岩溶地貌及岩溶堆积物(讲课)

岩溶地貌及岩溶堆积物,越南下龙湾,概论,岩溶又称喀斯特（Karst）。岩溶地貌又称喀斯特地貌。,“Karst”是源于原南斯拉夫的一个词，是其西北部的Istarska半岛石灰岩高原的地名（现位于Croatia和Slovenia境内），该地区发育着一系列奇特的石灰岩地形。19世纪末，前南斯拉夫学者司威治（J.cvijic）首先对该地区作了研究并首次用喀斯特一词来称呼这个地区的一系列特殊的地貌过程和水文现象。从此便成为世界各国通用的专门名词。,克罗地亚,斯洛文尼亚,概论,我国曾长期使用Karst这个词，但中国喀斯特现象在2400年前就有了文字记载，在400年前，我国的旅行家徐霞客（15861641）就考察了广西、贵州一带的石灰岩地形，探寻了一百多个地下岩洞，详细描述了石灰岩地区的景观。所以出于对科学发展史的尊重，在1966年2月全国第二次喀斯特会议上，决定将Karst改为岩溶。但在1981年的“北方岩溶学术讨论会”上议定“岩溶”与“喀斯特”二者皆可通用。,概论,我国的岩溶分布广泛，在中国西南岩溶地区，岩溶地貌连续分布面积最大和发育类型最为齐全。以贵州高原为中心，包括贵州、广西、云南、湖南、广东、湖北、四川、重庆八个省(区、市)，面积若按可溶岩盐分布区(含埋藏、覆盖型)计算为l14.2万km2，按含可溶岩底层出露面积计算为78.3万km2，其中可溶岩裸露面积为46.9万km2。,（刘宇涛，2010）,中国地质科学院桂林岩溶地质研究所是我国岩溶研究的主要机构。,一、基本概念,一、基本概念,1、岩溶作用凡是以地下水为主、地表水为辅，以化学过程（溶解与沉淀）为主，以物理过程（流水与重力）为辅的对可溶性岩石的破坏和改造作用，叫做岩溶作用，也叫喀斯特作用。2、由岩溶作用形成的地貌，叫做岩溶地貌（喀斯特地貌）。,3、由岩溶作用所产生的特殊地质、地貌和水文特征，统称为岩溶现象。4、古岩溶第三纪以前发育的岩溶的岩溶成为古岩溶。5、发生在碳酸盐岩类岩石以及盐岩、石膏等可溶性岩石中的岩溶称“真岩溶”。,一、基本概念,碎屑岩岩溶胶结物为可溶性物质，在水的作用下，形成类似岩溶的现象。黄土岩溶水溶蚀黄土中的Ca质成分形成类似岩溶的现象。热力岩溶冰冻地带，冰层及冻土层的不均匀融化而形成的类似岩溶的现象。,一、基本概念,张家界石英砂岩峰林,黄土柱,6、在非可溶岩地区发育的类似岩溶的现象叫做“假岩溶”。,二、岩溶作用的基本条件,岩溶作用的实质是水和岩石的相互作用。,岩石,水,可溶性对不溶的岩石便不存在溶蚀作用。透水性岩石不透水则地表水就不可能转化为地下水，就不可能形成作为岩溶标志的溶洞。溶蚀性若水没有溶蚀力，就不存在岩溶作用。流动性不流动的水由于容易饱和而丧失溶蚀力。,二、岩溶作用的基本条件,1、岩石的可溶性,岩石的可溶性主要取决于岩石成分和岩石结构。矿物成分岩石成分化学成分岩石颗粒的大小、形状、排列方式岩石结构胶结物的性质（成份、胶结方式与程度）,二、岩溶作用的基本条件,A、碳酸盐岩类如：石灰岩（CaCO3）、白云岩（MgCa（CO3）2）、硅质灰岩和泥灰岩等B、硫酸盐类如：石膏（CaSO42H2O）芒硝（Na2SO410H2O）C、卤素岩类如：岩盐（NaCl）、钾盐（KCl）三类岩石在纯水中的溶解度：A结晶粒度小者胶结物含量低的胶结物含量高的,岩石的结构是指组成岩石的矿物颗粒（或晶粒）大小，形状和排列以及岩石的胶结性质（胶结物质、胶结方式和胶结程度）。,2、岩石的透水性,二、岩溶作用的基本条件,透水性主要取决于：岩石的孔隙度及裂隙的发育程度。,孔隙度和裂隙哪个对岩溶作用更重要？裂隙对岩溶作用的意义较之孔隙度更为重要。,使水与可溶岩石广泛接触；使岩溶不仅限于岩石表面，还能向深部发展。,二、岩溶作用的基本条件,3、水的溶蚀性,水的溶蚀性主要取决于水溶液的成分。纯水的溶蚀力是很微弱的，但含CO2的水对碳酸盐岩的溶蚀能力比纯水大得多。,水中CO2空气中CO2水中CO2释放到空气中，析出CaCO3，达到平衡。水中CO2与空气中CO2的关系受温度和压力变化的影响。,水中CO2分压越大，水中溶解的就越多，反应向正方向进行，溶蚀力越强。水温越高，CO2逸出越多，化学式向逆方向进行，析出CaCO3，溶蚀力降低，不利于岩溶发育。,4、水的流动性,二、岩溶作用的基本条件,水的流动性一方面取决于岩石的透水性，一方面取决于降水量，而后者与气候有关。除此，岩石的产状也控制了岩溶发育程度和方向。,地下水流的形式,地下水的垂直分带,1、垂直循环带：地表以下，高潜水位以上。降雨或融雪水下渗，水流垂直运动：垂直形态的岩溶发育。2、季节变化带：高、低潜水位之间。旱季为充气带的一部分，雨季为饱和带的一部分水；水流垂直运动与水平运动交替出现:垂直与水平形态的岩溶发育。3、水平流动带：低潜水位以下，受排水河道的控制，水流以水平运动为主：水平溶洞发育。4、深部滞流带：水流不受主排水道的控制，主要受地质构造的控制。具有承压性，流速慢，深度大（几百M)：形成深部溶洞。,三、岩溶地貌,所在位置,正地形负地形石芽溶沟地表岩溶峰丛溶蚀洼地漏斗、竖井峰林溶蚀平原（又称岩溶盆地、坡立谷）孤峰、溶丘岩溶平原岩溶水系干谷、盲谷、落水洞、伏流、地下(暗)河间歇泉、岩溶湖溶蚀（侵蚀）堆积地下岩溶溶洞石钟乳、石笋、石柱、石幕、泉华等,地表正、负地形间及地表与地下喀斯特类型间常有成因联系，构成一定的地貌组合。,（一）地表岩溶地貌,三、岩溶地貌,1、溶沟和石芽；2、溶蚀漏斗、落水洞和竖井；3、溶蚀洼地；4、峰丛、峰林；5、孤峰和岩溶平原；6、干谷、盲谷；,据形态划分,1、溶沟和石芽,（一）地表岩溶地貌,1）定义：石灰岩表面的小型石质凸起就叫石芽，而石芽间的凹槽就是溶沟。2）形成：地表岩溶发育的最初形态。就是出露在地表的可溶性岩石在水流作用下，发生不均衡溶蚀，在层面上形成许多凹槽，其间的突出部分为石芽。规模从数厘米到数米不等，最大可达十余米。,3）石芽分类（按存在形式）石芽分埋藏型、半裸露型和全裸露型三种状态，并顺坡向下连续过渡分布。,斜坡上的石芽（引自北京大学等，地貌学1978）,芽石露裸半,爱尔兰Clare的石芽、溶沟,4）石林特别巨大（不超过100米）的石芽，是在近水平的巨厚层或厚层石灰岩地区，沿两组以上相互交叉的垂直裂隙发育而成。,形成：在断块内部，岩层变形较弱，水流沿着裂隙向下溶蚀，使溶沟不断扩大加深，形成巨大的石芽，称为石林。,云南路南县石林,路南石林发育于下二叠统阳新灰岩中。由密集的石柱组成，其间是窄而深的溶沟，沟壁陡直，一般高约5-25m。,2.1、溶蚀漏斗1）定义：岩溶漏斗是一种岩溶化地面上碗碟状或锥状的洼地。平面轮廓呈圆或椭圆形，直径几米到数百米，深十几至数十米。漏斗下部常有管道通往地下，它起着积水和消水的作用。,2、溶蚀漏斗、落水洞和竖井,（一）地表岩溶地貌,2)形成：地表水沿着裂隙的交叉点逐渐溶蚀或者岩石表面的低洼处蓄水溶蚀而成。,云南罗平,三峡库区奉节县天坑,漏斗是岩溶发育初期阶段的产物，它是岩溶水垂直循环作用的地面标志，因而漏斗多数分布在岩溶化的高原面上。在地面成串分布的溶蚀漏斗，是判别暗河位置和延伸方向的可靠标志。漏斗底部与地下管道相沟通并排泄汇水，若它被堵塞则成为较深的积水潭。,2.2、落水洞,落水洞指岩溶区地表水成股的从谷地边缘流入地下的进口。联接地表水和地下暗河的垂直管道。,贵州落水洞,湖北咸丰落水洞,落水洞沿裂隙发育，受裂隙形态控制，可垂直、倾斜或曲折。宽度比深度小，很少超过十米，深度视暗河深度定，一般深为数米至数十米，最大100m以上。发育初期，溶蚀作用明显，裂隙表现为缝隙状。随着裂隙扩大，机械冲刷和局部崩塌发生，落水洞转变为竖井。,竖井是一种坍塌的（或塌陷的）漏斗。表面轮廓呈方形、长条形或不规则的原型。长条形是按一组解理发育而成的。井壁陡直，往往可从竖井中看到暗河水面。,2.3、竖井,漏斗的形成主要是溶蚀过程。落水洞的形成除溶蚀作用处，还有机械侵蚀作用，特别是地面河流通过落水洞转为地下河的情况下，侵蚀作用非常强烈。竖井的形成主要是坍塌过程。,溶蚀洼地是一种盆状洼地，周围常被低缓的山峰所包围。它的规模较大，是由溶蚀漏斗逐渐溶蚀扩大，或相邻的漏斗合并而成。它在平面呈圆或椭圆形，但规模比漏斗大的多。溶蚀洼地的底较为平坦，直径超过100m，最大可达1-2km。洼地底部呈浅凹形或略有轻微起伏，常有一定厚度的红土覆盖，上有耕地分布。其底部通常有落水洞和漏斗，将地表水排入地下。若底部的漏斗和落水洞被阻塞，则会蓄水形成岩溶湖。,（一）地表岩溶地貌,3、溶蚀洼地,（一）地表岩溶地貌,4、峰丛、峰林,1）峰丛：是一种连座峰林，基部完全相联，顶部分散成一个个山峰。通常，峰丛位于山地中心部位。在峰丛之间可发育溶蚀洼地、漏斗或落水洞。2）峰林：是基部微微相连的成群分布的石灰岩山峰。通常，峰林位于山地边缘。,基座高峰高：峰丛峰高基座高：峰林,山高,峰高,基座高,峰丛,峰林,孤峰,可溶性岩石地貌（峰林、峰丛）,桂林阳朔,5、孤峰与岩溶平原,（一）地表岩溶地貌,1）孤峰：又叫石山。是竖直于平原上的孤立的石灰岩山峰。,它是岩溶平原中常见的地貌形态之一，相对高度100米左右，根据广西的岩溶研究，可将孤峰分为三类：A、产状水平的质纯、层厚石灰岩区，边坡很陡，名“独秀峰”式。,B、在产状水平的不纯灰岩区，基部大，顶部小，呈圆锥状。,广西桂林,越南下龙湾孤峰,C、在倾斜地层中，山坡一侧陡峭，一侧缓倾，呈单斜状，名“老人山”式。,2）岩溶平原：又称岩溶盆地/岩溶谷地/坡立谷,指岩溶区宽广平坦的盆地或谷地。,（一）地表岩溶地貌,南斯拉夫学者J.司威治最先叫这种地形为Polje，原意为可耕种的平地，在我国地学文献中翻译为坡立谷。可由若干个溶蚀洼地彼此相互沟通发展而来，其宽度自数百米至数千米，长数千米至数十千米，底部平坦，并覆盖有溶蚀的残余的黄色、棕色或红色黏土，有的地方还覆盖河流冲击层，常有河流贯穿其面积可达十余至上百km2。,桂林就坐落在坡立谷中，坡立谷中有漓江通过。,形成：在长期地壳稳定阶段，经长期溶蚀作用，地面降低，暗河在谷缘出露，成为地表河流，其谷底平坦，接近附近的排水基面高程，有冲积层覆盖，峰丛消失并演化成孤峰。,湖南西部的岩溶平原/坡立谷,岩溶平原的形成与构造有关，长轴多与构造线方向一致。沿断层，较大的构造裂隙，岩层间接触面，向斜及其它构造洼地，都能生成坡立谷。,6、干谷、盲谷,（一）地表岩溶地貌,1）干谷：是一种干涸的河谷。它原是岩溶区昔日的河谷，因谷底岩溶作用活跃，当地壳上升或岩溶基准面下降时，河水沿谷底落水洞或溶蚀漏斗转入地下成为伏流，使原来的河谷变为干涸的“悬谷”，或者雨季时有部分水流通过的“半干谷”。,2）盲谷指向前没有通路的河谷，也称为死胡同式的河谷。河谷前缘被石灰岩陡崖或山体所阻挡，河水从陡崖底部或山脚的落水洞潜入地下而从地表消失，变为地下河，其地表的谷地就成为盲谷。,（二）地下岩溶地貌,三、岩溶地貌,地下岩溶地貌,溶洞,地下河,1、溶洞,（二）地下岩溶地貌,1）定义：地下水沿着可溶性岩体的各种构造面（层面、节理面、断层面等），进行溶蚀侵蚀，并伴机械崩塌作用而开拓出来的地下空洞。,2）形成：空洞或孔道还较小的时候，水的运动缓慢，以溶蚀作用为主。随着空洞和孔道的不断扩大，地下水的运动加快，除溶蚀作用外，还产生机械侵蚀作用，溶洞因此而迅速扩大。,3）形态：溶洞大小是各不相同的，形态多种多样，按其形态分别被称为管状的、袋状的、地下长廊，地下大厅、穹状、锥状等等。,广西中部来宾、迁江、上林、武鸣一代的溶洞形态（数字：高程）,1、溶洞,（二）地下岩溶地貌,4）成层性：溶洞常分布于不同高度，并显示有成层性，这种现象的产生是岩溶水的水平流动带生产的，因此，每层水平溶洞的高度通常可以代表当时地下水位的位置。由于地下水的周期变化，溶洞可在不同度显示出来。它的高度一般与周围临近地区同时期形成河流阶地的高度相近。因此，可以划分出岩溶发育的不同阶段。,1、溶洞,（二）地下岩溶地貌,阶地型多层溶洞（广西都安）,注意：溶洞与阶地对比时，应充分考虑当时暗河与河床水面间的原始水位差，以及由于新构造运动强烈上升，河床迅速下切，溶洞溶蚀作用落后于河床下切作用，一般同期的溶洞应比阶地为高，故不能单纯用高程作硬性对比。,2、地下河,（二）地下岩溶地貌,1）地下河：又称暗河或阴河，是具有河流主要特性的位于岩溶区地下的有水通道。实质是：地下溶洞相连被流水占据而成。地下河的水源主要来自地表水通过落水洞、岩溶漏斗、竖井等补给。,2）伏流伏流是具有明显进口和出口的地下河流，或说是地表河流在地下的潜伏段。其通道一般是溶洞。3）暗湖暗湖是天然溶洞中具有开阔自由水面的比较平静的地下水体。它既可以由暗河扩大形成，也可由单独封闭的溶洞积水而成。,四、岩溶堆积物,四、岩溶堆积物,定义：岩溶堆积物是指与岩溶作用有关的各种堆积物的总称。,岩溶堆积物,（一）地表岩溶堆积物,（二）地下岩溶堆积物,（一）地表岩溶堆积物,四、岩溶堆积物,1、赭土（蚀余红土）1）空间分布：岩溶区的平缓地带和溶洞底部，也有的充填于裂隙的隧道之中。2）岩性：红色黏土为主，粘性大并夹杂岩石碎块，呈碱性反应，富含Fe2O3、Al2O3，铁的氧化物使黏土呈红色，被称为“赭（zhe）土”或“红色石灰土”。赭土有隔水作用。,与典型红土的区别：成因不同，产状不同。,2、泉华（石灰华）定义：泉华是指岩溶泉出露的地方，形成的碳酸钙沉积。,黄龙寺钙华,分类：钙华、硅华,（一）地表岩溶堆积物,四、岩溶堆积物,云南中甸白水台（钙华池）,（二）地下岩溶堆积物,四、岩溶堆积物,1、洞穴化学沉积物1)、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、石钟乳特点：中空，横切面有同心圆结构。形成：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、石笋形成：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。特点：中实，横切面有同心圆结构。C、石柱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。,九江狮子洞石钟乳、石柱,美国马默斯溶洞,石钟乳（1）、石笋（2）和石柱（3）的形成过程(舒良树等，2010，普通地质学),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、石幔为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。,A、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。B、毛细管水沉积a、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。b、卷曲石一种螺旋状钟乳石。,3）、其他形态,2、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。常和洞底的石灰华、黏土等混杂在一起，形成一种坚硬的角砾岩。3、地下河湖堆积主要是具有层理的沙土和砾石