第三节岩溶演变

1第三节岩溶演变岩溶是弱酸水流溶蚀可溶岩体形成的地貌、洞穴、水系、生态的总称。1966年中国第一次喀斯特（karst）学术会议，建议将国际已通行60多年的音译“喀斯特”改为意译“岩溶”，作为符合中国实际的标准术语。随着自然演变，人类活动加剧，促使岩溶快速发育，利弊影响与日俱增。岩溶地区常形成高山峡谷，蕴藏巨大水能，具备兴建电站、水库的优越条件。洞穴、暗河是地下水运动、存贮的理想场所，水量丰富，水质清洁，适于饮用、灌溉；具有一定高度、压力，便于开发利用。温泉、矿泉含有热能、气体、微量元素，适于医疗、健身。古岩溶空隙富集卤盐、石膏、芒硝、煤炭、石油、天然气等宝贵矿藏。隐蔽洞穴常作为特种工厂、车间、仓库、科研基地；奇特洞穴常是探险、科考、旅游、休闲胜地。不过岩溶作用破坏地壳岩层的坚实性、稳定性，形成千疮百孔。岩溶地区常因水土流失，地表缺水，土层瘠薄，加速石漠化，破坏生态环境，影响农林生产和居民生活。建设水利工程，常因岩溶洞穴、暗河引发坝基、库区渗漏、坍塌，危及坝体安全，缩短水库寿命，甚至使工程失效。掘进隧道、开挖矿藏，常因突水、涌水，造成事故。三峡库区具备岩溶演变的物质、能量、时间、空间等充分条件，并已形成地表、地下、深部，溶蚀、溶蚀与侵蚀、溶蚀与构造六大岩溶类型，以及中山和低山，古代和近代，热带、亚热带、温带等多种岩溶地貌、洞穴、水系、生态，号称岩溶博物馆。2003年11月，中国根据联合国教科文组织专家建议，将云南石林，重庆天坑地缝、金佛山、芙蓉江，贵州兴义万峰林、荔波樟江，广西桂林漓江、乐业大石围等岩溶地貌，风景名胜区联合起来，申报世界自然遗产。在亚太地区31个岩溶遗产候选地中，只有中国为全世界保存完整、真实的天坑地缝式峡谷等主要景观。三峡成库后将加速岩溶演变。深入研究岩溶发展过程，认识地区岩溶发育阶段,掌握岩溶演化规律，化害为利，保证库区安全，具有重要意义。一、岩溶作用弱酸水流对可溶岩体进行的以化学溶蚀为主的作用，称为岩溶作用。它包括多种复杂的内外营力作用过程，如化学溶解与流水冲刷、搬运、沉淀、坍塌等理化侵蚀作用、过程；化学溶解与地质构造、地壳运动作用、过程。另外的表述是，弱酸水流对可溶岩体的溶解与沉淀、侵蚀与沉积、崩塌与堆积等化学、物理过程的改造、破坏、建设作用。（一）溶解岩体中的矿物遇水后，易溶质点逐渐离开表面，进入水中，形成溶液流失；难溶物质残留下来。各种矿物的化学性质不同，溶解度也不一样。岩石中常见主要造岩矿物的溶解度大小顺序如下：方解石、橄榄石、辉石、角闪石、滑石、蛇纹石、绿帘石、正长石、黑云母、白云母、石英。方解石的化学成分是碳酸钙（CaCO3）,是组成石灰岩的主要矿物。在地壳中分布很广，最易溶解、风化。（二）溶蚀水流对可溶岩体的化学溶解作用。纯水溶解石灰岩的能力很弱。水中含有二氧化碳（CO2），生成碳酸（H2CO3）后，溶解能力显著提高。大气降水和地表径流，与清洁空气中约占0.03％体积的CO2化合，生成PH=5.6的弱碳酸，即具有很强的溶蚀性。它经常与石灰岩（CaCO3）相互作用，生成碳酸化合物，碳酸氢钙〔Ca(HCO3)2〕溶液，又名酸式碳酸盐或重碳酸钙。向低处的岩体，江河湖海流去，造成石灰岩地区快速溶蚀、风化、岩溶地貌。反应式为：H2O+CO2=H2CO3H2CO3+CaCO3=Ca(HCO3)2流水的动能消耗，溶液趋于饱和、过饱和，碳酸钙就会在新地方沉积，形成建设性的泉华（石幔、石笋、石柱、石钟乳等）景观。反应式为：2Ca(HCO3)2△＝CaCO3↓＋CO2↑＋H2O另外的机理是：碳酸在水中呈离子状态，其中的氢离子H+很活跃，与碳酸钙（CaCO3→←Ca2+＋CO2-3）的CO2-3离子结合，形成溶解物质Ca2+＋HCO2-3，随水流走。反应式为：CO2+H2O→H2CO3→H+＋HCO-3H+＋CaCO3→HCO-3+Ca2+即CO2+H2O+CaCO3→←Ca2+＋2(HCO3)-上述碳酸化作用，兼有溶解、沉淀作用，即反应是可逆的。正反应（溶蚀）的速度，取决于CO2的浓度；逆反应（沉积）的速度，取决于Ca2+的浓度。含有碳酸的地表水、地下水，均可对空气、土壤、水体覆盖的石灰岩产生酸化、岩溶作用，造成不同的溶蚀地貌、沉积景观。三峡库区分布的碳酸盐岩，以溶蚀为主的岩溶，形成石林溶沟，溶丘洼地，峰丛谷地等类型的地貌、景观。同理，大气、地表、地下的水分，含有二氧化硫、氮氧化合物，形成酸雨、硫酸、硝酸等强酸性物质，将加剧硫酸盐、硝酸盐岩体的岩溶作用，灾害损失更为巨大。地表的溶蚀地貌和地下的溶蚀洞穴多，分布广，影响大，人们主要研究溶蚀作用，附带或专门研究沉积作用。另外，三峡库区的岩溶作用，与流水侵蚀，地质构造等作用同时进行，形成特有的岩溶现象、过程、规律、地貌、类型，以及洞穴，水流系统。（三）溶蚀与侵蚀三峡库区降水多，流量大，流速快，水循环活跃，加速岩溶发展，快于广西、云南、贵州等地区。在山地、流水地貌基础上，形成大量中山峡谷、低山沟谷，构成溶蚀与侵蚀类岩溶地貌。（四）溶蚀与构造三峡库区的多次构造运动，地壳间歇升降，造成大规模的节理、断裂、裂隙等构造形迹，形成岩溶水的运动，存贮空间。川东的褶皱山系，巫山的隆起山地，四川与两湖盆地的沉降带，以及相应的断裂带，构成岩溶水运动、存贮的特殊边界条件，远不同于平原、湖泊、黄土、冻土、干燥等其它地貌地下水的含水层，含水盆地的空间，边界条件。多种构造形迹互相联系，组成多种构造体系，控制岩溶发育特征、结构类型，洞穴与水流系统分布。在区域，高程变化不大的范围内，沿构造体系持续发育多期、多层岩溶，形成世界级的天坑、地缝、溶洞、暗河、泉群、瀑布等多种多样的岩溶奇观。二、岩溶过程人们从一些岩溶现象看出岩溶过程，包括溶蚀和沉积两部分。（一）溶蚀分为表面与内部两种。表面溶蚀多发生在地表，流失岩体表面物质，减少岩体体积。如由溶峰变成溶柱、溶牙、增大外部空间，江河湖池长宽深度等等；内部溶蚀多出现在地下，流失岩体内部物质，增大内部空间。如由孔隙变成裂隙、洞穴、暗河、暗湖，也变长大。据此，可分为四阶段溶蚀现象。1、显微溶蚀水中含有二氧化碳或其它酸类，与岩体中的可溶成分（如碳酸钙、碳酸镁）发生化学反应，产生溶于水的物质（如重碳酸钙）。通过显微镜可以观察到岩石起始溶蚀的离子状态，重结晶及次生充填物。它是科技工作者关心的岩溶机理作用现象。32、细小岩溶肉眼可见，不改变原有地形，水文地质特点的初期岩溶。它是野外实地考察关注的岩溶起因、根据、特点。包括：（1）溶纹水流溶蚀刻切可溶岩表面，形成深数厘米至十余厘米的纹理。三峡两岸、渝东南多雨地区的石灰岩表面，常发育顺水流方向的垂直、水平、倾斜溶纹或条带状溶纹。（2）溶孔可溶岩颗粒间的原生孔隙，解理，隐节理被溶蚀后，形成直径小于10厘米的小孔洞，称为溶孔。密集的蜂窝状溶孔进一步溶蚀扩展后，即成为孔洞。（3）晶孔白云岩原生的晶体间小孔，被溶蚀产生碳酸钙重结晶后形成的小孔，通称晶孔。溶孔充填次生方解石等晶体，称为次生晶孔。三峡库区的白云岩，白云质灰岩表面上的晶孔很多。3、个体岩溶岩溶过程中期产生的，可改变原有微地形与水流运动性质的岩溶现象。它涉及保护环境、利用资源、防治灾害密切相关的安全、稳定问题。可分为不同的岩体体积和岩体空间两类。（1）溶峰巨大可溶岩体，经长期强烈溶蚀，形成高数十米至数百米的山峰。其形态受岩性、岩层、层面、节理、断裂等控制，如巫山十二峰。（2）溶柱可溶岩体的垂直空隙，被溶蚀扩展，表面物质剥落后，残留的柱状岩体。如西陵峡（灯影峡、石牌地区）的溶柱。（3）溶牙可溶岩体纵横交错的空隙，被溶蚀扩展后，残存的牙状岩体。（4）溶面可溶表面、层面被溶蚀后，构成层间下渗、水流通道。（5）溶隙溶蚀表面进一步发展，形成宽几厘米至数米，长几米至几十米的缝隙，“一线天”景观，成为集中渗流通道，有较多水量流动，逐渐充填粘土、砂砾。（6）溶沟溶纹、溶隙进一步发展，成为规模更大的沟槽。4、系统岩溶在可溶性岩大面积分布地区，广泛进行溶蚀、溶蚀与侵蚀、溶蚀与构造等作用，改变原有的大地形态，水流性质，形成特殊的岩溶地貌，洞穴系统，岩溶水系，即系统岩溶。有的文献称为岩溶物理地质现象。它是岩溶发育过程的第四阶段，范围大，时间长，因素多，最不安全、稳定的环节。岩溶作用引起岩溶形态发展，水流性质变化。反之，水流性质变化，又促进岩溶作用，岩溶形态转化。岩溶形态从小孔隙，中缝隙，大洞穴到坍塌沉陷，沉积堆积，回归为小孔隙，形成循环。岩溶水流也从孔隙水、缝隙水、暗河水恢复为孔隙水，形成循环。水系也从地表水系转为地下水系，再转为地表（包括海洋）水系。形成地地、地海等循环。（二）沉积溶解于岩溶水中的重碳酸钙等物质，由于温度、压力等变化，在溶洞内部或泉水出露地表，沉积为白色、淡黄色泉华。在不同条件，形成不同过程、规模、形态、色彩、类型的泉华。由于主要成分是方解石、石灰质，又称为石灰华。由于含有很多钙质，也称为钙华。它是化学作用形成的碳酸盐岩石，建设性、增长性景观。由于成分纯净，质地致密，难以再溶解，存贮溶蚀、沉积的环境信息，是研究岩溶过程，地质历史的重要根据。三、岩溶条件持续进行岩溶作用，必须具备一定的物质、能量、时间、空间条件。很多因素影响岩溶作用的速度和规模。（一）物质包括参与岩溶作用的岩体、碳酸、水份，它们是发生、发展岩溶的先决条件。1、岩体它是形成岩溶的物质基础，具备适当特性才能发展岩溶。（1）可溶性岩体具有可溶性，才能溶于液态水，形成流失、沉积，即岩溶过程。岩体的可溶性与矿物种类，化学成分密切相关。三峡库区的可溶性岩体，大致分为三类：岩盐类，如钠盐NaCl，钾盐KcL；硫酸盐类，如石膏CaSo4·2H2O，芒硝NaSO4·10H2O；碳酸盐类，如石灰岩CaCO3，白云岩CaMg(CO3)2，4CaMg(CO3)2；硅质灰岩和泥灰岩。它们均能溶于水，溶解度各不相同，岩盐高于硫酸盐，硫酸盐高于碳酸盐。通常认为，岩盐和硫酸盐岩体，分布不广，规模很小，岩溶不大；而碳酸盐岩体分布很广，规模很大，质纯层厚，岩溶普遍。但要具体分析。1)岩盐四川，三峡，早期位于古地中海东部，一片汪洋。经多次构造运动，沧桑巨变。四川由海盆（内海）、湖盆（内湖）成为陆盆。巫山隆起，含盐石膏、芒硝、石灰岩等共点，地层上升，形成岩盐和卤盐。雨水沿岩土空隙下渗，溶解岩盐或混合卤水，露出地表，形成盐泉。三峡地区味觉灵敏，喜食盐水的动物，帮助当地巴人找到盐泉。传说巫溪县宁厂镇“白鹿逐盐”，开县温泉镇“见白羊而得盐泉”，云阳县云安镇“猎免得盐”。《水经注·江水》载“翼带盐井一百所，巴川资以自给”，即云阳县的汤溪河沿岸，有一百所盐井，供应巴川一带。史料记载。巫溪宁厂，彭水郁山、清江盐水（利川），是古代巴人最早开发的盐泉。所产食盐，后缀“巴”字，称为“盐巴”，表明产于巴地或巴国。食盐成为对外贸易的战略物资，产地也成为兵家必争的战略要地，多次发生夺盐大战，众多兵将为此伤亡。宁厂古镇已有五千多年制盐历史。自先秦盐业兴盛以来，设立监、州、县等专管机构，明清时期为全国十大盐都之一。近年在忠县、开县、云阳县、巫溪县、巴东县等地考古挖掘，均发现大量制盐工具，藏盐洞穴，运盐栈道、纤道。忠县瓦渣地遗址，发现堆积十多米厚的制盐陶器残片，可见规模之大，历时之长。近年探明三峡库区的岩盐，卤盐，总储量超过2800亿吨，广泛分布于巫溪、万州、利川、建南等县市区。重庆的六家制盐企业，有五家在库区，产量占全国总产量的5%，供应重庆75%的用量。还要发展大盐化工，作为支柱产业。食盐是人体中不可缺乏的物质。常流汗的人，特别需要及时补充盐分，否则会虚脱无力。食盐具有咸味，是基本的调味、保鲜品，制造众多食物的必须材料，家庭开门七件事之一，生活中最常用的物资。纯净的岩盐是无色透明的矿物，若含有氯化化镁、硫酸钙等杂质，呈红、黄、绿、兰等多种颜色。它的化学成分是氯化钠，其中氯占61%，钠占39%。它是正方结晶体，易吸收空气中的水分潮解，更易溶于液态水流失。三峡库区蓄水后，可能引起岩盐消融。若与湖北潜江，四川自贡、大英的岩盐相连，更值得研究。2)硫酸盐三峡库区的硫酸盐岩体，