洞穴次生化学沉积物与地质背景及洞穴环境的耦合关系——以广西巴马水晶宫为例

doi:10.11821/dlxb201609006

摘要/Abstract

摘要：

运用岩溶地貌及洞穴次生化学沉积物的成景机制和原理,结合动态耦合的方法和系统的观点,通过“洞穴”这一共同作用的对象,将洞穴的区域地质背景、洞穴外部环境、洞穴内部环境与洞穴次生化学沉积物成景过程进行有机联系,创立某一洞穴次生化学沉积物成景耦合系统,概括其内涵、特征和意义。同时通过对广西巴马水晶宫区域地质背景、洞穴外部环境、洞穴内部环境等系统分析和研究,全面系统探讨水晶宫洞穴次生化学沉积物的成景耦合过程,并按不同时期区域构造运动的程度及洞穴次生化学沉积物的形成特征,将该成景耦合过程划分为4个可往复循环的阶段：① 区域构造平稳前期—洞穴次生化学沉积物形成发育阶段;② 区域构造平稳中期—洞穴次生化学沉积物大规模发育阶段;③ 区域构造平稳后期—洞穴次生化学沉积物缓慢或停止发育阶段;④ 区域间歇性构造运动—洞穴次生化学沉积物崩塌阶段。

关键词: 洞穴环境, 地质背景, 洞穴次生化学沉积物, 广西巴马水晶宫

Abstract:

Based on landscape formation mechanism and its principles for karst landform and speleothems, "cave"--the jointly processing object -- has been studied through dynamical coupling methods and system. A cave has been studied by correlating its regional geological background, internal and external environment with speleothems formation organically. A coupling system for speleothems formation has been thus created, which has generalized the content, characteristics and significance. At the same time, it has examined the regional geological background of Shuijing Cave in Bama of Guangxi, the external environment (climatic features and evolution, CO₂ source and conversion of karst water, evolution of recharge and development of karst water, vegetation, soil types and soil covering features, etc.) and internal environment (infiltration patterns and amount of karst water from cave wall, cave atmosphere, CO₂ content, temperature and humidity, etc.) systematically. Besides, it has also analyzed the coupling process of speleothems formation in Shuijing Cave comprehensively. According to different regional tectonic movement extents and speleothems’ features in different geological periods, the coupling process of the speleothems formation could be identified into 4 recyclable periods: (1) early stable period of regional tectonic movement -- the speleothems were formed and developed; (2) middle stable period of regional tectonic movement -- the speleothems were developed in large scale; (3) late stable period of regional tectonic movement -- the speleothems were developed slowly or even ceased growing; (4) intermittent regional tectonic movement -- the speleothems began to collapse.

Key words: cave environment, geological background, speleothems, Bama, Shuijing Cave

韦跃龙, 陈伟海, 罗劬侃. 洞穴次生化学沉积物与地质背景及洞穴环境的耦合关系——以广西巴马水晶宫为例[J]. 地理学报, 2016, 71(9): 1528-1543.

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图/表 18

图1

图2

表1

图3

表2

图4

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表3

表4

广西巴马水晶宫4个不同阶段洞穴次生化学沉积物成景耦合系统简要特征

成景要素			成景要素特征	影响权数(10分)
大类		亚类
区域地层	成景地层			下二叠统栖霞组(P₁q)和茅口组(P₁m)碳酸盐岩地层为主,岩性以浅灰、灰白色中—厚层灰岩为主	2→1→1→2	1→0.5→0.5→1
区域地层	岩溶地质特征			具有极高的孔隙率、渗透率和富水性,属强可溶性地区。同时各时代地层之间地下水互有水力联系,形成一个统一的含水岩体	2→1→1→2	1→0.5→0.5→1
区域构造	构造运动		区域构造平稳前期→平稳中期→平稳后期→区域地壳的微小振动和抬升	3→1→1→5	0.5→0.3→0.3→2
	变形特征		区域内各褶皱、断裂：不平衡状态→平衡状态→平衡状态→重新活化和活动,但规模相对较小,处于不平衡状态		0.5→0.2→0.2→1
	围岩裂隙、节理		处于不平衡状态,宽度大,表面粗糙,间隙中开始有少量充填物,通水性强→平衡状态,宽度大,表面逐渐光滑,间隙中充填物逐渐由少至多,通水性逐渐由强趋弱→平衡状态,宽度大,表面光滑,间隙中充满充填物,通水性趋弱,至无→平衡状态被打破,重新活化,间隙中原先的充填物被破坏,通水性重新恢复强劲		2→0.5→0.5→2
洞穴外部环境	气候		湿润—潮湿亚热带季风气候,炎热潮湿,雨水丰富	3→4→4→2	1→1→1→1
	地表水		暂时性(季节性)地表流水十分发育		0.2→0.5→0.5→0.1
	地下水：以围岩裂隙水为主		沿洞壁渗出的水量大,季节性变化明显→常年保持较大的径流模数值,季节性变化不明显→沿洞壁渗出的水量逐渐减少,甚至于至无→沿洞壁渗出的水量大,季节性变化明显		1→1→1→0.5
	植被		被破坏→植被层形成,植被繁盛→植被繁盛→被破坏		0.2→0.5→0.5→0.1
	土壤		被破坏→土壤层形成,发育有不同厚度的土壤→发育有不同厚度的土壤→被破坏		0.2→0.5→0.5→0.1
	岩溶水CO₂来源和转换		主要来源于大气,通过雨水在下降过程中不断吸收→主要来源于土壤层,通过裂隙式岩溶水进行转化和交换→同上一期→主要来源于大气,通过雨水在下降过程中不断吸收		0.4→0.5→0.5→0.2
洞穴内部环境	渗出方式和渗出量		以滴水、壁流水为主,水量大,季节性变化明显→以滴水、壁流水,及汇聚于洞底的底流水、池水等为主,常年水量大,季节性变化不明显→与上一期相似,但水量逐渐减少至无→以滴水、壁流水为主,水量大,季节性变化明显	2→4→4→1	1.5→2→2→0.5
	洞穴空气	交换频率	与洞外空气基本一致,交换和循环频率较高→与洞外空气有一定的差异,主要表现为CO₂浓度及温湿度间的差异,交换和循环频率高→与上一期相似,但交换和循环的频率趋弱→与洞外空气基本一致,交换和循环的频率极高		0.1→0.3→0.3→0.1
		温度	恒温,略具季节性周期波动→恒温,与洞外年平均温度基本持平→保持上一期状态→恒温,略具季节性周期波动		0.1→0.2→0.2→0.1
		相对湿度	相对湿度大,略具季节性周期波动→相对湿度大,且常年基本保持恒湿→保持上一期状态→相对湿度大,略具季节性周期波动		0.1→0.2→0.2→0.1
		CO₂ 浓度	稍高于洞外→高于洞外,洞内不同部位有一定的变化幅度→保持上一期状态→稍高于洞外	0.3→1.5→1.5→0.3
成景要素耦合分析			总体尚处于不平衡状态→总体处于平衡状态→总体处于平衡状态→区域地壳微小振动和抬升,总体又处于极不平衡状态
主导性成景要素：区域构造和外部环境→洞穴外部环境和内部环境→洞穴外部环境和内部环境→区域构造
成景过程和特征			历经：形成发育(类型、形态单一,体量小,数量少,总体处于初始发育阶段,相当于婴儿与少年期)→大规模发育(类型丰富、形态多姿多彩,体量大,数量多,总体处于大规模发育阶段,相当于青壮年期)→缓慢/停止发育(类型丰富、形态多姿多彩,体量大,数量多,总体处于缓慢发育,或停止发育/风化阶段,相当于老年期)→崩塌(局部——产生“传承效应”或全部——产生“断层效应”)等4个成景阶段

表4

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参考文献 24

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类型	亚类	主要种类	发育状态	分布特征
非重力水沉积类		石毛发、卷曲石、石花、石瘤或球状石钟乳等	下端或表面多有水滴悬挂,尚在生长发育之中	主要分布于水晶宫中部和后部
重力水沉积类	滴水沉积		下端或表面多有水滴悬挂,尚在生长发育之中	鹅管
	滴水沉积	石钟乳、石笋和石柱	分四期形成,前三期已停止发育,第四期正在生长发育中	洞内广泛分布,其中:石钟乳、石笋和石柱等主要分布于前部,大型流石坝和壁流石主要分布于后部
	流水沉积	石幕、石旗、石瀑、石盾等各类壁流石,及流石坝、石梯田等各类底流石
	飞溅水沉积	石珊瑚、棕榈片、石葡萄等
协同沉积		钙膜晶锥、棕榈状石笋、乳房状石钟乳等
叠置沉积		纺锤状石钟乳

构造运动特征		发育特征	发育参数
构造运动特征		发育特征	隙宽	连续性	表面粗糙度	充填状况
极强		原有的裂隙、节理基本被破坏,生成新的裂隙系统	最宽	不强	最粗糙	完全没有充填
较强		原有的裂隙、节理部分重新活化,部分被破坏,生成新的裂隙系统	较宽	不强	较粗糙	基本没有充填
趋于平稳	前期	裂隙、节理尚处于不平衡状态	大	一般	粗糙	少量
	中期	裂隙、节理处于平衡状态	大	增强	逐渐光滑	由少至多
	后期	裂隙、节理处于平衡状态	大	最强	光滑	充满充填物
区域间歇性运动		前期平衡状态被打破,裂隙、节理重新活化,但基本不生成新的裂隙系统	变大	变弱	粗糙	原先的充填物被破坏

海拔高程(m)	主要土壤类型	主要分布和采集部位	发育深度 (cm)	对应植被类型	对应植被覆盖率(%)	气候类型	土壤空气中CO₂含量(%)
> 700	黄色石灰土	山体陡坡上、石缝间	0~16	灌木林、少量杂木林	12.3~60.2	中亚热带	0.12~0.28
550~700	黄色石灰土、砾质棕泥土	斜坡上、石缝及洼(谷)地间	0~21	灌木林和草本	16.9~55.7		0.09~0.67
< 550	棕色石灰土、冲积土、水稻土	洼(谷)地间	0~32	草本,间夹灌木林、杂木林	15.7~30.3		0.16~2.67