自然资源部岩岩溶动力学重点实验室

什么是喀斯特地貌?

2009-05-18KDL 3371

喀斯特地形
喀斯特地形的形成是石灰岩地区地下水长期溶蚀的结果。石灰岩的主要成分是碳酸钙(CaCO3),在有水和二氧化碳时发生化学反应生成碳酸氢钙[Ca(HCO3)2],碳酸钙+二氧化碳+水→碳酸氢钙---CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2.后者可溶于水,于是有空洞形成并逐步扩大。这种现象在南欧亚德利亚海岸的喀斯特高原上最为典型,所以常把石灰岩地区的这种地形笼统地称之喀斯特地形。2007年6月27日,正在此间举行的第31届世界遗产大会经过审议,同意将云南石林、贵州荔波和重庆武隆“捆绑”申报的“中国南方喀斯特”列为世界自然遗产。

【形成原理】

促使喀斯特发育的条件是:
1、地表附近有节理发育的致密石灰岩;
2、中等到较大的降雨量;
3、地下水循环通畅。

石灰岩(碳酸钙)在略有酸性的水中容易发生溶解,而这种水在自然界中广泛存在。雨水沿水平的和垂直的裂缝渗透到石灰岩中,将石灰岩溶解并带走。由于地表物质也被流水带走,还没有被溶解的石灰岩就形成了石灰岩喀斯特面。沿节理发育的垂直裂缝逐渐加宽、加深,形成石骨嶙峋的地形。当雨水沿地下裂缝流动时,就不断使裂缝加宽加深,直到终于形成洞穴系统或地下河道。

狭窄的垂直纵向竖井与这些河道联通,使地表水得已顺畅地经地下河流走。世界上的大洞穴,大多数都是喀斯特区。我们在照片中常见到的岩沟、天生桥、石灰岩孤峰、石林等,都是喀斯特区特有的地形。如果洞穴足够大且顶部接近地表面,则洞顶会发生坍塌。这样就会产生名叫落水洞的洼地。落水洞是喀斯特地形的一种最有代表性的特征,常常合并成更大的凹陷,叫做坡立谷(俗称“天坑”),它常常是平底的,并由石灰岩中不溶残余特形成的土壤所覆盖。

有些地区的石灰岩中不溶解物多一些,留下来的物质形成可以耕种的土壤。在一些降雨量很大喀斯特地区,所有降水都完全渗透到地下,甚至使那一地区连生活用水都难以找到。另一些地方,地表则可能会出现大泉,以河流的形式流过地表面,然后再次消失于地底下。

【种类】

▲按其发育演化,喀斯特地形可分出以下6种。

1)地表水沿灰岩内的节理面或裂隙面等发生溶蚀,形成溶沟(或溶槽),原先成层分布的石灰岩被溶沟分开成石柱或石笋。

2)地表水沿灰岩裂缝向下渗流和溶蚀,超过100m深后形成落水洞。

3)从落水洞下落的地下水到含水层后发生横向流动,形成溶洞。

4)随地下洞穴的形成地表发生塌陷,塌陷的深度大面积小,称坍陷漏斗,深度小面积大则称陷塘。

5)地下水的溶蚀与塌陷作用长期相结合地作用,形成坡立谷和天生桥。

6)地面上升,原溶洞和地下河等被抬出地表成干谷和石林,地下水的溶蚀作用在旧日的溶洞和地下河之下继续进行。云南路南的石林是上述第一阶段(溶沟阶段)的产物,这里的自然风光因阿诗玛姑娘的动人传说而变得格外旖旎。桂林的象鼻山,则是原地下河道出露地表形成的。在广西境内,经常可看到这种抬升到地表以上的溶洞,俗称“神女镜”或“仙女镜”。

▲根据不同分类原则,划分为许多不同的类型。

按出露条件分为:裸露型喀斯特、覆盖型喀斯特、埋藏型喀斯特。

按气候带分为:热带喀斯特、亚热带喀斯特、温带喀斯特、寒带喀斯特、干旱区喀斯特。

按海拔高度分为:高山喀斯特、高原喀斯特、海岸喀斯特、海底喀斯特。

按岩性分为:石灰岩喀斯特、白云岩喀斯特、石膏喀斯特、盐喀斯特。

按发育程度分为:全喀斯特、半喀斯特或流水喀斯特。

按水文特征分为:充气带喀斯特、浅饱水带喀斯特、深部喀斯特。

按形成时期分为:化石喀斯特、古喀斯特、现代喀斯特等。还有生物喀斯特等。

喀斯特地貌在碳酸盐岩地层分布区最为发育,该区岩石突露、奇峰林立,常见的地表喀斯特地貌有石芽、石林、峰林、喀斯特丘陵等喀斯特正地形,和溶沟、落水洞、盲谷、干谷、喀斯特洼地(包括漏斗、喀斯特盆地)等喀斯特负地形;
地下喀斯特地貌有溶洞、地下河、地下湖等;
以及与地表和地下密切相关联的喀斯特地貌有竖井、芽洞、天生桥等。喀斯特的研究在科学理论上和生产实践上都有重要的实际意义。

【利弊】

◆喀斯特区有许多不利于生产的因素需要克服和预防。
1.如有些地区因喀斯特发育使地表严重缺水,或在雨季时地表水来不及排泄,使一些喀斯特洼地积水成灾,影响农业生产;

2.喀斯特洞穴导致坝区、库区发生渗漏;

3.采矿或开挖隧道时发生涌水;

4.喀斯特地下水位迅速下降,导致地面的塌陷;

5.路基或铁路建筑物遇地下喀斯特泉水受淹等。

◆但是,喀斯特区也有大量有利于生产的因素。
1.如喀斯特洞穴是地下水运动和贮存的良好场所,可利用洞穴作为地下水库,进行发电和灌溉;

2.喀斯特泉水水量充沛,水质良好,宜于灌溉、饮用,且有承压性,便于开发利用;喀斯特矿泉、温泉富含有益的元素和气体,在医疗上价值很大;

3.喀斯特区的矿产资源较丰富,尤以喀斯特洞穴和古喀斯特面上的各种沉积矿产最为丰富。近年来,随着石油、天然气的勘探和开采,发现古喀斯特潜山是良好的储油气构造;

4.喀斯特区的奇峰异洞、明暗相间的河流、清澈的喀斯特泉等,是很好的旅游资源。

【世界和中国的分布】

喀斯特分布在世界上极为零散的地区,如法国的科斯、中国的广西、美国的肯塔基州等。

中国几乎各省、自治区都有不同面积的石灰岩的分布,出露地表的总面积约有l30万平方公里,约占全国总面积的13.5%。被埋藏于地下的则更为广泛,有的地区累计厚度可达几千米。以至上万米。由此可见,喀斯特地形的研究对我国来说,是具有十分重要的意义。

中国整个西南地区石灰岩连成一片,分布最广,面积共达55万平方公里。其中尤以广西地区出露的面积最大,达12万平方公里,约占广西全区总面积的60%。贵州和云南东南部石灰岩的分布面积也约占该地区总酉积的50%。此外,广东、浙江、江苏以及四川盆地和鄂西山区等地都有大面积的石灰岩分布。

广西地区的喀斯特地貌是别具特色的,这里除了部分的弧形山系以外,其余大部分地区则分布着连绵成片、一眼望不到边的尖锥状、宝剑状、柱状、塔状等形态各异、挺拔峻峭的石灰岩山峰。如果我们站在较高处放眼望去,只见群峰密集,气势雄伟,犹如苍蓝色的石头森林。它们纵横连绵达数百公里,而且各个山峰的高度都十分相近,构成了一个自西北向东南缓缓倾斜的峰顶面,在林立的石峰之间密布着一个个深达200~400米、直径不过100~200米的封闭小洼地。从广西西北部到中部,地形形态呈有规律的变化:峰顶高度依次降低,山峰密度逐渐变稀。同时,山间的封闭洼地高程也渐次下降,洼地规模也明显增大,由数个洼地联接成串珠状洼地。

此外。不规则的长条形谷地则逐步过渡为较开阔的峰林谷地和孤峰平原地形。以山水甲天下著称的桂林—阳朔一带,就是一种喀斯特强烈发育的峰林谷地和孤峰平原。这里是广西东北部峰林地形的主要部分,也是亚热带喀斯特地形的典型代表。

与广西相邻的云贵高原区喀斯特发育的特点与广西喀斯特有显著的差异,其原因是云贵高原的地质条件比广西复杂得多,可溶性的碳酸盐类岩层与非可溶性的砂页岩、火山岩交互成层,再加上褶皱紧密,断裂错综,因而形成许多独立的、大小不同且各具特点的可溶岩体,而不像广西那样是一个连续分布的、褶皱平缓和岩性比较单一的、巨大的可溶性岩体。在黔南、黔西南和滇东某些地段,也有大面积连续分布的碳酸盐类岩层,在几百万年前的第三纪也曾发育有热带、亚热带的峰林和孤峰平原等喀斯特地形,但因其自第三纪以后,云贵高原区地壳大幅度隆起,成为海拔1000~2000米以上的高原,这样就不再具备广西那种湿热的亚热带气候条件,以溶解为主的喀斯特作用也就远不如广西那样能够强烈地进行,故其剥蚀作用相对较为突出,山峰一般具有浑圆、低缓的特点,溶洞分布也远不如广西那样普遍,峰林的陡峻程度也远比广西的峰林逊色。如今黔西安顺的峰林,云南路南的石林均为第三纪时尚未上升为高原前湿热气候条件下的产物,而不是现在凉爽的高原气候条件下所能形成的。

中国现代喀斯特的发育具有明显的气候分带现象,广西、贵州南部、湖南南部。云南东部和纬度比桂林更低的地区称为热带型,峰林地形是这一类型喀斯特地貌的主要标志;川东、鄂西山地和贵州高原大部分地区属温带—亚热带型,洼地、漏斗、竖井等负地形是本区的主要特征,江苏宜兴、浙江金华与杭州等地区的溶洞与石灰岩泉也可以归入这一类型;山西的太行山和部分吕梁山区、北京西山、山东西部丘陵等石灰岩零星出露地区属温带型,这里现代地表喀斯特作用比较微弱,地表水顺裂隙渗入地下,成为地下河及石灰岩泉,如济南、太原等地的石灰岩泉便是典型的例子;在中国西部高山区及内陆干旱区则属于寒带型和干旱型,这里由于昼夜温度变化较大,往往引起石灰岩的崩解,溶蚀作用也就不十分明显了。

对于喀斯特地形的研究,中国早在16世纪(明朝)就已经开始了,这要比外国早200年左右。中国著名的地理学家徐霞客(1586~1641年),在畅游南北名山以后,曾于1637~1639年用两年的时间遨游广西、贵州、云南,对中国西南石灰岩分布地区进行了详细的调查和考察。他探索了100多个地下岩洞,并对石灰岩地区的地貌形态作了详尽细致而又朴实生动的描述,对它们的成困作了正确的科学解释。他写的《徐霞客游记》一书,可说是世界上研究喀斯特地形最早的一本书。