岩溶洞穴的形成与发育（转帖）

听得时光眠 · 发表于 2011-12-7 04:53:45

岩溶洞穴，英语叫做Karst Caves。顾名思义，岩溶就是对岩石的溶解，凡是地表水和地下水对可溶性岩石的破坏和各种作用都叫做岩溶作用。这种作用所产生的地上和地下的各种形态叫做岩溶地貌。
。。岩溶洞穴的形成与发展实际上是一种极其复杂的化学溶蚀，机械侵蚀和崩塌过程。洞穴学认为，一个岩溶洞穴的形成必须要满足以下四个基本条件
1) 可溶性岩石；
2) 可溶岩能提供水渗透和运移空间；
3) 具有溶蚀能力的水流；
4) 水流必须具有流动性。
。。可溶岩，首先它是必须是可以溶解的；其次，岩石必须具有透水性。当岩石具有透水性时，地表水才能渗入地下并转化为地下水，这样地下水才能起主导作用并形成洞穴。就水而言，首先它必须具有溶蚀力，纯水的溶蚀力很微弱，但当水中含有CO2或其它酸类时，其溶蚀力就回增大，可溶岩才能产生溶蚀作用；其次水必须是流动的，因为停滞的水很快就会变成饱和溶液而失去溶蚀力，岩溶作用就回停止。此外，气候、地形、生物和土壤等作为岩溶作用的外因，也起着不同程度的影响。
。。按岩石的化学成分和矿物成分的不同，可溶岩基本可分三类：碳酸盐类岩石（石灰岩、白云岩等）、硫酸盐类岩石（石膏、芒硝等）和卤盐类岩石（石盐、钾盐等）。就溶解度而言，卤盐>硫酸盐>碳酸盐；但是，卤盐类岩石和硫酸盐类岩石分布面积很小，厚度也不大，而碳酸盐类岩石分布的就非常广，约占我国疆土的八分之一，厚度也很大。所以，发育在碳酸盐类岩石中的洞穴就普遍的多，典型的多，而我们所谈到的岩溶洞穴主要是针对这一类岩石讲的。
。。碳酸盐类岩石主要有石灰岩和白云岩，其主要矿物成分为方解石（CaCO3）和白云石（CaMG（CO3）2）。碳酸盐岩具有两个重要特性：一是性脆，在受力的作用下，很容易破碎或产生裂隙，成为水流活动的良好通道；二是具有良好的可溶性。纯水对碳酸盐岩的溶解作用非常微弱。但是，随着水的物理化学特性的变化，如温度、压力、特别是受水中二氧化碳或其他酸类物质含量的影响，水对碳酸盐岩的溶解往往发生几到几十倍的变化。
水对碳酸盐岩的溶解作用，主要借助于溶解其中的二氧化碳而形成的侵蚀性进行的，相反，水中二氧化碳的逸出，又会使溶解于水中的碳酸钙沉淀下来。由此可见，由于水的溶解作用形成洞穴和水的沉淀作用形成灰华及钟乳石，主要是水中二氧化碳的溶解——释放系统平衡作用的结果。
。。当雨水降到地面，又从岩石各种缝隙渗入到岩层深处并在运移的过程中，通过大气、土壤、腐植质等各种介质，同时获得二氧化碳，并对所接触的可溶性岩石表面进行溶解，一直到饱和和至过饱和状态为止。当水中二氧化碳逸出时，水溶液中的碳酸钙又沉淀下来。碳酸盐岩的溶解及沉积作用的化学反应过程如下：
Ⅰ、CaCO3 。+ 。H2O 。+ 。CO2 。→。 Ca2+。 + 。2HCO3-
。。碳酸钙。。。水。。。气体。。。钙离子。。重碳酸离子
（碳酸盐岩主要成分）（碳酸溶液）。。。。。（重碳酸钙溶液）
Ⅱ、Ca2+。。 + 2HCO3-。。 →。 CaCO3 。。+ 。H2O + 。CO2↑
（水中含的重碳酸钙）。。。（钟乳石沉淀）。。（二氧化碳逸出）
。。第一个反应过程说明，溶解有二氧化碳的雨水和地表水沿岩层裂隙渗入地下，不断溶蚀碳酸盐岩地层，把溶于水中的重碳酸钙等物质不断带走，是裂隙不断扩大。天长日久，就形成了我们经常看到的落水洞、竖井、漏斗。在地下不断扩大水流通道或地下水储存的空间，经过百年、千年、甚至十万至百万年的漫长地质岁月，便在岩层中形成各种形态的洞穴，以至规模很大的地下河。后来，洞穴脱离地下水面，变成干洞，也叫化石洞穴。
第二个反应过程说明，当溶解有碳酸竿的地下水从岩层的裂隙中流出时，由于水体环境（温度、压力、微生物等条件）变化，造成二氧化碳逸出，于是水溶液中的碳酸钙便沉淀下来，生成钟乳石、流石、石梯田、泉华等等。
第一个反应过程只是洞穴形成的这么一个机制，那么洞穴为什么千差万别呢？下面就一种理论模式来说明岩溶洞穴空间的扩展。运动在碳酸盐岩中的水从上至下可风为：包气带、季节变动带、浅饱水带和深饱水带。没个带地下水运动方式的不同，也就形成了各自不同特点的洞穴。
。。包气带（又称渗流带、垂直渗入带）是从地表到最大洪水位地下水面以上。大气降水和部分地表河水通过溶孔、溶隙渗入地下，逐渐扩大成落水洞、落水坑。落水洞扩大后，地面就出现一个个小盆状的洼地，叫做“圆洼地”、“漏斗”等。这样地面上的流水大部分集中到这些洼地中去，下渗到地下深处。地表水变成地下水，并作垂直下渗运动，故称为“垂直渗入带”，但是这里并不是经常有水的，故有称为“包气带”。包气带内主要形成垂直性溶洞穴、落水洞、落水坑和竖井等洞穴。
再往下的一带称为季节变动带（或交替带）。洪水季节，地下水面上升，枯季时地下水面下降，变动带范围在最高洪水位线和最低枯水位线之间。地下水流动是复杂的，旱季时称为包气带，水流是垂直向下的，洪水时成为饱水带，水流呈水平流动，有季节性变化。这一带是洞穴生成的重要部位，既有垂直性洞穴，又有水平洞穴发育。
。。在常年地下水位以下称为饱水带（或潜流带）。这里经常有地下水，是不通气的积水带。地下水主要沿水平方向流动。根据埋藏的深度，它又可分为浅饱水带和深饱水带两部分。浅饱水带（或水平径六带）也是洞穴积极发育地带，大部分沿水平方向。在没有潜水工具的情况下，人是不能进入这一带洞穴的。深饱水带是地下水面更深处，这里的水流以非常缓慢的速度流向深处。在地下深处，也可以发育一些规模不大的岩溶孔隙和洞穴。
水除了对可溶性岩石产生溶蚀作用之外，还可以产生机械侵蚀作用。如流水对岩石的刻蚀（形成沟槽）、漩涡状水流的掏蚀（形成窝穴、天钟等）、流水所携带的砂、卵石等物质可以对岩石表面进行研磨（形成杯穴、碗穴等），还有流水所产生的崩塌作用等等都体现出流水对洞穴形成的械侵蚀作用。
岩溶洞穴发育演化的一般规律
。。
岩溶洞穴的发育演化一般可划分为如下三个阶段：
1) 形成阶段：只要满足前述洞穴发育的四个基本条件，即可开始形成洞穴。在这个洞穴形成的初期阶段，洞穴空间规模一般较小，多呈孔隙状，人们无法进入。
2) 发展阶段：随着参与洞穴发育的水流流量流速的增加，洞穴空间逐渐扩大，发展成为人能进入具有一定规模的通道系统。
3) 衰亡阶段：由于地壳抬升，洞穴逐渐脱离地下水位进入包气带，失去了进一步发展的动力条件；崩塌现象显著，钟乳石类次生化学沉积大量发育，洞穴空间逐步壅塞减小。