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1、皖北宿州地区岩溶地貌分类及其发育规律安徽农业科学,JournalofAnhuiA.Sci.2011,39(27):1690916912责任编辑朱淼责任校对况玲玲皖北宿州地区岩溶地貌分类及其发育规律马艳平,陈松(宿州学院地球科学与工程学院,安徽宿州234000)摘要宿州地区在地貌上为淮北平原的低山丘陵区,碳酸盐岩分布广泛,岩溶作用普遍发育,岩溶地貌景观构成了基岩出露区的主要地貌形态.通过野外地质调查,依据岩溶的组合形态和个体形态特征,将皖北宿州地区岩溶地貌类型划分为宏观地貌景观和微观溶蚀形态两大类.宏观地貌景现有常态山,干谷和干沟,岩溶泉,溶洞等,微观溶蚀形态有溶坑,溶孔,溶痕,溶隙,石芽和溶沟
2、等.该区岩溶地貌的分布,发育程度和规模受气候,岩石类型,构造,地形等因素的控制,可以作为北方岩溶的典型代表.关键词岩溶地貌;分类;发育规律;北方岩溶;皖北中图分类号P931.5;P588.2文献标识码A文章编号0517661l(2011)271690904ClassificationandDevelopmentLawsofKarstLandforminSuzhouArea.NorthernAnhuiProvinceMAYan-pingetal(SchoolofEarthSciencesandEngineering,SuzhouCollege,Suzhou,Anhui234000)Abstrac
3、tSuzhouareainNorthAnhuiProvinceisalowlyinghillyareaontheHuaibeiP1ainwherecarbonaterocksandkarstificationarewidelydistributed,andkarstlandscapesformmainareasofthebedrockoutcrops.Throughfieldinvestigation,karstlandscapesinthestudyateaweredividedintotwocategoriesbasedontheirmorphologicalcharacteristics
4、.Oneismacrolandscape,includingnormalhills,dryvalley,karstspringandcave.Theotherismicro?landscape,includingcorrosionpits,dissolvedpores,dissolutiontraces,corrosioncracks,clintsandkarrens.Distribution,developmentandscaleofkarstlandscapeswerecontrolledbyclimate,rocktype,structure.topographyandotherfact
5、ors.ItwassuggestedthatkarstlandscapesiI1thestudyareacouldI)eusedasarepresentativeofkarstinNoahChina.KeywordsKarstlandform;Classification:Developmentlaws:KarstinNorthChina:NorthAnhujProvince岩溶是岩溶作用及其所产生的水文现象和地貌现象的统称.岩溶的发育受岩性,气候,构造运动等条件的影响和制约.现存的岩溶地貌形态是岩溶作用发育,演化过程中现阶段地表形态的呈现,是动态演化过程中的瞬间形态.研究岩溶地貌空间发育规律
6、,对于岩溶发育地区的环境保护,农业生产,1二程建设等具有重要意义.另外,一些重要的风景名胜的形成,观赏奇石的产出,都与岩溶作用密切相关.皖北宿州地区在地貌上为淮北平原的低山丘陵区,该区出露的主要岩石类型有微晶灰岩,白云质灰岩,叠层石灰岩,砂质灰岩,泥灰岩,灰质白云岩,白云岩,钙质页岩等.由于碳酸盐岩分布广泛,且在地质演化过程中经历了多次构造运动,裂隙,节理比较发育,因而岩溶作用和岩溶地貌景观在该区普遍发育,构成了基岩出露区的主要地貌形态.另外,该区灵璧石(我国四大观赏石之一)的产出和分布与该区岩溶作用发育和岩溶地貌类型具有密切的联系.近年来,围绕灵璧石形成的地质条件,岩石学特征,成因等问题开展
7、了较多研究工作.但是,针对该区岩溶地貌分类及其发育规律的研究工作尚未见报道.该研究拟在系统的野外地质调查基础上,对该区的岩溶地貌发育特征和类型进行初步研究,并尝试探讨其发育规律和控制因素.1区域概况皖北宿州地区地处黄淮平原,属暧温带半湿润大陆性季风气候,多年平均气温1415,多年平均降水量约869ITl/n,主要雨季集中在68月.区内河流属淮河流域,自西北向东南流人淮河和洪泽湖.该区在地形上为低山丘陵分布区,地势由西北向东南倾斜.山脉走向呈北北东向,与构造线基本一致,海拔多在100300m,大顶山为该区最高峰,基金项目作者简介收稿日期宿州学院硕士科研启动基金项目资助(2009YSS05).马艳
8、平(1973一),女,河北遵化人,讲师,硕士,从事环境地质,构造地质研究,Email:ahmyp163.corn.201l-0616海拔389m,山丘植被较少.第四系分布广泛,在低山丘陵区厚度一般小于100m.在大地构造位置上,该区位于华北板块东南缘,属华北地台的鲁西隆起南段.该区出露的地层主要有震旦系,寒武系及奥陶系地层,为浅海相碳酸盐建造夹陆源碎屑岩建造(图1).图1宿州地区地质及岩溶地貌Fig.1GeomorphologicandkarstlandformofSuzhouare8区内地下水主要是松散岩类孔隙水和碳酸岩类裂隙溶洞水.孔隙水主要分布在山间盆地,山前冲积斜地和平原地区,潜水埋藏
9、深度一般小于10m,主要接受大气降水和地表水的补给,以蒸发为主要排泄方式.基岩分布区主要为裂隙溶洞水,溶隙,溶沟和小型溶洞的深度一般小于50m,径流方向与山坡坡向基本相同,在地势低洼处或遇阻溢出成泉.2岩溶地貌类型岩溶地貌形态是岩溶发育区不同的自然条件和控制因素的反映.根据研究区岩溶地貌发育特点,依据岩溶的组合形态和个体形态特征,将研究区岩溶地貌类型划分为宏观地貌景观,微观溶蚀形态两大类.宏观地貌景观是岩溶分布的整个区域自然形态;微观溶蚀形态主要指碳酸盐岩层表面能够肉眼观察的岩溶现象,其溶蚀形态观察范围为几米到几厘米,甚至几毫米.每一大类再根据具体形态分为多个小类.16910安徽农业科学主要岩
10、溶地貌类型的空间分布特点见图1.2.1宏观地貌景观2.1.1常态山.该区大部分山脉走向受褶皱,断裂等构造控制,岩层产状平缓,有舒缓波状的山脊线.受岩性硬度差异和后期剥蚀的影响,山体多为单斜山,有的呈阶梯状,帽子状,山前为波状溶丘.2.1.2干谷和干沟.受构造和岩性影响长期溶蚀形成的沟谷,多沿断裂带发育,两边为波状溶丘,平时干枯,仅在雨季才有短暂洪流,地下径流丰富,在某些部位发育溶洞和岩溶泉.2.1.3岩溶泉.区内岩溶泉比较发育.泉水天然流量一般为43.286.4m/d,水质良好,矿化度低,多为重碳酸钙水.泉的性质多属溢流泉,受岩溶含水岩组与相邻隔水层接触带或断裂构造控制.2.1.4溶洞.洞穴可
11、分为2种不同形态:一种为大溶洞,一般呈廊道式或厅堂式,洞内发育石钟乳,石柱,石幔等,多为古老溶洞,受阶段性的构造抬升,分布在石灰岩山体不同海拔位置,如位于夹沟镇的大五柳溶洞.另一种为形态较小的溶洞,广泛分布于石灰岩中,沿裂隙发育,洞体大小仅能容1人左右,多分布在山麓和沟谷地带,由第四纪以来的溶蚀一侵蚀作用形成,部分被第四系沉积物充填.2.2细观溶蚀形态2.2.1溶坑.溶坑是由于降雨形成的地表流水的溶蚀和侵蚀作用,再加上生物的作用,在碳酸盐岩石表面形成形态不规则的凹坑.溶坑一般较浅,深约几毫米到一两厘米,大小不一,直径为几毫米至一厘米.纯碳酸盐岩表面溶坑发育较光滑,而在非纯碳盐岩表面溶蚀坑比较粗
12、糙(图2a).2.2.2溶孔.岩溶水沿碳酸盐岩表面裂隙渗入,在运动的过程中对岩石进行溶蚀和冲蚀,形成微小溶洞.洞口直径约几厘米至十几厘米,深度有十几到几十厘米.区内溶孔广泛分布在产状比较平缓的纯碳酸盐岩层及岩溶角砾岩中,有的溶孔与土层相连接或充填了沉积物而有植物生长(图2b).2.2.3溶痕.由于碳酸盐岩内部成分差异,地表水沿岩层表面裂隙进行溶蚀,形成微小而浅的溶蚀痕迹.宽仅几毫米至几厘米,长几厘米,深只有几毫米至l厘米.有的排列呈平行长条状,有的分布在溶坑周围呈放射状,有的呈刀砍状(图2C).2.2.4溶隙.地表水沿碳酸盐岩的节理裂隙或层间裂隙运动,不断对裂隙四周进行溶蚀和冲蚀,从而使裂隙不
13、断扩大形成溶隙(图2d).岩溶裂隙的发育使层状岩石被切割成规模不等的块体,块体表面发育有石芽和溶沟.2.2.5石芽和溶沟.地表水沿碳酸盐岩节理裂隙流动,溶蚀和侵蚀出许多凹槽,沟槽间的突起就是石芽(图2e,2f).溶沟宽一般为十几厘米至几十厘米,深为几厘米至几十厘米,长度不等.石芽和溶沟的走向明显受裂隙控制,有的呈x型纵横交错成网格状排列.区内石芽一般发育于产状平缓,褶曲两翼地形起伏不大,岩层顺坡倾斜的地区.大部分出露于第四纪与基岩的交界带,部分在山麓地带被第四纪覆盖.从山坡上部到下部,由全裸露石芽过渡为半裸露石芽,乃至全埋藏石芽.第四纪覆盖层厚度0.55.0m,厚度大小取决于距离山坡的远近.注
14、:a为溶坑(萧县皇藏峪).b为溶孑L(夹沟镇唐山子);c为溶痕(灵璧县白马山);d为溶隙(夹沟镇八山);e为石芽和溶沟(解集镇二龙山);f为石芽(解集镇二龙山).Note:a.corrosionpits,takeninHuangcangyu,XiaoxianCounty;b.dissolutionpores,takeninTangshanzi,JiagouTown;c.dissolutiontraces,takeninBaimashan,LingbiCounty;d.corrosioncracks,takeninBashan,JiagouTown;e.clintsandkarrens,take
15、ninErlongshan,XiejiTown;f.dints,takeninErlongshan,X.ejiTown.图2细观溶蚀形态Fig.2Fiddobservationofmicrocorrosionlandscapes3岩溶地貌空间发育规律及制约因素我国北方岩溶发育的总体特征与南方相似,但发育强度和类型有很大差别.皖北宿州地区的岩溶地貌规模在岩性,构造,气候等多种因素的相互作用下,在地表空间结构39卷27期马艳平等皖北宿州地区岩溶地貌分类及其发育规律16911方面表现出一定的规律性,反映了某一相对时段内岩溶地貌的发展演化规律,可以作为北方岩溶发育的典型代表.3.1地形因素不同的地貌部
16、位具有不同的岩溶作用发育特点,岩溶地貌的分布与地形特征有非常重要的关系.该区微观岩溶地貌形态,如溶沟,石芽等主要发育在缓起伏的丘陵,坡麓,岩层顺坡倾斜的缓坡等地带.这些地带的地形起伏不大,有利于风化物质的堆积和土壤的形成.同时,缓坡地形又使覆盖层不致于堆积过厚,有利于岩土接触带地下水的水平流动.另外,松散沉积物盖层岩性主要为上更新统残坡积的棕红,棕黄色粉质黏土,层黏性强,柱状节理发育,有利于地表水转化成为地下水.再加上农作物和其他生物的作用,有机质丰富,地下水CO:含量高,非常有利于岩溶作用的进行.因此,这样的地貌部位常形成强烈溶蚀带,不但石芽和溶沟非常发育,而且存在深部岩溶,沿沟谷部位还发育
17、有溶洞和岩溶泉等.但是在陡峻的山坡部位岩溶作用表现为常态山,干谷和干沟,在裸露的岩石表面发育溶坑,溶痕,溶隙等微地貌,典型的石芽和溶沟则少见.岩溶泉和溶洞则主要受断裂构造和岩性控制,多分布在山区沟谷部位.3.2岩石类型因素该区出露的碳酸盐岩主要为震旦系和寒武系的灰岩,砂质灰岩,白云质灰岩等,且以中厚层沉积和薄层沉积交互出现为主要特征.一般来说,质纯的石灰岩容易发育成为规模较大的溶洞,石芽,溶沟等岩溶地貌,而砂质灰岩中岩溶发育较弱.例如,该区以薄层一中厚层灰黑色微晶灰岩为主的震旦系赵圩组,倪园组,九顶山组及张渠组等地层,在垂直方向上由地表向地下发育了多层石芽,形成了着名的灵璧奇石,其岩石主要组分
18、为微晶方解石.在显微镜下观察,微晶方解石含量占98%以上,粒度一般为0.010.02Bin,半自形,密集镶嵌分布.化学组成上具有高CaO含量(最高55.75%),低MgO含量(最低0.17%).其他氧化物如SiO,Fe:0A10K:0,Na20等含量较低,均小于1%,表明其为较纯净的石灰岩(表1).可见,易于溶蚀的纯石灰岩有利于岩溶地貌发育,另外,薄层一中厚层灰岩的层间风化有利于地下水的运移,加快了溶蚀速度,也加大了溶蚀深度.表1震旦系微晶灰岩的主量元素分析结果Table1MajorelementsofmicriteoftheSiniansystem%注:样品主量元素成分在南京大学现代分析中心
19、用ARL9800XP+型XRF测定,分析精度高于2%.Note:MajorelementsofsamplesaremeasuredbyARL9800XP+XRFintheModemAnalysisCenterofNanjingUniversity,andtheanalysisprecisionishigh-erthan2%.3.3构造因素该区在构造上主要受控于中生代扬子板块与华北板块碰撞所导致的北西向挤压作用.构造布局大致以时窑背斜西部为界分为两个部分:西部包括逆冲推覆系统的锋带,中带和根带,以一系列复杂的断层为特征;东部为逆冲推覆系统的后缘带,以走向为近北东的宽缓褶皱为特征,包括时窑背斜,黑
20、峰岭向斜,时村背斜,九顶山向斜,渔沟背斜等川(图3).受这一构造展布的影响,该区形成了山丘一平原相间的布局,低山和丘陵周边普遍被第四纪地层覆盖.山丘形态以与构造线走向基本一致的常态山为主.在宽缓褶皱的翼部,如山脚下坡地,坡台地等部位,地层产状较为平缓,地表石芽和地下被第四纪覆盖的石芽均非常发育.4结论(1)该区岩溶作用面积广,形成了多种岩溶地貌类型,可以划分为常态山,干谷和干沟,岩溶泉,溶洞等宏观地貌景观,以及溶坑,溶孔,溶痕,溶隙,石芽和溶沟等细观溶蚀形态.在北方气候条件下,其岩溶地貌发育的程度和规模均十分可观,可以作为北方岩溶的典型代表.(2)该区岩溶地貌的形成主要受岩石类型,构造,地形等
21、因素的控制.大面积碳酸盐岩的出露,为岩溶地貌发育提供图3宿州地区构造纲要Fig.3ModifiedtectonicmapofSuzhouareall了物质基础;区域构造限制了岩溶地貌的空间分布,地形条件则控制了岩溶地貌的发育程度.(3)该区除地表岩溶较发育外,第四系之下未出露的震旦系,寒武系以及奥陶系地层中的碳酸盐岩层中,亦应发育强烈的溶蚀层.深部岩溶问题对该区地下水资源利用,煤矿安全生产的研究价值还有待进一步研究.参考文献1宋林华.喀斯特地貌研究进展与趋势J.地理科学进展,2000,19(3):16912安徽农业科学193202.2郑学信,刘永,周栗.灵璧石的研究J.安徽地质,1996,6(
22、1):5862.3谷丰,孙凤贤.灵璧石形成的地质环境及其主要地质特征研究J.安徽师范大学:自然科学版,2O08,31(4):376380:4孙林华,桂和荣,贺振字.皖北灵璧地区新元古代灰岩的稀土元素特征【J.稀土,2010,32(6):3240.5乔丛林,史明礼,苏娅,等.淮北平原地区水文特征J.水文,2000,20(30):55-58.6王桂梁,姜波,曹代勇,等.徐州一宿州弧形双冲一叠瓦扇逆冲断层系统J.地质,1998,72(3):228236.7马艳平,王顶立,徐国伟,等.安徽宿州皇藏峪地区地质遗迹资源评价与开发J.中国煤炭地质,2008,20(8):263o.8金权,王晓明,魏继东.安徽
23、北部岩溶泉分布规律及缺水山区找水方向J.中国岩溶,1989,8(4):311318.9李刚,吴元芳.北方岩溶山区地下水富集特点及开发对策一以枣庄市山亭区为例J.内蒙古师范大学:自然科学(汉文)版,2003,32(3):281285.10张n口桂.河谷斜坡带泥灰质岩石区地貌对岩溶的控制机理以三峡地区为fjJ.吉林大学:地球科学版,2OO4,34(3):415419.11金维浚,王桂梁,周治安.徐州一宿州地区滑脱构造的形成机制J.中国区域地质,1997,16(3):283290.(上接第16828页)时由于第2季度降雨量比较大,周期变化比较集中,第2季度又以7年为一个大周期;第3季度降雨量是以3年
24、左右为变化周期的,且各年份变化很大;不同于上2个季度的变化,第3季度小波分析没有大周期的变化,各年份变化不规律;第4季度的周期性很不明显,大多数年份是以46年为周期,但各年份变化比较大.同时,从图2中还可以发现,桂林市区总降雨量是以15年左右为变化周期的,且其各年份变化并不明显;而降雨量主要集中在19002300nMTI,但每23年又是一个小周期.藿三趸曙世年份Year图119572007年桂林总降雨量分析Fig.1AnalysisonthetotalrainfallinGuilinduring1957-20073.2.塞l.5,Ilifj一,一,厂,I,|jtiIi/川210l8263442
25、5O时问Time年图219572007年桂林市区总降雨量小波分析Fig.2WaveletanalysisoftotalrainfallinGuilinduring1957-211072.3桂林降雨的突变分析虽然由趋势分析可知19572007年桂林市区降雨基本没有变化,但在个别年份还是有突变情况发生,通过突变情况的分析,可以研究突变年份的气候变化情况.由图3可见,19572007年桂林市区总降雨量变化不大,仅在1959年发生突变.而通过用MannKendall非参数统计检验法对桂林市区4个季度的降雨量分别进行分析可以发现,51年桂林市区降雨量第1季度在1980年发生突变;第2季度近几年的变化比较
26、大,突变比较多,第2,第3季度的突变情况变化比较多,其中以近10年变化最为明显,可能是被全球气候变化所影响;第4季度降雨量没有发生突变.l委毛嘲萎_l_2-30lO20304O5O60时间Time牟图319572007年桂林市区总降雨量突变年份Fig.3AbruptvariationyearoftotalrainfallinGuilinduring195720073结论与讨论51年来桂林市区降雨量存在上升趋势,第1,第2,第3季度除个别年份变化稍大外,其余年份变化均大体相同,第4季度却有减少的趋势,且各年份变化较为明显,说明近些年的气候变化中,冬季的降雨量变化很不稳定,同时有越来越少的趋势;但
27、整体来讲,桂林市区总降雨量变化不明显,但伴有上升趋势,说明51年来桂林市区气候变化不甚明显.小波分析表明,桂林市区降雨量变化以15年为一个周期,以23年为一个小周期,而桂林市区降雨量变化与太阳黑子的变化周期l1年相近,故可推断出桂林市区降雨可能是由太阳黑子以及桂林市区所处的亚热带季候区影响;而桂林市区降雨量的23年小周期很可能是受南方涛动影响.MannKendall非参数统计检验表明,51年来桂林市区总降雨量的突变情况并不明显,但第2,第3季度的突变情况变化比较多,其中以近10年变化最为明显,可能是由于全球气候变化影响.参考文献1杨超梅.广西东南部近36年气温变化特征分析J.广西气象,1997,l8(2):3840.2孙卫国,程炳岩.河南省近5o年来旱涝变化的多时间尺度分析J.南京气象学院,2OOO,12(4):1415.3郑显,张闻胜.基于小波变换的水文序列的近似周期检测法J.水文,1999(8):3133.4叶水庭,施鑫源.地下水水文学M.南京:河海大学出版社,1991.5王文圣,丁晶,李跃清.水文小波分析M.北京:化学工业出版社,2005.6刘晓安.基于小波分析的年最大径流预测方法J.中国农村水利水电,2oo6(2):58.7张学成,王玲,高贵成,等.黄河流域降雨径流关系动态分析J.水利水电技术.2001(8):3132.
