陜西鎮巴三元天坑群巖溶地質遺跡特征及成因

任娟剛，洪增林,3，唐力，王鵬，王研，張靜，崔娜

陜西鎮巴三元天坑群巖溶地質遺跡特征及成因

任娟剛1,2，洪增林1,2,3，唐力1,2，王鵬1,2，王研1,2，張靜4，崔娜1,2

（1.陜西省地質調查院陜西 西安 710065；2.漢中天坑群國際研究基地，陜西 漢中 723100；3.長安大學地球科學與資源學院，陜西 西安，710054；4.陜西理工大學歷史文化與旅游學院，陜西 漢中 723001；）

漢中鎮巴三元天坑群是我國濕潤熱帶—亞熱帶發現的最北端巖溶天坑群，由4個相對獨立的巖溶系統構成。本文總結和整理了陜西寧強禪家巖天坑群地質遺跡分布特點，分析地質遺跡的基本特征及形成原因，分析巖溶形成演化機理。研究表明：該區天坑多數發育在山脊或山頂上，具退化天坑特征。

地質遺跡；三元天坑群；成因分析；陜西鎮巴縣

在我國32°～33°N濕潤熱帶-亞熱帶最北端發現的漢中天坑群是發育在揚子陸塊北緣的巖溶地貌，。其中，鎮巴三元天坑群由4個相對獨立的喀斯特系統之一，面積約133km2，發育有天坑、豎井、峽谷、溶洞、地下河、洼地、石林、石芽等類型，其中天坑、溶洞呈群集中分布，具有較高科學研究價值和景觀價值。通過對研究區巖溶地質遺跡的實地勘查和綜合研究，可探究該區的地質演化，有助于區域地質遺跡資源保護與利用。

圖 1 研究區地質環境與地質遺跡分布圖

1.可溶巖；2.半可溶巖；3.非可溶巖；4.三疊系大冶組、嘉陵江組；5.二疊系梁山組、陽新組、吳家坪組；6.上泥盆統鐵礦梁組、蟠龍山組；7.奧陶系-志留系龍馬溪組、新灘組、羅惹坪組；8.下-中奧陶統寶塔組；9.下奧陶統大灣組；10.下寒武統石龍洞組、清虛洞組、西王廟組；11.寒武系牛蹄塘組、石牌組、婁山關組；12.震旦系-寒武系燈影組；13.南華系-震旦系蓮沱組、南沱組、陡山沱組；14.斷層及編號；15.向斜；16.背斜；17.天坑及編號；18.豎井及編號；19.洼地；20.峽谷；21.石林-巴山林羅城；22.石芽；23.星月湖；24.溶洞；25.地下河；26.地表河

1 研究區概況

陜西省漢中市鎮巴縣三元鎮-青水鎮一線及興隆鎮一帶（圖1）處于秦嶺大巴山亞高山區的米倉山東段，主脊橫亙東西，地勢西北高，東南低，溝谷幽深、山脊陡峭狹長，相對高差大。海拔752～2 534m，表現為南緩北陡的頂面波狀起伏喀斯特臺地高原和深切的“ V ” “ U ”型河谷相間地貌組合。屬北亞熱帶東南季風濕潤氣候，年平均氣溫13.8℃，年均降雨量1 250～1 350mm。一級水系多呈平行狀，河流主要有涇洋河、褚河和青水河、尹家河。

研究區位于揚子陸塊北部被動陸緣—大巴山弧形前鋒沖斷褶帶。出露有志留系、奧陶系、二疊系及三疊系地層，受燕山期陸內造山作用影響，發育有多組與主構造線平行的相間排列弧形背斜和向斜疊加褶皺構造。后者主要出露有南華系、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、二疊系及三疊系地層，斷裂、褶皺發育，褶皺亦平行于構造線方向。區內山地地貌有海拔2 000m以上、1 300～1 500m和700～900m三個夷平面。二疊系可溶巖及三疊系半可溶巖是研究區巖溶地質遺跡的主要物質組成。

2 喀斯特地質遺跡類型及特征

2.1 喀斯特類型

地表喀斯特有天坑、豎井、洼地、峽谷、石林以及溶溝、溶痕等，地下喀斯特有溶洞與地下河，同時溶洞中發育類型眾多的次生化學沉積物（表1）。參考《地質遺跡調查規范（DZ/T 0303—2017）》分類標準，研究區喀斯特地質遺跡屬地貌景觀大類的碳酸鹽巖地貌亞類（楊金山等，2021）。

表1 研究區巖溶地質遺跡形態

2.2 典型喀斯特特征

2.2.1 天坑與豎井

天坑是由洞穴“廳堂“崩塌而成，四壁陡峭深井狀特大型塌陷漏斗，寬度和深度均不小于100m，寬度小于100m稱為豎井（茍潤祥等，2018）。

研究區發育有19個天坑以及3個典型豎井特征：①從地形地貌來看，除祁家梁天坑分布在Ⅰ級夷平面上，后灣天坑、凹坑天坑分布在Ⅲ級夷平面上，其余天坑均分布在Ⅱ級夷平面上。除天懸天坑、凹坑天坑發育在凹形斜面上，陰司、蒼埡、大凌冰洞、小凌冰洞等天坑發育在山谷中，其余天坑均發育在山頂及山脊上，是研究區天坑最大特色。②從發育特征，除天懸、后灣、星子山等天坑及白云村、璇洞、硝洞等豎井四周均為陡壁環繞，其余天坑陡壁有部分殘缺，殘缺段多呈緩坡狀，可沿緩坡步入坑底。除奇谷崖、上劉家灣、下劉家灣、祁家梁、后灣及蒼埡等天坑底未見有出水洞或入水洞外，其余天坑坑底均有發育，已被崩塌礫石堵塞。除陰司、石筍洞、老虎等天坑坑壁上發育兩層溶洞，其余天坑坑壁雖多有陡坎但均未見溶洞發育（洪增林等,2018）。說明絕大天坑形態不完整，多處于退化階段。③天坑的平面形態，天懸天坑呈近渾圓狀、后灣天坑呈三角狀、青崗坪天坑呈不規則孤島狀、圈子崖及白云村天坑呈腳掌狀、星子山天坑呈長條狀，其余天坑或呈橢圓狀、或近（似）橢圓狀。從天坑垂向特征來看，天懸天坑呈上小下大甕狀，天懸、后灣、星子山等天坑及白云村、璇洞、硝洞等豎井呈直筒狀，消洞天坑上部漏斗狀下部直筒狀，陰司、石筍洞白云村呈階梯狀，其余天坑壁有崩塌堆積呈漏斗狀。天懸天坑從形態上是本區最標準天坑。④發育地層，除星子山天坑主要發育在三疊系大冶組半可溶巖中，硝洞豎井發育寒武系石龍洞組可溶巖中，在其余天坑與豎井均發育在二疊系可溶巖地層中，同時天坑出露地段，地層產狀均較平緩。⑤天坑的規模（表2、圖3），圈子崖天坑長軸達520m，是規模最大天坑，屬于超級天坑（楊起超，1993）。硝洞天坑長軸達300m，屬于大型天坑，其余天坑均屬于常規天坑。天坑深度有較大差異，圈子崖天坑深度最大，達380m，青崗坪天坑深度最小，僅38m。圈子崖天坑周長最長，為1 327m，小凌冰洞天坑周長最小，為252m。圈子崖天坑面積最大，達96 080m2，老虎天坑面積最小，為2 163m2。

表2 天坑特征值一覽表

以上特征表明，天坑多數發育在山脊或山頂上，表現出退化天坑特征，是本區最大的特色。不同平面和垂向特征天坑、規模最大的圈子崖天坑、規模最小的老虎天坑、形態最典型天懸天坑，均分布在三元鎮雙河村，三元鎮雙河村一帶具有形成天坑最有利條件。

2.2.2 溶洞與地下河

地下溶蝕形態以地下河和溶洞最為典型，溶洞沉積物以砂泥質崩塌堆積物及次生化學沉積物為主。溶洞多沿現代河床兩岸分布，有以下特征：①典型地段均表現出明顯成層性或同類型特征。如雙河村一帶的凌冰洞、風洞、道洞等海拔高度均在1 500m左右，均為入水洞；仁和村一帶溶洞大致可劃分出1 600m、1 300m、1 000m等3個層，第1層的扁口洞和第2層的白龍洞均為干洞，次生化學沉積物發育，第3層的青龍潭洞為出水洞；青水河谷一線大致可以劃分出＞1 800m、1 300～1 500、1 100m、1 000m以及800m等5個層。第1層的溶洞多位于靠近山脊地段，為干洞。第2層的新洞子、洞灣洞等溶洞多位半山腰，出水洞居多。第3層的雷家寨洞、觀音洞等溶洞也多位半山腰，以干洞和水洞居多。第4、5層的溶洞均靠近現代河床面，出水洞居多；興隆鎮一帶溶洞大致可以劃分出1 400m、1 200、1 000m、以及800m等4個層。第1、2層的溶洞多位于山頂上相對低洼地段，干洞和入水洞均有。第3、4層的溶洞多位于現代河床上，出水洞居多；沿涇洋河河谷分布溶洞多為干洞。②次生化學沉積物發育程度差異較大。除風洞、金豬洞、扁口洞、神仙洞、魚泉洞等溶洞內次生化學沉積物較為發育外，其它溶洞僅少量發育或者不發育（朱學隱等，2003）。次生化學沉積物類型以石筍、石鐘乳、石柱等滴石沉積為主，少量有石田、石幔等流石沉積物。③溶洞規模較小，除金豬洞、白龍洞、凌冰洞、道洞、扁口洞、神仙洞、燕子洞、魚泉洞等溶洞深度大于400m外，絕大部分溶洞深度在100m內。除燕子洞、魚泉洞、穿洞子呈斜井狀外，其余多呈緩水平狀。在平面展布上多呈樹枝狀或迷宮狀，溶洞盡頭多呈尖滅狀。④發育地層，魚泉洞為寒武系石龍洞組，金豬洞、大巖洞為三疊系嘉陵江組，犀牛洞、大龍洞、穿洞子、觀音洞、雷家寨洞為三疊系大冶組，風洞、道洞、燕子洞、神仙洞為二疊系陽新組，凌冰洞、扁口洞、白龍洞、青龍潭洞、燕子洞、新洞子、洞灣洞、石筍洞、白崖洞為二疊系吳家坪組。總體以二疊系、三疊系地層為主。⑤大部分溶洞人類活動痕跡明顯。雷家寨洞是早期苗民居住地，至今保留有大量建筑物。觀音洞、金豬洞、新洞子多作為宗教祭祀用途。凌冰洞、道洞早期為儲存場所。風洞、扁口洞、白龍洞、燕子洞有大量的砂泥質崩塌堆積物和黏土堆積物，早期多作為熬硝用途。青龍潭洞、白崖洞、犀牛洞、神仙洞等溶洞為當地居民水源地，還有大量溶洞作為旅游用途。

三元鎮雙河村地下河是研究區最大的地下河系統，地下河流域面積64km2，主源頭在黃楊嶺一帶，向南東流經巴山林羅城，另一源頭位于箭桿山西南側，向南從巴山林羅城東側流過，共同匯入星月湖中，并繼續向南流向梨溪坪。域內發育地質遺跡包括圈子崖、天懸、大凌冰洞、小凌冰洞天坑、消洞、上劉家灣、下劉家灣、蒼埡等天坑，以及道洞、凌冰洞、風洞、石林、石芽、洼地等。

研究區相對完整地下河系統有青崗坪、星子山地下河。青崗坪地下河呈近南北向，發育青崗坪天坑、祁家梁天坑以及一系列小型落水洞和洼地，在洼地內部有上升泉。星子山地下河流向總體呈南南東向，發育有入水洞（白崖洞）、出水洞（犀牛洞、神仙洞）以及星子山天坑。

綜上，溶洞主要發育在二疊系、三疊系地層中。不同地段的溶洞群有明顯的成層性特征，與區域新構造運動有密切關系，具有重要科研價值。

2.2.3 其他地表巖溶

研究區峰叢洼地分布較多，分布在三元鎮雙河村及簡池鎮白云村一帶的Ⅰ、Ⅱ級夷平面，表現出圓錐狀緩峰叢或溶丘與淺碟狀洼地組合，或者單個洼地的形態特征，相對高差20～60m，多呈長條狀、橢圓狀，長軸與褶皺的展布方向一致。白云村一帶的青崗坪洼地是由是溶丘圍繞而成的地表形態，洼地內有地下河出口，具有溶蝕洼地的特征。雙河村一帶的梨溪坪洼地、蒼埡洼地等均為單個洼地形態，內無地表河，表現出喀斯特發育的老年期階段。在雙河村北部的Ⅰ級夷平面上發育洼地也較多，其中，有一洼地由于大氣降水匯聚成湖，湖面呈近橢圓形，近南北向長軸約259m，短軸約108m，周長約為621m，深度大于15m，周邊又有多個小洼地環狀分布，稱為星月湖，具有較高的景觀價值（陳宏峰等，2016）。

研究區發育峽谷極多，有白天河峽谷、涇洋河峽谷等，在三元鎮、簡池鎮等地也多有小規模峽谷發育，在峽谷兩側多有石柱、斷崖。白天河峽谷走向為近東西向，全長2.3km，谷寬6～25m，高120m左右，最高處200m。兩壁坡角70°左右。涇洋河峽谷寬15～60m，高60～100m，涇洋河切割劇烈、地形陡峻，峽谷兩側巖壁上多溶洞、天生橋、瀑布。

石林最典型的屬三元鎮雙河村一帶Ⅰ級夷平面上的巴山林羅城，石林區平均海拔2 138m，面積2.5km2，單個石柱高20～30m，呈刃脊狀或劍狀，石柱間距在10～30m，最窄處僅容一人通行。

石芽主要分布在青水鎮仁和村-三元鎮雙河村-大池鎮迎春村一帶，位于Ⅱ級夷平面。以裸露型最為發育，埋藏型次之。大池石芽群由數十個面積20～40m2石芽群組成，單個石芽高度1～3m左右，形態各異，總體呈刀脊狀，表面多見小溶坑、溶痕等。埋藏型石芽主要分布溝谷兩側或道路開挖地段，上覆土層一般厚約2m，石芽底部相連，頂部高約0.30～1.5m，呈刀脊狀，石芽表面溶溝、溶痕極為發育（丁曉平等，2019）。

3 形成條件分析

研究區喀斯特地質遺跡的個體形態以及不同形態組合特征是地層、巖性、構造以及氣候水文等因素的綜合反映。

3.1 地層巖性條件

研究區地層根據主要巖性組合及水文地質特征，可分為可溶巖、半可溶巖和非可溶巖3類。可溶巖地層為燈影組、石龍洞組、清虛洞組、西王廟組、寶塔組、陽新組、吳家坪組，巖性以灰巖為主，白云巖次之。半可溶巖地層為大冶組、嘉陵江組，主要巖性為泥質灰巖、泥質白云巖、白云巖，分布有峽谷和溶洞。非可溶巖以羅惹坪組碎屑巖地層為區域隔水層。

3.2 構造條件

構造對巖溶地質遺跡形態的發育控制作用。燕山期陸內造山作用控制了沉積盆地的演化，以司上-鎮巴斷裂為界，東側司上-紫黃沖褶帶斷裂及褶皺均極為發育，對喀斯特作用的發育極為有利，但由于卷入的地層沉積厚度相對較薄，發育了數量較少的天坑、溶洞，且規模均較小。西側的鎮巴-萬源褶皺帶斷裂構造不發育，褶皺構造卻極其發育，共有向斜、背斜褶皺10余組（圖3），為南北向或近南北向延伸。褶皺加厚了地層厚度，奠定了天坑、溶洞等地質遺跡的發育基礎。背斜皺褶軸部發育了大量節理和裂隙（NE-SW向和NW-SE向），控制了地下河運移方向（呈近NS向）。地下水匯聚，形成較大規模溶洞系統，促進了天坑的形成。例如，雙河村道洞發育了兩組不同走向節理構造，地下河呈近NS向，主洞呈325°方位，支洞呈240°方位，展布與節理產狀一致，主洞與支洞轉折處也是兩組節理交匯處，發育了較大規模洞廳。位于興隆鎮神仙洞主洞走向341°～0°，與其附近發育主斷裂走向一致，支洞洞道走向呈200°，與節理走向吻合；受制于多組節理裂隙，洞道在縱向和橫向上多方位發育，形成三層洞道和兩個支洞復雜空間。

圖2 研究區綜合地質、地貌剖面示意圖

1．碳酸鹽巖；2．白云巖；3．泥質碳酸鹽巖；4．碎屑巖；5．三疊系大冶組、嘉陵江組；6．二疊系梁山組、陽新組、吳家坪組；7．奧陶系-志留系龍馬溪組、新灘組、羅惹坪組；8．下寒武統石龍洞組、清虛洞組、西王廟組；9．寒武系石牌組、牛蹄塘組、婁山關組；10．震旦系-寒武系燈影組；11．南華系-震旦系蓮沱組、南沱組、陡山沱組；12．地質遺跡點

3.3 氣候水文條件

研究區屬北亞熱帶東南季風濕潤氣候，氣溫年差較大，降水豐沛。對巖溶地質遺跡的形成提供了有利條件。

4 結語

（1）研究區地質遺跡多樣性豐富，分地表和地下2大類，均屬于碳酸鹽巖地貌亞類地質遺跡。地表有天坑、豎井、洼地、峽谷、石林以及溶溝、溶痕等，地下有溶洞與地下河，次生化學沉積物。

（2）特天坑多數發育在山脊或山頂上，具退化天坑特征。

（3）研究區喀斯特地質遺跡主要發育在二疊系可溶巖地層中，次之為三疊系半可溶巖和其它可溶巖地層中。

（4）研究區巖溶地質遺跡研究有重要意義，可進一步開展地質、地貌演化過程以及對地質環境變化的研究。

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Characteristics and Genesis of Karst Geoheritages of the Sanyuan Tiankeng Group in Zhenba, Shaanxi

REN Juan-gang1,2HONG Zeng-lin1,2,3TANG Li1,2WANG Peng1,2WANG Yan1,2, ZHANG Jing4CUI Na1,2

(1-Shaanxi Institute of Geological Survey, Xi’an 710065; 2-Hanzhong Tiankeng Group International Research Base, Hanzhong, Shaanxi 723100; 3- College of Earth Sciences and Resources, Chang’an University, Xi’an 710054; 4- College of History, Culture And Tourism, Shaanxi University of Technology, Hanzhong, Shaanxi 723001)

The Sanyuan tiankeng group in Zhenba, Shaanxi occurs in northernmost part of the humid tropics-subtropics in China. It consists of 4 relatively independent karst systems. This paper has a discussion on distribution, basic characteristics, genesis and evolution of the Shanjiayan Tiankeng Group lying on mountain ridges in Ningqiang, Shaanxi. These tiankengs are characteristic of retrograde tiankeng.

geoheritage; Sanyuan tiankeng group; genesis; Zhenba, Hanzhong, Shaanxi

P931.5；P642.252?

A

1006-0995（2021）03-0523-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.03.035

2021-06-26

陜西省教育廳2019年教育薄弱環節改善與能力提升補助項目“天坑群地質遺跡價值與保護利用研究”（2050205-50502）；陜西理工大學校級重點項目“秦巴巖溶區全新世環境演化與生態地質評價”（SLGPT2019KF04-06）

任娟剛（1979— ），男，陜西武功人，高級工程師，在讀碩士研究生，主要研究方向為區域地質、地質遺跡調查

洪增林（1963— ），男，甘肅隴西人，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為地理學、控制科學與工程