辽宁大连骆驼山地区第四纪溶洞形成条件分析

2021-08-24高福亮张国仁吴子杰

地质与资源 2021年4期

高福亮，江洋，张国仁，吴子杰

辽宁省地质勘查院有限责任公司,辽宁大连116100

骆驼山地区位于辽东半岛南部、普兰店湾北岸.研究区位于大连市金普新区复州湾街道南东约4 km，隶属于金普新区管辖.大地构造位置位于华北陆块胶辽隆起带复州拗陷复州－大连沉陷（图1）.

图1 骆驼山地区大地构造位置图Fig.1 Tectonic location map of Luotuo Mountain

辽宁省大连市是中国东北地区重要的第四纪哺乳动物化石产地，碳酸盐岩地层发育，且构造活动相对较强，形成许多溶洞，部分溶洞被充填后形成第四纪哺乳动物遗迹，吸引着国内外众多学者的关注［1］.在该地区先后发现了大连海茂动物群［2］、古龙山动物群［3-4］以及骆驼山金远洞等众多第四纪哺乳动物群［5］，为辽南地区第四纪地层划分对比提供了可靠的资料，同时对于华北、东北甚至朝鲜半岛和日本列岛第四纪哺乳动物的迁徙和气候变化等问题的研究也具有重要意义［6-9］.根据化石产出情况以及同位素测年结果，大连海茂动物群及古龙山动物群均为晚更新世动物群［3］.而骆驼山金远洞时代跨度较大，为早更新世—中更新世动物群，具有重大研究价值［10］①刘思昭，等.大连复州湾骆驼山古动物化石点抢救性清理项目总结报告.2015..

据刘思昭等①刘思昭，等.大连复州湾骆驼山古动物化石点抢救性清理项目总结报告.2015.调查，金远洞中目前产出以野猪和肿骨鹿为优势品种的60多个种属的化石近万件，包括东北地区首次发现的纳玛象、泥河湾巨颏虎等珍贵的哺乳动物化石.除此之外，还发现了一批燧石、砂岩、脉石英等不同石料的疑似人工石制品，许多明显砍砸痕迹的动物骨骼及疑似火塘等古人类活动遗迹.根据化石产出特征、各类测年结果等信息①，表明骆驼山金远洞顶部相当于周口店期早期，中下部可能与公王岭期相当，底部可能相当于泥河湾期晚期，其连续堆积的地质时代大约为0.3～2 Ma，对研究东北地区古人类和第四纪哺乳动物的辐射和演化具有重大意义.

目前在大连骆驼山地区工作主要以化石发掘为主，并配合各种测年的手段对金远洞进行研究.但在基础地质方面仅进行过简单的路线调查，以研究哺乳动物化石的演化发展为主.基础地质研究程度较低，尚未进行过详细的1∶2000地质填图，对溶洞的形成条件、发展过程以及分布情况等尚未进行过研究，因此，笔者通过野外地质填图以及洞穴堆积物的调查，对以上问题进行研究.

1 地质背景

研究区内与溶洞形成有关的地质条件主要为地层以及断裂构造.

1.1 地层

研究区内主要发育中奥陶统马家沟组，岩层为倾向南西、倾角30～60°的单斜构造，岩性、层位及延伸稳定，岩层走向与骆驼山主体走向基本一致.根据岩性、沉积韵律等特征，马家沟组可以分为上、下2个岩性段.2个岩性段以盐溶角砾岩为分界，主要岩性为灰岩以及白云质灰岩，层厚逐渐变厚.

在骆驼山周边还发育有石炭系本溪组、石炭－二叠系太原组地层、第四系的松散堆积物以及洞穴堆积物等②辽宁省地质勘查院.长兴岛镇等四幅区域1∶25万区域地质调查报告.2001..

1.2 断裂构造

根据区域构造研究成果［10-14］②辽宁省地质勘查院.长兴岛镇等四幅区域1∶25万区域地质调查报告.2001.，研究区经历了加里东、海西、燕山、喜马拉雅期4个旋回的构造演化，其中加里东、海西、喜马拉雅期3个构造旋回主要表现为地壳的升降运动、沉积作用以及水平运动，在骆驼山地区变形较弱，对溶洞形成影响较小.燕山旋回断裂构造形迹清楚，并且与溶洞形成关系密切.因此，根据复州湾地区构造行迹及地层切割关系，确定本次构造研究以燕山期构造为主.

研究区内断裂共计23条，根据其分布方向和断裂间交切关系，认为燕山期断裂主要分为3期，即早期北东向断裂、中期北北东向断裂以及晚期北西向断裂.早期北东向断裂一般规模较大，方向为北东30～50°，延长70～483 m，宽2～20 m，以张性为主，断裂两侧有边界清楚的构造角砾岩带，并有红土充填，是控制洞穴形成的主要构造.中期北北东向断裂方向为北北东10～25°，延长160～530 m，宽1～8 m，以张性为主，个别为张扭性或压扭性，大部分构造破碎带内没有红土充填.晚期北西向断裂主要有2条，规模均较大，沿走向产状变化较大，延长约1 km，具有压扭性特点，带内发育挤压片理、断层泥等.

2 溶洞特征

本次在骆驼山地区共发现溶洞41个（表1，图2）.对每个溶洞的大小、形态以及洞穴堆积物进行调查，并总结其形成规律和时间.溶洞在空间上分布散乱，无明显的分带，但均位于断裂周围，与断裂构造关系十分密切.

图2 骆驼山地区构造纲要及溶洞分布图Fig.2 Structure outline and distribution of karst caves in Luotuo Mountain

表1 骆驼山地区溶洞特征汇总表Table 1 Characteristics of karst caves in Luotuo Mountain

2.1 形成条件分析

溶洞的形成较为复杂，主要包括了水对可溶岩石的溶蚀和冲蚀，以及崩塌和堆积［15-16］.

2.1.1 溶蚀和冲蚀

骆驼山地区溶洞形成以溶蚀为主，伴随着冲蚀作用.溶蚀作用主要的影响因素有水的溶蚀力、岩石的可溶性以及岩石的透水性.

（1）水的溶蚀力

骆驼山地区地处海岸线边缘处，溶洞形成的水源主要为海水.海水中盐度较高，且溶解大量的CO2，受潮汐作用的影响，海水的流动性强，可不断的补充溶蚀所消耗的CO2.同时流动状态下的水还会发生浓度、温度、异离子混合溶蚀现象，导致溶蚀速度提高［15］.因此，骆驼山地区岩溶水的溶蚀能力极强.

（2）岩石的可溶性

骆驼山地区主要地层为马家沟组的灰岩，属于溶解度一般的岩石，但碳酸盐岩分布十分广泛，且碳酸盐岩地貌保存完好，使得局部地区溶蚀形成溶洞，而未经溶蚀的部分则完好的保留下来，形成溶洞壁和低山.据研究［17］发现岩石的可溶性顺序：质纯的石灰岩＞白云岩＞硅质石灰岩＞泥质石灰岩.骆驼山地区岩性主要为质地较为纯净的石灰岩以及少量的白云质灰岩，溶洞大多发生于纯净的石灰岩之中，而白云质灰岩则相对较少.

（3）岩石的透水性

研究表明，岩石的透水性取决于岩石的孔隙及裂隙的大小和多少.骆驼山地区原生的孔裂隙十分有限，但构造活动强，形成了大量的开放式孔隙及裂隙.故构造孔裂隙是本地区控制溶洞的主要因素.

基于以上几点分析，形成溶洞的基础是石灰岩发育区，且具有溶蚀性较强的岩溶水，在此基础上叠加断裂、节理、裂隙等脆性破裂，使海水有充分的流动空间和储存场所，加快了石灰岩的物理、化学熔蚀作用速率，导致空间不断扩大，最终形成溶洞.区内40多个形成于不同标高、大小不等、形态各异的石灰岩溶洞，90%分布于断裂带内或其附近.因此，断裂构造，特别是不同方向断裂的交接复合部位以及与断裂活动有关的次级裂隙是溶洞形成的主要控制因素.

除此之外，流水的冲蚀作用对溶洞的形成也起到一定的作用，夹杂着砂砾的海水进入之后且流速较大，这样的流水与岩体表面摩擦时会发生冲击和磨蚀，导致溶洞的扩大.

2.1.2 崩塌和堆积

崩塌作用同样发生在地表和地下，而且与溶蚀作用有关.因为溶蚀首先为崩塌创造了空间条件，由溶蚀而诱发的崩塌，可称为岩溶崩塌作用.其主要类型有：错落、陷落和气爆.根据骆驼山地区洞穴形态及堆积物断定，崩塌作用以陷落为主.

骆驼山地区堆积作用比较复杂，它不仅有地表和地下堆积，而且还有化学性的CaCO3堆积与物理性的碎屑物堆积.据调查结果显示，骆驼山地区洞穴堆积物以物理性碎屑堆积为主，在41个溶洞中26个溶洞内为物理碎屑堆积.这些洞穴也是寻找第四纪古人类和哺乳动物化石的主要层位，有3个洞穴为化学沉积，4个洞穴为混合沉积，8个洞穴无沉积物.物理沉积主要由红土、围岩石块、钙质结核、泥岩等构成，部分洞穴内部还存在骨屑.化学沉积物主要有石钟乳、层状的方解石、纹石.

2.2 溶洞堆积物形成时代

本次工作选取以物理碎屑堆积为主的洞穴顶部高程进行对比，将这些溶洞主要分为三级台地，其中8～33 m之间为一级台地，34～58 m为二级台地，59～83 m为三级台地.在辽南地区第四纪共经历了两次大的抬升，一次为中更新世晚期，另一次为晚更新世晚期［12，18］，并且骆驼山金远洞洞穴堆积物形成于早—中更新世，推测最下部的一级台地形成于早全新世.而中部的二级台地形成于晚更新世.最高的三级台地形成于早—中更新世.