第二章岩溶形成与碳、水、钙循环
岩溶地貌发展过程与成因
岩溶地貌发展过程与成因岩溶地貌是指由于溶蚀作用形成的地形特征。
它以溶洞、溶壑、钟乳石等独特的地貌形态而闻名于世。
岩溶地貌发育于石灰岩、大理石等可溶性岩石地层之上，其形成和发展是一个复杂而长期的过程，涉及到地质、水文、气候等多个因素。
岩溶地貌的发展过程可以分为溶蚀、溶洞形成、地表下施工三个阶段。
首先是溶蚀阶段。
在石灰岩地区，水和二氧化碳会形成碳酸，这是岩溶地貌形成过程中最重要的化学反应。
雨水和地下水透过裂隙渗入岩石中，与石灰岩中的碳酸反应，形成了溶蚀作用。
这种溶蚀作用会逐渐侵蚀石灰岩地层，使其发生溶解、溜变和脱灰等作用，形成带有孔洞和裂隙的地层。
其次是溶洞形成阶段。
随着溶蚀作用的继续，地下水通过流动和侵蚀，逐渐扩大了石灰岩中的洞穴。
当地表下的洞穴相互连接或与地表相连时，形成了典型的溶洞。
溶洞主要分为溶蚀型和溶洞型两种类型。
溶蚀型溶洞是指由于上述溶蚀作用而形成的大型溶洞，其特点是空间广阔、洞壁平坦。
溶洞型溶洞是指由于地下河流侵蚀的结果，其特点是河流穿过溶洞形成的。
最后是地表下施工阶段。
随着地下水的深入，水在地下流动，沿着溶洞或岩石裂缝发展形成地下河流。
地下河流在地下与石灰岩岩层接触，侵蚀更多的岩石，形成地下河流系统。
这种地下河流系统在地下大量开凿，进一步加速了岩溶地貌的发展。
岩溶地貌的形成还受到其他因素的影响，例如气候和植被。
在石灰岩地区，气候湿润时，水侵入岩石中的速度会增加，溶蚀作用加剧。
而植被覆盖可以保持水分，减缓水流速度，从而减缓溶蚀作用的发展。
因此，岩溶地貌的发育在不同的气候和植被条件下可能呈现不同的特点。
总之，岩溶地貌的形成是一个复杂而长期的过程，涉及到多个地质、水文、气候等因素。
从溶蚀到溶洞形成，再到地表下施工，每个阶段都有其独特的特点和影响因素。
了解岩溶地貌的发展过程与成因，对于探索地球地貌演化、资源开发和环境保护具有重要意义。
鄂西南表层岩溶带岩溶个体形态特征及分布规律
年代初 期通 过建 立野外 岩 溶水 文地 质试 验 场发 现 并 提
出的。２ ０世 纪 ８ ０年 代 后 期 ， 由袁 道 先 院士 首 先 将 这
该 区地 处 云贵 高 原 北 东 方 向的 延 伸 部 分 ， 貌 上 地
岩溶 个体形 态 。 总体 而 言 ， 型 岩 溶个 体 形 态 在 地 表 小 发育最 广 ， 山顶到 山体斜 坡 沟谷 内是 无处 不 在 ； 型 从 大
系密切 ， 深入 调查 与研究 ， 环境 保 护 、 对 岩溶 研 究 、 国土 开发 、 程建 设都 具有 重要 意义 。 工
本 区地层 出露 齐 全 。除 缺 失 志 留 系上 统 、 泥盆 系 下统 和 石炭 系上 统外 ， 自中元古 界 一第 四系均 有 出露 ，
表 层岩 溶个 体形 态 因其 所 处 位 置 不 同 ， 各 种 因 受
素控制 ， 其发 育规模 差别 较 大 ， 野外 所 见 溶 隙 、 Ｌ 溶 溶孑 、 穴、 溶管 、 牙 、 柱 、 沟 、 槽 等 的 长 、 、 多 ＜５ 石 石 溶 溶 宽 高 ｍ， 岩 屋 、 层 溶 洞 、 溶 洼 地 、 而 浅 岩 岩溶 漏 斗 、 层 地 下 浅 河 等的 长 、 、 宽 高又 都普遍 ＞ ５ｍ。所 以 ， 根据 岩 溶个 体 形态 发育 规模 的大小 差别 将其 划分 为 小 型和 大 型两 类
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
其 中碳 酸盐 岩 面 积 即达２ １×１ ｋ 占全 区 面积 的 ． ０ ｍ（
６ ． ％ ） 主要 由 ∈、 Ｃ ＋ 、 、 ７１ ， Ｏ、 ２ Ｐ Ｔ ＋ 系地层 构成 。构造 上 处 于扬 子准 地 台上 的八 面 山 台褶 带 ， 接 鄂 中褶 断 北 区 ， 邻 四川 台坳 ， 西 东延 埋 于江汉 断 陷之 下 。 区 内构 造 以褶 皱为 主 ， 断裂 次之 ， 大致 以长 阳县榔 坪一 五峰 县 可 采 花一 线 为界 ， 此线 以西 受八 面 山弧 形构 造 控制 ， 造 构 线轴向以 Ｎ Ｅ Ｎ Ｎ — Ｅ向展 布为 特征 ； 此线 以东 受 Ｅ 向 Ｗ 构造 控 制 ， 构造 线轴 向 以 Ｎ Ｅ ｗ 向分 布为 主 。 Ｅ —Ｅ
岩溶发育的原理
岩溶发育的原理岩溶发育是指由于水溶效应和地下溶蚀作用，导致岩石中的溶解物质被溶解并形成洞穴、地下河流、地下水系统等地貌现象的过程。
岩溶发育的原理包括水溶效应、地下溶蚀和地下沉积。
首先，水溶效应是岩溶发育最基本的原理之一。
水溶效应是指水在地表和地下流动过程中，对溶质的溶解和移动造成的效应。
地表水中含有少量碳酸气体，当这些水流经富含碳酸钙的岩石时，碳酸气体会与岩石中的碳酸钙反应，形成溶解的碳酸钙，从而将岩石溶解掉。
这种过程被称为碳酸化反应，是岩溶发育的基础。
溶解的碳酸钙会随着水流带走，并在下游地方再度沉积，形成沉积物。
其次，地下溶蚀是岩溶发育的另一个重要原理。
由于岩石的存在各种缝隙和裂隙，地下水能够通过这些裂隙渗透到岩石内部。
在地下水的侵蚀下，溶质会逐渐被溶解，并通过水流的作用将溶质移动到其他地方。
随着时间的推移，这些溶质的溶解和移动会导致岩石中形成洞穴、河流和孔隙系统等溶蚀地貌。
地下水的运动速度和流动路径决定了溶蚀的程度和形态。
最后，地下沉积是岩溶发育的另一个重要影响因素。
在地下水运动的过程中，当地下水速度减缓或储水层储量增加时，水中携带的溶质和悬浮物质会沉积在岩石中，形成沉积物。
这些沉积物包括碳酸钙、石灰华和黏土等。
沉积物的沉积速度和沉积方式取决于水流的速度、沉积物的粒径和水流通量等因素。
沉积物的沉积会改变岩石的孔隙结构，进一步影响溶解和溶蚀作用，从而影响岩溶发育。
总结起来，岩溶发育的原理可以归纳为水溶效应、地下溶蚀和地下沉积。
水溶效应是由水中的溶质与岩石中的溶解物质发生反应而导致岩石溶解的过程。
地下溶蚀是地下水通过岩石的裂隙渗透并溶解岩石中的溶质的过程。
地下沉积是地下水中的溶质和悬浮物质沉积在岩石中的过程。
这些基本原理相互作用，并受到岩石性质、水文条件和水化学特性等因素的影响，共同促进了岩溶地貌的形成和发育。
溶洞形成原理及化学方程式
溶洞形成原理及化学方程式
溶洞的形成原理是由于地下岩石在长期的地质作用下，被含有二氧化碳的地下水或雨水逐渐溶解而形成的。
这种溶解作用主要是由于二氧化碳和水在岩石中的化学反应，也称为“碳化作用”。
在这个过程中，二氧化碳和水反应生成碳酸，碳酸再与岩石中的钙、镁、铁等离子发生反应，形成可溶性的碳酸盐。
长期的这种溶解作用会在岩石中形成空洞，从而形成了我们所说的溶洞。
溶洞的形成化学方程式可以表示为：
CaCO3(石头) + CO2(水) + H2O(水) →Ca(HCO3)2(水)
MgCO3(石头) + CO2(水) + H2O(水) →Mg(HCO3)2(水)
这些化学反应产生的碳酸氢盐可以溶于水，使得岩石中的钙、镁等离子被移除，从而形成了可溶性的碳酸盐。
随着时间的推移，这些空洞逐渐扩大，形成了我们看到的溶洞。
此外，溶洞的形成还与地质构造、地层结构、气候条件等多种因素有关。
例如，在石灰岩地区，由于石灰岩的主要成分是碳酸钙，所以更容易形成溶洞。
同时，地下水或雨水的流动也会促进溶洞的形成，因为水流可以带走更多的溶解物质，使得空洞扩大。
总之，溶洞的形成是一个长期的地质作用过程，主要与二氧化碳和水的化学反应有关。
这种化学反应使得岩石中的钙、镁等离子被移除，形成了可溶性的碳酸盐。
随着时间的推移，这些空洞逐渐扩大，形成了我们所看到的溶洞。
岩溶发育的四个基本条件
岩溶发育的四个基本条件研究表明，岩溶发育是一种重要的地貌演化过程，在特定的环境条件下发生，这些条件包括地质、气候、地表及其动力系统。
在全球范围内，岩溶发育的发育情况十分复杂，它们特别分布在低洼处和高处。
考虑到岩溶现象发生的情况，确定岩溶发育的几个关键条件是至关重要的。
首先，上地层的构成是影响岩溶发育的一个重要因素。
由于岩溶的发育集中在砂岩、砾岩和页岩层系上，而较为坚硬的岩石在岩溶发育中几乎没有发挥任何作用，因此上地层构成是影响岩溶发育的重要因素。
其次，水分条件也是影响岩溶发育的重要因素。
充足的水分是岩溶发育的必要条件，水孔内部能够同时供应充足的溶解剂和溶剂，使岩溶发育过程更加顺利。
第三，温度也是岩溶发育的一个重要条件。
高温环境下水的温度越高，就越有可能造成岩石的溶解和破坏，更有利于岩溶发育。
最后，地表动力系统也是岩溶发育的第四个重要条件。
地表动力系统包括地貌形成的地表强度、地貌滑动的条件和地下水流等。
这些地表动力系统具有重要的作用，如果设置得当，可以有效地加速岩溶发育过程。
岩溶发育是一个复杂的地貌过程，考虑到其发生的可能性，就必须确定四个基本条件，即：上地层构成、水分条件、温度环境以及地表动力系统。
上地层构成决定岩溶发育的范围；水分条件决定岩溶发育的强度；温度环境决定岩溶发育的发展速度；地表动力系统决定岩溶发育的方向。
只有当这四个基本条件得到充分满足时，岩溶才能发育出独特的地貌形态，并完全地改变地表景观。
首先，上地层构成直接影响岩溶发育的范围。
一般来说，岩溶发育基本上是以山谷低洼处和高处为主。
这是因为，这些区域的上地层主要由砂岩、砾岩和页岩层系构成，这些岩石较为软碎，更易于受到岩溶蚀蚀刻。
这种情况下，岩溶发育的范围很容易被控制。
其次，水分条件是岩溶发育的关键要素，也是最重要的因素之一。
显然，水分条件一定程度上会决定岩溶发育的强度。
水中包含大量的溶解剂和溶剂，他们能够对岩石进行溶解和粉碎，从而有效地加速溶解反应，有利于岩溶发育。
2 岩溶发育的基本条件
（2）季节变化带
是垂直循环带逐渐向水平循环带过渡的中间区
域，水流运动方式随季节的变化而有所改变。在丰
水期，潜水面升高，水力坡降减小，从地表渗下的
水流以近似水平运动为主，流量增大，对岩土体的 横向冲刷作用也增强；而在枯水干旱季节，地下水 位降低，渗径减短，水力坡降增大，但流量减小， 地下水将以垂直方向运动为主。
二、碳酸盐岩的空隙性指标
一般认为，孔隙是地下水的储藏空间，而裂隙是地下水溶 蚀、运移的主要通道。我们把孔隙和裂隙统称为空隙。
孔隙度是碳酸盐岩储水性和透水性的一个主要参数。可以 根据岩石的比重、容重求得。但在生产实践中，通常用到的 指标有：空隙率、溶孔率、溶洞率。
空隙率是指岩石单位体积内含有的孔隙和裂隙的体积（M3/M3）； 溶孔率是指已溶蚀岩石单位体积内细小溶孔所占有的体积 （M3/M3）； 溶洞率是单位面积内溶洞的体积（M3/KM2）；
石盐矿层一般厚几米到 300 多米，而在干
旱地区则以盐霜的形式出现，在盐泉附近
以蒸发产物出现，在火山地区以升华物产
出。
石膏
石膏是一种矿物名，主要化学成分 是硫酸钙（ CaSO 4 ），主要是古代盐湖或潟湖的 沉积物。石膏用作一种农业肥料，可以改良碱性 土壤，用于一般中性或酸性土壤，可以改善土壤 结构。广泛用于工业材料、医学材料和建筑材料。 可用于水泥缓凝剂、石膏建筑制品、模型制作、 医用食品添加剂、硫酸生产、纸张填料、油漆填 料、骨折固定等，也能做为黑板用的粉笔。
Ca2+ + 2HCO3-
水中的CO2不断消耗，破坏了外界平衡，必然要
吸收外界的CO2，达到新的平衡关系，这样不断补充
岩溶的化学作用过程
岩溶的化学作用过程
大气和土壤中的CO2与水化合生成碳酸，碳酸与岩石中的金属离子发生反应形成碳酸盐。
CO2与水化合成碳酸
CO2 + H2O →←H2CO3
碳酸又离解为H+与HCO3-离子：
H2CO3→←H++HCO3-
水中的CO2含量越高，H+也越多，当多含量H+的水对石灰岩作用时，H+ 就会与CaCO3中的CO32-结合成HCO3- ，分离出Ca2+，而使CaCO3溶解于水。
H++ CaCO3→←HCO-3 +Ca2+
综合反应式：
CaCO3+H2O+CO2→←Ca2++2(HCO3)-
方解石
上述反应是可逆的，当水与空气中的CO2减少，碳酸含量也随之减少，将发生沉淀。
形成石灰华、石钟乳、石笋等。
溶解过程：
CO2+H2O+CaCO3→Ca(HCO3)2 →Ca2++2(HCO3)-
结果：在可溶性岩石上留下溶沟、空洞等，并为后来的机械侵蚀、崩塌等作用提供条件，形成喀斯特侵蚀地貌。
淀积过程：
Ca2++2(HCO3)- → CO2↑+H2O+CaCO3↓
结果：碳酸钙堆积作用不断进行，促进喀斯特堆积地貌的发育。
岩溶课件ppt
目录
• 岩溶定义与特性 • 岩溶地貌与形态 • 岩溶水文地质 • 岩溶工程地质问题 • 岩溶研究方法与技术 • 岩溶资源开发与利用
岩溶定义与特性
01
岩溶定义
01
02
03
岩溶定义
岩溶是指可溶性岩石在地 下水的作用下发生溶解、 流动和沉淀的地质作用过 程。
岩溶地貌
由岩溶作用形成的各种地 貌形态的总称，如石林、 溶洞、地下河等。
岩溶模拟
利用数值模拟技术，模拟岩溶水流、 溶蚀、沉积等过程，预测岩溶发育趋 势。
岩溶监测与预警
岩溶监测
通过长期监测岩溶区的水文、地质和环境变化，及时发现异常情况，为预警和 应对提供依据。
岩溶预警
根据监测数据和模拟结果，对可能发生的岩溶灾害进行预警，为灾害防范和应 急处置提供指导。
岩溶资源开发与利
总结词
岩溶地面塌陷是岩溶地区常见的地质灾害之一，主要由于地下洞穴的发育和岩体的不稳定性所致。
详细描述
岩溶地面塌陷通常发生在地下水位较高、岩体较破碎或存在大量溶洞的地区。在地下水位波动、地震 或人为活动等外部因素影响下，岩体容易失去稳定性，导致地面塌陷。塌陷区域通常呈圆形或椭圆形 ，深度可达数十米，对当地居民的生命财产安全和基础设施造成严重威胁。
岩溶地质灾害
总结词
岩溶地质灾害主要包括滑坡、泥石流、崩塌等，主要由岩体的不稳定性、降雨和地震等 外部因素触发。
详细描述
在岩溶地区，由于岩体的破碎、裂隙发育和地下水的侵蚀作用，岩体容易失去稳定性， 引发各种地质灾害。这些灾害不仅对当地居民的生命财产安全构成威胁，还会破坏基础 设施和生态环境。因此，加强岩溶地质灾害的监测和预警工作，采取有效的防治措施至
岩溶发育条件
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石灰岩溶蚀速度观测安放方式
试验场安装试片铁栅
广州－伊春各观 测站溶蚀速度观测 成果曲线
土下溶蚀比地面溶蚀多。
CO2与水相结合才能加强溶 蚀作用，成为一个汇Sink
陕西甸阳鱼洞岩溶动力 系统观测结果
1. 碳酸盐岩库积极参与全球碳循环 2. 土中CO2 不能单独促进溶蚀作用 3. 它必需与雨水结合，才能促进溶蚀 作用
全球净降水量（降水量－ 蒸发量）与纬度的关系
(From J. P. Peixoto and M. A. kettani, “ The Control of the Water Cycle.” Copyright© April 1973 by Scientific American, Inc. All rights reserved.)
模型
全球碳循环模型，单位：109tc 五个碳库： 1. 碳酸盐岩99.55% 2. 陆地生态系统 3. 海洋 4. 化石燃料 5. 大气
全球碳循环模型
单位：109tc 五个碳库： 1. 碳 酸 盐 岩 99.55% 2.陆地生态系统 3.海洋 4.化石燃料 5.大气
地球系统碳循环与岩溶作用
问题：
全球年均降水量
(From H. L. Penman,“ The Water Cycle.” Copyright© September 1970 by Scientific American, Inc. All rights reserved.)
降水量差别，直接造成了岩溶作用强
度和形态的差别。如 热带岩溶（桂林） 干旱区岩溶（美国Nevada） 地中海岩溶（土耳其） 高山岩溶（四川黄龙）
现代岩溶学
第二章 岩溶形成 与碳、水、钙循环
袁道先+ 西南大学 地理科学学院
大纲
一、全球碳、水、钙循环概述 二、岩溶动力系统运行特征的经验判别 三、岩溶动力系统运行特征的定量判别 （矿物饱和指数的计算） 四、数据制图软件（origin）的应用
一、全球碳、水、钙循环概述
（一）岩溶动力系统（Karst Dynamic System，KDS）
0.125 0.065 0.013 0.0017 0.0006
1408.7
0.01 0.005 0.001 0.0001 0.00004
100
Sources: Nace 1967; peixoto and Kettani 1973; turekian 1976; and Ambroggi 1977. a As liquid equivalent of water vapor.
全球水循环
箭头边数字为通量(单位：106km3) 年降水量(陆地＋海面)=年蒸发量(陆地＋海面) 0.110 0.386 0.496 0.073 0.423 0.496
2、全球水循环对岩溶作用的影响
陆地：每年 11 万 km3 的陆地降水分布很 不均匀，赤道附近净降水量最大，而 南、北纬20o附近净降水为负值。这对 岩溶发育有很大影响。
定义：控制岩溶形成演化、并常受控于已有的岩溶形态、 在岩石圈、水圈、大气圈、生物圈界面上，以碳、水、 钙循环为主的物质、能量传输、转换系统。它是由固 相、液相、气相三部分构成的开放系统。 功能：驱动岩溶形成，调节环境酸化，驱动元素迁移、 形成有用矿产、影响生命，记录环境变化。 特征：对环境变化反映灵敏，需要特殊的工作方法。 •监测: 掌握系统、界面、事件 •实验 •模型 岩溶动力系统的定义、功能和特征，要求我们从全球 碳、水、钙循环来掌握其运行规律。
图9 CCD(Carbonate Compensation Depth)或 海底雪线(J. Murry, 1912, 英国挑战者号船)
（三）全球碳循环与岩溶作用
定义：地球系统的碳循环，是指的碳在岩石圈、
水圈、气圈和生物圈之间以CO32- (以CaCO3、 MgCO3为主)、HCO3-、CO2、CH4、 (CH2O)n(有 机碳)等形式相互转换和运移过程。 气圈：CO2、 CH4、 CO 水圈：HCO3生物圈：(CH2O)n 岩石圈：CO32-、 (CaCO3、 MgCO3等)
（二） 全球水循环与岩溶形成
1、全球水循环 地球上水的起源和分布 年龄： 38 亿年（据沉积岩石）， 46 亿年－ 38亿年间有无水：不知道？ 现在地球上的水量：1408.6×106km3
地球表层各种水体的水量分配
Reservoir Oceans Ice caps and glaciers Deep groundwater (750-4000m) Shallow groundwater (<750m) Lakes Soil moisture Atmospherea Rivers Biosphere Total Volume(106km3) 1370 29 5.3 4.2 Percent of Total 97.25 2.05 0.38 0.30
热带岩溶(桂林)
干旱区岩溶(美国Nevada)
地中海岩溶(土耳其)
高山岩溶(四川黄龙)
海洋：
海底由于温度低，水压加大，pH值降低，溶蚀强度加大， 以致在4000~5000m深度以下方解石不再沉积，称为碳酸盐补 偿面(CCD)，也称为“ 海底雪线”。因为其上有方解石，为白 色，其下为红粘土。
(1)占碳库99.55%的碳酸盐岩是否积极参与 全球碳循环？一般认为碳酸盐岩的溶蚀作用 是长时间尺度的缓慢过程？实际上如何？ (2)土壤圈中的碳转换过程:决定碳酸盐岩库 是否积极参与全球碳循环。
土壤圈在岩溶作用中的重要地位
观测验证：
石灰岩溶蚀速度观测安放方式 试验场安装试片铁栅 广州－伊春各观测站溶蚀速度观测成果曲线 土下溶蚀比地面溶蚀多。 CO2与水相结合才能加强溶蚀作用，成为一个汇 陕西甸阳鱼洞岩溶动力系统观测结果： 1. 碳酸盐岩库积极参与全球碳循环 2. 土中CO2不能单独促进溶蚀作用 3. 它必需与雨水结合，才能促进溶蚀作用 桂林试验场植被恢复，CO2、pH值、 HCO3-也很快改变 雨季水中HCO3-升高，从大气（包括土壤)中回收CO2，成 一个大气CO2的“失踪”汇