喀斯特地貌

第四章喀斯特地貌(Karst)第一节喀斯特作用第二节喀斯特地貌形态第三节喀斯特地貌发育与地貌组合第一节喀斯特作用一、喀斯特的概念关于喀斯特的涵义，国内外学者比较一致的意见是：凡是以地下水为主、以地表水为辅，以化学过程为主(溶蚀与淀积)、机械过程为辅(流水侵蚀和沉积、重力崩塌和堆积)的、对可溶性岩石的破坏和改造作用，称为喀斯特作用(karstprocess)，由这种作用所产生的水文现象和地貌现象统称为喀斯特。可溶性岩石在地表水和地下水的作用下所形成的奇特地貌形态称喀斯特地貌。喀斯特(karst)原是南斯拉夫西北部伊斯特里亚半岛石灰岩高原的地名。当地称kars，意大利语为carso，德语称karst。它来自印欧语“kar”，即岩石裸露的地方。19世纪中叶，一些德国和奥地利学者研究欧洲中部和东南部的石灰岩地貌，均采用karst一词。特别是南斯拉夫学者J.司威杰在研究喀斯特高原上奇特地貌后写的专著，就采用喀斯特这个地名来称呼碳酸盐岩地区的一系列特殊地貌过程和水文现象。这样，一百多年来喀斯特逐渐成为世界地学界通用的术语。喀斯特名称的由来1966年我国第二次喀斯特学术会议(广西桂林)建议将喀斯特一词改为岩溶，但在后来的使用过程中，甚感不便。1981年在山西召开的“北方岩溶学术会议”上，又议定“岩溶”和“喀斯特”二者皆可使用。二、喀斯特作用过程溶解过程：CO2+H2O+CaCO3→Ca(HCO3)2→Ca2++2(HCO3)-结果：在可溶性岩石上留下溶沟、空洞等，并为后来的机械侵蚀、崩塌等作用提供条件，形成喀斯特侵蚀地貌。淀积过程：Ca2++2(HCO3)-→CO2↑+H2O+CaCO3↓结果：碳酸钙堆积作用不断进行，促进喀斯特堆积地貌的发育。三、影响喀斯特作用的因素地质因素气候因素生物因素岩石的可溶性主要取决于岩石成分和岩石结构。根据岩石的化学成分和矿物成分可将可溶性岩石分为三大类：碳酸盐类岩石、硫酸盐类岩石、卤化物盐类岩石。在以上三种可溶性岩石中，卤化物盐类的溶解度最大，硫酸盐类次之，碳酸盐类最小。如，在25℃的纯水中，各种可溶盐类的溶解度分别为：NaCl,360g/l;CaSO4,2.1g/l;CaCO3,0.015g/l。卤化物盐类岩石和硫酸盐类岩石分布不广，岩体较小，而碳酸盐类岩石分布广泛，岩体也很大。所以发育在碳酸盐类岩石中的喀斯特较之在卤化物盐类岩石和硫酸盐类岩石中发育的喀斯特要普遍得多。（一）地质因素（岩石的可溶性）石灰岩类白云岩类结构特征CaO/MgO相对溶解度结构特征CaO/MgO相对溶解度隐晶质微粒结构18.991.12细晶质微粒结构27.031.06鲕状结构21.041.04微粒-中粒结构21.430.99中粒晶质镶嵌结构25.010.56中粒、粗粒结构14.970.32细晶生物微粒结构2.131.09隐晶质向镶嵌结构过渡1.440.88细晶及隐晶质镶嵌结构1.650.85中晶及细晶质镶嵌结构1.530.71中晶质镶嵌结构1.360.66中粗粒镶嵌结构具溶孔1.730.65中国广西的不同结构碳酸盐类岩石的相对溶解度岩石结构对可溶性的影响：结晶质岩石的晶粒愈小，相对溶解度愈大。不等粒结构的石灰岩比等粒结构石灰岩的相对溶解度值要大。对石灰岩而言，纯水的溶解力是很微弱的。当水中含有大量的CO2时，水的溶蚀力就大大提高。具有溶蚀力的水将CaCO3溶解，把不能溶解的残余物质留下，或呈悬浮状态而带走。气候因素对喀斯特作用的影响主要表现在温度、降水和气压等方面。温度的影响比较复杂：一方面：温度越高，化学反应速度越快，溶蚀能力增强；但，另一方面：温度越高，水溶液中CO2含量越低，溶蚀作用会减弱。（二）气候因素（水的溶蚀能力）降水的影响比温度的影响更为显著：不仅影响水的渗透条件、水的运动循环，同时雨水中含有较丰富的游离CO2，大大地加强了喀斯特作用。气压：一般大气中CO2的含量约为空气体积的0.03%，在自由大气下，空气中的CO2的分压力PCO2=0.0003大气压。在空气中，PCO2条件相同时，温度越高，CaCO3在水中的溶解度就越小；当温度相同时，PCO2越高，CaCO3在水中的溶解度越大。温度及CO2分压力与CaCO3溶解度的相互关系碳酸盐岩表面常长有一些菌、藻类生物，分泌溶蚀性酸，可分解及消耗碳酸盐岩，属于生物岩溶作用。其结果在岩面上留下痕迹，统称为生物蚀痕。土壤空气的CO2主要由生物作用产生，土壤空气中CO2的多少对喀斯特有重要影响。在热带、亚热带土壤中CO2较大气中往往高出数十倍。土层和岩石界面处的溶蚀强烈，因此，石灰岩溶蚀速度最大值往往出现在土壤与石灰岩接触处。（三）生物因素云南路南裸露地表的二叠系灰岩面上的苔藓与生物蚀痕云南昆明西山原先埋伏于地下岩面上的生物蚀痕四、岩溶水的分带根据喀斯特地区水的运动方式分为：地表水和地下水。地表水是形成地表喀斯特的主要动力，它的流向也决定着地表喀斯特的空间形态分布规律。地下水是形成地下喀斯特的主要动力，它的流动是通过裂隙、孔隙、管道发生的，具有明显的垂直分带性特征，也决定着地下喀斯特地貌的垂直分布特征。通常把岩溶化岩体中的地下水总称为岩溶水。地下喀斯特水的垂直分带1.垂直渗透带；2.季节变动带；3.水平流动带；4.深部滞流带该带位于地面以下至丰水期潜水面之上。雨水沿裂隙下渗到潜水面，它的厚度由潜水面(地下水位)高低来决定。若在构造上升区(潜水面、河水面下降)，厚度可达几百-几千米，反之，构造沉降区，厚度小。该带内水的运动以垂直下渗为主，故喀斯特地貌以垂直形态的溶洞为主，多漏斗、落水洞等个体小深度大的地貌。1.垂直渗透带(充气带)位于丰水期潜水面与枯水期潜水面之间。它在雨季或融冰化雪时，潜水面上升，地下水作水平运动；在旱季作垂直运动。故该带内喀斯特地貌既有水平溶洞，又有垂直溶洞发育。2.季节变动带(过渡带)位于枯水期潜水面以下，直到谷底补给河流岩溶水的深处为止。经常处于饱水状态，地下水流向近于水平方向，向河谷排泄。此带是喀斯特强烈发育地带，多为水平型喀斯特，如地下河、水平溶洞等。在靠近河谷地段，水平带的下部在河底减压区，地下水由下而上运动，这是一种虹吸管状流动，向着谷底减压区排泄。3.水平流动带(饱水带)位于水平流动带以下，水的流动方向不受河谷限制，而受地质构造的控制，流速相当缓慢甚至停滞，溶蚀作用微弱。该带的地下水位置较深，具有承压性质。4.深部滞流带(深部循环带)上述4个喀斯特水动力带内，由于水的交替强度不同、流动方向不同，所发育的喀斯特形态也不同，形成明显的分带现象。这种垂直分带可以因为气候、地貌和构造的变动而发生变化。需指出的是：垂直分带比较明显的地方，是在长期稳定、有河流深切的高原地区。总之：第四章喀斯特地貌(Karst)第一节喀斯特作用第二节喀斯特地貌形态第三节喀斯特地貌发育与地貌组合一、地表喀斯特：蚀余形态：石芽与溶沟，漏斗与落水洞，溶蚀洼地与溶蚀盆地，干谷与盲谷，峰丛、峰林和孤峰等。堆积形态：泉华、瀑布华、钙华堤坝等二、地下喀斯特：蚀空形态：喀斯特管道、地下河（湖）、溶洞等堆积形态：石钟乳、石笋、石柱、石灰华等喀斯特地貌形态分类一、地表喀斯特1.石芽(clint)和溶沟(lapie,karren)爱尔兰Clare的石芽溶沟2.落水洞(sinkhole)和竖井(shaft)落水洞是岩溶区地表水流向地下河或地下溶洞的通道，它是由垂直方向流水对裂隙不断进行溶蚀并伴随塌陷而成。落水洞大小不等，形状也各不相同。按其垂直断面形态特征，可分为裂隙状落水洞、竖井状落水洞和漏斗状落水洞等；按其分布方向有垂直的、倾斜的和弯曲的。重庆华蓥山天坑3.漏斗(doline)漏斗是岩溶地区的一种中、小型封闭洼地，呈碟形或负锥型，口大底小，平面轮廓为圆形或椭圆形。直径数十米，深十几至数十米。漏斗下部常有管道通往地下，地表水沿此管道下流，如果通道被粘土和碎石堵塞，则可积水成潭。如果地面上有成连续分布的成串漏斗，这往往是地下暗河存在的标志。按成因可分为溶蚀漏斗、沉陷漏斗和塌陷漏斗三种。a.溶蚀漏斗；b.沉陷漏斗；c.塌陷漏斗；d.深层岩溶塌陷漏斗漏斗是喀斯特发育初期阶段的产物，它是喀斯特水垂直循环作用的地面标志，因而漏斗多分布在岩溶化的高原面上。4.溶蚀洼地(karstdepression)溶蚀洼地是比漏斗规模较大的、四周为低山丘陵和峰丛所包围的封闭性小型盆地。它的形状和溶蚀漏斗相似，但：(1)规模比溶蚀漏斗大得多,直径超过100m；(2)溶蚀洼地底部较平坦；(3)其边坡形态在坡度上通常与邻近山地直接连接，没有明确边界。贵州金城江源鄂西洼地溶蚀洼地是由漏斗进一步溶蚀扩大、合并而形成，故它的形态、排列方式与漏斗均有关。它的底部常发育落水洞和漏斗，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。5.溶蚀盆地(又称坡立谷，polje)岩溶盆地是指岩溶地区具有内部水系的、底部宽广平坦的大型封闭盆地或谷地。南斯拉夫学者J.司威杰最先叫这种地形为Polje，原意为可耕种的平地，泛指田野，在我国地学文献中称为“坡立谷”。主要特征：(1)宽度自数百米至数公里，长度可达几十公里；(2)盆地四周多由峰林石山围绕，边坡陡峭；(3)底部平坦，常覆盖着溶蚀残留的黄棕色粘土或红色粘土，有些地方还有河流冲积物；(4)有溶岩水系，水源充足。故多为岩溶地区重要的农业地带。这种大型盆地在我国云贵高原及广西等地十分发达。鄂西“坡立谷”6.峰丛、峰林和孤峰峰丛-洼地地貌系统桂林、阳朔一带最为典型。峰林-盆地地貌系统峰林形成过程示意图孤峰(残峰)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，相对高度由数十米至百余米。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。广西南宁地区的残峰坡地孤峰-平原地貌系统有人对峰林地貌演化提出峰丛洼地→峰林盆地→孤峰平原系统演化模式：峰丛洼地→峰林盆地→孤峰平原7.盲谷(blindvalley)与干谷(dryvalley)盲谷是喀斯特地区死胡同似的、没有出口的地表河，通常水流消失在河谷末端陡壁下的落水洞中而转为地下河，它多见于封闭洼地或坡立谷中。干谷是指喀斯特区的干涸河谷，过去它是地表河，因气候变干或地壳上升、侵蚀基准面下降，使地表河干涸而转入地下。利川腾龙洞附近干谷和溶洞婺源灵岩洞附近的盲谷盲谷盲谷盲谷8.地表石灰华沉积(travertine,tufa)云南中甸白水台的喀斯特泉华富含Ca2+和HCO3-的地下水(岩溶水)在地表出露，由于CO2分压降低或温度升高而发生的CO2逸出和CaCO3沉淀，统称石灰华(简称灰化或钙华)。地表钙华沉积四川黄龙的钙华堤坝地表钙华沉积岷山南麓黄龙一带河谷中的瀑布华黄龙寺钙华黄龙寺钙华二、地下喀斯特蚀空形态1.溶洞溶洞:是地下水沿着可溶性岩石的层面、节理或断层进行溶蚀和侵蚀而成的地下孔道。2.地下河(暗河、伏流)3.地下湖地下喀斯特----堆积形态堆积形态石钟乳重庆芙蓉洞石笋是从洞顶滴落下来的水溅到洞底，其中CaCO3逐渐沉积形成的，它形似竹笋。石笋是自下而上逐层增长，它的横剖面为叠层状。贵州桐梓石笋横断面与纵断面(基本连续沉积)广西桂林石钟乳断面(沉积间断)石钟乳和石笋各自向相对方向伸展，最后连结起来，成为石柱。北京石花洞次生化学沉积物景观从洞壁沿裂隙渗出的水，CaCO3呈片状沉积，如同帷幕一样展开，故称为石幔。石幔地下堆积形态石珍珠，由碳酸钙围绕一个核心沉积而成。石灰华生物堆积第四章喀斯特地貌(Karst)第一节喀斯特作用第二节喀斯特地貌形态第三节喀斯特地貌发育与地貌组合第三节喀斯特地貌发育与地貌组合喀斯特地貌发育和组合可从两方面来看：一方面，在不同的气候区岩溶地貌发育不同，地貌组合也不相同，这是喀斯特地貌发育的地带性特征；另一方面，在同一气候区，岩溶地貌的发育阶段不同，岩溶地貌组合也有差异，这是岩溶地貌发育的阶段性特征。一、岩溶地貌的地带性特征喀斯特发育受自然因素的影响很大，特别是气候条件的影响，因此喀斯特地