吴熙纯¹范 晓²
1成都理工大学能源学院成都610059；
2 四川省地矿局区域地质调查队成都华阳610213

　　摘要：国内通用的对于“喀斯特”一词的翻译和理解是“岩溶”。但是，对于洞穴喀斯特的形成机理来说，仅用“岩溶” 解释是不够全面的，它应该是地下水在碳酸盐地层中的物理冲蚀（岩冲）和化学溶蚀（岩溶）的综合过程和结果。地下水对于碳酸盐岩层的物理冲蚀是矛盾的主要方面，是第一位和领先的，化学溶蚀则是第二位的，它是物理冲蚀的催化剂。

　　我们将水流的漩流冲蚀作用为主形成的洞厅或岩厅称作地下喀斯特漩坑，包括漏斗及地坑。喀斯特地坑（Karstic Dikeng）与喀斯特天坑 (Karstic Tiankeng) 是两个休戚相关的术语。地坑存在于地下，它是塌陷天坑的前身。

　　关键词：岩冲地坑喀斯特溶洞

1　前 言

　　国内通用的对于“喀斯特”一词的翻译和理解是“岩溶”，喀斯特岩溶是指易溶岩层经天然水（地下水和地表水）化学溶蚀的过程和结果。对于洞穴喀斯特的形成机理来说，仅用“岩溶”解释是不够全面的，它应该是地下水对于碳酸盐地层的物理冲蚀（岩冲）和化学溶蚀（岩溶）的综合过程和结果。地下水对于碳酸盐岩层的物理冲蚀是矛盾的主要方面，是第一位和领先的，化学溶蚀则是第二位的，它是物理冲蚀作用的催化剂。化学岩溶已有许多人著书立说，本文则侧重论述地下水对可溶岩石的物理冲蚀——岩冲。

　　笔者在长期研究油、气的碳酸盐古岩溶储层中经常涉足到地下水力学或流体力学。洞穴地下水系是一种极不规则的管道流，地下水在碳酸盐地层洞穴系中的运动，由于管道断面、流径、流速、流量、毛细管力等的千变万化，是难以用地下水力学或流体力学定量模拟的，然而古地下水系则经常在地下打造成复杂的喀斯特洞穴系统，不但形成油气古岩溶储层，或水库，而且还可造成迷人的喀斯特洞穴景观。

　　由于易溶岩层中地下水流（暗河等）的间歇性物理冲蚀和化学溶蚀而形成的多层喀斯特洞穴系统，造成两类喀斯特洞穴景观：一类是网状线性巷洞，包括水平及斜巷洞、落水洞、竖井、地下溶蚀槽沟或地缝等；另一类是局部膨大的岩厅或洞厅。岩厅或洞厅一般均与线性巷洞相链接，常形成串珠状洞穴系统。

　　我们将地下水流（暗河等）的漩流（涡流）冲蚀作用为主形成的洞厅或岩厅称作地下喀斯特漩坑，包括漏斗及地坑。喀斯特地坑（Karstic Dikeng）与喀斯特天坑（KarsticTiankeng）是两个休戚相关的术语。地坑存在于地下，它是塌陷天坑的前身。

　　本文列举了洞穴地下水流（暗河等）的水动力学模型，并以四川龙门山前侏罗—白垩纪冲积扇型砾岩层形成的喀斯特洞穴系统（以安县寻龙山卧龙洞及雅安芦山龙门洞为代表）为例，论述了螺线型回旋下冲漩流引起漏斗、漏斗群的形成、扩大、位移、合并，诱发洞顶分期塌陷，从而形成塌陷地坑，然后逐步从塌陷地坑向天眼地坑→部分塌陷天坑→塌陷天坑的演化过程。

2　洞穴地下水系的水动力学模型及产出的喀斯特洞穴类型

　　静态地下水对易溶岩层的单纯化学溶蚀，只能使岩层表面形成千疮百孔、

　　凹凸不平的表壁，而不能形成规模庞大的喀斯特洞穴系统。世界各地庞大而复杂的喀斯特洞穴系统的形成不能简单地用化学“岩溶”来解释，而忽略了地下水流（暗河等）的强力物理冲蚀作用——“岩冲”。地下水流（暗河等）的强大冲蚀力是有目共睹的，地下水中的岩石碎块及砂粒随水冲泻，对岩壁磨蚀，加强了地下水的冲蚀力。化学溶蚀是物理冲蚀的催化剂，更使物理冲击力加速。例如在四川龙门山前侏罗—白垩纪某些碳酸盐质砾岩溶洞表壁可见，直径数厘米至20cm的卵石都被地下水流削成平面，是水流物理冲蚀的遗迹。而我们在实验室用稀酸浸泡大砾石，无论如何也不能将它齐刷刷地溶掉一半。

　　通过长期观察各类喀斯特洞穴管道流的遗迹，我们将洞穴地下水流（暗河等）

　　的水动力冲蚀模型大致分成以下7类（见图1洞穴水动力模型图）：

　　2. 1 线性平冲层流

　　洞穴中暗河等地下水流很少见有层流，它应基本符合层流的水力学公式。只有在溶洞发育晚期，在有水量较大的暗河中宽敞平直的巷洞段可能见到层流。暗河河床并非处于一个平面上，而有一定缓坡坡度，一般为几度不超过10度。例如在兴文天泉洞的部分地段可见层流遗迹。巷洞宽大平直，见洞壁保留有规则而平直的侧蚀沟槽或流线（见图1①）。

　　2. 2 线性平冲紊流

　　地下水流主要沿构造裂隙，如断层、节理呈线性流动，冲蚀，溶蚀，形成不规则长槽沟形巷洞。暗河河床坡度不大，一般几度至30几度。由于水流湍急，洞穴管道不规则而形成紊流。紊流也常造成地下地缝，地缝多与高角度或垂向断裂或节理有关（见图1k）。在四川安县寻龙山卧龙洞及芦山龙门洞中，线性紊流形成的巷洞及地下地缝很普遍。

　　2. 3 线性斜向下冲泻流

　　暗河河床坡度在30度以上，常大于45度，使水流产生强力下泻冲蚀力。斜冲泻流可打造成斜洞或斜井，在各地溶洞中常见（见图1l）。

　　2. 4 线性垂向下冲泻流

　　暗河水流坡度在80度以上，呈垂向冲泻，常形成落水洞或竖井。如果水流长期来自一个方向，可使竖洞洞口向水流上游方向拉长，从而使竖洞逐渐发育成地下冲蚀槽沟或地缝（见图1m）。

　　2. 5 弹簧形斜向下冲漩流

　　由于斜洞为不规则管道，下冲地下水流常受阻而引起涡流或漩流效应。漩流冲蚀的斜井壁很光滑，管道断面呈近圆形或椭圆形，管道直经常有变化（见图1⑤）。在四川安县卧龙洞中的风情画廊洞段见有这种斜洞。

　　2. 6 弹簧形垂向下冲漩流

　　机理同上，形成落水洞或竖井，井壁光滑，断面呈近圆形（见图1⑥）。在安县卧龙洞中的小月城地坑一侧见有这种落水洞。

　　2. 7 螺线性回旋下冲漩流

　　由于水流方向在入水口与洞壁呈切线，或两股以上水流交汇使水流受阻而引起涡流或漩流应。漩流的侧向冲蚀力极强，与下蚀缓慢同步，形成断面近圆形或椭圆形的宽敞落水洞，即漏斗或小漩坑（见图1⑦）。回旋下冲漩流在发育初期形成单个漏斗，然后相邻漩流形成两个以上的漏斗群，再扩大、位移、合并而汇聚成一个大漩流，从而形成大漩坑状洞厅。在后期因顶蚀和下蚀作用，使不同时代形成的洞穴层坍塌连通，洞厅扩大，而逐渐发育成地坑。

3　地坑的形成机理

　　国内有关天坑的记述始于1989年杨世焱在“石海洞乡”一书中对四川兴文大岩湾、小岩湾的描绘。此后在长江及红水河流域等地陆续发现了许多大型天坑。朱学稳于2001年将其正式命名为天坑（Tiankeng）。范晓（2003）在中国首届喀斯特旅游研讨会论文集中篆文提及四川雅安芦山龙门洞及安县龙泉砾宫（卧龙洞）中的塌陷地坑。万新南、吴熙纯于2004年考察安县卧龙洞时也相继悟到“地坑”的概念。

　　目前大多数学者都将地坑称作岩厅或洞厅。我们要问，天坑在塌陷之前会是什么情景？天坑为什么大致呈圆形或椭圆形？地下某些大型洞厅为什么也大致呈圆形或椭圆形？地坑是怎么形成的？怎么由塌陷地坑转化为塌陷天坑？带着这些问题我们对安县卧龙洞的串珠状小型地坑模型作了较详细的观察研究。

　　我们认为，喀斯特地坑的形成过程及地坑演化成天坑的过程经过以下几个阶段，即漏斗或漏斗群的产生、位移、扩大、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

　　地下水流沿地层的局部薄弱点，如大型含泥质结核或透镜体、X节理、多组裂隙交叉点、两股以上地下水流交汇点，由于水流对岩壁四周冲击力的不均衡或受阻而产生漩流（或涡流）。侧蚀力逐渐加强，与下蚀力基本同步，寻孔洞或裂隙下渗，从而形成漏斗。所以漏斗是螺线性回旋下冲漩流水动力机制的产物（见图1⑦）。一般漏斗壁光滑而呈近圆形或陀螺形，是漩流侧蚀的结果。因漏斗发育期侧蚀漩流强度不同变化，使岩壁成为漏斗形、坛形、瓮形等。

　　单纯的线性下冲泻流会使落水洞在水流入口的岩壁凹陷，出现缺口，长期水流会在缺口处发育成槽沟，不易形成漏斗，甚至会招致已有的漏斗雏形破坏。所以漏斗主要为漩流造成。例如在安县卧龙洞中，沿垂向X节理发育折线形巷洞，在巷洞的转折点因水流受阻，侧蚀力增强，使巷洞空间在转折点处膨大。但是由于没有形成长期稳定的漩流，也就不能发育成漏斗。漏斗在四川龙门山前的砾岩喀斯特分布区十分普遍。

　　3. 2 漏斗或漏斗群的扩大、位移、合并

　　由于漩流对岩壁的侧蚀力不均衡，一个漏斗或两个以上的漏斗群可以位移、扩大和相互合并。持续稳定的漩流有从小汇合成大漩流的总趋势，由于侧蚀和下蚀规模增大，逐渐形成地坑雏形。

　　在地坑顶板上常保留有漩流、漏斗、漏斗群的遗迹。如安县卧龙洞中的3个地坑的顶板上均保存有一些向上凹的圆坑，直径几米至十余米，其中有的坑穴呈现发散弧形，有的呈涡旋形撒开，有的呈耳状。这分明是在洞厅或地坑发育初期的漩流顶蚀痕。

　　安县卧龙洞的山上洞口是一个大型塌陷漏斗，直径20～30 m，可见顶板塌陷的岩块堆积于洞底，该漏斗的一侧还连接有一个漏斗，漏斗四壁见有明显的漩流侧蚀槽。这是持续漩流引起漏斗合并的证据。

　　3. 3 地坑和塌陷地坑的形成

　　由于持续稳定的漩流长期侧蚀和下蚀的结果，使地坑形成并扩大加深，地下漩流的下蚀力及重力垮塌使地坑逐层塌陷，成为穿透各个洞穴层的塌陷地坑。因此塌陷地坑成为喀斯特洞穴体系中最大的空间，具有穿层性。地坑顶板常相当于第一层洞穴的顶板，而地坑底部则可直接与最底层暗河相接，或与暗河沟通的地缝相接。

　　安县卧龙洞中大月城洞厅与小月城洞厅为典型的塌陷地坑，均略呈椭圆形。大月城地坑直径60余米，深50余米，小月城地坑直径40余米，深亦40余米，都是小型地坑。两地坑相距仅8 m，地坑之间有一个地下天生桥，桥下有洞将两个地坑沟通。

　　两地坑的顶板完好，各见有数个残留的近圆形小凹痕，直径大者十余米，并有一些弧形弯槽，都与漩流（涡流）有关，是漏斗及漏斗群在地坑发育初期的漩流顶蚀痕。两个地坑上部四壁周缘都有一圈近水平的漩流侧蚀槽，可供游人绕行一周，表明在地坑发育初期漩流水量大，侧蚀强度大。在侧蚀槽壁见大小卵石均被漩流削平。

　　两个地坑均向下穿通四层（四期）洞穴，具有明显的穿层性。地坑底部则有许多塌陷岩块。地坑直径至坑底有收缩。两地坑底分别与最底层暗河形成的地缝相连接。

　　3. 4 地坑由塌陷地坑向天眼地坑→塌陷天坑的演变

　　天眼地坑是因塌陷地坑顶板受地下水或地表水沿顶板裂隙形成的溶蚀槽沟或落水洞下渗，使顶板局部开始塌落，乃与地表相通的岩溶景观，也叫天泉洞，如四川兴文所见。以后则随着穿层塌陷地坑形成，顶板逐渐变薄，终于逐渐垮塌，变成部分塌陷天坑，最终形成塌陷天坑。

　　在安县卧龙洞附近的喀斯特洞穴、石林区见有3个塌陷天坑。其中最大的叫深窝坑天坑，呈长圆形，长轴约220 m，短轴约80～120 m，深约80 m。其次为狗豹洞天坑，长轴约100 m，短轴约80 m，深约50 m。两个天坑中均有古土壤填充，底部与有水流的洞穴连通。

4　国内有关洞穴地下水系水动力模型的例证

　　4. 1 四川芦山龙门洞主要由白垩纪砾岩组成。砾岩层位为：白垩系下—中部夹关组下段，砾岩连续厚度达400 m；白垩系上部为冒节子砾岩，连续厚度达870 m。龙门洞总长度可能有几十千米。已开放游程长4km，主要属于网状线性巷洞类型。

　　网状巷洞主要受两组X型节理控制，其中一组节理与层间缝近于平行。地层倾角为10～20度，洞顶经常由层面构成。网状洞常沿砾岩层系中易受冲蚀的砂泥岩夹层延伸，洞底坡度与层面近一致。常见2～3个支洞汇集，受X型节理控制。洞内有纵穿各层的地缝，深达50 m以上，局部通天。洞中普遍分部有洞顶塌陷岩块。

　　这种网状线性多层巷洞主要由线性平冲紊流形成，其中也不乏线性斜向及垂向下冲泻流形成的斜井及落水洞。在游程见有一个小形塌陷地坑，直径及深度各约50m，为螺线性回旋下冲漩流形成。本洞穴系统规模甚大，游程仅见冰山一角。

　　4. 2 喀斯特洞穴中存在强大漩流的现代景观见于贵州安顺南24km的龙宫水洞。该洞地下河有一出露段称漩塘，为一喀斯特湖，其直径150 m。由于底部有消水坑使湖水形成统一的大漩流，本漩塘已经形成一个中型天坑。可以想像它在塌陷地坑阶段也具有这种强大漩流，这是螺线性回旋下冲漩流地下水动力模型的有力例证，它是打造地坑的强大水动力源泉。

　　4. 3 南宁武鸣伊岭岩的洞厅总体呈海螺状，其螺旋状造型保存了在形成时期具有一个统一的螺线性回旋下冲漩流地下水动力模型的规迹。

　　4. 4 据目前统计，贵州格必河洞中最大洞厅称苗厅，为中国最大洞厅，面积116300m²，可能是中国最大地坑。

　　4. 5 据黄保健（2003）报道，广西大石围天坑群在地下还发育有一些洞穴大厅。这可能是塌陷地坑群。因为天坑和地坑在一个地域常同时存在。

5　篇后语

　　据朱学稳等（2003）按天坑口部直径和深度对天坑规模的分类：特大天坑≥500 m，大型天坑300～500 m，中型天坑100～300m，小天坑40～100m。我们认为，地坑按规模大小分类应该与天坑相同。

　　由于塌陷地坑顶板已接近地表，十分脆弱，顶板极易最终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见，这是由于顶板跨度大更加脆弱，极易最终塌陷形成天坑。

　　本文举出地下水流的7种水动力学冲蚀模型，强调螺线性回旋下冲漩流造成地坑的作用。但是，由于地坑的形成过程可以长达数十万年以上，在地坑发育不同阶段，水源和管道系统时有变化，每层洞穴坍塌后都可改变水源和管道系统布局，所以在地坑发育不同阶段，其他6种水动力学冲蚀模式都有可能参与和作用，尤其是线性平冲紊流模式可以在地坑发育不同阶段变为主导，使洞厅拉长，如四川兴文天泉洞所见。但是，无论何种情况，在地坑发育各个阶段，漩流的作用是不可忽视的。

参 考 文 献
[1] 吴熙纯，范晓，冲蚀与溶蚀—大九寨旅游区龙门山前旅游带洞穴喀斯特的形成机理研究，范晓主编，旅游地学研究与旅游资源开发，2006，103～110。
[2] 朱学稳，朱德浩，黄保健等，喀斯特天坑略论，中国岩溶，2003，22（1）：51～65。
[3] 范晓，四川龙门山灰岩质砾岩喀斯特景观的特征与旅游开发，陈安泽等主编，喀斯特旅游资源基础理论与开发研究文集：133～140。