第4章karst岩石地貌

2019/12/201主讲：郑永宏E-mail:[e-mail]武汉大学资源与环境科学学院第4章(3)可溶性岩石地貌2019/12/202•十九世纪末，前南斯拉夫学者司威治(J.Cvijic)在研究了前南斯拉夫西北部名为Karst（喀斯特）高原的岩石发育的奇特地貌和水文现象后命名这类岩石地貌为Karst，自那之后国际上把这类岩石地貌称karst(德语)地貌。•1966年在广西桂林的第一次全国岩溶学术会议上，中国学者把这类岩石地貌称岩溶地貌。2019/12/203•一、岩溶分布在全球陆地上，岩溶分布的总面积约有5000万平方千米。斯科契扬溶洞英文名称:SkocjanCaves国家:斯洛文尼亚所属洲:欧洲1986年被列入《世界遗产目录》2019/12/204•在美洲地区猛犸洞（MammothCave）是世界上最长的洞穴，位于美国肯塔基州中部的猛犸洞国家公园，是世界自然遗产之一。猛犸洞以古时候长毛巨象猛犸命名，这个“巨无霸”洞穴截至2006年，已探出的长度近600公里，究竟有多长，至今仍在探索。2019/12/205尼亚加拉大瀑布（NiagaraFall）发育于白云岩地层上（美国-加拿大）。2019/12/206•澳大利亚南部的努拉波尔（Nullabor）平原下面有碳酸盐岩分布，面积达20万平方千米，发育有岩溶塌陷、落水洞、地下洞穴，地表发育有起伏3-5米的溶沟溶槽和浅的洼地。2019/12/207•亚洲地区，越南北部的夏龙湾有海上峰林岩溶景观。2019/12/208中国的岩溶闻名于世，分布遍及全国:•西南和华中地区（云南、贵州、四川、重庆、广西、湖北和湖南）是我国碳酸盐岩分布集中而又连成大片的地区，厚层碳酸盐岩分布的面积占54万平方千米，加上有碳酸盐岩夹层的地带，裸露与半裸露的岩溶地区，面积达73.77万km2，占这片地区总面积的41.86%。本区地处亚热带-热带气候，雨量充沛、平均气温高，适合于岩溶发育。如：桂林、石林、九寨沟和黄龙、黄果树、神女峰等。2019/12/209•华北地区，包括太行山、山西高原、吕梁山、鲁中南山地和燕山等地带，都有较多碳酸盐岩分布，例如济南的趵突泉、太原晋祠泉、娘子关泉等百个大泉，北京的云水洞、山东的青龙洞、河南雪花洞，北京西山、香山和太行山等地的奇特山峰，是本区典型的岩溶类型。2019/12/2010•东南地区，浙江新安江上游以及灵泉洞等、太湖周边低山和丘陵、江西的石钟山以及龙宫洞、江苏的善卷洞、广东肇庆七星岩和云浮等地都成了这些地区的奇峰异洞景观。2019/12/2011•东北地区，大兴安岭以东的太子河流域有较多碳酸盐岩分布，在辽东半岛金州、大连一带，发育地下岩溶洞穴为特色。•新疆、蒙古一带的阿尔泰山、天山、昆仑山、祁连山和阴山。•青藏高原珠穆朗玛峰，都有碳酸盐岩岩溶分布。•台湾、海南及其南海诸岛碳酸盐岩以珊瑚礁石灰岩为特点，发育岩溶洞穴和岩溶塌陷。碳酸盐岩岩溶在中国大陆上裸露、半裸露的面积约近130万km2。2019/12/2012一.岩溶地貌发育可溶性岩石：硫酸盐类卤盐类岩盐类碳酸盐类分布：中国200万k㎡,其中裸露的130万k㎡，前南斯拉夫7万k㎡,法国2万k㎡左右.研究：中国宋代（800年前）的沈括在《梦溪笔谈》专著中，明代的徐霞客(17世纪）在《徐霞客游记》专著中，南斯拉夫学者----j.Cvijic(斯威吉斯）1883年发表《karstphenosephy》.2019/12/20132019/12/2014二、Karst作用的发生必须具备四个基本条件：（1）岩石的可溶性——岩石的可溶性决定了岩石能否被溶解和溶蚀，是喀斯特作用能否发生的最基本的条件。岩石的可溶性主要取决于岩石的成分和岩石的结构。①岩石成分可溶性岩石主要有三类：–碳酸盐类岩石，如石灰岩、白云岩等；–硫酸盐类岩石，如石膏、硬石膏、芒硝等；–卤盐类岩石，如石盐、钾盐等。相对溶解度：卤盐类＞硫酸盐类＞碳酸盐类2019/12/2015一般来说，碳酸盐类岩石溶解度，从大一小依次为：石灰岩白云岩硅质灰岩泥灰岩。实验表明，碳酸盐类岩石的相对溶解度，与岩石中CaO/MgO比值密切相关。在含CO2的水溶液中，可溶岩石的相对溶解度随CaO/MgO比值增大而增大（如图，假设纯方解石的溶解度为1）。2019/12/2016②岩石结构岩石结构对溶解度的影响主要体现在岩石结晶颗粒的大小、结构类型及原生孔隙性。–晶粒越小，相对溶解速度越大；–鲕状结构与隐晶-细晶质结构有较大溶解度；–孔隙度越高，越利于岩溶发育。2019/12/2017（2）岩石的透水性——岩石的透水性决定水与岩石接触面积的大小，决定喀斯特作用的强度。岩石的透水性取决岩石的孔隙与裂隙发育的程度（后者更重要），这与岩石结构与区域构造有关。2019/12/2018可溶性岩石的裂隙度与岩石的成分、结构和构造破裂程度有关：①成分纯、刚性强的岩石透水性好，如纯灰岩刚性强，裂隙开阔，长而深，因而透水性好，可形成大型溶洞；而泥质灰岩刚性弱，节理比较紧闭，经溶蚀后又会残留很多粘土，常堵塞裂隙，因而透水性差。②厚层的可溶性岩石较薄层可溶性岩石透水性好，这是由于前者的隔水层较少，岩性均一，往往形成深而宽的裂隙。③构造发育的地段岩溶作用强，褶皱和断裂作用使岩石的破裂程度加大，从而使岩石透水性大大增强。所以构造线的方向，往往控制了溶洞的延伸方向。2019/12/2019（3）水的溶蚀力——水对碳酸岩的溶蚀力主要是由水中所含的CO2决定的。–水中的CO2主要来自大气中CO2、有机成因的CO2、无机成因的CO2。–三者提供的溶蚀力占全球溶蚀强度的58%。另外，水中所含的有机酸和无机酸也对水的溶蚀力产生重要的影响。2019/12/2020（4）水的流动性——流动的水具有增加溶蚀力的作用，因为不流动的水溶液很快就会达到饱和而失去溶蚀力。流动的水还具有侵蚀作用，使更多的岩石、在更大的面积上接受溶蚀，从而增大喀斯特作用的强度。2019/12/2021三、Karst作用的化学过程：喀斯特作用中，最重要的过程是含有CO2的水对碳酸岩的溶蚀作用。其化学过程主要包括：（1）CO2溶解于水生成碳酸CO2+H2OH2CO3（2）碳酸离解形成氢离子与碳酸氢根离子H2CO3H+1+HCO3-1（3）氢离子与石灰岩反应使碳酸钙溶解H+1+CaCO3HCO3-1+Ca+2上述反应是可逆的。反应的方向取决于水中CO2含量。正向反应是岩石溶蚀的过程，逆反应则是淀积的过程，两个过程的交替进行，则是喀斯特地貌发育的原因。2019/12/2022四、岩溶地貌形体1.地表：石芽溶沟溶斗溶洼溶盆溶谷干谷盲谷峰丛峰林孤峰残丘高原平原山岭海岸2.地下：管道溶洞地下河落水洞石钟乳石笋石幔石柱石灰华2019/12/20232019/12/20242019/12/20252019/12/2026•1.石芽与溶沟：•石芽与溶沟是溶蚀侵蚀在可溶性岩石表面发育形成的岩质沟壑——溶沟与遗留在沟壑间的岩石突起——石芽。•云南路南石林即为发育在和缓起伏岩溶地面上的连片展布的高大的石芽。•溶沟通常是顺节理裂隙延伸，有时在斜面上可见到近乎平行排布的溶蚀沟壑。2019/12/2027•2、落水洞：•落水洞是开口于地面而通往地下深处的裂隙、地下河或溶洞的洞穴，是岩溶区地表水注入地下河或地下溶洞的通道。•按其断面形态可分为①裂隙状（其形体狭长，呈倾斜和曲折形向地下延伸，这种最广）•②竖井状；③漏斗状；•按其垂向可分为垂直的、倾斜的、弯曲的等多种形式。2019/12/2028•3、盲谷与干谷•盲谷——在岩溶区，常见河谷上游的水从某一陡坝下的泉眼涌出，而河流流向的前方又有一陡坎阻挡，陡坎下方有一落水洞，河水沿落水洞流入地下，这种上下游封闭的谷地称盲谷。•干谷——是岩溶区干涸的河谷。由于地壳上升，主河先下切使岩溶水的水平循环带下降，原来由地下水补给的一些小河流失去了水源，同时地表水又不断向下渗漏，因而一些河流变成干谷。•干谷是岩溶区昔日的河谷。•地表河流注入落水洞后的地下河流成为伏流或暗河。2019/12/20292019/12/2030•4、溶斗、岩溶洼地、岩溶盆地•溶斗——岩溶漏斗，是岩溶地面上的平面近似圆形的洼地。单体直径数十米，深数米至十多米。•特点是溶斗底部与地下管道（落水洞）相沟通并排泄汇集的地表水，若它被堵塞则成为较深的积水潭（称岩溶湖）。2019/12/2031溶斗种类2019/12/2032•4、溶斗、岩溶洼地、岩溶盆地•溶蚀溶斗——是地面低洼处汇集的雨水沿节理裂隙垂直向下渗漏而不断溶蚀形成的。•塌陷溶斗——多是溶洞的顶板受到雨水的渗透、溶蚀或强烈地震发生塌陷而形成。•沉陷溶斗——在有较厚的松散沉积物或砂岩覆盖的岩溶地区，如有通往地下的裂隙，水流在下渗过程中带走一部分细粒的砂和粘土物质，使地面下沉而形成。沉陷溶斗是上覆泥沙物质顺地下管道流失而引起地面沉陷。2019/12/2033•溶斗是岩溶发育初期阶段的产物，它是岩溶水垂直循环作用的地面标志。•依照三维空间形态，溶斗又分为漏斗状、碟状、井状。•多数溶斗发育于节理、裂隙的交叉部位，或者顺主要的破裂构造线成串珠式分布。•当岩溶谷地底部的溶斗呈串珠状分布时，暗示着可能有地下河存在，因此可作为寻找地下水源的指示性地貌。2019/12/2034•岩溶洼地——是四周由峰丘包围的封闭洼地，空间规模远大于溶蚀漏斗，直径可达几百米到千米，深几十米到百米，且底部比较平坦或呈半球形，底部或许存在漏斗或落水洞，还有一些小溪。从洼地四壁流出的泉水，经小溪最后流进落水洞中。•岩溶洼地一般是由漏斗进一步溶蚀扩大而成，常在褶皱的轴部或断裂带发育。•沿大的断裂中发育的溶蚀洼地，常呈串珠状排列。2019/12/20352019/12/2036•岩溶盆地——是岩溶地区最大的负向地貌，底部宽广平坦，周围被岩溶山峰环绕。•岩溶谷地——是岩溶地区发育的狭长形谷地。或为向斜、背斜、单斜及断层谷地溶蚀扩大而成。•其特点是平直、狭长带状，具有一般谷地的基本特征，底部发育有漏斗或落水洞，岩溶峰、丘排列两侧。2019/12/2037岩溶谷地2019/12/2038岩溶谷地等高线2019/12/2039•5、峰丛、峰林与孤峰•峰丛——是连座的岩溶山峰，三五个单体岩石山峰群丛拥在一个共同的碳酸盐岩石基座上，即基部相连成一体。峰丛周围是岩溶洼地或盆地。•峰林——是相互独立的或基部低矮的单体碳酸盐岩石山峰的成群分布。•孤峰——是岩溶平原上孤立的岩峰，相对高度数十米至百米不等，形体则千姿百态。•碳酸盐山地地区，一般峰丛位于山地的中心部分，峰林在山地的边缘，而孤峰则分布于岩溶平原或岩溶谷地上。2019/12/20402019/12/2041峰丛洼地2019/12/2042峰林2019/12/2043峰林2019/12/2044•5、峰丛、峰林与孤峰•峰林地貌的发育在新构造运动、气候和地形剥蚀度等因素影响下，通常用地貌循环理论来解释：即峰丛是岩溶发育初期由岩溶水的垂直渗入溶蚀扩大而成，所以山峰的相对高度较小，山峰下部有尚未溶蚀的基座相连。•峰林是峰丛进一步演化而成。当峰丛之间进一步溶蚀向深处发展，直到水平循环带，这时地下河可能出露成地表河，使侵蚀作用加强，峰丛基座被切开，相互分离成峰林。2019/12/2045•孤峰是岩溶区的孤立石灰岩山峰，常分布在岩溶平原或岩溶盆地中。•孤峰是在地壳相对长期稳定条件下，峰林不断溶蚀降低的产物。•6、岩溶丘陵•其特点是众岩丘的丘坡倾角一般小于450，岩丘的相对高度也多小于150m,是一种发育不典型的岩溶地貌。2019/12/20462019/12/20472019/12/20482019/12/20492019/12/20502019/12/20512019/12/20522019/12/2053岩溶石峰石灰岩山峰2019/12/2054天生桥2019/12/2055天坑2019/12/2056地下河2019/12/2057桂林市辅星路发生地陷2019/12/2058落水洞模拟图2019/12/2059•7、洞穴地