岩溶地貌及岩溶堆积物

第五章岩溶地貌及岩溶堆积物岩溶作用概念岩溶作用：在可溶性岩石地区，凡是以地下水作用为主，地表水作用为辅；以化学作用为主，机械作用为辅，对可溶性岩石的溶解破坏的过程。岩溶：岩溶作用及其由此产生的现象。Pseudokarst假喀斯特地貌Mud Cave LocationSan Diego County, California主要内容第一节岩溶形成条件及溶蚀基准面第二节岩溶地貌第三节岩溶堆积物第四节岩溶旋回第五节岩溶研究的实际意义喀斯特(Karst):斯洛文尼亚石灰岩高原的地名，代表石灰岩被溶蚀后形成的地貌。第一节岩溶形成条件及溶蚀基准面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灰岩、白云岩发育的地区。（1）岩石成分对溶蚀率的影响一般来说，碳酸盐类岩石溶解度，从大到小:石灰岩>白云岩>硅质灰岩>泥灰岩12015/10/14白云岩白云质灰岩灰岩矿物白云石白云石+方解石方解石Ca/Mg1.2‐2.22.2‐10>10相对溶解度0.35‐0.820.8‐0.99≈1岩溶化程度小中大（2）岩石结构对溶蚀率的影响a.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；b.不等粒结构石灰岩比等粒结构石灰岩的相对溶解度要大；c.矿物种类：方解石为主岩溶发育，以白云石为主岩溶不发育；d.化学成分：Ca/Mg比值越大，岩溶作用越强e.孔隙度：孔隙度越高，岩溶作用越强；3.水的溶解性（1）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的；（2）水中CO2的含量受气压与温度的影响;P CO2=0.0003atm时水中的CO2含量及CaCO3溶解度表T（℃）CO2含量（%）CaCO（3溶解度mg/l）01.181100.7070200.5260300.3949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.岩石的透水性透水性强的岩石利于岩溶作用的进行。在这些岩石中的地下水运动速度相对较快，新鲜的地下水不断补充，使它处于不饱和状态，具较大溶蚀能力。a.成分纯、刚性强的岩石透水性好。b.厚层的可溶性岩石较薄层可溶性岩石的透水性好。c.构造发育的地质岩溶作用强，褶皱和断裂作用使岩石的破裂程度加大，从而使透水性大大增强。硫酸盐溶液也有溶蚀性！粗放式稀土开采导致严重生态灾害22015/10/141.隔水层；溶水位；2.6.平水位；上层滞水；3.洪水位；7.水流方向；4.最高岩溶水位；8.悬挂泉5.最低岩Ⅰ.包气带；Ⅱ.季节变动带；Ⅲ.饱水带Ⅳ.深部循环带5.溶蚀基准面a.岩溶作用的下限称溶蚀基准面,大规模溶蚀作用的基准面与当地大型水体面位置相当；b.溶蚀基准面可分为局部性的和终极性。石灰岩与不透水层互层地区，不透水层顶面成为局地溶蚀基准面。4.水的流动性滞流的水，由于不能及时补给CO解力是有限的，很容易被CaCO2，其溶3所饱和。流动的水，由于水温、水量及气压条件的不断改变，可保持水的溶解性能，特别是不同CO浓度地下水混合，会大大提高水的溶解力。2a.垂直循环带又称包气带，位于地表以下，最高岩溶水位之上同，以垂直运动为主；b.季节变化带为最高岩溶水位及最低岩溶水位之间的地带。水流呈垂直运动及水平运动交替出现；c.饱水带在最低岩溶水位以下，受主要排水河道所控制的饱水层。上部为水平流动亚带，下部为虹吸管式流动亚带；d.深部循环带地下水的流动方向不受附近水文网排水作用的直接影响，而是由地质构造决定；第二节岩溶地貌1.地表岩溶地貌（1）石芽与溶沟溶沟：地表水沿可溶蚀岩石的节理裂隙进行溶蚀与侵蚀，形成纵横交错的凹槽；石芽：凹槽之间残存的突起岩石。溶沟和石芽高差一般不超过3m32015/10/14（2）石林与岩溶漏斗石林：密集林立的锥柱体、锥状、塔状岩体组成的地貌景观，相对高度为20m左右；水体沿质纯层厚石灰岩表面及节理裂隙溶蚀产生，由石芽发展而来。（3）峰林与峰丛峰林：成群分布的山体基部分离的石灰岩山峰群；峰丛：一种山峰基部相连的石灰岩山峰群。（4）孤峰与岩溶平原孤峰：兀立在岩溶平原或盆地上的孤立的灰岩山峰。岩溶平原(坡立谷)：比溶蚀洼地更为宽广的地面平坦的岩溶地形。长宽达数公里以上。岩溶漏斗：呈碟状或倒碟状的封闭洼地。峰林or 峰丛溶蚀洼地：是与峰林、峰丛同期形成的一种负地貌类型。平面形态为圆形或椭圆形，溶蚀洼地和溶蚀漏斗常以底部长度100米为两者之间分界线。（5）盲谷、断头河与干谷盲谷：在岩溶区，有的河流突然终止于石灰岩壁，有时又会从岩壁另一侧流出。前方没有出口的河流称为盲谷。断头河：由岩壁下流出或由地下河补给的地表河流。干谷：地表河因水流转入地下，所遗留的高于地下水位的干河道。42015/10/14堵河源河北兴隆陶家台喀斯特干谷源自：中国地质科学研究院岩溶地质研究所（6）落水洞与竖井落水洞：消泄地表水的过于垂直的或倾斜的洞穴。竖井：落水洞进一步发展，崩塌作用加剧，就可形成一种垂向深井。52015/10/14重庆市奉节县小寨天坑源自：中国地质科学研究院岩溶地质研究所溶洞形态类型：(a)管道状(f)地下长廊; (b); (g)阶梯状地下厅; (c); (h)袋状; (d)通天洞多层洞穴; (i)通山洞; (e)水平盲洞; 2. 地下岩溶地貌（1）溶洞：岩溶作用所形成的地下岩洞的通称。地下水沿可溶性岩体的各种构造面（层面、节理面或断裂面）特别是在各种构造面相互交叉的地方，逐渐溶蚀、崩塌和侵蚀而开拓出来的洞穴。湖北省通山县隐水洞62015/10/14（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。伏流：为地表河流经过地下的潜伏段，与地下河主要区别在于伏流有明显的进出口。地下湖：是指天然洞穴中具有开阔自由水面的比较平静的地下水体。第三节岩溶堆积物1. 地表岩溶堆积物赭土（蚀余红土）：地表碳酸岩盐被溶蚀后原岩中残留的粘土杂质。由于含次生氧化铝和氧化铁而成红色，有时含未被溶蚀的灰岩角砾。典型红土：脱硅富铝特征。泉华（石灰华，钙华）：是指地表岩溶水中沉积的大孔隙次生管状、层状碳酸钙物质2. 地下岩溶堆积物（1）洞穴化学沉积物滴石：由洞中滴水形成的方解石及其他矿物沉积，其形态多样。a.石钟乳：地下水沿着细小的孔隙和裂隙从洞顶渗出而进入溶洞空间，随着温度的升高，压力的降低，水中Ca(HCO3)2变得过饱和，CaCO3就围绕着水滴的出口沉淀下来，逐渐形成一种自洞顶向下生长的碳酸钙沉积体。b.石笋：由于水滴从石钟乳到洞底时散溅开来促使水中的CO2进一步扩散，剩余的Ca(HCO3)2再分解，形成由下向上的笋状碳酸钙沉积体。c.石柱石：石钟乳不断地向下长，与之对应的石笋也同时向上生长，两者相连后所形成的柱状体。72015/10/14在唐朝、元朝、明朝晚期对应弱季风时期，降水偏少导致粮食减产，可能是导致社会动荡的诱发因素。Zhang P., H. Cheng, et al. (2008). A Test of Climate, Sun, and Culture Relationships from an 1810-Year Chinese Cave Record. Science322: 940-942.2003年5月，在距离万象洞口1000米处采集的石笋样品。其生长期从公元190至2003年。82015/10/14石笋2.4mHu et al.,2008, Hu et al., EPSL, 2008EPSL（3）洞穴崩塌堆积洞内伴随着岩溶作用过程从洞顶、洞壁、洞口崩塌的岩石、碎石的角砾堆积物的通称。（4）地下河湖堆积主要是具有层理的沙土和砾石，成分比较单纯。（5）动物化石堆积古人类化石及其文化遗存（2）流石：洞内流水所形成的方解石及其他矿物沉积。a.边石：是地下水流过洞底积水塘时，在其边缘形成的碳酸钙沉积。b.石幔：饱含碳酸钙的薄层水，从洞顶或洞壁裂隙流出，沉积的波状或褶状的流石。c.雾水和凝结水沉积：呈丛花状散布在洞壁或其他洞穴堆积物表面的石花状方解石沉积物。d.毛细管水沉积。e.石珊瑚：在石钟乳表面，由于毛细管水渗出而形成的状如珊瑚的碳酸钙沉积物。f.卷曲石：一种螺旋状钟乳石。92015/10/14第四节岩溶旋回岩溶地貌经历从幼年期、壮年期到老年期，完成一个岩溶旋回。1.幼年期岩溶开始发育，地面上以石芽、溶沟和漏斗发育为特征；该时期以垂直岩溶作用为主，地表水系变化不大。（6）岩溶的生物堆积地貌Coombes et al. 20152. 早壮年期垂直岩溶作用进一步增强，水平岩溶作用也迅速发展。漏斗、落水洞、溶蚀洼地、干谷、盲谷广泛发育。地下溶洞廊道贯通，大部分的地下水通过落水洞而吸入地下。102015/10/143.晚壮年期地下岩溶洞穴进一步发展、扩大，洞穴顶板不断崩塌，大量溶蚀洼地和溶蚀谷地出现。许多地下河又转为地上河。第五节岩溶研究的实际意义1.岩溶与水资源开发2.岩溶与工程建设3.岩溶与景观资源开发4.岩溶与全球变化【江夏一工地地下溶洞塌陷2名工人下落不明】2014年5月2日，江夏大桥新区一工地，两名工人正进行地质勘察，不料地面突然下陷，两人顿时被卷入埋住。施工现场位基岩为石灰岩。4.老年期地表水系广泛发育，岩溶平原与孤峰、残丘组成地貌景观。2007事故，瞬时突水水量为年8月5日1时左右，由中铁十六局负责施工的宜万铁路野三关隧道突发透水4万－5万方/小时，持续约30分钟，正在作业的52名施工人员被困。“30吨重的装载机被冲走了80米，50吨重的喷浆台车被冲走了50米。”112015/10/14IGBP (International Geosphere-Biosphere Program)本章参考文献1.Coombes, M. A., et al. (2015). The influence of light attenuation on the biogeomorphologyof a marine karst cave: A case study of Puerto PrincesaUnderground River, Palawan, the Philippines. Geomorphology 229: 125-133.2.袁道先. 1995. 岩溶与全球变化研究，地球科学进展.12