羅書文 ， 李 偉， 李成展， 黃保健

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 巖溶地質(zhì)研究所/國(guó)土資源部， 廣西壯族自治區(qū)巖溶動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林 541004；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心， 河北 保定 071000)

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螳螂河流域洞穴發(fā)育特征及其地學(xué)意義研究

羅書文1*， 李 偉2， 李成展1， 黃保健1

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 巖溶地質(zhì)研究所/國(guó)土資源部， 廣西壯族自治區(qū)巖溶動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林 541004；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心， 河北 保定 071000)

在對(duì)山東沂源螳螂河流域巖溶洞穴進(jìn)行調(diào)查探測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究流域內(nèi)洞穴發(fā)育特征探討其內(nèi)在的地學(xué)涵義.認(rèn)為：1)流域內(nèi)洞穴發(fā)育在縱向上分為三層，并與區(qū)內(nèi)經(jīng)歷的地質(zhì)時(shí)期與之對(duì)應(yīng)；2)區(qū)內(nèi)在華北唐山期(N1)的隆起比臨城期(N2～Q1)隆起幅度較大；3)魯山隆起是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，在地殼抬升的間歇期持續(xù)緩慢地進(jìn)行，并由中心向四周逐漸減弱.根據(jù)水平洞穴成因機(jī)理和區(qū)內(nèi)洞穴展布特征，提取相關(guān)參數(shù)試探性建立流域地下水位演變的二維數(shù)學(xué)關(guān)系，這對(duì)流域喀斯特地下、地表水在空間上的演化研究、從定性到定量研究都具有重要科學(xué)意義.

螳螂河流域； 洞穴； 地學(xué)意義； 山東魯山

巖溶洞穴的形成主要是地下水沿碳酸鹽巖裂隙溶蝕擴(kuò)大形成[1-4].水平洞穴發(fā)育的最主要位置是沿著或接近于地下水位，洞穴系統(tǒng)是從流入端向泉水出露方向發(fā)育具有水力聯(lián)系的洞穴群的統(tǒng)稱，同時(shí)一些學(xué)者也提出了洞穴發(fā)育的地下水位學(xué)說(shuō)[4](Rhoades et al.，1941).隨著環(huán)境變化日益凸顯，人們關(guān)注洞穴資源保護(hù)與開(kāi)發(fā)[4-9]，以及通過(guò)洞穴沉積物研究環(huán)境變化的研究日新月異[10-14]，而利用區(qū)內(nèi)洞穴發(fā)育特征，來(lái)探討區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及水文地質(zhì)條件演化方面的研究少見(jiàn)報(bào)道.本文以螳螂河流域巖溶洞穴調(diào)查與探測(cè)為基礎(chǔ)，根據(jù)區(qū)內(nèi)洞穴發(fā)育特征和水平洞穴成因的基本原理建立數(shù)學(xué)模型，來(lái)探討區(qū)域內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)以及地下水運(yùn)移的空間變化，借助洞穴為研究載體，提取地學(xué)要素建立數(shù)理方程，探討流域侵蝕基面演變，為喀斯特流域演化從定性向定量研究提供科學(xué)參考和研究方法的重要科學(xué)意義.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于沂源河支流螳螂河，發(fā)源于魯山南緣，主峰高1 108.3 m，主要為中、低山地貌(圖1).區(qū)內(nèi)中山地貌主要是由元古代的條帶狀中粒含黑云二長(zhǎng)花崗巖、弱片麻狀中粒含角閃二長(zhǎng)花崗巖、巨斑狀細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖等風(fēng)蝕地貌.其周圍即低山地貌由寒武—奧陶紀(jì)碳酸鹽巖(圖2)地貌.在螳螂河流域內(nèi)發(fā)育有自西向東在面積約50 km2，區(qū)內(nèi)大小洞穴40多個(gè)洞穴[15].多數(shù)洞穴規(guī)模小，其長(zhǎng)度大多在30～50 m之間.新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中魯山山地為不等量斷塊隆升[16-17]，形成南部、東南部上升山高大陡峭，西北部平緩.魯山主峰翹起于南部，研究區(qū)位于主峰以南的山地，其面積狹窄，距離山麓帶僅十余公里，且從千余米的中、低山地直接下降至海拔高度300 m的沂源盆地，主峰區(qū)以北則面積廣大，主峰至北部邊緣有60余公里，地貌也漸次由中、低山、丘陵，過(guò)渡到魯北平原，其變化梯度相對(duì)平緩.

1.2 研究方法

本文通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)洞穴進(jìn)行調(diào)查探測(cè)，分析洞穴在流域內(nèi)空間范圍內(nèi)的展布規(guī)律，并運(yùn)用其在垂向上的發(fā)育特征，來(lái)探討區(qū)域地殼隆起及侵蝕基面的演變.理論上，洞穴在垂向上發(fā)育特征研究可以采集洞內(nèi)沉積物測(cè)年，但洞內(nèi)很多情況下其沉積物都是內(nèi)源物質(zhì)，即從地表水滲入洞壁溶蝕后沉積，使得無(wú)論是早期洞穴還是后期洞穴都接受到同時(shí)代的沉積物，這樣給洞穴測(cè)年帶來(lái)一定的困難.因而在研究洞穴成層性基本上是根據(jù)相對(duì)高度[18-21]與區(qū)內(nèi)地貌夷平面相比較確定，但其前提是區(qū)內(nèi)地殼以上升運(yùn)動(dòng)為主，即現(xiàn)代地下河是從古化石洞演化而來(lái).研究區(qū)至第三紀(jì)以來(lái)基本形成現(xiàn)在地貌格局，并一直處于緩慢差異抬升運(yùn)動(dòng)中，所以研究區(qū)適用于該分層研究.特別注意在研究區(qū)域洞穴分層時(shí)，不是單純地將調(diào)查洞穴的洞口發(fā)育高程的集中分布程度，按照數(shù)學(xué)區(qū)間進(jìn)行劃分層，這種劃分會(huì)導(dǎo)致很多錯(cuò)誤和誤判，經(jīng)常會(huì)把一些上層洞劃分到中層洞穴之中，如河流下游形成的上層洞的海拔高程可能與上游形成的下層洞的海拔高程相等或者更低，洞穴的成層性不是簡(jiǎn)單的通過(guò)洞口高程劃分，而是形成同一時(shí)期的洞穴分為同一層.因此，在對(duì)洞穴進(jìn)行層層性研究時(shí)，要考慮洞穴的發(fā)育受到區(qū)域內(nèi)河流、地表、地下水溯源侵蝕等影響因素，進(jìn)而在徑流方向上研究其層層性，由此可見(jiàn)流域內(nèi)屬于同一層的洞穴其高程不一定相同，所以本文以此為理論依據(jù)研究區(qū)域洞穴分布規(guī)律及其地學(xué)意義.

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)果

2.1 .1流域內(nèi)洞穴展布 大型洞穴主要分布在距離花崗巖較近，且斷裂較發(fā)育的南魯山及芝芳，主要洞穴有石龍洞、千人洞、養(yǎng)神洞、九天洞及下崖洞等洞穴.在這些大型洞穴之中其洞內(nèi)有大量的花崗巖風(fēng)化的流水沉積物，這主要是碳酸鹽區(qū)域內(nèi)接受了大量來(lái)至花崗巖的魯山地區(qū)，花崗巖地區(qū)的水中的pH值多數(shù)在4.3～6.1之間偏酸性，對(duì)斷裂較為發(fā)育的碳酸巖具有較強(qiáng)的溶蝕力，同時(shí)斷層為地下水溶蝕形成洞穴提供了天然通道，也為大型溶洞的形成提供了先決條件.

2.1.2洞穴垂向分布特征 區(qū)內(nèi)的地貌表現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)特征[17](圖1)，在不同層狀地貌中也伴隨著洞穴的發(fā)育，根據(jù)其海拔高程看可以分為3個(gè)層狀的夷平面.最高一層是包括主峰在內(nèi)的一系列海拔高850 m的山峰，在流域內(nèi)碳酸巖山脊高聳，斷崖發(fā)育，在斷崖底部發(fā)育大量的規(guī)模較小巖屋狀洞穴，此層處于強(qiáng)烈剝蝕面沉積較少；第二層它由800～500 m的山頂臺(tái)面和峰頂構(gòu)成，其上仍保留一些較完整的形態(tài)清晰的剝蝕面殘余，在流域的巖溶區(qū)內(nèi)形成大量的峰體和溶丘，并在峰體中發(fā)育有穿洞和大量水平化石洞；第三層為現(xiàn)在河谷和山地周圍，尤其在北部、西北部邊緣分布廣，以及沂源盆地，標(biāo)高250～150m左右的山前洪積—?jiǎng)兾g平原，在流域巖溶山地內(nèi)部則為寬谷及近谷地的、相對(duì)高度百余米的低矮緩丘，并在河谷發(fā)育大量的泉水.本文通過(guò)調(diào)查與測(cè)量，將區(qū)內(nèi)發(fā)育的洞穴在流徑流方向及高程投影在平面直角坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上(圖3所示)，根據(jù)洞道特征，相對(duì)高度和區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征，結(jié)合前人[15，17，22-23]對(duì)該區(qū)內(nèi)巖溶地貌及洞穴發(fā)育演化研究成果，將洞穴至上而下分為如下幾層：第一層洞穴主要發(fā)育在距離峰頂最高一級(jí)陡崖上，該層上的洞穴經(jīng)歷地殼抬升山體削小其殘留的洞體都較小，如皇姑洞、人安洞、志公洞；第二層洞穴該層洞穴均發(fā)現(xiàn)有古人類化石，同時(shí)規(guī)模大、發(fā)育典型均為干洞，同時(shí)部分洞穴通過(guò)豎井與地下河相連，主要洞穴有石龍洞、千人洞、養(yǎng)神洞、下崖洞、上崖洞、劉家洞和呂祖洞等；第三層洞穴其共同特征多為巖蔽或小型式管道，規(guī)模小的現(xiàn)在地下河及泉水出入地，主要有九龍泉和別有洞天.認(rèn)為[15，22-23]區(qū)內(nèi)的洞穴發(fā)育分別經(jīng)歷了魯中期(E2)、華北唐山期(N1)和臨城期(N2～Q1)3個(gè)時(shí)期.

2.2 討論

洞穴的發(fā)育受到地下水位的控制，區(qū)內(nèi)發(fā)育的洞穴基本都為水平洞穴，說(shuō)明其形成時(shí)為當(dāng)時(shí)地下水位，即排泄基面.因此，通過(guò)探討該區(qū)洞穴垂向分布特征，研究區(qū)域內(nèi)地下水位變化以及地殼抬升具有重要的意義，并根據(jù)該區(qū)洞穴分布特征，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行探討.

2.2 .1洞穴分布特征對(duì)地殼隆起的識(shí)別 由最上層洞穴的展布情況來(lái)看(圖4所示)，越靠近分水嶺即魯山主峰其洞穴高程比降逐漸增大.為此，以分水嶺為原點(diǎn)，螳螂河徑流方向?yàn)闄M坐標(biāo)，洞穴海拔高程為縱坐標(biāo)，運(yùn)用線性回歸擬合建立數(shù)學(xué)方程探討.由擬合方程得第上層洞穴擬合直線方程斜率為，中層洞穴擬合方程斜率為，下層洞穴擬合方程斜率為.

1.皇姑洞;2.人安洞;3.玄云的洞;4.九天洞;5.石龍洞;6.養(yǎng)神洞;7.千人洞;8.靈芝洞;9.別有洞天;10.珊瑚洞;11.劉家洞;12.下崖洞;13.上崖洞;14.九龍泉;15.志公洞;16.呂祖洞圖3 流域洞穴垂向展布特征Fig.3 Vertical distribution characteristics of Tanglang River Basin

圖4 洞穴高程擬合Fig.4 The elevation fitting curve of cave

由擬合直線斜率表明兩直線越靠近原點(diǎn)越分開(kāi)，即上層洞穴與中層洞穴層相對(duì)高差由排泄基面向分水嶺方向逐漸擴(kuò)大.洞穴的成層性主要是因地殼的間歇性抬升所致，所以區(qū)域內(nèi)上層洞穴與中層洞穴相對(duì)高差向分水嶺逐漸擴(kuò)大的原因主要有兩點(diǎn)：第一，在上層洞穴形成之后，地殼抬升后的時(shí)間較長(zhǎng)，地表、地下水位溯源侵蝕作用比前一時(shí)期的作用更接近分水嶺；第二，由分水嶺向徑流的方向上地殼的抬升速率逐漸減小，導(dǎo)致不同區(qū)域內(nèi)地下水位變動(dòng)高差不同.魯中地區(qū)山體的形成主要是由于古老的花崗巖侵入將碳酸隆起形成，同時(shí)部分區(qū)域?qū)⑻妓猁}地層分裂，巖漿侵出地表形成花崗巖山體.這種隆起近圓錐體狀，其距圓心部位隆起速率快，邊緣地區(qū)隆起相對(duì)較慢，即越靠近峰頂其抬升速率越大，反之亦然.魯山的形成如上所述，因此作者認(rèn)為形成上層洞穴與中層洞穴相對(duì)高差向分水嶺逐漸擴(kuò)大的這一現(xiàn)象主要是由于魯山隆起而產(chǎn)生.

中層洞穴與下層洞穴的擬合方程來(lái)看，兩直線越靠近原點(diǎn)越靠近至相交，說(shuō)明區(qū)內(nèi)經(jīng)歷臨城期(N2～Q1)的地殼抬升后，河流溯源侵蝕作用由侵蝕基面逐漸向分水嶺波及，在河流上游至分水嶺處受到影響較小甚至還完全沒(méi)有受到影響.相反在華北唐山期(N1)地殼抬升后河流的溯源侵蝕作用完全波及到河流上游.由此說(shuō)明區(qū)域內(nèi)從魯中期(E2)地殼抬升到華北唐山期(N1)抬升間隔時(shí)間比臨城期(N2～Q1)抬升到現(xiàn)在間隔時(shí)間長(zhǎng).

從3個(gè)洞穴層的相對(duì)高差來(lái)看(圖4)，第1層與第2層相對(duì)高差要比第2層與第3層的相對(duì)高差大得多，說(shuō)明華北唐山期(N1)抬升比臨城期(N2～Q1)抬升再該區(qū)域表現(xiàn)要?jiǎng)×业枚?

2.2 .2流域地下水位演變識(shí)別 由巖溶水平洞穴的成因及其水文地質(zhì)學(xué)意義[2-4]，可知不同層洞穴代表不同時(shí)期的地表水、地下水排泄基面，兩基面間空間為區(qū)域地下水在兩個(gè)不同的地質(zhì)時(shí)期內(nèi)區(qū)內(nèi)巖溶地下水位演變的足跡.因此，通過(guò)洞穴的發(fā)育特征對(duì)于研究區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育演，以及對(duì)巖溶區(qū)地下水位埋深研究和預(yù)測(cè)提供參考.根據(jù)上述方法本文以各層洞穴擬合方程為基礎(chǔ)進(jìn)行探討.探討的最核心問(wèn)題就是地下水侵蝕曲線和侵蝕基準(zhǔn)面.

在大量野外調(diào)查研究顯示，大氣降水由分水嶺侵入地表到達(dá)最低層洞穴向區(qū)內(nèi)排泄基面匯聚，該徑流過(guò)程線為現(xiàn)代侵蝕曲線，所以作者以統(tǒng)計(jì)的最低層洞穴、流域分水嶺及排泄基面高程，運(yùn)用曲線擬合方程作為流域侵蝕曲線方程.

一般認(rèn)為流域排泄基面是流域面積內(nèi)河流總出口.而在很多情況下，流域的排泄基面并沒(méi)有洞穴發(fā)育或泉水流出，且流域內(nèi)過(guò)去的排泄基面與現(xiàn)在排泄基面不一致，所以確定過(guò)去的排泄基面具有一定的難度.很多研究[1-4，18-21]表明，區(qū)域內(nèi)的水平洞穴基本代表區(qū)域內(nèi)當(dāng)時(shí)的地下水位，即排泄基面高程，為此在探討過(guò)去的排泄基面時(shí)，以遠(yuǎn)離分水嶺最低洞穴高程為該區(qū)排泄基面高程，以上層洞穴擬合直線，與下層遠(yuǎn)離分水嶺洞穴高程直線的交點(diǎn)為該時(shí)期的排泄基點(diǎn).

因此，通過(guò)以上的方法對(duì)螳螂河流域進(jìn)行建模研究.將中層洞穴最低高層341m(呂祖洞)帶入上層洞擬合方程求得華北唐山期(N1)抬升后流域侵蝕基點(diǎn)；同樣將九龍泉312帶入公式求出臨城期(N2～Q1)抬升后的侵蝕基面.所以，以水嶺、侵蝕基面點(diǎn)和各層洞穴高程在徑流方向的坐標(biāo)進(jìn)行曲線擬合如表1所示.

表1 流域內(nèi)各時(shí)期侵蝕基面曲線擬合表

由表1可以看出上層和中層洞穴多項(xiàng)式擬合較好，下層洞對(duì)數(shù)擬合好如圖5所示.魯中期(E2)擬合直線基本成直線主要原因，如洞穴分布特征對(duì)地殼隆起的識(shí)別中所述.華北唐山期(N1)與臨城期(N2～Q1)侵蝕基面在A點(diǎn)處相交，說(shuō)明自臨城期(N2～Q1)區(qū)內(nèi)地殼抬升以來(lái)，剛受到河流溯源侵蝕作用的影響，A點(diǎn)以上的區(qū)域受到較小影響或者還沒(méi)波及到，所以A點(diǎn)附近區(qū)域在相同水位高度的溶蝕作用時(shí)間較長(zhǎng)，容易形成大洞穴；華北唐山期的地下水位出現(xiàn)兩次低谷，這主要是兩處發(fā)育了斷層(圖2)，地殼抬升后大量的地表地下水沿著斷裂帶匯集于此，在兩斷裂之間形成了相對(duì)的分水嶺，在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)兩處之間的水力系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，所以在B點(diǎn)形成了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn).而在臨城期(N2～Q1)地殼進(jìn)一步抬升河流溯源作用加強(qiáng)導(dǎo)致A、C之間形成較強(qiáng)的水力聯(lián)系，形成現(xiàn)在河床上的水時(shí)隱時(shí)現(xiàn).

圖5 流域內(nèi)各期侵蝕基面構(gòu)建Fig.5 Construction of the erosion base for each period in Tanglang River Basin

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)螳螂河流域的洞穴進(jìn)行調(diào)查與探測(cè)，對(duì)其展布特征進(jìn)行研究分析，認(rèn)為：1)螳螂河流域巖溶洞穴發(fā)育受到魯山隆起的影響，區(qū)內(nèi)由分水嶺至徑流方向上在海拔高程上發(fā)育三層洞穴.2)魯山在華北唐山期(N1)的隆起比臨城期(N2～Q1)隆起幅度較大.3)魯山從魯中期(E2)到華北唐山期(N1)具有持續(xù)隆起并由中心向邊緣逐漸減弱.

根據(jù)螳螂河流域內(nèi)發(fā)育洞穴的展布特征，提取其地學(xué)空間參數(shù)，試探性地建立螳螂河流域在魯中期(E2)、華北唐山期(N1)和臨城期(N2～Q1)地下水位變化曲線.通過(guò)研究其地下水位變化，探討區(qū)內(nèi)巖溶洞穴與巖溶發(fā)育狀況收到較好的結(jié)果.這對(duì)研究喀斯特流域內(nèi)地殼運(yùn)動(dòng)的定量性研究，提供參考和借鑒意義.同時(shí)，也為喀斯特洞穴形成時(shí)間的估算方法提供參考.值得注意的是，對(duì)洞穴劃分層次的時(shí)候，一定要根據(jù)洞穴海拔高程、區(qū)內(nèi)夷平面、徑流方向及洞穴內(nèi)部特征提取的水文信息來(lái)綜合判斷.現(xiàn)實(shí)中洞穴在流域內(nèi)的展布是一個(gè)三維空間，所以，以洞穴為研究載體，探討流域地下水演變和巖溶發(fā)育規(guī)律，要充分調(diào)查流域內(nèi)洞穴發(fā)育狀況，建立三維曲面模擬地下水侵蝕面的變化，探討喀斯特地貌空間展布特征及區(qū)域地下水變化規(guī)律具有重要現(xiàn)實(shí)意義.

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Study on development characteristics of cave in Tanglang River and their significance in geoscience

LUO Shuwen1， LI Wei2， Li Chengzhan1， HUANG Baojian1

(1.Institute of Karst Geology， CAGS/Karst Dynamics Laboratory， MLR&GZAR， Guilin， Guangxi 541004；2.The Center of Hydrogeology and Environmental Geological Survey of China Geological Survey， Baoding, Hebei 071000)

This paper discussed the internal geophysical meaning of cave by studying its development characteristics in the river on the basis of investigating the karst cave in Tanglang River in Yiyuan of Shandong Province. It is suggested that: 1) the cave development in the river is divided into three layers longitudinally， corresponding to the geological periods in the area；2) the uplift amplitude in the area at Tangshan period (N1) in North China is relatively bigger than that in Lincheng period (N2～Q1)；3) the uplift in Lushan is a continuous process， slowly conducting within the intermittent of the crustal uplift and gradually weakening from the center to around. Based on the formation mechanism of horizontal cave and distribution characteristics of cave in the area， the relevant parameters are extracted to tentatively build the two-dimension mathematic relation for evolution of groundwater level in the river， which has important scientific significance for the study on spatial evolution of groundwater and surface water in Karst basin from qualitative study to quantitative study．

Tanglang River; cave; geoscience significance; Lushan mountain of ShanDong Province

2015-09-08.

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查子項(xiàng)目(12120114010902；1212011220049；12120114062601).

1000-1190(2016)02-0297-06

P931.5

A

*E-mail: luoshuwen6700167@126.com.