山西寧武冰洞國家地質公園典型地質遺跡資源及科學意義

方世明, 郭 旭, 鄭 斌, 閻世龍, 孫占亮

1)中國地質大學(武漢)資源學院, 湖北武漢 430074;

2)山西省地質調查院, 山西太原 030006

山西寧武冰洞國家地質公園典型地質遺跡資源及科學意義

方世明1), 郭 旭1), 鄭 斌1), 閻世龍2), 孫占亮2)

1)中國地質大學(武漢)資源學院, 湖北武漢 430074;

2)山西省地質調查院, 山西太原 030006

所謂冰洞是指全年365天都存在冰的洞, 是一種極神秘的洞穴旅游資源。目前國內發(fā)現的冰洞只有10多處, 其中山西寧武冰洞冰量最大, 形態(tài)最好, 冰花種類最多, 是一處十分珍貴的地質遺跡資源。本文在對寧武冰洞國家地質公園進行總體介紹基礎上, 對公園范圍內發(fā)育的地質遺跡資源進行歸納總結并分類,然后對寧武冰洞這一典型而獨具特色的地質遺跡資源從地質地貌特點、冰洞發(fā)育及成因進行歸納探討, 并對國內外目前所發(fā)現的10多個冰洞進行比較, 指出寧武冰洞是現在世界上已知在中緯度中高山地區(qū)保存最好,規(guī)模最大, 冰體最多并可直接見到地質時期存有古冰的冰洞, 是一種非常特殊的、罕見的、脆弱的、不可再生的地質遺跡資源。

寧武冰洞; 國家地質公園; 地質遺跡

1 寧武冰洞國家地質公園概況

地質遺跡是在地球演化的漫長地質歷史時期,由于各種內外動力地質作用, 形成、發(fā)展并遺留下來的珍貴的、不可再生的自然遺產, 地質公園建設是對地質遺跡進行可持續(xù)開發(fā)利用的最好方式。到目前為止, 我國已批準建立了 183處國家地質公園, 22處世界地質公園, 其中世界地質公園的數量占64個世界地質公園網絡成員約 35%。可以說, 我國地質公園建設力度和水平處于世界的領先水平(方世明, 2008; 陳英玉, 2009; 龔明權, 2009; 趙汀, 2009;趙遜, 2009)。

寧武冰洞國家地質公園是由國土資源部 2005年批準的第四批國家地質公園, 位于山西省寧武縣境內, 屬山西省忻州市轄區(qū)范圍(圖1)。主要包括寧武縣東寨鎮(zhèn)、西馬坊鄉(xiāng)、化北屯鄉(xiāng)、東馬坊鄉(xiāng)、余莊鄉(xiāng)和管涔山森林經營局管轄的部分地區(qū)。公園面積為315.14 km2。現分為四大景區(qū): 冰洞景區(qū)、蘆芽山景區(qū)、高山湖群景區(qū)和寧化景區(qū)。

圖1 寧武冰洞國家地質公園研究區(qū)域的地理位置Fig. 1 Location of the study area of the Ningwu Ice Cave National Geopark in Shanxi Province

冰洞景區(qū)面積為83.7 km2, 距寧武縣城32 km。以中華一絕、世界奇觀的“冰洞”為龍頭, 以三晉母親河——汾河的發(fā)源地為龍尾, 包括冰洞、千年火山、地質博物館、花崗巖球形風化——象頂一品石、巖溶地貌、斷層張性裂開的峽谷地貌、地下泉水和冰臼地貌等地質遺跡資源。該景區(qū)還包括大量的人文景觀和自然景觀, 如古懸棺、懸崖棧道、小懸空寺、曉祖廟、懸空吊橋、懸崖古剎、懸空村、軍工洞、管涔林海、汾源閣、汾源博物館、雷鳴寺、仙人洞、情人谷、水母洞、大梁林海等。該景區(qū)為公園的核心景區(qū), 以冰洞地質遺跡為典型代表, 同時包括大量的人文旅游資源, 是一個人文旅游資源與地質旅游資源完美結合的景區(qū)。

蘆芽山景區(qū)面積約133.78 km2, 位于“蘆芽山國家級自然保護區(qū)”的核心區(qū)。該景區(qū)以冰川遺跡為主, 在蘆芽山脈分布有多處冰川遺跡, 蘆芽山海拔2739 m, 由紫蘇石英二長巖組成, 長石斑晶達 2~5 cm, 可見輝綠巖脈。該景區(qū)主要景觀有蘆芽山、小蘆芽山、馬侖草原、荷葉坪、達摩庵、情人谷、得爐石、大廟瀑布、北齊長城, 太子殿等。景區(qū)功能是自然觀光、地質旅游、人文觀光、林海沐浴、避暑度假等。

高山湖群景區(qū)面積 50.26 km2, 位于余莊鄉(xiāng)境內, 平均海拔1954 m。為第四紀冰川湖泊——天池群, 景區(qū)主要景觀有馬營海、琵琶海、鴨子海、老師傅海、公海、暖海、海瀛寺、汾陽宮主殿遺址等。景區(qū)功能是自然觀光、地質旅游、避暑度假、人文觀光。

寧化景區(qū)面積47.4 km2, 位于距寧武縣城50 km的化北屯鄉(xiāng)與石家莊鄉(xiāng)境內。該景區(qū)名勝有開鑿于侏羅紀紫紅色砂巖中的引黃入晉出水口、萬佛洞、青龍山天花洞、回春谷、寧化古城、二疊系上統(tǒng)孫家溝組正層型剖面、三疊系下統(tǒng)劉家溝組正層型剖面、三疊系下統(tǒng)和尚溝組正層型剖面、三疊系中統(tǒng)二馬營組正層型剖面、侏羅系中統(tǒng)天池河組正層型剖面等。景區(qū)功能主要有人文觀光、地質旅游、歷史覽勝等。

2 寧武冰洞國家地質公園地質遺跡資源

公園區(qū)域地層屬華北地層區(qū)呂梁—太行山分區(qū)。區(qū)內出露地層比較齊全, 老自古太古界, 新至第四系, 其中寒武系和奧陶系是園區(qū)出露較廣泛的地層, 而且是形成主要地質景觀的基礎。園區(qū)涉及的范圍內, 可分為上、下兩個構造層。前寒武紀地槽型基底構造層, 構造線方向多為北東東向, 擠壓強烈, 褶皺呈緊密線型。園區(qū)內基本未見出露; 寒武紀以來上部地臺型構造層, 燕山運動以來受新華夏系、祁呂系前弧東翼的制約, 構造線方向多呈北北東向, 褶皺開闊, 并出現控制斷塊邊界的逆沖斷層,喜馬拉雅期發(fā)育地塹式正斷層組合。

在漫長的地質歷史中, 蘆芽山地區(qū)經歷了前寒武紀古大陸裂解和碰撞, 中新生代新華夏構造體系第三隆起帶形成, 新生代伸展抬升過程中產生汾渭大陸裂谷系等強烈的構造變動, 形成了一系列具有特殊科學意義、能夠代表整個華北地塊的區(qū)域地質發(fā)展史、并反映特定階段的地質事件和地質作用的地質遺跡。

根據《國家地質公園規(guī)劃修編技術要求》(2008)中地質遺跡類型劃分方案, 冰洞地質公園發(fā)育的地質遺跡景觀主要有以下類型: 地質剖面類、地質構造類、古生物類、礦物與礦床類、地貌景觀類、水體景觀類和環(huán)境地質遺跡類共 7類, 涵蓋所有的 7大地質遺跡類型(表1)。

表1 寧武冰洞國家地質公園地質遺跡資源分類表Table 1 The classification of geological heritage resources in the Ningwu Ice Cave National Geopark

3 典型地質遺跡資源——寧武冰洞

近年來新發(fā)現的寧武冰洞, 被國內地質、地理、巖溶、生態(tài)、環(huán)境、旅游等有關專家評價為當代世界奇跡。冰洞位于寧武縣東寨鎮(zhèn)麻地溝村東南約 2 km的公路旁, 地理坐標: 東經112°10′、北緯38°57′,洞口海拔2220 m。該洞是發(fā)育于奧陶紀灰?guī)r中的喀斯特洞穴, 第四紀冰川來臨前即已存在。洞中的冰體形成與第四紀冰川時期以來的嚴寒氣候有關, 在洞口周圍是綿延茂密的動云杉、落葉松林帶, 洞口上原有巨樹雜草遮蔽。冰洞一年四季冰層變化不大,愈往深處冰愈厚。

3.1 冰洞周邊地質地貌概況

管涔山屬呂梁山脈, 位于呂梁山脈的北段, 是貫穿山西境內的主要河流——汾河的發(fā)源地。其主峰蘆芽山海拔2736 m, 處于寧武、岢嵐、五寨等縣的交界處。其東南起伏的山崗為黃河與海河的分水嶺。它的北側, 是海河流域桑干河的源頭, 南側是黃河第二大支流汾河的源頭。

冰洞及周邊出露的地層較齊全, 自太古界至新生界地層均有分布。主要巖性有: 元古代巨斑狀紫蘇石英二長閃長巖, 寒武紀灰?guī)r、白云巖、頁巖,奧陶紀灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云質灰?guī)r等, 石炭—二疊紀砂頁巖含煤層, 三疊紀—侏羅紀長石砂巖、長石石英巖、砂頁巖、砂質泥巖及砂礫巖等(劉育燕, 2004); 第四紀早更新世冰磧、冰水堆積、冰川漂礫、冰緣堆積和中晚更新世黃土堆積、沖洪積及全新世湖積等。

組成冰洞的地層屬于奧陶系中統(tǒng)馬家溝組二段灰?guī)r、白云質灰?guī)r、薄層泥質白云巖及角礫狀灰?guī)r等。中上部為灰?guī)r、泥質灰?guī)r、白云質灰?guī)r、泥灰?guī)r、鈣質頁巖等; 下部為灰黃色、黃綠色角礫狀泥灰?guī)r、白云質泥灰?guī)r夾黃綠色鈣質頁巖、泥質灰?guī)r, 較穩(wěn)定,厚9~20 m, 可做為分段的標志層。本段厚74 m。

冰洞在構造位置上屬于張家崖傾伏背斜傾伏端的東側, 尖山-寺兒溝逆沖斷層的西側。冰洞及周邊巖石節(jié)理裂隙發(fā)育(孟憲剛, 2004)。

3.2 冰洞發(fā)育特點

自 1996年開始, 已部分開發(fā), 巖溶洞穴縱深100余米, 分上下 5層。開發(fā)的存冰洞體斜向縱深38 m, 洞內四周皆為冰柱、冰幔、冰掛、冰針、冰窗、冰瀑、冰簾、冰花、冰鐘、冰筍, 琳瓏剔透, 千奇百怪, 美不勝收(見圖版)。在一些永久冰中層理發(fā)育, 黑白相間, 單層厚幾十厘米到幾毫米, 并有波狀起伏的變化, 在冰層中如含有大量碎屑、腐植土泥炭和植物殘體則顯黑褐色, 如不含這些雜質, 則為棕灰色透明的冰層。而同一冰層, 也隨所處地貌部位和深度的變化, 發(fā)生傾斜和厚度變化。它的奇特在于以當地洞外氣候條件而論, 夏季平均溫度在10℃左右, 洞外碧草如茵, 鮮花開放, 根本構不成結冰的環(huán)境, 而洞內寒氣逼人, 冰層厚實, 洞溫一直保持在?4℃左右, 顯示出特殊的“負地熱異常”。更為奇特的是在距冰洞約 400多米的東面, 卻有地下自燃的煤層, 常年冒著濃煙由洞口飄出, 當地老鄉(xiāng)稱為火山口。

根據中國石油集團東方地球物理公司物化探事業(yè)部采用的高頻電磁測量方法(EH4), 得出冰洞洞體形態(tài)似“保齡球”狀特征, 上下窄, 寬約 10 m ,中部寬, 約20~30 m, 最大延深達85 m左右, 據洞深40 m實際調查及物探測量初步解釋結果表明, 冰體在洞深40 m以上僅有較多層狀冰體保存, 40 m以下冰體沿洞壁有較多分布。層狀冰的層理由深灰色泥質構成, 層厚多在數厘米左右, 冰層多呈透明狀,含氣泡少至極少, 且多呈垂直條帶或呈密集成層分布。有些層面具明顯融蝕、侵蝕痕跡, 說明層狀冰形成過程中年氣溫變化迅速的特征。冰層因受自身重力作用, 產生明顯蠕變褶皺和小型斷裂、垂直裂隙構造發(fā)育(孟憲剛, 2006)。

3.3 冰洞成因探討

由于寧武冰洞從發(fā)現到旅游開發(fā)才十多年時間,目前關于冰洞的科學研究不是很多, 公開發(fā)表的學術文章只有 3篇, 即中國地質科學院地質力學研究所孟憲剛和太原理工大學高蓮鳳等人對冰洞成因進行了初步探討, 但由于缺少對冰洞冰樣進行孢粉、C14等測年手段進行確切的年代分析, 因此目前對冰洞的成因只能基于相關文獻的綜合分析和實地考察得出。

高蓮鳳等認為寧武冰洞的形成是由巖溶作用和冰川作用以及環(huán)境因素共同作用的結果(高蓮鳳, 2005)。從冰洞所處位置分析該地區(qū)在地質時期曾經是巖溶發(fā)育區(qū), 并且經歷了溫暖潮濕的氣候作用,逐漸形成石灰?guī)r溶洞; 而且該地區(qū)曾經是山岳冰川發(fā)育區(qū), 在第四紀冰期及間冰期時大量的積雪、冰川融水甚至破碎冰塊堆積于洞中, 經過復雜的物理變化, 融化和重新凝結, 再加上大氣降水的不斷滲入, 在溶洞內形成各種形態(tài)冰物質, 于是便形成了冰洞。后來由于當地比較特殊的地形、氣候等自然地理環(huán)境因素, 冰洞得以繼續(xù)有效保存。

孟憲剛等根據實際調查認為寧武冰洞洞體的形成與冰臼形成相似, 不過由于基巖為灰?guī)r, 強度較小, 且裂隙發(fā)育, 有利于形成規(guī)模大的洞穴。并且把與冰臼形成相似的巨大垂直灰?guī)r基巖洞穴稱之為“洞冰臼”(孟憲剛, 2006)。依據萬年冰洞洞體和冰體特征, 結合冰洞周邊冰川作用的特點和氣候環(huán)境演化過程將冰體的形成和發(fā)展劃分為三個階段: 早更新世末冰緣期冰體形成階段、中晚更新世雨期、間雨期水平冰體形成階段和全新世冰后期冰體解體階段。

寧武冰洞在現有的地質地貌和自然地理條件下,冰體能常年不化的原因, 目前尚存在著不同的認識。歸納起來主要有三種: (1) 認為萬年冰洞冰體之所以能常年不化, 是由于負地溫引起的。(2) 認為冰洞中冰體之所以長期不化是由于該區(qū)存在負地熱異常的結果。(3) 認為冰洞中冰體之所以長期不化是由多種因素綜合影響的結果(孟憲剛, 2006, 2004)。

4 國內相關冰洞資源及對比

在中緯度中山地區(qū), 冰洞的發(fā)育很少, 在我國境內大約僅有10余個, 其中大部分到夏季時洞內僅存少量冰體或沒有。至今為止, 國內正式開放旅游的冰洞主要有張家口賜兒山冰洞、河北省淶源縣冰洞、黑龍江五大連池冰洞、山西寧武冰洞等。

開發(fā)最早的一個為張家口賜兒山冰洞, 位于 張家口市區(qū)西部群山中的云泉寺的西崖下, 該洞在相距幾米內另有兩個洞, 這 3個洞分別出風、出水和結冰, 成為奇景。可惜在“文化大革命”時在三洞之山下開鑿了一個戰(zhàn)備人工洞, 從此三洞中再不出風、出水和結冰。

第二個冰洞在河北省淶源縣北草原景區(qū)的東南角, 洞凹入地下十幾米, 又水平深入十幾米, 洞中常年有冰, 但冰體很小, 一般到夏季8月上旬時, 洞內冰體僅見約 2 m2, 厚度為 40 cm, 冰體中沒有層理。據當地牧民講, 該冰洞外草原, 常年十月下旬就會下雪, 下雪后洞內冰體就加厚, 待到第二年開春后冰就逐漸融化, 每年多是如此變化。

第三個洞為黑龍江省五大連池冰洞, 該洞發(fā)育在火山巖洞中, 在未開發(fā)前洞內冰體約長 10 m, 面積不大。但在開發(fā)時置入大量人造冰體, 造了大量的冰燈、冰景、冰雕。現開發(fā)長度約100 m, 完全成了人造景觀。

第四個即為山西省寧武冰洞, 如果不能很好保護其生態(tài)環(huán)境, 在旅游開發(fā)時不研究其游客容量的最大限度, 有可能在不久的將來, 冰洞里的冰也會融化消失。

在國內還有一些小型冰洞, 如在湖南懷化蘆坪鄉(xiāng)的冰洞、湖北五峰縣白溢寨冰洞、湖北神農架冰山冰洞、陜西翠華山冰洞、河南林縣石板鄉(xiāng)的“冰冰背”、重慶巫溪城西80 km的夏冰洞(巫溪冰洞)、吉林白山市白云冰洞、蘭州馬銜山多年凍土下的大理巖中的裂隙冰洞等, 這些冰洞一般規(guī)模比較小、存冰少, 地方偏僻, 受到條件制約而沒有對外開放。

在國外, 冰洞就更少, 主要有位于奧地利薩爾茨保市附近的愛斯里森衛(wèi)爾特冰洞, 該洞被認為是世界上最大的冰洞, 在過去的15到20年里, 冰洞增長明顯; 斯洛文尼亞冰洞, 該洞規(guī)模較小, 僅幾十米長, 洞中結的是自然冰, 冰量不大, 現為私人管理開放; 東南極 Yatude峽谷發(fā)育的冰洞(Takanobu Sawagaki, 2008)、瑞士 Livres冰洞(Markus Stoffel, 2009)等。

通過上述比較, 可以得出寧武冰洞是現在世界上已知在中緯度中高山地區(qū)保存最好, 規(guī)模最大,冰體最多并可直接見到地質時期存有古冰的冰洞,所以寧武冰洞是世界級的稀有冰洞, 是一種非常特殊的、罕見的、脆弱的、不可再生的地質遺跡資源。

5 寧武冰洞科學意義

現今世界上許多科學家對南極冰蓋中的冰、格陵蘭冰及青藏高原中的古冰層做過大量的研究工作。通過冰層的研究, 做出全球氣候變化曲線, 對冰中的氣體、冰水及冰的年代、物理、化學等方面研究, 可以恢復當時古氣候、古生態(tài)、古大氣成分等方面資料, 推論其地區(qū)環(huán)境和生態(tài)變化。但對中緯度地區(qū)的古冰層, 到目前為止, 世界上還沒有一個國家進行過研究, 其原因是根本找不到在第四紀地質時期保存下來的古冰層, 不能進行這方面對比研究。寧武冰洞中的冰體, 不但厚度大, 數量多, 而且層理清晰, 所以對寧武冰洞中的古冰層進行研究可以破解很多方面的科學之謎。

寧武冰洞是古氣候、古環(huán)境變遷的產物。從冰洞洞體的形成, 冰體的產生和冰體長期不化的原因等, 都無不與該區(qū)氣候環(huán)境演化息息相關。寧武冰洞是該區(qū)以至整個華北地區(qū)氣候、環(huán)境變遷的縮影,真實的記錄和見證。因此對寧武冰洞的進一步調查研究, 對研究該區(qū)及華北地區(qū)的氣候、環(huán)境演化趨勢的分析和預測, 可以提供了重要實際資料。對當地開發(fā)旅游、發(fā)展經濟和對青少年進行科普教育及提高當地百姓的科學意識和水平等有著重要的科學價值和實際意義。

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圖版說明

圖版Ⅰ PlateⅠ

1. 寧武冰洞發(fā)育的冰柱景觀; 2. 寧武冰洞發(fā)育的冰幔景觀; 3.寧武冰洞發(fā)育的冰針景觀; 4. 寧武冰洞發(fā)育的冰掛景觀; 5. 寧武冰洞發(fā)育的冰瀑景觀; 6. 寧武冰洞發(fā)育的冰窗景觀

1. ice columns landscape of Ningwu Ice Cave; 2. ice mantle landscape of Ningwu Ice Cave; 3. ice needles landscape of Ningwu Ice Cave; 4. hanging ice landscape of Ningwu Ice Cave; 5. icefall landscape of Ningwu Ice Cave; 6. ice window landscape of Ningwu Ice Cave

The Typical Geological Heritage of the Ningwu Ice Cave National Geopark in Shanxi Province and Its Scientific Significance

FANG Shi-ming1), GUO Xu1), ZHENG Bin1), YAN Shi-long2), SUN Zhan-liang2)
1) Faculty of Earth Resources, China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074;
2) Geological Survey of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030006

Ice cave is a kind of cave covered with ice all the year round and serves as a very mysterious cave tourism resource. Up till now, only over ten ice caves have been found in China, among which the Ningwu Ice Cave in Shanxi Province has the largest amount of ice as well as the best form and the most variable types of ice, thus being a very valuable geological heritage resource. Based on a general description of the Ningwu Ice Cave National Geopark, this paper summarizes and classifies the development of geological heritage resource in the park and generalizes the typical and unique geological heritage resource of Ningwu Ice Cave in the aspects of geomorphological features, the development of the ice cave and the genesis. On such a basis, this paper make a comparative study of more than ten ice caves found in China and abroad, and points out that, with its largest scale, the largest amount of ice and the possibility of direct observation of the ancient ice formed during the geological period among all known caves in the middle latitudes of mountains, the Ningwu Ice Cave can be regarded as the best preserved area of such geological phenomenon. The Ningwu Ice Cave is a kind of very special, rare, fragile and non-renewable geological heritage resource.

Ningwu Ice Cave; National Geopark; geological heritage

圖版Ⅰ PlateⅠ

K928.7; P928.3

A

1006-3021(2010)04-605-06

本文由“山西寧武冰洞國家地質公園總體規(guī)劃修編”項目(編號: KH096430)資助。

2010-05-08; 改回日期: 2010-07-06。

方世明, 男, 1977年生。博士, 副教授。從事國土資源調查評價與規(guī)劃等方向教學研究工作。通訊地址: 430074, 湖北省武漢市洪山區(qū)魯磨路388號。電話: 027-67883088。E-mail: fsmcug@qq.com。