喀斯特地貌的形成演化機制及其危害防治

歐陽軍勇

（東華理工大學核資源與環(huán)境國家重點實驗室，江西 南昌 330013）

1 什么是喀斯特地貌

喀斯特地貌即是巖溶地貌的總稱[1]，巖溶是指可溶性巖石，特別是碳酸鹽巖（如石灰?guī)r、石膏等），在水和大氣中CO2的參與情況下[2-3]，將可溶性巖石剝蝕和搬運、沉積作用而形成的獨特地貌。剝蝕作用可分為化學溶蝕作用和機械沖刷。化學溶蝕作用是大氣中二氧化碳參與下，可溶性巖石溶于水中，形成溶液搬運遷移；機械沖刷作用是指在水動力的作用下，巖石機械破碎形成碎屑物，在水的荷載作用下，搬運遷移。一般而言，喀斯特地貌是兩種剝蝕作用共同努力下形成的奇特地貌；地下溶洞在前期發(fā)育，地下運移通道狹窄，水流速度慢，水動力弱，以化學溶蝕為主；后期因化學溶蝕或地穴崩塌，使運移通道擴大，水動力增強，以機械沖刷為主。

“喀斯特”最早源自南斯拉夫西北部分大面積石灰?guī)r的地名，他的德語叫作katst，后被戴維斯將喀斯特循環(huán)學說引入我國，用來描述我國巖溶形成的地貌。喀斯特地貌在我國分布廣泛，主要集中于華南與西南，在山東，吉林，遼寧等也廣泛發(fā)育。云南以石林聞名天下[4-5]；廣西桂林[6]，以溶洞為主，如七星巖、豐魚巖等；陽朔石芽、石林、峰林、天生橋舉世聞名；貴州黃果山瀑布、織金洞；浙江的瑤林洞；江蘇宜興石灰?guī)r溶洞[7]。

不同的歷史時期，喀斯特地貌演化階段和演化過程不同[8]，真正的個體形態(tài)各異，根據(jù)不同的個體形態(tài)，喀斯特地貌分為：溶溝石芽、峰叢、峰林、孤峰、落水洞、溶斗、干谷、溶洞、溶蝕谷、天生橋、喀斯特洼地和喀斯特平原等[9-10]。

2 喀斯特形成的四大條件

喀斯特的形成有四大基本條件：巖石的可溶性、巖石的透水性、水的參與、水的流動性。

2.1 巖石的可溶性

巖石的可溶性，是喀斯特地貌形成的基礎之一。在自然體系下，可溶性巖石在水的參與下，經(jīng)過化學溶蝕和機械沖刷，形成獨有的奇特地貌。巖石的可溶性，是巖石自身組成所決定的，如碳酸鹽巖、鹽巖等，根據(jù)本身的化學組成和礦物成分，在自然體制下，易溶于水，從而受到水的作用，形成喀斯特地貌。

2.2 巖石的透水性

喀斯特地貌需要水的參與，水作為一種溶融介質和運移載體，在喀斯特形成地貌中，占據(jù)主導地位。喀斯特地貌的形成，是水作用和水運移下形成的結果。只有巖石的透水性良好，水才能充分滲透，參與喀斯特地貌的形成演化過程。

巖石的透水性受到內在、外在因素的影響：

①不同巖性的巖石，形成的致密程度和膠結程度不同而透水情況不同。一般而言，巖石膠結程度好致密的巖石類型，如花崗巖類、變質巖類、火成巖類，透水性差，是很好的隔水層；疏松的巖石類型，沉積巖、碎屑巖、蝕變巖、碎裂巖等，透水性較好。

②巖石的孔隙、裂隙和溶洞洞穴，對巖石的透水性，有很大的影響，巖石的孔隙是巖石透水性的主要原因。

③巖石受構造破裂，增加巖石的孔隙度，使巖石的透水性增加。

④巖石的顆粒顆度、磨圓、分選等皆對巖石透水性有重要影響。巖石顆粒大、分選好、磨圖好，巖石的透水性高。

2.3 水的參與

在水溶解作用下，可溶性巖石溶于水中，形成溶液，被水荷載遷移或者被水機械沖刷，破碎成碎屑物，在水動力作用下搬遷運移，形成喀斯特地貌。不同喀斯特地貌的演化過程，都有水的參與。地表水平發(fā)育峰叢峰林孤峰的演化過程，是大氣降雨參與的結果。在大氣降雨下，水溶解大氣中的CO2，導致雨水偏酸性，使碳酸鹽巖溶蝕，形成水的溶液，遷移搬運；大氣降雨也使碳酸鹽巖受到機械沖刷，巖石破碎，碎屑被水動力帶走。地表喀斯特地貌的演化，是水的溶蝕和水的機械沖刷共同作用的結果。而地下溶洞，發(fā)育在潛水面，前期在水的參與下，以水的溶蝕作用為主，后期以機械沖刷為主。地下溶洞中，前期水的運移通道狹窄，水流量小，水動力弱，水的流速慢，大氣中的CO2溶解在水中，形成偏酸性的稀酸溶液，碳酸鹽巖溶解度增加，如CaCO3在酸溶液中，形成易溶于水的Ca+離子和HCO3-離子。當含有Ca2+離子和HCO3-離子的水溶液，在自然化學條件下，對環(huán)境影敏感，如溫度、PH 值、壓力等條件變化時，使HCO3-又重新釋放CO2氣體，與水溶液中Ca2+離子重新結合形成新的石灰?guī)r。這種溶蝕作用，在地下溶洞尤為常見，形成獨有的喀斯特溶洞地貌，如石筍、石鐘乳、石柱，石崖等。

2.4 水的流動性

只有流動的水，才能將溶解在水中的鈣離子和碳酸氫根離子遷移走，也才能堅持不斷的溶蝕巖石形成喀斯特地貌。如果水是靜止的，可溶性巖石在水中的溶解度是一定的，當溶解達到平衡時，溶液飽和，巖石不在溶解。只有流動的水，才能將溶液帶走，使溶解持續(xù)進行。

3 喀斯特地貌形成演化機制

喀斯特地貌一般發(fā)育碳酸鹽巖區(qū)域內，其反應機理是：大氣中的CO2溶入水中，形成偏酸性的水溶液，而酸性水溶液與灰?guī)r中的CaCO3反應，生成溶解于水的Ca(HCO3)2溶液，被流動的水帶離遷移，使反應持續(xù)不斷的進行，化學反應式：

當一定的水巖條件變化時，如Ph 值、溫度、壓力等變化，使反應向左偏移，將HCO3-中的CO2釋放，又開始形成CaCO3，如石筍，石鐘乳等。

喀斯特形成演化階段，先從可溶性巖石構造面發(fā)育，如破裂面、節(jié)理面、裂縫等，在大氣降雨量大的地區(qū)，雨水隨著水平的裂縫滲透[11]，將可溶性巖石溶解，并以溶液形式帶走，使節(jié)理、破裂發(fā)育的水平裂隙逐漸加寬加深，形成石骨嶙峋，溝壑縱橫的地形，其中溶蝕溝稱為溶溝，突起成為石芽。當溶溝石芽進一步溶蝕發(fā)育成群者，且形體高峻，溝坡豎立，稱為石林。石林進一步溶蝕和受水的機械沖刷形成峰頂尖銳或成圓錐狀，突出而基部相連，宏觀上似簇狀者的峰叢。峰從再進一步發(fā)育，基部僅稍許相連，稱為峰林。當基部完全斷開，孤立于喀斯特平原之上，峰體上部挺直高大，稱為孤峰；孤鋒是喀斯特地貌水平裂隙發(fā)育到晚期的結果[12]。

喀斯特沿垂直裂隙發(fā)育演化，地表水沿垂直裂隙向下剝蝕，形成向下的水的流動通道，在水的溶蝕和沖刷作用下，直立或者陡傾斜的流動通道擴大加深，使聯(lián)通地下水或地下溶洞，成為地表水滲入地下的流動通道，稱為落水洞。當落水洞下部的溶蝕形成大小不一的溶洞時，上部承重壓力便溶洞塌陷，形成溶斗。溶斗堵塞積水可形成喀斯特湖泊[13]。另外溶斗擴大，相鄰溶斗連續(xù)合并，形成統(tǒng)一的盆狀洼地，稱為喀斯特洼地。當?shù)貧らL期保持穩(wěn)定清晰，侵向溶蝕充分進行，喀斯特可發(fā)展成為高程低、面積大的廣闊平原，稱為喀斯特平原。

地下溶洞的演化。地下水沿可溶性巖層的構造面流動，使巖石剝蝕、崩塌形成地下洞穴。初期時，裂隙通道小，地下水運動緩慢，以溶蝕為主，隨后空洞擴大，互相串通，水流量加大，動能增加，引起沖刷。如果地殼上升，潛水面下降，沿地下水面發(fā)育的溶洞可被抬升形成干洞。當溶洞因上部荷載引起洞頂塌陷而暴露于地表，可形成兩壁陡峭的谷地，稱為溶蝕谷。地下河洞頂如有局部殘留，可構成天生橋。

4 喀斯特地貌危害和防治

4.1 喀斯特地貌的危害

世界上大多數(shù)大洞穴都是發(fā)育在喀斯特地區(qū)。溶溝、峰叢、峰林、孤立峰、天生橋等均是喀斯特地貌特有的地形。喀斯特地貌是一種珍貴的旅游地質資源，然而，喀斯特地貌具有重大危險隱患。

喀斯特地區(qū)地層都是巖溶洞穴堆積物，堆積物多具有松軟、松散、性脆、多孔、含水量高、沉降量大、強度低、穩(wěn)定性差的特點，對工程構建物穩(wěn)定性危害極大。如巖溶洼地、谷地，易受洪水沖刷，淹沒橋梁及路基；溶蝕洼地積水，浸泡路堤，引起路堤下沉或坍塌等；雨季時，路基基底涌水，使路堤坍塌或沖毀，影響施工；橋梁基坑水位高，造成排水困難，易引起基坑坍塌[14-17]。工程隧道通過巖溶地區(qū)，引起大量涌水，且伴隨著涌泥、涌砂，增大施工難度及不-安全因素[18-20]。溶洞頂板過薄，不能承受荷載，引起洞穴坍塌[21-23]。

近年來，國內外巖溶坍塌的研究現(xiàn)狀及發(fā)展，概述了巖溶坍塌的三大形成條件：一定發(fā)育程度的巖溶洞穴，上覆蓋層，巖溶地下水系統(tǒng)。巖溶塌陷具有極大的危害性和突發(fā)性，又是一個喀斯特地貌分布區(qū)域廣泛的國家[24]，因此巖溶洞穴坍塌，是我國主要面臨的地質自然災害，有必要對喀斯特進行深入研究，發(fā)現(xiàn)中國巖溶塌陷的時空規(guī)律及發(fā)育特點，做到對巖溶塌陷的預測預防，防災減災。

4.2 喀斯特地貌的防治

（1）全面查清我國巖溶地貌現(xiàn)狀，及其動態(tài)變化情況，建立全國巖溶地區(qū)數(shù)據(jù)庫資料和綜合治理信息平臺，滿足巖溶地區(qū)的綜合治理，促進生態(tài)修復，提供準確詳實的動態(tài)信息。

（2）研究喀斯特地貌的發(fā)展發(fā)育規(guī)律，對喀斯特地區(qū)的工程建筑等，科學的評價和預測，做到預測為主，預防為主，治理為輔，防治相結合的辦法。

（3）對于巖溶塌陷后的防治措施有：塌洞回填、河流局部改造與河槽防滲、綜合治理。一般來說巖溶塌陷前的防治措施包括：控水措施，工程加固措施和非工程性防治措施。