第五章岩溶地貌

岩石的可溶性是发生岩溶作用的必要条件。岩石的 可溶性主要取决于岩石的化学成分，岩溶作用主要 发生在石灰岩、白云岩发育的地区。

岩溶地貌

• 岩溶又名喀斯特（karst）,它来源于欧洲斯洛文尼亚共和国（原南斯拉夫西北部）的喀尔斯高原。前南斯拉夫学者司威茨（J . Cvijic）将各种奇异的石灰岩地形称为Karst。以后Karst这一术语被专门用来描述碳酸盐岩地区一系列独特的地貌过程和水文现象。1966年，我国在桂林召开的岩溶学术会议上，建议将Karst改称岩溶地貌。1981年两词可互用。
• 第一节 喀斯特作用
  • 一、化学过程
    • 溶蚀作用是指水通过化学作用对矿物和岩石的破坏作用。化学作用主要有溶解、水解、水合、碳酸化及氧化等（化学风化？）
  • 二、基本条件
    • 1．岩石的可溶性（发生条件） 取决于岩石成分和结构 2．岩石的透水性（决定作用程度） 岩石孔隙度、裂隙度、可溶性 岩石本身的喀斯特化程度 3．水的溶蚀力（发生条件） 水中CO2、有机酸、无机酸的含量 随深度降低 4．水的流动性（决定作用程度） 气候条件
      • 1．岩石的可溶性
        • 岩石的可溶性是发生岩溶作用的必要条件。岩石的可溶性主要取决于岩石的化学成分，岩溶作用主要发生在石灰岩、白云岩发育的地区。
        • （1）矿物组成的影响
          • 碳酸盐类岩石中，溶解度与CaCO3 的含量成正比，与其他杂质（如MgO,A12O3，SiO2，Fe2O3 等）含量成反比。碳酸盐岩石的溶蚀强度顺序：石灰岩＞白云岩＞硅质灰岩＞泥灰岩
          • 碳酸盐类岩石的相对溶解度，与岩石中CaO/MgO比值密切相关。可溶岩石的相对溶解度随CaO/MgO比值增大而变大。
        • （2）岩石结构影响
          • 结晶岩石的晶粒愈小，相对溶解速度愈大，隐晶结构一般具有较高的溶蚀率； •不等粒结构石灰岩比等粒结构石灰岩的相对溶解度要大。
      • 2．岩石的透水性
        • 岩石透水性影响岩石的溶蚀速度和地下岩溶的发育; 岩石透水性取决于岩石的孔隙度和裂隙度。
        • 按孔隙及裂隙的生成先后，原生透水性与次生透水性
          • ●原生透水性指在成岩时生成的孔隙及裂隙及其所产生的透水性能。一般结晶的石灰岩孔隙度都很小（<3％)透水性都较弱。
          • ●次生透水性指岩石生成后，由于构造运动、风化和侵蚀作用而成的裂隙所产生的透水性能。由构造运动形成的张裂隙、断层裂隙、减荷裂隙以及节理等对透水性影响最大，它们明显地控制着岩石的透水性。
        • 溶蚀作用本身也不断地改变着次生透水性，例如由溶蚀所成的管道、洞穴和溶隙等地貌，它们极大地扩大了透水空间，增加了透水性，从而加强了岩石的溶蚀。这是地貌结果对地貌作用的一种正反馈。相反，如果堆积作用加强，透水空间缩小，透水性则受到削弱，造成了一种负反馈。
      • 3．水的溶蚀力
        • 水的溶蚀力取决于化学成分、温度、气压等方面因素。 总的化学反应方程式： CO2＋H2O＋CaCO3 < > Ca 2＋ ＋2（HCO3）－ ； 其化学反应是可逆的，正反应速度取决于CO2的浓 度，逆反应速度取决于Ca2＋的浓度。即溶解于水中 的CO2越多，水的溶蚀力就越强；水中的Ca 2＋的含水的
        • （1）化学成分的影响
          • 水的溶解力主要取决于CO2的含量，纯水的溶蚀力是极其微弱；水中CO2的含量受气压与温度的影响 CO2的来源：大气、有机成因和无机成因。来自火山喷发、有机物的燃烧、动植物呼吸、有机物的分解及微生物的作用等。
        • （2）温度的影响
          • 温度越高，溶蚀力越强。虽然水中CO2的含量与温度成反比，但水的化学反应速度与温度成正比。 温度增高加快水分子的离解速度，水中H+和OH-离子增多，溶蚀力反而得到加强。
        • （3）气压的影响
          • 气压越高，溶蚀力越强；水中CO2的含量与气压成正比。 正常PCO2 作用下，水温10℃时的CaCO3 的溶解度为70 毫克/升，而在PCO2 较高的溶洞中，CaCO3 的溶解度可增至90～100 毫克/升。
      • 4. 水的流动性
        • 流动的水处于开放系统，从降水（补给）——地表水及地下水（流动）—排泄过程中，水经常与空气保持接触，能不断地补充因溶蚀岩石所消耗的CO2，使水体不易达到饱和。 •处于流动状态的水，有时虽然达到饱和，但当几种不同浓度的饱和溶液混合后，可变为不饱和而重新获得溶蚀能力。
  • 三、岩溶水的分布与运动
    • 1、地表径流的特征
      • 地表河流、湖泊和沼泽是地下水的补给区。 控制着地下水的水质、补给、运动和排泄，对地下岩溶有重要的影响。 径流少，水量不多 岩溶区地表由于透水性强，所以水流很快通过裂隙和管道转入地下，变成地下水流。而地面干旱，河流稀少，流量亦不稳定，有时明流变为伏流，河谷变成干谷。 水质变化 在岩溶区的大气降水，最初是含少量碳酸的矿化水，以后因不断溶解岩石，水的矿化浓度也逐渐增大，甚至达到饱和。因此，由地面进入河流或转入地下的水，一般已失去了溶蚀能力，或者溶蚀能力大为降低，除非有碳酸水加入，或者有水质不同的水流混合而产生混合溶蚀效应之外。
    • 2、地下径流的分带与水流特征
      • 地表径流通过各种裂隙和管道转入地下后，向深处运动，运动方向有垂直的，也有水平的，由上至下可分成四带： 1. 垂直渗透带（包气带） 地表以下至丰水期潜水面。水的运动为向下运动。厚度取决于潜水面位置，潜水面位置又取决于当地主河流水面。发育垂直洞穴为主。 2. 季节变动带（过渡带） 丰水期潜水面与枯水期潜水面之间。 水的运动在干季垂直运动，雨季水平运动。发育垂直和水平溶洞； 3. 水平流动带（饱水带） 枯水期潜水面到低谷能补给河流的深度，水平流动补给河流、常年流动、 具自由水面，十分有利于发育大规模的水平溶洞 。 4. 深部滞流带（承压带）
• 第二节 岩溶地貌
  • 1. 石芽与溶沟
    • 溶沟（karren）： 地表流水沿岩石表面和裂隙流动时所溶解的石质小沟。横剖面呈楔形、V 形或U 形，长度不一，深数十厘米至数米。 石芽(lapie) 、石脊和石林： 相对突出于沟槽之间的尖形岩石，竖立在沟槽包围中的齿形岩石称为石芽，若石芽呈岭脊状延伸的称为石脊。 形状有笋状、菌状、柱状、尖刀状等，排列形态有不规则的、车轨状的或方格状的。大小不一，高度一般由数厘米至数米。 很高大而密集的石芽，又称为石林或石林式石芽埋藏石芽 热带地下水溶蚀土层下石灰岩形成的石芽和溶沟； 因未受雨水冲刷，石芽外形圆滑、溶沟浅。
  • 2.岩溶漏斗与落水洞（sinkhole ，Dolines ） 发育在垂直活动带（包气带）的地面漏陷地貌
    • 按成因可分为溶蚀漏斗、沉陷漏斗和塌陷漏斗三种 ●溶蚀漏斗－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。 ●沉陷漏斗－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，使地面下沉形成沉陷漏斗。 ●塌陷漏斗－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成
  • 3.溶蚀洼地
    • 溶蚀洼地
      • 四周由低山丘陵（或峰林等）所包围的封闭洼地。 漏斗逐步扩大彼此相互连结发育而成 形状与漏斗相似，但规模大得多（直径>100m,，最大1～2km） 底部比较平坦，通常有落水洞和漏斗将地表水排入地下
    • 坡立谷
      • 岩溶地区的一些宽广平坦的盆地或谷地。 由J.Cvijic首先使用，原意为“可耕种的平地” 如桂林就处于一个坡立谷中，坡立谷中有漓江流过。
  • 4.干谷、盲谷和断头河
    • 干谷：在岩溶区，地表河因水流转入地下，所遗留的高于地下水位的干河道称为干谷。谷底岩溶作用活跃，当地壳上升，或岩溶基准面下降时，河水沿谷底漏陷地貌渗入地下成为伏流，使原来的河谷变为干涸的“悬谷”，或者雨季时有部分水流通过的“半干谷”。 盲谷：地表河流潜入石山溶洞或落水洞之后中断的河谷，前方没有出口的河流称为盲谷。 前方常被陡崖所挡，河水从崖下落水洞潜入地下，变成地下河。 断头河：由岩壁下流出或由地下河补给的地表河流称为断头河。
  • 5.峰丛、峰林和孤峰(岩溶石山)
    • 峰丛
      • 峰丛顶部山峰分散，基部连成一体，地势较高，侵较轻微 位于垂直渗透带上的峰林集合体。
    • 峰林
      • 成群的石灰岩山，峰基部分离或微微相连，接近地下水位线。 ●石灰岩体遭受强烈破坏并深切至水平流动带所成的山群 ●相伴地貌： 大型溶蚀谷地和深陷溶蚀洼地等
    • 孤峰
      • 散立在溶蚀谷地或溶蚀平原上的低矮山峰，是长期喀斯特作用的产物。如桂林独秀峰，伏波岩。
    • 三者联系 时间上：发育早期→中期→晚期 ： 峰丛→峰林→孤峰 空间上：中间 →边缘→外缘： 峰丛→峰林→孤峰
• 第三节 岩溶地貌的发育
  • 一 岩溶基准面问题 岩溶地貌向地下深处发育的下限 岩溶作用主要发育在地下潜水面附近，潜水面受河流水面控制.
  • 二 岩溶地貌的发育阶段
    • 早期：当石灰岩上的非溶性盖层被剥除后，石灰岩体露出 地面，岩溶地貌开始发育。 原先河流切入石灰岩体内，地面上出现石芽、溶沟，并有少量的溶斗、落水洞出现。 地表水部分开始转入地下，但仍以地表水系占优势。
    • 中期：除主河流外的地表水转入地下，形成复杂的地下水系和地下洞穴系统。 发育溶蚀洼地、干谷、盲谷、溶斗等，地表非常干旱，地面呈蜂窝状。 许多地下河和溶洞顶部崩陷，地下水系又开始向地表水系转化，地面上出现许多溶蚀洼地、溶蚀谷地、峰丛和峰林等地貌。 岩溶地貌发育最盛、地下水作用占优势的时期。
    • 晚期：当地下河及溶洞大量崩塌，溶蚀谷地、洼地不断扩大，以及可溶性岩层下的非溶性岩层广泛出露时，又广泛发育地表水系。 整个地面发育成宽广的溶蚀平原，平原上堆积着石灰岩残积红土及孤峰与残丘。
  • 三、岩溶地貌的地带性
    • 1、热带，亚热带季风型岩溶（以溶蚀作用为主） 降水多，高温，繁茂的植被，溶蚀作用十分旺盛，地表、地下岩溶十分发育 ●峰林发育的最好 ●漏陷地貌和谷主坡发育 ●石芽和溶沟十分显著，石芽高大 ●地下溶穴发达 主要分布在西印度群岛、爪哇、越南、中国广西地区和云贵高原。
    • 2、中纬度地中海型气候岩溶 地表多见落水洞，溶蚀洼地，坡立谷，干谷与盲谷等，缺乏发育完美的峰林。 巴尔干半岛、爱琴海群岛、克里米亚和南高加索等地
    • 3、温带湿润气候的岩溶 雨量及热量条件均较上述二带差，故岩溶作用不强烈，地貌不明显 地表以干谷为主，石芽，溶沟，落水洞及溶蚀谷地不发育。 地下以溶孔、溶隙和小型溶洞为主。缺乏大型溶洞。
    • 4、寒带及高山型岩溶 气温低，水多以常年冻结和季节冻结的冰的形式存在，因此岩溶作用微弱。因此存在少数圆形洼地和小型漏斗。 地下主要是蜂窝状溶孔及小型溶洞，但是在高山地区由于融冻风化强烈，崩解作用常沿断裂、节理和层理面进行。 也常形成类似于热带的峰林地貌，但规模很小，并主要分布在断层面附近
    • 5、干燥地带的岩溶 气候干旱少雨，岩溶作用无法进行，但在地下仍有溶洞。 多期形成，如阿富汗西南部沙漠及中国西北干旱区
• 第五节 岩溶地貌与环境变化
  • • 古岩溶地貌与过去气候变化、新构造运动
    • 多层性溶洞与河流阶地 、构造运动
    • 石笋发育与气候变化
  • 8、岩溶旋回 ①幼年期：地表面水系完整，地表岩溶开始发育， 形成溶沟、石芽和少量的漏斗； ②青年期：地下水系发育，地表仅存河流主干， 地下、地表岩溶发育，形成溶洞、漏斗、落水 洞、干谷、峰丛、溶蚀洼地等形态； ③中年期：岩溶发育由地下转向地表，洞顶多塌 陷，水系重回地表，峰林、溶蚀洼地、溶蚀谷 地大量形成； ④老年期：下伏不可溶岩层广泛出露或地面高度 接近侵蚀基准面，地表水系占绝对统治地位，
  • 新构造运动与岩溶发育的关系 上升：溶洞越高，时代越老；越低，时代越晚 但生物化石可以与之相符，也可与之相反，要看先有洞还是先有堆积。 溶洞的高度与河流水平面不一致，一般溶洞比当时的河流面稍高。 下降：溶洞被掩埋
  • 岩溶研究的意义 岩溶旅游资源： 云南路南石林、桂林山水、周口店上房山云水洞 岩溶与工程建设： 工程地质 岩溶水： 电厂供水源 岩溶矿产的利用： 岩溶洞穴中赋存石油天然气储积体，第四纪砂锡矿，磷/铝土/辰砂矿，芒硝和砂金沉积矿。。
• 成分 按溶解度由小到大：
  • 碳酸盐类：石灰岩、白云岩、硅质灰岩、泥灰岩等
  • 硫酸盐类：硬石膏、石膏、芒硝等
  • 卤化物盐类：岩盐(Nacl)、钾盐（可溶性盐类）
• 溶洞
  • 1.溶洞 岩溶作用所形成的地下岩洞的通称(洞穴) 。
    • 1.溶洞的发育 •溶洞是地下水沿可溶性岩体各种裂隙（层面、节理面或断层面）的溶蚀和侵蚀形成的地下洞室。 •包气带洞穴：大多是垂直形态居多，并受构造控制； •浅饱水带洞穴：发育于地下水面附近，多为水平．一般作地下河形态，长度大； •深饱水带洞穴：受地质构造控制，洞壁、洞穴发育许多海绵状的孔穴； •承压型的洞穴：在浅饱水带下部和深饱水带均有发育，其管道多弯曲．具虹吸管状，故常分布在河床底部和海平面以下深处。
    • 2､地下河、伏流与地下湖
      • 地下河又称暗河：是具有河流主要特性的位于岩溶区地下的有水通道。无明显的进口。 •伏流：为地表河流经过地下的潜伏段。有明显的进出口，且进口水量为出口水量的来源。 •地下湖：是指天然洞穴中具有开扩自由水面的比较平静的地下水体。
  • 2､溶洞地貌 溶洞基本形态有三种：即通道、洞室与洞厅、石窟
    • 溶蚀地貌 发育在潜水面附近的水平溶洞，经常受自由水面溶蚀和侵蚀作用，形成向洞顶凹入的弧面，槽洞两侧边壁有边槽，如果地壳上升，在原边槽下方又成一新边槽。 堆积地貌 溶洞中地下水在流动过程中因条件的变化有时也发生堆积，形成各种堆积地貌形态和堆积物。最常见的是大量的CaCO3 化学堆积。石钟乳、石笋、石幔和边石堤等。 原因是渗入洞内的碳酸水溶液中C02↑的逸出。与水质、水温、洞内空气中CO2的含量、水的运动和藻类生物的化学作用等有关