陕西镇巴三元天坑群岩溶地质遗迹特征及成因

任娟刚，洪增林,3，唐力，王鹏，王研，张静，崔娜

陕西镇巴三元天坑群岩溶地质遗迹特征及成因

任娟刚1,2，洪增林1,2,3，唐力1,2，王鹏1,2，王研1,2，张静4，崔娜1,2

（1.陕西省地质调查院陕西 西安 710065；2.汉中天坑群国际研究基地，陕西 汉中 723100；3.长安大学地球科学与资源学院，陕西 西安，710054；4.陕西理工大学历史文化与旅游学院，陕西 汉中 723001；）

汉中镇巴三元天坑群是我国湿润热带—亚热带发现的最北端岩溶天坑群，由4个相对独立的岩溶系统构成。本文总结和整理了陕西宁强禅家岩天坑群地质遗迹分布特点，分析地质遗迹的基本特征及形成原因，分析岩溶形成演化机理。研究表明：该区天坑多数发育在山脊或山顶上，具退化天坑特征。

地质遗迹；三元天坑群；成因分析；陕西镇巴县

在我国32°～33°N湿润热带-亚热带最北端发现的汉中天坑群是发育在扬子陆块北缘的岩溶地貌，。其中，镇巴三元天坑群由4个相对独立的喀斯特系统之一，面积约133km2，发育有天坑、竖井、峡谷、溶洞、地下河、洼地、石林、石芽等类型，其中天坑、溶洞呈群集中分布，具有较高科学研究价值和景观价值。通过对研究区岩溶地质遗迹的实地勘查和综合研究，可探究该区的地质演化，有助于区域地质遗迹资源保护与利用。

图 1 研究区地质环境与地质遗迹分布图

1.可溶岩；2.半可溶岩；3.非可溶岩；4.三叠系大冶组、嘉陵江组；5.二叠系梁山组、阳新组、吴家坪组；6.上泥盆统铁矿梁组、蟠龙山组；7.奥陶系-志留系龙马溪组、新滩组、罗惹坪组；8.下-中奥陶统宝塔组；9.下奥陶统大湾组；10.下寒武统石龙洞组、清虚洞组、西王庙组；11.寒武系牛蹄塘组、石牌组、娄山关组；12.震旦系-寒武系灯影组；13.南华系-震旦系莲沱组、南沱组、陡山沱组；14.断层及编号；15.向斜；16.背斜；17.天坑及编号；18.竖井及编号；19.洼地；20.峡谷；21.石林-巴山林罗城；22.石芽；23.星月湖；24.溶洞；25.地下河；26.地表河

1 研究区概况

陕西省汉中市镇巴县三元镇-青水镇一线及兴隆镇一带（图1）处于秦岭大巴山亚高山区的米仓山东段，主脊横亘东西，地势西北高，东南低，沟谷幽深、山脊陡峭狭长，相对高差大。海拔752～2 534m，表现为南缓北陡的顶面波状起伏喀斯特台地高原和深切的“ V ” “ U ”型河谷相间地貌组合。属北亚热带东南季风湿润气候，年平均气温13.8℃，年均降雨量1 250～1 350mm。一级水系多呈平行状，河流主要有泾洋河、褚河和青水河、尹家河。

研究区位于扬子陆块北部被动陆缘—大巴山弧形前锋冲断褶带。出露有志留系、奥陶系、二叠系及三叠系地层，受燕山期陆内造山作用影响，发育有多组与主构造线平行的相间排列弧形背斜和向斜叠加褶皱构造。后者主要出露有南华系、震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、二叠系及三叠系地层，断裂、褶皱发育，褶皱亦平行于构造线方向。区内山地地貌有海拔2 000m以上、1 300～1 500m和700～900m三个夷平面。二叠系可溶岩及三叠系半可溶岩是研究区岩溶地质遗迹的主要物质组成。

2 喀斯特地质遗迹类型及特征

2.1 喀斯特类型

地表喀斯特有天坑、竖井、洼地、峡谷、石林以及溶沟、溶痕等，地下喀斯特有溶洞与地下河，同时溶洞中发育类型众多的次生化学沉积物（表1）。参考《地质遗迹调查规范（DZ/T 0303—2017）》分类标准，研究区喀斯特地质遗迹属地貌景观大类的碳酸盐岩地貌亚类（杨金山等，2021）。

表1 研究区岩溶地质遗迹形态

2.2 典型喀斯特特征

2.2.1 天坑与竖井

天坑是由洞穴“厅堂“崩塌而成，四壁陡峭深井状特大型塌陷漏斗，宽度和深度均不小于100m，宽度小于100m称为竖井（苟润祥等，2018）。

研究区发育有19个天坑以及3个典型竖井特征：①从地形地貌来看，除祁家梁天坑分布在Ⅰ级夷平面上，后湾天坑、凹坑天坑分布在Ⅲ级夷平面上，其余天坑均分布在Ⅱ级夷平面上。除天悬天坑、凹坑天坑发育在凹形斜面上，阴司、苍垭、大凌冰洞、小凌冰洞等天坑发育在山谷中，其余天坑均发育在山顶及山脊上，是研究区天坑最大特色。②从发育特征，除天悬、后湾、星子山等天坑及白云村、璇洞、硝洞等竖井四周均为陡壁环绕，其余天坑陡壁有部分残缺，残缺段多呈缓坡状，可沿缓坡步入坑底。除奇谷崖、上刘家湾、下刘家湾、祁家梁、后湾及苍垭等天坑底未见有出水洞或入水洞外，其余天坑坑底均有发育，已被崩塌砾石堵塞。除阴司、石笋洞、老虎等天坑坑壁上发育两层溶洞，其余天坑坑壁虽多有陡坎但均未见溶洞发育（洪增林等,2018）。说明绝大天坑形态不完整，多处于退化阶段。③天坑的平面形态，天悬天坑呈近浑圆状、后湾天坑呈三角状、青岗坪天坑呈不规则孤岛状、圈子崖及白云村天坑呈脚掌状、星子山天坑呈长条状，其余天坑或呈椭圆状、或近（似）椭圆状。从天坑垂向特征来看，天悬天坑呈上小下大瓮状，天悬、后湾、星子山等天坑及白云村、璇洞、硝洞等竖井呈直筒状，消洞天坑上部漏斗状下部直筒状，阴司、石笋洞白云村呈阶梯状，其余天坑壁有崩塌堆积呈漏斗状。天悬天坑从形态上是本区最标准天坑。④发育地层，除星子山天坑主要发育在三叠系大冶组半可溶岩中，硝洞竖井发育寒武系石龙洞组可溶岩中，在其余天坑与竖井均发育在二叠系可溶岩地层中，同时天坑出露地段，地层产状均较平缓。⑤天坑的规模（表2、图3），圈子崖天坑长轴达520m，是规模最大天坑，属于超级天坑（杨起超，1993）。硝洞天坑长轴达300m，属于大型天坑，其余天坑均属于常规天坑。天坑深度有较大差异，圈子崖天坑深度最大，达380m，青岗坪天坑深度最小，仅38m。圈子崖天坑周长最长，为1 327m，小凌冰洞天坑周长最小，为252m。圈子崖天坑面积最大，达96 080m2，老虎天坑面积最小，为2 163m2。

表2 天坑特征值一览表

以上特征表明，天坑多数发育在山脊或山顶上，表现出退化天坑特征，是本区最大的特色。不同平面和垂向特征天坑、规模最大的圈子崖天坑、规模最小的老虎天坑、形态最典型天悬天坑，均分布在三元镇双河村，三元镇双河村一带具有形成天坑最有利条件。

2.2.2 溶洞与地下河

地下溶蚀形态以地下河和溶洞最为典型，溶洞沉积物以砂泥质崩塌堆积物及次生化学沉积物为主。溶洞多沿现代河床两岸分布，有以下特征：①典型地段均表现出明显成层性或同类型特征。如双河村一带的凌冰洞、风洞、道洞等海拔高度均在1 500m左右，均为入水洞；仁和村一带溶洞大致可划分出1 600m、1 300m、1 000m等3个层，第1层的扁口洞和第2层的白龙洞均为干洞，次生化学沉积物发育，第3层的青龙潭洞为出水洞；青水河谷一线大致可以划分出＞1 800m、1 300～1 500、1 100m、1 000m以及800m等5个层。第1层的溶洞多位于靠近山脊地段，为干洞。第2层的新洞子、洞湾洞等溶洞多位半山腰，出水洞居多。第3层的雷家寨洞、观音洞等溶洞也多位半山腰，以干洞和水洞居多。第4、5层的溶洞均靠近现代河床面，出水洞居多；兴隆镇一带溶洞大致可以划分出1 400m、1 200、1 000m、以及800m等4个层。第1、2层的溶洞多位于山顶上相对低洼地段，干洞和入水洞均有。第3、4层的溶洞多位于现代河床上，出水洞居多；沿泾洋河河谷分布溶洞多为干洞。②次生化学沉积物发育程度差异较大。除风洞、金猪洞、扁口洞、神仙洞、鱼泉洞等溶洞内次生化学沉积物较为发育外，其它溶洞仅少量发育或者不发育（朱学隐等，2003）。次生化学沉积物类型以石笋、石钟乳、石柱等滴石沉积为主，少量有石田、石幔等流石沉积物。③溶洞规模较小，除金猪洞、白龙洞、凌冰洞、道洞、扁口洞、神仙洞、燕子洞、鱼泉洞等溶洞深度大于400m外，绝大部分溶洞深度在100m内。除燕子洞、鱼泉洞、穿洞子呈斜井状外，其余多呈缓水平状。在平面展布上多呈树枝状或迷宫状，溶洞尽头多呈尖灭状。④发育地层，鱼泉洞为寒武系石龙洞组，金猪洞、大岩洞为三叠系嘉陵江组，犀牛洞、大龙洞、穿洞子、观音洞、雷家寨洞为三叠系大冶组，风洞、道洞、燕子洞、神仙洞为二叠系阳新组，凌冰洞、扁口洞、白龙洞、青龙潭洞、燕子洞、新洞子、洞湾洞、石笋洞、白崖洞为二叠系吴家坪组。总体以二叠系、三叠系地层为主。⑤大部分溶洞人类活动痕迹明显。雷家寨洞是早期苗民居住地，至今保留有大量建筑物。观音洞、金猪洞、新洞子多作为宗教祭祀用途。凌冰洞、道洞早期为储存场所。风洞、扁口洞、白龙洞、燕子洞有大量的砂泥质崩塌堆积物和黏土堆积物，早期多作为熬硝用途。青龙潭洞、白崖洞、犀牛洞、神仙洞等溶洞为当地居民水源地，还有大量溶洞作为旅游用途。

三元镇双河村地下河是研究区最大的地下河系统，地下河流域面积64km2，主源头在黄杨岭一带，向南东流经巴山林罗城，另一源头位于箭杆山西南侧，向南从巴山林罗城东侧流过，共同汇入星月湖中，并继续向南流向梨溪坪。域内发育地质遗迹包括圈子崖、天悬、大凌冰洞、小凌冰洞天坑、消洞、上刘家湾、下刘家湾、苍垭等天坑，以及道洞、凌冰洞、风洞、石林、石芽、洼地等。

研究区相对完整地下河系统有青岗坪、星子山地下河。青岗坪地下河呈近南北向，发育青岗坪天坑、祁家梁天坑以及一系列小型落水洞和洼地，在洼地内部有上升泉。星子山地下河流向总体呈南南东向，发育有入水洞（白崖洞）、出水洞（犀牛洞、神仙洞）以及星子山天坑。

综上，溶洞主要发育在二叠系、三叠系地层中。不同地段的溶洞群有明显的成层性特征，与区域新构造运动有密切关系，具有重要科研价值。

2.2.3 其他地表岩溶

研究区峰丛洼地分布较多，分布在三元镇双河村及简池镇白云村一带的Ⅰ、Ⅱ级夷平面，表现出圆锥状缓峰丛或溶丘与浅碟状洼地组合，或者单个洼地的形态特征，相对高差20～60m，多呈长条状、椭圆状，长轴与褶皱的展布方向一致。白云村一带的青岗坪洼地是由是溶丘围绕而成的地表形态，洼地内有地下河出口，具有溶蚀洼地的特征。双河村一带的梨溪坪洼地、苍垭洼地等均为单个洼地形态，内无地表河，表现出喀斯特发育的老年期阶段。在双河村北部的Ⅰ级夷平面上发育洼地也较多，其中，有一洼地由于大气降水汇聚成湖，湖面呈近椭圆形，近南北向长轴约259m，短轴约108m，周长约为621m，深度大于15m，周边又有多个小洼地环状分布，称为星月湖，具有较高的景观价值（陈宏峰等，2016）。

研究区发育峡谷极多，有白天河峡谷、泾洋河峡谷等，在三元镇、简池镇等地也多有小规模峡谷发育，在峡谷两侧多有石柱、断崖。白天河峡谷走向为近东西向，全长2.3km，谷宽6～25m，高120m左右，最高处200m。两壁坡角70°左右。泾洋河峡谷宽15～60m，高60～100m，泾洋河切割剧烈、地形陡峻，峡谷两侧岩壁上多溶洞、天生桥、瀑布。

石林最典型的属三元镇双河村一带Ⅰ级夷平面上的巴山林罗城，石林区平均海拔2 138m，面积2.5km2，单个石柱高20～30m，呈刃脊状或剑状，石柱间距在10～30m，最窄处仅容一人通行。

石芽主要分布在青水镇仁和村-三元镇双河村-大池镇迎春村一带，位于Ⅱ级夷平面。以裸露型最为发育，埋藏型次之。大池石芽群由数十个面积20～40m2石芽群组成，单个石芽高度1～3m左右，形态各异，总体呈刀脊状，表面多见小溶坑、溶痕等。埋藏型石芽主要分布沟谷两侧或道路开挖地段，上覆土层一般厚约2m，石芽底部相连，顶部高约0.30～1.5m，呈刀脊状，石芽表面溶沟、溶痕极为发育（丁晓平等，2019）。

3 形成条件分析

研究区喀斯特地质遗迹的个体形态以及不同形态组合特征是地层、岩性、构造以及气候水文等因素的综合反映。

3.1 地层岩性条件

研究区地层根据主要岩性组合及水文地质特征，可分为可溶岩、半可溶岩和非可溶岩3类。可溶岩地层为灯影组、石龙洞组、清虚洞组、西王庙组、宝塔组、阳新组、吴家坪组，岩性以灰岩为主，白云岩次之。半可溶岩地层为大冶组、嘉陵江组，主要岩性为泥质灰岩、泥质白云岩、白云岩，分布有峡谷和溶洞。非可溶岩以罗惹坪组碎屑岩地层为区域隔水层。

3.2 构造条件

构造对岩溶地质遗迹形态的发育控制作用。燕山期陆内造山作用控制了沉积盆地的演化，以司上-镇巴断裂为界，东侧司上-紫黄冲褶带断裂及褶皱均极为发育，对喀斯特作用的发育极为有利，但由于卷入的地层沉积厚度相对较薄，发育了数量较少的天坑、溶洞，且规模均较小。西侧的镇巴-万源褶皱带断裂构造不发育，褶皱构造却极其发育，共有向斜、背斜褶皱10余组（图3），为南北向或近南北向延伸。褶皱加厚了地层厚度，奠定了天坑、溶洞等地质遗迹的发育基础。背斜皱褶轴部发育了大量节理和裂隙（NE-SW向和NW-SE向），控制了地下河运移方向（呈近NS向）。地下水汇聚，形成较大规模溶洞系统，促进了天坑的形成。例如，双河村道洞发育了两组不同走向节理构造，地下河呈近NS向，主洞呈325°方位，支洞呈240°方位，展布与节理产状一致，主洞与支洞转折处也是两组节理交汇处，发育了较大规模洞厅。位于兴隆镇神仙洞主洞走向341°～0°，与其附近发育主断裂走向一致，支洞洞道走向呈200°，与节理走向吻合；受制于多组节理裂隙，洞道在纵向和横向上多方位发育，形成三层洞道和两个支洞复杂空间。

图2 研究区综合地质、地貌剖面示意图

1．碳酸盐岩；2．白云岩；3．泥质碳酸盐岩；4．碎屑岩；5．三叠系大冶组、嘉陵江组；6．二叠系梁山组、阳新组、吴家坪组；7．奥陶系-志留系龙马溪组、新滩组、罗惹坪组；8．下寒武统石龙洞组、清虚洞组、西王庙组；9．寒武系石牌组、牛蹄塘组、娄山关组；10．震旦系-寒武系灯影组；11．南华系-震旦系莲沱组、南沱组、陡山沱组；12．地质遗迹点

3.3 气候水文条件

研究区属北亚热带东南季风湿润气候，气温年差较大，降水丰沛。对岩溶地质遗迹的形成提供了有利条件。

4 结语

（1）研究区地质遗迹多样性丰富，分地表和地下2大类，均属于碳酸盐岩地貌亚类地质遗迹。地表有天坑、竖井、洼地、峡谷、石林以及溶沟、溶痕等，地下有溶洞与地下河，次生化学沉积物。

（2）特天坑多数发育在山脊或山顶上，具退化天坑特征。

（3）研究区喀斯特地质遗迹主要发育在二叠系可溶岩地层中，次之为三叠系半可溶岩和其它可溶岩地层中。

（4）研究区岩溶地质遗迹研究有重要意义，可进一步开展地质、地貌演化过程以及对地质环境变化的研究。

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Characteristics and Genesis of Karst Geoheritages of the Sanyuan Tiankeng Group in Zhenba, Shaanxi

REN Juan-gang1,2HONG Zeng-lin1,2,3TANG Li1,2WANG Peng1,2WANG Yan1,2, ZHANG Jing4CUI Na1,2

(1-Shaanxi Institute of Geological Survey, Xi’an 710065; 2-Hanzhong Tiankeng Group International Research Base, Hanzhong, Shaanxi 723100; 3- College of Earth Sciences and Resources, Chang’an University, Xi’an 710054; 4- College of History, Culture And Tourism, Shaanxi University of Technology, Hanzhong, Shaanxi 723001)

The Sanyuan tiankeng group in Zhenba, Shaanxi occurs in northernmost part of the humid tropics-subtropics in China. It consists of 4 relatively independent karst systems. This paper has a discussion on distribution, basic characteristics, genesis and evolution of the Shanjiayan Tiankeng Group lying on mountain ridges in Ningqiang, Shaanxi. These tiankengs are characteristic of retrograde tiankeng.

geoheritage; Sanyuan tiankeng group; genesis; Zhenba, Hanzhong, Shaanxi

P931.5；P642.252‚

A

1006-0995（2021）03-0523-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.03.035

2021-06-26

陕西省教育厅2019年教育薄弱环节改善与能力提升补助项目“天坑群地质遗迹价值与保护利用研究”（2050205-50502）；陕西理工大学校级重点项目“秦巴岩溶区全新世环境演化与生态地质评价”（SLGPT2019KF04-06）

任娟刚（1979— ），男，陕西武功人，高级工程师，在读硕士研究生，主要研究方向为区域地质、地质遗迹调查

洪增林（1963— ），男，甘肃陇西人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为地理学、控制科学与工程