地貌1-8章ppt课件版 第五章 喀斯特地貌

地貌学主讲教师:

叶许春地理科学学院2015年11月

第五章

喀斯特地貌第一节喀斯特作用第二节喀斯特地貌第三节喀斯特地貌的发育喀斯特(karst)原是南斯拉夫西北部伊斯特里亚半岛石灰岩高原的地名。当地称kars，意大利语为carso，德语称karst。它来自印欧语“kar”，即岩石裸露的地方。19世纪中叶，一些德国和奥地利学者研究欧洲中部和东南部的石灰岩地貌，均采用karst一词。特别是南斯拉夫学者J.Cvijic在研究喀斯特高原上奇特地貌后写的专著，就采用喀斯特这个地名来称呼碳酸盐岩地区的一系列特殊地貌过程和水文现象。这样，一百多年来喀斯特逐渐成为世界地学界通用的术语。碳酸盐类岩约占全球沉积岩的15％，面积4100万km2，硫酸盐岩面积为1100万km2，合计5200万km2，占全球面积的10.2％；喀斯特地貌是一种很好的旅游资源；喀斯特地区地表水缺乏，地下水丰富；喀斯特地区面临众多的工程建设问题，如水库的漏水问题，开凿隧道和采掘矿床的排水问题，修建铁路和桥梁时的地基塌陷问题；喀斯特作用与矿藏生成。如溶蚀的残余物质可以富集成铝土矿，古潜山油田；喀斯特与古气候变化研究。喀斯特在我国分布非常广泛，我国碳酸盐类岩石出露面积约125万平方公里，西南几省石灰岩连成一片，分布面积达55万平方公里。第一节喀斯特作用一、喀斯特作用的化学过程二、喀斯特作用的基本条件三、喀斯特水的动态

喀斯特作用（KarstProcess）：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，以及重力崩塌和堆积等）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，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：

CO2+H2OH2CO3

H2CO3H++HCO3-H++CaCO3HCO3-+Ca++综合反应式是：CaCO3+CO2+H2O2HCO3-+Ca++一、喀斯特作用的化学过程

岩溶动力系统概念模型气相CO2(汽）放气（沉积）

CO2（液）进气（溶解）

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

沉积溶解

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入程度则受岩石的透水性和水的流动性的影响，具有量的影响，是岩溶作用的充分条件岩石水必要条件可溶性溶解力充分条件透水性流动性二、喀斯特作用的基本条件（一）、岩石的可溶性岩石的可溶性主要取决于岩石的成分和结构。1、岩石的成分从成分上看，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50%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。

四川兴文地区灰岩成分含量表地层岩性矿物成分百分含量（%）方解石白云石酸不溶物栖霞第一段P1q1微晶生物碎屑灰岩38.8-99.51.0-2.80.2-7.8茅口第一段P1m1微晶生物碎屑灰岩78.1-98.00-6.407-16.1茅口第二段P1m2微晶生物碎屑灰岩91.5-99300-2.90.32-3.6碳酸盐类岩石的代表是石灰岩（CaCO3）和白云岩（CaMg(CO3)2）,但二者之间有许多过渡类型的岩石。岩类方解石%白云石%岩石名称石灰岩类100-900-10石灰岩90-7510-25含白云质灰岩75-5025-50白云质灰岩白云岩类50-2550-75灰质白云岩25-1075-90含灰质白云岩10-090-100白云岩

碳酸盐类岩石分类表02040600.40.60.81相对溶解度石灰岩过渡岩类白云岩CaO/MgO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，主要原因与矿物的组成有关。一般来说，岩石中CaO的含量越高，其溶解度越高。岩石中酸不溶物的含量越小，岩石的溶解度越高。2、岩石的结构

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。如：微粒白云岩相对溶解度0.82

细粒白云岩相对溶解度0.74

中粒白云岩相对溶解度0.65中国广西的不同结构碳酸盐类岩石的相对溶解度（二）、岩石的透水性

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。岩石的透水性取决于岩石的孔隙度和裂隙度。1、岩石的孔隙度灰岩的孔隙度一般仅为2-7%，孔隙度对岩石的透水性影响较小。2、岩石的裂隙度岩石的裂隙度对岩石的透水性影响最大。（1）构造：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十分发育。（2）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。（3）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。（三）、水的溶蚀力水的溶蚀力取决于水的化学成分、温度、气压、水的流动性及流量等方面。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溶蚀因素溶蚀强度（%）大气CO24.47有机CO249.26无机CO24.02有机酸37.11无机酸5.14

由大气扩散进入水中的CO２，其含量受温度大气压力的影响。其基本规律是：水中CO２的含量与温度成反比，与气压成正比。t℃Pco2=0.0003大气压mg/kgPco2=1大气压mg/kg01.023347100.712319200.521689300.391250

不同温度压力下水中CO2的含量１、来源于大气的CO２（１）温度在封闭系统中，当CO2气压一定时，水对CO2的吸收系数随温度增高而下降。如溶于水中CO2的在0℃时比35℃时高3倍。（２）大气压力大气压力大，水中CO2的含量增加；大气压力小，水中CO２的含量减少。t℃Pco2=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CO2含量CO2分压（大气压）Caco3溶解度（mg/l)10℃25℃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化而增减。

由此可见，温度低的水含CO2较多，溶蚀力比温度高的水为强。但在开放系统中，温度升高将加快水的电离速度，即水中H+和OH-浓度增加，化学反应速度加快，碳酸钙的溶解度随着温度的升高而增大。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别发育的主要原因之一。2、有机成因的CO2

有机成因的CO2主要来源于土壤中有机物的氧化和分解。土壤空气中CO2的含量可达6%以上，远大于空气中CO2的含量（0.03%）。水在向下渗透的过程中，大量溶解土壤空气的CO2，从而增强地下水的溶蚀力。3、无机成因的CO2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，并与碳酸盐类岩石反应生成二氧化碳，进而发生岩溶作用。（四）水的流动性及流量

经常流动的水体，能较大地提高水的溶蚀力，其原因是：第一，流动的水处于开放系统，从降水（补给）—地表水及地下水（流动）—排泄过程中，水经常与空气保持接触，能不断地补充因溶蚀岩石所消耗的CO2，使水体不易达到饱和。第二，处于流动状态的水，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能力

三、喀斯特水的动态喀斯特水的垂直分带1、垂直渗透带2、季节变动带3、水平流动带4、深部滞留带地面丰水期潜水面丰水期潜水面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。第二节喀斯特地貌一、地表喀斯特地貌（一）石芽(stoneteeth)与溶沟(lapie)

溶沟是指地表水沿可溶岩表面进行溶蚀形成的溶蚀沟道。突出于溶沟之间的石脊称为石芽。1、山脊式石芽2、石林式石芽

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

（1）溶斗的定义：可溶岩地区由溶蚀作用形成的漏斗形或碟形的封闭洼地称为漏斗。（2）漏斗形态：碟形，漏斗形，圆筒形（3）溶斗的种类

A：溶蚀溶斗

B：塌陷溶斗溶蚀漏斗塌陷漏斗奉节小寨天坑（体积1.19亿m³世界第一）如果地面上有成连续分布的成串漏斗，这往往是地下暗河存在的标志。漏斗是喀斯特发育初期阶段的产物，它是喀斯特水垂直循环作用的地面标志，因而漏斗多分布在岩溶化的高原面上。2、落水洞落水洞是开口于地表而通往地下深处的裂隙、地下河或溶洞的竖向洞穴。落水洞的特点：深度远大于宽度，垂直或斜向向下延伸。落水洞的形态：裂隙状落水洞和井状落水洞。（三）溶蚀洼地与溶蚀谷地1、溶蚀洼地(karstdepression)一种面积较大的圆形或椭圆形的封闭洼地。形状和溶蚀漏斗相似，但：(1)规模比溶蚀漏斗大得多,直径超过100m；(2)溶蚀洼地底部较平坦；(3)其边坡形态在坡度上通常与邻近山地直接连接，没有明确边界。溶蚀洼地一般认为是由多个漏斗进一步溶蚀扩大、合并而形成，故它的形态、排列方式与漏斗均有关。其底部常发育落水洞和漏斗，还有一些小溪。从洼地四壁流出的泉水，经小溪最后流进落水洞中。2、溶蚀谷地(karstvalley)岩溶地区宽阔而平坦的谷地称为溶蚀谷地。南斯拉夫学者J.司威杰最先叫这种地形为Polje，原意为可耕种的平地，泛指田野，在我国地学文献中称为“坡立谷”。主要特征：(1)宽度自数百米至数公里，长度可达几十公里；(2)盆地四周多由峰林石山围绕，边坡陡峭；(3)底部平坦，常覆盖着溶蚀残留的黄棕色粘土或红色粘土，有些地方还有河流冲积物；(4)有溶岩水系，水源充足。故多为岩溶地区重要的农业地带。这种大型盆地在我国云贵高原及广西等地十分发达。青木关岩溶槽谷坝子（四）干谷、盲谷和地下河1、干谷(dryvalley)岩溶地区干枯的或间歇性有水的河谷。过去它是地表河，因气候变干或地壳上升、侵蚀基准面下降，使地表河干涸而转入地下。2、盲谷(blindvalley)岩溶地区没有出口的地表河谷。通常水流消失在河谷末端陡壁下的落水洞中而转为地下河，它多见于封闭洼地或坡立谷中。3、地下河(undergroundriver)具有河流主要特征的岩溶地下河流。利川腾龙洞附近干谷和溶洞婺源灵岩洞附近的盲谷盲谷地下河出口地下瀑布（五）峰丛、峰林和孤峰1、峰丛

峰丛(peakcluster)是一种连座峰林，顶部山峰分散，基部相连成一体。

峰林(peakforest)是成群分布的石灰岩山峰，其基部分离或微微相连。2、峰林桂林、阳朔一带最为典型。峰林-盆地地貌系统

散立在溶蚀谷地或溶蚀平原上的低矮山峰称为孤峰（isolatedpeak）。3、孤峰塔状孤峰锥状孤峰峰林形成过程示意图有人对峰林地貌演化提出峰丛洼地→峰林谷地→孤峰平原系统演化模式：峰丛洼地→峰林谷地→孤峰平原二、地下喀斯特地貌（一）溶洞(cave)的发育1、溶洞及溶洞系统溶洞:是地下水沿着可溶性岩石的层面、节理或断层进行溶蚀和侵蚀而成的地下孔道。2、溶洞的发育（1）流水的溶蚀和侵蚀（2）地质构造(节理、岩层的构造形态)（3）气候3、溶洞的演变高位溶洞、穿洞阳朔月亮山北京房山周口店龙骨山山顶洞

中国洞穴之最：最长的洞穴：贵阳绥阳双河洞85.3km最深的洞穴：武隆气坑洞920m最大的洞厅：贵州紫云县苗厅11.6万m³最深的竖井：贵州盘县白雨洞424m最高的天生桥：贵州水城干河天生桥121m最大的天坑：奉节小寨天坑直径600m、深600m,体积1.19亿m³。世界第一。1、溶蚀地貌（二）溶洞地貌2、堆积地貌钟乳石(stalactite)石笋(stalagmite)石柱(stalacto-stalagmite)石钟乳石笋：是从洞顶滴落下来的水溅到洞底，其中CaCO3逐渐沉积形成的，它形似竹笋。石笋是自下而上逐层增长，它的横剖面为叠层状。贵州桐梓石笋横断面与纵断面(基本连续沉积)广西桂林石钟乳断面(沉积间断)石钟乳和石笋各自向相对方向伸展，最后连结起来，成为石柱。北京石花洞次生化学沉积物景观织金洞霸王盔织金洞花瓣状石笋南京葫芦洞石笋测定，石笋的沉积速度每千年几——十几毫米。

2.8—1.8万年期间：14.27mm/ka;

5.3—2.8万年期间：9.73mm/ka.石幔(curtaindrapery)边石堤

(rimstonedams)：洞底或其两侧的堤状堆积物.堤内积水成池，称边石池或石田。黄龙之冬鹅管(sodastraw)

上下直径变化不大、呈细长状的石钟乳。

螺旋状的石钟乳。它可能是由包含碳酸钙的水从洞壁或石钟乳的毛细管状细孔渗出而沉积形成的。可向上卷曲。卷曲石(helictite)石膏晶花珊瑚瑶池:水塘沉积景观。第三节喀斯特地貌的发育

在气候条件和地质条件不变的情况下，由上升的石灰岩高地开始，岩溶地貌发育可按“幼年期”阶段、“青年期”阶段、“壮年期”阶段和“老年期”阶段顺序发展，各个阶段有一定的地貌组合。一、喀斯特地貌的阶段性幼年期青年期壮年期老年期早期阶段中期阶段晚期阶段早期：溶沟、石芽、漏斗、落水洞······中期：地下喀斯特作用加强，地表水除主流外，大部分转入地下，地面干旱、发育溶蚀洼地、干谷和盲谷等。以后，地下河、溶洞顶部崩陷，出露为地表河或峡谷等。地面切割破碎，产生许多深陷洼地、大型溶蚀谷地、峰丛、峰林等地貌，这时，喀斯特地貌发育最盛。晚期：当地下河及溶洞大量崩塌，溶蚀谷地、洼地不断扩大，以及可溶性岩层之下的非可溶性岩层广泛出露，地表水系又发育起来，河流作用重新占了上风。地面发育广阔的溶蚀平原，在平原上残留一些孤峰和残丘，喀斯特现象逐渐消失，这就是喀斯特发育的老年期。二、岩溶地貌发育的地带性

气候对岩溶地貌的发育有着重要的影响，如大气降水、蒸发、日照和气温等气象要素不但直接地影响地表的岩溶作用，而且还通过水文、土壤及生物等间接地影响岩溶过程。这些影响集中地反映在水的径流量和溶解性两个方面上。气候对岩溶作用影响的结果使全球岩溶地貌景观具有强烈的气候分带色彩。近20年来对这些气候带的石灰岩溶解剥蚀率都作了较多的实测与理论计算。

地区

气候带年均温（°c）年降雨量（mm）溶蚀速度（mm/千年）晋北暖温带半干旱区8.540010.7济南暖温带半湿润区14.565029.9三峡中亚热带湿润区17.5113260.0滇东中亚热带湿润区15.1169051.5黔北中亚热带湿润区13.9125836.1黔中中亚热带湿润区14.0121533.9-55.2桂北南亚热带湿润区19.01505122.8桂中南亚热带湿润区21.01600120-300

中国不同气候区溶蚀速度表

目前可明显分出的有五个气候地貌带：即热带、亚热带、温带、干旱带和寒带等喀斯特地貌带。1、岩溶地貌发育环境气温高；雨量多；地表水量多、水流循环快；生物化学作用活跃和土壤中富含CO2气体（一）热带及亚热带季风型

2、岩溶地貌发育特点

岩溶作用具有速度快、强度大的特点；地貌发育远比其他气候带好，地表和地下喀斯特地貌都非常发育。具体表现为：（1）峰林发育得很好，石林高大。以峰林或峰林洼地为显著特征。（2）地表漏陷地貌、溶蚀洼地和谷地广泛发育。（3）地下喀斯特地貌发达，形成广大的洞穴系统下龙湾和普吉岛广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发育环境本类型以前南斯拉夫喀斯特高原为代表，有厚层的石灰岩，该地夏季干热，冬季湿冷，水热条件不及热带。2、地中海型喀斯特地貌特点地表或地下喀斯特地貌仍相当发育。高原上以溶斗、落水洞、溶蚀洼地、坡立谷、盲谷及干谷等为多见，还有少数河流切割高原，造成槽形峡谷，尤其在地下河崩塌地