地下岩溶地貌及洞穴堆积物

如题所述

地下岩溶地貌主要有溶洞、地下河(暗河)和地下湖。

(一)溶洞

溶洞是碳酸盐岩经溶蚀而形成近乎水平或倾斜的大型空洞的通称。它可以是集中岩溶水流的通道,也可以因地下水面下降而成干洞。

溶洞多沿岩层层面裂隙、断层或构造裂隙带发育。其形成过程是:在地下水水平流动带附近,岩溶作用初期以溶蚀为主,随着空洞不断扩大,地下水运动加快,侵蚀和崩塌也随着加强,洞穴则不断扩大,再由地壳上升而被抬升到地下水位以上,形成地下溶洞。它虽然沿水平流动带发育,但其相邻的各种裂隙会伸延扩展。所以,溶洞的平面和纵断面形态都十分曲折、多样(图6-16)。在裂隙交会处常形成十分高大的“大厅”式溶洞(图6-17)。“大厅”内有时可容纳千人以上,但在单一裂隙地段,则变得狭窄细小,甚至一个人也难以通过。这种岩溶发育的极不均匀性是地下岩溶地貌的重要特点。

图6-16 北京房山上房山云水洞

(据蒲意雅)

如果水平溶洞与其上下、左右扩展的各种垂直或倾斜的孔道相连通,再加上其大小支洞,则可组成十分复杂的地下洞穴系统。

溶洞及洞穴系统可以成层地分布于不同高程上,并且在近河谷处趋于水平。在同一区域里,其高程可以与河谷中各级阶地相对比。例如,桂林七星岩有三层不同高度的溶洞,可与洞外的漓江阶地相对比。但在对比时应注意到当时水平溶洞与河水面间的原始水位关系。因溶蚀作用总是落后于地壳上升时河床的下切作用,所以,同一期的溶洞高程应较河流阶地为高。

图6-17“大厅”式溶洞

(江苏宜兴张公洞)

图6-18 地下暗河出口

(江苏宜兴善卷洞)

(二)地下河(暗河)、地下湖

1.地下河(暗河)

地下巨大水平溶洞的底部,被集中的岩溶水流所占据,且成为较大的地下径流时,称为地下河(图6-18),是一条具有独立补给、径流及排泄系统,由地下溶洞、地下湖、溶隙和连接它们的廊道系统组成。大的地下河系统形成的地下水系,有的流域面积达千余平方千米。地下河的发育及其形态受地质构造的密切控制。地下河按其形态特征可分为:树枝状、锯齿状、线状和网格状等。

目前,岩溶地貌形态有些术语名词很不统一。有的将伏流就叫地下暗河,有的以溶洞中流出的水量大小划分命名,如流量小于10L/s,叫溶洞泉(岩溶泉),流量大于10~50L/s以上,称为地下河;将无进口的溶洞,定名为溶洞河,诸如此类。这些术语含义不够确切是由于对地下暗河、岩溶泉的理解和区分标准不同所造成的。凡岩溶地下水(包括潜水和承压水)的天然露头,均称为岩溶泉,广义的也可包括管道状溶洞中流出的水流,但一般将具有地下河特征的,称为地下河。一般认为,应根据野外查勘并分析其具体特征,不宜单纯以流量绝对值来划分命名。

2.地下湖

地下湖是在不规则溶洞的底部,局部扩张为地势深凹可积存滞流的岩溶水体,而形成的,我们称之为地下湖或岩溶潭,如云南六郎洞、广西都安拉通洞等。地下湖是地下岩溶水系的组成部分,它具有自由水面且水体比较平静,其水文特征的许多方面与地表湖泊无异。

(三)洞穴堆积物

溶洞及其他岩溶裂隙与管道内的堆积物,称为洞穴堆积物,根据其成因,可将洞穴堆积物分为:

1.化学沉积物

溶有重碳酸钙的岩溶水,当温度、压力改变时,可逸出CO2,岩溶水中Ca2+

重新结合形成CaCO3的沉淀,产生石灰华堆积,其形成过程如下列化学反应方程式:

地貌学及第四纪地质学基础

化学堆积物类型繁多、形态各异,分布于溶蚀洞穴之中。按照其形成方式不同,可分为滴石、流石、雾水和凝结水沉积、毛细管水沉积。

(1)滴石 系洞内富含重碳酸钙的岩溶水滴水作用形成。最具代表性的有石钟乳、石笋、石柱。从洞顶裂隙渗出滴水,常形成垂悬于洞顶的石灰华沉积,叫石钟乳;滴水至洞底,自下向上增长的叫石笋;二者上下相连即成为石柱。

(2)流石 由于基底形态和流水状态不同,流石形态也各不相同,但它们都是洞穴内流水作用下形成的。具有代表性的有边石、石幔、石旗等。

边石 是地下水流过洞底积水塘时,在其边缘形成的碳酸钙沉积。

石幔(又称石帷幕)为丰富碳酸盐的薄层水(面状流),沿洞顶或洞壁裂隙流出而沉积的波状、褶状流石,形如帷幕。有时可形成薄而透的旗状次生碳酸钙,称石旗。

(3)雾水和凝结水沉积 呈丛花状散布在洞壁或其他洞穴堆积物表面的碳酸钙沉积物。

(4)毛细管水沉积物 饱含碳酸钙的水,在毛细管的作用下所形成的碳酸钙沉积。石珊瑚、石葡萄、卷曲石是其典型代表。

石珊瑚 在石钟乳和石笋表面,由于毛细管水渗出而形成的形如珊瑚的碳酸钙沉积物,也可形成状如葡萄的碳酸钙沉积物,称石葡萄。

卷曲石 一种螺旋状钟乳石。富含碳酸钙的岩溶水,由石钟乳的毛细管孔渗出而形成。

2.碎屑堆积物

主要有河湖碎屑堆积物、崩积物和溶蚀残余粘土堆积物。

(1)河湖碎屑堆积物 主要是一些具有层理的砂土和砾石。地下暗河和地表河流中的堆积物有显著的差别。前者含大量洞穴物质,且含有洞外带来的砾石,并多被钙质胶结,因其限于管道水流,故无沉积相的变化。地下湖组成物质较细,多为暗河带来的砂土和粘土,具层理构造;与地表湖积物的区别,在于它不含有机质,不具季节性的色带,常含有洞内灰岩崩落的碎块。另外,在洞穴碎屑堆积物中,常常富集砂矿,如云南个旧的砂锡矿、湘西的砂金矿等。

(2)崩积物 从洞顶和洞壁崩落下来的岩屑和岩块,常与洞底的石灰华、粘土等混杂,胶结成角砾岩。洞穴角砾岩往往形成于气候较寒冷的时期,表现出以机械风化作用为主,如果它与石灰华在洞内呈互层出现,则是说明气候变化的良好标志。

(3)溶蚀残余粘土堆积物 指石灰岩被溶蚀后,残留下富含Al2O3和Fe2O3的粘土物质,含钙质较地表蚀余红土高,细腻均一,呈红色或黄色。一般辅于干溶洞的洞底,厚度变化较大。

3.生物和文化堆积物

一些离水源近,洞口向阳,出入方便的洞穴,常成为原始人类和各种动物居住和栖息的地方。故可以发掘出古人类和哺乳类动物化石以及人类文化遗迹,如石器和灰烬等,所以洞穴也是地质考古的宝库。

(四)溶洞、暗河和岩溶泉研究意义及其调查内容

从水文地质与工程地质角度来说,各种岩溶现象中,岩溶洞穴和地下暗河及岩溶泉的研究,是最重要、最有实际价值的。往往大的溶洞和地下暗河,其赋存的水量是巨大的。可作为工农业和城镇供水的水源。例如广西都安的地下暗河,其暗河最大流量为390m3/s,最小流量也达4m3/s。有一些岩溶泉水量也相当大,如山西平定的娘子关岩溶泉群,其流量达10~13m3/s。著名的“泉都”济南,有泉72处之多,均为岩溶泉。另外,溶洞是很好的旅游资源。巨量的岩溶水有时给矿山开采,带来极大危害,如河南焦中马村,一次突水事故,水量达6300m3/h。溶洞、暗河发育地区,也会给兴建水利工程带来危害。在国外曾因未很好研究岩溶地质条件,而导致毁坝事例并不鲜见,如某地有两个水坝,一个修建在岩溶发育的灰岩上;另一个是建在可溶性石膏胶结的砾岩上,均先后发生崩毁。

溶洞、暗河和岩溶泉的调查内容:应包括位置、高程、形态特征(包括高、长、宽等矢量指标)、发育层位与岩性、构造部位、地貌单元以及分布规模等。在形态测量中,应测制溶洞洞穴的平面、纵剖面及典型的横剖面图,也即溶洞的“三相图”(图6-19),必要时应进行素描及摄影。溶洞“三相图”上应表示岩性及岩层产状,并在平面和纵剖面图中注明暗河、地下湖、岩溶泉及裂隙出水点的位置和高程。

图6-19 岩溶的“三相图”(平面及纵、横剖面)

(广西都安,根据成都地质学院

野外调查时,除走访当地群众外,常可根据地表微地貌标志来判定地下岩溶的位置和方向。如串珠状的溶蚀洼地、干谷排列的方向、高程(从分水岭至排泄区递减)、溶蚀漏斗、竖井、落水洞及喜水植物作线状分布等,都是很好的线索。

在分析地下水系时应注意:地下分水岭往往和地表分水岭不一致,它可不断变迁甚至消失;当地表分水岭地势平坦,有较大的降水渗入补给时,它两者基本一致;当岩溶水流通道与地下河偏向分水岭一侧发育时,则地下分水岭向岩溶发育较弱的一侧偏移,当一侧岩溶强烈发育时,可使地下分水岭消失。地下分水岭常以其两侧的地下暗河的“天窗”和钻孔中的水位来确定。天窗乃是岩溶洞穴的洞顶塌陷破坏而形成的,形若天窗。

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