科普中國-喀斯特地貌

喀斯特地貌（Karst Landform），是地下水與地表水對可溶性巖石溶蝕與沉淀，侵蝕與沉積，以及重力崩塌、坍塌、堆積等作用形成的地貌，以斯洛文尼亞的喀斯特高原命名，中國亦稱之為巖溶地貌，為中國五大造型地貌之一12。

喀斯特地貌分地表和地下兩大類，地表有石芽與溶溝，喀斯特漏斗，落水洞，溶蝕洼地，喀斯特盆地與喀斯特平原，峰叢、峰林與孤峰；地下有溶洞與地下河，暗湖1。

喀斯特地貌在中國分布最廣，其集中分布于桂、黔、滇等省區(qū)，川、渝、湘、晉、甘、藏等省區(qū)部分地區(qū)亦有分布31?？λ固氐孛苍谑澜缙渌貐^(qū)主分布于波黑迪納拉山區(qū)、法國中央高原、俄羅斯烏拉爾山區(qū)、澳大利亞南部、美國中東部、大安的列斯群島和越南中北部地區(qū)4。

2023年6月，新疆阿爾金山發(fā)現(xiàn)逾2500平方公里喀斯特地貌45。

喀斯特地貌因其具有多種多樣的造型地貌，美學價值較高，許多喀斯特景觀地被開發(fā)成旅游景點，如云南石林、貴州荔波、重慶武隆、重慶金佛山、貴州施秉、廣西桂林和環(huán)江，聯(lián)合以“中國南方喀斯特”列入世界自然遺產(chǎn)名錄。

此外，喀斯特地貌有豐富的地下水資源，埋藏著大量的古生物和古人類化石，或成為儲存鋁土礦、砂礦及油氣的良好場所，因此喀斯特地貌具有重大的科研意義與生產(chǎn)價值5。

科學研究

科研歷史

中國是世界上對喀斯特地貌現(xiàn)象記述和研究最早的國家，早在明代的王守仁和宋應星，就對石灰?guī)r巖溶地貌做過比較確切的描述。特別是宋應星，還對巖溶及石灰華的再沉積機理，做過開創(chuàng)性的研究和記述。但明代徐宏祖（1586年—1641年）所著的《徐霞客游記》記載最為詳盡6。

19世紀末，南斯拉夫?qū)W者茨維奇（J.Cvijic）借用亞德里亞海北部沿岸喀斯特高原的名稱來形容石灰?guī)r的地貌、水文現(xiàn)象5。

喀斯特地貌是長期發(fā)育的產(chǎn)物，其演化模式在侵蝕循環(huán)學說的影響下，從早期格朗德（A.Grund）、雅庫斯（L.Jakucs）和威廉姆斯（P.W.Williams）的模式，基本為定性3-4階段模式。

20世紀50至60年代，中國地學界對喀斯特地貌的研究主要集中于類型方面3。

1966年，中國在第一屆喀斯特學術(shù)會議上提出將喀斯特改為巖溶，作為Karst的同義語5。

1972年史密斯（D.I.Smith）等提出外成喀斯特地貌演化數(shù)學模型后，用數(shù)學方法建立喀斯特地貌發(fā)育與動力、形態(tài)因素的數(shù)學模型開始得到發(fā)展。如1988年懷特（W.B.White）又提出喀斯特地形發(fā)育速率過程模型。

20世紀70至80年代，中國學者進一步開展喀斯特溶洞、溶盆及發(fā)育演化規(guī)律的研究3。

20世紀80年代初，中英巖溶地質(zhì)學家在中國的聯(lián)合洞穴探險活動中發(fā)現(xiàn)了四川興文特大型漏斗——“大巖灣”和“小巖灣”8。

1988年，中國自然科學名詞審定委員會公布《地理名詞》，喀斯特地貌仍被定名為喀斯特，又稱巖溶5。

20世紀90年代后，中國學者對喀斯特地貌的研究逐漸跨入喀斯特水環(huán)境、生態(tài)地貌分類分區(qū)研究3。

進入21世紀，中國地學界針對石漠化生態(tài)修復與建設(shè)等問題，深入開展了土壤侵蝕特征、小流域生態(tài)恢復、SAR影響配準及石漠化巖性、土地利用關(guān)系等方面的研究。為探索喀斯特地區(qū)侵蝕模數(shù)與侵蝕因子的相關(guān)關(guān)系，開展了不同坡度條件下土壤侵蝕模數(shù)的多因子方程篩選回歸模型研究，提高了緩坡、陡坡侵蝕產(chǎn)沙預測精度3。

科研成果

• 古代著作

2000多年前，中國古書《山海經(jīng)》對溶洞、伏流、石山等現(xiàn)象已有提出5。

宋代沈括的《夢溪筆談》、范成大的《桂海虞衡志》和周去非的《嶺外代答》對巖溶現(xiàn)象已有較多記載5。

明代徐宏祖的《徐霞客游記》對喀斯特地貌的研究比歐洲早250余年5。其對喀斯特地貌的類型、分布和各地區(qū)間的差異，尤其是喀斯特洞穴的特征、類型及成因，有詳細的考察和科學的記述。在廣西、貴州、云南，他探查過的洞穴有270多個，且都有方向、高度、寬度和深度的具體記載。并初步論述其成因，指出一些巖洞是水的機械侵蝕造成，鐘乳石是含鈣質(zhì)的水滴蒸發(fā)后逐漸凝聚而成等。

• 近現(xiàn)代理論

近現(xiàn)代西方對喀斯特地貌的發(fā)育理論研究成果主要有**“循環(huán)演化論”**（以w．M臺維斯為代表）和Davis和Ground的喀斯特地區(qū)地理循環(huán)理論10。

中國學者根據(jù)Davis和Ground的喀斯特地區(qū)地理循環(huán)理論和總結(jié)了中國喀斯特研究的實踐，提出了一套喀斯特發(fā)育理論，如漸進演化論（以何宇彬、楊明德為代表）；“地殼上升速度與剝蝕速度對比論”（以張之淦、盧耀如為代表）；“同時態(tài)系統(tǒng)演化論”（以朱學穩(wěn)、朱德浩為代表）11。

• 現(xiàn)代研究趨勢

21世紀現(xiàn)代喀斯特地貌的研究趨勢表現(xiàn)為喀斯特地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)研究、喀斯特古環(huán)境與全球變化研究、風景旅游洞穴環(huán)境的改善與景觀老化的防治和實驗和量化喀斯特地貌的研究12；如“水利水電建設(shè)中喀斯特滲漏問題” 研究成果1987年獲國家優(yōu)秀勘察獎、廣西壯族自治區(qū)科技進步一等獎13。

• 喀斯特地貌研究組

對于喀斯特與旅游地貌的研究成果，主要為1972年，中科院地理所地貌室設(shè)置喀斯特地貌研究組。研究組主動借鑒國外技術(shù)，并自主完善和創(chuàng)新改進，緊密結(jié)合國家和地方水利水電工程、廠礦道路建設(shè)、區(qū)域旅游開發(fā)等生產(chǎn)實踐，不斷深入研究喀斯特地貌地球物理化學過程，探索喀斯特地貌發(fā)育演化規(guī)律，先后承擔并完成了國家和地方重大科研項目20多項，出版著作10多部，發(fā)表相關(guān)論文100多篇13。這些成果很大程度上指導了巖溶洞穴、喀斯特地貌景觀的旅游開發(fā)和保護。

研究組在中國喀斯特洞穴發(fā)育的區(qū)域分異、地帶性因素、洞穴成因與溶蝕作用、洞穴發(fā)育雙酸模式、碳酸鹽巖表層硬度、喀斯特溶蝕強度分析與估算、表層喀斯特發(fā)育與生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系、喀斯特地貌系統(tǒng)對氣候響應過程模型等方面展開了廣泛和深入研究141516171819。發(fā)現(xiàn)了堿性鈣溶液吸收二氧化碳化學動力學機理，建立了碳酸水與硫酸水雙成因洞穴發(fā)育的雙酸模式，弄清了生物對土壤二氧化碳貢獻及土壤二氧化碳對皮下帶表層喀斯特過程的驅(qū)動作用，揭示了巖石表面生態(tài)及其對巖石表面色彩與石林溶蝕形態(tài)形成的作用，構(gòu)建了溶蝕對降水、氣溫等的復雜響應過程模型等，豐富了喀斯特地貌基礎(chǔ)理論13。

針對喀斯特地區(qū)的水庫滲漏、電站安全以及地下水的開發(fā)利用等方面，研究組做了卓有成效的應用研究工作。如成功解決了紅水河第一級水電樞紐大化水庫以及巖灘水電樞紐庫區(qū)的喀斯特滲漏問題20、完成了北京?？谟畮毂狈娇λ固貞彝泄鹊姆罎B工程21，分析了貴州獨山南部、德江、普定以及大連金州、河北曲陽等喀斯特地下水開發(fā)利用等22。針對紅水河流域環(huán)境地質(zhì)綜合評價國家任務，先后完成了 '紅水河流域環(huán)境喀斯特研究、報告及其專題地貌圖23，隨著區(qū)域研究積累，還進行了中國喀斯特地貌連片綜合研究24。

在喀斯特地貌的基礎(chǔ)和應用研究過程中，研究組很早就引進并改進先進技術(shù)，在具體的研究中又自己發(fā)明創(chuàng)造了各種新技術(shù)和手段。如應用染色石松孢子和螢光素示蹤法，進行不同季節(jié)喀斯特地下水通道的示蹤試驗，成功地斷定不會跨越地下分水嶺向鄰谷滲漏，完成了水庫建設(shè)可行性論證方案25。首創(chuàng)并應用“洼地分析法”、利用與地下水聯(lián)系密切的地面洼地走勢，在室內(nèi)繪出喀斯特地下通道大體平面分布，指導實地調(diào)查和洞穴探測2627。使用環(huán)境同位素示蹤分析，查清了滲漏因素與途徑，制定了多層次水庫防滲方案28。此外，該研究組還首先將航空紅外遙感技術(shù)應用到探測巖溶的試驗中，取得了良好的示范效果13。

此外，研究組還先后完成了浙江瑤琳洞、河北臨城白云洞、云南彌勒白龍洞、福建龍巖龍眡洞、路南石林景觀等典型喀斯特景觀的形成、發(fā)育、演化及其景觀評價的調(diào)查論證科研報告2930313233。1997年~2004年組織的云南石林與國外劍狀喀斯特對比、云南石林和貴州荔菠峰林及重慶武隆芙蓉洞——天坑喀斯特捆綁式，中國南方喀斯特申請世界自然遺產(chǎn)名錄論證報告，為成功申遺奠定了堅實基礎(chǔ)34。隨著旅游業(yè)的發(fā)展，業(yè)界對旅游資源的調(diào)查、分類、評價等提出了更加準確和科學的要求，20世紀90年代以來，地貌室科研人員又積極參與國家旅游標準化研究和國家標準起草工作，完成了多項與旅游地貌緊密相關(guān)的國家標準13353637。

發(fā)育過程

喀斯特地貌發(fā)育與地下水位關(guān)系密切，而后者又隨當?shù)睾用婊蚝Ｆ矫娑兓虼撕用婊蚝Ｆ矫婕词强λ固氐孛驳那治g基面，從另一種意義上說可溶性巖石的底板則是地下喀斯特的基面?？λ固氐孛驳难莼Ｊ皆谇治g循環(huán)學說的影響下，從早期格朗德（A.Grund）、雅庫斯（L.Jakucs）和威廉姆斯（P.W.Williams）的模式，基本為定性3-4階段模式。

如地殼上升后長期穩(wěn)定，石灰?guī)r致密、層厚且產(chǎn)狀平緩，將首先發(fā)育石芽、溶溝、漏斗和落水洞，繼而形成獨立洞穴系統(tǒng)，地下水位高低不一。隨后獨立溶洞逐漸合并為統(tǒng)一系統(tǒng)，地下水位亦趨一致。地下水位之上出現(xiàn)干溶洞、地下水位附近發(fā)育地下河，地面成為缺水的蜂窩狀。再后地面蝕低，淺溶洞與地下河因崩塌而露出地表，地下河陸續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)榈孛婧?，破碎的地面出現(xiàn)溶蝕洼地與峰林。最后，喀斯特盆地不斷蝕低、擴大，地面廣布蝕余堆積物，形態(tài)接近準平原，但仍然殘存孤峰。

上述過程只是一種理想過程，僅見于廣西賓陽縣黎塘鎮(zhèn)和貴港市一帶?？λ固匕l(fā)育過程的實際情況則是地殼運動與氣候變化經(jīng)常對喀斯特地貌發(fā)育發(fā)生干擾，以致中緯度地區(qū)大量保留多種氣候條件下形成的喀斯特地貌形態(tài)，云貴高原新生代熱帶峰林在高原上升后成為一種遺跡。而現(xiàn)代喀斯特地貌，已經(jīng)改向與其亞熱帶氣候相適應的喀斯特丘陵發(fā)展14。

形成過程

機制原理

• 化學機制

1884年，美國學者戴維斯（Davis）提出喀斯特地區(qū)地理循環(huán)理論（后于1885年首次發(fā)表論文初次提出陸地侵蝕地貌理論，1899年再次發(fā)表論文系統(tǒng)性的闡述了地理循環(huán)理學說），指出喀斯特作用的化學機制為當水中含二氧化碳時，水對石灰?guī)r的溶解能力很強，二氧化碳與水化合形成碳酸，后者電解析出氫離子，與石灰?guī)r中的碳酸根離子作用形成離子狀態(tài)的溶解物質(zhì)鈣離子和碳酸氫根離子，并隨水流失，其反應式如下：

溶解過程：

CO2+H2O+CaCO3 → Ca2++2HCO3-

結(jié)果：在可溶性巖石上留下溶溝、空洞等，并為后來的機械侵蝕、崩塌等作用提供條件，形成喀斯特侵蝕地貌。

淀積過程：

Ca2++2HCO3 → CO2↑+H2O+CaCO3↓

結(jié)果：碳酸鈣堆積作用不斷進行，促進喀斯特堆積地貌的發(fā)育。

上述反應是可逆的，當水與空氣中二氧化碳減少，碳酸含量亦減少，碳酸鈣將發(fā)生沉淀。濕熱氣候條件下土壤二氧化碳含量比空氣中高數(shù)十倍，且反應速度很快，因而巖溶作用強，喀斯特地貌分布較廣111。

• 物理機制

水的溶蝕能力、巖石化學性質(zhì)及透水性對喀斯特過程起著決定性作用。濕熱氣候區(qū)地表水與地下水流量大且活動性強，故喀斯特作用強，反之干旱高寒氣候區(qū)喀斯特作用很弱。

在地殼長期穩(wěn)定且河流切割較深的可溶性巖石分布區(qū)，地下水垂直分帶明顯，包氣帶地下水以垂直向下運動為主，可形成極深的落水洞；淺飽水帶地下水以水平流動為主，常發(fā)育水平溶洞與暗河；過渡帶地下水水位隨季節(jié)升降；承壓水帶地下水活動受地質(zhì)構(gòu)造控制，可發(fā)生深部喀斯特。新構(gòu)造強烈上升區(qū)石灰?guī)r地層中不可能形成相同的地下水位，地下水垂直分帶不明顯1。

巖性構(gòu)造

碳酸鹽類巖石包括石灰?guī)r、白云巖和泥灰?guī)r等；硫酸鹽類巖石如石膏、硬石膏；鹵化物鹽類如巖鹽與鉀鹽，均屬于可溶性鹽類。按溶解度排序，鹵化物鹽類最大，硫酸鹽居中，碳酸鹽類最小，但喀斯特地貌卻主要發(fā)育在碳酸鹽類巖石尤其是石灰?guī)r分布區(qū)，這與其分布極廣且長露出地表有關(guān)。

石灰?guī)r的礦物成分主要為方解石，泥灰?guī)r兼有大量不溶解黏土，白云巖則以白云石為主。按溶解度從大到小排序為：石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r。因此石灰?guī)r最易喀斯特化，尤其是節(jié)理發(fā)育、層厚、質(zhì)純和位于區(qū)域性斷裂帶的石灰?guī)r，喀斯特作用最強1。

洞穴沉積物類型

1. 化學沉積物：滴石 、流石 、霧水和凝結(jié)水、毛細管水、微生物水等沉積的次生碳酸鈣。
2. 碎屑沉積物:（1）基巖溶蝕殘留物：溶蝕破裂、溶蝕孔洞、溶蝕次生交代；（2）崩塌沉積物：洞穴基巖/化學沉積物重力跌落；（3）流水沖積物（地下河湖/泉水/雨水/洪水；明渠/暗河中的牽引流及泥石流）；（4）風積物（洞口）。
3. 生物沉積物：骨骼、糞便、殼類、植物碎屑。
4. 人為沉積物：炭屑、燒骨、灰燼、有機質(zhì)、石器碎屑。

地貌類別

|| || 類別劃分

地表喀斯特

• 石芽

石芽指可溶性巖石表面溝壑狀溶蝕部分和溝間突起部分。石芽為蝕余產(chǎn)物，熱帶厚層純石灰?guī)r上發(fā)育形成的高大石芽常高達數(shù)十米，成為石林1。石芽除有裸露的外，還有埋藏的。從山坡上部到下部，由全裸露石芽過渡為半裸露石芽至埋藏石芽。

• 石林

石林由密集林立的錐柱狀、錐狀、塔狀石灰?guī)r體組合成的景觀，其間多為溶蝕裂隙，隙坡直立，坡壁上部有平行的溶溝。相對高度一般20m左右，高者可達50m。如云南路南石林。

• 溶溝

溶溝是地表水沿巖石裂隙溶蝕、侵蝕而成，寬20厘米至2米，深2厘米至3米，底部常填充泥土或碎屑1。

• 喀斯特漏斗

喀斯特漏斗由流水沿裂隙溶蝕而成，呈蝶形或倒錐形洼地，寬數(shù)十米，深數(shù)米至10余米，底部有垂直裂隙或落水洞1。

• 落水洞

落水洞多分布在較陡的坡地兩側(cè)和盆地、洼地底部，為流水沿裂隙侵蝕的產(chǎn)物。寬度一般不會超過10米，深可達數(shù)十米至數(shù)百米。廣西、重慶及四川南部地區(qū)稱之為“天坑”，一般稱豎井1。

• 溶蝕洼地

溶蝕洼地通常由喀斯特漏斗擴大或合并而成，面積小于10平方千米，具有封閉性1。

• 喀斯特盆地

喀斯特盆地又稱為坡立谷，是一種大型喀斯特洼地，面積一般為10-100平方千米以上，邊緣略陡并發(fā)育有峰林，底部平坦且覆蓋殘留紅土，多分布在地殼相對穩(wěn)定的區(qū)域，如云南硯山縣、羅平縣和貴州安順市1。

• 喀斯特平原

喀斯特盆地繼續(xù)擴大即形成喀斯特平原，地表覆蓋紅土并發(fā)育孤峰殘丘，如廣西賓陽縣黎塘鎮(zhèn)和貴港市1。

• 峰叢

峰叢是同一基座而峰頂分離的碳酸鹽巖山峰，常與洼地組合成峰叢-洼地地貌1。1637年，徐霞客乘船探察桂林冠巖時，看見草坪對岸群峰，他寫道“望隔江群峰叢合”，故以此命名。峰叢是巖溶發(fā)育初期由巖溶水的垂直滲入溶蝕擴大而成，峰與洼之間的相對高度小，山峰下部基座相連。

• 峰林

峰林為分散碳酸鹽巖山峰，通常由峰叢發(fā)育形成，當峰叢之間進一步溶蝕向深處發(fā)展，直到水平循環(huán)帶，這時地下河可能出露成地表河，使侵蝕作用加強，峰叢基座被切開，山峰相互分離成為峰林。但因受到構(gòu)造影響而形態(tài)多變，在水平巖層上多呈圓柱形或錐形，在大傾角巖層上多呈單斜式，相對高度100-200m，直徑小于高度，坡度較陡大多在60以上，分散或成群出現(xiàn)在平地上，形似樹林。在舒緩褶皺的純石灰?guī)r地區(qū)，峰叢成叢狀分布；在緊密褶皺、巖層傾角較陡的石灰?guī)r地區(qū)，峰林成排分布。氣候條件對峰林形態(tài)有影響，藏南古峰林遭寒凍風化破壞，峰林僅30-50米高，云貴高原峰林也因遭到破壞而較渾圓矮小，黔桂兩省區(qū)交接帶氣候較為炎熱，地下水垂直運動強烈，峰林高達300-400米1。

• 孤峰

孤峰是峰林發(fā)育晚期殘存的孤立山峰，多分布于喀斯特盆地底部或喀斯特平原上1