螳螂河流域洞穴发育特征及其地学意义研究

罗书文 ， 李 伟， 李成展， 黄保健

(1.中国地质科学院 岩溶地质研究所/国土资源部， 广西壮族自治区岩溶动力重点实验室， 广西 桂林 541004；2.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心， 河北 保定 071000)



螳螂河流域洞穴发育特征及其地学意义研究

罗书文1*， 李 伟2， 李成展1， 黄保健1

(1.中国地质科学院 岩溶地质研究所/国土资源部， 广西壮族自治区岩溶动力重点实验室， 广西 桂林 541004；2.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心， 河北 保定 071000)

在对山东沂源螳螂河流域岩溶洞穴进行调查探测的基础上，通过研究流域内洞穴发育特征探讨其内在的地学涵义.认为：1)流域内洞穴发育在纵向上分为三层，并与区内经历的地质时期与之对应；2)区内在华北唐山期(N1)的隆起比临城期(N2～Q1)隆起幅度较大；3)鲁山隆起是一个持续的过程，在地壳抬升的间歇期持续缓慢地进行，并由中心向四周逐渐减弱.根据水平洞穴成因机理和区内洞穴展布特征，提取相关参数试探性建立流域地下水位演变的二维数学关系，这对流域喀斯特地下、地表水在空间上的演化研究、从定性到定量研究都具有重要科学意义.

螳螂河流域； 洞穴； 地学意义； 山东鲁山

岩溶洞穴的形成主要是地下水沿碳酸盐岩裂隙溶蚀扩大形成[1-4].水平洞穴发育的最主要位置是沿着或接近于地下水位，洞穴系统是从流入端向泉水出露方向发育具有水力联系的洞穴群的统称，同时一些学者也提出了洞穴发育的地下水位学说[4](Rhoades et al.，1941).随着环境变化日益凸显，人们关注洞穴资源保护与开发[4-9]，以及通过洞穴沉积物研究环境变化的研究日新月异[10-14]，而利用区内洞穴发育特征，来探讨区内地质构造运动及水文地质条件演化方面的研究少见报道.本文以螳螂河流域岩溶洞穴调查与探测为基础，根据区内洞穴发育特征和水平洞穴成因的基本原理建立数学模型，来探讨区域内新构造运动的表现以及地下水运移的空间变化，借助洞穴为研究载体，提取地学要素建立数理方程，探讨流域侵蚀基面演变，为喀斯特流域演化从定性向定量研究提供科学参考和研究方法的重要科学意义.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区位于沂源河支流螳螂河，发源于鲁山南缘，主峰高1 108.3 m，主要为中、低山地貌(图1).区内中山地貌主要是由元古代的条带状中粒含黑云二长花岗岩、弱片麻状中粒含角闪二长花岗岩、巨斑状细粒二长花岗岩等风蚀地貌.其周围即低山地貌由寒武—奥陶纪碳酸盐岩(图2)地貌.在螳螂河流域内发育有自西向东在面积约50 km2，区内大小洞穴40多个洞穴[15].多数洞穴规模小，其长度大多在30～50 m之间.新构造运动中鲁山山地为不等量断块隆升[16-17]，形成南部、东南部上升山高大陡峭，西北部平缓.鲁山主峰翘起于南部，研究区位于主峰以南的山地，其面积狭窄，距离山麓带仅十余公里，且从千余米的中、低山地直接下降至海拔高度300 m的沂源盆地，主峰区以北则面积广大，主峰至北部边缘有60余公里，地貌也渐次由中、低山、丘陵，过渡到鲁北平原，其变化梯度相对平缓.

1.2 研究方法

本文通过对区内洞穴进行调查探测，分析洞穴在流域内空间范围内的展布规律，并运用其在垂向上的发育特征，来探讨区域地壳隆起及侵蚀基面的演变.理论上，洞穴在垂向上发育特征研究可以采集洞内沉积物测年，但洞内很多情况下其沉积物都是內源物质，即从地表水渗入洞壁溶蚀后沉积，使得无论是早期洞穴还是后期洞穴都接受到同时代的沉积物，这样给洞穴测年带来一定的困难.因而在研究洞穴成层性基本上是根据相对高度[18-21]与区内地貌夷平面相比较确定，但其前提是区内地壳以上升运动为主，即现代地下河是从古化石洞演化而来.研究区至第三纪以来基本形成现在地貌格局，并一直处于缓慢差异抬升运动中，所以研究区适用于该分层研究.特别注意在研究区域洞穴分层时，不是单纯地将调查洞穴的洞口发育高程的集中分布程度，按照数学区间进行划分层，这种划分会导致很多错误和误判，经常会把一些上层洞划分到中层洞穴之中，如河流下游形成的上层洞的海拔高程可能与上游形成的下层洞的海拔高程相等或者更低，洞穴的成层性不是简单的通过洞口高程划分，而是形成同一时期的洞穴分为同一层.因此，在对洞穴进行层层性研究时，要考虑洞穴的发育受到区域内河流、地表、地下水溯源侵蚀等影响因素，进而在径流方向上研究其层层性，由此可见流域内属于同一层的洞穴其高程不一定相同，所以本文以此为理论依据研究区域洞穴分布规律及其地学意义.

2 结果与讨论

2.1 结果

2.1 .1流域内洞穴展布 大型洞穴主要分布在距离花岗岩较近，且断裂较发育的南鲁山及芝芳，主要洞穴有石龙洞、千人洞、养神洞、九天洞及下崖洞等洞穴.在这些大型洞穴之中其洞内有大量的花岗岩风化的流水沉积物，这主要是碳酸盐区域内接受了大量来至花岗岩的鲁山地区，花岗岩地区的水中的pH值多数在4.3～6.1之间偏酸性，对断裂较为发育的碳酸岩具有较强的溶蚀力，同时断层为地下水溶蚀形成洞穴提供了天然通道，也为大型溶洞的形成提供了先决条件.

2.1.2洞穴垂向分布特征 区内的地貌表现出层状结构特征[17](图1)，在不同层状地貌中也伴随着洞穴的发育，根据其海拔高程看可以分为3个层状的夷平面.最高一层是包括主峰在内的一系列海拔高850 m的山峰，在流域内碳酸岩山脊高耸，断崖发育，在断崖底部发育大量的规模较小岩屋状洞穴，此层处于强烈剥蚀面沉积较少；第二层它由800～500 m的山顶台面和峰顶构成，其上仍保留一些较完整的形态清晰的剥蚀面残余，在流域的岩溶区内形成大量的峰体和溶丘，并在峰体中发育有穿洞和大量水平化石洞；第三层为现在河谷和山地周围，尤其在北部、西北部边缘分布广，以及沂源盆地，标高250～150m左右的山前洪积—剥蚀平原，在流域岩溶山地内部则为宽谷及近谷地的、相对高度百余米的低矮缓丘，并在河谷发育大量的泉水.本文通过调查与测量，将区内发育的洞穴在流径流方向及高程投影在平面直角坐标系的基础上(图3所示)，根据洞道特征，相对高度和区内新构造运动特征，结合前人[15，17，22-23]对该区内岩溶地貌及洞穴发育演化研究成果，将洞穴至上而下分为如下几层：第一层洞穴主要发育在距离峰顶最高一级陡崖上，该层上的洞穴经历地壳抬升山体削小其残留的洞体都较小，如皇姑洞、人安洞、志公洞；第二层洞穴该层洞穴均发现有古人类化石，同时规模大、发育典型均为干洞，同时部分洞穴通过竖井与地下河相连，主要洞穴有石龙洞、千人洞、养神洞、下崖洞、上崖洞、刘家洞和吕祖洞等；第三层洞穴其共同特征多为岩蔽或小型式管道，规模小的现在地下河及泉水出入地，主要有九龙泉和别有洞天.认为[15，22-23]区内的洞穴发育分别经历了鲁中期(E2)、华北唐山期(N1)和临城期(N2～Q1)3个时期.

2.2 讨论

洞穴的发育受到地下水位的控制，区内发育的洞穴基本都为水平洞穴，说明其形成时为当时地下水位，即排泄基面.因此，通过探讨该区洞穴垂向分布特征，研究区域内地下水位变化以及地壳抬升具有重要的意义，并根据该区洞穴分布特征，建立数学模型进行探讨.

2.2 .1洞穴分布特征对地壳隆起的识别 由最上层洞穴的展布情况来看(图4所示)，越靠近分水岭即鲁山主峰其洞穴高程比降逐渐增大.为此，以分水岭为原点，螳螂河径流方向为横坐标，洞穴海拔高程为纵坐标，运用线性回归拟合建立数学方程探讨.由拟合方程得第上层洞穴拟合直线方程斜率为，中层洞穴拟合方程斜率为，下层洞穴拟合方程斜率为.

1.皇姑洞;2.人安洞;3.玄云的洞;4.九天洞;5.石龙洞;6.养神洞;7.千人洞;8.灵芝洞;9.别有洞天;10.珊瑚洞;11.刘家洞;12.下崖洞;13.上崖洞;14.九龙泉;15.志公洞;16.吕祖洞图3 流域洞穴垂向展布特征Fig.3 Vertical distribution characteristics of Tanglang River Basin

图4 洞穴高程拟合Fig.4 The elevation fitting curve of cave

由拟合直线斜率表明两直线越靠近原点越分开，即上层洞穴与中层洞穴层相对高差由排泄基面向分水岭方向逐渐扩大.洞穴的成层性主要是因地壳的间歇性抬升所致，所以区域内上层洞穴与中层洞穴相对高差向分水岭逐渐扩大的原因主要有两点：第一，在上层洞穴形成之后，地壳抬升后的时间较长，地表、地下水位溯源侵蚀作用比前一时期的作用更接近分水岭；第二，由分水岭向径流的方向上地壳的抬升速率逐渐减小，导致不同区域内地下水位变动高差不同.鲁中地区山体的形成主要是由于古老的花岗岩侵入将碳酸隆起形成，同时部分区域将碳酸盐地层分裂，岩浆侵出地表形成花岗岩山体.这种隆起近圆锥体状，其距圆心部位隆起速率快，边缘地区隆起相对较慢，即越靠近峰顶其抬升速率越大，反之亦然.鲁山的形成如上所述，因此作者认为形成上层洞穴与中层洞穴相对高差向分水岭逐渐扩大的这一现象主要是由于鲁山隆起而产生.

中层洞穴与下层洞穴的拟合方程来看，两直线越靠近原点越靠近至相交，说明区内经历临城期(N2～Q1)的地壳抬升后，河流溯源侵蚀作用由侵蚀基面逐渐向分水岭波及，在河流上游至分水岭处受到影响较小甚至还完全没有受到影响.相反在华北唐山期(N1)地壳抬升后河流的溯源侵蚀作用完全波及到河流上游.由此说明区域内从鲁中期(E2)地壳抬升到华北唐山期(N1)抬升间隔时间比临城期(N2～Q1)抬升到现在间隔时间长.

从3个洞穴层的相对高差来看(图4)，第1层与第2层相对高差要比第2层与第3层的相对高差大得多，说明华北唐山期(N1)抬升比临城期(N2～Q1)抬升再该区域表现要剧烈得多.

2.2 .2流域地下水位演变识别 由岩溶水平洞穴的成因及其水文地质学意义[2-4]，可知不同层洞穴代表不同时期的地表水、地下水排泄基面，两基面间空间为区域地下水在两个不同的地质时期内区内岩溶地下水位演变的足迹.因此，通过洞穴的发育特征对于研究区内岩溶发育演，以及对岩溶区地下水位埋深研究和预测提供参考.根据上述方法本文以各层洞穴拟合方程为基础进行探讨.探讨的最核心问题就是地下水侵蚀曲线和侵蚀基准面.

在大量野外调查研究显示，大气降水由分水岭侵入地表到达最低层洞穴向区内排泄基面汇聚，该径流过程线为现代侵蚀曲线，所以作者以统计的最低层洞穴、流域分水岭及排泄基面高程，运用曲线拟合方程作为流域侵蚀曲线方程.

一般认为流域排泄基面是流域面积内河流总出口.而在很多情况下，流域的排泄基面并没有洞穴发育或泉水流出，且流域内过去的排泄基面与现在排泄基面不一致，所以确定过去的排泄基面具有一定的难度.很多研究[1-4，18-21]表明，区域内的水平洞穴基本代表区域内当时的地下水位，即排泄基面高程，为此在探讨过去的排泄基面时，以远离分水岭最低洞穴高程为该区排泄基面高程，以上层洞穴拟合直线，与下层远离分水岭洞穴高程直线的交点为该时期的排泄基点.

因此，通过以上的方法对螳螂河流域进行建模研究.将中层洞穴最低高层341m(吕祖洞)带入上层洞拟合方程求得华北唐山期(N1)抬升后流域侵蚀基点；同样将九龙泉312带入公式求出临城期(N2～Q1)抬升后的侵蚀基面.所以，以水岭、侵蚀基面点和各层洞穴高程在径流方向的坐标进行曲线拟合如表1所示.

表1 流域内各时期侵蚀基面曲线拟合表

由表1可以看出上层和中层洞穴多项式拟合较好，下层洞对数拟合好如图5所示.鲁中期(E2)拟合直线基本成直线主要原因，如洞穴分布特征对地壳隆起的识别中所述.华北唐山期(N1)与临城期(N2～Q1)侵蚀基面在A点处相交，说明自临城期(N2～Q1)区内地壳抬升以来，刚受到河流溯源侵蚀作用的影响，A点以上的区域受到较小影响或者还没波及到，所以A点附近区域在相同水位高度的溶蚀作用时间较长，容易形成大洞穴；华北唐山期的地下水位出现两次低谷，这主要是两处发育了断层(图2)，地壳抬升后大量的地表地下水沿着断裂带汇集于此，在两断裂之间形成了相对的分水岭，在相当一段时间内两处之间的水力系统相对独立，所以在B点形成了一个转折点.而在临城期(N2～Q1)地壳进一步抬升河流溯源作用加强导致A、C之间形成较强的水力联系，形成现在河床上的水时隐时现.

图5 流域内各期侵蚀基面构建Fig.5 Construction of the erosion base for each period in Tanglang River Basin

3 结论

通过对螳螂河流域的洞穴进行调查与探测，对其展布特征进行研究分析，认为：1)螳螂河流域岩溶洞穴发育受到鲁山隆起的影响，区内由分水岭至径流方向上在海拔高程上发育三层洞穴.2)鲁山在华北唐山期(N1)的隆起比临城期(N2～Q1)隆起幅度较大.3)鲁山从鲁中期(E2)到华北唐山期(N1)具有持续隆起并由中心向边缘逐渐减弱.

根据螳螂河流域内发育洞穴的展布特征，提取其地学空间参数，试探性地建立螳螂河流域在鲁中期(E2)、华北唐山期(N1)和临城期(N2～Q1)地下水位变化曲线.通过研究其地下水位变化，探讨区内岩溶洞穴与岩溶发育状况收到较好的结果.这对研究喀斯特流域内地壳运动的定量性研究，提供参考和借鉴意义.同时，也为喀斯特洞穴形成时间的估算方法提供参考.值得注意的是，对洞穴划分层次的时候，一定要根据洞穴海拔高程、区内夷平面、径流方向及洞穴内部特征提取的水文信息来综合判断.现实中洞穴在流域内的展布是一个三维空间，所以，以洞穴为研究载体，探讨流域地下水演变和岩溶发育规律，要充分调查流域内洞穴发育状况，建立三维曲面模拟地下水侵蚀面的变化，探讨喀斯特地貌空间展布特征及区域地下水变化规律具有重要现实意义.

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Study on development characteristics of cave in Tanglang River and their significance in geoscience

LUO Shuwen1， LI Wei2， Li Chengzhan1， HUANG Baojian1

(1.Institute of Karst Geology， CAGS/Karst Dynamics Laboratory， MLR&GZAR， Guilin， Guangxi 541004；2.The Center of Hydrogeology and Environmental Geological Survey of China Geological Survey， Baoding, Hebei 071000)

This paper discussed the internal geophysical meaning of cave by studying its development characteristics in the river on the basis of investigating the karst cave in Tanglang River in Yiyuan of Shandong Province. It is suggested that: 1) the cave development in the river is divided into three layers longitudinally， corresponding to the geological periods in the area；2) the uplift amplitude in the area at Tangshan period (N1) in North China is relatively bigger than that in Lincheng period (N2～Q1)；3) the uplift in Lushan is a continuous process， slowly conducting within the intermittent of the crustal uplift and gradually weakening from the center to around. Based on the formation mechanism of horizontal cave and distribution characteristics of cave in the area， the relevant parameters are extracted to tentatively build the two-dimension mathematic relation for evolution of groundwater level in the river， which has important scientific significance for the study on spatial evolution of groundwater and surface water in Karst basin from qualitative study to quantitative study．

Tanglang River; cave; geoscience significance; Lushan mountain of ShanDong Province

2015-09-08.

中国地质调查子项目(12120114010902；1212011220049；12120114062601).

1000-1190(2016)02-0297-06

P931.5

A

*E-mail: luoshuwen6700167@126.com.