通讯作者简介: 黄华芳,男,1960年生,河北师范大学教授,现主要从事资源与环境研究。E-mail:hhf@mail.hebtu.edu.cn。
第一作者简介: 张晓曼,女,1985年生,河北师范大学硕士研究生,现主要从事资源与环境研究。通讯地址:河北省石家庄市南二环东路20号;邮编:050024。E-mail:xiaoman0903@126.com。
河北崆山白云洞发育在以中寒武统张夏组厚层鲕粒灰岩为主的碳酸盐岩地层中。通过对洞穴结构、形态以及沉积物特征的观测分析,结合区域地质演化、古气候演变研究,认为:(1)白云洞由3层洞穴构成,上层为大型厅堂状,中层和下层为狭窄廊道状。洞穴展布受控于 NNW、 NE和近 EW向断裂。(2)洞穴发育形态、规模不仅与岩性和构造有关,还取决于洞穴形成时期的构造稳定性及与之耦合的气候条件,其成层分布是间歇性构造抬升的结果。(3)溶洞沉积物形态多样,其中毛细水沉积的网状卷曲石、协同沉积的玉簪对净瓶等极为罕见。(4)溶洞发育过程中历经多次坍塌,损毁严重。现今的白云洞岩石破碎,结构稳定性差,易遭破坏。研究白云洞地貌和沉积特征及影响因素,对预测其未来变化、保护洞穴旅游资源有重要意义。
About the corresponding author: Huang Huafang,born in 1960,is a professor of Hebei Normal University.Now he is mainly engaged in resources and environment.E-mail:hhf@mail.hebtu.edu.cn.
About the first author: Zhang Xiaoman,born in 1985,is a master degree candidate of Hebei Normal University.Now she is mainly engaged in resources and environment.E-mail:xiaoman0903@126.com.
Kongshan Baiyun Cave developed mostly in thick oolitic limestone strata of the Middle Cambrian Zhangxia Formation.By means of the observation and analysis on cave texture,morphology and sedimentary characteristics of the Baiyun Cave,along with areal geological evolution and palaeoclimate evolution,it was indicated that(1)Baiyun Cave system comprised three layer caves.The upper layer presented large hall-like caves.The middle layer and the lower layer were narrow corridors.The distribution of the caves was controlled by NNW,NE and nearly EW faults.(2)Development of the cave shape and size not only related with lithology and structures,but also depended on tectonic stability and coupling climatic conditions in the forming periods of the caves.The layered distribution of the caves was the result of intermittent tectonic uplift.(3)The karst cave deposition landscapes are various.Therefore,reticular helictite made of the capillary water deposition and hosta to aquarius formed from collaborative deposition are very rare.(4)Baiyun Cave was damaged repeatedly by tectonic movements during its development.Nowadays,Baiyun Cave rock is fractured and the cave structural stability is not good.So researches on geomorphic features, sedimentary characteristics and their influencing factors of Baiyun Cave are important to predicting the future change and protecting cave tourism resources.
崆山白云洞位于河北省临城县西竖乡, 北距石家庄市86 km, 南距邢台市56 km。洞内溶洞沉积物发育, 成因类型多样。自1988年白云洞被发现之后, 曾有多位学者对溶洞进行过研究(彭一民和赵华新, 1994; 宋林华等, 2000, 2003), 但基于区域地质背景的溶洞沉积物及溶洞演化研究较少。作者试图通过野外地质地貌调查和溶洞实地观测数据分析, 结合区域地质背景, 研究溶洞沉积物的成因, 并重塑溶洞的形成演化过程, 以期能够为中国北方溶洞地质研究提供基础资料, 同时为溶洞的开发利用提供科学依据。
崆山白云洞地处太行山隆起带与华北沉降带交接部位的赞皇古隆起东翼。该区出露的岩石地层主要有上太古界阜平群变质岩、中元古界长城系石英砂岩、下古生界寒武系— 奥陶系碳酸盐岩和上古生界石炭系— 二叠系碎屑岩及第四系冲积— 洪积层(图 1)。构成崆山主体的是厚度大于1100 m的寒武系— 奥陶系碳酸盐岩。其中, 中— 下寒武统为紫红色页岩夹灰岩、薄层灰岩, 厚约100 m; 中寒武统张夏组为深灰色厚— 中厚层鲕粒灰岩、含生物碎屑灰岩、竹叶状灰岩和泥质灰岩夹页岩, 厚约180 m; 上寒武统为灰色薄层状含泥质条带灰岩和竹叶状灰岩, 厚约80 m; 下奥陶统冶里组为灰白色厚层白云岩, 厚约137 m, 亮甲山组为灰白色中厚层含燧石结核灰岩、白云岩, 厚约121 m; 中奥陶统马家沟组为灰色中— 厚层状灰岩、微晶灰岩夹豹皮状灰岩, 厚约500 m。白云洞在第四纪形成于以中寒武统张夏组为主的碳酸盐岩地层中(图 1)。
寒武纪— 奥陶纪地层总体走向NNW、倾向NEE、倾角30° ~40° , 发育了不同时期的NNW、NE和近EW向3组陡倾张性— 张剪性断层。NNW向断层规模较大, 形成于中生代燕山运动期间, 为赞皇古隆起抬升阶段的产物(河北省地质矿产局, 1989), NE和近EW向断层虽然规模较小, 但自新生代形成以来活动性较强。此外, 伴随着多期断层的形成和活动, 还发育了NW、NE、NWW和NEE向等多组节理(或裂隙)(图 1)。
崆山地区为暖温带半湿润大陆性季风气候, 年均温约13.5 ℃, 年降水量约540 mm, 年蒸发量约470 mm。
白云洞是由人间厅、天堂厅、地府厅、迷宫和龙宫等构成的复杂岩溶洞穴系统, 在垂向分布上可分为3层 (图 2)。第1层(上层)为厅堂状的人间厅、天堂厅和地府厅, 海拔高度140~170 m; 第2层(中层)以廊道为主, 包括迷宫的主体和龙宫的上部, 海拔高度125~135 m; 第3层(下层)主要为龙宫下部的水平廊道洞穴, 海拔高度115~120 m。
由人间厅、天堂厅和地府厅共同构成的第1层溶洞, 总体呈NNW向延伸, 反映其主要受NNW向断裂控制; 洞体周缘轮廓的锯齿状特征同时也表明沿NW、NE和近EW向等断裂的侵蚀和溶蚀作用对溶洞形态的发育有重要影响(图 3)。从纵剖面(图 4, A-A')形态来看, 第1层溶洞受一系列近EW向张剪性断裂活动影响, 自南北两端向中间阶梯状下降, 总体呈现倒“ 品” 字型组合特征, 人间厅和天堂厅的顶底板均向地府厅倾斜。各洞厅不对称的三角形横剖面形态(图 4, B-B', C-C', D-D')又揭示出, 虽然东西两侧的NNW向张性断层控制着总体延伸方向, 但剖面“ X” 型交叉节理和顺层节理对溶洞横剖面形态的发育有重要影响。
迷宫和龙宫主体均呈廊道状, 都表现出次一级成层分布的特征, 各层溶洞以陡倾裂缝溶蚀而成的倾斜通道相连接(图 5, 图6)。迷宫位于天堂厅之下, 以狭窄的廊道为主, 间隔有小规模厅堂。由于主体沿NW
和NE向断裂发育, 局部地段还发育有沿其他方向断裂侵蚀、溶蚀而形成的支洞, 所以其总体形态复杂。迷宫内的沉积景观多发育在小厅堂内。龙宫位于天堂厅东侧下方, 主体沿NE和NNW向断裂发育, 形态曲折, 分支洞众多。在多处断裂交汇部位, 因侵蚀、溶蚀作用强烈而发育多个不规则的厅堂。龙宫内沉积景观极为丰富, 多分布在大小不等的厅堂内和宽大的溶蚀缝洞中。与迷宫相比较, 龙宫不仅规模大、化学沉积景观丰富, 而且各种溶蚀— 侵蚀景观以及早期景观与新生景观叠加等现象也很多见。
从纵剖面可以看出, 溶洞整体形态较为复杂, 既有沿倾斜或水平断裂侵蚀、溶蚀而成的倾斜廊道和水平廊道, 也有沿多组断裂交汇部位侵蚀、溶蚀而形成的厅堂状溶洞。从洞体各横断面形态来看, 交叉断裂控制或影响的地段多呈不规则“ 三角形” , 顺倾斜断层侵蚀、溶蚀的地段多呈“ 扁平状” 形态或被溶蚀裂隙复杂化的形态。水平廊道地段多呈“ 拱门型” 、不规则“ 多边型” 和“ 蘑菇形” , 反映在溶洞发育过程中不仅受到断裂活动影响, 而且还有一定的抬升作用。
白云洞各溶洞规模见表1。
与中国北方其他溶洞(俞锦标, 1994; 沈凛梅等, 1998; 赵兴云, 2000; 傅迷等, 2010; 王健等, 2011)相比, 白云洞沉积类型较齐全。依照朱学稳(1982, 1988, 2005)根据水动力作用方式提出的分类方案, 可将白云洞沉积景观分为重力水沉积、非重力水沉积、协同沉积和叠置沉积等类型(表 2)。
滴水沉积。滴水沉积景观在白云洞的三层溶洞中均有发育, 数量多, 分布广, 大小不一, 形态各异, 包括石钟乳、石笋、鹅管、石柱等。石钟乳长势多样、造型奇特(图 7-1), 鹅管由均匀慢速滴水形成, 自顶向下生长, 粗细均匀, 中空(图 7-2)。石柱成因复杂, 既有石钟乳生长快于石笋, 尔后对接形成者(图 7-3), 亦有相反情况(图 7-4); 且可见含Fe2O3的红色石柱和纯CaCO3白色石柱(图 7-5)。
流水沉积。白云洞的流水沉积类型丰富、规模较大。可见面状水流所成的石帷幕(图 7-6), 高5 m, 宽10 m; 洞顶裂隙水流塑造的石瀑布(图 7-7), 高8.5 m, 宽6 m; 洞顶裂隙渗水而成的石旗, 长16 m, 宽约1.5~2.0 m; 还见石盾(图 8-1, 8-2)等。
飞溅水沉积。白云洞的飞溅水沉积主要为石花、石葡萄。为饱含碳酸钙的飞溅水珠粘附到洞壁或石笋、石幔等沉积物的表面, CaCO3沉淀而成的次生化学沉积物。
毛细水沉积。白云洞中主要为卷曲石、石枝等。卷曲石是在毛细水作用下形成的毛状、针状沉积物。其形成时, 由于洞中湿度、气流的变化以及微小晶体沉积固结速度的不同, 导致了晶体间空隙方位的变化, 毛针状沉积物便无定向卷曲生长而交织成网, 非常罕见(图 8-3); 石枝是富含CaCO3的水溶液从碳酸钙沉积物的细小管状孔隙中渗出, 尖端水汽蒸发钙质沉淀而成, 发育方向不受重力影响(图 8-4)。
雾气凝结水沉积。由雾气凝结水形成的石毛、石针是在洞内环境湿润的条件下, 由于温度和湿度的变化使雾气凝结水析出CaCO3沉积而成。生长方向不受重力影响, 生长在洞顶或洞壁, 常常成簇状集合体。
协同沉积指两种或两种以上运动形式的水流共同作用而形成的次生碳酸钙沉积。
滴水— 流水沉积。主要为片状石钟乳、外层被流石所覆盖的大型石笋、石柱等。如发育在许多石幔下端的片状石钟乳就是面状水流向线状水流、滴水转化过程中形成的。大型的石笋、石柱外层大多被面流沉积所包裹, 显然是由滴水及其转化而来的面状流水共同作用形成。
滴水— 飞溅水沉积。多见石笋表层有较多石花发育, 为滴水与飞溅水共同作用而形成。
滴水— 非重力水沉积。如石钟乳与簇状石针、石枝、石毛等共生的情况, 是滴水— 非重力水协同沉积的结果(图 8-5)。
叠置沉积是指在同一地点的不同时期, 由于水动态和运动方式发生变化, 沉积物叠加、附着或包裹在一起的沉积现象。沉积物的内层或底层比外层或上层时代老(朱学稳, 2005)。如石钟乳与其外层包裹的网状卷曲石, 系重力水和非重力水2个作用阶段形成的沉积物(图 8-3); 石竹是在石柱发育过程中, 滴水转变为流水后, 在表面叠置沉积外包裹层的同时, 沿石柱横断裂隙处形成环状凸起, 从而展现出竹节状特征(图 8-6)。
此外, 值得一提的是白云洞中的溶蚀— 侵蚀现象。它们是在地下水或溶洞流水溶蚀、侵蚀作用下, 在溶洞顶部或侧壁形成并遗留下来的各种痕迹。根据朱学稳(1988)的分类标准, 白云洞发育的溶蚀形态主要有窝穴类、井管类、沟槽类和蚀余类等类型。窝穴类的发育大多与裂隙有关, 沿单向裂隙发育的窝穴呈串珠状, 沿多组交叉裂隙发育的窝穴呈网状分布。成群分布的许多小窝穴, 当溶蚀程度加深使窝穴间的岩块崩落, 便演化成具有多个冠室的大型窝穴(图 8-7); 井管类主要为天筒, 断面为圆形, 深度不超过1 m, 多发育通向深处的小管或裂隙, 主要形成于潜流条件下, 其发育多与裂隙有关; 沟槽类主要为侧壁横向水平沟槽, 多发育在潜水面附近, 由溶蚀作用形成, 常呈多层状分布, 能够反映潜水面的变化(朱学稳, 1982); 蚀余类是形态多样的突出于洞壁的原岩正形态(朱学稳, 1988), 见图8-8。
早古生代, 崆山地区处于温暖的浅海环境, 沉积了巨厚的碳酸盐岩地层, 为白云洞的形成和发育提供了物质基础。在其后漫长的地质演化过程中, 海陆几经变迁, 直到中生代燕山运动期间才奠定了近代地貌的基本轮廓。新生代喜马拉雅运动时期, 伴随着太行山间歇性隆升运动, 崆山地区不仅早期断裂活动明显, 还形成了一系列新的断裂构造, 构成了大气降水、地表水的下渗通道及地下水的径流网络, 为岩溶洞穴的发育提供了构造条件还控制了白云洞的溶洞形态、结构和空间展布特征。
崆山白云洞形成于第四纪更新世。这一时期的气候具有亚热带向暖温带过渡的特点, 冷暖干湿变化显著(周廷儒, 1983; 周昆叔, 2002; 吴忱, 2008)。地壳抬升期与温湿气候期的耦合, 地表水和地下水沿各类断裂侵蚀、下渗强烈, 有利于河流下切、溶洞下蚀, 洞内化学沉积物发育, 但同时也伴随有溶洞坍塌; 地壳构造稳定期与温湿气候期耦合时, 有利于地貌面和水平溶洞及洞内各类沉积的发育。而地壳抬升期与冷干气候期的耦合时, 溶洞坍塌和形态改造活动显著; 构造稳定期与冷干气候期的耦合时, 溶洞结构和形态相对稳定。
1.00~0.78 Ma BP, 早更新世中晚期, 地质构造环境比较稳定, 气候温暖湿润(吴忱, 2008), 地表水及地下水活动都较为强烈。在长达220 ka的构造稳定期内, 地表河流— — 泜河的侧蚀展宽, 塑造了宽阔的第4级河流阶地面; 在地下潜水面附近沿NNW— SSE向断裂发育了白云洞第1层大型水平溶洞, 其现存部分(人间厅、天堂厅和地府厅)的总长度超过170 m, 洞内化学沉积及溶蚀— 侵蚀现象非常丰富。
0.78~0.60 Ma BP, 中更新世早期, 崆山地区发生了强烈的构造抬升运动(吴忱等, 1999; 郭康等, 2007; 吴忱, 2008)。该时期气候温和湿润, 降水较多(周廷儒, 1983; 周昆叔, 2002), 泜河急剧下蚀, 形成了高达70 m左右的第4级河流阶地。伴随着地壳运动, 白云洞第1层溶洞也被抬升至渗流带, 大气降水、地表水沿先期断层和裂隙下渗到洞中, 发育了众多溶洞沉积物。然而在溶洞抬升的后期发生了第1次强烈崩塌事件, 大量的壁流沉积物、石笋、石钟乳等崩塌堆积于洞底, 使溶洞受到严重破坏(图 9-1)。
0.60~0.12 Ma BP, 中更新世中期— 晚更新世初期, 地壳运动又进入了一个较长的间歇期。此时气候干湿、冷暖波动, 但总体温偏凉偏干(周廷儒, 1983), 降水较少。在长达480 ka的构造稳定期, 泜河虽侧蚀缓慢, 但也形成了较为宽展的第3级阶地面; 与此同时, 有限的大气降水和地表水沿多组裂隙下渗到第1层溶洞内, 产生了一定的溶蚀— 侵蚀作用和化学沉积作用。而在地下潜水面附近, 受温干气候影响, 地下水活动性较弱, 溶蚀作用仅沿着先成裂隙进行, 规模较小, 因此形成的第2层溶洞(迷宫主体和龙宫上部)多呈格网状廊道形态。
0.12 Ma BP~50 ka BP, 晚更新世早期, 构造抬升运动再次强烈发生(吴忱等, 1999; 郭康等, 2007; 吴忱, 2008)。这一时期的大多时段处于末次冰期前的间冰期, 因此气候以温暖湿润为主(周昆叔, 2002), 雨水充沛, 泜河的快速下切形成了高约30 m的第3级阶地。同时, 伴随着地壳的快速抬升, 白云洞第2层溶洞被抬升至渗流带。较多的大气降水、地表水沿裂隙先后下渗到第1层和第2层洞中, 并沿陡倾断裂继续下蚀, 形成联系各层溶洞的通道(图 2)。此时期, 溶洞内部的溶蚀— 侵蚀现象和化学沉积都较发育, 尤其是第1层溶洞内规模较大。但在抬升后期溶洞发生了第2次强烈坍塌, 洞穴损毁严重, 众多的崩塌石块、破碎石笋和石钟乳等堆积于洞底(图 9-2)。
50~10 ka BP, 晚更新世晚期— 早全新世初期是地壳趋于稳定的时期(吴忱, 2008), 也是末次冰期中后期冰阶与间冰阶频繁交替的时期, 气候暖湿与冷湿变化明显(周廷儒, 1983)。在短暂的构造稳定期内, 泜河的小规模侧蚀形成了狭窄的第2级阶地面; 同时, 白云洞洞顶的裂隙渗水仍在进行着沿途溶蚀— 侵蚀和洞穴沉积作用。在地下潜水面附近, 地下水沿断裂侵蚀、溶蚀也形成了规模较小的第3层溶洞— — 龙宫下部以廊道式为主的水平溶洞。
10~7.50 ka BP, 早全新世中晚期, 崆山地区发生了第四纪以来的第3次快速抬升运动(吴忱等, 1999; 郭康等, 2007; 吴忱, 2008), 据泜河的第2级阶地高度估算, 抬升幅度17 m左右, 抬升速度之快前所未有。这次强烈的构造运动引发了白云洞新一期的大规模坍塌, 巨大的崩塌岩块不仅遍布1层洞厅, 在迷宫和龙宫也可随时看到 (图 9-3)。
白云洞自形成之后经受了多期剧烈的构造活动, 洞顶岩石破碎、崩塌严重, 而崆山山顶也因强烈剥蚀而高度快速降低, 导致白云洞洞顶岩石厚度急剧减薄。因此, 在全新世中晚期之后的发育过程中, 较薄洞顶上的众多裂隙使得洞内环境对外部环境的季节性变化极为敏感, 雨季它们是大气降水的下渗通道, 旱季又是溶洞呼吸的喉管, 而由此引起的洞内外水分和气体的频繁交换, 又使得洞内早期沉积物严重风化, 同时有新的溶洞沉积物出现。近年来, 随着溶洞内人类活动增多, 洞内外环境交流更为迅速, 进而使溶洞沉积物被风化破坏的速度加快(宋林华等, 2003; 杜金娥等, 2008; 邓亚东等, 2011)。
1)崆山白云洞是第四纪更新世期间发育在早古生代碳酸盐岩地层中的溶洞。洞内的溶洞沉积类型丰富, 可分为重力水沉积、非重力水沉积、协同沉积、叠置沉积等, 同时窝穴类、井管类、沟槽类、蚀余类等溶蚀— 侵蚀现象发育, 形成其他溶洞中极为罕见的景观。
2)早期碳酸盐岩和构造断裂为白云洞发育提供了有利条件; 新构造运动及其与不同气候条件的耦合控制了白云洞各发育阶段的洞穴结构、形态、规模和洞内各类溶洞沉积物的形成。NNW向、NE向和近EW向断裂控制了溶洞的展布方向。
值得提出的是, 由于现今的白云洞经历了多期强烈构造运动, 洞顶岩石不仅厚度小而且断裂密集, 溶洞整体结构稳定性较差, 如果再遭受自然或人工的强力影响, 有可能会导致溶洞的严重破坏, 因此, 在今后的开发利用中需要进一步加强保护性管理。
作者声明没有竞争性利益冲突.
[1] |
|
[2] |
|
[3] |
|
[4] |
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
|
[8] |
|
[9] |
|
[10] |
|
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
|
[15] |
|
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
|
[19] |
|