Question

岩溶作用的影响因素

Answer 1

影响岩溶作用的因素主要有岩性、地下水性质、构造、气候和岩溶基准面几个方面。

1. 岩性

(1)岩石的可溶性

岩石的可溶性是岩溶地貌发育的一个必要条件。在自然界，可溶性岩石有三大类: 碳酸盐类岩石(灰岩、白云质灰岩、白云岩等)、硫酸盐类岩石(石膏、芒硝等)及卤盐类岩石(石岩、钾盐)。由于硫酸盐类岩石和卤盐类岩石的溶解度比较大，以及分布也局限，由这类岩石构成的地貌很少见，而碳酸盐类岩石的溶解度适中，分布又非常广，由它形成的岩溶地貌最常见。

研究表明，碳酸盐类岩石的物质成分不同，其溶解度也不一样(表 5-2)。由方解石构成的灰岩其溶解度高，岩溶地貌发育，规模大，而主要由白云石组成的白云岩其溶解度较小，岩溶地貌发育较差。岩石中的硅质和泥质含量的高低也影响岩溶地貌的发育，这两者的含量越高，岩溶地貌越不发育，规模越小。所以从岩石的可溶性来看，岩溶地貌的发育程度是灰岩 ＞白云质灰岩 ＞ 灰质白云岩 ＞ 白云岩。

表 5-2 不同类型岩石与岩溶发育

碳酸盐类岩石的相对溶解度与岩石的 n(Ca)/n(Mg)比值关系密切(表 5-2)。n(Ca)/n(Mg)比值越大，岩石的相对溶解度也越大，其岩溶作用越显著，当 n(Ca)/ n(Mg)比值大于10 时，相对溶解度接近 1，岩溶发育。其实 n(Ca)/ n(Mg)比值与岩石的矿物组成相关，该比值越大，方解石含量越高，而白云石含量越低，因此岩溶越发育。

如果岩石不是纯的碳酸盐岩，含有泥质、硅质，如泥质灰岩、硅质灰岩，这也影响岩溶的发育。硅质灰岩坚硬，相对溶解度低，不利于岩溶的发育; 泥质灰岩的相对溶解度也低于灰岩、白云岩，甚至低于硅质灰岩，因此泥灰岩也不利于岩溶的发育。

(2)岩石的结构和构造

岩石的结构影响其孔隙度以及矿物颗粒与水的接触表面积。研究表明，碳酸盐岩矿物颗粒越小，其与碳酸水流接触面积越大，岩石的相对溶解速度就越快，有利于岩溶作用的进行。因此，泥晶结构的碳酸盐岩比亮晶结构的碳酸盐岩比溶蚀度大，成岩交代或重结晶的亮晶碳酸盐岩石比溶蚀度普遍较低(表 5-3)。另外，变质的碳酸盐岩的比溶蚀度低，因此这类岩石的岩溶地貌不发育，如大理岩岩溶地貌不及灰岩发育。对广西的碳酸盐岩研究表明，鲕状结构与隐晶-细晶结构的灰岩溶解速度较大; 不等粒结构灰岩比等粒结构灰岩的相对溶解度大。

表 5-3 不同结构、成因的碳酸盐岩比溶蚀度平均值

灰岩的孔隙度对岩溶也有影响，一般是孔隙度越大，越有利于岩溶的发育。原生的碳酸盐岩的孔隙度比变质的碳酸盐岩高; 细粒结构的碳酸盐岩的孔隙度比粗粒结构的碳酸盐岩大; 盆地或大陆架深水区沉积生成的碳酸盐岩的孔隙度比过渡性沉积区生成的碳酸盐岩高。

厚层的灰岩较薄层的灰岩透水性好，这是因为前者的隔水层较少，岩性均一，易形成深而宽的裂隙，能促进岩溶地貌的发育。

(3)岩石的透水性

岩石的透水性强弱影响到含 CO₂的地下水在岩石中的含水性及流动情况。岩石具有良好的透水性，不仅使岩石含地下水丰富，而且地下水也易于流动和交换，使其与岩石发生充分的化学作用，不断地溶蚀岩石，从而促进岩溶作用的进行。

影响岩石透水性的主要有岩石的结构、构造以及裂隙发育程度等。尤其是岩石的裂隙(如节理、断层)发育程度，对其透水性的影响最大。节理、断层、褶皱发育的岩石其透水性好，因此它们能控制溶洞、落水洞发育的方向。

纯而厚的碳酸盐岩透水性好。纯的灰岩刚性强而脆，受构造应力作用易形成节理、断层，增强透水性; 不纯的灰岩，如泥质灰岩，刚性弱，韧性相对增强，这不利于节理、断层的形成，尤其是张性的节理和断层，泥质灰岩溶蚀形成的粘土也易堵塞裂隙，降低岩石的透水性。

2. 地下水性质

(1)水的溶蚀性

水的溶蚀性主要取决于地下水的温度和 CO₂的含量。地下水中 CO₂含量越高，就能产生更多的 HCO^－₃，它与岩石中的 Ca^{2 +}结合成溶解度较大的 Ca(HCO₃)₂，水的溶蚀性越高(表 5-4)，越能促进岩溶的发育。

表 5-4 正常大气压 CO₂分压范围内各种温度下 CaCO₃的溶度

水中 CO₂的含量与大气的 CO₂分压、水温以及地表的植被发育情况有关。显然，大气的CO₂分压越高，水中溶解的 CO₂就越多，当然溶蚀能力就越强(表 5-4)。而水温起的作用却是相反的，在大气 CO₂分压不变的情况下，地表水温越高，CO₂逸出越多，水中 CO₂含量就越低(表 5-4)，使其溶解力降低，不利于岩溶的发育。但如果在地下比较封闭的状态下，随着水温的升高，其溶解力是增加的。

在地表的环境下，水中的 CO₂含量还受当地植被发育情况的影响。如果气候温暖湿润，植被茂盛，使土壤中的有机质增加，它的氧化与分解可产生更多 CO₂，从而增加水体中 CO₂的含量。另外，植被发育还会产生一些有机酸，它们对碳酸盐岩具有溶蚀作用。因此，热带和亚热带的岩溶作用较寒冷或干旱气候区发育。

(2)水的流动性

水的流动性影响地下水的更新过程和水中溶解 CaCO₃的饱和度，从而影响到地下水的溶蚀能力。滞流的地下水，不能及时补充富含 CO₂的水，那么它很容易被溶解的 CaCO₃所饱和，降低或丧失了其溶解能力。而流动的地下水，不断得到地表水(非饱和的水)的补给，可增加地下水的溶蚀能力。因此，地下水流动性越好，地下水更新就越快，使其始终能保持较强的溶蚀能力。

影响地下水流动性的主要有岩石的透水性能、大气降水量以及与地表水的补给关系。岩石的裂隙发育有利于地下水的流动，在背斜的轴部、断裂带地下水的流动性好。丰富的大气降水不仅向地下不断补给非饱和的地下水，而且把饱和的地下水置换出来，使地下水保持较强的溶蚀能力。这些都使地下水的溶蚀能力增强，促使岩溶的发育。

3. 构造

岩溶作用与地质构造关系密切，很多典型的岩溶区均受构造的控制，这是因为构造的发育不仅使岩石破碎，增加了岩石与地下水接触的表面积，而且构造带常是地下水良好的渗透带，因此沿构造带岩溶常比较发育。影响岩溶发育的构造因素有断裂(断层和节理)和褶皱。

断裂构造对岩溶发育的影响尤为明显，如一些大型的溶洞、暗河常受断裂构造的控制。断裂的规模、性质、走向、倾向，断裂带的破碎及填实情况，都影响到岩溶的发育。

张性断裂带岩石较破碎，断裂带宽，多为断层角砾岩，其孔隙大，而且连通性好，透水性强，非常有利于岩溶发育。张性断裂上盘的岩溶较下盘发育，这是由于上盘在相对向下运动过程中产生了较多的张性节理所致。在灰岩地区，沿着一些张性的大型断裂带常发育大型的溶洞、暗河、伏流等岩溶地貌。

压性断裂带虽然岩石也破碎，但常形成糜棱岩、断层泥、碎裂岩，其胶结好，呈致密状，孔隙度低，孔隙连通性差，其构造面常起到隔水的作用，对岩溶的发育是不利的。但在压性断裂两端受力性质发生改变时，会出现较多的破裂构造，形成富水部位，有利于岩溶的发育。位于压性断裂下盘的岩石破碎程度较高，岩溶较发育。

走滑断裂有张性走滑断裂和压性走滑断裂，两者对岩溶发育的影响不同。张性走滑断裂带岩石较破碎疏松，多为角砾岩，孔隙率高，富水性强，有利于岩溶的发育。压性走滑断裂以压性为主，断裂面裂开程度小，岩石的破碎程度低，构造岩主要是糜棱岩，其透水性弱，因而富水性差。

一个地区的断裂常有多个方向，在两条或多条断裂交叉的部位岩石破碎最强烈，其透水性能高，溶蚀速度快，岩溶发育。一些灰岩地区的溶洞在平面上呈现厅-廊交替的形态(串珠状)，在厅的部位常是断裂交叉或断裂与节理交叉的位置，而廊则沿着断裂发育。

褶皱构造对岩溶发育的影响主要表现在控制水流循环和裂隙的发育。背斜和向斜对岩溶发育的影响不同。

在背斜形成过程中，背斜的转折端处在拉张的状态，形成一系列的平行褶皱轴的张性断裂，在两翼受剪切作用力的影响，张性断裂减少。因此背斜的轴部是良好的富水区，岩溶发育，尤其在背斜的倾伏端，向两翼岩溶发育逐渐减弱(图 5-8)。穹窿构造的核部岩溶更为发育，这是由于在穹窿构造核部发育放射状和环状断裂或节理，它们相互交叉，大大加强了透水性。

向斜构造由于裂隙发育、地下水汇聚形成特定的水循环交替条件，在其轴部和仰起端岩溶比较发育，向两翼逐渐减弱。在向斜的中和面之上，岩石受挤压力的作用，形成的断裂以压性为主，对岩溶发育不利，而在中和面以下，岩石受拉张力的作用，形成张性断裂或节理，有利于岩溶的发育，因此在向斜的浅部(中和面之上)不及深部(中和面以下)的岩溶发育，如在贵州、湘西一带的向斜构造区，地下 100m 深处岩溶远比表层强烈。

另外，不同形式的褶皱对岩溶发育的影响也不一样。线状褶皱控制含水层呈带状分布，致使岩溶地貌也成带状发育。穹窿背斜导致岩溶地貌在平面上呈椭圆形分布。箱状向斜核部成汇水区，岩溶较两侧转折部位发育; 而箱状背斜，轴部岩层平缓，岩溶化不如两侧的转折端。

4. 气候

气候对岩溶作用的影响是显而易见的，如我国的岩溶地貌南方比北方发育，东部比西部发育。影响岩溶发育的气候因素主要包括降水量和气温。据对不同气候区可溶性岩石溶蚀量的观测和计算(表 5-5)，气候越是温暖湿润，溶蚀量就越高。

图 5-8 广西西部岩溶发育与构造形态的关系(据杜恒俭等，1981)

表 5-5 我国一些地区可溶性岩石溶蚀量计算表

在气候温暖和降雨量大的地区，不仅地表水丰富，地下水获得丰富的补给，增强了地表水与地下水的交换和循环，使地下水保持较高的溶蚀能力，而且植被茂盛，植被生长过程在土壤中产生的 CO2和有机酸进一步增强了地表水和地下水的溶蚀能力，因此有利于岩溶发育。

在不同的气候区，岩溶作用特点不同，形成的岩溶地貌有很大的差异(表 5-6)。

表 5-6 不同气候带的岩溶发育特征