巢湖北山紫微洞發(fā)育特征及成因分析 97

巢湖北山紫微洞發(fā)育特征及成因分析巢湖市北山古生代地層中，發(fā)育了一套石灰?guī)r地層，石灰?guī)r出露地區(qū)，在構(gòu)造、水文、氣候等因素的綜合作用下!喀斯特地貌較為發(fā)育，主要以漏斗，洼地，豎井，溶洞為特征。本區(qū)溶洞發(fā)育較多!有紫微洞、王喬洞、金銀洞、貓耳洞及其他一些尚未命名的洞穴，其中紫微洞、王喬洞已開(kāi)發(fā)成為旅游景點(diǎn)，王喬洞內(nèi)有開(kāi)鑿于唐代早期石窟造像620余尊，是安徽省境內(nèi)惟一的石窟造像群，紫微洞的發(fā)育非常典型!代表了本區(qū)其他溶洞的發(fā)育情況，在野外調(diào)查工作中，以紫微洞為重點(diǎn)考察對(duì)象，利用全站儀（NT-355型）對(duì)洞體標(biāo)高，洞底坡度，進(jìn)行了測(cè)量，并結(jié)合野外調(diào)查分析本區(qū)溶洞發(fā)育的特征論述紫微洞洞穴發(fā)育機(jī)理及其形成過(guò)程。區(qū)域地質(zhì)背景巢湖市北郊丘陵區(qū)位于特提斯構(gòu)造與太平洋構(gòu)造的交匯處！中生代以來(lái)的構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈!奠定了區(qū)內(nèi)構(gòu)造格架！尤其是印支運(yùn)動(dòng)在本區(qū)表現(xiàn)最為明顯），主要構(gòu)造表現(xiàn)為褶皺和斷裂。以NNE--SSW向褶皺為主!山脈走向350-400，平面圖上呈”M”形。伴隨有一系列的縱斷層、橫斷層和斜斷層。本區(qū)位于半湯復(fù)式背斜西翼，以三個(gè)二級(jí)褶皺為主要構(gòu)造形式，自東向西主要由俞府大村向斜"鳳凰山背斜、平頂山向斜組成。軸跡方向?yàn)?200--30。樞紐均向SSE傾，！傾伏角15。--26。不等。由于多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加使區(qū)內(nèi)形成的褶皺大都斜歪，次級(jí)小褶皺頗為發(fā)育!特別在兩個(gè)向斜核部尤為明顯$褶皺多被斷裂破壞!并有巖漿侵入。紫微洞所在俞府大村向斜位于巢湖北山地區(qū)東北部，分布于貓耳洞、大理寺、炭井村、俞府大村一帶，規(guī)模較大!總體構(gòu)造線方向?yàn)镹NE--SSW向斜核部由二疊系大隆組（P2d）龍?zhí)督M（P11）孤峰組（P1g）棲霞組（P1q）的地層組成!兩翼分別由石炭系船山組（C3ch）和州組（C2h）高驪山組（C1g）金陵組）（Clj）泥盆系五通組（D3w）志留系墳頭組（S2f）高家邊組（S1g）的地層構(gòu)成，該向斜樞紐起伏向SSE傾伏二軸面傾向NW傾角變化大。本區(qū)由于多期構(gòu)造活動(dòng)，特別是郯廬大斷裂的影響，斷層極為發(fā)育，性質(zhì)較為復(fù)雜?；?回2西3區(qū)4回5叵6回7囹$回9目10口11囚】2圖中：1第四第亞粘土2二疊系上統(tǒng)砂頁(yè)巖3二疊系下統(tǒng)砂頁(yè)巖4二疊系下統(tǒng)砂灰?guī)r5石炭系灰?guī)r6泥盆系上統(tǒng)石英砂巖7志留系中上統(tǒng)砂巖8志留系下統(tǒng)頁(yè)巖9溶洞10公路11斷層12地質(zhì)界線洞穴發(fā)育特征2.1洞穴形態(tài)特征2.1.1洞穴通道特征：紫微洞屬于水平彎曲型洞穴，洞穴發(fā)育呈折線狀延伸。洞體主要沿北東和北西兩個(gè)方向曲折呈廊道式延伸，少岔道!由于北東向延伸的洞穴比較發(fā)育，長(zhǎng)度大，所以洞穴系統(tǒng)總體延伸方向呈北東-南西向，與區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造線方向一致。洞穴寬窄不一，總體為線狀洞體，平均寬度在m左右，面狀洞體（巖溶大廳）較少，在1000多米長(zhǎng)的洞道內(nèi)共有三處巖溶大廳，廳的寬度從3.4m到8m不等。洞底高低不平，縱向坡度起伏較大。在單通道水平洞內(nèi)豎洞十分發(fā)育，并有三處堅(jiān)井與地表相通。呈串珠狀排列，方向600，與地層走向一致,。2.1.2洞穴小形態(tài)：洞穴小形態(tài)是指洞穴斷面形態(tài)。紫微洞橫斷面形態(tài)變化較大"洞口處為近圓形，向洞內(nèi)逐漸變?yōu)檎虻购J形、倒鎖孔形、三角形等。2.1.3洞穴溶蝕形態(tài)：洞穴中多指向流痕類、水平溝槽形態(tài)（邊槽類）、窩穴類等典型的溶蝕形態(tài)，其中水平溝槽形態(tài)在本區(qū)洞穴中分布普遍，其中洞底邊槽發(fā)育較為連續(xù)，基本貫穿于整個(gè)洞體。一線天處自底部2米向頂部天窗30米的范圍內(nèi)發(fā)育多層對(duì)稱溶蝕邊槽。窩穴類廣泛見(jiàn)于洞穴的頂板以及洞壁。這些溶蝕形態(tài)具有很明顯的洞穴成因指示意義。2.2洞穴沉積物特征2.2.1洞穴碎屑沉積物&碎屑堆積物主要是洞內(nèi)溶蝕殘余物以及洞外流水帶入洞內(nèi)的紅色粘土、亞砂土、砂土及礫石等物質(zhì)，主要充填于洞的垂向裂隙處或覆蓋于洞底及末端地下暗河兩側(cè)。沉積物層次豐富。洞中標(biāo)高65m處不連續(xù)的分布約25厘米厚的河流相砂礫層，膠結(jié)程度高，磨圓度好，主要成份為泥盆系五通組石英砂巖并在其上發(fā)育有10cm的鈣板。2.2.2洞穴化學(xué)沉積物：紫微洞中此類沉積物較多，洞中化學(xué)沉積物通常集中于一些廳堂洞段或支洞中。本區(qū)洞穴化學(xué)沉積物形態(tài)類型常見(jiàn)的有：滴石類的有鵝管、鐘乳石、石筍、石柱等，滴石類碳酸鹽沉積物常常與洞穴頂板的構(gòu)造裂隙走向一致，顯示出構(gòu)造裂隙對(duì)洞穴沉積物分布的控制作用。滴石類沉積物是洞中最為廣泛分布的化學(xué)沉積物。流石類的鈣華板、鈣膜、石盾，以及凝結(jié)水沉積類的石花（葡萄狀碳酸鈣球），是由裂隙滲水及溶洞水使洞內(nèi)積水、潮濕，在季節(jié)變化及蒸發(fā)的交替作用下’細(xì)小的水珠在巖壁上凝結(jié)，形成次生化學(xué)沉積而成。石盾是洞內(nèi)最具特色的洞穴沉積物，洞穴石盾可生成于洞頂、洞壁和洞底各個(gè)部位’但以在洞壁上的石盾最為普遍。地石盾、即在洞底或其它洞穴臺(tái)面上站立生長(zhǎng)的石盾、是石盾中一種較為罕見(jiàn)的類型。石盾是巖層包氣帶中一種局部承壓裂隙水從一定寬度裂隙中承壓性供水’且在水量微弱條件下沉積而成。本洞內(nèi)的石盾均分布于石鼓大廳內(nèi)，其中一地石盾高1.2米，厚40厘米’并在其下部發(fā)育有鐘乳石。紫微洞的形成條件3.1現(xiàn)代氣候與水文狀況巢湖市屬于北亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，雨量適中，熱量條件較好。年平均氣溫為15.7-16.1°C年平平均降雨量1200mm六月-月降雨量最多，占38-44%溫暖多雨且雨熱同期的氣候條件為區(qū)內(nèi)植被、及巖溶發(fā)育提供了一個(gè)十分有利的外部環(huán)境。區(qū)內(nèi)無(wú)大河流經(jīng)過(guò)，地下水類型為#巖溶裂隙水：裂隙水、和松散巖層孔隙水，主要由降水補(bǔ)給。3.2地層與巖性石灰?guī)r是喀斯特溶洞發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，紫微洞發(fā)育于二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）層的石灰?guī)r中"棲霞組（P1q）地層在紫微洞一帶由碎屑巖夾劣質(zhì)煤、含燧石結(jié)核或團(tuán)塊灰?guī)r，黑、灰黑色灰?guī)r，含瀝青質(zhì)泥類巖、薄板狀硅質(zhì)灰?guī)r、深灰色含燧石結(jié)核白云質(zhì)灰?guī)r組成，厚度近200m其上部孤峰組（P1g）灰黃色粉砂巖、泥巖、頁(yè)巖一般構(gòu)成區(qū)內(nèi)溶洞的頂部隔水層。由于本區(qū)石灰?guī)r中含有硅質(zhì)夾層、白云巖化灰?guī)r、燧石結(jié)核等雜質(zhì)成分，其溶解能力弱，易造成不均一溶蝕-對(duì)巖溶的發(fā)育有限制作用。并且本區(qū)石灰?guī)r地層傾角較大，分布面積有限，因而使得洞穴規(guī)模不大。3.3洞穴地質(zhì)構(gòu)造巖溶地貌的發(fā)育與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系十分緊密。斷裂和褶皺構(gòu)造尤其是斷裂構(gòu)造發(fā)育區(qū)，沿?cái)嗔褞П粩鄬悠茐牡乃榱咽規(guī)r地帶巖溶發(fā)育極為強(qiáng)烈，故斷裂的規(guī)模、性質(zhì)、走向，斷裂帶的破碎及填實(shí)程度，都和巖溶發(fā)育密切相關(guān)!地質(zhì)構(gòu)造作用在紫微洞的形成中影響極為明顯。3.3.1處于有利于溶洞發(fā)育的褶皺構(gòu)造部位：紫微洞及王喬洞位于俞府大村向斜的中段近核部西翼，該向斜核部由二疊系棲霞組灰?guī)r（P1q）組成，兩翼依次由石炭系（C）泥盆系五通組（D3w）志留系（S）的地層組成"其樞紐產(chǎn)狀為（）西翼產(chǎn)狀2040<28泥盆系、志留系形成分水嶺地形，而石炭系、二疊系形成緩坡谷地。不同褶曲部位的巖石其富水程度不同，本向斜褶曲兩翼以砂、頁(yè)巖為主的巖層具有較好的隔水性，而向斜軸部地層在地形上不利于地下水的儲(chǔ)存，因此翼部處于最有利的匯水地形。背斜軸部多產(chǎn)生縱張裂隙，向斜軸部多產(chǎn)生橫張裂隙"處于兩端應(yīng)力釋放轉(zhuǎn)換帶的翼部地層"將接受兩組應(yīng)張裂隙的交切，導(dǎo)致翼部巖層更為破碎，利于喀斯特水的滲透和流動(dòng)，成為喀斯特洞穴發(fā)育的有利部位。3.3.2兩組主要斷裂控制溶洞的走向：斷裂構(gòu)造作用是溶洞形成的必備條件，不僅為溶洞形成提供了空隙條件，而且控制溶洞的形態(tài)和規(guī)模。北東向斷裂和北西向斷裂構(gòu)造是區(qū)內(nèi)主要兩組斷裂，也是控制紫微洞發(fā)育的兩組最主要斷裂。并用以北東向斷裂為主，斷裂發(fā)育在二疊系棲霞組本部灰?guī)r中，斷裂為壓性和壓扭性，走向450-2250傾向3150斷面傾角650-700該組斷裂的存在多造成地層缺失和錯(cuò)位。洞穴總體延伸方向呈北東-南西向"明顯受北東向扁井-大理寺逆斷層控制。北西向斷層或裂隙迭加的部位，巖石更加破碎，地下水作用也更加強(qiáng)烈，因而這些部位一般形成相對(duì)大的洞室空間，并同時(shí)造成洞體折拐。巖層面與斷裂格架控制了溶洞的平面展布方向，溶洞的延伸方向嚴(yán)格受到構(gòu)造薄弱帶的控制，除北東、北西向兩組裂隙的發(fā)育控制溶洞生長(zhǎng)外，另一組較有影響的裂隙是層間裂隙，這些層間裂隙受層面控制，受斷層作用具張性特征，沿這些裂隙在洞壁形成線形分布的石鐘乳。除了溶蝕作用外，這類裂隙的一個(gè)非常重要的作用是塌落，由于其角度陡，發(fā)育密集，與上述兩組裂隙共同作用，使地層產(chǎn)生強(qiáng)烈破碎，伴隨地下水的溶蝕，發(fā)生溶-塌混合作用。即溶蝕作用擴(kuò)大裂隙，溶積物增大重力，積累到一定程度因負(fù)荷發(fā)生垮塌，循環(huán)反復(fù)使溶洞不斷擴(kuò)大。本區(qū)石灰?guī)r分布面積不大"選擇構(gòu)造軟弱帶有利于機(jī)械物理風(fēng)化并為外源水的富集提供條件，洞穴發(fā)育于斷裂帶附近，證明巖溶發(fā)育對(duì)構(gòu)造軟弱帶的選擇性。3.3.3巖漿侵入造成垂直裂隙發(fā)育#紫微洞及王喬洞附近，在燕山運(yùn)動(dòng)晚期發(fā)生了巖漿入侵，巖漿的入侵使棲霞灰?guī)r受到了熱變質(zhì)和產(chǎn)生了新的裂隙。使得本區(qū)發(fā)育了大量節(jié)理"節(jié)理的傾角一般在750到900之間!這種垂直裂隙在地殼運(yùn)動(dòng)上升時(shí)期，十分有利于豎井的形成。而在地殼穩(wěn)定時(shí)期，豎井在地下水的溶蝕、旁蝕作用下，被蝕穿、塌落，與水平洞穴合并，擴(kuò)大了洞穴空間，這一現(xiàn)象在王喬洞中十分典型。3.3.4新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)致使洞穴發(fā)育多階段性：本區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以振蕩性差異垂直升降運(yùn)動(dòng)為主。本區(qū)屬于蘇皖微弱抬升區(qū)，總體趨勢(shì)是以地殼抬升為主。對(duì)早期構(gòu)造具有明顯繼承性，近期相對(duì)穩(wěn)定，地表剝蝕堆積作用基本達(dá)到平衡。從地貌形態(tài)和洞底坡度分析，該處經(jīng)歷了多次升降旋回，紫微洞中地下河床沉積物分布特點(diǎn)以及溶洞變遷痕跡也顯示本處地殼多次抬升，流水繼續(xù)向下侵蝕。紫微洞的發(fā)育史探討本區(qū)巖溶洞穴的發(fā)育是在區(qū)域大地構(gòu)造背景下，受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制的地貌演化過(guò)程。燕山運(yùn)動(dòng)初期.進(jìn)入以斷塊運(yùn)動(dòng)為特征的發(fā)展階段.奠定了本區(qū)構(gòu)造基礎(chǔ).以升降運(yùn)動(dòng)和巖漿活動(dòng)為主.形成一系列凹陷和凸起。第三紀(jì)早，由于全區(qū)應(yīng)力場(chǎng)由南北向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闁|西向壓應(yīng)力的結(jié)果，新生了大量北西西向和北東向斷層.裂、節(jié)理為地下水的運(yùn)動(dòng)％循環(huán)提供條件。第三紀(jì)末期，地殼長(zhǎng)期相對(duì)穩(wěn)定及緩慢上升，發(fā)育了標(biāo)高約60-90m的夷平面1，在地殼相對(duì)穩(wěn)定的條件下,，在這個(gè)夷平面上又逐漸發(fā)育了地表溶蝕洼地等巖溶景觀，同時(shí)地下水沿可溶巖的各種構(gòu)造面進(jìn)行溶蝕。第四紀(jì)后，新構(gòu)造活動(dòng)活躍，以振蕩性垂直升降運(yùn)動(dòng)為主，氣候冷熱交替變化，流水作用加強(qiáng)，是本區(qū)巖溶發(fā)育的主要時(shí)期。紫微洞的發(fā)育經(jīng)歷了潛流洞穴與地下水位洞穴兩個(gè)主要階段。由紫微洞洞內(nèi)景觀分析.洞頂及洞壁存在穴窩與流痕.洞壁發(fā)育有邊槽、洞底有石盾.說(shuō)明洞穴在發(fā)育初始階段處于飽水帶中且屬于流入型溶洞。其中部分洞道斷面呈倒鎖孔狀.這是飽水帶洞穴承壓水流管道斷面特征之一，洞內(nèi)存在的半橢圓形洞頂。表明在形成主通道之前經(jīng)歷過(guò)一個(gè)潛流帶發(fā)育階段。該階段可分為裂隙水流和裂隙擴(kuò)大兩個(gè)時(shí)期，由地表洼地或落水洞多點(diǎn)分散補(bǔ)給。在面狀輸入的條件下順層面沿傾向由原始裂隙逐漸溶蝕擴(kuò)大成為初始管道直至發(fā)育成完全潛流管道。此階段水流的有序化程度較低，洞穴的發(fā)展速度緩慢，而區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)當(dāng)時(shí)也處于一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)期，在這種條件下，地下水流選擇性地繼承潛流帶管道而發(fā)育形成主流管道，徑流集中趨勢(shì)加大#通道擴(kuò)展速度急劇加快#于地下水面附近流入型地下河洞穴開(kāi)始形成，洞壁底部發(fā)育的邊槽則說(shuō)明溶洞發(fā)育經(jīng)歷過(guò)地下水面階段，繼上期貫通的主流管道形成以后，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為繼承性上升，沿其周邊洞壁于適當(dāng)構(gòu)造部位逐漸形成許多落水洞或豎井，紫微洞被抬升脫離潛流帶，洞體為半充水