地球上的环形山——析城山岩溶洼地成因分析

刘 刚，李述靖，曹文玉，黄相成

(1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083;2.中国地质大学(北京)，北京 100083;3.沈阳市勘察测绘研究院，沈阳 110004)

地球上的环形山
——析城山岩溶洼地成因分析

刘 刚1，李述靖2，曹文玉1，黄相成3

(1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083;2.中国地质大学(北京)，北京 100083;3.沈阳市勘察测绘研究院，沈阳 110004)

为了探讨析城山岩溶洼地的成因，利用遥感技术对其中的岩溶漏斗进行了解译分析，同时计算了岩溶漏斗的面积占析城山岩溶洼地总面积的比例。通过对岩溶形成条件和岩溶地貌发育状况的分析，认为该洼地发育在干燥的华北地区是一个特例;通过与周边地区的岩溶发育条件及发育状况的对比以及植被异常的存在，认为该岩溶洼地可能是在陨石冲击的基础上形成的;根据洼地及其周围溶洞与区域夷平面的海拔高度的对比，推断该洼地的形成时间可能为古近纪末期。

遥感;王屋山;析城山岩溶洼地;岩溶成因;陨石冲击

0 引言

王屋山位于山西省与河南省交界处，地形巍峨挺拔、山清水秀，其西接中条，东挽太行，南邻秦岭，具有一系列代表该地区地质历史和地质作用的地质遗迹，因而其南坡部分地区在2006年9月18日被联合国教科文组织评为王屋山世界地质公园。笔者在1990年利用TM遥感图像对中条山和王屋山的部分地区进行铜矿地质调查时，在地质公园北侧王屋山的主脊部位，发现一个面积相当大的洼地(约7.59 km2，称之为析城山洼地，下同)。在该地海拔近2000 m，且在地形陡峭的山脊上，存在如此大面积的洼地显然不合乎洼地形成的自然规律。2010年笔者再次使用1∶6万的彩色红外航空像片和高分辨率的中巴地球资源卫星02B星(CBERS－02B)的CCD全色图像对洼地进行了遥感解译，并对解译成果进行了初步野外调查，认为该洼地是一个成因有待于深入研究的大型封闭岩溶洼地，具有重要的科研、科普和旅游价值。

1 析城山洼地概况

析城山洼地位于山西省阳城县西南约24 km处，洼地呈长轴近南北向的椭圆形，中心低、四周高，长轴长3500 m，短轴长3000 m，周长12015 m，洼地面积约7.59 km2(洼地周边分水岭内的面积)。图1为析城山洼地附近三维立体 ETM 3(R)、2(G)、1(B)假彩色合成图像。

图1 析城山洼地三维立体ETM图像Fig.1 Three－dimensional ETM image of Xichengshan depression

从图1可以看出，析城山洼地呈土黄色，洼地内部地形相对平缓，外缘周边地形陡峻，悬崖峭壁众多，尤其是洼地的西侧和北侧，其地貌形态与长白山天池的破火山口形态非常相似。由于洼地四周山峦如城墙般环绕，且有自然形成的4个缺口，就像东南西北4座城门，故名析城山。洼地四周的山体一般在海拔1800 m左右(析城山海拔1889.5 m)，构成局部地区的分水岭。洼地最低处有一个小型湖泊(位于洼地北半部，当地人称娘娘池，经调查证实是一个积水的大型岩溶漏斗)，面积近8000 m2，水面海拔约1675 m，与山体的最高点相差214 m。

析域山洼地彩色红外航空像片(图2)显示:洼地内存在着大小不一、星罗棋布的岩溶漏斗。当地民曰:析城山上有72个“小铁锅”，124个“鬼推磨”，360个“独龙窝”。漏斗直径大部分在30～60 m，深10～30 m左右，最大岩溶漏斗直径为210 m，小岩溶漏斗直径10 m左右。岩溶漏斗内一般有粘土充填，部分发育草本植被。在TM图像上，岩溶洼地本身也非常像一个环形山。

图2 析城山洼地彩色红外航空像片(左上为局部漏斗放大图像)Fig.2 Infrared aerophoto of Xichengshan depression(Up left:magnified part image)

洼地内分布有多种岩溶景观，地表除发育岩溶漏斗外，还有溶芽、溶沟、小的孤峰和残丘，地下则分布有数量众多的落水洞、溶洞和地下暗河，黑龙洞是洼地内已知的最大石灰岩溶洞。

洼地内分布的岩层为厚500 m左右的奥陶系马家沟组的灰岩，岩层走向北西(NW)，向北东缓倾，倾角5～17°。区域断裂以北西西(NWW)走向为主，其他走向的断裂无论在规模，还是数量上都不及NWW向断裂。在洼地四周还有放射状的小断裂分布。

在娘娘池的东、西、南3面皆分布有一些文化遗迹，其西侧有宋金以前的旧汤王庙遗址，东侧残存的汤王庙为明清以后所建，南侧有道士墓群遗址，另在析城山东、西、南3座门位置据传还有山神庙遗址。

2 岩溶作用形成条件及岩溶地貌分布规律

可溶性岩石是岩溶作用发生的基本条件。碳酸盐类岩石(石灰岩、白云岩、泥灰岩等)是最常见的可溶性岩石，其岩溶作用的反应式为

这是一个可逆反应(式中，H2CO3由水中的CO2和水分子反应生成)，正反应(岩溶作用)的速度取决于水中CO2的浓度，逆反应的速度取决于水中钙离子Ca2+的浓度。水中CO2的浓度越高，其溶蚀力就越大，水中Ca2+离子的浓度越高，其溶蚀力越小。

水在静止状态下，随着水中CO2的不断消耗和钙离子Ca2+浓度的不断增高，溶蚀作用就会逐渐停止，不可能对岩石进行持续性的溶解，只有不断补充新的含有CO2的水流，才能使岩溶作用快速持久地进行下去。地下水的流动性取决于降水量、水位差和透水条件。降水量和地下水循环系统的水位差越大，岩石中的裂隙越多，水的流动性就越大，所以岩溶作用一般伴随地壳的持续抬升而速度加快。另外，温度越高，溶蚀作用越强。

由化学溶蚀或者机械顶蚀作用形成的封闭型岩溶洼地，一般受地质环境条件的制约，典型的峰丛岩溶洼地是在碳酸盐岩岩层厚度大(200～300 m以上)且质地较纯、附近的地表河谷(排水基面)深切、含水层包气带厚度大(100～300 m以上)和潮湿多雨的气候环境等条件下发育而成的［1］。所以岩溶地貌在多雨湿润、新构造运动上升强烈的南方地区非常发育，而在北方干旱地区，由于降水量小、温度低，岩溶作用非常微弱。中国峰丛岩溶洼地面积大约140000～160000 km2，主要分布在滇东南—桂西北—黔南、黔北—川南—渝东南和重庆长江三峡两岸—湘鄂西等亚热带地区［2］。

在岩溶作用强烈的热带－亚热带地区的岩溶地貌景观中，岩溶漏斗是地表一种十分普遍的微地貌形态。在平面上，岩溶漏斗通常为椭圆、次圆及多边形，直径几十至几百米，深度几米至几十米。无论何种类型的岩溶漏斗，其发生与形成都与其底部可溶性岩层中的裂隙或洞穴的存在有极为密切的联系。

岩溶洼地是岩溶区发育的一种封闭状负地形，规模一般在数十km2，一般认为，岩溶洼地由岩溶漏斗逐渐溶蚀扩大，或由相邻的溶蚀漏斗合并而成［3］。岩溶洼地底部除了有落水洞外，也可有小河小溪，溪水一般没于落水洞中。岩溶漏斗和岩溶洼地一般受构造控制，常沿构造带呈串珠状发育。

3 析城山洼地成因探讨

3.1 洼地发育的特殊性分析

根据岩溶地貌的形成条件及其在中国境内的发育程度和分布范围分析，析城山洼地出现在华北地区是一个特例，其成因值得探讨。华北地区虽然分布大面积的可溶性碳酸盐岩，也不缺乏岩溶地貌发育所需的构造裂隙和地壳持续抬升、河谷深切等条件，但由于该地地处温带亚湿润—亚干旱地区，气温较低、雨量并不丰沛，虽有不少溶洞，而第四纪岩溶地貌则不很发育，地表仅偶见零星分布的溶沟、石芽、岩溶漏斗和干谷等，岩溶洼地十分罕见，到目前为止，也没有在裸露的岩溶洼地中出现成群岩溶漏斗的相关报道。王屋山属于温带大陆性高山气候，年平均气温低于10℃，气候较干旱，年降雨量700～800 mm，年平均水面蒸发量700 mm，陆地蒸发量675 mm，并不具有发育典型岩溶地貌的条件。但据笔者利用MapGIS软件对彩色红外航空像片进行解译分析(图3)，结果表明，在总面积7.5853 km2的洼地内，可识别的孤立岩溶漏斗就有309个，累计面积0.3339 km2，因漏斗过于密集而无法逐一单独统计的岩溶漏斗群有27个，累计面积1.4 km2，二者合计达 1.7339 km2，占岩溶洼地总面积的22.86%，其中尚不包括因解译标志不明显或面积太小而没有统计在内的岩溶漏斗，实际的岩溶漏斗面积肯定要大于统计数字。岩溶漏斗数量如此之大、密度如此之高的岩溶洼地在华北地区实属罕见，应该是在特殊条件下才能形成的。

图3 析城山岩溶漏斗航空像片解译图Fig.3 Interpreted map of aerophoto for doline in Xichengshan

3.2 漏斗分布状况分析

遥感影像解译成果显示，本区以NWW走向的断裂为主，规模大、数量多，在洼地南缘就发育有与封门口断裂平行的NWW向桑林—古垛地断裂束，洼地周边还发育有少量近南北(SN)和北东(NE)走向的小型断裂(图4)。

图4 析城山一带遥感地质解译图Fig.4 Geological map of remote sensing interpretation in Xichengshan area

通常情况下，岩溶漏斗发育受断裂、节理等裂隙的控制，岩溶漏斗底部常发育有垂直裂隙或溶蚀的孔道，孔道与暗河相通，由于暗河也受断裂构造控制，因此岩溶漏斗在区域上一般呈串珠状、棋盘格状等规律性分布。根据胡斌等人的研究［4］，济源一带的溶洞受NWW走向的断裂控制。但笔者根据彩色红外航片的解释分析发现，析城山洼地中岩溶漏斗的分布不具有NWW向优选方位，与区域构造没有明显的相关关系。大部分岩溶漏斗近于面状分布，本区岩溶漏斗密集成群，表明基岩碎裂程度很高，而且以娘娘池为中心向西南、正南、东南、东北以及北北西方向，略有放射性分布的态势，说明洼地内部基岩破碎，存在一个与周边地区不同的、近放射状分布的裂隙系统，它们控制着洼地岩溶作用的发育，使众多漏斗与地下连通。

3.3 与周边区域岩溶发育条件对比

析城山洼地与其周边地区虽然在岩性、区域构造、气候和地貌条件方面均十分相似，但只有析城山发育了岩溶洼地和成群分布的岩溶漏斗，其他地区仅有零星分布的地下溶洞，没有形成明显的地表岩溶地貌。

析城山洼地与其周边地区均分布大量的可溶性碳酸盐岩。析城山洼地发育在奥陶系马家沟组的灰岩中，而在该洼地以北地区尚有大面积马家沟组灰岩、泥灰岩、白云岩等出露，厚度在500 m左右，仅发育零星的溶洞;洼地东侧以位于马家沟组下部，厚数百米的三山子组白云岩为主，部分地段有马家沟组灰岩出露;洼地南侧及东南侧发育早中寒武纪的碳酸盐岩，厚达480～570 m(图4)，并在济源一带发育有溶洞［4］。该洼地北、东、南3个方向均有非常厚的碳酸盐岩存在，不少地区已经发现了一定数量的地下溶洞，但地表都没有形成岩溶洼地。

由式(1)可知，岩溶作用是一个可逆过程，含有CO2的水体的流动性对岩溶作用的发育速度及发育程度关系重大。除降雨量外，水体的流动性主要受水位差和岩石的透水性制约，这两个因素一般与区域地貌和断裂有关。遥感图像(图1、图5)显示，析城山洼地及其周边地区均处于中高山地貌区，海拔高度较高、地形陡峻、河流切割强烈，具有溶蚀作用所需的地貌条件;析城山洼地及其周边地区属于同一个地质单元，区域构造环境相似，在区域构造上没有特殊性，惟独在岩石破碎程度和裂隙系统等局部构造条件上存在显著差异;析城山洼地及其周边地区同属于温带大陆性高山气候，年平均气温、降雨量、蒸发量等气候因素差别不大。根据上述岩溶发育条件的分析对比，析城山岩溶洼地的发育似乎与其局部的构造条件有关。

图5 析城山岩溶洼地ETM融合图像Fig.5 ETM fuse image of Xichengshan karst depression

3.4 析城山洼地影像异常

在ETM遥感图像上(图5)，析城山洼地的色调、影纹及裂隙系统与周边地区迥然不同，犹如大地的一块疮疤。洼地呈亮丽的橘红色调;内部具有放射状影纹，周边(特别是东南两个方向)具有环形影像;内部裂隙系统复杂，局部岩石破碎程度很高。另外，析城山洼地与周边地区的显著区别之一是植被类型及密度的异常。遥感影像显示:洼地外围树木郁郁葱葱、非常密集，以高大乔木为主(乔木所占比例达90%以上)的植被覆盖率在70%以上;但洼地内部仅在西部边缘有极少量的乔木分布，乔木所占比例不足5%，其他植被皆为草本植物，植被覆盖率不到40%。洼地内外植被的类型及密度也存在着巨大的反差。由于洼地地处海拔1800 m左右的山顶，且是封闭的，其四周多悬崖峭壁，交通十分不便，因此洼地内部没有常住居民，仅有极少数牧民在夏季来此放牧，不存在大量砍伐树木的情况，树木如此稀少令人费解。

洼地南缘NWW走向的桑林—古垛地断裂束(图4下部数条断裂)与王屋山南麓的封门口断裂平行，二者南北相距15 km，同为南倾的正断层，且形成时间相近。桑林—古垛地断裂束在析城山洼地南部的东西两侧形成了线状分布的沟谷，在TM图像上的解译标志明显，但在接近析城山洼地部位时，该断裂束发生中断且有向南偏转现象，似有被洼地阻断之势。另外，在析城山洼地周边发育有数条规模不大的放射状断裂，析城山洼地与之构成的几何样式与具有放射状断裂的近代火山机构特征非常相似。

3.5 析城山洼地成因分析

笔者认为，应该是影响范围非常有限的某一个偶然地质事件，为岩溶作用发生提供了特殊条件，才促成了析城山洼地的形成。由于洼地形成后，本地再也没有类似的地质事件发生，因此也就没有新的或同时期的其他岩溶洼地出现。

虽然降雨量和温度等气候条件是影响岩溶发育的主要因素，但本地区具备岩溶发生的其他基本条件，其中影响范围有限的地质事件改变区域气候的可能性不大，所以唯一能够强烈影响岩溶发育的就是局部的构造条件，该构造条件能够弥补或部分弥补气候条件的不足。因此笔者大胆推测，析城山洼地可能是在陨石冲击的基础上发育起来的。强烈的冲击作用使该地局部地质结构发生了重大变化，受冲击部位的石灰岩发生了强烈的破碎，并在地下一定深度内产生了大量面状立体分布的网状裂隙，进而大大加强了岩石的透水性，弥补了降雨量少的不足，从而为岩溶作用提供了优越的构造条件。冲击作用发生以后，地下水在冲击坑内沿密集的裂隙系统对结构已经受到破坏的松散岩石进行快速的溶蚀，形成了面状分布的大量岩溶漏斗，溶蚀过程中，岩溶漏斗不断合并、塌陷，对冲击坑进行持续的溶蚀改造，最终形成了现今的岩溶洼地。冲击作用可能破坏了桑林—古垛地断裂束，使其发生中断。陨石冲击导致的高温和外来物质，使当地土壤发生变异，破坏了树木的生存环境，进而造成了植被分布异常，同时在洼地周围产生了类似火山机构的放射状断裂。没有受到冲击作用波及的外围地区，由于石灰岩孔隙度甚低，地下水循环困难，因此仅在条件适合的区域性断裂破碎带上发育了一些地下溶洞，没有发育面状的地表岩溶地貌。当然，这只是笔者提出的一个假说，是否与事实相符尚需要进行大量的验证，其关键是获得陨石冲击的直接证据。

4 析城山洼地形成时间

虽然析城山洼地发育于奥陶系马家沟组灰岩中，但其形成时间为奥陶纪的可能性不大。因为奥陶纪至今经历了数次大的构造运动，造山及夷平作用强烈，以前的古岩溶地貌或被压实充填、或被剥蚀破坏殆尽，很难保存至今［5］。在其他条件具备的情况下，岩溶地貌的发育一般与地壳的持续抬升密切相关，溶洞通常成层出现，同一时期形成的溶洞与该时期发育的夷平面基本处在同一海拔高度上。现有研究成果表明［4－10］，本区地壳在第四纪经过了数次强烈的隆升作用，形成了数个夷平面，现代地貌形成于第四纪。胡斌等经过对济源水洪池村一带的溶洞沉积物和溶洞呈层状分布等现象的研究，认为王屋山地区的溶洞发育与第四纪区域构造隆升相对应，即溶洞出露高程与地文期夷平面一致，推断溶洞最早发育时期为上新世唐县期，主要发育时期可能在早更新世汾河期［4］。济源水洪池村一带溶洞的高程一般在750～850 m左右，少量高程在1050～1150 m。析城山洼地一带已知大的溶洞是游洞和黑龙洞，位于洼地内部的黑龙洞，其海拔标高为1680 m，位于洼地西侧外围的游洞，其海拔标高为1670 m，二者的海拔高度与洼地内最大的岩溶漏斗——娘娘池的水面相当，均远高于济源水洪池村一带溶洞的高程。析城山洼地与其东南方向的水洪池村均位于王屋山地区，二者水平距离30 km左右，根据遥感图像和已有地质资料分析，二者之间没有发现非常大的断裂。王屋山地区局部新生代的构造运动的特点是以垂直升降为主，山系周边以断隆(陷)为主，王屋山山系内部以由西往东的掀斜运动为主［9］，假如析城山洼地一带的溶洞与济源水洪池村一带溶洞的高程差仅仅是由于掀斜运动所致，那么根据胡斌等人的观点，析城山洼地的形成时间应为上新世唐县期或早更新世;如果二者的高程差并不单纯是掀斜运动所致，那么析城山洼地一带的岩溶地貌形成时间应该早于唐县期，很可能为古近纪末太行期。由于两地相距仅30 km左右，掀斜运动在如此短的距离内难以形成500 m的高差，显然二者的高程差并不单纯是掀斜运动所致，那么析城山洼地的岩溶地貌形成时间应该早于唐县期。现有区域构造资料表明，近代太行山的持续隆升与西侧汾渭拉分盆地的发展及东边华北平原的伸展沉降同步，始于古近纪末的太行运动。因此笔者认为，析城山洼地的形成时间很可能是古近纪末的太行期。

5 结论

析城山洼地是华北地区罕见的岩溶洼地，也是目前所知的海拔最高的岩溶洼地，堪称华北“第一坑”，其具体成因尚未进行过深入的研究。由于王屋山是连接太行山和中条山的纽带，析城山洼地的成因探讨对于研究太行山和中条山脉隆升等地史事件和区域古环境、古气候具有重要的价值。笔者虽提出了不成熟的“陨石冲击成因”说，但其是否成立还有待进一步的地面调查研究验证。

析城山洼地中的岩溶漏斗密集，在华北地区难得一见，具有一定的科普教育和旅游开发价值。王屋山世界地质公园位于析城山洼地的南面，实际上，其山水之灵气部分来源于高屋建瓴的析城山洼地。漫天而降的天水经洼地中密集分布的岩溶漏斗涓涓下泄，沿地下暗河流入地质公园，形成常流不断的叮咚泉水，泉水汇集成溪流奔向滚滚黄河。所以，没有析城山洼地的世界地质公园是不完美的，就像舞龙在云天却见不到龙头。故笔者提议，王屋山世界地质公园范围应该北扩，把公园所缺少的上游岩溶地貌纳入景区，给公园开“天目”，方能达到“问渠哪得清如许，为有源头活水来”的境地。

［1］朱学稳，陈伟海.中国的喀斯特天坑［J］.中国岩溶，2006，25(B08):7－24.

［2］覃厚仁，朱德浩.中国南方热带、亚热带岩溶地貌分类方案［J］.中国岩溶，1984(2):67 －73.

［3］谢宇平，邓金宪，刘兴诗，等.第四纪地质与地貌［M］.北京:地质出版社，1994:23 －25.

［4］胡 斌，尹国勋，齐永安，等.济源王屋山风景名胜区岩溶发育概况暨旅游开发前景［J］.河南地质，2000，18(4):262 －270.

［5］李定龙，周治安，王才会，等.古华北地区奥陶系灰岩岩溶研究的几点思考［J］.世界地质，1997，16(1):60 －65.

［6］张木辰，张明礼，李久飞，等.试论王屋山世界地质公园地质构造成因及景观科学价值［J］.河南理工大学学报:自然科学版，2009，28(6):731 －736.

［7］徐 杰，高战武，孙建宝，等.区域伸展体制下盆－山构造耦合关系的探讨——以渤海湾盆地和太行山为例［J］.地质学报，2001，75(2):165 －174.

［8］马寅生，赵 逊，赵希涛，等.太行山南缘新生代的隆升与断陷过程［J］.地球学报，2007，28(3):219 －233.

［9］王风云，张忠慧.中国云台山世界地质公园的新构造运动特征［J］.化工矿产地质，2005，27(1):15 －20.

［10］张忠慧，王公洲，王风云.河南关山地质公园古崩塌地貌旅游资源开发［J］.化工矿产地质，2006，28(1):33 －39.

Ring Mountains in the Earth:an Approach to the Origin of Xichengshan Karst Depression

LIU Gang1，LI Shu－jing2，CAO Wen－yu1，HUANG Xiang－cheng3
(1.China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources，Beijing 100083，China;2.China University of Geosciences，Beijing 100083，China;3.Shenyang Geotechnical Investigation＆ Surveying Research Znstitute，Shenyang 110004，China)

The area ratio of doline to Xichengshan karst depression was calculated through remote sensing interpretation to investigate the origin of Xichengshan karst depression.It was unusual that the karst depression was formed in dry climate in northern China which was not suitable for karst formation.It is considered that the karst depression might have been formed on the basis of aerolite striking，as evidenced by the comparison of karstforming conditions，status quo and vegetation in this area with those in other areas.the karst depression might have been formed in late Paleogene period，as shown by the comparative study of altitude of the karst caves and regional planation surface.

Remote sensing;Wangwu mountain;Xichengshan karst depression;Origin of karst;Aerolite striking

TP 79;P 931

A

1001－070X(2011)04－0126－06

2011－01－05;

2011－10－28

刘 刚(1963－)，男，高级工程师，主要从事遥感技术的地质应用研究。

(责任编辑:李 瑜)