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名称 山东岩溶地貌特征及其形成演化分析
发布机构 科技外事处 索引号 2189234/2020-01949
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发布日期 2020-11-25 主题词

山东岩溶地貌特征及其形成演化分析

发布日期:2020-11-25 14:06 信息来源:科技外事处 访问量:? 字体 :[ 大 ][ 中 ][ 小 ]

山东岩溶地貌特征及其形成演化分析

长期以来,国内外众多研究者从各种不同的角度对山东岩溶地貌进行了广泛的研究:(1)运用地层学、沉积学、构造地质学、水文地质学等传统地质理论,从区域地质调查、水文地质调查等角度较系统全面地调查研究山东众多岩溶区,如鲁中南岩溶区等的岩溶地质,基本探明各岩溶区地下水赋存条件与资源状况、岩溶地貌分布特征、洞穴分布概况、岩溶泉分布特征等,探讨了山东岩溶形成演化的机理及其与碳酸岩、地质构造、气候等之间的关系山东省环境水文地质总站和山东省地质矿产局801水文地质工程地质大队,1987山东省地质矿产局801水文地质工程地质大队,1989山东省地质矿产局801水文地质工程地质大队和地质矿产部岩溶地质研究所,1989王晓青,1991;蒋忠诚和翁金桃,1992宋印胜,1992姜鲁光,2003谢荣平,2009丁新潮等,2014)。(2)运用景观学、旅游学、规划学等多种学科交叉的研究方法,从岩溶地貌的类型特征、特色价值、开发保护、形成演化等方面,对泉(韩行瑞等,1985;郭玉文和王飞龙,1989徐建国等,2009孙斌和彭玉明,2014殷秀兰等,2017)、崮(赵建,1990,2003;丁新潮等,2014)、洞穴(李舒,1986山东省地质矿产局801水文地质工程地质大队和地质矿产部岩溶地质研究所,1989山东省地质矿产局801水文地质工程地质大队,1989蒋忠诚和翁金桃,1992赵建,1990,1991,2003朱学稳和韩道山,2007)等进行了众多研究,为山东岩溶地貌科学、合理的开发和保护,以及向世人推广等方面作出了贡献,涌现出多处以岩溶地貌为主体或为辅的省级/国家/世界地质公园及风景名胜区等,它们基本涵盖了山东不同地质地理背景下形成的各类典型岩溶地貌:目前,山东以岩溶地貌为主或为辅组建了4处国家地质公园(即枣庄熊耳山一抱犊崮、青州、沂蒙山、沂源鲁山)、30多处省级地质公园如蒙阴岱崮、济南蟠龙山、济南趵突泉、章丘百脉泉等),多处国家级和省级风景区(王世进等,2015)。通过它们,既展示了山东岩溶地貌的奇、险、雄,又使各类典型、珍稀、罕见的山东岩溶地貌奇观得到了科学、有效、合理的开发和保护,并且是探讨中国北方及温带各种不同典型岩溶地貌形成演化的天然实验室。

1山东区域地质地理概况

1.1区域自然地理特征

山东,地处中国东部沿海的东北段,地理位置114°4730-122°4218E、34°2254-38°2700N陆地总面积约15.67万km2境内中部山地隆起,东部、南部丘陵起伏,西南、西北低洼平坦,形成了以山地丘陵为骨架,平原盆地交错环列其间的地貌格局,地势起伏较小,相对高度多为200-350m,坡度在200以下;全境属暖温带季风气候区(冬季寒冷晴燥;夏季高温多雨),多年平均降水量的分布自东南向西北递减(由900mm减至550mm),多年平均气温分布则自西南向东北降低,年均温11.0-14.0℃。

1.2区域地质背景

1.2.1区域构造特征

山东位于中朝陆块的南缘和中央造山区的东端,地处华北板块内,区域构造以沂沐断裂带为主干;该断裂带纵贯中部,如“刀劈斧砍”将山东一分为二,两侧构造线向沂沐断裂带逐渐收敛,大致以沂沐带南部为收敛端,两侧则向NW及NE方向辐射,构成“一坳(济阳坳陷)、两块(鲁西地块、胶北地块)、两带(沂沐断裂带、苏鲁造山带)及一域(黄、渤海陆架海域)”的六大构造块体格局(宋明春,2008)岩层发生构造变形的主要时期为喜山期,新构造运动的总体表现为间歇性隆升(山东省地质矿产局,1991)。

1.2.2区域地层特征及岩溶地质特征和岩溶地貌分布概况

山东各时代地层发育齐全,自中太古界至第四系均有出露,岩性以侵入岩、变质岩、碎屑岩和碳酸盐岩等为主。其中可溶性地层主要为寒武系和奥陶系的碳酸盐岩地层,总厚度约1400m,出露面积约为16200km2,约占山东省国土面积10.34%,且大部分在鲁中南地区(即鲁中南岩溶地貌地区),小部分在胶东半岛北部(即胶东半岛北部岩溶地貌地区)(山东省地质矿产局801水文地质工程地质大队和地质矿产部岩溶地质研究所,1989)。其中:(1)鲁中南,北起济阳—广饶,南与江苏接壤,东起潍坊市、莒县,西至梁山、巨野,总面积约67044km2;其中碳酸盐岩裸露区面积约10975km2,约占总面积的16.4%,可溶性地层主要为寒武系和奥陶系,岩性以灰岩、白云岩为主,分布于低平的山前或单斜构造前缘隐伏区,为中低山丘陵区,并形成众多规模、形态不一,且彼此独立的岩溶孤岛,具有相对较高的孔隙率、渗透率和富水性,属易可溶性地区:而各孤岛周边非可溶岩地块的出露地层或为花岗岩,或为碎屑岩,厚度大,分布面积相对较大,孔隙率、渗透率和富水性较低,总体属不可溶性地区。该区域发育着崮、泉、长垣状山体、干谷、洞穴群、漏斗、洼地、峡谷等,并相互组合成岭山谷地、崮山谷地、丛丘谷地、岭丘谷地、缓丘谷地、残丘平原等多种组合类型,是崮群、泉群、洞穴群,以及中国北方和全球温带岩溶地貌的典型集中发育区。(2)胶东半岛,地处华北平原东北部沿海地区,总面积约3万km2,其可溶性地层以下元古界至震旦亚界地层中所夹的大理岩为主,面积约1600km2(约占总面积5.3%),呈条带状斑块点缀于半岛北部面积广阔的非岩溶区之间,形成多个规模不一、彼此独立的岩溶孤岛。该区域内有缓丘谷地、海岸等多种岩溶地貌组合类型,其中烟台蓬莱一带是现代海岸岩溶地貌的典型分布区。

1.2.3区域水文地质简要特征

山东全省平均河网密度为0.24km/km2,长度超过10km的河流有1552条,分属海河、黄河、淮河、小清河水系及山东半岛水系。它们的分布受地貌格局直接影响:(1)鲁中南的河流大致以泰鲁沂山地和蒙山山地为中心,向四周辐散;(2)鲁东的河流基本南北分流入黄河、渤海;(3)鲁北及鲁西平原区河流:黄河由河南省经东明县入境,流向东北,至东营市人渤海,流程约610km(4)海岸线全长3024.4km。

境内的裂隙岩溶含水岩组分为碳酸盐岩类和碳酸盐岩夹碎屑岩类二种,其中:前者广泛分布于鲁中南各岩溶孤岛内,孔洞、裂隙相对较发育,含水层总体以奥陶系灰岩为主,富水性较强;后者分布于鲁中南山区,孔洞、裂隙发育相对较弱,含水层总体以寒武系长山组灰岩、泥质灰岩、页岩等为主,出露位置较高,富水性较弱。而各岩溶孤岛周边的含水岩组主要有松散岩类隙水含水岩组、深层承压孔隙水含水岩组、基岩裂隙水含水岩组等3种,孔洞、裂隙相对不发育,富水性总体较弱。

2山东岩溶地貌形态类型及分布特征、发育特征、区划特征和特色分析

2.1山东岩溶地貌形态类型及分布特征和发育特征

山东,既发育着崮、海岸等具有山东特色的岩溶地貌形态,也发育着岩溶泉群、长垣状山体、干谷等中国北方及温带岩溶地貌的典型形态,还发育着洞穴群、漏斗、洼地、峡谷等常见的岩溶地貌形态,并相互组合成多种形态类型。

2.2山东岩溶地貌区划特征

以沂水蒙阴滕州微山县为界,按气候特征将鲁中南岩溶地貌区划分为半干旱(西北侧)和半湿润(东南侧)两类暖温带岩溶地貌区;而胶岛半岛北部岩溶地貌区则全部位于海岸性暖温带岩溶地貌区内。

2.2.1半干旱暖温带岩溶地貌区

该区多年平均降水量600-800mm,湿度系数0.43-0.57,属大陆性亚干旱暖温带气候。区内碳酸盐岩地层的面积约9476.7km2,其中裸露面积为6372.51km2,约占鲁中南裸露岩溶区的58%。该区岩溶地貌以长垣状山体、丘陵、单面山等为骨架,干谷为山与山之间的间隔带,构成以泉群为区域地貌特色,长垣状山体、单面山、干谷和小型洞穴等为区域地貌特征的岩溶地貌区,主要包括:(1)旧县平阴济南郭店明水一带,以泉群、单面山、长垣状山体等为主,典型的有济南泉群和明水泉群;(2)淄博淄河齐陵冶源朱刘店一带,以小型洞穴、泉、单面山、长垣状山体等为主,典型的有沂源鲁山洞穴群和老龙湾泉群);(3)肥城青泥沟和牛王泉一带,以长垣状山体、丘陵、洼地等为主;(4)郭里集泉林一带,以丘陵、洼地、长垣状山体等为主,兼有泉群,如泉林泉群;(5)东莞雹泉一带,以丘陵等为主,兼有泉群;(6)巨野梁山一带,以丘陵为主。

2.2.2半湿润暖温带岩溶地貌亚区

该区多年平均降水量800-920mm,湿度系数0.61-0.74,属大陆性亚湿润暖温带气候。区内碳酸盐岩地层的面积约5984km2,其中裸露面积为4602.7km2,占鲁中南裸露岩溶区的42%。该区岩溶地貌以崮山为骨架,崮与崮之间多为宽广的溶蚀洼地,或峡谷,构成以崮群为区域地貌特色,中小型洞穴为区域地貌特征的岩溶地貌区,主要包括:(1)岩马台儿庄一带,以丘陵、洼地、长垣状山体等为主,兼有泉群,如羊庄泉、荆泉等;(2)沂源垛庄一带,以崮山和中—小型洞穴为主,典型的有:沂蒙崮群、沂源洞穴群、沂源九天洞、沂水地下大峡谷等;(3)平邑临沂一带,以丘陵为主。

2.2.3海岸性暖温带岩溶地貌区

该区多年降水量为600-850mm,年均相对湿度在70%以上,属海岸性暖温带气候,主要包括莱州莱西乐山一带(以矮丘峰、谷地等为主)和烟台蓬莱一带(发育着众多形态典型、类型齐全的现代海岸岩溶地貌)。

2.2.4中国热带(或南方)和温带(或北方)岩溶地貌对比特征

中国岩溶地貌有着许多不同的分类标准,但就岩溶区划而言,主要以北纬34°的秦岭为界,划分为热带(或南方)和温带(或北方)两大岩溶区(中国科学院地质研究所岩溶研究组,1979李大通和罗雁,1983袁道先,1994),两区的岩溶地貌形态有着明显的区别。其中:(1)热带(或南方)岩溶区,包括广西、广东、云南、贵州、四川、湖南、湖北、江西等省/区/市的岩溶区,约占中国岩溶区面积的85%,多以呈成片分布,质纯、厚层的碳酸盐岩地层为主,区内较大规模的断裂、褶皱相对较少(利于不同区块间的水力联系,尤其是地下),处于温和湿润的热带/亚热带气候区,地表和地下水系发育,水动力充足,岩溶发育的物质基础及空间和动力条件总体较好,并组合成峰丛洼(谷)地、峰丛峡谷、峰林平原、孤峰平原/盆地等类型,既是中国南方及全球热带/亚热带岩溶地貌的典型集中发育区,也是峰丛、峰林、地下河、洞穴、天坑、峡谷、风景河段、石林、天窗、天生桥、瀑布、崖壁等全球同类岩溶地貌/景观的典型代表和佼佼者。(2)温带(或北方)岩溶区,包括山东、河北、北京、陕西等省/区/市的岩溶区,约占中国岩溶区面积的15%,多以呈条带状分布、相对难溶的碳酸盐岩地层为主,区内较大规模的断裂、褶皱相对较多(容易阻断不同区块间的水力联系,尤其是地下),处于大陆性亚湿润/亚干旱暖温带气候区,地表干燥、地下水滞留时间较长,水动力相对较弱,岩溶发育的物质基础及空间和动力条件总体略差,并组合成岭山谷地、崮山谷地、丛丘谷地、残丘平原、丘陵洼地等类型,既是中国北方及全球温带岩溶地貌的典型集中发育区,也是岩溶大泉(流量≥1万m3/d,文中各处相同)、崮等全球同类岩溶地貌/景观的典型代表和佼佼者。(3)两者之间的岩溶地貌形态及岩溶水差异明显,主要表现为:①正地貌,热带(或南方)岩溶区多以总体相对高大、陡直的峰丛、峰林为主,温带(或北方)岩溶区则多以总体相对低矮、平缓的长垣状山、崮、丘陵等为主,并分别组合成不同的地貌类型。②负地貌,同为峡谷、洼(谷)地、漏斗、落水洞、干谷、坡立谷等,但温带(或北方)的规模远小于热带(或南方)。③洞穴,热带(或南方)洞穴长度多在l-20km,一般由多个和多层洞道构成,绝大多数为大型、巨型洞穴,洞内各类钟乳石密集发育,且类型齐全、体量大、形态多等;而温带(或北方)洞穴长度多小于500m,大多介于10-300m,一般由单个洞道构成,绝大多数为中、小型洞穴,洞内各类钟乳石稀疏发育,且类型和形态单一、体量较小等。④岩溶水,热带(或南方)裂隙式和管道式岩溶水均十分发育,且管道式岩溶水多为长达几公里,甚至几十、几百公里的地下河(系),补给面积大,流量大、循环快,并直接排出转为地表河;温带(或北方)则多为裂隙式岩溶水,并汇聚成众多面积各异的泉域,流量小、循环慢,并排泄、溢出形成泉,而管道式岩溶水相对不发育,绝大多数为几十米长的地下河。

如前面所述,山东全境属暖温带季风气候区,境内拥有半干旱、半湿润两种大陆性暖温带气候,以及海岸性暖温带气候,既涵盖了温带气候的不同类型,还发育着温带岩溶地貌的所有类型和特征,是中国北方及全球温带岩溶地貌的典型集中发育区。

2.3山东岩溶地貌景观特色分析

综上,山东岩溶地貌,是崮群、泉群、洞穴群和海岸等岩溶地貌的典型集中发育区,是展现泉、崮自然美景最杰出的代表地之一,是展现中国北方及全球温带岩溶地貌杂演化过程和规律的杰出范例。

3山东岩溶地貌形成演化分析

3.1区域地质演化简史

自中太古代以来,山东历经地壳初始发展阶段(2910-2997Ma)→华北克拉通陆壳增生(新太古代)、拼合固结(古元古代)、伸展裂陷(中元古代)和内陆盆地(新元古代)阶段→陆表海盆地演化阶段(寒武纪,早、中奥陶世,以碎屑岩和碳酸盐岩沉积为主)→抬升为陆,接受剥蚀(晚奥陶世,受加里东运动的影响)→陆表海盆地沉积阶段(石炭纪和二叠纪,以碎屑岩沉积为主,伴随岩浆侵入作用)→陆相盆地演化阶段(三叠纪,以碎屑岩沉积为主)→陆相盆地伸展发育(早、中侏罗世)、收缩和陆内造山(晚侏罗世)、伸展发育(白垩纪)阶段(以碎屑岩沉积为主,伴随岩浆侵入作用)→断块发展及各构造体系形成阶段(古近纪、新近纪和第四纪,以碎屑岩沉积为主)(山东省地质矿产局,1991)。其中,古近纪期间,受喜山运动一幕(始新世初)的控制和影响,下伏于其它地层之下的可溶性地层呈孤岛状分别出露于不同区域,开始进入山东岩溶形成演化阶段;而新近纪和第四纪,是山东各类岩溶地貌的主要发育期。

3.2山东岩溶地貌形成演化分析

始于古近纪,相继受喜山运动及多期间歇性区域构造运动的控制和影响,山东众多规模、形态不一、彼此独立的岩溶地块历经初始阶段(古近纪,暖、湿的热带、亚热带气候和干、热的带、亚热带气候交替出现,岩溶作用相对较弱)→雏形阶段(新近纪,温暖、湿润的北亚热带—暖温带气候,岩溶作用相对略强,形成岩溶地貌雏形)→重要发育阶段初期(早更新世至中更新世早期,温带气候,岩溶作用相对较强,崮山谷地阶段和地下河大规模发育阶段,奠定崮群、泉群和中层洞穴等岩溶地貌的分布格局和形态特征)→重要发育阶段中期(中更新世中期至晚期,温带气候,岩溶作用仍相对较强,继承性发育阶段及洞穴形成阶段和洞穴景观发育阶段,各类岩溶地貌进行继承性改造和发育,并逐渐演变形成各自的典型形态)→重要发育阶段晚期(晚更新世期间,温带气候,岩溶作用趋弱,继承性发育阶段和洞穴景观发育阶段,总体以前期各类地表岩溶地貌的缓慢退化及强度相对较弱的地下河侵蚀/溶蚀作用为主,钟乳石继续发育和形成)—现代岩溶作用阶段(全新世以来至今,暖温带季风气候,岩溶作用相对较弱,总体以前期各类地表岩溶地貌的缓慢风化及强度相对很弱的地下河侵蚀/溶蚀作用为主,钟乳石总体停止发育),分别进行了多期、多种周期性岩溶过程(如洞穴、崮、泉等),历经漫长地质时期逐渐演变形成众多彼此分离、分散、独立,互不相干的岩溶孤岛及泉群、崮群、洞穴群等形态类型。

3.3山东岩溶地貌形成演化模式的探讨

3.3.1无轴型→分轴型→主轴型孤岛式成景机制

在不同和同一地质时期,山东众多彼此独立的岩溶孤岛分别进行了明显不同的岩溶过程,但具有高度相似的演变趋势:各岩溶孤岛,均以区域内不同水力相互之间联系的演变为主轴,总体由相互隔开、彼此独立、分散的无轴型岛屿一相互隔开、彼此独立、分散的分轴型岛屿→相互隔开、彼此独立,但各区域内部水力相对统一的主轴型岛屿;也就是均由无轴型岛屿(古近纪期间)→分轴型孤岛(分轴特指岛屿内各向分散独立流动的小河和地下河,始于新近纪)→主轴型孤岛式(主轴特指贯穿岛屿内部,基本汇聚其内部其它各种形式地表水和地下水,区域内局部统一的单一地表河,或地下河,即各岩溶区域内部的地表河,或地下河等,或始于新近纪中、后期,或始于早更新世)进行演变。期间各孤岛分别进行了多期、多种周期性岩溶过程(如洞穴、崮、泉等),并对应形成了多期、多种、规模形态差异较大地貌形态,如济南泉群、蒙阴崮群、沂源洞穴群等。

目前,山东众多岩溶孤岛总体处于“主轴型孤岛成景状态”之下。

3.3.2离散型孤岛式岩溶成景模式

综上所述,古近纪以来,受地层出露、构造、水文地质等特征及地形地势等因素的控制和影响,山东众多狭窄、规模不一、且彼此独立的岩溶孤岛产生了不同的岩溶成景和响应过程,或以泉的形成演化为主(如济南、淄博等),或以崮的形成演化为主(如蒙阴、沂水等)、或以洞穴的形成演化为主(如沂源鲁山等),系统完整地展示了各孤岛对不同地质地理环境的响应.耦合过程,是展示泉、崮、洞穴、海岸及中国北方和温带等岩溶地貌形成演化的典型参照地,且每一个孤岛分别代表着一个在地质、地貌、水文地质上独立、完整的岩溶形成演化系统(即成景机制均由无轴型→分轴型→主轴型孤岛式演变),并构成了一种独特、典型、罕见、稀有,且系统、完整的离散型孤岛式成景模式:各自之间彼此分离、分散、独立,互不相干的岩溶孤岛,分别对应着各自的区域地质地理特征,产生彼此悬殊较大、独立,互不相干的岩溶响应,耦合过程,形成彼此迥然不同的岩溶地貌特征;其最明显的一个特点是各个岩溶孤岛之间自始至终均是彼此分离、分散、独立,互不相干。

此模式明显异于中国南方众多“孤岛式”岩溶成景模式,其最明显的一个特点是:最终均通过一个连接纽带(或地下河,或地表河)形成一个统一的地表地下岩溶演化系统:如广西乐业单—孤岛式成景模式(被周边碎屑岩区孤立成一个以“百郎地下河系”为连接纽带的孤岛)(韦跃龙,2009)、广西都安“湖中岛”型孤岛式成景模式(即都安大岩溶区域内一个以“地苏地下河系”为连接纽带的岩溶孤岛)(韦跃龙等,2018b)、贵州织金的相邻岛屿式成景模式(三个相对独立、彼此分离、分散和相邻的岩溶岛屿,以绮结河为纽带连接成一个统一的地表地下岩溶演化系统)(韦跃龙等,2018a)、重庆武隆的分散岛屿式成景模式(被周边碎屑岩区相隔成三个以“乌江”为连接纽带的孤岛)(韦跃龙等,2018a)、贵州绥阳“一岭两制”式白云岩喀斯特“孤岛”成景模式(以内部分水岭为界,产生了两种分别以地表河和地下河为连接纽带的白云岩喀斯特成景和响应过程)(韦跃龙等,2018c)等。

4结论

通过对山东区域地质地理背景,岩溶地貌形态类型及分布特征、发育特征、区划特征和特色分析,以及山东岩溶地貌形成演化的详细野外调查和综合研究,得到以下主要结论:

(1)山东是中国北方及全球温带岩溶分布面积最广的省份之一,以寒武系和奥陶系的可溶性地层为主,出露面积约为16200km2,约占山东省国土面积10.34%,大部分在鲁中南地区,小部分在胶东半岛北部,并形成众多规模、形态不一,且彼此独立的岩溶孤岛。

(2)山东,既发育着崮群、海岸等具有山东特色的岩溶地貌形态,也发育着泉群、长垣状山体、干谷等中国北方及温带岩溶地貌的典型形态,还发育着洞穴群、漏斗、洼地、峡谷等常见的岩溶地貌形态。

(3)按气候特征将山东岩溶地貌划分为半干旱、半湿润和海岸性三大暖温带岩溶地貌区,其中前两者位于鲁中南岩溶地貌区内,后者位于胶岛半岛北部。

(4)山东,是崮群、泉群、洞穴群和海岸岩溶地貌的典型集中发育区,是展现泉、崮自然美景最杰出的代表地之一,是展现中国北方及全球温带岩溶地貌杂演化过程和规律的杰出范例,堪称“全球泉都崮城,温带岩溶之魂”。

(5)古近纪以来,相继受喜山运动及多期间歇性区域构造运动的控制和影响,山东众多规模、形态不一、彼此独立的岩溶地块历经初始阶段(古近纪)→雏形阶段(新近纪)→重要发育阶段初期(早更新世至中更新世早期)→重要发育阶段中期(中更新世中期至晚期)→重要发育阶段晚期(晚更新世期间)→现代岩溶作用阶段(全新世以来至今),分别进行了多期、多种周期性岩溶过程(如洞穴、崮、泉等),历经漫长地质时期逐渐演变形成众多彼此分离、分散、独立,互不相干的岩溶孤岛及泉群、崮群、洞穴群等形态类型,系统完整地展示了各孤岛对不同地质地理环境的响应.耦合过程,是展示泉、崮、洞穴、海岸及中国北方和温带等岩溶地貌形成演化的典型参照地,且每一个孤岛分别代表着一个在地质、地貌、水文地质上独立、完整的岩溶形成演化系统(即成景机制均由无轴型→分轴型→主轴型孤岛式演变),并构成了一种独特、典型、罕见、稀有,且系统、完整的离散型孤岛式成景模式。

摘自《地球学报》2020年第4期

 

 

 

 

 

 

 

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山东岩溶地貌特征及其形成演化分析

科技外事处 2020-11-25

山东岩溶地貌特征及其形成演化分析

长期以来,国内外众多研究者从各种不同的角度对山东岩溶地貌进行了广泛的研究:(1)运用地层学、沉积学、构造地质学、水文地质学等传统地质理论,从区域地质调查、水文地质调查等角度较系统全面地调查研究山东众多岩溶区,如鲁中南岩溶区等的岩溶地质,基本探明各岩溶区地下水赋存条件与资源状况、岩溶地貌分布特征、洞穴分布概况、岩溶泉分布特征等,探讨了山东岩溶形成演化的机理及其与碳酸岩、地质构造、气候等之间的关系山东省环境水文地质总站和山东省地质矿产局801水文地质工程地质大队,1987山东省地质矿产局801水文地质工程地质大队,1989山东省地质矿产局801水文地质工程地质大队和地质矿产部岩溶地质研究所,1989王晓青,1991;蒋忠诚和翁金桃,1992宋印胜,1992姜鲁光,2003谢荣平,2009丁新潮等,2014)。(2)运用景观学、旅游学、规划学等多种学科交叉的研究方法,从岩溶地貌的类型特征、特色价值、开发保护、形成演化等方面,对泉(韩行瑞等,1985;郭玉文和王飞龙,1989徐建国等,2009孙斌和彭玉明,2014殷秀兰等,2017)、崮(赵建,1990,2003;丁新潮等,2014)、洞穴(李舒,1986山东省地质矿产局801水文地质工程地质大队和地质矿产部岩溶地质研究所,1989山东省地质矿产局801水文地质工程地质大队,1989蒋忠诚和翁金桃,1992赵建,1990,1991,2003朱学稳和韩道山,2007)等进行了众多研究,为山东岩溶地貌科学、合理的开发和保护,以及向世人推广等方面作出了贡献,涌现出多处以岩溶地貌为主体或为辅的省级/国家/世界地质公园及风景名胜区等,它们基本涵盖了山东不同地质地理背景下形成的各类典型岩溶地貌:目前,山东以岩溶地貌为主或为辅组建了4处国家地质公园(即枣庄熊耳山一抱犊崮、青州、沂蒙山、沂源鲁山)、30多处省级地质公园如蒙阴岱崮、济南蟠龙山、济南趵突泉、章丘百脉泉等),多处国家级和省级风景区(王世进等,2015)。通过它们,既展示了山东岩溶地貌的奇、险、雄,又使各类典型、珍稀、罕见的山东岩溶地貌奇观得到了科学、有效、合理的开发和保护,并且是探讨中国北方及温带各种不同典型岩溶地貌形成演化的天然实验室。

1山东区域地质地理概况

1.1区域自然地理特征

山东,地处中国东部沿海的东北段,地理位置114°4730-122°4218E、34°2254-38°2700N陆地总面积约15.67万km2境内中部山地隆起,东部、南部丘陵起伏,西南、西北低洼平坦,形成了以山地丘陵为骨架,平原盆地交错环列其间的地貌格局,地势起伏较小,相对高度多为200-350m,坡度在200以下;全境属暖温带季风气候区(冬季寒冷晴燥;夏季高温多雨),多年平均降水量的分布自东南向西北递减(由900mm减至550mm),多年平均气温分布则自西南向东北降低,年均温11.0-14.0℃。

1.2区域地质背景

1.2.1区域构造特征

山东位于中朝陆块的南缘和中央造山区的东端,地处华北板块内,区域构造以沂沐断裂带为主干;该断裂带纵贯中部,如“刀劈斧砍”将山东一分为二,两侧构造线向沂沐断裂带逐渐收敛,大致以沂沐带南部为收敛端,两侧则向NW及NE方向辐射,构成“一坳(济阳坳陷)、两块(鲁西地块、胶北地块)、两带(沂沐断裂带、苏鲁造山带)及一域(黄、渤海陆架海域)”的六大构造块体格局(宋明春,2008)岩层发生构造变形的主要时期为喜山期,新构造运动的总体表现为间歇性隆升(山东省地质矿产局,1991)。

1.2.2区域地层特征及岩溶地质特征和岩溶地貌分布概况

山东各时代地层发育齐全,自中太古界至第四系均有出露,岩性以侵入岩、变质岩、碎屑岩和碳酸盐岩等为主。其中可溶性地层主要为寒武系和奥陶系的碳酸盐岩地层,总厚度约1400m,出露面积约为16200km2,约占山东省国土面积10.34%,且大部分在鲁中南地区(即鲁中南岩溶地貌地区),小部分在胶东半岛北部(即胶东半岛北部岩溶地貌地区)(山东省地质矿产局801水文地质工程地质大队和地质矿产部岩溶地质研究所,1989)。其中:(1)鲁中南,北起济阳—广饶,南与江苏接壤,东起潍坊市、莒县,西至梁山、巨野,总面积约67044km2;其中碳酸盐岩裸露区面积约10975km2,约占总面积的16.4%,可溶性地层主要为寒武系和奥陶系,岩性以灰岩、白云岩为主,分布于低平的山前或单斜构造前缘隐伏区,为中低山丘陵区,并形成众多规模、形态不一,且彼此独立的岩溶孤岛,具有相对较高的孔隙率、渗透率和富水性,属易可溶性地区:而各孤岛周边非可溶岩地块的出露地层或为花岗岩,或为碎屑岩,厚度大,分布面积相对较大,孔隙率、渗透率和富水性较低,总体属不可溶性地区。该区域发育着崮、泉、长垣状山体、干谷、洞穴群、漏斗、洼地、峡谷等,并相互组合成岭山谷地、崮山谷地、丛丘谷地、岭丘谷地、缓丘谷地、残丘平原等多种组合类型,是崮群、泉群、洞穴群,以及中国北方和全球温带岩溶地貌的典型集中发育区。(2)胶东半岛,地处华北平原东北部沿海地区,总面积约3万km2,其可溶性地层以下元古界至震旦亚界地层中所夹的大理岩为主,面积约1600km2(约占总面积5.3%),呈条带状斑块点缀于半岛北部面积广阔的非岩溶区之间,形成多个规模不一、彼此独立的岩溶孤岛。该区域内有缓丘谷地、海岸等多种岩溶地貌组合类型,其中烟台蓬莱一带是现代海岸岩溶地貌的典型分布区。

1.2.3区域水文地质简要特征

山东全省平均河网密度为0.24km/km2,长度超过10km的河流有1552条,分属海河、黄河、淮河、小清河水系及山东半岛水系。它们的分布受地貌格局直接影响:(1)鲁中南的河流大致以泰鲁沂山地和蒙山山地为中心,向四周辐散;(2)鲁东的河流基本南北分流入黄河、渤海;(3)鲁北及鲁西平原区河流:黄河由河南省经东明县入境,流向东北,至东营市人渤海,流程约610km(4)海岸线全长3024.4km。

境内的裂隙岩溶含水岩组分为碳酸盐岩类和碳酸盐岩夹碎屑岩类二种,其中:前者广泛分布于鲁中南各岩溶孤岛内,孔洞、裂隙相对较发育,含水层总体以奥陶系灰岩为主,富水性较强;后者分布于鲁中南山区,孔洞、裂隙发育相对较弱,含水层总体以寒武系长山组灰岩、泥质灰岩、页岩等为主,出露位置较高,富水性较弱。而各岩溶孤岛周边的含水岩组主要有松散岩类隙水含水岩组、深层承压孔隙水含水岩组、基岩裂隙水含水岩组等3种,孔洞、裂隙相对不发育,富水性总体较弱。

2山东岩溶地貌形态类型及分布特征、发育特征、区划特征和特色分析

2.1山东岩溶地貌形态类型及分布特征和发育特征

山东,既发育着崮、海岸等具有山东特色的岩溶地貌形态,也发育着岩溶泉群、长垣状山体、干谷等中国北方及温带岩溶地貌的典型形态,还发育着洞穴群、漏斗、洼地、峡谷等常见的岩溶地貌形态,并相互组合成多种形态类型。

2.2山东岩溶地貌区划特征

以沂水蒙阴滕州微山县为界,按气候特征将鲁中南岩溶地貌区划分为半干旱(西北侧)和半湿润(东南侧)两类暖温带岩溶地貌区;而胶岛半岛北部岩溶地貌区则全部位于海岸性暖温带岩溶地貌区内。

2.2.1半干旱暖温带岩溶地貌区

该区多年平均降水量600-800mm,湿度系数0.43-0.57,属大陆性亚干旱暖温带气候。区内碳酸盐岩地层的面积约9476.7km2,其中裸露面积为6372.51km2,约占鲁中南裸露岩溶区的58%。该区岩溶地貌以长垣状山体、丘陵、单面山等为骨架,干谷为山与山之间的间隔带,构成以泉群为区域地貌特色,长垣状山体、单面山、干谷和小型洞穴等为区域地貌特征的岩溶地貌区,主要包括:(1)旧县平阴济南郭店明水一带,以泉群、单面山、长垣状山体等为主,典型的有济南泉群和明水泉群;(2)淄博淄河齐陵冶源朱刘店一带,以小型洞穴、泉、单面山、长垣状山体等为主,典型的有沂源鲁山洞穴群和老龙湾泉群);(3)肥城青泥沟和牛王泉一带,以长垣状山体、丘陵、洼地等为主;(4)郭里集泉林一带,以丘陵、洼地、长垣状山体等为主,兼有泉群,如泉林泉群;(5)东莞雹泉一带,以丘陵等为主,兼有泉群;(6)巨野梁山一带,以丘陵为主。

2.2.2半湿润暖温带岩溶地貌亚区

该区多年平均降水量800-920mm,湿度系数0.61-0.74,属大陆性亚湿润暖温带气候。区内碳酸盐岩地层的面积约5984km2,其中裸露面积为4602.7km2,占鲁中南裸露岩溶区的42%。该区岩溶地貌以崮山为骨架,崮与崮之间多为宽广的溶蚀洼地,或峡谷,构成以崮群为区域地貌特色,中小型洞穴为区域地貌特征的岩溶地貌区,主要包括:(1)岩马台儿庄一带,以丘陵、洼地、长垣状山体等为主,兼有泉群,如羊庄泉、荆泉等;(2)沂源垛庄一带,以崮山和中—小型洞穴为主,典型的有:沂蒙崮群、沂源洞穴群、沂源九天洞、沂水地下大峡谷等;(3)平邑临沂一带,以丘陵为主。

2.2.3海岸性暖温带岩溶地貌区

该区多年降水量为600-850mm,年均相对湿度在70%以上,属海岸性暖温带气候,主要包括莱州莱西乐山一带(以矮丘峰、谷地等为主)和烟台蓬莱一带(发育着众多形态典型、类型齐全的现代海岸岩溶地貌)。

2.2.4中国热带(或南方)和温带(或北方)岩溶地貌对比特征

中国岩溶地貌有着许多不同的分类标准,但就岩溶区划而言,主要以北纬34°的秦岭为界,划分为热带(或南方)和温带(或北方)两大岩溶区(中国科学院地质研究所岩溶研究组,1979李大通和罗雁,1983袁道先,1994),两区的岩溶地貌形态有着明显的区别。其中:(1)热带(或南方)岩溶区,包括广西、广东、云南、贵州、四川、湖南、湖北、江西等省/区/市的岩溶区,约占中国岩溶区面积的85%,多以呈成片分布,质纯、厚层的碳酸盐岩地层为主,区内较大规模的断裂、褶皱相对较少(利于不同区块间的水力联系,尤其是地下),处于温和湿润的热带/亚热带气候区,地表和地下水系发育,水动力充足,岩溶发育的物质基础及空间和动力条件总体较好,并组合成峰丛洼(谷)地、峰丛峡谷、峰林平原、孤峰平原/盆地等类型,既是中国南方及全球热带/亚热带岩溶地貌的典型集中发育区,也是峰丛、峰林、地下河、洞穴、天坑、峡谷、风景河段、石林、天窗、天生桥、瀑布、崖壁等全球同类岩溶地貌/景观的典型代表和佼佼者。(2)温带(或北方)岩溶区,包括山东、河北、北京、陕西等省/区/市的岩溶区,约占中国岩溶区面积的15%,多以呈条带状分布、相对难溶的碳酸盐岩地层为主,区内较大规模的断裂、褶皱相对较多(容易阻断不同区块间的水力联系,尤其是地下),处于大陆性亚湿润/亚干旱暖温带气候区,地表干燥、地下水滞留时间较长,水动力相对较弱,岩溶发育的物质基础及空间和动力条件总体略差,并组合成岭山谷地、崮山谷地、丛丘谷地、残丘平原、丘陵洼地等类型,既是中国北方及全球温带岩溶地貌的典型集中发育区,也是岩溶大泉(流量≥1万m3/d,文中各处相同)、崮等全球同类岩溶地貌/景观的典型代表和佼佼者。(3)两者之间的岩溶地貌形态及岩溶水差异明显,主要表现为:①正地貌,热带(或南方)岩溶区多以总体相对高大、陡直的峰丛、峰林为主,温带(或北方)岩溶区则多以总体相对低矮、平缓的长垣状山、崮、丘陵等为主,并分别组合成不同的地貌类型。②负地貌,同为峡谷、洼(谷)地、漏斗、落水洞、干谷、坡立谷等,但温带(或北方)的规模远小于热带(或南方)。③洞穴,热带(或南方)洞穴长度多在l-20km,一般由多个和多层洞道构成,绝大多数为大型、巨型洞穴,洞内各类钟乳石密集发育,且类型齐全、体量大、形态多等;而温带(或北方)洞穴长度多小于500m,大多介于10-300m,一般由单个洞道构成,绝大多数为中、小型洞穴,洞内各类钟乳石稀疏发育,且类型和形态单一、体量较小等。④岩溶水,热带(或南方)裂隙式和管道式岩溶水均十分发育,且管道式岩溶水多为长达几公里,甚至几十、几百公里的地下河(系),补给面积大,流量大、循环快,并直接排出转为地表河;温带(或北方)则多为裂隙式岩溶水,并汇聚成众多面积各异的泉域,流量小、循环慢,并排泄、溢出形成泉,而管道式岩溶水相对不发育,绝大多数为几十米长的地下河。

如前面所述,山东全境属暖温带季风气候区,境内拥有半干旱、半湿润两种大陆性暖温带气候,以及海岸性暖温带气候,既涵盖了温带气候的不同类型,还发育着温带岩溶地貌的所有类型和特征,是中国北方及全球温带岩溶地貌的典型集中发育区。

2.3山东岩溶地貌景观特色分析

综上,山东岩溶地貌,是崮群、泉群、洞穴群和海岸等岩溶地貌的典型集中发育区,是展现泉、崮自然美景最杰出的代表地之一,是展现中国北方及全球温带岩溶地貌杂演化过程和规律的杰出范例。

3山东岩溶地貌形成演化分析

3.1区域地质演化简史

自中太古代以来,山东历经地壳初始发展阶段(2910-2997Ma)→华北克拉通陆壳增生(新太古代)、拼合固结(古元古代)、伸展裂陷(中元古代)和内陆盆地(新元古代)阶段→陆表海盆地演化阶段(寒武纪,早、中奥陶世,以碎屑岩和碳酸盐岩沉积为主)→抬升为陆,接受剥蚀(晚奥陶世,受加里东运动的影响)→陆表海盆地沉积阶段(石炭纪和二叠纪,以碎屑岩沉积为主,伴随岩浆侵入作用)→陆相盆地演化阶段(三叠纪,以碎屑岩沉积为主)→陆相盆地伸展发育(早、中侏罗世)、收缩和陆内造山(晚侏罗世)、伸展发育(白垩纪)阶段(以碎屑岩沉积为主,伴随岩浆侵入作用)→断块发展及各构造体系形成阶段(古近纪、新近纪和第四纪,以碎屑岩沉积为主)(山东省地质矿产局,1991)。其中,古近纪期间,受喜山运动一幕(始新世初)的控制和影响,下伏于其它地层之下的可溶性地层呈孤岛状分别出露于不同区域,开始进入山东岩溶形成演化阶段;而新近纪和第四纪,是山东各类岩溶地貌的主要发育期。

3.2山东岩溶地貌形成演化分析

始于古近纪,相继受喜山运动及多期间歇性区域构造运动的控制和影响,山东众多规模、形态不一、彼此独立的岩溶地块历经初始阶段(古近纪,暖、湿的热带、亚热带气候和干、热的带、亚热带气候交替出现,岩溶作用相对较弱)→雏形阶段(新近纪,温暖、湿润的北亚热带—暖温带气候,岩溶作用相对略强,形成岩溶地貌雏形)→重要发育阶段初期(早更新世至中更新世早期,温带气候,岩溶作用相对较强,崮山谷地阶段和地下河大规模发育阶段,奠定崮群、泉群和中层洞穴等岩溶地貌的分布格局和形态特征)→重要发育阶段中期(中更新世中期至晚期,温带气候,岩溶作用仍相对较强,继承性发育阶段及洞穴形成阶段和洞穴景观发育阶段,各类岩溶地貌进行继承性改造和发育,并逐渐演变形成各自的典型形态)→重要发育阶段晚期(晚更新世期间,温带气候,岩溶作用趋弱,继承性发育阶段和洞穴景观发育阶段,总体以前期各类地表岩溶地貌的缓慢退化及强度相对较弱的地下河侵蚀/溶蚀作用为主,钟乳石继续发育和形成)—现代岩溶作用阶段(全新世以来至今,暖温带季风气候,岩溶作用相对较弱,总体以前期各类地表岩溶地貌的缓慢风化及强度相对很弱的地下河侵蚀/溶蚀作用为主,钟乳石总体停止发育),分别进行了多期、多种周期性岩溶过程(如洞穴、崮、泉等),历经漫长地质时期逐渐演变形成众多彼此分离、分散、独立,互不相干的岩溶孤岛及泉群、崮群、洞穴群等形态类型。

3.3山东岩溶地貌形成演化模式的探讨

3.3.1无轴型→分轴型→主轴型孤岛式成景机制

在不同和同一地质时期,山东众多彼此独立的岩溶孤岛分别进行了明显不同的岩溶过程,但具有高度相似的演变趋势:各岩溶孤岛,均以区域内不同水力相互之间联系的演变为主轴,总体由相互隔开、彼此独立、分散的无轴型岛屿一相互隔开、彼此独立、分散的分轴型岛屿→相互隔开、彼此独立,但各区域内部水力相对统一的主轴型岛屿;也就是均由无轴型岛屿(古近纪期间)→分轴型孤岛(分轴特指岛屿内各向分散独立流动的小河和地下河,始于新近纪)→主轴型孤岛式(主轴特指贯穿岛屿内部,基本汇聚其内部其它各种形式地表水和地下水,区域内局部统一的单一地表河,或地下河,即各岩溶区域内部的地表河,或地下河等,或始于新近纪中、后期,或始于早更新世)进行演变。期间各孤岛分别进行了多期、多种周期性岩溶过程(如洞穴、崮、泉等),并对应形成了多期、多种、规模形态差异较大地貌形态,如济南泉群、蒙阴崮群、沂源洞穴群等。

目前,山东众多岩溶孤岛总体处于“主轴型孤岛成景状态”之下。

3.3.2离散型孤岛式岩溶成景模式

综上所述,古近纪以来,受地层出露、构造、水文地质等特征及地形地势等因素的控制和影响,山东众多狭窄、规模不一、且彼此独立的岩溶孤岛产生了不同的岩溶成景和响应过程,或以泉的形成演化为主(如济南、淄博等),或以崮的形成演化为主(如蒙阴、沂水等)、或以洞穴的形成演化为主(如沂源鲁山等),系统完整地展示了各孤岛对不同地质地理环境的响应.耦合过程,是展示泉、崮、洞穴、海岸及中国北方和温带等岩溶地貌形成演化的典型参照地,且每一个孤岛分别代表着一个在地质、地貌、水文地质上独立、完整的岩溶形成演化系统(即成景机制均由无轴型→分轴型→主轴型孤岛式演变),并构成了一种独特、典型、罕见、稀有,且系统、完整的离散型孤岛式成景模式:各自之间彼此分离、分散、独立,互不相干的岩溶孤岛,分别对应着各自的区域地质地理特征,产生彼此悬殊较大、独立,互不相干的岩溶响应,耦合过程,形成彼此迥然不同的岩溶地貌特征;其最明显的一个特点是各个岩溶孤岛之间自始至终均是彼此分离、分散、独立,互不相干。

此模式明显异于中国南方众多“孤岛式”岩溶成景模式,其最明显的一个特点是:最终均通过一个连接纽带(或地下河,或地表河)形成一个统一的地表地下岩溶演化系统:如广西乐业单—孤岛式成景模式(被周边碎屑岩区孤立成一个以“百郎地下河系”为连接纽带的孤岛)(韦跃龙,2009)、广西都安“湖中岛”型孤岛式成景模式(即都安大岩溶区域内一个以“地苏地下河系”为连接纽带的岩溶孤岛)(韦跃龙等,2018b)、贵州织金的相邻岛屿式成景模式(三个相对独立、彼此分离、分散和相邻的岩溶岛屿,以绮结河为纽带连接成一个统一的地表地下岩溶演化系统)(韦跃龙等,2018a)、重庆武隆的分散岛屿式成景模式(被周边碎屑岩区相隔成三个以“乌江”为连接纽带的孤岛)(韦跃龙等,2018a)、贵州绥阳“一岭两制”式白云岩喀斯特“孤岛”成景模式(以内部分水岭为界,产生了两种分别以地表河和地下河为连接纽带的白云岩喀斯特成景和响应过程)(韦跃龙等,2018c)等。

4结论

通过对山东区域地质地理背景,岩溶地貌形态类型及分布特征、发育特征、区划特征和特色分析,以及山东岩溶地貌形成演化的详细野外调查和综合研究,得到以下主要结论:

(1)山东是中国北方及全球温带岩溶分布面积最广的省份之一,以寒武系和奥陶系的可溶性地层为主,出露面积约为16200km2,约占山东省国土面积10.34%,大部分在鲁中南地区,小部分在胶东半岛北部,并形成众多规模、形态不一,且彼此独立的岩溶孤岛。

(2)山东,既发育着崮群、海岸等具有山东特色的岩溶地貌形态,也发育着泉群、长垣状山体、干谷等中国北方及温带岩溶地貌的典型形态,还发育着洞穴群、漏斗、洼地、峡谷等常见的岩溶地貌形态。

(3)按气候特征将山东岩溶地貌划分为半干旱、半湿润和海岸性三大暖温带岩溶地貌区,其中前两者位于鲁中南岩溶地貌区内,后者位于胶岛半岛北部。

(4)山东,是崮群、泉群、洞穴群和海岸岩溶地貌的典型集中发育区,是展现泉、崮自然美景最杰出的代表地之一,是展现中国北方及全球温带岩溶地貌杂演化过程和规律的杰出范例,堪称“全球泉都崮城,温带岩溶之魂”。

(5)古近纪以来,相继受喜山运动及多期间歇性区域构造运动的控制和影响,山东众多规模、形态不一、彼此独立的岩溶地块历经初始阶段(古近纪)→雏形阶段(新近纪)→重要发育阶段初期(早更新世至中更新世早期)→重要发育阶段中期(中更新世中期至晚期)→重要发育阶段晚期(晚更新世期间)→现代岩溶作用阶段(全新世以来至今),分别进行了多期、多种周期性岩溶过程(如洞穴、崮、泉等),历经漫长地质时期逐渐演变形成众多彼此分离、分散、独立,互不相干的岩溶孤岛及泉群、崮群、洞穴群等形态类型,系统完整地展示了各孤岛对不同地质地理环境的响应.耦合过程,是展示泉、崮、洞穴、海岸及中国北方和温带等岩溶地貌形成演化的典型参照地,且每一个孤岛分别代表着一个在地质、地貌、水文地质上独立、完整的岩溶形成演化系统(即成景机制均由无轴型→分轴型→主轴型孤岛式演变),并构成了一种独特、典型、罕见、稀有,且系统、完整的离散型孤岛式成景模式。

摘自《地球学报》2020年第4期