浅谈地表和地下岩溶地貌

岩溶景观是基岩被水溶解的主要地貌过程，几乎20%的大陆都有岩溶地貌，超过四分之一的地球人口生活在岩溶地区或附近。

典型的岩溶地貌本质上与地下排水有关，因此地貌和水文是密切相关的。

岩溶地貌学是一个经典的跨学科的科学领域，水文学学家、地理学家、化学家、生物学家和其他科学家可以找到更好的方式来理解所涉及的过程。

岩溶地貌调查在环境影响评估研究或喀斯特地区干扰评估中越来越重要。

岩溶和洞穴在许多类型的岩石中发育，包括石灰石、白云岩、石膏、盐、石英岩和其他一些岩石。

这些岩石受到不同气候的影响，呈现出许多形态和地貌。

地表和地下岩溶形态是了解洞穴和岩溶系统的性质和成因的关键。

喀斯特地区的所有人类活动，包括各种建筑、农业、淡水供应、废物处理——只要提一些——都需要关于岩溶系统的详细知识。

现代技术和建模技术对岩溶过程和由此产生的地貌带来了新的见解。

本期特刊试图概述岩溶地貌学方面已经完成的工作和有待完成的工作。

岩溶地貌学

岩溶地貌是研究地表和地下通过溶液和相关过程在可溶岩石上形成的地貌。

岩溶地貌在纯净、致密、较厚的石灰岩和大理石上发育的最好。

喀斯特这个名字来源于当地人使用的术语卡索和克拉斯，用来描述典型的古典喀斯特地区（斯洛文尼亚的里雅斯特和迪纳里克山脉周围的地区）的石质景观。

岩溶景观以地表水溶解的可溶性岩石形成的溶解性地表地貌为主。

溶解程度取决于许多因素，包括水的可用性及其补给模式（扩散、自生和外源的）、相关岩石的岩性和结构以及气候（温度、降水和植被）。

喀斯特地貌通常发育在碳酸盐岩（石灰岩、白云石和大理石）上，但其他岩性在不同的气候和地理环境下可以显示出类似的形态。

盐岩是最易溶解的，其次是硫酸盐岩石（石膏和硬石膏），还有石英岩和硅质砂岩都是微溶的，久而久之，形成典型的岩溶地貌和水文特征。

目前普遍认为，雨水的溶解能力在岩溶表面前几十米处最强，该区域被称为即表层岩溶区或壤下带。

地表水对可溶性岩石的溶解产生了一系列独特的形态，这些形态的大小不一，从不足一毫米到数公里不等。

这些形态大多具有将地表水导入地下的功能，而其它形态则为贯通形态、残留形态和沉积形态。

岩溶地表地貌通常根据其规模进行分类，分为输入地貌、吞吐地貌、残留地貌和输出地貌。

小规模的输入特征被称为微岩溶和岩溶，特别是对地中海和阿尔卑斯碳酸盐岩溶地区，以及石膏和盐，已经进行了深入研究。

岩溶通常是很多种成因形成的，主要由溶液形成，并受水、冰、风吹颗粒和生物媒介的侵蚀影响。

虽然岩溶地貌也可以在非岩溶岩石（如花岗岩）上形成，但大多数学者认为天然封闭的洼地称为溶洞（有时也称为天坑），是岩溶地貌的诊断标志。

溶蚀洞是研究最多的岩溶地貌，早在十九世纪末就有详细描述。

塌陷型天坑是最壮观的天坑，如中国热带多角形岩溶地区的天坑。

近年来，在岩溶基岩中，或者更常见的是在覆盖岩溶岩石的松散沉积物中突然形成的白云石，由于其对社会的影响而被广泛研究。

它们的发展往往与人类活动有关，如抽水、采矿和地下排水的变化。

这种类型的覆盖塌陷（或脱落）白云石在覆盖石膏岩溶中更为常见，那里的溶解速度更快，即使没有明显的人为干扰，每年也会产生几个新的天坑。

最大的喀斯特洼地是丘陵，其特征是平坦的地面和或多或少细长的平面形式，四周大多是陡峭的斜坡。

这些最好的例子来自迪纳拉喀斯特，沿着构造边界或褶皱轴排列，通常有从一侧的泉水中升起的地表径流，沿着长轴，在另一侧的池塘中下沉。

尽管丘陵的起源通常是多成因的，但丘陵大多是贯通式的，可以被认为是河流景观中山谷的岩溶等效物。

这种典型的喀斯特地区沉积物是多成因的，其起源及其在地貌中的作用仍有广泛的争论。

许多岩溶地区除了典型的溶蚀地貌外，还表现出独特的河流地貌，这些地区通常被称为河流岩溶。

独特的岩溶地貌是峡谷和盲谷，当岩溶导管系统无法排出引入系统的水时，这些地貌就会形成。

当高强度降雨地区出现重要的同源补给、形成时间较短的岩溶岩石和/或岩溶化程度较低时，或在基底变化后洞穴系统仍未达到临界排水能力时，这些条件很容易得到满足。

峡谷和山谷是需要一定时间才能形成的地貌，可以在不同的气候时期形成，特别是考虑到第四纪的气候变化。

其中一些峡谷的形成可以追溯到第四纪以前，有时甚至可以追溯到中新世末期的梅西尼盐碱危机时期，例如罗纳河支流阿尔代什河。

地下岩溶地貌学

溶解作用虽然在地表更为强烈，但在地下仍在继续，缓慢扩大岩石中的裂缝和初始开口（如层面），形成岩溶管道系统。

岩溶系统从起源到充分发育直至形成的整个演化过程称为洞穴成因。

小尺度和大尺度的地貌观测，加上水文和水化学调查，是获得岩溶系统如何形成以及经过哪些发展阶段信息的关键。

在过去的50年里，人们在洞穴成因方面做了很多工作，科学界大多就岩溶水文系统的形成机制达成了一致。

洞穴系统的宏观、中观和微观形态观察可以为理解洞穴发生提供有价值的线索。

就宏观形态而言，石灰岩洞穴的大体几何形状无疑是研究最广泛的，本质上取决于补给的类型和溶解前孔隙度的类型。

不同设置的组合产生了不同的洞穴平面形式（例如，分支工程、海绵工程、迷宫等）。

从剖面图来看，通过增加尺寸深度和长度，洞穴的形态本质上取决于裂缝和层理平面的密度、穿透性和连接，以及所涉及的水力梯度，如四态模型中所解释的那样。

这使得最初在裂隙较少的岩石中形成的水下溶洞（具有深的溶洞环），随着时间的推移，逐渐向理想的水位溶洞发展。

该理论是用单一理论解释洞穴系统发展的最佳尝试之一。

事实上，在正常条件下，洞穴系统往往会随着时间的推移向高水位洞穴演化，这一点已被计算机模型所证实。

不过，在高山洞穴系统中，喷气孔洞穴的发育似乎只在最初阶段比较重要，而大部分实际可进入的地下空间，包括振幅高达200米的环形通道，都是由虹吸带的侵蚀性大流量所造成的。

研究洞穴系统中的微地貌和中地貌（分别小于或等于洞穴通道直径的大小），可以让我们进一步了解这些系统的起源和洞穴系统的形成过程和过去的水文地质条件。

这些中型和微型地貌大多是多源的，由流体（空气和/或水）腐蚀和/或侵蚀岩石表面形成。

有几个主动和被动变量控制着它们的形成，大多数情况下，几代地貌会在时间上重叠，这使得它们的解密变得更加困难。

在许多情况下，由于时间和（或）物理条件的限制，直接观察这些形态的形成通常是困难的，甚至是不可能的。

其他神秘的形态还有钟形孔，即热带洞穴顶上经常出现的雪茄形垂直孔洞，对其形态的详细研究直到最近才开始。

在无法进行直接观测的情况下，最好的方法，甚至是唯一的方法，就是通过计算机建模，来进一步研究这些未知世界从初始阶段到成熟阶段的演变过程。

建立岩溶含水层系统演化模型

并非易事，因为其中涉及许多不易量化的因素（如岩性异质性、气候多变性）。

然而，自20世纪90年代初以来，模型的应用日益广泛。

该模型显示，如果时间足够，岩溶系统将向水位洞穴方向发展（在隆起模型中，将形成多个水平洞穴层），泉水补给将从早期岩溶化阶段与多孔含水层类似的水文图及时演变为成熟岩溶阶段对降雨事件的典型闪泉响应。

另一个争论的问题是洞穴发育的最早阶段及其对洞穴系统最终形态的影响。

洞穴沿着石灰岩系列中数量有限的层理发育的观点相对较早，但最近被简述为所谓的起始层假说。

研究结果表明，超过70%的被分析的喷涌导管位于易溶解地层（即萌生层），从而有力地支持了起始层假说观点。

为什么厚碳酸盐岩演替中的特定基底面会成为萌生层，而其他基底面不会成为萌生层，了解这些基底面就可以预测导管系统的存在，这是今后需要研究的问题。

如果洞穴系统主要不是由地表水形成的（表生性洞穴），而是岩溶含水层由或多或少具有不同化学性质的热水（CO2或h3S富集水）从地下补给的，那么所谓的低成因洞穴的形态往往与表生性洞穴完全不同。

对世界各地许多洞穴的地貌观察和新洞穴系统的发现，增加了人们对低成因洞穴系统的了解，许多以前被认为是表生洞穴的洞穴，显示出它们经历了低成因发育阶段的明显迹象。

对洞穴及其充填物进行详细的地貌研究，往往有助于揭示洞穴所在地区的地貌演变历史，特别是基底面的变化，主要是通过构造抬升后的河流侵蚀。

对洞穴沉积物的进一步分析，包括碳酸盐洞穴、基岩坍塌碎片和粘土等自然沉积物，通常可以使我们将岩浆发生阶段限定在一个年代学的时间框架内。

未来发展

尽管过去40多年来岩溶研究取得了重大进展，但许多令人兴奋的研究领域仍有待深入探索。

洞穴探险家们不断在已知的洞穴系统中发现新的分支，或发现全新的地下世界（美国肯塔基州的猛犸洞穴，长590多公里；格鲁吉亚的Krubera-Voronja洞穴，深2190米）。

深部采矿和相关的抽水使新的洞穴成为可能，有时还蕴藏着特殊的洞穴矿物。

人类现在已经能够深入地下2公里以上。

在岩溶地质学家从未到过的岩溶地区进行勘探也有巨大的潜力，尤其是在中国这样近代才向外国勘探队开放的国家。

由于洞穴是地貌演化过程中最保守的环境之一，同时也是沉积物和其他地表物质（如动物、花粉等）的捕获地，因此这些过去气候和环境的档案，如果经过仔细的测绘、确定其年代

和相互预测，将成为把洞穴和岩溶科学推向顶峰的最有趣的工具之一。

有关洞穴的大多数重要研究都是在这一科学分支中进行的。

在过去的30年中，特别是年代测定技术取得了巨大的进步。

最初的14C方法（主要用于骨骼和木炭），使我们能够追溯到大约4万年前。

古地磁分析有助于洞穴沉积物的解释。

自20世纪70年代初以来，使用U/Th方法对洞穴沉积物进行了年代测定，获得了良好的可靠性，特别是10年后引入了TIMS，20世纪90年代初引入了ICP-MS，最近引入了激光烧蚀多收集器ICP-MS。

U/Th方法允许我们回到500万年前左右的时间，但最近U/Pb方法已经将这个范围远远超出了这个极限。

也可以利用存在于特殊矿物中的其他衰变放射性同位素来获得年龄约束，例如利用40Ar/39Ar方法获得矾土的年龄，从而为新墨西哥州特殊的瓜达卢佩山岩溶提供了11Ma的年龄。

事实上，矿物本身就可以作为特殊的气候代用指标，但由于难以确定其年代，通常只能得出一些一般性的结论。

另一种测定沉积物年代的方法是基于宇宙成因核素10Be/26Al，可以在洞穴中的石英颗粒（或鹅卵石）上进行测定。

这种方法仍有待改进，但可以测定沉积物的埋藏年代至5Ma左右。

另一个备受关注的领域是洞穴形成。

在过去的十年中，通过模型和详细的案例研究，人们对洞穴系统是如何发展的以及为什么它们具有特定的平面和剖面形式有了一个相对较好的认识。

尽管如此，仍有一些悬而未决的问题有待详细解答。

其中之一是凝结在成洞过程中的重要性，这一过程正日益得到认可。

这一过程是冷凝引起溶蚀的原因，尤其是在热液洞穴中，但在有重要气流的普通洞穴中，箱形结构和风化壁的存在表明，这一过程在非热液洞穴中也很重要。

对副成岩作用也应重新考虑：这一过程早在65年前就已为人所知，并在20世纪60年代末被广泛描述。

在副成岩过程中，沉积物的填充保护了洞道底部和下部，使其免受进一步溶解的影响，而溶解的方向则是向上的，形成了一系列典型的形态，如天花板半管、垂管等。

副成岩通常与基底的上升有关。

共生现象在石膏洞穴中很有名，但在石灰岩洞穴中也很普遍，通常被认为是当地人感兴趣的，但越来越多的观察似乎表明，许多洞穴可能部分（如果不是几乎完全这样的话）是由这一过程形成的。

最后，对洞穴中微生物在许多物理和化学过程中的作用研究还很少。

它们的活动不仅可以通过洞穴沉积物中有机物的正常分解产生更多的CO2，而且在特殊的地球化学环境中，如硫化氢低生洞穴，它们可以加速硫酸的产生，从而大大加快成洞速度。

岩溶地貌是一种独特的地质环境，它不仅延伸到地表，而且延伸到地下，是一种连续的栖息地和地质生态系统，大部分仍有待发现和研究。

这些环境中的许多可能会躲过人类的干扰，但那些最终会被进入的环境可能承载着过去环境和气候的重要记录，岩溶地貌学家有责任破译这些形态和/或沉积记录。

地表和地下地貌学是一个令人兴奋的多学科科学研究领域，经常能够在世界上美丽而偏远的地区工作。

岩溶和洞穴界正在不断发展壮大，科学交叉的机会也越来越多。

洞穴和岩溶科学家有机会揭开尚存的神秘面纱，但他们必须意识到，他们是在一个极其脆弱和独特的环境中工作，必须为子孙后代保护这个环境。