喀斯特地貌
2022-08-05 12:13阅读：
喀斯特地貌（Karst
Landform），是地下水与地表水对可溶性岩石溶蚀与沉淀，侵蚀与沉积，以及重力崩塌、坍塌、堆积等作用形成的地貌，以斯洛文尼亚的喀斯特高原命名，中国亦称之为岩溶地貌，为中国五大造型地貌之一
[1-2] 。
喀斯特地貌分地表和地下两大类，地表有石芽与溶沟，喀斯特漏斗，落水洞，溶蚀洼地，喀斯特盆地与喀斯特平原，峰丛、峰林与孤峰；地下有溶洞与地下河，暗湖
[1] 。
喀斯特地貌在中国分布最广，其集中分布于桂、黔、滇等省区，川、渝、湘、晋、甘、藏等省区部分地区亦有分布 [1] [3]
。喀斯特地貌在世界其他地区主分布于波黑迪纳拉山区、法国中央高原、俄罗斯乌拉尔山区、澳大利亚南部、美国中东部、大安的列斯群岛和越南中北部地区科研历史
喀斯特地貌
喀斯特地貌(22张)
19世纪末，南斯拉夫学者茨维奇（J.Cvijic）借用亚德里亚海北部沿岸喀斯特高原的名称来形容石灰岩的地貌、水文现象 [5]
。
“喀斯特”在地理学和地质学中作为岩溶地貌的代名词始于20世纪初欧洲地质学家H·Stelle对喀斯特高原的KarstVillage的研究
[6] 。
中国是世界上对喀斯特地貌现象记述和研究最早的国家，早在宋代和明代的王守仁和宋应星，就对石灰岩岩溶地貌做过比较确切的描述。特别是宋应星，还对岩溶及石灰华的再沉积机理，做过开创性的研究和记述。但明代徐宏祖（1586年—1641年）所著的《徐霞客游记》记载最为详尽
[6] [7] 。
喀斯特地貌是长期发育的产物，其演化模式在侵蚀循环学说的影响下，从早期格朗德（A.Grund）、雅库斯（L.Jakucs）和威廉姆斯（P.W.Williams）的模式，基本为定性3-4阶段模式。
20世纪50至60年代，中国地学界对喀斯特地貌的研究主要集中于类型方面 [3] 。
1966年，中国在第一届喀斯特学术会议上提出将喀斯特改为岩溶，作为Karst的同义语 [5] 。
1972年史密斯（D.I.Smith）等提出外成喀斯特地貌演化数学模型后，用数学方法建立喀斯特地貌发育与动力、形态因素的数学模型开始得到发展。如1988年怀特（
W.B.White）又提出喀斯特地形发育速率过程模型。
20世纪70-80年代，中国学者进一步开展喀斯特溶洞、溶盆及发育演化规律的研究 [3] 。
20世纪80年代初，中英岩溶地质学家在中国的联合洞穴探险活动中发现了四川兴文特大型漏斗——“大岩湾”和“小岩湾” [8]
。
1988年，中国自然科学名词审定委员会公布《地理名词》，喀斯特地貌仍被定名为喀斯特，又称岩溶 [5] 。
20世纪90年代后，中国学者对喀斯特地貌的研究逐渐跨入喀斯特水环境、生态地貌分类分区研究 [3] 。
进入21世纪，中国地学界针对石漠化生态修复与建设等问题，深入开展了土壤侵蚀特征、小流域生态恢复、SAR影响配准及石漠化岩性、土地利用关系等方面的研究。为探索喀斯特地区侵蚀模数与侵蚀因子的相关关系，开展了不同坡度条件下土壤侵蚀模数的多因子方程筛选回归模型研究，提高了缓坡、陡坡侵蚀产沙预测精度
[3] 。
科研成果
2000多年前，中国古书《山海经》对溶洞、伏流、石山等现象已有提出 [5] 。
宋代沈括的《梦溪笔谈》、范成大的《桂海虞衡志》和周去非的《岭外代答》对岩溶现象已有较多记载 [5] 。
明代徐宏祖的《徐霞客游记》对喀斯特地貌的研究比欧洲早250余年 [5]
。其对喀斯特地貌的类型、分布和各地区间的差异，尤其是喀斯特洞穴的特征、类型及成因，有详细的考察和科学的记述。在广西、贵州、云南，他探查过的洞穴有270多个，且都有方向、高度、宽度和深度的具体记载。并初步论述其成因，指出一些岩洞是水的机械侵蚀造成，钟乳石是含钙质的水滴蒸发后逐渐凝聚而成等
[9] 。
近现代西方对喀斯特地貌的发育理论研究成果主要有“循环演化论”（以w．M台维斯为代表）和Davis和Ground的喀斯特地区地理循环理论
[10] 。
中国学者根据Davis和Ground的喀斯特地区地理循环理论和总结了中国喀斯特研究的实践，提出了一套喀斯特发育理论，如渐进演化论（以何宇彬、杨明德为代表）；“地壳上升速度与剥蚀速度对比论”（以张之淦、卢耀如为代表）；“同时态系统演化论”（以朱学稳、朱德浩为代表）
[11] 。
21世纪现代喀斯特地貌的研究趋势表现为喀斯特地区的生态系统研究、喀斯特古环境与全球变化研究、风景旅游洞穴环境的改善与景观老化的防治和实验和量化喀斯特地貌的研究
[12] ；如“水利水电建设中喀斯特渗漏问题” 研究成果1987年获国家优秀勘察奖、广西壮族自治区科技进步一等奖
[13] 。
对于喀斯特与旅游地貌的研究成果，主要为1972年，中科院地理所地貌室设置喀斯特地貌研究组。研究组主动借鉴国外技术，并自主完善和创新改进，紧密结合国家和地方水利水电工程、厂矿道路建设、区域旅游开发等生产实践，不断深入研究喀斯特地貌地球物理化学过程，探索喀斯特地貌发育演化规律，先后承担并完成了国家和地方重大科研项目20多项，出版著作10多部，发表相关论文100多篇
[13] 。
研究组在中国喀斯特洞穴发育的区域分异、地带性因素、洞穴成因与溶蚀作用、洞穴发育双酸模式、碳酸盐岩表层硬度、喀斯特溶蚀强度分析与估算、表层喀斯特发育与生态系统关系、喀斯特地貌系统对气候响应过程模型等方面展开了广泛和深入研究
[14-19]
。发现了碱性钙溶液吸收二氧化碳化学动力学机理，建立了碳酸水与硫酸水双成因洞穴发育的双酸模式，弄清了生物对土壤二氧化碳贡献及土壤二氧化碳对皮下带表层喀斯特过程的驱动作用，揭示了岩石表面生态及其对岩石表面色彩与石林溶蚀形态形成的作用，构建了溶蚀对降水、气温等的复杂响应过程模型等，丰富了喀斯特地貌基础理论
[13] 。
针对喀斯特地区的水库渗漏、电站安全以及地下水的开发利用等方面，研究组做了卓有成效的应用研究工作。如成功解决了红水河第一级水电枢纽大化水库以及岩滩水电枢纽库区的喀斯特渗漏问题
[20] 、完成了北京牛口峪水库北方喀斯特悬托谷的防渗工程 [21]
，分析了贵州独山南部、德江、普定以及大连金州、河北曲阳等喀斯特地下水开发利用等 [22]
。针对红水河流域环境地质综合评价国家任务，先后完成了 '红水河流域环境喀斯特研究、报告及其专题地貌图 [23]
，随着区域研究积累，还进行了中国喀斯特地貌连片综合研究 [24] 。
在喀斯特地貌的基础和应用研究过程中，研究组很早就引进并改进先进技术，在具体的研究中又自己发明创造了各种新技术和手段。如应用染色石松孢子和萤光素示踪法，进行不同季节喀斯特地下水通道的示踪试验，成功地断定不会跨越地下分水岭向邻谷渗漏，完成了水库建设可行性论证方案
[25]
。首创并应用“洼地分析法”、利用与地下水联系密切的地面洼地走势，在室内绘出喀斯特地下通道大体平面分布，指导实地调查和洞穴探测
[26-27] 。使用环境同位素示踪分析，查清了渗漏因素与途径，制定了多层次水库防渗方案 [28]
。此外，该研究组还首先将航空红外遥感技术应用到探测岩溶的试验中，取得了良好的示范效果 [13] 。
中科院地理所最早涉足旅游地貌等应用研究领域是喀斯特地貌研究组。该研究组从20世纪90年代就开始了旅游洞穴的应用研究，在洞穴稳定性以及喀斯特景观旅游资源评价等方面做了很多首创性的工作。先后完成了浙江瑶琳洞、河北临城白云洞、云南弥勒白龙洞、福建龙岩龙眡洞、路南石林景观等典型喀斯特景观的形成、发育、演化及其景观评价的调查论证科研报告
[29-33]
。这些成果很大程度上指导了岩溶洞穴、喀斯特地貌景观的旅游开发和保护。1997年~2004年组织的云南石林与国外剑状喀斯特对比、云南石林和贵州荔菠峰林及重庆武隆芙蓉洞——天坑喀斯特捆绑式，中国南方喀斯特申请世界自然遗产名录论证报告，为成功申遗奠定了坚实基础
[34]
。随着旅游业的发展，业界对旅游资源的调查、分类、评价等提出了更加准确和科学的要求，20世纪90年代以来，地貌室科研人员又积极参与国家旅游标准化研究和国家标准起草工作，完成了多项与旅游地貌紧密相关的国家标准
[13] [35-37] 。
地质作用编辑 播报
机制原理
化学机制
1884年，美国学者戴维斯（Davis）提出喀斯特地区地理循环理论，指出喀斯特作用的化学机制为当水中含二氧化碳时，水对石灰岩的溶解能力很强，二氧化碳与水化合形成碳酸，后者电解析出氢离子，与石灰岩中的碳酸根离子作用形成离子状态的溶解物质钙离子和碳酸氢根离子，并随水流失，其反应式如下：
CO2 H2OH2CO3H HCO3-
H2CO3 CaCO3Ca2 2HCO3-
上述反应是可逆的，当水与空气中二氧化碳减少，碳酸含量亦减少，碳酸钙将发生沉淀。湿热气候条件下土壤二氧化碳含量比空气中高数十倍，且反应速度很快，因而岩溶作用强，喀斯特地貌分布较广
[1] [11] 。
物理机制
水的溶蚀能力、岩石化学性质及透水性对喀斯特过程起着决定性作用。湿热气候区地表水与地下水流量大且活动性强，故喀斯特作用强，反之干旱高寒气候区喀斯特作用很弱。
在地壳长期稳定且河流切割较深的可溶性岩石分布区，地下水垂直分带明显，包气带地下水以垂直向下运动为主，可形成极深的落水洞；浅饱水带地下水以水平流动为主，常发育水平溶洞与暗河；过渡带地下水水位随季节升降；承压水带地下水活动受地质构造控制，可发生深部喀斯特。新构造强烈上升区石灰岩地层中不可能形成相同的地下水位，地下水垂直分带不明显
[1] 。
喀斯特水动力条件示意图
喀斯特水动力条件示意图
岩性构造
碳酸盐类岩石包括石灰岩、白云岩和泥灰岩等；硫酸盐类岩石如石膏、硬石膏；卤化物盐类如岩盐与钾盐，均属于可溶性盐类。按溶解度排序，卤化物盐类最大，硫酸盐居中，碳酸盐类最小，但喀斯特地貌却主要发育在碳酸盐类岩石尤其是石灰岩分布区，这与其分布极广且长露出地表有关。
石灰岩的矿物成分主要为方解石，泥灰岩兼有大量不溶解黏土，白云岩则以白云石为主。按溶解度从大到小排序为：石灰岩、白云岩、泥灰岩。因此石灰岩最易喀斯特化，尤其是节理发育、层厚、质纯和位于区域性断裂带的石灰岩，喀斯特作用最强
[1] 。
