地貌學(xué)課件：喀斯特地貌

喀斯特地貌

一、內(nèi)容提要

可溶性巖石在地球上的分布非常廣泛，約5100萬平方公里，占地球總面積的10%，由此發(fā)育形成的喀斯特地貌從熱帶到寒帶，從濕潤地區(qū)到干旱地區(qū)，從海濱低地到高山都有分布。從形成機理上分析，喀斯特地貌形成是以化學(xué)作用為主的地貌過程，喀斯特作用不僅能在地表形成喀斯特地貌，而且在地下還形成神奇的地下喀斯特洞穴世界，因而喀斯特地貌具有地上和地下雙層結(jié)構(gòu)，這是其他地貌類型不具有的特性?？λ固氐貐^(qū)蘊藏著非常豐富的礦產(chǎn)資源，奇特的地貌景觀又是很好的旅游資源。但喀斯特地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題和水文工程地質(zhì)問題非常嚴重，喀斯特石漠化、缺水少土、植被生長困難、地面塌陷等問題，給生產(chǎn)和生活帶來了許多弊端，甚至是嚴重的災(zāi)害。因此，對喀斯特地貌的研究具有十分重要的意義。本章將剖析喀斯特作用的性質(zhì)和基本條件，介紹地表和地下喀斯特地貌類型、喀斯斯特發(fā)育和分布規(guī)律。二、知識結(jié)構(gòu)第五章喀斯特地貌喀斯特作用喀斯特地貌喀斯特地貌的發(fā)育三、學(xué)習(xí)目標1、理解喀斯特作用的化學(xué)原理和喀斯特作用的基本條件；2、了解地表和地下主要的喀斯特地貌類型；3、掌握喀斯特地貌的發(fā)育階段性和地帶性。四、重點難點1、喀斯特作用的化學(xué)原理和基本條件；2、主要喀斯特地貌的形態(tài)特征和形成過程；3、喀斯特地貌發(fā)育的階段性與地帶性?！敖髑嗔_帶，山如碧玉簪”——桂林山水奇觀“刀叢劍樹”——路南石林人間仙境——黃龍地下藝術(shù)宮殿——溶洞及其沉積物中國最美的溶洞——夢幻織金洞多彩芙蓉洞世界主要喀斯特區(qū)分布圖

世界喀斯特分布面積達5100萬平方公里，占地球總面積的10%。我國是世界上主要的喀斯特分布區(qū)，卡斯特面積超過124萬平方公里，占全國面積的13%，其中西南地區(qū)所占面積最大，共55萬平方公里。

喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境非常惡劣。地表漏水嚴重，即使是在濕潤地區(qū)，地表干旱嚴重；植被稀少，尤其是當植被被破壞后，植被恢復(fù)非常困難；喀斯特地區(qū)成土過程非常緩慢，而水土流失嚴重，使基巖裸露，呈現(xiàn)“石漠化”景觀。嚴酷的自然環(huán)境阻礙了喀斯特地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展和人民群眾生活水平的提高，喀斯特地區(qū)通常都是貧困地區(qū)。治理石漠化，保護自然環(huán)境，發(fā)展喀斯特區(qū)域經(jīng)濟，是我們面臨的重要而嚴峻的任務(wù)。因此，研究喀斯特地貌不僅具有理論意義而且具有現(xiàn)實意義。第一節(jié)喀斯特作用

喀斯特作用（KarstProcess）：凡水對可溶性巖石以化學(xué)過程為主（溶解和沉淀），機械過程（流水侵蝕和沉積，以及重力崩塌和堆積等）為輔的破壞和改造作用，稱為喀斯特作用?？λ固刈饔貌粌H發(fā)生在地表，而且更多的發(fā)生在地下。

喀斯特作用的化學(xué)過程的實質(zhì)是酸性溶液使碳酸鹽類巖石溶解和水溶液中碳酸鈣重新沉積兩個過程。即：

CO2+H2OH2CO3

H2CO3H++HCO3-H++CaCO3HCO3-+Ca2+綜合反應(yīng)式是：CaCO3+CO2+H2O2HCO3-+Ca2+一、喀斯特作用的化學(xué)過程氣相CO2（氣）放氣（沉積）

CO2（液）進氣（溶解）

H2OH2CO3HCO3-HCO3-Ca2+液相H+Ca2+、CO32-固相CaCO3(固）

沉積溶解

巖溶動力系統(tǒng)概念模型二、喀斯特作用的基本條件

喀斯特作用能否進行主要取決于巖石的可溶性和水的溶解力，它們具有質(zhì)的確定性，是巖溶作用的必要條件。但是喀斯特作用的深入程度則受巖石的透水性和水的流動性的影響，具有量的影響，是巖溶作用的充分條件。

巖石水必要條件可溶性溶解力充分條件透水性流動性（一）、巖石的可溶性巖石的可溶性主要取決于巖石的成分和巖石的結(jié)構(gòu)。

1、巖石的成分從成分上看，鹵鹽類的溶解度最大，硫酸鹽類巖石次之，碳酸鹽類巖石最小。但碳酸鹽類對喀斯特地貌發(fā)育意義最大。

碳酸鹽類巖石是碳酸鹽礦物含量大于50%的沉積巖。碳酸鹽類巖石的代表性巖石是石灰?guī)r（CaCO3）和白云巖（CaMg(CO3)2）,但二者之間有許多過渡類型的巖石。

巖類方解石%白云石%巖石名稱石灰?guī)r類100-900-10石灰?guī)r90-7510-25含白云質(zhì)灰?guī)r75-5025-50白云質(zhì)灰?guī)r白云巖類50-2550-75灰質(zhì)白云巖25-1075-90含灰質(zhì)白云巖10-090-100白云巖

碳酸鹽類巖石分類表

四川興文地區(qū)灰?guī)r成分含量表地層巖性礦物成分百分含量（%）方解石白云石酸不溶物棲霞第一段P1q1微晶生物碎屑灰?guī)r38.8-99.51.0-2.80.2-7.8茅口第一段P1m1微晶生物碎屑灰?guī)r78.1-98.00-6.40.7-16.1茅口第二段P1m2微晶生物碎屑灰?guī)r91.5-99.300-2.90.32-3.6

碳酸鹽類巖石主要礦物成分為方解石、白云石等，以及少量的二氧化硅、氧化鐵、粘土、砂等。碳酸鹽類巖石的溶解度差異很大，主要原因與礦物的組成及含量有關(guān)。一般來說，碳酸鹽類巖石中CaO的含量越高，MgO的含量越低，酸不溶物的含量越小，其溶解度越高。

02040600.40.60.81相對溶解度石灰?guī)r過渡巖類白云巖CaO/MgO比值與相對溶解度關(guān)系曲線

相對溶解度是指在相同試驗條件下，試樣的溶解量與標準試樣溶解量之比。碳酸鹽類巖石中白云巖的含量%相對溶解度2、巖石的結(jié)構(gòu)結(jié)晶質(zhì)巖石的晶粒越小，相對溶解度越大；不等粒結(jié)構(gòu)的灰?guī)r比等粒結(jié)構(gòu)的灰?guī)r相對溶解度高。如：微粒白云巖相對溶解度0.82

細粒白云巖相對溶解度0.74

中粒白云巖相對溶解度0.65

（二）、巖石的透水性

巖石的透水性影響著水向地下的滲流，并且關(guān)系到地下喀斯特作用的進行。巖石的透水性取決于巖石的孔隙度和裂隙度。

1、巖石的孔隙度由于灰?guī)r的孔隙度一般僅為2—7%，孔隙度對巖石的透水性影響較小。

2、巖石的裂隙度巖石的裂隙度對巖石的透水性影響最大。它的大小與巖石的構(gòu)造、純度和厚度等有關(guān)。（1）構(gòu)造：構(gòu)造是控制巖石透水性的重要因素，如背斜頂部或向斜的深部，張性裂隙發(fā)育，巖石透水性好，因此在這些構(gòu)造部位喀斯特地貌十分發(fā)育。（2）巖石的純度：質(zhì)純的灰?guī)r剛性強，產(chǎn)生的裂隙深而長，有利于水的下滲。（3）巖層的厚度：厚度大的灰?guī)r裂隙發(fā)育，有利于水下滲并溶蝕灰?guī)r，形成喀斯特地貌。

（三）水的溶蝕力

水的溶蝕力取決于水的化學(xué)成分、溫度、氣壓、水的流動性及流量等方面。

從水的化學(xué)成分分析，水含酸類物質(zhì)是具有溶蝕力的關(guān)鍵，而酸的含量多少則影響碳酸鹽類巖石的溶蝕速度，酸的含量越高，溶蝕力也越強。水中酸類物質(zhì)的主要來源有以下五個方面：溶蝕因素溶蝕強度（%）大氣CO24.47有機CO249.26無機CO24.02有機酸37.11無機酸5.14

各種溶蝕因素導(dǎo)致的溶蝕強度

下面重點分析水中CO2來源，及其影響因素。水中CO2主要來源于三個方面：大氣CO2

、有機CO2

和無機的CO2。這三者提供的溶蝕力占全球溶蝕力強度的58%。

由大氣擴散進入水中的CO２，其含量受溫度大氣壓力的影響。其基本規(guī)律是：水中CO２的含量與溫度成反比，與氣壓成正比。t℃Pco2=0.0003大氣壓mg/kgPco2=1大氣壓mg/kg01.023347100.712319200.521689300.391250

不同溫度壓力下水中CO2的含量１、來源于大氣的CO２（１）溫度

在封閉系統(tǒng)中，當CO2氣壓一定時，水對CO2的吸收系數(shù)隨溫度增高而下降。溫度高，水中CO２的含量就低；溫度低，水中CO２就含量高，如溶于水中CO2的在0℃時比35℃時高3倍。（２）大氣壓力大氣壓力大，水中CO2的含量增加；大氣壓力小，水中CO２的含量減少。

t℃Pco2=0.0003大氣壓/（mg/kg）Pco2=1大氣壓/（mg/kg）01.023347100.712319200.521689300.391250不同溫度和壓力下水中CO2含量CO2分壓（大氣壓）Caco3溶解度（mg/l)10℃25℃方解石在開放系統(tǒng)中的溶解曲線圖

碳酸鹽礦物的溶解度也隨著溫度或壓力的變化而增減。

由此可見，溫度低的水含CO2較多，溶蝕力比溫度高的水為強。但在開放系統(tǒng)中，溫度升高將加快水的電離速度，即水中H+和OH-濃度增加，化學(xué)反應(yīng)速度加快，碳酸鈣的溶解度隨著溫度的升高而增大。因此，溫度高有利于碳酸巖類巖石的溶解，這是高溫地區(qū)的巖溶特別發(fā)育的主要原因之一。2、有機成因的CO2

有機成因的CO2主要來源于土壤中有機物的氧化和分解。土壤空氣中CO2的含量最高可達6%以上，遠大于空氣中CO2的含量（0.03%）。水在向下滲透的過程中，大量溶解土壤空氣的CO2，從而增強地下水的溶蝕力。

土壤空氣中二氧化碳的含量與土壤類型和土壤深度有關(guān)（92頁表5-3）。3、無機成因的CO2

這類二氧化碳主要是巖體內(nèi)的一些礦物氧化水解出無機酸，并與碳酸鹽類巖石反應(yīng)生成二氧化碳，進而發(fā)生巖溶作用。（四）水的流動性及流量經(jīng)常流動的水體，能較大地提高水的溶蝕力，其原因是：第一，流動的水處于開放系統(tǒng)，從降水（補給）—地表水及地下水（流動）—排泄過程中，水經(jīng)常與空氣保持接觸，能不斷地補充因溶蝕巖石所消耗的CO2，使水體不易達到飽和。例如，25℃不含CO2純水的CaCO3溶解度為14.3毫克/升；當溶解前與空氣接觸，溶入CO2，但溶解時與空氣隔絕，即處于“封閉系統(tǒng)”時CaCO3的溶解度則上升至15.3毫克/升；當溶解全過程與空氣接觸，并處于流動狀態(tài)，即處于“開放系統(tǒng)”時，CaCO3的溶解度則劇增至100毫克/升，比封閉系統(tǒng)時還大5.5倍。

由于地球上的熱帶、亞熱帶地區(qū)雨量多，雨期長，水流量大和水的循環(huán)快，加上氣溫高及生物作用強，所以CaCO3溶蝕量比其他降水量少的寒、溫帶與干旱地區(qū)大。以我國為例，南亞熱帶廣西的碳酸鹽類巖石的溶蝕量為0.12--0.3毫米/年（100頁表5－4）；而暖溫帶的河北只有0.02--0.03毫米/年，比前者減少了5--9倍。所以南方的巖溶地貌比北方發(fā)育。

第二，處于流動狀態(tài)的水，有時雖然達到飽和，但當幾種不同濃度的飽和溶液混合后，可變?yōu)椴伙柡投匦芦@得溶蝕能力，這種混合溶液的溶蝕現(xiàn)象有三種：一是溫度相同，但CaCO3含量不同的兩種飽和溶液混合，變成不飽和溶液的溶蝕，稱為“濃度混合溶蝕”；二是CaCO3含量相同，但溫度不同的兩種飽和溶液混合，變成不飽和溶液的溶蝕，稱為“溫度混合溶蝕”；

三是海岸帶的淡水與咸水混合，由于海水滲入，使混合水中的鎂離子大增，當它的含量增加到大于10％時，造成異離子效應(yīng)，從而提高鈣離子的溶解度，使