0 引言

滇东断陷盆地岩溶大泉较少，地下河高度发育，地下河的分布特征控制着该地区岩溶地下水资源分配^［1-5］；南洞地下河系统是滇东南断陷盆地典型的超大型喀斯特高原地下河系统，由多条地下河组成，径流途径复杂、水量较大^［6］，岩溶洞穴十分发育。南洞地下河系统边界由地表分水岭、地下分水岭、阻水断裂构造岩带、非可溶岩隔水层、岩溶水深埋滞留型边界等构成^［7］。覃星铭等^［8］研究发现，南洞地下河的径流不但受水文地质条件制约，也与流域降雨特征、岩石风化作用等因素密切相关。地下河系统是岩溶地下水进行独立循环的基本单元，控制了岩溶水的运移富集、水化学演化特征和资源构成。这些研究为该区洞穴成因研究提供水文地质资料。

前人对南洞地下河系统的洞穴研究主要集中于岩溶洞穴类型的划分、洞穴沉积物沉积速率、古气候以及年代学方面，陈伟海^［9］根据围岩的性质、洞穴与围岩形成的先后关系、洞穴的成因类型、洞穴的规模及洞穴的水动力条件对洞穴进行分类；林玉石等^［10-11］提出沉积速率的多变性问题，并综合记录了石笋沉积（生长）特征与过程和气候特征与演变的协调对应关系；Winkler等^［12］认为碎屑沉积物（美国）淹没洞穴系统可以保存记录区域气候和水文的变化；张美良等^［13］对中全新世晚期气候变化的石笋进行记录，建立了4 500~2 000 aBP的古气候变化时间序列；¹⁴C定年是目前洞穴定年的主要手段，周卫健等^［14］提出了¹⁴C测年系列方法中的小样品¹⁴C液体闪烁计数测年法，解决了试样量碳量为50~100 mg的范围内的测年问题。但对南洞地下河系统的洞穴成因及其演化机制等方面的研究甚少。

本研究基于地质研究理论，总结南洞地区岩溶洞穴成因，建立洞穴和地下河发育模式，探讨洞穴的形成及演化机制，旨在全面认识大型地下河系统水文特征及岩溶控制机理，为该地区水文地质调查提供参考。

1 地质背景

1.1　区域地质背景

南洞地区地处印度板块、西藏板块与扬子板块相互碰撞挤压形成的康滇菱形板块的东南角。其NW向、近SN向、EW向及NE向四组构造都均有发育，以NW及近SN向两组断裂构造为主，控制着整个岩溶系统的形成和演化^［15］。区内碳酸盐岩广布，地表岩溶个体形态类型多样，石洞和仙人洞位于研究区东部，区内出露的最早地层为中寒武系高台组，奥陶系、志留系、侏罗系、白垩系等缺失，以寒武系、泥盆系和三叠系分布最广（图1）。变质岩石少量出现在寒武系和下泥盆洗坡脚组中，主要表现为大理岩化、变质砂岩化和极少量页岩、板岩。其中石洞发育在T₂g²地层中，仙人洞发育在T₂g¹地层中。工作区构造丰富，褶皱、断层和节理发育，区内的背斜构造比较发育，规模较大的有杨柳河复式背斜、白石岩背斜、左里多背斜、巨美背斜、下米者背斜、架吉背斜、下期不底背斜和西北勒背斜等，主要有NW向、NE向、SN向和近EW向四类，其中NW向多为张性断裂，NE向多为压性断裂。节理和裂隙在碳酸盐岩底层中发育显著，方向主要包括SN向、EW向和NW向，形成地下水管道的一部分。工作区处于珠江水系中南盘江流域和红河水系中南溪河流域分水岭处，地表水系对比特征明显，北部阿舍大寨幅地表水系不发育且规模较小，南部鸣就幅水系相对发育，主要为杨柳河和老腊底河等。工作区内岩溶洞穴与地下河有密切关系，主要有：①洞穴曾经是地下河载体；②洞穴为当前地下河主管道发育载体；③洞穴为地下河管道的一部分。

图  1  南洞地下河系统水文地质图^[7]

Figure  1.  Hydrogeological map of Nandong underground river system^[7]

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1.2　水文地质背景

南洞岩溶地下水系统主要含水地层有三叠系灰岩及泥质灰岩、中泥盆系灰岩、第四系砂黏土层和第三系泥灰岩^［6，16］。第三系泥灰岩构成的阻水深槽，是系统岩溶地下水流难以逾越的屏障^［17-18］。南洞地区位于珠江水系的南盘江流域和红河水系中南溪河流域的分水岭处（图1）。南盘江流域为研究区西侧和中部，最大地表河流为杨柳河，据鸣就站1970-1990年间观测，杨柳河年径流总量0.181 3亿m³，平均流量0.575 m³⋅s^-1，最大流量18.2 m³⋅s^-1。1995年3月张美良等^［19］对云南南洞岩溶地下河水温场时空变化规律进行研究表明，南洞地下河水温在20~28 ℃，高于盆地年均气温2 ℃，高于高原山区年均气温6 ℃多，水温年动态变幅低于气温、地表水温，且具雨季水温低、枯季水温高的特点。根据本次鸣就设立的长观点统计，杨柳河年均径流量达到0.146亿m³，平均流量0.462 m³⋅s^-1。这是因为杨柳河引水工程于2014年7月9日开始运行，平均日调水量为1.09万m³，近年来石洞入口枯季时均发生断流。杨柳河在石洞注入地下河，最终经南洞口流出注入南盘江。南洞地区岩溶发育，地表径流较少，多数为季节性河流，大部分地表水直接注入落水洞或消水洞。南洞地区处于多个地下水系统的边界，水文条件复杂。

2 石洞与仙人洞洞穴特征

2.1　石洞洞穴特征

石洞洞穴是杨柳河径流的消水处，洞口标高1 875 m，NE向分布，发育在T₂g²地层中（图2），地层产状整体为260°∠17°，该洞穴在1991年中英科考时，在1 380 m处的虹吸管中，共探测3 331.6 m。本次工作，对虹吸管之前的洞穴进行了复测。石洞洞穴共分为上下两层，下层为杨柳河消水口，洞穴入口呈三角形，高度小于4 m，宽6 m，进入42 m后被垃圾（主要为塑料瓶和玻璃瓶）堵塞，洞穴内无岩溶现象。上层洞穴入口为旱洞，大厅高度在50 m以上，底部见大量崩塌物，崩塌物上发育着石笋，洞穴边部发育石台和石幔，进入300 m后，通过陡坡与下部洞穴接通，可见地下水。本次探测段，洞穴内部较平坦，水力梯度在1%~3%。

图  2  石洞洞穴三相图

Figure  2.  Three-phase diagram of Shidong cave

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石洞洞穴探测段发现主管道发育在隐伏的断裂内，洞穴顶部岩石裂隙发育，见碎裂岩和断层泥。该断裂为近EW向的断裂构造，主要发育在西部碳酸盐岩区和从中部向北西方向2~4 km范围内，断裂以张性为主，部分为挤压性质。西部碳酸盐岩地区有小规模的断裂，以隐性断裂为主，部分由节理发育而成，部分形成小规模断层，一般延伸50~300 m，大部分裂隙垂直地表。洞穴两侧石幔发育，中间部位有两处水塘，内见有小鱼，洞穴底部局部可见碎裂的灰岩块石被钙质胶结。在垮塌的大厅中，部分块石被钙质胶结，其上发育石笋，可见同心圆形环带结构。调查尽头处有水潭，形成虹吸管。旱季时（3-5月）村民可进入，据石洞村民介绍，旱季洞穴内有鱼，为白色的盲鱼。

2.2　仙人洞洞穴特征

仙人洞位于期不底南侧山顶位置，NE向分布，发育在T₂g¹地层中（图3），地层产状为258°∠18°，洞穴长1 200 m，洞口大厅宽约45 m，洞穴边部人工修有石凳。底部为一大厅，大厅直径40余米，呈近圆形，底部有垮塌块石，泥质胶结，部分块石上发育有石笋，一般高0.3~1 m，洞穴东部较高，西部大厅较低，东部块石上有大树，高6 m。

图  3  石洞洞穴三相图

Figure  3.  Three-phase diagram of Shidong cave

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洞穴大厅内有数个支洞，支洞中又有支洞，北西部支洞较多，洞穴内无积水，少量滴水。石幔/石钟乳极其发育，景色绚丽。在深部洞穴底部钙化现象普遍，有重结晶的方解石，形成石花。深部洞穴顶部有小天锅，表明洞穴曾经处于地下水水面之下。洞穴内石钟乳和石笋特别发育，但近年来人为破坏严重，大部分中小石钟乳已经被破坏，洞穴底部随处可见大小不等的石钟乳碎块，洞穴石壁上涂鸦较多。洞穴边部发育大量小裂隙，深部滴水现象普遍，同心圆状环带结构钟乳石块较多。

3 石洞与仙人洞洞穴成因

3.1　构造控制作用

褶皱构造对区内山脉的起伏分布有重要影响作用，使得表层岩溶带发育程度在水平面方向上产生分异。断裂作用加深了表层岩溶带的垂向发育，对区内峰丛洼地、峰林洼地、岩溶丘陵和溶蚀残丘等地貌的形成具有重要作用。节理和裂隙使得碳酸盐岩表面易形成溶隙、溶痕，进一步溶蚀加深形成石牙、石柱、溶槽，在个别地区甚至形成石林和溶沟等岩溶现象。背斜构造相对向斜构造的规模要小，东侧以NE走向为主，由于挤压作用，其两翼相对紧密，表层岩溶带相对较薄。由于挤压核部往往破碎，溶蚀强烈，表层岩溶带相对较厚。西侧背斜构造规模较小，多以近SN或NW向为主，核部形成山峰或沟谷，内有石林、溶隙和溶痕等，两翼表层多发育石牙、溶槽等。由于挤压作用向斜构造，核部一般比较致密，在风化剥蚀后形成山峰，其上覆的碎屑岩不易剥蚀，如芭蕉梁子和斗南复式向斜表层有大量法郎组地层发育。核部表层和深部相对其他地段不易溶蚀，多形成水流系统界线。向斜两翼溶蚀作用相对发育，多形成成片的峰丛洼地地貌，表层岩溶带相对较厚。

NW向和NE向断裂在区内最为发育，区内可见大量NE和NW的串珠状洼地，同时两组断裂的相互作用，切割碳酸盐岩石山形成大量峰丛洼地。NW向断裂多以张性为主，NE向断裂多以挤压性质为主。由于NW向断裂的拉张作用，区内较大规模的洼地以NW向为主，由于拉张作用，断裂面凸起凹陷交错，使得NW向主管道不平直，具体位置不确定。NE向断裂以挤压为主，断裂面比较平直，发育的岩溶管道一般比较平直规则，树枝状特征明显。SN向断裂在北侧和南侧比较发育，形成南部东岗岭组和北部个旧组中SN向岩溶管道，洼地近SN向串珠状分布。EW向断裂规模较小，发育在中部碳酸盐岩中，对NE向和NW向断裂起连接作用。

碳酸盐岩区裂隙、节理发育，其中SN和EW向发育较强，NW和NE向较弱。由于裂隙发育强烈，使得岩石表面容易形成溶隙，强烈的溶隙发育形成石牙和石柱。同时白云岩发育较多的刀砍纹构造和砂糖构造，为岩石表明形成溶痕、溶槽奠定了良好的基础。相互交错的节理在地表容易形成凹槽，逐渐发育成溶杯、溶盆。由此可见，区内岩溶发育与地质构造作用密切相关，其中褶皱、断层对宏观岩溶发育起到重要作用，断裂、节理和裂隙对微观个体岩溶发育起重要作用。

发育在三叠系碳酸盐岩、二叠系碎屑岩和碳酸盐岩中的NW向断裂，多为张性断裂，典型的杨柳河NW向断裂，平面上呈波状，为一条右行张性断裂，错断T₂g²至Є₂地层，该断裂形成溶蚀槽谷地貌，汇集分水岭带南盘江一侧的主要地表水和地下河，最终注入石洞，对石洞洞穴的形成起着重要作用。仙人洞则发育于另一条NW向张性断裂NE侧，该条断裂同样为仙人洞的形成发挥着重要作用。此外，杨柳河复式背斜从东部城子山向西南经过杨柳河一直延伸到庄寨水库附近，走向NE，延伸约26 km。核部形成山峰，为红水河水系与南盘江水系的分水岭，出露地层为寒武系地层。两翼主要出露泥盆系地层，背斜两翼产状较宽缓，核部有多个小变形的褶皱。沿该变形带的核部形成坡者—大箐脚，杨柳河—白诗两处泉水密集出露带。杨柳河复式背斜对该区的洞穴形成起了重要作用。

3.2　水动力控制作用

岩溶水平发育形态主要有地下河、伏流和水平岩溶管道系统。地下河和伏流是岩溶水平发育主要的动力系统和骨干。区内探测的地下水除下米者水力坡度较大外，大部分地下河水力坡度小于3%。对比地表径流与地下河入口段的水力坡度，发现大部分地表径流进入地下河后，水力坡度比地表段要小的多。地下河石洞现象明显，河床相对宽阔。洞穴内调查发现，雨季水位多上升1~2 m。地下河主管道系统为地下水水平运动提供了空间场所和动力，同时水平管道汇集支流系统，拓宽了水平运动的范围，也扩展了水平管道系统。

水平管道系统为地下水水平运动和汇集提供了通道。岩溶区主管道系统分布范围有限，表层岩溶带地下水向下渗流后，通过垂直和水平管道系统汇集至主管道系统中。石洞中发现的角洞为舍所坝地区地下水汇集到石洞的通道。

由此可见，区内良好的垂直和水平水动力条件，为岩溶发育起保障作用。垂直水动力作用导致表层岩溶带的发育和拓深，水平水动力作用为深部岩溶发育和地下水运移提供保障。

3.3　地层岩性控制作用

区内碳酸盐岩主要有纯灰岩、白云质灰岩、泥灰岩以及少量纯白云岩。其中上寒武系、石炭系、上泥盆系和下二叠系为纯灰岩，个旧组和东岗岭组为灰岩、白云岩和白云质灰岩。纯灰岩区地表岩溶发育，岩石溶蚀强烈，地表形成较厚的红土层，部分区段植被覆盖茂盛，宏观上形成侵蚀中山地形地貌、溶丘洼地和峰林地貌，如架吉中山地貌，菲土白去溶蚀丘陵地貌，老腊底峰林地貌。地表洼地和消水洞相对较少，干谷、溶穴、溶孔和溶管等岩溶现象发育，如石炭系鸣就—干冲典型地区。碳酸盐岩一般在浅部即可形成地下河或伏流，如坝心—菲土白伏流距离地表50~80 m，属于相对较浅的地下河。

对区内重要的碳酸盐岩标本进行分析，分析测试由地质科学院岩溶地质研究所完成。可以看出，其中可溶物主要为CaO和MgO（CMO=CaO+MgO），不溶物主要为主量元素中其他氧化物，可溶部分含量越高，越容易发生溶蚀现象，本次采用RO（SiO₂+Al₂O₃+TFe₂O₃）组合来分析，见表1。

表  1  可溶碳酸盐岩地层主要化学组分及基本特征

Table  1.  Main chemical components and basic characteristics of soluble carbonate strata

地层代号	出露面积/m3	岩性	CaO/10-2	MgO/10-2	SiO2/10-2	Al2O3/10-2	TFe2O3/10-2	烧失量/%	CMO/RO
T2g3	72.53	白云质灰岩	54.6	0.285	0.215	0.1	0.085	44.35	248.1
T2g2	122.01	灰岩	54.8	0.27	0.21	0.07	0.03	44.1	319.9
T2g1	114.38	白云质灰岩	53.4	1.3	0.6	0.3	0.1	43.9	98.6
T1y3	99.98	灰岩	50.9	0.69	4.68	1.415	0.85	41.1	13.4
T1y2	1.82	灰岩	49.2	0.67	5.46	1.60	0.90	40.5	11.4
P1	4.82	灰岩	48.00	0.62	10.50	0.19	0.34	39.6	8.0
C3	17.78	灰岩	53.73	1.27	0.10	0.07	0.10	44.53	368.6
C2	19.24	灰岩	54.40	0.98	0.20	0.15	0.16	44.15	195.2
C1	36.84	灰岩	55.2	0.3	0.4	0.1	0.1	44.2	166.2
D2d	96.23	白云质灰岩	47	1.02	8.93	3.23	0.96	38.1	6.6
D1p	112.6	灰岩	38.2	1.3	23.0	2.8	2.1	31.9	2.6
Є 3	3.93	灰岩	52.2	1.0	1.6	0.6	0.4	43.8	37.3
Є 2s	92.65	白云岩	20.45	15.17	23.10	4.75	1.15	32.80	2.4

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因此，个旧组和石炭系碳酸盐岩可溶部分含量最高，上寒武系和永宁镇组中下段碳酸盐岩可溶性次之，中寒武、中下泥盆和下二叠系碳酸盐岩可溶性较弱。

3.4　酸、碱溶液浓度控制作用

在地史时期中，酸、碱物质来源于地质体和大气，如大气中的CO₂、地质体中的含硫地层及矿体和运移于地质体中的有关元素等。在不同的岩体区水溶液的酸、碱浓度不断地变化着，由于水溶液中的酸、碱浓度的不同，其碳酸盐岩岩石的溶蚀程度亦有不同。这一特征主要反映在一定区域内同类碳酸盐岩岩石的差异溶蚀上。现代时期，受人类活动的影响，水溶液中的酸、碱浓度的局部变化更为显著。近年来大量种植三七，膨大剂等农药使用量猛增，在使用农药后的地表水测试中，发现pH可以达到8.1~9.3。

由此可见，水溶液中的酸、碱浓度对碳酸盐岩溶蚀作用影响显著。中性水溶液对碳酸盐岩的溶蚀作用差，而偏酸、偏碱性的水溶液对碳酸盐岩的溶蚀作用强。酸、碱性水溶液对碳酸盐岩溶蚀作用影响明显。

4 石洞与仙人洞形成、演化机制

从沉积演化历史分析，研究区在中三叠纪以后就抬升至海平面，其后一直处于裸露状态；碳酸盐岩溶蚀时间较长，尤其第四纪以来，该区地形地貌基本定格，气候变化趋于稳定，岩溶持续发育。

全新世中期（8.5~3 kaBP）是全新世气候最为温暖湿润的时期，也是全新世气候演化的一个重要时期。全新世中期的气候表现为许多地区全新世大暖期的结束，其中~5.5 kaBP的气候事件是全新世气候演化的一个重要转折点^［20］。大量的地质证据指示在4~3.5 kaBP间存在有突然降温事件，这次降温事件被认为可能是新仙女木事件（Y.D）以来最为寒冷的一次降温过程，是历史时期以来最具影响力的一次小冰期，也是世界上许多地区全新世气候演化过程中的一次重要转变，标志着气候最适宜期的结束和晚全新世的开始^［20-21］。这次降温事件，在北非、西欧、北大西洋以及我国东北、华北地区、青藏高原及南方地区等地的沉积物中均有记录。在云南南洞洞穴石笋的古环境重建研究中，也发现了中全新世晚期降温事件的记录^［20］。

由此可见，石洞与仙人洞6 kaBP以来的冷暖事件所反映出的古季风变化，大致可分为3个阶段：

第一阶段为6~4 kaBP间的中全新世气候适宜期，显示东亚夏季风由强盛逐渐减弱，气候温暖湿润^［19］。大气降水增多、洞穴渗入的滴水增多、滴水中钙质较丰富，在石洞和仙人洞洞穴内不仅有石钟乳、石笋、石幔、石柱、石莲、天窗、石帘、天锅、支洞等岩溶景观现象，且石洞出口处有溶槽、溶痕、洞穴抬升，地下水消散等痕迹；此外，仙人洞内可见大厅、卡石、地下水位线、地下河床、重结晶碳酸盐岩晶体、双重地下水结构、岩溶管道等岩溶现象，说明当时洞内存在积水或局部积水的现象。

第二阶段为4~2.1 kaBP间的中全新世晚期，是气候冷事件的突变或转换期，显示东亚冬季风增强，太阳辐射强度减弱，气温降低，气候变化幅度增大，特别是在4~3.5 kaBP发生的降温事件可能是新仙女木事件（Y.D）以来最为寒冷的一次降温过程^［22］，也是历史时期以来最具影响力的一次小冰期，是全新世气候演化过程中的一次重要转变，标志着气候最适宜期的结束和晚全新世的开始。

第三阶段为2.1~0.13 kaBP间的晚全新世，是气候相对波动的降温期，其内包括若干个由干冷到暖湿或由暖湿到干冷的气候变化亚期，进一步对洞穴岩溶体叠加改造。

因此，石洞和仙人洞主体形成时间为6~4 kaBP。

5 洞穴与地下河发育模式

基于对洞穴的勘查解析，建立石洞岩溶水系统模型（图4），石洞岩溶水系统属于南洞岩溶系统，研究区位于补给区和径流区，上游杨柳河主要发育在碳酸盐岩与碎屑岩互层的侵蚀溶蚀中山地貌中，区内地表径流汇集后汇入石洞地下河全部转为地下水。

图  4  石洞岩溶水系统模型

Figure  4.  Karst water system model of Shidong cave

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本次投放荧光素钠30 kg，56 h和59 h后在灰土地和大黑水洞接收到峰值，示踪实验表明上层出口在大黑水洞和灰土地，下层出口为南洞，水力坡度3%，水流速度为0.23 m⋅s^-1。地下河内有多个水潭，主体向西流动，洞穴探测段不见陡坎和瀑布。

石洞地下河入口在鸣就石洞村尾，分为上下两层。杨柳河全部注入石洞地下河，下层被垃圾堵塞，垃圾堆积层对地下水有轻微的沉积和过滤作用，洞穴内部河床发育，主要为砾石、泥质钙质胶结，洞内蛇曲现象显著。地下河主管道主体向西延伸，地下河全长50.3 m，主要发育在个旧组碳酸盐岩中，地表海拔1 900~2 100 m，地下河入口1 800 m。前人和本次工作均认为该岩溶系统有两层结构，上层出口在蒙自幅大黑水洞和灰土地，下层出口在南洞洞口。该地下河径流区为峰丛地貌发育，地下水埋深超过100 m，主管道发育在石洞—大永胜缓向斜的核部。

6 结论

（1）NW向的张性断裂和可溶性最高的个旧组碳酸盐岩，和杨柳河向西流动的水动力作用为南洞地下河系统源区洞穴形成提供有利条件；

（2）全新世中期6 kaBP以来，该地区洞穴经历了三个阶段演化过程，其中，主体形成时间为6~4 kaBP；

（3）石洞洞穴是大黑洞地下河的主要入水口，并与南洞有水力联系，在石洞下游存在上下双层地下河系统结构。