滇中富民县宝石洞旅游地质特征与成景机制探讨

周余国，张 帆，*，周 坤，周琛粟，王玉朝，王 健，范 凯

1. 云南大学 地球科学学院，昆明 650091；2. 云南省地理研究所 喀斯特研究与洞穴探测中心，昆明 650091；3. （香港）中国探险学会，香港 999077；4. 云南省地质调查局 区域地质调查所，昆明 650200

云南喀斯特地貌主要分布于滇东地区，类型多样，国内外众多学者已对其开展过大量科学考察、研究工作（张发明等，1997；刘星，1998；Knez，1998；梁永宁，1999；Sebela et al., 2001；李玉辉，2002；Knez and Slabe, 2007；张兵等，2010）。富民县宝石洞是昆明市所有郊区县中离主城区最近的景区，之前曾有过低水平开发。近来富民县政府提出了“谋求建设山水园林卫星城、昆明最美后花园”的发展目标。基于此，受富民县人民政府和云南山高农业旅游开发有限公司的委托，2019年下半年笔者对富民县散旦镇南东侧资源禀赋较好的宝石洞群进行了系统、科学、全面的洞穴探测与旅游资源调查。

1 区域地质背景

宝石洞地区位于扬子地块西南缘，远在太古代时期（约30亿年前）滇中地区就出现不连续的岛状古陆也即康滇古陆的雏形，中晚元古代康滇古陆进一步发展，至古生代加里东早期，宝石洞周边10千米左右皆有地层出露，可以推断，本区早古生代加里东时期为岛间凹地。

宝石洞及周边出露地层由老到新见表1，其空间分布见图1。由图和表可知，汉营—宝石洞一带主构造线为一南北向断褶构造，主要出露晚古生代D2h、D3z、Ch、P2l、P2y、Pe和中生代J1l1+2，从D2h至P2y，岩性以浅海相碳酸盐岩为主，间夹P2l湖沼相铝土质、炭质泥岩，代表海西早中期海进—短暂海退—再一次海进的地史演化过程，宝石洞位于断褶构造核部东翼P2y厚层块状（白云质）灰岩、生物碎屑灰岩中。Pe峨眉山玄武岩的大规陆相模喷发，标志本区海西晚期已上升为陆地。区域上有可能导致在构造薄弱地段造成差异性下陷，甚至远在桂西的右江裂谷的形成也与此相关联（李朝阳，1995）,而在滇中地区则可能形成中新生代断陷盆地的雏形。

表1 宝石洞地区区域地层特征一览表Table 1 List of regional stratigraphic characteristics in the Gemstone Cave area

印支期三叠纪时期，本区地层缺失，但P2y碳酸盐岩为玄武岩覆盖，断褶不发育，岩溶作用微弱，至燕山期侏罗纪早中期，本区发育河湖相红层，构成宝石洞地区断褶构造两翼最新地层，所以该区南北向主构造线应是燕山晚期产物。之后地层缺失，表明风化剥蚀时代较为久远。

至喜山期，印度板块、太平洋板块、欧亚板块的三向挤压导致青藏高原整体抬升，形成总体上西高东低的中国三级阶梯（潘桂堂等，2016），奠定了本区现今的地貌格局。宝石洞地区与南北向断褶构造交切的北西向断层应是喜山运动所致。

宝石洞南西侧小水井一带和东侧刘家村断裂以东仍以晚古生代地层为主，主构造线皆为北东向，小水井村北侧出露早古生代潮坪相O1h砂页岩，显示古老陆缘特征，海西晚期辉绿岩是峨眉山玄武岩的浅成侵入相，零星分布于背斜核部构造薄弱地带，显示北东向。

综上，宝石洞地区北东向主构造线是海西晚期构造形迹，南北向断褶是燕山晚期构造形迹，北西向断层则是喜山期构造形迹。

2 宝石洞旅游地质特征

旅游地质资源是自然旅游资源中，具有观赏价值或地学科学考察价值的地质体及地质现象所构成的地质景观，具有地学资源和旅游资源的双重属性（杨世瑜等，2001），宝石洞成景岩石为中二叠统阳新组（P2y）易溶的碳酸钙为主要成分的灰岩，属浅海台地相，其东侧为大规模喷发的峨眉山玄武岩（Pe）。通过本次实地探测，整个宝石洞洞穴系统全长2399 m，是一个上下相邻、主景受不同方向构造控制且既具较好贯通性而又相对独立的由6个溶洞组成的岩溶地下河洞穴系统，从最上层福邻洞至最下层水洞累计高差76 m，岩溶景观规模适中，其景观旅游地质特征见表2。

表2 富民县宝石洞岩溶地下河洞穴系统旅游地质特征一览表Tab 2 List of tourist geological characteristics of the karst underground river cave system in the Gemstone Cave of Fumin County

宝石洞旱洞是整个洞穴系统中规模最大的溶洞，明显受喜山期北西向构造破碎带控制，并和区域上北西向断层连成一线（图1；图2）。宝石洞最下层水洞空间展布由南向北转而向东（图3），近南北向构造应是燕山晚期南北向断褶构造在宝石洞的局部表现，往北与海西晚期北东向逆断层交汇并有可能多次活动。

图1 富民县散旦镇宝石洞地区地质图Fig. 1 Geological map of the Gemstone Cave area, Sandan Town, Fumin County

图2 富民县宝石洞旱洞空间展布图 Fig. 2 Space layout of Dry Cave of Gemstone Cave in Fumin County

图3 富民县宝石洞水洞空间展布图Fig. 3 Space layout of Water Cave of Gemstone Cave in Fumin County

显然，多期次断层（破碎带）共同控制了宝石洞主要景观的空间展布。

岩溶地下河洞穴资源是喀斯特地貌中最为重要的旅游景观资源，开发利用率占岩溶洞穴的9.97%（张文婷，2016）。宝石洞景区不仅有规模适中千姿百态的岩溶地下河洞穴景观系统，且洞中有宝（玛瑙），洞外有优美的生态环境和多元民族宗教文化，其北侧有自然流出的温泉，如能在景区探获隐伏温泉并加以利用（宝石洞水洞由两股不同水温的泉水汇合而成，综合水温15.2℃，显示较好探查温泉前景），加上优越的交通区位，旅游要素集群度较高，具较高开发价值。

3 岩溶地下河洞穴成景机制探讨

自19世纪中叶喀斯特（岩溶）地貌这一概念提出以来，特别是旅游地学的兴起和世界地质公园、国家地质公园的申报，国内外众多学者分别对岩溶成景机制开展了大量研究，较有代表性的如美国学者 Davis（1930）提出的“洞穴发育的双循环”理论,朱学稳（1994）提出的“地下河发育的系统演化”理论，李德伦（1998）对辽宁本溪水洞成因强调构造控制作用，近年来，岩溶成景机制的研究既注重岩溶成景作用的研究，也兼顾碳酸盐岩的成岩作用、下伏不透水层的隔水顶托作用（王硕等，2013；韦跃龙等，2010，2018；税伟等，2015）。从地球化学角度，岩溶成景机制包括碳酸盐岩的成岩作用和溶蚀成景作用，前者是一定地球化学体系（海水）中，碱土金属离子（钙镁离子为主）与碳酸根离子结合形成碳酸盐岩沉淀（伴有难溶杂质）的过程。后者是碳酸盐岩在漫长地质演化过程中可溶性岩石在地下水和地表水作用下被溶蚀、冲蚀并伴有堆积、重力崩塌的过程，是化学溶蚀作用为主的水岩反应，是水和碳酸盐岩主导的重力作用参与的外动力地质作用。

岩溶地貌形成年代的研究也是其成景机制的重要内容。成岩作用地质年代通过区域地质资料容易获取，岩溶作用起始年代以及成景时限的确定，目前仍是一大难点。虽然所用方法较多，如相对年代法、放射性定年法、地磁定年法、海洋地壳定年法、化石年代定年法、古气候古降水定年法等，但所获取的岩溶残迹、沉积物和堆积物等是否就是岩溶作用起始时留下的，如何与地表径流、洪水等带来的物质区分，如何划分成景时代与前成景时代等仍然难以使人信服，如刘功余（1984）和张美良等（2010）认为中国西南岩溶的发育始于白垩纪（1.45~0.66亿年前），也有始于三叠纪、中晚更新世等不同观点（刘星，1998；王硕等，2013；朱学稳等，2003，韦跃龙等，2018），显然岩溶地貌形成年代的研究尚存很大争议。

宝石洞地区处于中国西南岩溶区西缘之岩溶断陷盆地区西部边缘（曹建华等，2018）。杨世瑜（2008）将云南旅游地质资源划分为东部斑块结构和西部廊带结构两个旅游地质景观单元，宝石洞位于东部斑块结构之古陆凹陷次级景观区。

宝石洞地区碳酸盐岩的成岩作用受控于前加里东期康滇古陆在滇中地区形成的岛间凹地（斑块状古陆凹陷）这一特殊的古地理环境。本区位处印度板块、太平洋板块、欧亚板块三大板块结合部，是中国青藏高原—云贵高原—东南丘陵平原的过渡地带，岩溶作用的形成离不开欧亚板块与印度板块的碰撞、俯冲、挤出等长时期多机制综合作用。马润勇等（2004）认为青藏高原在印度板块的推挤作用下具有递进式隆升的特征，据张克信等（2013）综合前人资料，青藏高原印度板块—欧亚板块碰撞时间存在70 Ma、65 Ma、55 Ma、50 Ma、45 Ma、40~34 Ma等多种观点。近年来，国外学者Mantle和Collins（2008）、Chapman等（2015）、Profeta等（2015）等提出中性岩是研究地质历史时期地壳增厚及隆升的重要物质记录，胡懿灵等（2019）根据藏北双湖地区安山岩锆石U-Pb年龄为113.44±0.88~115.00±0.51 Ma，将青藏高原中部早期隆升时间往前推至早白垩世晚期，而在两大板块碰撞之前，青藏高原中部已经发生大规模的地壳缩短、增厚以及隆升（Murphy et al., 1997；Yin and Harrison, 2000；Kapp et al., 2003, 2005；王成善等，2004；Volkmer et al., 2007）。

结合前述宝石洞地区区域地质背景及其旅游地质特征的探讨，将宝石洞景区岩溶地下河洞穴系统成景机制（控制因素）总结如下：

（1）岩性条件（赋景岩石）：宝石洞赋景岩石为P2y阳新组浅海台地相厚层块状微晶灰岩、白云质灰岩、夹少量生物碎屑灰岩，总厚达数百米，碳酸盐岩的风化溶解速度是硅酸盐岩的100倍（刘再华，2012），而碳酸盐岩中灰岩的可溶性更好，这为宝石洞景区的形成奠定了基础物质条件。

（2）构造条件（控景构造）：喀斯特溶洞的方向性展布受控于不同地史时期形成的不同方向构造（断层破碎带）行迹。前已述及，宝石洞旱洞明显受喜山期北西向断层破碎带控制，下层水洞明显燕山晚期近南北向和更早的海西晚期北东向构造控制，且旱洞将水洞和上部龙洞贯通，共同构成宝石洞主景观，所以多期次断层（破碎带）共同控制了宝石洞景观空间格局。

（3）水文地质条件：地表水的供给、下渗受控于降雨量、岩石断层、节理、裂隙等的发育程度，由于青藏高原的不断隆升，直接影响滇中地区潜水面的不断向下延拓，并且由于控干效应大大降低上部碳酸盐岩溶蚀作用的进行，所以宝石洞景区旱洞之上的多层洞穴规模较小，岩溶作用不发育。而要阻止岩溶水进一步下渗，并将暗河与明河（富民县两大水系为螳螂川和款庄河，宝石洞是款庄河的源头）连通，阳新组之下的梁山组（P2l）主要为铝土岩、泥岩、炭质页岩，厚度虽然不大（约30 m），但良好的隔水性致使地下水位相对固定，也是宝石洞形成的重要条件。

（4）古地理条件：本区太古代至元古代康滇古陆呈岛状不断扩展，古生代经过多次海侵海退，二叠纪海相灰岩仅仅局限于岛间凹地，这一特殊的古地理条件也限制了本区岩溶景观的大规模和集中连片发育，且远较滇东和黔桂地区小得多。

（5）岩溶地貌形成年代：岩溶作用本质上是一种水岩反应，换言之只要本区上升为陆地，并有构造通道，岩溶作用就可以进行。海西晚期，北东向辉绿岩的侵入对之前的海相碳酸盐岩产生了初步破坏，陆相峨眉山玄武岩的超大规模喷发对下伏可溶性碳酸盐岩又具有较好保护作用，印支期在滇中地区可能形成中新生代断陷盆地的雏形，岩溶作用仍不发育。

燕山晚期宝石洞地区岩溶作用已开始发育，这与刘功余（1984）和张美良等（2010）认为中国西南岩溶的发育始于白垩纪（1.45~0.66亿年）前是一致的，也与胡懿灵等（2019）根据藏北双湖地区安山岩确定的青藏高原中部早期隆升时间为早白垩世晚期（113.44±0.88~115.00±0.51 Ma）相吻合，考虑到在两大板块碰撞之前，青藏高原中部已经发生大规模的地壳缩短、增厚以及隆升，和碰撞之后远离应力集中区（藏南）的中南半岛板片挤出和滇中地区岩层断褶的滞后效应，宝石洞地区岩溶作用始于燕山晚期侏罗系红层（J1l）形成之后。这一时期地下水位较高，裂隙尚未贯通，所以上部洞穴方向性不甚明显，规模有限，贯通性较差。

喜山期是宝石洞岩溶地下河洞穴系统的主要成景期。宝石洞旱洞是整个洞穴系统中规模最大、观赏性最强，连通性最好的溶洞，明显受北西向断层破碎带控制（图2），与图1北西向断层连为一线，是喜山期青藏高原持续性隆升在本区的表现。

上述五个因素共同作用的结果，控制了宝石洞岩溶地下河洞穴系统及周边地区的景观地貌特征。通过本次探测，宝石洞系统内极少有渗透水滴下，新生的化学沉积物景观极少，原有的沉积物风化严重，且洞内的空气湿度值较低。这些现象一方面反映的是洞穴的“老龄化”发育阶段，另一方面也反映出洞外（尤其是洞顶区域）由于长期水土流失和人为频繁活动所造成的森林与土壤薄、持水能力弱的不良喀斯特生态环境，需要开发与保护并重。

4 宝石之谜

宝石洞确实有宝，作为“拥有宝石的洞穴”，世所罕见，这是宝石洞极具诱惑力和科普旅游价值的景观要素之一。

宝石洞中玛瑙，产于旱洞北侧的一个小岔洞（宝石大厅）中，岔洞洞壁明显可见大小不一的含玛瑙砾石层，散落在地表的玛瑙大多已被先前的游客或当地居民淘走。本次实地调查过程中，为保护珍贵的玛瑙资源，未对洞壁的含玛瑙砾石层进行扰动，但仍在残积的碎屑物中人工筛选出不少大小不一、色彩各异的玛瑙（图4），由图可见，宝石洞玛瑙品质尚佳，属近年来热度较高的南红玛瑙。

图4 宝石洞岩溶地下河洞穴景观（a、b、c、d）及宝石大厅砾石堆积中分选出的玛瑙（e、f)Fig. 4 The landscape of karst underground river cave in Gemstone Cave（a，b，c，d）& the gem (agates) selected from the gravel accumulation in the Gem Hall（e，f）

根据区域地质资料，原生的宝石（玛瑙）是海西晚期大规模喷发的峨眉山玄武岩气孔状构造中充填的绿泥石、石英、玉髓、玛瑙等充填物，经过冷凝固化形成含铁石英质玉髓。宝石洞中的玛瑙应该是玄武岩经过风化、剥蚀作用后，散落在缓坡或者开阔的沟谷之中，经过长期冲积、打磨，再经沉积作用形成的残积、坡积“次生古砂矿床”，地层层位应为二叠纪宣威组（P3x）或三叠纪飞仙关组（T1f）的“含玛瑙砾石层”（刘德民等，2018）。这一层位在区域地质图上尚未标识，但在宝石洞中清晰可见，该层位厚度和含玛瑙多少以及在宝石洞周边地区出露情况等目前尚不清楚，尚需进一步开展工作。

5 结论

（1）宝石洞景区位处康滇古陆岛间凹地，成景岩石为P2y易溶的碳酸钙为主要成分的灰岩，属浅海台地相。根据宝石洞地区区域地质背景，宝石洞地区晚古生代以来历经海西期海相、湖沼相沉积、基性岩侵入喷出—印支期沉积断陷—燕山晚期侏罗系红层和南北向断褶—喜山期北西向错断等多期活动的地史演化特征。

（2）旅游地质特征表明，宝石洞景区不仅有规模适中千姿百态的岩溶地下河洞穴景观系统，且洞中有宝（玛瑙），洞外有优美的生态环境和多元民族宗教文化以及潜在的温泉资源，加上优越的交通区位，旅游要素集群度较高，具较高开发价值。

（3）根据前人对岩溶成景机制的探讨，结合本次对宝石洞区域地质背景的分析和本次实地探测成果，从岩性、构造、水文地质、古地理和成景时代五个方面阐释了宝石洞景区的成景机制，明确指出，多期次断层（破碎带）共同控制了宝石洞景观空间格局，岩溶作用始于燕山晚期，喜山期是宝石洞岩溶地下河洞穴系统的主要成景期，对宝石洞岩溶地下河洞穴系统上部规模小、连通性差、方向性不明显给出了合理的解释。

（4）根据区域地质资料结合本次实地探测，对宝石洞中产出的宝石（玛瑙）成因作了初步的推断解释。