喀斯特

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喀斯特地貌(云南石林)
贵州茂兰国家级保护区内的喀斯特森林
喀斯特溶洞:猕猴洞,位于海南东方黎族自治县境内的猕猴岭

  喀斯特汉语拼音:Kasite;英语:karst;斯洛文尼亚语:Kras,意大利语:Carso,德语:Karst),天然水对可溶岩碳酸盐岩硫酸盐岩卤化物岩等)的化学溶蚀、迁移与再沉积作用的过程及其产生现象之总称。中国又称岩溶。喀斯特一词取自欧洲巴尔干半岛西北部石灰岩高原的地名Kras,意为贫瘠多石之地。该词1840年始见于文献。世界各地与此地相似的石灰岩地形因此命名为喀斯特地形。

  降水沿土壤孔隙和可溶岩裂隙下渗成为地下潜流,生成洞穴和地下河系统;罹致地面塌陷,星罗棋布落水洞、漏斗及其他洼地和溶蚀裂隙,地面宛如漏勺,坎坷嶙峋,多陡壁的石山;成土慢又经流失,土地干瘠多石,生态脆弱,易石质荒漠化,旱涝灾害频繁;工程建设常遇渗漏、地基不稳和突水等危害。喀斯特区也蕴藏着丰富的地下水、矿产和旅游等资源。全球约25%的人口,部分或全部地靠喀斯特水供水。

研究简史

  1795年霍通论述了碳酸在石灰岩溶蚀中的作用。J.茨维伊奇发表《喀斯特现象》(1893)和《喀斯特地下水文与地形演化》(1918)等论著,奠定了现代喀斯特的科学基础。中国有文字记述喀斯特的,可追溯到先秦时期的《山海经》。明朝徐霞客1637~1638年考察西南喀斯特区,探洞270多个,在《徐霞客游记》中论述喀斯特地貌与洞穴沉积的成因、类型和区域分异,比欧洲早期阶段著作J.加法尔的《地下世界》(1654)等还早。

发生机理

  从空气获得CO2的天然水,结合成的碳酸水对碳酸盐岩发生化学反应,形成随水运动的钙、镁离子和重碳酸根离子,岩石被溶蚀迁移,当从空气溶入水中的CO2增加时便发生溶蚀作用;反之,当水中逸出CO2使水中CaCO3处于过饱和,则析出碳酸钙沉积。除碳酸外,其他酸也有类似的作用。

作用与发育

  这种溶蚀与沉积的化学过程,附加水力与重力侵蚀—搬运—堆积过程,统称喀斯特作用。喀斯特发育于喀斯特作用区,其强弱受气候、岩性、构造及生物等因素的控制。除源于地壳深部的水外,参与喀斯特作用的CO2很大部分来自生物成因,而生物的碳代谢使土壤空气比正常大气CO2浓度高数倍,乃至百余倍以上。因此,喀斯特发育与分布具有地带性,如中国南方热带喀斯特以峰林和洼地为代表;北方温带喀斯特以干谷和大泉为特征。此外,随着古环境的变化,喀斯特发育还具多期性或多代性。

类型与亲缘

  除地带性分类和按发育强弱分类外,还可根据其存在状态,分为直接出露地表的裸露喀斯特;在松散沉积物下的覆盖喀斯特;上覆有非可溶岩层的埋藏喀斯特;一些与现代水文–气候系统相分离的,居于碎屑岩覆盖层下的,称古喀斯特;另一些寓于现代系统中,离开发育时的环境与状态的,称残遗喀斯特;石膏、硬石膏和盐岩区所发育的硫酸盐岩或盐岩喀斯特,统称类喀斯特;钙质碎屑岩和黄土区发育假喀斯特;冰川与冻土区,因热力作用融化成热喀斯特。此外,还有来自地壳深部的热水喀斯特。

中国的喀斯特

贵州花江峡谷的喀斯特石漠化

  中国的喀斯特分布广泛,碳酸盐岩的分布面积达344万平方公里;碳酸盐岩出露面积达91万平方公里。喀斯特地区奇特的地质地貌常造就宝贵的旅游资源,如广西桂林山水、贵州黄果树瀑布和织金洞、云南石林、四川黄龙和九寨沟、北方的北京石花洞等;喀斯特地区丰富的地质记录,如洞穴沉积物等,则为开展古环境和古气候的研究提供了得天独厚的条件。同时,喀斯特地区富钙的环境和地表各圈层都存在地表、地下的二元结构,也给喀斯特地区带来了一系列的特殊的环境地质问题,如石漠化、地面塌陷、旱涝灾害、地表水资源匮乏等。

  其中最为严重的是西南地区石漠化问题,其分布面积达到了13万平方公里;作为长江和珠江中上游的生态屏障,石漠化问题必然对中下游的生态环境带来威胁。这些问题受到了国家的高度重视,为此,科技部于2006年启动了国家重大研究基础规划(973)项目"西南喀斯特山地石漠化与适应性生态系统调控", 国务院于2008年公布了《岩溶地区石漠化综合治理规划大纲》,并选择了100个有代表性的石漠化县份作为试点,以探索石漠化综合治理的模式。同时,喀斯特地区是我国煤炭、石油、天然气、有色金属及水电资源和矿产等的重要分布区,但因对喀斯特空间分布规律了解的局限性,给其勘探、评价及开发带来较大困难。

  西南喀斯特地区的石漠化作为荒漠化的主要类型之一,正日益扩展,正在吞噬着喀斯特地区民众的生存空间,已经成为我国西南最严峻的生态经济问题,构成灾害和贫困之源。能否正确认识喀斯特石漠化的科学内涵,了解其现状、成因及演化规律,准确把握喀斯特生态经济系统中物质循环和能量流动,特别是人类强烈活动作用下喀斯特生物地球化学场的演化过程,为退化喀斯特生态系统的恢复和重建提供理论依据,构成当前地球系统科学的前沿问题之一。

  生态建设作为西部大开发的重中之重,必须以基础科学研究为先导,喀斯特石漠化治理的前提是开展土地石漠化成因机制的研究,只有得到喀斯特石漠化成因理论的有利支撑,才能有效地避免大规模生态重建的盲目性,并降低其风险性。

  喀斯特石漠化是由人类经济活动与脆弱的生态环境背景相互作用的综合结果,所以对喀斯特石漠化的研究必须实现大跨度的学科交叉,特别是地球系统科学与生态学、农业、社会学等学科之间的交叉。通过多学科的相互渗透,协同开展事实分析、机理探索和数值模拟相结合的集成研究,把区域与全球研究相结合,典型地带和大范围分析相结合,地面和遥感信息相结合。喀斯特科学数据中心本着上述目的,对当前已有的资料进行归纳与总结,期望能为喀斯特科学理论研究和石漠化的研究与综合防治,做些踏踏实实的实际工作。为广大科学研究人员提供一个基础数据资料平台和一个各抒己见的场所,以期为喀斯特的研究和石漠化的治理作出应有的贡献。