2016年01月13日 星期三
  • English  |  
  • 公务邮箱  |  
  • 中国地质调查局移动站点  |  
  • 中国地质调查局官微  |  

首页 > 新闻类 > 科学技术

再探汉中天坑群

来源:中国国土资源报 发布时间:2018-05-15

捷克团队在小南海地下河做示踪试验。翟秀敏 摄

天星岩“T”字大厅主洞地下河下游方向,受洞道崩塌块石的淤塞,因而在崩塌体上游一侧堆积大量砾石。更为奇特的是在崩塌体之上,有水平层理保存完整的古砾石层,说明崩塌体年代较久。 扬·斯洛特克 (捷克) 摄

中外科考队在天星岩主洞和支洞交叉的“T”字大厅合影。扬·斯洛特克 (捷克) 摄

占据全球天坑总数1/4的陕西汉中天坑群,一经发现便引起国内外的广泛关注。

中国地质调查局岩溶地质研究所、中国地质环境监测院、陕西省地质调查院联合开展天坑和洞穴普查,发现典型的天坑和漏斗54个,其中口径大于500米的超级天坑2个、大型天坑7个、常规天坑45个,其他地质遗迹473处。中国科学院院士袁道先一行对汉中进行实地考察后认为,这是在北纬32°~33°范围首次发现的、我国岩溶台原面上发育数量最多的天坑群,这一发现将我国湿润热带—亚热带岩溶地貌区界线显著北移,对中国南北方乃至全球古地理环境及气候变化的对比分析具有重要科学价值。

为了更好地保护和利用汉中天坑群地质遗迹资源,通过岩溶水文地貌系统的深入调查进一步揭示汉中天坑群的演化机理,中国地质调查局于2018年下达了《陕中南岩溶区水文地质环境地质调查》项目,由岩溶所承担,并作为“全球岩溶动力系统资源环境效应”国际大科学计划的组成部分。4月28日~5月9日,岩溶所通过自然资源部第四次邀请捷克科学院地质所和捷克洞穴协会的专家,协助开展了汉中南郑洞穴调查;同时,与陕西省地质调查院、中国地质环境监测院共同组织精兵强将,开展了区域地质、水文地质、地下水示踪、洞穴年龄、第四纪古环境等方面的调查与研究。

 

中捷联合科学考察新发现

张远海 翟秀敏 陈伟海

 

这是中国—捷克第四次对汉中天坑群进行联合科学考察。

捷克团队11人共分3组,分别利用地下潜水、橡皮艇漂流、洞穴单绳技术对小南海观音洞地下河系统、天星岩洞穴系统、伯牛坑洞穴系统进行了洞穴探测。中方团队29人,承担了大佛洞洞穴系统、西沟洞洞穴系统的补充探测工作,并就小南海台原地区的洞穴沉积物进行了系统的采样。

此次科考新发现洞道15.3千米,其中天星岩新发现洞道6224米,包括2处溶洞大厅;伯牛坑新发现洞道407米;小南海观音洞新发现洞道1036米,它是大佛洞主要的地下河排泄系统;吊洞新发现洞道584米;新发现大佛洞支洞5547米,探测西沟洞1442米。大佛洞地下河系统新发现洞道超过1000米,并与多个洞穴大厅相连,说明大佛洞洞穴系统发育期次之多,规模之大超于早期认知。

科考团队采集了重砂样品5件,其中洞内3件、地表样2件,为揭示洞内砾石来源和地下水运移途径提供了科学依据;采集岩石标本8件和草测地质剖面4条,以揭示南郑台原地区的天坑、洞穴发育的构造、岩性的控制作用,分析天坑洞穴的成因规律;采集宇生核素石英样品8件,以测定洞内石英的埋藏年龄和洞口石英沉积物的曝露年龄,推理洞穴发育时间和崩塌时间;采集洞穴石笋4根,分析了南郑地区末次冰期DO18事件的区域特殊性,是北半球驱动的特殊响应。

科考团队在伯牛坑投放荧光素钠示踪剂,并于大佛洞地下河出口、观音洞、白水洞、龙王庙洞进行了样品的接收,实验结果将揭示南郑台原地区洞穴系统的排泄途径和地下分水岭情况,为揭示岩溶洞穴、天坑发育提供又一有力证据。

此次科考在陕西最大溶洞大厅发现,地下分水岭成因揭示和天坑演化地貌背景研究等3个方面取得新成果。

——发现陕西最大的溶洞大厅。

2016年5月,第一次中国—捷克联合天坑科考队在汉中市南郑区小南海岩溶台原面西北侧干河沟村发现了天星岩。当时,对天星岩2个消水洞和天星岩漏斗的探测结果是,洞穴长度157米,认为这是一个季节性的消水洞。今年5月1日,科考队再次对消水洞进行勘查,发现150米深处的地下河峡谷,沿地下峡谷1.7千米后,在丁字洞道交叉处发现主洞道,主洞道高大宽敞,沿主洞道行进3.5千米后,发现了长300余米、宽100米的溶洞大厅,而且主洞道仍在延伸。科考团队根据区域地质情况推测,这可能是陕西最大的洞穴大厅。

岩溶所副所长蒋忠诚指出,一般在岩溶发育条件非常好的热带及亚热带低纬度地区才有洞穴大厅。此次发现的长300米长、宽100米的洞穴大厅,相当于十几个足球场的大小,这在亚热带和温带交界地区是少见的。这说明,这里的岩溶发育程度、岩溶动力条件非常好。

——揭示分水岭成因。

在天星岩探测过程中,科考队发现,洞穴走向完成了一个360度的大拐弯,最后向西北侧的白水洞排泄;而在同纬度的小南海岩溶台原面东北侧却是小南海地下河出口。二者间地下分水岭在哪里?岩溶所教授级高级工程师吕勇在经过仔细踏勘后认为,导致天星岩地下河和小南海地下河分水岭的原因是宽缓褶皱的背斜部位,更重要的是石灰岩众多硅质条带夹层的隔水作用。这个认识也解释了天星岩洞道东侧硅质条带上发育的众多瀑布的机理。

——天坑演化地貌背景研究新认识。

过去在进行天坑演化历史的研究中,关注更多的是洞穴沉积物埋藏年龄研究,寻找洞穴古河流堆积物中的石英颗粒。而此次对大佛洞对岸罗汉洞的古地下河沉积物中石英颗粒的研究,转变为对石英暴露年龄的研究,这样一来,就从单纯洞穴演化历史的研究转变为对整个区域环境演化的研究。

今后,岩溶所将在中国地质调查局的指导下,以及陕西省地质调查院的支持和配合下,继续加大投入开展《陕中南岩溶区水文地质环境地质调查》项目,用科学数据证实汉中天坑群的科学价值,进而提升岩溶地貌学、岩溶水文地质学的社会应用价值。

 

汉中洞穴探险记

张远海

 

4月底,汉中的雨季尚未完全到来,虽然小南海岩溶台原面龙头山上还残留皑皑白雪,但气候业已回暖,鲜花盛开,正是洞穴调查探险的好季节。我们与来自捷克科学院地质所和捷克洞穴协会的探险家们一起,再次赶赴汉中,开展天坑群联合可科学考察。

洞里淘砂

龙洞,位于小南海台原面中东部,是个出水洞穴。5月5日,我们于午后从小南海镇出发前往龙洞。

车停于洞口下方,我们带上安全帽和头灯,攀援而上。洞口凉风徐徐而来,洞底溪流叮当而出。在入洞50米许,中国地质调查局岩溶所的区域地质调查专家吕勇找到一处回水区,正好是沙砾堆积之处。按照吕勇的指导,我在下游堆一小坝,蓄水淘砂。

淘砂是为了进行重砂分析,寻找它的地表源头。重砂是相对密度较大、物理和化学性质比较稳定的矿物,因其相对密度较大、呈砂状,故名重砂。根据重砂的矿物组合,进行物源识别,从而判定物源方向和物源区的大致位置。

吕勇熟练地利用淘砂盆的角度首先将黏土淘洗出去,然后将大颗粒的砾石扔掉,很多遍之后,黑色的粉末状物质浮现出来。这就是重砂。后来我们又在溪流上游、洞穴深处又淘了两处重砂样,差不多1千克,装入塑料袋中,编上号,大功告成。

接着,我们赶往大佛洞淘砂。大佛洞在1970年代是兵工厂所在地,如今被开发为旅游洞穴。因为做过工厂,洞中沉积物大部分已荡然无存。因此,寻找样品只能在洞穴深处和洞道高处。

下午的时间所剩不多,我们分为两组分头行动。在距离大佛洞洞口200米东南侧上方、60~70米高处为古佛洞上层洞,2016年在探险过程中发现洞道一侧有古地下河水文边槽,边槽内有古地下河的沙砾堆积。从下层洞到上层的道路为30~40厘米宽的步道,甚是险峻。好在,2016年留下的绳索还在。我抓住绳索,绕右手腕一圈,一步一绕,匍匐上行。步道顶端为乱石堆,越过乱石堆,才至边槽平台。很快采满了一大袋样品,然后背负下洞。

比起上坡,因为负重,脚底反而更稳,加上绳索护身,倒也不觉艰难。

山中寻宝

淘砂只能确定洞内的堆积物从何处来,无法确定沙砾堆积什么时候进入洞穴。要确定沙砾进入洞穴的时间,还要寻找更好的“宝贝”——沙砾堆积物中的石英。

5月6日清晨,我们从小南海镇出发,到罗汉洞寻找石英。

与我一同展开寻宝之旅的是陕西省地质调查院教授级高级工程师张俊良。出发之前,老乡告诉我们寻着养蜂人的小道可以方便地找到洞口。

到达山边,果然看到了一条小道,但并不是养蜂人的羊肠小道。往山上望去,坡度60度以上不仅有浮土,更危险的是碎石,甚至大块石。一旦滚落山下,可能危及谷底的寺庙和香客。

我们小心翼翼地尽量寻着基岩裸露的谷坡上行。上到一半,幸运地在毛竹林中找到了养蜂人的“之”字形小道。从小道穿过竹林,终于可以一窥洞口的风貌,却发现此洞口好像不是与大佛洞相对应的洞口。带着疑问,张俊良给同伴打电话,同时挥舞手中的强光手电,让同伴看看我们所站的位置是否是大佛洞正对的洞口。果不其然,同伴告知,大佛洞正对的洞口在我们所在洞口的右侧。从我们所在的位置向右望去,完全是悬崖峭壁。借助藤蔓的保护,我们决定翻越峭壁。

抓住藤蔓,我们不敢上望,也不敢往下看,每移动一下,都思考数分钟,生怕意外发生。但越是小心,越出问题。有时藤蔓挂住背包的带子,有时缠住背包里露出的鎯头手柄,令人进退不得。只好一只手抓住藤蔓,腾出另一只手解开藤蔓,再继续前行。

越过陡崖,终于到达另一个山坳,洞口就在陡坡上方50米左右的位置。比起峭壁,陡坡因为有许多松动的块石而更难攀援。我跪在陡坡上,寻找着可依附之物,或树根,或兰草,或藤蔓,好不容易上升了20多米,人已气喘吁吁。又前行了20余米,宽大的洞口已近在咫尺。

仔细环视洞口,洞口呈岩屋状,宽50米左右,洞高15~20米,大洞口西侧还有一个小洞,洞口宽3米,洞高2米,洞深5米多,洞壁四周全是石英沙砾沉积,而且沙砾沉积表现明显的韵律层理,粗砂——较大的卵石和砂——细砂——黏土,如此循环反复。

张俊良和我,一边讨论砂砾石形成的地质背景,一边测定砂砾石沉积剖面。我从上至下、从左到右依次取样;张俊良则采集10厘米以上的花岗岩砾石样和砂卵石样,回去左切片样,这样做物源分析更有效果。我采集了大约40多斤的样品,背负下山。

坑底寻洞

天星岩,是小南海台原面西北侧的一个天坑,于2016年中国—捷克联合科考探险时发现。

天星岩天坑坑口直径和深度都接近百米,上部是天坑洞口,底部为一条季节性的消水洞。消水洞平时为干洞,下雨的时候,水会充盈溪沟,满灌洞口。

在消水洞西北方向大约2公里是地下河出口——白水洞;而在消水洞东北方向约3公里也是地下河出口——小南海观音洞。那么,消水洞的水究竟流向何处?为了确定地下水的流向,探险队决定再次对天星岩地下洞穴进行探测。

前三天,主要是安装单绳系统。探测从第四天开始进行。

最开始探测数据显示,洞道往东南延伸,于是大家判断洞道往伯牛坑方向延伸,可能与伯牛坑相连。次日,探测数据显示洞道又转向东北方向,于是大家又推断,洞道往西沟洞方向延伸,可能与西沟洞相通。再探测的数据又显示东南向延伸,大家的推断又回到伯牛坑。每天科考回来,无论多晚,我们都要将数据输入电脑,看看洞道的延伸方向。直到第7日探测,探险队发现了一条宽30米、高50米以上的大洞穴,才明白以前探测的不过是天星岩洞穴系统的一个小支洞。

我是最后一天参加科考的,随行的除了捷克的扬·斯洛特克三人团队外,还有汉中洞穴科考爱好者李辉和余欣。

我们从路边下到季节性河道,然后顺河道走向天坑,首先是个30米的陡坎,然后横向30米,进入第二个40米陡坎,之后一小段横移,下第三个30米陡坎到地下河床。这三个陡坎,正好验证了天星岩天坑的演化历史阶段,从内往外随着河水侵蚀下切,裂点不断后退形成陡坎。

到达地下河床后,洞底并非水平,也是一段一段的小陡坎和跌水、水潭。为了探测安全和方便,探险队安装了多种类型的绳索系统,从辅助的绳结式或扁带式攀登,到独木桥式跨越,锚点贴壁横移、悬空横移,甚至绳索桥,绳索桥和保护绳配套的横移,应有尽有。

3个半小时后,我们终于抵达主洞和支洞交叉的“T”大厅。借助强光手电的光,我们初步估计大厅底的面积有1万平方米左右。我仔细观察洞道形态,主洞完全不同于支洞清晰的溶蚀沟槽、窝穴、流痕等丰富的微形态,主洞洞壁则式清晰可见、深浅相间的微倾斜岩层;与支洞洞底丰富的卵石堆积不同,主洞洞底大部分为黏土堆积和崩塌块石,局部可见河床卵石;与支洞峡谷状洞道不同,主洞洞道为大型廊道状,厅堂状洞道;与支洞倾斜洞底和众多跌水不同,主洞洞底则总体起伏不大,但洞道一侧总是伴随大量的崩塌体和黏土堆积形成的高坡;与支洞地下河占据整个洞底并伴随众多水潭不同,主洞地下河仅在洞道一侧流淌,或左或右,流量为支洞地下河的5倍左右。

我们在洞道高处寻找古地下河沉积物堆积,看看是否能发现石英颗粒。很遗憾,大部分堆积体为黏土,即使发现卵石,其成分大部分为灰岩,个别为砂岩和硅质岩(燧石),没有发现石英颗粒。

我们前行了一段距离,在采集两个重砂样后,算一算返回时间,决定先行撤离。经过连续4个半小时的艰难攀行,才看到洞口透进来微弱的光。

(作者单位:中国地质调查局岩溶地质研究所)

延伸阅读

中捷科学家汉中探险

■ 2016年5月19日~5月31日

中国地质调查局岩溶地质研究所通过国土资源部,邀请以捷克科学院地质研究所副所长迈克·菲利皮博士为领队的捷克科学院岩溶洞穴科学考察队,在陕西汉中南郑县开展了第一次岩溶洞穴科考合作,证实在陕西省汉中市南郑县小南海镇台原上存在天坑,并对其地下河进行了初步勘查。这是首次在我国热带—亚热带岩溶区最北界发现的天坑地质奇观。

随后,岩溶所与中国地质环境监测院、陕西省地质调查院开展密切合作,将天坑理论系统引入地质调查工作,在整个米仓山岩溶台原面展开天坑岩溶地质遗迹调查,更多天坑不断被发现。

■ 2016年10月20日~11月1日

岩溶所组织第二次中国—捷克岩溶洞穴科学考察,对宁强县地洞河地下河系统进入探测,探测长度12千米,为我国北亚热带及其以北最长洞穴。这次科考初步确定地洞河天坑发育的水文地质背景和发育特征方面的独特性;与此同时,组织国内洞穴科考爱好者对镇巴县圈子崖、天玄坑及其附近溶洞进行探测,并对天坑形态进行了系统探测。

■ 2017年4月30日~5月12日

岩溶所组织第三次中国—捷克岩溶洞穴科学考察,对镇巴县风洞系统进行初步探测。

根据以上调查成果,并通过对全球天坑进行对比分析,科考团队确定汉中小南海天坑群和我国西南大石围天坑群为各具特色的两种演化模式,即大石围外源水穿越型岩溶天坑演化模式和小南海内源水窗式岩溶天坑演化模式,同时将天坑类型确定为溶蚀性崩塌天坑和侵蚀性崩塌天坑两种类型。

同时,岩溶所与陕西地质调查院开展合作,确定汉中天坑群的国际地位:汉中天坑群成群出现,数量众多,迄今发现4个天坑群54个天坑,集中分布于陕西汉中4个台原面,占据全球天坑总数的近1/4,举足轻重;汉中天坑群是内源水窗式岩溶天坑演化模式的典型范例。汉中天坑群是全球发育在岩溶台原上的最大天坑群,也是我国北亚热带最大的天坑群。