四川省康定市金湯地區(qū)一種新型溶洞及其發(fā)育機(jī)制

鄧朝燕，劉 順

(成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059)

四川省康定市金湯鎮(zhèn)河壩村SE向大溝，發(fā)育一種與巖溶洞穴相比有許多獨(dú)特之處的新型溶洞，它們無(wú)論在構(gòu)造背景、形態(tài)特征還是成因機(jī)制上都與典型的巖溶洞穴不同，研究它們將有助于我們識(shí)別和推斷地貌發(fā)育，對(duì)于研究溶洞的成因與演化有著重要意義。

筆者通過野外露頭的觀測(cè)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景及相關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)金湯新型溶洞形態(tài)特征進(jìn)行描述，并探討其形成發(fā)育過程。

1 研究區(qū)域概況

金湯新型溶洞位于康定城區(qū)30°方向，屬康定市三合鄉(xiāng)河壩村，溶洞地理坐標(biāo)為：東經(jīng)102°19.226′，北緯30°17.299′，海拔高度2 576 m。

1.1 自然地理?xiàng)l件

研究區(qū)地處四川盆地西緣山地和青藏高原的過渡地帶，地勢(shì)由西向東傾斜。東部為高山峽谷，西部是青藏高原東緣，西北部為丘狀高原區(qū)，地貌上以寬闊的丘狀高原區(qū)面鑲嵌寬淺河谷為特征[5]。境內(nèi)最高點(diǎn)為貢嘎山主峰，海拔為7 556 m，境內(nèi)最低點(diǎn)為大渡河，海拔高度為1 390 m，由于地殼間歇性抬升，區(qū)內(nèi)地形切割強(qiáng)烈，溝谷縱橫發(fā)育。

研究區(qū)按地理緯度應(yīng)屬亞熱帶氣候，因地處川西高山峽谷區(qū)，且在盆地向高原過渡區(qū)域，所以形成了典型的青藏高原型季風(fēng)氣候，垂直分帶特征較為明顯，隨著海拔高度的增加，氣溫逐漸降低、降水量增多，蒸發(fā)量減少[6]。區(qū)內(nèi)年降水量豐富，但分配不均，主要集中于夏季，年平均降雨量為830 mm。年平均氣溫7.5 ℃，年平均最低溫度3 ℃，年平均最高溫度12 ℃，年日照數(shù)1 738 h，無(wú)霜期177 d。

區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)達(dá)，境內(nèi)河流密集，共有大渡河、金湯河等大小河流溪澗共一百余條，流域面積從幾平方千米到上千平方千米。主要的流水方向?yàn)槟媳毕颉⒈睎|向、北西向，河流接受大氣降水及冰雪融水補(bǔ)給，水量豐富，但徑流量空間和季節(jié)分布不均，豐枯變化較顯著，豐水期主要集中在降雨量豐富的5月—9月，枯水期則在降雨量較少的12月—次年2月。

1.2 地質(zhì)條件

研究區(qū)位于四川盆地以西、松潘-甘孜造山帶南段，地層區(qū)劃屬上揚(yáng)子地層分區(qū)九頂山小區(qū)。金湯新型溶洞及附近地區(qū)出露地層主要為下泥盆統(tǒng)(D1)、中泥盆統(tǒng)(D2)、中二疊統(tǒng)(P2)、中三疊統(tǒng)(T2)、上志留統(tǒng)(S3)，其中金湯新型溶洞主要發(fā)育于下泥盆統(tǒng)(D1)。

溶洞南西側(cè)主要出露泥盆系中統(tǒng)(D2)、二疊系中統(tǒng)(P2)、二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P3β)。其中泥盆系中統(tǒng)(D2)巖性主要為淺灰色變質(zhì)灰?guī)r、白云巖夾千枚巖、泥質(zhì)灰?guī)r等。二疊系中統(tǒng)(P2)巖性主要為中厚層灰?guī)r夾頁(yè)巖、泥灰?guī)r、粉砂質(zhì)板巖等。二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P3β)主要出露暗灰色杏仁狀玄武巖。

三疊系中統(tǒng)(T2)圍繞溶洞南、北西側(cè)，主要出露中厚層白云巖、泥質(zhì)白云巖夾灰?guī)r。志留系上統(tǒng)(S3)主要分布在溶洞南東側(cè)，中層為白云巖、結(jié)晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r底部為黑色鈣質(zhì)頁(yè)巖。

泥盆系中統(tǒng)上段(D12)分布于溶洞南東、東側(cè)，主要巖性為淺灰色薄-中厚層灰?guī)r、白云巖，生物灰?guī)r夾泥質(zhì)頁(yè)巖。

區(qū)域內(nèi)褶皺及斷裂較為發(fā)育，主要的背、向斜有：二郎向斜、昌昌向斜、菩薩山背斜和二郎東背斜等。斷層多為弧形壓性、壓扭性斷裂，主要斷裂有：昌昌逆斷層、貝母山弧形逆斷層、黑懸溝弧形逆斷層(見圖1)。

1.上三疊統(tǒng)須家河組；2.中三疊統(tǒng)；3.上二疊統(tǒng)峨眉山玄武巖組；4.中二疊統(tǒng)；5.中泥盆統(tǒng)；6.下泥盆統(tǒng)；7.下泥盆統(tǒng)上段；8.下泥盆統(tǒng)下段；9.上志留統(tǒng)；10.志留系中上統(tǒng)；11.中志留統(tǒng)；12.下志留統(tǒng)；13.奧陶系中上統(tǒng)；14.奧陶系下統(tǒng)下段；15.震旦系-奧陶系；16.前震旦鹽井群石門坎組；17.前震旦鹽井群雅斯德組；18.澄江-晉寧期花崗巖；19.澄江-晉寧期石英閃長(zhǎng)巖；20.澄江-晉寧期閃長(zhǎng)巖；21.澄江-晉寧期混合花崗巖；22.逆斷層及編號(hào)；23.平移斷層；24.向斜及編號(hào)；25.沉積不整合界線；26.地層界線。①昌昌逆斷層；②黑懸溝弧形逆斷層；③貝母山弧形逆斷層；④昌昌向斜；⑤二郎向斜。

區(qū)域上巖漿巖出露廣泛，巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，以噴出、侵入及貫入三種方式為主。主要有中條期、晉寧期及澄江期的巖漿活動(dòng)[7]。

2 溶洞發(fā)育特征

可溶性的碳酸鹽巖，是巖溶洞穴發(fā)育的基礎(chǔ)。受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水動(dòng)力條件等的綜合影響，巖溶洞穴常以溶洞群形式出現(xiàn)，溶洞的分布表現(xiàn)出明顯的平面分帶性和垂向成層性[8]。且?guī)r溶洞穴通常發(fā)育于山體內(nèi)，伴隨著溶蝕、侵蝕等作用，溶洞往往高、寬數(shù)米到數(shù)十米，長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米至數(shù)十千米。

而金湯新型溶洞發(fā)育于下泥盆統(tǒng)(D1)，主要以黑灰、灰褐色碎屑巖為主，厚度約為580 m，巖層總體為傾向南東、傾角40°～60°的單斜構(gòu)造。周邊斷裂構(gòu)造密集，主要發(fā)育北東向褶皺及一系列小型沖斷裂。由志留、泥盆、二疊等各系地層組成的褶皺，走向北東，但其形態(tài)被與褶皺平行的一組沖斷層所破壞。沖斷層斷面傾向北西，傾角>60°，斷裂兩旁均有破碎、牽引等擠壓現(xiàn)象。

金湯新型溶洞發(fā)育于山體外，平行于峽谷邊緣，沿北西—南東方向水平延伸，平直且無(wú)支洞，形態(tài)簡(jiǎn)單，面積較小。洞穴總長(zhǎng)>10 m，洞內(nèi)斷面最大處高約2 m～3 m，寬約3 m～4 m，呈單通道廊道式。洞內(nèi)偶有出露口，位于陡崖峭壁上，出露口高約2.5 m，寬約2 m，為不規(guī)則垂向橢圓形(見圖2)。

圖2 溶洞洞口形態(tài)

洞內(nèi)次生碳酸鈣沉積較發(fā)育，主要有石鐘乳、石筍、石柱等，規(guī)模較小且形態(tài)各異，洞壁多有鈣化沉積，洞底偶有散亂堆積角礫碎屑等(見圖3)。洞外可見大量鈣化沉積、鈣質(zhì)膠結(jié)物，偶爾可見溶塌角礫及燧石結(jié)核。在洞頂?shù)孛鎺r石上，可見大量股狀流水，水順陡崖呈線狀下瀉，流量較大，約為0.8 L/s。

1.頁(yè)巖(板巖)；2.泥巖；3.泥灰?guī)r；4.鈣華沉積物；5.黏土類沉積物；6.石鐘乳或石柱。

綜上所述，金湯新型溶洞發(fā)育于碎屑巖之上，位于山體之外，平行于峽谷邊緣沿北西—南東方向水平延伸，形態(tài)簡(jiǎn)單且面積較小，整體呈單通道廊道式。

3 溶洞成因探討

巖溶洞穴的發(fā)育、演化及形成，是長(zhǎng)期地質(zhì)、水文地質(zhì)作用的結(jié)果。它的發(fā)育程度在特定的水動(dòng)力條件下，受巖性、巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、地貌和化學(xué)成分制約[9]。而金湯新型溶洞的發(fā)育，同樣須具備一定條件。溶有碳酸鹽巖的水為金湯新型溶洞帶來(lái)豐富的物源，而地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地下水的參與決定了其發(fā)育程度。

3.1 可溶巖層

金湯新型溶洞發(fā)育于下泥盆統(tǒng)(D1)，主要巖性為灰黑色頁(yè)巖、板巖，中厚層石英砂巖夾粉砂巖等。從可溶巖的純度來(lái)看，該區(qū)巖石的可溶性較差，不具備溶洞發(fā)育的條件。

研究發(fā)現(xiàn)，金湯新型溶洞南西側(cè)普遍出露泥盆系中統(tǒng)(D2)、二疊系中統(tǒng)(P2)、二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P3β)。其中二疊系中統(tǒng)(P2)巖性主要以深灰色中厚層石灰?guī)r夾生物碎屑灰?guī)r、中厚層白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖等碳酸鹽巖為主。由于其自身的化學(xué)組成和礦物成分，在自然體制下，易溶于水，為金湯新型溶洞的發(fā)育提供了基本的物質(zhì)條件[3]。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

金湯新型溶洞南東側(cè)斷裂構(gòu)造密集，主要發(fā)育北東向、北北東向斷裂。其中北東向斷裂，走向40°～60°，傾向南東，傾角60°～70°，為逆斷層，以壓扭性為主；北北東向斷裂，走向20°～30°，傾向南東，傾角50°～60°。斷裂構(gòu)造使得巖層產(chǎn)生大量裂隙帶，為巖溶作用提供了極為有利的通道，控制巖溶的發(fā)育形態(tài)等。在具備豐富的補(bǔ)給源條件下，為區(qū)內(nèi)地下水形成強(qiáng)徑流和頻繁交換提供導(dǎo)水通道，對(duì)金湯新型溶洞的發(fā)育起到加速作用。

3.3 地形地貌

金湯新型溶洞位于川西高山峽谷間，受地質(zhì)構(gòu)造及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，地表起伏不平，其中南西側(cè)主山峰海拔約3 800 m，與金湯新型溶洞所在地相對(duì)高差1 225 m，從南往北逐漸降低，西高東低略有掀斜。溝谷切割深，水系坡降大，使地塊接受的大氣降水在地表、地下形成天然水頭勢(shì)差，有利于地下水沿著北東、北北東向節(jié)理裂隙從南西往北東流動(dòng)，為地下水徑流提供了良好的徑流條件和勢(shì)能。

3.4 地下水的參與

區(qū)內(nèi)地下水主要有碎屑巖類裂隙水、碳酸鹽類巖溶水兩類。裂隙水主要賦存于構(gòu)造裂隙中，埋藏較淺，接受大氣降水、河流湖泊下滲。巖溶水主要接受大氣降水和上部裂隙水補(bǔ)給，通過落水洞灌入式或溶蝕裂隙滲入式補(bǔ)給到地下水[10]。

地下水順著地形坡向北東運(yùn)動(dòng)，裂隙流轉(zhuǎn)為脈狀流，在斷裂附近通過泉口流出地表轉(zhuǎn)為地表水。地下徑流與地表徑流相互轉(zhuǎn)換，使可溶性巖石溶于水中，形成溶液，被水荷載遷移或者被水機(jī)械沖刷，破碎成碎屑物[3]，在水動(dòng)力作用下通過裂隙節(jié)理搬遷運(yùn)移至金湯新型溶洞附近。

4 溶洞的形成過程

巖溶洞穴，是可溶巖(主要為碳酸鹽巖)因水的運(yùn)移、溶蝕、侵蝕和重力崩塌作用在原地而形成的。而金湯新型溶洞在高原山地氣候環(huán)境下，經(jīng)歷多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，各類巖石發(fā)生強(qiáng)烈的變形，產(chǎn)生褶皺及斷裂。微酸性的地表水通過落水洞下滲到溶洞南西側(cè)地層中，地表水流部分轉(zhuǎn)為地下水，不斷沿著裂隙對(duì)石灰?guī)r進(jìn)行溶蝕，形成溶液。隨著巖溶作用的進(jìn)行，裂隙不斷擴(kuò)大，石灰?guī)r巖體內(nèi)開始形成獨(dú)立的洞穴。此時(shí)，巖溶作用不斷加強(qiáng)，大量巖溶水不斷沿著節(jié)理裂隙由南西往北東運(yùn)動(dòng)。

由于海拔的變化及北東向斷裂的阻隔，大部分巖溶水自地下以泉水形式排泄至地表。地下巖熔水轉(zhuǎn)為地表巖溶水，由于溫度、壓力的驟變，水中的CaCO3呈現(xiàn)過飽和狀態(tài)，重新沉積，產(chǎn)生泉化。隨著地貌變化，大量地表巖溶水流經(jīng)陡崖，形成小型瀑布，水流流速急速增大，內(nèi)壓力減小，導(dǎo)致CO2逸散，過飽和的CaCO3迅速沉積，形成瀑布華沉積。而小部分巖溶水沿著節(jié)理裂隙在地下運(yùn)動(dòng)，水流量較小且動(dòng)力較弱，出露地表后，沿著崖壁上漫流，因CO2的逸散，在崖壁上緩慢產(chǎn)生CaCO3沉積。由于地表及地下巖溶水沉積速率不同，使得四周沉積較快，中間沉積較慢，差異性的沉積逐漸在崖壁上形成圓弧狀空洞(見圖4)。

圖4 溶洞早期形態(tài)

隨著沉積作用不斷加強(qiáng)，巖溶水逐漸滲至空洞頂部出露時(shí)，水滴失去部分CO2呈現(xiàn)過飽和狀態(tài)，逐漸在洞內(nèi)頂板處產(chǎn)生CaCO3沉積，形成倒置錐狀石鐘乳。當(dāng)水滴順著石鐘乳跌落至洞內(nèi)底部時(shí)，形成正置錘狀石筍。隨著石鐘乳及石筍的不斷增長(zhǎng)，兩者逐漸對(duì)接形成石柱。巖溶水順著石柱不斷下流，CaCO3附著石柱不斷沉積，在長(zhǎng)期的沉積作用過程中，圓弧狀空洞逐漸被封閉，最終形成“溶洞”。

1.石灰?guī)r；2.白云質(zhì)灰?guī)r；3.白云巖；4.頁(yè)巖(板巖)；5.石英砂巖；6.泥巖；7.斷層；8.黏土類沉積物；9.鈣華沉積物；10.落水洞及溶洞。

總結(jié)分析，金湯新型溶洞的形成過程為：構(gòu)造裂隙發(fā)育→地下水溶蝕南東側(cè)碳酸鹽巖→巖溶水以地表、地下兩種形式流經(jīng)泥頁(yè)巖區(qū)至陡崖處沉積→地表巖溶水流量大、流速大、沉積快，沉積于外側(cè)；地下巖溶水流量小、流速小、沉積慢，沉積于內(nèi)側(cè)→差異性沉積形成溶洞早期形態(tài)→逐漸封閉，溶洞形成。

5 結(jié)論

金湯新型溶洞與巖溶洞穴在地質(zhì)背景、形態(tài)特征、發(fā)育過程都有較大的差異。本文研究了金湯新型溶洞的形態(tài)特征，探討了溶洞的形成演化過程，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：①金湯新型溶洞發(fā)育于黑色頁(yè)巖(板巖)等巖層上，位于山體外，平行于峽谷邊緣呈北西—南東方向水平延伸，形態(tài)簡(jiǎn)單且面積較小，整體呈單通道廊道式。②金湯新型溶洞南西側(cè)地層普遍發(fā)育石灰?guī)r、灰?guī)r等碳酸鹽巖，為溶洞的發(fā)育提供了基本的物質(zhì)條件。周邊斷裂構(gòu)造密集，為巖溶水的運(yùn)移及補(bǔ)給提供天然通道。且溶洞位于川西高山峽谷間，地勢(shì)總體呈現(xiàn)南西高北東低，有利于地表水、地下水沿著裂隙由南西往北東運(yùn)動(dòng)，為地下水徑流提供了良好的徑流條件和勢(shì)能。③金湯新型溶洞是由地下水溶蝕溶洞南西側(cè)碳酸鹽巖，受地貌、巖性及斷裂影響，大部分巖溶水自地下以泉水形式排泄至地表，流至金湯新型溶洞所在的峽谷谷坡陡崖處沉積，流量和流速大，CaCO3沉積迅速。小部分巖溶水沿著節(jié)理裂隙在地下運(yùn)動(dòng)，水流較小，動(dòng)力較弱，CaCO3沉積緩慢。差異性沉積使得陡崖外側(cè)沉積快，中間沉積慢，逐漸形成圓弧狀空洞?？斩粗型瑫r(shí)形成石鐘乳、石筍、石柱等CaCO3沉積?？斩粗饾u封閉，最終形成溶洞。