广西岩溶洞穴沉积物与地震记录初探

张美良，朱晓燕，阳和平，李 涛，范鲁舟

（中国地质科学院岩溶地质研究所，国土资源部岩溶动力学重点实验室，广西 桂林 541004）

广西岩溶洞穴沉积物与地震记录初探

张美良，朱晓燕，阳和平，李 涛，范鲁舟

（中国地质科学院岩溶地质研究所，国土资源部岩溶动力学重点实验室，广西 桂林 541004）

广西是西南地区的一个岩溶大省，其岩溶面积占土地面积的42%。广西岩溶洞穴十分发育，至少有6万个洞穴。洞穴景观资源丰富，为广西的旅游创造了大量的财富。岩溶洞穴沉积物不仅具有旅游开发价值，而且蕴含了丰富的古气候环境信息，同时，也是地震信息的存储器,是研究地震遗迹的良好材料。地震活动不仅导致岩溶洞穴及洞穴沉积物发生破裂、坍塌等地质灾害或现象，同时，地震也能引起岩溶表层带下渗水的水路发生改道或扩大，促使洞穴下渗水的滴水补给量增大，激发了石笋的生长。因此，本文根据岩溶洞穴沉积物记录的新、老地震遗迹,对残存的地震信息进行初步探索，可望能为广西西部地区的新构造活动研究和地震活动历史重建起到抛砖引玉的作用，提供一个新的研究思路。

洞穴沉积物；坍塌；破裂；地震历史；广西

引言

地震活动是现代构造运动的重要表现，突发性的大地震往往给人类带来巨大的灾难。因此，地震的预报和预防成了世界关心的问题，特别是2008年5.12四川汶川8级地震后，对地震活动的研究和预警进一步提升到世界及国家层面上，给以极其高度的重视。

广西境内的地震活动主要受活动断裂控制，近代地震震源破裂的优势方向以NW向为主，其次为NE向。广西的地震活动与中国其它地震带相比，其有地震发生频度、烈度相对较弱，发生的中强地震相对较少的特点，但是，广西的地震活动仍具有一定的破坏性。据统计，自公元288年有史记载以来,广西共记载4.5级以上的地震有76次,有感地震954次以上，此外，还有许多无感地震。

1 广西活动断裂带与地震

广西境内地震活动主要受活动断裂控制，地震的发生与活动断裂带的规模、活动特征及强度、最新活动时间、展布方向以及与构造应力作用方向的关系等密切相关。广西活动断裂带有NE向、NW向、NNE向、NNW向、近NS向和近EW向等6组，其中以NE向和NW向两组为主，它们构成广西活动断裂的 “X”型结构［1］。这种活动断裂带的分布格局，决定了广西地震活动在空间上大致可分为东北，东南和北西部三块区域。

1.1 广西活动断裂带分布特征

在桂东北地区，发育有近SN向断裂和NE向断裂，NW向断裂不发育。新构造运动以来，SN向断裂具有逆冲性质，NE向断裂具有右行走滑性质，其主压应力方向也为EW向，如柳州融安近SN向断裂带在晚更新世仍有较强活动［2］，NW向断裂尽管少且规模不大，但活动时代新，切割其它方向的断裂。

在桂东南和沿海地区，NE或NEE向断裂具有明显的右旋剪切-引张的力学性质，且以水平运动为主。沿NE向断裂有较多的温泉出露，说明该组断裂开启性好、封闭性差［3］。NW向断裂断续出露、规模小，但切割其它方向构造线和山脊， 均具左旋的性质， 说明该区NE向断裂与NW向断裂在新构造期已成为统一的活动断裂系统， 受同一构造应力场作用， 其主压应力的方向为EW向［3］。

在桂西北地区，NW向活动断裂延伸长、规模大、活动性强， NE向断裂不发育，也不活动。北西向活动性断裂主要有巴马-博白断裂带、百色-合浦断裂带、靖西-崇左断裂带和那坡断裂带。断裂走向以北西310°～320°为主，断裂带长170～600余公里， 以高角度的逆冲断层为主，具有多期活动性：新生代以前表现为右旋挤压-剪切的力学特征，新生代以来的NW向断裂改造利用了早期的断裂，具有显著的多期构造活动，其断裂特征表现为：①地貌上，呈平直狭长的 “V”型谷地， 呈现出挤压性断裂谷地景观，而且断崖， 断层三角面发育。②切错关系，断裂切错北东向的山体、构造线、盆地及新生界地层， 呈现出左旋平移性质。如巴马-博白断裂带中的高田断裂， 在六景和高田-带将古近纪地层和燕山晚期昆仑关花岗岩体左旋平移了约4000 m。百色-合浦断裂带则将合浦盆地古近纪地层及合浦-北流断裂反时针方向错断［3］。

1.2 广西活动断裂带决定其地震活动空间特征

据广西的活动断裂带的规模、活动特征及强度、展布方向与构造应力作用关系以及自公元1900年有地震记载以来，所记载地震发生的空间分布特征及强度等，可知广西的地震活动主要沿东北、北西活动断裂带分布或排列的，说明这两组断裂是广西主要的控制地震发生和孕育的断裂 （图1，2）［4］。从图中可看出，地震等震线长轴方向以NW向 （54%）和NE向 （34%）为主，其余方向仅占12%，反映地震主要受上述2个方向活动断裂控制，并且是主要发震构造［4］。而从地震发生的强度来看，广西地区的中强地震活动主要是受北西向活动断裂带所控制。北东向和北西向的活动性断裂是本区主要的控震 （孕震）构造，北西向活动性断裂又是主要的发震断裂。

1.3 广西历史地震记录

自有地震记载以来，广西4.5级以上的地震有76次，最大震级达6.8级，而且都属于浅源地震。广西发生的中强地震主要有：灵山6.8级地震 (1936年)、平果5.4级 (1977年)和4.6级地震 (2005年)、天峨5.0级地震 (清朝1875年及1983年)、乐业西北6级 (1876年，E106.40°，N24.90°)和乐业东北部马庄乡发生5.0级地震 (1983年12月5日，E106.9°,N24.88°)以及环江5.3级地震 (1998年)等地震[5]，除了灵山6.8级地震外，其它的中强地震震中主要分布桂西北的岩溶地区。

图1 广西及邻区大于43/4级地震震中分布图(据吴时平等，1987)Fig.1 Distribution map of earthquake epicenters with M≥43/4in Guangxi and its adjacent area(From Wu et al.,1987)

图2 广西及邻区大于43/4级地震震中网络分布图(据吴时平等，1987)Fig.2 Network map of earthquake epicenters with M≥43/4in Guangxi and its adjacent area(From Wu et al.,1987)

广西西北部的地震活动主要受区域性北西向断裂带所控制，如巴马NW向活动断裂，长250 km，活动断裂控制断裂谷发育，控制沉积相及中新生代岩体分布，沿活动断裂发生2～4级地震有10余次 （1875年6月8日巴马与东兰之间发生6级地震）， 利用活动断裂带中的次生方解石脉或钙华沉积物进行铀系 （а谱U系）和方解石脉的ESR定年年值为6～20万年 ，而且中晚更新世后还有多次断裂活动[4]。又如乐业-浪平的弧形活动断裂，长100 km，弧形断裂内侧强烈隆升，形成多级溶洞、夷平面，并形成600余米深的天坑群，而沿活动断裂带发生6.5级以下地震达5次，第四纪期间断裂仍在活动，并发生了如1876年乐业6级和1983年马庄乡5.0级地震。再如凌云-金牙弧形活动断裂，长120 km，弧形断裂两侧差异升降明显，新构造活动强烈，出现了多级夷平面和溶洞层，沿活动断裂带发生4级以下地震6次，第四纪期间仍有活动[4]。

综上所述，北西向活动断裂带是控制广西西北部地震发生和孕育的断裂，同时对于断裂谷、断崖地貌的发育，以及新生代沉积盆地、沉积相及中新生代岩体的分布等具有重要的控制作用。因此，在地质历史时期沿活动断裂带发生的地震活动，对广西西北部岩溶区的地貌、地下洞穴及其沉积物的发育、破坏和改造起着重要的控制作用，并可在岩溶洞穴及其沉积物中保存或残留了地史期间的地震印迹。

2 洞穴沉积物的地震记录

广西为岩溶大省，总面积达9.87万平方公里，岩溶占总面积的42%。其岩性主要由碳酸盐岩 （灰岩、白云质灰岩、白云岩等）组成，岩石特性相对脆弱，受地震作用后易变形或破裂、产生地质灾害。广西的地震主要为构造地震类，地震发生时，构造应力对碳酸盐岩岩体的破坏作用，主要体现在碳酸盐岩层发生弯曲变形，形成褶皱或褶曲；而当构造应力超过碳酸盐岩岩石本身所能承受的强度时，岩层将产生断裂错动并发生位移，形成构造断裂或断层；而在断裂错动发生位移时，将导致山体滑动、下陷，形成断陷槽谷 （盆）或断裂谷地、断崖、地下河堵塞成湖、岩溶洞穴及洞穴沉积物发生坍塌等地质现象。而岩溶洞穴是地下岩石圈中一个承受各种地质作用力较强的分布带或空间带，地震发生时，构造地震的震级只要达到3～4级或地震裂度达到了Ⅳ度以上，就足以对岩溶洞穴和洞穴沉积物发生较强的破坏作用。

据近年来，作者在广西西部地区的洞穴资源调研及其古气候环境研究过程中，观察到的洞穴沉积物受地震影响产生的结果，有如下几种情况：

（1）构造地震将导致岩溶洞穴 （体）产生破裂、裂隙，局部洞厅、洞道发生巨大岩体（块）坍塌、堵塞；而对于岩溶洞穴沉积物的破坏作用，则表现在石笋、石柱、壁流石等发生剪切破裂、拉断、倒塌，洞顶的钟乳石或洞壁的石盾等发生下坠或脱落，以及洞穴底板的钙华层、钙华-粘土层由于受震动而发生下陷、垮塌，引起地下河淤塞或形成岩溶湖等现象。因此，构造地震的破坏作用，最终导致岩溶洞穴形态、景观发生严重的破坏和改造，面目全非。

（2）地震作用能使岩溶表层带下渗水的渗流水路发生改道或扩大，促使进入洞穴下渗水的滴水补给量、滴速或滴率、Ca浓度等的增高，激发洞穴中的鹅管、石钟乳和石笋的生长，同时，也有助于钙华、壁流石或石幔等次生化学沉积物的形成。

2.1 现代地震对洞穴沉积物破坏留下的现代记录

据新华社报道，2008年5月12日在四川汶川发生8级地震，是我国大陆内部地震，属于浅源地震，震深在10～20 km间，面波传播，强度大，波及面广，逆冲断层型震源运动，地面破坏性强破坏力度较大[6]。除吉林、黑龙江、新疆无震感的报告外，其他省市区均有不同程度震感。

此次四川汶川地震，波及到了整个广西，其中对广西西北部的影响更为明显，其地震的震级也达到了3～4级或地震裂度达到了Ⅳ度，相当于广西区内发生的中度地震烈度。这种中强度地震对广西区内的岩溶洞穴及洞穴沉积物的破坏影响较为明显，地震产生的破坏形迹主要表现为：石笋、石柱、壁流石等发生剪切破裂、拉断、倒塌；洞顶的钟乳石发生下坠或脱落；洞穴底板的钙华层、钙华-粘土层由于受震动而发生下陷、坍塌等。而对洞穴外部周缘的岩壁因受到震动影响后，催生了局部陡崖发生岩块崩塌、滑塌作用，以及产生其它的潜在的危险等。

2.1.1 现代地震导致石笋产生剪切破裂、拉断 （裂）

据广西地震震中分布图可知 （图1，2），广西中强地震活动主要是受NW向活动断裂带所控制。例如广西巴马、乐业，分别位于NW向巴马-博白活动性断裂带、灵山-乐业NW向的地震活动带中，活动性断裂或地震活动带对岩溶洞穴发育或洞穴沉积物的形成、破坏起着重要的控制作用。

关于地震活动对洞穴沉积物产生的破坏作用的证据，笔者及同事从2007年3月开始至2010年，一直对巴马水晶宫旅游洞和巴马大山洞进行连续的洞穴滴水、现代碳酸盐（CaCO3） 沉积物的动态监测，在2008年4月7日以前的监测过程中，未发现在这些洞穴中的石笋、石柱等存在有拉断、破裂等现象；但是，自2008年5月12日在四川汶川发生8级地震后，发现洞穴中的一些石笋、石柱等发生了明显的拉断、破裂，证实是地震作用造成的坏。

此次汶川地震对广西巴马岩溶洞穴中的沉积物影响明显，并在某些洞穴沉积物上留下了近期地震的印痕。例如，在广西巴马县水晶宫旅游洞，地震发生后，在水晶宫内长寿门后的一根高约12 m、直径50 cm的石柱 （简称长寿柱）上，就留下了一道剪切破裂的印痕（照片1），裂痕宽0.5～1 cm，在裂痕的边部，局部有破碎石笋小碎块，大小为0.3 cm×0.7 cm、0.5 cm×1.5 cm。经洞穴工作人员证实，这一道破裂印痕确实为5月12日汶川发生8级地震后留下的痕迹 （在地震前的近两年的洞穴动态监测中，一直未见有这一道破裂），可与地震前摄于2007年8月4日的照片a进行对比。而在水晶宫的寿乡台附近有三根石柱 （高分别为约8～10 m和3～4 m，直径约1～1.5 m，照片2），石柱顶部的10～30 cm为钟乳石，在5.12汶川地震发生后，在这些巨型石柱与洞顶基岩连接处均被剪切拉断，拉开，裂缝宽1～3 cm不等，并有微小滑动，这一拉断、剪切破裂现象记录了现今地震活动。

此外，水晶宫洞穴内两个大厅的最低处的排泄水口附近，由钙华、粘土层构成的流石坝、流石池，在地震发生前，在低凹处的流石池或蓄水池中一年四季均有少量蓄水，但自地震发生后，由于构成流石坝 （池）的钙华、粘土层发生了微裂隙 （或缝隙），流石池或蓄水池中的池水，沿钙华层中的微裂隙 （缝）向下渗漏，现基本不能蓄水，即使在雨季，快速渗入洞穴的水流也快速向下层洞穴排泄。此外，在水晶宫洞穴的北端部沉积有5～10 m厚的较纯净的钙华堆积层，在钙华层中可见两条分别呈NWW或NNW向展布的破裂，破裂面宽10～15 cm，可见深大于200 cm，记录了地震活动。

照片1 5.12地震后石笋产生剪切破裂Photo 1 Shear fracture of stalagmite in Shiujingong cave of Bama after 5.12 earthquake

照片2 地震后广西巴马县水晶宫巨型石柱、钟乳石剪切破裂Photo 2 Shear fracture of stalagmite and stalactite after 5.12 earthquake

此外，在相距水晶宫洞穴不到500 m远的广西巴马县大山洞，则是另一种现象，屹立在钙华层上的5～6根巨型石柱 (高4～6 m，直径1～2 m，照片3)，分别相距50 m、100 m及200 m不等，石柱发育均匀、上下直径基本相当，且石柱基本上全由石笋主体组成，仅在顶部的5～20 cm为钟乳石沉积。在5.12汶川8级地震后，这些石柱与洞顶基岩连接处受到地震横波产生的剪应力而发生剪切破裂，破裂 (面)缝宽0.5～2 cm不等，并有微小滑动，在裂痕的边部，局部有破碎石笋小碎块，大小为0.3 cm×0.7 cm、0.5 cm×1.5 cm，这些剪切破裂或拉裂现象记录了现今地震活动。

照片3 巴马县大山洞内巨型石柱剪切破裂或拉裂的地震印迹Photo 3 Shear fracture of stalagmite after wenchuan earthquake

而与此同时，在相距1000 km的重庆武隆县芙蓉洞，汶川地震后，芙蓉洞工作人员证实，于下午16时左右又发生余震，由于横波造成的晃动，首先发生在石笋根部，尔后向上到达石笋上部或顶部，导致石笋顶部的水平振动或晃动时间比下部的滞后，由此引起石笋上下出现水平反向切变现象，从而导致重庆武隆芙蓉洞穴内后大厅内部一根高15 m，直径150 cm，具有重要观赏价值和科学价值的大型石笋被震断成5、6节 (段)，并将洞穴内的人行通道、护拦、路灯及电路 (或电线)等砸坏 (照片4)，导致旅游线路改道，给旅游安全带来潜在的隐患。

照片4 重庆武隆县芙蓉洞被汶川地震震断的大型石笋Photo 4 A large broken stalagmite a in Furong cave of Wulong,Chongqin after Wenchun earthquake

2.1.2地震导致石笋连根倒塌

研究表明，地震产生的横波造成的晃动不仅持续时间较长，波及距离远，影响范围大，而且横波涉及的是剪切运动，可使岩石颗粒的运动横过运移方向。所以，横波对地面建筑物的横向作用力也大，造成的危害必然较大，山体坍塌和建筑物倒塌基本上都是由于横波造成的。

据报道，汶川地震的震级高达MS8.0，这是20世纪40年代以来在中国发生的第二个级别地震，具极强的破坏性。汶川地震属于浅源地震，10～20多公里，持续时间较长，其横波、面波传播广而强[6]。由于地震横波涉及的剪切运动，所以，此次地震产生的横波对洞穴沉积物的破坏，除了前述对石笋、石柱、壁流石等发生剪切破裂、拉断、倒塌，洞顶的钟乳石发生下坠或脱落等之外，还会使石笋、石柱发生整体倒塌。例如，在广西巴马县的大山洞中，有些地段全部为粘土堆积，粘土层厚3～10 m不等，洞穴底板大部分没有被钙华层粘结，稳定性相对较差。因此，那些屹立在粘土层上的石笋 (5～6根，高80～150 cm)，也在汶川发生8级地震后，因洞穴底板的石笋生长的基底不牢 (其基底为粘土层)，由于地震横波造成的晃动，使石笋顶部的水平振动时间比下部的滞后,石笋上下出现水平反向切变现象，导致石笋像树木一样被连根拔起，很整齐地并列躺在地下，构成另一方景色，是地震后留下的另类印痕。经用罗盘定位，石笋倒卧的方向与主洞道方向大体一致，呈NE向展布，如照片所示，主洞道也是沿NE向的次级断裂发育，洞穴发育明显受构造控制方向。

2.2 洞穴沉积物揭示过去地震的证据

史前的地震事件，保存在地表的古地震遗迹或标志，由于受到长时期的改造、破坏，残缺不详，还有一些可以在挖掘考古的过程中得以恢复，那也是少之又少。

要解决发生在史前的地震事件,需要挖掘史前的地震信息、遗迹或标志，进行古地震研究，西南岩溶地区则是研究古地震的良好场地。

在广西地区，岩溶洞穴地质资源十分丰富，通常岩溶洞穴及洞穴沉积物受外界的干扰少，保存好，而且岩溶的地理覆盖面积广大。所以，利用岩溶洞穴沉积物保存的古地震遗迹或标志，重建或恢复古地震事件，确立古地震发生的时间及其环境，可为地震研究提供一个新的视角。

根据近10多年来，在广西地区开展洞穴探险、洞穴资源调研、古气候环境重建研究的期间，对几百个洞穴的调研表明，广西乐业蚂蜂洞、田边洞、黑洞和熊家洞、陵云纳灵洞、风山鸳鸯洞、巴马水晶宫、大山洞和百么洞及东兰县等地区的洞穴，均发现有由古地震形成的横向切断遗迹或现象。如在乐业蚂蜂洞内，有2根高约3～5 m，直径约150 cm的石柱,一根石柱与洞顶基岩连接处被拉断，拉开，裂缝宽20 cm (照片5 a)，另一根石柱在中部被横向剪切破裂，发生逆时针、斜向反扭位移，斜向错动50 cm (照片5b)。又如在大山洞内，有5根高约3～5 m，直径约70～130 cm的矮胖巨型石笋,沿石笋根部被横向切断 (照片6)、且根部平直，在这些被横向切断的倒卧石笋上，部分有后期形成的新石笋 (照片7-b)，新生长的石笋的分布方向与该巨型石笋倾倒 (或倒卧)方向一致，呈线状分布。在这些被横向切断的倒卧巨型石笋的周围，未见有洞顶下坠的岩块及钟乳石，说明造成巨型石笋的坍塌原因，不是洞顶下坠的岩块及钟乳石的下坠的碰撞造成的，这从侧面佐证了是古地震活动。

照片5 乐业蚂蜂洞内石柱拉断、拉裂和反扭剪切位移的地震印迹Photo 5 Earthquake imprint of pulling and broken stalagmite,shear fracture,displacement of stalagmite on middle in Mafeng cave of Leye,Guangxi

此外，在该洞穴内还有许多高1～4 m，直径约5～30 cm的细长石笋，沿石笋根部被横向切断或是连根倒塌的石笋更为普遍。因为这类细长的石笋的稳定性差，比巨型石笋的抗地震强度更差、更弱，一旦受到地震的影响后更易拆断。据洞内倒卧的石笋，发现相对矮小的石笋 (约100 cm以下)倒塌后不易拆断，而相对高石笋 (约150 cm以上)倒塌后易于拆断，这些倒塌的石笋有的断成2节的、也有的断成3～4节的，石笋越高，断的节数越多，但基本上都倒卧在原石笋的旁边。经对几根倒塌的高约100 cm的小石笋的顶部进行ICP-MS-230Th-铀系测年 (美国明尼苏达大学地质地球物理系同位素实验室测定)，获得石笋顶部的年龄约在距今9.7万年左右，据此，可推测导致高约100 cm的小石笋的倒塌时间，至少发生在距今9.7万年以后。

照片6 巴马县大山洞古地震形成的巨型石笋横断的遗迹Photo 6 Transect broken imprint of large stalagmites by old earthquake in Dashan cave of Bama,Guangxi

又如巴马水晶宫内洞穴沉积物保存的古地震的证据有，流石、石幔 (高6～10m不等)、石柱的拉断 (照片7)、洞顶钟乳石的下坠和石笋的横向切断倒塌等现象，其崩塌的石钟乳、石笋及碎石块等，并与后期洞穴流水、滴水中的碳酸钙胶结，构成混合堆积体。另在巴马水晶宫中部的河流粘土-砾石层上有两块巨型崩塌岩块 (高2.5 m，长4 m)，在崩塌岩块上沉积有5～6根高约30～130 cm的纯白色石笋，经对2根石笋的根部进行铀系测年，获得石笋根部的年龄约在距今4万年左右，据此，可推测导致巨型岩块崩塌的时间，至少发生在距今4万以前。再如乐业的田边洞、黑洞、熊家西洞及蚂蜂洞等洞穴均保存有由古地震引起流石、石笋或石柱的坍塌、拉断的遗迹，如田边洞及蚂蜂洞中石柱的拉断遗迹 (照片5a)，拉裂缝宽1～40 cm不等，裂缝之间均有后期滴水的碳酸钙粘结并愈合，对洞穴或石柱起到良好的稳定性作用。

照片7 巴马县水晶宫内的壁流石或石幔和石柱拉断(裂)的地震印迹Photo 7 Earthquake imprint of pulling fractured flowstone and curtain drapery on middle,pulling and broken column on top of column in Shuijinggong cave of Bama,Guangxi

此外，还有其它保存不完全的古地震的遗迹，如洞穴坍塌、堵塞、洞顶基岩坍塌及钟乳石下坠、洞穴内钙华-粘土层塌陷坑、地震沟或地震裂缝等遗迹,如地震破坏造成的洞顶基岩岩石块的崩塌物、石钟乳或石笋等坠落碎石块，并与后期洞穴滴水的沉积物-碳酸钙胶结，构成复杂的混合堆积体，或地震沟，地震裂缝又被后期充填物充填，呈现镶嵌结构等遗迹，这些遗迹由于受到后期的改造、破坏，与其它成因造成的坍塌不易区分，故不在此讨论。

2.3 洞穴沉积景观的改善与地震

碳酸盐岩是可溶性岩石之一，也是成洞的主要物质基础，同时，也是一类愈合或再生能力较强的岩石。

地震活动除了使碳酸盐岩、岩溶洞穴及洞穴沉积物发生破裂、坍塌等地质灾害或现象外，同时，可能引起岩溶洞穴上方及周缘碳酸岩盐岩石发生剪切破裂、裂隙，或导致早期存在的未沟通的、堵塞的岩石破裂、裂隙或微裂隙的连通性得到重新沟通、导致岩溶表层带下渗水的水路发生改道或扩大，促使进入洞穴下渗水的滴水补给量、滴速或滴率、Ca浓度的增加等，随着滴水中CaCO3的不断析出，可激发洞顶鹅管、石钟乳和石笋的生长，或增加钙华、壁流石等次生化学沉积物的形成，对洞穴景观起到改善或修复、稳定洞穴的作用。如果洞穴沉积物-石笋、石柱、壁流石及石幔等的破裂、拉断作用不是地震作用造成的，那么，这些地方必定发生过洞底下陷、或洞顶增有岩块或石钟乳下坠，在周围应可找出造成石笋、石柱、壁流石及石幔等的破裂、拉断等的证据，造成石笋、石柱折断的断口应是不平整或不规状等，而洞顶微裂隙的连通性也得不到沟通，岩溶表层带下渗水的水路未发生改道，不会发生重现性的石笋生长。

文中图3为地震形成的巨型石笋横断的遗迹示意图 (图3)，说明地震作用导致巨型石笋的坍塌，在巨型石笋坍塌前，巨型石笋己停止生长，但在地震作用造成巨型石笋坍塌后，地震作用引起岩溶下渗水的水路发生变化，使己停滴的洞穴滴水，重新开始下滴，故在倒塌巨型石笋上或根部重新形成新的石笋。如在巴马县水晶宫内的被拉断 (裂)的壁流石和石柱，被拉断 (裂)的壁流石的裂缝为后期流水、滴水析出的CaCO3重新粘结 (照片7)，而在新沉积物最丰富的洞穴中部，可见有多根早期形成的石柱受到地震横波产生的剪应力而发生剪切破裂，这些石柱的破裂不仅被后期洞穴流水、滴水析出的CaCO3重新粘结，而且还有大量的滴水在石柱周缘下滴，在洞底形成了大量的纯白色新石笋(照片8，9)，且石笋都具有类似的形状和大小，经对新石笋的根部进行铀系测年，获得几根新石笋根部的年龄约在7500年左右，具有较好的重现性，据此，可推测古地震导致石柱发生剪切破裂时间，至少发生在7500年以前。

再又如巴马县大山洞古地震作用产生的倒塌巨型石笋，在倒塌的巨型石笋上重新沉积了大量的具有类似的形状和大小的新石笋(照片7b)，与在水晶宫内的巨型坍塌岩块上新生长的纯白色小石笋的形成时期大体相当 (照片11，12)，经对新石笋的根部进行铀系测年，获得的年龄约在1450年左右。据此，可推测古地震导致巨型石笋的、巨型坍塌岩块坍塌时间，至少在1450年左右发生过地震。

此外，如乐业田边洞的石柱 (照片7)、巴马县水晶宫内的壁流石或石幔的剪切破裂 (照片9)，这些破裂均被后期的洞穴流水、滴水析出的CaCO3重新粘结，并形成新的CaCO3沉积物，故而可以通过对这些CaCO3的粘结物、新沉积物进行铀系测年，并可以推测出古地震导致石柱、石笋、壁流石或石幔等发生剪切破裂的时间，为恢复地震历史提供对比的佐证，填补地震丢失的历史痕迹。

图3 地震形成的巨型石笋横断的遗迹示意图Fig.3 Sketch map of transect broken imprint of a large stalagmite by old earthquake in Xinxiu cave of Pan county,Guizhou

照片8 地震导致石柱发生剪切破裂面Photo 8 Shear fracture of stalagmites after earthquake

照片10 坍塌巨石块上生长的石笋群Photo 10 Stalagmites growth on a large collapse rock black

照片9 后期沿破裂面渗出的滴(流)水形成的石笋Photo 9 Stalagmites formed by cave dripwater along sheared fracture of column after earthquake

照片11 坍塌巨石块上生长的小石笋Photo 11 Small stalagmites growth on a large collapse rock black

4 岩溶地貌与地震

广西的岩溶地貌包括：岩溶平原 (残山、孤峰平原)、峰林平原或峰林谷地、峰丛洼地或谷地等三大类，如桂林著名的峰林地貌、乐业的高峰丛洼地地貌。在广西西北地区由于地壳运动的大幅度抬升，造成岩溶向纵深发育，形成高峰丛、深切洼地或谷地或漏斗。

桂西北是区域活动断裂、地震活动的主要孕育、控制区。因此，在地质历史时期，地震主要沿区域性NW向的活动断裂带发生，地震活动将对岩溶地貌发生不同程度的破坏和改造作用，如地震后导致岩溶山体滑动、形成岩溶断裂谷、断崖、陷坑、塌陷漏斗等现象。如天峨县1983年发生5.0级地震,又如天峨县志记载，于清朝时期 (1862年，1875年)，在天峨县北约2 km处，沿区NNW或近SN向域性活动断裂发生了一次强地震，地震震中位于一个NNW或近SN向的岩溶塌陷带或塌陷槽谷中 (照片13)，带宽约300 m，且塌陷带中碳酸盐岩岩石破碎，而塌陷带的低凹处岩溶水丰富，有大量的岩溶泉出露，或地下河水出口。

照片12 天峨县北约2 km处NNW向断裂谷，清朝地震遗址Photo 12 Earthquake imprint occurred in Qing Dynasty

从乐业天坑群的分布空间、发育强度、形态特征及重现性等分析可知，乐业天坑或巨型漏斗的形成与古地震有关。从区内的断裂构造展布以及与地震震中分布关系可以看出，乐业的天坑分布区正好位于两条NW向活动断裂的地震带内，据记载，沿乐业-浪平的弧形活动断裂发生6.5级以下地震达5次，第四纪仍在活动[4]，如1876年乐业发生6级地震和1983年乐业马庄乡发生5.0级地震。在地质历史时期，乐业县的一些水平洞穴，如蚂蜂洞、白岩脚洞、田边洞、黑洞等洞穴，可见大量的坍塌的巨大基岩岩块、石笋、石柱和流石等的拉裂、倒塌遗迹，如蚂蜂洞内坍塌的巨大基岩岩块覆盖在晚第三纪的洞穴沉积或地下河沉积的粉砂质泥岩、砂砾岩、角砾岩层上[7、8]，同时伴生有石笋、石柱等的拉裂、倒塌等遗迹；而田边洞、黑洞等洞穴中残存有石笋、石柱和流石等的拉裂、倒塌等遗迹。上述这些现象，从侧面佐证了古地震作用对乐业岩溶洞穴及洞穴沉积物的发育、破坏和改造，洞穴沉积物残存的证据是古地震活动的遗迹。古地震作用不但对岩溶洞穴及洞穴沉积物发生破坏和改造，同时对巨型岩溶塌陷漏斗或天坑的坍塌、形成起着重要的推动作用。由此可见，古地震可能是触发乐业天坑群形成的潜在外部动力条件，是加速地表坍塌、下陷、天坑形成的重要因素。

5 结语

地震活动不仅导致岩溶洞穴及洞穴沉积物发生破裂、坍塌等地质灾害或现象，同时，地震也能引起岩溶表层带下渗水的水路发生变化，增大洞穴滴水，促进了石笋的生长。因此，岩溶洞穴及洞穴沉积物是保存新、老地震遗迹的最佳场所和材料，利用这些遗迹可重建地震历史，填补丢失和修正过去的地震信息，为研究新构造活动和地震活动历史提供一个新的研究思路。

（1）挖掘洞穴沉积物记录的史前地震遗迹或信息

广西西部岩溶区，在地质历史时期曾发生过多次重大的地震事件以及一系列弱地震活动，地震活动可能会导致岩溶洞穴及洞穴沉积物中保存或残留有许多的地震遗迹或证据，同时，在某些古地震遗迹上有后期生长的石笋，经对石笋根部进行铀系测年，其年代分别为距今4万年、0.75万年和0.145万年等三个地震发生时期；另据张继淹［4］在地震活动的断裂带中方解石脉的а谱铀系定年，获得测年值为6～20万年以及倒塌小石笋顶部的约距今9.7万年 (ICP-MS-230Th定年)，说明巴马-博白北西向活动性断裂产生的古构造地震从20万年以来至少发生过4次或5次中强地震。因此，利用洞穴次生化学沉积物-石笋、石柱、壁流石及石幔等保存的遗迹，可以揭示史前的地震信息，通过利用铀系测定，确定在倒卧石笋上生长的后期石笋年代或拉断石笋裂缝中充填的CaCO3粘结物的年代，可以大致推断古地震的发震时期以及当时的古气候环境。

（2）现今洞穴沉积物记录的地震的证据

2008年5.12 汶川MS8.0地震，是自新中国建国以来影响范围最大的一次地震，其破坏性极其严重。这次地震，对广西西部地区的洞穴、洞穴沉积物的破坏的程度不尽相同，其产生的破坏形迹，主要有石笋、石柱、壁流石等发生剪切破裂、拉断、倒塌；洞穴底板的钙华层、钙华-粘土层由于受震动而发生微破裂，局部洞道的粘土层发生下陷、坍塌等。这些洞穴沉积物中保存的由现代地震活动产生的破坏证据，为推演历史时期地震发生的强度，提供了对比的佐证，可填补古地震丢失的历史痕迹。

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Preliminary Study on Earthquake Records and Cave and Speleothems of Karst,Guangxi

ZHANG Meiliang,ZHU Xiaoyan,YANG Heping,LI Tao,FAN Luzhou

(Karst Dynamics Laboratory,Institute of Karst Geology,CAGS,Guilin 541004,China)

Guangxi is a large province of karst in southwestern China.The karst areas are up to 42 percent of the total areas of Guangxi.Karst caves develop very well with at least 60 000 caves.Landscape resources in caves are very rich,which are a mass of wealth for traveling in Guangxi.The sediments in the cave are not only the valuable for tourism development,but also contains rich information of pale climate,pale environment and the earthquake.Thus,it is a good material to study earthquakes in history.The earthquake activity not only lead to the geologic hazard or phenomenon of fracture and collapse of caves and speleothem,but also lead to change or enlarge of the waterway of percolation water in epikarst zone.This can impels supplementation of cave dripping water to increase and excite the growth of stalagmites or deposit of speleothem.This paper will recover the earthquake information according to the new and old earthquake historical remains of cave and speleothem.We hope that our studies can help people to study new active fractures or faults and reconstructing the earthquake history,and can provide a new perspective to the future earthquake monitoring and forecasting.

Speleothem;Collapse;Fracture;Earthquake history;Guangxi

P315.780.1

A

1001-8662（2011）02-0123-15

2011-01-07

张美良，男，1956年生，研究员.主要从事岩溶环境与全球变化研究.E-mail:mlzh@163.com.