元谋干热河谷区潜蚀地貌的基本类型与特征

时间：2015-12-21 00:36:51 所属分类：农业基础科学 浏览量:

早在19 世纪末黄土地层中的潜蚀现象就引起了学者的注意。潜蚀是一种独特的土壤侵蚀方式，是水流沿土层的垂直节理、劈理、裂隙或洞穴进入地下，在复向沟谷流出，形成在地下流水通道中发生的机械侵蚀和溶蚀作用。在中国黄土高原区、美国中西部和欧洲西部等干旱

　　早在19 世纪末黄土地层中的潜蚀现象就引起了学者的注意。潜蚀是一种独特的土壤侵蚀方式，是水流沿土层的垂直节理、劈理、裂隙或洞穴进入地下，在复向沟谷流出，形成在地下流水通道中发生的机械侵蚀和溶蚀作用。在中国黄土高原区、美国中西部和欧洲西部等干旱半干旱地区潜蚀地貌较为常见。

　　我国对潜蚀地貌的系统研究始于 20 世纪 50 年代，在黄土洞穴的分类、形态特征、成因等方面已取得重要进展。由于黄土洞穴的大小、深度以及形态差异大、复杂多样，研究者多按成因对其进行分类。朱显谟以洞穴的形态特征和形成过程为依据将不同地形部位和不同沉积物中的洞穴分为陷穴、跌穴和水涮窝三类; 王斌科等将跌穴细分为水涮窝、冲穴，陷穴细分为竖井穴、漏斗穴和黄土碟; 李喜安、彭建斌等结合洞穴成因和洞穴形态，采用组合命名的方法划分黄土洞穴，按成因划分为地质作用洞穴、生物作用洞穴以及人工作用洞穴; 而地质作用洞穴又可按水力的侵蚀方式进一步划分为冲蚀冲穴、潜蚀陷穴、暗穴以及湿陷碟形坑。潜蚀主要受地层厚度、走向以及基岩节理的控制，与局部微地形地貌关系密切，并对地貌塑造和土壤侵蚀影响重大。关于潜蚀成因的观点主要有机械侵蚀说、化学溶蚀说、多因素综合说三种。机械成因说认为洞穴侵蚀是流水沿黄土劈理下渗或从动物洞穴灌入地下而发生机械侵蚀引起的。化学溶蚀成因说认为土壤洞穴侵蚀是一种碎屑喀斯特，由地下水溶蚀及胶体土粒被重力水悬浮而流失，加上崩塌作用而成。多因素成因说认为陷穴形成过程中既有机械作用，也有化学作用，是两种作用共同的产物，而其中机械作用起了决定性作用。黄土物质结构疏松、垂直节理发育、遇水容易崩解是洞穴形成的内在原因，适宜的地形、土层抗蚀性差异及土内裂隙的存在是陷穴形成的基本条件; 构造节理控制了相应地区的黄土喀斯特及潜蚀地貌形态、展布方向和发育程度，是黄土喀斯特和潜蚀地貌的重要构造基础。

　　元谋干热河谷区潜蚀地貌极为发育，但尚未引起学术界的关注。因其地质、气候因素与黄土高原不尽相同，故黄土高原潜蚀地貌的研究并不能完全适用于本区。文中通过野外实地详细调查，拟识别元谋干热河谷区潜蚀地貌的基本类型与特征，并简要分析其形成条件，以期为本区土壤侵蚀控制提供指导。

　　1、 材料与研究方法

　　1． 1 研究区概况

　　元谋干热河谷位于云南省滇中高原北部，海拔 980 ～ 1400m，龙川江由南向北纵贯盆地; 东部山地高出盆地 1200 ～1400m，由山顶至盆地间呈梯状下降; 西部多山冈和丘陵，山顶海拔 1300 ～1500m; 南部山地海拔 1400 ～ 2600m; 北部山地海拔 1800m 以上(图1) 。境内元谋组地层广泛分布，岩性松散，易侵蚀。气候炎热，干湿季分明，年均温为 21． 9℃，最冷月(12 月) 均温 14． 9℃，最热月(5 月) 均温 27． 1℃; 多年年均降水量 642． 9mm，雨季 (5 ～10月) 降水量占全年的 90% 以上; 年均潜在蒸发量 3640． 5mm，为年均降水量的 5． 9 倍。海拔 1600m 以下主要生长稀树灌丛草原，以草本为主，覆盖度大于 90%，灌木稀少，乔木更少见; 1600m 以上主要为灌丛草地，呈片状森林分布。区内地带性土壤为燥红土和红壤。地形破碎、千沟万壑，冲沟侵蚀极为严重，对流域生态环境和水电工程安全造成严重威胁。

　　1． 2 数据与方法

　　2010 年 1 月 1 － 12 日对元谋干热河谷进行野外地理考察，地点从南部的老城乡茂易村，经县城、黄瓜园、苴林，北至金沙江畔的江边乡，南北直线距离 35km。对潜蚀地貌的调查，着重其类型、形态、分布、形成条件。其后每年的 8 月，又对研究区进行了多次补充调查。调查成果经内业整理，建立了基于 ArcGIS 的潜蚀地貌空间数据库与属性数据库。

　　2、 结果与分析

　　2． 1 潜蚀地貌的分类系统

　　元谋干热河谷区潜蚀地貌广泛发育，从不同的角度对潜蚀地貌类型的划分，有助于理解其形成发育特征、条件与形成机制。从动力条件上，潜蚀地貌可分为流水型、重力型、流水 － 重力型三种。流水型潜蚀地貌形成的动力条件以水流为主，如竖井、跌坑、管道等。重力型潜蚀地貌的形成动力以流水作用为先决条件，后期则主要依托土层自身重力而成，如陷穴。流水 － 重力型潜蚀地貌为流水和重力二者相互作用形成，如土腔、土桥、土柱、土墙等。

　　从发育方向上，潜蚀地貌可以划分为横向潜蚀、竖向潜蚀与斜向潜蚀三种类型。横向潜蚀地貌主要包括水平潜蚀管道、淘洞、土腔、土桥四种类型，因流水沿着水平层面侵蚀而成。竖向潜蚀地貌包括陷穴、竖井、跌坑、碟形地、土柱与土墙，大多是因土体的竖直裂隙较为发育，流水沿裂隙侵蚀溶蚀兼具重力崩落而成，或高动能水流冲击而成。斜向潜蚀地貌大多是发育在非水平岩层面上的潜蚀管道，其形成与地质、地形、岩土层性质具有紧密的关系。

　　从空间格局上，潜蚀地貌可分为孤立型与群聚型两类。孤立型主要是指单个潜蚀地貌出现，周围没有其它潜蚀地貌。群聚型又可分为同类群聚型和异类群聚型，同类群聚型是指同类潜蚀地貌在较小区域或同一地貌单元聚集而成的类型，如土柱群(亦称为土林) ; 异类群聚型是指不同类型的潜蚀地貌在较小区域或同一地貌单元聚集的类型，如陷穴与潜蚀管道总是相伴而生。

　　2． 2 主要潜蚀地貌的特征

　　2． 2． 1 潜蚀管道

　　潜蚀管道(简称管道) 是指在多因素综合作用下由水流冲刷或摩擦土层裂缝或基岩节理逐渐演化而成的、隐伏于地层中水平的或近似水平展布的洞穴(图 2 － A) ，在黄土高原区被称之为暗穴。管道长短不一，是潜蚀作用中水流运输泥沙的主要通道，是其它潜蚀地貌(如陷穴、竖井等) 发育的基础。根据断面大小可分为小型管道(直径≤10cm) 、中型管道(直径 10 －50cm) 、大型管道(直径 50 －100cm) 以及极少数的巨型管道(直径≥100cm) 。在元谋干热河谷以中型与大型管道为主，大多发育在冲沟沟床之下，在流水与重力的作用下其规模不断扩展，最后因坍塌而完全出露，成为冲沟沟底下切的重要方式之一。部分管道的出口位于陡壁上，称该出口为悬口。

　　2． 2． 2 淘洞

　　淘洞是位于崖壁上呈横向的半圆状凹槽，因坡面股流在下泄过程中小部分水流沿陡壁以薄层状流动，在抗冲性较弱的部位发生的淘刷、舔蚀作用所形成。淘洞在黄土高原地区被称为水涮窝，但元谋干热河谷区其深度较大，与黄土高原区的水涮窝在形态特征上有较大差别。本区有些淘洞的洞穴特征不明显，而有些则非常显著，横向发育，淘空部分呈现典型的裙摆状，具有较大的悬空面。淘洞形态与下泻水流以及土体上下层抗冲性有关，其深度随跌水高度和土层性质而异，一般宽 1 －2m，深小于 1m。由于土层性质不一或雨量大小导致水流大小不同，侵蚀处会形成多层层状淘洞。淘洞大多发育在侵蚀沟沟头的跌坎处，是沟头常见的微地貌类型，淘洞的坍塌是冲沟溯源前进的主要方式之一(图2 － B) 。发育在土质陡崖的淘洞则是陡崖崩塌后退的原因(图 2 － C) 。

　　2． 2． 3 土腔

　　土腔是指流水动力作用在土体底部冲蚀或溶蚀而成的水平槽状空腔。土腔底部往往是季节性流水通道，水量较大或水速较快，具有较强的冲刷力。近水平层理的土质陡壁下部，受到流水冲刷或者积水浸泡导致土壤泥沙被带走，形成水平槽状空腔。由于自身重力作用，土腔悬空面的顶壁剥落并逐渐扩容，形成了大型的土腔，其深度一般可达 2m 以上(图 2 － D) 。当土腔悬空部分的高度与深度因侵蚀或溶蚀作用达到一定程度后，在重力作用下，悬空部分发生整体坍塌崩解，其发育过程和动力学作用机制与淘洞类似。

　　2． 2． 4 跌穴

　　跌穴是由水流在垂直方向上冲蚀而形成的洞穴(图2 － E) ，主要出现在冲沟底部纵断面变化明显处―跌坎下方，是水流由高处下跌直接冲刷撞击而成。跌穴形态受下泻水流和土体上下层抗冲性的影响，跌穴深度随跌坎高度和土层性质而异，深度一般小于 1． 0m，平面直径约 0． 3 －2． 0m。当流水减弱后，跌穴成为泥沙的淤积之地; 流水增强后，复又被冲蚀带走。跌穴按规模可以分为两类，规模较小者(平面面积不足1． 0m2) 可称为跌窝，规模较大者(平面面积超过 1． 0m2) 可称为跌坑。跌穴发育过程也是沟道形成与下切的方式之一。

　　2． 2． 5 竖井

　　竖井是由裂缝或者根系间的空隙发育而成、洞壁直立的井状管道，形态似水井状，在平面轮廓上大多呈不规则圆形(图 2 － F) 。竖井以管道输送水流和泥沙，多形成于垂直节理的风化壳或陡崖上部边缘。竖井上部地形面较为平缓，井口一般呈圆形，直径多在 1． 0 －2． 0m 左右; 深度可达 10m，底部常有狭窄出口悬在陡壁上，成为竖井内物质向外输送的通道。随着竖井直径的扩张及崖壁的崩塌，竖井平面形态由近圆形演化成为优弧、半圆、劣弧，直至消失。相邻的竖井之间易形成残存的土柱。竖井的发育与演化过程是土质陡崖崩塌后退的特殊方式之一。

　　2． 2． 6 陷穴

　　陷穴是指特定地层条件下因浸水、积水而发生局部湿陷或各种管道在水流等侵蚀作用下进一步扩容、塌陷而形成的出露于地面的竖向洞穴(图 2 － G) 。根据出露形态可分为夹缝状陷穴、漏斗状陷穴; 在空间格局上往往丛集出现，呈蜂窝状或串珠状。陷穴具有鲜明的洞穴特征，分布广、危害大，多分布于元谋组地层湿陷性强烈的地区，其底部管道(管道系统或网络) 发育。

　　2． 2． 7 碟形坑

　　碟形坑是指由于地层凹陷处大量积水或自重湿陷，且有地下管道输送侵蚀掉的泥沙而形成面积较大、形似碟状的微地貌形态(图 2 － H) 。一般分布于沟壑区上部，其底部与地下管道相连通。由于形似碟状具有汇水作用，碟形坑中土壤含水量一般大于其周围土壤，植被覆盖度明显大于周围相近区域。当地下管道扩大或者水流大量集中时，可扩展发育成陷穴。

　　2． 2． 8 潜蚀蚀余地貌

　　潜蚀发育带走泥沙并改变原有地貌，少数较坚硬且不易被侵蚀的物质保留下来，形成新的潜蚀地貌景观，如: 土桥、土柱、土墙、穿洞等。蚀余地貌是恢复原始地形或物质条件的重要依据。

　　(1) 土桥。在侵蚀沟底部，由于管道扩展致局部塌陷，或陷穴扩展使陷穴间地变窄，其残存的保留原始沟底地形面的部分，及其之下的管道，形成了天然的桥状形态(图 2 － I) 。在土质陡坎边缘，竖井及其底部的悬口扩展，当上部边缘土体抗侵蚀力较强时，形成天生桥(图 2 － J) 。在降雨产流时，土桥底部的管道可容流水通过，从而使桥孔扩大，在水力与重力的长期作用下，最后完全坍塌消失。

　　(2) 穿洞。一般形成于土墙上部。因土墙顶部具有抗侵蚀力极强的风化壳，风化壳之下横向淘蚀，蚀穿墙体，形成类似窗口的空洞(图 2 － K) 。淘蚀与重力长期作用，使穿洞不断扩大，最终顶部坍塌，穿洞消失。

　　(3) 土柱。在风化壳发育的区域，相邻的 U 型侵蚀沟沟壁后退，其沟间地形成直立的土墙(图2 － K 穿洞所在的部分) 。在土墙顶部，局地如有较厚的风化壳、或砾石保护，其下部的土体不易被侵蚀，而周围则易被侵蚀掉，从而残留下柱形土体，称之为土柱(图 2 － L) 。土柱的形成，与土体表层的物质组成关系极为紧密。研究区的土柱形态差异较大，其高度一般在 2 －10m 左右，周长一般在 3 －20m 左右。

　　2． 3 形成条件

　　2． 3． 1 地质背景

　　元谋盆地自第四纪以来，表现为相对沉陷，盆地内堆积了 700m 的第四纪松散沉积物(元谋组地层) ，由于新构造运动的抬升使其形成台地，并发育了红色风化壳。元谋组地层在元谋盆地广泛分布，浦庆余等把元谋组地层分为 4 段 28 层，厚 695． 4m，从上到下为河流相、湖沼相或河湖交替相沉积; 岩性依次为砂砾层、粉砂层、亚粘土层、粘土层及砂砾层互层，互层的砂层和粘土层对土壤的机械组成有很大影响，导致土壤具有多孔性、质地疏松、岩性松散、易被侵蚀。在长期的暂时性流水下切、冲割作用下，逐渐蚀刻出奇特的沟蚀和潜蚀地貌。

　　2． 3． 2 气候条件

　　元谋干热河谷区气候干燥炎热，干湿季分明，蒸发强烈，年均降水量613． 8mm，旱季(11 ～4 月) 长达半年，雨季(5 ～10 月) 降水量占全年的 90% 以上，沟道仅在降雨时才有径流。干湿交替的气候以及较大的昼夜温差，有利于土体裂隙的发育，加之垂直节理发育，易引发土体崩塌或滑坡: 长久的旱季使土体水分大量蒸发，土粒之间的聚合力降低，土体处于松散状态，当遇到降水时一些沟壁上部土体易发生崩塌或滑坡。元谋盆地高温有利于植物生长，强烈快速的蒸发导致土壤相对含水量极低，对植物生长不利。雨季的高温又加速了土壤有机质的分解，造成土壤有机质含量极低。因此水热矛盾十分突出，植物生长困难，植被一旦遭到破坏便难以恢复。干旱气候成为本区潜蚀地貌发育的重要条件。

　　2． 3． 3 土体性质

　　独特的土壤理化性质及剖面结构等土体性质是元谋干热河谷潜蚀地貌发育的根本原因。在干热河谷区，土壤粘粒含量高，且粘土矿物以膨胀性矿物蒙皂石为主，土壤膨胀收缩强烈，其线胀系数 COLE≥0． 1，远超一般土壤(COLE ＜0． 05) 的诊断指标，易形成富裂隙的土壤微结构，在干热河谷的环境条件下，土体开裂和裂隙非常发育，为地表水转化为地下水提供了通道。潜蚀区土体表层发育了坚硬的鲜红铁质风化壳和铁质胶结砂砾层，其抗蚀性极强，流水难以在此层侵蚀形成面蚀地貌，只能沿着节理裂隙下渗，转变为地下水流，为潜蚀地貌的发育提供了水动力条件。风化壳下部的岩土中粘粒含量很高，钙质 － 粘土基质的胶结性低，抗蚀性较差，遇水易分散溶解，因而化学侵蚀、机械侵蚀、重力侵蚀共同作用促进潜蚀加速发展。

　　2． 3． 4 地形条件

　　特定的地形条件通过改变水流动力条件从而影响潜蚀地貌的发育，陷穴、跌穴等的形成均需要较强的水力条件。跌穴的形成与扩展需要较强的水力条件，地形对其影响表现在两个方面: 一是需要具有一定的汇水面积，才能汇流合力产生冲刷; 二是具有陡坎，既形成垂直向下的冲力，也使水流势能转化成动能增强冲击力。因而，在降水不变的条件下，跌穴的发育速度与地形具有密切关系。陷穴对地形的响应与跌穴类似。野外调查表明，陷穴发育处的侵蚀沟沟岸坡度一般在 20 － 50°左右。大部分陷穴、竖井的水流出口(即悬口) 往往在陡壁中部(而非底部) ，这表明局部侵蚀基准也可能对潜蚀地貌的发育具有重要影响。

　　2． 3． 5 植被因素

　　植被对潜蚀地貌的发育既具有促进又有抑制作用。植物的根系生长过程，会加剧土体的开裂，使得水流易顺着根系或裂缝渗入地下，从而促进潜蚀的发育; 另一方面，紧实的土体结构被根系破坏变得疏松易蚀，又可抑制潜蚀地貌的发展。植物的根系具有固土作用，支撑上层土体或"抓紧"表层土体，增强表土的抗蚀性，客观上有利于潜蚀地貌的发育。对植物地表之上的部分，在降雨时可减缓水流的速度，降低其动能，从而在一定程度上抑制其冲刷作用，故而不利于潜蚀地貌的发育。

　　3、 讨论

　　干热河谷区的潜蚀地貌与黄土高原区的潜蚀地貌具有不同的形态特征与形成条件。文中对元谋干热河谷区潜蚀地貌进行了系统的类型划分与特征分析，在名称上借鉴了岩溶地貌学或在黄土高原的命名，又部分地沿用了当地的惯称。对部分潜蚀地貌进行了细分，新命名了土腔、竖井、悬口三种地貌。

　　元谋干热河谷区的潜蚀地貌以县城南沙地村、老城乡茂易村与甘塘村、黄瓜园镇苴林村与金雷村等地最为集中，这种空间丛集性格局可能与潜蚀发育的地形条件、物质基础等有关。不同类型的潜蚀地貌，其空间分布具有较大的差异，表现其具有不同的形成条件。因而潜蚀地貌系统的成因具有复杂性，不能一概而论，而应针对特定地貌形态进行研究。此外，潜蚀地貌的发育过程多在地下，使研究的难度增大。

　　干热河谷潜蚀地貌多发育在侵蚀沟区或其邻近区。野外调查发现本区陷穴基本上分布在侵蚀沟底(而黄土高原区在平坦的耕地中部也会出现陷穴) ，竖井分布在 U 型侵蚀沟沟沿线附近5m 以内，这些与黄土高原潜蚀地貌分布的地形部位差异，其成因机制还有待深入考察研究。潜蚀与沟蚀的空间邻近关系，也在一定程度上提示了潜蚀在沟蚀演化中具有重要地学意义。

　　基于野外考察，文中对研究区潜蚀地貌类型划分及形成条件的研究尚属初步，只是拉开了对该区潜蚀地貌系统研究的序幕。对各种潜蚀地貌的地学意义、形态特征、空间格局、形成原因、演化过程、环境响应、水文效应、多条件耦合、工程治理等内容进行系统研究，对干热河谷与黄土高原两地的潜蚀地貌、潜蚀地貌与地下岩溶地貌之间进行对比研究，认识不同环境条件下的潜蚀地貌发育的异同点，有助于理解潜蚀地貌发育的基本规律。这些都是现在正在进行或未来需要努力的方向。

　　4、 结论

　　元谋干热河谷具有丰富多样的潜蚀地貌，包括潜蚀管道、淘洞、土腔、跌穴、竖井、陷穴、碟形坑以及蚀余地貌(土桥、穿洞、土柱等) 。这些潜蚀地貌在形成动力条件上，大多以水动力为主，同时还受到重力的作用; 在发育方向上，具有横向、竖向、斜向三种类型; 在空间格局上，有孤立型的，但更多的是在局地地段形成同类与异类的群聚。干热河谷特殊的气候条件、土体性质、地质与地层、微地形及植被是潜蚀地貌发育的基本条件，尤其是土体性质对潜蚀地貌的形成起着决定性作用。

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