨大的负地形,其形成实际是经历了漫长的地史时期逐步演化而来。然而小岩湾天坑的形成究竟是地下大厅一次性垮塌形成的还是多个地下大厅一系列垮塌形成的,目前学术界还存在猜测。根据目前小岩湾附近的其他现存溶洞的研究成果,较为支持英国TonyWALTHAM博士的意见。目前中国的大型天坑都比世界其它地方的已知的洞穴大厅大,这说明,要形成巨型天坑的地下大厅在目前看来还缺乏足够的证据。因此认为小岩湾天坑应该是经过多次崩塌所形成的。如天泉洞在不大的范围内就发育了多个面积较大的地下大厅,可以假设,如有足够的发育条件,足够的时间,哪么天泉洞在发育到一定阶段,地下大厅穹形顶板开始出现坍塌,最初形成天窗(如天泉洞泻玉流光大厅),大厅顶板及周壁继续垮塌使地下大厅与地表完全联通,而多个暴露的地下大厅连在一起则成为所谓的天坑。小岩湾天坑呈现东西长(长625m)、南北略短(宽475m)的形态,这与天坑周围洞道的发育有着密切的关系。在西面发育两个洞道(消水洞),南面靠近天坑顶部一个洞道(此洞道为所有洞道中海拔最高洞口,据南边顶部约10m),东偏南为天泉洞后洞口。天坑的长轴就是消水洞和天泉洞之间连接线,而短轴为南边洞道与消水洞之间的连线。这表明天坑的发育与洞道间的联通非常密切。区内地壳抬升,南边的洞道形成应该最早,现在南边已出现一定程度的崖壁坍塌,堆积斜坡应该为坑壁开始出现退化的标志。在消水洞口处也可能存在一地下大厅,此处最为宽阔;在天泉洞后洞口至天坑最低处应发育一大厅,大厅内大量崩塌物都被地下暗河带到天泉洞内,目前在天泉洞内仍可见许多巨大岩体崩塌物,且离洞口越近岩体越大,越多。后期随着