论白云山壶穴的发育与演化

2018-01-18梁诗经文斐成赖荣福

福建地质 2017年2期

梁诗经文斐成赖荣福

(福建省地质调查研究院，福州，350013 )

壶穴是河流中流水产生的漩涡流及垂直水流携带的沙、卵石等搬运物长期冲蚀、磨蚀基岩河床而形成的盆状、缸状、瓮状、圆柱状或不规则状凹坑[1-3]，是一种常见的河床侵蚀地貌，可发育在不同岩性的基岩河床中，在福建各地溪流中均有分布。

图1 白云山地区水系分布图Fig.1 The distribution map of river system in Baiyunshan area1—行政界线；2—地质公园界线； 3—水系；4—壶穴分布的主要溪段；5—公路

福建白云山国家地质公园位于福建省东北部福安市晓阳镇、穆云乡一带，地处鹫峰山脉东南麓。在公园花岗岩、火山岩构成的蟾溪、龙亭溪、首洋溪和黄兰溪峡谷的基岩河床、浅滩、岸壁上分布着数以千计、大小不一、形态各异的壶穴(图1)。这些壶穴曾被一些研究学者当作第四纪冰川的产物，认为是由冰川融水沿冰裂隙对下伏基岩垂直冲蚀形成的“冰臼”[4，5]，或由冰川巨大重力压融下伏基岩形成的“冰蚀岩洞”[6]。野外调查表明，白云山河床壶穴不仅数量庞大，而且发育系统、类型齐全，完整地展示了河流流水侵蚀作用和壶穴的发生、发展与消亡过程。笔者根据申报福建白云山国家地质公园开展野外调查时对壶穴类型与成因的初步研究[7]，以及近年来在开展福建省地质遗迹调查过程中对省内其他地区河床中出露的壶穴调查成果，以福建白云山国家地质公园为例，试论壶穴的发育与演化，建立壶穴发育、演化序列。

1 白云山壶穴的基本特征

1.1 壶穴发育的位置

根据野外调查白云山地区累计约32 km长的河段(蟾溪5 km、龙亭溪14 km、首洋溪4 km和黄兰溪9 km)中，正在发育的壶穴均分布在河床洪水线之下的基岩河床、河床岸壁(照片1，2)以及河床孤石、滚石侧面和顶面之上(照片3，4)。局部溪段因河床被流水侵蚀下切，河床降低、水位下降，分布于侧壁上部的部分壶穴已高出洪水线，这些脱离水体的壶穴开始遭受风化剥蚀和大气降水侵蚀。

照片1 发育于河床上的壶穴(蟾溪)Photo.1 Potholes formed on the riverbed(in Chanxi Stream)

照片2 河床岸壁洪水线之下的壶穴(龙亭溪)Photo.2 Potholes formed on the high water bed(in Longting Stream)

照片3 发育于河床孤石侧面上的壶穴(龙亭溪)Photo.3 Potholes developed on lateral surface of isolated stone in river(in Longting Stream)

照片4 发育于河床滚石侧面上的壶穴(龙亭溪) Photo.4 Potholes developed on lateral surface of rolling stone in river(in Longting Stream)

1.2 壶穴发育的岩性

在白云山地区由晶洞花岗岩、花岗岩和火山岩构成的基岩河床都可以形成壶穴，主要差别在于壶穴发育的数量、形态及其侧壁、底壁的光滑程度不同。如蟾溪、龙亭溪、首洋溪和黄兰溪晶洞花岗岩、花岗岩基岩河床发育的壶穴数量多，且个体巨大，常形成内壁呈圆弧形且极为光滑的壶穴；而黄兰溪火山岩基岩河床上所形成的壶穴数量少、个体小，内壁较粗糙、不甚圆滑。

1.3 壶穴的形态特征

白云山壶穴的形态多种多样，但无论其大小与深浅，呈圆形、椭圆形是个体完整的单体壶穴的基本形态，据野外观察与测量，椭圆形壶穴口部直径的a轴与b轴之比，多数为1∶1.2～1∶1.3，少数呈长椭圆形的壶穴可达1∶1.4～1∶1.5。但不论是圆形或椭圆形的壶穴，壶穴中部和底部直径的a轴与b轴之比多为1∶1～1∶1.2，随着壶穴被流水侵蚀的时间增长，壶穴c轴(深度)的增加，壶体渐趋圆化，其中部和底部直径的a轴与b轴之比接近或等于1∶1。

此外，白云山地区的河床中还分布了大量的残缺的单体壶穴以及相互叠置和连通的复合壶穴。

2 壶穴发育的水动力条件及流水侵蚀方式

白云山地区溪流中不仅有发育于断崖、岩槛下方由垂直水流(跌水)冲蚀及其产生的旋转水流侧蚀形成的跌水壶穴，更多的壶穴则发育于远离断崖、岩槛的基岩河床和岸壁之上，以及河床孤石、滚石顶面和侧面，有些甚至发育在游龙洞、九龙洞等巨石堆积洞内的基岩河床上。根据壶穴内依然可见的携带粗沙、小卵石流动的旋转水流，壶穴底部经旋转水流分选的沙、卵石，以及河床侧壁上随河床间歇式下降流水侵蚀形成多级分布的壶穴等现象综合分析，这些壶穴应为河床流水侵蚀及其在河床凹坑产生的旋转水流携带沙、卵石作圆周旋转移动，以侧蚀的方式磨蚀而成(图2，3)[8，9]，推测壶穴形成过程大致如下。

图2 垂直涡流侵蚀基岩河床形成的壶穴Fig.2 The pothole resulting from vertical vortex erosion

图3 壶穴形成的模拟图 Fig.3 Simulating model of the formation of potholea—H.S.Alexander的模式；b—A.Morgan模式

(1)河床基岩局部晶洞及节理、裂隙发育的部位，以及经流水长期侵蚀、滚石撞击和滚转磨蚀形成的直径和深度由数厘米至十余厘米的小凹坑，是易受流水侵蚀形成壶穴的部位(照片5，6)。

照片5 沿花岗岩晶洞发育的壶穴雏形(蟾溪)Photo.5 A embryonic pothole developed along miarolitic cavity of miarolite(in Chanxi Stream)

照片6 节理交汇部位发育的壶穴雏形(龙亭溪)Photo.6 Embryonic potholes developed along joints(in Longting Stream)

(2)在平水期，呈低角度流入凹坑内的水流受凹坑侧壁阻挡，部分水流产生侧向回流，形成旋转水流，对凹坑侧壁产生旋转侧蚀。由于地形和水动力条件的改变，降低流水的搬运能力，水流携带的部分沙、卵石落入凹坑。被围陷于凹坑内的沙、卵石在旋转水流的带动下，随着流水作圆周旋转移动，受离心力作用，向外磨蚀凹坑侧壁；受重力作用向下，磨蚀凹坑底壁。

(3)旋转水流产生的分选作用，使体积较小、重量较轻的沙、小卵石等沉积物随水流较快速地移动磨蚀凹坑侧壁，对侧壁产生侵蚀作用，凹坑口缘之下的侧壁被较快速地磨圆和扩大；经分选聚集于凹坑底部中心位置重量较重的大卵石、滚石等沉积物，随旋转水流较缓慢地旋转移动、滚动，向下侵蚀、磨蚀凹坑底壁，凹坑逐渐加深。最终在河床上形成了呈盆状、缸状或瓮状的空洞——壶穴。

(4)旋转水流(漩涡流)侵蚀及其携带沙、卵石旋转磨蚀壶穴侧壁和底壁的能力与旋转水流(漩涡流)的流量、流速成正比，与壶穴的宽度、深度成反比。洪水期，河床水流的流量和流速剧增，沙、卵石的磨蚀作用增强，侵蚀速率随之提高。随着壶穴深度的逐渐增加以及由口部至中部直径的逐渐扩大，旋转水流(漩涡流)的流速减缓，携带沙、卵石对壶穴侧壁的侵蚀能力逐渐减弱，旋转流动侵蚀的有效半径逐渐缩小，壶穴中、下部的直径亦随之逐渐缩小。由于流水的侵蚀作用集中于壶底的局部地方，所以常在大壶穴底部形成数量不等的次级小壶穴。

3 白云山壶穴的类型

根据水动力条件、流水侵蚀作用方式、壶穴形态特征及发育位置，白云山壶穴分类列于表1。

表1 福建白云山壶穴分类

4 壶穴的发育与演化

白云山壶穴形态多样，但相似的河床位置、相同的水动力条件、大致相当的发育阶段所形成的壶穴则具有相似的形态，规律性明显。因而从野外调查中所见到的单体壶穴、穿壁壶穴、半壁壶穴、残壁壶穴、复合壶穴、槽状壶穴等基本形态之中，可以系统地还原、重塑壶穴的发育、演化过程及其演化序列。壶穴的发育与演化大致经历发生期、发展期与消亡期三个阶段(图4)。

图4 壶穴发育、演化序列Fig.4 The developing and evolution series of potholes

4.1 发生期的壶穴——壶穴雏形

在河床局部收窄、增陡或转弯的河段，水流的流量和流速随之增加，对河床基岩产生较强的侵蚀作用。在河床基岩相对易受侵蚀的部位，如花岗岩晶洞或节理、裂隙及其相互交切等部位，形成直径和深度由数厘米至十余厘米的次圆形、圆形凹坑，成为壶穴的雏形。

4.2 发展期的壶穴——盆状壶穴、缸状壶穴、瓮状壶穴

壶穴的发育受众多因素制约，处于水体中的壶穴，若壶穴体内未被沙、卵石以及滚石充填淤塞，经流水不断侵蚀和沙、卵石磨蚀，壶穴的发育总是朝着扩大、加深的方向发展。随着时间的推移，壶穴雏形的侧壁逐渐被侵蚀磨圆、扩大和加深，形成深度较浅、口径大于深度的盆状壶穴(照片7)；盆状壶穴的继续扩大、加深，则形成中部直径大于口径与底径、与深度大致相当，内壁圆弧形，底部浅弧形的缸状壶穴(照片8)；缸状壶穴再继续发展，随着壶穴深度的增加，则形成深度大于中部的直径，中部直径大于口径与底径的瓮状壶穴(照片9)。

4.3 消亡期

4.3.1 消亡早期的壶穴——穿壁壶穴、凹壁壶穴

(1)发育于浅滩及岸壁，以及早期发育于河床边缘，因河床被侵蚀下切而抬升处于岸壁的缸状、瓮状壶穴，其临河床一侧为较陡的坡面，壶穴内壁受旋转水流(漩涡流)侵蚀，沙、卵石磨蚀向外扩大、向下加深；壶穴临河床的外壁受溪流侧蚀以及河道上流水携带的沙、卵石磨蚀，壶穴口部随岸壁被流水侵蚀呈“V”形坡面而形成倾向河床的斜面。临河床的底侧壁、侧壁受壶穴内外相向的侵蚀作用，逐渐被侵蚀削薄，最终被蚀穿，形成向河道穿洞的底侧壁穿壁壶穴(照片10)；随着底侧壁穿洞的扩大，侧壁逐渐向上收缩成为半侧壁穿壁壶穴(照片11)、天生桥式穿壁壶穴(照片12)。侧壁被完全蚀穿后，则成为“Ω”形的全侧壁穿壁壶穴(照片13)。

照片7 盆状壶穴(龙亭溪)Photo.7 Basin-like potholes(in Longting Stream)

照片8 缸状壶穴(龙亭溪)Photo.8 A crock-like pothole(in Longting Stream)

照片9 瓮状壶穴(蟾溪) Photo.9 The jar-like potholes formed on the steep bank of the river(in Chanxi Stream)

照片10 底侧壁穿壁壶穴(蟾溪)Photo.10 A wall penetrated pothole(in Chanxi Stream)

照片12 天生桥式穿壁壶穴(蟾溪) Photo.12 A wall penetrated pothole (in Chanxi Stream)

(2)发育于河床上的盆状、缸状、瓮状壶穴的壶口部位被流水侵蚀逐渐下凹，形成前壁或前、后壁自上而下不同程度下凹的凹壁壶穴，直至被完全切穿后形成穿壁壶穴。

蟾溪九龙洞“飞天井”为发育于河床上的前壁，被流水侵蚀下切至壶穴底部的一个特大型的穿壁瓮状壶穴，深度为38 m，底径为23 m。壶穴内壁经间歇性逐级下降的流水侧蚀及后期垂直水流冲蚀，形成高度分别为15～10 m、8～6 m和5～4 m三个等级分布的壁龛式次级壶穴的弧形内壁。壶底分布8个单体或套叠壶穴，大者直径为3 m，小者为0.5～0.8 m(照片14)。

照片13 全侧壁穿壁壶穴(蟾溪) Photo.13 A wall penetrated pothole(in Chanxi Stream)

照片14 飞天井(大型瓮状穿壁壶穴) Photo.14 The Feitian Well is a huge wall-penetrated jar-like pothole(in Chanxi Stream)

4.3.2 消亡中期的壶穴——半壁壶穴

发育于浅滩、岸壁的穿壁壶穴经流水侵蚀，壶穴侧壁逐渐向岸壁后退、收缩，形成上部残留半圆弧形后壁，下部保留深度很浅的圆形壶底的缸状壶穴、瓮状壶穴(照片15)。

4.3.3 消亡晚期的壶穴——残壁壶穴

半壁壶穴经流水侵蚀，壶穴侧壁进一步向岸壁后退、收缩，仅残留窄弧形后壁，底部残留深度很浅的圆形壶底的缸状、瓮状壶穴(照片16，17)。甚至有些壶穴的壶底也已消失殆尽，仅在岸壁上残留其窄弧形的后壁(照片18)。

照片15 半壁壶穴(龙亭溪)Photo.15 A wall leftover pothole(in Longting Stream)

照片16 孤石上的残壁壶穴(蟾溪) Photo.16 The wall leftover potholes(in Chanxi Stream)

照片17 残壁壶穴(蟾溪)Photo.17 A wall leftover pothole(in Chanxi Stream)

照片18 残壁壶穴联成弧形岸壁(龙亭溪) Photo.18 The wall leftover potholes(in Longting Stream)

综上所述，单体壶穴的发育、演化基本上是循着由壶穴雏形(发生期)→盆状壶穴→缸状壶穴→瓮状壶穴(发展期)→穿壁壶穴、凹壁壶穴(消亡早期)→半壁壶穴→残壁壶穴(消亡晚期)的方向发展，直至被流水侵蚀殆尽。在这一过程中，河床的下切为形成穿壁壶穴提供了水流侵蚀作用的空间，并直接形成凹壁壶穴。

当壶穴被大量沙、卵石或巨大的滚石充填，阻碍了流水在壶穴内的流动，流水对壶穴的侵蚀作用减弱乃至停止，壶穴停止发育；当河床下切、壶穴抬升彻底脱离水体后，成为不再接受流水侵蚀的“遗弃壶穴”，进入风化剥蚀期。

5 复合壶穴的发育

单体壶穴发育为复合壶穴，是一个破旧与造新的发展过程，后者的发展常常以前者的消亡为基础，复合壶穴的发育主要有如下几种方式。

5.1 套叠壶穴

大型盆状、缸状和瓮状壶穴中由于水动力条件的不断改变，流水的侵蚀作用主要集中于壶穴底部局部区域，形成数量不等的次级小壶穴，构成大壶穴底部套有小壶穴的套叠壶穴(照片19)。

5.2 联通壶穴

河床上邻近的2个或多个缸状、瓮状壶穴随壶穴内壁扩大、加深，壶穴之间相邻的侧壁减薄、蚀穿，形成既具各自独立壶口，壶体又相互贯通的联通壶穴(照片20，21)。

5.3 聚合壶穴

联通的壶穴口部及侧壁部位被完全蚀穿，使壶口相联，则形成由2个或多个单体壶穴的侧壁连成的聚合壶穴。有些聚合壶穴则是由相邻的壶穴侧壁被流水自上而下侵蚀下凹贯通而成(照片22)。

5.4 串珠壶穴

河床上顺水流方向分布的邻近的2个或数个壶穴，顺水流方向的前、后侧壁经流水侵蚀，逐渐下凹形成凹壁壶穴，壶穴相互连接呈“8”字形、哑铃状或串珠状的串珠壶穴(照片23)。串珠壶穴的前、后凹壁被流水全部蚀穿成为穿壁壶穴后，各壶穴的侧壁相连形成具波状岸壁的槽状壶穴，成为新的河床，从而降低了河床的高度(照片24)。

照片19 套叠壶穴(首洋溪)Photo.19 A telescoping pothole(in Shouyang Stream)

照片20 联通壶穴(龙亭溪) Photo.20 linked potholes(in Longting Stream)

照片21 联通壶穴(蟾溪)Photo.21 A linked pothole(in Chanxi Stream)

照片22 聚合壶穴(蟾溪) Photo.22 A assembled pothole(in Chanxi Stream)

照片23 串珠壶穴(蟾溪)Photo.23 The beaded pothole(in Chanxi Stream)

照片24 槽状壶穴(蟾溪)Photo.24 Trough-like pothole(in Chanxi Stream)

因此，河床上紧密群居的单体壶穴常以联通壶穴→聚合壶穴→串珠壶穴→槽状壶穴的形式演化，直至消亡(图5)。

图5 基岩河床单体壶穴、串珠壶穴、槽状壶穴发育示意图Fig.5 The diagram showing in the single pothole development, potholes arranged in a string of bead pothole, trough-shaped pothole development in bedrock river-beda—单体壶穴；b—串珠壶穴；c—槽状壶穴

6 壶穴的侵蚀速率及形成时间

虽然目前尚无对流水侵蚀以及沙、卵石参与的磨蚀作用对壶穴扩大、加深的侵蚀速率做过具体的测试和相关资料，但有研究表明，河流侵蚀底面的速率介于1～10 mm/a。若保守地以0.1 mm/a作为壶穴生成的平均侵蚀速率，10 ka的流水侵蚀可侵蚀出深度达1 m的壶穴。蟾溪“飞天井”穿壁瓮状壶穴，深38 m，底部直径23 m，为白云山地区大型的壶穴之一，估计形成这样一个规模巨大的瓮状壶穴也只需约0.4 Ma。因此，可以推测白云山的河谷壶穴大致为距今0.5 Ma所形成。更早时期形成的河谷壶穴可能已被河流侵蚀、风化剥蚀改造得面目全非，或已被剥蚀殆尽。