地貌學主講教師:

葉許春地理科學學院2015年11月

第五章

喀斯特地貌第一節喀斯特作用第二節喀斯特地貌第三節喀斯特地貌的發育喀斯特(karst)原是南斯拉夫西北部伊斯特里亞半島石灰巖高原的地名。當地稱kars，意大利語為carso，德語稱karst。它來自印歐語“kar”，即巖石裸露的地方。19世紀中葉，一些德國和奧地利學者研究歐洲中部和東南部的石灰巖地貌，均采用karst一詞。特別是南斯拉夫學者J.Cvijic在研究喀斯特高原上奇特地貌后寫的專著，就采用喀斯特這個地名來稱呼碳酸鹽巖地區的一系列特殊地貌過程和水文現象。這樣，一百多年來喀斯特逐漸成為世界地學界通用的術語。碳酸鹽類巖約占全球沉積巖的15％，面積4100萬km2，硫酸鹽巖面積為1100萬km2，合計5200萬km2，占全球面積的10.2％；喀斯特地貌是一種很好的旅游資源；喀斯特地區地表水缺乏，地下水豐富；喀斯特地區面臨眾多的工程建設問題，如水庫的漏水問題，開鑿隧道和采掘礦床的排水問題，修建鐵路和橋梁時的地基塌陷問題；喀斯特作用與礦藏生成。如溶蝕的殘余物質可以富集成鋁土礦，古潛山油田；喀斯特與古氣候變化研究。喀斯特在我國分布非常廣泛，我國碳酸鹽類巖石出露面積約125萬平方公里，西南幾省石灰巖連成一片，分布面積達55萬平方公里。第一節喀斯特作用一、喀斯特作用的化學過程二、喀斯特作用的基本條件三、喀斯特水的動態

喀斯特作用（KarstProcess）：凡水對可溶性巖石以化學過程為主（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。由喀斯特作用形成的地貌稱為喀斯特地貌。喀斯特作用不僅發生在地表，更多的發生在地下。喀斯特作用的化學過程的實質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-+Ca++綜合反應式是：CaCO3+CO2+H2O2HCO3-+Ca++一、喀斯特作用的化學過程

巖溶動力系統概念模型氣相CO2(汽）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

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二、喀斯特作用的基本條件（一）、巖石的可溶性巖石的可溶性主要取決于巖石的成分和結構。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，碳酸鹽類最小。但碳酸鹽類對喀斯特地貌發育意義最大。碳酸鹽類巖石是碳酸鹽礦物含量大于50%的沉積巖，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。

四川興文地區灰巖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微晶生物碎屑灰巖38.8-99.51.0-2.80.2-7.8茅口第一段P1m1微晶生物碎屑灰巖78.1-98.00-6.407-16.1茅口第二段P1m2微晶生物碎屑灰巖91.5-99300-2.90.32-3.6碳酸鹽類巖石的代表是石灰巖（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%巖石名稱石灰巖類100-900-10石灰巖90-7510-25含白云質灰巖75-5025-50白云質灰巖白云巖類50-2550-75灰質白云巖25-1075-90含灰質白云巖10-090-100白云巖

碳酸鹽類巖石分類表02040600.40.60.81相對溶解度石灰巖過渡巖類白云巖CaO/MgO比值與相對溶解度關系曲線碳酸鹽類巖石的溶解度差異很大，主要原因與礦物的組成有關。一般來說，巖石中CaO的含量越高，其溶解度越高。巖石中酸不溶物的含量越小，巖石的溶解度越高。2、巖石的結構

結晶質巖石的晶粒越小，相對溶解度越大；不等粒結構的灰巖比等粒結構的灰巖相對溶解度高。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中國廣西的不同結構碳酸鹽類巖石的相對溶解度（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、巖石的孔隙度灰巖的孔隙度一般僅為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。（1）構造：如背斜頂部或向斜的深部，張性裂隙發育，巖石透水性好，因此在這些構造部位喀斯特地貌十分發育。（2）巖石的純度：質純的灰巖剛性強，產生的裂隙深而長，有利于水的下滲。（3）巖層的厚度：厚度大的灰巖裂隙發育，有利于水下滲并溶蝕灰巖，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成分、溫度、氣壓、水的流動性及流量等方面。水中CO2主要來源于三個方面：大氣、有機和無機的CO2。

各種溶蝕因素導致的溶蝕強度溶蝕因素溶蝕強度（%）大氣CO24.47有機CO249.26無機CO24.02有機酸37.11無機酸5.14

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）溫度在封閉系統中，當CO2氣壓一定時，水對CO2的吸收系數隨溫度增高而下降。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，化學反應速度加快，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，這是高溫地區的巖溶特別發育的主要原因之一。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。3、無機成因的CO2這類二氧化碳主要是巖體內的一些礦物氧化水解出無機酸，并與碳酸鹽類巖石反應生成二氧化碳，進而發生巖溶作用。（四）水的流動性及流量

經常流動的水體，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，從降水（補給）—地表水及地下水（流動）—排泄過程中，水經常與空氣保持接觸，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。第二，處于流動狀態的水，有時雖然達到飽和，但當幾種不同濃度的飽和溶液混合后，可變為不飽和而重新獲得溶蝕能力

三、喀斯特水的動態喀斯特水的垂直分帶1、垂直滲透帶2、季節變動帶3、水平流動帶4、深部滯留帶地面豐水期潛水面豐水期潛水面喀斯特水的運動形式多種多樣，它們之間是相互聯系的而且具有垂直分帶的特點。第二節喀斯特地貌一、地表喀斯特地貌（一）石芽(stoneteeth)與溶溝(lapie)

溶溝是指地表水沿可溶巖表面進行溶蝕形成的溶蝕溝道。突出于溶溝之間的石脊稱為石芽。1、山脊式石芽2、石林式石芽

熱帶高大的石芽——石林(stoneforest)（二）溶斗和落水洞1、溶斗（漏斗）(doline)

（1）溶斗的定義：可溶巖地區由溶蝕作用形成的漏斗形或碟形的封閉洼地稱為漏斗。（2）漏斗形態：碟形，漏斗形，圓筒形（3）溶斗的種類

A：溶蝕溶斗

B：塌陷溶斗溶蝕漏斗塌陷漏斗奉節小寨天坑（體積1.19億m3世界第一）如果地面上有成連續分布的成串漏斗，這往往是地下暗河存在的標志。漏斗是喀斯特發育初期階段的產物，它是喀斯特水垂直循環作用的地面標志，因而漏斗多分布在巖溶化的高原面上。2、落水洞落水洞是開口于地表而通往地下深處的裂隙、地下河或溶洞的豎向洞穴。落水洞的特點：深度遠大于寬度，垂直或斜向向下延伸。落水洞的形態：裂隙狀落水洞和井狀落水洞。（三）溶蝕洼地與溶蝕谷地1、溶蝕洼地(karstdepression)一種面積較大的圓形或橢圓形的封閉洼地。形狀和溶蝕漏斗相似，但：(1)規模比溶蝕漏斗大得多,直徑超過100m；(2)溶蝕洼地底部較平坦；(3)其邊坡形態在坡度上通常與鄰近山地直接連接，沒有明確邊界。溶蝕洼地一般認為是由多個漏斗進一步溶蝕擴大、合并而形成，故它的形態、排列方式與漏斗均有關。其底部常發育落水洞和漏斗，還有一些小溪。從洼地四壁流出的泉水，經小溪最后流進落水洞中。2、溶蝕谷地(karstvalley)巖溶地區寬闊而平坦的谷地稱為溶蝕谷地。南斯拉夫學者J.司威杰最先叫這種地形為Polje，原意為可耕種的平地，泛指田野，在我國地學文獻中稱為“坡立谷”。主要特征：(1)寬度自數百米至數公里，長度可達幾十公里；(2)盆地四周多由峰林石山圍繞，邊坡陡峭；(3)底部平坦，常覆蓋著溶蝕殘留的黃棕色粘土或紅色粘土，有些地方還有河流沖積物；(4)有溶巖水系，水源充足。故多為巖溶地區重要的農業地帶。這種大型盆地在我國云貴高原及廣西等地十分發達。青木關巖溶槽谷壩子（四）干谷、盲谷和地下河1、干谷(dryvalley)巖溶地區干枯的或間歇性有水的河谷。過去它是地表河，因氣候變干或地殼上升、侵蝕基準面下降，使地表河干涸而轉入地下。2、盲谷(blindvalley)巖溶地區沒有出口的地表河谷。通常水流消失在河谷末端陡壁下的落水洞中而轉為地下河，它多見于封閉洼地或坡立谷中。3、地下河(undergroundriver)具有河流主要特征的巖溶地下河流。利川騰龍洞附近干谷和溶洞婺源靈巖洞附近的盲谷盲谷地下河出口地下瀑布（五）峰叢、峰林和孤峰1、峰叢

峰叢(peakcluster)是一種連座峰林，頂部山峰分散，基部相連成一體。

峰林(peakforest)是成群分布的石灰巖山峰，其基部分離或微微相連。2、峰林桂林、陽朔一帶最為典型。峰林-盆地地貌系統

散立在溶蝕谷地或溶蝕平原上的低矮山峰稱為孤峰（isolatedpeak）。3、孤峰塔狀孤峰錐狀孤峰峰林形成過程示意圖有人對峰林地貌演化提出峰叢洼地→峰林谷地→孤峰平原系統演化模式：峰叢洼地→峰林谷地→孤峰平原二、地下喀斯特地貌（一）溶洞(cave)的發育1、溶洞及溶洞系統溶洞:是地下水沿著可溶性巖石的層面、節理或斷層進行溶蝕和侵蝕而成的地下孔道。2、溶洞的發育（1）流水的溶蝕和侵蝕（2）地質構造(節理、巖層的構造形態)（3）氣候3、溶洞的演變高位溶洞、穿洞陽朔月亮山北京房山周口店龍骨山山頂洞

中國洞穴之最：最長的洞穴：貴陽綏陽雙河洞85.3km最深的洞穴：武隆氣坑洞920m最大的洞廳：貴州紫云縣苗廳11.6萬m3最深的豎井：貴州盤縣白雨洞424m最高的天生橋：貴州水城干河天生橋121m最大的天坑：奉節小寨天坑直徑600m、深600m,體積1.19億m3。世界第一。1、溶蝕地貌（二）溶洞地貌2、堆積地貌鐘乳石(stalactite)石筍(stalagmite)石柱(stalacto-stalagmite)石鐘乳石筍：是從洞頂滴落下來的水濺到洞底，其中CaCO3逐漸沉積形成的，它形似竹筍。石筍是自下而上逐層增長，它的橫剖面為疊層狀。貴州桐梓石筍橫斷面與縱斷面(基本連續沉積)廣西桂林石鐘乳斷面(沉積間斷)石鐘乳和石筍各自向相對方向伸展，最后連結起來，成為石柱。北京石花洞次生化學沉積物景觀織金洞霸王盔織金洞花瓣狀石筍南京葫蘆洞石筍測定，石筍的沉積速度每千年幾——十幾毫米。

2.8—1.8萬年期間：14.27mm/ka;

5.3—2.8萬年期間：9.73mm/ka.石幔(curtaindrapery)邊石堤

(rimstonedams)：洞底或其兩側的堤狀堆積物.堤內積水成池，稱邊石池或石田。黃龍之冬鵝管(sodastraw)

上下直徑變化不大、呈細長狀的石鐘乳。

螺旋狀的石鐘乳。它可能是由包含碳酸鈣的水從洞壁或石鐘乳的毛細管狀細孔滲出而沉積形成的。可向上卷曲。卷曲石(helictite)石膏晶花珊瑚瑤池:水塘沉積景觀。第三節喀斯特地貌的發育

在氣候條件和地質條件不變的情況下，由上升的石灰巖高地開始，巖溶地貌發育可按“幼年期”階段、“青年期”階段、“壯年期”階段和“老年期”階段順序發展，各個階段有一定的地貌組合。一、喀斯特地貌的階段性幼年期青年期壯年期老年期早期階段中期階段晚期階段早期：溶溝、石芽、漏斗、落水洞······中期：地下喀斯特作用加強，地表水除主流外，大部分轉入地下，地面干旱、發育溶蝕洼地、干谷和盲谷等。以后，地下河、溶洞頂部崩陷，出露為地表河或峽谷等。地面切割破碎，產生許多深陷洼地、大型溶蝕谷地、峰叢、峰林等地貌，這時，喀斯特地貌發育最盛。晚期：當地下河及溶洞大量崩塌，溶蝕谷地、洼地不斷擴大，以及可溶性巖層之下的非可溶性巖層廣泛出露，地表水系又發育起來，河流作用重新占了上風。地面發育廣闊的溶蝕平原，在平原上殘留一些孤峰和殘丘，喀斯特現象逐漸消失，這就是喀斯特發育的老年期。二、巖溶地貌發育的地帶性

氣候對巖溶地貌的發育有著重要的影響，如大氣降水、蒸發、日照和氣溫等氣象要素不但直接地影響地表的巖溶作用，而且還通過水文、土壤及生物等間接地影響巖溶過程。這些影響集中地反映在水的徑流量和溶解性兩個方面上。氣候對巖溶作用影響的結果使全球巖溶地貌景觀具有強烈的氣候分帶色彩。近20年來對這些氣候帶的石灰巖溶解剝蝕率都作了較多的實測與理論計算。

地區

氣候帶年均溫（°c）年降雨量（mm）溶蝕速度（mm/千年）晉北暖溫帶半干旱區8.540010.7濟南暖溫帶半濕潤區14.565029.9三峽中亞熱帶濕潤區17.5113260.0滇東中亞熱帶濕潤區15.1169051.5黔北中亞熱帶濕潤區13.9125836.1黔中中亞熱帶濕潤區14.0121533.9-55.2桂北南亞熱帶濕潤區19.01505122.8桂中南亞熱帶濕潤區21.01600120-300

中國不同氣候區溶蝕速度表

目前可明顯分出的有五個氣候地貌帶：即熱帶、亞熱帶、溫帶、干旱帶和寒帶等喀斯特地貌帶。1、巖溶地貌發育環境氣溫高；雨量多；地表水量多、水流循環快；生物化學作用活躍和土壤中富含CO2氣體（一）熱帶及亞熱帶季風型

2、巖溶地貌發育特點

巖溶作用具有速度快、強度大的特點；地貌發育遠比其他氣候帶好，地表和地下喀斯特地貌都非常發育。具體表現為：（1）峰林發育得很好，石林高大。以峰林或峰林洼地為顯著特征。（2）地表漏陷地貌、溶蝕洼地和谷地廣泛發育。（3）地下喀斯特地貌發達，形成廣大的洞穴系統下龍灣和普吉島廣西的喀斯特云南的喀斯特（二）地中海型(mediterraneankarst)1、地中海型喀斯特地貌發育環境本類型以前南斯拉夫喀斯特高原為代表，有厚層的石灰巖，該地夏季干熱，冬季濕冷，水熱條件不及熱帶。2、地中海型喀斯特地貌特點地表或地下喀斯特地貌仍相當發育。高原上以溶斗、落水洞、溶蝕洼地、坡立谷、盲谷及干谷等為多見，還有少數河流切割高原，造成槽形峽谷，尤其在地下河崩塌地