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第6章 岩溶地貌

岩溶地貌又称karst。karst原是前南斯拉夫西北部一个石灰岩高原的地名。19世纪,前南斯拉夫学者司威茨研究那个地区的地貌时,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。成为了世界各国科学家研究灰岩地形的专门术语。1996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。

可溶性岩石地区,在地下水和地表水的化学过程(溶解和沉淀)和物理过程(流水的侵蚀、堆积、重力崩塌和堆积)的共同作用下,对可溶性岩石的破坏和改造作用称为岩溶作用(karst作用)。这种作用所形成的地貌(包括地表形态和地下地貌形态)称为岩溶地貌。岩溶作用及所产生的水文现象和地貌现象统称为岩溶(karst)。

岩溶(karst)概念的含义越来越广,现在有狭义和广义的两种理解。

发生在石灰岩、白岩、石膏、岩盐等可溶性岩石中的岩溶现象称真岩溶,是对岩溶的狭义理解。

在由非可溶性岩石组成的地区,由于独特的外力作用也可以形成类似于可溶性岩石地区的地貌现象。这称为假karst(岩溶),是对岩溶的广义理解。如黄土karst、热力karst。

岩溶地貌在我国主要分布在云南、广西、贵州等西南地区。岩溶问题是石灰岩地区工农业生产中经常碰到的问题,因此有着十分重要的意义。

一、岩溶作用

1.岩溶作用的基本条件:

(1)可溶性,岩石的可溶性取决于其化学成份、矿物组成和岩石结构。

从溶解度来看,卤性物质和硫酸盐要比碳酸盐类高。但地球上岩溶地貌为什么主要形成于石灰岩地区,这主要是因为石灰岩分布广,厚度大。

(2)水性,岩石的透水性决定于其裂隙度和孔隙度。一般的可溶性岩石的孔隙度较低,岩石的裂隙度大小与岩石的构造、纯度和厚度有关:构造性断裂带,背斜的轴部和向斜的深部,裂隙度大。

纯度高,刚性强,裂隙易扩张深长。

厚度大,隔水层少,裂隙深长较大,有利于岩石的溶解。

二、水的因素

1.水的溶蚀力

纯水的溶解能力是极其弱微的,只有当有CO2加入时,水的溶解能力有很重要的岩溶意义。所以水的溶蚀力的大小取决于水中CO2含量的多少。

2.水的流动性

水中CO2含量与其能溶解CaCO3能力的关系不是一种直线关系,它是一种下凹的曲线。由于这种曲线关系,两种不同浓度饱和的水溶液相混合时,能使混合水溶液处于饱和状态,而重新获得溶蚀能力。这种因水的混合而产生的溶蚀作用称为混合溶蚀作用。

在自然界不流动的水质很容易达到饱和状态。但是由于流动性使不同浓度的饱和水溶液相混合产生混合溶蚀作用。故自然界的水才具有较强的溶蚀能力。

自然界是复杂的,当水流动时,其水量,水温和气压等条件是不断变化的。当条件合适时可以产生混合溶蚀作用。但是当水由水温低、气压大的地区流动到水温高、气压低的环境中时,也可造成原来不饱和的水达到饱和和过饱和状态,化学反应向着逆反应的方向进行,发生沉淀作用,重新形成碳酸盐沉积。

3.岩溶水的状态

在岩溶地区,地表水大多通过各种裂隙和孔隙进入地下,形成地下水流,故地表水比较缺乏,相反则地下水比较丰富。因此岩溶作用不仅发生在地表,更主要的是发生在地下。通常把可溶岩石内所含的一切地下水总称为karst水或岩溶水。

岩溶水的运动直接影响着岩溶作用的进行和岩溶地貌的形成,故有十分重要的意义。岩溶水具有多种形式,如孔隙水、裂隙水、溶洞水等。有的有自由水面,而有的呈承压状态。

岩溶地貌的分类

一、地表岩溶地貌

1.沟、石芽、石林

地表水流沿石灰岩坡上流动,溶蚀和侵蚀出的许多凹槽称为溶沟。溶沟宽十几厘米至数米,深半米至数米,规模不等。

溶沟之间的相对突出部分称为石芽一般的石芽较低,多为1~2米。

在条件适宜的地区石芽的高度可在10米以上,这种比较高的石芽称石林。云南石林的高度可达20~30米。

石芽可以出现在地表,也可以出现在地下,形成埋藏石芽。

2.落水洞

岩溶地区地表水从谷地流向地下河或地下溶洞的通道。它是岩溶垂直流水对裂隙不断溶蚀并伴随坍陷的结果。其直径一般小于其深度,直径一般小于10米。深度在数十米至数百米以下。法国的“牧羊人深渊”落水洞深达1122米。而比利牛斯山上的“马丁石”落水洞深达1138米。

3.漏斗(岩溶漏斗)

岩溶地区一种碗碟状的圆形洼地,直径数十米以上,深数米至十几米,底部常有水道把其汇水排走。

4.岩溶洼地

四周由低山丘陵所包围的封闭洼地。其形状与漏斗相似。但规模大得多。其底部比较平坦,直径在100米以上,最大可达1~2千米。岩溶洼地是漏斗逐步扩大,彼此相互联结发育而成的,其底部通常有落水洞和漏斗将地表水排入地下。

5.坡立谷

指岩溶地区的一些宽广平坦的盆地或谷地。其原意为“可耕种的平地”,现已演变为专门描述平坦溶蚀盆地或谷地的专业术语。如桂林就处于一个坡立谷中,坡立谷中有漓江流过。

6.干谷与盲谷

两种谷地都是喀斯特地区所特有。干谷曾经是昔日的河谷,但现在无水,成为干涸谷地。干谷的成因可能是地壳上升或侵蚀基准面下降,导致河水潜入地下,变成伏流,而地表河干涸。有的是地下河袭夺地表河,使其下游成为干谷。也有的是地下河裁弯取直,使弯曲段河流成为干谷。干谷谷底平坦,覆盖有松散堆积层。常有溶斗、落水洞分布。

盲谷是一种死胡同式的河谷,河流前方被石山陡崖阻挡,河谷消失,河水从崖下溶洞进入石山内变成伏流。这种前方失去谷形的河谷称为盲谷。

二、地下岩溶地貌

地下岩溶地貌主要指溶洞和地下河,洞的发育与溶洞的成层性:

1.溶洞的发育

溶洞是地下水沿可溶性岩体的各种构造面(层面、节理面或断层面)。特别是沿各种构造面互相交汇的地方,通过溶蚀和侵蚀而形成的地下洞室。

溶洞的大小和规模差异很大,世界上最著名的单个溶洞是美国新墨西哥州的卡斯伯洞。其内巨室长400米、宽230米、高100米。我国桂林著名的七星岩溶洞最宽处70米,高约15米。

溶洞在发育上主要集中在水平流动带,那里不仅常年有地下水活动,并且地下水具有承压性。其溶蚀能力不仅高,具有承压性质的水流也具有极强的侵蚀冲刷能力,有利于洞室的扩大。溶洞发育初期往往是溶蚀占主导地位。但洞穴已经形成,具有承压性质的地下水流的侵蚀作用也不可忽视,它是溶洞迅速扩大合并的重要动力条件。

由于大型的典型溶洞主要形成于地下水的水平流动带,而地下水的水平流动带又表面大河流的水面控制,因此典型溶洞的分布有成层性,并且这个层的高度与大河流的水面有关。如若大河流因构造和其他条件的变化,水面多次下降的话,在石灰岩地区可以形成多层溶洞,并且各层溶洞的高度和时代也可以和大河流的阶地进行对比。据此我们也可以研究溶洞发育的时代和区域构造活动,地貌演化等。

2.溶洞堆积物及其堆积地貌形态

溶洞是由地下水的溶蚀和侵蚀作用造成的。但是当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。发生在溶洞中的各种堆积作用统称为溶洞堆积作用。

岩溶地貌发育的几个问题

一、岩溶基准面问题

岩溶地貌向地下深处发育的下限称为岩溶基准面。有人认为河谷的河面或海面是岩溶发育的基准面,但大量的资料也表现在地表以下很深的地方也有岩溶过程。西南地区的隧道工程中发现在地表岩溶系统以下100~50米深处仍有溶洞。因此有人认为岩溶作用不存在基准面,有的话那也是可溶性岩石的底板。

但是,客观地说,岩溶作用应当主要是发育在地下潜水面附近,这个潜水面是受河流水面控制的。因此我们倾向于认为河流水面是岩溶基准面。

二、岩溶地貌的地带性特征

岩溶作用是发生在可溶性岩石地区的一类地貌过程。但是岩溶作用的强度特征深受自然地理条件特别是气候条件的影响。因气候条件的差异,岩溶作用的特征、强度及形成的地貌表现出极大的差异性。因此岩溶地貌具有一定的地带性。现将几个主要地带的岩溶作用特征和形成地貌的特点简述如下:

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,形成十分发育的karst地貌。这不仅表现在地表岩溶上,也表现在地下岩溶上。十分发育的karst地貌具体表现在如下几个方面:

(1)峰林发育的最好;

(2)漏陷地貌和谷主坡发育;

(3)石芽和溶沟十分显著,石芽高大;

(4)地下溶穴发达。

2.亚热带地中海型气候岩溶

以南斯拉夫karst高原为代表,该带夏季干热,冬季冷湿,水热条件不如热带。故karst地貌不如热带典型。但地表及地下karst仍是相当发育的。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。

3.温带湿润气候的岩溶

雨量及热量条件均较上述两带差,故岩溶作用不强烈,地貌不明显,地表karst以干谷为主,石芽,溶沟,落水洞及溶蚀谷地不发育。地下karst以溶孔、溶隙和小型溶洞为主。缺乏大型溶洞。

4.寒热及高山型岩溶

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karst主要是蜂窝状溶孔及小型溶洞,但是在高山地区由于溶洞风化强烈,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,故岩溶作用不强烈,地貌不明显。

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