陕西汉中天坑群岩溶地质遗迹形成探微

洪增林， 任娟刚， 张远海

(1.陕西省地质调查院，陕西 西安 710065；2.汉中天坑群国际研究基地，陕西 汉中 723100；3.西北工业大学 自动化学院，陕西 西安 710072；4.中国地质科学院 岩溶地质研究所，广西 桂林 541004)

2017年6月，任娟刚等[1]在开展岩溶地质遗迹调查工作时，发现了由二叠系、三叠系碳酸盐岩和一系列断层、褶皱，以及断崖、峡谷、石芽、石林、岩溶湖泊、峰丛、洼地、竖井、天坑、溶洞、地下河、岩溶泉等岩溶地质遗迹组成的陕西省汉中天坑群，其地质遗迹分布面积达1400 km2。

笔者通过检索、分析有关文献发现，在汉中天坑群发现之前，仅马守林[2]、齐矗华等[3]对西乡骆家坝、南郑区小南海一带的部分岩溶地质遗迹进行了初步研究。近年来，随着汉中天坑群的发现和报道[4-5]，众多学者通过不同的视角，对汉中天坑群的价值、资源潜力、发育演化、形成条件以及天坑定义的解读等方面进行了研究，认为汉中天坑群具有岩溶地质遗迹资源的典型性、完整性、稀有性等特征，不但填补了全球这一纬度岩溶地质研究的空白，对全球岩溶地质对比也有重要的科学意义[6-13]。但汉中天坑群的研究还处于初步研究阶段，其学术地位与价值体现相差较远，尤其是汉中天坑群的分布及类型特征还没有精确提炼，对于其形成演化方面的研究较为欠缺。因此，笔者对汉中天坑群地质遗迹进行系统梳理，分析和总结其特征及形成演化，对于后期汉中天坑群的保护与管理提供参考。

1 研究区概况

1.1 地理背景

研究区位于陕西省汉中市汉江南岸、米仓山北麓，范围在105°30′—108°11′E，32°33′—33°13′N之间(图1)。研究区地势北陡南缓，东部山势南北走向，其余山势东西走向，海拔大多位于1500～2000 m之间(最高海拔2534 m)[14]，属亚高山、中山区。气候具明显季风气候特点，年降雨量超过900 mm[15]。

1-第四系，2-古近系，3-侏罗系，4-三叠系，5-二叠-三叠系，6-二叠系，7-泥盆-石炭系，8-志留系，9-下寒武统-志留系，10-下寒武统-中志留统，11-震旦-志留系，12-灯影组，13-南华-三叠系，14-南华-志留系，15-中元古界-新元古界，16-汉南杂岩，17-二长花岗岩，18-断层，19-岩溶台原区，20-岩溶地质遗迹点。

1.2 地质背景

研究区大地构造位置属华南板块-扬子陆块北缘[16]，发育多期次、多类型断裂、褶皱构造[17]。中、西部地区主构造线方向呈北东-南西向，断裂多浅表层次脆性逆断层，褶皱多宽缓背、向斜。东部地区主构造线则呈近南北向，断裂多逆冲和走滑剪切断层，褶皱多相对紧闭的背斜褶皱和宽缓的向斜褶皱。地层从太古界至第四系均有分布[18]，古生界二叠系、三叠系是岩溶地质遗迹主要发育地层，岩性为微晶灰岩、生物碎屑灰岩、白云质灰岩，厚度400～700 m，震旦系、寒武系、奥陶系地层中或多或少夹杂有较纯的碳酸盐岩，也有部分岩溶地质遗迹发育。区内地下水主要赋存于震旦系-三叠系地层中，含水层岩性为各种灰岩、白云岩夹碎屑岩，大气降水多通过浅表网格状裂隙，呈树枝状入渗汇流，进入地下河系统，几乎无地表流水。

2 岩溶地质遗迹类型及分布特征

据《地质遗迹调查规范(DZ/T 0303—2017)》，地质遗迹是在漫长地质历史演化时期，由于各种内外地质作用形成、发展并遗存下来的，包括基础地质、地貌景观以及地质灾害在内的地质现象和行迹。研究区地质遗迹则以地貌景观类中的岩溶地貌为主，包括断崖、峡谷、石芽、石林、岩溶湖泊、峰丛、洼地、竖井、天坑等地表岩溶以及溶洞、地下河、岩溶泉等地下岩溶形态(表1)。研究区由于断裂构造的发育和控制，形成了多个周边有断崖环绕、内部分布有一系列较缓峰从洼地的水文地质单元，为岩溶台原区。研究区数量庞大的地质遗迹就分布于宁强禅家岩、南郑小南海、西乡骆家坝以及镇巴三元镇等4个岩溶台原区。

3 岩溶地质遗迹组合特征

地质遗迹组合是指在成因上有联系的地质遗迹，呈一定的地貌形态组合形式出现，如天坑与竖井、断崖与峡谷、峰丛与洼地、石芽与石林、溶洞与地下河等组合形式。通过组合特征分析，从地表岩溶形态来研究地下岩溶发育情况，从而了解各个岩溶发育阶段的特征[19]。

表1 研究区岩溶地质遗迹类型及区域分布特征

3.1 天坑与竖井组合

天坑是指在碳酸盐岩地区形成的、口径和深度不小于百米、容积上百万立方米、四周或大部分周壁陡崖环绕，且与或曾与地下河溶洞相通的特大型漏斗[20]。研究区共发现有崩塌、冲蚀及复合型3种类型的天坑54个(表2)，几乎切割了所有地貌形态，绝大部分的天坑四周绝壁围绕，形成一个巨大且神秘的负地形，底部是一片人类鲜有涉足、罕见的原始森林，生境系统良好[1]。

表2 研究区天坑实体与典型天坑特征

图2 地洞河天坑坑壁跌水 图3 伯牛天坑俯瞰图 图4 暗河天坑俯瞰图

坚井在形态及其成因上都与天坑无异，只是口径及深度规模均小于100 m。例如，南郑小南海岩溶台原区的天星岩竖井，口部形态呈近正圆状(图6)，最大口径50 m，周壁陡崖环绕，底部有地下河发育(图7)，满足天坑定义除规模外其它标准。

图5 圈子崖天坑俯瞰图 图6 天星岩竖井俯视图 图7 天星岩竖井底部地下河

3.2 断崖与峡谷组合

断崖指岩溶台原边缘由陡崖所组成的线状地貌。研究区内有南郑龙头山断崖、宁强九台山断崖以及西乡佛头山断崖3处，其中龙头山断崖位于南郑小南海岩溶台原南西侧，长约3.6 km，延伸走向约为130°，海拔1963～2141 m，垂直高差最大310 m，宏大雄伟，保存程度完好(图8)。

研究区峡谷多达13条，以宁强的溪流河峡谷和南郑的回龙沟地缝式峡谷最为典型。溪流河峡谷呈“Y”字型，全长约31.8 km，总体走向70°，宽约50～120 m，高约100～300 m，大部分为深“V”形，局部为深“U”形(图9)，峡谷中有溶洞、石芽、石林等岩溶地貌相伴。回龙沟地缝式峡谷由季节性流水顺断裂冲蚀而成，全长约3.45 km，近南北向分布，谷底宽约3～20 m，两壁高约为130 m，两壁陡峭(图10)。

图9 溪流河峡谷 图10 回龙沟地缝式峡谷

3.3 峰丛与洼地组合

研究区峰丛与洼地多分布在岩溶台原区低洼部位，呈波状起伏，峰丛与洼地相间的地貌景观。一般峰丛相对高度多在100～300 m，坡面平缓，坡度20°～30°，丘峰比高约为1∶3，多为圆锥状。研究区内典型峰丛有南郑回军坝峰丛(图11)和金华寺峰丛(图12)，以及镇巴双河村峰丛、西乡大河峰丛和大河坝峰丛，峰丛区常有溶洞、天坑、石芽等岩溶地质遗迹发育。

洼地多呈封闭或半封闭状，四周多为峰丛包围，底部平坦，砂泥土覆盖较厚，土壤完全生草化，植被茂密。若洼地底部的裂隙被淤泥堵塞,就会积水成湖，成为岩溶湖泊，如镇巴的星月湖，湖面呈近椭圆形，南北长259 m，东西长108 m，深度大于15 m，是因淤泥堵塞大气降水入渗通道，日积月累，积水成湖，景色秀丽，具有较高的景观价值(图13)。

图11 回军坝峰丛 图12 金华寺峰丛 图13 岩溶湖泊-星月湖

3.4 石芽与石林组合

研究区石芽多分布于洼地和峰丛边坡，一般高度在1～3 m，多呈塔状、城堡状，成片分布构成石芽群。总体受垂直节理控制，顶部较平，两侧切割为陡壁。尤以宁强县草川子石芽最为壮观，面积约120 000 m2，高度多在1～5 m(图14)。

石林以镇巴县三元镇巴山林罗城规模最大，面积约为2.5 km2，石柱多呈刃脊状，高度在20～30 m，窄处仅容一人通行，平均距离在10～30 m(图15)。

图14 草川子石芽群 图15 石林-巴山林罗城

3.5 溶洞与地下河组合

研究区目前已经调查发现溶洞316个，其中长度大于1000 m的有17个，深度普遍小于50 m。除泥盆系、石炭系和志留系地层外，其它地质时期含碳酸盐岩地层均有溶洞分布。溶洞总体规模为中—小型，大都受断裂与褶皱控制，洞道平直，展布形态以树枝状为主。大致发育在高程1600 m以上、1200～1600 m、800～1200 m、800 m以下4个高程区间，构成Ⅰ—Ⅳ共4个溶洞层，各个溶洞层间常有竖井连通，垂向呈成层性，水洞、混合型溶洞、化石洞均有发育，反映了岩溶地质遗迹发育演化的阶段性。少数洞内有规模巨大的溶洞大厅(图16)和地下湖泊。

溶洞内发育有鹅管、石钟乳、石笋、石柱等滴石沉积物(图17)，以及壁流石、水母石、穴盾、石幔、石瀑布、石旗、边石坝等流石沉积物，也有少量卷曲石、穴珠、纺锤石等非重力水沉积(图18)。机械堆积物则以砂砾石、粘土、动物粪便为主，生物堆积物在蝙蝠溶洞中常有鸟粪和蝙蝠粪堆积，堆积层厚度不均。另外，包括地洞河天坑底部溶洞在内的部分溶洞中还保存有熬销池遗址(图19)。

研究区包括地洞河、祥龙洞、小南海、干河沟、细辛坝、双河村以及青岗坪等地的12条地下河，均属于中小型地下河，流域面积均小于100 km2，长度几公里至几十公里不等。地下河以出水洞(图20)及岩溶泉(图21)为主要排泄口，其中岩溶泉多以上升泉为主。

图16 地洞河天坑底部-溶洞大厅 图17 滴石沉积物 图18 非重力水沉积-穴珠

图19 熬销池遗址 图20 南郑龙洞-出水洞 图21 南郑冒水塘-岩溶泉

4 岩溶地质遗迹成因分析

地质遗迹的发育演化，反映了一个地区地质内外营力相互作用的过程[19]。研究区的岩溶地质遗迹的发育演化也是如此，它在扬子陆块北缘这一特定的大地构造位置，在地层岩性分布、地质构造条件、水文地质条件以及气候条件等多因素共同作用发育而成，并得以完整保存[21]。

4.1 岩溶地质遗迹发育的物质条件

研究区二叠纪以及三叠纪形成的碳酸盐岩厚度为400～700 m，不但为岩溶发育提供了可溶性岩石条件，也保证了研究区在间歇式隆升、剥蚀过程中，有足够厚度的碳酸盐岩来发育岩溶。同时，研究区自白垩纪末期以来，剥蚀盛行[22]，特别是研究区大部地区从中三叠统以来未有物质沉积[23]，使得二叠纪、三叠纪碳酸盐岩露出地表的时间大大缩短。志留系罗惹坪组的碎屑岩则构成了区域隔水层，阻挡了地下水的流出，保证了在上部二叠系、三叠系地层碳酸盐岩中发育完整的地下河系统。值得指出的是，在二叠系地层中夹层的砂岩、页岩、泥岩、硅质岩等非可溶岩，形成厚度不均一的不完全隔水层，阻缓了地下水大面积下渗，间接促成了碳酸盐岩加速溶蚀。

4.2 地质构造条件控制岩溶地质遗迹发育

喜马拉雅运动期以来的构造运动，在研究区形成了4个相对独立的岩溶台原区[21]。断裂构造控制岩溶台原的边界，多形成断崖；宽缓向斜褶皱形成了洼地等相对凹陷的负地形地貌；节理构造发育的密集地段，形成大气降水下渗通道；同时台原四周均有沟谷或山峰与非可溶岩相隔，形成了完整的水文地质单元，受区域最低侵蚀基准面的控制，岩溶水下切过程持续，岩溶表现出持续发育的特征。

4.3 气候水文条件是岩溶发育的必要条件

在中新世—上新世或更新世早期，研究区属于温暖带气候，地壳运动也趋于和缓，地表剥蚀作用增强，剥蚀速率加快[24]。至中更新世中期，研究区温度升高，降雨量增多，二叠系、三叠系碳酸盐岩大面积露出地表，大气降水在断裂、节理等构造发育地段，不断的侵蚀、溶蚀，岩溶发育达到高峰，发育了现今的汉中天坑群中大部分地质遗迹。同时，这一时期研究区也未曾遭受第四纪大冰盖的影响[25]，地质遗迹得以完好保存。

5 结论

(1)研究区发育有断崖、峡谷、石芽、石林、岩溶湖泊、洼地、峰丛、竖井、天坑等地表岩溶以及溶洞、地下河、岩溶泉等地下岩溶，分布在宁强禅家岩、南郑小南海、西乡骆家坝及镇巴三元镇等4个集中区，分布广泛、类型齐全。

(2)研究区是典型的台原岩溶区，分布着天坑与竖井、断崖与峡谷、峰丛与洼地、石芽与石林等地表岩溶组合，以及溶洞与地下河地下岩溶组合，是完整的岩溶系统，具有较高的景观价值。

(3)研究区岩溶地质遗迹的形成演化受大地构造背景、地层岩石条件、水文地质及气候条件的控制，反映了岩溶台原区的地质历史和演化阶段，具有较高的科学价值。

(4)研究区有着完整的岩溶系统，但由于位置较偏僻，大部地区交通不便，知名度远远落后于以峰丛、石林、天坑等著称的广西、云南、重庆等地，学术研究程度也较低，后期还有待加强系统研究。