何雨栗，劉麗娟，張斌，左自泉，劉守江，孫柏年

1) 西華師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，四川南充，637009；2) 四川省干旱河谷土壤侵蝕監(jiān)測(cè)與控制工程實(shí)驗(yàn)室，四川南充，637009；3) 西華師范大學(xué)嘉陵江流域研究所，四川南充，637009；4) 西華師范大學(xué)教務(wù)處，四川南充，637009； 5) 蘭州大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院，蘭州，730000

內(nèi)容提要: 河成壺穴是山區(qū)河床基巖上常見的微地貌類型，記錄了區(qū)域地貌演化過程、水流與河床邊界相互作用的關(guān)鍵信息?；诖?，筆者等以川北旺蒼蒼王峽龍?zhí)蹲雍?10處河成壺穴為研究對(duì)象，詳細(xì)測(cè)量其形態(tài)特征并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明：非串珠狀壺穴大小、深度及形態(tài)在河床縱剖面上的分布沒有明顯的規(guī)律性，而串珠狀壺穴具有一定的規(guī)律性；壺穴集中分布在下寒武統(tǒng)閻王碥組硅質(zhì)礫巖中，其中發(fā)育的石英砂巖夾層對(duì)壺穴的形成和演化起到了關(guān)鍵性作用，雙層天生橋壺穴則是典型的代表；區(qū)內(nèi)發(fā)育NE、E—W向平面共軛X型構(gòu)造節(jié)理和S—N向構(gòu)造節(jié)理，三角形、菱形、不規(guī)則形壺穴多受兩組或 3 組節(jié)理控制，其中S—N向構(gòu)造節(jié)理還控制了壺穴的長軸走向和河谷走向；構(gòu)造節(jié)理對(duì)壺穴口形態(tài)的演化影響顯著，而對(duì)壺穴垂直剖面形態(tài)的影響不顯著。本研究將豐富和完善河成壺穴地貌的數(shù)據(jù)資料，為米倉山地區(qū)河流地貌和構(gòu)造演化提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)于壺穴的研究，近20多年來雖在譯名上稍有混亂(呂洪波和章雨旭，2008b)、在山脊壺穴的成因上有較多爭(zhēng)議(韓同林等，1999； 呂洪波等，2008a; 章雨旭和劉戀，2011; 朱銀奎，2014)，但對(duì)河成壺穴的認(rèn)識(shí)較為統(tǒng)一。河成壺穴(pothole)是指基巖河床上形成的近似壺形的凹坑，是急流旋渦夾帶砂礫石磨蝕河床而成，集中分布在瀑布、跌水的陡崖下方或坡度較陡的急灘上，具有口小、肚大、底平的特征，一般可呈現(xiàn)圓形、碗形或圓柱狀(呂洪波和章雨旭，2008b)。 呂洪波等(2008a)建議壺穴僅僅用于表示快速旋轉(zhuǎn)水流(無需攜帶礫石等)作用下在基巖表面形成的近圓筒型的圓坑，以口小、肚大、底平為典型的形態(tài)特征。 但基于北京延慶白龍?zhí)毒扌蜕焦葔匮ǖ撞恐行挠幸煌蛊鸬臍堉?呂洪波等，2010), 進(jìn)一步表明山谷壺穴主要是高速旋轉(zhuǎn)水流侵蝕作用的結(jié)果，并不一定具有底平這一典型的形態(tài)特征。國外學(xué)者也有僅從水動(dòng)力條件角度強(qiáng)調(diào)河成壺穴是在漩渦流驅(qū)動(dòng)下垂向侵蝕河道形成的一種壺穴類型(Springer et al., 2005; Ortega et al., 2014)。Pelletier等(2015)基于流體力學(xué)數(shù)值模擬，認(rèn)為圓柱形壺穴內(nèi)的漩渦流是由其上快速水流的剪切應(yīng)力引起的，壺穴底部的平均剪應(yīng)力在壺穴深度與平均半徑比值等于1(d/r= 1)時(shí)達(dá)到最大值，隨d/r的增大而呈非線性減小。

河成壺穴是全球最為常見的壺穴類型，其形態(tài)和成因研究也取得了一定的進(jìn)展。河成壺穴對(duì)河床基巖巖性不具明顯的選擇性，諸如花崗巖(梁詩經(jīng)，2009；王為等，2013a；Ortega et al., 2014；曾蘭華等，2016；Dhali and Biswas, 2017；梁詩經(jīng)等，2017；Ortega et al., 2017；曾蘭華等，2017；Ji Shaocheng et al., 2018；Dhali, 2019；廖如松等，2020)、砂巖(劉曉嬌等，2013；Ji Shaocheng et al., 2018, 2019；唐迪等，2019；Sane et al., 2020)、黏土巖(Wang Wei et al., 2009；劉曉嬌等，2013；任海慶，2016)、碳酸鹽巖(曹明達(dá)等，2016；周忠發(fā)等，2016；Dhali and Biswas, 2017；張結(jié)等，2017；Ji Shaocheng et al., 2018；Ji Shaocheng et al., 2019)、片麻巖(Springer et al., 2005, 2006；Ji Shaocheng et al., 2018；Bera et al., 2019；Ji Shaocheng and Li Le, 2019)、低級(jí)變質(zhì)巖(Springer et al., 2005, 2006；Goode，2009)、火山凝灰?guī)r(Abbott and Pottratz, 1969；Ji Shaocheng et al., 2018；黃日輝等，2022)、玄武巖(Abbott and Pottratz, 1969；Kale and Shingade, 1987；Sato et al., 1987；Kale and Joshi 2004；Sengupta and Kale, 2011；Lima and Binda, 2013, 2015)基巖河床均見其發(fā)育。在研究方法上，國內(nèi)主要體現(xiàn)在定量描述壺穴長軸、短軸長度、壺穴深度，擬合壺穴發(fā)育過程中長軸與短軸、深度與平均口徑間的函數(shù)關(guān)系(Wang Wei et al., 2009；劉曉嬌等，2013；王為等，2013a；曹明達(dá)等，2016；Ji Shaocheng et al., 2018；Ji Shaocheng et al., 2019；唐迪等，2019；廖如松等，2020；黃日輝等，2022)。國外研究側(cè)重于模擬壺穴幾何形態(tài)(Springer et al., 2005，2006；Pelletier et al., 2015；Dhali, 2019；Dhali and Biswas, 2019)；分析壺穴形態(tài)參數(shù)與水動(dòng)力條件之間的關(guān)系(Zen and Prestegaard, 1994；Pelletier et al., 2015；Dhali and Biswas, 2017)，壺穴形態(tài)演化與構(gòu)造或基巖的關(guān)系(Ortega et al., 2014，2017；Lima and Binda, 2015；Sane et al., 2020)。Springer等(2005，2006)通過對(duì)南非奧蘭治河壺穴群(n=473，平均半徑ˉr=5 cm～5 m)的調(diào)查，建立了壺穴平均半徑和深度的冪律關(guān)系：ˉr=kdε，不同基巖類型河床發(fā)育的壺穴群k值和ε值不同，其中花崗片麻巖(k=2.4，ε=0.57)、石英巖或變質(zhì)礫巖(k=2.0，ε=0.67)、片麻狀石英巖(k=1.0，ε=0.85)。Ji Shaocheng等(2018)通過對(duì)全球河成壺穴(n=3565，D=14.7～194.8 cm)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)深度和平均口徑之間存在一定的相關(guān)性D=Nh+M(N<1，均值0.67)，表明其深度增長速率快于平均口徑的增長速率，并認(rèn)為這與基巖類型無關(guān)。綜上表明，河成壺穴深度與平均口徑之間存在一定的相關(guān)性，這是否受到基巖類型的影響？值得商榷和探究。河成壺穴的形成和演化與河床基巖性質(zhì)、局部地質(zhì)條件、水動(dòng)力條件、氣候條件等多因素有關(guān)(Sengupta and Kale, 2011；劉曉嬌等，2013；Bera et al., 2019；Ji Shaocheng et al., 2019；Ji Shaocheng and Li Le, 2019；Sane et al., 2020；廖如松等，2020)。壺穴作用控制了河流侵蝕速率，從而控制了山脈在構(gòu)造隆升和氣候變化響應(yīng)下的地貌演化(Ji Shaocheng et al., 2019)。

關(guān)于河成壺穴的研究，雖有研究涉及石英巖(Springer et al., 2005，2006)和燧石巖(Sato et al., 1987)此類化學(xué)成分基本為SiO2的基巖，但未有對(duì)硅質(zhì)礫巖地層區(qū)壺穴分布、規(guī)模、形態(tài)及成因的研究，而硅質(zhì)礫巖又是抗侵蝕能力極強(qiáng)的基巖類型，其研究具有特殊的意義。四川北部旺蒼縣蒼王峽地質(zhì)生態(tài)風(fēng)景區(qū)內(nèi)的地質(zhì)遺跡具有重要的科研價(jià)值，尤以全國罕見的潛龍十八潭和龍?zhí)蹲悠俨純商幤嫣氐牡刭|(zhì)景觀聞名，引來眾多慕名而來的游客和地貌專家，但目前其科學(xué)研究基本還處于探索階段。因此，筆者等選取蒼王峽景區(qū)龍?zhí)蹲雍雍映蓧匮檠芯繉?duì)象，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析，定量描述壺穴長軸、短軸、平均口徑、深度，擬合壺穴長軸與短軸、深度與平均口徑間的函數(shù)關(guān)系，重點(diǎn)探討基巖性質(zhì)和構(gòu)造節(jié)理對(duì)壺穴發(fā)育的影響，從而揭示河成壺穴的成因和演化過程，這對(duì)米倉山地區(qū)的構(gòu)造演化有著一定的啟示意義。

1 研究區(qū)概況

龍?zhí)蹲雍訅匮ㄈ?N 32°34.86′，E 106°18.36′)位于四川省旺蒼縣萬家鄉(xiāng)、鹽河鄉(xiāng)境內(nèi)，蒼王峽地質(zhì)生態(tài)風(fēng)景區(qū)內(nèi)，地處川北盆地邊緣，川陜交界的米倉山南麓(圖1a)。研究區(qū)壺穴所在河段的河床海拔介于950～1000 m，屬巖溶中山地貌，亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，溫和濕潤，四季分明，年降水量多達(dá)1200 mm以上。旺蒼縣蒼王峽龍?zhí)蹲雍訛辂}井河(又名西河)一支流，總長約7.6 km，鹽井河于雙匯鎮(zhèn)匯入東河，東河乃嘉陵江廣元市境內(nèi)的右岸支流，貫穿旺蒼縣城入閬中市境內(nèi)文成鎮(zhèn)，于爛泥溝注入嘉陵江。

圖1 川北旺蒼蒼王峽龍?zhí)蹲雍訅匮ǖ乩砦恢脠D(a)(底圖據(jù)搜狗地圖)、(b)(底圖據(jù)Mapbox)和構(gòu)造位置圖(c)(據(jù)孫東，2011修改)

壺穴群發(fā)育河段總長250 m，位于龍?zhí)蹲雍酉掠?，河床基巖為硅質(zhì)礫巖夾石英砂巖，河床坡度介于10°～20°。龍?zhí)蹲雍酉掠沃黧w流向約為NE 70°，而在壺穴群發(fā)育河段因受構(gòu)造影響其流向轉(zhuǎn)變?yōu)镾W 200°，從而形成明顯的河流大拐彎且河道變狹窄(圖1b)；該河段上游并未見瀑布和陡崖地貌發(fā)育。

米倉山地區(qū)位于揚(yáng)子板塊北緣，北側(cè)為漢南推覆構(gòu)造和秦嶺造山帶，東側(cè)為大巴山前陸沖斷帶，西側(cè)為龍門山陸內(nèi)復(fù)合造山帶，南側(cè)為四川盆地(孫東，2011；圖1c)。米倉山地層屬四川地區(qū)大巴山分區(qū)、米倉山小區(qū)，包括南江、旺蒼兩縣的北部及廣元、通江一隅，出露的地層下自中、上元古界，上至中生界，但泥盆系、石炭系完全缺失(孫東，2011)。大地構(gòu)造上，研究者多將米倉山造山帶劃分為東部、中部、西部、前緣四個(gè)構(gòu)造分區(qū)，而研究區(qū)位置屬于米倉山西部區(qū)。地質(zhì)歷史時(shí)期，研究區(qū)經(jīng)歷了結(jié)晶基底形成、褶皺基底形成、澄江期大陸裂谷、克拉通盆地演化、陸內(nèi)盆山耦合—推覆構(gòu)造五大演化階段(魏顯貴等，1997)。

研究區(qū)主要發(fā)育早寒武世地層，自下而上分別為仙女洞組、閻王碥組和龍王廟組。早寒武世仙女洞期漢南古陸達(dá)準(zhǔn)平原化階段，提供的碎屑物質(zhì)顯著減少，形成以碳酸鹽為主的仙女洞組沉積。仙女洞組沉積之后，西北部的摩天嶺古陸上升作用明顯加強(qiáng)，形成以富含燧石砂礫為特征的下寒武統(tǒng)閻王碥組碎屑沉積(范存輝和楊西燕，2016)。研究區(qū)發(fā)育壺穴的河床基巖地層即為下寒武統(tǒng)閻王碥組的礫巖、含礫砂巖段，與下伏仙女洞組和上覆龍王廟組均呈整合接觸關(guān)系(范存輝和楊西燕，2016)。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

首先對(duì)研究區(qū)建立控制網(wǎng)，控制網(wǎng)采用徠卡Nova MS60全站儀進(jìn)行導(dǎo)線控制測(cè)量。對(duì)布設(shè)好的控制點(diǎn)，采用全站儀測(cè)量其坐標(biāo)。對(duì)典型壺穴進(jìn)行全方位掃描，并對(duì)其分布位置進(jìn)行定位。同時(shí)，測(cè)量研究區(qū)發(fā)育較好的節(jié)理走向。利用皮尺、激光測(cè)距儀測(cè)量壺穴長軸、短軸和深度，羅盤測(cè)量長軸走向，并記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)，測(cè)量壺穴共計(jì)110個(gè)。數(shù)據(jù)處理和分析軟件主要為ArcGIS 10.5、Origin 2019和R，繪圖和制圖軟件主要為Microsoft Office Excel 2016和CorelDRAW 2018。

2.2 主要參數(shù)

3 結(jié)果和分析

3.1 壺穴形態(tài)

研究區(qū)河成壺穴長軸(a)均值2.29 m，短軸(b)均值1.50 m，長短軸之比(a/b)的均值為1.92，平均口徑(D)均值1.83 m，深度(h)均值0.91 m，D/h均值3.68，長軸、短軸和深度的極大值、極小值相差懸殊，并且三者的離散系數(shù)均大于1，最大值達(dá)1.87，離散系數(shù)大(表1)，說明研究區(qū)壺穴的大小、深度及形態(tài)在河床縱剖面上的分布規(guī)律極不明顯。

表1 川北旺蒼蒼王峽龍?zhí)蹲雍訅匮ㄐ螒B(tài)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

從測(cè)量數(shù)據(jù)分析，研究區(qū)壺穴口形態(tài)以近圓形壺穴少見，占4.5%，主要發(fā)育橢圓形壺穴和長形壺穴，分別占46.4% 和48.2%(表2)。從直觀形態(tài)判斷，研究區(qū)壺穴形態(tài)多樣，可分為近圓形、橢圓形、心形、梨形、槽形、菱形、三角形、梭形、豆莢形、碟形、串珠狀壺穴及多邊形或不規(guī)則狀壺穴(圖2)。其中以三角形和不規(guī)則狀壺穴最為普遍，這與研究區(qū)節(jié)理構(gòu)造發(fā)育有密切的關(guān)系。

圖2 川北旺蒼蒼王峽龍?zhí)蹲雍訅匮ㄐ螒B(tài)特征：(a)近圓形；(b)橢圓形；(c)心形；(d)梨形；(e)槽形；(f)菱形；(g)三角形；(h)梭形

表2 川北旺蒼蒼王峽龍?zhí)蹲雍訅匮ū饴?e)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

筆者等依據(jù)壺穴的分布特征、規(guī)模大小，將研究區(qū)壺穴分為兩大類：非串珠狀壺穴和串珠狀壺穴。非串珠狀壺穴a均值1.33 m，b均值0.76 m，a/b均值1.97，D均值0.99 m，h均值0.36 m，D/h均值3.99。長軸、短軸和深度的極大值、極小值相差懸殊，并且三者的離散系數(shù)均大于0.80，離散程度大(表1)，說明非串珠狀壺穴的大小、深度及形態(tài)在河床縱剖面上的分布規(guī)律不明顯。

串珠狀壺穴在研究區(qū)是一串由大小不等的18個(gè)單壺穴串聯(lián)而成的壺穴群，被形象地稱之為“潛龍十八潭”，較之其他壺穴，規(guī)模更大，主要受控于一組近南北向的張節(jié)理，該組節(jié)理嚴(yán)格控制了這些壺穴的長軸方向、規(guī)模及形態(tài)，壺穴垂直剖面形態(tài)主要以“U”型和倒“Ω”型為主(圖3)。串珠狀壺穴的a均值7.23 m，b均值5.31 m，a/b均值1.64，D均值6.13 m，h均值3.71 m，D/h均值2.07。三者的離散系數(shù)相對(duì)非串珠狀壺穴較小，均小于0.80(表1)，說明串珠狀壺穴的大小、深度及形態(tài)在河床縱剖面上的分布具有一定的規(guī)律性。

3.2 壺穴成因

河成壺穴是山區(qū)基巖河床常見的微地貌類型，是水動(dòng)力條件、構(gòu)造條件、基巖性質(zhì)、推移質(zhì)與時(shí)間等因素耦合作用的結(jié)果，可以建立如下的壺穴概念模型(劉曉嬌等，2013)：

P=f(H,F,B,Bl)T

式中P為壺穴；H為水動(dòng)力條件；F為構(gòu)造；B為基巖；Bl為推移質(zhì)；T為時(shí)間。

3.2.1水動(dòng)力條件

河成壺穴主要是高速旋轉(zhuǎn)流水侵蝕河床作用的結(jié)果。通過野外考察，壺穴群發(fā)育河段上游并未見瀑布和陡崖發(fā)育，但出現(xiàn)了明顯的河流大拐彎和河道變窄，從而具備形成高速旋轉(zhuǎn)水流的條件。壺穴是河床下切的侵蝕形式之一，在下切強(qiáng)烈的河段，壺穴形成不需要很長時(shí)間，但不能充分發(fā)育，也難以長期保留(Wang Wei et al.，2009)。筆者等以串珠狀18號(hào)壺穴為界限，至龍?zhí)蹲悠俨紕潪楹哟蚕露危?8號(hào)壺穴至1號(hào)壺穴劃為河床中段，1號(hào)壺穴以上劃為河床上段(圖3)。野外考察發(fā)現(xiàn)壺穴幾乎全部集中發(fā)育在河床中段，該段河床坡度最大處接近20°，最小處約10°(圖4a)；河床下段接近水平，基本未見壺穴發(fā)育(圖4b)；河床上段坡度大于20°。說明坡度較陡的急灘上容易發(fā)育壺穴地貌，但適度的坡度有利于壺穴的保留，可以看出串珠狀壺穴大多已處于壯年期或老年期。據(jù)此推斷河床上段早期也有壺穴發(fā)育，但由于河谷比降大，水動(dòng)力條件強(qiáng)，河流下切強(qiáng)烈，壺穴已全部消亡聯(lián)成了河道。

圖4 川北旺蒼蒼王峽龍?zhí)蹲雍訅匮òl(fā)育程度：(a)河床中段；(b)河床下段

3.2.2構(gòu)造條件

壺穴趨向形成于軟弱帶(斷層、節(jié)理、層理面、裂隙等)，但形成軟弱帶的具體位置卻是隨機(jī)的，且有斷裂或節(jié)理穿過的壺穴，其長軸走向、長軸長度及口徑均會(huì)受到影響(王為等，2010；劉曉嬌等，2013)。研究區(qū)節(jié)理發(fā)育，在挾帶砂礫石的水流旋轉(zhuǎn)磨蝕河床的過程中，易沿節(jié)理沖切，使其長軸增大(表2)。

研究區(qū)構(gòu)造節(jié)理走向多集中于270°～290°和70°～90°，其次集中于0°～10°；壺穴的長軸走向具有一定的選擇性，多集中于0～20°，與近S—N向節(jié)理走向和河流走向大體一致(圖5)。湯聰?shù)?2011)研究顯示米倉山構(gòu)造帶共經(jīng)歷了S—N向逆沖性擠壓運(yùn)動(dòng)(200～160 Ma)、S—N向走滑性擠壓運(yùn)動(dòng)(120～100 Ma)、NW—SE向擠壓運(yùn)動(dòng)(95 Ma)、NE—SW向擠壓運(yùn)動(dòng)(50～40 Ma)、E—W向擠壓運(yùn)動(dòng)(15 Ma)共5期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。其中，NE—SW向擠壓運(yùn)動(dòng)，發(fā)生于早喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)時(shí)期，大巴山向四川盆地的擴(kuò)展變形階段，形成走向S—N、NWW構(gòu)造節(jié)理及走向NE、E—W平面共軛X型構(gòu)造節(jié)理(湯聰?shù)龋?011)。而研究區(qū)發(fā)育NE、近E—W向X型共軛節(jié)理和近S—N向節(jié)理，表明構(gòu)造節(jié)理可能主要受控于第4期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。

圖5 川北旺蒼蒼王峽龍?zhí)蹲雍訅匮ㄩL軸走向和節(jié)理走向玫瑰圖

圖 6 川北旺蒼蒼王峽龍?zhí)蹲雍邮芏嘟M節(jié)理控制的壺穴：(a)串珠狀9號(hào)壺穴局部，受近S—N向和近E—W向兩組節(jié)理控制；(b)串珠狀11號(hào)壺穴局部；(c)受兩組節(jié)理控制的不規(guī)則狀壺穴；(d)受 3 組節(jié)理控制的不規(guī)則狀壺穴

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示研究區(qū)受多組節(jié)理控制的壺穴占比約55%，部分壺穴甚至受 3 組節(jié)理的控制(圖6)，多發(fā)育成三角形、菱形或不規(guī)則形(圖6c、d)，其中串珠狀壺穴長軸走向受控于近S—N向節(jié)理(圖6a、b)，這充分說明節(jié)理對(duì)壺穴的發(fā)育及形態(tài)起到了關(guān)鍵的作用。為了更好地分析節(jié)理與壺穴形態(tài)之間的關(guān)系，筆者等將研究區(qū)的壺穴劃分為 3 大類：受多組節(jié)理控制的壺穴、節(jié)理控制作用不明顯的壺穴、串珠狀壺穴。節(jié)理控制作用不明顯的壺穴長軸與短軸之間的相關(guān)性(R2≈0.5)不強(qiáng)(圖7)，而受多組節(jié)理控制的壺穴兩者具有強(qiáng)的相關(guān)性，說明節(jié)理對(duì)壺穴口形態(tài)的演化影響顯著。節(jié)理控制作用不明顯的壺穴，其長軸和短軸可隨機(jī)發(fā)育，兩者之間沒有強(qiáng)的相關(guān)性；而受多組節(jié)理控制的壺穴，其長軸和短軸的發(fā)育因受同一套節(jié)理系的約束，更傾向于沿著節(jié)理方向擴(kuò)展，致使壺穴不能隨機(jī)發(fā)育，因此二者之間存在強(qiáng)的相關(guān)性。壺穴深度與平均口徑之間相關(guān)性的擬合結(jié)果滿足D=Nh+M，不論是受多組節(jié)理控制的壺穴，還是節(jié)理控制作用不明顯的壺穴，D與h之間均具有較強(qiáng)的相關(guān)性(R2≈0.7; 圖8)，說明節(jié)理對(duì)壺穴垂直剖面形態(tài)的演化影響不顯著。蒼王峽龍?zhí)蹲雍雍映蓧匮ㄆ骄趶脚c深度關(guān)系的擬合結(jié)果(圖8)表明其口徑擴(kuò)展速率快于深度增長速率(N>1)，D/h均值為3.68，也能說明這一點(diǎn)；而串珠狀壺穴N≈1，說明壺穴發(fā)育后期更傾向于侵蝕底部垂向擴(kuò)展加深，擬合結(jié)果中D與h之間的相關(guān)性(R2≈0.5)不強(qiáng)(圖8)，也驗(yàn)證了此結(jié)論，攜帶砂礫石的旋轉(zhuǎn)流水磨蝕下切作用是壺穴垂向擴(kuò)展加深的主要?jiǎng)恿C(jī)制。

圖7 川北旺蒼蒼王峽龍?zhí)蹲雍訅匮ㄩL軸與短軸關(guān)系：(a)全區(qū)壺穴；(b)受多組節(jié)理控制的壺穴；(c)節(jié)理控制作用不明顯的壺穴；(d)串珠狀壺穴

圖8 川北旺蒼蒼王峽龍?zhí)蹲雍訅匮ㄆ骄趶脚c深度關(guān)系：(a)全區(qū)壺穴；(b)受多組節(jié)理控制的壺穴；(c)節(jié)理控制作用不明顯的壺穴；(d)串珠狀壺穴

3.2.3基巖性質(zhì)

基巖的性質(zhì)決定了河流的侵蝕力度和方式(Springer et al., 2006)。前文研究表明龍?zhí)蹲雍訅匮趶綌U(kuò)展速率快于或近于深度增長速率，這與Ji Shaocheng等(2018)對(duì)全球河成壺穴的擬合結(jié)果并不一致，筆者等認(rèn)為其與龍?zhí)蹲雍雍哟蔡厥獾幕鶐r性質(zhì)關(guān)系密切。研究區(qū)的河床基巖屬于下寒武統(tǒng)閻王碥組，巖性大體可分為深褐色硅質(zhì)礫巖、褐灰色含礫石英粗砂巖、褐灰色石英粗砂巖 3 類，其抗風(fēng)化或抗侵蝕能力依次減弱。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育硅質(zhì)礫巖(圖9a)。硅質(zhì)礫巖具礫狀結(jié)構(gòu)；中—厚層狀構(gòu)造；碎屑物為燧石和石英，次圓狀，磨圓度中等—較好，分選性中等—較好，粒徑2～4 cm居多；硅質(zhì)膠結(jié)。碎屑物質(zhì)來源于早寒武世區(qū)內(nèi)西北部的摩天嶺古陸，劇烈抬升后，遭受風(fēng)化剝蝕所致，其中燧石碎屑高達(dá)90%以上(圖9a)，陸源碎屑(燧石礫)可能來源于震旦系燈影組或下寒武統(tǒng)寬川鋪組中的燧石條帶、燧石結(jié)核或燧石團(tuán)塊。下寒武統(tǒng)閻王碥組沉積環(huán)境為局限臺(tái)地，強(qiáng)物源的輸入，為其提供了豐富的陸源碎屑(曾楷等，2020)。

硅質(zhì)礫巖中的燧石碎屑和石英碎屑化學(xué)成分均為SiO2，加之硅質(zhì)膠結(jié)，基巖抗侵蝕能力極強(qiáng)。但礫巖層中多含有中—薄層狀石英砂巖或含礫石英砂巖夾層(圖9b)，該夾層的抗侵蝕能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于硅質(zhì)礫巖(圖9c)。雙層天生橋8號(hào)壺穴便是很好的見證，則是第一、第二石英砂巖夾層被大幅度侵蝕所致(圖3；圖9d)。因此，筆者等推斷挾帶砂礫石的水流旋轉(zhuǎn)磨蝕河床的過程中，先是沿著構(gòu)造節(jié)理沖切，形成凹坑或凹槽，隨著壺穴的進(jìn)一步擴(kuò)展加深，趨向于侵蝕石英砂巖夾層或硅質(zhì)礫巖的層理面，進(jìn)而主要沿著平面橫向擴(kuò)展，而壺穴發(fā)育后期，挾帶砂礫石的旋轉(zhuǎn)水流更傾向于垂向磨蝕壺穴。

圖9 川北旺蒼蒼王峽龍?zhí)蹲雍訅匮òl(fā)育區(qū)基巖特征：(a)下寒武統(tǒng)閻王碥組中—厚層狀硅質(zhì)礫巖；(b)硅質(zhì)礫巖中發(fā)育的中—薄層狀石英砂巖夾層；(c)第一石英砂巖夾層局部被流水侵蝕形成天生橋洞；(d)第一、二石英砂巖夾層均被侵蝕形成雙層天生橋

龍?zhí)蹲悠俨际蔷皡^(qū)的另一大奇觀，豐水期寬可達(dá)12 m，落差高達(dá)125 m，號(hào)稱川北第一高瀑布(章榮亮和朱創(chuàng)業(yè)，2008)。通過對(duì)龍?zhí)蹲悠俨嫉貙悠拭孢M(jìn)行考察，上覆的下寒武統(tǒng)閻王碥組硅質(zhì)礫巖層在此剖面頂部基本尖滅(圖3；圖10)，而其下伏的下寒武統(tǒng)仙女洞組中、上部則以碳酸鹽沉積為主，相對(duì)于硅質(zhì)礫巖，是絕對(duì)的軟弱層(圖10)。因此，仙女洞組為河流的進(jìn)一步大幅度下切提供了物質(zhì)條件，從而形成了壯美的地質(zhì)奇觀。河床兩側(cè)并未發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)礫巖的進(jìn)一步延伸，據(jù)此筆者等推斷下寒武統(tǒng)閻王碥組在該區(qū)域僅是一個(gè)大的楔形沉積體，因此壺穴的形成僅與局部的地質(zhì)、地貌有關(guān)。

3.2.4推移質(zhì)

推移質(zhì)(bed load)是指在水流作用下，河、海床表面以滑動(dòng)、滾動(dòng)、跳躍或?qū)右品绞竭\(yùn)動(dòng)的泥沙顆粒；而顆粒的搬運(yùn)方式和碎屑大小之間的關(guān)系不是恒定的，其隨水流強(qiáng)度而變化(孫鴻烈等，2017)。在基巖裸露的河床，壺穴發(fā)育過程中，適量的推移質(zhì)(砂礫石)在流水帶動(dòng)下主要通過沖擊和磨蝕的方式作用于壺穴(劉曉嬌等，2013)。串珠狀壺穴底部見大量的礫石堆積，磨圓度呈次棱角狀至次圓狀，分選性中等，巖性以石英砂巖和白云巖為主，礫石粒徑多為2～10 cm，最大可達(dá)20 cm(圖11)；次棱角狀的磨圓度和碳酸鹽礫石的保留，反映出部分礫石并未經(jīng)歷過長期的磨蝕作用，說明這些礫石應(yīng)為壺穴形成后期由河流搬運(yùn)帶入，還未參與對(duì)壺穴形態(tài)的塑造。王為等(2013b)認(rèn)為壺穴形成后再進(jìn)入壺穴的推移質(zhì)，只要有足夠的水動(dòng)力條件，就要參與對(duì)壺穴的磨蝕。壺穴底部推移質(zhì)粒徑差異性大，分選性中等，反映出研究區(qū)第四紀(jì)時(shí)期河流水動(dòng)力條件較強(qiáng)，且不斷變化；洪水期呈懸浮狀的細(xì)顆粒碎屑，在枯水期則會(huì)在壺穴底部沉積保留。因此，河床推移質(zhì)對(duì)壺穴的磨蝕作用主要取決于河流的水動(dòng)力條件，而水動(dòng)力條件又受控于氣候變化和環(huán)境演變(Ji Shaocheng et al., 2019)。

圖11 川北旺蒼蒼王峽龍?zhí)蹲雍哟闋?號(hào)壺穴底部的推移質(zhì)

3.3 演化過程

龍?zhí)蹲雍有螒B(tài)多樣的壺穴代表了壺穴發(fā)展的不同演化階段。以研究區(qū)雙層天生橋壺穴為例，其演化過程大致可能經(jīng)歷了4個(gè)階段：幼年期、青年期、壯年期、老年期。① 幼年期：伴隨著新生代以來米倉山地區(qū)的強(qiáng)烈隆升，河流開始大幅度下切，以碳酸鹽巖為主的地層被強(qiáng)烈侵蝕，而研究區(qū)下寒武統(tǒng)閻王碥組礫巖層的出現(xiàn)使得河流下切速率減緩，同時(shí)受控于米倉山地區(qū)第4期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，在龍?zhí)蹲雍酉掠螀^(qū)出現(xiàn)了明顯的河流大拐彎和河道變窄，從而具備形成高速旋轉(zhuǎn)水流的條件。在季節(jié)性洪水的作用下，挾帶有上游砂礫的混濁高速旋轉(zhuǎn)流水在剪應(yīng)力的作用下沿著S—N向節(jié)理或裂隙沖切，形成沿長軸發(fā)育的三角形或梭形壺穴(圖12a)。② 青年期：洪水期進(jìn)入三角形壺穴的水流挾帶礫石或帶動(dòng)穴內(nèi)原有的礫石形成渦流在穴內(nèi)旋轉(zhuǎn)研磨穴壁和穴底，隨著研磨作用的進(jìn)一步加劇，壺穴受控于NE、E—W向平面共軛X型節(jié)理，開始沿短軸方向擴(kuò)展；形成三角形、菱形、多邊形、梨形等壺穴(圖12b)。③ 壯年期：當(dāng)?shù)[石被磨損或沖出壺穴后，上游流水又帶來新的礫石繼續(xù)研磨侵蝕，初期侵蝕多沿巖層的軟弱面(節(jié)理面、層理面、石英砂巖夾層)進(jìn)行，隨著侵蝕作用的繼續(xù)發(fā)展，壺穴形態(tài)多趨于橢圓形，旋轉(zhuǎn)流水?dāng)y帶的礫石不斷磨蝕橢圓形壺穴的內(nèi)壁，當(dāng)壺穴達(dá)到一定深度后，壺穴上部包括壺穴口很難受到壺穴內(nèi)部碎屑物的進(jìn)一步磨蝕，因?yàn)榇炙樾嘉锏哪ノg能力強(qiáng)，但壺穴內(nèi)部的這些碎屑物在水流作用下的起跳高度有一定的范圍，對(duì)于較深的壺穴來說，它們基本在壺穴底部或較深的壺穴邊壁進(jìn)行磨蝕，并使之加深形成倒“Ω”型；與此同時(shí)，在壺穴的發(fā)育過程中，硅質(zhì)礫巖中較厚的第一、第二石英砂巖夾層受到了明顯的侵蝕作用，先是第一石英砂巖夾層被強(qiáng)烈侵蝕，最終促使7號(hào)和8號(hào)壺穴上部連通(圖12c)。④ 老年期：隨著礫石對(duì)壺穴的進(jìn)一步磨蝕，壺穴形態(tài)趨于“U”型或“鍋”型，局部連通形成串珠狀壺穴；同時(shí)，硅質(zhì)礫巖中的第一、第二石英砂巖夾層被大面積侵蝕，促使7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)壺穴上部和底部均連通，最終形成雙層天生橋(圖9d，圖12d)。

圖12 川北旺蒼蒼王峽龍?zhí)蹲雍与p層天生橋壺穴演化過程示意圖

4 結(jié)論

(1)蒼王峽龍?zhí)蹲雍臃谴闋顗匮ㄒ匀切魏筒灰?guī)則形為主，其形態(tài)、大小與深度分布在河床縱剖面上沒有明顯的規(guī)律性；串珠狀壺穴以橢圓形為主，其形態(tài)、大小與深度分布在河床縱剖面上具有一定的規(guī)律性。

(2)蒼王峽龍?zhí)蹲雍訅匮ǖ男纬珊脱莼撬畡?dòng)力條件、構(gòu)造條件、基巖性質(zhì)、推移質(zhì)與時(shí)間等因素耦合作用的結(jié)果，而其中特殊的基巖性質(zhì)和構(gòu)造節(jié)理起到了關(guān)鍵性作用。

(3)蒼王峽龍?zhí)蹲雍訅匮蟹植荚谙潞浣y(tǒng)閻王碥組硅質(zhì)礫巖中，其中發(fā)育的石英砂巖夾層是壺穴內(nèi)部側(cè)向極度擴(kuò)展甚至形成天生橋微地貌形態(tài)的關(guān)鍵因素，表明壺穴的形成和演化與基巖類型和基巖性質(zhì)密切相關(guān)；下寒武統(tǒng)閻王碥組在研究區(qū)僅以一個(gè)大的楔形體分布，表明壺穴的形成僅與局部的地質(zhì)、地貌有關(guān)。

(4)蒼王峽龍?zhí)蹲雍影l(fā)育NE、E—W向平面共軛X型構(gòu)造節(jié)理和S—N向構(gòu)造節(jié)理，三角形、菱形、不規(guī)則形等壺穴多受兩組或 3 組節(jié)理控制，其中S—N向構(gòu)造節(jié)理還控制了壺穴的長軸走向和河谷走向；構(gòu)造節(jié)理對(duì)壺穴口形態(tài)的演化影響顯著，而對(duì)垂直剖面形態(tài)的影響不顯著。

(5)蒼王峽龍?zhí)蹲雍硬煌?guī)模、不同形態(tài)的壺穴，反映了幼年期、青年期、壯年期、老年期壺穴發(fā)展的不同演化階段，而雙層天生橋壺穴則是壺穴老年期演化階段的典型代表。

致謝:特別感謝中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所王隨繼副研究員、審稿專家和章雨旭研究員，他們對(duì)本文撰寫和修改提出了寶貴意見和建議。