暗河(Subterranean river)是地下巖溶地貌的一種,也是地表水系組成部分,暗河是指由地下水匯集或地表水沿地下巖石裂隙滲入地下,經過巖石溶蝕、坍[tān]塌以及水的搬運而形成的地下河道。
暗河具有河流的主要特性——存在一定范圍的匯水流域,往往有出口而無入口。存在可溶性巖石和充足的水源補給,是形成地下暗河最基礎的必要條件。暗河發育于石灰巖地區的巖溶作用所形成的溶洞和地下通道中,主要是在喀斯特(巖溶)發育中期形成的。暗河常常形成于地殼上升、河流下切、河床縱向坡降較大的地方,高溫多雨的熱帶及亞熱帶氣候最有利于暗河的形成。暗河按照河管管道特征可以分為單一管道狀類型、平行管道狀類型、側枝狀類型、葉脈狀類型、網狀類型、樹枝狀類型等。
暗河在巖溶地區較為常見,而且規模巨大,中國是世界上巖溶洞穴資源最豐富的國家,因此,中國有許多世界著名的暗河,如世界上最長的地下暗河龍橋暗河,國外規模較大的暗河有斯洛文尼亞與意大利邊界處的皮福卡河、格魯吉亞西部紹拉河等。
地下暗河是巖溶地區重要的水源,也是重要的工農業生產保障。但同時,地下暗河也會帶給隧道工程項目很大的影響,隧道工程一旦與地下暗河導通,會給工程施工及人員安全帶來極大的危害。
發現歷程與命名
2000多年前,中國古書《山海經》對溶洞、暗河(伏流)等現象已有提出。中國宋代沈括的《夢溪筆談》、范成大的《桂海虞衡志》和周去非的《嶺外代答》對暗河的巖溶現象也有較多記載。1689 年,卡尼奧拉(今斯洛文尼亞地區)的科學家約翰·魏克哈德·馮·瓦爾瓦索爾 (Johann Weikhard von Valvasor) 發現了切爾克尼察湖的暗河,向倫敦皇家自然知識改進協會介紹其情況。
對暗河的系統研究始于南斯拉夫社會主義聯邦共和國國西北部伊斯特拉半島(Istria),現為克羅地亞(Croatia)與斯洛文亞(Slovenia)兩國交界處,一個由石灰巖組成的高原,名叫Karst高原。以斯洛文亞(Slavenia)為參照區,喀斯特則是斯洛文亞西南部河谷以南,并延伸到意大利東北角大城的鄰近狹長地帶一片高地,當地稱為Kras。該處基巖露,灰巖地面高低起伏、石芽洞隙遍布、暗河縱橫,暗河系統成為喀斯特地貌研究的重要組成部分。
暗河又稱地下河,英文名為Subterranean river,地方百姓稱之為“陰河”,顧名思義是常人在一般條件下“看不見的河流”。暗河的命名格式一般為某某暗河或暗河系統,如中國最著名的“暗河”系統:廣西都安的“地蘇暗河”。
定義
暗河又稱巖溶地下河,是由地下水匯集,或地表水沿地下巖石裂隙滲入地下,經過巖石溶蝕、坍塌以及水的搬運而形成的地下河道。
定義暗河需滿足四大條件:
暗河本身具有一定的長度,并且發育有配套的暗河支流。
地面發育有線形、串珠狀匯水洼地-落水洞-豎井-天窗,通過它們與地下聯通,長期獲取降雨與地表水滲入,形成暗河中的長年地下徑流。
除特干旱年外、一般長年有可觀的水量從暗河出口處流出。
在暗河河道中的某些位置可能找到如同地表河流的沉積物:如河床底積物、漫灘、波浪痕、磨圓度很好的“鵝卵石”、或大型管狀洞穴等表征河流的特征遺跡。
形成
形成機制
由于石灰巖地區的巖溶作用,暗河發育于其所形成的溶洞和地下通道中。
巖溶作用是指在地表水和地下水的化學過程(溶解與沉淀)和物理過程(流水的侵蝕和沉積、重力崩塌和堆積)的共同作用下,對可溶性巖石進行破壞和改造。巖溶作用的本質是含有二氧化碳的水對可溶性巖石的溶蝕和沉淀作用。
在巖溶作用與地質變遷下,石灰巖體容易形成大量斷層裂隙,加上充足的水源補給,地下暗河便從地下復雜的結構裂隙及被溶蝕的巖石縫隙孔管發展起來。
形成條件
基本條件
存在可溶性巖石和充足的水源補給,是形成地下暗河最基礎的必要條件。
影響因素
暗河的發育是多種因素相加的結果,包括有氣候、地質構造、巖組結構等方面。暗河的空間分布受巖性、地質構造和排水基準面的控制,在地層褶皺的軸部、裂隙和斷裂部位、可溶巖同非可溶巖的接觸處和排水基準面附近常發育暗河。氣候上,由于暗河的水流主要由地表降水沿巖層滲流或由地表河流經落水洞進入地下河組成,因此,高溫多雨的熱帶及亞熱帶氣候有利于暗河的形成;巖組結構對地下河發育的影響體現在巖性、巖層厚度和組合關系及分布面積等方面。例如,寒武系地層以白云巖地層為主,其溶解速率遠遠低于灰巖,抗壓、抗拉、抗剪強度也都低于灰巖,孔隙較灰巖發育,含水性比較均勻,多具有孔隙水的特征,導致地下河不發育。
發育過程
一開始,暗河是沿著細小的裂隙流動的,伴隨著水流不斷地溶蝕沖刷,裂隙逐漸擴大,并形成地下孔道。隨著時間的推移,地下水量不斷增加,流速加快,溶蝕、侵蝕作用也日益加強,地下孔道進一步發展成為地下管道或通道。當地下通道和地下水流發展到一定程度時,地下水流就可以發展為具有自由水面的暗河。暗河有自己的補給、徑流和排泄系統之后,大的暗河也可形成地下河系,主要沿構造破裂面發育,最終,暗河的水流直接流入附近的地表河。
分類
按照形態特征劃分
暗河按其形態特征,可分為樹枝狀、鋸齒狀、線狀、網狀等。
按照河管管道特征劃分
暗河按照河管管道特征又可以分為單一管道狀類型、平行管道狀類型、側枝狀類型、葉脈狀類型、網狀類型、樹枝狀類型等。其中樹枝狀暗河的主要形態為兩側向中心匯流,受控于東西向走滑斷裂和向斜式古地貌,沿兩側高地向伏流、峽谷區中心匯流,在均質灰巖褶皺平緩的地區,暗河常常發育成樹枝狀。
按照分布區域劃分
暗河系統按照其形成區域可分為低丘平原地區暗河系統、中山深切峽谷地區暗河系統、高峰叢斜坡地區暗河系統、高原低丘淺谷地區暗河系統等。
在低丘陵、低峰叢以及近平原地帶發育的暗河系統,由于低山丘遭受侵蝕切割而破壞其連續分布狀況,因而形成的暗河系統的主干長度與控制的面積都有限。
中山深切峽谷地區的暗河系統顯示多層特性,由于強烈構造上升,河流急劇下切,控制的流域面積也不太大。
高峰叢斜坡地區相對地形坡降大而且地表滲流易于匯聚,暗河系統發育規模較大。
在高原低丘淺谷地區,由于后期的暗河系統多繼續早期洞穴通道而繼承發育,加上地形切割的影響,因而暗河的規模在長度上不是很大,但洞身的大小規模較大,也呈現層次性,并多有伏流出現。
特征
形態特征
地表形態
暗河是以盲谷、伏流與沿地蘇“向斜軸”或垂直“向斜軸”分布的串珠狀天窗、落水洞或洼地連線為標志。暗河通過它們與地下聯通、長期獲取降雨與地表水滲入,從而形成暗河中的長年地下徑流。
地下形態
暗河首先是“暗”,埋藏于地下數十米甚至上百米深。而“河”與日常的河有著極大的差別,地下暗河比地表河復雜得多,暗河本身具有一定的長度,并且發育有配套的暗河支流,在一條大的地下暗河中,除了具有地下主河道外,暗河還有眾多的地下支流,在主河道上除了可見地下流水外,不少地段還可見數百米落差的地下瀑布跌水、平坦的地下深潭巨湖,有時,暗河中還有可怕的虹吸管流。
結構特征
暗河包括有巖溶管道、巖溶洞穴、巖溶裂隙和巖溶空隙等部分,完整的巖溶暗河系統還包括巖溶地表水部分。暗河的結構有一個重要特征,也就是暗河往往有出口而無入口,有“灰巖大泉”出露的地方就是暗河的出口。?
暗河結構上的深度常和當地侵蝕基準面相適應。具體表現為:在河流兩岸,暗河分布與地方侵蝕基準面相應時,其規模大,水量豐富;假如有隔水層的阻擋,或者第四紀地殼上升幅度大于溶蝕深度,暗河則高于當地侵蝕基準面,形成懸掛式的暗河;在兩個相鄰溶蝕盆地間的山地,往往發育穿山式暗河。
水文特征
暗河具有河流主要特性,常具紊流運動特征,并有自己的匯水范圍,其動態變化明顯受當地大氣降水影響。
暗河的水流主要由地表降水沿巖層滲流或由地表河流經落水洞進入暗河組成,少數地下河水流由深源和遠源地下水補給。一條暗河常具有單獨的補給徑流與排泄條件,有時在同一含水層中,可發育多條不連通的暗河。和地表河一樣,暗河也具有主流、支流組合的流域系統,水文狀況也隨地表河洪枯水期的變化而變化。
暗河的水位、流量不穩定,旱季與雨季流量差數可達10倍或100多倍。有些暗河水流湍急,有跌水,甚至有瀑布,有的可形成地下湖泊。有一部分暗河水流具承壓性。
暗河河段可長達十幾千米,有的甚至可以行船。大的暗河系統可形成地下水系,有的流域面積可達一千平方千米以上。最終,地下河的水流直接流入附近的地表河。
生物特征
暗河中的地下生命非常繁茂,由于地下暗河管道-洞穴長期處于黑暗世界中,在暗河里可發現一些適應了黑暗世界的生命體,如地面見不到的昆蟲、眼睛退化了的通體透明的魚類、蝌蚪等。
主要分布區
中國
中國的暗河主要分布在大西南熱帶—亞熱帶巖溶地區,展布于高山峽谷、高原斜坡、溶丘谷地、峰叢洼地、峰林平原、峰林洼地等多種地貌單元之上,分布面積約100萬平方千米,中國廣西壯族自治區、貴州省兩省較為常見,其中廣西分布有445條,是中國暗河最集中分布的區域。廣西首次完成巖溶地下暗河數字化工作,匯編主干流超2千米的暗河453條,總管道長度逾1萬千米,構建全區地下暗河分布圖實現數字化管理。貴州的暗河分布普遍且廣泛發育,長度大于2千米、枯流量大于0.05立方米每秒的有1130條,其中最長的暗河干流長達85千米,且70%發育于石灰巖地層。
其他國家分布
在世界各地,存在大面積石灰巖出露區都可能找到暗河的蹤跡。暗河發育在具有厚度達數十米甚至上百米大面積的灰巖出露區,如英國、法國、南斯拉夫社會主義聯邦共和國與意大利等地。喀斯特地區發育有石灰巖,因此,也常常發育有暗河,全球喀斯特區總面積約為2200萬平方千米,約占地球陸地面積的15%。世界喀斯特主要連片集中分布在地中海沿岸、東亞和拉丁美洲。
代表景觀
重慶蒲花暗河
重慶蒲花暗河位于中國重慶市黔江區蒲花河濯水段,為中國AAAA級旅游景區,系阿蓬江的一條支流,暗河部分長1千米多,河水最深處達20余米。蒲花暗河上150多米高空三橋飛架,蔚為奇觀,名為“黑龍潭“的大漏斗神秘莫測。暗河兩岸,富有鐘乳石筍。蒲花暗河發源于重慶濯水鎮的天門山,由三塘蓋、關口村、千丘田、張家蓋四條山溪以及無數飛湍的瀑布,在暗洞里積累成潭。天門山上下,盡是無人區,廣闊達數十平方千米。蒲花河上游來水臨近暗河時,被一塊蓮花形狀的巨石擋住,飛湍的流水分剖成兩股,繞過這塊石頭才能平靜。滿河都是石頭,露出水面部分,被流水鐫刻成類似花瓣的形狀。
普林塞薩地下河
普林塞薩港地下河位于菲律賓南部巴拉望島島上普林塞薩港市以北約50千米處,是世界上“可航行距離最長”的地下河,航道長達8.2千米。地下河穿過的多個布滿鐘乳石和石筍的地下洞窟,最后流入大海。2012年01月28日中在瑞士的民間組織“新七大奇觀”基金會正式宣布,菲律賓的普林塞薩港地下河當選“世界新七大自然奇觀”。
開發與利用
暗河在一些落差大的地段,可建造地下水電站,例如云南省六郎洞地下水發電站、加拿大的拉格朗德二級水電站、美國底諸爾維克水電站。暗河水還可用于供水,在巖溶地區是重要的水源。例如,沖繩縣總局建造地下水壩,其地下水壩分兩種類型,第一是在地下建造阻止天然含水層流動的地下水壩,第二是將水蓄在大壩本身堆積的沉積物中的地下水壩,兩者都是利用地下水壩進行水資源開發;尼泊爾巴格馬蒂河流域特萊南部地區開發了巴格馬蒂灌溉項目,當地農民使用的主要含水層單元則是地下河的淺層含水層;中國山東建造了大武水源地,是特大型地下水源地,主要用于城市供水,它位于淄博市東北部臨淄區的大武、辛店、南仇三個地下水水源地的閉合富水區域。
環境問題與保護
環境問題
人類活動容易造成暗河系統的水源污染和水源枯竭問題,最常見的暗河污染源是擴散性的農業面源污染,主要來自硝酸鹽化肥、殺蟲劑和其他農用化學品。未經處理或部分處理的工業廢水排放或滲漏至地下,是地下水污染的另一個重要來源。在城鎮居民生活區,污水管網的滲漏是地下水污染的主因。在欠發達國家和地區,公共衛生設施不足且污水管網覆蓋率低,糞便會直接排入地面挖掘的簡易便池,對地下水造成污染。截至2022年,全球有超過一半的地下含水系統處于超采狀態,有些國家的地下水位正在以十分危險的速度下降,世界上約有20%的地下水開采井面臨枯竭,新井的鉆井深度相較舊井明顯增加。
保護
為了保護水資源的質量,減少在地下水補給區內施用有毒物質、化肥、植物保護劑、化學品等,世界上不同國家制定了相應的政策,并且采取不同的應對措施。例如,1998年,約旦頒布了《國家地下水管理政策》,該政策強調必須保護地下水資源免受過度抽取。2002年,以色列頒布《地下水控制附則》,《地下水控制附則》規范了地下水井的許可、鉆探和取水。截至2008年,德國根據含水層脆弱性的分區定義,已經劃定了數千個地下水保護區,在德國巴登-符騰堡州,超過25%的地表是地下水保護區域,2009年,德國聯邦地質和羅斯托夫公司與約旦水利灌溉部合作,在約旦不同地區進行了地下水脆弱性測繪學和地下水保護區劃定。2023年,中國坪橋地下河系統污染防治試點項目順利通過工程驗收,湘江打秋坪國控斷面水質穩定在地表三類水標準。
相關研究
地貌景觀
許多地質學中的地貌景觀都與暗河有關,如天坑、地縫和石柱群,它們都是由暗河發展而來,重慶興隆天坑、廣西大石圍天坑、云南省的昆明市石林風景區和四川興文石林是比較著名的巖溶地貌。當地下洞穴、暗河由于地殼抬升,河水的流動溶蝕河床底部,或本身地下洞體塌陷,就可能形成巨大的巖石深坑,地質學上稱為“天坑”;這一過程也可能形成一條很窄很深兩岸很陡的深溪溝,地質學上稱為“地縫”。迷宮狀的暗河系統或洞穴群由于地殼運動出露于地表后,就會形成一種石林狀地貌。如果地下水活動十分強烈,就會形成巨型石柱,這種以巨型石柱為主體的峰叢地貌十分罕見。這在巖溶地貌研究領域無疑具有重要價值。
板橋巨型巖溶石柱群與云南路南石林和四川興文石林相比,不僅分布面積更大,而且石柱的高度更高,直徑卻較小,有的石柱高達近百米,相當于30層的摩天大樓,但直徑僅4到6米。這種單體石柱巨大而且分布密度很高的獨特地貌,是常規地質學和力學理論難以解釋的奇觀。對于地質科學家來說,暗河的研究更為復雜,它可以揭示許多特有的地質演化過程和許多獨特地貌的成因。
龍橋暗河研究
1995年,中法聯合探險隊將龍橋暗河的探測列為重大課題,并進駐龍橋河畔安營扎寨,首次對暗河進行探險考察。20多天中,探險隊從龍橋河云龍洞進入,在進洞5000米左右時,發現一個寬100米,長300米的大廳,地下河在此形成一個深不可測的湖泊,通過水下拍攝,發現了珍奇魚種。隨后在1997年、1999年和2001年,中法探險隊連續3次進入龍橋暗河,探尋暗河出口,均無功而返。2004年7月29日,中法探險隊第5次來到這里。通過12天的艱苦探險,運用GPS衛星定位儀和示蹤試驗,終于在板橋發現了暗河出口,從而準確地測出暗河長50千米,比過去公認的最長暗河——地蘇暗河系統(位于廣西壯族自治區東安縣境內)長10多千米。龍橋暗河由此成為迄今為止地球上發現的最長暗河。
洞穴珍珠-芬妮石
芬妮石是一種大理石質的純白色,局部有斑點溶洞珍珠,直徑2.5厘米,球形,鑲嵌在鈣華體中,此珍珠可以在鈣華體中轉動,可拿不出來,有如中國傳統的蛟龍含珠的工藝品,珠可在龍咀里活動,可無法取出龍珠,此天然形成的活動“珍珠”非常令人不解。此珍珠的發現是剛跨入大學的法國芬妮小姐發現的,所以戲稱“芬妮石”。該“珍珠”的形成機理非常獨特,推測其形成過程是在地下先有一個似球狀的小石塊,如地下河中的微型鵝卵石成為核粒,在水流作用下此小粒在不斷滾動,形成一層鈣華膜,在地質時間的長河中一層又一層的包裹,使其不斷滾動“長大”,然后滾動中長大的球體不斷重新結晶,由土黃色變成白色,形成今天的大理石石質的珠體,同時由于它形成過程中不斷滾動,使其能象人工藝雕一樣,鑲嵌在鈣華體中可活動,而不能取,令人稱奇。
參考資料 >
別有洞天的陰河——巖溶區地下水.中國水利.2023-07-14
[科普文章]科學保護“南方巖溶區生命之源”:巖溶地下河.中國地質調查局巖溶地質研究所.2023-08-06
暗河.河北省自然資源廳(海洋局).2023-07-14
別有洞天的陰河——巖溶區地下水.中國水利報.2023-08-22
地下河的形成原來并不簡單,它的出現,總和喀斯特“形影不離”.中國科學技術館.2023-08-22
The Kras Region: Basics of Karst Geology in Slovenia.Slovenia Tour .2023-12-07
什么是喀斯特作用?.高考網.2023-11-17
廣西地下河發育的幾個主要特征.中國地質.2023-09-07
地下河的形成原來并不簡單,它的出現,總和喀斯特“形影不離”.中國科學技術館.2023-07-21
自然資源部巖溶動力學重點實驗室.廣西壯族自治區自然資源部巖溶動力學重點實驗室.2023-08-09
“別有洞天”的溶洞,與地下水有何關系?.中國水利報.2023-09-08
地下河的形成并不簡單.陜西科技報.2023-09-07
中國,喀斯特大國.中國國家地理.2023-09-06
喀斯特洞穴重視保護生物多樣性.中國經濟網.2023-09-06
全國網媒記者穿越阿蓬江蒲花暗河秘境.寧夏新聞網.2023-08-09
菲律賓普林塞薩港地下河入選世界新七大自然奇觀-中新網.中國新聞網.2023-08-11
全球地下水問題及應對策略探討.水利部發展研究中心.2023-12-07