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1、现代岩溶学基础,刘子琦 michelle-,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
2、、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、)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(Au
8、togenic 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(2
9、005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
10、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
11、 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
12、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,Castlegu
13、ard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%
14、,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
15、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
16、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3
17、8,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),
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