路南石林喀斯特地貌研究

综合自然地理实习报告

路南石林喀斯特地貌形成与演化研究

学院地理科学学院

专业地理科学（师范）

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2015 年5 月3 日

路南石林喀斯特形成及演化研究

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摘要：石林喀斯特是喀斯特发育演化的一种极端形式，指石灰岩在长期的喀斯特作用下，沿节理溶蚀而形成的高5m以上的石柱组成的林状地貌景观。路南石林自早二叠世晚期以来，由于有利的地质、气候、水文条件的结合，先后经历了四期继承性的演化发育，形成了在世界上演化历史悠久，形态最为丰富多样的石林喀斯特景观。

关键词：路南石林；喀斯特；形成；发育

1 引言

石林是指石灰岩在长期的喀斯特作用下，沿节理溶蚀而形成的高5m以上的石柱组成的林状地貌景观（宋林华，1997），是一种形态高大的石芽。石林喀斯特是喀斯特发育演化的一种极端形式，国外称为针状喀斯特或剑状喀斯特。

石林分布区往往以其独特、秀丽的地貌景观，吸引了大量游客前往观光旅游，同时，其成因和发育演化也引起了喀斯特学者们浓厚的研究兴趣，对石林成因的解释也不尽相同。在我国，最著名的石林当数位于滇东的路南石林，其石柱之高、形态之丰、分布之广等都居我国之最，在国内外享有很高的声誉。除了少数学者对其它个别石林（福建永安鳞隐石林）进行过科学研究外（张捷，1994；王雪瑜，1997；许德祥，1999），几乎所有关于石林的研究都集中于路南石林。因此，可以说关于路南石林的研究代表了我国石林研究的现状和水平。

2 路南石林概况

2.1 路南石林自然地理概况

路南石林是云南著名的景观，是世界罕风的风景名胜，是大自然鬼斧神工杰作。位于滇东高原上的路南县境内，距昆明72公里，介于24°42′-57′N和103°14′-30′E之间，面积约40多万亩，是传说中阿诗玛的故乡。石林位于扬子准地台西南缘，滇东台褶带西南侧，夹持于九乡—石娅口断裂与师宗—弥勒断裂之间。区内构造以脆性变形为主，地层倾角和缓（在石林发育区一般小于10°），高角度的节理发育，为石林的发育和稳定保存提供了有利的条件。

区内出露的地层主要有前震旦系的牛首山组、震旦系、寒武系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、第三系和第四系，奥陶系和中生界地层缺失。其中泥盆系、石炭系和二叠系地层中的碳酸盐岩分布广，尤其是二叠系的茅口组和栖霞组灰岩，质纯、层厚，为石林的发育奠定了良好的物质基础。从残存的老第三系地层来看，老第三系的路南群曾经覆盖了整个石林分布区，但由于长期遭受剥蚀夷平，现主要分布于巴江流域的西侧，呈长条形南北向展布，在流域的中、东部尚有零星分布。

这里地处亚热带高原季风气候区，受西南季风的影响，冬无严寒、夏无酷暑、

四季如春、干湿季分明。年平均气温15。7℃，最热月7月，平均气温20。8℃；最冷月1月，平均气温为8。2℃。区域内降水量时空分布不均，年降水量多在800一850mm间，雨季降水量占全年降水量的80%以上，随着海拔升高，降水量有增加的趋势。

2.2路南喀斯特类型和石林喀斯特特征

2.2.1 路南喀斯特类型和石林特征

路南地区，喀斯特类型复杂多样，计有溶蚀夷平面、溶丘洼地、石林原野、石芽原野、峰丛洼地、峰林洼地、溶洞及洞穴沉积、暗河伏流、落水洞和漏斗、钙华盆地和钙华坝、天生桥、喀斯特瀑布等，彼此有规律组合和分布。

石林作为一定高度的石柱与溶沟、溶槽、土上溶痕、土下溶痕的组合，可表现为剑状石林、塔状石林、蕈状石林、枯柱林。剑状石林的石柱顶部呈尖锐或刃脊状、石柱密集分布，石柱高度在10多米到30多米；塔状石林以其塔形石柱，石柱顶部呈浑圆或台柱状，石柱中等密集和稀疏分布，高度在几米和至10多米为特点；蕈状石林以其蘑菇状石柱，石柱稀疏零星分布，高度在几米至10多米为特点；枯柱林以其蚀余状石柱稀疏、零星分布、高度在几米至10多米为特点。

石柱表面有多种溶蚀现象：平面溶窝、平面溶沟、溶槽、溶鱼而（鱼而状结构之蚀余态）、圆柱形溶槽、水平边槽、尖棱或浑圆形溶痕等。

2.2.2 石林喀斯特的地形组合

各种形态之石林产在不同地形部位：剑状石林产在洼地和沟谷地；塔状石林产在岭脊或峰面；蕈状石林产在岭脊和斜坡；枯柱林产在斜坡地和溶丘（石丘）。可分出石林洼地、石林谷地、石林岭脊、石林斜坡、石林溶丘、石林盆地等。

3 路南石林的形成条件

3.1 地质条件

3.1.1 地层

路南石林地区的地层主要由元古界、下寒武统、志留系、泥盆系和石碳系、下二叠统梁山组、栖霞组、茅口组、上二叠统峨眉山玄武岩组、第三系和第四系组成。其中发育石林喀斯特的主要是栖霞组和茅口组。

栖霞组下段为中厚层状生物碎屑灰岩和白云岩，厚度50~84 m；上段为生物碎屑黑虎斑厚层灰岩，间夹白云岩，厚度在35~44 m。茅口组下段为厚层生物碎屑灰岩，间夹白云质灰岩，顶部为蜓科化石灰岩，厚度在60~97 m；上段为中厚层生物碎屑灰岩、泥晶灰岩，厚度220 m左右。栖霞组下段发育有不规则状枯柱林和蕈状石林，以石林斜坡和石林岭脊为多，海拔高度在1850~1900m；上段有枯柱林、蕈状石林，剑状石林，以石林谷地、石林斜坡和石林石丘为多，也有石林盆地，海拔在1800~1900 m。茅口组下段发育有典型剑状石林，以石林洼地、石林斜坡为多，海拔在1720~1 950 m；上段有塔状石林、枯柱林、蕈状石林、典型剑状石林，既有石林洼地，也有石林岭脊和石林坡地，海拔在1850~2000 m。

栖霞组和茅口组主要分布在牛首山复背斜倾伏段西南翼和路南断拗盆地之斜坡地带，也零星残留在石碳——泥盆纪地层中，并保留有石林喀斯特，如祖莫村附近。

3.1.2 地质构造

从路南石林喀斯特赋成条件看，石林地区主要是单斜构造、断拗盆地，前者由岩层倾角舒缓的下二叠统组成，后者由路南组和小屯组组成。东边是以泥盆系

为核部的小背斜，东北端是牛首山背斜倾伏端。从发育条件看，主要是小断裂和垂直节理构造，下二叠统、石碳系和泥盆系碳酸盐岩中均发育有节理，但各自节理的方向不同：泥盆系有40°~50°和280°~300°两组，石碳系有320°、10°和东西向三组，但发育较差；下二叠统330°~340°和40°~60°两组，节理密度在110～180条/km2，石林喀斯特排列方向是北西和北东，小断裂也主要是北西和北北东两组，把岩层切成不规则块体，石林岩丘基座保留了这种方向性。

3.2 气候与地下水、地表水系条件

3.2.1 气候

从石林地区碳酸盐岩地层和喀斯特的关系、各时代地层之间的关系看，研究与石林发育有关的气候应从早二叠世着手。早二叠世末期，该区处于古陆状态，从被玄武岩覆盖、充填、烘烤的石芽（柱）看，此时的气候潮湿温暧；晚二叠世处于海洋边缘的潮湿温暖气候（上二叠统有含煤地层）；三叠世—侏罗纪处于海边的古陆状态，气候潮湿炎热，附近地区形成碳酸盐岩和含煤岩系；白垩纪处于夷平准高原化的炎热干燥气候，区域上主要为红色岩系，早第三纪早期有较长时期的炎热偏旱气候，形成了含纤维状石膏的砖红色岩系，有大量的哺乳类动物化石，晚期该区地理纬度21.9°，气候潮湿炎热，形成含煤河湖相地层，此时该区进入高原状态；第四纪该区一度变冷，东北边的牛头山发育有冰川；路南石林的现代气候为亚热带干湿季风气候，年降水量1040 mm，并集中于5~10月，年均温度15℃。

3.2.2 地下水

石林地区的地下水主要表现为地下暗河及其地表露头泉水，主要暗河有北西向的黑山—寺背后、北东向的小林口铺—天生关—大村、水塘铺—石林—白龙潭、普豆村—张家庄—董家庄—、南西向的茂舍祖—小村，北西向的尾博邑—黑龙潭，埋深在几米至50米不等。暗河流线上多有漏斗、落水洞与地表水相联系，以泉水形式出露，流量在3477.1 L/s至18.39 L/s变化，地下水的温度在16~19℃。石林发育区地下水的补给源有雨水和地表湖泊。

石林地区的地下水流动富集分别在栖霞组—茅口组和泥盆系—石碳系形成

两个不同类型：石林原野管流型和石丘洼地隙流型；两者具有不同的水流状态和富水性，栖霞组和茅口组的径流模量是12~20 L/（s·km2）；石碳系—泥盆系的径流模量为2。4~13 L/（s·km2）。

3.2.3 地表水系

石林地区的主要河流是发育于乃古石林的巴江，巴江横惯栖霞组—茅口组地层分布区，沿巴江发育有二级阶地和多处裂点，天生桥裂点高程1720 m，与源头的高程差约为120 m，巴江在大叠水处汇入南盘江，此处高程约1 620 m，大叠水裂点高程为石林地区的区域侵蚀基准面高程，下二叠统等地层中的岩溶水汇入巴江，河水pH值7.7，钙镁离子的含量为85mg/L，处于过饱和。巴江上游河段为宽谷，下游为峡谷。

3.2.4 钙华样年代测定

钙华普遍分布于石林喀斯特地区石柱、溶洞、暗河、湖盆、石丘等处，张寿越测定了天生桥、芝云洞的钙华样年代：175×103～34×103a，黄仁海测定了大叠水、天生桥、沙地的钙华样年代：170×103～3.55×103a。

4 石林发育时代和发育模式讨论

4.1 石林发育条件和发育方式

马希融（1936）认为石林是在特定的岩性、地质构造和气候条件下，通过地表溶蚀而成；巴拉兹（1959）认为在一定的植被和大量降水条件下的碳酸盐岩地区可以形成温带石芽和热带石林；袁道先（1995）认为石林是汇水体与帽岩下，沿灰岩裂隙冲蚀而成。这些观点表明了石林形成的岩性、构造、气候、地形、水流条件、地表溶蚀、饱气带垂直淋滤、土下溶蚀与裂隙成土—剥蚀的发育方式。从下二叠统碳酸盐岩分布的非局限性和石林地区碳酸盐岩成分结构的相近性及石林（芽）喀斯特类形的差异性、发育和保存的局限性，也与此有关。必要条件应是石林发育的物质基础、水溶液来源与溶蚀力保持、形态发育的基础；充分条件则是石林发育过程得以实现、形态塑造得以完成的保证。

在确定发育条件时应该区分石林发育所要具备的与仅影响发育程度、发育速

度的因素。因此，发育条件的分析应与发育方式的确定相联系，区分不同地层、不同地形的石林形态、地形组合的差异是同期异形还是不同发育阶段的产物。

结合前述的岩性、构造、气候等的分析，路南石林发育的条件如下：必要条件是产状平缓的中厚层以上的碳酸盐岩，尤以巨厚层生物灰岩较佳，一定密度、开启、垂直、切割几米以上的节理和小裂断，湿热的热带亚热带气候，一定的地形坡度，坡降在15%~20%；充分条件是在小范围内有10m至几十m落差的侵蚀基准面，有较大、稳定的积水域，喀斯特区内的地表径流、湖泊、地下暗河要与周边的碳酸盐岩有一定的高程差，并与近距离的区域地表径流形成几十米至百米以上的高程差，地形有小起伏，汇水的地洼处有一定密度的节理和裂隙系统，区域上有持续、间歇性的升降运动。至于是否需要有覆盖层，则视不同的石林地形组合类型而有不同：典型的剑状石林洼地、石柱体上发育有较大的垂直溶槽者需要有发育裂隙的覆盖层—帽岩，其上为汇水体，其它石林地形组合不一定需要。

发育方式可分为形成石林洼地剑状石柱的地下垂向冲蚀与形成坡地石林的沿裂隙侵蚀、形成石林岩丘的沿密集裂隙或较大断裂的面状侵蚀和沿稀疏节理的线状溶蚀；与改造石柱形态的后期土蚀作用和雨蚀作用。

4.2 路南石林发育时代与发育期次

关于路南石林的形成时代有不同的观点。中科院地质岩溶组（1979）认为石林形成于晚第三纪，根据是石林存在于晚第三纪的剥蚀面上；任美锷（1979）认为石林形成于老第三纪，根据始新统地层充填于石林间低地；张寿越（1984）根据土蚀作用和天生桥、芝云洞钙华的铀钍法年龄等，认为石林发育时代是早更新世至中更新世；谭明（1993）从溶蚀速率和喀斯特景观的保存性出发，认为石林形成时代不早于晚第三纪。很明显对石林形成时代认识的分岐在于研究对象的具体地点和所取依据的不同，上述所有观点的根据均存在于石林地区的不同地点，表现于不同的石林地形组合。因此，确定石林的形成时代应首先弄清不同地点石林的关系，石林地区地势地形的演化趋势与溶蚀发生先后的关系，石林形成并抬升后所处环境与石林发育环境的差别造成石林保持时间长短的差异。溶蚀率与钙华样年龄和发育条件、发育方式的结合有助于石林形成时代、发育期次的确定。

（1）石林地区水化学成分（CaO）、径流模量、岩石成分、岩石容重、裂隙

岩溶率所计算出的面状溶蚀率7mm/ka~59 mm/ka，线状溶蚀率为23 mm/ka~196 mm/ka，考虑到山地高原的机械剥蚀量接近于化学剥蚀量，和茅口组的上覆地层厚度，剥蚀上覆地层需要的时间是以千万年计，形成10 m以上的石柱所需时间至少是以十万年计。

（2）喀斯特高原面之石林（芽）出露地表（路南组被剥蚀后）的雨蚀作用产物，其315万年年龄值表明上新世在石林地区就有石林出露于地表。大叠水样的年龄值表明至少在135万a前巴江就成为石林地区的侵蚀排汇通道，结合前述计算的溶蚀率和机械侵蚀估计，315万a至135万a是该区帽岩下石林发育时期之一。因此，石林自上新世以来就有多期性发育与改造。

（3）处于高原面上的石林已脱离了溶蚀水环境，仅有雨蚀过程，处于保持状态。因此，石林的发育时代和期次可划分如下：玄武岩覆盖、烘烤之石林（芽），发育于晚二叠世玄武岩喷发前；高原面之石林岭脊和石林坡地（包括泥盆系—石碳系上残留的栖霞组、茅口组发育的石林）、泥盆系—石碳系上溶丘之残留石柱，发育于始新世前；和摩村—北大村—清水塘—老鹰箐的石林洼地、石林坡地、石林岩丘，发育于中新世至早更新世的高原夷平化过程；早更新世以后，不同地点的石林又经历了改造和再发育，以站屯至和摩村之间的石林表现明显，古石柱上发育小溶槽和加宽、加深原有的裂隙溶槽或溶沟，使石林形态更为丰富。

4.3 石林发育演化模式

综上述，在岩性、气候、构造等基本条件具备下，自早二叠世末期，受海西运动影响，本区上升为陆，地势不平，发育有裂隙槽谷，在低洼处发育有大型石芽组合等喀斯特，发育地层是茅口组上段，晚二叠世早期该区沿裂隙槽谷发生了陆相玄武岩喷发，玄武岩充填于古溶沟，造成古石芽、古石柱等被烘烤硅化.此后，该区相对于弥勒、泸西，处于古陆状态，玄武岩被剥蚀的过程中，沿垂直裂隙、节理溶蚀，不同地点的茅口组、栖霞组、石碳系、泥盆系地层中发育了各类石林与石芽；此过程沿至第三纪早期本区发生的断块运动，形成路南古湖，北边、东边的石林遭受改造，盆地接受巨厚的碎屑沉积，形成路南组，石林被其充填埋藏，古湖中心的南移、西移，导至了北、东边地层被剥蚀、古石林等喀斯特的再出露；在此后的抬升、夷平、高原化过程中，古石林被改造，存在于同期的喀斯

特高原面上；与此同时，由于路南组局部低地和裂隙，沟通了上覆蓄水体与被埋藏的碳酸盐岩的联系，在低洼的汇水、节理裂隙外，通过垂向的溶冲蚀作用形成了典型的剑状石林，持续的抬升、线状、点状剥蚀使路南组盖层—帽岩的局部被剥蚀，造成如今剑状石林的簇状、群状分布，斜坡地区的碳酸盐岩被坡面、地下径流沿岩石的裂隙溶蚀形成石林坡地，此过程中巴江和地下水、暗河的沟通发挥了重要作用；此后，各种喀斯特均处于被改造，土下石芽受土蚀作用发生形体变化；局部汇水体与断块运动是不同地点石林等喀斯特差异的直接原因.岩体切割、裂隙性质、裂隙密度分别是形成溶蚀盆地与石林岩丘的重要原因。