黄土高原地区黄土洞穴的分类及发育规律

第14卷第6期2007年11月

地学前缘(中国地质大学(北京);北京大学)

Eart h Science Frontiers (China University of Geosciences ,Beijing ;Peking University )

Vol.14No.6Nov.2007

收稿日期:2007-04-03;修回日期:2007-06-24基金项目:国家西部交通建设科技项目(200131881213)

作者简介:彭建兵(1953—),男,教授,博士生导师,主要从事工程地质、地质灾害等方面的科研与教学工作。E 2mail :dicexy

1@.

cn ;Tel :029*********

黄土高原地区黄土洞穴的分类及发育规律

彭建兵1,2,　李喜安1,2,3,　范　文1,2,　陈志新1,2,　苏生瑞1,2,　宋彦辉1,2,　卢全中1,2,邓亚虹1,2,　陈立伟2,　孙　萍2

11西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室,陕西西安71005421长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安710054

31成都理工大学地质灾害防治与工程地质环境保护国家专业实验室,四川成都610059

Peng Jianbing 1,2,　Li Xi πan 1,2,3,　Fan Wen 1,2,　Chen Zhixin 1,2,　Su Shengrui 1,2,　Song Yanhui 1,2,L u Quanzhong 1,2,　Deng Yahong 1,2,　Chen Liwei 2,　Sun Ping 2

11Key L aboratory of Western China πs Mineral Resources and Geological Engineering ,Minist ry of Education ,X i πan 710054,China 21College of Geolog y Engineering and Geomatics ,Chang πan Universit y ,X i πan 710054,China

31S tate Prof essional L aboratory of Geological H az ard Prevention and Geological Envi ronment Protection ,Cheng du Universit y of Tech 2

nology ,Cheng du 610059,China

Peng Jianbing ,Li Xi πan ,F an Wen ,et al.Classif ication and development pattern of caves in the loess plateau 1Ea rt h Science Frontiers ,2007,14(6):2342244

Abstract :Caves developed in the loess plateau are not only the evidence for loss of soil and water ,but also the geological hazards.Caves in loess have many different types.The distribution pattern is varied in different places.The density in northwest region of the loess plateau is higher than that in the southeast region.The density in the Longxi area is the highest ,and the density in the Longdong area is less than that in the Longxi area.In the Shanbei area ,only a few holes are present.The caves in loess occur in five levels :surface ,shal 2low layer ,middle layer ,deep layer ,and ultra deep layer.The depth ,characteristics ,geological structures ,surface features ,hydrogeology and climatic conditions control their development and spatial distribution.K ey w ords :loess plateau ;loess caves ;classification ;development regularities ;geo 2disaster

摘　要:黄土高原地区广泛发育的黄土洞穴既是一种典型的水土流失现象,又是一种新的地质灾害。黄土洞穴具有多种类别,其分布的地域规律具有由黄土高原的西北向东南发育密度呈递减趋势;陇西地区黄土洞穴最发育,陇东地区较发育,陕北局部地区较发育。黄土洞穴在深度上具有表、浅、中、深、超深5个层次;其空间发育明显受地层厚度、土性、地质构造、微地形地貌、水文地质及气候条件等因素所控制。关键词:黄土高原;黄土洞穴;发育规律;地质灾害

中图分类号:P694　文献标识码:A 文章编号:1005-2321(2007)060234-11

中国黄土高原沟壑纵横、地形破碎,黄土深厚且分布广泛,气候干旱,生态地质环境恶劣,水土流失严重,崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害频发[124]。黄土洞穴作为黄土高原一种特殊的微地貌景观,同时也

是一类独特的地质灾害(照片1)。这种洞穴灾害对公路工程(照片2)和铁路工程的危害十分突出[527],对黄土地区的输油、输气及输水管道以及拦蓄水工程、厂房、民居等各类工业与民用建筑构成不同程度的威胁。此外,黄土洞穴还可促发其他地质灾害的发生和发展。如许多黄土崩塌、滑塌以及中2小型滑坡与黄土洞穴关系十分密切,甚至互为因果。另外,作为黄土高原地区地表水的排泄通道和地下水的运移通道,黄土洞穴也为黄土地区的泥石流灾害提供了水源和物源通道,并因此而加剧了水土流失。

黄土洞穴问题的最早提法始于20世纪20年代,Fuller(1922)、Rubey(1928)将黄土洞穴作为一种土壤侵蚀的独特方式而对其成因进行了一些初步探讨[5,829]。20世纪中后期,一些学者又针对黄土洞穴的成因提出了一些见解[2,10211],但对黄土洞穴的分类及分布规律方面的研究还十分欠缺,且仅局限于某些黄土地貌单元上,而关于黄土洞穴发育的区域性分布规律基本上没有文献提及,更不用说上升到整个黄土高原区域分布规律的认识高度。对黄土高原地区黄土洞穴发育规律尤其是区域性规律的深入研究,既可进一步揭示黄土洞穴的成因,还可以进一步了解黄土地区水土流失的发育规律及其第四纪以来的地质环境变化信息,更为重要的是,可借以指导黄土高原地区各类工程(如公路、铁路、石油管线等等)的选线、布局、设计及施工,为黄土洞穴工程灾害的防治提供科学依据。本文所研究的黄土高原地区范围为北纬34°～41°、东经103°～114°,主要包括陇西、陇东及陕北等地区,总面积约230000km2。

1　黄土洞穴的分类及其基本特征

关于黄土洞穴的分类与命名前人很少作专门性的研究,鉴于此,我们立足于野外调查研究,在甘肃、宁夏、陕北等湿陷性黄土地区选择典型地段进行了全面、详细的野外调查,调查观测点达800多个,调查过程中所观察和记录的黄土洞穴数目众多,种类齐全,成因复杂,这给黄土洞穴的分类与命名提供了有利条件。

隐伏于各类黄土地层中的,具有一定自由空间的地下孔洞或空洞,有时以陷穴、陷坑等竖向洞穴的形式出露于地表,这类潜蚀地貌称之为黄土洞穴。

研究表明,中国黄土高原地区发育的黄土洞穴形态各异,大小不一,深度不同,可谓千姿百态,成为黄土高原地区一种特殊的地貌景观[12214]。

形成黄土洞穴的地质营力主要是水,因此可按水的侵蚀方式进一步分为冲蚀成因的冲穴、潜蚀成因的陷穴、暗穴以及湿陷作用下形成的碟形地(表1)。

2　黄土洞穴的发育规律

黄土洞穴往往集中成片分布,其原因主要是由

表1　黄土洞穴的分类及基本特征

Table1　Classification and basic character of loess caves

分类定义及基本成因基本特征

冲穴

水流直接冲蚀作用下形成的竖向黄土洞穴,按其地形部

位以及侵蚀方式分为水涮窝、跌穴(坑)。其中水涮窝是薄层

水流在比较陡的边坡处淘涮成的小坑,待顶部土体塌落后,在

土壁上形成的直立半圆筒状凹槽(朱显谟),跌穴是坡面上的

集中水流在陡倾边坡上形成跌水或急流,在跌水的冲淘作用

下形成的小坑(亦可称作跌窝),规模较大者可称之为跌坑。

水涮窝多分布于较陡的边坡坡面浅2表处,往往处于洞穴

发育初期,洞穴特征并不明显,但数量众多,分布广泛。跌穴

(坑)则分布于较陡的边坡坡脚处、各类排水渠端部跌水处或渠

道或细沟中易产生跌水的部位,并往往在这些部位形成溯源侵

蚀,跌坑具有明显的洞穴特征,易被误以为陷穴,发展到一定程

度时,有时可在跌坑前壁底部形成出水口而成为小型的暗穴。

陷穴

由于黄土在特定地层条件下浸水发生局部湿陷或黄土暗

穴在水流等侵蚀作用下进一步扩容、塌陷而形成的出露于地

表的竖向黄土洞穴。根据其出露形态可分为葫芦状陷穴、竖

井状陷穴(黄土井)以及漏斗状陷穴等。

陷穴具有鲜明的洞穴特征,分布广、直观危害大。陷穴多

分布于黄土地层湿陷性强烈的地区,其在地表有的呈零散分

布,有的则呈串珠状或蜂窝状分布(照片3),陷穴的底部一般

都有暗穴发育。

暗穴

在各种地质因素综合作用下所形成的,隐伏于黄土地层

中的水平或近似于水平展布的黄土洞穴(照片4)。

暗穴具有典型的洞穴特征,常因其分布具有很强的隐伏

性特点而造成严重危害。暗穴进一步发展演化可导致黄土陷

穴、碟形地等竖向黄土洞穴的形成。

碟形地

黄土地层自重湿陷或巨型暗穴局部塌陷填塞而在地表形

成的面积大而深度相对较浅、形似碟状的黄土微地貌单元。

深度较大者可称其为碟形坑。

一般仅分布于黄土塬地貌。由于其具有汇水作用,碟形

地中地层含水量一般大于其周围地层。部分碟形地底部与黄

土暗穴相通。