陳文奇，蔣 璽，寧 凡，況光顯，羅維均

(1.貴州大學 資源與環(huán)境工程學院，貴州 貴陽 550025； 2.蘭州大學 地質(zhì)科學與礦產(chǎn)資源學院，甘肅 蘭州 730000； 3.貴州綏陽雙河洞國家地質(zhì)公園管理處，貴州 綏陽 563300； 4.中國科學院地球化學研究所 環(huán)境地球化學國家重點實驗室，貴州 貴陽 550081)

貴州是喀斯特公園省，位于黔北綏陽縣境內(nèi)的雙河洞國家地質(zhì)公園有著獨具特色的巖溶洞穴系統(tǒng)、峽谷群、水文系統(tǒng)、野生生態(tài)資源等，是開展喀斯特研究、科普、旅游、探險的絕佳場所[1-6]。雙河洞巖溶洞穴系統(tǒng)是國家地質(zhì)公園的核心景觀，據(jù)2019年3月27日發(fā)布的最新洞穴科考成果，截至2019年3月，雙河洞探明長度已達257.366 km，為亞洲第一、世界第五長洞。探洞資料顯示，雙河洞具有成層發(fā)育特點，自下而上大致由4層溶洞通過錯綜復雜的支洞連通形成龐大的巖溶洞穴系統(tǒng)。前人根據(jù)洞穴高程和發(fā)育特征，將雙河洞的形成和演化劃分了古地下河孕育期、石膏洞地下河期、山王洞地下河期、雙河水洞期4個階段，指示了黔北地區(qū)在新構(gòu)造運動中的多期間歇性構(gòu)造抬升[1,7]。

成因上，多層溶洞是地下水流通過溶蝕、沖刷、下切等形成的層狀地下空間。與之對應，受構(gòu)造運動和氣候變化影響，地表河流常通過階段性侵蝕和加積作用，形成一系列階梯狀地貌——階地[8]。因此，一般認為同一自然地理區(qū)域內(nèi)層狀溶洞和河流階地在發(fā)育機理和時效性上具有可對比性[9-11]。所以，開展層狀溶洞與河流階地發(fā)育的耦合關(guān)系分析，成為探討區(qū)域新構(gòu)造運動和地貌演化的重要方法。例如，YANG等通過對索溪河流域河流階地、多層溶洞、層狀剝蝕臺地等地貌的發(fā)育耦合關(guān)系研究，探討了構(gòu)造抬升和氣候變化影響下張家界世界地質(zhì)公園砂巖峰林的形成和演化[12]；呂金波等分析了房山世界地質(zhì)公園石花洞系的發(fā)育特征，認為石花洞系8層溶洞可與北京西山永定河8級河流階地進行對比，溶洞與階地的發(fā)育對中國東部新構(gòu)造隆升具有指示意義[13]。

筆者圍繞雙河洞國家地質(zhì)公園開展了野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在區(qū)域芙蓉江流域池武溪河谷和旺草盆地可見多級河流階地，它們的形成可與雙河洞多層巖溶洞穴發(fā)育相對應，綜合指示了黔北地區(qū)多期次的構(gòu)造抬升與河流下切。為此，本文將從雙河洞巖溶洞穴的成層性和區(qū)域河流階地的分布及沉積特征出發(fā)，探討階地與層狀溶洞發(fā)育的耦合關(guān)系，綜合分析雙河洞巖溶系統(tǒng)的形成和演化。

1 雙河洞發(fā)育地質(zhì)背景

雙河洞國家地質(zhì)公園位于黔北綏陽縣北部，區(qū)域大地構(gòu)造位于上揚子地塊黔北隆起區(qū)的鳳岡南北向隔槽式褶皺變形區(qū)[14]。溶洞系統(tǒng)發(fā)育于由NNE向、NE向和NW向3組褶皺斷裂帶所圍成的一個三角形斷塊中，斷塊內(nèi)褶皺、斷裂不發(fā)育，但巖層節(jié)理較發(fā)育(圖1(a))。燕山運動中近東西向構(gòu)造擠壓變形使三角形斷塊成為相對獨立的地質(zhì)體，受新構(gòu)造運動影響，區(qū)域發(fā)生多次間歇性構(gòu)造隆升，構(gòu)成多層溶洞發(fā)育的地質(zhì)背景[1-2]。

圖1 雙河洞區(qū)域地質(zhì)圖和衛(wèi)星圖(地質(zhì)圖據(jù)雙河洞地質(zhì)公園地質(zhì)圖[1]繪制)Fig.1 Regional geological map and satellite image of Shuanghe cave

雙河洞巖溶洞穴系統(tǒng)地處黔北集中的白云巖喀斯特地貌區(qū)，區(qū)域出露地層從寒武系(∈)到三疊系(T)，缺失泥盆系(D)和石炭系(C)。其中寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群(∈2-3ls)，奧陶系下統(tǒng)桐梓組(O1t)、紅花園組(O1h)厚度超過千米的碳酸鹽巖為溶洞發(fā)育提供了重要的物質(zhì)基礎，尤其是寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群(∈2-3ls)白云巖地層中的硬膏巖、含膏白云巖對溶洞的發(fā)育具有十分重要的誘發(fā)和促進作用[15]。

2 溶洞發(fā)育特征

雙河洞洞穴系統(tǒng)主體發(fā)育于寒武系婁山關(guān)群(∈2-3ls)白云巖和奧陶系桐梓組(O1t)白云質(zhì)灰?guī)r地層中，是目前已探知的全球最長白云巖洞穴。洞區(qū)地層產(chǎn)狀平緩，傾向由南向西北呈NE、E、SE向展布。溶洞發(fā)育受地下水流向、地層產(chǎn)狀和巖層節(jié)理綜合控制[2,15,16]。

根據(jù)探洞資料，雙河洞洞穴系統(tǒng)洞道整體上由SW向NE向傾斜延伸，洞口指向池武溪河谷，組成一個龐大的地下洞穴網(wǎng)絡系統(tǒng)。從洞體末端到洞口，洞穴海拔高度從950～1 050 m逐漸降低到700 m以下，發(fā)育密度和發(fā)育參數(shù)(長、寬、高)逐漸變大，各層溶洞從基本不連通到彼此連通，洞穴類型也逐漸由旱洞和滲流帶洞穴變?yōu)樗春偷叵滤娑囱╗2]。

受階段性構(gòu)造隆升影響，雙河洞具有多層性發(fā)育特點。多層溶洞間相對高差達501 m[1]，通過支洞、天坑、豎井等相連，形成復雜的網(wǎng)絡狀洞穴系統(tǒng)和地表水、地下水交互系統(tǒng)。雙河洞洞穴系統(tǒng)垂向上大致可分4層，其中最上第4層溶洞不發(fā)育，溶洞系統(tǒng)主體由其下3層洞穴組成。

由于雙河洞溶洞系統(tǒng)長度超過200 km，分布極為復雜，但從洞穴古地下河道發(fā)育及其延伸方向的相對高程變化，可推斷其成層發(fā)育特點。下面僅以溶洞系統(tǒng)中部的雙河水洞-石膏洞-杉林洞一線為例詳細描述其多層性。如圖2，首先從整體上，該區(qū)域洞穴發(fā)育主要有NE和SE兩個方向，洞穴呈西高東低傾斜延伸，反映了構(gòu)造裂隙和地層產(chǎn)狀對巖溶洞穴發(fā)育的控制作用。根據(jù)古地下河延伸方向和洞道高程變化分析，可看出洞穴明顯呈3層分布。

圖2 雙河水洞、石膏洞、杉林洞洞穴分布圖 (據(jù)李坡等[1]繪制)Fig. 2 Distribution map of Shuangheshui cave, Shigao cave and Shanlin cave

雙河水洞和團堆窩地下河構(gòu)成第一層溶洞(L1)。雙河水洞洞口見于池武溪上游(圖3(a))，洞穴由西向東標高從約720 m降低到洞口的700 m。團堆窩地下河北接團堆窩天坑(圖3(b))，洞穴由北西向南東延伸，標高由團堆窩天坑處708 m逐漸降低到667 m并與紅罩子洞東北支相連。L1層洞穴常年充水，為池武溪主要補給水源。上層洞穴通過團堆窩天坑和豎井等與L1層洞連通并完成水流補給。

第二層溶洞(L2)發(fā)育程度稍低于上下洞穴，區(qū)內(nèi)主要由銅鼓皮硝洞和何教洞組成。西側(cè)銅鼓皮硝洞洞口位于團堆窩天坑，標高807 m，洞穴延伸與團堆窩地下河同向，南端通過豎井與上層石膏洞和下層團堆窩地下河相連。東側(cè)何教洞洞口見于池武溪河谷(圖(3c))，洞穴自西向東傾斜，標高從約730 m降低到洞口705 m，雖然其絕對高程與西側(cè)雙河水洞相當，但從溶洞群自西向東傾斜延伸的特點，以及洞口與池武溪高差(高于河面約20 m)分析，其為第二層溶洞無疑。何教洞在距洞口約300 m處有豎井與上層杉林洞相連。

第三層溶洞(L3)由杉林洞、石膏洞、羅教洞組成。杉林洞主洞口見于池武溪河谷(圖3(c))，標高760 m，由北東向南西洞穴標高增大，到雙河水洞南部峽谷的另一洞口標高達到820 m。與何教洞類似，雖然杉林洞洞口段絕對高程低于銅鼓皮硝洞(L2)，但從洞穴的延伸和傾斜，以及與臨近的何教洞分析(圖3(c))，其應為三層洞穴。石膏洞也有兩個洞口，西側(cè)見于團堆窩天坑(圖3(d))，標高870 m，東側(cè)見于雙河水洞南部峽谷(圖3(e))，與杉林洞口隔谷相望，標高850 m。從高到低，石膏洞先為北西-南東向延伸，然后轉(zhuǎn)而南西-北東向發(fā)育并與杉林洞相連。羅教洞洞口見于團堆窩天坑(圖3(d))，與石膏洞隔谷相望，洞口標高880 m。從洞穴發(fā)育形態(tài)和展布特征分析，杉林洞、石膏洞、羅教洞主洞道原為同一洞穴，后被團堆窩天坑和峽谷切割分開。

3 區(qū)域河流階地

3.1 池武溪河谷階地

雙河洞巖溶洞穴系統(tǒng)地處長江水系烏江一級支流芙蓉江上游流域。區(qū)內(nèi)池武溪從洞區(qū)發(fā)源，自西向東流經(jīng)桂花村、公館槽等地后，與北側(cè)猛溪溝匯合折為近由北向南于溫泉鎮(zhèn)南匯入芙蓉江。

池武溪河谷為一狹長谷地，由于地表徑流較強，上游區(qū)域階地發(fā)育及保存較差。池武溪在公館槽以北與猛溪溝匯合后，河谷變得相對寬緩，斷續(xù)可見四級河谷階地(圖4)。

T1階地總體保存較好，位于池武溪兩側(cè)沿岸，標高從下游約640 m到上游約700 m，拔河高度4 ～10 m(圖4(a))。T1階地為基座階地，基底主要為碳酸鹽巖，下游部分區(qū)域為奧陶系湄潭組(O1m)頁巖、粉砂巖。T1階地面為山區(qū)難得的大片平地，因此土地利用程度高，基本未見原始的階地沉積物，階地面上深灰褐色耕植土中可見磨圓的礫石。

T2、T3階地一般見于池武溪中下游河谷北(東)側(cè)，與南側(cè)L2、L3層溶洞基本對應。T2階地為T1階地外側(cè)斷續(xù)平臺，標高約660 ～710 m，拔河高度約25 m(圖4(b)、圖4(c))，為基座階地。階地未見完整的沉積物剖面，但在部分區(qū)域可見磨圓較好的礫石，礫石主要為碳酸鹽巖，礫徑從數(shù)厘米到數(shù)十厘米不等，最大者見約40 cm。

(a)雙河水洞；(b)團堆窩天坑；(c)杉林洞、何教洞；(d)羅教洞；(e)雙河水洞南部峽谷。圖3 多層溶洞照片F(xiàn)ig.3 Photographs of multi-layer karst caves

(a)池武溪河谷一級階地；(b)池武溪河谷一、二級階地；(c)池武溪河谷一、二、三級階地；(d)池武溪河谷三、四級階地。圖4 池武溪河谷階地野外照片F(xiàn)ig.4 Photographs of terraces in Chiwuxi valley

T3階地由谷地邊緣一系列獨立的小山頭組成，標高從690 ～750 m不等，拔河高度約50 m(圖4(c)、圖4(d))，為基座階地，階地面風化殘積物中偶見磨圓礫石。

河谷T4階地整體保存最差，基本未見相關(guān)的河流沉積物，僅從部分山脊上的平緩部位依稀可辨，拔河高度推測約80 m以上(圖4(d))。

總體上，池武溪河谷階地發(fā)育及保存較差，基本未見完整的階地沉積剖面，但從地貌上仍可分辨階地級次。各級階地從分布和高度上與溶洞系統(tǒng)發(fā)育具有一定的對應關(guān)系。

3.2 旺草盆地階地

旺草盆地位于芙蓉江上游，雙河洞南約15 km，與雙河洞溶洞區(qū)同為芙蓉江流域。盆地南北長約5 km，東西寬約3 km，芙蓉江從盆地南部蜿蜒流過。由于地處山間盆地，階地發(fā)育和保存更為完整。盆地內(nèi)可見級次清晰的四級河流階地(圖5、圖6(a))。

圖5 旺草盆地階地剖面圖Fig.5 Profile of terraces in Wangcao basin

T1階地主要分布于芙蓉江及盆地內(nèi)支流沿岸，形成盆地內(nèi)廣闊的第一平臺，階地標高約680 m，拔河高度10～12 m(圖6(b))。T1階地為基座階地，基底為寒武系婁山關(guān)群(∈2-3ls)白云巖，基巖風化程度低。階地面的耕植土中多見大小不等的礫石，在官銀灘附近開挖蝦塘工地中，可見河漫灘相的砂質(zhì)沉積物。

T2階地在盆地周邊基本為連續(xù)平地，盆地內(nèi)則被切割為一系列平臺，階地標高約690 m，拔河高度約20 m(圖6(b)、圖6(c))。T2階地為堆積階地，自然剖面強風化為土黃色，強風化的階地沉積物中可見細小的磨圓礫石和砂粒，礫石以碳酸鹽巖為主，砂粒則主要是粗細不等的石英碎屑。石英碎屑具有較好的磨圓度。

T3階地斷續(xù)見于盆地邊緣，由一系列平頂小山丘組成，階地標高約700 m，拔河高度約30 m(圖6(c))。T3階地為基座階地，基底為寒武系婁山關(guān)群(∈2-3ls)白云巖，階地沉積物與T2階地類似。在盆地北側(cè)，見一層厚度約20 cm的礫石層，礫石含量約40%，以碳酸鹽巖為主，礫徑小于10 cm，磨圓中等。

T4階地主要由芙蓉江右岸的一系列孤立小山頭組成，地貌上依稀可辨。階地標高大約720 m，拔河高度約50 m。在盆地東南端桃樹灣見一工程開挖揭露較好的剖面(圖6(d))。剖面除白云巖基底外，自下而上可見3個沉積層。最下部為厚約1.5 m的砂泥質(zhì)沉積物，很少見礫石。中間則為一厚約0.5 m的礫石層，礫石含量約60%，以碳酸鹽巖和砂巖為主，礫石呈次棱角狀，礫徑數(shù)厘米到數(shù)十厘米不等，具粒序結(jié)構(gòu)，自下往上粒度減小，含量降低。礫石層上為厚約2 m的砂泥質(zhì)層，沉積層底部含礫石與下層逐漸過渡，中部偶見中等磨圓的礫石，其余多為砂泥質(zhì)沉積物，沉積物特征與T2階地類似。

4 討論

4.1 溶洞與階地耦合關(guān)系分析

層狀溶洞和河流階地都是間歇性地殼隆升保留下來的層狀地貌，因此其發(fā)育時間和級次上都具有可對比性。雙河洞層狀溶洞與區(qū)域河流階地發(fā)育對比見表1。

表1 雙河洞分層與區(qū)域階地對應表Tab.1 Feature table of multi-layer caves and fluvial terraces

L1層的充水溶洞為池武溪主要補給水源，洞穴最低標高對應當前池武溪河床。但L1層溶洞洞體寬闊，洞頂高出水位線10 m以上(圖3(a))，所以從其發(fā)育看，L1層溶洞應與T1階地對應，洞穴主體應發(fā)育于T1階地形成階段，且當前區(qū)域正處于抬升下蝕期。在池武溪河谷，T1階地從上游向下游，階地拔河高度逐漸增大，反映了河流下切中隨水流匯集侵蝕作用加劇。旺草盆地T1階地拔河高度明顯高于池武溪河谷，也反映了當前階段芙蓉江干流強烈的河流下切侵蝕作用。

L2層溶洞洞口拔河高度約25 m，洞口呈鎖孔狀，洞高超過15 m(圖3(c))，所以洞穴形成可對應于池武溪河谷T2階地(拔河高度約25 m)。本階段在池武溪流域，溶洞形成規(guī)模較小，河谷階地保存也較差。但在旺草盆地，T2階地與T1階地相似，發(fā)育及保存都較好，形成了厚度超過10 m的堆積階地沉積層。旺草盆地T2階地與T1階地級差(8～10 m)總體低于池武溪河谷，且主要為堆積階地，反映了此階段盆地已基本形成，芙蓉江在盆地內(nèi)以加積作用為主。

L3層溶洞規(guī)模較大，而對應的T3階地保存很差，說明在此階段地表和地下徑流都較強，利于洞穴沖刷形成，但河流沉積作用較弱。前人在與L3層溶洞對應的峽谷內(nèi)，也發(fā)現(xiàn)了古河流強烈沖刷形成的礫石層[1]。旺草盆地的T3階地保存也不及T2和T1階地，但在盆地周邊仍可見間斷的水平階地面，一方面表明階地遭受了后期的強烈侵蝕和風化，另一方面說明本階段盆地已見雛形，但尚未充分夷平，不利于水流匯集和階地廣泛形成。

L4層溶洞發(fā)育程度低，僅在區(qū)域金鐘山南麓海拔1 000 m以上發(fā)現(xiàn)一些小型的豎井和斜洞[1]，說明早期古地下河尚未充分形成和貫通。而此時古地表河流已基本成型，在區(qū)域最高一級地形夷平面上形成一系列峽谷[1]與池武溪河谷T4階地對應。旺草盆地內(nèi)T4階地也保存較差，從僅見的一個剖面(圖6(d))看，此時芙蓉江水流總體比較穩(wěn)定，剖面中部的角礫狀沉積層反映了山區(qū)河流受季節(jié)性水力變化影響的沉積特征。

總體上，隨區(qū)域間歇性構(gòu)造抬升，池武溪河谷由于古河流坡降大、徑流強，層狀溶洞和階地發(fā)育級差大，并受間歇時間和古氣候影響，形成了發(fā)育程度不等的多層溶洞和河谷階地。旺草盆地在構(gòu)造上位于區(qū)域NNE和NW向2組斷裂褶皺帶的交匯部位(圖1)，巖層變形和破碎導致風化作用加劇，利于負地形形成和水流匯集，因此在T4階地形成階段就沉積了穩(wěn)定的河流沉積層。經(jīng)過芙蓉江的長期侵蝕和山前沉積作用，山間盆地逐漸形成和夷平，因此階地整體保存較好，級差也明顯低于池武溪河谷。到T1和T2階地階段，盆地基本形成，水流匯集沉積穩(wěn)定，在盆地內(nèi)形成了廣闊平坦的階地漫灘相沉積層。

4.2 溶洞發(fā)育時代研究展望

近10年來，前人圍繞雙河洞國家地質(zhì)公園開展了大量科學研究，從洞穴發(fā)育特征、水化學、溶洞成因與古環(huán)境演化等方面開展了大量卓有成效的工作[1-6,15-19]。隨著國家地質(zhì)公園的深入建設，雙河洞巖溶洞穴系統(tǒng)的發(fā)育時代成為亟待解決的科學問題。李坡等測定了洞穴石筍的U系年齡，指示其生長時間從198 kaBp延續(xù)到36 kaBP[1]，但由于石筍生長通常滯后于溶洞形成，且時間連續(xù)性上具有不確定性，所以難以準確指示多層溶洞的階段性發(fā)育時代。

通過本文對層狀溶洞發(fā)育與區(qū)域階地形成的耦合關(guān)系分析，可看出階地的形成時代對雙河洞白云巖洞穴的階段性發(fā)育時代具有指示意義。研究表明，貴州主要河谷T1階地的沉積時代為全新世[14]，T2—T5階地則主要沉積于中-晚更新世[20]。但由于貴州的新構(gòu)造運動隆升具有顯著的掀斜式特征，這些定性的時代探討并不足以限定雙河洞發(fā)育的準確時代。目前，階地定年已發(fā)展成為十分成熟的第四紀年代學研究方法[21-24]，因此，要準確厘定雙河洞巖溶洞穴系統(tǒng)的發(fā)育時代，開展高精度的階地定年將是一種有效方法。

5 結(jié)論

根據(jù)野外調(diào)查和觀測結(jié)果，本文對雙河洞層狀溶洞和區(qū)域河流階地發(fā)育的耦合關(guān)系進行了探討，得出如下結(jié)論：

(1)雙河洞白云巖洞穴系統(tǒng)具有顯著的成層性，多層溶洞總體呈西高東低向池武溪河谷傾斜延伸，溶洞分層與池武溪河谷階地發(fā)育具有一定的對應關(guān)系。

(2)在區(qū)域芙蓉江上游旺草盆地，四級河流階地可與池武溪河谷階地及雙河洞層狀溶洞對應，由于地處斷裂褶皺交匯帶，階地發(fā)育和保存更好，級差總體小于多層溶洞和池武溪河谷階地，反映了芙蓉江對旺草山間盆地形成的重要驅(qū)動作用。

(3)階地和溶洞發(fā)育的耦合關(guān)系分析表明，階地的形成與區(qū)域溶洞的階段性發(fā)育具有時效可對比性，可綜合指示區(qū)域間歇性構(gòu)造抬升與河流下切，開展高精度階地定年可望用于厘定雙河洞巖溶洞穴系統(tǒng)的發(fā)育時代。