典型巖溶洞穴邊石壩成因淺析
——以貴州丹寨金瓜洞為例

黃申超，傅良同，2

(1.黔南民族師范學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院，貴州 都勻 558000；2.黔南景區(qū)溶洞旅游資源開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程研究中心，貴州 都勻 558000)

1 引言

貴州是世界上典型的巖溶地貌分布區(qū)之一，地下巖溶發(fā)育尤為突出[1，2]。貴州省丹寨縣屬于典型的巖溶地貌，金瓜洞是該區(qū)域規(guī)模較大的溶洞。金瓜洞洞內(nèi)重力水沉積物發(fā)育顯著，尤其邊石壩類型多樣。在丹寨縣扶貧旅游項(xiàng)目的背景下，本文對(duì)金瓜洞洞內(nèi)沉積物中的邊石壩進(jìn)行了成因分析，前期學(xué)者對(duì)邊石壩結(jié)構(gòu)和水動(dòng)力條件進(jìn)行了研究[3]，在前人研究的理論基礎(chǔ)上，通過(guò)查閱相關(guān)資料，分析了金瓜洞洞內(nèi)豐富的邊石壩類型、形態(tài)特征。邊石壩的形成過(guò)程[3]，與所形成時(shí)期的水文微環(huán)境遷移有著一定的聯(lián)系。根據(jù)前人對(duì)邊石壩形成的過(guò)程機(jī)制的研究成果能夠?qū)鸸隙催吺目赡苄纬蛇^(guò)程進(jìn)行反演，在對(duì)重力水沉積物的特征描述基礎(chǔ)上，對(duì)金瓜洞邊石壩進(jìn)行分類并反推形成過(guò)程，這也反映了洞穴內(nèi)水文微環(huán)境的變化。

2 金瓜洞概況及研究設(shè)計(jì)

2.1 金瓜洞概況

金瓜洞位于貴州省丹寨縣城南金瓜洞村境內(nèi)，距縣城12 km，該洞發(fā)育于婁山關(guān)群四段的灰色中一厚層夾薄層細(xì)晶白云巖地層中，為一單洞口水平旱洞，整個(gè)洞穴為一投影面積為4480 m2于的大廳，長(zhǎng)170 m、寬100 m，洞內(nèi)分布著類型豐富的洞內(nèi)沉積物，尤以重力水沉積物最為顯著，豐富的重力水沉積物按不同比例程度分布于洞內(nèi)的4個(gè)洞廳，洞穴環(huán)境獨(dú)具一格；同時(shí)古環(huán)境特征和古水位線明顯(分為4層)。因此，選取金瓜洞為研究對(duì)象，來(lái)反演邊石壩的成因更具有代表性。

2.2 研究設(shè)計(jì)

關(guān)于邊石壩的成因，在國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者提出了多種觀點(diǎn)，但到目前為止，對(duì)于邊石壩是如何形成的還沒(méi)有令人滿意的解釋。目前，接受度較高的理論認(rèn)為由于外部環(huán)境的改變影響薄水比，從而形成不同類型的邊石壩。但另一種基于微生物參與邊石壩的形成過(guò)程的說(shuō)法；也有較高的認(rèn)可度。因此，邊石壩的初始成因以及生長(zhǎng)環(huán)境和機(jī)制仍然是神秘的，特別是對(duì)于不同類型的邊石壩；所需要不同類型生長(zhǎng)環(huán)境?，F(xiàn)通過(guò)對(duì)金瓜洞實(shí)地考察、參考文獻(xiàn)和查閱資料以及結(jié)合洞穴沉積物分類依據(jù)等，并按系統(tǒng)的方法在巖溶學(xué)與洞穴學(xué)的基礎(chǔ)上，以把理論與實(shí)踐相結(jié)合，對(duì)金瓜洞洞內(nèi)進(jìn)行邊石壩反演過(guò)程，以此探究金瓜洞洞內(nèi)邊石壩的成因。

3 重力水沉積物特征與邊石壩分類

3.1 重力水沉積物類型

重力水沉積是指巖溶中包氣帶中的可溶性水在和可溶性巖石發(fā)生反應(yīng)后，并且主要受重力的作用下所形成的沉積物[4]。由于受重力的程度和所處環(huán)境不同。會(huì)形成不同形狀特征的洞穴沉積物。本文根據(jù)朱學(xué)穩(wěn)院士的形態(tài)+成因標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)把金瓜洞的重力水沉積物分為滴水類、飛濺水類、池水類和流水類四大類，在不同的水制下通過(guò)協(xié)同作用下形成的沉積物[4](表1)。

3.2 重力水沉積物特征

各類重力水沉積物亞類中的洞穴沉積物類型和特征各不相同(表1)，但追溯本源，都受重力作用的因素。由于重力水沉積物在初始形成過(guò)程中受重力影響較大，對(duì)分布于洞內(nèi)的不同地方沉積物，受到重力的影響不同，對(duì)重力水沉積物的幾何形態(tài)特征形成有較大的影響。當(dāng)然洞穴沉積物在形成過(guò)程中還受其他因素的影響，最明顯的特征是重力水沉積物形成過(guò)程中含有可溶性水受重力作用為主要機(jī)制，其它相關(guān)因素的為次要機(jī)制。

表1 金瓜洞重力水沉積物主要類型

3.3 邊石、邊石壩、流石壩之間的關(guān)系

為了區(qū)分邊石壩、邊石及流石壩三者之間的差異[5]，根據(jù)朱學(xué)穩(wěn)院士的成因+形態(tài)的分類方法。三者都是屬于重力水沉積物中的亞類，即含有CO2的水遇到可溶性巖石在重力作用下形成碳酸鈣沉積物[4]。區(qū)別在于邊石壩、邊石和流石壩水文機(jī)制的不同。邊石壩、流石壩屬于流水沉積類，邊石是池水沉積類，池水沉積類最大的特點(diǎn)是在在各種水文機(jī)制作用下沿著水池邊緣所形成的碳酸鈣沉積物。邊石是當(dāng)水流過(guò)積水塘?xí)r，在其邊緣形成的碳酸鈣沉積。流水沉積最大的特點(diǎn)是水層連續(xù)做水流運(yùn)動(dòng)所形成以片狀、層狀以及帶狀為主的碳酸鈣沉積物。流石壩是基于邊石的形成基礎(chǔ)上，當(dāng)補(bǔ)給水源充足時(shí)，池水中越過(guò)邊石后碳酸鈣快速結(jié)晶形成形如梯壩狀的碳酸鈣沉積物。其最大的特征是外形像梯田，有著“石梯田”的別名。邊石壩是在水池內(nèi)水沿著固定邊界(例如洞壁)進(jìn)行碳酸鈣沉積，邊石壩的生長(zhǎng)發(fā)育程度可反應(yīng)洞內(nèi)古環(huán)境水文遷移狀況。

3.4 金瓜洞洞內(nèi)邊石壩分類

3.4.1 金瓜洞邊石壩的平面分類

邊石壩在平面上形態(tài)以圓型、扇型、水道型為主，其它類型較為罕見(jiàn)[3]?，F(xiàn)根據(jù)重力水沉積物的形成所需條件。對(duì)于不同類型的邊石壩以及補(bǔ)給水源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并查閱相關(guān)資料，得出不同類型邊石壩所對(duì)應(yīng)的補(bǔ)給水源類型(表2)。

金瓜洞洞內(nèi)邊石壩的形成與其它重力水沉積物一樣[4]。與洞中的內(nèi)部環(huán)境有一定聯(lián)系。根據(jù)查閱相關(guān)資料及結(jié)合進(jìn)洞考察結(jié)果，邊石壩的補(bǔ)給水源具有多種類型。而金瓜洞的邊石壩補(bǔ)給水源主要有滴流為主。不同類型的補(bǔ)給水源決定了金瓜洞洞內(nèi)的邊石壩的平面類型 ,也決定了金瓜洞邊石壩的發(fā)育與分布特征。重力水沉積物是可巖溶性水洞穴的特有產(chǎn)物。

從平面上邊石壩的發(fā)育有著明顯的規(guī)律性。首先，是對(duì)于不同類型的邊石壩的形成與其補(bǔ)給水源類型有著密切的聯(lián)系 ,金瓜洞邊石壩的補(bǔ)給水源類型都是屬于水動(dòng)力條件較弱的，所以洞內(nèi)形成圓形、扇形、水道型以及罕見(jiàn)的復(fù)合型邊石壩。其次，金瓜洞洞內(nèi)大廳角落中邊石壩群中的單個(gè)水池面積越靠近水源，其形成水池面積越大，特別是對(duì)于金瓜洞補(bǔ)給水源較弱時(shí)(如滴水、裂隙水) ，這種現(xiàn)象表現(xiàn)得更加明顯。

表2 不同平面類型邊石壩的補(bǔ)給水源

3.4.2 金瓜洞邊石壩的剖面分類

邊石壩的剖面結(jié)構(gòu)是以邊石壩傾角α來(lái)反映其發(fā)育的不同形態(tài)的邊石壩。通過(guò)對(duì)洞內(nèi)對(duì)于不同形態(tài)的邊石壩的，除了受重力作用影響程度不同，可能與洞穴外部環(huán)境和洞內(nèi)環(huán)境因素有關(guān)，導(dǎo)致可以發(fā)育成各種形態(tài)的邊石壩。現(xiàn)根據(jù)對(duì)金瓜洞實(shí)地考察，結(jié)合參考文獻(xiàn)資料，本文根據(jù)邊石壩傾角α大小，現(xiàn)將金瓜洞的邊石壩劃分為以下幾種類型(表3)。

金瓜洞邊石壩主要有斜壩、陡壩、直壩等幾種類型[3]。在數(shù)量上以陡壩、直壩占優(yōu)勢(shì)，斜壩、池中壩為劣勢(shì)，這是與洞內(nèi)邊石壩補(bǔ)給水源受重力作用程度有關(guān)，斜壩主要以裂隙水為補(bǔ)給水源，陡壩主要補(bǔ)給水源多為滴流或裂隙水，直壩主要補(bǔ)給水源為滴水。由于池中壩的形成條件的特殊性，直接導(dǎo)致了池中壩的數(shù)量較少。而根據(jù)實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)金瓜洞補(bǔ)給水是以滴水為主，其次是裂隙水，導(dǎo)致金瓜洞內(nèi)沒(méi)有形成大規(guī)模的邊石群，所以形成了較少數(shù)的斜壩和池中壩，邊石壩的數(shù)量多以陡壩和直壩為主。

表3 不同剖面結(jié)構(gòu)類型邊石壩的補(bǔ)給水源

4 金瓜洞邊石壩形成過(guò)程與成因

通過(guò)在金瓜洞洞內(nèi)的邊石壩的實(shí)際調(diào)查，發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)邊石壩的生長(zhǎng)方向不同，按照邊石壩在水池中的生長(zhǎng)方向把金瓜洞洞內(nèi)邊石壩分為由內(nèi)向外(圖1)、由外向內(nèi)(圖2)兩大類；結(jié)合相關(guān)資料分析，邊石壩的補(bǔ)給水源流動(dòng)方向與碳酸鈣沉積物沉積的方向是一致的結(jié)論，即邊石壩的生長(zhǎng)方向取決于池中的水流動(dòng)方向。對(duì)邊石壩的不同的生長(zhǎng)方向是與水池中的水文條件變化有關(guān)系的。邊石壩的發(fā)育方向取決于水池中的水流方向，邊石壩的生長(zhǎng)方向可以間接反映了洞內(nèi)水文遷移變化方向。

圖1 由內(nèi)向外型邊石壩

圖2 由外向內(nèi)型邊石壩

4.1 由內(nèi)向外型邊石壩形成過(guò)程

通過(guò)圖3的反推過(guò)主要分為3個(gè)過(guò)程。不同的過(guò)程反應(yīng)了不同的水文條件，才能形成的向外生長(zhǎng)的邊石壩。從現(xiàn)狀③來(lái)看；補(bǔ)給水源主要是滴水。池中的水位遠(yuǎn)低于已形成由內(nèi)向外形成的邊石壩的最高點(diǎn)(這里指的生成壩高度與水池中的水面之間距離)。由于補(bǔ)給水源的缺失。已形成由內(nèi)向外的邊石壩達(dá)到不發(fā)育的狀態(tài)，說(shuō)明了池中的水文遷移很小，剛好滿足在現(xiàn)代水池生成由內(nèi)向外的邊石壩的條件，可知金瓜洞洞穴環(huán)境發(fā)育趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

因洞內(nèi)古環(huán)境復(fù)雜多變，主要根據(jù)其邊石壩的形成原理與洞內(nèi)的補(bǔ)給水源有關(guān)的因素進(jìn)行探究，根據(jù)圖3中③中形成這種邊石壩所需條件，就必須追朔本源。說(shuō)明洞穴內(nèi)為形成圖3中③這種類型的邊石壩提供了補(bǔ)給水源，于是就產(chǎn)生圖3中②。從圖3中③邊石壩的生長(zhǎng)方向可以判定邊石壩的生長(zhǎng)方向。根據(jù)邊石壩的形成過(guò)程。就可以對(duì)推斷出古水池的水流方向是由池內(nèi)流向池外。并且沉積處的流速不能太快。于是就證實(shí)圖3中②出現(xiàn)。從②到③的反演過(guò)程中由于補(bǔ)給水源不斷開(kāi)始出現(xiàn)間斷，最后不再對(duì)古水池進(jìn)行補(bǔ)給，導(dǎo)致③的形成。洞內(nèi)環(huán)境也趨于穩(wěn)定。

從圖3中②可以推斷當(dāng)時(shí)的補(bǔ)給水源較為豐富的。僅靠洞內(nèi)的滴水是不可能形成古水池中豐富的補(bǔ)給水源，猜想圖3中②中補(bǔ)給水源的改變主要是來(lái)源沿著右邊洞壁流入古水池內(nèi)。或者洞內(nèi)洞穴環(huán)境是否發(fā)生突然改變提供一定的依據(jù)。這兩種可能都形成此類邊石壩的形成提供可能，當(dāng)此類邊石壩開(kāi)始沉淀出碳酸鈣時(shí)，也就是水源補(bǔ)給速度將會(huì)從豐富驟減為一定程度，然后保持邊石壩的生長(zhǎng)，最后逐漸減弱到此類邊石壩不再進(jìn)行發(fā)育，導(dǎo)致②的形成。

從圖3中③、②的存在，可以判定圖3中①的存在。就是這種類型邊石壩的初始形成狀態(tài)。①中古水池中的水位應(yīng)低于水池左邊的凸起部分最高點(diǎn)。由于古水池的補(bǔ)給水源主要是洞頂?shù)乃?。在古積水池中的水與兩邊水池交界處應(yīng)該出現(xiàn)邊石壩的存在?？墒歉鶕?jù)進(jìn)洞的調(diào)查，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)邊石壩的存在。說(shuō)明圖3中①存在的時(shí)間較少或者可能消失于①到②的過(guò)程中。從①到②反演過(guò)程中。只有洞內(nèi)提供較為豐富的補(bǔ)給水源。才會(huì)迎來(lái)了圖3中②所在時(shí)期。接著補(bǔ)給水源的強(qiáng)度不斷減弱，最后形成③。也可以間接反映出洞穴環(huán)境穩(wěn)定狀況。

圖3 不同生長(zhǎng)方向的邊石壩

4.2 由外向內(nèi)型邊石壩形成過(guò)程

這種類型的邊石壩在洞穴是較為普遍的。主要可以反映邊石壩的水源補(bǔ)給情況。如圖3中④到⑤反演由外向內(nèi)類型邊石壩的形成過(guò)程中；在由于金瓜洞現(xiàn)狀而言，洞內(nèi)的補(bǔ)給水源主要是滴流，其次是少有部分的裂隙水。根據(jù)對(duì)洞內(nèi)水池處實(shí)地的考察。發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代水池中的補(bǔ)給水源來(lái)源于洞頂?shù)乃鞯稳胨刂?。水滴從洞頂脫落到水池平面上的過(guò)程中，一直受重力作用的水滴，在滴入水池面的瞬間打破了原有水池面平衡。導(dǎo)致整個(gè)水層連續(xù)做水流運(yùn)動(dòng)(如海水如海浪一般運(yùn)動(dòng))。改變了整個(gè)水池的與洞壁交界處的“薄水比”。形成以片狀為主的碳酸鈣沉積物；若洞穴內(nèi)的補(bǔ)給水源發(fā)生改變，或者洞穴環(huán)境遭受其他意外因素的可能性。若可能會(huì)形成層狀、帶狀的邊石壩。現(xiàn)根據(jù)金瓜洞洞內(nèi)邊石壩的現(xiàn)狀，是多以由外向內(nèi)的進(jìn)行發(fā)育。甚至都不會(huì)出現(xiàn)由內(nèi)向外的邊石壩進(jìn)行發(fā)育。除非洞內(nèi)邊石壩的補(bǔ)給水源發(fā)生較大水文條件改變。因此，由外向內(nèi)型的邊石壩可反應(yīng)較短時(shí)期內(nèi)的洞內(nèi)水文條件的變化。也可為洞穴環(huán)境的改變提供一定的依據(jù)。

4.3 金瓜洞洞內(nèi)邊石壩形成因素

金瓜洞洞穴系統(tǒng)大致呈東西(WE)展布，洞底平坦。豐富的洞內(nèi)沉積物將洞廳分隔成4個(gè)廳室。金瓜洞洞道寬度一般為3～10 m ，最寬處約為28 m，平均高度為5 m，洞內(nèi)最大高度達(dá)48 m。金瓜洞形成由不同階段洞穴發(fā)育的巖溶系統(tǒng)組成，高差平均為0.5 m，最大高差為10 m。洞內(nèi)無(wú)地下河，水流多為上覆頂層裂隙滲入?yún)R集，分布有零散的水塘，水塘周邊為陡坎。金瓜洞經(jīng)歷了多期地殼運(yùn)動(dòng)和后期改造作用后，現(xiàn)金瓜洞洞內(nèi)由廊道、廳室組成，洞內(nèi)廊道大小不一，洞穴系統(tǒng)比較穩(wěn)定，有利于洞穴沉積物的發(fā)育和形成，為金瓜洞洞內(nèi)邊石壩提供了洞內(nèi)環(huán)境。以下主要從物理因素、化學(xué)因素兩方面對(duì)金瓜洞邊石壩的成因進(jìn)行分析。

4.3.1 物理因素

對(duì)于重力水沉積物，可溶性水和可溶性巖石在重力作用影響下進(jìn)行生成的碳酸化合物，金瓜洞洞內(nèi)沉積物類型豐富多樣，邊石壩是重力水沉積物的形成過(guò)程中具有代表性的洞穴沉積物[6]。凡受重力作用的可溶性水(可溶性水中含有大量以碳酸氫鈣的形式存在的可溶性鈣離子)都有豎直向下的生長(zhǎng)趨勢(shì)，導(dǎo)致碳酸化合物沿著邊石壩原始所處環(huán)境進(jìn)行發(fā)育；在受重力作用下，由于微地形的差異造成在傾斜的洞穴底板上的有可溶性鈣離子的水存在勢(shì)能差，形成流速快慢變化，在勢(shì)能差最明顯之處沉積要多一些，就形成了邊石壩[7]。對(duì)于金瓜洞洞內(nèi)的可溶性水主要是從洞頂?shù)稳胨睾投磧?nèi)巖石裂隙水沿著洞壁而下為其提供補(bǔ)給水源。造成邊石壩的水勢(shì)能差較弱。所以沒(méi)有形成較大規(guī)模的邊石壩群。邊石壩的形成雖然使壩內(nèi)水速變緩，但仍受重力作用較大，水流在壩頂?shù)囊缌魅允强焖龠M(jìn)行的，并在壩頂和背水面繼續(xù)產(chǎn)生沉淀。本文從可溶性水受重力作用下引起的流速增快導(dǎo)致邊石壩被水面頂部薄水比改變較大。產(chǎn)生沉淀主要發(fā)生于邊石壩的背水面頂部，其次背水面底部。迎水面沉淀較少甚至幾乎不沉淀[8]。

4.3.2 化學(xué)因素

由于金瓜洞位于典型的巖溶地區(qū)，金瓜洞洞內(nèi)巖石裂隙較多等因素，因此常有裂隙水或滴水伴生其間，這些水中含有大量以碳酸氫鈣的形式存在的可溶性鈣離子。為邊石壩的形成提供發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的原料[9]?，F(xiàn)根據(jù)對(duì)金瓜洞的進(jìn)洞實(shí)地考察，金瓜洞洞內(nèi)CO2的密度比洞外的大，洞內(nèi)呼吸次數(shù)明顯多于洞外，同時(shí)洞內(nèi)的空氣水分子較多。洞壁較多的裂隙水和滴水類為邊石壩提供補(bǔ)給水源。在富含CO2流水侵蝕下,石灰?guī)r發(fā)生溶解，會(huì)使石灰石構(gòu)成的巖層部分溶解，由于洞內(nèi)CO2濃度含量較高，有利于碳酸鈣轉(zhuǎn)變成可溶性的碳酸氫鈣[2]。如下反應(yīng)：

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

(1)

在金瓜洞穴勘察中，空氣中的水分子在燈光下顯得格外清晰，同時(shí)洞內(nèi)外溫度存在季節(jié)性變化。夏季，洞內(nèi)低于洞外；冬季，洞內(nèi)大于洞外[10]。由于水分的蒸發(fā)以及溫度的變化都會(huì)使二氧化碳溶解度減小而析出碳酸鈣的沉淀。這些沉淀經(jīng)過(guò)千百萬(wàn)年的積聚，漸漸形成了豐富的洞穴沉積物[11]。如果溶有碳酸氫鈣的水從溶洞頂上滴落，隨著水分和二氧化碳的揮發(fā)，則析出的碳酸鈣就會(huì)積聚成具有代表性的重力水沉積物亞類中的邊石壩[4]。反應(yīng)如下：

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O

(2)

在形成洞穴沉積物后。當(dāng)CO2從巖溶水中逸出，溶解于水中的碳酸鈣因過(guò)飽和產(chǎn)生沉積，形成次生化學(xué)沉積，使洞中廳堂有大量次生化學(xué)沉積物，規(guī)模宏大[12]，出現(xiàn)池中壩罕見(jiàn)的現(xiàn)象[6]。

5 結(jié)論

金瓜洞是貴州溶洞內(nèi)巖溶系統(tǒng)發(fā)育完整的典型，根據(jù)朱學(xué)穩(wěn)的分類方法、實(shí)際調(diào)查、勘測(cè)，將洞內(nèi)的沉積物進(jìn)行科學(xué)、系統(tǒng)地分類。主要從成因?qū)W、形態(tài)學(xué)這兩方面將金瓜洞洞內(nèi)沉積物分為重力水沉積、非重力水沉積、疊置沉積、異因同形沉積和協(xié)同沉積這五大類，為邊石壩成因研究和開(kāi)發(fā)提供科學(xué)的理論依據(jù)[4]，形成了洞內(nèi)類型豐富的邊石壩，并得出了以下結(jié)論：

(1)洞內(nèi)豐富的類型的邊石壩的形成是與洞內(nèi)的補(bǔ)給水源有著密切的聯(lián)系；

(2)由內(nèi)向外類型的特殊邊石壩沉積處流水速度小于流失壩中沉積處的邊石壩；

(3)通過(guò)邊石壩的生長(zhǎng)方向，可以間接判斷出所在時(shí)期洞內(nèi)環(huán)境的水文條件；

(4)在邊石壩的形成過(guò)程中，雖然受到洞內(nèi)的環(huán)境因素的影響，但最終仍然可以通過(guò)物理因素、化學(xué)因素對(duì)邊石壩的成因進(jìn)行解釋。