吳熙純1 范 曉2
1成都理工大學(xué)能源學(xué)院成都610059；
2 四川省地礦局區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊(duì)成都華陽610213
摘要：國(guó)內(nèi)通用的對(duì)于“喀斯特”一詞的翻譯和理解是“巖溶”。但是，對(duì)于洞穴喀斯特的形成機(jī)理來說，僅用“巖溶” 解釋是不夠全面的，它應(yīng)該是地下水在碳酸鹽地層中的物理沖蝕（巖沖）和化學(xué)溶蝕（巖溶）的綜合過程和結(jié)果。地下水對(duì)于碳酸鹽巖層的物理沖蝕是矛盾的主要方面，是第一位和領(lǐng)先的，化學(xué)溶蝕則是第二位的，它是物理沖蝕的催化劑。
我們將水流的漩流沖蝕作用為主形成的洞廳或巖廳稱作地下喀斯特漩坑，包括漏斗及地坑?？λ固氐乜樱↘arstic Dikeng）與喀斯特天坑 (Karstic Tiankeng) 是兩個(gè)休戚相關(guān)的術(shù)語。地坑存在于地下，它是塌陷天坑的前身。
關(guān)鍵詞：巖沖地坑喀斯特溶洞
1 前 言
國(guó)內(nèi)通用的對(duì)于“喀斯特”一詞的翻譯和理解是“巖溶”，喀斯特巖溶是指易溶巖層經(jīng)天然水（地下水和地表水）化學(xué)溶蝕的過程和結(jié)果。對(duì)于洞穴喀斯特的形成機(jī)理來說，僅用“巖溶”解釋是不夠全面的，它應(yīng)該是地下水對(duì)于碳酸鹽地層的物理沖蝕（巖沖）和化學(xué)溶蝕（巖溶）的綜合過程和結(jié)果。地下水對(duì)于碳酸鹽巖層的物理沖蝕是矛盾的主要方面，是第一位和領(lǐng)先的，化學(xué)溶蝕則是第二位的，它是物理沖蝕作用的催化劑?；瘜W(xué)巖溶已有許多人著書立說，本文則側(cè)重論述地下水對(duì)可溶巖石的物理沖蝕——巖沖。
筆者在長(zhǎng)期研究油、氣的碳酸鹽古巖溶儲(chǔ)層中經(jīng)常涉足到地下水力學(xué)或流體力學(xué)。洞穴地下水系是一種極不規(guī)則的管道流，地下水在碳酸鹽地層洞穴系中的運(yùn)動(dòng)，由于管道斷面、流徑、流速、流量、毛細(xì)管力等的千變?nèi)f化，是難以用地下水力學(xué)或流體力學(xué)定量模擬的，然而古地下水系則經(jīng)常在地下打造成復(fù)雜的喀斯特洞穴系統(tǒng)，不但形成油氣古巖溶儲(chǔ)層，或水庫，而且還可造成迷人的喀斯特洞穴景觀。
由于易溶巖層中地下水流（暗河等）的間歇性物理沖蝕和化學(xué)溶蝕而形成的多層喀斯特洞穴系統(tǒng)，造成兩類喀斯特洞穴景觀：一類是網(wǎng)狀線性巷洞，包括水平及斜巷洞、落水洞、豎井、地下溶蝕槽溝或地縫等；另一類是局部膨大的巖廳或洞廳。巖廳或洞廳一般均與線性巷洞相鏈接，常形成串珠狀洞穴系統(tǒng)。
我們將地下水流（暗河等）的漩流（渦流）沖蝕作用為主形成的洞廳或巖廳稱作地下喀斯特漩坑，包括漏斗及地坑。喀斯特地坑（Karstic Dikeng）與喀斯特天坑（KarsticTiankeng）是兩個(gè)休戚相關(guān)的術(shù)語。地坑存在于地下，它是塌陷天坑的前身。
本文列舉了洞穴地下水流（暗河等）的水動(dòng)力學(xué)模型，并以四川龍門山前侏羅—白堊紀(jì)沖積扇型礫巖層形成的喀斯特洞穴系統(tǒng)（以安縣尋龍山臥龍洞及雅安蘆山龍門洞為代表）為例，論述了螺線型回旋下沖漩流引起漏斗、漏斗群的形成、擴(kuò)大、位移、合并，誘發(fā)洞頂分期塌陷，從而形成塌陷地坑，然后逐步從塌陷地坑向天眼地坑→部分塌陷天坑→塌陷天坑的演化過程。
2 洞穴地下水系的水動(dòng)力學(xué)模型及產(chǎn)出的喀斯特洞穴類型
靜態(tài)地下水對(duì)易溶巖層的單純化學(xué)溶蝕，只能使巖層表面形成千瘡百孔、
凹凸不平的表壁，而不能形成規(guī)模龐大的喀斯特洞穴系統(tǒng)。世界各地龐大而復(fù)雜的喀斯特洞穴系統(tǒng)的形成不能簡(jiǎn)單地用化學(xué)“巖溶”來解釋，而忽略了地下水流（暗河等）的強(qiáng)力物理沖蝕作用——“巖沖”。地下水流（暗河等）的強(qiáng)大沖蝕力是有目共睹的，地下水中的巖石碎塊及砂粒隨水沖瀉，對(duì)巖壁磨蝕，加強(qiáng)了地下水的沖蝕力?；瘜W(xué)溶蝕是物理沖蝕的催化劑，更使物理沖擊力加速。例如在四川龍門山前侏羅—白堊紀(jì)某些碳酸鹽質(zhì)礫巖溶洞表壁可見，直徑數(shù)厘米至20cm的卵石都被地下水流削成平面，是水流物理沖蝕的遺跡。而我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室用稀酸浸泡大礫石，無論如何也不能將它齊刷刷地溶掉一半。
通過長(zhǎng)期觀察各類喀斯特洞穴管道流的遺跡，我們將洞穴地下水流（暗河等）
的水動(dòng)力沖蝕模型大致分成以下7類（見圖1洞穴水動(dòng)力模型圖）：
2. 1 線性平?jīng)_層流
洞穴中暗河等地下水流很少見有層流，它應(yīng)基本符合層流的水力學(xué)公式。只有在溶洞發(fā)育晚期，在有水量較大的暗河中寬敞平直的巷洞段可能見到層流。暗河河床并非處于一個(gè)平面上，而有一定緩坡坡度，一般為幾度不超過10度。例如在興文天泉洞的部分地段可見層流遺跡。巷洞寬大平直，見洞壁保留有規(guī)則而平直的側(cè)蝕溝槽或流線（見圖1①）。
2. 2 線性平?jīng)_紊流
地下水流主要沿構(gòu)造裂隙，如斷層、節(jié)理呈線性流動(dòng)，沖蝕，溶蝕，形成不規(guī)則長(zhǎng)槽溝形巷洞。暗河河床坡度不大，一般幾度至30幾度。由于水流湍急，洞穴管道不規(guī)則而形成紊流。紊流也常造成地下地縫，地縫多與高角度或垂向斷裂或節(jié)理有關(guān)（見圖1k）。在四川安縣尋龍山臥龍洞及蘆山龍門洞中，線性紊流形成的巷洞及地下地縫很普遍。
2. 3 線性斜向下沖瀉流
暗河河床坡度在30度以上，常大于45度，使水流產(chǎn)生強(qiáng)力下瀉沖蝕力。斜沖瀉流可打造成斜洞或斜井，在各地溶洞中常見（見圖1l）。
2. 4 線性垂向下沖瀉流
暗河水流坡度在80度以上，呈垂向沖瀉，常形成落水洞或豎井。如果水流長(zhǎng)期來自一個(gè)方向，可使豎洞洞口向水流上游方向拉長(zhǎng)，從而使豎洞逐漸發(fā)育成地下沖蝕槽溝或地縫（見圖1m）。
2. 5 彈簧形斜向下沖漩流
由于斜洞為不規(guī)則管道，下沖地下水流常受阻而引起渦流或漩流效應(yīng)。漩流沖蝕的斜井壁很光滑，管道斷面呈近圓形或橢圓形，管道直經(jīng)常有變化（見圖1⑤）。在四川安縣臥龍洞中的風(fēng)情畫廊洞段見有這種斜洞。
2. 6 彈簧形垂向下沖漩流
機(jī)理同上，形成落水洞或豎井，井壁光滑，斷面呈近圓形（見圖1⑥）。在安縣臥龍洞中的小月城地坑一側(cè)見有這種落水洞。
2. 7 螺線性回旋下沖漩流
由于水流方向在入水口與洞壁呈切線，或兩股以上水流交匯使水流受阻而引起渦流或漩流應(yīng)。漩流的側(cè)向沖蝕力極強(qiáng)，與下蝕緩慢同步，形成斷面近圓形或橢圓形的寬敞落水洞，即漏斗或小漩坑（見圖1⑦）?；匦聸_漩流在發(fā)育初期形成單個(gè)漏斗，然后相鄰漩流形成兩個(gè)以上的漏斗群，再擴(kuò)大、位移、合并而匯聚成一個(gè)大漩流，從而形成大漩坑狀洞廳。在后期因頂蝕和下蝕作用，使不同時(shí)代形成的洞穴層坍塌連通，洞廳擴(kuò)大，而逐漸發(fā)育成地坑。
3 地坑的形成機(jī)理
國(guó)內(nèi)有關(guān)天坑的記述始于1989年楊世焱在“石海洞鄉(xiāng)”一書中對(duì)四川興文大巖灣、小巖灣的描繪。此后在長(zhǎng)江及紅水河流域等地陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多大型天坑。朱學(xué)穩(wěn)于2001年將其正式命名為天坑（Tiankeng）。范曉（2003）在中國(guó)首屆喀斯特旅游研討會(huì)論文集中篆文提及四川雅安蘆山龍門洞及安縣龍泉礫宮（臥龍洞）中的塌陷地坑。萬新南、吳熙純于2004年考察安縣臥龍洞時(shí)也相繼悟到“地坑”的概念。
目前大多數(shù)學(xué)者都將地坑稱作巖廳或洞廳。我們要問，天坑在塌陷之前會(huì)是什么情景？天坑為什么大致呈圓形或橢圓形？地下某些大型洞廳為什么也大致呈圓形或橢圓形？地坑是怎么形成的？怎么由塌陷地坑轉(zhuǎn)化為塌陷天坑？帶著這些問題我們對(duì)安縣臥龍洞的串珠狀小型地坑模型作了較詳細(xì)的觀察研究。
我們認(rèn)為，喀斯特地坑的形成過程及地坑演化成天坑的過程經(jīng)過以下幾個(gè)階段，即漏斗或漏斗群的產(chǎn)生、位移、擴(kuò)大、合并→ 地坑→塌陷地坑→ 天眼地坑→部分塌陷天坑→塌陷天坑。
3. 1 漏斗的形成
地下水流沿地層的局部薄弱點(diǎn)，如大型含泥質(zhì)結(jié)核或透鏡體、X節(jié)理、多組裂隙交叉點(diǎn)、兩股以上地下水流交匯點(diǎn)，由于水流對(duì)巖壁四周沖擊力的不均衡或受阻而產(chǎn)生漩流（或渦流）。側(cè)蝕力逐漸加強(qiáng)，與下蝕力基本同步，尋孔洞或裂隙下滲，從而形成漏斗。所以漏斗是螺線性回旋下沖漩流水動(dòng)力機(jī)制的產(chǎn)物（見圖1⑦）。一般漏斗壁光滑而呈近圓形或陀螺形，是漩流側(cè)蝕的結(jié)果。因漏斗發(fā)育期側(cè)蝕漩流強(qiáng)度不同變化，使巖壁成為漏斗形、壇形、甕形等。
單純的線性下沖瀉流會(huì)使落水洞在水流入口的巖壁凹陷，出現(xiàn)缺口，長(zhǎng)期水流會(huì)在缺口處發(fā)育成槽溝，不易形成漏斗，甚至?xí)兄乱延械穆┒冯r形破壞。所以漏斗主要為漩流造成。例如在安縣臥龍洞中，沿垂向X節(jié)理發(fā)育折線形巷洞，在巷洞的轉(zhuǎn)折點(diǎn)因水流受阻，側(cè)蝕力增強(qiáng)，使巷洞空間在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處膨大。但是由于沒有形成長(zhǎng)期穩(wěn)定的漩流，也就不能發(fā)育成漏斗。漏斗在四川龍門山前的礫巖喀斯特分布區(qū)十分普遍。
3. 2 漏斗或漏斗群的擴(kuò)大、位移、合并
由于漩流對(duì)巖壁的側(cè)蝕力不均衡，一個(gè)漏斗或兩個(gè)以上的漏斗群可以位移、擴(kuò)大和相互合并。持續(xù)穩(wěn)定的漩流有從小匯合成大漩流的總趨勢(shì)，由于側(cè)蝕和下蝕規(guī)模增大，逐漸形成地坑雛形。
在地坑頂板上常保留有漩流、漏斗、漏斗群的遺跡。如安縣臥龍洞中的3個(gè)地坑的頂板上均保存有一些向上凹的圓坑，直徑幾米至十余米，其中有的坑穴呈現(xiàn)發(fā)散弧形，有的呈渦旋形撒開，有的呈耳狀。這分明是在洞廳或地坑發(fā)育初期的漩流頂蝕痕。
安縣臥龍洞的山上洞口是一個(gè)大型塌陷漏斗，直徑20～30 m，可見頂板塌陷的巖塊堆積于洞底，該漏斗的一側(cè)還連接有一個(gè)漏斗，漏斗四壁見有明顯的漩流側(cè)蝕槽。這是持續(xù)漩流引起漏斗合并的證據(jù)。
3. 3 地坑和塌陷地坑的形成
由于持續(xù)穩(wěn)定的漩流長(zhǎng)期側(cè)蝕和下蝕的結(jié)果，使地坑形成并擴(kuò)大加深，地下漩流的下蝕力及重力垮塌使地坑逐層塌陷，成為穿透各個(gè)洞穴層的塌陷地坑。因此塌陷地坑成為喀斯特洞穴體系中最大的空間，具有穿層性。地坑頂板常相當(dāng)于第一層洞穴的頂板，而地坑底部則可直接與最底層暗河相接，或與暗河溝通的地縫相接。
安縣臥龍洞中大月城洞廳與小月城洞廳為典型的塌陷地坑，均略呈橢圓形。大月城地坑直徑60余米，深50余米，小月城地坑直徑40余米，深亦40余米，都是小型地坑。兩地坑相距僅8 m，地坑之間有一個(gè)地下天生橋，橋下有洞將兩個(gè)地坑溝通。
兩地坑的頂板完好，各見有數(shù)個(gè)殘留的近圓形小凹痕，直徑大者十余米，并有一些弧形彎槽，都與漩流（渦流）有關(guān)，是漏斗及漏斗群在地坑發(fā)育初期的漩流頂蝕痕。兩個(gè)地坑上部四壁周緣都有一圈近水平的漩流側(cè)蝕槽，可供游人繞行一周，表明在地坑發(fā)育初期漩流水量大，側(cè)蝕強(qiáng)度大。在側(cè)蝕槽壁見大小卵石均被漩流削平。
兩個(gè)地坑均向下穿通四層（四期）洞穴，具有明顯的穿層性。地坑底部則有許多塌陷巖塊。地坑直徑至坑底有收縮。兩地坑底分別與最底層暗河形成的地縫相連接。
3. 4 地坑由塌陷地坑向天眼地坑→塌陷天坑的演變
天眼地坑是因塌陷地坑頂板受地下水或地表水沿頂板裂隙形成的溶蝕槽溝或落水洞下滲，使頂板局部開始塌落，乃與地表相通的巖溶景觀，也叫天泉洞，如四川興文所見。以后則隨著穿層塌陷地坑形成，頂板逐漸變薄，終于逐漸垮塌，變成部分塌陷天坑，最終形成塌陷天坑。
在安縣臥龍洞附近的喀斯特洞穴、石林區(qū)見有3個(gè)塌陷天坑。其中最大的叫深窩坑天坑，呈長(zhǎng)圓形，長(zhǎng)軸約220 m，短軸約80～120 m，深約80 m。其次為狗豹洞天坑，長(zhǎng)軸約100 m，短軸約80 m，深約50 m。兩個(gè)天坑中均有古土壤填充，底部與有水流的洞穴連通。
4 國(guó)內(nèi)有關(guān)洞穴地下水系水動(dòng)力模型的例證
4. 1 四川蘆山龍門洞主要由白堊紀(jì)礫巖組成。礫巖層位為：白堊系下—中部夾關(guān)組下段，礫巖連續(xù)厚度達(dá)400 m；白堊系上部為冒節(jié)子礫巖，連續(xù)厚度達(dá)870 m。龍門洞總長(zhǎng)度可能有幾十千米。已開放游程長(zhǎng)4km，主要屬于網(wǎng)狀線性巷洞類型。
網(wǎng)狀巷洞主要受兩組X型節(jié)理控制，其中一組節(jié)理與層間縫近于平行。地層傾角為10～20度，洞頂經(jīng)常由層面構(gòu)成。網(wǎng)狀洞常沿礫巖層系中易受沖蝕的砂泥巖夾層延伸，洞底坡度與層面近一致。常見2～3個(gè)支洞匯集，受X型節(jié)理控制。洞內(nèi)有縱穿各層的地縫，深達(dá)50 m以上，局部通天。洞中普遍分部有洞頂塌陷巖塊。
這種網(wǎng)狀線性多層巷洞主要由線性平?jīng)_紊流形成，其中也不乏線性斜向及垂向下沖瀉流形成的斜井及落水洞。在游程見有一個(gè)小形塌陷地坑，直徑及深度各約50m，為螺線性回旋下沖漩流形成。本洞穴系統(tǒng)規(guī)模甚大，游程僅見冰山一角。
4. 2 喀斯特洞穴中存在強(qiáng)大漩流的現(xiàn)代景觀見于貴州安順南24km的龍宮水洞。該洞地下河有一出露段稱漩塘，為一喀斯特湖，其直徑150 m。由于底部有消水坑使湖水形成統(tǒng)一的大漩流，本漩塘已經(jīng)形成一個(gè)中型天坑?？梢韵胂袼谒莸乜与A段也具有這種強(qiáng)大漩流，這是螺線性回旋下沖漩流地下水動(dòng)力模型的有力例證，它是打造地坑的強(qiáng)大水動(dòng)力源泉。
4. 3 南寧武鳴伊嶺巖的洞廳總體呈海螺狀，其螺旋狀造型保存了在形成時(shí)期具有一個(gè)統(tǒng)一的螺線性回旋下沖漩流地下水動(dòng)力模型的規(guī)跡。
4. 4 據(jù)目前統(tǒng)計(jì)，貴州格必河洞中最大洞廳稱苗廳，為中國(guó)最大洞廳，面積116300m2，可能是中國(guó)最大地坑。
4. 5 據(jù)黃保?。?003）報(bào)道，廣西大石圍天坑群在地下還發(fā)育有一些洞穴大廳。這可能是塌陷地坑群。因?yàn)樘炜雍偷乜釉谝粋€(gè)地域常同時(shí)存在。
5 篇后語
據(jù)朱學(xué)穩(wěn)等（2003）按天坑口部直徑和深度對(duì)天坑規(guī)模的分類：特大天坑≥500 m，大型天坑300～500 m，中型天坑100～300m，小天坑40～100m。我們認(rèn)為，地坑按規(guī)模大小分類應(yīng)該與天坑相同。
由于塌陷地坑頂板已接近地表，十分脆弱，頂板極易最終塌陷而形成塌陷天坑。所以目前世界上在地下保存的大型和特大型塌陷地坑已很少見，這是由于頂板跨度大更加脆弱，極易最終塌陷形成天坑。
本文舉出地下水流的7種水動(dòng)力學(xué)沖蝕模型，強(qiáng)調(diào)螺線性回旋下沖漩流造成地坑的作用。但是，由于地坑的形成過程可以長(zhǎng)達(dá)數(shù)十萬年以上，在地坑發(fā)育不同階段，水源和管道系統(tǒng)時(shí)有變化，每層洞穴坍塌后都可改變水源和管道系統(tǒng)布局，所以在地坑發(fā)育不同階段，其他6種水動(dòng)力學(xué)沖蝕模式都有可能參與和作用，尤其是線性平?jīng)_紊流模式可以在地坑發(fā)育不同階段變?yōu)橹鲗?dǎo)，使洞廳拉長(zhǎng)，如四川興文天泉洞所見。但是，無論何種情況，在地坑發(fā)育各個(gè)階段，漩流的作用是不可忽視的。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 吳熙純，范曉，沖蝕與溶蝕—大九寨旅游區(qū)龍門山前旅游帶洞穴喀斯特的形成機(jī)理研究，范曉主編，旅游地學(xué)研究與旅游資源開發(fā)，2006，103～110。
[2] 朱學(xué)穩(wěn)，朱德浩，黃保健等，喀斯特天坑略論，中國(guó)巖溶，2003，22（1）：51～65。
[3] 范曉，四川龍門山灰?guī)r質(zhì)礫巖喀斯特景觀的特征與旅游開發(fā)，陳安澤等主編，喀斯特旅游資源基礎(chǔ)理論與開發(fā)研究文集：133～140。
