賈麗云,張緒教*,楊東潮,周軼群,樊克鋒,張晉喆,王興民,宮 程

1)中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083;

2)河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)隊(duì),河南鄭州 450001

云臺(tái)山世界地質(zhì)公園瀑布成因分類研究

賈麗云1),張緒教1)*,楊東潮2),周軼群1),樊克鋒2),張晉喆1),王興民2),宮 程2)

1)中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083;

2)河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)隊(duì),河南鄭州 450001

地貌的分類是地貌學(xué)研究的重要內(nèi)容之一,成因分類又是地貌形態(tài)分類的基礎(chǔ)。瀑布既是一種非常重要的造景地貌,又是地質(zhì)公園重要的地質(zhì)遺跡及旅游資源,因此,對瀑布進(jìn)行系統(tǒng)的成因分類學(xué)研究,對提升瀑布的科學(xué)價(jià)值及旅游價(jià)值均具有非常重要的意義。云臺(tái)山世界地質(zhì)公園是我國第一批世界地質(zhì)公園,園區(qū)分布有規(guī)模不等、形態(tài)各異、成因多樣的瀑布及瀑布群,為瀑布成因分類研究提供了極好的素材。通過詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查,根據(jù)瀑布發(fā)育的構(gòu)造條件、巖性差異、水動(dòng)力條件、巖溶及人工作用等方面,將瀑布按成因劃分為巖檻型、裂點(diǎn)型、斷裂型、溶蝕型、鈣華型和人工型等 6類。本研究提升了云臺(tái)山瀑布研究的科學(xué)價(jià)值,同時(shí)也為瀑布的分類學(xué)提供了參考方案。

瀑布;成因分類;地質(zhì)公園;云臺(tái)山

地貌的成因,是地貌學(xué)非常重要的研究內(nèi)容之一。景觀地貌在地質(zhì)遺跡中所占比重很大,其成因研究對地質(zhì)公園建設(shè)有重要意義(張緒教等,2005)。隨著地質(zhì)遺跡調(diào)查研究工作的深入和拓展,地質(zhì)遺跡的分類研究也越來越完善(趙汀等,2009),但對某一類地貌景觀在成因上的詳細(xì)分類還有待加強(qiáng)。瀑布,既是一種景觀地貌,又是地質(zhì)公園重要的地質(zhì)遺跡及旅游資源。近年來,國外對瀑布成因的研究,大多以某一地區(qū)瀑布的地質(zhì)背景、形成條件和演化機(jī)理等方面為主(Bartorelli,2000;Hayakawa et al.,2008;Lamb et al.,2007),如美國、加拿大的尼亞加拉瀑布和巴西的伊瓜蘇瀑布(Hayakawa et al.,2009,2010)。國內(nèi)瀑布的研究主要集中在黃果樹瀑布、雅魯藏布大峽谷瀑布、黃河壺口瀑布(龔明權(quán)等,2009)等地。羅德仁(1987)最早對黃果樹瀑布群的成因進(jìn)行研究;20世紀(jì)90年代中國科學(xué)院青藏高原綜合科學(xué)考察隊(duì)對雅魯藏布大峽谷進(jìn)行科考探險(xiǎn),并對其發(fā)現(xiàn)的瀑布群有較詳細(xì)的成因研究,其研究成果將我國的瀑布成因研究提升到了一個(gè)較高的層次(楊逸疇,1999);屈茂穩(wěn)等(2002)、張兆琪等(2009)曾從構(gòu)造、基巖巖性以及外力作用等方面對黃河壺口瀑布成因進(jìn)行分析。

而關(guān)于瀑布的成因分類,20世紀(jì) 60年代Schwarzbach(1967)對冰島的瀑布群進(jìn)行過成因分類,把冰島的瀑布分為侵蝕型和堆積型兩大類,侵蝕型又分為17小類,堆積型分為2小類,另外,Alexandrowicz(1994)曾對外巴爾喀阡山地質(zhì)作用控制的瀑布進(jìn)行分類。國內(nèi)對瀑布的成因分類研究,只在旅游資源學(xué)方面有所提及(甘枝茂等,2007),而對某一地區(qū)詳盡且有實(shí)例的成因分類研究還極少。由此可見,瀑布的成因分類研究有待加強(qiáng)。研究瀑布的成因類型,一方面有助于研究地貌的成因及演化歷史、提升地貌景觀的科學(xué)價(jià)值;另一方面,也有助于開發(fā)瀑布的旅游價(jià)值,帶動(dòng)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)旅游及經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此,對瀑布進(jìn)行成因分類,不僅具有重要的理論意義,而且具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

云臺(tái)山世界地質(zhì)公園位于豫西北的焦作市,地處太行山南端晉豫兩省結(jié)合部,是一處以地質(zhì)構(gòu)造、地貌景觀、水體景觀為特征,集科學(xué)價(jià)值與美學(xué)價(jià)值于一體的綜合性世界地質(zhì)公園(樊克鋒,2004)。在該園區(qū)分布有規(guī)模大小不等、形態(tài)各異、成因多樣的瀑布及瀑布群,為瀑布成因分類研究提供了極好的素材。對該區(qū)域不同類型的瀑布進(jìn)行成因分類研究,不僅可以分析其形成的地質(zhì)背景,為瀑布的分類學(xué)提供參考方案,還可以開發(fā)云臺(tái)山瀑布在地質(zhì)旅游方面的潛在價(jià)值。

1 瀑布分類原則及方法

瀑布的分類方法多種多樣。有按水流量的洪枯多寡、跌水次數(shù)分類的,有按瀑布本身的氣勢、造型分類的,也有按瀑布的分布特點(diǎn)、瀑面形態(tài)、水文地質(zhì)條件及產(chǎn)生的環(huán)境條件等等分類的(羅正富,1990),如表1所示。

表1 瀑布的多種分類Table 1 The classification of waterfalls

在地貌分類中,成因分類是根據(jù)地貌形成的最主要的動(dòng)力及影響因素而進(jìn)行的一種分類方法,既可以有單一成因分類方式,也可以有多成因分類方式,因此在地貌分類學(xué)里,成因的分類是最重要,也是最復(fù)雜的。瀑布的成因分類也是如此,因?yàn)樾纬善俨嫉亩秆禄蚨缚驳某梢蛴泻芏喾N,而表現(xiàn)形式基本都是水體的落差。在瀑布的成因分類研究中,分析造成瀑布水流落差的巖石陡坎的形成原因是關(guān)鍵。以此為基礎(chǔ)對瀑布進(jìn)行分類,是瀑布成因分類的出發(fā)點(diǎn)。

云臺(tái)山世界地質(zhì)公園瀑布的成因分類研究,是根據(jù)形成瀑布流水落差陡坎的主要因素——構(gòu)造條件、巖性差異、水動(dòng)力條件、巖溶以及人工作用等幾方面進(jìn)行的,公園里各種類型瀑布的成因并不是單一的,本分類僅按當(dāng)今瀑布陡坎形成的主要原因進(jìn)行分類。

2 云臺(tái)山世界地質(zhì)公園瀑布形成的地質(zhì)背景

云臺(tái)山世界地質(zhì)公園內(nèi)的瀑布,主要分布在云臺(tái)山園區(qū)子房河與青龍峽園區(qū)青龍河的中上游(圖1),其它園區(qū)也有少量分布。

公園主要出露的寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)地層形成于中朝地臺(tái)長期穩(wěn)定發(fā)展的地質(zhì)歷史時(shí)期(楊欣德等,2000),主要巖性為石英砂巖、灰?guī)r、泥巖及白云巖。地層巖性對瀑布地貌景觀的形成起到了重要作用,軟硬巖層互層的特點(diǎn)和抗侵蝕能力的不同為巖檻型瀑布的發(fā)育創(chuàng)造了有利條件;不同巖性的含水性及透水性的不同,造成大氣降水在巖石中垂直下滲時(shí),水流方向由垂直運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改為水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài),進(jìn)而切穿山體順崖壁流下是溶蝕型懸瀑形成的重要原因。

研究區(qū)內(nèi)以間歇性、差異性及掀斜性的抬升運(yùn)動(dòng)為主要特點(diǎn)的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對公園景區(qū)瀑布的形成起了主導(dǎo)作用(王鳳云等,2005)。云臺(tái)山景區(qū)內(nèi),對瀑布景觀形成起到控制作用的主要是一組走向近東西向的正斷層,斷層北側(cè)地層的抬升速率高于南側(cè)的抬升速率,這種差異性的抬升運(yùn)動(dòng)使得軟、硬不同巖性的巖層處在同一水平面上,流水常時(shí)間在軟、硬不同巖層上的侵蝕,致使較軟巖層先被剝蝕、掏空,巖層中發(fā)育的兩組近垂直的節(jié)理裂隙,則加劇了較硬巖層的崩塌,造就了公園內(nèi)以裂點(diǎn)型瀑布和斷裂型瀑布為主的特點(diǎn)。

綜上所述,軟硬巖石互層的地層特點(diǎn)、差異性的抬升運(yùn)動(dòng)、水流的侵蝕作用、構(gòu)造裂隙的發(fā)育以及一定的巖溶作用,共同造就了云臺(tái)山世界地質(zhì)公園成因多樣、形態(tài)各異、美輪美奐的瀑布景觀。

圖1 云臺(tái)山世界地質(zhì)公園主要瀑布分布圖Fig.1 Waterfall distribution in Yuntai Mountain World Geopark

3 云臺(tái)山世界地質(zhì)公園瀑布的成因分類及特征

根據(jù)上述瀑布成因分類的原則與野外地質(zhì)調(diào)查,并結(jié)合云臺(tái)山世界地質(zhì)公園地質(zhì)背景及主要景區(qū)瀑布的分布情況,云臺(tái)山世界地質(zhì)公園的瀑布按成因類型可分為:巖檻型瀑布、裂點(diǎn)型瀑布、斷裂型瀑布、鈣華型瀑布、溶蝕型懸瀑和人工型瀑布。

3.1 巖檻型瀑布

巖檻型瀑布,是指河床基巖軟、硬相間,由于二者抗流水侵蝕能力的差異,導(dǎo)致較堅(jiān)硬的巖石形成陡坎,而軟弱巖石則被侵蝕成平臺(tái),在河床上形成“巖檻”,進(jìn)而使流水產(chǎn)生落差而形成的瀑布。

巖檻型瀑布的規(guī)模大小及分布特征既與其形成的時(shí)間有關(guān),也和河床基巖的巖性有關(guān)。由于流水作用是一個(gè)長期而緩慢的過程,對河床基巖的侵蝕需經(jīng)較長時(shí)間才能形成高差較大的巖檻,但如果河床基巖軟硬相間的巖層厚度差異不大,即使時(shí)間較長,形成的巖檻型瀑布落差也會(huì)較小。當(dāng)軟硬相間巖層在流域多次重復(fù)時(shí),河流溯源侵蝕過程中,在軟弱巖石的層面上易形成緩傾的平臺(tái),而堅(jiān)硬的巖石則成為巖檻,該過程逐級(jí)向河流上游方向進(jìn)行,便形成了多級(jí)巖檻型瀑布。巖檻型瀑布成群出現(xiàn),常形成層層疊瀑、潭瀑相連、錯(cuò)落有致的瀑布群景觀,成為地質(zhì)公園中極具美學(xué)觀賞價(jià)值的造景地貌。

在云臺(tái)山世界地質(zhì)公園的五個(gè)園區(qū)中,巖檻型瀑布主要發(fā)育在青龍峽園區(qū)和云臺(tái)山園區(qū),青天河園區(qū)僅有少量分布。在青龍峽園區(qū),從青龍河下游沿著河谷向上,發(fā)育大量巖檻型瀑布,層層疊加,形成一個(gè)頗具規(guī)模的瀑布群。每級(jí)瀑布落差不大,最大落差為8 m,最小落差僅為1 m,由于水量充沛,流量較大。

青龍峽中疊翠瀑即為巖檻型瀑布(圖版Ⅰ-1),河床中出露中寒武統(tǒng)張夏組(?2z)中厚層白云巖與中薄層泥灰?guī)r互層。白云巖抗侵蝕能力相對較強(qiáng),屬于能干層,在流水作用下不易被侵蝕;而泥灰?guī)r屬于軟弱層,抗侵蝕能力相對較弱,在流水作用下容易被侵蝕,兩者抗侵蝕能力的差異是巖檻型瀑布形成的主要原因。在河流的下切過程中,遇到較軟弱的泥灰?guī)r層時(shí),側(cè)方侵蝕作用加強(qiáng),致使河谷變寬,形成平坦寬闊的河谷地貌。當(dāng)河流的溯源侵蝕進(jìn)行到一定階段,遇到抗侵蝕能力較強(qiáng)的中厚層白云巖地層時(shí),河流侵蝕的速度減緩,厚層的白云巖便形成一個(gè)陡坎,水流的沖刷和侵蝕作用在瀑布的下方形成沖蝕坑,進(jìn)一步加大了瀑布的落差,形成典型的巖檻型瀑布(圖2)。

云臺(tái)山地區(qū)分布較廣的中寒武統(tǒng)張夏組(?2z)和中奧陶統(tǒng)馬家溝組(O2m)白云巖、灰?guī)r與泥巖、泥灰?guī)r互層,真厚度達(dá)590 m(中華人民共和國國土資源部,2003),包含多個(gè)厚度不等的軟、硬韻律層,因而在河谷中形成了數(shù)量眾多的巖檻型瀑布。云臺(tái)山小寨溝中的“丫”字瀑(圖版Ⅰ-5)以及青天河上游地段的九連瀑屬于該類型的瀑布。不同巖石的巖性差異是巖檻型瀑布形成的主要因素,河流的溯源侵蝕也是重要條件,兩者相輔相成,缺一不可。此外,巖石的崩塌對巖檻型瀑布的形成也起到一定的輔助作用,它們共同造就了云臺(tái)山世界地質(zhì)公園巖檻型瀑布群的獨(dú)特景觀。

圖2 青龍峽中疊翠瀑形成剖面示意圖Fig.2 Schematic profile of Diecui waterfall in Qinglong canyon

3.2 裂點(diǎn)型瀑布

裂點(diǎn)是由于河流侵蝕基準(zhǔn)面下降所引起的河流的下切與溯源侵蝕過程中,溯源侵蝕所達(dá)到的那一段河床向上的地貌陡坎或坡折(曹伯勛,1995)。裂點(diǎn)型瀑布是由裂點(diǎn)導(dǎo)致河床的落差增加而形成的瀑布。

影響裂點(diǎn)形成的主要因素包括河床上基巖巖性的差異、新構(gòu)造活動(dòng)和溯源侵蝕過程中的巖塊崩塌等(趙遜等,2005)。裂點(diǎn)型瀑布落差的大小與巖性和溯源侵蝕的時(shí)間有關(guān)。由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起地殼抬升、侵蝕基準(zhǔn)面下降,河流溯源侵蝕形成裂點(diǎn),裂點(diǎn)的形成又加劇了河流的溯源侵蝕作用,從而增大瀑布陡坎的高度,所以,裂點(diǎn)型瀑布的高差與新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的幅度和期次密切相關(guān)。由于河流主流線一般靠近河谷的中間,所以河谷的中間部位易被先侵蝕崩塌,故裂點(diǎn)型瀑布形態(tài)上前緣呈弧狀彎曲。因此地殼的抬升運(yùn)動(dòng)、河流的侵蝕作用、崩塌作用以及地層巖性的差異共同造就了裂點(diǎn)型瀑布。

云臺(tái)山世界地質(zhì)公園中,裂點(diǎn)型瀑布主要分布在云臺(tái)山園區(qū)。其中落差高達(dá)314 m的“云臺(tái)天瀑”為最典型、壯觀的裂點(diǎn)型瀑布(圖版Ⅰ-7),也是云臺(tái)山世界地質(zhì)公園的主要景觀之一。

云臺(tái)天瀑的形成與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的地殼抬升、河流溯源侵蝕形成的裂點(diǎn)有關(guān)。本區(qū)僅在新近紀(jì)(N)以來就發(fā)生過兩次大規(guī)模的間歇性抬升運(yùn)動(dòng),分別以太行期和唐縣期的夷平面解體為標(biāo)志。 第四紀(jì)以來,唐縣期夷平面解體之后,云臺(tái)山地區(qū)又共發(fā)生了六次抬升運(yùn)動(dòng)(馬寅生等,2007;張緒教等,2011)。早期大幅度的構(gòu)造抬升導(dǎo)致河流強(qiáng)烈下蝕,當(dāng)下切到抗侵蝕能力較弱的寒武紀(jì)下部地層時(shí),下部基巖的侵蝕速率要大大高于中上部基巖,底部極易形成侵蝕凹槽或穴,致使上部厚層灰?guī)r或白云巖失去支撐,在重力作用下發(fā)生大規(guī)模崩塌,使瀑布陡坎進(jìn)一步加大;多次構(gòu)造抬升,逐漸形成每一級(jí)裂點(diǎn),如圖3-1、3-2是云臺(tái)天瀑形成的初期階段。第四紀(jì)構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)使河流繼續(xù)下切,不斷形成新的裂點(diǎn)然后發(fā)生崩塌,直至形成現(xiàn)在雄偉壯觀、高差達(dá)314 m的云臺(tái)天瀑(圖3-3、3-4)。

圖3 云臺(tái)天瀑形成剖面示意圖Fig.3 Schematic profile of Yuntai waterfall

3.3 斷裂型瀑布

水體沿?cái)鄬友碌湫纬傻钠俨挤Q為斷裂型瀑布。在較堅(jiān)硬的巖層中,斷裂作用常形成斷層崖,當(dāng)水流順崖壁流下時(shí)便會(huì)形成瀑布。斷裂型瀑布形成的原因主要是斷裂作用。

斷裂型瀑布主要為正斷層所致,水流分布于斷層面上,落差即為斷層兩盤的斷距,因此瀑布的規(guī)模大小與正斷層的斷距有關(guān)。斷裂型瀑布在野外識(shí)別時(shí),可以通過觀察瀑布前緣陡坎是否平直、河谷兩岸是否能追索到同期斷裂面等證據(jù)來判斷,在形態(tài)上與裂點(diǎn)型瀑布的主要區(qū)別是斷裂型瀑布較平直,而裂點(diǎn)型瀑布一般頂部崖壁形態(tài)呈弧形彎曲。

云臺(tái)山世界地質(zhì)公園中斷裂型瀑布主要分布在云臺(tái)山園區(qū),以百家?guī)r孝女塔北部天門瀑(圖版Ⅰ-3)及紅石峽溝口黑龍?zhí)镀俨?圖版Ⅰ-8)為代表。前者的落差達(dá)到125 m,后者的落差也達(dá)25 m,兩者的形成均與構(gòu)造活動(dòng)有關(guān),斷裂作用是這類瀑布形成的主要原因。在黑龍?zhí)镀俨己吞扉T瀑的南側(cè)即為NEE走向的黑龍王廟斷層,該斷層在晚新生代以來發(fā)生過強(qiáng)烈的活動(dòng),形成斷層面南傾的正斷層。斷裂活動(dòng)導(dǎo)致北側(cè)質(zhì)地堅(jiān)硬的中元古界云夢山組(Pt2y)石英砂巖上升,南側(cè)中奧陶統(tǒng)馬家溝組(O2m)質(zhì)地相對軟弱的灰?guī)r、白云巖下降,二者呈斷層接觸,形成了高差較大的朱紅色石英砂巖巖壁,流水順勢而下,形成天門瀑及黑龍?zhí)镀俨嫉葦嗔研推俨季坝^(圖4)。

3.4 鈣華型瀑布

鈣華型瀑布,即流水中溶解的碳酸鈣由于溫度、壓力的改變或生物作用的影響,溶解度降低而在河床中沉淀堆積成鈣華臺(tái)地,造成河床相對高差的加大而形成的瀑布。

鈣華的形成既受氣候、水文地質(zhì)條件的控制,又受河床巖性及地貌條件的影響。河水流經(jīng)碳酸鹽巖地區(qū)時(shí),水中會(huì)溶解大量的CaCO3,當(dāng)遇到枯水季節(jié)或地貌條件的影響,壓力、溫度和水分蒸發(fā)等因素造成CO2溶解度降低不斷逸出時(shí),CaCO3便會(huì)過飽和沉積下來(劉再華等,2009),形成鈣華堆積。由于鈣華沉積的速率較慢,在較短的時(shí)間里難以形成厚度較大的鈣華,現(xiàn)代河床中發(fā)育的主要為較年輕的鈣華臺(tái)地,故鈣華型的瀑布一般落差都不是很大。鈣華的形成受季節(jié)性水流的影響較大,濕熱的雨季,河谷中水流流速快、地表徑流CO2含量高、水體中CaCO3的溶解度相對較大(Liu et al.,2007;王海靜等,2011)、沉積區(qū)鈣華沉積速度較快,因此形成的鈣華厚度大;而干旱的枯水季則剛好相反,無論是鈣華的厚度還是臺(tái)地的規(guī)模都比較小。不同氣候旋回形成的鈣華層不斷加大地形的高差,進(jìn)而形成了鈣華型瀑布。

碳酸鹽巖巖性、流水的化學(xué)溶蝕與沉積作用以及氣候環(huán)境是影響鈣華型瀑布形成的三個(gè)主要因素。公園內(nèi)鈣華景觀主要分布在青龍峽園區(qū),該區(qū)主要地層為灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖地層,且產(chǎn)狀近水平,為鈣華瀑布的形成提供了基礎(chǔ)條件。其它園區(qū)如云臺(tái)山園區(qū)、青天河園區(qū)也有少許分布。

望龍瀑的第一級(jí)瀑布為鈣華型瀑布(圖版Ⅰ-2)。在形成初期的豐水季節(jié),水流經(jīng)過碳酸鹽巖區(qū)(運(yùn)移區(qū))溶解了大量的CaCO3,加上有利的地貌條件,如地形較平緩處(沉淀區(qū)),壓力變小,水層變淺,水中的CO2極易蒸發(fā),使CaCO3過飽和沉淀下來,形成層狀鈣華堆積?？菟竟?jié),巖坎處水流量非常小,水與空氣充分接觸,水中的CO2蒸發(fā)加快,過飽和的CaCO3便沿細(xì)流逐層沉淀,形成鈣華,這樣,鈣華逐年堆積導(dǎo)致河床陡坎增加,便形成了鈣華型瀑布(圖5)。

圖4 天門瀑形成剖面示意圖Fig.4 Schematic diagram showing the formation of Tianmen waterfall

圖5 鈣華型瀑布形成剖面示意圖Fig.5 Schematic profile showing the formation of tufa waterfall

3.5 溶蝕型懸瀑

溶蝕型懸瀑是指地下溶洞或暗河中的地下水體從崖壁上巖溶洞穴口流出、懸掛于崖壁而形成的瀑布。

溶蝕型懸瀑的形成也同巖溶作用密不可分,但與鈣華型瀑布不同之處在于它是與巖溶的溶蝕作用有關(guān),而鈣華型則與巖溶的沉積作用有關(guān)。在垂直循環(huán)帶中,地表水向地下垂直滲流,當(dāng)遇到局部隔水層時(shí),形成上層滯水,此時(shí)地下流水的運(yùn)動(dòng)方式由垂直運(yùn)動(dòng)改為水平運(yùn)動(dòng),形成水平循環(huán)帶,這是可溶性巖層與隔水層接觸界面上發(fā)育的水平溶洞形成的主要原因(趙遜等,2005)。地下溶蝕作用在可溶性巖石中形成的水平溶洞或者暗河,是該種瀑布形成的基礎(chǔ)及早期階段。

當(dāng)?shù)貧ぬ龝r(shí),會(huì)導(dǎo)致地方性侵蝕基準(zhǔn)面的下降、河流的下蝕作用加強(qiáng),當(dāng)河流侵蝕作用下切至巖溶洞穴底板之下時(shí),地下溶洞則會(huì)出露地表、洞口懸掛于陡崖之上,原來在地下溶洞或暗河中水平流動(dòng)的地下水體,順著陡壁下瀉,形成懸掛于谷壁的溶蝕型懸瀑。根據(jù)溶洞規(guī)模的大小和水流季節(jié)性,溶蝕型懸瀑的流量與形態(tài)不盡相同。

在云臺(tái)山世界地質(zhì)公園景區(qū)內(nèi),出露厚度近1000多米的寒武—奧陶紀(jì)的碳酸鹽巖,加上豐富的地下水以及構(gòu)造裂隙的發(fā)育,為巖溶作用創(chuàng)造了有利的條件。景區(qū)內(nèi)主要發(fā)育中奧陶統(tǒng)馬家溝組中厚層白云巖和灰?guī)r夾中薄層的頁巖、泥巖及泥灰?guī)r。上部白云巖及灰?guī)r裂隙比較發(fā)育,厚度較大。而下部巖性較軟弱的泥巖、頁巖則構(gòu)成了不透水的隔水層。當(dāng)大氣降水沿著巖石裂隙下滲,遇到隔水層時(shí),水流的運(yùn)動(dòng)方式由垂直運(yùn)動(dòng)改為水平運(yùn)動(dòng),促進(jìn)了水平溶洞的形成,當(dāng)水流從巖石裂隙處或者溶洞中流出時(shí),即形成了奇特的懸瀑。該類瀑布景觀主要發(fā)育在云臺(tái)山園區(qū)與青龍峽園區(qū),云臺(tái)山園區(qū)“龍鳳壁”即為典型的溶蝕型懸瀑景觀(圖版Ⅰ-6),在青龍峽園區(qū),青龍河谷壁上能觀察到不同海拔高度上的溶蝕型懸瀑(圖6)。

對云臺(tái)山四個(gè)園區(qū)主要 25個(gè)溶洞的分布高程統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),全區(qū)溶洞分布主要集中在 1100～1200 m、750～850 m、450～500 m 三個(gè)高度范圍(圖7),溶洞高程分布具有較好的規(guī)律性。不同高度的水平溶洞的形成規(guī)模及發(fā)育位置是由當(dāng)時(shí)地下水位控制的,只有當(dāng)?shù)叵滤槐容^穩(wěn)定,水平溶蝕作用持續(xù)時(shí)間較長時(shí)才能在地下潛水面附近形成一定規(guī)模的溶洞(張緒教等,2011)。所以,水平巖溶洞穴的發(fā)育應(yīng)該說明當(dāng)時(shí)地殼處于穩(wěn)定期,由于后期多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的抬升,使其現(xiàn)今分布于不同高度之上(圖6)。其中最早的第 1期水平溶洞由于形成時(shí)間較長,海拔較高,已經(jīng)沒有地下水出露,其余 3期水平溶洞仍有地下水流動(dòng),形成了多級(jí)溶蝕型懸瀑。

圖6 青龍峽景區(qū)溶蝕型瀑布發(fā)育示意圖(據(jù)趙遜,2005修改)Fig.6 Schematic diagram showing the formation of karst corrosion waterfall in Qinglong Canyon(modified after ZHAO Xun,2005)

3.6 人工型瀑布

由人工作用導(dǎo)致流水從高處向低處跌落而形成的瀑布稱為人工型瀑布。如通過人工筑壩、管渠引流等方式使水體升高后跌落形成的瀑布都屬于人工型瀑布。

這些人工瀑布景觀雖然沒有大自然的鬼斧神工,但它們借自然之形,仿自然之性,引自然之象,循自然之理(張琪等,2010),與周圍景致協(xié)調(diào)一致,彌補(bǔ)美感空缺,往往也具觀賞價(jià)值成為景觀的焦點(diǎn)。

在云臺(tái)山世界地質(zhì)公園,景色最為綺麗的人工型瀑布當(dāng)屬云臺(tái)山園區(qū)紅石峽中的雙拱橋瀑布(圖版Ⅰ-4),朱紅色的砂巖堤壩在河床中攔腰筑起,形成落差達(dá)近10 m的瀑布。另外,在青天河園區(qū)和青龍峽園區(qū)也可見到少量的人工型瀑布。

總之,通過對云臺(tái)山世界地質(zhì)公園的瀑布景觀進(jìn)行成因分類研究,將各個(gè)園區(qū)的瀑布根據(jù)成因進(jìn)行了系統(tǒng)分類,依次劃分為巖檻型、裂點(diǎn)型、斷裂型、鈣華型、溶蝕型以及人工型瀑布,同時(shí),本研究對各類型瀑布的形成動(dòng)力、影響因素及主要特征等進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)(表2),為今后其它區(qū)域瀑布的研究提供了思路和參考。

圖7 云臺(tái)山地質(zhì)公園溶洞海拔分布圖Fig.7 The elevation distribution of caves in Yuntai Mountain World Geopark

表2 云臺(tái)山地質(zhì)公園瀑布成因分類及特征Table 2 Genetic classification and characteristics of waterfalls in Yuntai Mountain World Geopark

4 結(jié)論與討論

通過對云臺(tái)山世界地質(zhì)公園詳細(xì)的野外地質(zhì)考察與綜合研究,不僅對瀑布進(jìn)行了成因分類,而且總結(jié)出各類瀑布在野外的識(shí)別標(biāo)志:巖檻型瀑布的規(guī)模與區(qū)內(nèi)較堅(jiān)硬巖層厚度相關(guān),若厚度較小往往成群分布,形成層層疊瀑,潭瀑相連,錯(cuò)落有致的景觀;裂點(diǎn)型瀑布規(guī)模和落差都較大,并且瀑布前緣呈弧形彎曲;斷裂型瀑布則沿?cái)鄬臃植?順河谷谷壁可追蹤到斷裂構(gòu)造,其前緣形態(tài)較平直,這也是在形態(tài)上區(qū)分裂點(diǎn)型和斷裂型瀑布的關(guān)鍵;鈣華型瀑布在巖坎處發(fā)育層狀鈣華臺(tái)地,河床凸出,一般落差不大;溶蝕型懸瀑一般發(fā)育在水平溶洞水流流出谷壁處,大小不一、形態(tài)各樣,在同一區(qū)域往往發(fā)育有不同高度的多級(jí)溶蝕型懸瀑;人工型瀑布明顯有人工作用的痕跡,比如管渠引流或人工筑壩加大水體落差等,但若能做到人工與自然景觀的協(xié)調(diào),依然能增加景區(qū)的靈秀之美。

大多數(shù)瀑布都是多成因瀑布。有些巖檻型瀑布在后期會(huì)有鈣華堆積而形成鈣華型瀑布,如疊翠瀑形成瀑布陡坎的主要原因是地層巖性差異,但由于當(dāng)?shù)氐臍鉁亍穸鹊葪l件合適,其上也有鈣華堆積,后期可能朝鈣華型瀑布發(fā)展;有些裂點(diǎn)型瀑布在后期受到了斷裂影響;有些溶蝕型懸瀑會(huì)受到鈣華堆積、斷裂的影響;有些成因類型的天然瀑布經(jīng)過人為作用后成為人工型瀑布,如青龍峽園區(qū)中的盤龍瀑等等。

另外,在對陜西商南金絲峽等其它地質(zhì)公園的瀑布進(jìn)行考察時(shí),根據(jù)各成因類型的特征及野外識(shí)別標(biāo)志均能從上述六類中找到其對應(yīng)的類型,說明上述瀑布的成因分類具有一定的普遍性和參考價(jià)值。當(dāng)然,由于調(diào)查范圍的局限性,瀑布成因分類可能還不是十分的全面,需要進(jìn)一步補(bǔ)充和完善,使瀑布成因分類系統(tǒng)更加全面、客觀和科學(xué)。

總之,以云臺(tái)山世界地質(zhì)公園具典型代表性的瀑布為例,并結(jié)合陜西商南金絲峽等地質(zhì)公園的考察,對瀑布的成因進(jìn)行分類研究,把瀑布按成因分為巖檻型、裂點(diǎn)型、斷裂型、鈣華型、溶蝕型及人工型六類,并分別討論了它們的形成動(dòng)力、影響因素及主要特征。本研究不僅提升了云臺(tái)山瀑布研究的科學(xué)價(jià)值,而且為瀑布的分類學(xué)提供了參考方案。

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圖版說明

圖版Ⅰ Plate Ⅰ

1-青龍峽中疊翠瀑(巖檻型瀑布);

2-望龍瀑(鈣華型瀑布);

3-天門瀑(斷裂型瀑布);

4-雙拱橋瀑布(人工型瀑布)

5-小寨溝中的“Y”字瀑(巖檻型瀑布)

6-龍鳳壁懸瀑(溶蝕型懸瀑);

7-云臺(tái)天瀑(裂點(diǎn)型瀑布);

8-黑龍?zhí)镀俨?斷裂型瀑布)

1-the Die Cui waterfall in Qinglong canyon(threshold waterfalls);

2-Nine waterfall(tufa waterfalls);

3-Tianmen waterfall(faulted waterfalls);

4-Shuanggongqiao Waterfall(artificial waterfalls);

5-the "Y" waterfall in xiaozhai gully(threshold waterfalls);

6-Longfeng cliff Hanging waterfall(corrosion waterfalls);

7-Great Yuntai waterfall(knick-point waterfalls);

8-Heilongtan waterfall(faulted waterfalls)

圖版Ⅰ Plate Ⅰ

Genetic Classification of Waterfalls in Yuntai Mountain World Geopark

JIA Li-yun1),ZHANG Xu-jiao1),YANG Dong-chao2),ZHOU Yi-qun1),FAN Ke-feng2),ZHANG Jin-zhe1),WANG Xing-min2),GONG Cheng2)
1)China University of Geosciences,Beijing100083;
2)No.2 Geological Party,Henan Bureau of Geology and Mineral Resources,Zhengzhou,Henan450001

The classification of physiognomy is an important part of geomorphology,and genetic classification is the basis for the classification of landforms.The research on the classification of waterfalls can increase the scientific and tourism value,as the waterfalls are not only very significant landscapes but also important geological heritages and tourism resources in geoparks.Wterfalls and waterfall groups of different sizes,types and geneses are distributed in Yuntai Mountain World Geopark,which provide good materials for the study of genetic classification of waterfalls.This paper has summarized the genetic classification and characteristics of waterfalls through field geological investigation in the Yuntai Mountain World Geopark.According to tectonic activities,lithologic conditions,dynamic action,karst deposits and the influence of human activities on the development of Yuntai Mountain World Geopark,the waterfalls can be classified into threshold waterfalls,knick-point waterfalls,faulted waterfalls,karst corrosion waterfalls,tufa waterfalls and artificial waterfalls.The results not only provide scientific evidence for improving the potential value of waterfalls in geo-tourism but also play a reference role in the study of waterfall classification.

waterfalls;genetic classification;geopark;Yuntai Mountain

P931.1;K878;F592.99

A

10.3975/cagsb.2012.02.13

本文由河南省財(cái)政廳“2006年云臺(tái)山世界地質(zhì)公園地質(zhì)遺跡保護(hù)”專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):2006-HJ-3)資助。

2011-12-14;改回日期:2012-01-14。責(zé)任編輯:魏樂軍。

賈麗云,女,1982年生。碩士研究生。從事地理學(xué)專業(yè)地貌與新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)方向研究。E-mail:13933890787@139.com。

*通訊作者:張緒教,男,1964年生。博士,副教授。主要從事地貌與第四紀(jì)地質(zhì)、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的教學(xué)及科研工作。通訊地址:100083,北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)。電話:010-82322082。E-mail:zhangxj@cugb.edu.cn。