天坑的类型范畴与地貌成因学

天坑的类型范畴与地貌成因学

0野外考察和结果2005年10月，由中国天井研究项目组织的国内外喀斯特科学家对中国南方的喀斯特进行了大规模的实地调查，其目的是评估天井作为一种特殊的泄漏类型。实地考察也提供了一个极好机会认识峰丛和峰林。根据野外考察期间的观察,本文首次讨论了如何才能更好地建立天坑的类型,然后讨论了洞穴削顶在热带喀斯特形成中的作用。1天棚类型考虑朱学稳和陈伟海提出的中国天坑特点(本专集),对天坑作为喀斯特地貌类型范畴,定义的一个方法是使用方法学。1.1“双底”天坑的形态特征形态学方法是将形态和规模特征作为主要的标准来将天坑作为一种类型描述,然后考虑其成因,这种方法可用以区分天坑亚型。中国的研究者普遍使用的就是这种方法。他们强调形态学和形态测量学的标准来描述天坑作为一种大漏斗类型,而且把崩塌天坑和冲蚀天坑分成亚类。天坑的主要形态特征和形态量测特征如下:——直立或近直立岩壁、坑式剖面;——宽度和深度大于100m;——连续陡峭的周壁;——宽度/深度比率小(一般介于0.5～2.0)。单独使用形态学标准似乎不足以确定天坑作为喀斯特地貌中的一种类型范畴,因为这将导致不同起源的地形混淆不清。1.2冲蚀型天坑t成因方法强调的是地貌的起源和发育、地貌形成过程和基本条件。因为广泛使用形态来描述一类地貌和进行评估,所以也要考虑有关形态学标准。但是,这种方法中的形态学标准并不起决定作用,而是服从成因因素。作为随着时间演化和改变的地貌形态,成因方法应该解释在形态学上的演化和变异。中国研究者的研究(和2005年野外工作中的意见)强烈表明大多数天坑是形成于大型暗河通道之上的塌陷地貌。它们形成于洞穴通道发育的地方(暗河通道横向和/或纵向发达的地方),与地质软弱带(构造和岩层破裂带)的吻合。天坑形态可能与各种崩塌机制和作用有关(包括顶板和块石垮塌的顶蚀作用,剥蚀后退初期开口的横向扩展和地面风化的洞穴削顶作用)。天坑术语既定的中国用法意味将直立或近直立的岩壁作为这种地貌的一种标志。但是成因方法需要从演化观点看待它的特征。就多数天坑来说,垂直或陡峭的岩壁只是其早期的特征。天坑的演化,从成熟到退化,包括剖面越来越平缓、宽度慢慢增加、深度随之降低,因而宽度/深度比值也增加(图1)。早期大致呈圆形连续陡壁在一面或四周都受到破坏,通常大型洞穴通道或地表沟谷也为崩塌所截断(图2)。假如按照成因的方法来定义天坑的话,根据中国南方喀斯特的SRTM数据(图3),峰丛地貌中的洼地及漏斗,包括那些缓坡和边坡破坏的漏斗,其中大多数可以认为是退化的天坑。把大型侵蚀地貌归为天坑类型(中国学者把冲蚀天坑归为天坑类)是不符合纯粹成因方法。所谓冲蚀型天坑是一种特大型喀斯特竖井,主要由下降水力的溶蚀和侵蚀作用形成(常见是外源来水)。大型暗河存在及其主洞道不是溶蚀竖井形成的前提。因此,其起源与一般天坑是截然不同的,一般天坑主要是崩塌地貌。1.3最大期法—地貌发生学方法用形态发生学的方法定义天坑可将成因和形态的标准,以及它们之间的关系同等看待。天坑是形成于大型地下河洞穴(洞厅)之上的特大塌陷漏斗(规定宽度和深度的最小规模为100m),漏斗周壁连续陡峭,其宽度与深度的比值介于0.5～2.0之间。用形态特征来定义的天坑是年轻的塌陷漏斗本身所具有的特征,因此对于术语“天坑”,它的演化的意义指的是露天塌陷漏斗发育的早期阶段而已。这种方法可以建立天坑作为大型塌陷漏斗(超级漏斗)演化亚型(阶段)。天坑的进一步发育(演变)会导致天坑的退化,于是较老形态就不再具有天坑明显的特征,倒不如一般称为大型塌陷漏斗。用地貌发生学的方法分析,天坑有两个最重要的特征:(1)天坑的庞大规模。天坑是大型塌陷漏斗,建立深度和宽度的最低阀值虽然随意性大,但是也是必要的,因为天坑是个庞大规模体,这个规模体将天坑与天坑形成的特殊条件关联起来,并且与其它类型的塌陷漏斗区分开来;(2)与大型地下河有关。天坑是形成于大型暗河通道之上的特大塌陷漏斗,这个特征是与庞大规模相联系并且反映出大型地下空间的形成机制,这个空间可作为一个容器来容纳大规模的崩塌堆积物。此外,对大规模崩塌的产生来说,崩塌的向上发展并最终通向地面以及地下河的溶蚀搬运是个重要因素。庞大规模体和大型暗河都使天坑与热带潮湿环境或其它气候情况如流入喀斯特区、形成大型暗河通道的外源水流密切相关。成因学标准将天坑与其它大型塌陷地貌区分开来,包括蒸发岩之上的岩盖塌陷(如加拿大和俄罗斯地区)和干旱地区热水洞穴之上的大型塌陷(如阿曼地区),它们都不能归为天坑。2洞穴削顶形成的峡岩壁垂直的峡谷或地缝在许多石灰岩喀斯特区是普遍地貌现象。根据明显尚存的洞穴地貌遗迹特征,虽然在有些地方这种峡谷的形成是洞顶崩塌所致,但喀斯特地貌学家普遍认为这种机制并非峡谷形成的重要原因。相反,他们认为岩壁垂直的峡谷形成的主要作用是地表河流的下切所致;但是,峡谷陡壁不会扩展为谷地斜坡,因为峡谷的退化受到渗流的限制,从而减少了地表径流。在2005年的天坑考察项目期间,我们考察了重庆两个著名喀斯特区的石灰岩峡谷,两个峡谷的特征,如峡谷开口段早期洞顶的部分遗迹——天生桥、峡谷上下游末端主干洞穴通道,明确表明峡谷的形成是由于主要暗河通道的洞顶崩塌所致。天生三桥(3座天生桥)景区是一个通过洞穴削顶作用形成的峡谷的典型例子(图4A)。峡谷曾经是暗河的河道,现被几个天坑分成几段,而天坑之间是大规模的天生桥。这些天生桥是主干洞穴通道的遗迹,随着天坑发展演变,天生桥会坍塌而最终使3个天坑合并为1个天坑(图4C-D)。天井峡(也称为地缝,图3B)下游末端与主干洞穴通道相连,并通过暗河通道直通小寨天坑。峡谷中残留的天生桥表明了洞穴削顶的后退机制。通过洞穴削顶,峡谷不断延伸。天生桥表面的石灰岩在峡谷末端裸露风化,于是洞顶残余不断后退,同时峡谷沿着洞穴通道扩展(图5A)。主洞道洞顶厚度不太大的地方,这种横向洞顶切割可能是削顶洞穴和峡谷形成的主要机制,洞顶崩塌之后,于是在最软弱段形成初始开口(天坑)。这个表面风化过程包括溶蚀、侵蚀、揉皱、板块剥落和块石垮塌。同样的现象在天生三桥景区也有发现(图5B)。这些例子强烈支持这样的论点:那就是峡谷是由于洞穴削顶作用而形成的,而且天坑只不过是峡谷形成的早期标志。削顶是从崩塌和连续横向洞顶后退开始的,极有可能进一步沿着主洞道大规模崩塌,逐步分裂洞穴,形成峡谷,然后产生更多的横向后退。3地表喀斯特地貌学的洞穴研究过去10年中削顶的(裸露的)洞穴备受关注。由于不断的剥蚀作用,喀斯特地表的降低,必然导致了洞穴的剥盖和破坏,这一点早为人知。但是,最近斯洛文尼亚的研究人员对削顶洞穴进行了深入研究(Mihevc,1996;Mihevcetal,1998),发现了更多独特特征,并将它作为一种特殊的地表喀斯特地貌。由于削顶洞穴有些被地表作用所改变,因而在喀斯特地貌学方面洞穴削顶的更大的作用还有待研究。进一步从广义上说,喀斯特崩塌包括天坑都是洞穴削顶的派生产物,石灰岩峡谷也是洞穴通道通过崩塌和侧向后退形成的。3.1地表地貌的变异性广西喀斯特以典型的峰丛为代表,在统一的基岩基底上,峰丛从基准面上的侵蚀平原拔地而起(图6)。从洞穴平原流进主洞道的一条河流,慢慢地会使洞顶消失。洞穴削顶和石灰岩山地的局部后退,是切割基准面山丘的地貌作用之一。洞穴削顶对其它洞穴通道的作用,会形成剥蚀峰丛地貌的低地。可能洞口上方平缓谷地的形成也是削顶作用,不过是古代多阶段高层主洞道削顶的结果。同样可能的是,其它削顶,由于早期洞穴系统更老洞穴通道的作用,会形成目前典型峰丛喀斯特景观。可以说,洞穴削顶在热带喀斯特形成中发挥了重要作用。在长期湿热条件下,强喀斯特化作用形成的锥状和塔状喀斯特景观(峰丛和峰林)基本上都是残留的喀斯特地貌。这些景观的形成曾被认为主要是从地表地貌作用的结果。普遍接受的观点是特别靠近地表的溶蚀是主要的参与机制,地表崩塌仅起很少的作用(Day,2004)。锥状和塔状喀斯特可看作是溶蚀的残余,而相关的洼地和低地是目前喀斯特溶蚀和流水地貌作用的重点。事实上,锥状和塔状喀斯特形态是非常易变的,这种变异性的主要原因之一是区域构造演化和基准面历史的多样性。构造上升和基准面下降引起成熟景观再次活动,并使其地貌系统重组和变得更加复杂。喀斯特区地下地貌的再次活动是地表地貌再次活动的前提(Ford&Williams,1989:p438),而地壳抬升和基准面变动,与地壳相对稳定交互进行,从而形成相当复杂的地貌系统(FordandWilliams,1989,Fig.9,34)。塌陷地形是喀斯特景观再次活动的标志。天坑是崩塌起源的新地貌,这点是显而易见的。同样峡谷中的洞顶的残余(天生桥)是洞道直接崩塌的结果。成熟的景观如典型的峰丛喀斯特,其崩塌起源虽不是太明显,但从它们的形态来分析,从间接证据还是能推定它。关于洞穴削顶在峰丛和峰林喀斯特区形中的重要作用,有以下几个方面的证据:洞穴削顶是喀斯特发育最后的必然结果。岩石中任何空洞在喀斯特剥蚀过程中都会削顶。当削顶时,洞穴形态会与地表形态耦合。洞穴因此是未来负地形的(前体)早期阶段。热带锥状喀斯特区的洞穴通道必须达到一定规模,洞穴削顶才会在地表喀斯特地貌发育中起到重要作用。天坑和峡谷是洞穴削顶的直接证据,也是最新的削顶洞穴(图4)。在成熟热带喀斯特区的很多洞穴残留,表明洞穴的规模是与那些锥状喀斯特形态的主要影响因素有关(图7)。中国探洞项目和许多其它群体在过去20年进行的洞穴探测活动,表明主洞道的典型宽度和高度均是数十米,甚至有许多地方超过100m。热带锥状喀斯特区的洞穴通道的规模必须大到一定程度,地下系统剥蚀才会在地表喀斯特地貌中发挥重要作用。这种剥蚀作用可从总数达2800条暗河推断出来,这些暗河总长度估计有1.4万km,分布于15万km2中国南方锥状喀斯特区(陈伟海和朱学稳,本专集)。这些洞穴系统总洞穴的长度(包括废弃的上层通道)至少是暗河长度好几倍。这表明,当地下形态合并到地表锥状喀斯特景观时,地下形态因素必将成为地表地貌的重要的和共同的作用。有许多洞穴遗迹,包括喀斯特天生桥和弧形通道、截短的洞穴通道以及削顶洞峡谷,都属于现代喀斯特景观,许多都是成熟的景观。对洞穴削顶在锥状喀斯特形成中的作用认识阻碍是成熟景观的阐释问题,成熟景观中的洞穴通道削顶遗迹受地表作用的强烈改造,以致其起源模糊不清。大多数喀斯特区的锥状喀斯特和塔状喀斯特之间存在的洼地和低地,主要是集中喀斯特溶蚀和流水地貌作用形成的。鉴于以上理由,另类的解释是,有相当一部分这样的景观起源于洞穴削顶。3.2成熟的峰丛喀斯特地貌和盲谷类型的成因可以这样说,天坑起源于崩塌,地貌演变于退化,因此,很多,就算不是多数,峰丛区的大型漏斗可以认为是退化的天坑。以广西成熟的峰丛喀斯特地貌为例,其数字地形模型显示许多大型洼地和盲谷可能起源于天坑(图3),而成熟峰丛喀斯特区的大多数大型洼地都是退化的天坑(或者起源于塌陷地形)。这可以通过经受再次活动的天坑分布密度得到证明。如在广西乐业大石围天坑群的26个天坑分布区,可以看出地表塌陷可能是峰丛喀斯特区大型洼地的主要起源,它已演化成成熟的喀斯特地貌。3.3洞穴结构的分异峰丛喀斯特的主要特点是两峰之间的马鞍状地形(或称隘口)(图6)。虽然专门研究确定其性质似乎尚未公布,但这一点在传统的地貌学说中很容易理解,它可以说是某种地表流水作用的结果,也许是沿着构造软弱带发育的古河流排水格局的遗迹,或者选择性剥蚀的遗迹。其横截面通常呈V型、U型,就形成过程来说可以有各种各样的解释。其纵剖面,虽然有些是横向隘口残迹或倾向地底,但多数马鞍状地形都是相邻洼地的山脊。峰丛洼地两峰之间的马鞍状地形和隘口有可能都是削顶洞穴通道的遗迹,当然也不能完全否定其它可能性。从这种马鞍状地形的平面格局和纵向分布看,似乎与分布于高层洞穴可能的分支洞穴系统的格局一致。虽然可以设定范围进行专门形态量测分析来更充分证明这一点,但是也不能否认剥蚀搬运的改造。大多数情况下,洞穴削顶作用比起地表流水起源能够更好解释横断面和马鞍状地形的相对排列。从一些横断面可以看出,它们是保存完好的洞穴通道剖面残迹(图8),特别是那些倒倾斜的岩壁更能证明这一点(图9)。传统的反映中国南方地貌的山水画艺术通过多方面的艺术技巧对喀斯特景观进行描述,而且常常以非凡的表达力捕捉和描述一些景观的重要特征(图10)。这一点对喀斯特地貌学家来说,很有启发作用。4地表凹陷对洞穴削顶的作用用形态发生学的方法来定义天坑,可以确定天坑的分类范畴。天坑是形成于大型暗河通道之上的大型塌陷漏斗,这种漏斗有连续陡峭的岩壁,宽深比介于0.5～2.0之间。对于早期的塌陷漏斗发育来说,这个术语有演化的意义。天坑的大小和与大型暗河的关系使天坑与湿热环境密不可分。这个标准也将天坑与其它类型的大型塌陷地形区分开来,比如蒸发岩之上的岩盖漏斗或者热水洞穴之上的大型漏斗。这表明通过地表塌陷对洞