螳螂河流域洞穴發育特征及其地學意義研究

羅書文 ， 李 偉， 李成展， 黃保健

(1.中國地質科學院 巖溶地質研究所/國土資源部， 廣西壯族自治區巖溶動力重點實驗室， 廣西 桂林 541004；2.中國地質調查局 水文地質環境地質調查中心， 河北 保定 071000)

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螳螂河流域洞穴發育特征及其地學意義研究

羅書文1*， 李 偉2， 李成展1， 黃保健1

(1.中國地質科學院 巖溶地質研究所/國土資源部， 廣西壯族自治區巖溶動力重點實驗室， 廣西 桂林 541004；2.中國地質調查局 水文地質環境地質調查中心， 河北 保定 071000)

在對山東沂源螳螂河流域巖溶洞穴進行調查探測的基礎上，通過研究流域內洞穴發育特征探討其內在的地學涵義.認為：1)流域內洞穴發育在縱向上分為三層，并與區內經歷的地質時期與之對應；2)區內在華北唐山期(N1)的隆起比臨城期(N2～Q1)隆起幅度較大；3)魯山隆起是一個持續的過程，在地殼抬升的間歇期持續緩慢地進行，并由中心向四周逐漸減弱.根據水平洞穴成因機理和區內洞穴展布特征，提取相關參數試探性建立流域地下水位演變的二維數學關系，這對流域喀斯特地下、地表水在空間上的演化研究、從定性到定量研究都具有重要科學意義.

螳螂河流域； 洞穴； 地學意義； 山東魯山

巖溶洞穴的形成主要是地下水沿碳酸鹽巖裂隙溶蝕擴大形成[1-4].水平洞穴發育的最主要位置是沿著或接近于地下水位，洞穴系統是從流入端向泉水出露方向發育具有水力聯系的洞穴群的統稱，同時一些學者也提出了洞穴發育的地下水位學說[4](Rhoades et al.，1941).隨著環境變化日益凸顯，人們關注洞穴資源保護與開發[4-9]，以及通過洞穴沉積物研究環境變化的研究日新月異[10-14]，而利用區內洞穴發育特征，來探討區內地質構造運動及水文地質條件演化方面的研究少見報道.本文以螳螂河流域巖溶洞穴調查與探測為基礎，根據區內洞穴發育特征和水平洞穴成因的基本原理建立數學模型，來探討區域內新構造運動的表現以及地下水運移的空間變化，借助洞穴為研究載體，提取地學要素建立數理方程，探討流域侵蝕基面演變，為喀斯特流域演化從定性向定量研究提供科學參考和研究方法的重要科學意義.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區位于沂源河支流螳螂河，發源于魯山南緣，主峰高1 108.3 m，主要為中、低山地貌(圖1).區內中山地貌主要是由元古代的條帶狀中粒含黑云二長花崗巖、弱片麻狀中粒含角閃二長花崗巖、巨斑狀細粒二長花崗巖等風蝕地貌.其周圍即低山地貌由寒武—奧陶紀碳酸鹽巖(圖2)地貌.在螳螂河流域內發育有自西向東在面積約50 km2，區內大小洞穴40多個洞穴[15].多數洞穴規模小，其長度大多在30～50 m之間.新構造運動中魯山山地為不等量斷塊隆升[16-17]，形成南部、東南部上升山高大陡峭，西北部平緩.魯山主峰翹起于南部，研究區位于主峰以南的山地，其面積狹窄，距離山麓帶僅十余公里，且從千余米的中、低山地直接下降至海拔高度300 m的沂源盆地，主峰區以北則面積廣大，主峰至北部邊緣有60余公里，地貌也漸次由中、低山、丘陵，過渡到魯北平原，其變化梯度相對平緩.

1.2 研究方法

本文通過對區內洞穴進行調查探測，分析洞穴在流域內空間范圍內的展布規律，并運用其在垂向上的發育特征，來探討區域地殼隆起及侵蝕基面的演變.理論上，洞穴在垂向上發育特征研究可以采集洞內沉積物測年，但洞內很多情況下其沉積物都是內源物質，即從地表水滲入洞壁溶蝕后沉積，使得無論是早期洞穴還是后期洞穴都接受到同時代的沉積物，這樣給洞穴測年帶來一定的困難.因而在研究洞穴成層性基本上是根據相對高度[18-21]與區內地貌夷平面相比較確定，但其前提是區內地殼以上升運動為主，即現代地下河是從古化石洞演化而來.研究區至第三紀以來基本形成現在地貌格局，并一直處于緩慢差異抬升運動中，所以研究區適用于該分層研究.特別注意在研究區域洞穴分層時，不是單純地將調查洞穴的洞口發育高程的集中分布程度，按照數學區間進行劃分層，這種劃分會導致很多錯誤和誤判，經常會把一些上層洞劃分到中層洞穴之中，如河流下游形成的上層洞的海拔高程可能與上游形成的下層洞的海拔高程相等或者更低，洞穴的成層性不是簡單的通過洞口高程劃分，而是形成同一時期的洞穴分為同一層.因此，在對洞穴進行層層性研究時，要考慮洞穴的發育受到區域內河流、地表、地下水溯源侵蝕等影響因素，進而在徑流方向上研究其層層性，由此可見流域內屬于同一層的洞穴其高程不一定相同，所以本文以此為理論依據研究區域洞穴分布規律及其地學意義.

2 結果與討論

2.1 結果

2.1 .1流域內洞穴展布 大型洞穴主要分布在距離花崗巖較近，且斷裂較發育的南魯山及芝芳，主要洞穴有石龍洞、千人洞、養神洞、九天洞及下崖洞等洞穴.在這些大型洞穴之中其洞內有大量的花崗巖風化的流水沉積物，這主要是碳酸鹽區域內接受了大量來至花崗巖的魯山地區，花崗巖地區的水中的pH值多數在4.3～6.1之間偏酸性，對斷裂較為發育的碳酸巖具有較強的溶蝕力，同時斷層為地下水溶蝕形成洞穴提供了天然通道，也為大型溶洞的形成提供了先決條件.

2.1.2洞穴垂向分布特征 區內的地貌表現出層狀結構特征[17](圖1)，在不同層狀地貌中也伴隨著洞穴的發育，根據其海拔高程看可以分為3個層狀的夷平面.最高一層是包括主峰在內的一系列海拔高850 m的山峰，在流域內碳酸巖山脊高聳，斷崖發育，在斷崖底部發育大量的規模較小巖屋狀洞穴，此層處于強烈剝蝕面沉積較少；第二層它由800～500 m的山頂臺面和峰頂構成，其上仍保留一些較完整的形態清晰的剝蝕面殘余，在流域的巖溶區內形成大量的峰體和溶丘，并在峰體中發育有穿洞和大量水平化石洞；第三層為現在河谷和山地周圍，尤其在北部、西北部邊緣分布廣，以及沂源盆地，標高250～150m左右的山前洪積—剝蝕平原，在流域巖溶山地內部則為寬谷及近谷地的、相對高度百余米的低矮緩丘，并在河谷發育大量的泉水.本文通過調查與測量，將區內發育的洞穴在流徑流方向及高程投影在平面直角坐標系的基礎上(圖3所示)，根據洞道特征，相對高度和區內新構造運動特征，結合前人[15，17，22-23]對該區內巖溶地貌及洞穴發育演化研究成果，將洞穴至上而下分為如下幾層：第一層洞穴主要發育在距離峰頂最高一級陡崖上，該層上的洞穴經歷地殼抬升山體削小其殘留的洞體都較小，如皇姑洞、人安洞、志公洞；第二層洞穴該層洞穴均發現有古人類化石，同時規模大、發育典型均為干洞，同時部分洞穴通過豎井與地下河相連，主要洞穴有石龍洞、千人洞、養神洞、下崖洞、上崖洞、劉家洞和呂祖洞等；第三層洞穴其共同特征多為巖蔽或小型式管道，規模小的現在地下河及泉水出入地，主要有九龍泉和別有洞天.認為[15，22-23]區內的洞穴發育分別經歷了魯中期(E2)、華北唐山期(N1)和臨城期(N2～Q1)3個時期.

2.2 討論

洞穴的發育受到地下水位的控制，區內發育的洞穴基本都為水平洞穴，說明其形成時為當時地下水位，即排泄基面.因此，通過探討該區洞穴垂向分布特征，研究區域內地下水位變化以及地殼抬升具有重要的意義，并根據該區洞穴分布特征，建立數學模型進行探討.

2.2 .1洞穴分布特征對地殼隆起的識別 由最上層洞穴的展布情況來看(圖4所示)，越靠近分水嶺即魯山主峰其洞穴高程比降逐漸增大.為此，以分水嶺為原點，螳螂河徑流方向為橫坐標，洞穴海拔高程為縱坐標，運用線性回歸擬合建立數學方程探討.由擬合方程得第上層洞穴擬合直線方程斜率為，中層洞穴擬合方程斜率為，下層洞穴擬合方程斜率為.

1.皇姑洞;2.人安洞;3.玄云的洞;4.九天洞;5.石龍洞;6.養神洞;7.千人洞;8.靈芝洞;9.別有洞天;10.珊瑚洞;11.劉家洞;12.下崖洞;13.上崖洞;14.九龍泉;15.志公洞;16.呂祖洞圖3 流域洞穴垂向展布特征Fig.3 Vertical distribution characteristics of Tanglang River Basin

圖4 洞穴高程擬合Fig.4 The elevation fitting curve of cave

由擬合直線斜率表明兩直線越靠近原點越分開，即上層洞穴與中層洞穴層相對高差由排泄基面向分水嶺方向逐漸擴大.洞穴的成層性主要是因地殼的間歇性抬升所致，所以區域內上層洞穴與中層洞穴相對高差向分水嶺逐漸擴大的原因主要有兩點：第一，在上層洞穴形成之后，地殼抬升后的時間較長，地表、地下水位溯源侵蝕作用比前一時期的作用更接近分水嶺；第二，由分水嶺向徑流的方向上地殼的抬升速率逐漸減小，導致不同區域內地下水位變動高差不同.魯中地區山體的形成主要是由于古老的花崗巖侵入將碳酸隆起形成，同時部分區域將碳酸鹽地層分裂，巖漿侵出地表形成花崗巖山體.這種隆起近圓錐體狀，其距圓心部位隆起速率快，邊緣地區隆起相對較慢，即越靠近峰頂其抬升速率越大，反之亦然.魯山的形成如上所述，因此作者認為形成上層洞穴與中層洞穴相對高差向分水嶺逐漸擴大的這一現象主要是由于魯山隆起而產生.

中層洞穴與下層洞穴的擬合方程來看，兩直線越靠近原點越靠近至相交，說明區內經歷臨城期(N2～Q1)的地殼抬升后，河流溯源侵蝕作用由侵蝕基面逐漸向分水嶺波及，在河流上游至分水嶺處受到影響較小甚至還完全沒有受到影響.相反在華北唐山期(N1)地殼抬升后河流的溯源侵蝕作用完全波及到河流上游.由此說明區域內從魯中期(E2)地殼抬升到華北唐山期(N1)抬升間隔時間比臨城期(N2～Q1)抬升到現在間隔時間長.

從3個洞穴層的相對高差來看(圖4)，第1層與第2層相對高差要比第2層與第3層的相對高差大得多，說明華北唐山期(N1)抬升比臨城期(N2～Q1)抬升再該區域表現要劇烈得多.

2.2 .2流域地下水位演變識別 由巖溶水平洞穴的成因及其水文地質學意義[2-4]，可知不同層洞穴代表不同時期的地表水、地下水排泄基面，兩基面間空間為區域地下水在兩個不同的地質時期內區內巖溶地下水位演變的足跡.因此，通過洞穴的發育特征對于研究區內巖溶發育演，以及對巖溶區地下水位埋深研究和預測提供參考.根據上述方法本文以各層洞穴擬合方程為基礎進行探討.探討的最核心問題就是地下水侵蝕曲線和侵蝕基準面.

在大量野外調查研究顯示，大氣降水由分水嶺侵入地表到達最低層洞穴向區內排泄基面匯聚，該徑流過程線為現代侵蝕曲線，所以作者以統計的最低層洞穴、流域分水嶺及排泄基面高程，運用曲線擬合方程作為流域侵蝕曲線方程.

一般認為流域排泄基面是流域面積內河流總出口.而在很多情況下，流域的排泄基面并沒有洞穴發育或泉水流出，且流域內過去的排泄基面與現在排泄基面不一致，所以確定過去的排泄基面具有一定的難度.很多研究[1-4，18-21]表明，區域內的水平洞穴基本代表區域內當時的地下水位，即排泄基面高程，為此在探討過去的排泄基面時，以遠離分水嶺最低洞穴高程為該區排泄基面高程，以上層洞穴擬合直線，與下層遠離分水嶺洞穴高程直線的交點為該時期的排泄基點.

因此，通過以上的方法對螳螂河流域進行建模研究.將中層洞穴最低高層341m(呂祖洞)帶入上層洞擬合方程求得華北唐山期(N1)抬升后流域侵蝕基點；同樣將九龍泉312帶入公式求出臨城期(N2～Q1)抬升后的侵蝕基面.所以，以水嶺、侵蝕基面點和各層洞穴高程在徑流方向的坐標進行曲線擬合如表1所示.

表1 流域內各時期侵蝕基面曲線擬合表

由表1可以看出上層和中層洞穴多項式擬合較好，下層洞對數擬合好如圖5所示.魯中期(E2)擬合直線基本成直線主要原因，如洞穴分布特征對地殼隆起的識別中所述.華北唐山期(N1)與臨城期(N2～Q1)侵蝕基面在A點處相交，說明自臨城期(N2～Q1)區內地殼抬升以來，剛受到河流溯源侵蝕作用的影響，A點以上的區域受到較小影響或者還沒波及到，所以A點附近區域在相同水位高度的溶蝕作用時間較長，容易形成大洞穴；華北唐山期的地下水位出現兩次低谷，這主要是兩處發育了斷層(圖2)，地殼抬升后大量的地表地下水沿著斷裂帶匯集于此，在兩斷裂之間形成了相對的分水嶺，在相當一段時間內兩處之間的水力系統相對獨立，所以在B點形成了一個轉折點.而在臨城期(N2～Q1)地殼進一步抬升河流溯源作用加強導致A、C之間形成較強的水力聯系，形成現在河床上的水時隱時現.

圖5 流域內各期侵蝕基面構建Fig.5 Construction of the erosion base for each period in Tanglang River Basin

3 結論

通過對螳螂河流域的洞穴進行調查與探測，對其展布特征進行研究分析，認為：1)螳螂河流域巖溶洞穴發育受到魯山隆起的影響，區內由分水嶺至徑流方向上在海拔高程上發育三層洞穴.2)魯山在華北唐山期(N1)的隆起比臨城期(N2～Q1)隆起幅度較大.3)魯山從魯中期(E2)到華北唐山期(N1)具有持續隆起并由中心向邊緣逐漸減弱.

根據螳螂河流域內發育洞穴的展布特征，提取其地學空間參數，試探性地建立螳螂河流域在魯中期(E2)、華北唐山期(N1)和臨城期(N2～Q1)地下水位變化曲線.通過研究其地下水位變化，探討區內巖溶洞穴與巖溶發育狀況收到較好的結果.這對研究喀斯特流域內地殼運動的定量性研究，提供參考和借鑒意義.同時，也為喀斯特洞穴形成時間的估算方法提供參考.值得注意的是，對洞穴劃分層次的時候，一定要根據洞穴海拔高程、區內夷平面、徑流方向及洞穴內部特征提取的水文信息來綜合判斷.現實中洞穴在流域內的展布是一個三維空間，所以，以洞穴為研究載體，探討流域地下水演變和巖溶發育規律，要充分調查流域內洞穴發育狀況，建立三維曲面模擬地下水侵蝕面的變化，探討喀斯特地貌空間展布特征及區域地下水變化規律具有重要現實意義.

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Study on development characteristics of cave in Tanglang River and their significance in geoscience

LUO Shuwen1， LI Wei2， Li Chengzhan1， HUANG Baojian1

(1.Institute of Karst Geology， CAGS/Karst Dynamics Laboratory， MLR&GZAR， Guilin， Guangxi 541004；2.The Center of Hydrogeology and Environmental Geological Survey of China Geological Survey， Baoding, Hebei 071000)

This paper discussed the internal geophysical meaning of cave by studying its development characteristics in the river on the basis of investigating the karst cave in Tanglang River in Yiyuan of Shandong Province. It is suggested that: 1) the cave development in the river is divided into three layers longitudinally， corresponding to the geological periods in the area；2) the uplift amplitude in the area at Tangshan period (N1) in North China is relatively bigger than that in Lincheng period (N2～Q1)；3) the uplift in Lushan is a continuous process， slowly conducting within the intermittent of the crustal uplift and gradually weakening from the center to around. Based on the formation mechanism of horizontal cave and distribution characteristics of cave in the area， the relevant parameters are extracted to tentatively build the two-dimension mathematic relation for evolution of groundwater level in the river， which has important scientific significance for the study on spatial evolution of groundwater and surface water in Karst basin from qualitative study to quantitative study．

Tanglang River; cave; geoscience significance; Lushan mountain of ShanDong Province

2015-09-08.

中國地質調查子項目(12120114010902；1212011220049；12120114062601).

1000-1190(2016)02-0297-06

P931.5

A

*E-mail: luoshuwen6700167@126.com.