第四章 岩溶地貌.docx

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第四章岩溶地貌

第四章岩溶地貌

岩溶，原称喀斯特（Karst）。

喀斯特原是南斯拉夫西北部一带碳酸岩高原的地名，那里发育着各种碳酸岩地形。

19世纪末，南斯拉夫学者司威治研究了喀斯特高原的奇特地貌，并把这种地貌叫做喀斯特。

以后，就借用喀斯特这个地名来称呼碳酸盐岩地区一系列特殊的地貌过程和水文现象。

这样，喀斯特一词便一直成为世界各国所通用的专有术语。

我国对碳酸盐地区的地貌现象，早在晋代就有文字记载。

距今300多年前，我国明代的旅行家徐霞客（1586～1641）考察了广西、贵州、云南一带的碳酸盐岩地形，探寻了100多个地下溶洞，详细记述了碳酸盐岩地区的景观。

1966年在广西桂林召开的我国岩溶学术会议上，决定将喀斯特一词改称岩溶。

岩溶地区的许多特征，不仅在碳酸盐岩地区存在，而且在其他可溶性岩石地区，如白云岩、石膏、岩盐等分布的地区也可见到。

第一节岩溶作用

概念：

凡是地下水为主、地表水为辅，以化学过程（溶解与沉积）为主、机械过程（流水侵蚀和沉积、重力崩塌和堆积）为辅的对可溶性岩石的破坏和改造作用都叫岩溶作用。

这种作用所造成的地表和地下形态叫岩溶地貌。

岩溶作用及其所产生的水文现象和地貌现象统称岩溶。

发生在石灰岩、白云岩（一种以白云石〔CaMg（CO3）2〕）、石膏、岩盐（岩盐，又叫石盐，主要化学成分是氯化钠）等可溶性岩石中的岩溶叫真岩溶。

另外，在碎屑岩（砾岩、角砾岩、砂岩等）、冻土和黄土地区，也存在着类似岩溶的现象，称为假岩溶。

一、岩溶作用的基本条件

岩石条件：

第一，岩石必须具有可溶性。

第二，岩石必须具有透水性。

水的条件：

第一，水必须具有溶蚀性。

第二，水必须具有流动性。

（一）岩石的可溶性

岩石的可溶性主要取决于岩石成分和岩石结构。

岩石成分指岩石的矿物成分和化学成分。

岩石结构是指组成岩石的颗粒大小、形状和排列、岩石的胶结物性质等。

可溶性岩石分为三类：

碳酸盐类岩石——石灰岩、白云岩〔CaMg（CO3）2〕、硅质灰岩、泥灰岩

硫酸盐类岩石——石膏（CaSO4·2H2O）、芒硝（Na2SO4·10H2O）

卤盐类岩石——石盐、钾盐

溶解度大小：

卤盐＞硫酸盐＞碳酸盐（如20℃纯水，各种可溶性盐的溶解量为NaCl为360g/l；CaSO4为2.0g/l；CaCO3为0.015g/l）。

硫酸盐类岩石和卤盐类岩石分布不广，岩体较小，而碳酸盐类岩石分布很广，岩体一般都很大。

所以发育在碳酸盐类岩石中的岩溶较之卤盐类和硫酸盐类岩石中的岩溶要普遍得多。

碳酸盐类岩石的主要组成成分是方解石CaCO3或白云石Ca，Mg（CO3）2，其次是SiO2、Fe2O3、Al2O3，以及粘土物质。

石灰岩的成分以方解石为主。

白云岩的成分以白云石为主，硅质灰岩是含有燧石结核或条带的石灰岩。

泥灰岩则为粘土物质与CaCO3的混合物。

一般说来，石灰岩比白云岩易溶蚀，白云岩比硅质灰岩易溶蚀，硅质灰岩则比泥灰岩易溶蚀。

碳酸盐岩的成因类型及其结构类型主要有以下几种：

1．由波浪和流水作用搬运沉积形成的灰岩和白云岩，具有类似碎屑岩的结构。

包括岩石碎屑、生物碎屑、

粒、团粒和团块。

2．由原地生长的固着生物骨架造成的灰岩（石灰华、微晶灰岩）具有粒晶结构。

3．弱白云化灰岩具有石灰岩的各种残余结构。

4．强白云化灰岩，使灰岩原始结构遭到彻底破坏，若又经过重结晶作用，可形成中—粗晶结构。

5．属于蒸发型的白云岩，呈现隐晶—细晶结构，再结晶成中—粗结构。

碳酸盐岩结构对岩溶发育的影响，主要是原生孔隙性的影响。

一般说来，盆地或大陆架深水区沉积形成的碳酸盐岩孔隙小而少，不利于岩溶发育，而过渡性沉积区生成的碳酸盐岩多孔隙，有利于岩溶发育。

（二）岩石的透水性

岩石的透水性取决于岩石的裂隙度和孔隙度。

纯灰岩，刚性大，节理稀疏但裂隙开阔，透水性好，能发育大的溶洞。

泥质灰岩，刚性弱，节理密但裂隙紧密，而且泥质灰岩经溶蚀后残留很多粘土，常阻塞裂隙，所以透水性差。

石膏和岩盐透水性更差。

通常，厚层可溶岩，其中隔水层较少，岩石的裂隙比较开扩，透水性比较好，薄层可溶性岩石，所夹隔水层较多，裂隙也比较紧闭，透水性较差。

褶皱或断裂，使岩石透水性加强，对岩溶发育有利。

（三）水的溶蚀力

纯水的溶蚀力很微弱，只有当水中含有CO2时，才有较强的溶蚀作用，将CaCO3溶解，把不能溶解的残余物质留下，或呈悬浮状态被水流带走。

在含有CO2的水中，CO2与H2O化合成碳酸。

碳酸又离解为H+与

离子。

水中的CO2含量越高，H+也越多，而H+是很活跃的离子。

当含多量的H+的水对石灰岩作用时，H+就会与CaCO3中的

结合成

，分离出

，而使CaCO3溶于水。

空气CO2

水CO2+H2OH2CO3H++

岩石H++CaCO3

+

即CO2+H2O+CaCO3

+2（HCO3）-

上述化学反应是可逆的，正反应的速度取决于CO2的浓度，逆反应的速度取决于Ca2+的浓度。

也就是说，水中CO2的浓度越大，水的溶蚀力越强；水中Ca2+的浓度越大，水的溶蚀力越弱。

而水中CO2浓度受水的温度和空气中CO2含量的影响。

一般空气中CO2的含量约为空气体积的0.03%。

表水中CO2含量及CaCO3的溶解度

t（℃）

CO2含量（%）

CaCO3的溶解度（mg/l）

0

1.10

81

10

0.70

70

20

0.52

60

30

0.39

49

可见，在大气压相同条件下，温度越高，CaCO3在水中的溶解度就越小。

在高温地区，虽然气温高，CO2和CaCO3在水中的溶解度小，但化学作用快。

据检测，气温每增加10℃，化学反应速度约增加一倍，所以高温地区岩溶发育快。

（四）水的流动性

降水沿着碳酸盐岩的裂隙和孔隙向下渗透，在到达潜水面以前，已被CaCO3所饱和，丧失了溶蚀能力。

但如果为CaCO3所饱和的水溶液一直处于流动状态，由于水量、水温、气压等条件的变化，或形成混合溶液，就有可能随时变饱和溶液为不饱和溶液，重新获得溶蚀力；或变饱和溶液为过饱和溶液，发生沉淀。

在岩溶化岩体中，水中的CaCO3差不多是饱和的，水还有溶蚀力就是因为水是流动的。

由于水的流动性，不同浓度的水溶液混合以后，饱和溶液变成了不饱和溶液，因而又产生了溶蚀力。

这叫做混合溶蚀作用。

二、岩溶水的动态

通常把岩溶化岩体中的一切地下水总称为岩溶水。

岩溶水的流态有两种形式，而且可以互相转化。

小的管道和廊道里，在稳定流速下，水流是层流。

水流流速快或管道直径增大时，成为紊流。

在岩溶地区，绝大部分的岩溶水是可以互相联系的，其运动状态一般具有垂直分带性。

岩溶水的运动状况可以分为四个带：

1．垂直渗透带（充气带）：

位于地表下、丰水期潜水面以上。

水流主要是沿着岩层中的垂直裂隙和管道向下渗透。

2．季节变动带（过渡带）：

在垂直渗透带和水平流动带之间存在着一个过渡带。

在过渡带里，雨季或融雪季节，潜水位上升，地下岩溶水呈水平运动，在干季，潜水面下降，地下岩溶水作垂直运动。

3．水平流动带（饱水带）：

此带的上限是枯水期的潜水面，其下限要比河水面或河床底部低得多。

水平流动带往往是成层分布的。

在这个带中，岩溶水常年存在。

4．深部滞流带：

位于水平流动带之下，地下水运动极为缓慢，因此在该带岩溶作用非常微弱。

第二节岩溶地貌

可溶性岩石在岩溶作用下，可形成一系列独特的地貌，它们分为地表岩溶地貌和地下岩溶地貌两种类型。

一、地表岩溶地貌

（一）溶沟、石芽与石林

地表水沿可溶性岩石的节理裂隙和层面流动，不断进行溶蚀和侵蚀，使岩石表面形成沟槽形态。

凹槽称为溶沟（grike）。

沟槽间的突起称为石芽（clints）。

石芽有裸露的，也有埋藏的。

裸露石芽是地表水作用的结果，埋藏石芽是地下水渗透过程中溶蚀而形成的。

在热带，土壤中的腐殖质分解出大量CO2，渗透水流的溶蚀力极强，因此发育了埋藏石芽，其上覆盖着薄厚不等的溶蚀残余红土，红土低部夹杂着灰岩碎屑。

通常，从山坡上部到下部，石芽呈有规律的分布，全裸露石芽——半裸露石芽——埋藏石芽。

石林是热带石芽的一种特殊形态。

形体高大的石芽，石芽之间的溶沟很深，沟坡垂直，坡壁上刻有平行垂直的凹槽。

以云南的路南石林最为典型，相对高度一般20米左右，大者可达50米左右。

（二）漏斗（doline）、竖井与落水洞

漏斗：

又称“斗淋”、“喀斯特漏斗”、“灰岩坑”、“溶斗”、“盘坑”、“盆坑”等。

是岩溶地面上的一种口大底小的圆形碗碟状或倒锥状的洼地。

直径一般数米至数十米（100米以内），深数米至数十米。

底部常有通道通往地下，因此起着集水和消水的作用。

是地表水沿着节理裂隙不断溶蚀并伴有塌陷作用而成。

漏斗主要分布在岩溶化的高原面上。

漏斗可分为溶蚀漏斗和塌陷漏斗两种类型。

溶蚀漏斗是地表径流沿裂隙密集地段溶蚀而成。

他的深度不大，斗壁和缓，斗缘不明显，外形多成碟状。

当进一步向下加深时，斗壁逐渐陡峻并且有明显的斗缘，成为漏斗状。

塌陷漏斗：

在喀斯特地区，地下经常出现大小不一的洞穴，覆盖在洞顶上的土层或岩层，由于重力作用，有时崩塌，形成塌陷漏斗。

这种漏斗多成井状，底部有崩积物，斗壁陡峭，斗缘明显，深度比宽度大，外形呈筒状。

落水洞：

是指开口于地面而通往地下深处裂隙、地下河或溶洞的洞穴。

是地表水流入地下的进口，落水洞大小不一，形态各异，有垂直的，有倾斜的，也有弯曲的。

落水洞的形态主要有两种：

一是裂隙状落水洞，形态狭长，作一定倾斜和曲折向地下延伸，这种落水洞分布最广。

二是井状落水洞，它的深度和宽度都很大。

落水洞的形成主要是侵蚀作用和重力作用。

竖井：

实际上是一种塌陷漏斗。

地表水流入地下河的垂直通道。

由落水洞进一步向下发育而成。

也叫“天坑”、“喀斯特井”、“天然井”等。

深度数十米至数百米。

在平面轮廓上呈方形、长条形或不规则形。

长条形是沿一组节理发育的，方形或圆形是沿两组节理发育的。

（三）溶蚀洼地及溶蚀谷地

溶蚀洼地：

是一种面积比较大的圆形或椭圆形的封闭形洼地。

它的四周多被峰林围绕，其形成一般认为是由多个漏斗融合而成。

溶蚀谷地：

是指宽阔而平坦的谷地，也叫溶蚀盆地。

在南斯拉夫称为坡立谷（polje）。

谷地两侧多被峰林夹峙，谷坡急陡，但谷地平坦，横剖面如槽形。

谷地内常有过境河流出。

溶蚀谷地大多是沿断裂带或构造带溶蚀发育而成。

如广西都安的溶蚀谷地宽1公里，长达10公里以上。

在许多溶蚀谷地中，还耸立着一些残丘和孤峰，如桂林山水。

（四）干谷、盲谷和地下河

干谷：

岩溶地区的干涸河谷。

因为地壳上升，侵蚀基准面下降或河流袭夺等原因，地面河转为地下河，在地面留下干涸的河道，谷地较平坦，并有漏斗、落水洞分布，常覆盖有松散堆积物。

盲谷：

是岩溶地区一种死胡同式的没有出口的地表河谷。

地表的常流河或间歇河，其水流消失在河谷末端的落水洞而转为暗河，多见于封闭的岩溶洼地或岩溶盆地。

地下河：

又叫“暗河”、“伏流”。

由于岩溶作用在大面积石灰岩地区形成溶洞和地下通道，地面河流往往经地面溶洞，潜入地下形成暗河。

（五）峰林、孤峰和峰丛

峰林：

成群分布的石灰岩山峰，山峰基部分离或稍微相连。

峰林是在地壳长期稳定下石灰岩体遭受强烈破坏并深切至水平流动带后所形成的山群。

国外称为“圆锥状喀斯特”、“塔状喀斯特”等，与峰林相随产生的多是大型的溶蚀谷地和深陷的溶蚀洼地。

主要发育在热带雨林和亚热带季风气候区。

孤峰：

是竖立在平原上孤立的灰岩山峰。

是岩溶平原和溶蚀谷地中常见的地貌形态，相对高度数十米至100米左右，一般分为园柱状、圆锥状、单斜状。

是地壳相对稳定，岩溶发育到后期，峰林被分割而成。

峰丛：

是一种连座峰林，基部完全相连，顶部分散成一个个山峰。

峰与峰之间常形成“U”形的马鞍地，峰顶与马鞍地的高差距离不超过山峰高度的1/3。

当峰林形成后，地壳上升，原来的峰林变成了峰丛顶部的山峰。

峰林之下的岩体也就成了基座。

峰丛之间，岩溶洼地、漏斗、落水洞很发育，