喀斯特地貌:由石灰岩构成的地形地貌

喀斯特地貌是一种由石灰岩组成的地形。石灰石,也称为白垩或碳酸钙,是一种溶于水的软岩。随着雨水渗入岩石,它会慢慢侵蚀。喀斯特地貌可以从顶部磨损或从岩石内部的薄弱点开始溶解。喀斯特这个词最早来源于喀斯特地区,这里是位于斯诺文尼亚的利亚斯特湾东北部的喀斯特地区的石灰岩区,但是现在已经变成一种类似地貌的专有地质名词。

我国云南的石林是世界上最著名最显著的喀斯特地貌
我国云南的石林是世界上最著名最显著的喀斯特地貌

喀斯特地貌以洞穴、地下溪流和地表的天坑为主要地形特色。在侵蚀比较严重的地方,可以看到陡峭的岩石悬崖。

其中世界上喀斯特地貌的代表地区就是我国云南省的石林,这里因侵蚀形成的高大岩石形似石树而得名。石林是更大的喀斯特地貌的一部分,称为华南喀斯特,分布在中国广西、贵州和云南等省。除此之外,喀斯特地貌在全世界各地都有广泛分布,包括法国的卡斯;墨西哥的尤卡坦半岛;以及美国的中西部、肯塔基州和佛罗里达州等地方。

喀斯特地貌的形成原理

当雨水穿过地球大气层吸收二氧化碳(CO2)时,会形成导致岩溶特征的碳酸,二氧化碳(CO2)很容易溶解在水中。一旦雨水到达地面,它可能会穿过提供土壤呼吸产生的额外CO2的土壤。一些溶解的二氧化碳与水反应形成弱碳酸溶液,从而溶解碳酸钙。石灰石溶解的主要反应顺序如下:

H2O+CO2→H2CO3
CaCO3+H2CO3→Ca2++2HCO3

在非常罕见的情况下,氧化可以发挥作用。氧化在美国新墨西哥州[25]古代Lechuguilla洞穴的形成中发挥了重要作用,目前活跃在意大利的Frasassi洞穴中。[26]硫化物的氧化导致硫酸的形成也可能是岩溶形成中的腐蚀因素之一。当富含氧气(O2)的地表水渗入深层缺氧岩溶系统时,它们会带入氧气,氧气与系统中存在的硫化物(黄铁矿或硫化氢)反应形成硫酸(H2SO4)。然后硫酸与碳酸钙反应,导致石灰岩地层内侵蚀增加。这个反应链是:

H2S+2O2→H2SO4    (硫化物氧化)
H2SO4+2H2O→SO2−4+2H3O+ (硫酸解离)
CaCO3+2H3O+→Ca2++H2CO3+2H2O (碳酸钙溶解)
Ca2++SO42−→CaSO4 (硫酸钙的形成)
CaSO4+2H2O→CaSO4 · 2H2O (石膏的形成)

该反应链形成石膏。

喀斯特地貌的形成过程

促进岩溶发育的条件是地表附近连接良好、致密的石灰岩;中到强的降雨和良好的地下水循环。石灰石(碳酸钙)在自然界中广泛存在的微酸性水中相对容易溶解。雨水沿水平和垂直裂缝渗透,溶解石灰石并将其带走。

微酸性地表水和地下水会沿着石灰岩的裂缝不断的加宽和加深,形成凹槽和锯齿状的地形。当它沿着地下裂缝流动时,水继续扩大和加深裂缝,直到它们变成洞穴系统或地下河流,狭窄的垂直竖井可能会进入这些河道。世界上大多数(但不是全部)主要洞穴地区都是喀斯特地区。

喀斯特地貌的形成过程示意图
喀斯特地貌的形成过程示意图

如果一个洞穴变得足够大并且顶部延伸到足够靠近地表,那么顶部就会坍塌。这会产生凹陷,称为天坑,这是喀斯特地貌最典型的特征之一。天坑通常合并成更大的凹陷,称为岩溶盆地,通常是平坦的地板,上面覆盖着来自石灰石不溶性残留物的土壤。这些岩溶盆地可能是唯一可以进行种植的区域。

然而,石灰石的溶解度和不溶成分的比例各不相同。因此,一些喀斯特地区的一般地面是可以耕种的。在广阔的区域内,可能完全没有地表水流。事实上,在一些降雨量大的喀斯特地区,所有的降水都可能完全消失在地下,以至于即使是生活用水也可能难以找到。在其他地方,水可能会像大泉水一样浮出水面,像溪流一样流过地表,然后又消失在地下。

喀斯特地貌中的岩洞
喀斯特地貌中的岩洞

喀斯特地貌的水文特征

喀斯特地貌因为特殊的地形地貌特征,所以雨水会迅速通过各种缝隙进入到地下,而不会在地面形成地表水,这会使得地表土壤中的元素被淋溶到地下。

当地下溪流出现在岩石层之间的表面上,瀑布流一段距离,然后又消失,通常会进入一个落水洞时,就会出现岩溶窗。喀斯特地区的河流可能会多次消失在地下,然后在不同的地方再次涌现,通常使用不同的名称。

喀斯特地貌的河流
喀斯特地貌的河流

喀斯特地貌岩溶地层是海绵状的,因此具有高渗透率,导致污染物被过滤的机会减少。喀斯特地区的地下水与地表溪流一样容易受到污染。化粪池超载或故障都会导致未经处理的污水直接倾倒到地下溶洞中。地质学家关注人类活动对喀斯特水文的这些负面影响,截至2007年,喀斯特水文提供了全球约25%的饮用水需求。

喀斯特地貌中的水会消失在地底下
喀斯特地貌中的水会消失在地底下

喀斯特地貌也给人类居民带来了困难。随着地表开口的扩大,天坑会逐渐形成,但在洞穴顶部突然坍塌之前,通常看不到渐进式侵蚀。此类事件吞噬了房屋、牲畜、汽车和农用机械。在美国,2014年,肯塔基州鲍灵格林的国家克尔维特博物馆的部分藏品被这样一个洞穴天坑的突然坍塌吞没。

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