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喀斯特地貌喀斯特地貌 第一节 喀斯特作用 喀斯特作用（Karst Process）：凡水对可溶性岩石以化学过程为主（溶解和沉淀），机械过程（流水侵蚀和沉积，以及重力倒塌和积累等）为辅的破坏和改造作用，称为喀斯特作用。由喀斯特作用形成的地貌称为喀斯特地貌。喀斯特作用不仅发生在地表，而且更多的发生在地下。喀斯特作用的化学过程的实质是酸性溶喀斯特作用的化学过程的实质是酸性溶液使碳酸盐类岩石溶解和水溶液中碳酸钙重液使碳酸盐类岩石溶解和水溶液中碳酸钙重新沉积两个过程。即：新沉积两个过程。即：CO2+H2OH2CO3 H2CO3H+HCO3-H+CaCO 3HCO3-+Ca+综合反应式是：综合反应式是：CaCO3+CO2+H2O2HCO3-+Ca+一、喀斯特作用的化学过程一、喀斯特作用的化学过程气相气相 CO2(汽）汽）放气（沉积）放气（沉积）CO2（液）（液）进气（溶解）进气（溶解）H2O H2CO3 HCO3-HCO3-Ca2-液液相相 H+Ca2+、CO32-固相固相 CaCO3(固）固）沉积沉积溶解溶解 岩溶动力系统概念模型岩溶动力系统概念模型二、喀斯特作用的基本条件二、喀斯特作用的基本条件 喀斯特作用能否进行主要取决于岩石的可溶性和水的溶解力，它们具有质的确定性，是岩溶作用的必要条件。但是喀斯特作用的深化程度则受岩石的透水性和水的流淌性的影响，具有量的影响，是岩溶作用的充分条件。岩石岩石水水必要条件必要条件可溶性可溶性溶解力溶解力充分条件充分条件透水性透水性流动性流动性（一）、岩石的可溶性（一）、岩石的可溶性 岩石的可溶性主要取决于岩石的成分和岩岩石的可溶性主要取决于岩石的成分和岩石的结构。石的结构。1 1、岩石的成分、岩石的成分 从成分上看，卤盐类的溶解度最大，硫酸从成分上看，卤盐类的溶解度最大，硫酸盐类岩石次之，碳酸盐类最小。但碳酸盐类对盐类岩石次之，碳酸盐类最小。但碳酸盐类对喀斯特地貌发育意义最大。喀斯特地貌发育意义最大。碳酸盐类岩石是碳酸盐矿物含量大于碳酸盐类岩石是碳酸盐矿物含量大于50%50%的沉积岩，主要矿物成分为方解石、白云石等，的沉积岩，主要矿物成分为方解石、白云石等，以及少量的二氧化硅、氧化铁、粘土、砂等。以及少量的二氧化硅、氧化铁、粘土、砂等。四川兴文地区灰岩成分含量表四川兴文地区灰岩成分含量表地层地层岩性岩性矿物成分百分含量（矿物成分百分含量（%）方解石方解石白云石白云石酸不溶物酸不溶物栖霞第一段栖霞第一段P P1 1q q1 1微晶生物碎微晶生物碎屑灰岩屑灰岩38.8-38.8-99.599.51.0-2.81.0-2.80.2-7.80.2-7.8茅口第一段茅口第一段P P1 1m m1 1微晶生物碎微晶生物碎屑灰岩屑灰岩78.1-78.1-98.098.00-6.40-6.407-16.107-16.1茅口第二段茅口第二段P P1 1m m2 2微晶生物碎微晶生物碎屑灰岩屑灰岩91.5-91.5-993099300-2.90-2.90.32-3.60.32-3.6 碳酸盐类岩石的代表是石灰岩（CaCO3）和白云岩（CaMg(CO3)2）,但二者之间有很多过渡类型的岩石。岩类岩类方解石方解石%白云石白云石%岩石名称岩石名称石灰岩类石灰岩类100-90100-900-100-10石灰岩石灰岩90-7590-7510-2510-25含白云质灰岩含白云质灰岩75-5075-5025-5025-50白云质灰岩白云质灰岩白云岩类白云岩类50-2550-2550-7550-75灰质白云岩灰质白云岩25-1025-1075-9075-90含灰质白云岩含灰质白云岩10-010-090-10090-100白云岩白云岩 碳酸盐类岩石分类表碳酸盐类岩石分类表02040600.40.60.81相对溶解度石灰岩石灰岩过渡岩类过渡岩类白云岩白云岩CaO/MgOCaO/MgO比值与相对溶解度关系曲线比值与相对溶解度关系曲线 碳酸盐类岩石的溶解度差异很大，主要缘由与矿物的组成有关。一般碳酸盐类岩石的溶解度差异很大，主要缘由与矿物的组成有关。一般来说，岩石中来说，岩石中CaO的含量越高，其溶解度越高。的含量越高，其溶解度越高。碳酸盐类岩石中酸不溶物的含量越小，岩石的溶解度越高。碳酸盐类岩石中酸不溶物的含量越小，岩石的溶解度越高。碳碳酸酸盐盐类类岩岩石石中中白白云云岩岩的的含含量量%相对溶解度相对溶解度2 2、岩石的结构、岩石的结构 结晶质岩石的晶粒越小，相对溶解度越大；不等结晶质岩石的晶粒越小，相对溶解度越大；不等粒结构的灰岩比等粒结构的灰岩相对溶解度高。粒结构的灰岩比等粒结构的灰岩相对溶解度高。如：微粒白云岩相对溶解度如：微粒白云岩相对溶解度0.820.82 细粒白云岩相对溶解度细粒白云岩相对溶解度0.740.74 中粒白云岩相对溶解度中粒白云岩相对溶解度0.650.65（二）、岩石的透水性（二）、岩石的透水性 岩石的透水性影响着水向地下的渗流，并岩石的透水性影响着水向地下的渗流，并且关系到地下喀斯特作用的进行。岩石的透且关系到地下喀斯特作用的进行。岩石的透水性取决于岩石的孔隙度和裂隙度。水性取决于岩石的孔隙度和裂隙度。1 1、岩石的孔隙度、岩石的孔隙度 由于灰岩的孔隙度一般仅为由于灰岩的孔隙度一般仅为2 27%7%，孔隙，孔隙度对岩石的透水性影响较小。度对岩石的透水性影响较小。2 2、岩石的裂隙度、岩石的裂隙度 岩石的裂隙度对岩石的透水性影响最大。它的岩石的裂隙度对岩石的透水性影响最大。它的大小与岩石的构造、纯度和厚度等有关。大小与岩石的构造、纯度和厚度等有关。（1 1）构造：构造是限制岩石透水性的重要因素，）构造：构造是限制岩石透水性的重要因素，如背斜顶部或向斜的深部，张性裂隙发育，岩石透如背斜顶部或向斜的深部，张性裂隙发育，岩石透水性好，因此在这些构造部位喀斯特地貌特别发育。水性好，因此在这些构造部位喀斯特地貌特别发育。（2 2）岩石的纯度：质纯的灰岩刚性强，产生的裂）岩石的纯度：质纯的灰岩刚性强，产生的裂隙深而长，有利于水的下渗。隙深而长，有利于水的下渗。（3 3）岩层的厚度：厚度大的灰岩裂隙发育，有利）岩层的厚度：厚度大的灰岩裂隙发育，有利于水下渗并溶蚀灰岩，形成喀斯特地貌。于水下渗并溶蚀灰岩，形成喀斯特地貌。（三）、水的溶蚀力（三）、水的溶蚀力 水的溶蚀力取决于水的化学成分、温度、气压、水的流淌性及流量等方面。水中CO2主要来源于三个方面：大气、有机和无机的CO2。各种溶蚀因素导致的溶蚀强度各种溶蚀因素导致的溶蚀强度溶蚀因素溶蚀因素溶蚀强度（溶蚀强度（%）大气大气 COCO2 2 4.47 4.47有机有机COCO2 249.2649.26无机无机COCO2 2 4.02 4.02有机酸有机酸37.1137.11无机酸无机酸 5.14 5.14由大气扩散进入水中的由大气扩散进入水中的CO，其含量受温度大气，其含量受温度大气压力的影响。其基本规律是：压力的影响。其基本规律是：水中水中CO的含量与温的含量与温度成反比，与气压成正比。度成反比，与气压成正比。tPco2=0.0003大气压大气压mg/kgPco2=1大气压大气压mg/kg01.023347100.712319200.521689300.391250 不同温度压力下水中不同温度压力下水中CO2的含量的含量、来源于大气的、来源于大气的CO（）温度（）温度 在封闭系统中，当在封闭系统中，当CO2气压确定时，水对气压确定时，水对CO2的的吸取系数随温度增高而下降。温度高，水中吸取系数随温度增高而下降。温度高，水中CO的的含量就低；温度低，水中含量就低；温度低，水中CO就含量高，如溶于水就含量高，如溶于水中中CO2的在的在0时比时比35 时高时高3倍。倍。（）大气压力（）大气压力 大气压力大，水中大气压力大，水中CO2的含量增加；大气压力小，水中的含量增加；大气压力小，水中CO的含量削减。的含量削减。tPco2=0.0003大气压（mg/kg）Pco2=1大气压（mg/kg）01.023347100.712319200.521689300.391250不同温度和压力下水中不同温度和压力下水中COCO2 2含量含量COCO2 2分压（大气压）分压（大气压）CacoCaco3 3溶解度（溶解度（mg/l)mg/l)1025方解石在开放系统中的溶解曲线图方解石在开放系统中的溶解曲线图 碳酸盐矿物的溶解度也随着温度或压力的变更而增减。由此可见，温度低的水含由此可见，温度低的水含CO2较多，溶蚀较多，溶蚀力比温度高的水为强。但在开放系统中，温度力比温度高的水为强。但在开放系统中，温度上升将加快水的电离速度，即水中上升将加快水的电离速度，即水中H+和和OH-浓浓度增加，化学反应速度加快，碳酸钙的溶解度度增加，化学反应速度加快，碳酸钙的溶解度随着温度的上升而增大。因此，温度高有利于随着温度的上升而增大。因此，温度高有利于碳酸岩类岩石的溶解，这是高温地区的岩溶特碳酸岩类岩石的溶解，这是高温地区的岩溶特殊发育的主要缘由之一。殊发育的主要缘由之一。2、有机成因的、有机成因的CO2 有机成因的有机成因的CO2主要来源于土壤中有机物的氧主要来源于土壤中有机物的氧化和分解。土壤空气中化和分解。土壤空气中CO2的含量可达的含量可达6%以上，远以上，远大于空气中大于空气中 CO2的含量（的含量（0.03%）。水在向下渗透）。水在向下渗透的过程中，大量溶解土壤空气的的过程中，大量溶解土壤空气的CO2，从而增加地，从而增加地下水的溶蚀力。下水的溶蚀力。土壤空气中二氧化碳的含量与土壤类型和土壤土壤空气中二氧化碳的含量与土壤类型和土壤深度有关（深度有关（9292页表页表5-35-3）。）。3 3、无机成因的、无机成因的COCO2 2 这类二氧化碳主要是岩体内的一些矿这类二氧化碳主要是岩体内的一些矿物氧化水解出无机酸，并与碳酸盐类岩石物氧化水解出无机酸，并与碳酸盐类岩石反应生成二氧化碳，进而发生岩溶作用。反应生成二氧化碳，进而发生岩溶作用。（四）水的流淌性及流量（四）水的流淌性及流量 常常流淌的水体，能较大地提高水的溶蚀力，其常常流淌的水体，能较大地提高水的溶蚀力，其缘由是：缘由是：第一，流淌的水处于开放系统，从降水（补给）第一，流淌的水处于开放系统，从降水（补给）地表水及地下水（流淌）地表水及地下水（流淌）排泄过程中，水常常与排泄过程中，水常常与空气保持接触，能不断地补充因溶蚀岩石所消耗的空气保持接触，能不断地补充因溶蚀岩石所消耗的CO2CO2，使水体不易达到饱和。，使水体不易达到饱和。例如，例如，2525不含不含CO2CO2纯水的纯水的CaCO3CaCO3溶解度为溶解度为14.314.3毫毫克克/升；升；当溶解前与空气接触，溶入当溶解前与空气接触，溶入CO2CO2，但溶解时与空，但溶解时与空气隔绝，即处于气隔绝，即处于“封闭系统封闭系统”时时CaCO3CaCO3的溶解度则上的溶解度则上升至升至15.315.3毫克毫克/升；升；当溶解全过程与空气接触，即处于当溶解全过程与空气接触，即处于“开放系统开放系统”时，时，CaCO3CaCO3的溶解度则剧增至的溶解度则剧增至100100毫克毫克/升，比封闭系升，比封闭系统时还大统时还大5.55.5倍。倍。由于地球上的热带、亚热带地区雨量多，雨期长，水由于地球上的热带、亚热带地区雨量多，雨期长，水流量大和水的循环快，加上气温高及生物作用强，所以流量大和水的循环快，加上气温高及生物作用强，所以CaCO3溶蚀量比其他降水量少的寒、温带与干旱地区大。溶蚀量比其他降水量少的寒、温带与干旱地区大。以我国为例，南亚热带广西的碳酸盐类岩石的溶蚀量为以我国为例，南亚热带广西的碳酸盐类岩石的溶蚀量为0.12-0.3毫米毫米/年（年（100页表页表54）；而暖温带的河北只有）；而暖温带的河北只有0.02-0.03毫米毫米/年，比前者削减了年，比前者削减了5-9倍。所以南方的岩溶地貌比倍。所以南方的岩溶地貌比北方发育。北方发育。其次，处于流淌状态的水，有时虽然达到饱和，但当几种不同浓度的饱和溶液混合后，可变为不饱和而重新获得溶蚀实力，这种混合溶液的溶蚀现象有三种：一是温度相同，但CaCO3含量不同的两种饱和溶液混合，变成不饱和溶液的溶蚀，称为“浓度混合溶蚀”；二是CaCO3含量相同，但温度不同的两种饱和溶液混合，变成不饱和溶液的溶蚀，称为“温度混合溶蚀”；三是海岸带的淡水与咸水混合，由于海水渗入，使混合水中的镁离子大增，当它的含量增加到大于10时，造成异离子效应，从而提高钙离子的溶解度，使混合水溶蚀石灰岩。如墨西哥的尤卡坦，测得混合水对石灰岩的溶蚀力为120毫克/升，我国海南岛岸礁及南海珊瑚礁岛上的“礁塘”地貌，其生成亦与此有关。此外，有些CaCO3饱和溶液，因温度降低，使CO2含量增加而变为不饱和溶液的溶蚀，称为“冷却溶蚀”。三、喀斯特水的动态三、喀斯特水的动态 喀斯特水的运动形式多种多样，它们之间是喀斯特水的运动形式多种多样，它们之间是相互联系的而且具有垂直分带的特点。相互联系的而且具有垂直分带的特点。喀斯特水的垂直分带喀斯特水的垂直分带1、垂直渗透带、垂直渗透带 2、季节变动带、季节变动带3、水平流动带、水平流动带 4、深部滞留带、深部滞留带地面地面丰水期潜水面丰水期潜水面丰水期潜水面丰水期潜水面