0 引言

清虚洞位于贵州省大方县羊场镇境内，清虚洞天生桥于2001年获得“世界最大自然拱桥”的吉尼斯世界纪录^[1]，其规模和形态，在岩溶区内较为罕有且独特。当地政府也依托清虚洞天生桥这一罕有景观资源开展旅游业，但对其利用局限于天生桥和边缘坡立谷，而对清虚洞系统内的其他资源没有利用，或认识不清。例如，对其景观特征及构成、空间展布特征、形成机制，以及清虚洞穴系统洞道结构等核心地学问题一无所知, 极大地影响了清虚洞旅游开发与保护工作的顺利实施，导致清虚洞景区旅游业萧条或呈现季节性较强的旅游现状，因此，急需对清虚洞资源进一步清查与研究。

洞穴景观的奇异、神秘和对行为感受的冲击性等特征对广大游客有着极大的吸引力^[2]，系集幽、奇、幻为一体的景观资源。不少学者对洞穴旅游开发^[3-5]、景观资源价值^[4-6]及洞穴形成演化过程^[7-14]等进行了大量研究并取得丰硕成果。在洞穴成因研究方面，主要对地质构造、岩性和水化学等方面进行论述，从水文系统视角开展的研究少见报道。为此，本研究在探测并绘制清虚洞洞穴图的基础上，查明其景观分布和构成、洞道发育、地貌环境、区域地质构造特征及水文条件等，从水文地貌系统角度，对清虚洞的形成机制进行探讨，客观地认识其形成机制，为科学规划和保护提供有力的支撑和依据。

1 研究区自然地理地质概况 1.1 自然地理概况

大方清虚洞原名穿洞，又名大洞、千虚洞，位于贵州省毕节市大方县城南面的羊场镇陇公境内，距县城10 km，距大方县X004县道1.5 km，交通较为便捷，地理坐标27°05′50″N，105°40′16.58″E，海拔1 476 m。地处黔西北高原(云贵高原)向黔中山原丘陵过渡斜坡地带，地形地貌以丘陵和山间谷地为主，境内大部分地区海拔1 200~1 850 m，相对高差450~550 m，地势西北高，东南低，最高为雷打坡1 850 m，最低位于乌溪河河谷1 200 m。区域内沟壑纵横、地貌破碎，地形多样，山地、坡地、丘陵、洼地、盆地(小坝子)、河谷等交错分布。区域内发育乌溪河，朱仲河以及陇公坝溪流两条支流，属于长江水系乌江(六冲河)支流。研究区属于低纬度高海拔山区，系亚热带湿润季风气候，气候温和，雨量充沛，雨热同期，具有冬无严寒，夏无酷暑的气候特点，年平均气温11.8℃，最高气温32.7℃，最低气温零下9.3℃，最冷月(1月)平均气温为1.6℃，最热月(7月)平均气温为20.7℃，年平均气温13.9℃，属典型的夏凉山区，雨季特别明显，年降雨量为955~1 179 mm，降雨多集中在4—9月，占全年降雨量的78.8%。

1.2 区域地质概况

研究区内地质构造运动复杂，在早白垩纪晚期到始新世主要以南北向左旋直扭作用为主，渐新世以来以近东西向挤压的构造为主，多期构造运动交织在一起，奠定了区内复杂的构造体系，形成了新华夏系构造、南北向构造、西北向构造、二次张性断裂等一系列构造体系^[15]，使得研究区出露地层有二叠系、三叠系、侏罗系及第四系等地层(图 1)。

2 洞穴发育特征与景观资源 2.1 清虚洞穴发育概况

清虚洞洞口位于大方向羊场镇小丫口，陇公坝边缘坡立谷东南侧。洞口朝北北西向，位于碳酸岩与非碳酸岩交界处，洞口高105 m，宽120 m，系边缘坡立谷的消水口(天生桥型入口)。据1:20万水文地质图推测，洞道长大于8 km。本次探测清虚洞天生桥至大拗口天坑段，系该洞景观资源条件最好的部分，该段洞穴长3 055 m，宽3~120 m，高3~120 m，洞道形态结构特征为“一桥、两坑、一窗、一支洞”(图 2)。

根据该段洞道结构特征，将洞道分为4个部分，分别为入口至云坛天坑段、云坛天坑至天窗段、天窗至大拗口天坑段、天窗支洞段。各段的洞道特征如下：

(1) 入口至云坛天坑段：洞口朝西北方向，洞口前为宽60~400 m的边缘坡立谷，谷地中央发育一小溪流流入洞口，洞口宽120 m，高75 m，洞道中央溪流穿过，左侧平整，宽30~60 m，右侧为崩塌碎石堆积呈斜坡状，其顶部平整，宽20~30 m，洞壁发育两支洞，洞道延伸不长，该段长200余米为天生桥；天生桥后为云坛天坑，天坑东北侧堆积大量的碎石块，西南侧为天坑最低处，在天坑中央生长着草本植物和少量灌木。该段洞道长320 m，宽120~150 m，高75~120 m。

(2) 云坛天坑至天窗段：云坛天坑后洞道延伸300余米，该段洞穴宽50~110 m，高38~50 m，洞底为崩塌碎石石块堆积，该段洞道未见次生化学沉积物发育。此后，洞道变得低矮狭窄，为溶蚀型洞道，洞壁常见溶蚀窝穴，洞底水流潺潺，洞壁偶有壁流石、石幕等次生化学沉积物发育，洞顶常见石钟乳发育。该段洞道宽3~15 m，高3~25 m，洞底时而积水成塘，时而卵石堆积，洞道变化莫测，该段洞道长500 m。

(3) 天窗至大拗口天坑段：天窗发育于洞道的西侧，距离洞底40 m，天窗直径20 m。该段洞道比前段洞道高大，洞道宽14~36 m，高30~50 m。洞道相对平缓，洞底以崩塌块石为主，洞到中部有人工用石块砌的石门和城墙，墙体厚2.5 m，高5 m，门高1.5 m，宽1.5 m。洞内发育一处长25 m，宽5~20 m的流石坝。洞道末端是大拗口天坑，天坑呈北西向展布的长方形，天坑长210 m，宽140 m，最大深度120 m，最浅60 m，西侧悬崖绝壁，东北侧地势较为平缓，坑底植被茂密，以草本和乔木为主。天坑东南端为洞穴延伸方向，但未探测，据1:20水文地质图该洞河水最终排到8 km外的乌溪河内。

(4) 天窗支洞段：支洞发育于天窗对侧，支洞前段为长度95 m, 相对高差44 m的斜坡，洞道高50~75 m，宽25~30 m, 到达顶端洞道水平，洞道变为长条形大厅，洞道长100 m，宽26~60 m，高25~40 m。洞庭两侧有小支洞发育，其发育情况不详，在洞庭周边低矮洞道发育有大量的石钟乳，洞底为崩塌石块堆积。

2.2 清虚洞景观资源特征 2.2.1 资源构成

岩溶洞穴景观主要包括洞内次生化学沉积物、洞道形态结构、洞壁溶蚀形态、水体、崩塌形态以及人文遗迹等^[3-4]，由此可以看出，岩溶洞穴景观资源由自然景观和人文景观两部分组成。清虚洞景观资源还依托于区内自然、人文环境的大背景条件，这些人文、自然条件成为洞穴景观资源的辅助资源，是区内景观资源的重要组成部分(图 3)。

清虚洞自然景观包括天生桥、云坛天坑、大坳口天坑、天窗、溶蚀景观、次生化学沉积物(图 4)。特征如下：

(1) 天生桥：位于清虚洞入口。高178.25 m，拱高105.25 m，拱桥跨度最大处127.35 m，最小处77.69 m，桥身长400 m，宽200 m。2001年获得吉尼斯世界纪录(图 4a)。

(2) 大坳口天坑：天坑为长方形，口长210 m，宽140 m，最大深度120 m，最浅60 m，容积3.52×10⁶ m³，为小型天坑^[5]，坑底流水潺潺，树木郁郁葱葱，周围绝壁有如斧劈刀削(图 4b)。

(3) 云坛天坑：位于天生桥后端。直径105 m，最大深度120 m，最小深度75 m，坑口呈圆形，坑口小坑底大，坑底直径130 m，容积分别为1.36×10⁶ m³。根据罗书文等^[16]提出的天坑等级评价方法，该天坑为小型天坑(图 4c)。

(4) 天窗：呈直径20 m的圆形，距离洞底40 m。

(5) 次生化学沉积物：洞内发育有壁流石、石钟乳。壁流石零星分布于洞内，呈垂帘状、钟状形态，洞底流石坝发育面积200 m²(图 4d)，有穴珠等次生化学沉积物景观。石钟乳主要分布在低矮洞道上游段，发育密度较大，直径5~250 cm，长10~300 cm的瘤状石钟乳(图 4e)。

(6) 溶蚀景观：洞底溶蚀窝穴为口直径1~20 cm，深2~15 cm圆形、碟型；洞壁波状流痕大小不一，波长5~50 cm，宽3~25 cm。

清虚洞历史文化景观主要为天生桥下的文物建筑遗址。据记载，清朝道光六年(1826年)大定城陷，匪患猖獗，兵匪四方掳掠，陇公坝、新寨民众筹资在洞内最高处修筑有围坪、营门的营盘，以之避匪, 沿袭百年。营门门柱楹联：邻舍三五共盘桓，依岩架屋自为尊。民国三年(1915年)，一位住持和尚(姓名失考)率十数僧人在该洞门边右侧建造木柱、板壁、屋面盖小青瓦的佛庙一座，供奉观音，选用“清虚道德真君”之“清虚”二字取名清虚洞。民国二十七年(1932年)，僧侣在洞中营盘内和营盘坎脚各增建木质不盖顶的道庙二座，拥僧、尼数十人。民国二十九年(1940年)下半年，中国航空第一发动机制造厂选址羊场坝乌鸦洞后，征用仅距厂区2 km多的清虚洞建造火电厂、翻砂厂、螺旋桨厂等，后来国民党中央政府派员到清虚洞考察，因溶洞后方有一巨大的天窗，及洞项岩层薄，恐难避飞机轰炸而停工未建^[17]。

区内其他景观资源包括洞口前的边缘坡立谷，长1.72 km，宽60~400 m，一派田园风光；坡立谷两侧高80余米的独立峰体及洞穴地层表面的峰丛景观(图 4f)，其形态各异，蔚为壮观；周边村庄民族众多，以彝族、白族、苗族、蒙古族、仡佬族等民族为主，每种民族都保留和传承了许多优秀、多彩的民族风情。

2.2.2 核心资源特征

清虚洞属于大型洞穴系统，集桥、洞、窗、坑为一体综合性的洞穴景观资源。由图 3可知，清虚洞系统的核心资源为清虚洞天生桥，清虚洞天生桥规模宏大，其各项规模特征参数均位列世界天生桥前茅，国内乃至世界罕有(表 1)，并于2001年获得了吉尼斯世界纪录^[1]。天生桥是岩溶景观的重要组成部分，是岩溶区较为少见的景观资源，集雄、奇、险、壮等特征为一体^[6], 是各种自然景观中最具旅游吸引力的景观之一^[18-19]。以天生桥为主或辅助景观建立旅游区的地方是屡见不鲜^{[13, 18-20]}, 清虚洞内的天生桥和云坛天坑组合景观，构成了区内的核心景观，系国内乃至世界少有的岩溶景观，具有极高的景观价值。

3 清虚洞形成演化机制 3.1 洞穴发育影响因素 3.1.1 岩石空间展布对洞穴形成的影响

洞穴发育于高店背斜东翼，三叠系中下统嘉陵江组(T_1-2j)灰色中厚层及薄层微粒灰岩，时含泥质及白云质，偶见鲕状、蠕状结构的地层之中。其下伏地层组成如下：上部为灰绿色黏土岩，下部为灰色中厚层灰岩的夜郎组(T₁y)地层。嘉陵江组下部地层为灰绿色黏土岩，出露地表形成常态地貌，如区内的最高峰(雷打坡)，且具有一定的隔水作用。因此，当地表径流沿着该层流入嘉陵江地层时，在下伏地层隔水作用下，使得径流沿着嘉陵江碳酸岩地层内的裂隙节理溶蚀形成清虚洞。

3.1.2 水化学条件对洞穴形成的影响

水对碳酸盐岩具有溶蚀作用这是不争的事实，但水的溶蚀能力的强弱与水化学性质相关，并通过实验得以证实^[21]。外源水较内源水的溶蚀能力强，朱学稳^[22]在研究桂林地貌形成时，认为外源水由于硬度和pH值较低，对碳酸盐岩具有更强的侵蚀性，这是桂林峰林形成的重要因素, 外源水这一特性也是岩溶同行的普遍共识^[21-23]。清虚洞发育于高店背斜东翼单斜构造区，三叠系中下统嘉陵江组(T_1-2j)薄层灰岩及白云质灰岩地层，而下伏地层为三叠系下统夜郎组(T₁y)非碳酸岩地层构成。区内径流由夜郎组(T₁y)的非碳酸盐岩区域，流向嘉陵江组(T_1-2j)的碳酸盐岩区，由表 2可以看出夜郎组地层中水的硬度、碱度和pH值均较低，系偏弱酸性水，当进入嘉陵江组石灰岩地层时，会发化学反应，即CaCO₃+2H⁺→Ca²⁺+H₂O+CO₂↑。因此，研究区内这一径流水化特征为清虚洞的形成，提供了强有力的外源水溶蚀作用条件。

3.1.3 裂隙及节理对洞穴形成的影响

地下水沿着裂隙、节理溶蚀扩大形成洞穴，这是岩溶洞穴研究同行普遍共识^[24]。清虚洞发育高店背斜东翼翼部，顺向和走向节理较为发育，通过统计研究区内节理展布方向和洞道延伸方向(图 5)，可以看出洞穴展布方向与研究区内节理、裂隙发育方向具有较好的一致性。因此可认为，清虚洞的延伸方向受到研究区内构造裂隙、节理的控制。

3.1.4 岩层产状对洞穴形成的影响

节理、断裂等裂隙系地下水运移的天然通道，岩层间的层间裂隙也同样如此，尤其在单斜构造区特别显著。罗书文等^[25]就针对单斜构造区岩溶倾斜洞穴发育趋势与岩层产状相关性识别方法进行了论述。因此，根据洞穴探测数据，运用该方法，用SPSS软件对清虚洞洞道展布进行一次趋势面拟合分析，并获得趋势面方程；同时，根据研究区内岩层产状(165∠13°)建立岩层倾向面，获取其倾向趋势面方程，用Matlab软件在同一坐标系内拟合两平面(图 6)，研究其展布关系。由图 6可以看出两趋势面的倾向具有较好的一致性，因此认为清虚洞的发育，不仅受到构造节理断裂的影响，还受到层间裂隙即岩石产状的影响。

3.1.5 地形对洞穴形成的影响

如前所述，在燕山运动和喜马拉雅运动时期，研究区发生多期地壳挤压抬升，形成向东南倾斜的单斜构造地块，其地势总体特征为以雷打坡一带为首的最高点向东南地形越来越低，最终形成了北西高东南低，倾向与岩层倾向基本一致的地势格局。这样的地势格局，使地块接受的大气降水时在地表、地下形成天然水头势差，有利于地下水沿着北西、北东两个方向节理及东南倾向的层间裂隙(顺层)^[25]流动。因此，研究区内在地表水沿着北东向断裂、节理(图 5)溶蚀、侵蚀下，形成朱仲河和乌溪河等地表径流，地下水溶蚀形成东南向的洞道(图 2)。所以，认为研究区内特殊的地形条件，为地下水沿断裂、节理和层间裂隙溶蚀、侵蚀形成洞穴，提供了良好的水动力条件。

3.1.6 新构造运动对洞穴形成的影响

新构造运动是第三纪以来以地壳隆升为特点的喜马拉雅运动，其运动形式以垂直断块运动为主。地壳抬升地下水位下降，排泄基准面下降，地表水水头差增加，溯源侵蚀能力增强导致河流下切形成峡谷，因此，地壳抬升作用的强度直接关系着河流下切的深浅。研究区在新第三纪至早更新世时期是以大面积大幅度的间歇性隆升为主，曾经历新第三纪中至上新世末期和第四纪早更新世末期等强烈隆升阶段^[15]。在此过程中，区内主要河流乌溪河溯源侵蚀能力远大于其他河流，下切呈谷形成了区内的排泄基面，地下河在排泄基面下降的影响作用下，形成现在清虚洞道形态结构。

3.2 洞穴形成与演化过程 3.2.1 洞穴形成机制

如上所述，大方清虚洞发育受到了区域地质构造、地层岩性空间展布和水化学等因素的影响。其最根本原因是影响水的运移过程与碳酸盐岩作用形成地下空间(岩溶洞穴)，所以根据区内地下水运移规律，研究区内洞穴形成机制具有重要意义。根据地下水文流场基本原理，结合实际，研究区地下水文系统划分为区域性(图 7a)和局部(图 7b)两个水文网，分别由补给区、补给径流区和排泄区3个部分构成。在两个系统共同作用和多种因素相互影响(见3.1节)下发育成清虚洞及研究区内岩溶洞穴。

区内地下水文网总体趋势或单一岩性的水文网(图 7a)较为单一。区内出露岩区分为两类，透水性校好的碳酸盐岩和透水性较差的黏土岩，因此形成了两个水文系统。黏土岩区其透水性较差，大气降水后基本以地表水形式流走，极少部分渗入地下再通过深切区排泄出来。外源水(表 3)对石灰岩具有较强溶蚀作用，因此，在两种岩石接触带附近，形成较低地形成为区内的排泄区，进而形成了自己的水文系统(A区，见图 7b)。对于碳酸盐岩区而言，下伏地层为黏土岩，呈为隔水层，因此在其上的碳酸盐岩地层中形成了另一水文系统(B区，见图 7b)。在碳酸盐岩区内的水流，既有A区排泄的地表水，又有B区大气降水汇聚而成。A区来的水虽然具有较强的溶蚀作用，但随着与碳酸盐岩作用的深入，其溶蚀作用也逐渐变弱，因此形成随着洞道的深入，洞道空间也逐渐变小，如清虚洞前400 m洞段较为高大。在B区内部，因大气降水沿节理、裂隙下渗溶蚀作用使洞内形成天井或厅堂，有利于洞顶崩塌形成天坑等地貌形态。

3.2.2 洞穴演化过程

岩溶洞穴是碳酸盐岩地层在地下水溶蚀形成的天然空间，这是研究者的共识^{[8-11, 14, 26]}。根据水的作用形式不同可以将洞穴分为流入、流出和穿越含水层3种类型^[14]；而在形成过程中，根据水的充填情况可分为深潜、侧蚀和悬脱等3个时期^[12]；另外，研究者还以洞道层层性或其他形态结构特征，来研究和探讨洞穴形成与演化过程^{[5, 7, 27-28]}。参考这些研究成果，结合清虚洞的实际探测情况，本研究分析认为清虚洞形成过程经历了溶蚀期、崩塌期和下切搬运3个时期。

(1) 溶蚀期(管道期)

研究区在地质构造作用下，形成了一系列北东向构造，同时发育了北东向和北西向节理。形成了西北高东南低的地势格局，在研究区西北方向的下垫面，接受大气降水顺坡面往下流，当流经碳酸岩与非碳酸岩接触带时, 具有强烈溶蚀能力的外源水，沿着碳酸岩地层内的层间裂隙、节理，向区内排泄基面(乌溪河)排泄。在此过程中，最先发挥作用的是溶蚀作用^[29-30]，从原始裂隙溶蚀成为岩溶管道这一过程是漫长的^[31]，只有溶蚀作用通道打开到一定程度时，溶蚀作用才能很好地进行^[30]，随着通道逐渐扩大，侵蚀作用才会逐渐加强或超过化学溶蚀作用^[31]。随着地壳抬升排泄基面不断下降，地下水的不断溶蚀、侵蚀作用，使得地下裂隙不断被扩大形成管道，与乌溪河形成强烈的水力联系(图 8a)，该时期人无法进入，多数洞道处于充水状态或十分小。

(2) 崩塌期(天坑期)

洞穴不断被扩大，洞壁在流水作用下，因“X”节理较为发育，当底部岩石被流水蚀空洞壁岩体很容易崩塌，在节理发育密集区内形成大型厅堂，同时洞顶板在内崩、外剥的共同作用下，使得洞道顶板逐渐变薄，在外力诱导下洞顶崩塌形成天窗或天坑。因此，形成了清虚洞中天窗、云坛天坑和大拗口天坑的雏形(图 8b)。该时期洞道被崩塌体堆积堵塞，使地下水被拦截呈一个个水潭，多数洞道处于充水状态。在洞口附近，因云坛天坑崩塌体将河水堵截，地下河回水在陇公坝区内形成水潭，区内地表水侧蚀作用加强，使得清虚洞洞口逐渐变大，边坡被侧蚀岩体崩塌后退变陡；附近的峰丛也因侧蚀作用将垭口蚀低而形成一个个独立的峰体。

(3) 下切搬运期

随着地壳不断抬升，乌溪河下切，区内排泄基面下降，地下河溯源侵蚀能力逐渐加强，洞内的崩塌体逐渐被河水侵蚀带走，河道也逐渐被梳通，洞内各段回水逐渐消失。该时期，河道下切，陇公坝回水也逐渐消失，而形成峰体高于洼地，陇公坝也从湖泊变为沼泽地；同时，洞道基本处于脱水状态，洞内的石钟乳开始发育，而形成现在的洞穴景观(图 8c)。

4 结论

本文从岩石空间展布、水化学条件、裂隙及节理、岩层产状、地形和新构造运动等要素分析其对清虚洞形成的影响，并试探性地运用水文地质流文网理论，从定性的角度探讨其形成与演化过程。分析表明，清虚洞是在外源水沿着造节理、裂隙和层间裂隙溶蚀、侵蚀作用下形成的大型洞穴系统，随区内新构造运动的演进而演化的，其形成主要经历了溶蚀期、崩塌期和下切3个时期。这为清虚洞旅游开发普及科学知识提供了地学依据，但对于清虚洞的形成时序问题还是一无所知，有待于进一步研究和探讨。

调查探测结果表明：(1)清虚洞可开发利用洞长1 855 m，洞道形态结构特征为“一桥、两坑、一窗、一支洞”的洞道格局；(2)清虚洞景观资源由天生桥、天坑、天窗、洞道和历史人文景观构成，其核心景观由陇公坝边缘坡立谷、清虚洞天生桥和云坛天坑构成；(3)清虚洞天生桥是世界上规模最大的天生桥，并获得吉尼斯世界纪录，且极具观赏价值；(4)清虚洞在开发过程中对资源分布、组成及等级认识不清，而进行粗放的资源规划利用，导致旅游业的萧条。因此，清虚洞景区的旅游开发，要在充分认识其景观构成的基础上，将洞穴资源充分利用，合理规划旅游路线，打造洞穴旅游观光为主，乡村休闲旅游为辅，利用吉尼斯世界纪录的品牌效应进行广告营销。