第五章喀斯特地貌.

第五章喀斯特地貌喀斯特(又称岩溶)地貌岩溶地貌发生在可溶岩分布地区，可溶岩主要是指碳酸盐类，硫酸盐类及卤盐类岩石。由可溶岩构成的地貌，景观奇特，有“奇峰异洞”之称。我国的岩溶地貌以桂林、阳朔一带最典型，自古以来就有“桂林山水甲天下，阳朔山水甲桂林”的美誉。喀斯特(Karst)原是南斯拉夫西北部的一个石灰岩高原名称，那里发育着各种石灰岩喀斯特地貌。19世纪末，南斯拉夫学者司威直（J.Cvijic）就借用该地名来形容石灰岩的地貌、水文现象，并为后来世界各国所通用的专门术语。我国在1966年第一届喀斯特学术会议上，曾提出将喀斯特改称为岩溶，作为Karst的同义语。1988年由全国自然科学名词审定委员会公布的《地理名词》，仍定名为喀斯特。岩溶作为又称。喀斯特地貌我国对喀斯特地貌的认识历史悠久，早在800多年前的宋代《梦溪笔谈》(沈括)、《岭外代答》(周去非)中已有记载。但最著名的是明代徐霞客(1586-1641)的《徐霞客游记》，它详尽地记载了我国西南的云、黔、桂及湘西等地喀斯特区的地质地貌及水文状况，成为我国早期著名的喀斯特地貌学著作，比欧洲最早的喀斯特地貌学研究还早250多年。大陆壳的75%地区是沉积岩沉积岩的15%则是由碳酸盐组成。可溶性岩石在世界上分布很广，据统计，碳酸盐类岩约占全球沉积岩的15％，面积4100万km2，硫酸盐岩面积为1100万km2，合计面积为5200万km2，占全球面积的10.2％，占全球面积的10.2％。在我国碳酸盐类岩的分布可分为裸露、覆盖和埋藏等三种类型，面积共344.3万km2，其中裸露的可溶性岩(碳酸盐类)面积为90.7万／km2，占全国面积的9.4％，主要分布于广西、云南及贵州等地，是世界上喀斯特地貌最发育的地区之一，如桂林山水和路南石林皆著名于世。喀斯特地貌不仅是一种很好的旅游资源，而且具有丰富的地下水资源。地下溶洞中，还埋藏着大量的古生物和古人类化石，或成为储存铝土矿、砂矿及油气的良好场所。因此它具有重大和科研与生产价值。但由喀斯特作用所引起的地貌灾害，如地基塌陷、水库漏水及地面干旱等均需积极防治。第一节喀斯特作用一．喀斯特作用的化学过程(机理)喀斯特作用又称岩溶作用，主要是指水对可溶岩石的溶蚀、冲蚀、崩塌和堆积的总称。以水对可溶性岩石的化学溶解和沉淀作用为主，其次是机械的崩塌、侵蚀及堆积。这些作用有的在地表，有的在地下。从而造成了丰富多彩的地表与地下地貌。水的化学作用过程，可以石灰岩(CaCO3)为例，当水中含有CO2时，它与水化合成为碳酸，电解出H+离子，而H+离子与CaCO3(石灰岩)化合后产生HCO3—离子，同时分解出Ca2+离子。化学反应式如下：CO2+H2O→H2CO3→H++HCO3—H++CaCO3→HCO3—+Ca2+综合反应式是：H2CO3+CaCO3→Ca2++2HCO3—•石灰岩溶解后产生的离子在水中成为溶解质，随水带走。但上述反应是可逆的，当水中游离的CO2减少时，化合的CO2就要向相反方向转化，使水中碳酸含量减少，溶液达到饱和状态，从而引起CaCO3的重新沉淀。•可溶岩的溶蚀结果：一是所有组分全部溶解，即称为“全溶解”，例如对质纯的石灰岩溶解；二是只有部分组分溶解，称为“不全溶解”，如对含有杂质的石灰岩溶解，包括泥质石灰岩、硅质石灰岩和铁质石灰岩等。不溶或难溶的物质会残留在岩石表面或裂隙中，阻碍溶解作用。•此外，由硫化铁氧化时产生的硫酸，生物活动或死亡后分解而产生的有机酸，闪电时产生的二氧化氮溶入水后形成的硝酸等强酸类，对石灰岩都会产生强烈的溶蚀，如式：•①CaCO3＋H2SO4→CaS4＋CO2↑＋H2O•②CaCO3＋2HNO3→Ca（NO3）2＋CO2↑＋H2O二．影响喀斯特作用的因素岩溶作用能否进行及其溶蚀速度主要三大因素的影响。1、气候因素包括降水量、气温和气压等方面。1)降水量：水和可溶性岩石是喀斯特作用的两个必不可少的基本条件。而降水量多少是影响岩石溶解速度的主要因素。如果降水量大，水的循环也会加快，这就可以不断地补充水因溶解作用而消耗的CO2，使碳酸增加，溶液不致饱和，喀斯特作用也就得以持续进行。由于热带地区降水量最多，故喀斯特作用也最强。干旱地区因缺水，寒冷地区因水的冰冻时间长，都使喀斯特作用大为减弱。2)温度：温度与水中CO2的含量成反比关系，即温度越高，CO2的含量越少。但温度却能加速水分子的离解度，使水中H+离子增多，溶解力亦因而得到加强。所以热带和南亚热带地区水的溶解力较强。如我国广西的石灰岩年溶蚀量，比河北大5-9倍，即与该地气温高、降水量多有关。3)气压：水中CO2的含量与气压成正比关系。在温度相同的条件下，气压越高，水中CO2的含量也越多(表6.10)，岩石的溶解度也越大。例如当温度同为30℃，但CO2分压主为1个大气压的CO2含量，比0.0003个大气压时的CO2含量大3200多倍。2、生物因素产生溶解岩石的酸类，有来自矿物的分解、火山的喷发、有机物的燃烧及分解、动植物的呼吸及微生物的作用等方面。其中的有机成因产生的CO2及其所造成的溶蚀强度约占总溶蚀强度的49％以上(据L．Jakucs)。以云南省西双版纳土壤中CO2含量为例，它比一般大气中CO2的含量(0．03％)高20—200倍不等(表6．11)。这都与生物作用有密切关系。溶蚀因素与溶蚀强度比较3岩石因素包括岩石的可溶性及岩石的构造等二方面的影响。1)岩石的可溶性：它是喀斯特作用的另一个基本条件，即物质条件。岩石的可溶性主要取决于岩石的化学成分。按化学成分可将可溶性岩石分为三大类：即卤盐类(钾盐、石盐)、硫酸盐类(硬石膏、石膏、芒硝)和碳酸盐类(石灰岩、白云岩等)。三者之中，溶解度最大的是卤盐类，其次是硫酸盐类，最小是碳酸盐类前两者溶解度虽大，但在地球上分布较少，地貌又不易保存，所以造貌意义不大。后者虽然溶解度较小，但分布很广，岩体规模又大，地貌保存长久，因此造貌意义最大，世界上几乎所有的喀斯特地貌都出现在该岩类之中。在碳酸盐岩类内，又因CaCO3的含量不同而溶解度大小也有差别，其中含CaCO3越多的，溶解度也就越大，喀斯特地貌发育也越好。相反，含其他成分如MgO，Al2O3，SiO2和Fe2O3等较多的碳酸盐岩，其溶解度就相对减小，地貌发育就差。碳酸盐岩类的溶解度顺序为：石灰岩白云岩硅质石灰岩泥质石灰岩。2)岩石的构造：它影响岩石的透水性，透水性好的岩石，能加促水的循环，而且使水流深入地下，加快地下的喀斯特作用。一般在褶皱紧密的背斜区和断裂带上，裂隙发达，岩石的透水性能好。此外在厚层石灰岩内，其裂隙延伸深度也大，有利于溶蚀作用。相反，含泥质、硅质多的深层石灰岩，其裂隙紧闭，不利于溶蚀作用。夹层多及互层多的石灰岩，因具有隔水作用也不利于喀斯特深入地下。喀斯特作用的因素喀降水量岩石溶解速度斯气候因素温度CO2的溶解度、溶解力特气压CO2的溶解度作用生物因素CO2的含量的因岩石结构、构造裂隙发育素岩石因素岩石性质碳酸盐岩第二节地下水的分带与喀斯特作用喀斯特地区，大部分地表水都通过孔洞或裂隙转入地下，进行地下喀斯特作用。地下水按形态分为三带，各带的喀斯特作用特征都很不想同。一．包气带(垂直循环带)及其喀斯特作用该带范围在地面之下至丰水期潜水面之间，平时干涸，降雨或冰雪融化时才有水流，流态为垂直向下运动。该带厚度在地壳强烈上升区较大，如我国桂西北及贵州高原地区厚达数百米至千米。这里以垂直性喀斯特为主，多发育出垂直性落水洞、管道、溶隙等(图6．42)。落水洞二．季节变动带(过渡带)及其喀斯特作用季节变动带位于包气带之下，在丰水期与枯水期潜水面之间，也是上部包气带与下部饱水带之间的过渡带。水流流态随季节而变化：丰水期，地下水位上升，水流作水平方向流动；枯水期地下水位下降，水流作垂直方向流动。所以喀斯特作用有时是垂直的，有时是水平的。造成的地貌有落水洞及水平溶洞等。三．饱水带及其喀斯特作用位于枯水期潜水面之下，直到可溶性岩的底部。该带终年呈饱水状态，但上、下部流态不同。上部饱水带(水平循环带)的下界在谷底附近，该带有自由水面，水流方向近水平，向河谷排泄，多造成水平溶洞及地下河。目前世界上许多大型而著名的水平溶洞都产生在该带。溶洞下部饱水带(深部循环带)在谷底之下的深处，具有承压性，水流方向虽然仍近水平，但流动不受当地河流水位的影响，而是向更低的地质减压带或更低的侵蚀基准面方向运动，水流缓慢，水体交替很弱，矿化度高，因此喀斯特作用很差，只形成小型的孔洞。第三节喀斯特地貌喀斯特区的喀斯特作用遍及地表和地下，所成的地貌也分成地表地貌和地下地貌两大类。二者各自发展，但又互相影响和转化。一地表地貌按形态成因特点可分出9种：溶沟与石芽、溶斗、溶蚀洼地、大型溶蚀盆地、干谷与盲谷、喀斯特石山和溶蚀平原(图6．43)。1．溶沟与石芽溶沟是雨雪水溶蚀岩石表面而成的沟槽，深数厘米至数米，宽数厘米至数十厘米，呈楔形或槽形，与地面垂直。它主要沿岩石裂隙、层理面、节理面等发育，先由溶痕逐渐扩大成为沟槽。石芽为突出在溶沟之间的岩石，呈笋状、菌状、柱状或尖刀状等。排列成车轨状(互相平行)、棋盘状(方格)、或山脊状(不规则)。高数厘米至数米，有的高达l0m以上。如云南的石林，最高超过35m，那里石芽密布如林，故得名。它是在亚热带气候环境下，台地被溶蚀破坏而成的。溶沟与石芽石芽有裸露的、半裸露的和埋藏的。埋藏石芽其上披覆着厚薄不等的残积红土，石芽由地下水溶蚀而成，形态较圆滑。半裸露石芽是上覆土层部分被侵蚀后出露的石芽。裸露石芽是上覆土层全部被侵蚀而全裸于地面，形态较尖锐。2.溶斗(漏斗)溶斗是喀斯特地面上的一种封闭性小型洼地，呈碟状、漏斗状或竖井状。直径多为数十米，深数米至十余米。溶斗溶斗按成因可分为三种：即溶蚀溶斗、沉陷溶斗和塌陷溶斗(图6．45)。溶蚀溶斗是地表水沿可溶性岩的地面裂隙密集处向下溶蚀而成。沉陷溶斗发生在有厚层碎屑物覆盖的地面上，当地下可溶性岩存在裂隙时，水流在下渗过程中带走了部分细粒碎屑物，使地面下沉，形成沉陷溶斗。塌陷溶斗是喀斯特地下存在溶洞，洞顶岩石受溶蚀崩塌而成溶斗，其斗壁四周陡立如竖井。溶斗底部常与落水洞或溶隙相连，雨雪水可通过这些洞、隙排往地下。3．溶蚀洼地它是一种封闭性的小型盆地，平面形状有圆形、椭圆形、星形、长条形。垂直形态有碟形、漏斗形和筒形，由四周向中心倾斜。长宽度多在数十至数百米。深度较浅，一般为数米至数十米不等。洼地基底为岩石，也有砂、粘土层覆盖。这些土层多是岩石风化后的残留物，可种植。但因洼地底部存在裂隙和落水洞，所以洼地易透水干旱。如果透水通道堵塞，洼地就会储水成湖，称为“岩溶湖”。我国广西俗称“天塘”或“龙湖”。贵州草海是一个大型岩溶湖。岩溶洼地种类主要有：溶蚀洼地、塌陷洼地及沉陷洼地等。溶蚀洼地在云贵和广西等地分布很多。贵州草海溶蚀洼地4．溶蚀盆地它是一种大型溶蚀盆地，在我国西南云贵高原及广西等地分布很广，当地称为“坝子”。呈长条形，长数公里至数十公里，宽数百米至数公里，面积十几至几百平方公里。四周为峰林石山所围绕，横剖面呈槽形，故又称槽谷。底部比溶蚀洼地更加平坦，多覆盖着数米厚的残积红色粘土或冲积层；常有河流穿过，它由四周石山的出水洞流出，向落水洞流入；盆地内有时还见到低矮的石灰岩孤峰。溶蚀盆地在南斯拉夫称为Polje(坡立谷)，意指“可耕种的土地”。溶蚀盆地的发育受构造影响甚大，有的发育于向斜轴或背斜轴部，有的沿断陷盆地或断裂带发育，还有的沿可溶性岩与非溶性岩的接触带上发育。在广西的上林、都安，云南的砚山、罗平，贵州的安顺等地发育的溶蚀盆地(坝子)，面积较大，水土条件较好，是喀斯特地区最好的农业地带。云南丽江的溶蚀盆地5．干谷和盲谷二种谷地都是喀斯特地区所特有。干谷曾经是昔日的河谷，但现在无水，成为干涸谷地。干谷的成因可能是地壳上升或侵蚀基准面下降，导致河水潜入地下，变成伏流，而地表河干涸。有的是地下河袭夺地表河，使其下游成为干谷。也有的是地下河裁弯取直，使弯曲段河流成为干谷。干谷谷底平坦，覆盖有松散堆积层。常有溶斗、落水洞分布。盲谷是一种死胡同式的