直抵地心的巨大漏斗——天坑

何谓天坑？天坑是指具有巨大的容积,陡峭而圈闭的岩壁,深陷的井状或者桶状轮廓等非凡的空间与形态特质,发育在厚度特别巨大、地下水位特别深的可溶性岩层中,从地下通往地面,平均宽度与深度均大于100米,底部与地下河相连接（或者有证据证明地下河道已迁移）的一种特大型喀斯特负地形。通俗地说,连绵的群山中突然裸露出一个巨大的坑洞,从空中俯瞰,好像大山对着天空张开了嘴巴,这种奇异的景观就叫“天坑”。     

“天坑”的科学发现

日前中国地质科学院岩溶地质研究所朱学稳先生撰写了《“天坑”的科学发现》一文,现摘编如下。你家住在石山(注)区吗?你有没有听说过或在山里见过一种朝天开口、周壁陡峭、坑底深邃和空间庞大的陷坑,那就是喀斯特(karst)现象中的一种极端形态———天坑(tiankeng)。1天坑的发现     

特涝(Turloughs)和天坑:与众不同的漏斗

天坑是塌陷漏斗类型中非常极端的一员,并且其关键问题在于是否存在与众不同的"天坑作用",即是否存在纯粹的形态上的差别.在漏斗类型对应的另一端,爱尔兰的特涝群是指那些宽阔的封闭洼地,这些洼地为季节性湖泊.天坑和特涝与波立谷的区别在于天坑和特涝具有较小的体量,而波立谷具有更为平缓的周壁边坡,再者它们的形成过程也有差异.特别是,特涝仅发现于冰川沉积的区域且至少部分是冰川喀斯特形态,而波立谷出现在许多气候带并且位置通常被证明受地质结构的影响.特涝已被欧盟认可为具有特色植物组合的一种特殊的喀斯特形态,虽然除爱尔兰外,这个术语没有被广泛使用.很明显,天坑也存在同样的问题,即大多数天坑分布于中国,以其巨大的体量和特殊的形成过程与塌陷漏斗区别开来.是否将"特涝"和"天坑"列入喀斯特地貌学词汇之列仍存在争论.     

封闭型洼地的级别划分:天坑级别

机械的不稳定性和崩塌块石的溶蚀搬运以及二者之间的相互作用是喀斯特区大型塌陷构造的发育条件. 早期存在的空洞中的崩塌块石如果没有有效的搬运机制,空洞的向上发展就会中止.溶蚀的速率、原始空间的大小和上覆基岩的地形最终决定了地表地貌的规模.塌陷地形的规模从小落水洞到几百米宽如墨西哥Golondrinas崩塌坑不等.从整个级别序列上看,天坑可以说是此类崩塌地貌的终极地形.     

中国以外的世界天坑概览

就中国以外已发现的26个天坑的特征和成因进行了一般性的描述和讨论.此外,对其它类型的一些特大型塌陷漏斗也与天坑进行了比较.     

公路岩溶漏斗勘察及处治对策

介绍了岩溶漏斗及落水洞的特征,结合工程实例介绍了采用地质测绘和物探相结合的勘察方法,分析了岩溶对路基稳定性影响的主要因素,提出了对岩溶漏斗和落水洞主要采取跨越、加固、堵塞等处理措施.     

中国的喀斯特天坑

中国有世界上最广大的喀斯特区域,最多样化的喀斯特景观和为数极多的漏斗与洞穴.中国南部在湿热气候条件下发育的峰丛和峰林喀斯特,在全球锥状和塔状(cone and tower)喀斯特类型中,是最具代表性的典型形态.而峰丛喀斯特区则是天坑(tiankeng)的重要分布区域.近十几年来,已有近50个天坑在中国南方的峰丛喀斯特区被发现.主要分布在重庆、广西、四川和贵州境内.目前的研究表明,天坑主要发育在特定的地貌、地质和水文地质环境下,并因此区别于常态的喀斯特漏斗.     

巴布亚新几内亚Muller高原的大漏斗

Muller高原位于巴布亚新几内亚南部高地,以发育大漏斗(giant doline)群而闻名.这些漏斗中许多具有可与新不列巅岛Nakanai山地的超级漏斗(megadoline)和中国南方喀斯特天坑相媲美的特大规模和形态,都属"岩盖(caprock)"型漏斗.Muller高原的地质、自然地理和水文环境可与Nakanai山地环境和中国南方喀斯特区环境相对比.本文讨论了Muller高原上三个大漏斗群(Rogorepo,Mamo和Atea)的形成机制.Muller高原的大漏斗,像Nakanai的超级漏斗和中国天坑一样,形成于更新世.Muller高原漏斗的形成环境与其它大漏斗有许多相似性.然而,它却不可能演化成像Nakanai超级漏斗一样壮丽,像中国天坑那样具有极高美学价值,其原因在于石灰岩地层中有不纯非石灰岩夹层.     

柳江水源地岩溶地面塌陷

秦皇岛市柳江水源地开采岩溶地下水，出现地面沉降、开裂与塌陷。通过实地调查研究，总结了本区岩溶发育特征、岩溶塌陷的分布规律，分析了地面塌陷产生的原因，并提出了防治措施。     

兴文天坑的崩塌过程

四川兴文喀斯特包括小岩湾天坑和大岩湾退化天坑,以及猪槽井洞穴系统中潜在的洞穴崩塌大厅.这3个地方似乎可以说明天坑的演化顺序,即天坑从多重洞穴崩塌,到最后退化成大型漏斗的过程.     

术语“Karst”的起源和演化

对于术语＂karst＂的起源和演化,不少文献（包括手册、教科书、字典等）仍有不准确、不一致甚至错误的论述。鉴于此,本文不仅重述了众所周知的关于＂karst＂起源的事实,而且介绍了＂karst＂起源和演化的最新语言学研究结果。＂karst＂是由喀尔斯（Kras）高地的名称演化而来的。喀尔斯位于亚得里亚海的里雅斯特湾（Gulf of Trieste）达尔马提亚（Dal matia）海岸地区,其大部分属于斯洛文尼亚。喀尔斯是一处海拔150~450 m,覆盖面积550 km2（长约40 km,宽约13 km）的碳酸盐岩高地。斯洛文尼亚语、意大利语和德语分别称之为Kras、Carso和Karst。喀尔斯高地表面大致平坦,但从局部看,喀斯特洼地遍布,各种典型的喀斯特地貌形态随处可见,包括坡立谷、大小溶斗（包括大的塌陷溶斗）、喀斯特干谷和溶洞。这些形态规模较小,起伏平缓。喀尔斯高地的名称起源于前罗马时期,其古典拉丁语名称（也是目前已知最早的名称）为Carsus。该词的词根＊kar（u）s-是由意思为＂石头或岩石＂的词根＊kar-演化而来。从欧洲众多文献中可以发现有许多名词来自前印欧语系的词根kar（r）a/gar（r）a。这些词根最初意思指石头或岩石,而后发展为石头筑成的遮盖物——一间房屋,一座城堡,甚至一个村落,这些词根还演化成喀斯特相关术语。由Carsus的宾格形式Carsum演变成现代意大利语名称Carso;同样的宾格依据前斯洛文尼亚语言规则（即r或l出现在元音和辅音字母之间时,须将其移至元音字母之前。）演变成Kras;德语Karst则是由意大利语Carso依据德语变化规则（以s结束的单词末尾须添加t）演变而来。由此可见,Kras、Karst和Carso均源于古拉丁文Carsus,该词含有词根＊kar（u）s-。印刷技术的改进和新大陆的发现,带动了地图和地图集的出版。喀尔斯高地的名称不仅出现在地方性地图上,而且被大尺度区域性地图所标示出来,德文Karst甚至被用作区域地图的标题,足见喀尔斯高地的重要性。喀尔斯高地之所以比其它更大的地区重要且较早为人们所认识,与历史的地缘政治形势有关。16至19世纪,地中海东海岸大多由威尼斯共和国管辖,的里雅斯特港口和内陆地区则隶属于奥地利和土耳其帝国。对于奥地利帝国的公民,大部分中欧人和小部分东欧人来说,通向地中海唯一可行的途径就是从维也纳穿过卢布尔雅那市（Lju-bljana）,经喀尔斯高地,至的里雅斯特镇。1719年,当的里雅斯特港宣布成为自由港后,这条道路变得更为重要。与此同时,喀尔斯高地不寻常的地貌和恶劣的自然环境给途经的旅行者和学者留下了深刻的印象。在他们的旅行记录中对Kras有近乎相同的描述：＂碳酸盐岩裸露,岩洞繁多,没有水和土壤,夏暑冬寒,冬季强烈的冷风暴有时让高地无法通行......＂。此后,当描述其他喀斯特地区时,作者们往往会将其与Kras（Karst）相类比。1830年F.J.H.Hohenwart在《Postojna岩洞导游手册》中,第一次确切地写道＂喀斯特地貌不仅存在于Karst高地,它从Friuli平原一直延伸至希腊岛……＂。十九世纪上半叶,地质、地理和水文学者开始了对喀尔斯高地的详细研究,出版了喀斯特地质地貌方面的著作,并开始使用一些喀斯特术语。自1830年起,由于这些记述性的文字和专业著作大多用德语撰写,德语名称Karst逐渐为更多地区的人们所了解。19世纪末20世纪初,可以说＂karst＂已经成为国际科技术语。对＂karst＂加入国际术语行列影响最大的可能是毕业于维也纳大学的Jovan Cviji′c教授,他是最重要的学者之一,也是著名地形学教授A.Penck的学生。他最重要的喀斯特著作＂Das Karstphanomen＂（The phenomenon of Karst）的书名中就使用了＂karst＂。＂karst＂就这样由一个地名逐渐演变为学术名词,然后成为国际科技术语。     

隐伏岩溶区地下空间探测技术方法研究——以武汉市为例

岩溶地面塌陷是城市隐伏岩溶区地下空间开发过程中常见的地质环境问题,具有隐蔽性和突发性,开展隐伏岩溶区地下空间结构探测技术方法研究可以有效指导地下空间开发利用。以武汉市为例,分析武汉市岩溶地面塌陷的成因机理,提出岩溶发育程度、覆盖层厚度和结构、地下水是岩溶地面塌陷的原生地质条件,也是隐伏岩溶区地下空间探测的特征因子。通过对比分析地质雷达、高密度电阻率法、浅层地震、微动、混合源面波、瞬变电磁法、孔间层析成像和地面核磁共振法等技术方法在武汉市隐伏岩溶区地下空间探测的适用性。结果表明：地质雷达适用于浅部土层扰动探测,小极距的高密度电阻率法和混合源面波适宜于覆盖层的厚度和结构探测,浅层地震、微动和孔间层析成像适宜岩溶发育特征探测,地面核磁共振法可通过岩溶地下水的富水性辅助岩溶发育程度探测。     

四川兴文小岩湾天坑的形成及其发育研究

天坑是我国学者朱学稳最早提出的,区别于普通漏斗、发育于大型暗河通道上的塌陷地形。根据小岩湾天坑形成的基础条件(沉积环境、气候与水文条件、地区地层条件以及该地的地下河条件)进行分析,并对其发育过程作了深入探讨,研究结果显示,小岩湾天坑完全符合天坑的定义,是一个发育完好并处于的成熟阶段的特大天坑。     

城区复杂环境岩溶地面塌陷灾害成因与致灾规律研究——以贵港市北环新村岩溶地面塌陷灾害为例

岩溶地面塌陷是岩溶发育地区常见的地质灾害类型。岩溶塌陷对基础设施和人民生命财产安全构成极大威胁。文章以贵港市北环新村岩溶地面塌陷灾害为例,采用地质分析与颗粒流离散元数值模拟相结合的方法,研究岩溶塌陷成因与致灾规律。结果表明：本次塌陷是由多类因素共同导致,主要包括地质环境、地下水位波动与管道渗漏及工程建设活动等;白云岩、灰岩差异性风化所形成的粉砂质土极易诱发土洞与岩溶塌陷灾害;塌陷灾害可分为土洞形成阶段、土洞发展阶段和土洞塌陷阶段,其土洞规模、形状及影响存在显著差别;土洞形成发展过程中,地表沉降量从塌陷中心向四周逐渐减小,存在明显的沉降敏感区,塌坑边缘的竖向临空面存在拉应力作用,极易再次诱发塌陷。研究成果可为岩溶地面塌陷灾害防控与预警提供一定的理论参考。     

土洞型岩溶塌陷发育过程气体示踪试验研究——以广州金沙洲为例

运用气体示踪进行土洞型岩溶塌陷监测预警是一种比较新的技术方法,其原理是通过气体在不同形状、规模的土体孔隙、裂缝和土洞中的运移规律研究,分析气体特征值与土体变形破坏的关系,进而间接判断土洞的发育情况,实现岩溶塌陷监测预警。本文以广州市金沙洲岩溶塌陷区为例,通过室内物理模型试验再现了土洞发育、形成到地面塌陷的全过程。运用气体示踪技术,按照土洞形成、土洞发育、土洞堵塞、土洞扩大和土洞塌陷五个过程,研究气体浓度、气体聚集时间等参数指标与土洞不同发育阶段的关系。结果表明：①土洞型岩溶塌陷发育程度与示踪气体浓度存在对应关系,气体浓度升高反映了土体变形破坏的进一步发育;②土体变形破坏程度与示踪气体浓度总体呈正相关关系,距离地面塌陷点越近浓度越高;③土体变形破坏程度与示踪气体浓度达到峰值浓度时间存在对应关系,距离地面塌陷点越近,气体浓度达到峰值的时间越快。根据以上试验结果,运用气体示踪技术进行土洞型岩溶塌陷监测预警是可行的,后期应探索预警阈值并进行野外现场实际验证。     

岩溶塌陷的地质概化模型

对于岩溶塌陷机制的分析,应以其所处的地质条件为基础,在一定的水文地质条件的基础上,同样的土-岩体,可能具有完全不同的失稳机制.以工程实例为基础,提出了几种岩溶塌陷的盖层地质概化模型,并对每一种概化模型的致塌机制进行了分析和讨论,同时,还提出了水压差场与气压差场的概念.     

岩溶地面塌陷三机理理论及其应用

为了给岩溶地面塌陷预测、监测、防治和应急措施提供理论依据,全面总结了岩溶地面塌陷的发育规律,认为岩溶、土体和诱发因素是岩溶地面塌陷的三要素。岩溶为土体丧失提供通道和储藏空间。土的工程地质性质决定了土体塌陷方式：“黏土块”坍塌、砂颗粒漏失、软弱土流失;土体塌陷方式决定了土体塌陷机理;据土体塌陷方式提出了由“土洞型塌陷”“沙漏型塌陷”和“泥流型塌陷”构成的岩溶地面塌陷三机理理论：黏性土和密实砂性土层中,在外力作用下,土洞顶板拱效应失效而产生的地面塌陷现象称为土洞型塌陷;由于诱发因素的触发导致可溶岩上方松散砂层中砂颗粒漏失而产生的地面塌陷现象称为沙漏型塌陷;可溶岩上方软弱土体在外力作用下向可溶岩中流失而产生的地面塌陷现象称为泥流型塌陷。三机理理论关注土体塌陷方式,既解释了岩溶地面塌陷现象,更回答了土体“如何塌”的问题。诱发因素是塌陷的外部影响因素,不是塌陷机理的构成要素;诱发因素产生作用力;作用力改变土颗粒运动状态,使土颗粒由“静止→运动”,土体由“稳定→塌陷”。依据三机理理论,提出了岩溶地面塌陷综合地质预测方法,建立了基于三个塌陷机理的土体塌陷确定性预测模型,系统总结了岩溶地面塌陷监测、防治和应急措施方法,形成了从理论到实践的、完整的岩溶地面塌陷思想体系。     

武汉地区浅层岩溶发育特征与岩溶塌陷灾害防治

运用综合分析和数学统计的方法,较为深入地研究了武汉地区浅层岩溶的发育特征。武汉地区存在6个走向 NWW-SEE、各自相对独立的碳酸盐岩条带。根据上覆盖层工程地质性能的差异,划分出5种岩溶地质结构类型。武汉地区浅层岩溶主要类型有溶隙、落水洞及小型溶洞等,钻孔遇洞率46.0%~50.1%,线岩溶率5.93%~6.00%。浅层岩溶带中,1/3的溶洞洞高小于0.6 m,50%小于1.0 m,90%小于3.0 m。1/3的溶洞顶板在基岩面以下2.5 m 以内,50%在4.5 m 以内,90%在12.5 m 以内。溶洞充填物主要是黏土,含有灰岩碎块石。全充填溶洞占70.8%,未充填溶洞约占1/5,半充填溶洞不到8%。全充填溶洞顶板在基岩面以下平均埋深5.13 m,半充填5.71 m,无充填7.69 m,且具有全充填和半充填溶洞埋深较小、无充填溶洞埋深较大的特点,反映出溶洞充填方式是自上而下充填,充填物主要来源于上部覆盖层。武汉地区浅层岩溶为上部“垂直渗流岩溶带”地下水垂直渗流作用下的产物。根据岩溶发育程度的差异,基岩面以下浅部碳酸盐岩在垂直方向上可分为上部强岩溶和下部弱岩溶两个带;岩溶塌陷灾害平面上可划分出高、中、低3个危险性区,各区防治原则不同。高危险区是岩溶塌陷灾害防治的重点,防治的基本原则是阻止上覆粉细砂的流失;中等危险区的防治原则是保护中部老黏土层或红层的完整性;低危险区应注意远城区土洞存在的可能性。各危险区治理应以岩溶地质结构为基础,在防治原则指导下制定相应的防治措施。此外,工程建设中应合理选择和利用弱岩溶带。     

湖北武汉典型地区岩溶发育特征分析

本文在分析以往地质资料和完成的武汉市1∶5万岩溶塌陷调查成果的基础上,从武汉市岩溶发育的形态及规模、不同岩溶条带、不同构造条件、不同地层、不同埋深和不同地貌七个方面,分别系统总结了武汉市典型地区岩溶发育的特征。区内岩溶总体中等发育,岩溶形态主要为溶隙、溶孔以及小规模溶洞;在水平方向上存在5个走向NWW—SEE、各自相对独立的碳酸盐岩条带,其中白沙洲条带岩溶最为发育,在垂直方向上浅层溶蚀发育;各地层的岩溶发育强度依次为P2q>T1d>C2h+d>T1-2j;在褶皱核部或转折端、断层带附近、长江一级阶地、山前补给局部地区等地下水交替循环强烈地带和可溶岩与非可溶岩接触带,岩溶发育相对强烈。结论可为武汉市岩溶塌陷地质灾害防治提供地质基础支撑。     

地表溶蚀盆地-地下岩溶联合成库条件分析——以弄岩水库为例

水资源已成为人类社会及经济发展的重要制约因素,国内外都在积极探索不同气候、不同地质条件下水资源的合理开发利用。受地下岩溶发育及气候影响,岩溶地区的地表及地下水资源在时间、空间上分布极不均匀,旱涝并存,通常以单一拦蓄地表水或直接抽取地下水来应对,存在较大局限性。文章在总结分析前人的研究成果上,结合弄岩水库,利用水文系列资料进行相关分析,找出地表水与地下水之间的变量关系及相应可开采水资源量;查明地下岩溶蓄水条件,在岩溶通道设置地下拦蓄工程,实现地表水与地下水联合开发,并利用地表及与地下岩溶水库的调蓄功能均衡供水,有效解决旱涝问题,水资源得以最大化合理利用。