典型岩溶洞穴边石坝成因浅析——以贵州丹寨金瓜洞为例

黄申超，傅良同，2

(1.黔南民族师范学院 旅游与资源环境学院，贵州 都匀 558000；2.黔南景区溶洞旅游资源开发与生态环境保护工程研究中心，贵州 都匀 558000)

1 引言

贵州是世界上典型的岩溶地貌分布区之一，地下岩溶发育尤为突出[1，2]。贵州省丹寨县属于典型的岩溶地貌，金瓜洞是该区域规模较大的溶洞。金瓜洞洞内重力水沉积物发育显著，尤其边石坝类型多样。在丹寨县扶贫旅游项目的背景下，本文对金瓜洞洞内沉积物中的边石坝进行了成因分析，前期学者对边石坝结构和水动力条件进行了研究[3]，在前人研究的理论基础上，通过查阅相关资料，分析了金瓜洞洞内丰富的边石坝类型、形态特征。边石坝的形成过程[3]，与所形成时期的水文微环境迁移有着一定的联系。根据前人对边石坝形成的过程机制的研究成果能够对金瓜洞边石的可能形成过程进行反演，在对重力水沉积物的特征描述基础上，对金瓜洞边石坝进行分类并反推形成过程，这也反映了洞穴内水文微环境的变化。

2 金瓜洞概况及研究设计

2.1 金瓜洞概况

金瓜洞位于贵州省丹寨县城南金瓜洞村境内，距县城12 km，该洞发育于娄山关群四段的灰色中一厚层夹薄层细晶白云岩地层中，为一单洞口水平旱洞，整个洞穴为一投影面积为4480 m2于的大厅，长170 m、宽100 m，洞内分布着类型丰富的洞内沉积物，尤以重力水沉积物最为显著，丰富的重力水沉积物按不同比例程度分布于洞内的4个洞厅，洞穴环境独具一格；同时古环境特征和古水位线明显(分为4层)。因此，选取金瓜洞为研究对象，来反演边石坝的成因更具有代表性。

2.2 研究设计

关于边石坝的成因，在国内外的研究学者提出了多种观点，但到目前为止，对于边石坝是如何形成的还没有令人满意的解释。目前，接受度较高的理论认为由于外部环境的改变影响薄水比，从而形成不同类型的边石坝。但另一种基于微生物参与边石坝的形成过程的说法；也有较高的认可度。因此，边石坝的初始成因以及生长环境和机制仍然是神秘的，特别是对于不同类型的边石坝；所需要不同类型生长环境。现通过对金瓜洞实地考察、参考文献和查阅资料以及结合洞穴沉积物分类依据等，并按系统的方法在岩溶学与洞穴学的基础上，以把理论与实践相结合，对金瓜洞洞内进行边石坝反演过程，以此探究金瓜洞洞内边石坝的成因。

3 重力水沉积物特征与边石坝分类

3.1 重力水沉积物类型

重力水沉积是指岩溶中包气带中的可溶性水在和可溶性岩石发生反应后，并且主要受重力的作用下所形成的沉积物[4]。由于受重力的程度和所处环境不同。会形成不同形状特征的洞穴沉积物。本文根据朱学稳院士的形态+成因标准，现把金瓜洞的重力水沉积物分为滴水类、飞溅水类、池水类和流水类四大类，在不同的水制下通过协同作用下形成的沉积物[4](表1)。

3.2 重力水沉积物特征

各类重力水沉积物亚类中的洞穴沉积物类型和特征各不相同(表1)，但追溯本源，都受重力作用的因素。由于重力水沉积物在初始形成过程中受重力影响较大，对分布于洞内的不同地方沉积物，受到重力的影响不同，对重力水沉积物的几何形态特征形成有较大的影响。当然洞穴沉积物在形成过程中还受其他因素的影响，最明显的特征是重力水沉积物形成过程中含有可溶性水受重力作用为主要机制，其它相关因素的为次要机制。

表1 金瓜洞重力水沉积物主要类型

3.3 边石、边石坝、流石坝之间的关系

为了区分边石坝、边石及流石坝三者之间的差异[5]，根据朱学稳院士的成因+形态的分类方法。三者都是属于重力水沉积物中的亚类，即含有CO2的水遇到可溶性岩石在重力作用下形成碳酸钙沉积物[4]。区别在于边石坝、边石和流石坝水文机制的不同。边石坝、流石坝属于流水沉积类，边石是池水沉积类，池水沉积类最大的特点是在在各种水文机制作用下沿着水池边缘所形成的碳酸钙沉积物。边石是当水流过积水塘时，在其边缘形成的碳酸钙沉积。流水沉积最大的特点是水层连续做水流运动所形成以片状、层状以及带状为主的碳酸钙沉积物。流石坝是基于边石的形成基础上，当补给水源充足时，池水中越过边石后碳酸钙快速结晶形成形如梯坝状的碳酸钙沉积物。其最大的特征是外形像梯田，有着“石梯田”的别名。边石坝是在水池内水沿着固定边界(例如洞壁)进行碳酸钙沉积，边石坝的生长发育程度可反应洞内古环境水文迁移状况。

3.4 金瓜洞洞内边石坝分类

3.4.1 金瓜洞边石坝的平面分类

边石坝在平面上形态以圆型、扇型、水道型为主，其它类型较为罕见[3]。现根据重力水沉积物的形成所需条件。对于不同类型的边石坝以及补给水源进行统计，并查阅相关资料，得出不同类型边石坝所对应的补给水源类型(表2)。

金瓜洞洞内边石坝的形成与其它重力水沉积物一样[4]。与洞中的内部环境有一定联系。根据查阅相关资料及结合进洞考察结果，边石坝的补给水源具有多种类型。而金瓜洞的边石坝补给水源主要有滴流为主。不同类型的补给水源决定了金瓜洞洞内的边石坝的平面类型 ,也决定了金瓜洞边石坝的发育与分布特征。重力水沉积物是可岩溶性水洞穴的特有产物。

从平面上边石坝的发育有着明显的规律性。首先，是对于不同类型的边石坝的形成与其补给水源类型有着密切的联系 ,金瓜洞边石坝的补给水源类型都是属于水动力条件较弱的，所以洞内形成圆形、扇形、水道型以及罕见的复合型边石坝。其次，金瓜洞洞内大厅角落中边石坝群中的单个水池面积越靠近水源，其形成水池面积越大，特别是对于金瓜洞补给水源较弱时(如滴水、裂隙水) ，这种现象表现得更加明显。

表2 不同平面类型边石坝的补给水源

3.4.2 金瓜洞边石坝的剖面分类

边石坝的剖面结构是以边石坝倾角α来反映其发育的不同形态的边石坝。通过对洞内对于不同形态的边石坝的，除了受重力作用影响程度不同，可能与洞穴外部环境和洞内环境因素有关，导致可以发育成各种形态的边石坝。现根据对金瓜洞实地考察，结合参考文献资料，本文根据边石坝倾角α大小，现将金瓜洞的边石坝划分为以下几种类型(表3)。

金瓜洞边石坝主要有斜坝、陡坝、直坝等几种类型[3]。在数量上以陡坝、直坝占优势，斜坝、池中坝为劣势，这是与洞内边石坝补给水源受重力作用程度有关，斜坝主要以裂隙水为补给水源，陡坝主要补给水源多为滴流或裂隙水，直坝主要补给水源为滴水。由于池中坝的形成条件的特殊性，直接导致了池中坝的数量较少。而根据实地考察，发现金瓜洞补给水是以滴水为主，其次是裂隙水，导致金瓜洞内没有形成大规模的边石群，所以形成了较少数的斜坝和池中坝，边石坝的数量多以陡坝和直坝为主。

表3 不同剖面结构类型边石坝的补给水源

4 金瓜洞边石坝形成过程与成因

通过在金瓜洞洞内的边石坝的实际调查，发现洞内边石坝的生长方向不同，按照边石坝在水池中的生长方向把金瓜洞洞内边石坝分为由内向外(图1)、由外向内(图2)两大类；结合相关资料分析，边石坝的补给水源流动方向与碳酸钙沉积物沉积的方向是一致的结论，即边石坝的生长方向取决于池中的水流动方向。对边石坝的不同的生长方向是与水池中的水文条件变化有关系的。边石坝的发育方向取决于水池中的水流方向，边石坝的生长方向可以间接反映了洞内水文迁移变化方向。

图1 由内向外型边石坝

图2 由外向内型边石坝

4.1 由内向外型边石坝形成过程

通过图3的反推过主要分为3个过程。不同的过程反应了不同的水文条件，才能形成的向外生长的边石坝。从现状③来看；补给水源主要是滴水。池中的水位远低于已形成由内向外形成的边石坝的最高点(这里指的生成坝高度与水池中的水面之间距离)。由于补给水源的缺失。已形成由内向外的边石坝达到不发育的状态，说明了池中的水文迁移很小，刚好满足在现代水池生成由内向外的边石坝的条件，可知金瓜洞洞穴环境发育趋于稳定状态。

因洞内古环境复杂多变，主要根据其边石坝的形成原理与洞内的补给水源有关的因素进行探究，根据图3中③中形成这种边石坝所需条件，就必须追朔本源。说明洞穴内为形成图3中③这种类型的边石坝提供了补给水源，于是就产生图3中②。从图3中③边石坝的生长方向可以判定边石坝的生长方向。根据边石坝的形成过程。就可以对推断出古水池的水流方向是由池内流向池外。并且沉积处的流速不能太快。于是就证实图3中②出现。从②到③的反演过程中由于补给水源不断开始出现间断，最后不再对古水池进行补给，导致③的形成。洞内环境也趋于稳定。

从图3中②可以推断当时的补给水源较为丰富的。仅靠洞内的滴水是不可能形成古水池中丰富的补给水源，猜想图3中②中补给水源的改变主要是来源沿着右边洞壁流入古水池内。或者洞内洞穴环境是否发生突然改变提供一定的依据。这两种可能都形成此类边石坝的形成提供可能，当此类边石坝开始沉淀出碳酸钙时，也就是水源补给速度将会从丰富骤减为一定程度，然后保持边石坝的生长，最后逐渐减弱到此类边石坝不再进行发育，导致②的形成。

从图3中③、②的存在，可以判定图3中①的存在。就是这种类型边石坝的初始形成状态。①中古水池中的水位应低于水池左边的凸起部分最高点。由于古水池的补给水源主要是洞顶的水滴。在古积水池中的水与两边水池交界处应该出现边石坝的存在。可是根据进洞的调查，并没有发现边石坝的存在。说明图3中①存在的时间较少或者可能消失于①到②的过程中。从①到②反演过程中。只有洞内提供较为丰富的补给水源。才会迎来了图3中②所在时期。接着补给水源的强度不断减弱，最后形成③。也可以间接反映出洞穴环境稳定状况。

图3 不同生长方向的边石坝

4.2 由外向内型边石坝形成过程

这种类型的边石坝在洞穴是较为普遍的。主要可以反映边石坝的水源补给情况。如图3中④到⑤反演由外向内类型边石坝的形成过程中；在由于金瓜洞现状而言，洞内的补给水源主要是滴流，其次是少有部分的裂隙水。根据对洞内水池处实地的考察。发现现代水池中的补给水源来源于洞顶的水流滴入水池中。水滴从洞顶脱落到水池平面上的过程中，一直受重力作用的水滴，在滴入水池面的瞬间打破了原有水池面平衡。导致整个水层连续做水流运动(如海水如海浪一般运动)。改变了整个水池的与洞壁交界处的“薄水比”。形成以片状为主的碳酸钙沉积物；若洞穴内的补给水源发生改变，或者洞穴环境遭受其他意外因素的可能性。若可能会形成层状、带状的边石坝。现根据金瓜洞洞内边石坝的现状，是多以由外向内的进行发育。甚至都不会出现由内向外的边石坝进行发育。除非洞内边石坝的补给水源发生较大水文条件改变。因此，由外向内型的边石坝可反应较短时期内的洞内水文条件的变化。也可为洞穴环境的改变提供一定的依据。

4.3 金瓜洞洞内边石坝形成因素

金瓜洞洞穴系统大致呈东西(WE)展布，洞底平坦。丰富的洞内沉积物将洞厅分隔成4个厅室。金瓜洞洞道宽度一般为3～10 m ，最宽处约为28 m，平均高度为5 m，洞内最大高度达48 m。金瓜洞形成由不同阶段洞穴发育的岩溶系统组成，高差平均为0.5 m，最大高差为10 m。洞内无地下河，水流多为上覆顶层裂隙渗入汇集，分布有零散的水塘，水塘周边为陡坎。金瓜洞经历了多期地壳运动和后期改造作用后，现金瓜洞洞内由廊道、厅室组成，洞内廊道大小不一，洞穴系统比较稳定，有利于洞穴沉积物的发育和形成，为金瓜洞洞内边石坝提供了洞内环境。以下主要从物理因素、化学因素两方面对金瓜洞边石坝的成因进行分析。

4.3.1 物理因素

对于重力水沉积物，可溶性水和可溶性岩石在重力作用影响下进行生成的碳酸化合物，金瓜洞洞内沉积物类型丰富多样，边石坝是重力水沉积物的形成过程中具有代表性的洞穴沉积物[6]。凡受重力作用的可溶性水(可溶性水中含有大量以碳酸氢钙的形式存在的可溶性钙离子)都有竖直向下的生长趋势，导致碳酸化合物沿着边石坝原始所处环境进行发育；在受重力作用下，由于微地形的差异造成在倾斜的洞穴底板上的有可溶性钙离子的水存在势能差，形成流速快慢变化，在势能差最明显之处沉积要多一些，就形成了边石坝[7]。对于金瓜洞洞内的可溶性水主要是从洞顶滴入水水池和洞内岩石裂隙水沿着洞壁而下为其提供补给水源。造成边石坝的水势能差较弱。所以没有形成较大规模的边石坝群。边石坝的形成虽然使坝内水速变缓，但仍受重力作用较大，水流在坝顶的溢流仍是快速进行的，并在坝顶和背水面继续产生沉淀。本文从可溶性水受重力作用下引起的流速增快导致边石坝被水面顶部薄水比改变较大。产生沉淀主要发生于边石坝的背水面顶部，其次背水面底部。迎水面沉淀较少甚至几乎不沉淀[8]。

4.3.2 化学因素

由于金瓜洞位于典型的岩溶地区，金瓜洞洞内岩石裂隙较多等因素，因此常有裂隙水或滴水伴生其间，这些水中含有大量以碳酸氢钙的形式存在的可溶性钙离子。为边石坝的形成提供发生化学反应的原料[9]。现根据对金瓜洞的进洞实地考察，金瓜洞洞内CO2的密度比洞外的大，洞内呼吸次数明显多于洞外，同时洞内的空气水分子较多。洞壁较多的裂隙水和滴水类为边石坝提供补给水源。在富含CO2流水侵蚀下,石灰岩发生溶解，会使石灰石构成的岩层部分溶解，由于洞内CO2浓度含量较高，有利于碳酸钙转变成可溶性的碳酸氢钙[2]。如下反应：

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

(1)

在金瓜洞穴勘察中，空气中的水分子在灯光下显得格外清晰，同时洞内外温度存在季节性变化。夏季，洞内低于洞外；冬季，洞内大于洞外[10]。由于水分的蒸发以及温度的变化都会使二氧化碳溶解度减小而析出碳酸钙的沉淀。这些沉淀经过千百万年的积聚，渐渐形成了丰富的洞穴沉积物[11]。如果溶有碳酸氢钙的水从溶洞顶上滴落，随着水分和二氧化碳的挥发，则析出的碳酸钙就会积聚成具有代表性的重力水沉积物亚类中的边石坝[4]。反应如下：

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O

(2)

在形成洞穴沉积物后。当CO2从岩溶水中逸出，溶解于水中的碳酸钙因过饱和产生沉积，形成次生化学沉积，使洞中厅堂有大量次生化学沉积物，规模宏大[12]，出现池中坝罕见的现象[6]。

5 结论

金瓜洞是贵州溶洞内岩溶系统发育完整的典型，根据朱学稳的分类方法、实际调查、勘测，将洞内的沉积物进行科学、系统地分类。主要从成因学、形态学这两方面将金瓜洞洞内沉积物分为重力水沉积、非重力水沉积、叠置沉积、异因同形沉积和协同沉积这五大类，为边石坝成因研究和开发提供科学的理论依据[4]，形成了洞内类型丰富的边石坝，并得出了以下结论：

(1)洞内丰富的类型的边石坝的形成是与洞内的补给水源有着密切的联系；

(2)由内向外类型的特殊边石坝沉积处流水速度小于流失坝中沉积处的边石坝；

(3)通过边石坝的生长方向，可以间接判断出所在时期洞内环境的水文条件；

(4)在边石坝的形成过程中，虽然受到洞内的环境因素的影响，但最终仍然可以通过物理因素、化学因素对边石坝的成因进行解释。