天坑與漏鬥之差異
科學家將天坑定義為:具有巨大的空間、陡峭的巖壁、豎井狀態等醒目的外形特徵,發育在連續沉積厚度及其含水層包氣帶厚度均特別巨大(地下水位深埋)的可溶性巖層中,從地下通向地面,四周巖壁封閉而峭立,平面寬度與深度從大於百米至數百米以上,底部與地下河相連接的一種大型喀斯特負地形。
形成於碳酸鹽巖中的喀斯特天坑,可分兩種基本類型,即塌陷天坑和侵蝕天坑。
塌陷型天坑,係指可溶性巖層中被溶蝕、侵蝕集中發生在某一地下深處,大量物質為強大的地下水動力系統(主要是地下河)所輸出。在特定的地質與水文地質條件下,地下突髮式或漸進式的崩塌及崩塌物被溶蝕、輸出,作用持續不止,直至整個地下崩塌空間露出地表而形成;侵蝕性或衝蝕天坑,是地面的外源水在可溶性巖層的包氣帶中,從地表集中垂向衝蝕(侵蝕)與溶蝕形成的。其形成條件具特定性和特殊性,故其分布甚是稀少。
初看,天坑似乎像另一種喀斯特景觀——漏鬥,人們有時也將其稱為大型漏鬥或大型塌陷漏鬥,然而,天坑與一般漏鬥卻存在本質上的區別。
在喀斯特景觀中,漏鬥是一種十分普遍的地表喀斯特形態。其主要特徵,是呈從上部向底部逐漸收縮的漏鬥狀或碟狀。喀斯特漏鬥主要發育於可溶性的碳酸鹽巖和蒸發巖中。根據漏鬥形成條件和形成過程的差異,漏鬥被分為溶蝕漏鬥,塌陷漏鬥,埋藏漏鬥等6種類型。
天坑與漏鬥在形態上的最主要差別,是天坑具有很大的尺寸(寬度與深度均大於l00米),同時具有周邊封閉且峭立的陡壁,而大多數的基巖漏鬥多為碟狀、淺盆狀。寬度通常大於其深度,規模也較天坑為小。
天坑陡立的周壁與坑底間的地形分界為突變關係,而漏鬥則是漸變的。塌陷天坑內有大量碎屑堆積,並有裸露或覆蓋的(或已遷移)的地下水道存在,而一般的基巖漏鬥只有薄的土層堆積,與作用能量有限的滲水裂隙或落水洞存在。
喀斯特漏鬥與地表喀斯特地形的關係不可分割,兩者的發育是相輔相成而且是「同時態」的。塌陷天坑的形成、出現,與地表喀斯特形態幾乎無任何相關聯繫。塌陷天坑可出露於地表的任何地形部位,並直接破壞地表的及其上層空間的任何喀斯特形態。
絕大多數的基巖漏鬥,均是由地表降水的淋濾,形成於喀斯特含水層的表層帶或包氣帶的最上部,與含水層的基本性質及地下河的發育無關,而天坑的發育與形成,則是含水層中的管道水流(地下河)或地表集中的注入式水流直接活動的結果。天坑通常貫通含水層包氣帶的全部厚度。
還有一點是十分重要的,即漏鬥的形態規模與天坑難以比較,但其形成的時間與過程卻是漫長並為漸進式的,而天坑的形成多具突發性和遠為快速(與漏鬥比較)的進程。這是由兩類喀斯特形成作用中水動力性質及活動能量的巨大差異決定的。在中國南方喀斯特的具體條件下,天坑一般都是當地喀斯特地貌中最年輕的成員。
此外,在旅遊觀賞方面,是否具備稀有、險峻、雄奇、壯觀、生態環境獨特和生物多樣性等綜合屬性,也應被認為是鑑別天坑與一般漏鬥或豎井的重要指標之一。
兩類天坑共有發育環境
塌陷、侵蝕兩類天坑,雖在成因方面有重大差異,但在發育環境或形成條件方面,卻有許多基本的共同點。主要是:具備連續沉積厚度很大的(等於或超過天坑的深度)可溶性巖層,可溶性巖層(在中國主要是碳酸鹽巖)是天坑發育的物質基礎;喀斯特中存在厚度巨大的包氣帶,天坑只發育在含水層的包氣帶中;有利的地質構造條件;高強度的水動力系統和地下河的存在;有利的氣候與水文條件。
天坑在我國的分布
我國的天坑有較廣泛的分布區域,主要分布在我國南方,特別是峰叢窪地喀斯特地貌區。中國的峰叢窪地喀斯特大約有14~16萬平方公裡的分布面積,主要分布在廣西的北部和西部、貴州的南部、長江三峽兩岸和重慶的東南部、貴州的北部和四川的東南部、湖北與湖南的西部以及雲南的東南部等地區。
研究成果表明,天坑的發育、形成,與強烈的地下水動力活動是分不開的。也就是說:天坑與強大的地下河系統有著密切的依存關係,而峰叢喀斯特正是地下河系統最為發育的地區。據20世紀70~80年代全國區域水文地質普查資料統計,僅廣西、貴州、四川和重慶、湖南、雲南諸省(市、區),就有2836條地下河系統,水系總長度為13919公裡。這表明峰叢喀斯特地貌及其地下河的發育,是天坑形成的十分重要的條件。
典型的峰叢窪地喀斯特,是在碳酸鹽巖連續沉積厚度大(200~300米以下),質地較純、附近的地表河 (排水基面)深切、含水層包氣帶厚度大(100~300米以上)和潮溼多雨的氣候等條件下發育的。其最顯著的水文特性是,缺乏地面水系而地下水系卻十分發達。這也是塌陷型天坑形成的重要條件。當然,天坑的形成還需要特定的水動力條件和巖層的結構穩定條件。對於衝蝕型天坑來說,地面外源水的集中流入和具備包氣帶厚度足夠大的碳酸鹽巖含水層以及良好的排洩條件,則是極端重要的。
在中國峰叢喀斯特區,地下河系統是常見的,而天坑卻是稀有的。就全球而言,天坑之所以更為稀有,是因為峰叢喀斯特區及其大型地下河系統,較中國喀斯特區要少。
我國已發現的天坑
我國南方大型喀斯特漏鬥,不斷發現並得到較深入的研究,主要受兩方面要素的推動:一是中國旅遊業的蓬勃發展,使人們有機會獲得來自偏遠山區很多有關「喀斯特奇觀」的信息和去實地調查更廣泛的喀斯特區域;二是中英兩國長期執行的「China Caves project」聯合洞穴探險計劃,對已發現的大漏鬥區進行較深入的探測研究,並使人們有可能認識到這類大漏鬥的許多重要的特性。
四川興文天坑
小巖灣和大巖灣天坑,位於四川省興文縣的石林風景區內。該風景區及其鄰近的外圍,是一個完整的順河——洞河流域,流域面積40平方公裡。流域內由北部的二疊系下統樂平組和志留系,南部的三疊系下統飛仙關組等砂頁巖非喀斯特區和分布其間的二疊系下統棲霞組與茅口組灰巖與白雲質灰巖喀斯特區組成。在喀斯特分布區內,共有大小洞穴89個,總長度超過30公裡。其中以天泉洞和豬槽井這兩個洞穴系統規模最大,長度分別是 8100米和8800米。兩者均與小巖灣天坑直接貫穿在一起。
順河——洞河流域喀斯特區,為淺峰叢地貌,其含水層包氣帶厚度多在150~300米以上。現階段的地下水力坡度為30‰~53‰。因流域內灰巖與砂頁巖分布面積的比例為l∶1.08,故有大量的外源水輸入。這些條件均十分有利於喀斯特流域內天坑的發育。
小巖灣天坑在平面上為類圓形,東西長625米,南北寬475米,周壁為陡崖所封閉,高60~130米,周邊最高點標高870米,坑底標高為621.7米,故其最大深度為248.3米,總容積3600萬立方米。
大巖灣天坑位於小巖灣以西僅約400米,東西長 680米,南北寬280米,深110米,容積1500萬立方米。該天坑因後期的侵蝕破壞作用已不夠完整。估計其形成,較小巖灣天坑稍早。
重慶奉節小寨天坑群
和雲陽龍缸天坑
小寨天坑群,位於重慶奉節縣的興隆鎮,為長江三峽南岸支流九盤河右岸喀斯特區。出露的地層為三疊系下統的嘉陵江組灰巖,地層產狀平緩,為典型喀斯特峰叢地貌。海拔高度1300~2000米。小寨天坑群在茅草壩——迷宮河喀斯特流域內,流域面積280平方公裡,水系由上遊寬谷,中遊箱狀谷與地縫(嶂谷)及下遊伏流與峽谷構成,地形落差達1600米。國內外規模最大的小寨天坑,即形成於下遊伏流式地下河上。
小寨天坑口部直徑為626~537米,最大深度 662米,總容積11935萬立方米,其規模目前在國內外居於首位。該天坑為雙層結構,上部橢圓形,深 320米;下部略呈矩形,深342米,直徑357~268米,層間有一環形平臺,為一泥質灰巖夾層所在。坑底有一條洞高在100~150米的地下峽谷(地下河)通過,最大流量174立方米/秒。該段伏流式地下河,從天井峽地縫流入,經小寨天坑從迷宮河峽谷的絕壁上流出,全長8500米,水位落差364米,即平均水力坡度為42.8‰,強勁的水動力成為小寨天坑物質輸出的「高速公路式」通道。
在小寨天坑的水文地質流域內,天井峽左岸與九盤河峽谷之間的峰叢喀斯特地貌區,還發現有沖天巖等天坑,深度多在 101~170米之間,為中小型天坑。
龍缸天坑位於雲陽縣清水鄉石筍河的左岸邊。發育於三疊系嘉陵江中厚層灰巖之中,巖層近於水平,天坑居背斜軸部,與其東面的小寨天坑形成的地質、地貌條件基本相若。天坑上部為漏鬥形,下部為豎井狀,深250~350米,寬170~350米。坑底喬木成林。
後坪鄉天坑
在重慶市武隆縣境內烏江與長江分水嶺上的後坪鄉有大片的志留系和上奧陶系砂頁巖分布區,因巖層產狀極其平緩,地面侵蝕作用強烈,溝谷發育呈樹枝狀;但幾乎所有的地表水流,均消失於其下伏下奧陶統厚層灰巖的一個南北向露頭槽谷地形之中,而巨厚的灰巖含水層又為其南面的木宗河所深切,包氣帶厚度不斷增大,這就為與塌陷天坑性質完全不同的另一類天坑——衝蝕天坑的發育,創造了最為有利的地質水文地質綜合條件。
在上述槽狀地形的砂頁巖與灰巖露頭接觸帶上發育有箐口、牛鼻子、打鑼凼和太平廟等天坑。這是一個在同一條件下形成的侵蝕性(衝蝕)天坑群,並由其間在地下形成的洞穴通道網絡(已測長度達 40公裡)構成了一個完整的後坪侵蝕性天坑與洞穴系統和水文地質系統,其總排洩點是其南面深切木宗河源頭的麻灣洞泉。
在後坪侵蝕性天坑群中,以箐口天坑的規模為最大,寬250米,深295米,為近圓錐狀或筒狀的豎井。口部地面地形較低,是周邊地表水匯流的地方,故有數條小溪流。