本溪天龍洞地區古喀斯特化學特征與氣候環境意義

楊希丹

摘要：利用本溪縣天龍洞地區的現場地貌觀察，實驗室內的化學成份分析，和世界其它地區的研究對比說明本溪縣天龍洞2附近地區在地質歷史時期，尤其是第三紀，處于一個濕熱的環境，這正好有利于喀斯特地貌的形成。而隨著第四紀以來，全球氣候變干變冷，本溪由第三紀的亞熱帶氣候轉化為現代的中溫帶大陸性濕潤氣候。通過對地球化學特征的實驗室分析說明了本溪地區現代氣候條件，既比較寒冷的中溫帶大陸性氣候下很難發育喀斯特。所以北方地區的喀斯特地貌開發保護是彌足珍貴的。

關鍵詞：天龍洞，古喀斯特，氣候變化，意義。

中國分類號：K903

喀斯特地貌是指水對可溶性巖石的溶蝕，改造的物理和化學過程的作用所形成的地貌。形成喀斯特地貌必須發育有可溶性巖石：在可溶性巖石的基礎上還要有合適的氣候條件，即濕潤的氣候帶來的降水最主要的，溫度則是催化作用，決定喀斯特反應速率快慢【1】。只有在可溶性巖石與合適的氣候相互作用才能比較好地發育喀斯特地貌。

1.研究區概況

1.1 位置與地形單元

本溪地區位于東經123°34～125°46，北緯40°49～41°35，位于中國東北，亞歐大陸東岸，境內“八山一水一分田”，太子河流域，渾江流域，草河流域貫穿其中，地形以山區為主，東高西低，中部和南部為長白山——千山余脈，北部和東部為龍崗山

脈余脈，全市最低點位于太子河與細河的交界處，海拔85米，最高點是位于桓仁境內的花脖子山，海拔1336米。太子河流域內石灰巖地貌發育，以碳酸鈣，硫酸鈣喀斯特為主。

1.2 氣候特點

本溪位于東亞季風區，現代氣候屬于中溫帶大陸性濕潤氣候，四季分明，冬季漫長而嚴寒，夏季溫熱而短促【2】。年平均氣溫在6.2℃—7.8℃之間，最熱的七月平均氣溫為23.9℃，最冷的一月平均氣溫為-14.4℃，絕對最高溫度是38.3℃（本溪市區1999年6月觀測），絕對最低氣溫為-40.9℃（本溪縣堿廠鎮2001年1月14日夜晚觀測）【3】在20世紀70年代出現了最低值，多年平均降水量為795-860mm左右，其中夏半年占70%以上，其它月份所占比例很少。

1.3 地質與地層

本溪全境位于太子河流域，渾江流域和草河流域，群山環繞，地層出露良好，古生物化石豐富。本溪地區處于著名的郯城-廬江大斷裂帶上【4】，在奧陶紀地層中大量發掘出的介殼類，腕足類，頭足類，雙殼類化石也有力地證明了當時本溪地區曾經是海洋，在經歷過強烈的構造變動后地形抬升，形成了龍崗-長白等一系列山脈【5】。這些在地層中廣泛出露的奧陶紀有殼生物化石中說明了問題。

在太子河流域，分布有廣泛而典型的奧陶紀地層。太子河流域周圍都有奧陶紀地層出露，這說明石灰巖的發育很廣泛。本溪市區內的溪湖石灰礦是石灰巖的集中地，地層出露整齊，構造簡單，奧陶紀的腕足類和筆石類化石也很豐富【6】。而本溪市的南部位于長白山脈的主體部分，地層復雜，構造抬升劇烈，奧陶紀地層分布凌亂，不甚整齊，化石分布也不整齊，這說明很難有大型喀斯特生生。

2.地貌特征

古喀斯特地貌多分布于奧陶紀石灰巖層面上，特點是分布面積小，發育不明顯，偶見大型喀斯特地貌單元，多與古氣候成因有關。本文基于天龍洞旅游區附近山體四個采樣點六份巖土樣本進行化學成分分析。（如圖1）

2.1 地表喀斯特地貌

在現場觀察中，只有本溪縣石灰礦存在發育微弱的地表喀斯特地貌，以質度不純，密度小的石灰巖層上發育的小型溶溝為主，偶見不明顯的石芽，可從中看出流水溶蝕的作用形成的痕跡。

石芽和溶溝深度和高度多在1-2厘米之間，基座直徑多在1厘米上下，頂部為渾圓狀，可見火山砂，石英砂的雜質摻雜。這是完全不同于南方喀斯特地貌所形成的地貌的。南方溫熱區，如云南石林地區多發育大型現代地表喀斯特地貌，如體積較大，保存較好，石灰純度高的大型石林，峰林，峰叢洼地，在盆地區可發育為大型溶蝕盆地，鈣華壩，天生橋。而相比之下，北方降水較少，氣溫較低，降水較少，在此情況下大型地表喀斯特極少見。

2.2 地下喀斯特地貌

地下喀斯特地貌分布在奧陶紀地層中的古喀斯特溶洞，即地下暗河中，本溪地區著名的旅游景點如本溪水洞，望天洞，怪石洞都屬于此類洞穴。本文之所以對天龍洞風景區內的地貌進行考察是因為沉積物發育完全 且人為擾動小。

鐘乳石，石筍：發育較小，不夠典型。鐘乳石多為細小的針狀，劍狀，長度多在1米以下直徑多小于10厘米。此類鐘乳石多由極其緩慢的含碳酸鈣溶液沉積形成，根據秒表計時測算，鐘乳石末端水滴的速率多為5-15滴/min。個別鐘乳石形狀不規則，如倒鐘狀，乳頭狀，耳狀，這類鐘乳石末端的的水滴速率稍快，多為8-20滴/min，從此可以看出這些不規則鐘乳石的形成依賴于鈣離子的濃度。鈣離子的濃度在風化殼化學測試實驗中已證明在漫長的氣候演變中，鈣離子經過了流失的過程【7】.

石筍普遍發育小，多數石筍位置與鐘乳石對應，但明顯比鐘乳石小，甚至存在缺失現象。從形狀上來看，石筍大多比上端對應的鐘乳石表現渾圓，且坡度平緩。從對應的鐘乳石上的下落水滴來看，水滴速率過慢，當水滴滴到下端的洞穴底板時，水滴有足夠的時間來分散開來進行沉積，流速緩慢使石筍相對鐘乳石沉積為更加平緩的坡度。在不規則鐘乳石分布的地面，石筍一般為多個塔狀石筍或不規則石筍。當頂部的不規則鐘乳石間的水滴之間間距較大時，水滴落在基底依水滴的位置形成多個分散的，呈不規則狀的石筍，如果頂部不規則鐘乳石水滴之間比較密集時則由于多個水滴的沉積作用形成聚在一起的大規模石筍【8】。（如圖4）

石幔：天龍洞內的石幔發育明顯，規模也較大，表面粗糙不平，發育有細小的條紋和溶溝，棱角較為光滑。從洞頂漫流下來的水流多呈漫流狀，流速小，水量小，滴速不穩定。在此種條件下，只能發育為不太明顯又比較光滑的小型現代溶溝。（如圖5）

邊石池：洞內的低洼地帶有邊石池的分布，但邊石池內水位明顯小于邊石池的高度。在邊石池的內邊緣，可見一條有顏色變化的條帶，可見細小的方解石晶體，這是古邊石池內的水位標志。在當今氣候條件下，邊石池內只含有10-30厘米深的池水，且池內沒有方解石晶簇的發育，這表明邊石池不是當今條件下發育的。

3樣品采集與實驗方法

4個采樣點的6個樣本中，3個是位于天龍洞附近3個不同地區的石灰巖樣本，，3個是位于本溪縣附過太子河的北岸海拔377米處的一處人工挖過的剖面處采得的風化殼樣品。

石灰巖的樣本由于受人工影響小，較為純凈，在實驗室經去離子水清洗處理，砸成粒細粒，過0.063mm篩子作進一步的處理。實驗于2014年12月27日在遼寧師范大學色譜實驗室完成。具體操作步驟如下：

1.將3個石灰巖樣本分別取5g用丹東北源儀器廠生產的SM-1型振動研磨機振動30s后研磨成粒徑小于75μm的粉末，置于研磨皿中備用。用畢研磨皿用去離子水洗凈，為下個樣品的研磨作準備。

2.每個研磨后的石灰巖粉末各取約2.5g.置于壓餅上，再將壓餅置于丹東北源儀器生產的BP-1壓樣機上，經40Mpa壓力加壓60s。制成壓模。

3.將壓餅處理后的石灰壓模上機測試。實驗采用的是日本RIGAKU公司的X射線熒光光

譜衍射儀完成，測出化學成分如下表，3個石灰巖樣本分別記為TL1，TL2，TL3。而3個風化殼的樣本分別從低到高記為TZ1，TZ2，TZ3。

4化學成分分析

從樣品上來看，TL1與TL3分別位于天龍洞的入口處的石灰巖壁與著名的本溪水洞洞口附近的石灰巖壁上。TL1與TL3兩者不僅海拔大致位于同樣的高度上，從化學成分具有高度的一致性石灰巖的主要成分是CaO，在TL1與TL3樣本中的的Ca元素的比例分別為40.9%與40.7%，高度一致。作為喀斯特的第二代表元素Mg也在TL1與TL3樣本中出現了高度的一致性。采樣點TL2位于本溪縣的太子河北岸，相比TL1與TL3位于距河岸380米的位置來說長期以來受水的溶蝕作用較強，因此在Ca元素的含量僅為38.9%。由于水中可溶解一定量的C元素，所以碳的含量也比TL1，TL3少。濕潤的環境又提供了還原的環境，所以Fe元素的含量達到了1.56%，Al達到了1.48%，明顯高于TL1與TL3的0.68%和0.83%。與西南的喀斯特地區的元素相比，Ca元素的比例小于云南石林的60%以上，可證明北方的石灰巖純度低，發育喀斯特緩慢。

TZ1，TZ2，TZ3是位于風化殼剖面的由低到高的不同的三個樣本，此三個風化殼剖面的樣本呈現了很顯而易見的規律：Ca元素出現了由低到高逐漸增多的趨勢，從TZ1的36.0%增加至至42.9%，這一結果是基于白云巖，泥灰巖在長期的地質歷史中風化作用沉積下來，尤其是在降水量減少，水動力條件減弱的情況下伴隨著水的溶蝕能力減弱而沉積下來的。Fe元素從TZ1的0.07%到TZ2的0.71%，再到最頂層TZ3的1.18%是長期以來氣溫氣溫變化下還原作用加強的結果

以遼東本溪縣地區所代表的北方喀斯特發育階段已進入老年期，即Davis所說的侵蝕循環理論中的接近于“夷平面”的時期，喀斯特山地正處于消減，侵蝕的階段，地殼上升，溶洞位于包氣帶內。與之對應的氣候變化是第三紀的溫熱的亞熱帶季風氣候到現代的中溫帶大陸性氣候的變化，氣候由暖濕轉為干冷。

4：流水協同沉積作用的粗糙洞壁

圖5：天龍洞內溶蝕作用形成的小型石芽，依洞壁生長，長度多在10CM以下，不規則狀。

5.縱向分析與對比

在喀斯特地貌形成的氣候因素中，溫度和降水是起到重要作用的兩個方面，其中降水是重要的方面，根據Ford1等人的針對西伯利亞和北美的研究，在東西伯利亞和北美的高緯度地區，年平均氣溫很低，但是卻存在大量的喀斯特洞穴，甚至還有發育良好的溶溝，石芽等地貌，而這些地貌一般只能在熱帶和亞熱帶地區可以被看到。東西伯利亞和北美北部西岸降水量分別為300-500mm和400-1000mm，凍土層的存在使地表處在長年濕潤狀態，濕潤的氣候則是形成喀斯特地貌的重要條件。而一些熱帶地區，如澳大利亞中部，撒哈拉沙漠等地由于氣候干旱，溫度雖然很高但是缺少降水，極難看到現代喀斯特地貌。當然，溫度也是一個形成的因素，但不是決定因素，而是加快和減緩喀斯特作用的輔助因素，如本研究區本溪處于中溫帶濕潤區，年降水量平均為795-860mm之間，降水量稍多的云南石林地區喀斯特地貌則發育更加多樣，更為典型，還有現代喀斯特的存在。云南石林地區茅口組的鋁離子含量少于0.04，遠低于本溪縣所采樣本的0.68-1.56之間，證明現在本溪縣為代表的風化土層處于富鋁土化的過程【9】。

本研究區為遼寧省本溪市太子河流域為主，為中溫帶，在一些地區可以看到大型溶洞，個別地區還可以看到小的溶溝，石芽等。本文通過對幾個采樣點周圍巖石的化學成分分析研究，說明本溪當今氣候條件下喀斯特地貌形成是極其緩慢的，隨著第四紀以來氣候變干變冷以來反應速率也在下降【10】。由此可見本溪地區喀斯特地貌資源在以后相當長的時間內基本維持現狀，如破壞很難恢復，加以維護和保護有相當的重要意義。

6結論：

以本溪縣天龍洞為代表的北方喀斯特化學過程是Ca，Mg，Fe元素淋失，而AL富集的過程。 21世紀雖然是全球變暖的整體大的趨勢，但中國北方地區從第四紀以來的整體長期趨勢是氣候變干，變冷。氣候變干導致的降水減少，溫度降低使地層中的Ca，Mg，Fe淋失，現代氣候條件下很難再形成大規模的現代喀斯特地貌?？λ固氐孛惨运钠嫣氐木坝^可作為一種很好的旅游資源，是大自然上萬年乃至上百萬年的結晶，如破壞則極難恢復原狀【10】。針對這些大自然的結晶加以珍惜和保護有至關的重要性【11】.

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