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喀斯特溶蚀形态和沉积形态:看层理被外形切断还是包着外形

走进石灰岩洞穴,头顶垂着锥状的石钟乳,地面立着笋状的石笋,出了洞又是石林和溶沟。多数人把这些一律看作喀斯特,不再往下分。其实洞外的石林是岩石被溶掉之后剩下来的,洞里的钟乳是碳酸钙重新沉淀堆上去的,一减一加,方向相反。

先看物质来源:一个留下原岩,一个长出次生方解石

溶蚀形态是原岩被水带走后留下的界面,界面就是岩体自己的层面、节理面或断裂面。石芽、溶沟、溶斗、峰丛、天坑都属于这一类。敲下碎块,它仍是原来的石灰岩,层理、结核、生物碎屑都在,微观结构和颗粒边界一点没变。

沉积形态是水中的碳酸钙重新结晶堆起来的,石钟乳、石笋、石柱、石幔、边石坝都属于这一类。它的物质是次生方解石,颜色偏白,质地均匀,看不到原岩的层理,也没有结核和碎屑,连化石都罕见,敲开后都呈砂糖状。

层理被外形切断的是溶蚀,纹层包着外形的是沉积

溶蚀形态的外形不受层理控制。崖面与沟壁常斜切过层面,层理在壁上被外形截断,一段段悬着,像被刀切开的书页。沉积形态正好相反,生长纹层沿着外表面一层层包上去,纹层与外形平行,像年轮包着树干,一层不落。

在洞里找一处断口最见效。溶蚀形成的壁面平整干燥,常带铁锰浸染的黑色薄壳,摸上去有细砂感;沉积形成的断面是白的,纹层一圈套一圈,敲下来呈块状,断口粗糙但不见层理。这一条肉眼就能分,不用放大镜。

次生方解石硬度 3,晶体垂直生长面排成梳齿

次生方解石的硬度是 3,指甲划不动,小刀能划动,密度 2.71 克/立方厘米。晶体多呈纤维状或柱状,垂直生长面排列,切面上像一排梳齿,齿长 1–10 毫米,这是洞穴沉积在镜下最稳的特征,与成岩后胶结的粒状方解石完全不同。

生长速率也能测。石笋的年生长层厚多在 0.01–0.5 毫米,一根 1 米高的石笋往往要几万年才长成。看到直径 1 米、高 3 米的石柱,可以判断它不是几十年堆出来的,时间尺度本身就是判据,这比外形和颜色都硬,也更好记,更直观。

混进来的是钙华,它在地表而不在洞里

钙华也叫泉华,同样是次生碳酸钙,却形成在地表。泉水出口、瀑布跌水处、溪流床底,因水流脱气和藻类作用沉淀,常带藻纹层和孔洞,形态成阶地、堤坝、锥体,颜色偏黄褐,并不在洞穴里,与洞内沉积的白色调并不相同。

石林式的柱状形态也常被误当沉积。它是溶蚀残留:垂直节理把岩体切成柱,柱间被溶蚀加宽,柱顶留有溶蚀凹槽和红土,柱面没有生长纹层。看到柱顶凹槽,就该往溶蚀上判,不要被柱子的整齐骗过去,柱身上也少有层理。

关键数据

下列数值取自岩溶学教材与区域观测的常见区间,同一地区不同岩性会有偏移。记录时按区间写,不要当定值直接引用;单点与区间差得远时,先核对岩性和水系条件,再考虑换结论,不要先改数字,也别四舍五入。

  • 湿润亚热带碳酸盐岩区的溶蚀速率常为 20–60 毫米/千年。
  • 石芽高出地面 0.5–2 米,溶沟宽 0.1–1 米。
  • 溶蚀漏斗直径 10–100 米,深 2–20 米。
  • 石笋年生长层厚多在 0.01–0.5 毫米。
  • 洞穴沉积纹层的单层厚 0.01–5 毫米。
  • 方解石硬度 3,密度 2.71 克/立方厘米。

边界

被红土和植被盖住的溶蚀面会失效。红土充填在溶沟与石芽之间,外形被掩埋,只剩顶面,量不出沟宽和芽高。洞穴里早期的溶蚀面若被后期沉积覆盖,界面关系也随之反过来,先后顺序读不出来,只能靠区域资料补。

白云岩区的尺度要另算。白云岩溶解慢,同样的时间内形态小一号,用石灰岩的石芽高度和漏斗直径去套,会把地形的年龄估短。本文判断,岩性不明时只报形态类型,不报年龄,也不套用石灰岩的经验值,结论留余地。

参考文献

  • 袁道先.《中国岩溶学》. 地质出版社, 1994. —— 溶蚀速率与岩溶形态分类。
  • 任美锷, 刘振中.《岩溶学概论》. 商务印书馆, 1983. —— 溶蚀形态与沉积形态。
  • Ford D C, Williams P W. Karst Hydrogeology and Geomorphology. Wiley, 2007. —— 洞穴沉积物生长速率。
  • 全国科学技术名词审定委员会.《地质学名词》. 科学出版社, 1993. —— 石芽、溶斗、钙华条目。
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文章名称:喀斯特溶蚀形态和沉积形态:看层理被外形切断还是包着外形
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