白洞穴-金塘灣洞穴系統(tǒng)的特征及成因

白洞穴-金塘灣洞穴系統(tǒng)的特征及成因

白洞金耀灣洞系統(tǒng)位于保靖縣城南約7公里處。云貴高原以東、武陵山中段。屬低亞熱帶洞穴群山區(qū)。多年平均氣溫16.1℃,多年平均降雨量1391.1mm,年平均蒸發(fā)量1102.4mm。巖溶石峰主要呈NE向展布,海拔標(biāo)高一般為500～650m,巖溶洼地標(biāo)高一般為390～450m。保靖酉水河水位高程為170m,為白巖洞-金塘灣洞穴系統(tǒng)地下河的排泄基準(zhǔn)面。1白巖-金塘灣區(qū)白巖洞-金塘灣洞穴系統(tǒng)由上游白巖洞、中游金塘灣和下游蛇爬褲-信坪魷魚洞主洞與10條支洞組成,主洞道源于南部白巖洞一帶,經(jīng)由峰叢洼地至巖溶槽谷延伸至(流向)酉水河。主(流)洞長(zhǎng)12km,支(流)洞長(zhǎng)5km,分布范圍20km2,年逕流總量約2.733×105m3,枯季流量為47.82l/s,為酉水河右岸的一條地下河支流。經(jīng)多次探測(cè),洞穴系統(tǒng)的上游、中游洞道及其支洞已基本探通(圖1),其中第六段充水不能連續(xù)探測(cè),而下游洞道因充水至今尚未探測(cè)。白巖洞-金塘灣洞段實(shí)測(cè)主洞道長(zhǎng)5168.9m,支洞長(zhǎng)1221.5m。白巖洞入口至三岔河充水處稱為上游段,在垂向上由二層干洞和一水道(洞)組成;三岔河充水處至金塘灣段(天窗下游30m)稱中游段,由上層干洞、天窗、落水洞與水(道)洞組成;金塘灣至信坪游魷魚洞出口稱為下游段,由落水洞或天窗與水道組成。2洞段或溶潭白巖洞-金塘灣洞穴系統(tǒng),主洞道沿NNE或NE向壓扭性斷裂發(fā)育,總體呈NNE-NE向展布,局部為NEE、NWW,而支洞或地下河支流呈NE、NW向展布,沿NE向和NW向兩組扭性斷裂、裂隙構(gòu)造發(fā)育。白巖洞至金塘灣中、上游洞道底板基巖大部裸露,其上除薄層(<1m)砂卵礫石粘土淤(沉)積外,多數(shù)充水,水深大于1m的洞段(或溶潭)常見。在一號(hào)泉與千丘田之間,洞頂發(fā)育有四處較大的跌水(見圖1)。金塘灣至信坪魷魚洞下游洞段的地下河道,基本上為全充水。在平面上,早、中期殘存的高、中層洞穴,基本上為單一管道型,多呈直線或折線狀分布。主要是沿?cái)嗔?、裂隙或?qū)用鏄?gòu)造發(fā)育。晚期的低層洞或地下河洞道,洞體規(guī)模較大,組合復(fù)雜,由主、支洞交匯呈樹枝狀或網(wǎng)絡(luò)狀。在剖面上,早、中期殘存的中、高層洞與中、晚期的中、低層洞或地下河道相互串通,形成洞洞相通的網(wǎng)絡(luò)狀,具多層結(jié)構(gòu)(圖2)。此外,中、下層洞及地下河道彼此疊置發(fā)育,在主、支洞交匯處常常形成廳堂狀。探測(cè)發(fā)現(xiàn),本洞道的洞底呈明顯的階梯式降落,其中,上游洞段長(zhǎng)3581.5m,白巖洞入口處底部高程為470m,三岔河充水處洞底高程390.58m,洞底落差為80m,坡降22.26‰;中游洞段長(zhǎng)1569.3m,三岔河充水處洞底高程390.58m,金塘灣長(zhǎng)觀堰壩處標(biāo)高363m,洞底落差為27m,坡降17.2‰,而在三岔河充水處(標(biāo)高390.58m)至金塘灣冒水處(371m),落差26.5m,坡降26.5‰。3中、高層洞穴白巖洞-金塘灣是現(xiàn)在仍在發(fā)育的地下河洞穴系統(tǒng),其中,下游洞道河床基本充水,洞穴礫卵砂石層廣泛分布。中、上游洞道沉積物較發(fā)育,在殘存的中、高層洞道中,化學(xué)沉積物以流石類為主,滴石類相對(duì)較少,洞穴底板廣泛沉積鈣華粘土層、鈣質(zhì)膠結(jié)礫石層。這些殘存的中、高層洞道普遍為沉積物所充填,大部分呈半充填,局部為全充填。而在低層洞或地下河道的河床中,普遍堆積松散的砂卵礫石層,局部較多坍塌巖塊堆積,某些地段淤泥極厚,3～6m?；瘜W(xué)沉積物在洞頂?shù)嗡?、流水處以壁流石、流石瀑布、流石壩等流石類沉積為主,僅有少量滴石類沉積,洞頂鐘乳石沿主洞道方向發(fā)育,嚴(yán)格受洞頂NNE向裂隙構(gòu)造控制。4洞形成條件4.1下寒武統(tǒng)灰?guī)r洞穴化模式白巖洞-金塘灣洞穴系統(tǒng)發(fā)育在下寒武統(tǒng)清虛洞組碳酸鹽巖中。該碳酸鹽巖厚度396～911m,巖層以中薄層泥晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主,間夾中厚層狀泥晶或亮晶灰?guī)r,其下為下寒武統(tǒng)杷榔組碎屑巖,隔水。中厚層泥晶或亮晶灰?guī)r質(zhì)純、性脆,次生裂隙發(fā)育,特別是在層面、斷面、裂隙帶、破裂面的制約下,洞穴化極強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計(jì),在已調(diào)研的23個(gè)洞穴中,有18個(gè)洞穴產(chǎn)于厚層狀的泥晶或亮晶灰?guī)r中,占洞穴總數(shù)的86.6%,表明該中厚層泥晶灰?guī)r對(duì)成洞十分有利。4.2白巖洞穴構(gòu)造格架白巖洞-金塘灣洞穴系統(tǒng)受控于華夏-新華夏構(gòu)造體系,形成于保靖復(fù)背東南翼伴生的鰲溪NNE-NE向壓扭性斷裂東側(cè)的低級(jí)別構(gòu)造帶內(nèi)。由于NNE-NE向斷裂構(gòu)造的長(zhǎng)期作用,碳酸鹽巖中的NEE、NW向節(jié)理、裂隙帶等極為發(fā)育,這種構(gòu)造條件為地表水、地下水的運(yùn)移、溶蝕、侵蝕作用提供了有利的通道,是成洞的有利構(gòu)造。白巖洞-金塘灣洞穴系統(tǒng),主洞道沿NNE向、NE向斷裂帶或NE向揉皺帶發(fā)育,總體呈NNE、NE向展布,局部因受NEE、NW向斷裂、裂隙構(gòu)造控制,呈NW、NEE向轉(zhuǎn)折。其中,上游白巖洞洞道受構(gòu)造控制最具有代表性,以三岔河和兩岔河洞段受破裂構(gòu)造控制最為典型(圖3)。區(qū)內(nèi)早、中期的殘存洞道以NNE向或近SN向?yàn)橹?分別沿N20E/SE∠65°～85°和N35E/SE∠65°～85°斷裂發(fā)育,少數(shù)呈EW向或NW向。晚期的低層洞或地下河道總體呈NNE-NE向展布,局部呈近NW向、EW向或NEE向轉(zhuǎn)折。洞穴的這種展布格局,主要受控于構(gòu)造條件,即華夏系褶皺奠定了區(qū)域構(gòu)造框架,主導(dǎo)構(gòu)造線呈NE向,雖然晚期新華夏系的NNE向斷裂起主導(dǎo)作用,但不少結(jié)構(gòu)面只是遷就利用已存在的NE向的構(gòu)造破裂面,只有在強(qiáng)擠壓揉皺帶上的揉皺軸或軸劈理、破裂面或糜棱巖的構(gòu)造面保存新華夏系的NNE向及其配套的NEE向構(gòu)造。調(diào)研表明,洞道或控洞構(gòu)造局部為新華夏系的方向,但整體展布偏東,呈現(xiàn)華夏系構(gòu)造方向。此外,區(qū)內(nèi)地層及斷裂構(gòu)造的結(jié)構(gòu)面均向SE傾斜,利于巖溶水沿層面、構(gòu)造面向縱深運(yùn)移。因此,巖溶水開拓塑造的洞道都呈NE-NEE或EW向延伸,僅在一些地段,水在新華夏系強(qiáng)應(yīng)力帶中運(yùn)行,導(dǎo)致洞道向近SN或NW向轉(zhuǎn)折。此外,在白巖洞-金塘灣洞穴系統(tǒng)分布范圍內(nèi),地表廣泛分布有落水洞、漏斗、溶洞及長(zhǎng)條形洼地等負(fù)向形態(tài),或斷崖、殘峰、嶺脊,它們既表明了地下洞穴的發(fā)育及其展布方向,又反映了區(qū)域斷裂、裂隙構(gòu)造對(duì)洞穴系統(tǒng)空間分布和組合的控制作用。4.3巖石場(chǎng)及細(xì)胞系統(tǒng)的成洞作用本洞穴系統(tǒng)的空間分布表明,洞穴發(fā)育通常就位于中厚層泥晶灰?guī)r夾層中,如那丘西洞、尖堡東洞、鐵匠洞西洞、洞灣洞和蛇爬褲洞等洞穴,均產(chǎn)于清虛洞組中下部的中薄層狀?yuàn)A中厚層狀泥晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r中,其原因除這些巖性較純外,清虛洞組下部的泥灰?guī)r和底部的杷榔組泥巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖等起阻水作用,阻止巖溶水向下運(yùn)動(dòng),也促進(jìn)了上部地層的洞穴化。從白巖洞洞口附近至兩岔河段、巖山腳崖脊東坡、洞灣崖脊及其東邊、岔家洼地經(jīng)過(guò)岔家坡洞,向北至南竹山半壁山間和宋家斜頂北坡經(jīng)鹽廠采石場(chǎng)洞至梅井灣、林科所蛇爬褲西等地,在清虛洞組中下部的薄層狀?yuàn)A中厚層狀泥晶灰?guī)r及其中的NNE或NE向的擠壓破碎帶、揉皺帶或揉皺破裂帶中,洞穴化極強(qiáng),溶隙(縫)很發(fā)育,成洞條件特好。因此,在擠壓破碎帶、揉皺帶或揉皺破裂帶上水平洞穴、垂向洞穴疊復(fù)發(fā)育,構(gòu)成階梯式或?qū)訕鞘蕉吹?。其成洞的基本因素除巖性結(jié)構(gòu)條件和斷裂裂隙有利條件外,巖溶水特別是地下水的富集徑流極為重要。所以,這些巖性、構(gòu)造條件為巖溶水的富集、運(yùn)移、溶蝕、侵蝕作用提供了有利的通道,對(duì)區(qū)內(nèi)地下巖溶管道或巖溶洞穴的選擇性發(fā)育及其空間展布起著重要的控制作用,在平面上表現(xiàn)為明顯的方向性,在垂向剖面上表現(xiàn)為斜向、垂向串通的層樓式的結(jié)構(gòu)特征。5地表巖脈洞穴發(fā)育的階段性、沉積白巖洞-金塘灣洞穴系統(tǒng)的形成,遵循洞穴就位、定(成)型、演變成層、彼此串通、依階段擴(kuò)展演化成洞穴系統(tǒng)的漫長(zhǎng)過(guò)程。從其洞穴系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剖面圖可知(圖3),高、中、低3層洞穴是白巖洞-金塘灣洞穴系統(tǒng)中早、中、晚三個(gè)洞穴發(fā)育期形成的近水平洞道,其間由冷氣洞、強(qiáng)盜灣洞、涼氣洞和鐵匠洞、金塘灣洞等地的塌坑、豎井、落(消)水洞分別串通高層、中層和低層洞道,在垂向上具多層結(jié)構(gòu),組成層樓式的網(wǎng)絡(luò)狀洞穴系統(tǒng)。早期洞穴層尖堡東洞、洞灣上洞及其北硝洞、馬龍洞等,是區(qū)內(nèi)位于550m高程以上的早期高層洞穴塌露或剝露的洞道,多數(shù)是NNE-NE向延伸,其內(nèi)的沉(堆)積物成巖度高,滴石和流石類中-粗粒晶結(jié)構(gòu),呈全充填-半充填。這些殘存的高層洞道與區(qū)內(nèi)600m以上的巖溶臺(tái)面相伴生,而地表相伴的550m的高位殘存槽谷(地)都被洼地、豎井、落水洞重疊,具多期疊置結(jié)構(gòu)特征。地表諸多負(fù)向巖溶形態(tài)如豎井、落水洞等,在局部地段與高、中層洞道串通,在垂向上顯示多層結(jié)構(gòu)的層樓式特征。中期洞穴層巖山腳上洞、蛇爬褲、強(qiáng)盜灣洞群、長(zhǎng)坡洞、鐵匠洞上洞及其西洞群等,是區(qū)內(nèi)中期450m高程上下的中層洞,為塌露或剝露洞道,呈近E-W向或NE向,有斜向、垂向或階梯式洞道,并與晚期低層洞(含水洞)、早期高層洞串(連)通。中層洞洞底的鈣華粘土層、鈣結(jié)礫石層、滴石-流石類型多。中層洞與區(qū)內(nèi)500～550m高程的巖溶臺(tái)面和450m上下的高位槽谷、洼地相伴生;其洞穴沉積物與槽谷、洼地中的砂礫、含礫粘土層、砂礫卵石堆(層),屬同期產(chǎn)物。地表諸多負(fù)向巖溶形態(tài)如塌坑、豎井或疊置洼地等與斜向、階梯狀洞穴串(連)通高、低層洞穴,具多層疊復(fù)構(gòu)造特征。晚期洞穴層白巖洞-金塘灣主水(洞)道和巖山腳、洞灣洞、吉庫(kù)巖腳洞、鐵匠洞等主、支水(洞)道,是區(qū)內(nèi)晚期400m左右,特別是中下游370m高程上下的低層洞-現(xiàn)代地下河,河床中砂卵礫石層松散,局部洞段如在三岔河段和兩岔河段底層有鈣結(jié)礫卵石層或沉積礫卵石、淤積粘土(厚逾5m)。低層洞與區(qū)內(nèi)450m高程的巖溶臺(tái)面和400m上下的巖溶洼地、谷地相伴生,后期還伴生有300m高程上下的峽谷。地表鐵匠洞、金塘灣洞、長(zhǎng)坪洞和谷(洼)地中的豎井、塌陷、消水洞等,是連通中層洞的垂向階梯狀洞道。白巖洞-金塘灣洞穴系統(tǒng)演化串(連)通的空間結(jié)構(gòu),由早期高層洞、中期中層洞、晚期低層洞依序演變,并由南西向北東,從西向東逐級(jí)演化。據(jù)洞穴層的分布高程與地表巖溶形態(tài)及其沉積物的相關(guān)伴生關(guān)系,認(rèn)為洞穴系統(tǒng)的發(fā)育分早(高層)、中(中層)、晚(低層)3個(gè)時(shí)期,即前第三紀(jì)、第三-第四紀(jì)早期和第四紀(jì)以來(lái)三個(gè)時(shí)期。高層洞與白堊紀(jì)紅色鈣礫巖伴生,屬前第三紀(jì)形成的洞穴,以巖山腳、半壁山、鐵門坎、塘口灣燈盞坨埡口等處的混積復(fù)合溶積鈣礫巖為依據(jù);中層洞與第三紀(jì)的黃褐色溶積鈣礫巖、半壁山西南紅壤化殘坡積層伴生,亦有復(fù)合溶積鈣礫巖混積、充填,屬第三紀(jì)-早第四紀(jì)形成的洞穴;低層洞穴與灰色溶積鈣礫巖、多數(shù)有滴石-流石類伴生,屬第四紀(jì)以來(lái)形成的洞。低層洞,特別是水洞的第四紀(jì)洞穴沉(堆)積物與洞(水)道的形成相伴。6新構(gòu)造活動(dòng)控制其發(fā)育深度(1)白巖洞-金塘灣洞穴系統(tǒng)由主洞(流)道和10條支洞(水)道組成,它的發(fā)育及其展布受下寒武統(tǒng)清虛洞組的碳酸鹽巖及華夏系-新華夏系的NNE或NE向,局部N