地球上的環形山
——析城山巖溶洼地成因分析

劉 剛，李述靖，曹文玉，黃相成

(1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083;2.中國地質大學(北京)，北京 100083;3.沈陽市勘察測繪研究院，沈陽 110004)

地球上的環形山
——析城山巖溶洼地成因分析

劉 剛1，李述靖2，曹文玉1，黃相成3

(1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083;2.中國地質大學(北京)，北京 100083;3.沈陽市勘察測繪研究院，沈陽 110004)

為了探討析城山巖溶洼地的成因，利用遙感技術對其中的巖溶漏斗進行了解譯分析，同時計算了巖溶漏斗的面積占析城山巖溶洼地總面積的比例。通過對巖溶形成條件和巖溶地貌發育狀況的分析，認為該洼地發育在干燥的華北地區是一個特例;通過與周邊地區的巖溶發育條件及發育狀況的對比以及植被異常的存在，認為該巖溶洼地可能是在隕石沖擊的基礎上形成的;根據洼地及其周圍溶洞與區域夷平面的海拔高度的對比，推斷該洼地的形成時間可能為古近紀末期。

遙感;王屋山;析城山巖溶洼地;巖溶成因;隕石沖擊

0 引言

王屋山位于山西省與河南省交界處，地形巍峨挺拔、山清水秀，其西接中條，東挽太行，南鄰秦嶺，具有一系列代表該地區地質歷史和地質作用的地質遺跡，因而其南坡部分地區在2006年9月18日被聯合國教科文組織評為王屋山世界地質公園。筆者在1990年利用TM遙感圖像對中條山和王屋山的部分地區進行銅礦地質調查時，在地質公園北側王屋山的主脊部位，發現一個面積相當大的洼地(約7.59 km2，稱之為析城山洼地，下同)。在該地海拔近2000 m，且在地形陡峭的山脊上，存在如此大面積的洼地顯然不合乎洼地形成的自然規律。2010年筆者再次使用1∶6萬的彩色紅外航空像片和高分辨率的中巴地球資源衛星02B星(CBERS－02B)的CCD全色圖像對洼地進行了遙感解譯，并對解譯成果進行了初步野外調查，認為該洼地是一個成因有待于深入研究的大型封閉巖溶洼地，具有重要的科研、科普和旅游價值。

1 析城山洼地概況

析城山洼地位于山西省陽城縣西南約24 km處，洼地呈長軸近南北向的橢圓形，中心低、四周高，長軸長3500 m，短軸長3000 m，周長12015 m，洼地面積約7.59 km2(洼地周邊分水嶺內的面積)。圖1為析城山洼地附近三維立體 ETM 3(R)、2(G)、1(B)假彩色合成圖像。

圖1 析城山洼地三維立體ETM圖像Fig.1 Three－dimensional ETM image of Xichengshan depression

從圖1可以看出，析城山洼地呈土黃色，洼地內部地形相對平緩，外緣周邊地形陡峻，懸崖峭壁眾多，尤其是洼地的西側和北側，其地貌形態與長白山天池的破火山口形態非常相似。由于洼地四周山巒如城墻般環繞，且有自然形成的4個缺口，就像東南西北4座城門，故名析城山。洼地四周的山體一般在海拔1800 m左右(析城山海拔1889.5 m)，構成局部地區的分水嶺。洼地最低處有一個小型湖泊(位于洼地北半部，當地人稱娘娘池，經調查證實是一個積水的大型巖溶漏斗)，面積近8000 m2，水面海拔約1675 m，與山體的最高點相差214 m。

析域山洼地彩色紅外航空像片(圖2)顯示:洼地內存在著大小不一、星羅棋布的巖溶漏斗。當地民曰:析城山上有72個“小鐵鍋”，124個“鬼推磨”，360個“獨龍窩”。漏斗直徑大部分在30～60 m，深10～30 m左右，最大巖溶漏斗直徑為210 m，小巖溶漏斗直徑10 m左右。巖溶漏斗內一般有粘土充填，部分發育草本植被。在TM圖像上，巖溶洼地本身也非常像一個環形山。

圖2 析城山洼地彩色紅外航空像片(左上為局部漏斗放大圖像)Fig.2 Infrared aerophoto of Xichengshan depression(Up left:magnified part image)

洼地內分布有多種巖溶景觀，地表除發育巖溶漏斗外，還有溶芽、溶溝、小的孤峰和殘丘，地下則分布有數量眾多的落水洞、溶洞和地下暗河，黑龍洞是洼地內已知的最大石灰巖溶洞。

洼地內分布的巖層為厚500 m左右的奧陶系馬家溝組的灰巖，巖層走向北西(NW)，向北東緩傾，傾角5～17°。區域斷裂以北西西(NWW)走向為主，其他走向的斷裂無論在規模，還是數量上都不及NWW向斷裂。在洼地四周還有放射狀的小斷裂分布。

在娘娘池的東、西、南3面皆分布有一些文化遺跡，其西側有宋金以前的舊湯王廟遺址，東側殘存的湯王廟為明清以后所建，南側有道士墓群遺址，另在析城山東、西、南3座門位置據傳還有山神廟遺址。

2 巖溶作用形成條件及巖溶地貌分布規律

可溶性巖石是巖溶作用發生的基本條件。碳酸鹽類巖石(石灰巖、白云巖、泥灰巖等)是最常見的可溶性巖石，其巖溶作用的反應式為

這是一個可逆反應(式中，H2CO3由水中的CO2和水分子反應生成)，正反應(巖溶作用)的速度取決于水中CO2的濃度，逆反應的速度取決于水中鈣離子Ca2+的濃度。水中CO2的濃度越高，其溶蝕力就越大，水中Ca2+離子的濃度越高，其溶蝕力越小。

水在靜止狀態下，隨著水中CO2的不斷消耗和鈣離子Ca2+濃度的不斷增高，溶蝕作用就會逐漸停止，不可能對巖石進行持續性的溶解，只有不斷補充新的含有CO2的水流，才能使巖溶作用快速持久地進行下去。地下水的流動性取決于降水量、水位差和透水條件。降水量和地下水循環系統的水位差越大，巖石中的裂隙越多，水的流動性就越大，所以巖溶作用一般伴隨地殼的持續抬升而速度加快。另外，溫度越高，溶蝕作用越強。

由化學溶蝕或者機械頂蝕作用形成的封閉型巖溶洼地，一般受地質環境條件的制約，典型的峰叢巖溶洼地是在碳酸鹽巖巖層厚度大(200～300 m以上)且質地較純、附近的地表河谷(排水基面)深切、含水層包氣帶厚度大(100～300 m以上)和潮濕多雨的氣候環境等條件下發育而成的［1］。所以巖溶地貌在多雨濕潤、新構造運動上升強烈的南方地區非常發育，而在北方干旱地區，由于降水量小、溫度低，巖溶作用非常微弱。中國峰叢巖溶洼地面積大約140000～160000 km2，主要分布在滇東南—桂西北—黔南、黔北—川南—渝東南和重慶長江三峽兩岸—湘鄂西等亞熱帶地區［2］。

在巖溶作用強烈的熱帶－亞熱帶地區的巖溶地貌景觀中，巖溶漏斗是地表一種十分普遍的微地貌形態。在平面上，巖溶漏斗通常為橢圓、次圓及多邊形，直徑幾十至幾百米，深度幾米至幾十米。無論何種類型的巖溶漏斗，其發生與形成都與其底部可溶性巖層中的裂隙或洞穴的存在有極為密切的聯系。

巖溶洼地是巖溶區發育的一種封閉狀負地形，規模一般在數十km2，一般認為，巖溶洼地由巖溶漏斗逐漸溶蝕擴大，或由相鄰的溶蝕漏斗合并而成［3］。巖溶洼地底部除了有落水洞外，也可有小河小溪，溪水一般沒于落水洞中。巖溶漏斗和巖溶洼地一般受構造控制，常沿構造帶呈串珠狀發育。

3 析城山洼地成因探討

3.1 洼地發育的特殊性分析

根據巖溶地貌的形成條件及其在中國境內的發育程度和分布范圍分析，析城山洼地出現在華北地區是一個特例，其成因值得探討。華北地區雖然分布大面積的可溶性碳酸鹽巖，也不缺乏巖溶地貌發育所需的構造裂隙和地殼持續抬升、河谷深切等條件，但由于該地地處溫帶亞濕潤—亞干旱地區，氣溫較低、雨量并不豐沛，雖有不少溶洞，而第四紀巖溶地貌則不很發育，地表僅偶見零星分布的溶溝、石芽、巖溶漏斗和干谷等，巖溶洼地十分罕見，到目前為止，也沒有在裸露的巖溶洼地中出現成群巖溶漏斗的相關報道。王屋山屬于溫帶大陸性高山氣候，年平均氣溫低于10℃，氣候較干旱，年降雨量700～800 mm，年平均水面蒸發量700 mm，陸地蒸發量675 mm，并不具有發育典型巖溶地貌的條件。但據筆者利用MapGIS軟件對彩色紅外航空像片進行解譯分析(圖3)，結果表明，在總面積7.5853 km2的洼地內，可識別的孤立巖溶漏斗就有309個，累計面積0.3339 km2，因漏斗過于密集而無法逐一單獨統計的巖溶漏斗群有27個，累計面積1.4 km2，二者合計達 1.7339 km2，占巖溶洼地總面積的22.86%，其中尚不包括因解譯標志不明顯或面積太小而沒有統計在內的巖溶漏斗，實際的巖溶漏斗面積肯定要大于統計數字。巖溶漏斗數量如此之大、密度如此之高的巖溶洼地在華北地區實屬罕見，應該是在特殊條件下才能形成的。

圖3 析城山巖溶漏斗航空像片解譯圖Fig.3 Interpreted map of aerophoto for doline in Xichengshan

3.2 漏斗分布狀況分析

遙感影像解譯成果顯示，本區以NWW走向的斷裂為主，規模大、數量多，在洼地南緣就發育有與封門口斷裂平行的NWW向桑林—古垛地斷裂束，洼地周邊還發育有少量近南北(SN)和北東(NE)走向的小型斷裂(圖4)。

圖4 析城山一帶遙感地質解譯圖Fig.4 Geological map of remote sensing interpretation in Xichengshan area

通常情況下，巖溶漏斗發育受斷裂、節理等裂隙的控制，巖溶漏斗底部常發育有垂直裂隙或溶蝕的孔道，孔道與暗河相通，由于暗河也受斷裂構造控制，因此巖溶漏斗在區域上一般呈串珠狀、棋盤格狀等規律性分布。根據胡斌等人的研究［4］，濟源一帶的溶洞受NWW走向的斷裂控制。但筆者根據彩色紅外航片的解釋分析發現，析城山洼地中巖溶漏斗的分布不具有NWW向優選方位，與區域構造沒有明顯的相關關系。大部分巖溶漏斗近于面狀分布，本區巖溶漏斗密集成群，表明基巖碎裂程度很高，而且以娘娘池為中心向西南、正南、東南、東北以及北北西方向，略有放射性分布的態勢，說明洼地內部基巖破碎，存在一個與周邊地區不同的、近放射狀分布的裂隙系統，它們控制著洼地巖溶作用的發育，使眾多漏斗與地下連通。

3.3 與周邊區域巖溶發育條件對比

析城山洼地與其周邊地區雖然在巖性、區域構造、氣候和地貌條件方面均十分相似，但只有析城山發育了巖溶洼地和成群分布的巖溶漏斗，其他地區僅有零星分布的地下溶洞，沒有形成明顯的地表巖溶地貌。

析城山洼地與其周邊地區均分布大量的可溶性碳酸鹽巖。析城山洼地發育在奧陶系馬家溝組的灰巖中，而在該洼地以北地區尚有大面積馬家溝組灰巖、泥灰巖、白云巖等出露，厚度在500 m左右，僅發育零星的溶洞;洼地東側以位于馬家溝組下部，厚數百米的三山子組白云巖為主，部分地段有馬家溝組灰巖出露;洼地南側及東南側發育早中寒武紀的碳酸鹽巖，厚達480～570 m(圖4)，并在濟源一帶發育有溶洞［4］。該洼地北、東、南3個方向均有非常厚的碳酸鹽巖存在，不少地區已經發現了一定數量的地下溶洞，但地表都沒有形成巖溶洼地。

由式(1)可知，巖溶作用是一個可逆過程，含有CO2的水體的流動性對巖溶作用的發育速度及發育程度關系重大。除降雨量外，水體的流動性主要受水位差和巖石的透水性制約，這兩個因素一般與區域地貌和斷裂有關。遙感圖像(圖1、圖5)顯示，析城山洼地及其周邊地區均處于中高山地貌區，海拔高度較高、地形陡峻、河流切割強烈，具有溶蝕作用所需的地貌條件;析城山洼地及其周邊地區屬于同一個地質單元，區域構造環境相似，在區域構造上沒有特殊性，惟獨在巖石破碎程度和裂隙系統等局部構造條件上存在顯著差異;析城山洼地及其周邊地區同屬于溫帶大陸性高山氣候，年平均氣溫、降雨量、蒸發量等氣候因素差別不大。根據上述巖溶發育條件的分析對比，析城山巖溶洼地的發育似乎與其局部的構造條件有關。

圖5 析城山巖溶洼地ETM融合圖像Fig.5 ETM fuse image of Xichengshan karst depression

3.4 析城山洼地影像異常

在ETM遙感圖像上(圖5)，析城山洼地的色調、影紋及裂隙系統與周邊地區迥然不同，猶如大地的一塊瘡疤。洼地呈亮麗的橘紅色調;內部具有放射狀影紋，周邊(特別是東南兩個方向)具有環形影像;內部裂隙系統復雜，局部巖石破碎程度很高。另外，析城山洼地與周邊地區的顯著區別之一是植被類型及密度的異常。遙感影像顯示:洼地外圍樹木郁郁蔥蔥、非常密集，以高大喬木為主(喬木所占比例達90%以上)的植被覆蓋率在70%以上;但洼地內部僅在西部邊緣有極少量的喬木分布，喬木所占比例不足5%，其他植被皆為草本植物，植被覆蓋率不到40%。洼地內外植被的類型及密度也存在著巨大的反差。由于洼地地處海拔1800 m左右的山頂，且是封閉的，其四周多懸崖峭壁，交通十分不便，因此洼地內部沒有常住居民，僅有極少數牧民在夏季來此放牧，不存在大量砍伐樹木的情況，樹木如此稀少令人費解。

洼地南緣NWW走向的桑林—古垛地斷裂束(圖4下部數條斷裂)與王屋山南麓的封門口斷裂平行，二者南北相距15 km，同為南傾的正斷層，且形成時間相近。桑林—古垛地斷裂束在析城山洼地南部的東西兩側形成了線狀分布的溝谷，在TM圖像上的解譯標志明顯，但在接近析城山洼地部位時，該斷裂束發生中斷且有向南偏轉現象，似有被洼地阻斷之勢。另外，在析城山洼地周邊發育有數條規模不大的放射狀斷裂，析城山洼地與之構成的幾何樣式與具有放射狀斷裂的近代火山機構特征非常相似。

3.5 析城山洼地成因分析

筆者認為，應該是影響范圍非常有限的某一個偶然地質事件，為巖溶作用發生提供了特殊條件，才促成了析城山洼地的形成。由于洼地形成后，本地再也沒有類似的地質事件發生，因此也就沒有新的或同時期的其他巖溶洼地出現。

雖然降雨量和溫度等氣候條件是影響巖溶發育的主要因素，但本地區具備巖溶發生的其他基本條件，其中影響范圍有限的地質事件改變區域氣候的可能性不大，所以唯一能夠強烈影響巖溶發育的就是局部的構造條件，該構造條件能夠彌補或部分彌補氣候條件的不足。因此筆者大膽推測，析城山洼地可能是在隕石沖擊的基礎上發育起來的。強烈的沖擊作用使該地局部地質結構發生了重大變化，受沖擊部位的石灰巖發生了強烈的破碎，并在地下一定深度內產生了大量面狀立體分布的網狀裂隙，進而大大加強了巖石的透水性，彌補了降雨量少的不足，從而為巖溶作用提供了優越的構造條件。沖擊作用發生以后，地下水在沖擊坑內沿密集的裂隙系統對結構已經受到破壞的松散巖石進行快速的溶蝕，形成了面狀分布的大量巖溶漏斗，溶蝕過程中，巖溶漏斗不斷合并、塌陷，對沖擊坑進行持續的溶蝕改造，最終形成了現今的巖溶洼地。沖擊作用可能破壞了桑林—古垛地斷裂束，使其發生中斷。隕石沖擊導致的高溫和外來物質，使當地土壤發生變異，破壞了樹木的生存環境，進而造成了植被分布異常，同時在洼地周圍產生了類似火山機構的放射狀斷裂。沒有受到沖擊作用波及的外圍地區，由于石灰巖孔隙度甚低，地下水循環困難，因此僅在條件適合的區域性斷裂破碎帶上發育了一些地下溶洞，沒有發育面狀的地表巖溶地貌。當然，這只是筆者提出的一個假說，是否與事實相符尚需要進行大量的驗證，其關鍵是獲得隕石沖擊的直接證據。

4 析城山洼地形成時間

雖然析城山洼地發育于奧陶系馬家溝組灰巖中，但其形成時間為奧陶紀的可能性不大。因為奧陶紀至今經歷了數次大的構造運動，造山及夷平作用強烈，以前的古巖溶地貌或被壓實充填、或被剝蝕破壞殆盡，很難保存至今［5］。在其他條件具備的情況下，巖溶地貌的發育一般與地殼的持續抬升密切相關，溶洞通常成層出現，同一時期形成的溶洞與該時期發育的夷平面基本處在同一海拔高度上。現有研究成果表明［4－10］，本區地殼在第四紀經過了數次強烈的隆升作用，形成了數個夷平面，現代地貌形成于第四紀。胡斌等經過對濟源水洪池村一帶的溶洞沉積物和溶洞呈層狀分布等現象的研究，認為王屋山地區的溶洞發育與第四紀區域構造隆升相對應，即溶洞出露高程與地文期夷平面一致，推斷溶洞最早發育時期為上新世唐縣期，主要發育時期可能在早更新世汾河期［4］。濟源水洪池村一帶溶洞的高程一般在750～850 m左右，少量高程在1050～1150 m。析城山洼地一帶已知大的溶洞是游洞和黑龍洞，位于洼地內部的黑龍洞，其海拔標高為1680 m，位于洼地西側外圍的游洞，其海拔標高為1670 m，二者的海拔高度與洼地內最大的巖溶漏斗——娘娘池的水面相當，均遠高于濟源水洪池村一帶溶洞的高程。析城山洼地與其東南方向的水洪池村均位于王屋山地區，二者水平距離30 km左右，根據遙感圖像和已有地質資料分析，二者之間沒有發現非常大的斷裂。王屋山地區局部新生代的構造運動的特點是以垂直升降為主，山系周邊以斷隆(陷)為主，王屋山山系內部以由西往東的掀斜運動為主［9］，假如析城山洼地一帶的溶洞與濟源水洪池村一帶溶洞的高程差僅僅是由于掀斜運動所致，那么根據胡斌等人的觀點，析城山洼地的形成時間應為上新世唐縣期或早更新世;如果二者的高程差并不單純是掀斜運動所致，那么析城山洼地一帶的巖溶地貌形成時間應該早于唐縣期，很可能為古近紀末太行期。由于兩地相距僅30 km左右，掀斜運動在如此短的距離內難以形成500 m的高差，顯然二者的高程差并不單純是掀斜運動所致，那么析城山洼地的巖溶地貌形成時間應該早于唐縣期。現有區域構造資料表明，近代太行山的持續隆升與西側汾渭拉分盆地的發展及東邊華北平原的伸展沉降同步，始于古近紀末的太行運動。因此筆者認為，析城山洼地的形成時間很可能是古近紀末的太行期。

5 結論

析城山洼地是華北地區罕見的巖溶洼地，也是目前所知的海拔最高的巖溶洼地，堪稱華北“第一坑”，其具體成因尚未進行過深入的研究。由于王屋山是連接太行山和中條山的紐帶，析城山洼地的成因探討對于研究太行山和中條山脈隆升等地史事件和區域古環境、古氣候具有重要的價值。筆者雖提出了不成熟的“隕石沖擊成因”說，但其是否成立還有待進一步的地面調查研究驗證。

析城山洼地中的巖溶漏斗密集，在華北地區難得一見，具有一定的科普教育和旅游開發價值。王屋山世界地質公園位于析城山洼地的南面，實際上，其山水之靈氣部分來源于高屋建瓴的析城山洼地。漫天而降的天水經洼地中密集分布的巖溶漏斗涓涓下泄，沿地下暗河流入地質公園，形成常流不斷的叮咚泉水，泉水匯集成溪流奔向滾滾黃河。所以，沒有析城山洼地的世界地質公園是不完美的，就像舞龍在云天卻見不到龍頭。故筆者提議，王屋山世界地質公園范圍應該北擴，把公園所缺少的上游巖溶地貌納入景區，給公園開“天目”，方能達到“問渠哪得清如許，為有源頭活水來”的境地。

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Ring Mountains in the Earth:an Approach to the Origin of Xichengshan Karst Depression

LIU Gang1，LI Shu－jing2，CAO Wen－yu1，HUANG Xiang－cheng3
(1.China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources，Beijing 100083，China;2.China University of Geosciences，Beijing 100083，China;3.Shenyang Geotechnical Investigation＆ Surveying Research Znstitute，Shenyang 110004，China)

The area ratio of doline to Xichengshan karst depression was calculated through remote sensing interpretation to investigate the origin of Xichengshan karst depression.It was unusual that the karst depression was formed in dry climate in northern China which was not suitable for karst formation.It is considered that the karst depression might have been formed on the basis of aerolite striking，as evidenced by the comparison of karstforming conditions，status quo and vegetation in this area with those in other areas.the karst depression might have been formed in late Paleogene period，as shown by the comparative study of altitude of the karst caves and regional planation surface.

Remote sensing;Wangwu mountain;Xichengshan karst depression;Origin of karst;Aerolite striking

TP 79;P 931

A

1001－070X(2011)04－0126－06

2011－01－05;

2011－10－28

劉 剛(1963－)，男，高級工程師，主要從事遙感技術的地質應用研究。

(責任編輯:李 瑜)