岩溶及其发育条件
2020-01-15 · 技术研发知识服务融合发展。
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（一）岩溶的概念
岩溶（国际上称喀斯特）是地表水和地下水对可溶性岩石所进行的一种以化学溶蚀为主、机械剥蚀为辅的地质作用及其所产生的各种现象的总称。由于地下水可以广泛渗流入可溶性岩体的内部，在形成岩溶的过程中所起的作用，较之地表水更为重要。
某些具有一定溶解度的岩石或松散沉积也能形成类似岩溶的现象，统称为类岩溶，或假喀斯特。例如：水对大量含有可溶性胶结物的碎屑岩或松散沉积进行溶蚀作用，可以产生类似于可溶性岩石中的岩溶现象，称为碎屑岩类岩溶，或碎屑岩喀斯特；水对富含碳酸钙的黄土进行溶蚀或潜蚀作用所生成的类似岩溶现象，称为黄土类岩溶，或黄土喀斯特；在冻土和冰川的表层，由于不均匀融解所产生的类似岩溶的现象，称为热力类岩溶，或热力喀斯特。
岩溶不仅发生于现代，也发生于过去的地质历史时期，只要可溶性岩石被抬升至陆地环境内，经过较长时期的溶蚀发展，都能形成岩溶。我国主要的岩溶化时期有震旦纪末、寒武纪—中奥陶世、奥陶纪末、晚泥盆世、中石炭世、晚二叠世、中晚三叠世、白垩纪至老第三纪初、新第三纪末至第四纪初、第四纪以来。其中，第三纪以前发育的岩溶称为古岩溶。古岩溶形态多已被剥蚀破坏或为后期沉积覆盖与充填。如华北太行山地区中奥陶统顶面的古溶蚀洼地和溶洞中，常有铝土矿和山西式铁矿充填；滇东上二叠统玄武岩充填于下二叠统阳新灰岩古溶洞中；鄂西等地于白垩纪至第三纪初发育的岩溶现象有的已为第三系红层所充填。有的古岩溶尚能透水，并是地下深处有岩溶分布的原因之一。
我国的岩溶分布广泛，尤以广西、贵州和云南最广泛。我国西南部的岩溶地区共达5500000km2。由此可见，岩溶的研究在我国具有十分重要的意义。
在岩溶地区，可溶性岩体内往往隐藏着许多溶蚀空洞与孔隙，并可有暗河分布。当修建水库，开凿隧道，采掘矿床或兴筑其他工程时，如遇溶洞可能发生渗漏、塌陷和涌水等现象，可给工程造成危害。所以，必须在施工前进行勘查，避开岩溶化严重，可能造成危害的不利地段，并注意竣工后的影响。
岩溶地区的地表水系一般都不发育，非常缺水，而在地下却往往蕴藏有丰富的水源。因此必须通过研究岩溶地貌，以掌握岩溶水的分布规律，开采工农业和民用饮水所需的水源。这对促进农业生产而言，具有重要的意义。
岩溶作用还和一些矿床的生成有着密切的关系。例如，溶蚀的残余物质可以富集成铝土矿；溶洞内可以生成各种砂矿及磷矿、芒硝矿等；有些地下深处的古岩溶洞穴，如厚层松散沉积掩埋的古潜山，还能成为富集石油和天然气的良好地点。此外，还可以使用岩溶地下水发电，利用溶洞内气温较低的特点作为天然冷藏仓库等。洞穴内常有古人类和哺乳动物化石保存，是研究人类进化、哺乳动物演变和古气候发展史的重要资料。
（二）岩溶发育条件
1.岩溶发育的基本条件
（1）岩石的可溶性 岩石的可溶性主要取决于其成分和结构。
① 岩石的成分 根据岩石的组成成分，可以将可溶性岩石分为碳酸盐类岩石（包括石灰岩、白云岩、泥灰岩和硅质灰岩）、硫酸盐类岩石（包括石膏、硬石膏和芒硝）和卤素盐类岩石（包括岩盐和钾盐）。其溶解度以卤素盐类最高，碳酸盐类最低。但是在自然界中，卤素盐类和硫酸盐类岩石不常见，远不如碳酸盐类岩石分布普遍。对岩溶现象来讲，碳酸盐类岩石的实际意义最大。
分布最广的石灰岩在含CO的水溶液中，将发生以下的溶蚀作用，生成碳酸。
CO+HO→HCO
这种碳酸才会对石灰岩发生作用，产生易溶的重碳酸钙。重碳酸钙常呈Ca++和
第四纪地质学及地貌学
在这一反应式中，正反应的速度取决于CO的浓度，逆反应的速度取决于Ca++的浓度。即水中CO的含量越高，水的溶蚀力就越大；水中Ca++的含量越高，水的溶蚀力越微弱。CO2来自于大气和土壤的表层，可以不断得到补充。所以在整个过程中，溶解流失的CaCO经常多于重新沉淀的CaCO。这一过程的结果是在石灰岩中形成了许多空洞。空洞一旦形成，又促进了水流的冲刷和洞壁的崩塌作用，使其不断扩大，更加促进了岩溶的发展。
在含CO的水溶液中，方解石的溶解度比白云石高。随着它们的含量比值不同，溶解度也不同。一般说来，石灰岩比白云岩容易溶蚀。如对四川东部下三叠统嘉陵江组石灰岩的实验结果，纯质白云岩的溶解速度仅为纯质石灰岩的1/2—1/3。
在白云质石灰岩和石灰质白云岩内，由于方解石和白云石的溶解度有显著的差别，首先被溶解的是方解石，使白云石残留下来，成为所谓的白云岩粉，阻塞洞隙，使岩溶作用不易顺利进行。
硅质灰岩常含有燧石结核或条带。如果所含的硅质成分是较大的晶体，不能阻止水对方解石的溶蚀则有利于岩溶的进行。如果SiO呈微粒分散状态或为胶结物时，便能阻碍岩溶作用。
泥灰岩含有许多粘土物质，经过溶蚀作用以后，其表面残余的粘土颗粒也能填塞洞隙，妨碍水流运动，影响岩溶作用的继续进行。
此外，含有其他杂质也能影响岩溶作用的强度。如石灰岩中含有石膏或黄铁矿时，都能促进岩溶。
② 岩石的结构 一般说来，晶粒愈小，相对溶解度就愈大，隐晶质和细晶质的溶解度常较粗晶质为高。不等粒结构比等粒结构的相对溶解度更大。但是，粗粒结构易于水流的渗透，又可以在一定的程度上促进溶解作用。所以岩石结构对岩石可溶性的影响是比较复杂的，必须从多方面加以考虑。
（2）岩石的透水性 岩石的透水性创造了水和可溶性岩石广泛接触的可能性，使溶蚀作用不限于岩石的表面，还能向深部发展。
岩石的透水性取决于裂隙和孔隙度。其中，裂隙比孔隙更为重要。在各种裂隙中，层间裂隙和其他构造裂隙对岩溶的发育最密切，是水流渗入可溶性岩体内部的最主要的通道。较厚而坚硬的岩石中，构造裂隙虽然稀疏，但是比较开阔，透水性强，能生成较大的溶蚀孔洞。较软弱的岩石，如泥灰岩，裂隙虽然较密，但是多呈封闭状态，透水性弱，所以岩溶不发育。石膏与岩盐具可塑性，节理细微，透水性更差，虽然溶解度较高，也不能形成较大的孔洞。风化裂隙破坏着可溶性岩石的表面，可以直接促进地表岩溶的发育。河岸剪切裂隙和其他局部因素产生的裂隙也可以在一定的条件下促进岩溶的发育。
可溶性岩石的孔隙度一般很小，但是在贝壳灰岩、珊瑚礁灰岩、其他有机碎屑岩和含有可溶性胶结物的碎屑岩中，孔隙大而多，对岩溶发育却具有十分重要的意义。
（3）水的溶蚀能力 水中的游离性CO2，一部分组成碳酸，在与CaCO3相互作用形成Ca（HCO3）2的过程中，又重新分解为CO2，实际上仅起着平衡的作用；另一部分则可以溶蚀CaCO3，在碳酸盐类岩石中形成空洞的，称为侵蚀性CO2。水的溶蚀能力主要取决于侵蚀性CO2的含量。其含量愈高，碳酸盐类岩石的溶解度也愈益增高。
CO2含于空气之中，在土壤上层中由生物地球化学作用生成。一般随着深度的增加，形成CO2的生物地球化学作用逐渐消失，在与可溶性岩石相互作用的过程中，具有侵蚀性的CO2逐渐减少，矿化程度逐渐增加，地下水的溶蚀能力也逐渐下降。
但是在深循环带内有时也存在着产生CO2的复杂的地球化学作用。如在高温的条件下，SiO2与碳酸钙相作用，也能释放出一部分CO2。
CaCO3+SiO2→CO2+CaSiO3
当水中含有
水温也可以影响溶蚀能力。水温越高，溶蚀能力越强。水温越低，溶蚀能力越弱。
对石膏和硬石膏而言，含有岩盐的地下水可以增加其溶解度。
（4）水的流动性
① 影响地下水流动的因素 如果水在静止状态下，随着侵蚀性CO2的不断消耗，便不能对可溶性岩石充分溶蚀，必须不断循环流通，补充新鲜的侵蚀性CO2，才能不断地进行溶蚀作用。
地下水的流动性取决于降水量、水位差和透水条件。降水量和地下水循环系统的水位差越大，水的流动越快。所以在多雨的湿润地区和新构造运动上升强烈的地区，溶蚀作用都比较强烈。相反，在干旱地区，降水很少，溶蚀作用很微弱。新构造运动相对稳定的准平原区，地下水循环系统的水位差不大，溶蚀作用也不如山区强烈。
地下水的透水条件，又与可溶性岩体内的岩溶发育程度有关，岩溶孔洞越多，地下水的流通条件就越好，结果又促使岩溶作用更强烈地进行。
② 地下水的流动形式
a.隙流 隙流是渗流于可溶性岩石的孔隙和小裂隙内的地下水。其特点是水流细小，不集中，流动较缓慢。
b.管流 管流是汇集在岩溶孔洞和较大裂隙内的地下水。其水流大而集中，流动较迅速，并可有局部承压现象。
c.脉流 管道水流如果进一步发展，主要的管道与一些较小的管道相通，互相保持水力联系，便形成了树枝状的地下水流，称为脉流。
d.网流 脉状水流进一步发展，并互相连接，扩大了地下流域，增加了可溶性岩体内的管道密度，在较大范围内具有统一的地下水面，称为网流。
隙流主要发生在岩溶发育的初期和可溶性岩体的管道之间的部分。管流常与地下暗河有关，集中向附近的河流排泄。在一般情况下，管流与周围的隙流仍有水力联系，但是连通情况较差，所以在可溶性岩体的内部，岩溶发育很不均衡。只有当管道系统充分发展，互相连接成为网流，可溶性岩体内部的岩溶发育程度才比较均匀。
在山区，往往由于地壳上升或地质构造比较复杂，两个管道系统之间互不相通，因而形成孤立或半孤立的水流。如重庆附近的观音峡背斜，发育在下三叠统嘉陵江石灰岩中的溶蚀槽谷，由于各层的岩性不同，往往平行发展2—3条暗河，其间缺乏明显的水力联系（图5-1）。此外，由于隔水层的作用，或管道被崩坍物质和暗河沉积物所堵塞等，也能造成暂时孤立的水流。
在平原地区，由于地壳相对长期稳定或下降，可以使可溶性岩体内的溶蚀作用，得到较均匀的发展，形成明显的地下流域，具有统一的地下水面。
③地下水垂直分带 在可溶性岩体的内部，岩溶发育不仅具有管道和周围岩体之间的不均衡性，还有从地表向地下深部的垂直发育的不均衡性，表现为岩溶孔洞的发育程度、延伸方向和形态等，都有显著的不同。
在厚层、较均一的可溶性岩体内，存在着下述的地下水垂直分带的现象（图5-2）。
图5-1 重庆观音峡背斜青林庵-龙车寺平行暗河（据成都地质学院水文一队）
1—落水洞；2—上升泉；3—下降泉；4—暗河；5—暗河出口；6—地质界线；7—背斜轴线
图5-2 岩溶水的垂直分带
1—垂直循环带；2—季节变化带；3—水平循环带；4—虹吸管式循环带；5—深部循环带
a.垂直循环带 该带位于潜水面之上，平时一般无水或不为水所饱和，故又称充气带；在降雨或溶雪时，水从地表沿垂直裂隙和管道向下渗流。水流在向下运动的过程中，如果遇到局部的隔水层或水平通道，也能作水平运动，形成局部的上层滞水，有时可在谷坡上以悬挂泉的方式流出（图5-3）。本带的厚度取决于潜水面的位置。潜水面决定于当地的排水基面，即主要河流水面的位置。地壳上升越强烈，河谷下切越深，垂直循环带的厚度一般越大；地壳相对长期稳定，河谷下切较浅，垂直循环带的厚度则较小。如广西山区的垂直循环带的厚度可达100m以上，而在平原地区一般在10m以下。本带的厚度还随季节而变化，在雨季或溶雪季节，潜水面升高，垂直循环带的厚度便相应减薄；反之，在干旱季节的厚度则较大。因此，在垂直循环带和水平循环带之间，实际上还存在一个季节变化带。
b.水平循环带 该带为水体所饱和，故又称饱水带。其上限是潜水面，其下部没有明显的界面，与下一带逐渐过渡。在岩溶管道中常表现为规模不等的暗河，是岩溶地区最普遍、也最有实用价值的地下水。该带水流主要沿水平方向运动，从补给区流向排泄区。愈接近排水基面，这种水平运动愈明显。
本带的地下水有时经过化学和机械充填，部分地段也可以转化为承压水。其渗流系数常大于5m/d，表现为紊流运动。仅在少数情况下，渗流系数较小，是层流运动。
随着潜水面在不同季节内的升降，水平循环带的厚度也发生变化。其厚度还有从补给区向排泄区逐渐加大的现象。如贵州猫跳河的两侧，接近补给区的地段，水平循环带仅厚约5—10m，而在到达猫跳河谷坡附近的地段，则厚达20—30m以上。
c.虹吸管式循环带 本带与水平循环带逐渐过渡，没有明显的界面，但是地下水的运动方式有显著不同。本带地下水具有承压性质，主要以虹吸管式沿着溶蚀裂隙缓慢流动，在谷底减压区涌出，造成河谷底部的岩溶化。
本带的水交替运动缓慢，流量也较小，通常作层流运动；但在当谷坡地形较陡，潜水面的倾斜度较大，或谷底减压区埋藏较浅时，流速也较快。
本带的分布深度取决于河谷两侧的暗河水面比降。水面比降愈大，谷底减压区就分布愈深，厚度愈大；反之，谷底减压区的厚度也相应减小。
d.深部循环带 地下水在水文网的直接影响范围以外运动，其流向常由地质构造所决定，沿着地下深处的细小溶隙和溶孔，十分缓慢地流向排泄区。埋藏越深，流速越小，甚至近于停滞。有时，地下深处有较大的构造裂隙，古岩溶孔洞，或硫化矿床的氧化带等，深层地下水也可以在这些局部地段有较大的流速，形成深部岩溶。我国南方常在地下深处，甚至海平面以下数十至上千米的部位，有深部岩溶发育。
在上述各带中，地下水的运动方式和强度不同，决定了岩溶地貌的形态、位置、延伸方向和规模大小也不同。其中，地下水的水平循环在岩溶发育过程中起着最主要的作用，最多而最巨大的溶洞总是生成在该带之中。随着地壳的升降暗河为了适应当地的排水基面的新位置而发生变化，垂直循环带和虹吸管式循环带的位置也会作相应的变化；但深部循环带的位置和动态比较稳定。
图5-3 上层滞水与悬挂泉（据北京大学）
上述垂直分带现象仅在可溶性岩层的厚度较大并较均一，隔水层埋藏较深的情况下，才能得到充分表现。在这些地区，岩溶发育的深度主要取决于排水基面的位置。如果可溶性岩层较薄，隔水层埋藏较浅，岩溶的发育深度受到限制。因受隔水层的阻碍，可形成悬挂于当地排水基面以上的岩溶带，在可溶性岩石与隔水层接触的界面上发育水平溶洞，虹吸管式和深部循环带都不复存在。
2.影响岩溶发育的因素 除上述基本条件外，气候、地质构造、新构造运动、植被、地形等因素对岩溶发育也有不同的影响。其中，以气候和地质构造的影响最明显。
（1）气候因素 气候对岩溶发育的影响，主要表现在降水量和气温的变化上。降水量和气温越高，越有利于溶蚀作用，岩溶也愈发育。在温湿气候区，植被茂盛，生成大量有机酸，也能增加水的溶蚀能力，从而加强岩溶的发育。如在位于亚热带南部的广西，由于高温多雨、植被覆盖度较大，大大促进溶蚀作用，因而普遍生成以大型的溶蚀洼地、坡立谷、孤峰、峰林和洞穴系统为特点的岩溶地貌类型；在内陆和高山、高纬度地区，由于气候干燥或寒冷，则不利于岩溶发育。
（2）地质构造因素 地质构造对岩溶发育的影响，主要是裂隙发育程度、延伸方向、组合形式，以及地层构成情况和产状等起作用。一般说来，裂隙制约了岩溶发育的方向、构式和程度。在裂隙发育的岩体内，岩溶也愈发育。可溶性岩层的厚度及非可溶性夹层，制约了岩溶发展的深度。不同的地质构造类型地区的岩溶发育特征也不一样。
水平与缓倾斜构造区，同一可溶性岩层在地表大面积分布，促使岩溶均匀发育，形成单一的地貌景观。各种地表岩溶形态常沿构造裂隙发育，地下岩溶发育情况多由层面裂隙所控制。在水平或缓倾斜可溶性岩层地区，地下水的垂直分带规律表现最明显，所以岩溶地貌的垂直分带也最清晰。
在单斜构造区，岩层倾角增大，倾向对地下水流动和岩溶发育的控制作用表现得更明显。岩层的倾角不同，地下水循环和岩溶地貌的特点也不同。一般说来，倾角愈大，地下水循环越强烈，可溶性岩体的岩溶化程度也愈高。尤以临近排泄基面附近的倾斜岩层的下端为更甚。
当有非溶性夹层时，单斜构造区常形成多条互相平行而不相通，或通过横向裂隙而略有联系的地下暗河。
在紧密褶皱的背斜轴部，张裂隙特别发育，有利于地下水向下渗透，岩溶发育程度常较其他部位更高，形成一系列沿轴向分布的岩溶地貌形态。在箱状背斜的轴部，岩层平缓完整，岩溶化不如其两侧的转折端。如广西西部的三合-贡川箱状背斜地区，宽阔的轴部岩溶作用微弱，以峰林和溶蚀洼地等地表岩溶形态为主。而在两侧岩层急剧转折的地段，岩溶作用较深入，形成狭长的坡立谷和开阔的溶蚀洼地，并有许多溶洞分布。
穹窿构造核部岩层宽展平缓，常具放射状和环状两组裂隙为特征，岩溶发育受岩层倾向和裂隙走向所控制。如贵州乌江下游的穹窿构造区，许多溶洞即沿层面裂隙发育，一些地表岩溶形态则沿放射状和环状裂隙分布。
在向斜构造区，地下水富集于轴部，沿轴向排水，可形成暗河，因而岩溶化强烈，逐渐向两翼减弱。如在贵州六枝地区，向斜轴部形成较大的坡立谷，向两翼渐过渡为峰林和峰丛山地（图5-4）。如果向斜轴部有非溶性盖层，则地下水具承压性质，向地表河流的谷底汇聚，缺少垂直循环带及相应的各种垂直岩溶地貌，往往以岩体孔穴化为其特征。
如果地层走向与河流垂直或斜交时，河谷两侧的广阔地带，直迄分水岭都容易与作为当地排泄基面的河流相通，岩溶化强烈；如果地层走向与河流平行，由于受隔水层的阻碍，仅限于河谷两侧的狭窄地带有较强的岩溶发育，广大分水岭地区的岩溶化微弱。
断层是地下水的良好通道，所以沿断裂带的岩溶特别发育，常是控制岩溶形成和格局的主要因素。断层的规模、性质、走向，断裂带的破碎及填实状态，都和岩溶发育密切相关。一般说来，区域性的大断裂带，宽度和深度都大，延伸很远，特别有利于岩溶的发育。在中、小型的断层构造中，正断层属于张性断层，岩体较破碎，断层裂隙较宽大，破碎带内多断层角砾岩，没有或很少糜棱岩，透水性较强，有利于岩溶发育。其上盘的岩溶发育程度常较下盘为高。逆断层属压性断层。在强烈的挤压过程中，破碎带内生成大量碎裂岩和糜棱岩，胶结好，孔隙率低，常呈致密状态，较不利于岩溶发育。如在大巴山东段某地区，由一系列的逆断层组成叠瓦式断裂带。尽管断层十分密集，其破碎带的宽度达1.16km，但是除在地表有一些溶沟和小型溶蚀漏斗分布外，断层带内几乎没有什么岩溶现象。通过隧道施工查明，仅有少量岩溶裂隙水点滴下流，有的地段甚至较干燥，并无岩溶强烈发育的现象。但是，在压性断层的两端和平面、剖面呈舒缓波状的部位，也可能局部富水而促进岩溶的发育。平移断层带既有岩石的糜棱化，也存在次一级的构造裂隙，对岩溶发育的影响，介于二者之间。
脆性的可溶性岩石，如厚层纯石灰岩，经过断裂作用，易于破碎，有利于岩溶的发展；泥灰岩等较软弱的岩石，易于受挤压而产生糜棱化，不利于岩溶发育。时代较新的断层，其破碎带内没有或很少有胶结作用，有利于岩溶发展；较老的断层的破碎带，往往局部和全部被次生胶结，不利岩溶发展。其中，硅质胶结比钙质、铁质或泥质胶结的密实程度更高，不利于岩溶作用的进行。如果经过断层作用，上、下盘的隔水层被错开，有利于岩溶作用；反之，也可以阻碍岩溶的进行。除断层破碎带是岩溶发育的主要部位外，其两侧上、下盘内的张裂隙也常是岩溶发育的地带。
图5-4 贵州六枝—向斜构造的岩溶分布（据成都地质学院水文系）
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当我们漫步于喀斯特地貌中，石灰岩的千姿百态令人目不暇接：溶洞、石柱、钟乳石，无不诉说着水与石头的奇遇。岩溶，正是由于水的作用，使可溶性岩石发生溶解和侵蚀，从而塑造出这些令人叹为观止的景观。
岩溶的发育需要一定的条件，这些条件相互作用，共同成就了岩溶的壮美。
可溶性岩石
必须要有可溶性岩石的存在，包括石灰岩、白云岩和石膏岩等。这些岩石的主要成分是碳酸钙或硫酸钙，易被水溶解。
水分
水是岩溶形成的源泉。地下水或地表水不断与可溶性岩石接触，不断溶解岩石中的物质，逐渐形成溶洞、地下河流等地貌。
酸性环境
水中的二氧化碳会与水反应，生成弱酸性的碳酸，进一步增强水的溶解能力。因此，酸性环境有利于岩溶的发育。
构造运动
构造运动会抬升地质层，将可溶性岩石暴露在地表或接近地表，为岩溶的发育创造机会。
时间
岩溶的发育是一个漫长的过程，需要持续不断的溶解作用。时间越长，岩溶发育得越充分，形成的地貌也越壮观。
除了这些基本条件外，岩溶的发育还受到其他因素的影响，如温度、压力、植被覆盖等。
岩溶的形成不仅展现了大自然的神奇力量，更对人类的生活产生了深远影响。
水资源
溶洞和地下河流是重要的地下水储层，为人类提供丰富的饮用水源。
矿产资源
岩溶地区往往富集着石膏、铝土矿等矿产资源，具有重要的经济价值。
旅游资源
岩溶地貌奇特壮美，吸引了无数游客前来观光，成为重要的旅游资源。
生态价值
岩溶区植被繁茂，生物多样性丰富，是重要的生态系统。
了解岩溶的发育条件，有助于我们更好地欣赏岩溶景观，理解大自然的奥秘，并合理开发利用岩溶资源，实现人与自然的和谐共存。
