工程地质分析与实践
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2.1 岩溶(喀斯特)地貌

岩溶即喀斯特(Karst),是水对可溶性岩石(碳酸盐类岩石、硫酸盐类岩石、卤盐类岩石等)进行以化学溶蚀作用为主,流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的地质作用,以及由这些作用所产生的现象的总称。由喀斯特作用所造成的地貌,称喀斯特地貌(岩溶地貌)。“喀斯特”(Karst)原是南斯拉夫西北部伊斯特拉半岛上的石灰岩高原的地名,那里有发育典型的岩溶地貌。

喀斯特地貌分布在世界各地的可溶性岩石地区。可溶性岩石有3类:①碳酸盐类岩石(石灰岩、白云岩、泥灰岩等);②硫酸盐类岩石(石膏、硬石膏和芒硝等);③卤盐类岩石(钾、钠、镁盐岩石等),总面积达51×106km2

岩溶占地球总面积的10%。从热带到寒带、由大陆到海岛都有岩溶地貌发育。较著名的区域有中国广西、云南和贵州等省(自治区),及越南北部、南斯拉夫狄那里克阿尔卑斯山区、意大利和奥地利交界的阿尔卑斯山区、法国中央高原、俄罗斯乌拉尔山、澳大利亚南部、美国肯塔基州和印第安纳州、古巴及牙买加等地。中国岩溶地貌分布广、面积大,主要分布在碳酸盐岩出露地区,面积约91万~130万km2。其中以广西、贵州和云南东部所占的面积最大,是世界上最大的喀斯特区之一。西藏和北方一些地区也有分布。岩溶地貌的有关内容在6.3节中还有介绍。

2.1.1 岩溶地貌类型

岩溶地貌可划分成许多不同的类型。按出露条件分为:裸露型喀斯特、覆盖型喀斯特、埋藏型喀斯特。按气候带分为:热带喀斯特、亚热带喀斯特、温带喀斯特、寒带喀斯特、干旱区喀斯特。按岩性分为:石灰岩喀斯特、白云岩喀斯特、石膏喀斯特、盐喀斯特。此外,还有按海拔高度、发育程度、水文特征、形成时期等多种划分法。由其他不同成因而产生形态上类似喀斯特的现象,统称为假喀斯特,包括碎屑喀斯特、黄土和黏土喀斯特、热融喀斯特和火山岩区的熔岩喀斯特等。它们不是由可溶性岩石所构成,在本质上不同于喀斯特。

2.1.2 地表岩溶形态

溶沟和石芽:地表水沿岩石表面流动,由溶蚀、侵蚀形成的许多凹槽称为溶沟。溶沟之间的突出部分叫石芽。

石林:这是一种高大的石芽,高达20~30m,密布如林,故称石林。在热带多雨条件下,形成于纯度高、厚度大、层面水平的石灰岩区。

峰丛、峰林和孤峰:峰丛和峰林是石灰岩遭受强烈溶蚀而形成的山峰集合体。其中峰丛是底部基座相连的石峰。峰林是由峰丛进一步向深处溶蚀、演化而形成。孤峰是岩溶区孤立的石灰岩山峰,多分布在岩溶盆地中。

溶斗和溶蚀洼地:溶斗是岩溶区地表圆形或椭圆形的洼地。溶蚀洼地是由四周为低山、丘陵和峰林所包围的封闭洼地。若溶斗和溶蚀洼地底部的通道被堵塞,可积水成塘,大的可以形成岩溶湖。

落水洞、干谷和盲谷:落水洞是岩溶区地表水流向地下或地下溶洞的通道,它是岩溶垂直流水对裂隙不断溶蚀并随坍塌而形成。在河道中的落水洞,常使河水汇入地下,使河水断流形成干谷或盲谷。

2.1.3 地下岩溶形态

地下岩溶主要为溶洞。溶洞又称洞穴,它是地下水沿着可溶性岩石的层面、节理或断层进行溶蚀和侵蚀而形成的地下孔道。溶洞中的喀斯特形态主要有石钟乳、石笋、石柱、石幔、石灰华和泉华。

2.1.4 我国现代岩溶区域分带特征

中国岩溶地貌分布之广,类型之多,为世界罕见。在中国,作为喀斯特地貌发育的物质基础——碳酸盐类岩石(如石灰石、白云岩、石膏和盐岩等)分布广泛。据不完全统计,喀斯特总面积200万km2,其中裸露的碳酸盐类岩石面积约130万km2,约占全国总面积的1/7;埋藏的碳酸盐岩石面积约70万km2。碳酸盐岩石在全国各省区均有分布,但以桂、黔和滇东部地区分布最广。湘西、鄂西、川东、鲁、晋等地,碳酸盐岩石分布的面积也较广。

中国现代喀斯特是在燕山运动以后准平原的基础上发展起来的。老第三纪喀斯特时,华南地区为热带气候,峰林开始发育;华北地区则为亚热带气候,至今在晋中山地和太行山南段的一些分水岭地区还遗留有缓丘-洼地地貌。但当时长江南北却为荒漠地带,是喀斯特发育很弱的地区。新第三纪时,中国季风气候形成,奠定了现今喀斯特地带性的基础,华南地区保持了湿热气候,华中地区变得湿润,喀斯特发育转向强烈。尤其是第四纪以来,地壳迅速上升,喀斯特地貌随之迅速发育,类型复杂多样。随冰期与间冰期的交替,气候带变动频繁,在交替变动中有逐步南移的特点,华南地区热带峰林的北界达南岭、苗岭一线,在湖南道县为北纬25°40′,在贵州为北纬26°左右。这一界线较现今热带界线偏北约3~4个纬度,可见峰林的北界不是在现代气候条件下形成的。中国东部气温和雨量虽是向北渐变,但喀斯特地带性的差异却非常明显。这是因为受冰期与间冰期气候的影响,间冰期时中国的气温较高雨量较大,有利于喀斯特发育。而冰期时寒冷少雨,强烈地抑制了喀斯特的发育,但越往热带其影响越小。在热带峰林区域,保持了峰林得以断续发育的条件,而从华中地区向东北地区则影响越来越大,喀斯特作用的强度向北迅速降低,使类型发生明显的变化。广大的西北地区,从第三纪以来均处于干燥气候条件下,是喀斯特几乎不发育的地区。

中国东部喀斯特地貌呈纬度地带性分布,自南而北为热带喀斯特、亚热带喀斯特和温带喀斯特。中国西部由于受水分的限制或地形的影响,属干旱地区喀斯特(西北地区)和寒冻高原喀斯特(青藏高原)。

热带喀斯特以峰林-洼地为代表,分布于桂、粤西、滇东和黔南等地,地下洞穴众多,以溶蚀性拱形洞穴为主。地下河的支流较多,流域面积大,故称地下水系,平均流域面积为160km2,最大的地下河流域面积喀斯特达1000km2。地表发育了众多洼地,峰丛区域平均每平方公里达2.5个,洼地间距为100~300m,正地形被分割破碎,呈现峰林-洼地地貌。峰林的坡度很陡,一般大于45°。峰林又可分为孤峰、疏峰和峰丛等类型,奇峰异洞是热带喀斯特的典型特征。

中国热带海洋的珊瑚礁是最年轻的碳酸盐岩,大多形成于晚更新世和全新世。高出海面仅几米至十余米,发育了大的洞穴和天生桥、滨岸溶蚀崖及溶沟、石芽等,构成礁岛的珊瑚礁多溶孔景观。

亚热带喀斯特以缓丘-洼地为代表,分布于秦岭淮河一线以南。地下河较热带多而短小,平均流域面积小于60km2。洼地较少,每平方公里仅为1个左右,且从南向北减少,相反,干谷的比例却迅速增加。正地形不典型,主要为馒头状丘陵,其坡度一般为25°左右,洞穴数量较热带大为减少,以溶蚀裂隙性洞穴居多,溶蚀型拱状洞穴在亚热带喀斯特的南部较多。

温带喀斯特以喀斯特化山地干谷为代表,地下洞穴虽有发育,但一般都为裂隙性洞穴,其规模较小。喀斯特泉较为突出,一般都有较大的汇水面积和较大的流量,例如趵突泉和娘子关泉等。这一带中洼地极少,干谷众多。喀斯特正地形与普通山地类同,唯山顶有残存的古亚热带发育的缓丘-洼地和缓丘-干谷等地貌。强烈下切的河流形成峡谷,局部地区有类似峰林地貌,如拒马河两岸。

干旱地区喀斯特现象发育微弱,仅在少数灰岩裂隙中有轻微的溶蚀痕迹,有些裂隙被方解石充填,地下溶洞极少,已不能构成渗漏和地基不稳的因素。

寒冻高原喀斯特,青藏高原喀斯特在冰缘作用下,冻融风化强烈,喀斯特地貌颇具特色。常见的有冻融石丘、石墙等,其下部覆盖冰缘作用形成的岩屑坡,山坡上发育有很浅的岩洞,还可见到一些穿洞,偶见洼地。

2.1.5 岩溶地貌研究意义

喀斯特地区地表异常缺水和多洪灾,但地下水蕴藏丰富,径流系数在热带喀斯特区域为50%~80%,亚热带喀斯特区域为30%~40%,温带喀斯特区域为10%~20%。在华北一些喀斯特石灰岩分布地区,地下水在山前以泉的方式流出,如北京玉泉山的泉水、河南辉县的百泉、山西太原的晋祠泉、济南的趵突泉等。合理开发利用喀斯特泉,对工农业的发展有重要意义。

在南方多地下河,引喀斯特泉、堵地下河、钻井提水等方法可解决工农业用水。地下河纵剖面呈阶梯状,有丰富的水能资源,可以筑坝发电。如云南丘北六郎洞水电站,是中国第一座利用地下河的水电站。湖南、贵州也利用这种优越条件建造了多座400kW以上的地下水电站。喀斯特地区的地下洞穴,常造成水库渗漏,对坝体、交通线路和风电场建筑等构成不稳定的因素。研究和探测地下洞穴的分布,采取合理处理措施,是喀斯特地区工程建设成功的关键。