本溪天龙洞地区古喀斯特化学特征与气候环境意义

2015-07-13杨希丹

城市地理 2015年7期

杨希丹

摘要：利用本溪县天龙洞地区的现场地貌观察，实验室内的化学成份分析，和世界其它地区的研究对比说明本溪县天龙洞2附近地区在地质历史时期，尤其是第三纪，处于一个湿热的环境，这正好有利于喀斯特地貌的形成。而随着第四纪以来，全球气候变干变冷，本溪由第三纪的亚热带气候转化为现代的中温带大陆性湿润气候。通过对地球化学特征的实验室分析说明了本溪地区现代气候条件，既比较寒冷的中温带大陆性气候下很难发育喀斯特。所以北方地区的喀斯特地貌开发保护是弥足珍贵的。

关键词：天龙洞，古喀斯特，气候变化，意义。

中国分类号：K903

喀斯特地貌是指水对可溶性岩石的溶蚀，改造的物理和化学过程的作用所形成的地貌。形成喀斯特地貌必须发育有可溶性岩石：在可溶性岩石的基础上还要有合适的气候条件，即湿润的气候带来的降水最主要的，温度则是催化作用，决定喀斯特反应速率快慢【1】。只有在可溶性岩石与合适的气候相互作用才能比较好地发育喀斯特地貌。

1.研究区概况

1.1 位置与地形单元

本溪地区位于东经123°34～125°46，北纬40°49～41°35，位于中国东北，亚欧大陆东岸，境内“八山一水一分田”，太子河流域，浑江流域，草河流域贯穿其中，地形以山区为主，东高西低，中部和南部為长白山——千山余脉，北部和东部为龙岗山

脉余脉，全市最低点位于太子河与细河的交界处，海拔85米，最高点是位于桓仁境内的花脖子山，海拔1336米。太子河流域内石灰岩地貌发育，以碳酸钙，硫酸钙喀斯特为主。

1.2 气候特点

本溪位于东亚季风区，现代气候属于中温带大陆性湿润气候，四季分明，冬季漫长而严寒，夏季温热而短促【2】。年平均气温在6.2℃—7.8℃之间，最热的七月平均气温为23.9℃，最冷的一月平均气温为-14.4℃，绝对最高温度是38.3℃（本溪市区1999年6月观测），绝对最低气温为-40.9℃（本溪县碱厂镇2001年1月14日夜晚观测）【3】在20世纪70年代出现了最低值，多年平均降水量为795-860mm左右，其中夏半年占70%以上，其它月份所占比例很少。

1.3 地质与地层

本溪全境位于太子河流域，浑江流域和草河流域，群山环绕，地层出露良好，古生物化石丰富。本溪地区处于著名的郯城-庐江大断裂带上【4】，在奥陶纪地层中大量发掘出的介壳类，腕足类，头足类，双壳类化石也有力地证明了当时本溪地区曾经是海洋，在经历过强烈的构造变动后地形抬升，形成了龙岗-长白等一系列山脉【5】。这些在地层中广泛出露的奥陶纪有壳生物化石中说明了问题。

在太子河流域，分布有广泛而典型的奥陶纪地层。太子河流域周围都有奥陶纪地层出露，这说明石灰岩的发育很广泛。本溪市区内的溪湖石灰矿是石灰岩的集中地，地层出露整齐，构造简单，奥陶纪的腕足类和笔石类化石也很丰富【6】。而本溪市的南部位于长白山脉的主体部分，地层复杂，构造抬升剧烈，奥陶纪地层分布凌乱，不甚整齐，化石分布也不整齐，这说明很难有大型喀斯特生生。

2.地貌特征

古喀斯特地貌多分布于奥陶纪石灰岩层面上，特点是分布面积小，发育不明显，偶见大型喀斯特地貌单元，多与古气候成因有关。本文基于天龙洞旅游区附近山体四个采样点六份岩土样本进行化学成分分析。（如图1）

2.1 地表喀斯特地貌

在现场观察中，只有本溪县石灰矿存在发育微弱的地表喀斯特地貌，以质度不纯，密度小的石灰岩层上发育的小型溶沟为主，偶见不明显的石芽，可从中看出流水溶蚀的作用形成的痕迹。

石芽和溶沟深度和高度多在1-2厘米之间，基座直径多在1厘米上下，顶部为浑圆状，可见火山砂，石英砂的杂质掺杂。这是完全不同于南方喀斯特地貌所形成的地貌的。南方温热区，如云南石林地区多发育大型现代地表喀斯特地貌，如体积较大，保存较好，石灰纯度高的大型石林，峰林，峰丛洼地，在盆地区可发育为大型溶蚀盆地，钙华坝，天生桥。而相比之下，北方降水较少，气温较低，降水较少，在此情况下大型地表喀斯特极少见。

2.2 地下喀斯特地貌

地下喀斯特地貌分布在奥陶纪地层中的古喀斯特溶洞，即地下暗河中，本溪地区著名的旅游景点如本溪水洞，望天洞，怪石洞都属于此类洞穴。本文之所以对天龙洞风景区内的地貌进行考察是因为沉积物发育完全且人为扰动小。

钟乳石，石笋：发育较小，不够典型。钟乳石多为细小的针状，剑状，长度多在1米以下直径多小于10厘米。此类钟乳石多由极其缓慢的含碳酸钙溶液沉积形成，根据秒表计时测算，钟乳石末端水滴的速率多为5-15滴/min。个别钟乳石形状不规则，如倒钟状，乳头状，耳状，这类钟乳石末端的的水滴速率稍快，多为8-20滴/min，从此可以看出这些不规则钟乳石的形成依赖于钙离子的浓度。钙离子的浓度在风化壳化学测试实验中已证明在漫长的气候演变中，钙离子经过了流失的过程【7】.

石笋普遍发育小，多数石笋位置与钟乳石对应，但明显比钟乳石小，甚至存在缺失现象。从形状上来看，石笋大多比上端对应的钟乳石表现浑圆，且坡度平缓。从对应的钟乳石上的下落水滴来看，水滴速率过慢，当水滴滴到下端的洞穴底板时，水滴有足够的时间来分散开来进行沉积，流速缓慢使石笋相对钟乳石沉积为更加平缓的坡度。在不规则钟乳石分布的地面，石笋一般为多个塔状石笋或不规则石笋。当顶部的不规则钟乳石间的水滴之间间距较大时，水滴落在基底依水滴的位置形成多个分散的，呈不规则状的石笋，如果顶部不规则钟乳石水滴之间比较密集时则由于多个水滴的沉积作用形成聚在一起的大规模石笋【8】。（如图4）

石幔：天龙洞内的石幔发育明显，规模也较大，表面粗糙不平，发育有细小的条纹和溶沟，棱角较为光滑。从洞顶漫流下来的水流多呈漫流状，流速小，水量小，滴速不稳定。在此种条件下，只能发育为不太明显又比较光滑的小型现代溶沟。（如图5）

边石池：洞内的低洼地带有边石池的分布，但边石池内水位明显小于边石池的高度。在边石池的内边缘，可见一条有颜色变化的条带，可见细小的方解石晶体，这是古边石池内的水位标志。在当今气候条件下，边石池内只含有10-30厘米深的池水，且池内没有方解石晶簇的发育，这表明边石池不是当今条件下发育的。

3样品采集与实验方法

4个采样点的6个样本中，3个是位于天龙洞附近3个不同地区的石灰岩样本，，3个是位于本溪县附过太子河的北岸海拔377米处的一处人工挖过的剖面处采得的风化壳样品。

石灰岩的样本由于受人工影响小，较为纯净，在实验室经去离子水清洗处理，砸成粒细粒，过0.063mm筛子作进一步的处理。实验于2014年12月27日在辽宁师范大学色谱实验室完成。具体操作步骤如下：

1.将3个石灰岩样本分別取5g用丹东北源仪器厂生产的SM-1型振动研磨机振动30s后研磨成粒径小于75μm的粉末，置于研磨皿中备用。用毕研磨皿用去离子水洗净，为下个样品的研磨作准备。

2.每个研磨后的石灰岩粉末各取约2.5g.置于压饼上，再将压饼置于丹东北源仪器生产的BP-1压样机上，经40Mpa压力加压60s。制成压模。

3.将压饼处理后的石灰压模上机测试。实验采用的是日本RIGAKU公司的X射线荧光光

谱衍射仪完成，测出化学成分如下表，3个石灰岩样本分别记为TL1，TL2，TL3。而3个风化壳的样本分别从低到高记为TZ1，TZ2，TZ3。

4化学成分分析

从样品上来看，TL1与TL3分别位于天龙洞的入口处的石灰岩壁与著名的本溪水洞洞口附近的石灰岩壁上。TL1与TL3两者不仅海拔大致位于同样的高度上，从化学成分具有高度的一致性石灰岩的主要成分是CaO，在TL1与TL3样本中的的Ca元素的比例分别为40.9%与40.7%，高度一致。作为喀斯特的第二代表元素Mg也在TL1与TL3样本中出现了高度的一致性。采样点TL2位于本溪县的太子河北岸，相比TL1与TL3位于距河岸380米的位置来说长期以来受水的溶蚀作用较强，因此在Ca元素的含量仅为38.9%。由于水中可溶解一定量的C元素，所以碳的含量也比TL1，TL3少。湿润的环境又提供了还原的环境，所以Fe元素的含量达到了1.56%，Al达到了1.48%，明显高于TL1与TL3的0.68%和0.83%。与西南的喀斯特地区的元素相比，Ca元素的比例小于云南石林的60%以上，可证明北方的石灰岩纯度低，发育喀斯特缓慢。

TZ1，TZ2，TZ3是位于风化壳剖面的由低到高的不同的三个样本，此三个风化壳剖面的样本呈现了很显而易见的规律：Ca元素出现了由低到高逐渐增多的趋势，从TZ1的36.0%增加至至42.9%，这一结果是基于白云岩，泥灰岩在长期的地质历史中风化作用沉积下来，尤其是在降水量减少，水动力条件减弱的情况下伴随着水的溶蚀能力减弱而沉积下来的。Fe元素从TZ1的0.07%到TZ2的0.71%，再到最顶层TZ3的1.18%是长期以来气温气温变化下还原作用加强的结果

以辽东本溪县地区所代表的北方喀斯特发育阶段已进入老年期，即Davis所说的侵蚀循环理论中的接近于“夷平面”的时期，喀斯特山地正处于消减，侵蚀的阶段，地壳上升，溶洞位于包气带内。与之对应的气候变化是第三纪的温热的亚热带季风气候到现代的中温带大陆性气候的变化，气候由暖湿转为干冷。

4：流水协同沉积作用的粗糙洞壁

图5：天龙洞内溶蚀作用形成的小型石芽，依洞壁生长，长度多在10CM以下，不规则状。

5.纵向分析与对比

在喀斯特地貌形成的气候因素中，温度和降水是起到重要作用的两个方面，其中降水是重要的方面，根据Ford1等人的针对西伯利亚和北美的研究，在东西伯利亚和北美的高纬度地区，年平均气温很低，但是却存在大量的喀斯特洞穴，甚至还有发育良好的溶沟，石芽等地貌，而这些地貌一般只能在热带和亚热带地区可以被看到。东西伯利亚和北美北部西岸降水量分别为300-500mm和400-1000mm，冻土层的存在使地表处在长年湿润状态，湿润的气候则是形成喀斯特地貌的重要条件。而一些热带地区，如澳大利亚中部，撒哈拉沙漠等地由于气候干旱，温度虽然很高但是缺少降水，极难看到现代喀斯特地貌。当然，温度也是一个形成的因素，但不是决定因素，而是加快和减缓喀斯特作用的辅助因素，如本研究区本溪处于中温带湿润区，年降水量平均为795-860mm之间，降水量稍多的云南石林地区喀斯特地貌则发育更加多样，更为典型，还有现代喀斯特的存在。云南石林地区茅口组的铝离子含量少于0.04，远低于本溪县所采样本的0.68-1.56之间，证明现在本溪县为代表的风化土层处于富铝土化的过程【9】。

本研究区为辽宁省本溪市太子河流域为主，为中温带，在一些地区可以看到大型溶洞，个别地区还可以看到小的溶沟，石芽等。本文通过对几个采样点周围岩石的化学成分分析研究，说明本溪当今气候条件下喀斯特地貌形成是极其缓慢的，随着第四纪以来气候变干变冷以来反应速率也在下降【10】。由此可见本溪地区喀斯特地貌资源在以后相当长的时间内基本维持现状，如破坏很难恢复，加以维护和保护有相当的重要意义。

6結论：

以本溪县天龙洞为代表的北方喀斯特化学过程是Ca，Mg，Fe元素淋失，而AL富集的过程。 21世纪虽然是全球变暖的整体大的趋势，但中国北方地区从第四纪以来的整体长期趋势是气候变干，变冷。气候变干导致的降水减少，温度降低使地层中的Ca，Mg，Fe淋失，现代气候条件下很难再形成大规模的现代喀斯特地貌。喀斯特地貌以它的奇特的景观可作为一种很好的旅游资源，是大自然上万年乃至上百万年的结晶，如破坏则极难恢复原状【10】。针对这些大自然的结晶加以珍惜和保护有至关的重要性【11】.

参考文献：

1.宋林华，洞穴成因与溶蚀作用评述，1985年，443-444

2.高巍，辽宁省本溪市近60年气候变化态势分析，本溪市气象局，2013年第41期。

3.刘明芝，辽东本溪县各地气候差异，本溪气象局文件，2013年第41期。

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7.8薛治国，喀斯特洞穴晶体生长速率的古气候重建意义，喀什师范学院学报， 2014年1月，37-38.

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11高贵龙，喀斯特的呼唤与希望，贵州科技出版社，2003年，29。

12.Atkinson，T.C.1985 Annales de la Soeiete Geologique de Belgique，283-296。

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