地理学报  2015 , 70 (3): 431-446 https://doi.org/10.11821/dlxb201503007

Orginal Article

中国喀斯特天坑研究起源、进展与展望

税伟1, 陈毅萍1, 王雅文2, 苏正安3, 张素3

1. 福州大学环境与资源学院,福州 350116
2. 四川农业大学资源与环境学院,成都 611130
3. 中国科学院山地灾害与环境研究所,成都 610041

Origination, study progress and prospect of karst tiankeng research in China

SHUI Wei1, CHEN Yiping1, WANG Yawen2, SU Zheng'an3, ZHANG Su3

1. College of Environment and Resources, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China
2. College of Resources and Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China
3. Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China

收稿日期: 2014-10-22

修回日期:  2014-12-12

网络出版日期:  2015-03-20

版权声明:  2015 《地理学报》编辑部 本文是开放获取期刊文献,在以下情况下可以自由使用:学术研究、学术交流、科研教学等,但不允许用于商业目的.

基金资助:  国家自然科学基金项目(41401313)宜宾市重点科技项目(200903029)

作者简介:

作者简介:税伟(1974-), 男, 四川射洪人, 博士后, 教授, 中国地理学会会员(S110008329M), 主要从事土地利用/覆被变化与生态效应和乡村地理学研究。E-mail: shuiweiman@163.com

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摘要

喀斯特天坑是20世纪末首先在中国南方峰丛和峰林喀斯特地区中发现的一种特殊且宏大的地表负地形,由于具有独特的科学价值和旅游价值,自被发现以来便引起了国内外地貌学者和地质学者的高度关注。对于喀斯特天坑(tiankeng)能否显著区别于其它普通漏斗,而成为一种独立的喀斯特地貌类型,国内外学者已从形态学、成因学、演化发生学等方面进行了深入探究,但仍未取得完全共识。国内外学者在其分类、形成与演化机制、发育条件、地质年代判定、岩溶生态环境等一系列问题上,也进行了较深入的探讨与激烈的争论。同时,对于喀斯特天坑价值的讨论以及开发与保护方面的研究也正引起国内外学者越来越多的关注。为此,论文围绕中国喀斯特天坑的研究阶段、研究进展、价值和开发与保护等主要议题进行了系统性的梳理与评述,进而提出中国喀斯特天坑当前研究中存在的问题和未来的研究方向。

关键词: 喀斯特 ; 天坑 ; 起源 ; 进展 ; 展望 ; 中国

Abstract

Karst tiankeng, which was discovered in peak cluster and hoodoo karst areas of southern China at the end of the 20th century, is a very special and grand negative karst landform. Karst tiankeng in China has been paid more attention by geomorphologists and geologists all over the world since it was discovered to have its unique values in aspects of scientific research, world natural heritage sites and global geological heritage and tourism. Until now, according to classification method of morphology, geomorphogeny and geomorphic evolution, it has been disputed for a long time whether karst tiankeng can be significantly distinguished from normal dolines. Additionally, the understanding of the classification, geomorphic evolution, developmental conditions, geological dating, and karst ecological environment of tiankeng are still extensively disputed by geomorphologists and geologists.Meanwhile, a growing recognition of the values and the development and protection methods has been received all over the world. This paper reviews the research stages and present progress, as well as the values and the development and protection methods of karst tiankeng in China. Finally, we point out some questions in the studies of karst tiankeng in China and research directions to be paid more attention in the further studies.

Keywords: karst ; tiankeng ; origination ; study progress ; research prospect ; China

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税伟, 陈毅萍, 王雅文, 苏正安, 张素. 中国喀斯特天坑研究起源、进展与展望[J]. , 2015, 70(3): 431-446 https://doi.org/10.11821/dlxb201503007

SHUI Wei, CHEN Yiping, WANG Yawen, SU Zheng'an, ZHANG Su. Origination, study progress and prospect of karst tiankeng research in China[J]. 地理学报, 2015, 70(3): 431-446 https://doi.org/10.11821/dlxb201503007

1 引言

碳酸盐类岩石是喀斯特地貌发育的物质基础,在中国分布总面积为344万km2,约占国土面积的1/3,使中国成为世界上最广大的喀斯特区域[1-2]。近十几年来,在喀斯特家族中发现了一种与多数漏斗和洞穴的形成机制不同,且规模最为宏大的地表负地形,其生成于中国南方特定的环境条件下,发育在特定的岩溶地质、地貌、气候和水文环境下,是一种区别于常态喀斯特漏斗的独特喀斯特景观,在全球锥状和塔状(cone and tower)喀斯特类型中,是一种最具代表性的典型形态[3-4]。经过对塌陷型特大漏斗的不断发现、总结归纳与研究升华,中国地质科学院岩溶地质研究所的朱学稳研究小组建议将此类喀斯特地形从喀斯特漏斗中独立出来,将其命名为喀斯特天坑(tiankeng)[4]

中国的喀斯特天坑有较广泛的分布区域,以数量多、规模大、分布集中、科学和美学价值高的特点而著称于世[2]。截至2010年,全世界已发现并确认的天坑约80多个,其中有超过50个在中国,全球十大天坑中,中国占了9个(表1)。而且全球已发现天坑中的3个特大型天坑(重庆奉节小寨天坑、广西乐业大石围天坑、广西巴马好龙天坑)均在中国[4]。中国的喀斯特天坑主要分布在广西的北部和西部、贵州的南部和北部、长江三峡两岸(主要是重庆和湖北)、四川的东南部、湖南的西部以及云南的东南部等地区。目前已发现的中国主要天坑群有重庆奉节天坑群、重庆武隆天坑群、四川兴文天坑群、广西乐业天坑群、广西巴马天坑群、贵州紫云天坑群和贵州罗甸天坑群等(图1)。

表1   世界前十大天坑及其规模

Tab. 1   The world’s top ten tiankeng and its scale

序号天坑名称天坑容积
(Mm3)
坑口大小
长/宽 (m)
坑口面积
(103 m2)
天坑深度国家/地区
最大最小
1小寨119.3625/535274.0662511中国/重庆/奉节
2号龙110.0800/600320.0506185中国/广西/巴马
3大石围75.0600/420167.0613511中国/广西/乐业
4交乐67.0750/400220.0325283中国/广西/巴马
5Lusé61.0800/600350.0250224巴布亚新几内亚
6小岩湾40.0625/475200.0248178中国/四川/兴文
7中石院34.8565/555278.221475中国/重庆/武隆
8大坨32.7530/380149.0290263中国/广西/乐业
9青龙31.7520/200194.0276195中国/重庆/武隆
10下石院31.5990/545352.137350中国/重庆/武隆

注:[2,5]

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图1   中国主要的天坑群分布

Fig.1   The distribution of China's tiankeng clusters

这种伴随复杂剧烈的地质运动而形成的喀斯特天坑景观具有稀缺性和极大的观赏价值,而这些又奠定了其更为重大的科学价值、世界遗迹遗产价值和旅游价值[6-7]。它们的独特魅力与价值是世界有目共睹的,但是由于其在形成机制、发育条件等方面仍存在大量疑问,所以“喀斯特天坑”在命名之初并未得到世界各国喀斯特专家的广泛接受[2]

这些疑问的产生刺激了相关学者们的研究热情。朱学稳研究员在20世纪80年代初的中英联合科考基础上,于2005年再次发起和组织了中外联合天坑考察项目,由13名中外喀斯特学界的领衔科学家组成了考察队伍,对重庆、广西等地的喀斯特天坑进行了广泛而深入的考察,其系列研究成果以“天坑专集”分别在《Cave and Karst Science》、《Speleogenesis》和《中国岩溶》上发表。此次中外联合天坑科考活动及“天坑专集”在国内外的出版,引发了天坑研究的热潮,国内外学者从形态学、成因学、演化发生学等方面,对喀斯特天坑的分类、形成与演化机制、发育条件、地质年代判定及其与普通漏斗的区别等的一系列问题进行了深入的研究和激烈的讨论。事实上,自20世纪80年代初以来这一独特的喀斯特大漏斗现象就引起了中国学者的浓厚兴趣,对其成因、发育规律、地质年代判定以及旅游开发与保护等各方面的研究就从未止步过。2005年这次中外联合天坑科考活动之后,众多学者纷纷加入到喀斯特天坑研究队伍中,采用不同的方法和技术对喀斯特天坑的成因与机制、开发与生态环境保护进行了广泛的研究,并吸引了除地质学之外的地理学、生物学、水文学、环境学、灾害学、景观学、旅游学等众多学科学者的积极关注与广泛参与,为相关学科带来了新的研究方向和新的科学命题。

中国是世界喀斯特天坑家族中数量最多、类型最多样、发育最完整、景观最丰富的国家[2],是名副其实的“世界喀斯特天坑的王国”。对中国喀斯特天坑的相关研究进行综述,并分析其目前存在的问题,对促进多学科参与以不断深化喀斯特天坑研究,并使其成为国际社会所认可的一个新的喀斯特地貌类型具有重要意义。

2 中国喀斯特天坑的研究发现、命名与推广

2.1 发现阶段(1980s-1990s)

20世纪80年代初,中英岩溶地质学家在中国的联合洞穴探险活动中发现了四川兴文特大型漏斗——“大岩湾”和“小岩湾”[2]。当时,兴文县的小岩湾塌陷坑的发现丰富了中国的喀斯特地貌与洞穴学[9]。实际上那是在碳酸盐岩喀斯特区形成的周壁峻峭、深度与口径可达数百米的喀斯特负地形,也就是国外所称的“great or giant doline或collapse giant doline”(大型漏斗,或巨型塌陷漏斗)[2]。因此,四川省兴文县是第一个发现天坑的地方,可以说是中国喀斯特天坑研究的起源地。

1992年后,天坑在中国不断被发现。1994年,重庆奉节县小寨天坑被发现;2000年,广西乐业县发现了大石围天坑群;2001年3月,在武隆县发现了成因起源于地面水流的冲蚀型天坑群;2002年底,广西巴马县的号龙天坑和交乐天坑被确认[3]。这一系列超大型喀斯特漏斗的发现,为“天坑”的进一步研究奠定了基础。

2.2 命名阶段(2001-2005年)

随着天坑不断发现,中国地质科学院岩溶地质研究所的朱学稳研究小组对这种“大型漏斗”逐步有了一些新的认识和发现,并于2001年在《科技导报》上发表了“中国的喀斯特天坑及其科学与旅游价值”一文,将这一喀斯特现象正式命名为“天坑”,首次提出将“天坑”从“大型漏斗”中分离出来,成为喀斯特形态学中的一个新成员——“喀斯特天坑”(Karst tiankeng),并建议在国际上只使用拼音词tiankeng[3, 6]。在此阶段的中国,区别于普通的塌陷漏斗,天坑不论是在科学价值重要性方面还是作为自然奇观进行旅游开发所带来的可观的经济价值方面都已得到了认同[6]。但在国外,天坑还是鲜为人知的,看到天坑的外国人差不多都是来中国进行洞穴探险的洞穴爱好者,而考察过中国天坑的外国科学家几乎没有[10]

2.3 推广阶段(2005年至今)

2005年10月朱学稳组织实施了“中国天坑考察项目”,由来自中国地质科学院岩溶地质研究所、斯洛文尼亚喀斯特研究所、乌克兰国家地质研究所、纽约州立大学、宾夕法尼亚州立大学、悉尼大学和赫德菲尔德大学等的13位知名喀斯特专家组成了“国际天坑考察组”,对中国重庆的武隆天坑群、奉节小寨天坑群、广西乐业大石围天坑群等进行了实地考察,并在桂林召开了“国际天坑讨论会”。

国际喀斯特天坑考察组在重庆、广西一带大规模考察后,国外同行一致确认了中国喀斯特天坑的世界地位,“天坑”这个术语在国际喀斯特学术界获得了一致的认可,并开始用汉语拼音“tiankeng”通行国际,使这一学术术语走出国门成为世界性的喀斯特词汇[6]。这是继峰林(fenglin)和峰丛(fengcong)之后,第三个由中国人定义并用汉语和拼音命名的喀斯特地貌术语[6]。天坑(tiankeng)存在的被证实及其定义的确定,对于在国际背景中进行喀斯特地貌研究具有重要的意义[6]

在这一阶段中,中国喀斯特天坑的特殊地质地貌科学意义、较高的景观美学价值及其自然属性的稀有性得以被认可。2005年2月和2010年10月,四川兴文国家地质公园和广西乐业—凤山国家地质公园分别通过联合国教科文组织的评审,加入世界地质公园网络。2005年,四川兴文世界地质公园被列入中国申报世界自然遗产后备名录;重庆市奉节小寨天坑于2006年2月被确定为首批国家自然遗产;重庆武隆后坪的巨型天坑群和天生桥系统于2007年6月成功入选“中国南方喀斯特”世界自然遗产名录。

3 研究现状与主要认识

3.1 中国天坑的命名与定义

据文献记载,“天坑”一词最早见于袁道先(1988年)主编的《岩溶学词典》中,但由于当时研究程度和资料所限,仅将“天坑”归入竖井一起表述[11]。天坑在世界上的不同地点有不同的称谓,但其含义多具有同义性,在中国各地,代表性的名称有“岩湾”(兴文)、“石院”(武隆)、“龙缸”(云阳)、“石围”(乐业)、“天坑”(奉节)以及“槽”、“洞”、“凼”等[4],均具有岩石中的大坑、深坑、陷坑的含义。而在斯洛文尼亚称Kukave、Kolisevye、Vigedi等,在墨西哥则称Sotanos[12-14]

自1980s以来,朱学稳研究小组通过对塌陷型特大漏斗的形态和成因地不断发现、归纳总结与深入研究,于2001年正式建议以“天坑(tiankeng)”作为国际通用的名词和术语,将喀斯特天坑与喀斯特漏斗区分开来,成为一种独立的地貌形态。朱学稳[6]将天坑最初定义为:“四围岩壁峭立(而不是任何形式的缓坡,且不包括后生改造),深度与平面宽度均不小于50 m的地表陷坑”。2003年和2005年他又先后两次对天坑定义进行了修订,最终定义为:“具有巨大的容积、陡峭而圈闭的岩壁、深陷的井状或桶状轮廓等非凡的空间与形态特征,发育在连续沉积厚度及其含水层包气带(vadose zone)厚度均特别巨大(地下水位深埋)的可溶性岩层(以碳酸盐岩为主)中,从地下通向地面,平面宽度与深度从大于100 m至几百米以上,底部与地下河相连接的一种特大型喀斯特负地形”[3-4]。随后,A. N. Palmer和M. V. Palmer[15]将朱学稳对天坑的定义简化为:“天坑是四周岩壁陡直和平均宽度和深度通常均超过100 m的大型塌陷漏斗”。

除了国内学者对喀斯特天坑的命名与定义的一些非正式异议外,一些国外学者对是否将“天坑”列入喀斯特地貌学词汇并成为一种独立的地貌类型也有一定的看法。他们认为问题的关键在于天坑是否存在与众不同的“天坑作用”,即是否仅存在纯粹的形态上的差别[16]。形态与“天坑作用”机理相融合解释是喀斯特天坑独立为新地貌类型的关键,但目前国内外对“天坑作用”的相关深入研究并不多,这就意味着将“天坑(tiankeng)”作为一种独立的术语并在国际上被真正确立、广泛接受还需更多的研究努力。

3.2 天坑与普通漏斗的区别

与天坑形态近似的几种典型的喀斯特负地形包括:漏斗、洼地、竖井、落水洞等。从喀斯特天坑的规模界定很容易将竖井和落水洞排除在外,尽管在成因上可能藕断丝连,特别是“侵蚀型”天坑是否由竖井和落水洞演化而来还存在争议,但最容易与喀斯特天坑混淆的是漏斗与洼地,不过溶蚀洼地规模较漏斗大、发育阶段又晚于漏斗,故易于将漏斗与洼地区分开来。漏斗作为喀斯特岩溶作用初期的一种形态,以溶蚀与塌陷型漏斗最为普遍[2-3, 17-18],与天坑形态最为近似,要将喀斯特天坑与漏斗科学区分开来则相对不易。国内外学者通过研究认为,可以根据规模大小、形态特征、形成的环境条件、发育过程以及形成机制等方面将漏斗,尤其是塌陷型漏斗与天坑很好地区别开来[3, 12, 16, 19]。其中,有学者认为运用地貌成因学标准最具说服力,不仅能将天坑与普通漏斗进行区分,还能区分包括蒸发岩之上的岩盖塌陷(如加拿大和俄罗斯地区)和干旱地区热水洞穴之上的大型塌陷(如阿曼地区)等其它大型塌陷地貌[4, 14, 20]。除此之外,还有一种将地貌发生学上的形态标准和成因结合起来的观点,该观点认为天坑区别于漏斗在于其两个最重要的特征:天坑的庞大规模及其发育与大型地下河有关[4]

3.3 天坑的分类

通过不同的分类方法对喀斯特天坑的类型进行划分,有助于进一步深化“天坑”的研究。国内外主要采用3种方法,即用形态学方法、成因方法和发生演化方法对天坑进行分类。

(1)形态学分类方法

形态学方法是以形态和规模特征为主要的标准来将天坑作为一种类型描述,然后考虑其成因,这种方法可用以区分天坑亚型。中国的研究者普遍使用形态学的方法,强调用形态学和形态测量学的标准来描述天坑等级与分类[20]。根据全球中发现的天坑在规模上的差异,朱学稳等曾将天坑划分为超级天坑、大型、中型和小型4个等级。后来朱学稳和陈伟海[2-3]将天坑调整为3类:直径和深度超过500 m为超级天坑;直径和深度300~500 m为大型天坑;直径与深度100~300 m为标准或常态天坑。这种方法实际上是按天坑规模来进行形态分类。

(2)成因分类方法

成因方法强调的是地貌的起源和发育、地貌形成过程和形成的基本条件。国内学者普遍认同天坑分为起源于地下水流溶蚀崩塌作用的塌陷型和起源于地面水流溶蚀、冲蚀作用的侵蚀型[3]。而Klimchouk则认为天坑是一种特大型塌陷漏斗,并且是塌陷漏斗类型中非常极端的一员,根据纯粹成因方法,不能把大型侵蚀地貌归为天坑类型[16, 20]。W. B. White与E. L. White[19]则把天坑看做封闭型洼地,认为其主要形成于石灰岩地层的机械崩塌和崩塌块石的溶蚀搬运,虽然在多数情况下崩塌起着重要作用,但仍次于溶蚀作用。

(3)发生演化分类方法

地质环境是地球演化的产物,在地球史上地质环境是逐步地,相继地发生、发展和形成的,即由稳定、失稳再到稳态重建不断地发生演化。Waltham[21]就通过地质环境发生演化的方法将天坑分类为:原生天坑、成熟(典型、活动)天坑和退化天坑。但是这种方法并不能将原生天坑与漏斗很好地区别开来。

3.4 天坑的形成与演化机制

喀斯特天坑形成于内外营力的共同作用,其形成与演化机制相对于普通喀斯特漏斗更为特殊。对于天坑形成的影响因素、主要驱动力以及是否应该将侵蚀型天坑作为一种天坑类型等研究问题,国内外学者进行了激烈的讨论,尚未达成一致认识。

3.4.1 国内学者的观点 朱学稳等人从天坑的形成条件和发育阶段上探讨了喀斯特天坑的形成与演化机制,认为形成于碳酸盐岩层中的喀斯特天坑有起源于地下水流溶蚀崩塌作用的塌陷型和起源于地面水流溶蚀冲蚀作用的冲蚀型,而无论是在国内还是国外,在分布的普遍性还是数量方面,塌陷型天坑都占有绝对的优势[2-3],因而目前对于塌陷型天坑的研究较冲蚀型也更多。

塌陷天坑是地下深处的碳酸盐岩层遭受地下能量(主要是地下河道)不断输出,产生渐进式崩塌,直至整个地下空间出露于地表而形成的[2]。需在湿润多雨地区,具有岩层产状平缓及断裂发育的地质构造条件、相当厚度的包气带及连续沉积厚度巨大的碳酸盐岩层和高强度的水动力作用才能发育生成,其发育经历3个阶段,即地下河阶段、地下崩塌大厅阶段和天坑出露地表阶段[2-4]。韦跃龙等人将天坑的形成、发育和演变概括为:发育渐变(巨大地下洞腔的形成)、形成突变(洞腔崩陷形成天坑)、改造缓慢(后期改造过程)[22]图2)。

图2   天坑形成与演化过程[22]

Fig.2   Formation and evolution process of Tiankeng

目前发现并已被研究的天坑中,重庆奉节小寨天坑为典型的塌陷型天坑,其发展由地下到地表经历了如上所述的3个阶段[23]。另外广西凤山岩溶国家地质公园中的天坑[24]、小岩湾天坑[25-26]和大石围天坑群[27]等也可能都是经过多次塌陷形成塌陷型天坑。

与塌陷天坑自地下深处向地面发展的方向正好相反,侵蚀性(或冲蚀)天坑则是在可溶性岩层的包气带中,由地表水流(主要属外源水)的集中冲蚀(侵蚀)与溶蚀作用形成的[2]。其形成过程可分为前期阶段、竖井状落水洞阶段、天坑及地下洞穴系统形成阶段、天坑加深和新落水洞与竖井发育阶段[28]。依其分布形式的不同可将侵蚀天坑分为:水平岩层分布式(如重庆武隆的箐口天坑)和倾斜岩层接触式(如萨尔瓦多的Garden of Eden)[2]

近年来的研究认为,将崩塌天坑与侵蚀天坑完全地区别开来还有待商榷,多成因天坑肯定是存在的,崩塌和溶蚀两种作用都有助于天坑的形成,可能对一个天坑的形成共同产生作用,只是相对重要性可能各不相同[4, 29-30]。税伟和王兴贵[31]通过对兴文喀斯特天坑的多次科考后发现:兴文喀斯特天坑除了大、小岩湾等塌陷型天坑外,还有一系列侵蚀天坑的遗迹,这些特殊的侵蚀型喀斯特地形的形成除了以流水冲蚀、侵蚀作用为主外,同时塌陷也起着十分重要的作用。

3.4.2 国外学者的观点 国外学者从洞穴削顶学说、水力学、演化论和洼地论等多维视角,对天坑的形成和演化机制进行了探讨。他们提出的这些假说不能完全说是真知灼见,也难以科学验证,但是这些基于专业知识的演绎分析、归纳总结和经验判断而形成的种种研究学说,一定能在学术争鸣中推动喀斯特天坑相关研究的深入并最终达成共识。

(1)洞穴削顶学说

洞穴削顶(cave un-roofing)是一种大规模的地貌过程,它在峰丛峰林形成中起到了非常重要的作用,而且可能是热带喀斯特区大型洼地、峡谷和谷地起源的主要作用[20]。Klimchou认为,削顶是从崩塌和连续横向洞顶后退开始的,极有可能进一步沿着主洞道大规模崩塌,逐步分裂洞穴,形成峡谷,然后产生更多的横向后退[20, 32]。从广义上说,喀斯特崩塌包括天坑都是洞穴削顶的派生产物,喀斯特峡谷也是洞穴通道通过崩塌和侧向后退形成的,而且天坑只不过是峡谷形成的早期标志,重庆武隆天坑之间的大规模天生三桥就是一个通过洞穴削顶作用形成的峡谷的典型例子 [20]

(2)水力机制说

A. N. Palmer和M. V. Palmer[15]认为,天坑形成的主要因素应归结为水力作用对暗河通道洞顶塌陷堆积物的搬运。由于塌陷的扩大造成暗河通道的阻塞和改道,水力梯度变陡,溶蚀和侵蚀增强,而暗河通道的改道和扩大又进一步加强了塌陷作用。但Eavis[33]经过对中国及国外天坑的考察发现,一些洞壁陡峭或直立的封闭落水洞的形成机制与崩塌作用和围岩破裂软弱带的分布有密切关系,据此认为典型天坑的形成不完全是渗流带发育的结果。

(3)天坑演化论

一些学者通过喀斯特地貌的演化来解释天坑的形成机制。Waltham[21]通过对四川兴文喀斯特区猪槽井、小岩湾、大岩湾3个相邻的地貌形态的研究,提出此3个相邻的地貌形态代表了天坑洞厅扩大的早期阶段、天坑成熟阶段以及天坑的退化阶段。然而,这种观点的正确与否是值得讨论的。因为各种自然条件都在随地点和时间而变化,想要提出一个岩溶地貌在相同条件下仅仅随着时间因素发展的演化系列是困难的,不能把不同条件下发育的不同形态,归纳到一个演化系列之中[34]

(4)洼地机制论

W. B. White与E. L. White将天坑看作是封闭型洼地家族的成员,他们认为机械的不稳定性和崩塌块石的溶蚀搬运以及二者之间的相互作用是天坑发育的条件,可以将天坑放在封闭型洼地的总系统中进行分析[19]

3.5 天坑的地质年代

天坑作为一种新的喀斯特形态,在“喀斯特作用地质过程”的时间尺度上为我们开拓了新的思路[2]。中国喀斯特天坑具有巨大的物质输出量,其发育的深度接近或等于所在含水层包气带的厚度,且塌陷天坑的出现可破坏任何形成年代较早的负的及实际存在的地貌形态,因此,中国的天坑在地表各类喀斯特形态中,应该是“最年轻”的成员[2-4, 20]。朱学稳等曾预测天坑形成于晚更新世以来[2],但这种说法只单纯强调天坑最后的定型时间而忽略了其形成的发生、发展过程[35]。后有学者利用天坑洞穴中的堆积物来研究天坑形成的地质年代,如分析堆积物孢粉组成特征和宇生36Cl等来测定天坑暴露年龄[36-38]。但天坑底部的堆积物不一定都是天坑崩塌、侵蚀和冲蚀作用下的沉积物,还可能是地表径流、洪水等带来的外源岩石和物质,而且最早的天坑沉积物还可能随地下河搬运已流失。因而利用天坑残迹、沉积物和堆积物等进行天坑形成地质年代研究所得到的结果存在很大的争议,而最大的争议在于:所测定的沉积物年代是否就等同于天坑的形成年代?

目前,对地质地貌形成年代测定的方法主要有:相对定年法、放射性定年法、地磁定年法、海洋地壳定年法和化石年代定年法等,但究竟采用何种方法、技术组合和多源验证,才能更好地测定天坑的地质年代,这仍然是目前天坑研究的一大难点。虽然目前对于天坑形成地质年代测定方面的研究还比较欠缺,但从其他地貌地质年代的测定方法中仍然可以获得一些启示,如高精度ICP-MS230Th测年新技术以及利用高分辨率δ18O进行气候变化记录,重建地貌形成的古气候[39-40]。考虑天坑形成的古气候和古降水并进行模拟重建可能是测定天坑地质年代的一个突破口。

3.6 天坑的独特生态环境

人类活动造成了喀斯特地区诸如石漠化、土地资源丧失、生态系统退化等环境问题,使其变成生态环境脆弱敏感区[41-44]。而中国的喀斯特天坑往往分布在受人类活动干扰较小、不易于到达的经济相对落后地区,一些学者对于喀斯特家族中独具特色的天坑的生态环境的科考和研究发现,让我们看到了一个不一样的喀斯特生境。

天坑主要分布在降水量充沛的热带和亚热带强喀斯特山区,其内部是一个相对封闭的环境,下部与坑口地表相比拥有较大的湿度、较低的温度和较高的负氧离子浓度,加上稳定的温度、丰沛的降雨、充足的热量、适宜的湿度等条件,使天坑形成了有别于周围区域的小气候和适合生物生存的独特生境[45-47]。因而,天坑为各种生态类型动物的繁衍和植物的生长提供了有利的条件,其中生活、生长的爬行动物、两栖动物和药用蕨类植物不断被发现,其独特的生物多样性也被比较与研究[48-51]。这不但为生物学和生态学方面的学者提供了一个特殊的科研场所,也对物种多样性、基因多样性和生态系统多样性的研究具有重要的科学价值[52]

天坑生态环境的初步研究表明其是一个独特、循环的生态环境系统,但是这并不代表其不具备脆弱性。岩溶石山区森林覆盖率明显低于非岩溶区,这也意味着岩溶石山区植被的恢复、演化会慢于非岩溶区[53],因而在特殊的大系统中重视天坑生态环境的保护是非常必要的。如何保护好这个独特的生境是一个亟需且必不可少的重要研究方向。

4 喀斯特天坑价值研究

喀斯特景观是大自然赋予人类的不可多得的财富,而“天坑”作为喀斯特的一种奇特现象,在漫长的地质历史中经过内外动力地质作用,更是形成了独具魅力的特色。伴随剧烈的地质运动形成的天坑景观具有稀缺性、典型性、系统性和不可再生性的地质(自然)遗产属性,因而具有世界自然遗产价值,宏伟的景观还具有极大的美学观赏价值和旅游价值,同时,在对喀斯特及其相关科学的研究中无疑还具有重大的科学研究价值。

4.1 科学价值

朱学稳[6]对喀斯特天坑的科学价值进行了研究和总结,并概括为:有助于对岩溶作用的基本性质,特别是溶蚀、崩塌、侵蚀作用的机制及相互关系的认识的深化与发展;天坑形成机制及其分布与演化规律的研究,可能会导致人们对喀斯特含水层性质及演化过程认识的飞跃性发展;天坑的形成及其发育所达到的深度,对该地区的第四纪地质史,特别是确定地壳上升运动的性质与速率具有重大意义;大型天坑内的特殊的气候与生态环境系统,在生物学和生态学研究方面具有特殊的科学价值与意义;喀斯特天坑的研究对探讨是否存在一个特殊的喀斯特形成动力系统与形成机制也具有重大意义。

喀斯特天坑本身就具有很大的科学价值,而对其进行研究所带来的科学价值就更引人兴奋和具有现实意义。喀斯特天坑研究对洞穴学、喀斯特学和喀斯特水文地质学等许多相关学科的发展,带来了重要的影响与有力的推进[6]。天坑的研究也有力推动和丰富了地貌学、自然地理学、生物学、环境科学、旅游学、景观学等相关和交叉学科的发展,并为这些学科的发展提出了一些新的科学问题和研究课题。

4.2 世界遗产、遗迹价值

喀斯特天坑具有最杰出的自然现象和罕有的自然美及重要的美学价值,具有代表地球历史演化主要阶段的杰出事例和重要的地貌或自然地理特征,具有最重要的、最有意义的、可以保护当地生物多样性的自然栖息地[23],因而具有明显的世界自然遗产价值。目前,重庆武隆后坪天坑群与芙蓉洞芙蓉江、天生三桥完美组合,已经被纳入世界自然遗产名录[54],四川兴文天坑被中央政府列为世界自然遗产后备名录,小寨天坑被纳入中国国家自然遗产。

喀斯特天坑还具有地质遗迹价值,它作为喀斯特家族的一员,以其独特的身姿和魅力展现在世人面前,并因独具特色的地质价值而受到保护。目前中国具有喀斯特天坑景观并进入世界地质公园网络的地质公园有四川兴文世界地质公园和广西乐业—凤山世界地质公园。中国世界地质公园中的喀斯特天坑往往也与暗河、峰从、洼地、溶洞、天窗等其他地貌景观组合,共同构成有序的洞穴—水文地质系统,是世界范围内典型的规模大、形态齐全的岩溶景观组合,景观类型丰富且集中,系统性、典型性、完整性、稀有性等特征突出[24, 55]

4.3 旅游价值

天坑是目前各种喀斯特形态中规模最大和自地下深处向地面发展的唯一形态类型,多给人们以奇幻、深邃、险峻、峭削、秀丽的意识反应与感受,具有特殊的旅游观赏价值与感官属性。它与当地的地缝、洞穴、地下河和奇峰怪石等旅游资源共存于一体,常构成高等级的旅游资源[44, 56]

中国喀斯特洞穴景观开发早,但因景观共性大,独特性小,游客重游率低,逐步成为了一种区域性的旅游资源[57]。那么天坑作为喀斯特景观的新类型,要将其独特的旅游价值发挥得淋漓尽致,其景观特征和独特性评价是旅游开发的重要基础。陈思贤和税伟[58]通过构建天坑景观评价模型与指标体系,以进一步挖掘其旅游资源内涵,使其在自然旅游资源中的精品地位更具说服力。还有一些学者参照《旅游资源分类、调查与评价》国家标准、运用组织生态学理论等方法对天坑景观进行评价和分析[56, 59-61],也凸显了天坑的独特旅游价值与魅力。

目前中国已对外开放了四川兴文天坑群、重庆武隆天坑群和广西乐业大石围天坑群等,其旅游价值已经得到充分体现,地质科普教育价值也得到了高度重视,旅游开发产生了较好的经济效益。

5 喀斯特天坑的开发与保护

天坑的不断发现与研究也在不断推动喀斯特天坑的开发。由于其景观的不可再生性及喀斯特地质地貌极易破坏的特点,喀斯特天坑的保护性开发必然成为重要的研究主题。

5.1 喀斯特天坑的旅游产品开发

天坑的开发应贯彻保护性开发原则,因坑制宜,开发形式与游览方式要多元化,以充分展现天坑的多重价值与独特风姿。这种新兴而独特的旅游资源的开发不应只单纯地关注旅游资源本身,还应该注重对旅游资源内部及其与外围旅游资源的整合,形成以天坑为核心的旅游产品的叠加吸引力和整体优势[61],也需考虑游客的旅游产品感知与消费市场需求,有效、合理地开发“对口”的旅游产品[62]。可采用纵向分带式方法有针对性地开发喀斯特天坑旅游产品[63],利用3S虚拟技术建立旅游业支持系统[56],应用生态学的原理和方法进行旅游活动布局,发展天坑生态旅游[64-65]。利用天坑原生态的资源发展生态旅游,这不仅是天坑景区健康发展的选择,也顺应了现代旅游业发展的潮流与大趋势。

5.2 喀斯特天坑的保护与管理

天坑作为巨型的喀斯特地表和半地下地貌,必然是一个完整的岩溶生态系统或岩溶环境系统。而岩溶生态系统是受岩溶环境制约的生态系统,其内涵包括了岩溶环境如何影响生命,也包括生命对岩溶环境的反作用[66]。千万年来天坑内部形成了一种绝无仅有的原始小气候,其内生存的动物食物链、独特的生境具有不可替代性,一旦遭受破坏将是毁灭性的[67],所以对天坑的旅游开发必须关注其生态承载力与环境容量,以实现可持续的旅游发展。税伟和苏正安[68]多次监测了与兴文县小岩湾天坑相连的溶洞系统内外的CO2浓度,并发现游客量、洞腔大小和不同部位对其浓度有很大的影响。此外,田至美[69]和王雅文[70]则测算了天坑组合景观的环境容量。但目前系统开展天坑环境承载力方面的研究还是鲜有的。

除了对天坑本身环境容量方面的关注,对于外来污染物的防治也不容忽视。由于天坑底部温度明显低于坑口,天坑与地下河相连通,洞内与洞外气流进行交换,使天坑形成了一种类似“冷陷阱效应”的天然被动采样器,因而会使PAHs、有机氯农药等污染物进行富集[71-75]。这一现象在大部分天坑中都存在,源于天坑周围的农户在耕种过程中施用了过量的农药、化肥,其所产生的面源污染会影响天坑地下河的水环境质量,进而会影响到天坑的生态系统和岩溶环境。然而因目前的认知、财力、人力等因素的限制,天坑的污染防治容易被忽视,对天坑的环境污染治理还很欠缺。

重视天坑内部环境保护的同时,天坑与外部环境的协调也至关重要。要对天坑景区进行合理的规划和管理,调控好天坑的人—地关系系统,并在天坑旅游开发中考虑利益相关者和社区居民的参与,提高天坑旅游发展的社区参与水平,培训居民参与天坑旅游开发与管理的能力和技能[65, 76]。只有做到人与地和谐,才能真正实现天坑的有效保护及其旅游价值的健康发挥。

目前对喀斯特天坑景区的保护与管理的研究包含生态、环境、旅游经济、规划管理以及地质遗迹保护等多方面,研究涉及生态安全与环境敏感度评价、旅游资源评价、旅游产品开发、天坑景区规划与管理等多个领域,但由于喀斯特天坑景区相较于其他景区发展较晚,在景区的保护与建设方面还应有长足的进步。

6 存在的问题与研究展望

6.1 存在的问题

(1)基础研究工作较为薄弱

尽管喀斯特天坑的发现与正式命名已有10多年时间,研究内容也广泛涉及到了喀斯特天坑的命名与定义、天坑的分类、天坑的形态学特征、天坑的形成与演化机制、天坑的年代、天坑的生态环境、天坑的价值以及天坑的开发与保护等诸多方面,但从建立喀斯特天坑的学科方向、学术研究领域、科学研究体系以及满足其保护与开发协调发展的社会需求来看,基础研究较为薄弱,任重而道远。已发表的喀斯特天坑的相关研究成果以宏观定性、经验判断、描述归纳和假说推论居多,而基于科学的野外观测和实验所采集的数据来开展相关研究的工作很少。特别是喀斯特天坑的成因与演化机制的科学证据不足,天坑的地质构造背景、水动力机制、岩层组合、岩性与结构特征研究不足,“天坑过程”如何科学揭示第四纪地质史的研究不足,天坑形成的地质年代仍是谜解,天坑的生态环境系统、开发与保护相协调与可持续发展的研究才刚起步。

(2)研究不系统,融合研究少

目前的相关研究成果还不多,研究内容分散、零碎、不系统,各个学科之间缺乏联系和融合,单个学科只关注自己本专业的问题,缺乏协同与创新,融合性的研究成果很少。突出表现在:地质学者更关心喀斯特天坑的地质构造、岩性和结构特征;地貌学者则重点关心岩石的重力崩塌过程和水力冲蚀、侵蚀作用;生物学者仅对天坑的物种和生物多样性感兴趣;旅游学者则关注天坑的美学与景观特征及如何开发利用;而环境学者研究天坑的水环境污染还停留在天坑的“带帽”研究。

(3)缺少国内、国外的对比研究

虽然朱学稳一直倡导将喀斯特天坑独立于普通漏斗,作为一种新的地貌类型来研究,并致力于创建喀斯特天坑学。然而,这需要建立在国内外喀斯特天坑间比较研究的基础之上,才能从个案走向群体,从特殊走向一般,发现天坑的共同特征、规律与机制机理。已有研究成果中涉及国际国内天坑比较的研究内容还较少,而这些比较研究内容还主要停留在形态学、景观学上的定性比较与初步描述,还缺乏深入而广泛的国际天坑科考行动、系统化的深入比较研究和国际学术交流,这必然会在一定程度上影响国际学术界对喀斯特天坑的认同与成果对接,进而影响中国喀斯特天坑研究学术地位的确立。

6.2 研究趋势与展望

喀斯特天坑的研究才刚刚起步,不可避免存在以上种种研究局限、不足和问题。但是现在已有越来越多不同学科的研究人员加入到喀斯特天坑的研究行列。在此,对天坑的研究趋势和未来研究方向作一简略的展望。

(1)大力开展基础研究和国内外对比研究

需要对喀斯特天坑形成的地质构造、岩性与结构特征、崩塌-侵蚀和水-岩相互作用机制进行更深入的研究,需要探索精确测度天坑形成地质年龄的方法,用更先进的多学科技术获取天坑成因与演化的科学证据,深入揭示天坑作用的规律性和机制机理,为不同地域的新构造运动在性质与变化速率等方面提供科学资料与依据。同时,应高度重视研究天坑的古环境变化、天坑的生态过程与格局以及天坑的岩溶环境系统。此外,要真正确立喀斯特天坑在国际地貌学界的地位,还需要推动天坑的国内与国际比较研究,把中国喀斯特天坑王国的地域优势变为横向比较研究优势,推动天坑的全球研究,应常态化组织天坑国际学术会议和联合科考活动,逐步建立喀斯特天坑研究的理论体系,为世界上其他国家开展喀斯特天坑的对比研究提供科学范式。

(2)大力开展探索性与基础应用研究

巨型喀斯特天坑的成因和环境研究也可以大胆假设和寻找新的证据支持。如:据测定研究,活动断裂带往往有大量的CO2释放点[1],而天坑也往往发育在多个断裂和断层之中,那么深部的CO2释放是否会加大、加速对天坑岩石的侵蚀速率,以及崩塌岩石的水力搬运和溶蚀速率呢?富含硫酸盐的石灰岩的“天坑作用”与过程有何不同?天坑的巨型崩塌与地震的烈度和次数之间的关系如何呢?青藏高原的隆升效应和全球环境变化对喀斯特天坑的岩溶生态系统会产生什么影响?岩溶洼地的植物群落反向垂直分布特征与洼地大气CO2浓度倍增现象之间有怎样的相互作用机理?以及其是否与天坑植物群落分布特征之间可以进行对比研究?天坑演化不同阶段有怎样的岩溶环境变化特征与机制?同时,天坑与人类生产、生活和旅游活动也越来越密切,天坑的旅游开发、开发与保护协调、地质灾害防治、天坑的管治、社区参与等诸多方面也需要加强基础应用研究。

(3)以地球系统科学指引喀斯特天坑研究

地球系统科学理论的运用,将在跨世纪地学的发展中发挥重要作用,而岩溶学采用地球系统科学的认识论与方法论比地学中研究其他表层地质作用的领域晚[1]。因而如果仅仅采用传统的地壳升降与水动力学说、水文地球化学(水—岩相互作用)的学术思想[1],就会将天坑作用和过程局限在岩石圈和水圈的地质作用中来研究,从而忽视了钙、碳、水循环共存的天坑岩溶作用在大气圈、岩石圈、生物圈和水圈,甚至包括人类圈的物质与能量流动的规律,也忽视了天坑的地貌发育过程、自然地理过程、生态过程、环境演变过程和人文活动过程等之间的相互影响,甚至是它们之间互为因果的关系和综合作用。这就呼唤喀斯特天坑研究学者应以地球系统科学指引天坑的整体、系统、协同和融合研究,大力推动天坑研究的多学科参与、协同与整合,从而推动喀斯特天坑科学问题的系统深入研究。

(4)采用多学科研究方法与技术手段

多学科参与与融合在天坑研究中必然可以为新方法与技术的采用提供更好的条件,有利于推动天坑研究的宏观与微观研究相结合、单因素研究与多因素研究相结合以及自然过程与人文过程研究相结合。特别是应大力开展喀斯特天坑研究的各种控制性实验、新测年技术应用、古环境反演技术、三维形态测绘、生态学调查、环境变化的野外观测与监测等。此外,可运用遥感监测技术来研究天坑外部的土地利用/土地覆被变化与天坑岩溶环境系统变化的关系,运用遥感与地理信息系统的空间分析技术研究天坑、天坑群空间分布特征,及其与地表流域、径流变化、古河道和暗河系统之间的关系。

(5)重视天坑的旅游开发与保护

由于喀斯特天坑是一种特殊的超级旅游资源,天坑旅游的开发及其对环境的影响、健康的影响和社区参与是今后的研究重点。如何进行有效合理的规划与引导,使天坑旅游资源的开发与当地经济密切结合,促进人与自然的和谐发展,也是天坑景区开发与管理的重要议题。同时,需要对喀斯特天坑进行防灾、减灾、环境容量、生态安全和健康风险等方面的研究,在开发前进行环境影响评价与风险评估,评估天坑受到诸如崩塌、滑坡、洪水等自然灾害的风险,以及预测、评估和模拟开发后可能对游客造成的健康风险和对天坑的生态环境破坏。

The authors have declared that no competing interests exist.


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