雙河洞層狀溶洞與區域河流階地發育耦合關系探析

陳文奇 蔣璽 寧凡 況光顯 羅維均

摘 要：雙河洞巖溶洞穴系統是雙河洞國家地質公園的核心景觀，溶洞主體發育于寒武系中上統白云巖地層中，層狀延伸的4層溶洞反映了洞穴系統的階段性發育過程。野外調查顯示，與雙河洞層狀溶洞一致，池武溪河谷和芙蓉江上游旺草盆地保存了4級河流階地，其形成對多層溶洞的發育具有指示意義。本文從雙河洞巖溶洞穴系統的成層性出發，分析了區域河流階地的發育特征，探討了層狀溶洞與區域河流階地發育的耦合關系。結果表明，在池武溪河谷，多層溶洞和河流階地具有發育對應關系，而旺草盆地階地級差明顯低于池武溪河谷，反映了同一流域不同構造部位的地貌發育差異。根據階地和溶洞發育耦合關系分析，開展高精度階地定年將有助于厘定雙河洞多層溶洞系統的階段性發育時代。

關鍵詞：綏陽;雙河洞國家地質公園;白云巖溶洞;階地

中圖分類號：P534.63

文獻標識碼： A

文章編號?1000-5269（2020）05-0046-08???DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2020.05.08

貴州是喀斯特公園省，位于黔北綏陽縣境內的雙河洞國家地質公園有著獨具特色的巖溶洞穴系統、峽谷群、水文系統、野生生態資源等，是開展喀斯特研究、科普、旅游、探險的絕佳場所[1-6]。雙河洞巖溶洞穴系統是國家地質公園的核心景觀，據2019年3月27日發布的最新洞穴科考成果，截至2019年3月，雙河洞探明長度已達257.366 km，為亞洲第一、世界第五長洞。探洞資料顯示，雙河洞具有成層發育特點，自下而上大致由4層溶洞通過錯綜復雜的支洞連通形成龐大的巖溶洞穴系統。前人根據洞穴高程和發育特征，將雙河洞的形成和演化劃分了古地下河孕育期、石膏洞地下河期、山王洞地下河期、雙河水洞期4個階段，指示了黔北地區在新構造運動中的多期間歇性構造抬升[1，7]。

成因上，多層溶洞是地下水流通過溶蝕、沖刷、下切等形成的層狀地下空間。與之對應，受構造運動和氣候變化影響，地表河流常通過階段性侵蝕和加積作用，形成一系列階梯狀地貌——階地[8]。因此，一般認為同一自然地理區域內層狀溶洞和河流階地在發育機理和時效性上具有可對比性[9-11]。所以，開展層狀溶洞與河流階地發育的耦合關系分析，成為探討區域新構造運動和地貌演化的重要方法。例如，YANG等通過對索溪河流域河流階地、多層溶洞、層狀剝蝕臺地等地貌的發育耦合關系研究，探討了構造抬升和氣候變化影響下張家界世界地質公園砂巖峰林的形成和演化[12];呂金波等分析了房山世界地質公園石花洞系的發育特征，認為石花洞系8層溶洞可與北京西山永定河8級河流階地進行對比，溶洞與階地的發育對中國東部新構造隆升具有指示意義[13]。

筆者圍繞雙河洞國家地質公園開展了野外調查，發現在區域芙蓉江流域池武溪河谷和旺草盆地可見多級河流階地，它們的形成可與雙河洞多層巖溶洞穴發育相對應，綜合指示了黔北地區多期次的構造抬升與河流下切。為此，本文將從雙河洞巖溶洞穴的成層性和區域河流階地的分布及沉積特征出發，探討階地與層狀溶洞發育的耦合關系，綜合分析雙河洞巖溶系統的形成和演化。

1?雙河洞發育地質背景

雙河洞國家地質公園位于黔北綏陽縣北部，區域大地構造位于上揚子地塊黔北隆起區的鳳岡南北向隔槽式褶皺變形區[14]。溶洞系統發育于由NNE向、NE向和NW向3組褶皺斷裂帶所圍成的一個三角形斷塊中，斷塊內褶皺、斷裂不發育，但巖層節理較發育（圖1（a））。燕山運動中近東西向構造擠壓變形使三角形斷塊成為相對獨立的地質體，受新構造運動影響，區域發生多次間歇性構造隆升，構成多層溶洞發育的地質背景[1-2]。

雙河洞巖溶洞穴系統地處黔北集中的白云巖喀斯特地貌區，區域出露地層從寒武系（∈）到三疊系（T），缺失泥盆系（D）和石炭系（C）。其中寒武系中上統婁山關群（∈2-3ls），奧陶系下統桐梓組（O1t）、紅花園組（O1h）厚度超過千米的碳酸鹽巖為溶洞發育提供了重要的物質基礎，尤其是寒武系中上統婁山關群（∈2-3ls）白云巖地層中的硬膏巖、含膏白云巖對溶洞的發育具有十分重要的誘發和促進作用[15]。

2?溶洞發育特征

雙河洞洞穴系統主體發育于寒武系婁山關群（∈2-3ls）白云巖和奧陶系桐梓組（O1t）白云質灰巖地層中，是目前已探知的全球最長白云巖洞穴。洞區地層產狀平緩，傾向由南向西北呈NE、E、SE向展布。溶洞發育受地下水流向、地層產狀和巖層節理綜合控制[2，15，16]。

根據探洞資料，雙河洞洞穴系統洞道整體上由SW向NE向傾斜延伸，洞口指向池武溪河谷，組成一個龐大的地下洞穴網絡系統。從洞體末端到洞口，洞穴海拔高度從950～1 050 m逐漸降低到700 m以下，發育密度和發育參數（長、寬、高）逐漸變大，各層溶洞從基本不連通到彼此連通，洞穴類型也逐漸由旱洞和滲流帶洞穴變為水洞和地下水面洞穴[2]。

受階段性構造隆升影響，雙河洞具有多層性發育特點。多層溶洞間相對高差達501 m[1]，通過支洞、天坑、豎井等相連，形成復雜的網絡狀洞穴系統和地表水、地下水交互系統。雙河洞洞穴系統垂向上大致可分4層，其中最上第4層溶洞不發育，溶洞系統主體由其下3層洞穴組成。

由于雙河洞溶洞系統長度超過200 km，分布極為復雜，但從洞穴古地下河道發育及其延伸方向的相對高程變化，可推斷其成層發育特點。下面僅以溶洞系統中部的雙河水洞-石膏洞-杉林洞一線為例詳細描述其多層性。如圖2，首先從整體上，該區域洞穴發育主要有NE和SE兩個方向，洞穴呈西高東低傾斜延伸，反映了構造裂隙和地層產狀對巖溶洞穴發育的控制作用。根據古地下河延伸方向和洞道高程變化分析，可看出洞穴明顯呈3層分布。

雙河水洞和團堆窩地下河構成第一層溶洞（L1）。雙河水洞洞口見于池武溪上游（圖3（a）），洞穴由西向東標高從約720 m降低到洞口的700 m。團堆窩地下河北接團堆窩天坑（圖3（b）），洞穴由北西向南東延伸，標高由團堆窩天坑處708 m逐漸降低到667 m并與紅罩子洞東北支相連。L1層洞穴常年充水，為池武溪主要補給水源。上層洞穴通過團堆窩天坑和豎井等與L1層洞連通并完成水流補給。

第二層溶洞（L2）發育程度稍低于上下洞穴，區內主要由銅鼓皮硝洞和何教洞組成。西側銅鼓皮硝洞洞口位于團堆窩天坑，標高807 m，洞穴延伸與團堆窩地下河同向，南端通過豎井與上層石膏洞和下層團堆窩地下河相連。東側何教洞洞口見于池武溪河谷（圖（3c）），洞穴自西向東傾斜，標高從約730 m降低到洞口705 m，雖然其絕對高程與西側雙河水洞相當，但從溶洞群自西向東傾斜延伸的特點，以及洞口與池武溪高差（高于河面約20 m）分析，其為第二層溶洞無疑。何教洞在距洞口約300 m處有豎井與上層杉林洞相連。

第三層溶洞（L3）由杉林洞、石膏洞、羅教洞組成。杉林洞主洞口見于池武溪河谷（圖3（c）），標高760 m，由北東向南西洞穴標高增大，到雙河水洞南部峽谷的另一洞口標高達到820 m。與何教洞類似，雖然杉林洞洞口段絕對高程低于銅鼓皮硝洞（L2），但從洞穴的延伸和傾斜，以及與臨近的何教洞分析（圖3（c）），其應為三層洞穴。石膏洞也有兩個洞口，西側見于團堆窩天坑（圖3（d）），標高870 m，東側見于雙河水洞南部峽谷（圖3（e）），與杉林洞口隔谷相望，標高850 m。從高到低，石膏洞先為北西-南東向延伸，然后轉而南西-北東向發育并與杉林洞相連。羅教洞洞口見于團堆窩天坑（圖3（d）），與石膏洞隔谷相望，洞口標高880 m。從洞穴發育形態和展布特征分析，杉林洞、石膏洞、羅教洞主洞道原為同一洞穴，后被團堆窩天坑和峽谷切割分開。

3?區域河流階地

3.1?池武溪河谷階地

雙河洞巖溶洞穴系統地處長江水系烏江一級支流芙蓉江上游流域。區內池武溪從洞區發源，自西向東流經桂花村、公館槽等地后，與北側猛溪溝匯合折為近由北向南于溫泉鎮南匯入芙蓉江。

池武溪河谷為一狹長谷地，由于地表徑流較強，上游區域階地發育及保存較差。池武溪在公館槽以北與猛溪溝匯合后，河谷變得相對寬緩，斷續可見四級河谷階地（圖4）。

T1階地總體保存較好，位于池武溪兩側沿岸，標高從下游約640 m到上游約700 m，拔河高度4 ～10 m（圖4（a））。T1階地為基座階地，基底主要為碳酸鹽巖，下游部分區域為奧陶系湄潭組（O1m）頁巖、粉砂巖。T1階地面為山區難得的大片平地，因此土地利用程度高，基本未見原始的階地沉積物，階地面上深灰褐色耕植土中可見磨圓的礫石。

T2、T3階地一般見于池武溪中下游河谷北（東）側，與南側L2、L3層溶洞基本對應。T2階地為T1階地外側斷續平臺，標高約660 ～710 m，拔河高度約25 m（圖4（b）、圖4（c）），為基座階地。階地未見完整的沉積物剖面，但在部分區域可見磨圓較好的礫石，礫石主要為碳酸鹽巖，礫徑從數厘米到數十厘米不等，最大者見約40 cm。

T3階地由谷地邊緣一系列獨立的小山頭組成，標高從690 ～750 m不等，拔河高度約50 m（圖4（c）、圖4（d）），為基座階地，階地面風化殘積物中偶見磨圓礫石。

河谷T4階地整體保存最差，基本未見相關的河流沉積物，僅從部分山脊上的平緩部位依稀可辨，拔河高度推測約80 m以上（圖4（d））。

總體上，池武溪河谷階地發育及保存較差，基本未見完整的階地沉積剖面，但從地貌上仍可分辨階地級次。各級階地從分布和高度上與溶洞系統發育具有一定的對應關系。

3.2?旺草盆地階地

旺草盆地位于芙蓉江上游，雙河洞南約15 km，與雙河洞溶洞區同為芙蓉江流域。盆地南北長約5 km，東西寬約3 km，芙蓉江從盆地南部蜿蜒流過。由于地處山間盆地，階地發育和保存更為完整。盆地內可見級次清晰的四級河流階地（圖5、圖6（a））。

T1階地主要分布于芙蓉江及盆地內支流沿岸，形成盆地內廣闊的第一平臺，階地標高約680 m，拔河高度10～12 m（圖6（b））。T1階地為基座階地，基底為寒武系婁山關群（∈2-3ls）白云巖，基巖風化程度低。階地面的耕植土中多見大小不等的礫石，在官銀灘附近開挖蝦塘工地中，可見河漫灘相的砂質沉積物。

T2階地在盆地周邊基本為連續平地，盆地內則被切割為一系列平臺，階地標高約690 m，拔河高度約20 m（圖6（b）、圖6（c））。T2階地為堆積階地，自然剖面強風化為土黃色，強風化的階地沉積物中可見細小的磨圓礫石和砂粒，礫石以碳酸鹽巖為主，砂粒則主要是粗細不等的石英碎屑。石英碎屑具有較好的磨圓度。

T3階地斷續見于盆地邊緣，由一系列平頂小山丘組成，階地標高約700 m，拔河高度約30 m（圖6（c））。T3階地為基座階地，基底為寒武系婁山關群（∈2-3ls）白云巖，階地沉積物與T2階地類似。在盆地北側，見一層厚度約20 cm的礫石層，礫石含量約40%，以碳酸鹽巖為主，礫徑小于10 cm，磨圓中等。

T4階地主要由芙蓉江右岸的一系列孤立小山頭組成，地貌上依稀可辨。階地標高大約720 m，拔河高度約50 m。在盆地東南端桃樹灣見一工程開挖揭露較好的剖面（圖6（d））。剖面除白云巖基底外，自下而上可見3個沉積層。最下部為厚約1.5 m的砂泥質沉積物，很少見礫石。中間則為一厚約0.5 m的礫石層，礫石含量約60%，以碳酸鹽巖和砂巖為主，礫石呈次棱角狀，礫徑數厘米到數十厘米不等，具粒序結構，自下往上粒度減小，含量降低。礫石層上為厚約2 m的砂泥質層，沉積層底部含礫石與下層逐漸過渡，中部偶見中等磨圓的礫石，其余多為砂泥質沉積物，沉積物特征與T2階地類似。

4?討論

4.1?溶洞與階地耦合關系分析

層狀溶洞和河流階地都是間歇性地殼隆升保留下來的層狀地貌，因此其發育時間和級次上都具有可對比性。雙河洞層狀溶洞與區域河流階地發育對比見表1。

L1層的充水溶洞為池武溪主要補給水源，洞穴最低標高對應當前池武溪河床。但L1層溶洞洞體寬闊，洞頂高出水位線10 m以上（圖3（a）），所以從其發育看，L1層溶洞應與T1階地對應，洞穴主體應發育于T1階地形成階段，且當前區域正處于抬升下蝕期。在池武溪河谷，T1階地從上游向下游，階地拔河高度逐漸增大，反映了河流下切中隨水流匯集侵蝕作用加劇。旺草盆地T1階地拔河高度明顯高于池武溪河谷，也反映了當前階段芙蓉江干流強烈的河流下切侵蝕作用。

L2層溶洞洞口拔河高度約25 m，洞口呈鎖孔狀，洞高超過15 m（圖3（c）），所以洞穴形成可對應于池武溪河谷T2階地（拔河高度約25 m）。本階段在池武溪流域，溶洞形成規模較小，河谷階地保存也較差。但在旺草盆地，T2階地與T1階地相似，發育及保存都較好，形成了厚度超過10 m的堆積階地沉積層。旺草盆地T2階地與T1階地級差（8～10 m）總體低于池武溪河谷，且主要為堆積階地，反映了此階段盆地已基本形成，芙蓉江在盆地內以加積作用為主。

L3層溶洞規模較大，而對應的T3階地保存很差，說明在此階段地表和地下徑流都較強，利于洞穴沖刷形成，但河流沉積作用較弱。前人在與L3層溶洞對應的峽谷內，也發現了古河流強烈沖刷形成的礫石層[1]。旺草盆地的T3階地保存也不及T2和T1階地，但在盆地周邊仍可見間斷的水平階地面，一方面表明階地遭受了后期的強烈侵蝕和風化，另一方面說明本階段盆地已見雛形，但尚未充分夷平，不利于水流匯集和階地廣泛形成。

L4層溶洞發育程度低，僅在區域金鐘山南麓海拔1 000 m以上發現一些小型的豎井和斜洞[1]，說明早期古地下河尚未充分形成和貫通。而此時古地表河流已基本成型，在區域最高一級地形夷平面上形成一系列峽谷[1]與池武溪河谷T4階地對應。旺草盆地內T4階地也保存較差，從僅見的一個剖面（圖6（d））看，此時芙蓉江水流總體比較穩定，剖面中部的角礫狀沉積層反映了山區河流受季節性水力變化影響的沉積特征。

總體上，隨區域間歇性構造抬升，池武溪河谷由于古河流坡降大、徑流強，層狀溶洞和階地發育級差大，并受間歇時間和古氣候影響，形成了發育程度不等的多層溶洞和河谷階地。旺草盆地在構造上位于區域NNE和NW向2組斷裂褶皺帶的交匯部位（圖1），巖層變形和破碎導致風化作用加劇，利于負地形形成和水流匯集，因此在T4階地形成階段就沉積了穩定的河流沉積層。經過芙蓉江的長期侵蝕和山前沉積作用，山間盆地逐漸形成和夷平，因此階地整體保存較好，級差也明顯低于池武溪河谷。到T1和T2階地階段，盆地基本形成，水流匯集沉積穩定，在盆地內形成了廣闊平坦的階地漫灘相沉積層。

4.2?溶洞發育時代研究展望

近10年來，前人圍繞雙河洞國家地質公園開展了大量科學研究，從洞穴發育特征、水化學、溶洞成因與古環境演化等方面開展了大量卓有成效的工作[1-6，15-19]。隨著國家地質公園的深入建設，雙河洞巖溶洞穴系統的發育時代成為亟待解決的科學問題。李坡等測定了洞穴石筍的U系年齡，指示其生長時間從198 kaBp延續到36 kaBP[1]，但由于石筍生長通常滯后于溶洞形成，且時間連續性上具有不確定性，所以難以準確指示多層溶洞的階段性發育時代。

通過本文對層狀溶洞發育與區域階地形成的耦合關系分析，可看出階地的形成時代對雙河洞白云巖洞穴的階段性發育時代具有指示意義。研究表明，貴州主要河谷T1階地的沉積時代為全新世[14]，T2—T5階地則主要沉積于中-晚更新世[20]。但由于貴州的新構造運動隆升具有顯著的掀斜式特征，這些定性的時代探討并不足以限定雙河洞發育的準確時代。目前，階地定年已發展成為十分成熟的第四紀年代學研究方法[21-24]，因此，要準確厘定雙河洞巖溶洞穴系統的發育時代，開展高精度的階地定年將是一種有效方法。

5?結論

根據野外調查和觀測結果，本文對雙河洞層狀溶洞和區域河流階地發育的耦合關系進行了探討，得出如下結論：

（1）雙河洞白云巖洞穴系統具有顯著的成層性，多層溶洞總體呈西高東低向池武溪河谷傾斜延伸，溶洞分層與池武溪河谷階地發育具有一定的對應關系。

（2）在區域芙蓉江上游旺草盆地，四級河流階地可與池武溪河谷階地及雙河洞層狀溶洞對應，由于地處斷裂褶皺交匯帶，階地發育和保存更好，級差總體小于多層溶洞和池武溪河谷階地，反映了芙蓉江對旺草山間盆地形成的重要驅動作用。

（3）階地和溶洞發育的耦合關系分析表明，階地的形成與區域溶洞的階段性發育具有時效可對比性，可綜合指示區域間歇性構造抬升與河流下切，開展高精度階地定年可望用于厘定雙河洞巖溶洞穴系統的發育時代。

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（責任編輯：于慧梅）