喀斯特地貌的形成演化机制及其危害防治

2021-09-03欧阳军勇

甘肃科技 2021年14期

欧阳军勇

（东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，江西南昌 330013）

1 什么是喀斯特地貌

喀斯特地貌即是岩溶地貌的总称[1]，岩溶是指可溶性岩石，特别是碳酸盐岩（如石灰岩、石膏等），在水和大气中CO2的参与情况下[2-3]，将可溶性岩石剥蚀和搬运、沉积作用而形成的独特地貌。剥蚀作用可分为化学溶蚀作用和机械冲刷。化学溶蚀作用是大气中二氧化碳参与下，可溶性岩石溶于水中，形成溶液搬运迁移；机械冲刷作用是指在水动力的作用下，岩石机械破碎形成碎屑物，在水的荷载作用下，搬运迁移。一般而言，喀斯特地貌是两种剥蚀作用共同努力下形成的奇特地貌；地下溶洞在前期发育，地下运移通道狭窄，水流速度慢，水动力弱，以化学溶蚀为主；后期因化学溶蚀或地穴崩塌，使运移通道扩大，水动力增强，以机械冲刷为主。

“喀斯特”最早源自南斯拉夫西北部分大面积石灰岩的地名，他的德语叫作katst，后被戴维斯将喀斯特循环学说引入我国，用来描述我国岩溶形成的地貌。喀斯特地貌在我国分布广泛，主要集中于华南与西南，在山东，吉林，辽宁等也广泛发育。云南以石林闻名天下[4-5]；广西桂林[6]，以溶洞为主，如七星岩、丰鱼岩等；阳朔石芽、石林、峰林、天生桥举世闻名；贵州黄果山瀑布、织金洞；浙江的瑶林洞；江苏宜兴石灰岩溶洞[7]。

不同的历史时期，喀斯特地貌演化阶段和演化过程不同[8]，真正的个体形态各异，根据不同的个体形态，喀斯特地貌分为：溶沟石芽、峰丛、峰林、孤峰、落水洞、溶斗、干谷、溶洞、溶蚀谷、天生桥、喀斯特洼地和喀斯特平原等[9-10]。

2 喀斯特形成的四大条件

喀斯特的形成有四大基本条件：岩石的可溶性、岩石的透水性、水的参与、水的流动性。

2.1 岩石的可溶性

岩石的可溶性，是喀斯特地貌形成的基础之一。在自然体系下，可溶性岩石在水的参与下，经过化学溶蚀和机械冲刷，形成独有的奇特地貌。岩石的可溶性，是岩石自身组成所决定的，如碳酸盐岩、盐岩等，根据本身的化学组成和矿物成分，在自然体制下，易溶于水，从而受到水的作用，形成喀斯特地貌。

2.2 岩石的透水性

喀斯特地貌需要水的参与，水作为一种溶融介质和运移载体，在喀斯特形成地貌中，占据主导地位。喀斯特地貌的形成，是水作用和水运移下形成的结果。只有岩石的透水性良好，水才能充分渗透，参与喀斯特地貌的形成演化过程。

岩石的透水性受到内在、外在因素的影响：

①不同岩性的岩石，形成的致密程度和胶结程度不同而透水情况不同。一般而言，岩石胶结程度好致密的岩石类型，如花岗岩类、变质岩类、火成岩类，透水性差，是很好的隔水层；疏松的岩石类型，沉积岩、碎屑岩、蚀变岩、碎裂岩等，透水性较好。

②岩石的孔隙、裂隙和溶洞洞穴，对岩石的透水性，有很大的影响，岩石的孔隙是岩石透水性的主要原因。

③岩石受构造破裂，增加岩石的孔隙度，使岩石的透水性增加。

④岩石的颗粒颗度、磨圆、分选等皆对岩石透水性有重要影响。岩石颗粒大、分选好、磨图好，岩石的透水性高。

2.3 水的参与

在水溶解作用下，可溶性岩石溶于水中，形成溶液，被水荷载迁移或者被水机械冲刷，破碎成碎屑物，在水动力作用下搬迁运移，形成喀斯特地貌。不同喀斯特地貌的演化过程，都有水的参与。地表水平发育峰丛峰林孤峰的演化过程，是大气降雨参与的结果。在大气降雨下，水溶解大气中的CO2，导致雨水偏酸性，使碳酸盐岩溶蚀，形成水的溶液，迁移搬运；大气降雨也使碳酸盐岩受到机械冲刷，岩石破碎，碎屑被水动力带走。地表喀斯特地貌的演化，是水的溶蚀和水的机械冲刷共同作用的结果。而地下溶洞，发育在潜水面，前期在水的参与下，以水的溶蚀作用为主，后期以机械冲刷为主。地下溶洞中，前期水的运移通道狭窄，水流量小，水动力弱，水的流速慢，大气中的CO2溶解在水中，形成偏酸性的稀酸溶液，碳酸盐岩溶解度增加，如CaCO3在酸溶液中，形成易溶于水的Ca+离子和HCO3-离子。当含有Ca2+离子和HCO3-离子的水溶液，在自然化学条件下，对环境影敏感，如温度、PH 值、压力等条件变化时，使HCO3-又重新释放CO2气体，与水溶液中Ca2+离子重新结合形成新的石灰岩。这种溶蚀作用，在地下溶洞尤为常见，形成独有的喀斯特溶洞地貌，如石笋、石钟乳、石柱，石崖等。

2.4 水的流动性

只有流动的水，才能将溶解在水中的钙离子和碳酸氢根离子迁移走，也才能坚持不断的溶蚀岩石形成喀斯特地貌。如果水是静止的，可溶性岩石在水中的溶解度是一定的，当溶解达到平衡时，溶液饱和，岩石不在溶解。只有流动的水，才能将溶液带走，使溶解持续进行。

3 喀斯特地貌形成演化机制

喀斯特地貌一般发育碳酸盐岩区域内，其反应机理是：大气中的CO2溶入水中，形成偏酸性的水溶液，而酸性水溶液与灰岩中的CaCO3反应，生成溶解于水的Ca(HCO3)2溶液，被流动的水带离迁移，使反应持续不断的进行，化学反应式：

当一定的水岩条件变化时，如Ph 值、温度、压力等变化，使反应向左偏移，将HCO3-中的CO2释放，又开始形成CaCO3，如石笋，石钟乳等。

喀斯特形成演化阶段，先从可溶性岩石构造面发育，如破裂面、节理面、裂缝等，在大气降雨量大的地区，雨水随着水平的裂缝渗透[11]，将可溶性岩石溶解，并以溶液形式带走，使节理、破裂发育的水平裂隙逐渐加宽加深，形成石骨嶙峋，沟壑纵横的地形，其中溶蚀沟称为溶沟，突起成为石芽。当溶沟石芽进一步溶蚀发育成群者，且形体高峻，沟坡竖立，称为石林。石林进一步溶蚀和受水的机械冲刷形成峰顶尖锐或成圆锥状，突出而基部相连，宏观上似簇状者的峰丛。峰从再进一步发育，基部仅稍许相连，称为峰林。当基部完全断开，孤立于喀斯特平原之上，峰体上部挺直高大，称为孤峰；孤锋是喀斯特地貌水平裂隙发育到晚期的结果[12]。

喀斯特沿垂直裂隙发育演化，地表水沿垂直裂隙向下剥蚀，形成向下的水的流动通道，在水的溶蚀和冲刷作用下，直立或者陡倾斜的流动通道扩大加深，使联通地下水或地下溶洞，成为地表水渗入地下的流动通道，称为落水洞。当落水洞下部的溶蚀形成大小不一的溶洞时，上部承重压力便溶洞塌陷，形成溶斗。溶斗堵塞积水可形成喀斯特湖泊[13]。另外溶斗扩大，相邻溶斗连续合并，形成统一的盆状洼地，称为喀斯特洼地。当地壳长期保持稳定清晰，侵向溶蚀充分进行，喀斯特可发展成为高程低、面积大的广阔平原，称为喀斯特平原。

地下溶洞的演化。地下水沿可溶性岩层的构造面流动，使岩石剥蚀、崩塌形成地下洞穴。初期时，裂隙通道小，地下水运动缓慢，以溶蚀为主，随后空洞扩大，互相串通，水流量加大，动能增加，引起冲刷。如果地壳上升，潜水面下降，沿地下水面发育的溶洞可被抬升形成干洞。当溶洞因上部荷载引起洞顶塌陷而暴露于地表，可形成两壁陡峭的谷地，称为溶蚀谷。地下河洞顶如有局部残留，可构成天生桥。

4 喀斯特地貌危害和防治

4.1 喀斯特地貌的危害

世界上大多数大洞穴都是发育在喀斯特地区。溶沟、峰丛、峰林、孤立峰、天生桥等均是喀斯特地貌特有的地形。喀斯特地貌是一种珍贵的旅游地质资源，然而，喀斯特地貌具有重大危险隐患。

喀斯特地区地层都是岩溶洞穴堆积物，堆积物多具有松软、松散、性脆、多孔、含水量高、沉降量大、强度低、稳定性差的特点，对工程构建物稳定性危害极大。如岩溶洼地、谷地，易受洪水冲刷，淹没桥梁及路基；溶蚀洼地积水，浸泡路堤，引起路堤下沉或坍塌等；雨季时，路基基底涌水，使路堤坍塌或冲毁，影响施工；桥梁基坑水位高，造成排水困难，易引起基坑坍塌[14-17]。工程隧道通过岩溶地区，引起大量涌水，且伴随着涌泥、涌砂，增大施工难度及不-安全因素[18-20]。溶洞顶板过薄，不能承受荷载，引起洞穴坍塌[21-23]。

近年来，国内外岩溶坍塌的研究现状及发展，概述了岩溶坍塌的三大形成条件：一定发育程度的岩溶洞穴，上覆盖层，岩溶地下水系统。岩溶塌陷具有极大的危害性和突发性，又是一个喀斯特地貌分布区域广泛的国家[24]，因此岩溶洞穴坍塌，是我国主要面临的地质自然灾害，有必要对喀斯特进行深入研究，发现中国岩溶塌陷的时空规律及发育特点，做到对岩溶塌陷的预测预防，防灾减灾。