现代岩溶学基础第一章.ppt

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1、现现代代岩岩溶溶学学基基础础 刘子琦刘子琦michelle-现代岩溶学基础现代岩溶学基础第第一一篇篇普普通通岩岩溶溶学学|岩溶形成条件；岩溶形成条件；|岩溶形成机理；岩溶形成机理；|岩岩溶溶形形态态与与环环境境的的关关系系(岩岩溶溶地地貌貌与环境与环境)；|洞穴学洞穴学现代岩溶学基础现代岩溶学基础|按按“地地球球系系统统科科学学”的的学学术术思思想想，这这几几种种条条件件不不应应该该分分割割。单单项项研研究究得得到到的的结结论论，往往往往会会在在实实际际系系统统中中发发生生矛矛盾盾。为为叙叙述述方方便便，我我们们这这里里逐逐一一加加以以分分析析，但但在在实实际际运运用用时时，则则必必须须把把地

2、地质质、气气候候、水水文文、植植被条件综合起来考虑。被条件综合起来考虑。第第一一章章地地质质、气气候候、水水文文、植植被被与与岩岩溶溶形形成成第一篇第一篇 普通岩溶学普通岩溶学一、岩溶发育的地质条件一、岩溶发育的地质条件|岩溶发育的地质条件包括：岩性岩溶发育的地质条件包括：岩性(化学、物理化学、物理)、地层组合和小构造；、地层组合和小构造；第四纪地质和土壤；地壳运动和地第四纪地质和土壤；地壳运动和地质历史等。它们都会影响质历史等。它们都会影响(或联合或联合)气候、水文和植被条件而导致岩溶气候、水文和植被条件而导致岩溶形成形成第第一一章章地地质质、气气候候、水水文文、植植被被与与岩岩溶溶形形成成

3、第一篇第一篇 普通岩溶学普通岩溶学一一、岩岩溶溶发发育育的的地地质质条条件件1.岩石性质岩石性质(1)矿物、化学成份矿物、化学成份25C、105pa压力下的溶解度压力下的溶解度(mg/L)三水铝石三水铝石Al2O32H2O0.001石英石英SiO212非晶硅非晶硅SiO2120方解石方解石CaCO3100(Pco2=10-3bar)500(Pco2=10-1bar)白云石白云石CaMg(CO3)290(Pco2=10-3bar)480(Pco2=10-1bar)石膏石膏CaSO4.2H2O2400钾盐钾盐KCl264,000芒硝芒硝Na2SO410H2O280,000食盐食盐NaCl360,0

4、00第一篇第一篇 普通岩溶学普通岩溶学 一一、岩岩溶溶发发育育的的地地质质条条件件|(2)可溶岩物理性质可溶岩物理性质z 孔隙度孔隙度表表1中国碳酸盐岩物性参数统计表中国碳酸盐岩物性参数统计表照片照片2加勒比地区第三系碳酸盐岩加勒比地区第三系碳酸盐岩孔隙度孔隙度16-44%第一篇第一篇 普通岩溶学普通岩溶学 照片照片3桂林上泥盆灰岩峰林桂林上泥盆灰岩峰林照片照片4PuertoRico第三系灰岩溶丘第三系灰岩溶丘照片照片5广西临桂二塘石炭系白云岩溶丘广西临桂二塘石炭系白云岩溶丘一一、岩岩溶溶发发育育的的地地质质条条件件z力学强度力学强度(以桂林地区泥盆系碳酸盐以桂林地区泥盆系碳酸盐岩为例岩为例)

5、单位：单位：kg/cm2)岩岩性性平均抗压强度平均抗压强度平均抗拉强度平均抗拉强度泥晶灰岩泥晶灰岩133134亮晶灰岩亮晶灰岩112736白云岩白云岩113932硬石膏硬石膏220-800第一篇第一篇 普通岩溶学普通岩溶学一一、岩岩溶溶发发育育的的地地质质条条件件2.2.节理裂隙节理裂隙平面的平面的图图3纵向的纵向的图图4照片照片6沿裂隙发育的溶沟沿裂隙发育的溶沟3.3.层组与不同类型构造的组合层组与不同类型构造的组合碳碳酸酸盐盐与与非非碳碳酸酸盐盐的的层层组组组组合合，结结合合一一定定的的地地质质构构造造，常常构构成成特特殊殊的的水水文文条条件件，控制岩溶发育。控制岩溶发育。图图5黔黔北北

6、昆昆明明，广广西西，华华北北碳碳酸酸盐盐岩层组岩层组图图7缓坡单斜缓坡单斜图图8背斜背斜图图9断裂断裂图图10岩浆岩侵入体岩浆岩侵入体第一篇第一篇 普通岩溶学普通岩溶学 4.4.地壳运动地壳运动(1)(1)板块构造：板块边缘，板块构造：板块边缘，COCO2 2释放释放图图11全球板块构造图全球板块构造图照片照片7黄龙钙华黄龙钙华照片照片8Pamukale一一、岩岩溶溶发发育育的的地地质质条条件件第一篇第一篇 普通岩溶学普通岩溶学(2)古纬度与古气候古纬度与古气候.地理地理如河南新安如河南新安(洛阳西洛阳西30km，秦岭大别以，秦岭大别以北，现为半干旱条件北，现为半干旱条件)石炭纪古溶丘石炭纪

7、古溶丘洼地洼地图图12新安张窑院石炭系铝土矿开采后新安张窑院石炭系铝土矿开采后暴暴露的古溶丘洼地露的古溶丘洼地图图121海底岩溶海底岩溶冰期海平面下降冰期海平面下降的的影响影响一一、岩岩溶溶发发育育的的地地质质条条件件第一篇第一篇 普通岩溶学普通岩溶学(3)(3)地壳抬升或下降地壳抬升或下降造造成成裸裸露露，覆覆盖盖，埋埋藏藏三三种种不不同同类类型型的岩溶的岩溶图图13南方岩溶主要类型南方岩溶主要类型裸裸露露型型岩岩溶溶：碳碳酸酸盐盐岩岩直直接接同同雨雨水水接接触触，在在有有利利气气候候条条件件下下，造造成成丰丰富富多多彩彩的的岩岩溶溶形态。形态。覆覆盖盖型型岩岩溶溶：土土壤壤为为CO2贮贮存

8、存库库，造造成成丰富的土下岩溶形态丰富的土下岩溶形态照片照片10,照片照片10-1土下溶蚀形态土下溶蚀形态(太湖石）太湖石）埋埋藏藏型型岩岩溶溶：埋埋藏藏在在非非可可溶溶岩岩之之下下的的岩岩溶溶，在深源在深源CO2影响下发育岩溶影响下发育岩溶一一、岩岩溶溶发发育育的的地地质质条条件件第一篇第一篇 普通岩溶学普通岩溶学二二、岩岩溶溶发发育育的的气气候候条条件件二、岩溶发育的气候条件二、岩溶发育的气候条件1.宏观气候：宏观气候：降水、气温降水、气温(纬度、高程纬度、高程)，气温，气温和降水的匹配情况和降水的匹配情况(1)溶蚀观测：溶蚀观测：图图15中国年平均降水分布图中国年平均降水分布图图图16全

9、国溶蚀观测点分布图全国溶蚀观测点分布图图图17,图图17-1,17-2,17-3观观测测装装置置图图18观测结果观测结果(东西向东西向)图图19观测结果观测结果第一篇第一篇 普通岩溶学普通岩溶学第一篇第一篇 普通岩溶学普通岩溶学(2)宏观地貌：宏观地貌：峰林地形分布峰林地形分布照片照片11峰林地形峰林地形图图20中国峰林地形分布图中国峰林地形分布图照片照片12秦岭南坡峰林地形秦岭南坡峰林地形照照片片13北北京京长长城城地地区区石石灰灰岩岩地地貌貌(3)微观地貌：溶痕微观地貌：溶痕照片照片14天津蓟县溶痕天津蓟县溶痕照片照片15山东淄博溶痕山东淄博溶痕照片照片16石林溶痕石林溶痕二二、岩岩溶溶发

10、发育育的的气气候候条条件件第一篇第一篇 普通岩溶学普通岩溶学(4)水热配套问题水热配套问题季季风风气气候候：水水热热配配套套，夏夏季季为为雨雨季，冬季季，冬季为旱季为旱季地中海气候地中海气候：夏季干旱，冬季多雨：夏季干旱，冬季多雨照片照片17土耳其岩溶地貌土耳其岩溶地貌照片照片18Slovenia大洞大洞2.微观气候：微观气候：洼地：洼地：(1)CO2浓度升高浓度升高图图21(2)气温降低气温降低图图22二二、岩岩溶溶发发育育的的气气候候条条件件（3）洞内小气候）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）风向对岩溶地貌发育的影响照片19PuertoRico东风、降

11、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第一篇 普通岩溶学普通岩溶学3.与与气气候候有有关关的的其其它它因因素素对对岩岩溶溶发发育的影响育的影响(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第一篇 普通岩溶学普通岩溶学(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第一篇 普通岩溶学普通岩溶学三.

12、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(Allogenicwater)：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第一篇 普通岩溶学普通岩溶学内源水(Autogenicwater)：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第一篇 普通岩溶学普通岩溶学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

13、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第一篇 普通岩溶学普通岩溶学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第一篇

14、 普通岩溶学普通岩溶学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第一篇 普通岩溶学普通岩溶学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第一篇 普通岩溶学普通岩溶学温度温度()051015202530K0.01790.01520.01310.01140.010

15、0090.008三.岩溶发育的水文条件第一篇第一篇 普通岩溶学普通岩溶学图38，Re与D/L关系曲线1.1.岩溶形成的总体影响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CO2350ppm，土壤2000-100,000ppm纯水对CaCO3的溶解度方解石25C14mg/L文石25C15.3mg/L实际上：柳州21C345.11mg/L济南18C295mg/L保德13C303mg/L伊春8C207mg/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43CA的催化作用（3）蓝藻细菌丝四四、植植被被(生生物物作作用用)与与岩岩溶溶发发育育第一篇第

16、一篇 普通岩溶学普通岩溶学2.2.植被的直接作用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

17、四、植植被被(生生物物作作用用)与与岩岩溶溶发发育育第一篇第一篇 普通岩溶学普通岩溶学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.小结第一篇第一篇 普通岩溶学普通岩溶学2，岩溶形态组合对比各

18、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.小结第一篇第一篇 普通岩溶学普通岩溶学照片照片1澳大利亚澳大利亚Wudina花岗岩大溶坑花岗岩大溶坑照片照片2辽宁太子河水洞辽宁太子河水洞图图1水洞地下河平剖面图水洞地下河平剖面图图图2太子河流域构造与碳酸盐岩分布太子河流域构造与碳酸盐岩分布情况情况表表1中国碳酸盐岩物性参数统计表中国碳酸盐岩物性参数统计表照片照片21加勒比地区第三系碳酸盐岩加勒比地区第三系碳酸盐岩孔隙度孔隙度16-44%照片照片3桂林上泥盆灰岩峰林桂林上泥盆灰岩峰林照片照片4PuertoRico

19、第三系灰岩溶丘第三系灰岩溶丘平面的平面的纵向的纵向的 地质构造地质构造图图3图图4图图5黔北，昆明，黔北，昆明，广西，华北广西，华北碳酸盐岩层组碳酸盐岩层组图图6褶皱型式和岩溶水文系统的关系褶皱型式和岩溶水文系统的关系图图7广西河池流水岩地质剖面示意图广西河池流水岩地质剖面示意图单斜单斜图图8四川江北龙王洞背斜轴暗河四川江北龙王洞背斜轴暗河图图9断裂断裂图图10岩浆岩侵入体岩浆岩侵入体图图11全球板块构造图全球板块构造图照片照片7四川，松潘县黄龙钙华四川，松潘县黄龙钙华照片照片8Pamukale钙华，土尔其钙华，土尔其图图12新安张窑院石炭系铝土矿开采后暴露的古溶丘洼地新安张窑院石炭系铝土矿开

20、采后暴露的古溶丘洼地图图13南南方方岩岩溶溶主主要要类类型型照照片片10土土下下溶溶蚀蚀形形态态照片照片10-1太湖石太湖石图图14油油气气田田深深源源CO2来来源源示示意意图图图图15中国年平均降水分布图中国年平均降水分布图图图16全全国国溶溶蚀蚀观观测测点点分分布布图图观测装置观测装置图图17图图17-1图图17-2图图17-3图图1 18 8 观观测测结结果果(东东西西向向)图图19观观测测结结果果照照片片1111 峰峰林林地地形形图图20中国峰林地形分布图中国峰林地形分布图照片照片12秦岭南坡峰林地形秦岭南坡峰林地形照照片片13 13 北北京京长长城城地地区区石石灰灰岩岩地地貌貌照照片

21、片14 14 天天津津蓟蓟县县溶溶痕痕照照片片15 15 山山东东淄淄博博溶溶痕痕照照片片1616 石石林林溶溶痕痕 照照片片1717 土土耳耳其其岩岩溶溶地地貌貌照照片片1818 斯斯斯斯洛洛文文尼尼亚亚大大洞洞微观气候微观气候图图21 21 洼地、坡地和垭口白天、夜晚洼地、坡地和垭口白天、夜晚大气大气COCO2 2空间分布特征之对比空间分布特征之对比 (a)(a)白天正午前后白天正午前后 (b)(b)凌晨日出前凌晨日出前 微观气候微观气候图图23烟窗效应烟窗效应照片照片19，PuertoRico东风、降雨造成东东风、降雨造成东缓西陡的不对称峰林地形缓西陡的不对称峰林地形图图24，不不对对

22、称称 峰峰 林林成成 因因 示示 意意图图图图25，末次盛冰期大陆冰盖及多年冻土分布范围末次盛冰期大陆冰盖及多年冻土分布范围照片照片20英国灰岩冰溜面英国灰岩冰溜面图图26，海底淡水泉示意图海底淡水泉示意图图图27，桂林漓江河底深槽，桂林漓江河底深槽图图28，外源水和内源水外源水和内源水图图29，桂桂林林市市附附近近不不同同类类型型水水的的方方解解石石饱饱和指数和指数(外源水和内源水的比较外源水和内源水的比较)照片照片21，桂林峰林地形桂林峰林地形图31，桂东北、湘南可溶岩与非可溶岩的空间分布格局照片照片22，外源水冲蚀的现象外源水冲蚀的现象(边槽、流痕边槽、流痕)照片照片23，大型边槽大型边

23、槽图32，猛玛洞洞穴系统照片照片24，猛玛洞廊道，猛玛洞廊道图33，猛玛洞地质剖面照片照片25，自盖层流下的外源水的自盖层流下的外源水的冲刷作用造成深竖井冲刷作用造成深竖井图图36，广西都安地苏地下河位置与地貌的关系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43CA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照片32溶盘溶盘照片34钻孔藻照片35钻孔藻照片36钻孔藻照片照片41山火山火照片照片44过多浸水过多浸水照片照片45过多浸水，石灰岩表面变白色过多浸水，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47Nevada沙漠边缘山区积雪照片48Lehman洞平面图图45Castleguard洞穴系统与冰川的关系照片49，Castleguard地下通道照片50，Castleguard洞内冰柱照片照片51，Castleguard洞内方形穴珠洞内方形穴珠图图46岩溶形态组合表岩溶形态组合表(第第3章还要讲章还要讲)