四川省康定市金湯地區一種新型溶洞及其發育機制

鄧朝燕，劉 順

(成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610059)

四川省康定市金湯鎮河壩村SE向大溝，發育一種與巖溶洞穴相比有許多獨特之處的新型溶洞，它們無論在構造背景、形態特征還是成因機制上都與典型的巖溶洞穴不同，研究它們將有助于我們識別和推斷地貌發育，對于研究溶洞的成因與演化有著重要意義。

筆者通過野外露頭的觀測，結合區域地質背景及相關文獻資料，對金湯新型溶洞形態特征進行描述，并探討其形成發育過程。

1 研究區域概況

金湯新型溶洞位于康定城區30°方向，屬康定市三合鄉河壩村，溶洞地理坐標為：東經102°19.226′，北緯30°17.299′，海拔高度2 576 m。

1.1 自然地理條件

研究區地處四川盆地西緣山地和青藏高原的過渡地帶，地勢由西向東傾斜。東部為高山峽谷，西部是青藏高原東緣，西北部為丘狀高原區，地貌上以寬闊的丘狀高原區面鑲嵌寬淺河谷為特征[5]。境內最高點為貢嘎山主峰，海拔為7 556 m，境內最低點為大渡河，海拔高度為1 390 m，由于地殼間歇性抬升，區內地形切割強烈，溝谷縱橫發育。

研究區按地理緯度應屬亞熱帶氣候，因地處川西高山峽谷區，且在盆地向高原過渡區域，所以形成了典型的青藏高原型季風氣候，垂直分帶特征較為明顯，隨著海拔高度的增加，氣溫逐漸降低、降水量增多，蒸發量減少[6]。區內年降水量豐富，但分配不均，主要集中于夏季，年平均降雨量為830 mm。年平均氣溫7.5 ℃，年平均最低溫度3 ℃，年平均最高溫度12 ℃，年日照數1 738 h，無霜期177 d。

區內地表水系發達，境內河流密集，共有大渡河、金湯河等大小河流溪澗共一百余條，流域面積從幾平方千米到上千平方千米。主要的流水方向為南北向、北東向、北西向，河流接受大氣降水及冰雪融水補給，水量豐富，但徑流量空間和季節分布不均，豐枯變化較顯著，豐水期主要集中在降雨量豐富的5月—9月，枯水期則在降雨量較少的12月—次年2月。

1.2 地質條件

研究區位于四川盆地以西、松潘-甘孜造山帶南段，地層區劃屬上揚子地層分區九頂山小區。金湯新型溶洞及附近地區出露地層主要為下泥盆統(D1)、中泥盆統(D2)、中二疊統(P2)、中三疊統(T2)、上志留統(S3)，其中金湯新型溶洞主要發育于下泥盆統(D1)。

溶洞南西側主要出露泥盆系中統(D2)、二疊系中統(P2)、二疊系上統峨眉山玄武巖組(P3β)。其中泥盆系中統(D2)巖性主要為淺灰色變質灰巖、白云巖夾千枚巖、泥質灰巖等。二疊系中統(P2)巖性主要為中厚層灰巖夾頁巖、泥灰巖、粉砂質板巖等。二疊系上統峨眉山玄武巖組(P3β)主要出露暗灰色杏仁狀玄武巖。

三疊系中統(T2)圍繞溶洞南、北西側，主要出露中厚層白云巖、泥質白云巖夾灰巖。志留系上統(S3)主要分布在溶洞南東側，中層為白云巖、結晶灰巖、生物碎屑灰巖底部為黑色鈣質頁巖。

泥盆系中統上段(D12)分布于溶洞南東、東側，主要巖性為淺灰色薄-中厚層灰巖、白云巖，生物灰巖夾泥質頁巖。

區域內褶皺及斷裂較為發育，主要的背、向斜有：二郎向斜、昌昌向斜、菩薩山背斜和二郎東背斜等。斷層多為弧形壓性、壓扭性斷裂，主要斷裂有：昌昌逆斷層、貝母山弧形逆斷層、黑懸溝弧形逆斷層(見圖1)。

1.上三疊統須家河組；2.中三疊統；3.上二疊統峨眉山玄武巖組；4.中二疊統；5.中泥盆統；6.下泥盆統；7.下泥盆統上段；8.下泥盆統下段；9.上志留統；10.志留系中上統；11.中志留統；12.下志留統；13.奧陶系中上統；14.奧陶系下統下段；15.震旦系-奧陶系；16.前震旦鹽井群石門坎組；17.前震旦鹽井群雅斯德組；18.澄江-晉寧期花崗巖；19.澄江-晉寧期石英閃長巖；20.澄江-晉寧期閃長巖；21.澄江-晉寧期混合花崗巖；22.逆斷層及編號；23.平移斷層；24.向斜及編號；25.沉積不整合界線；26.地層界線。①昌昌逆斷層；②黑懸溝弧形逆斷層；③貝母山弧形逆斷層；④昌昌向斜；⑤二郎向斜。

區域上巖漿巖出露廣泛，巖漿活動強烈，以噴出、侵入及貫入三種方式為主。主要有中條期、晉寧期及澄江期的巖漿活動[7]。

2 溶洞發育特征

可溶性的碳酸鹽巖，是巖溶洞穴發育的基礎。受地形地貌、地質構造、水動力條件等的綜合影響，巖溶洞穴常以溶洞群形式出現，溶洞的分布表現出明顯的平面分帶性和垂向成層性[8]。且巖溶洞穴通常發育于山體內，伴隨著溶蝕、侵蝕等作用，溶洞往往高、寬數米到數十米，長達數百米至數十千米。

而金湯新型溶洞發育于下泥盆統(D1)，主要以黑灰、灰褐色碎屑巖為主，厚度約為580 m，巖層總體為傾向南東、傾角40°～60°的單斜構造。周邊斷裂構造密集，主要發育北東向褶皺及一系列小型沖斷裂。由志留、泥盆、二疊等各系地層組成的褶皺，走向北東，但其形態被與褶皺平行的一組沖斷層所破壞。沖斷層斷面傾向北西，傾角>60°，斷裂兩旁均有破碎、牽引等擠壓現象。

金湯新型溶洞發育于山體外，平行于峽谷邊緣，沿北西—南東方向水平延伸，平直且無支洞，形態簡單，面積較小。洞穴總長>10 m，洞內斷面最大處高約2 m～3 m，寬約3 m～4 m，呈單通道廊道式。洞內偶有出露口，位于陡崖峭壁上，出露口高約2.5 m，寬約2 m，為不規則垂向橢圓形(見圖2)。

圖2 溶洞洞口形態

洞內次生碳酸鈣沉積較發育，主要有石鐘乳、石筍、石柱等，規模較小且形態各異，洞壁多有鈣化沉積，洞底偶有散亂堆積角礫碎屑等(見圖3)。洞外可見大量鈣化沉積、鈣質膠結物，偶爾可見溶塌角礫及燧石結核。在洞頂地面巖石上，可見大量股狀流水，水順陡崖呈線狀下瀉，流量較大，約為0.8 L/s。

1.頁巖(板巖)；2.泥巖；3.泥灰巖；4.鈣華沉積物；5.黏土類沉積物；6.石鐘乳或石柱。

綜上所述，金湯新型溶洞發育于碎屑巖之上，位于山體之外，平行于峽谷邊緣沿北西—南東方向水平延伸，形態簡單且面積較小，整體呈單通道廊道式。

3 溶洞成因探討

巖溶洞穴的發育、演化及形成，是長期地質、水文地質作用的結果。它的發育程度在特定的水動力條件下，受巖性、巖石結構、構造、地貌和化學成分制約[9]。而金湯新型溶洞的發育，同樣須具備一定條件。溶有碳酸鹽巖的水為金湯新型溶洞帶來豐富的物源，而地形地貌、地質構造、地下水的參與決定了其發育程度。

3.1 可溶巖層

金湯新型溶洞發育于下泥盆統(D1)，主要巖性為灰黑色頁巖、板巖，中厚層石英砂巖夾粉砂巖等。從可溶巖的純度來看，該區巖石的可溶性較差，不具備溶洞發育的條件。

研究發現，金湯新型溶洞南西側普遍出露泥盆系中統(D2)、二疊系中統(P2)、二疊系上統峨眉山玄武巖組(P3β)。其中二疊系中統(P2)巖性主要以深灰色中厚層石灰巖夾生物碎屑灰巖、中厚層白云質灰巖、灰質白云巖等碳酸鹽巖為主。由于其自身的化學組成和礦物成分，在自然體制下，易溶于水，為金湯新型溶洞的發育提供了基本的物質條件[3]。

3.2 地質構造

金湯新型溶洞南東側斷裂構造密集，主要發育北東向、北北東向斷裂。其中北東向斷裂，走向40°～60°，傾向南東，傾角60°～70°，為逆斷層，以壓扭性為主；北北東向斷裂，走向20°～30°，傾向南東，傾角50°～60°。斷裂構造使得巖層產生大量裂隙帶，為巖溶作用提供了極為有利的通道，控制巖溶的發育形態等。在具備豐富的補給源條件下，為區內地下水形成強徑流和頻繁交換提供導水通道，對金湯新型溶洞的發育起到加速作用。

3.3 地形地貌

金湯新型溶洞位于川西高山峽谷間，受地質構造及新構造運動的影響，地表起伏不平，其中南西側主山峰海拔約3 800 m，與金湯新型溶洞所在地相對高差1 225 m，從南往北逐漸降低，西高東低略有掀斜。溝谷切割深，水系坡降大，使地塊接受的大氣降水在地表、地下形成天然水頭勢差，有利于地下水沿著北東、北北東向節理裂隙從南西往北東流動，為地下水徑流提供了良好的徑流條件和勢能。

3.4 地下水的參與

區內地下水主要有碎屑巖類裂隙水、碳酸鹽類巖溶水兩類。裂隙水主要賦存于構造裂隙中，埋藏較淺，接受大氣降水、河流湖泊下滲。巖溶水主要接受大氣降水和上部裂隙水補給，通過落水洞灌入式或溶蝕裂隙滲入式補給到地下水[10]。

地下水順著地形坡向北東運動，裂隙流轉為脈狀流，在斷裂附近通過泉口流出地表轉為地表水。地下徑流與地表徑流相互轉換，使可溶性巖石溶于水中，形成溶液，被水荷載遷移或者被水機械沖刷，破碎成碎屑物[3]，在水動力作用下通過裂隙節理搬遷運移至金湯新型溶洞附近。

4 溶洞的形成過程

巖溶洞穴，是可溶巖(主要為碳酸鹽巖)因水的運移、溶蝕、侵蝕和重力崩塌作用在原地而形成的。而金湯新型溶洞在高原山地氣候環境下，經歷多期地質構造運動，各類巖石發生強烈的變形，產生褶皺及斷裂。微酸性的地表水通過落水洞下滲到溶洞南西側地層中，地表水流部分轉為地下水，不斷沿著裂隙對石灰巖進行溶蝕，形成溶液。隨著巖溶作用的進行，裂隙不斷擴大，石灰巖巖體內開始形成獨立的洞穴。此時，巖溶作用不斷加強，大量巖溶水不斷沿著節理裂隙由南西往北東運動。

由于海拔的變化及北東向斷裂的阻隔，大部分巖溶水自地下以泉水形式排泄至地表。地下巖熔水轉為地表巖溶水，由于溫度、壓力的驟變，水中的CaCO3呈現過飽和狀態，重新沉積，產生泉化。隨著地貌變化，大量地表巖溶水流經陡崖，形成小型瀑布，水流流速急速增大，內壓力減小，導致CO2逸散，過飽和的CaCO3迅速沉積，形成瀑布華沉積。而小部分巖溶水沿著節理裂隙在地下運動，水流量較小且動力較弱，出露地表后，沿著崖壁上漫流，因CO2的逸散，在崖壁上緩慢產生CaCO3沉積。由于地表及地下巖溶水沉積速率不同，使得四周沉積較快，中間沉積較慢，差異性的沉積逐漸在崖壁上形成圓弧狀空洞(見圖4)。

圖4 溶洞早期形態

隨著沉積作用不斷加強，巖溶水逐漸滲至空洞頂部出露時，水滴失去部分CO2呈現過飽和狀態，逐漸在洞內頂板處產生CaCO3沉積，形成倒置錐狀石鐘乳。當水滴順著石鐘乳跌落至洞內底部時，形成正置錘狀石筍。隨著石鐘乳及石筍的不斷增長，兩者逐漸對接形成石柱。巖溶水順著石柱不斷下流，CaCO3附著石柱不斷沉積，在長期的沉積作用過程中，圓弧狀空洞逐漸被封閉，最終形成“溶洞”。

1.石灰巖；2.白云質灰巖；3.白云巖；4.頁巖(板巖)；5.石英砂巖；6.泥巖；7.斷層；8.黏土類沉積物；9.鈣華沉積物；10.落水洞及溶洞。

總結分析，金湯新型溶洞的形成過程為：構造裂隙發育→地下水溶蝕南東側碳酸鹽巖→巖溶水以地表、地下兩種形式流經泥頁巖區至陡崖處沉積→地表巖溶水流量大、流速大、沉積快，沉積于外側；地下巖溶水流量小、流速小、沉積慢，沉積于內側→差異性沉積形成溶洞早期形態→逐漸封閉，溶洞形成。

5 結論

金湯新型溶洞與巖溶洞穴在地質背景、形態特征、發育過程都有較大的差異。本文研究了金湯新型溶洞的形態特征，探討了溶洞的形成演化過程，得出以下幾點結論：①金湯新型溶洞發育于黑色頁巖(板巖)等巖層上，位于山體外，平行于峽谷邊緣呈北西—南東方向水平延伸，形態簡單且面積較小，整體呈單通道廊道式。②金湯新型溶洞南西側地層普遍發育石灰巖、灰巖等碳酸鹽巖，為溶洞的發育提供了基本的物質條件。周邊斷裂構造密集，為巖溶水的運移及補給提供天然通道。且溶洞位于川西高山峽谷間，地勢總體呈現南西高北東低，有利于地表水、地下水沿著裂隙由南西往北東運動，為地下水徑流提供了良好的徑流條件和勢能。③金湯新型溶洞是由地下水溶蝕溶洞南西側碳酸鹽巖，受地貌、巖性及斷裂影響，大部分巖溶水自地下以泉水形式排泄至地表，流至金湯新型溶洞所在的峽谷谷坡陡崖處沉積，流量和流速大，CaCO3沉積迅速。小部分巖溶水沿著節理裂隙在地下運動，水流較小，動力較弱，CaCO3沉積緩慢。差異性沉積使得陡崖外側沉積快，中間沉積慢，逐漸形成圓弧狀空洞?？斩粗型瑫r形成石鐘乳、石筍、石柱等CaCO3沉積?？斩粗饾u封閉，最終形成溶洞。