天坑的形成與發育

小巖灣天坑位于四川省興文縣石海風景如畫的地方。興文縣位于四川南部,以僰人最后消亡地而曼聲海內外,今更以“三絕共生”的石海、溶洞、天坑的奇異地質遺跡景觀而聞名于世,吸引了無數文人墨客及地質科學工作者前往瞻仰和科學考察。該喀斯特地貌景觀目前已經成功申報為國家重點風景名勝區、世界地質公園。1區域地理起源1.1興文石海地質構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渡地帶,屬烏蒙山北端山脈,地處東經105°0′55″至105°9′46″,北緯28°8′54″至28°20′29″,屬順河流域。區內巖溶地貌發育,石海、石林比比皆是,更有天下稱奇的小巖灣、大巖灣天坑。興文石海地質構造屬川南褶皺帶東西構造體系,位于鎮雄穹窿構造之北,珙長背斜東段末端。區內地層除泥盆系、石炭系、第三系等地層缺失外,從寒武系到第四系都有出露。小巖灣景區出露地層主要為下二疊統棲霞組和茅口組,巖性主要為淺灰到深灰色及灰黑色中層微晶灰巖、泥晶骨屑灰巖、泥質灰巖、泥灰巖及4層近積風暴巖、遠積風暴巖等。灰巖含燧石結核、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內,出露巖層主要為純度較高的石灰巖,巖層產狀平緩,傾角5°左右。區內巖層節理發育,經初步統計,橫節理50條/m2,縱節理40條/m2。1.2小巖灣天坑區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、落水洞等負地形。大氣降水在非可溶巖區主要以短小地表溪河形式從南北兩側流入巖溶區,順眾多落水洞、溶蝕裂隙下滲,在地下水逐漸匯聚成地下河,在景區洞河以巖溶大泉形式于地表泄出。小巖灣天坑區的灰巖總體厚350~440m,匯聚了整個區內全部降水和地表水。根據調查、棲霞、茅口組灰巖由于裂隙、節理異常發育,其滲入數可達0.863。該區出露泉點不多,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沿海地區的對比距今兩億七千萬年到兩億四千萬年(即早二疊世時期)的時候,川南興文曾是一片汪洋大海,有相當部分時期屬于淺海環境。經過漫長的地史時期,區內沉積了350~440m厚的石灰巖。在距今兩億四千萬年到兩億三千萬年之間,由于受印支運動的影響,該處上升為陸地;距今約七千萬年的時候,造山運動(“燕山運動”),使沉積的石灰巖層抬升并發生褶皺、斷裂,形成眾多的斷層和節理,為喀斯特地貌的發育提供了基礎條件。2.2氣候條件分析巖溶地貌的形是在漫長的地史條件下逐步演化而來。興文石海能形成如此豐富的巖溶景觀與該地古氣候環境不無關系。我國在第三紀到石炭紀漫長地史時期均屬于較低緯度帶,例如二疊紀時我國主要在北緯35°,東經65°,而并不是現在的北緯29°,東經104°,并且時代越老緯度越低。在漫長的地史時期,川南都處在溫暖潮濕的氣候帶上,雨量較為充沛。從第四紀開始中國所處經緯度開始逐漸接近現代位置(北緯29°,東經104°),而興文石海又地處亞熱帶地區,緯度低,太陽輻射較多,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期還是在現代,其氣候條件都為溫暖潮濕,這為該地喀斯特地貌發育提供了良好的自然條件。小巖灣天坑所在地灰巖厚度大,匯聚了整個巖溶水文地質單元全部降水和地表水,使得灰巖成為整個巖溶風景區的強含水層。由于該區地下水水平流動飽和帶主要位于高程400~600m的地下河中下游主管道兩側附近,而仙峰分水嶺一帶海拔在1400m左右,灰巖補給區海拔也多在800~1000m左右,因此該區垂直滲透帶較厚,是各類巖溶地貌發育的絕佳條件。2.3暗河的輸送機制地下河是天坑形成的一個重要條件,它是天坑容積內物質輸出的途徑。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20km多。暗河在地底呈三級臺階發育(圖2),落差達到900m多,平均水力坡度0.045。據原西南師范學院(今西南大學)環境科研與四川省環境保護廳聯合進行的四川興文巖溶風景區綜合考察報告顯示,暗河由于內部具備多個深潭,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該比較大,而流水攜帶物質的能力與流量成幾何增長關系,如公式:M=cV6式中:M為被運物的重量;C為系數(可因不同河流而稍異);V為啟動M的流速。因此暗河具備強有力的物質與能量輸入與輸出動力系統。由圖2可以看出在這一暗河流經的區域溶洞、落水洞、天坑等巖溶景觀比較發育,這與暗河的巨大的輸送物質的能力是密不可分的。根據中英聯合洞穴探險發現暗河通道位于小巖灣天坑底部70m以下,通過蜘蛛洞下面一個小豎井可以進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洞口與之相通。根據1992年中英聯合探險得知,天泉洞的一蜘蛛洞在天坑底部與之聯通,還有景區內最大的洞穴系統豬槽井洞穴的一支洞與之相連。這些應當都是曾經的地下河通道,只是由于在后期的地殼運動(燕山運動或喜馬拉雅運動)的影響下,地殼抬升,部分洞穴已經成為殘留的古暗河通道,已不具備利用流水輸送物質的能力。3區域地質背景天坑的定義為: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特征,發育在連續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(或有證據證明地下河道已遷移)的一種特大型喀斯特負地形。小巖灣天坑是典型塌陷漏斗,它的崩塌形成過程應當與重慶小寨天坑具有類似的發展演化歷史,即地下河發育階段、地下大廳發育階段、天坑的形成階段。天坑是由地下河強烈溶蝕、侵蝕導致巖層不斷崩塌并達到地表而成,其發展由地下到地表,經歷了3個階段。3.1地下河的分布天坑是一個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育的結果,也可能是一系列通道結合部塌陷發育的結果,包括通過不同年代洞穴通道塌陷的疊加。而具朱學穩等研究推測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,因為地下河是天坑容積內物質輸出的途徑。小巖灣四周就分布了4個大洞口,分別位于不同的水平面上。根據簡易測量,四個洞口的規模都比較大,高寬都在15~40m左右。具朱學穩等1995年的考察結果,這幾個洞口及其地下通道都比較古老。根據目前的研究結果,小巖灣天坑西側的3個洞道可能是主干洞道的早期洞道或者是現代洞道。而天泉洞主洞道一直可以延伸到小巖灣東邊,不過是下層通道通過蜘蛛洞與天坑相連,然后再與現代暗河相連。小巖灣天坑四周的溶洞位于不同的水平面上應該是在地殼抬升過程中不同時期產生的地下暗河,對天坑的發育都起過主要的作用。在天泉洞內許多支洞或主洞道變小的部分當前仍能發現這些河道呈三角面,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育而成。據陳敘倫、劉世青等研究結果,川南喀斯特地區地下河受層面裂隙產狀的制約遠較地表水流大。因此小巖灣天坑原古河道的發育應與此類似,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理特別發育,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;二為幾個暗河相交處且巖層裂隙較為發育,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應該可以作為小巖灣天坑發育的一個旁證。與小巖灣天坑相連的天泉洞洞道共分四層,各層均分布有多個地下大廳,最大者為第三層的穹廬廣廈大廳,其總面積達到1.5萬m2。高達30~40m,長200m左右,寬也為35~80m。天獅洞原名豬槽井洞,與小巖灣毗鄰,洞內有一大廳長達260m,寬約80m,高約30m,總面積達2萬m2,并且四周有多個支洞與之相連。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。如此巨大的負地形,其形成實際是經歷了漫長的地史時期逐步演化而來。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地下大廳一系列垮塌形成的,目前學術界還存在猜測。根據目前小巖灣附近的其他現存溶洞的研究成果,較為支持英國TonyWALTHAM博士的意見。目前中國的大型天坑都比世界其它地方的已知的洞穴大廳大,這說明,要形成巨型天坑的地下大廳在目前看來還缺乏足夠的證據。因此認為小巖灣天坑應該是經過多次崩塌所形成的。如天泉洞在不大的范圍內就發育了多個面積較大的地下大廳,可以假設,如有足夠的發育條件,足夠的時間,哪么天泉洞在發育到一定階段,地下大廳穹形頂板開始出現坍塌,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垮塌使地下大廳與地表完全聯通,而多個暴露的地下大廳連在一起則成為所謂的天坑。小巖灣天坑呈現東西長(長625m)、南北略短(寬475m)的形態,這與天坑周圍洞道的發育有著密切的關系。在西面發育兩個洞道(消水洞),南面靠近天坑頂部一個洞道(此洞道為所有洞道中海拔最高洞口,據南邊頂部約10m),東偏南為天泉洞后洞口。天坑的長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。這表明天坑的發育與洞道間的聯通非常密切。區內地殼抬升,南邊的洞道形成應該最早,現在南邊已出現一定程度的崖壁坍塌,堆積斜坡應該為坑壁開始出現退化的標志。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發育一大廳,大廳內大量崩塌物都被地下暗河帶到天泉洞內,目前在天泉洞內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