岩溶發育的解譯

1樓：中地數媒

要認識岩溶作用的作用過程，作為第一步，需要對岩溶系統進行描述。因此，首先要回答的問題是「它像什麼？」，然後是「為什麼會這樣？」。

描述方法中的一個重要原則是將岩溶系統不同的屬性彼此相互聯絡。下面作為典型例子對幾個這種聯絡進行討論。

（1）岩溶地區的水迴圈與地質特徵有關

構成早期地下水流系統路徑的溶洞發育的方向與岩石中節理系統的構造有關，這種關聯特徵可以給出有關節理系統怎樣和在什麼樣的條件下控制岩溶發育的資訊。還有許多其他的岩溶水系統特徵與地質構造（如背斜、向斜和其他構造特徵）關係存在。

（2）岩溶泉對洪水的響應可以給出構成岩溶水系統的含水層型別方面的資訊

有些岩溶泉的流量幾乎立即響應洪水事件，而有些岩溶泉卻非常緩慢地響應洪水事件。前者可能與管流系統有關，而後一種極端型別，它是一種擴散型含水層，水流通過許多小的，相互聯絡的裂隙和孔隙，它們有高的阻水性和大的儲水能力。因此，顯示出對洪水事件的延遲效應。

從這些泉的水文動態屬性的詳細分析，可以認為，岩溶系統是由兩種相互聯絡的含水層組成的：一是管道流含水層，排水最有效；二是作為儲庫的擴散流含水層。

（3）地表岩溶的發育與地下岩溶作用的狀態密切相關

塌陷僅在地下存在大溶洞的地方才有可能形成。地表排水系統與地下排水系統的聯絡（例如在半岩溶地區）反映了地下岩溶作用的存在。通過地表水染色示蹤及觀察其再現，可以給出有關地下岩溶作用的有價值資訊並幫助識別地下水盆地。

（4）調查溶洞及其溶洞通道的形態可以給出有關溶洞發育的有價值資訊

可以分辨出溶洞發育的兩個階段。在早期階段，地下水位高，可以形成溶洞管道，且在潛水帶中完全被水充滿。這些通道呈圓形或扁豆狀，其形態明顯顯示了溶解侵蝕佔主導作用。

在晚期，溶洞通道部分被地下水所放棄，在目前的包氣帶地區，水流呈自由水面，在這種條件發育的溶洞通道顯示垂直下切特徵，而發育成峽谷。根據溶洞的高度與先前河谷位置之間的關係可進一步給出有關溶洞系統演化的資訊。

由於對岩溶作用的初始階段不可能進行直接的觀測，因此關於這方面的資訊知之甚少。然而可以推斷，一定存在可滲透的原生裂隙和斷裂系統，它們被地下水的侵蝕作用擴大，進而形成未來岩溶含水層的次生滲透性。裂隙中的水流在這個階段一定是呈層流狀態，這可以從臆想它們的大小和水力梯度中得知這一點。

在有利的條件下，初始微裂隙逐漸被溶蝕擴大成直徑為幾個毫米的管流網路，開始出現紊流。在這種條件下，石灰岩被溶解作用移走的數量不斷增加，其主要原因是：①紊流能快速將溶解物質傳輸到溶液之中，從而使溶解速率加快；②侵蝕水的總量增加，因此溶解石灰岩的能力增強。

因此，一旦超過一定的通道直徑大小，便形成有效的排水系統。最終改變了輸入-輸出格局，地表和地下水排水系統的關係便構成了顯著的岩溶特徵。與此同時，擴散流岩溶系統也在不斷變化，岩石的滲透性不斷增加。

管道流系統和擴散流系統相互作用，相互影響，最終發育為成熟的岩溶系統。

在這個總的框架中，還有許多問題懸而未決。可滲透或適宜的裂隙和節理的術語僅是用於說明若干年前岩溶作用開始的情形，而並不是對此作出的解釋。人們不禁要問「什麼是可滲透的裂隙？

在初始『裂隙含水層』中它需多大水力梯度？」即使這個問題可以回答，緊接著的問題是「裂隙中的水流可以運移多遠，而不失去溶解擴大這種裂隙的能力？」與之相關的問題是「流經裂隙的一定量的水流能帶走多少石灰岩？

」。這些問題不能再用描述性方法進行解答，而必須通過多學科方法加以解決，即採用石灰岩-水-二氧化碳系統化學以及裂隙系統和管流含水層中的流體動力學方法。

thraikill（1968）在他的經典文章中討論過「石灰岩洞的化學和水文因素」。他調查了管網的水流動模式，模擬了岩溶含水層的層流和紊流，得出結論：在層流和紊流狀態下流動模式是相似的，其假定條件是岩溶含水層的側向擴充套件相對於深度是很寬的，且滲透性分佈均勻。

他調查了包氣帶水入滲到岩石為到達水面過程中的化學演化，得出結論：大多數這種水在到達水面時被方解石所飽和。為了解釋淺部潛水帶中岩溶孔隙度增大的原因，他尋求重新處於非飽和狀態的原因。

假定在1km2面積上不斷接收雨水入滲形成長為500m，平均直徑為 1m的最小溶洞需 10萬年。他定義的標準最小非飽和度時鈣濃度為0.0108mg·l-1。

這種大小的非飽和度可能因溫度的影響產生。當溫度下降1℃時，非飽和度將增大50倍，這是根據co2-h2o-caco3系統的質量作用定律**得到的。bogli（1964）通過混合效應得出了類似的結論。

這種效應是指兩種飽和的caco3溶液混合（不同的co2濃度和不同的ca2+濃度）重新具有侵蝕性，儘管這些考慮表明溶洞和岩溶含水層的發育與水動力學和平衡化學規律不相矛盾，但人們應看到，這些觀點缺少控制岩溶系統演化的重要原理。

因為岩溶演化是與時空有關的作用過程，所以必須回答平衡化學所不能回答的兩個重要問題。第一是關於岩溶系統空間展布的問題，這個問題與「在給定條件下方解石侵蝕性在達到飽和（或不再溶解石灰岩）之前能運移多遠？」有關。

第二是有關時間的問題，即從初始狀態發育到成熟岩溶系統需要多長時間。

回答這些問題的關鍵是弄清方解石的溶解或岩溶作用的動力學機制。如果方解石的溶解反應極快，水一旦與方解石接觸，便會在極短的時間內達到飽和。因此，由水入滲到原生裂隙中發生的石灰岩溶解便會在運移很短距離後停止，此種情況下僅發生地表侵蝕現象。

結果是灰巖面呈均勻下降。從而不會發育諸多地下水迴圈的岩溶特徵。換句話說，如果溶解相當的快，岩溶地貌就根本不會出現。

而另一方面，如果假設反應程序極其緩慢，那麼，入滲到原生裂隙中的水就會在極長的運移過程中保持其溶解能力，流動通道的增大是以均勻的速率在各處進行，結果是形成均一的次生滲透性，這與自然界觀測到的相悖。此外，極其慢的反應動力機制其結果是單位面積和時間的石灰岩溶解量極小。因此，裂隙增大的速率極小，從而形成岩溶含水層的時間從理論分析來看為無限長。

為了認識岩溶作用的過程，正如white和longyear（1962）首次認識到的那樣，需要深入瞭解方解石溶解動力學機制。

詳細討論複雜的方解石溶解和沉積動力學機制，以及將它們與岩溶系統的發育和岩溶相關的環境聯絡起來，是本書的兩大主要目的。

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