现代岩溶学基础第一章.ppt
现代岩溶学基础,现代岩溶学基础,第一篇 普通岩溶学,岩溶形成条件；岩溶形成机理；岩溶形态与环境的关系(岩溶地貌与环境)；洞穴学,现代岩溶学基础,按“地球系统科学”的学术思想，这几种条件不应该分割。单项研究得到的结论，往往会在实际系统中发生矛盾。为叙述方便，我们这里逐一加以分析，但在实际运用时，则必须把地质、气候、水文、植被条件综合起来考虑。,第一章 地质、气候、水文、植被与岩溶形成,第一篇 普通岩溶学,一、岩溶发育的地质条件岩溶发育的地质条件包括：岩性(化学、物理)、地层组合和小构造；第四纪地质和土壤；地壳运动和地质历史等。它们都会影响(或联合)气候、水文和植被条件而导致岩溶形成,第一章 地质、气候、水文、植被与岩溶形成,第一篇 普通岩溶学,一、岩溶发育的地质条件,1.岩石性质(1)矿物、化学成份25C、105pa压力下的溶解度(mg/L),第一篇 普通岩溶学,一、岩溶发育的地质条件,(2)可溶岩物理性质 孔隙度 表1 中国碳酸盐岩物性参数统计表 照片2 加勒比地区第三系碳酸盐岩 孔隙度 16-44%,第一篇 普通岩溶学,照片3 桂林上泥盆灰岩峰林 照片4 Puerto Rico 第三系灰岩溶丘 照片5 广西临桂二塘石炭系白云岩溶丘,一、岩溶发育的地质条件,力学强度(以桂林地区泥盆系碳酸盐岩为例)(单位：kg/cm2),第一篇 普通岩溶学,一、岩溶发育的地质条件,2.节理裂隙 平面的 图3 纵向的 图4 照片6 沿裂隙发育的溶沟3.层组与不同类型构造的组合 碳酸盐与非碳酸盐的层组组合，结合一定的地质构造，常构成特殊的水文条件，控制岩溶发育。图5 黔北，昆明，广西，华北碳酸盐岩层组 图7 缓坡单斜 图8 背斜 图9 断裂 图10 岩浆岩侵入体,第一篇 普通岩溶学,4.地壳运动(1)板块构造：板块边缘，CO2释放 图11 全球板块构造图 照片7 黄龙钙华 照片8 Pamukale,一、岩溶发育的地质条件,第一篇 普通岩溶学,(2)古纬度与古气候.地理如河南新安(洛阳西30km，秦岭大别以北，现为半干旱条件)石炭纪古溶丘洼地图12 新安张窑院石炭系铝土矿开采后暴 露的古溶丘洼地图121 海底岩溶 冰期海平面下降的 影响,一、岩溶发育的地质条件,第一篇 普通岩溶学,(3)地壳抬升或下降 造成裸露，覆盖，埋藏三种不同类型的岩溶 图13 南方岩溶主要类型裸露型岩溶：碳酸盐岩直接同雨水接触，在有利气候条件下，造成丰富多彩的岩溶形态。覆盖型岩溶：土壤为CO2贮存库，造成丰富的土下岩溶形态 照片10,照片10-1土下溶蚀形态(太湖石）埋藏型岩溶：埋藏在非可溶岩之下的岩溶，在深源CO2影响下发育岩溶,一、岩溶发育的地质条件,第一篇 普通岩溶学,二、岩溶发育的气候条件,二、岩溶发育的气候条件 1.宏观气候：降水、气温(纬度、高程)，气温和降水的匹配情况(1)溶蚀观测：图15 中国年平均降水分布图 图16 全国溶蚀观测点分布图 图17,图17-1,17-2,17-3观测装置 图18 观测结果(东西向)图19 观测结果,第一篇 普通岩溶学,第一篇 普通岩溶学,(2)宏观地貌：峰林地形分布 照片11 峰林地形 图20 中国峰林地形分布图 照片12 秦岭南坡峰林地形 照片13 北京长城地区石灰岩地貌(3)微观地貌：溶痕 照片14 天津蓟县溶痕 照片15 山东淄博溶痕 照片16 石林溶痕,二、岩溶发育的气候条件,第一篇 普通岩溶学,(4)水热配套问题 季风气候：水热配套，夏季为雨季，冬季 为旱季 地中海气候：夏季干旱，冬季多雨 照片17 土耳其岩溶地貌 照片18 Slovenia大洞2.微观气候：洼地：(1)CO2浓度升高 图21(2)气温降低 图22,二、岩溶发育的气候条件,（3）洞内小气候 图23“烟窗效应”造成洞内气流（4）风向对岩溶地貌发育的影响 照片19 Puerto Rico 东风、降雨造成 东缓西陡的不对称峰林地形 图24 不对称峰林成因示意图,第一篇 普通岩溶学,3.与气候有关的其它因素对岩溶发育的影响(1)植被，这是与气候有密切关系的因素，但在同样气候条件下，植被好坏会影响碳循环的强度，从而影响岩溶发育。(2)古气候变化的影响 例如：末次冰期，大陆冰盖及多年冻土对岩溶发育的影响 图25，末次盛冰期大陆冰盖及多年冻土分布范围 照片20,英国灰岩冰溜面,第一篇 普通岩溶学,(3)古水文条件 冰期间冰期的海平面升降，对水动力条件和岩溶发育的影响 图26，海底淡水泉示意图 图27，桂林漓江河底深槽,第一篇 普通岩溶学,三.岩溶发育的水文条件 1.水在岩溶发育过程中的2个作用(1)作为CO2载体的化学作用(2)水本身的机械能 外源水和内源水 外源水(Allogenic water)：由非可溶岩地区汇集进入岩溶地区的水，一般硬度较低，侵蚀性较强。,三.岩溶发育的水文条件,第一篇 普通岩溶学,内源水(Autogenic water)：在一个完全由可溶岩构成的岩溶系统中产生的水流。一般有较高的硬度，侵蚀性较低图28，外源水和内源水 图29，桂林市附近不同类型水的方解石饱和指数(外源水和内源水的比较),三.岩溶发育的水文条件,第一篇 普通岩溶学,2.水文条件和宏观岩溶地貌(桂林为例)外源水对桂林峰林地形发育的重要影响 照片21，桂林峰林地形 图31，桂东北、湘南可溶岩与非可溶岩的 空间分布格局 照片22，冲蚀的现象(边槽、流痕)照片23，大型边槽,三.岩溶发育的水文条件,第一篇 普通岩溶学,3.水文条件和洞穴发育(美国猛玛洞为例)猛玛洞位于肯塔基州，在100多平方千米范围内，有607(2005年)千米洞穴。至今保持着世界最长洞穴系统的记录。年降水1200mm，年平均气温14。水文条件对猛玛洞洞穴系统的发育起了关键作用。图32，猛玛洞洞穴系统 照片24，猛玛洞廊道 图33，猛玛洞地质剖面(盖层，底层非可 溶岩对水文条件的影响)照片25，自盖层流下的外源水的冲刷作 用造成深竖井,三.岩溶发育的水文条件,第一篇 普通岩溶学,4.水动力条件和岩溶发育深度 图34，不同水动力条件下的喀斯特发育模式图36，广西都安地苏地下河位置与地貌的关系,三.岩溶发育的水文条件,第一篇 普通岩溶学,5.古水文条件的恢复：波痕(贝窝)的研究照片26，洞穴中不同尺寸的波痕古水流方向和速度的研究图37，波痕(贝窝)的平剖面图V=Re(K/L)V波痕形成时的流速 L波长 K水的运动粘滞性，随深度的增加而 减小，如下表：Re雷诺指数，据流痕波长和洞径(D)关系查 曲线而得,三.岩溶发育的水文条件,第一篇 普通岩溶学,三.岩溶发育的水文条件,第一篇 普通岩溶学,图38，Re与D/L关系曲线,1.岩溶形成的总体影响（1）通过产生大量CO2，增强岩溶作用 大气CO2 350ppm，土壤2000-100,000ppm 纯水对CaCO3的溶解度 方解石 25C 14mg/L 文 石 25C 15.3mg/L实际上：柳州 21C 345.11mg/L 济南 18C 295mg/L 保德 13C 303mg/L 伊春 8C 207mg/L土壤与大气中溶蚀量对比 图39广州伊春 图40石林（2）酶的作用 图41岩溶动力系统 图43 CA的催化作用（3）蓝藻细菌丝,四、植被(生物作用)与岩溶发育,第一篇 普通岩溶学,2.植被的直接作用我国大陆碳酸盐岩多为三叠纪以前地层，岩性坚硬、致密，灰岩孔隙度1%，白云岩孔隙度5%，石峰陡峻，岩石本身持水性差 国外一些第三纪碳酸盐岩，孔隙度可达16-44%，石峰圆浑，岩石本身有一定持水性但坚硬碳酸盐岩在地衣、藻类作用下，可增大孔隙度和持水性，支持植被生长，起到土壤的作用。照片31 照片32溶盘 照片33念珠藻哈尼 照片34钻孔藻 照片35钻孔藻 照片36钻孔藻 照片37藻类繁衍后的石灰岩，其持水性可增大17.6倍 照片38地衣繁衍后，吸水量可增大3.9倍 照片39苔藓植物繁衍后，吸水量可增大58.2倍 照片40藻、苔藓钻孔后 持水 支持乔木生长情况,四、植被(生物作用)与岩溶发育,第一篇 普通岩溶学,1，考虑地质、气候、水文、植被条件对岩溶发育的协同作用例如：（1）干旱地区是否发育洞穴？美国Nevada沙漠区的Lehman洞 照片47，Nevada沙漠边缘山区积雪 照片48，Lehman洞平面图（2）寒冷地区(冰川下)的岩溶加拿大洛矶山区Castleguard洞(长18km)图45，Castleguard洞穴系统与冰川的关系照片49，Castleguard地下通道照片50，Castleguard 洞内冰柱照片51，Castleguard 洞内方形穴珠,五.小结,第一篇 普通岩溶学,2，岩溶形态组合 对比各种环境条件对岩溶发育的影响时要综合分析各种岩溶形态(宏观、微观、地表、地下，溶化、沉积形态)图46 岩溶形态组合表(第3章还要讲),五.小结,第一篇 普通岩溶学,照片1澳大利亚Wudina花岗岩大溶坑,照片2辽宁太子河水洞,图1水洞地下河平剖面图,图2太子河流域构造与碳酸盐岩分布 情况,表1 中国碳酸盐岩物性参数统计表,照片21 加勒比地区第三系碳酸盐岩 孔隙度 16-44%,照片3 桂林上泥盆灰岩峰林,照片4 Puerto Rico 第三系灰岩溶丘,平面的 纵向的 地质构造,图3,图4,图5 黔北，昆明，广西，华北 碳酸盐岩层组,图6 褶皱型式和岩溶水文系统的关系,图7 广西河池流水岩地质剖面示意图,单斜,图8 四川江北龙王洞背斜轴暗河,图 9,断裂,图10,岩浆岩侵入体,图11 全球板块构造图,照片7 四川，松潘县黄龙钙华,照片8 Pamukale钙华，土尔其,图12 新安张窑院石炭系铝土矿开采后暴露的古溶丘洼地,图13 南方岩溶主要类型,照片10 土下溶蚀形态,照片10-1 太湖石,图14油气田深源CO2来源示意图,图15 中国年平均降水分布图,图16 全国溶蚀观测点分布图,观测装置,图17,图17-1,图17-2,图17-3,图18 观测结果(东西向),图19 观测结果,照片11 峰林地形,图20 中国峰林地形分布图,照片12 秦岭南坡峰林地形,照片13 北京长城地区石灰岩地貌,照片14 天津蓟县溶痕,照片15 山东淄博溶痕,照片16 石林溶痕,照片17 土耳其岩溶地貌,照片18 斯斯洛文尼亚大洞,微观气候,图21 洼地、坡地和垭口白天、夜晚大气CO2空间分布特征之对比(a)白天正午前后(b)凌晨日出前,微观气候,图 23 烟窗效应,照片19，Puerto Rico 东风、降雨造成东 缓西陡的不对称峰林地形,图24，不对称峰林成因示意图,图25，末次盛冰期大陆冰盖及多年冻土分布范围,照片20 英国灰岩冰溜面,图26，海底淡水泉示意图,图27，桂林漓江河底深槽,图28，外源水和内源水,图29，桂林市附近不同类型水的方解石饱和指数(外源水和内源水的比较),照片21，桂林峰林地形,图31，桂东北、湘南可溶岩与非可溶岩的空间分布格局,照片22，外源水冲蚀的现象(边槽、流痕),照片23，大型边槽,图32，猛玛洞洞穴系统,照片24，猛玛洞廊道,图33，猛玛洞地质剖面,照片25，自盖层流下的外源水的 冲刷作用造成深竖井,图36，广西都安地苏地下河位置与地貌的关系,照片26，洞穴中不同尺寸的波痕,图37，波痕(贝窝)的平剖面图,图38，Re与D/L关系曲线,图41 岩溶动力系统,图43 CA的催化作用,照片29 菲律宾宝和岛馒头状峰,照片30 大孔隙碳酸盐岩岩芯,照片31 藻类钻孔的石灰岩表面,照片32 溶盘,照片34 钻孔藻,照片35 钻孔藻,照片36 钻孔藻,照片41山火,照片44 过多浸水,照片45 过多浸水，石灰岩表面变白色,照片46 洞口向光性钟乳石,照片461 兰藻细菌丝（黄色）光合作用导致其生物膜（绿色）钙化为碳酸钙，形成钙质叠层石。最近发现这一过程仅发生在DIC低，而Ca含量高的水体中（Science,2001年6月1日，p1701）,图44 万华岩地下河流域的地质水文条件,照片47 Nevada沙漠边缘山区积雪,照片48 Lehman洞平面图,图45 Castleguard洞穴系统与冰川的关系,照片49，Castleguard地下通道,照片50，Castleguard 洞内冰柱,照片51，Castleguard 洞内方形穴珠,图46 岩溶形态组合表(第3章还要讲),
