廣西荔波縣巖溶洞穴發(fā)育規(guī)律研究

廣西荔波縣巖溶洞穴發(fā)育規(guī)律研究

0地形地貌和地貌李波是云貴高原巖石與廣西阿爾布爾巖石和單峰巖平原之間的過(guò)度過(guò)渡帶，位于巖石斜坡上。區(qū)內(nèi)巖溶極其發(fā)育,巖溶形態(tài)多種多樣,錐峰尖削而密集,洼地深邃而陡峭,峰洼層層疊置,呈現(xiàn)出峰巒疊嶂的巖溶地貌景觀。巖溶地貌以峰叢洼地為主,局部區(qū)為峰林谷地。其間山巒(地勢(shì))西高東低、北高南低,溶峰與洼地伴生的交織的山川格局,由西北向東南有序降落,其中,最高為西部更頂山海拔1666m,其次為北部的仙人山海拔1386m,西部巖溶山峰海拔一般為900~1170m,洼地海拔670~800m;東部巖溶山峰海拔一般為700~1000m,洼地海拔460~700m。東、西部地形高差為170~200m。它們構(gòu)成了1000~1200m、800~900m、660~760m和600m以下四級(jí)巖溶臺(tái)面。區(qū)內(nèi)地表河主要有漳江和地峨大河兩大河流,兩河由北向南流,縱貫全區(qū),于漳江的王蒙河段匯成打狗河,流出區(qū)外匯入紅水河。兩河谷的兩側(cè)有水甫—水江、堯排龍泉、水拔、水利下水龍、板堯田壩、甲良蕩多洞、水浪、永康拉臺(tái)、水堯和瑤蘭河等10余條地下河支流,多以伏流為主,其間明流段或間歇性河段都很短,多為伏流洞道的局部出露段,其間跌水、殘存陡坎、垂向洞道較多,多數(shù)支流亦反映北高南低的趨勢(shì)。1洞形成條件1.1茂蘭巖溶森林區(qū)據(jù)長(zhǎng)觀資料,荔波多年平均氣溫18.2℃,年平均降雨量1370.3mm,年平均相對(duì)濕度80%。而其間的茂蘭巖溶森林區(qū),年均氣溫15.3℃,年均降雨量1752mm,年均相對(duì)溫度83%,屬亞熱帶溫濕氣候。洞穴蓋層植被較好,雖然有少量耕作區(qū)或草坡地,但昔日亦屬茂密的常綠闊葉混交林區(qū)(是近幾十年間消退的)。有利的氣候條件和良好的植被環(huán)境有利于巖溶洞穴的形成、演化。1.2碳酸鹽巖儲(chǔ)集巖組巖組區(qū)內(nèi)出露地層有泥盆系-三疊系,巖性以碳酸鹽巖為主,其中夾有四層非碳酸鹽巖(厚度<100m)。碳酸鹽巖厚度大、分布廣,全縣面積1893.73km2,碳酸鹽巖面積占77.58%,僅石炭-二疊系的碳酸鹽巖厚度就達(dá)1200~3360m,其中間夾上二疊統(tǒng)、下二疊統(tǒng)和下石炭統(tǒng)的中上部含煤層、砂頁(yè)巖和炭質(zhì)頁(yè)巖夾層,夾層厚6~71m,一般10~40m。碳酸鹽巖質(zhì)純,特別是下二疊統(tǒng)茅口組灰?guī)r和中上石炭統(tǒng)的馬平灰?guī)r,它們呈中厚層間夾中薄層狀,利于洞穴化,形成高大的和迷宮型洞穴。此外,該巖組中常有白云巖或白云巖化灰?guī)r夾層或透鏡體、燧石結(jié)核或條帶,易造成不均一溶蝕、侵蝕沖刷作用和坍(崩)塌,加速擴(kuò)大洞穴空間,形成洞廳或?qū)挸ǘ吹馈６B系和泥盆系的碳酸鹽巖厚度小或分布范圍窄,僅局部影響洞穴系統(tǒng)向縱深發(fā)育。1.3南北油巖地區(qū)荔波位于黔南南北向構(gòu)造帶,自加里東運(yùn)動(dòng)形成南北向構(gòu)造雛形,海西運(yùn)動(dòng)期由南西—北東向的巖相差異,漸轉(zhuǎn)為東西向構(gòu)造的巖相差異,印支運(yùn)動(dòng)上升成陸,使南北向構(gòu)造定型,形成軸向南北、彼此平行的箱狀背斜或復(fù)式背斜和隔槽狀向斜,并伴生大規(guī)模近南北向壓性斷層和北西西向張性斷層及北西向、北東向剪裂隙;構(gòu)成背斜高山、向斜低谷的南北向構(gòu)造框架,成為區(qū)域巖溶特別是洞穴發(fā)育的基本框架。燕山運(yùn)動(dòng)以來(lái),斷塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,形成(北東、北西)次級(jí)褶皺、斷裂,復(fù)合疊加于南北構(gòu)造帶中,從而更有利于洞體的發(fā)育和演化。區(qū)內(nèi)主要褶皺構(gòu)造有:方村向斜、周覃-水浪背斜、荔波向斜、水堯-勞村背斜和茂蘭向斜等,呈近南北-北北東向展布;主干斷裂主要有:甲良-大坡、方村-板潭、水利-水浪、荔波斷裂等(圖1),呈近南北-北北東向展布,屬壓扭性斷裂構(gòu)造,具有多期活動(dòng)特征。這些主干斷裂呈斷裂破碎帶、裂隙密集帶、褶皺破碎帶、地層陡立或倒轉(zhuǎn)碎裂帶等形式斷續(xù)出露,其配套的北西西向張性斷裂和北西、北東向扭破裂普遍發(fā)育。燕山運(yùn)動(dòng)使主干斷裂及其配套斷裂進(jìn)一步發(fā)育,有的力學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)變,有的被N60~80E壓扭性斷裂復(fù)合、疊加于北西西向張裂隙,形成近東西向區(qū)域性斷裂組,近南北向軸部構(gòu)造和主干斷裂以及近東西向的區(qū)域性斷裂,奠定了巖溶水運(yùn)動(dòng)的空間格局,為巖溶洞穴的進(jìn)一步發(fā)育和演化提供了優(yōu)越的條件。2大型或中大型洞穴荔波地區(qū)巖溶極為發(fā)育,據(jù)探險(xiǎn)和調(diào)研查明的巖溶洞穴達(dá)50多個(gè)(圖1),以有一定規(guī)模的中型或中大型洞穴和地下河系統(tǒng)為主,如大七孔洞穴系統(tǒng),長(zhǎng)大于5000m,高20~70m,寬5~60m;水浦-水江大洞長(zhǎng)大于4300m,寬3~40m,高3~50m;下水龍洞、堯排洞和拉臺(tái)洞等均大于1000m。洞穴表現(xiàn)出極強(qiáng)的選擇性和方向性。2.1下二疊統(tǒng)茅口組層、點(diǎn)狀巖溶中的洞穴據(jù)統(tǒng)計(jì),在已調(diào)研的50余個(gè)洞穴中,發(fā)育于下石炭統(tǒng)上部的白云巖、灰質(zhì)白云巖夾灰?guī)r中的洞穴有8個(gè),占洞穴數(shù)的16%;產(chǎn)于中上石炭統(tǒng)馬坪純灰?guī)r和黃龍(生物碎屑)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖中的洞穴有28個(gè),占洞穴總數(shù)的56%;產(chǎn)于下二疊統(tǒng)茅口組層、塊狀灰?guī)r中的洞穴有14個(gè),占總數(shù)的28%。由此可以看出,巖溶洞穴產(chǎn)出的層位與巖性密切相關(guān),下二疊統(tǒng)茅口組和上石炭統(tǒng)馬坪群灰?guī)r質(zhì)純、層厚,是區(qū)內(nèi)洞穴產(chǎn)出的主要層位,也是大型洞穴或迷宮型洞穴和地下河系的主要發(fā)育層,如大七孔洞穴系統(tǒng)(>5000m)、水浦-水江大洞(>4300m)下水龍洞、堯排洞、拉臺(tái)洞、董哥洞和瑤所地下河系(>1000m)等。2.2洞穴向非對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)狀洞穴巖溶洞穴群體主要分布在方村向斜、荔波向斜、茂蘭向斜等構(gòu)造區(qū),總體呈北北東向的條帶狀展布。巖溶洞穴的單體是巖溶地下水沿?cái)嗔?、裂隙溶蝕、侵蝕擴(kuò)大的結(jié)果,其洞穴的發(fā)育規(guī)模、方向則明顯受斷裂、裂隙展布方向的控制。據(jù)50個(gè)洞穴統(tǒng)計(jì),區(qū)內(nèi)主洞道的展布方向以北北東向?yàn)橹?其次為北東向、北東東向和北西-東西向,如水浦-水江洞穴系統(tǒng),主洞道呈北北東向,支洞近東西向,局部呈近南北向轉(zhuǎn)折,或具網(wǎng)絡(luò)狀;垌塘鄉(xiāng)董哥洞,主洞道長(zhǎng)1100m,寬5~40m,高3~20m,主要洞道呈北北東—北東向,局部北西西、北東東向轉(zhuǎn)折,構(gòu)成層樓式網(wǎng)絡(luò)狀洞穴系統(tǒng)(圖2)。本區(qū)洞穴的展布,無(wú)論是在單體洞穴形態(tài)的延伸方向或是組合排列方向,均與構(gòu)造破裂(碎)帶方向一致,表現(xiàn)出極強(qiáng)的方向性。2.3洞穴結(jié)構(gòu)及高度區(qū)內(nèi)巖溶洞穴的發(fā)育常常與河谷階地、剝夷面具有對(duì)應(yīng)性的分布規(guī)律,在垂向分布上呈現(xiàn)出多層性特征。巖溶洞穴層發(fā)育的相對(duì)標(biāo)高分別集中在900~800m(如甲歹洞900m、甲良黑洞850~900m、董紅洞840m)、700~650m(拉臺(tái)洞670m、董哥洞上洞660m、神仙洞穿洞650~700m)、580~520m(董哥洞中洞580m、洞上洞560m、龍泉洞上洞520m)和500m以下等四個(gè)高度上;與之相對(duì)應(yīng)的剝蝕面標(biāo)高分別為1200~1000m、900~800m、700~600m和600m以下等四個(gè)層。反映構(gòu)造運(yùn)動(dòng)具階段性的相對(duì)穩(wěn)定和相對(duì)活動(dòng)的規(guī)律。巖溶洞穴不僅在區(qū)域垂向上表現(xiàn)出層狀分布的特征,而且在同一巖溶洞穴中也具有這一特征,如董哥洞、金獅洞、水浦—水江洞、板潭—大七孔、龍泉洞和拉臺(tái)洞高大洞穴都具有(雙或三層)層狀結(jié)構(gòu)。其中以垌塘鄉(xiāng)董哥洞穴系統(tǒng)最為典型,該洞穴發(fā)育有二或三層水平延伸的洞穴,上層標(biāo)高為660~650m,中層標(biāo)高為580~550m,下層標(biāo)高為500m左右,為地下水排泄通道;中上層洞穴由一約80~60m深的斜井連接,中、下層洞穴由一約60m深的豎井或斜井連通,構(gòu)成層樓式的洞穴結(jié)構(gòu)(圖3)。3復(fù)雜空間的巖溶堆積物巖溶洞穴是巖溶地下水沿碳酸鹽巖中的斷裂、裂隙溶蝕、侵蝕擴(kuò)大的結(jié)果,是賦存于地下巖石圈中一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空間,也是巖溶沉積堆積物——固體、氣、液體物質(zhì)遷移和運(yùn)輸?shù)耐ǖ篮途奂瘓?chǎng)所。荔波巖溶區(qū),巖溶沉積建造和洞穴沉積堆積很發(fā)育,根據(jù)洞穴沉(堆)積物的物質(zhì)成分、沉積堆積環(huán)境以及形態(tài)組合特征等,可將洞穴沉(堆)積劃分為:化學(xué)沉(淀)積、流水機(jī)械沉積和重力崩塌堆積等三大類。3.1洞穴沉積型化學(xué)沉積物是本區(qū)各大洞穴中分布十分廣泛、普遍的沉積物,其中以碳酸鹽巖沉積物最為發(fā)育。由于水動(dòng)力條件的差異,巖溶洞穴中發(fā)育有各種類型的沉積物,千姿百態(tài),形態(tài)各異,如滴水沉積的石筍、石柱和鐘乳石等;流水沉積的石幔、石簾、流石壩、流石瀑布和鈣華板等。其中石筍(石柱)、壁流石或流石壩和流石瀑布等是區(qū)內(nèi)最具特色的洞穴沉積物。最典型是垌塘鄉(xiāng)的董哥洞穴系統(tǒng),中層洞穴底板主要為流石壩沉積,石壩長(zhǎng)5~40m,高20~50cm,寬5~60cm,中上層洞則由高40~50m(斜井)的流石瀑布連接,組成層樓式洞穴系統(tǒng);其次為大七孔、董紅洞、龍泉洞穴系統(tǒng)等。滴石類碳酸鹽沉積物常常與洞穴頂板的構(gòu)造裂隙走向一致,顯示出構(gòu)造裂隙對(duì)洞穴沉積物分布的控制作用。3.2上古生代地下暗河沉積相這類沉積物在區(qū)內(nèi)各大型洞穴中較發(fā)育,主要由砂礫石類、亞砂-亞粘土類和粘土鈣華互層組成。砂礫石類主要為地下河床沉積,有近源的碳酸鹽巖礫石,也有來(lái)自遠(yuǎn)處非碳酸鹽巖區(qū)的碎屑巖礫石沉積,如大七孔地下河、水浦—水江地下河等,無(wú)論是在上層洞道還是現(xiàn)代地下暗河的沉積物中,除了有灰?guī)r礫石外,還有大量的砂巖礫石;亞砂—亞粘土類沉積在區(qū)內(nèi)洞穴中,分布較普遍,在各大洞穴中均可見(jiàn)及。3.3局部化學(xué)沉積物坍積相本區(qū)巖溶洞穴的崩塌現(xiàn)象比較普遍,尤其在各大型洞穴中均有崩塌堆積物的分布,如堯棒甲歹洞、衙門洞、董哥洞、大七孔和甲良蕩多洞等,有較多崩塌大巖塊及少量化學(xué)沉積物坍塌堆積。其中最典型是堯棒甲歹洞,洞頂大量巖塊墜落,洞底坍塌陷落,洞道底部為巨大崩塌巖塊所覆蓋,巖塊堆積如山,造成洞底凹凸不平,堆積高度幾米至十幾米不等,巖塊直徑從十幾厘米到數(shù)米,最大達(dá)十多米,巖塊呈方形、長(zhǎng)方形及不規(guī)則狀,棱角明顯,大小混雜堆積,形成架空構(gòu)造,無(wú)分選和磨圓,未經(jīng)流水改造,屬就地坍塌堆積。4基性洞穴群洞穴區(qū)內(nèi)洞穴大體經(jīng)歷了洞穴→洞穴層→洞穴系統(tǒng)的演化過(guò)程,而層樓式的洞穴結(jié)構(gòu)則是本區(qū)巖溶洞穴長(zhǎng)期演化的結(jié)果。根據(jù)區(qū)內(nèi)洞穴層的分布高程、殘留洞道形態(tài)和層狀洞穴上、下串通以及伴生的不同洞穴沉積物類型等,表明洞穴發(fā)育演變具多階段性,反映四個(gè)演變時(shí)期,相應(yīng)形成早、中、中晚、晚期四個(gè)洞穴層。早期洞穴層:高層洞穴,標(biāo)高750~800m,屬白堊紀(jì)時(shí)期形成的洞穴,這時(shí)期的洞穴經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng),洞體不斷破壞,僅保留殘存洞道和少量白堊紀(jì)的紅色沉積建造或洞穴沉積物,如水利板堯干啞洞,上層穿洞(標(biāo)高840m),由臺(tái)階狀斜井連通的下層洞(標(biāo)高為780m),在其洞口有紅色巖溶沉積建造;又如板潭白鷴洞,標(biāo)高735m,洞長(zhǎng)約40m,寬2~6m,高2~5m,呈北東40°方向延伸的殘留洞道,洞內(nèi)保存有3~4m厚的黃色、白色鈣華層,洞口附近有白堊紀(jì)的紅色沉積建造及黃色沉積建造。此外,據(jù)北東部白鷴湖湖底殘留的洞穴沉積物以及附近斷續(xù)殘留紅色巖溶建造及黃色、白色的洞穴沉積物可以推測(cè),早期白鷴洞與北東部的白鷴湖的湖底應(yīng)為同一洞穴系統(tǒng),因晚期整個(gè)洞道遭到破壞,北東部洞穴坍塌、淤積形成白鷴湖,西南部則殘留白鷴洞,并構(gòu)成現(xiàn)今的高分水嶺地帶。中期洞穴層:標(biāo)高650~680m,屬第三紀(jì)形成的洞穴,這時(shí)期形成的洞穴,洞體規(guī)模大,連通性好,洞穴沉積物不多,以鈣華、壁流石堆積為主,代表性的洞穴有雞魯大崖洞(標(biāo)高650m)、洞腮黑洞和神仙洞—穿洞(標(biāo)高660~680m)以及董哥洞的上層洞(標(biāo)高660m)等,為一相對(duì)穩(wěn)定的成洞期,這一時(shí)期的洞穴層破壞較大,僅保存了部分洞道。中-晚期洞穴層:標(biāo)高為580~520m,屬第四紀(jì)早、中期形成的洞穴,洞體規(guī)模巨大,連通性極好,并通過(guò)斜井與中期的上層洞穴層以及晚期的下層洞穴層連通,顯示多層結(jié)構(gòu),洞穴沉積物較多,早期為粘土—鈣華堆積,晚期以滴石類、流石類等化學(xué)沉積為主,常堵塞裂隙狀洞體。代表性的洞穴有董哥洞的中層洞(標(biāo)高576m,3號(hào)石筍形成年齡為16.33~9.1萬(wàn)a)、垌塘的大竹洞和茶山洞(標(biāo)高580m,這一時(shí)期是區(qū)內(nèi)最穩(wěn)定的成洞期以及洞穴沉積物的形成期,這期洞穴有繼承性發(fā)展的,也有新生發(fā)育的,并與早中期洞穴構(gòu)成復(fù)合型洞穴系統(tǒng)。洞穴層和洞體都是多層結(jié)構(gòu),通過(guò)豎井或斜井連接中、上層洞,且多為干洞,僅局部有間歇性水流,通過(guò)連通不好的溶隙或塌陷坑下滲排泄。晚期洞穴層;標(biāo)高小于500m,屬第四紀(jì)晚期形成的洞穴,洞體規(guī)模大,形態(tài)復(fù)雜,逐漸演變成樹枝狀或網(wǎng)絡(luò)狀洞道,以地下河洞穴系統(tǒng)為主,是巖溶水的主要排泄通道。洞道內(nèi)重力崩積、塌積物發(fā)育,滲水、淌水處的鐘乳石、石幔和流石壩(田)、鈣華等仍在生長(zhǎng)中。地下河道內(nèi)溶潭多、局部為氽水洞段,溶缸、沖磨蝕坑保存完好,河道旁則砂礫卵石層分布廣泛。這時(shí)期形成的洞穴,以大七孔地下河、茂蘭瑤所、板寨地下河為代表,顯示地下河系是沿早期洞道的下切,或陷落坑的改造,繼承性發(fā)展、演化而成。5基巖巖性對(duì)洞穴發(fā)育的意義荔波巖溶洞穴的形成,反映了高原巖溶斜坡地帶層狀復(fù)合型洞穴系統(tǒng)的特征,也反映成洞的成層性和方向性特征。其洞穴發(fā)育的有利條件表現(xiàn)在:(1)成洞的碳酸鹽巖分布廣,巖層厚1200~3360m,其中易洞穴化的馬平灰?guī)r和茅口灰?guī)r質(zhì)純,層厚,層下都有薄層非碳酸鹽巖阻水層墊托,易促進(jìn)強(qiáng)洞穴化,此外,碳酸鹽巖層組間夾層,組合適當(dāng),有硅質(zhì)結(jié)核、團(tuán)塊或薄層,利于拓寬和擴(kuò)大洞道。因此,區(qū)內(nèi)分布的高大層樓式洞穴系統(tǒng)和迷宮型或網(wǎng)