贵州织金洞世界地质公园喀斯特景观特征及其形成演化分析

韦跃龙, 陈伟海, 罗劬侃, 何正芳, 谭政权

1)中国地质科学院岩溶地质研究所, 广西桂林 541004; 2)贵州织金洞国家地质公园管理局, 贵州织金 552100



贵州织金洞世界地质公园喀斯特景观特征及其形成演化分析

韦跃龙1), 陈伟海1), 罗劬侃1), 何正芳2), 谭政权2)

1)中国地质科学院岩溶地质研究所, 广西桂林 541004; 2)贵州织金洞国家地质公园管理局, 贵州织金 552100

摘 要:织金洞世界地质公园, 位于贵州高原西部, 园区内喀斯特景观总体可概括为洞穴、峡谷、天生桥、天坑、高峰丛、丘陵、单面山与象形山、水文遗迹等8大类, 它们以下三叠统海相碳酸盐岩为物质基础, 有序、集中分布于织金洞、绮结河、东风湖三片相对独立, 却又以绮结河为纽带紧密相连的喀斯特区域内, 共同构成一个以洞穴、峡谷、天生桥、天坑为核心, 形态雄伟、典型、优美、珍稀的高原喀斯特景观群。同时在对公园岩溶景观特征及区域地质背景进行分析和研究的基础上, 系统研究和探讨了织金喀斯特, 及织金洞、绮结河、东风湖三大地貌单元的形成演化过程, 并认为它们的发育模式由地下喀斯特逐渐过渡至地表喀斯特, 系统完整地纪录了贵州高原喀斯特的演化历程。

关键词:织金洞； 喀斯特景观； 贵州高原； 形成演化分析

本文由中国地质科学院岩溶地质研究所基本科研业务费项目(编号: 2015033)和中国地质调查局地质调查项目“乌蒙山连片贫困缺水区1:5万水文地质调查”(编号: 121201107000150048)联合资助。

喀斯特作用所形成的地下形态和地表形态统称喀斯特地貌(任美锷和刘振中, 1983; 宋林华, 2000;袁道先, 2006; 朱学稳, 2009), 其中一些造型各异的山(如峰林、峰丛、石林等)、水(如岩溶河、瀑布、泉、湖等)、洞(如洞穴群、地下河等)、井(如天坑、峡谷、坚井等)、桥(如天生桥等), 或它们的组合地貌(如喀斯特风景河段等), 具有较高的观赏、美学、科考和科研价值, 日益成为一种重要地质遗迹资源和旅游资源, 直接进入生产、消费和科研过程, 即喀斯特景观, 它是喀斯特地貌的重要组成部分之一, 两者之间是包含与被包含的关系(陈伟海等, 2004; 韦跃龙, 2009; 赵汀和赵逊, 2009; 韦跃龙等, 2010; 许涛等; 2011; 韦跃龙和陈伟海, 2012; Bartolomé et al., 2015)。

目前, 中国以喀斯特景观为主或为辅组建了41处国家地质公园(占总数之22.3%)、6处世界地质公园(占总数之18%)、6处世界自然遗产地(先后分两期申报“中国南方喀斯特世界自然遗产地”)、多处国家级和省级风景区(赵逊和赵汀, 2009; 韦跃龙和陈伟海, 2012; 张蕾等, 2014), 它们各自具有独特的景观组合特征, 辅以各区各具特色的历史人文风情,构筑成其有别于其它地区的喀斯特景观特色。其中织金洞世界地质公园的洞穴、峡谷、天生桥、天坑等是全球同类地质遗迹的典型代表和佼佼者。

1 公园概况

1.1公园构成和交通区位

织金洞地质公园, 地处贵州高原西部, 位于贵州省毕节市织金县和黔西县境内, 划分为织金洞(15.7 km2)、绮结河(45.8 km2)和东风湖(108.5 km2)三个园区, 与三个分别代表不同岩溶发育过程的地貌单元相吻合(图1, 2)。地理坐标: 东经105°44′42″至106°11′38″, 北纬26°38′31″至26°52′35″之间, 海拔: 900～1 670 m, 占地面积170 km2。公园距织金县城23 km, 距黔西县城78 km, 距贵阳市146 km, 距毕节市120 km, 距安顺市95 km。

该公园, 2004年1月, 获得国家地质公园资格, 2006年1月正式揭碑开园, 2015年9月被正式纳入联合国教科文组织世界地质公园网络成员。

1.2区域自然地理特征

公园地处长江水系乌江干流上游六冲河岸坡地带, 属亚热带高原气候, 年平均气温14.1℃, 年平均降雨量1 436 mm。区域内有绮结河、新寨河、苗寨河、六冲河、三岔河等5条河流。其中: 六冲河和三岔河, 为乌江南北二大源流, 是区域排泄基准面, 两河交汇后称鸭池河(图2)。

1.3区域地质背景

1.3.1区域出露地层及喀斯特特征

公园出露地层, 以下三叠统夜郎组(T1y)和永宁镇组(T1yn)的碳酸盐岩地层为主, 总厚度大于800 m(贵州省地质矿产局, 1987), 呈条块状分布,横向上被上二叠统煤系地层和三叠系页岩地层相隔开, 形成相邻岛屿状喀斯特区域(图3a); 纵向上,永宁镇组(东风湖和绮结河区域)和黄椿坝段(织金洞区域)的碳酸盐地层分别被九级滩段(T1y3)和沙堡湾段(T1y1)的不可溶性地层隔开(图3b); 总体上, 形成横向—纵向隔水层并存的独特结构。

图1　织金洞地质公园位置Fig. 1 Location of Zhijindong Cave Geopark

图2　织金洞地质公园卫星影像图和园区划分图Fig. 2 Satellite Image and scenic area division of Zhijindong Cave Geopark

图3　织金洞地质公园区域地质简图(底图据付子冲等, 1989; 贵州省地质矿产局, 1987; 有增删)Fig. 3 Regional geological map of Zhijindong Cave Geopark (base map modified after FU et al., 1989; Guizhou Bureau of Geology, 1987)

1.3.2区域构造简要特征

公园位于南岭东西向构造带北侧, 区域内构造线和地层总体走向呈北东方向, 岩层发生构造变形的主要时期为燕山期, 新构造运动的总体表现为间歇性隆升(贵州省地质矿产局, 1987; 周德全等, 2005)。区域内的多级洞穴、双层天生桥、岩溶剥夷面、多级阶地等是区域新构造运动多期间歇性抬升的结果和直接证据。

2 公园喀斯特景观类型及发育特征和特色分析

2.1公园喀斯特景观类型及发育特征

园区内喀斯特景观丰富, 总体可概括为8大类,它们以下三叠统海相碳酸盐岩为物质基础, 以织金洞、绮结河、东风湖为三条主纽带, 呈线状有序、集中分布于三大喀斯特区域内, 共同构成一个以洞穴、峡谷、天生桥、天坑为核心, 形态雄伟、典型、优美、珍稀的高原喀斯特景观群(表1, 图5和图版Ⅰ)。

2.2织金喀斯特特色分析

(1)织金喀斯特, 是贵州高原喀斯特地貌演化的杰出范例, 是全球喀斯特中最为独特的自然美景和重要的美学价值区之一。主要表现为(表1, 图5和图版Ⅰ):

表1　织金洞地质公园主要喀斯特景观类型及发育特征和特色分析Table 1 Main types and growing characteristics of karst landscapes of Zhijindong Cave Geopark

①织金洞、绮结河、东风湖三个地貌单元, 分别是地下、地表与地下交替、地表三种喀斯特过程的典型代表, 各自发育了各种不同形态、不同类型、优美、珍稀的多层喀斯特地貌, 其中洞穴、峡谷、天生桥等是全球同类地质遗迹的典型代表和佼佼者,系统完整的揭示了古近纪以来贵州高原喀斯特的复杂演化过程与规律, 是中国高原喀斯特地貌的典型集中发育区和缩影。

②织金喀斯特, 从海拔高处往低处的方向, 表现出如下明显的规律:

A-洼地面积与地形相对高差逐渐增大。

B-地貌形态: 从规模不大的峰丛洼地→分布广泛的峰丛谷地与岩溶丘陵→切割深度达几十米至几百米的峰丛峡谷, 可见不同高程的山峦呈阶梯状成层叠现, 形成明显的“层状”山岳景观。

C-地下水的埋藏深度, 逐步变浅。

D-洞穴群、天坑群、天生桥群和峡谷, 总体上依次出现。

(2)织金洞, 是反映洞穴喀斯特和洞穴化学沉积物演化历程的杰出代表地之一, 是洞穴喀斯特中最为独特的自然美景和重要的美学价值区(表1, 图5和图版Ⅰ)。

①织金洞是目前世界上洞穴大厅分布密度最大的旅游洞穴之一。

②织金洞是目前世界上钟乳石分布密度最高、类型最丰富的旅游洞穴之一。

③织金洞是目前世界上拥有珍稀钟乳石形态最多的旅游洞穴之一。

图4　织金溶洞群的高程及层位分布分散图Fig. 4 Scatter diagram of elevation and horizon of Zhijin Cave Group

图5　织金洞地质公园典型喀斯特遗迹分布图Fig. 5 Distribution of typical karst landscapes in Zhijindong Cave Geopark

(3)织金峡谷, 系统完整地代表了两种发育方向迥然不同的喀斯特峡谷发育模式(表1, 图5和图版I)。

(4)织金天生桥与天坑, 系统完整地记录了喀斯特天生桥、天坑在不同地质地理环境下、不同地质时代的发育与演化过程(表1, 图5和图版I)。

3 公园喀斯特景观形成演化分析

3.1区域地质演化简史

自寒武纪至中三叠世期间, 织金所在区域和贵州其它地方相似, 总体处于深海与浅海交替的沉积环境, 形成了深海相(以碎屑岩为代表)与浅海相(以碳酸盐岩为代表)相互交替的沉积格局。晚三叠世,随着地壳的上升(以安源运动为主), 海水全部退出贵州, 全部上升为陆, 出现了以陆地河湖环境为主体的紫红色碎屑沉积(主要在侏罗纪期间)。随后, 相继发生的燕山运动和喜山运动, 区域地壳隆起, 逐渐抬升形成内陆高原, 期间发生规模、强度极大、极高的剥蚀夷平、削高填低作用, 基本将区内上覆于可溶岩上部的侏罗系碎屑岩地层剥蚀殆尽(贵州省地质矿产局, 1987; 周德全等, 2005)。古近纪期间,公园开始出露碳酸盐岩地层, 以下三叠统夜郎组(T1y)和永宁镇组(T1yn)为主, 并开始进入岩溶地貌形成演化时代。

3.2公园喀斯特景观形成演化分析

3.2.1织金喀斯特形成演化分析

古近纪以来, 相继受燕山运动和喜山运动的控制和影响, 区域地壳隆起, 逐渐抬升形成内陆高原(贵州省地质矿产局, 1987; 周德全等, 2005), 奠定了本区地质构造和高原喀斯特地貌的基本轮廓。

早更新世中晚期, 受碧痕运动影响, 区域地壳历经一次构造宁静期后, 再次大幅隆升(林树基, 1993; 周德全等, 2005), 早期地表河, 即古新寨河、古绮结河、古苗寨河等分别在许家寨丫口、夹岩洞、狗落洞等处潜入地下, 形成地下河(贺卫等, 2012)。

随后漫长的地质时期内, 即早更新世末—全新世期间, 区域地壳发生多期(3～5期), 且周期逐次缩短的间歇性隆升(林树基, 1993; 周德全等, 2005),开始古新寨河被织金洞地下河袭夺, 古绮结河顺岩层倾向改道; 改道后的古绮结河又袭夺了古新寨河、古苗寨河。同时各地下河道在溯源侵蚀、袭夺、改道、深切等过程中, 常常伴随着局部河道抬升、顶板崩塌等作用, 并演变、发育形成新的峡谷、天坑等负地貌, 部分残留的地下河道则被可能抬升形成化石洞、天生桥等: 古新寨河的地下河道上分别形成了大、小痴聋天坑, 及雷子洞和织金洞等; 古苗寨河的地下河道上分别形成了大、小罗圈天坑;绮结河的地下河道上分别形成了长约8 km的峡谷,及大、小槽口天坑, 多处双层天生桥等。

综上所述, 织金喀斯特的形成演化, 始于更新世, 历经地表流水各向分散流动阶段→地表河初始阶段→潜入地下, 形成地下河, 并进行第一次袭夺阶段(织金洞地下河袭夺古新寨河)→古绮结河改道阶段→绮结河袭夺新寨河阶段→崩塌, 形成明暗交替, 及天生桥-天坑阶段阶段, 历经一系列地表河与地下河间相互袭夺、改道等过程, 逐渐形成三个相对独立、完整, 却又以绮结河为连接纽带的喀斯特水文地质和地貌单元, 并分别代表了三种不同的喀斯特发育特征(图6): 织金洞单元(总体属已停止发育的化石型洞穴喀斯特)、绮结河单元(总体属地表与地下喀斯特正在相互交替发育)和东风湖单元(总体属正在发育的地表喀斯特), 系统完整地揭示了古近纪以来, 贵州高原在不同地质地理环境下喀斯特地貌的形成演化过程, 是展示地表与地下喀斯特作用相互交替、发育的全球参照地, 是一个在地质、地貌、水文地质上独立、完整的高原喀斯特形成演化系统, 典型而稀有。

3.2.2织金洞地貌单元形成演化分析, 即织金洞的形成演化过程

早更新世晚期, 大气降水沿纵张性裂隙下渗,并沿层间裂隙面、岩层层面等进行分散、独立的横向溶蚀、侵蚀、流动, 形成发育程度不一、各向分散的地下河。其中, 部分地下河开始袭夺各种形式的地表流水和其它地下河, 逐渐形成早期织金洞主河道。

中更新世初期, 织金洞地下河袭夺古新寨河,补给量陡增, 河道更深、更宽、更长; 至中更新世中晚期, 区域地壳隆升(付子冲, 1989; 朱文孝和李坡, 1994; 贺卫等, 2012), 前期河道抬升形成第三、第四层洞穴, 同时开始进入第一期洞穴景观发育阶段, 以形成众多巨型石笋群为代表; 此时, 古新寨河改被绮结河袭夺, 仅洪水期间才部分补给织金洞地下河, 它转为泄洪性地下河道; 大约10万年前(付子冲, 1989; 朱文孝和李坡, 1994; 贺卫等, 2012),区域地壳再次隆升, 河道抬升形成第二层洞穴, 并进入第二期洞穴景观发育阶段, 以形成众多细长石笋群、石柱群为代表; 此时织金洞河道仍继续下潜,形成下层洞, 并延续至今, 但仅有大气降水的间接补给, 水量明显减少(图6)。

图6　织金喀斯特及织金洞形成演化示意图Fig. 6 Schematic diagrams of formation and evolution of Zhijin Karst and Zhijindong Cave

综上所述, 织金洞地貌单元(即织金洞)的形成演化, 始于更新世, 以织金洞地下河为发育纽带,历经横向裂隙式岩溶水→地下河道→袭夺地表河(古新寨河)→地下河大规模发育→抬升形成化石洞穴→洞穴景观发育等不同的地下岩溶循环发育阶段,原来的地下河通道经历多次抬升, 逐渐形成了规模宏大的4层迷宫式化石洞穴系统——织金洞洞穴系统, 洞内次生化学沉积物类型齐全, 形态优美、独特, 体量巨大(图6), 目前总体属于已停止发育的化石型洞穴喀斯特地貌单元。它代表了一种独特的因地表河与地下河间相互袭夺而形成多层洞穴及洞穴化学沉积物系统而完整的演化历程, 也是研究更新世以来贵州高原古地理环境变迁的最佳区域之一。

3.2.3东风湖地貌单元形成演化分析, 即东风湖峡谷(自上而下式峡谷)形成演化分析

东风湖峡谷, 是地表流水在流动的过程中, 寻求以最佳的途径, 最大限度降低自己的势能, 以获得更大的水力比降, 向更低的侵蚀基准面排泄, 这导致地表河不断向下侵蚀、切割, 直至与侵蚀基准面基本持平。而在其补给、径流和排泄的过程中, 逐渐产生了高度大于宽度的岩溶峡谷。我们将它称为自上而下式的峡谷形成演化模式, 并认为它是该类峡谷的典型代表(图7)。

综上所述, 东风湖地貌单元(即东风湖峡谷)的形成演化, 自区域地壳隆升为陆以来, 以地表明流六冲河和三岔河为发育纽带, 受控于不同地质时期的区域构造运动, 河谷不断深切, 纵向形态差异大:上部较开阔, 多呈箱型, 总体属前期岩溶作用残余的河谷; 下部较窄, 有箱形、V形、地缝式等形态。目前, 它总体属于正在发育的地表喀斯特地貌单元(图7)。

3.2.4绮结河地貌单元形成演化分析

绮结河地貌单元, 以明暗交替的绮结河为发育纽带, 峰丛、岩溶丘陵、洞穴、峰丛峡谷、天坑、天生桥等地貌有序分布于河谷上或其两侧, 协同共生。目前, 总体属于地表与地下喀斯特正在相互交替发育的地貌单元。其中, 尤以绮结河峡谷、织金天坑群和天生桥群的形成演化最为典型(图8)。

(1)绮结河峡谷形成演化分析——自下而上式峡谷形成演化模式的典型代表

图7　自上而下式的峡谷发育模式的演变示意图Fig. 7 Schematic diagrams for top-down formation and evolution mode of gorge

图8　织金峡谷(自下而上式地下河成因峡谷), 天生桥与天坑发育模式的演变示意图Fig. 8 Schematic diagrams of formation of Zhijin Gorge (underground genesis)-Tiankeng-Natural Bridge

绮结河峡谷, 是绮结河由地下向地表发展的过程中形成的典型峡谷, 其形成演化过程可分为: 地下河阶段→暴露地表阶段→地表改造和退化阶段(图8)。期间, 受区域间歇性构造运动及地下河发育状态和上覆地层稳定性等因素共同控制和影响, 可能会发生多期, 形成纵向形态略有差异, 时代不同的峡谷。目前, 峡谷上残留的织金双层天生桥群(说明峡谷至少经历了两次暴露地表的过程), 大、小槽口天坑, 及其上、下游末端的地下河洞穴, 是其由地下向地表发育这一地质现象的直接证据。

综上所述, 东风湖峡谷和绮结河峡谷, 分别代表了两种发育方向迥然不同的峡谷发育模式; 同时,与峡谷相伴发育的峰丛、天坑、天生桥等其它喀斯特景观, 共同构成系统、完整的喀斯特多层发育系统, 它们各自之间既有很好的空间分布规律, 又有时间上先后生成、发展的序列可追寻, 是地球上一处极好、罕见的喀斯特峡谷形成演化模式地。

(2)织金天生桥与天坑形成演化分析

天生桥和塌陷型天坑形成的基本机制是: 受区域构造、地层及持续喀斯特作用和崩塌作用共同控制和影响, 地下河上覆地层发生崩塌作用而形成。其形成演化过程可分为: 地下河阶段→天生桥和塌陷型天坑形成阶段→改造和退化阶段(图8)。

织金天生桥与天坑发育, 是在不同地质时期产生多期作用对象不同, 方向、规模、强度不一, 但演变过程基本相似的天生桥、天坑发育过程, 形成多期类型相似、规模形态各异的天生桥、天坑, 它们是反映区域水文地质系统不同发育阶段的天然记录者。

4 结论

本文通过对织金洞世界地质公园喀斯特景观类型和特征、区域地质地理背景、及各类典型喀斯特景观形成演化的详细野外调查及综合研究, 主要结论如下:

(1)织金洞地质公园喀斯特景观主要有8大类,它们以下三叠统海相碳酸盐岩为物质基础, 有序、集中分布于织金洞、绮结河、东风湖三片相对独立,却又以绮结河为纽带紧密相连的岩溶区域内, 共同构成一个以洞穴、峡谷、天生桥、天坑为核心, 形态雄伟、典型、优美、珍稀的高原喀斯特景观群。

(2)古近纪以来, 受多期强烈构造运动影响, 贵州全境隆起成陆, 并逐渐抬升形成内陆高原。随后,区域地壳经历多次抬升, 众多分散独立的地下河与地表河, 不断相互袭夺、转换, 并连接成织金洞、绮结河、东风湖三个相对独立的多层地貌单元, 分别代表了三种不同的喀斯特发育过程, 形成了各种不同形态、不同类型、优美、珍稀的喀斯特地貌, 其中洞穴、峡谷、天生桥、天坑等是全球同类地质遗迹的典型代表和佼佼者。这三个地貌单元海拔依次降低, 发育模式由地下喀斯特逐渐过渡至地表喀斯特, 系统完整地纪录了贵州高原喀斯特地貌的演化历程。

Acknowledgements:

This study was supported by Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (No. 2015033), and China Geological Survey (No. 121201107000150048).

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图版说明

图版I Plate I

1-卢家渡峡谷;

2-犀牛望月天生桥;

3-大罗圈天坑;

4-倒挂琵琶;

5-姊妹玉树;

6-三级华盖;

7-霸王盔;

8-卷曲石;

9-织金窗口;

10-广寒宫;

11-一线连天;

12-天谷天生桥;

13-江山如画——各种壁流石荟萃一堂;

14-佛祖普度众生(塔状石笋);

15-大、小槽口天坑

1-Lujiadu Gorge;

2-Xiniu Wangyue Natural Bridge;

3-Daluoquan Tiankeng;

4-Inverted Pipa;

5-Sibling Jade Tree;

6-Three-class Canopy;

7-Overlord Helmet;

8-Helictites;

9-Zhijin Window;

10-Moon Palace;

11-One-Line-Sky;

12-Tiangu Natural Bridge;

13-Picturesque Landscape–various wall flowstones can be found herein;

14-Buddha Statue(tower-shaped stalagmite);

15-Dacaokou Tiankeng, Xiaocaokou Tiankeng

图版I Plate I

Characteristics and Formation and Evolution Analysis of the Karst Landscape of Zhijindong Cave Global Geopark, Guizhou Province

WEI Yue-long1), CHEN Wei-hai1), LUO Qu-kan1), HE Zheng-fang2), TAN Zheng-quan2)
1) Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin, Guangxi 541004; 2) Administration for Zhijindong Cave National Geopark, Zhijin, Guizhou 552100

Abstract:The Zhijindong Cave Global Geopark is located in the west of Guizhou Plateau. The karst landscapes in the Geopark are generally classified into eight categories: cave, gorge, natural bridge, tiankeng, high fengcong, hill, cuesta and pictographic mountain and hydrological heritage. All of them are developed in the Lower Triassic marine carbonatite strata and distributed orderly and intensively in three karst geomorphic units of Zhijindong Cave, Qijiehe River and Dongfenghu Lake, which are relatively separate and complete but are closely linked with each other through the Qijiehe River. These karst landscapes constitute a majestic, typical, beautiful and precious plateau karst landscape group with caves, gorges, natural bridges and tiankengs at the core. Based on the analysis and investigation of the characteristics of the karst landscape and the regional background of the landscape formation in this geopark, the authors systematically studied and discussed the formation and evolution of Zhijin karst as well as the three karst geomorphic units, i.e., Zhijindong Cave, Qijiehe River and Dongfenghu Lake. The elevations of these three geomorphic units are reduced successively with the gradual transformation of developmental modes from subsurface karst to surface karst, and this records systemically the evolution process of karst landform of Guizhou Plateau.

Key words:Zhijindong cave; karst landscape; Guizhou plateau; formation and evolution analysis

中图分类号:P931.5; K928.72

文献标志码:A

doi:10.3975/cagsb.2016.03.14

收稿日期:2016-02-15; 改回日期: 2016-03-20。责任编辑: 魏乐军。

第一作者简介:韦跃龙, 男, 1973年生。博士, 副研究员。长期从事地质遗迹资源开发研究。

通讯地址:541004, 广西桂林市七星路50号。电话: 0773-5804919。E-mail: weiyuelong@karst.ac.cn。