四川省康定市金汤地区一种新型溶洞及其发育机制

邓朝燕，刘 顺

(成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059)

四川省康定市金汤镇河坝村SE向大沟，发育一种与岩溶洞穴相比有许多独特之处的新型溶洞，它们无论在构造背景、形态特征还是成因机制上都与典型的岩溶洞穴不同，研究它们将有助于我们识别和推断地貌发育，对于研究溶洞的成因与演化有着重要意义。

笔者通过野外露头的观测，结合区域地质背景及相关文献资料，对金汤新型溶洞形态特征进行描述，并探讨其形成发育过程。

1 研究区域概况

金汤新型溶洞位于康定城区30°方向，属康定市三合乡河坝村，溶洞地理坐标为：东经102°19.226′，北纬30°17.299′，海拔高度2 576 m。

1.1 自然地理条件

研究区地处四川盆地西缘山地和青藏高原的过渡地带，地势由西向东倾斜。东部为高山峡谷，西部是青藏高原东缘，西北部为丘状高原区，地貌上以宽阔的丘状高原区面镶嵌宽浅河谷为特征[5]。境内最高点为贡嘎山主峰，海拔为7 556 m，境内最低点为大渡河，海拔高度为1 390 m，由于地壳间歇性抬升，区内地形切割强烈，沟谷纵横发育。

研究区按地理纬度应属亚热带气候，因地处川西高山峡谷区，且在盆地向高原过渡区域，所以形成了典型的青藏高原型季风气候，垂直分带特征较为明显，随着海拔高度的增加，气温逐渐降低、降水量增多，蒸发量减少[6]。区内年降水量丰富，但分配不均，主要集中于夏季，年平均降雨量为830 mm。年平均气温7.5 ℃，年平均最低温度3 ℃，年平均最高温度12 ℃，年日照数1 738 h，无霜期177 d。

区内地表水系发达，境内河流密集，共有大渡河、金汤河等大小河流溪涧共一百余条，流域面积从几平方千米到上千平方千米。主要的流水方向为南北向、北东向、北西向，河流接受大气降水及冰雪融水补给，水量丰富，但径流量空间和季节分布不均，丰枯变化较显著，丰水期主要集中在降雨量丰富的5月—9月，枯水期则在降雨量较少的12月—次年2月。

1.2 地质条件

研究区位于四川盆地以西、松潘-甘孜造山带南段，地层区划属上扬子地层分区九顶山小区。金汤新型溶洞及附近地区出露地层主要为下泥盆统(D1)、中泥盆统(D2)、中二叠统(P2)、中三叠统(T2)、上志留统(S3)，其中金汤新型溶洞主要发育于下泥盆统(D1)。

溶洞南西侧主要出露泥盆系中统(D2)、二叠系中统(P2)、二叠系上统峨眉山玄武岩组(P3β)。其中泥盆系中统(D2)岩性主要为浅灰色变质灰岩、白云岩夹千枚岩、泥质灰岩等。二叠系中统(P2)岩性主要为中厚层灰岩夹页岩、泥灰岩、粉砂质板岩等。二叠系上统峨眉山玄武岩组(P3β)主要出露暗灰色杏仁状玄武岩。

三叠系中统(T2)围绕溶洞南、北西侧，主要出露中厚层白云岩、泥质白云岩夹灰岩。志留系上统(S3)主要分布在溶洞南东侧，中层为白云岩、结晶灰岩、生物碎屑灰岩底部为黑色钙质页岩。

泥盆系中统上段(D12)分布于溶洞南东、东侧，主要岩性为浅灰色薄-中厚层灰岩、白云岩，生物灰岩夹泥质页岩。

区域内褶皱及断裂较为发育，主要的背、向斜有：二郎向斜、昌昌向斜、菩萨山背斜和二郎东背斜等。断层多为弧形压性、压扭性断裂，主要断裂有：昌昌逆断层、贝母山弧形逆断层、黑悬沟弧形逆断层(见图1)。

1.上三叠统须家河组；2.中三叠统；3.上二叠统峨眉山玄武岩组；4.中二叠统；5.中泥盆统；6.下泥盆统；7.下泥盆统上段；8.下泥盆统下段；9.上志留统；10.志留系中上统；11.中志留统；12.下志留统；13.奥陶系中上统；14.奥陶系下统下段；15.震旦系-奥陶系；16.前震旦盐井群石门坎组；17.前震旦盐井群雅斯德组；18.澄江-晋宁期花岗岩；19.澄江-晋宁期石英闪长岩；20.澄江-晋宁期闪长岩；21.澄江-晋宁期混合花岗岩；22.逆断层及编号；23.平移断层；24.向斜及编号；25.沉积不整合界线；26.地层界线。①昌昌逆断层；②黑悬沟弧形逆断层；③贝母山弧形逆断层；④昌昌向斜；⑤二郎向斜。

区域上岩浆岩出露广泛，岩浆活动强烈，以喷出、侵入及贯入三种方式为主。主要有中条期、晋宁期及澄江期的岩浆活动[7]。

2 溶洞发育特征

可溶性的碳酸盐岩，是岩溶洞穴发育的基础。受地形地貌、地质构造、水动力条件等的综合影响，岩溶洞穴常以溶洞群形式出现，溶洞的分布表现出明显的平面分带性和垂向成层性[8]。且岩溶洞穴通常发育于山体内，伴随着溶蚀、侵蚀等作用，溶洞往往高、宽数米到数十米，长达数百米至数十千米。

而金汤新型溶洞发育于下泥盆统(D1)，主要以黑灰、灰褐色碎屑岩为主，厚度约为580 m，岩层总体为倾向南东、倾角40°～60°的单斜构造。周边断裂构造密集，主要发育北东向褶皱及一系列小型冲断裂。由志留、泥盆、二叠等各系地层组成的褶皱，走向北东，但其形态被与褶皱平行的一组冲断层所破坏。冲断层断面倾向北西，倾角>60°，断裂两旁均有破碎、牵引等挤压现象。

金汤新型溶洞发育于山体外，平行于峡谷边缘，沿北西—南东方向水平延伸，平直且无支洞，形态简单，面积较小。洞穴总长>10 m，洞内断面最大处高约2 m～3 m，宽约3 m～4 m，呈单通道廊道式。洞内偶有出露口，位于陡崖峭壁上，出露口高约2.5 m，宽约2 m，为不规则垂向椭圆形(见图2)。

图2 溶洞洞口形态

洞内次生碳酸钙沉积较发育，主要有石钟乳、石笋、石柱等，规模较小且形态各异，洞壁多有钙化沉积，洞底偶有散乱堆积角砾碎屑等(见图3)。洞外可见大量钙化沉积、钙质胶结物，偶尔可见溶塌角砾及燧石结核。在洞顶地面岩石上，可见大量股状流水，水顺陡崖呈线状下泻，流量较大，约为0.8 L/s。

1.页岩(板岩)；2.泥岩；3.泥灰岩；4.钙华沉积物；5.黏土类沉积物；6.石钟乳或石柱。

综上所述，金汤新型溶洞发育于碎屑岩之上，位于山体之外，平行于峡谷边缘沿北西—南东方向水平延伸，形态简单且面积较小，整体呈单通道廊道式。

3 溶洞成因探讨

岩溶洞穴的发育、演化及形成，是长期地质、水文地质作用的结果。它的发育程度在特定的水动力条件下，受岩性、岩石结构、构造、地貌和化学成分制约[9]。而金汤新型溶洞的发育，同样须具备一定条件。溶有碳酸盐岩的水为金汤新型溶洞带来丰富的物源，而地形地貌、地质构造、地下水的参与决定了其发育程度。

3.1 可溶岩层

金汤新型溶洞发育于下泥盆统(D1)，主要岩性为灰黑色页岩、板岩，中厚层石英砂岩夹粉砂岩等。从可溶岩的纯度来看，该区岩石的可溶性较差，不具备溶洞发育的条件。

研究发现，金汤新型溶洞南西侧普遍出露泥盆系中统(D2)、二叠系中统(P2)、二叠系上统峨眉山玄武岩组(P3β)。其中二叠系中统(P2)岩性主要以深灰色中厚层石灰岩夹生物碎屑灰岩、中厚层白云质灰岩、灰质白云岩等碳酸盐岩为主。由于其自身的化学组成和矿物成分，在自然体制下，易溶于水，为金汤新型溶洞的发育提供了基本的物质条件[3]。

3.2 地质构造

金汤新型溶洞南东侧断裂构造密集，主要发育北东向、北北东向断裂。其中北东向断裂，走向40°～60°，倾向南东，倾角60°～70°，为逆断层，以压扭性为主；北北东向断裂，走向20°～30°，倾向南东，倾角50°～60°。断裂构造使得岩层产生大量裂隙带，为岩溶作用提供了极为有利的通道，控制岩溶的发育形态等。在具备丰富的补给源条件下，为区内地下水形成强径流和频繁交换提供导水通道，对金汤新型溶洞的发育起到加速作用。

3.3 地形地貌

金汤新型溶洞位于川西高山峡谷间，受地质构造及新构造运动的影响，地表起伏不平，其中南西侧主山峰海拔约3 800 m，与金汤新型溶洞所在地相对高差1 225 m，从南往北逐渐降低，西高东低略有掀斜。沟谷切割深，水系坡降大，使地块接受的大气降水在地表、地下形成天然水头势差，有利于地下水沿着北东、北北东向节理裂隙从南西往北东流动，为地下水径流提供了良好的径流条件和势能。

3.4 地下水的参与

区内地下水主要有碎屑岩类裂隙水、碳酸盐类岩溶水两类。裂隙水主要赋存于构造裂隙中，埋藏较浅，接受大气降水、河流湖泊下渗。岩溶水主要接受大气降水和上部裂隙水补给，通过落水洞灌入式或溶蚀裂隙渗入式补给到地下水[10]。

地下水顺着地形坡向北东运动，裂隙流转为脉状流，在断裂附近通过泉口流出地表转为地表水。地下径流与地表径流相互转换，使可溶性岩石溶于水中，形成溶液，被水荷载迁移或者被水机械冲刷，破碎成碎屑物[3]，在水动力作用下通过裂隙节理搬迁运移至金汤新型溶洞附近。

4 溶洞的形成过程

岩溶洞穴，是可溶岩(主要为碳酸盐岩)因水的运移、溶蚀、侵蚀和重力崩塌作用在原地而形成的。而金汤新型溶洞在高原山地气候环境下，经历多期地质构造运动，各类岩石发生强烈的变形，产生褶皱及断裂。微酸性的地表水通过落水洞下渗到溶洞南西侧地层中，地表水流部分转为地下水，不断沿着裂隙对石灰岩进行溶蚀，形成溶液。随着岩溶作用的进行，裂隙不断扩大，石灰岩岩体内开始形成独立的洞穴。此时，岩溶作用不断加强，大量岩溶水不断沿着节理裂隙由南西往北东运动。

由于海拔的变化及北东向断裂的阻隔，大部分岩溶水自地下以泉水形式排泄至地表。地下岩熔水转为地表岩溶水，由于温度、压力的骤变，水中的CaCO3呈现过饱和状态，重新沉积，产生泉化。随着地貌变化，大量地表岩溶水流经陡崖，形成小型瀑布，水流流速急速增大，内压力减小，导致CO2逸散，过饱和的CaCO3迅速沉积，形成瀑布华沉积。而小部分岩溶水沿着节理裂隙在地下运动，水流量较小且动力较弱，出露地表后，沿着崖壁上漫流，因CO2的逸散，在崖壁上缓慢产生CaCO3沉积。由于地表及地下岩溶水沉积速率不同，使得四周沉积较快，中间沉积较慢，差异性的沉积逐渐在崖壁上形成圆弧状空洞(见图4)。

图4 溶洞早期形态

随着沉积作用不断加强，岩溶水逐渐渗至空洞顶部出露时，水滴失去部分CO2呈现过饱和状态，逐渐在洞内顶板处产生CaCO3沉积，形成倒置锥状石钟乳。当水滴顺着石钟乳跌落至洞内底部时，形成正置锤状石笋。随着石钟乳及石笋的不断增长，两者逐渐对接形成石柱。岩溶水顺着石柱不断下流，CaCO3附着石柱不断沉积，在长期的沉积作用过程中，圆弧状空洞逐渐被封闭，最终形成“溶洞”。

1.石灰岩；2.白云质灰岩；3.白云岩；4.页岩(板岩)；5.石英砂岩；6.泥岩；7.断层；8.黏土类沉积物；9.钙华沉积物；10.落水洞及溶洞。

总结分析，金汤新型溶洞的形成过程为：构造裂隙发育→地下水溶蚀南东侧碳酸盐岩→岩溶水以地表、地下两种形式流经泥页岩区至陡崖处沉积→地表岩溶水流量大、流速大、沉积快，沉积于外侧；地下岩溶水流量小、流速小、沉积慢，沉积于内侧→差异性沉积形成溶洞早期形态→逐渐封闭，溶洞形成。

5 结论

金汤新型溶洞与岩溶洞穴在地质背景、形态特征、发育过程都有较大的差异。本文研究了金汤新型溶洞的形态特征，探讨了溶洞的形成演化过程，得出以下几点结论：①金汤新型溶洞发育于黑色页岩(板岩)等岩层上，位于山体外，平行于峡谷边缘呈北西—南东方向水平延伸，形态简单且面积较小，整体呈单通道廊道式。②金汤新型溶洞南西侧地层普遍发育石灰岩、灰岩等碳酸盐岩，为溶洞的发育提供了基本的物质条件。周边断裂构造密集，为岩溶水的运移及补给提供天然通道。且溶洞位于川西高山峡谷间，地势总体呈现南西高北东低，有利于地表水、地下水沿着裂隙由南西往北东运动，为地下水径流提供了良好的径流条件和势能。③金汤新型溶洞是由地下水溶蚀溶洞南西侧碳酸盐岩，受地貌、岩性及断裂影响，大部分岩溶水自地下以泉水形式排泄至地表，流至金汤新型溶洞所在的峡谷谷坡陡崖处沉积，流量和流速大，CaCO3沉积迅速。小部分岩溶水沿着节理裂隙在地下运动，水流较小，动力较弱，CaCO3沉积缓慢。差异性沉积使得陡崖外侧沉积快，中间沉积慢，逐渐形成圆弧状空洞。空洞中同时形成石钟乳、石笋、石柱等CaCO3沉积。空洞逐渐封闭，最终形成溶洞。